北京化工大学北方学院材料化学课件3

材料的性能Chapter3PropertiesofMaterials1Chapter3

PropertiesofMaterialsChapter3PropertiesofMaterials2本章主要内容化学性能力学性能热性能

学习目的：了解材料的各类性能；2.加深理解材料结构与性能的关系。电性能磁性光学性能材料的几类主要性能：Chapter3PropertiesofMaterials3耐氧化性耐酸碱性耐有机溶剂性耐老化性——材料抵抗各种介质作用的能力化学稳定性或耐受性3.1化学性能

ChemicalPerformanceChapter3PropertiesofMaterials4(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(金属材料)5Electrochemistrycorrosion（2）电化学腐蚀原电池钢管与铜组件构成的腐蚀负极正极阳极阴极负极负极正极水电位差电解液有导线或直接接触条件Cathodicprotectionofaburiedsteelpipeline

电化学防锈——牺牲阳极法保护金属6Chapter3PropertiesofMaterials被保护金属73.1.2耐酸碱性耐酸材料

以酸性氧化物为主的材料耐酸,如SiO2(但硅酸盐材料不耐HF酸)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。无机非金属材料(除金刚石、石墨外,大多数为化合物)金属材料

Chapter3PropertiesofMaterials8(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9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；交联型高分子材料在有机溶剂中不溶解，但能溶胀，使材料体积膨胀，性能变差；不同高分子材料，组织结构不同,其分子链以及侧基不同，有机溶剂耐受性不同；—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。—如侧链、主链不同,有机溶剂耐受性不同3.1.3耐有机溶剂性——

主要指高分子材料10(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

氧气参与：导致链断裂（降解）：Chapter3PropertiesofMaterials11(3)Chemicalstabilityofpolymers羰基容易吸收紫外光，因此含羰基聚合物在太阳光照射下容易被氧化降解。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。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。结构与耐老化性123.2力学性能——材料抵受外力作用的能力强度、延展性、断面收缩率

硬度

疲劳性能Chapter3PropertiesofMaterials13应力stress3.2.1材料的强度(Strength)应变strain测量材料受外力时产生的形变测量材料的强度Experiment应力-应变曲线

ultimatetensilestrengthyieldstrength微观：化学键的拉伸弹性形变弹塑性形变均匀塑性形变非均匀塑性形变(1)弹性形变阶段:外力撤后可恢复原状E:弹性模量/杨氏模量,反映材料抵抗弹性变形能力(2)

弹塑性形变:外力撤后部分恢复原状,达最大强度称为屈服强度σs,它是选择材料的主要依据.(3)均匀塑性形变:外力撤后不可恢复原状,达最大强度称为拉伸强度σb。它是材料能承受的最大强度.(微观讲:晶体:位错的滑移),(4)非均匀塑性形变:强度下强,出现缩颈并断裂,断裂点强度称为断裂强度σk。延展性或塑性的表征延伸率 elongation断面收缩率

reductionofarea<5%：脆性材料16Chapter3PropertiesofMaterialsChapter3PropertiesofMaterials17材料的一些力学性能特点：很多金属材料既有高强度，又有良好延展性；多晶材料强度高于单晶材料；固溶体或合金的强度高于纯金属；多数无机非金属材料延展性很差，屈服强度高。

183.2.2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据硬度不同分HRA，HRB，HRCChapter3PropertiesofMaterials19维氏硬度测量维氏硬度（Vickershardness）HV=0.189F/d工具：夹角为136℃的方锥形钻石锥维氏硬度小负荷维氏硬度显微维氏硬度F不同Chapter3PropertiesofMaterials20硬度试验HB/HV/HR值越大，硬度越高21各种材料的硬度特征：共价键键能高,以共价键结合的材料硬度高,如金刚石；无机非金属材料有较高硬度金属材料形成固溶体或合金时,材料硬度会显著提高。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223.2.3疲劳性能

——材料抵抗疲劳破坏的能力

疲劳：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。

疲劳寿命疲劳强度:对应某寿命值(循环次数)的最大应力热容（heatcapacity）Cp,Cv热膨胀（thermalexpansion）αl,αv热传导（thermalconduction）

λ(导热率)Chapter3PropertiesofMaterials233.3热性能

ThermalPropertyChapter3PropertiesofMaterials24Curve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。键强与热膨胀热膨胀系数膨胀的差异——原子间的键合力越强，则热膨胀系数越小。P54:表3-1键合力越强,势能阱越深,膨胀系数越小;结构越疏松,膨胀系数越小Chapter3PropertiesofMaterials25Examples热量通量q

：热导率：表征物质热传导性能的物理量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.(热传递三种形式:对流,传导,热辐射.传导:固体)(傅立叶定律)26各种材料的导热率金属材料有很高的热导率无机陶瓷或其它绝缘材料热导率较低半导体材料的热传导：高温下,电子激发进入导带，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。

Chapter3PropertiesofMaterials27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282.1.3.5Electricalproperty3.4.1导电性能——电导率σ表示电导率σ:电阻率的导数,材料导电性能的度量,σ越大,导电性能越好.292.1.3.5Electricalproperty能带理论（BandTheory）能带的形成——分子轨道理论两原子间相应轨道可组成同数目的分子轨道金属晶体:可组成数目极多轨道,实际联成一片,构成能带302.1.3.5Electricalproperty各种材料的能带结构满带:充满电子价带VB:价电子充满空带:部分充满或全空导带CB:空带获得电子参与导电后禁带:导带与价带之间间隙无禁带固体导电能力由能带结构决定能带本征半导体非本半导体:掺杂,n型,p型312.1.3.5Electricalproperty3.4.2

介电性能——介电常数表示电容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

(常用)C=q/V单位:F电介质:在电场作用下能极化的物质介电性能:外电场作用下,材料对静电能的储蓄和损耗性质32(2)DielectricProperty某些介电材料的性能介电强度:击穿电压,电容器间可维持的最大电场强度,否则击穿放电介电损耗tanδ:电场作用下,电介质能量损耗.损耗小,绝缘性好Chapter3PropertiesofMaterials33(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

Chapter3PropertiesofMaterials34居里温度Tc——电铁性材料

Curietemperature

定义:居里温度Tc:T>Tc,铁电性消失Chapter3PropertiesofMaterials35压电性对铁电性材料施加压力,会导致极化发生改变,在样品两侧产生小电压,这一效应称为压电性或压电效应压电体:力→电压(测量)→压力传感器Chapter3PropertiesofMaterials36(4)Piezoelectricity常用的压电陶瓷：BaTiO3、PbTiO3、PbZrO3、NH4H2PO4逆压电效应(电至伸缩):压电体两侧加电压,可引起尺寸发生变化薄膜:扬声器,耳机等373.5.1磁性基本概念

3.5磁性—磁化率衡量磁性:物质在不均匀磁场中所受磁力作用任何物质都有磁性Chapter3PropertiesofMaterials38反磁性:磁偶极方向与外磁场m<0Hg、Cu、Ag、Pb金刚石、MgO

、NaCl

绝大多数高分子材料

顺磁性磁偶极方向与外磁场相同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

Chapter3Properties