第三章材料的性能

材料化学第三章材料性能

李翠林化学性能力学性能热学性能电性能

光学性能磁性材料的性能：用于表征材料在给定外界条件下的行为，是材料微观结构特征的宏观反映。由于组成和制备工艺的差异→各类材料的性能存在很大差异。第三章

材料的性能图3-1

各类材料性能的特点第三章

材料的性能氢键金属材料的化学稳定性

无机非金属材料的化学稳定性

高分子材料的化学稳定性3.1化学性能

第三章

材料的性能材料抵抗各种介质作用的能力，随材料的组成、结构等而不同。包括：溶释性、耐腐蚀性、抗渗入性、抗氧化性等，可归结为化学稳定性。与此相关的还有催化性、离子交换性等。化学腐蚀：受周围介质作用引起的一种化学变化。发生腐蚀时不形成原电池，不产生电流。电化学腐蚀：与电解质接触时发生的一种腐蚀。在腐蚀过程中，金属表面形成许多微小的电流。电解质在潮湿的环境中、溶液中或熔融状态下能形成正负离子，能导电的物质如酸、碱、盐等。金属材料的化学稳定性：不同金属差别很大，金属腐蚀是一种常见现象，导致腐蚀的基本原因可分为：腐蚀速度：可用单位时间内单位面积的损失量or单位时间内的腐蚀深度表示。工业上常用6类10级的耐蚀性评级标准第三章

材料的性能电化学腐蚀的原因：当2种或1种金属材料其内部有2种不同的组成物(如2种相)时，若处于同一电解质中，∵各自不同的电极电位，低→负极，e由低极→高极→金属表面→许多微小电流。∵低极失去e→氧化反应，而高得到e→还原反应，∴低的金属便不断地受到腐蚀。如阳极金属M的溶解可写为：MM＋e；铝的阳极氧化为：6OH＋2AlAl2O3＋3H2O＋6e。

金属与氧化物不完全一样，有的金属(Al、Cr等)氧化后→Al2O3、Cr2O3等在表面→致密膜→空气中的O2不再与金属直接接触，防止了继续氧化→↗金属抗氧化能力。而铁所生成的FeO、Fe2O3组织疏松，O2可透过表层与Fe继续发生作用→金属遭受破坏。无机非金属材料的化学稳定性

第三章

材料的性能侵蚀机理：由气相－固相反应的热力学和动力学所决定。表3-1定性地列出了各种陶瓷材料的耐蚀性。陶瓷、混凝土、灰浆等的耐久性取决于材料的密度、气孔率，化学作用(溶解、溶出、氧化等)，和物理作用(干湿作用、T变化、冻结融化等)等因素。陶瓷材料使用中也常遇到气体侵蚀问题(CO和H2等—还原性，O2—氧化性，Cl2和SO2等—反应性)。表31

各种陶瓷材料的耐蚀性

种类酸及酸性气体碱液及碱性气体熔融金属Al2O3MgOBeOZrO2ThO2TiO2Cr2O3SnO2SiO2良好差尚可尚可差良好差尚可良好尚可良好差良好良好差差差差良好良好良好良好良好尚可差差尚可SiCSi3N4

良好良好尚可尚可尚可良好BNB4C尚可良好良好尚可良好－TiCTiN差尚可差尚可－－如聚四氟乙烯：不仅C-F结合很牢，且分子规整对称易于结晶，F原子组成了严密的保护层，包围了碳链→化学性质非常稳定。高分子材料的化学稳定性：大多数较稳定，有良好的抗腐蚀能力。主要是因为：第三章

材料的性能分子链上各原子是共价键结合，键能较高，结合很牢固；形态特殊，使得大分子链上能够参加化学反应的基团与化学反应介质的接触较困难；高聚物大都是绝缘体，不会产生电化学腐蚀。聚四氟乙烯PTFE：有极好的化稳性，高温下也不与浓酸、浓碱、有机溶剂和强氧化剂等起反应，在沸腾的“王水”中也毫无损伤，可在-195250℃长期使用，有“塑料王”的美称；聚氯乙烯PVC：应用极广的重要塑料，耐酸、耐碱性好，且有一定的强度和刚度，可制成各种规格的管道、阀门、泵、容器以及各种防腐衬里；酚醛树脂等热固性塑料：由于具有化学键交联形成的网状结构，耐腐蚀性也很好。第三章

材料的性能第三章

材料的性能

晶态高聚物：长链分子间堆砌紧密，有相当高的化稳性；无定形高聚物处于玻璃态时：大分子链不能自由运动，反应基团被固定，化学反应也难进行；在高弹性态和粘流态时：大分子链杂乱无章，彼此缠结，许多基团被包裹起来，难与其他反应介质接触，与低分子物质相比，反应仍较缓慢。高分子材料的老化：指在加工、储存和使用过程中，受化学结构影响，在光、热、氧、高能辐射、气候、生物等因素的综合作用下，失去原有性能而丧失使用价值的过程(即物理化学性质和机械性能变坏的现象)。有2种情况：第三章

材料的性能大分子链间产生交联：线型或支链型结构→体型结构，性能变僵、变脆，丧失弹性等。大分子链的降解：链长度↘→相对分子质量↓，即聚合度↘→性能变软、变粘、脱色、丧失机械强度等。

强度与塑性

硬度

断裂与韧性

疲劳特性和耐磨性等

3.2力学性能材料在使用过程中，都或多或少要经受力的作用。材料受外力作用时的变形行为及其抵抗破坏的能力，又称机械性能，是一系列物理性能的基础。通常包括：第三章

材料的性能1.强度：材料在载荷作用下抵抗明显的塑性变形或破坏的最大能力。按作用力的方式不同，可分为：强度与塑性

第三章

材料的性能拉伸强度压缩强度弯曲强度冲击强度疲劳强度等∵材料中一般都存在有晶格错乱、空隙、气孔、残余应力等，聚集体材料中又存在有不均匀性和各向异性等各种缺陷，多数情况下，实测的强度数据有较大的离散性，需尽量多测几个样品。通常材料中缺陷越少、分子间键合强度越大，材料的强度也越高。拉伸强度：是将试片在拉力机上施以静态拉伸负荷，使其破坏(断裂)时的载荷。拉伸强度越大，说明材料越不易断裂。不同的拉伸速度下，测得的拉伸强度值是不同的。一般，较慢拉伸速度下，材料的强度值较小。陶瓷材料金属材料高分子材料长石(KalSi3O8)45MgSiO368Al2O3270SiC350金刚石500Al689Cu1480Be552Mo2070Fe3450聚乙烯2239聚苯乙烯3563聚甲基丙烯酸甲酯4977尼龙67478

聚酰亚胺94表3-2

一些材料的拉伸强度值/MPa弯曲强度(抗弯强度)：指采用简支梁法将试样放在两支点上，在两支点间的试样上试加集中载荷，使试样变形直至破裂时的载荷。是材料韧性、脆性的度量。计算公式为：P——破坏载荷，l——试样在支点间的跨度，b、d——分别是试样的长度和厚度。b=3Pl/2bd2(N/m2)第三章

材料的性能2.塑性：材料在载荷作用下，应力超过屈服点后能产生显著的残余变形而不即行断裂的性质。屈服强度—材料在外力作用下发生塑性变形的最小应力。材料拉伸时延伸率较大，代表其塑性越好。陶瓷材料的塑性最差。3.应力－应变曲线：应力与应变的关系。在材料上作用以拉伸、压缩等外力时，会相应地发生内应力，按此应力的大小产生应变。＝P/A

＝(L-Lo)/LoP—载荷，A—横截面积，Lo—标距间的原始距离，L——施加P后标距间的距离。应力－应变曲线按材料的组成、组织有所不同，大体上可分为5种类型(图3-2)曲线1：开始为直线，随后表现出屈服现象，应力↗应变↗→断裂，如软钢；曲线2：接近于直线，但不出现屈服现象，曲线稍微向上凸出，突然断裂，如玻璃、硬石块、铸铁等;曲线3：开始时向上凸出(接近于指数变化)，在接近断裂时应变

，如软石块、蒸压轻质混凝土、木材的压缩曲线、质硬而脆的塑料等；曲线4：开始阶段接近于直线或有向上凸的趋势，随后应力出现极大值，一度屈服，然后应力再次而断裂，如硬而粘性大的塑料；曲线5：开始阶段稍许趋于向下凹，随后应变同应力的成正比，当应力再度时便断裂，如软质橡胶。第三章

材料的性能弯曲屈服强度：指某些非脆性材料，当载荷达到某一值时，其变形继续增加而载荷不增加时的强度。压缩强度：也称抗压强度，是指在试样上施加压缩载荷至破裂(对脆性材料)或产生屈服现象(对非脆性材料)，原单位横截面积上所能承受的载荷。试样通常为圆柱形or正方形。冲击强度：是材料在高速冲击状态下发生断裂时单位面积上所需的能量。4.弹性与刚度：弹性—材料在载荷作用下产生变形，当载荷除去后能恢复原状的能力；刚度—指材料在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。反映材料刚度的指标是弹性模量。E表征物体变形的难易程度。纵向弹性模量也称杨氏模量。如把材料看成弹性体时，在应力-应变曲线弹性段的斜率即为弹性模量。代表性材料的E见表3-3

。高分子材料E变化范围较宽，是应用多样性的原因之一。E=5.弹性模量：指材料在弹性极限范围内，是应力与应变的比值，用E(Pa)表示：表3-3

一些代表性材料的杨氏模量/N∙m-2

陶瓷材料金属材料高分子材料金刚石1.21×1012

<111>Al2O34.6×1011<001>MgO2.45×1011<100>NaCl4.4×1010<100>Si3N4(多晶)3.72×1011SiC(多晶)5.6×1011

W3.6×1011Sn5.5×1010Cu1.25×1011Zn3.5×1010Ag8.1×1010Al7.2×1010

聚乙烯0.121.05×109PMMA2.53.5×109橡胶2×105聚苯乙烯2.22.8×109尼龙62.84×109硬塑料5×1015

第三章

材料的性能硬度PHB=(/2)D(DD2-d2)P：作用载荷，D：压头直径，d：压痕直径。

第三章

材料的性能

能抵抗其他较硬物体压入表面的能力。常用试验方法有布氏、维氏、和洛氏试验。布氏硬度试验：通常将Φ10mm的坚硬钢球压入材料的表面，测出表面上留下的压痕直径，并按下式算出布氏硬度值（HB或BHN）。洛氏试验：测软材料时用小钢球；测较硬材料时可用金刚钢石锥体。硬度计可自动测出压头穿透的深度，并将深度数值转换为洛氏硬度数值。维氏试验：用不同载荷的金刚锥进行压痕，测量微观硬度常用材料的硬度和弹性模量见表3-4表3-4

几种常用材料的硬度和弹性模量

材料弹性模量(E)/MPa维氏硬度(Hv)/kg∙mm-2

橡胶塑料镁合金铝合金钢氧化铝碳化钛金刚石6.9138041300723002070004000003900001210000很低1730~40170300~800150030006000~10000第三章

材料的性能

断裂与韧性

材料的力学断裂是由原子间或分子间的键断开而引起的，按断裂时的应变大小分为：第三章

材料的性能

脆性断裂：指材料未断裂之前无塑性变形发生，或发生很小塑性变形导致破坏的现象。如岩石、混凝土、玻璃、铸铁等，称为脆性材料。延性断裂：指在断裂前产生大的塑性变形的断裂。如软钢及其他软质金属、橡胶、塑料等。韧性：材料抵抗裂纹萌生与扩展的能力。韧性与脆性：意义相反的2个概念。韧性高，意味着其脆性低；反之亦然。韧性的度量指标有2类：第三章

材料的性能冲击韧性：用材料受冲击而断裂的过程所吸收的冲击功大小来表征韧性。可用于评价高分子材料的韧性，但一般不适用韧性很低的材料(如陶瓷)。断裂韧性：较常用的指标，表示材料阻抗断裂的能力。常用材料裂纹尖端应力强度因子的临界值K1C来表征材料的韧性。材料的断裂力学承认材料中存在着由各种缺陷构成的微裂纹。在外力的作用下，这些微裂纹的扩展→断裂。断裂应力f与裂纹尺寸C之间的关系为：第三章

材料的性能K1＝Af

CK1—应力强度因子，A—材料几何形状参数（由力学分析计算or实验求出）。应力，裂纹扩大，K1值也，但不能无限的，当达到极限值K1C时，即使不加外力，裂纹也会自行扩展而造成断裂。K1C称为断裂韧性，与微裂纹形状、尺寸及应力大小有关。陶瓷材料的K1C值为310MNm-3/2，铝合金为34MNm-3/2，钛合金为MNm-3/2，碳钢可达200MNm-3/2。疲劳特性和耐磨性材料受到拉伸、压缩、弯曲、扭曲或这些外力的组合反复作用时，应力的振幅超过某一限度即会导致材料的断裂，这一限度称为疲劳极限。第三章

材料的性能

疲劳寿命指在某一特定应力下，材料发生疲劳断裂前的循环数，反映材料抵抗产生裂缝的能力。疲劳现象主要出现在有较高塑性的材料中，如金属是其主要失效形式之一。疲劳断裂往往是没有任何先兆的突然断裂，∴造成的后果有时是灾难性的。材料对磨损的抵抗能力，可用磨损量表示。一定条件下，磨损量↘→耐磨性↗。磨损量一般用在一定条件下试样表面的磨损厚度or体积(or质量)的↘来表示。磨损包括：氧化磨损、咬合磨损、热磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损等。材料摩擦系数、硬度一般均有助于↗耐磨性。第三章

材料的性能耐磨性3.3热学性能热传导耐热性热容热膨胀第三章

材料的性能

热容、热膨胀、热传导、热辐射、热电势等，在工程上有许多特殊的要求和广泛的应用。材料组织结构发生变化时常伴随一定的热效应。热性能分析已成为材料科学研究中一种重要手段，对确定临界点并判断材料的相变特征有重要意义。热容：热容表示1mol固体T升高1K时物质所吸收的热量。通常用比热容（J/molK）来表征，有等容比热容Cv和等压比热容CP两种：

Cv随T↗而↗。T≥D(德拜温度)时，Cv几乎与T无关。CP与Cv存在如下关系：第三章

材料的性能

CP－Cv＝v2VoT/

v—体积膨胀系数，Vo—摩尔体积，=-(1/v)(dv/dp)为压缩率。结构缺陷对材料的比热容会有较大影响。常温下固体材料的CP和Cv几乎无差别，所测定的都是CP

。热膨胀物体的热胀冷缩是一种普遍现象，膨胀系数是表示物体这一特性的一个参数。

膨胀系数：指T变化1K时材料单位长度的变化量—线膨胀系数l（K-1），材料单位体积的变化量—体膨胀系数v。l和v分别表达为：第三章

材料的性能

l＝(1/l)(dl/dT)p

v＝(1/v)(dv/dT)p下标p表示恒压条件，v和l各为材料的体积和线尺寸。从原子尺度看，热膨胀与原子(分子or链段)振动有关。∴组成固体的那些原子(分子or链段)相互间的化学键合和物理键合作用，对热膨胀有重要作用。结合能越大，越小。是随T变化的。实际应用中，作为尺寸稳定零件的微波设备谐振腔、精密计时器、精密天平、标准尺和宇宙航行雷达天线等材料，都要求在气温变动范围内很低；电真空技术中为与玻璃、陶瓷、云母、人造宝石等气密封接，要求具有一定的合金；制造热感敏元件的双金属，要求尽可能高。与金属相比：共价键材料低，而离子键材料稍高。有机化合物中，三维网络状高分子较低；长链高分子∵分子间是弱键合，较高。热传导：由材料相邻部分的△T而发生的能量迁移。主要机制为：自由e的传导：金属材料，热和电的良导体。晶格振动的传导：离子键or共价键的晶体。分子or链段的传导：高分子材料等。热导率(导热系数)：代表材料导热能力的常数，单位为cal/(cmsK)或W/(msK)，即单位时间内在1K温差的1m3或1cm3正方体的一个面向其所对的另一个面流过的热量。与非金属材料相比，金属为热的良导体，气体是热的绝缘体。金属材料：电和热的良导体。T↗→↘；合金的，≈15%70%母相金属。也随组织而改变，如钢在退火后↗，淬火后∵晶格发生应变则↘。第三章

材料的性能高分子材料：热量由它的振动波及邻近分子激励的形式进行的，转递速度较慢，∴热传导率也小。无机非金属材料：晶体能量以热弹性波形式转递，∴在各种波之间会相互干涉，∵散射而缓慢↘。T热弹性波散射，故略↘。但热弹性波波长≮原子间距，∴高温下，晶体已不受T影响。玻璃体不会产生热弹性波，∴<晶体。第三章

材料的性能

许多技术领域中，材料导热性都是一个重要的问题，如热能工程、制冷技术、工业炉设计、工件加热和冷却、房屋采暖与空调、以及航天飞行器重返回大气层等隔热材料都要求材料具有优良的绝热性能；燃气轮机叶片、晶体管散热器却要求优良的导热性。元素单质氧化物氮化物碳化物高分子材料熔点T热变形Al

65920502400(分解)2800B

20004503000(分解)2450

Si

141217102000(分解)

2830(分解)Ti

1667184029503140Zr

1885270029803530Hf>2130281033003890Ta

29961470(分解)

30903880W

337714732870

PMMA

16065100聚苯乙烯

24070100尼龙6

66聚乙烯

1374070聚丙烯

17685110聚酯

60200

耐热性

材料的熔点(Tm)可反映其耐热性。一般结构中分子间作用力越大，则熔融热焓大，Tm高；柔性大，熔融热焓小，Tm也小。表3-5一些物质的Tm表3-5各种物质的熔点Tm/C导电性能：用电阻率or电导率量度。

介电性能：在外电场作用下，材料表现出的对静电能的储蓄和损耗的性质。铁电性：某些材料在除去外电场后仍保持部分极化状态。压电性：具有使机械能和电能相互转换的现象称压电效应。正压电效应—由形变而产生的电效应；逆压电效应—对材料施加一电压而产生形变。3.4电性能

材料在静电场or交变电场中，即处在电源的两极之间行为的表征。

第三章

材料的性能

第三章

材料的性能

超导体：在一定T下≈0；导体：10-810-5m；半导体：10-5107m；绝缘体：1071020m。室温下部分材料的电导率见表3-6导电性能—电阻率(m)；1/—电导率。∞单位体积中的载流子数目、每个载流子的电荷量和迁移率。载流子有：e，空穴，正、负离子4种类型。其迁移率取决于原子的结合类型、晶体缺陷、掺杂剂类型和用量、及离子在离子化合物中的扩散速率。按大小，可将材料分成：电阻R与导体的长度l成正比，截面积S成反比：

R＝

(l/S)（3-6）金属和合金

非金属

银铜(工业纯)金铝(工业纯)Al-1.2%Mn合金钠钨(工业纯)70%Cu-30%Zn黄铜镍(工业纯)纯铁(工业纯)钛(工业纯)TiC不锈钢，301钢80%Ni-20%Cr合金6.30×1075.85×1074.25×1073.45×1072.95×1072.10×1071.77×1071.60×1071.46×1071.03×1070.24×1070.17×1070.14×1070.093×107

石墨SiC锗，纯硅，纯酚醛树脂(电木)窗玻璃Al2O3云母聚甲基丙烯酸甲酯BeO聚乙烯聚苯乙烯金刚石石英玻璃聚四氟乙烯105(平均)102.24.3×10-410-710-11<10-1010-1010-1210-1110-15<10-1210-1210-15<10-14<10-14<10-14<10-16<10-16

表3-6各种材料在室温下的电导率

（-1m-1）

一般来说，金属是导体，部分陶瓷和少数高分子材料是半导体，普通陶瓷与大部分高分子材料是绝缘体。但一些陶瓷有超导性。超导性：一旦T<Tc(超导体临界T)时，就跃变为零。Tc依赖于作用于导体的磁场强度。许多材料有超导性，但它们都需要T极低。超导体是动力聚变反应堆运行必不可少的条件。如果能有更高Tc的材料，则超导应用将。典型的超导体有Nb-60Ti-4Ta合金、Y-Ba-Cu-O系陶瓷和聚硫腈(SN)x晶体等。T↗，金属↘，半导体、绝缘体、离子导电材料↗。杂质原子常使纯金属↘，∵在固溶体内造成不规则的场势变化，严重影响e的运动；但在陶瓷材料中常会使↗。∴适当形式的晶体缺陷可明显↗其导电性。

半导体：如硅、锗∵能带结构中,价带和导带间的能隙小，价带中少数具有足够热能的e受激跃迁到导带，留下一些空能级→空穴。材料受到电压作用时，导带中的e向正极加速，而空穴向负极移动。∴电流就通过e和空穴的运动得以实现，其中空穴起着正e的作用。本征半导体：取决于e-空穴对的数量和T的材料。非本征半导体：通过加入杂质即掺杂剂而制备的半导体，杂质的多少决定了电荷载流子的数量。半导体金属：砷、锑、铋、硒、碲等元素，<典型金属，在半导体范围内，但其~T的变化行为象金属。另一特殊材料是石墨，在基晶面方向上，显示出金属般高传导性，但在其垂直的方向上具有半导性。介电性能：在外电场作用下，材料表现出的对静电能的储蓄和损耗的性质。电子材料除有导体、半导体、绝缘体外，介电材料(如电容器)也十分重要。第三章

材料的性能

介电材料：价带和导带之间存在大的能隙，∴具有高的电阻率。产生介电作用的原因：电荷的偏移称为极化。其中离子极化最重要，即在电场作用下离子偏移它的平衡位置。有极化离子存在时，电子层也会相对于核的位置发生偏移而形成电子极化。电容C既依赖于电容器板极之间的材料，又和器件的结构有关。对于只有2个板极的简单平板电容器：

C＝

(A/d)

（3-7）A——每个板极的面积；d——板极间的距离；——电容率，表征材料极化和储存电荷的能力。第三章

材料的性能

相对电容率(即介电常数r)：是材料电容率与真空电容率o之比：o为8.85×10-12F/m。对于一个含有n个平行导体板的电容器，其电容等于：

介电损耗(tg)：为材料在每次电场交变时所损耗的能量的分数值，是介电材料重要的性能指标。使用中希望材料的介电损耗越小越好。一般T↗tg↗。表3-7列出了一些介电材料的性能。r＝

/o

（3-8）

C＝o

r(A/d)(n-1)

（3-9）第三章

材料的性能表3-7某些介电材料的性能

材料介电常数r

介电损耗tg(106Hz)介电强度×106/(V/m)

60Hz106Hz聚甲醛聚乙烯聚四氟乙烯聚苯乙烯聚氯乙烯(无定形)橡胶环氧树脂熔融氧化硅钠钙玻璃氧化铝钛酸钡TiO2云母7.52.32.12.574

3.8794.72.32.12.53.43.23.63.876.53000141107

2.3<2×10-413×10-40.040.1410-2

2×10-45×10-32×10-210-3~10-410-22×10-45×10-31220

204020

10612840研究介电常数大的物质(如BaTiO3)时发现(见图3-24)：当电场↗时，极化程度先按比例↗1，接着突然↑2，很大时↗速度又↘→极限值3。除去电场后剩余一部分极化状态4，必须加上相反电场才能完全消除极化状态5，即出现滞后现象，与铁磁体类似，称这种某些材料在除去外电场后仍保持部分极化状态的现象为铁电性。Fig3-3

铁电滞后现象铁电性

这种保持极化的能力可使铁电材料保存信息，∴成为可供计算机线路使用的材料。永久偶极子铁电材料必然是介电体、压电体，而且介电常数高，∴特别适用于电容器和压电换能器。Fig3-4

温度对介电常数的影响铁电性常出现在具钙钛矿晶格的ABO3型化合物中。有些材料，如BaTiO3的Tc相应于晶体结构T转变，∴>T转变时，结构中的永久偶极子(指电荷or磁矩不平衡的原子or原子组合)都不复存在，无铁电性。铁电性依赖于T，>特征温度Tc（铁电居里温度）时，材料将不再具备铁电性，见图3-4。表3-8一些高介电常数(高容量)的材料材料介电常数r

(1kHz)tg

(1kHz)居里温度Tc/CBaTiO3

SrTiO3

Na1/2Bi1/2TiO3

Bi4Ti3O12

Cd2Nb2O7

PbTiO3-PbZrO3(PZT)(Ba,Sr)(Ti,Sn)O3

(Ba,Sr)TiO3晶界层电容器12003327001125005804253400300010000400001000001×10-2

5×10-4

4×10-2

2.9×10-3

1.4×10-2

4×10-32×10-2

1×10-25×10-2

2×10-21×10-1

120-200675-88180350第三章

材料的性能压电性具有使机械能和电能相互转换的现象称压电效应。取决于晶体结构是否对称?晶体必须有极轴(不对称or无对称中心)，同时是绝缘体，才有压电性。所有铁电材料都有压电性，但有压电性不一定是铁电体，如BaTiO3、Pb(Zr,Ti)O3等是铁电和压电材料，而石英、纤维锌矿(ZnS)是压电材料，但无铁电性。压电常数：压电效应的大小，与施加的应力、产生的应变S、电场强度E及电位移D有关，与方向有关。反映压电材料这4个参数之间关系的方程式称为压电方程。介电体、压电体与铁电体的关系机电耦合系数K：压电材料性能的另一参数(生产上使用最多)，表示其机械能与电能的耦合效应，定义为：K—无量纲物理量，大小与材料形状及振动方式有关，但不同的振动模式将有相应的机电耦合系数。有平面耦合系数KP、横向耦合系数K31、纵向耦合系数K33、厚度振动机电耦合系数Kt和厚度切变振动机电耦合系数K15等。K=通过压电效应转换的电能

输入的机械能

（3-10）压电体用于点火装置、压电变压器、微音扩大器、振动计、超声波器件和各种频率滤波器等。许多陶瓷均是重要压电材料。聚偏二氟乙烯(PVDF)是近年来研究最多的聚合物压电材料。一些压电材料的特性表3-9

。表3-9压电材料的特性

材料r

d31

d33

K31

K33

KP

KtTc(10-12C/N)(10-12C/N)/CBaTiO3

PbTiO3

PZTPb(Mg1/3Nb2/3)O3LiTaO3结晶PVDFPVDF/PbTiO3

PVDF/PZTPVDF/三氟乙烯1200781902800.210.490.320.211202001320940.060.450.060.434706129318022.30.310.670.53330170018001006000.50.750.52000.20.450.30.720034054

61811204036

0.10.221202.7

103050

0.48

9.530

0.3

第三章

材料的性能

3.5光学性能

光波是1种电磁波，可分成红外、可见和紫外3个波段。第三章

材料的性能

∵外加电场、磁场、应力的作用→n变化的现象，称电光效应、磁光效应和光弹性。折射率n：光波在物体中的传输速度v与真空中速度vo的比值：n=vo/v透明材料的反射率R：R=[(n-1)/(n+1)]21.光的透过、吸收和反射

表3-10光的反射、吸收、透过的特征

材料无机(陶瓷)材料金属材料高分子材料反射除金刚石、立方ZrO2、TiN等外，多数陶瓷对可见光的R均较小对可见、红外线、微波等低频率光有强反射n为：1.341.71，R非常小吸收含有过渡、稀土金属离子的物质，∵配位场e的激发，在可见波段有吸收；∵晶格振动，在红外波段均有吸收对低频率光反射，同时也吸收含电子结合的发色基团，在可见波段产生吸收；红外波段有显著吸收，可用于检测分子基团透过一般光带能级差较大，透可见和近红外；但杂质、气孔、多晶异向性等→透过率↘可透紫外线以上的高频光；若膜厚<1050nm，可显著透过可见光虽然不纯物等会引起着色，但一般无色透明，透光性高金属具有不透明性和高反射率是∵导带中已填充能级的上方有许多空着的e能态，电磁波入射时均可激发e到能量较高的未填充态→被吸收。∴光线射进金属表面不深即被完全吸收，非常薄的金属膜才有些透明。e一旦被激发后，又会衰减到较低的能级→在表面发生光的再反射。∴金属强反射是由吸收和再反射综合造成的。大多数非晶态高分子，不含杂质、疵痕时，清彻透明(如聚甲基丙烯酸甲酯≈完全透明。聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸酯、纤维素酯、聚乙烯醇缩丁醛等的透光率~90%);结晶高分子：晶体尺寸时，不会对光产生干涉作用，∴透明，如微晶尼龙、拉伸的聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜等；晶体尺寸时，∵产生光散射而变得不透明并呈乳白色如尼龙。无机材料是否透明?取决于能带结构：能隙足够宽→可见光不足于引起e激发→透明。第三章

材料的性能

*大多数玻璃透光性非常好。*大部分陶瓷，在可见光波段不透明，若烧结中通过加入少量添加剂抑制晶粒的生长，也可制得透明的材料，图3-5一些透光性烧结体的光透过曲线。透明Al2O3材料已用于制造超高强灯泡。图3-5

一些透光性烧结体的光透过率2.荧光性

第三章

材料的性能

指1种物质在吸收电能or光能后，通过e跃迁，再释放出光的现象。许多稀土化合物本身就是荧光体。一般材料需要激活剂引发荧光性，如银激活ZnS荧光体可写为ZnS:Ag。表3-11列出了部分荧光材料的用途。

表3-11部分荧光材料的用途用途激发方法代表性的荧光材料荧光颜色彩色电视机1827KV电子射线ZnS:Ag,ClZnS:Cu,Au,ClY2O2S:Eu蓝绿红观测用阴极射线管

1.510KV电子射线Zn2SiO4:Mn绿电子显微镜503000KV电子射线

(Zn,Cd)S:Cu,Al绿数字显示管20V电子射线ZnO绿荧光灯254nm紫外线Ca10(PO4)6(F,Cl)2:Sb,Mn白荧光水银灯365nm紫外线Y(V,P)O4:Eu红复写用灯254nm紫外线Zn2SiO4:Mn绿X线增感纸X射线CaWO4Gd2O2S:Tb蓝白黄绿固体激光光(近紫外近红外)Y3Al5O12:Nd(YAG)红外3.6磁性

第三章