北京化工大学北方学院材料化学课件3

1、Chapter3 Properties of Materials1Chapter3 Properties of Materials2本章主要内容本章主要内容 化学性能化学性能 力学性能力学性能 热性能热性能 学习目的：学习目的：1.了解材料的了解材料的各类性能各类性能；2.加深理解加深理解材料结构与性能的关系。材料结构与性能的关系。电性能电性能磁性磁性 光学性能光学性能材料的几类主要性能：材料的几类主要性能：Chapter3 Properties of Materials3耐氧化性耐氧化性耐酸碱性耐酸碱性耐有机溶剂性耐有机溶剂性耐老化性耐老化性 材料抵抗各种介质作用的能力材料抵抗各种介质作用的

2、能力化学稳定性化学稳定性或耐受性或耐受性3.1 化学性能化学性能Chemical PerformanceChapter3 Properties of Materials4(1) Chemical stability of metal materials氧化物成核氧化物成核 生长生长氧溶解氧溶解氧化膜生长氧化膜生长内氧化内氧化缝隙缝隙孔洞孔洞微裂纹微裂纹宏观裂纹宏观裂纹吸附吸附（1）化学锈蚀）化学锈蚀3.1.1 耐氧化性耐氧化性金属氧化反应的金属氧化反应的主要过程示意图主要过程示意图(金属材料金属材料)5Electrochemistry corrosion（2 2）电化学腐蚀电化学腐蚀原电池原电

3、池钢管与铜组件钢管与铜组件构成的腐蚀构成的腐蚀负负极极正正极极阳阳极极阴阴极极负极负极负极负极正极正极水水电位差电位差电解液电解液有导线或直接接触有导线或直接接触条件条件Cathodic protection of a buried steel pipeline 电化学防锈电化学防锈牺牲阳极法保护金属牺牲阳极法保护金属6Chapter3 Properties of Materials被保护金属被保护金属73.1.2 耐酸碱性耐酸碱性耐酸材料耐酸材料 以酸性氧化物以酸性氧化物为主的材料耐酸为主的材料耐酸,如如SiO2( (但硅酸盐材料不耐但硅酸盐材料不耐HFHF酸酸) )耐耐碱碱材材料料 大多数

4、金属氧化物大多数金属氧化物都是都是碱性氧化物碱性氧化物，相应的材料相应的材料表现出较强的表现出较强的耐碱性耐碱性，而，而易受酸侵蚀或溶解易受酸侵蚀或溶解。无机非金属材料无机非金属材料( (除金刚石、石墨外除金刚石、石墨外, ,大多数为化合物大多数为化合物) )金属材料金属材料 Chapter3 Properties of Materials8(3) Chemical stability of polymers化学稳定性好，耐酸耐碱化学稳定性好，耐酸耐碱高分子材料：高分子材料： 主链原子以共价键结合主链原子以共价键结合 长分子链对反应基团的保护长分子链对反应基团的保护 电绝缘性，无电化学腐蚀电绝

5、缘性，无电化学腐蚀9金属材料和无机非金属材料有好的耐有机溶剂性能；金属材料和无机非金属材料有好的耐有机溶剂性能；热塑性高分子材料热塑性高分子材料一般由线形高分子构成，很多有机一般由线形高分子构成，很多有机溶剂都可以将其溶剂都可以将其溶解溶解；交联型高分子材料交联型高分子材料在有机溶剂中在有机溶剂中不溶解不溶解，但能，但能溶胀溶胀，使材料体积膨胀，性能变差；使材料体积膨胀，性能变差；不同高分子材料不同高分子材料，组织结构不同组织结构不同, ,其分子链以及侧基其分子链以及侧基不同，有机溶剂不同，有机溶剂耐受性不同耐受性不同； 如，作为结晶性聚合物，聚乙烯在大多数有机溶如，作为结晶性聚合物，聚乙烯在

6、大多数有机溶剂中都难溶，因而具有很好的耐溶剂性剂中都难溶，因而具有很好的耐溶剂性。 如侧链、主链不同如侧链、主链不同, ,有机溶剂耐受性不同有机溶剂耐受性不同3.1.3 耐有机溶剂性耐有机溶剂性 主要指高分子材料主要指高分子材料10(3) Chemical stability of polymers 光照下形成自由基：光照下形成自由基：3.1.4 耐老化性耐老化性高分子材料高分子材料面临的问题面临的问题 CH2CCHCH2CH3hCH2CCHCH3CH-H+ 氧气参与：氧气参与：RH2(1) RH + OOR + OOH(2) R + OOROO ROOH+R(3) ROOH+RHRO + O

7、H(4) RO + OH ROH + R(5) HO + RH R + H O 导致链断裂导致链断裂（降解）：（降解）：CCHCCH3OOCH3CCH2CH3COOCH3CH2CCHCCH3OOCH3CCH2CH3COOCH3CH2+Chapter3 Properties of Materials11(3) Chemical stability of polymers 羰基羰基容易吸收紫外光，因此含羰基聚合物在太容易吸收紫外光，因此含羰基聚合物在太阳光照射下容易被氧化降解。阳光照射下容易被氧化降解。 分子链中含有分子链中含有不饱和双键不饱和双键、聚酰氨的、聚酰氨的酰氨键酰氨键、聚碳酸酯的聚碳酸

8、酯的酯键酯键、聚砜的、聚砜的碳硫键碳硫键、聚苯醚的、聚苯醚的苯苯环上的甲基环上的甲基等等，都会降低高分子材料的耐老等等，都会降低高分子材料的耐老化性。化性。 聚四氟乙烯有极好的耐老化性能聚四氟乙烯有极好的耐老化性能 氟原子与碳原子形成牢固的化学键；氟原子与碳原子形成牢固的化学键； 氟原子的尺寸大小适中，一个紧挨一个，能氟原子的尺寸大小适中，一个紧挨一个，能把碳链紧紧包围住。把碳链紧紧包围住。结构与结构与耐老化性耐老化性12FFFFFF拉伸压缩弯折剪切3.2 力学性能力学性能材料抵受外力作用的能力材料抵受外力作用的能力强度、延展性、断面收缩率强度、延展性、断面收缩率硬度硬度 疲劳性能疲劳性能Ch

9、apter3 Properties of Materials13应力应力stress0/FA00()/lll3.2.1 材料的强度材料的强度(Strength)应变应变strain测量材料受外力时产生的形变测量材料的强度测量材料受外力时产生的形变测量材料的强度Experiment应力应力- -应变曲线应变曲线 (Hookes Law)Eultimate tensile strength yield strength 微观：化学键的拉伸微观：化学键的拉伸弹性形变弹性形变弹塑性形变弹塑性形变esk均匀塑性形变均匀塑性形变非均匀塑性形变非均匀塑性形变b(1)(1)弹性形变阶段弹性形变阶段: : 外力

10、撤后可恢复原状外力撤后可恢复原状E: 弹性模量弹性模量/杨氏模量杨氏模量,反映材料抵抗弹性变形能力反映材料抵抗弹性变形能力(2) 弹塑性形变弹塑性形变: 外力撤后部分恢复原状外力撤后部分恢复原状, 达最大强度达最大强度 称为称为屈服强度屈服强度s ,它是选择材料的主要依据它是选择材料的主要依据.(3) 均匀塑性形变均匀塑性形变:外力撤后不可恢复原状外力撤后不可恢复原状,达最大强度达最大强度 称为称为拉伸强度拉伸强度b 。它是材料能承受的最大强度。它是材料能承受的最大强度. (微观讲微观讲:晶体晶体:位错的滑移位错的滑移),(4) 非均匀塑性形变非均匀塑性形变: 强度下强强度下强, 出现缩颈并断

11、裂出现缩颈并断裂, 断裂断裂点强度称为断裂强度点强度称为断裂强度k。 (Hookes Law)E延展性或塑性的表征延展性或塑性的表征 延伸率延伸率 elongation 断面收缩率断面收缩率 reduction of area00100%flll00100%fAAA Tc, 铁电性消失铁电性消失Chapter3 Properties of Materials35压电性压电性对铁电性材料施加压力对铁电性材料施加压力,会导致极化发生改变会导致极化发生改变,在样品在样品两侧产生小电压两侧产生小电压,这一效应称为这一效应称为压电性或压电效应压电性或压电效应压电体压电体: 力力电压电压( (测量测量)

12、)压力传感器压力传感器Chapter3 Properties of Materials36(4) Piezoelectricity常用的压电陶瓷：常用的压电陶瓷： BaTiO3 、PbTiO3、PbZrO3 、 NH4H2PO4逆压电效应逆压电效应(电至伸缩电至伸缩):压电体两侧加电压压电体两侧加电压,可引起尺寸发生变化可引起尺寸发生变化薄膜薄膜:扬声器扬声器,耳机等耳机等373.5.1 磁性基本概念磁性基本概念 3.5 磁性磁性磁化率衡量磁化率衡量磁性磁性: 物质在不均匀磁场中所受磁力作用物质在不均匀磁场中所受磁力作用 任何物质都有磁性任何物质都有磁性Chapter3 Properties

13、of Materials38 反磁性反磁性:磁偶极方向与外磁场磁偶极方向与外磁场 m 0含有非零角动量原子（例如过渡金属）的材料。含有非零角动量原子（例如过渡金属）的材料。 m T-1（居里定理）（居里定理） 一些非过渡金属（例如一些非过渡金属（例如Al）。）。 m与与T无关无关磁场撤去磁场撤去后磁效应后磁效应消失消失 3.5.2 磁性的种类磁性的种类 Chapter3 Properties of Materials39 铁磁性（铁磁性（ferromagnetism）在没有磁场或不太强的磁场中，就可以磁化到饱在没有磁场或不太强的磁场中，就可以磁化到饱和状态和状态, ,在外加磁场在外加磁场, ,

14、会强烈磁化会强烈磁化, ,如铁如铁. .铁磁居里温度铁磁居里温度(T(TTcTc, ,磁性消失磁性消失) )Chapter3 Properties of Materials40 反铁磁性反铁磁性 在外电场作用下，相邻原子磁偶极反向排列在外电场作用下，相邻原子磁偶极反向排列,如如Mn、Cr. 铁氧体磁性铁氧体磁性 不同离子具有不同磁矩不同离子具有不同磁矩, 不同磁矩反平行排列，在不同磁矩反平行排列，在一个方向呈现出净磁矩。一个方向呈现出净磁矩。 代表：磁铁矿代表：磁铁矿Fe3O4铁磁性铁磁性反铁磁性反铁磁性 铁氧体磁性铁氧体磁性Chapter3 Properties of Materials41反铁磁性（反铁磁性（MnO）42磁畴磁畴磁畴壁磁畴壁磁畴磁畴: 自旋磁矩在一个个微小区域内自旋磁矩在一个个微小区域内“自发地自发地”整整齐齐 排列起来而形成的磁化小区域。排列起来而形成的磁化小区域。 3.5.3 3.5.3 磁畴和磁化曲线磁畴和磁化曲线铁磁体铁磁体: TTc电子间存在强电子间存在强交耦合交耦合,产生产生自旋磁矩自旋磁矩.Chapte