第三章 材料的物理性能

1、第一节 材料的热学性能第二节 材料的电学性能第三节 材料的磁学性能第四节 材料的光学性能第一节第一节 热学性能热学性能 由于材料及其制品都是在一定的温度环境下使用的，在使用过程中，将对不同的温度做出反映，表现出不同的热物理性能，这些热物理性能称为材料的热学性能。 材料热学性能材料热学性能主要有热容、热膨胀、热传导、热稳定性等。 固体材料的各种热学性能，均与构成材料的质点(原子、离子)热振动有关，点阵中的质点(原子、离子)总是围绕其平衡位置作微小振动，从而产生热量。这种振动称为晶格热振动。 晶格热振动是三维的。在三维方向上各质点热运动时动能的总和，即为该材料的热量。 我们研究材料的热学性能就是此

2、种热量的不同表现形式。我们研究材料的热学性能就是此种热量的不同表现形式。热容的利用热容的利用北方用的暖气片热膨胀的利用热膨胀的利用自控调温剂自控调温剂 温度控制阀温度控制阀 热膨胀的避免热膨胀的避免石英陶瓷石英陶瓷陶瓷阀陶瓷阀复合玻璃纤维板（保温材料）复合玻璃纤维板（保温材料）暖通空调领域的早暖通空调领域的早期应用，主要发挥期应用，主要发挥了它作为保温材料了它作为保温材料的热学性能。的热学性能。 保温材料保温材料保温毡保温毡保温材料保温材料硅酸铝制品硅酸铝制品 热传导材料热传导材料铝合金散热器铝合金散热器 导热油导热油一、热容一、热容 固体物质被加热时，特别是吸收一些能量后，温度会上升。热热容

3、是反映物质从外部环境吸收热量的能力性质容是反映物质从外部环境吸收热量的能力性质。物体在温度升高物体在温度升高1K时所吸收的热量称作该物体的热容时所吸收的热量称作该物体的热容，所以在温度t时物体的热容可以表达为： 1. 1. 热容的定义热容的定义ttTQC)(TQ是温度变化，所需要的能量， 加热过程体积不变（即不对外做功）：定容热容定容热容加热过程压力不变，体积自由向外膨胀：定压热容定压热容过程参量VVTQC)(ppTQC)( 通常CpCV，但对于物质的凝聚态，加热过程的体积变化甚微，Cp和CV 差异很小可以忽略，但在高温时，两者的差别增大。n质量大的物体比质量小的物体难以升温，所需要的热量与质

4、量有关。n定义单位质量的热容为比热容，用CT表示，单位 J/(kg.K) 或或 J/(g.K) n定义1mol材料的热容称为摩尔热容，用Cm表示，单位J/(mol.K) TTTQmc)(1TmTQnC)(1 工程上所用的平均热容是指物质在没有相变和化学反应条没有相变和化学反应条件下件下从温度T1升高到T2所吸收热量的平均值。12TTQC均金属材料的热容及影响因素金属材料的热容及影响因素金属热容由晶格振动晶格振动和自由电子自由电子两部分贡献组成，即：TTCCCeVmlVmVm3 自由电子对热容的贡献在极高温极高温和极低温极低温度下不可忽视，在常温时与晶格振动热容相比微不足道！2 2、热容随温度的

5、变化规律、热容随温度的变化规律 I区：05 K，CmT一般金属热容温度关系曲线（以Cu为例）：II区：CmT3，这一温度区间相当大。当温度达到D，热容趋于一常数3R(R为气体常数)。III区：温度大于D，热容曲线稍有平缓上升趋势，Cm3R，其增加部分来源于金属中自由电子对热容的贡献。1300 K1600 K1900 K2200 K2500 K2800 K3100 K3600 K钨29.3230.9532.5934.5737.8443.2663钽28.1428.9829.8530.8732.0834.06钼30.6632.5935.1139.6948.3铌27.6829.2330.9133.43

6、37.08金属材料热容Cp/J/(molK无机材料的热容无机材料的热容典型无机材料的热容温度曲线绝大多数氧化物、碳化物，热容都是从低温时的一个低的数值增加到1273 K左右的近似于25 J/(Kmol)。温度进一步增加，热容基本不变。n热膨胀：物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象。 热胀冷缩 不同物体的热膨胀特性是不同的，有的物体随温度变化有较大的体积变化，有些则很小。 热膨胀系数表征材料的热膨胀性能二、热膨胀二、热膨胀1 1、热膨胀系数、热膨胀系数 大多数固体物质受热膨胀，遇冷收缩。固体物质的长度随温度的变化可表示如下： )(000TTlllflfTlll0或或Fl0和lf表示温度从T0

7、变化到Tf时的初始长度和最终长度。F参数al被称为热膨胀线性系数，表示温度升高1K时物体的相对伸长。 实际上，固体材料的l值并不是一个常数，而是随着温度稍有变化，在工业上，一般用平均线膨胀系数表示材料的热膨胀特性。假定试样在温度T0时的长度为l0，升高到温度T，长度变为l，则试样在T0T范围内的平均线膨胀系数定义为：TllTTllll00001)()(1由温度引起的体积变化可以由下式计算： TVVv04V和V0分别是体积变化量和初始体积；4av是热膨胀体积系数，相当于温度升高1K时物体体积相对增大。 n热膨胀系数是材料的重要性能参数之一，如果仅是在加热或冷却的过程中出现了相变，则相变可能也会引

8、起体积变化。因此在测量热膨胀系数过程中应当没有相变发生。n热膨胀系数对仪表工业有重要意义。例如，作为零件尺寸稳定的微波设备、谐振腔、精密计时器和宇宙航行雷达天线等，都要求在服役环境温度变化范围内具有较高的尺寸稳定性，所以选用较低的热膨胀系数的材料。注意：n晶体材料在不受外力作用时，原子处于点阵的平衡位置，此时结合能量最低，作用力为零。在外力作用下，原子绕平衡位置振动。n如果每个原子的平均位置不随温度变化，物体就不会随着温度升高而发生膨胀了。2、热膨胀的物理本质、热膨胀的物理本质图3-2 实验热膨胀曲线 图3-3 固体物质的势能原子间距曲线 温度升高，质点平均距离增大，晶体便膨胀。热膨胀和结合能

9、、熔点的关系热膨胀和结构的关系石英晶体膨胀系数: 1210-6/K，石英玻璃的膨胀系数: 0.510-6/K。 3、热膨胀和其它性能的关系、热膨胀和其它性能的关系热膨胀随温度不同而不同一般随温度升高热膨胀系数增大，如硅灰石。材料的热膨胀直接与热稳定性有关 一般，线膨胀系数小的，热稳定性就好。 Si3N4的l=2.710-6/K，热稳定性很好，在陶瓷材料中也是偏低的。某些无机材料热膨胀系数与温度的关系三、热传导三、热传导 1.1.热导率热导率 当固体材料一端的温度比另一端高时，热量就会从热端自动地传向冷端，这个现象就称为热传导。热导率是用来描述物质传热能力的性质，即 tSdxdTQ 热导率热导率

10、的物理意义是指单位温度梯度下，单位时间内通过单的物理意义是指单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量，它的单位为瓦特米位垂直面积的热量，它的单位为瓦特米K(K(焦耳米焦耳米秒秒K)K)。 式中S为固体材料截面积，dT/dx温度变化率，Q为在t时间内材料传递的热量，为热导率。金属金属热导率热导率非金属非金属热导率热导率气体气体热导率热导率铝铝205石棉石棉0.084空气空气0.024黄铜黄铜109混凝土混凝土0.837氢气氢气0.138铜铜385软木软木0.167氧气氧气0.0234铅铅347玻璃玻璃0.837银银414冰冰1.674钢钢46木材木材0.084不同材料常温下的热导率（W.

11、m-1.K-1）2 2、热传导机理、热传导机理 热在固体物质里的传递是通过格波和自由电子实现的，总的热导率为晶格振动和自由电子热导率两者之和，可以表示为： elkkk kl和ke分别是晶格振动和电子热导率。在通常情况下，二者其中之一占有优势。 从整体上看，处于格点上的原子的热振动可描述成类似于机械波传播的结果，这种波称为格振动波，简称格波。 对于高纯金属材料，由于有大量自由电子的存在，所以能迅速地实现热量的传递，因此金属一般都具有较大的热导率。 对于非金属材料，晶格中自由电子极少，所以晶格振动是它们的主要导热机构。在热传导中，声子并没有自由电子那么高效，大部分声子被晶格缺陷散射掉了，所以非金属

12、材料是热的不良导体。 对于不纯金属材料，杂质原子充当了散射中心，降低电子运动的效率，所以导致金属的热导率降低。图3-4 几种陶瓷材料热导率与温度的关系 第二节第二节 电学性能电学性能 一、材料的导电性一、材料的导电性 导体通过的电流I与导体两端的电压U和导体本身的电阻R的关系用欧姆定律来表示：RUI 电阻公式： slR材料的电导率和电阻率的关系为倒数关系： 1 越小，则越大，材料的导电性就越好，电导率的单位为(S/m)(西门子/米)。 根据导电性能的好坏，常把材料分为导体、绝缘体和半导体。 在外部电场作用下，带电粒子受力运动，从而产生了电流。在大多数固体材料中，电子的流动引起电流的产生，这种情

13、况定义为电子导电。此外对于离子材料，有带电离子净移动从而产生电流，称为离子导电。二、材料导电的机理二、材料导电的机理 利用能带理论能够很好地说明物质的导电性。 图3-6 能带填充情况示意图a)、b)、c) 金属 d) 绝缘体 e) 半导体 三、金属的导电性三、金属的导电性 由于金属中存在结晶的缺陷，而这些晶体缺陷可以成为导电电子的发散中心，增加它们的数量可以提高电阻率（即降低电导率）。 一个金属的总电阻率是由热运动热运动、杂质杂质、塑性变形塑性变形三种因素决定的，而这三种因素影响的发散机理是独立作用的，可用下式所示：dittotal金属电导率(m)-1银铜金铝黄铜铁铂碳素钢不锈钢6.81076

14、.01074.31073.81071.61071.01070.941070.61070.2107表3-3 常见金属和合金在室温下的电导率 四、半导体的导电性四、半导体的导电性 材料带隙能量/eV电导率/（ m)-1电子迁移率/m2/（Vs）空位迁移率/m2/（Vs）元素Si1.11410-40.140.05Ge0.672.20.380.18-化合物GaP2.250.030.015GaAs1.4210-60.850.04InSb0.1721047.70.07-化合物CdS2.400.03ZnTe 2.26 0.33 0.01 表3-4 半导体材料在室温时的带隙能量、电导率、电子迁移率和空位迁移率

15、 半导体材料的电导率不如金属材料的高，然而，他们所具有独特的电学性能使其具有特殊的用途。这些材料的电学性能对微量的杂质及其敏感。五、离子陶瓷和聚合物的导电性五、离子陶瓷和聚合物的导电性材料电导率/ (m)-1石墨3104-2105 聚合物苯酚甲醛10-910-10聚甲基丙烯酸甲酯(有机玻璃)10-12尼龙10-1210-13聚苯乙烯10-14聚乙烯10-1510-17聚四氟乙烯 10-17 陶瓷混凝土10-1010-11苏打石灰玻璃10-1010-12瓷器10-13硼硅酸盐10-13氧化铝10-19 熔融石英 10-1010-11表3-5 典型聚合物和离子陶瓷在室温下的电导率 (1) 离子材料

16、中的导电性：离子材料中的阳离子和阴离子有电子电荷，这样，在电场的存在下就具有迁移或传播的能力。 (2) 聚合物的电性能：多数聚合物材料的是电的不良导体，这是因为没有大量的电子参与导电。聚合物材料掺有金属导体后会具有导电性，它们被称为导电聚合物，电导率可达1.5107（m）-1 。 极光是太阳风中的粒子（高能带电粒子流）和地磁场相互作用的结果。当它们到达地球时，与地磁场发生相互作用，使得这些粒子向南北极运动和聚集，并且和地球高空的稀薄气体相碰撞，结果使气体分子受激发，从而发光。第三节第三节 磁学性能磁学性能 在医学上，利用核磁共振可以诊断人体异常组织，判断疾病，这就是所谓的核磁共振成像。 地磁的

17、变化可以用来勘探矿床。由于所有物质均具有或强或弱的磁性，如果它们聚集在一起，便形成矿床。矿床必然对附近区域的地磁场产生干扰，使得地磁场出现异常情况。根据这一点，对地磁图上磁场异常的区域进行分析和进一步勘探，往往可以发现未知的矿藏或者特殊的地质构造。u磁性磁性：磁性是物质放在不均匀的磁场中会受到磁力的作用。u磁性材料磁性材料：主要是指由过度元素铁、钴、镍极其合金等能够直接或间接产生磁性的物质.u磁场磁场：如果将两个磁极靠近，在两个磁极之间会产生作用力同性相斥和异性相吸。磁极之间的作用力是在磁极周围空间传递的，这里存在着磁力作用的特殊物质，称之为磁场。磁场的强弱可以用假想的磁力线数量来表示，磁力线

18、密的地方磁场强，磁力线疏的地方磁场弱。1、材料的基本磁学性质n1820年，奥斯特发现通电导线也能使周围的小磁针发生偏转，说明电流能产生磁场，并且磁场的强弱与通电导线中的电流I成正比，和距导线轴线的距离r成反比，他将磁场强度H 定义为:rIH2(1)磁场强度、磁感应强度和磁导率磁场强度、磁感应强度和磁导率 进一步的研究发现，带电粒子在磁场作用下运动也会受到磁场力。当点电荷垂直于磁场方向运动时，它所受的磁场力最大，用Fmax表示，但对磁场中某一定点而言， Fmax与磁场的强弱和qv成正比，即Fmax = qvB B表示的是磁场的强弱，按照常规思维，应该定义为磁场强度，但是磁场强度已经定义成和电流相

19、关的物理量，所以将B定义为磁感应强度。 磁场强度和磁感应强度均为表征磁场性质（即磁场强弱和方向）的两个物理量。 磁场强度磁场强度则完全只是反映磁场来源的属性； 磁感应强度磁感应强度是完全只是考虑磁场对于带电粒子的作用。 n真空中，磁感应强度和磁场强度H的关系， 式中0为真空磁导率，它是一个普适常数其值: 410-7，单位: H（亨利）/m。n磁化磁化在外磁场作用下，介质表现出一定的磁性，产生一定的磁场，这个过程叫磁化，磁化的程度用磁化强度M表示，其与磁场强度H的关系如下：当有介质时，会发生什么现象？HMn比例系数为介质的磁化率，仅与磁介质性质有关。它反映材料磁化的能力，没有单位，为一纯数。 可

20、正、可负，决定于材料的不同磁性类别。 磁现象的本质是由于带电物体运动的结果。原子中电子的绕核运动、电子本身的自旋，都会产生磁场。一个分子内部全部产生磁场的总和叫做分子磁场。由于分子的热运动，分子磁场的取向是无规则的。当物质置入外加磁场中时，物质内部的分子磁场会随之较有规则地排列，使磁场内的磁感应强度增大。磁现象的本质HH 无磁场无磁场 弱磁场弱磁场 强磁场强磁场使磁场减弱的物质称为抗磁性物质；使磁场略有增强的称为顺磁性物质；使磁场急剧增加的称为铁磁性物质。 根据物质被磁化后对磁场所产生的影响磁性材料的分类： 磁矩是描述载流线圈或微观粒子磁性的物理量，表征磁性物体磁性的大小。磁矩越大，磁性越强，

21、即物体在磁场中受的力也越大。二、材料的顺磁性和抗磁性二、材料的顺磁性和抗磁性原子轨道磁矩包括电子轨道磁矩、电子自旋磁矩和原子核磁矩。原子核磁矩很小，与电子轨道磁矩和电子自旋磁矩相比忽略不计。原子中电子的轨道磁矩原子中电子的轨道磁矩和电子的自旋磁电子的自旋磁矩构成了原子固有磁矩，也称本征磁矩。材料的磁性来源于原子磁矩。如果原子中所有电子壳层都是填满的，由于形成一个球形对称的集体，则电子轨道磁矩和自旅磁矩各自相抵消，此时原子本征磁矩P=0。如：Ar 3s23p6若有末被填满的电子壳层，其电子的自旋磁矩未被完全抵消，则原子就具有永久磁矩。如： Fe3s23p63d64s2n原子是否具有磁矩，取决于其

22、具体的电子壳层结构。 顺磁体的原子或离子是有磁矩的(称为原子固有磁矩，它是电子的轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和)，其源于原子内未填满的电子壳层，或源于具有奇数个电子的原子。 当无外磁场时，由于热振动的影响，其原子磁矩的取向是无序的，故总磁矩为零。 当有外磁场作用，则原子磁矩便排向外磁场的方向，总磁矩便大于零而表现为正向磁化。1、物质的顺磁性、物质的顺磁性HH 无磁场无磁场 弱磁场弱磁场 强磁场强磁场n无磁矩存在的物质称为抗磁性物质。当抗磁体放入外磁场内，在此介质内感生一个磁矩，其方向与外磁场方向相反，此种性质称为抗磁性。n抗磁性物质有惰性气体、大部分非金属、绝大多数有机化合物及多种金属（如铜、锌、

23、银、金等）。2、物质的抗磁性、物质的抗磁性第四节第四节 光学性能光学性能一、基本概念与原理一、基本概念与原理图3-12 电磁波谱 电磁波谱(见图3-12)包括电力长波、无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、x射线、 射线和宇宙射线。因此，整个可见光谱只不过是电磁波谱中的段窄小的组成部分。各种电磁波的差别仅仅在于波长的不同，也就是产生的方法和测量的技术和设备各不相同。 图3-13 光照射到物体时的现象 在通过媒介时有些光被传播，有些被吸收，还有些会在两介质界面处被反射了。发生在固体介质表面的强度I0等于传播、吸收、反射光束强度之和，分别表示IT、IA和IR,即：RATIIII0二、折射二、折射

24、 当光线依次通过相邻的两个折射率不同的介质时，光的行进方向发生改变，称为“折射”。其关系由折射定律确定：折射线在入射线通过入射点的法线所决定的平面上，折射线和入射线分别处于法线的两侧，入射角的正弦与折射角正弦之比，对一定的介质来源是一个常数，即：sinsin1 . 2ini为入射角；为折射角；n2.1为相对折射率，即介质2对介质1的折射率。并且有：121 . 2nnn 光的折射率还可以用光在真空中的速度C与在介质中的速度v之比，即： vCn rrcn00F和分别是特定物质的介电常数和渗透率Fr和r分别表示介电常数和相对磁渗透率 表3-6 几种透明材料的折射率 材料折射率平均值陶瓷硅玻璃1.458耐热玻璃1.47苏打石灰玻璃1.51石英玻璃1.55高致密含铅玻璃1.65尖晶石(MgAl2O4)1.72方镁石(MgO)1.74刚玉(Al2O3) 1.76 聚合物聚四氟乙烯1.35聚甲基丙烯酸甲酯(有机玻璃)1.49聚丙烯1.49聚乙烯1.51聚苯乙烯 1.60 三、反射三、反射 在离开介质2重新进人介质1时，