第03章材料的性能2

材料的性能Chapter3PropertiesofMaterials1Chapter3

PropertiesofMaterials李盛彪1李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials2GeneralCharactersofMaterials2李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials3本章主要内容材料化学的主要目的是从分子水平到宏观尺度认识结构与性能的关系，在合成和加工过程中有意识地控制材料的组成和结构，从而获得具有预期使用性能的材料。材料的几类主要性能：化学性能力学性能热性能电性能磁性光学性能学习目的：了解材料的各类性能；学习一些材料性能的表征及测试方法；加深理解材料结构与性能的关系。3李盛彪4溶蚀性耐腐蚀性抗渗透性抗氧化性——材料抵抗各种介质作用的能力化学稳定性3.1化学性能

ChemicalPerformance4李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials5(1)Chemicalstabilityofmetalmaterials氧化物成核生长氧溶解氧化膜生长内氧化缝隙孔洞微裂纹宏观裂纹吸附（1）化学锈蚀3.1.1耐氧化性金属氧化反应的主要过程示意图5李盛彪几种金属的表面氧化膜对比多孔氧化膜致密氧化膜松散氧化膜6Chapter3PropertiesofMaterials6李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials7Electrochemistrycorrosion（2）电化学腐蚀simpleelectrochemicalcellcorrosioncellbetweenasteelwaterpipeandacopperfitting7李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials8ElectrochemistrycorrosionSO2气体对铁的侵蚀过程（2）电化学腐蚀8李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials9Example海水对金属的侵蚀示意图9李盛彪Cathodicprotectionofaburiedsteelpipeline

电化学防锈——牺牲阳极法10Chapter3PropertiesofMaterials10李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials11思考：为什么有的金属（如铝）比较活泼，但在空气中很稳定？为什么在潮湿环境下金属材料容易生锈？材料应用中有哪些防锈方法？11李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials123.1.2耐酸碱性耐酸材料

以酸性氧化物SiO2为主耐碱材料

大多数金属氧化物都是碱性氧化物，相应的材料表现出较强的耐碱性，而易受酸侵蚀或溶解。(2)Chemicalstabilityofnon-metalmaterials12李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials13金属的耐酸碱性主要是高温下浓碱液的腐蚀问题镍铬铸铁中加入稀土，降低镍含量，可以降低材料成本，又可以保证合金铸铁良好的耐碱蚀性。耐蚀机理：碱蚀后稀土高镍铬铸铁表面生成完整、致密的-(Fe,Cr)2O3氧化膜和Na2SO4、FeCl3等附着物，使材料本体受到保护。13李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials14(3)Chemicalstabilityofpolymers化学稳定性好，耐酸耐碱高分子材料：

主链原子以共价键结合长分子链对反应基团的保护电绝缘性，无电化学腐蚀14李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials15(3)Chemicalstabilityofpolymers金属材料和无机非金属材料有好的耐有机溶剂性能；热塑性高分子材料一般由线形高分子构成，很多有机溶剂都可以将其溶解；交联型高分子在有机溶剂中不溶解，但能溶胀，使材料体积膨胀，性能变差；不同的高分子材料，其分子链以及侧基不同，对各种有机溶剂表现出不同的耐受性；组织结构对耐溶剂性也有较大影响。例如，作为结晶性聚合物，聚乙烯在大多数有机溶剂中都难溶，因而具有很好的耐溶剂性。3.1.3耐有机溶剂性15李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials16(3)Chemicalstabilityofpolymers光照下形成自由基：3.1.4耐老化性——高分子材料面临的问题氧气的参与：自由基形成后导致链的断裂（降解）：16李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials17(3)Chemicalstabilityofpolymers羰基容易吸收紫外光，因此含羰基的聚合物在太阳光照射下容易被氧化降解。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；氟原子的尺寸大小适中，一个紧挨一个，能把碳链紧紧包围住。分子链中含有不饱和双键、聚酰氨的酰氨键、聚碳酸酯的酯键、聚砜的碳硫键、聚苯醚的苯环上的甲基等等，都会降低高分子材料的耐老化性。结构与耐老化性17李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials18(3)Chemicalstabilityofpolymers改进聚合物分子结构加入适当助剂抗氧化剂光屏蔽剂紫外线吸收剂淬灭剂

耐老化性的提高18李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials19——材料抵受外力作用的能力3.2力学性能

MechanicalProperty19李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials20应力stress应变strain

拉伸强度弯曲强度冲击强度3.2.1材料的强度(Strength)20李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials21Experiment样品拉伸试验应力-应变曲线ultimatetensilestrengthyieldstrength21李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials22J.AM.CHEM.SOC.2004,126,10226-1022722李盛彪延展性或塑性的表征延伸率 elongation断面收缩率

reductionofarea<5%：脆性材料23Chapter3PropertiesofMaterials23李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials24材料的一些力学性能特点：很多金属材料既有高的强度，又有良好的延展性；多晶材料的强度高于单晶材料；这是因为多晶材料中的晶界可中断位错的滑移，改变滑移的方向。通过控制晶粒的生长，可以达到强化材料的目的。固溶体或合金的强度高于纯金属；杂质原子的存在对位错运动具有牵制作用。多数无机非金属材料延展性很差，屈服强度高。源于共价键的方向性24李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials25102030e(%)0100200300400500600700800900s(MPa)低碳钢锰钢硬铝退火球墨铸铁25李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials263.2.2材料的硬度（hardness)

——材料局部抵抗硬物压入其表面的能力的量度布氏硬度（Brinellhardness）洛氏硬度（Rockwellhardness）HR=(K-h)/0.002维氏硬度（Vickershardness）HV=0.189F/d2

材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标26李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials27维氏硬度测量27李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials28硬度试验28李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials29各种材料的硬度特征：由共价键结合的材料如金刚石具有很高的硬度，这是因为共价键的强度较高；无机非金属材料有较高硬度离子键和共价键的强度均较高；当含有价态较高而半径较小的离子时，所形成的离子键强度较高（因静电引力较大），故材料的硬度更高。金属材料形成固溶体或合金时可显著提高材料的硬度。高分子材料硬度通常较低分子链之间主要以范德华力或氢键结合，键力较弱29李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials303.2.3疲劳性能

——材料抵抗疲劳破坏的能力疲劳（fatigue）：材料在循环受力（拉伸、压缩、弯曲、剪切等）下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。30李盛彪热容（heatcapacity）热膨胀（thermalexpansion）热传导（thermalconduction）Chapter3PropertiesofMaterials313.3热性能

ThermalProperty31李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials32定压热容Cp晶体材料较高温度下： Cp=3R=24.9Jmol-1K-1。极低温度下：CpT3定容热容CV3.3.1热容（heatcapacity）

——1mol物质升高1K所需要的热量32李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials33膨胀系数：温度变化1K时材料尺度的变化量。线膨胀系数l和体积膨胀系数V

3.3.2热膨胀

thermalexpansion33李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials34Curve势能一原子间距离曲线假想的实际的热膨胀现象解释34李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials35Curve金属和无机非金属材料的线膨胀系数较小；聚合物材料则较大。键强与热膨胀膨胀的差异——原子间的键合力越强，则热膨胀系数越小。35李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials36Examples热量通量q

：热导率：表征物质热传导性能的物理量。单位：Wm-1K-1，或calcm-1s-1K-11calcm-1s-1K-1=4.2102Wm-1K-1

3.3.3热传导（thermalconduction）

——热量从系统的一部分传到另一部分或由一 个系统传到另一个系统的现象36李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials37各种材料的导热率金属材料有很高的热导率自由电子在热传导中担当主要角色；金属晶体中的晶格缺陷、微结构和制造工艺都对导热性有影响；晶格振动无机陶瓷或其它绝缘材料热导率较低。热传导依赖于晶格振动（声子）的转播。高温处的晶格振动较剧烈，再加上电子运动的贡献增加，其热导率随温度升高而增大。半导体材料的热传导：电子与声子的共同贡献低温时，声子是热能传导的主要载体。较高温度下电子能激发进入导带，所以导热性显著增大。高分子材料热导率很低热传导是靠分子链节及链段运动的传递，其对能量传递的效果较差。37李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials38Examples38李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials39导电性介电性铁电性压电性——材料被施加电场时所产生的响应行为3.4电性能

ElectricalProperty39李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials40Electricalproperty3.4.1导电性能

ElectricalConductivity金属：导体、半导体（半导体金属砷、碲等）陶瓷：绝缘体、半导体高分子材料：绝缘体、半导体、导体其它：硅、锗（半导体），石墨（导体）40李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials4Electricalproperty电阻：电阻率：电导率：=1/

=nZe

要增加材料的导电性，关键是增大单位体积内载流子的数目（n）和使载流子更易于流动（增大

值）。41李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials4Electricalproperty能带理论（BandTheory）能带的形成42李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials4Electricalproperty各种材料的能带结构43李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials4Electricalproperty3.4.2介电性能

DielectricProperty电容C（capacitance）——电荷量q与电压V的比值：

平板电容计算：

C=(A/L)：介电常数，表征材料极化和储存电荷的能力；相对介电常数r：r=/0

C=q/V44李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials45(2)DielectricProperty某些介电材料的性能45李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials46(3)Ferroelectricity3.4.3铁电性与压电性FerroelectricityandPiezoelectricity铁电滞后现象铁电性——材料在除去外电场后仍保持部分极化状态46李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials47居里温度Tc

Curietemperature47李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials48(4)Piezoelectricity压电性Piezoelectricity外力→极化→电场48李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials49(4)Piezoelectricity常用的压电陶瓷：BaTiO3、PbTiO3、PbZrO3、

NH4H2PO4（a）施加一定电压（b）施加压力，产生反向电压，导致两端电压下降（c）施加较大电压，材料产生变形49李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials503.5.1磁性基本概念

Hm：磁化强度

magnetizationm：磁化率

magneticsusceptibility3.5磁性

MagneticProperty50李盛彪2/3/20239:41:49PMChapter3,ChemistryofMaterials2008,ceszzh@51磁性的来源——磁偶极子 magneticdipolesThespinoftheelectronproducesamagneticfieldwithadirectiondependentonthequantumnumberms

Electronsorbitingaroundthenucleuscreateamagneticfieldaroundtheatom

51Chapter3PropertiesofMaterials51李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials52反磁性（diamagnetism）

m<0Hg、Cu、Ag、Pb金刚石、MgO、NaCl绝大多数高分子材料

顺磁性（paramagnetism）m>0含有非零角动量原子（例如过渡金属）的材料。

mT-1（居里定理）一些非过渡金属（例如Al）。m与T无关磁场撤去后磁效应消失

3.5.2磁性的种类

52李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials53铁磁性（ferromagnetism）在不太强的磁场中，就可以磁化到饱和状态。铁磁居里温度

ferromagneticCurietemperature

53李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials54反铁磁性（antiferromagnetism）在外电场作用下，相邻磁矩反向排列。Mn、Cr铁氧体磁性（ferrimagnetism）不同的磁矩反平行排列时，在一个方向呈现出净磁矩。代表：磁铁矿Fe3O4铁磁性 反铁磁性 铁氧体磁性

54李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials55反铁磁性（MnO）55李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials56磁畴MagneticDomain磁畴壁MagneticDomainWall磁畴——自旋磁矩在一个个微小区域内“自发地”整齐排列起 来而形成的磁化小区域。3.5.3磁畴和磁化曲线56李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials57磁滞回线

hysteresisloop57李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials58软磁材料 硬磁材料58李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials59光的吸收和透过光的反射和折射材料的颜色3.6光学性能

OpticalProperty59李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials60金属材料：不透明；半导体和其它非金属材料：取决于能隙Eg；晶格热振动：对长波区的可见光和红外光产生吸收；高分子材料：无定形透明，结晶影响透明性（晶粒对光的散射）3.6.1光的吸收和透过60李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials61几种无机材料的光透过曲线61李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials62金属材料：强反射（金属光泽）；电子吸收光能后激发到较高能态，随即又以光波的形式释放出能量回到低能态无机非金属材料：主要受介质的折射率差影响；当光线从一种介质入射另一种介质时，介质的折射率差别越大，反射就越强。材料的折射率受其结构影响单位体积中原子的数目越多，或结构越紧密，则光波传播受影响越大，从而折射率越大。原子半径越大(极化率大），折射率就越大。3.6.2光的反射和折射62李盛彪几种金属材料的反射率随光波波长变化曲线Chapter3PropertiesofMaterials6363李盛彪Chapter3PropertiesofMaterials64金属材料：颜色取决于其反射