第三章 无机非金属材料的性能

第三章无机非金属材料的性能各种材料的特性强度高，延展性好良导体不透明表面光滑有光泽硬而脆不良导体耐高温耐严酷环境电绝缘，热绝缘磁惰性，化学惰性重量轻透明韧性好金属材料聚合物无机材料第一节力学性能材料的力学性能——材料在各种不同工作情况下（载荷、速度、温度等），从受力（静力或动力）至破坏的全过程中所呈现出的力学特征。一、弹性二、脆性三、塑性四、韧性五、力学强度六、无机材料的高温行为变形和外力不呈线性关系，而且外力撤销后，变形不会完全消失。材料变形的大小和作用力大小成正比，且去掉外力，能恢复原状。外力继续增大至大于材料的断裂强度时将会发生断裂。弹性变形塑性变形断裂大多数无机非金属材料塑性变形范围很小或几乎没有，通常表现为脆性。一、弹性在一定应力-应变极限内，无机非金属材料服从于胡克定律，即σ=Eε反映了晶体成分和玻璃成分的结合强度。在两相系统中，总弹性模量在高弹性模量成分和低弹性模量成分之间。若两相系统的泊松比相同，在力的作用下的应变相同，则：E=E1V1+E2V2式中，E1和E2分别为第一相及第二相成分的弹性模量。V1和V2分别为第一相及第二相成分的体积分数。1.弹性模量对连续基体内的密闭气孔，可用下面经验公式：

E=Eo(1－1.9P+0.9P2)适用于P50材料E(Gpa)材料E(Gpa)氧化铝晶体380烧结TiC(P=5%)310烧结氧化铝（P=5%）366烧结MgAl2O4(P=5%)238高铝瓷（P=90－95%）366密实SiC(P=5%)470烧结氧化铍（P=5%）310烧结稳定化ZrO2P=5%150热压BN（P=5%）83石英玻璃72热压B4C（P=5%）290莫来石瓷69石墨（P=20%）9滑石瓷69烧结MgO（P=5%）210镁质耐火砖170烧结MoSi2（P=5%）4072.影响弹性模量的因素（2）孔结构

E随着孔体积的提高而降低长形孔比球形孔对E的值影响大（4）材料的密实性，显微结构的组成及前期工艺（1）晶体结构（3）温度

大部分固体，受热后渐渐开始变软，弹性常数随温度升高而降低。二、脆性1.脆性的共同特征

（1）脆性材料受力破坏时，无显著的变形，而是突然断裂；（2）一般断裂面较粗糙，延展率和断面收缩率都很小。2.脆性断裂材料的脆性变形要求出现裂纹并发生扩展。（1）裂纹的来源：（a）由于晶体微观结构中存在缺陷。当受到外力作用时，在这些缺陷处就会引起应力集中，导致裂纹成核。图1位错形成微裂纹示意图（a）组合（b）塞积（c）交截（b）材料表面的机械损伤与化学腐蚀形成表面裂纹。（c）由热应力形成裂纹。图2由于热应力形成的裂纹（2）裂纹的扩散前提：材料中存在裂纹，由于位错的迁移和受阻而产生新裂纹并扩散裂纹。可延展性材料：位错迁移不受阻碍，许多能量消耗于塑性流动，不能形成裂纹。脆性材料：位错迁移受到严重限制，材料中有足够的能量来堆积位错和形成裂纹，且裂纹扩散的速度快于位错的运动。介于二者之间：位错运动受限制，仅需一部分能量消耗于塑性流动，另一部分消耗于裂纹形成，裂纹的扩散很容易被终止。3.脆性断裂的判据：——材料的应力-应变行为在断裂前完全是弹性的；——断裂开始且扩展方向垂直于最大的主拉力方向；——出现完全分离断裂。三、塑性1.定义

塑性变形

——指在材料受力时，当应力超过屈服点后，能产生显著的残余变形而不即行断裂的性质，残余变形即称为塑性变形。

延展性——材料经塑性变形后而不被破坏的能力。图3MgO和KBr弯曲试验的应力-应变曲线2.影响因素

（1）温度（2）载荷和位错速度在适当条件下，无机材料中也可能会存在塑性变形。四、韧性1.定义——指材料抵抗裂纹产生和扩展的能力。——是材料断裂过程中单位体积材料吸收能量的量度。——可由拉伸应力-应变曲线下的面积大小衡量。2.衡量指标冲击韧性断裂韧性Titanic沉没原因

Titanic——含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。Titanic号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果五、力学强度1.定义——力学强度是指材料抵抗各种外来力学载荷的整体综合能力。2.Orowan理论γ——表面能a——离子距离只有在一些极细的纤维晶体和晶须中，σ≈σth在较大尺寸材料中，σ<σth3.Griffith微裂纹理论（1）理论要点Griffith认为实际材料中总是存在许多细小的裂纹或缺陷，在外力作用下，这些裂纹和缺陷附近产生应力集中现象。当应力达到一定程度时，裂纹开始扩展而导致断裂。所以断裂并不是两部分晶体同时沿整个界面拉断，而是裂纹扩展的结果。（2）断裂应力（临界应力）（3）断裂判据r——裂纹尖端的曲率半径l——契口长度Y——形状因子4.强度的影响因子（1）内在因素：材料的物性。如：弹性模量、热膨胀系数、导热性、断裂能；（2）显微结构：相组成、晶粒、气孔、晶界（晶相、玻璃相、微晶相）、微裂纹（长度、尖端的曲率大小）；（3）外界因素：使用温度、应力、气氛环境、试样的形状大小、表面；（例如：无机材料的形变随温度升高而变化的情况：弹性——弹塑性——塑性——粘性流动）（4）工艺因素：原料的纯度粒度形状、成型方法、升温制度、降温速率、保温时间，气氛及压力等；5.提高无机非金属材料强度的途径改变结构单元组成、去除表面微裂纹、消除热表面应力、掺入增强相等六、高温力学行为1.蠕变蠕变——材料在常应力作用下，变形随时间的延续而缓慢增长的现象。从热力学观点出发，蠕变是一种热激活过程。在高温条件下，借助于外应力和热激活的作用，形变的一些障碍物得以克服，材料内部质点发生了不可逆的微观过程。延伸率×10-2864200100200300400500600时间（小时）第一阶段蠕变第二阶段蠕变第三阶段蠕变（1）典型的蠕变曲线弹性变形阶段起始段，在外力作用下，发生瞬时弹性形变，即应力和应变同步。其特点是应变速率随时间递减，持续时间较短。此阶段的形变速率最小，且恒定，也为稳定态蠕变。形变与时间的关系为线性关系。此阶段是断裂即将来临之前的最后一个阶段。特点：曲线较陡，说明蠕变速率随时间增加而快速增加。3）显微结构

（2）影响蠕变的因素1）温度、应力（外界因素）2）晶体的组成结合力越大，越不易发生蠕变，所以共价键结构的材料具有好的抗蠕变性。例如碳化物、硼化物。材料中的气孔、晶粒、玻璃相等对蠕变都有影响。（a）气孔：气孔率增加，蠕变率增加。

原因：气孔减少抵抗蠕变的有效截面积。（b）晶粒：晶粒越小，蠕变率越大。原因：晶界的比例随晶粒的减小而大大增加，晶界扩散及晶界流动加强。（c）玻璃相：玻璃相粘度越小，蠕变率增加。原因：温度升高，玻璃的粘度降低，变形速率增大，蠕变率增大。2.高温强度热强度指热抗压强度、热抗折强度、热抗拉强度和热抗扭转强度。玻璃相的特性和数量对多矿物材料的强度起着决定性的作用。玻璃相在较低温度下软化→低温下出现粘性流动→微结构分离→热强度降低存在温度梯度而产生温度达到平衡时消失在不同变形系数的复合材料中形成并保持的应力状态。暂时热应力01淬火或冷却热应力02永久热应力迅速冷却阶段出现保留在工件中通过退火消除033.热应力物体受热不均匀或各组元膨胀不同，在加热或冷却时所产生的应力称为热应力。例1：材料中存在温度梯度形成的热应力引起在373K的沸水中在273K的冰水浴中,表面层趋于T=100收缩,内层的收缩为零。结果：表面层的收缩受到限制，在表面层产生张应力，内层受到压应力。随着时间的延长，内层温度不断下降，材料中的热应力逐渐减小。表面273K玻璃内部373K原因：快冷却开始时，玻璃的表面比内部冷却的更快，外部首先变硬，而内部仍处于熔融状态，由于收缩程度不同，在玻璃表面产生拉应力，淬火以后几秒之内，表面与内部的温差达最大值，继续冷却，内部的收缩将比刚硬的外部收缩更快，此时，表面张应力随着减小，直至室温，表面由拉应力变为压应力。T软化点转变点例2：玻璃的淬火-----将在转化点和转化温度间的玻璃快速冷却。冷却方法：冷空气喷射、油浴。结果：在玻璃的表面产生压应力，提高玻璃的强度。例3：由坯釉热膨胀系数不同引起。上釉陶瓷:釉的热膨胀系数：1

；坯体的热膨胀系数：2坯受较强的拉力作用釉被拉离坯面1>21<2釉受较大拉力的作用发生龟裂或坯向内侧弯曲

第二节热学性能一、热容二、热膨胀三、热传导

一、热容1.定义

相当于温度升高1℃时物质能量的增加。

比热——每一克物质的热容（J/（g•℃））。恒容比热Cv：体积不变，温度↑时的能量增加恒压比热Cp：压力不变，温度↑时的能量增加2.比热与温度的关系以Cv为例：3.应用

用于蓄热的材料，C↑用于加热的材料，C↓比热绝对零度时，Cv→0T↑，Cv∞T3T↑↑，Cv=3Nk=3R固体的热容是原子振动在宏观性质上的一个最直接的表现。4.无机材料的热容影响热容的因素：1）温度对热容的影响高于德拜温度时，热容趋于常数，低于德拜温度时，与(T

/

D)3成正比。2）键强、弹性模量、熔点的影响德拜温度约为熔点的0.2—0.5倍。3）无机材料的热容对材料的结构不敏感混合物与同组成单一化合物的热容基本相同。4）相变时，由于热量不连续变化，热容出现突变。5）多相复合材料的热容：c=gicigi

：材料中第i种组成的重量%；Ci：材料中第i组成的比热容。ttt1t21.定义热膨胀：温度改变

toC时，固体在一定方向上发生相对长度的变化(L/Lo)或相对体积的变化(V/Vo)。线膨胀系数：=(1/Lo)·(L/t)体积膨胀系数：=(1/Vo)/(V/t)二、热膨胀2.影响热膨胀的因素（1）化学键型随着物质中离子键性的增加，膨胀系数也增加。另一方面，化学键的键强越大，膨胀系数越小。（2）热膨胀与结合能、熔点的关系结合力强，势能曲线深而狭窄，升高同样的温度，质点振幅增加的较少，热膨胀系数小。单质材料

ro(10-10m)结合能×103J/mol熔点(oC)l(×10-6)金刚石1.54712.335002.5硅2.35364.514153.5锡5.3301.72325.3

结构紧密的固体，膨胀系数大，反之，膨胀系数小对于氧离子紧密堆积结构的氧化物，相互热振动导致膨胀系数较大，约在6～8×10-6/0C，升高到德拜特征温度时，增加到10～15×10-6/0C。如：MgO、BeO、Al2O3、MgAl2O4、BeAl2O4都具有相当大的膨胀系数。

固体结构疏松，内部空隙较多，当温度升高，原子振幅加大，原子间距离增加时，部分的被结构内部空隙所容纳，宏观膨胀就小。如：石英12×10-6/K，石英玻璃0.5×10-6/K（3）热膨胀与结构的关系

温度变化时发生晶相转变，引起体积膨胀.g/cm3：如：单斜－ZrO2

四方－ZrO2

5.56

6.1

6.27

立方－ZrO2

液相27150C11700C23700C3.无机材料的热膨胀（1）玻璃的热膨胀网络形成剂:

如：SiO2、B2O3、P2O5、Al2O3、As2O3、

Ga2O3BeO、Bi2O3网络改变体离子:一价M1、二价金属M2氧化物很易极化的阳离子M3，如：PbO、CdO、Bi2O3高价，其积聚作用大的阳离子氧化物M4,如：La2O3、ZrO2、Ta2O5、Nb2O5中间氧化物：如：Al2O3、BeO、TiO2,、MgO、ZnO参与网络构造的氧化物，使膨胀系数下降。碱金属及碱土金属的加入使网络断裂，造成玻璃膨胀系数增大。处于网络间空隙，对周围网络起积聚作用，增加结构的紧密性，膨胀系数下降。（2）复合材料的热膨胀陶瓷是由不同晶相的晶粒和玻璃相组成,内部有少量气相(微气孔)。从高温到低温各相膨胀系数不同,收缩也不同。复合体中有多晶转变组分时，因多晶转化的体积不均匀变化，导致膨胀系数的不均匀变化。复合体中不同相或晶粒的不同方向上膨胀系数不同。3.热传导1.定义

对于某温度下处于振动状态的粒子，由于外部再加上能力更大的热振动时，会依次引起邻近粒子的热振动状态升高，热振动状态高的波峰向低温方向移动，将最初引入的热振动以粒子为媒介不断传送下去，这种现象便是热传导。在热传导过程中，单位时间通过物质传导的热量dQ/dt和横截面S及其温度梯度dT/dx成正比，热传导系数，指单位温度梯度下单位时间内通过横截面的热量。反映了物质传热的难易程度。金属材料和无机材料，哪种材料的热传导性较好？为什么？？？非金属物体的热交换是由晶格波（声子）的非谐波晶格振动进行。从晶格格波的声子理论可知，热传导过程------声子从高浓度区域到低浓度区域的扩散过程。热阻：声子扩散过程中的各种散射。2.声子热导3.光子热导固体中的分子、原子和电子→振动、转动→电磁波（光子）电磁波覆盖了一个较宽的频谱。其中具有较强热效应的在可见光与部分近红外光的区域，这部分辐射线称为热射线。热射线的传递过程------热辐射。热辐射在固体中的传播过程和光在介质中的传播过程类似，有光的散射、衍射、吸收、反射和折射。光子在介质中的传播过程------光子的导热过程。吸收辐射热稳定状态辐射源T1T2能量转移固体中的辐射传热过程的定性解释：对于辐射线是透明的介质，热阻小，

lirr较大，如：单晶、玻璃，在773---1273K辐射传热已很明显；对于辐射线是不透明的介质，热阻大，

lirr很小，大多数陶瓷，一些耐火材料在1773K高温下辐射明显；对于完全不透明的介质，

lirr=0，辐射传热可以忽略。（1）温度的影响——随温度升高，热导率降低2.影响材料热传导性的因素T3

40K1600K

exp(D/2T)热辐射氧化铝单晶的热导率随温度的变化

040080012001600200010.10.010.0010.0001Pt石墨SiC粘土耐火砖SiO2玻璃粉末MgO28000F隔热砖20000F隔热砖MgOAl2O3ZrO2温度(0C)BeO热传导系数(卡/秒·厘米·0C)线性简谐振动时，几乎无热阻，热阻是由非线性振动引起，即：晶格偏离谐振程度越大，热阻越大。

物质组分原子量之差越小，质点的原子量越小，密度越小德拜温度越大，结合能大热传导系数越大（2）化学组成的影响单质具有较大的导热系数金刚石的热传导系数比任何其他材料都大，常用于固体器件的基片。较低原子量的正离子形成的氧化物和碳化物具有较高的热传导系数，如:BeO,SiC化学组成复杂的固体具有小的热传导系数如MgO,Al2O3和MgAl2O4结构一样，而MgAl2O4的热传导系数低，2Al2O33SiO2莫来石比尖晶石更小.晶体是置换型固溶体，非计量化合物时，热传导系数降低。晶粒尺寸小、晶界多、缺陷多、晶界处杂质多，对声子散射大。A晶体结构越复杂，晶格振动偏离非线性越大，热导率越低。B晶向不同，热传导系数也不一样，如：石墨、BN为层状结构，层内比层间的大4倍，在空间技术中用于屏蔽材料。C多晶体与单晶体同一种物质多晶体的热导率总比单晶小。(3)结构的影响第三节电学性能一、导电性能二、介电性能一、导电性质Ohm’sLaw:V=IR1.电阻率欧姆定律影响电阻率的因素：（1）微观结构（2）温度电阻率(W-m)Resistivity:图3-1（a）金属和（b）半导体电阻率与温度的关系2.电导率σ电导率依赖于以下三个因素：单位体积材料中的载流子数目（n）。每个载流子上的电荷量（q，库仑/载流子）。每个载流子的运动能力（）。以上三个因素的乘积就是电导率。即：＝nqMaterials导体~107(W-m)-1半导体10-6~104(W-m)-1绝缘体10-10~10-20(W-m)-1防静电材料：10-5~10-9(W-m)-1EmptyconductionbandBandgapFilledvalencebandBandgap>2.5eVBandgap<2.5eV

半导体绝缘体EmptyconductionbandBandgapFilledvalenceband满价带空导带EmptyconductionbandBandgapFilledvalenceband导体

MaterialElectricalConductivity

[(W-m)-1]Graphite（石墨）3104~2105

Concrete(dry)（混凝土）10-9Soda-Limeglass（钠玻璃）10-10~10-11Porcelain（陶土）10-10~10-12Borosilicateglass（硼玻璃）~10-13Aluminumoxide（氧化铝）<10-13Fusedsilica（熔硅）<10-18一些陶瓷的电导率无机材料中导电的主要机理为离子导电。在离子材料中，带电载流子即离子的运动性为：D为扩散系数k为Boltzmann常数T为绝对温度q为电量Z为离子的价位影响因素：（1）温度（2）晶体性质（3）空隙率二、介电性质介电常数VacuumlE=V/lDielectric介电质VPV面积A电容率之比称介电常数1.介电常数电介质是导电能力很低的材料；将其放在电场中，不会发生电子的迁移，而是发生电荷的偏移和极化。ε=1+4πα（1）电子极化+Nofield+AppliedEField－－－－－－－－+++++++－－+++－－－－－－－－+++++++－－+++（2）离子极化2.影响因素（1）组成和结构（2）晶轴方向（3）显微结构（4）温度0.403nm0.398nm0.398nm0.006nm0.006nm0.009nmTi4+Ba2+O2-3.压电性与电致伸缩BaTiO3－+－+－+－+－+－+－+－+++++++－－－－－－－+－+－+－+－+－+++++++－－－－－－(b)sV(a)s－+－+－+－+－+－+－+－+++++++++－－－－－－－－(c)+－电致伸缩压电效应材料在电场中因极化而改变尺寸的现象称为电致伸缩。压电现象即介电体的尺寸受力变化时就会极化而产生一个电压或电场。Material压电常数

d(m-V-1)Quartz 2.310-12BaTiO3 10010-12PbZrTiO6 25010-12PbNb2O6 8010-12应用电声器：扬声器、送话筒、水下通讯和探测：水声换能器、鱼群探测器雷达中的陶瓷表面波器件通讯设备：陶瓷滤波器精密测量：压力计红外技术：红外热电探测器高压电源：变压器高压引线压电陶瓷点火器垫块外壳冲击块V第四节磁学性能磁导率：antiferromagnetismmagnetismdiamagnetismparamagnetismferromagnetismferrimagnetismferromagnetism磁性反磁性顺磁性铁磁性铁磁性反铁磁性亚铁磁性材料磁性的分类H=0Hdiamagneticmaterials

反磁性磁化率mr<1,cm~-105磁通密度小于真空相对磁通率抗磁性是物质中运动着的电子在外磁场作用下，受电磁感应而表现出的磁特性。HH=0paramagneticmaterials

mr>1,cm=10-5~10-2顺磁性磁通密度B略大于真空在外磁场作用下，物质中的磁矩沿磁场方向排列，结果有磁化产生的现象。H=0铁磁性cm~106r>>1某些材料中，相邻原子作同向排列自发磁化的现象反铁磁性O2-Mn2+氧化锰中磁矩的反平行排列某些材料中大小相等的相邻原子磁矩作反向排列自发磁化的现象。TemperatureC25,00020,00015,00010,0005,000Saturationmagnetization,Ms(A/m106)2.01.51.00.5Saturationfluxdensity,Bs(gauss)PureFeFe3O400-20002004006008001000温度对磁性的影响CurieTemperatureFe:768Co:1120Ni:335Fe3O4:585信号输入写读信号输出记录介质磁头间隙宽度应用——光盘磁光效应是基于光与物质的磁化（或磁场）相互作用，而使光学参数发生变化的现象。qiqrTransmittedbeamIncidentbeamqiReflectedbeamI0RefractionITIRAbsorptionIA光与材料的相互作用

透射反射折射吸收入射第五节光学性质InputSignalEncoderElectrical/OpticalConverterRepeaterOptical/ElectricalConverterDecoderOutputSignalFiberOpticCable应用——光导纤维输入信号电光转换复制光电转换输出编码解码MagneticResonanceImaging磁共振成像发生事件作者或公司磁共振发展史1946发现磁共振现象BlochPurcell1971发现肿瘤的T1、T2时间长Damadian1973做出两个充水试管MR图像Lauterbur1974活鼠的MR图像Lauterbur等1976人体胸部的MR图像Damadian1977初期的全身MR图像

Mallard1980磁共振装置商品化1989

0.15T永磁商用磁共振设备中国安科

2003诺贝尔奖金LauterburMansfierd时间MR成像基本原理实现人体磁共振成像的条件:人体内氢原子核是人体内最多的物质。最易受外加磁场的影响而发生磁共振现象(没有核辐射)有一个稳定的静磁场（磁体）梯度场和射频场：前者用于空间编码和选层，后者施加特定频率的射频脉冲，使之形成磁共振现象信号接收装置：各种线圈计算机系统：完成信号采集、传输、图像重建、后处理等

人体内的H核子可看作是自旋状态下的小星球。自然状态下，H核进动杂乱无章，磁性相互抵消zMyx进入静磁场后，H核磁矩发生规律性排列（正负方向），正负方向的磁矢量相互抵消后，少数正向排列（低能态）的H核合成总磁化矢量M，即为MR信号基础ZZYYXB0XMZMXYA:施加90度RF脉冲前的磁化矢量MzB:施加90度RF脉冲后的磁化矢量Mxy.并以Larmor频率横向施进C:90度脉冲对磁化矢量的作用。即M以螺旋运动的形式倾倒到横向平面ABC在这一过程中，产生能量

三、弛豫（Relaxation）回复“自由”的过程

1.

纵向弛豫（T1弛豫）：

M0（MZ）的恢复，“量变”高能态1H→低能态1H自旋—晶格弛豫、热弛豫

吸收RF光子能量（共振）低能态1H高能态1H

放出能量（光子，MRS）T1弛豫时间：

MZ恢复到M0的2/3所需的时间

T1愈小、M0恢复愈快T2弛豫时间：MXY丧失2/3所需的时间；T2愈大、同相位时间长MXY持续时间愈长MXY与ST1加权成像、T2加权成像

所谓的加权就是“突出”的意思

T1加权成像（T1WI）----突出组织T1弛豫（纵向弛豫）差别

T2加权成像（T2WI）----突出组织T2弛豫（横向弛豫）差别。

磁共振诊断基于此两种标准图像磁共振常规h检查必扫这两种标准图像.T1的长度在数百至数千毫秒（ms）范围T2值的长度在数十至数千毫秒（ms）范围

在同一个驰豫过程中,T2比T1短得多

如何观看MR图像：首先我们要分清图像上的各种标示。分清扫描序列、扫描部位、扫描层面。正常或异常的所在部位---即在同一层面观察、分析T1、T2加权像上信号改变。绝大部分病变T1WI是低信号、T2WI是高信号改变。只要熟悉扫描部位正常组织结构的信号表现，通常病变与正常组织不会混淆。一般的规律是T1WI看解剖,T2WI看病变。磁共振成像技术－－图像空间分辨力，对比分辨力一、如何确定MRI的来源（一）层面的选择1.MXY产生（1H共振）条件

RF=ω=γB02.梯度磁场Z（GZ）

GZ→B0→ω

不同频率的RF

特定层面1H激励、共振

3.层厚的影响因素

RF的带宽↓

GZ的强度↑层厚↓〈二〉体素信号的确定1、频率编码2、相位编码

M0↑--GZ、RF→相应层面MXY----------GY→沿Y方向1H有不同ω

各1H同相位MXY旋进速度不同同频率一定时间后→→GX→沿X方向1H有不同ω沿Y方向不同1H的MXYMXY旋进频率不同位置不同（相位不同）〈三〉空间定位及傅立叶转换

GZ----某一层面产生MXYGX----MXY旋进频率不同

GY----MXY旋进相位不同（不影响MXY大小）

↓某一层面不同的体素，有不同频率、相位

MRS（FID）第三节、磁共振检查技术检查技术产生图像的序列名产生图像的脉冲序列技术名TRA、COR、SAGT1WT2WSETR、TE…….梯度回波FFE快速自旋回波FSE压脂压水MRA短TR短TE－－T1W长TR长TE－－T2W增强MR最常用的技术是：多层、多回波的SE（spinecho，自旋回波）技术磁共振扫描时间参数：TR、TE磁共振扫描还有许多其他参数：层厚、层距、层数、矩阵等序列常规序列自旋回波（SE）,快速自旋回波（FSE）梯度回波（FE）反转恢复（IR），脂肪抑制（STIR）、水抑制（FLAIR）高级序列水成像（MRCP,MRU,MRM）血管造影（MRA,TOF2D/3D）三维成像（SPGR）弥散成像（DWI）关节运动分析是一种成像技术而非扫描序列自旋回波（SE）必扫序列图像清晰显示解剖结构目前只用于T1加权像快速自旋回波（FSE）必扫序列成像速度快多用于T2加权像梯度回波（GE）成像速度快对出血敏感T2加权像水抑制反转恢复（IR）水抑制（FLAIR）抑制自由水梗塞灶显示清晰判断病灶成份脂肪抑制反转恢复（IR）脂肪抑制（STIR）抑制脂肪信号判断病灶成分其它组织显示更清晰血管造影（MRA）无需造影剂TOF法PC法MIP投影动静脉分开显示水成像（MRCP，MRU，MRM）含水管道系统成像胆道MRCP泌尿路MRU椎管MRM主要用于诊断梗阻扩张超高空间分辨率扫描任意方位重建窄间距重建技术大大提高对小器官、小病灶的诊断能力三维梯度回波（SPGR） 早期诊断脑梗塞

弥散成像MRI的设备一、信号的产生、探测接受1.磁体（Magnet）:静磁场B0（Tesla,T）→组织净磁矩M0

永磁型（permanentmagnet）常导型（resistivemagnet）超导型（superconductingmagnet）磁体屏蔽（magnetshielding）2.梯度线圈（gradientcoil）:

形成X、Y、Z轴的磁场梯度功率、切换率3.射频系统（radio-frequencesystem，RF）

MR信号接收二、信号的处理和图象显示数模转换、计算机，等等；MRI技术的优势1、软组织分辨力强（判断组织特性）2、多方位成像3、流空效应（显示血管）4、无骨骼伪影5、无电离辐射，无碘过敏6、不断有新的成像技术MRI技术的禁忌证和限度1.禁忌证

体内弹片、金属异物各种金属置入：固定假牙、起搏器、血管夹、人造关节、支架等危重病人的生命监护系统、维持系统不能合作病人，早期妊娠，高热及散热障碍2.其他钙化显示相对较差空间分辨较差（体部，较同等CT）费用昂贵多数MR机检查时间较长1.病人必须去除一切金属物品，最好更衣，以免金属物被吸入磁体而影响磁场均匀度，甚或伤及病人。2.扫描过程中病人身体（皮肤）不要直接触碰磁体内壁及各种导线，防止病人灼伤。3.纹身（纹眉）、化妆品、染发等应事先去掉，因其可能会引起灼伤。4.病人应带耳塞，以防听力损伤。扫描注意事项颅脑MRI适应症颅内良恶性占位病变脑血管性疾病梗死、出血、动脉瘤、动静脉畸形（AVM）等颅脑外伤性疾病脑挫裂伤、外伤性颅内血肿等感染性疾病脑脓肿、化脓性脑膜炎、病毒性脑炎、结核等脱髓鞘性或变性类疾病多发性硬化（MS）等先天性畸形胼胝体发育不良、小脑扁桃体下疝畸形等脊柱和脊髓MRI适应证1.肿瘤性病变椎管类肿瘤（髓内、髓外硬膜内、硬膜外），椎骨肿瘤（转移性、原发性）2.炎症性疾病脊椎结核、骨髓炎、椎间盘感染、硬膜外脓肿、蛛网膜炎、脊髓炎等3.外伤骨折、脱位、椎间盘突出、椎管内血肿、脊髓损伤等4.脊柱退行性变和椎管狭窄症椎间盘变性、膨隆、突出、游离，各种原因椎管狭窄，术后改变，5.脊髓血管畸形和血管瘤6.脊髓脱髓鞘疾病（如MS），脊髓萎缩7.先天性畸形胸部MRI适应证呼吸系统对纵隔及肺门区病变显示良好，对肺部结构显示不如CT。胸廓入口病变及其上下比邻关系纵隔肿瘤和囊肿及其与大血管的关系其他较CT无明显优越性心脏及大血管大血管病变各类动脉瘤、腔静脉血栓等心脏及心包肿瘤，心包其他病变其他（如先心、各种心肌病等）较超声心动图无优势，应用不广腹部MRI适应证主要用于部分实质性器官的肿瘤性病变肝肿瘤性病变，提供鉴别信息胰腺肿瘤，有利小胰癌、胰岛细胞癌显示宫颈、宫体良恶性肿瘤及分期等，先天畸形肿瘤的定位（脏器上下缘附近）、分期胆道、尿路梗阻和肿瘤，MRCP，MRU直肠肿瘤骨与关节MRI适应证X线及CT的后续检查手段－－钙质显示差和空间分辨力部分情况可作首选：1.累及骨髓改变的骨病（早期骨缺血性坏死，早期骨髓炎、骨髓肿瘤或侵犯骨髓的肿瘤）2.结构复杂关节的损伤（膝、髋关节）3.形状复杂部位的检查（脊柱、骨盆等）软件登录界面软件扫描界面图像浏览界面胶片打印界面报告界面报告界面2合理应用抗菌药物预防手术部位感染概述外科手术部位感染的2/3发生在切口医疗费用的增加病人满意度下降导致感染、止血和疼痛一直是外科的三大挑战，止血和疼痛目前已较好解决感染仍是外科医生面临的重大问题，处理不当，将产生严重后果外科手术部位感染占院内感染的14%～16%，仅次于呼吸道感染和泌尿道感染，居院内感染第3位严重手术部位的感染——病人的灾难，医生的梦魇

预防手术部位感染（surgicalsiteinfection,SSI)

手术部位感染的40%–60%可以预防围手术期使用抗菌药物的目的外科医生的困惑★围手术期应用抗生素是预防什么感染？★哪些情况需要抗生素预防？★怎样选择抗生素？★什么时候开始用药？★抗生素要用多长时间？定义：指发生在切口或手术深部器官或腔隙的感染分类：切口浅部感染切口深部感染器官／腔隙感染一、SSI定义和分类二、SSI诊断标准——切口浅部感染

指术后30天内发生、仅累及皮肤及皮下组织的感染，并至少具备下述情况之一者：

1．切口浅层有脓性分泌物

2．切口浅层分泌物培养出细菌

3．具有下列症状体征之一：红热，肿胀，疼痛或压痛，因而医师将切口开放者（如培养阴性则不算感染）

4．由外科医师诊断为切口浅部SSI

注意：缝线脓点及戳孔周围感染不列为手术部位感染二、SSI诊断标准——切口深部感染

指术后30天内（如有人工植入物则为术后1年内）发生、累及切口深部筋膜及肌层的感染，并至少具备下述情况之一者：

1.切口深部流出脓液

2.切口深部自行裂开或由医师主动打开，且具备下列症状体征之一：①体温＞38℃；②局部疼痛或压痛

3.临床或经手术或病理组织学或影像学诊断，发现切口深部有脓肿

4.外科医师诊断为切口深部感染

注意：感染同时累及切口浅部及深部者，应列为深部感染

二、SSI诊断标准—器官／腔隙感染

指术后30天内（如有人工植入物★则术后1年内）、发生在手术曾涉及部位的器官或腔隙的感染，通过手术打开或其他手术处理，并至少具备以下情况之一者：

1.放置于器官/腔隙的引流管有脓性引流物

2.器官/腔隙的液体或组织培养有致病菌

3.经手术或病理组织学或影像学诊断器官/腔隙有脓肿

4.外科医师诊断为器官/腔隙感染

★人工植入物：指人工心脏瓣膜、人工血管、人工关节等二、SSI诊断标准—器官／腔隙感染

不同种类手术部位的器官/腔隙感染有：

腹部：腹腔内感染（腹膜炎，腹腔脓肿）生殖道：子宫内膜炎、盆腔炎、盆腔脓肿血管：静脉或动脉感染三、SSI的发生率美国1986年～1996年593344例手术中，发生SSI15523次，占2.62%英国1997年～2001年152所医院报告在74734例手术中，发生SSI3151例，占4.22%中国？SSI占院内感染的14～16%，仅次于呼吸道感染和泌尿道感染三、SSI的发生率SSI与部位：非腹部手术为2%～5%腹部手术可高达20%SSI与病人：入住ICU的机会增加60%再次入院的机会是未感染者的5倍SSI与切口类型：清洁伤口 1%～2%清洁有植入物 ＜5%可染伤口＜10%手术类别手术数SSI数感染率(%)小肠手术6466610.2大肠手术7116919.7子宫切除术71271722.4肝、胆管、胰手术1201512.5胆囊切除术8222.4不同种类手术的SSI发生率：三、SSI的发生率手术类别SSI数SSI类别（%）切口浅部切口深部器官/腔隙小肠手术6652.335.412.3大肠手术69158.426.315.3子宫切除术17278.813.57.6骨折开放复位12379.712.28.1不同种类手术的SSI类别：三、SSI的发生率延迟愈合疝内脏膨出脓肿，瘘形成。需要进一步处理这里感染将导致:延迟愈合疝内脏膨出脓肿、瘘形成需进一步处理四、SSI的后果四、SSI的后果在一些重大手术，器官/腔隙感染可占到1/3。SSI病人死亡的77%与感染有关，其中90%是器官/腔隙严重感染

——InfectControlandHospEpidemiol,1999,20(40:247-280SSI的死亡率是未感染者的2倍五、导致SSI的危险因素（1）病人因素：高龄、营养不良、糖尿病、肥胖、吸烟、其他部位有感染灶、已有细菌定植、免疫低下、低氧血症五、导致SSI的危险因素（2）术前因素：术前住院时间过长用剃刀剃毛、剃毛过早手术野卫生状况差（术前未很好沐浴）对有指征者未用抗生素预防五、导致SSI的危险因素（3）手术因素：手术时间长、术中发生明显污染置入人工材料、组织创伤大止血不彻底、局部积血积液存在死腔和/或失活组织留置引流术中低血压、大量输血刷手不彻底、消毒液使用不当器械敷料灭菌不彻底等手术特定时间是指在大量同种手术中处于第75百分位的手术持续时间其因手术种类不同而存在差异超过T越多，SSI机会越大五、导致SSI的危险因素（4）SSI危险指数（美国国家医院感染监测系统制定）：病人术前已有≥3种危险因素污染或污秽的手术切口手术持续时间超过该类手术的特定时间（T）

（或一般手术＞2h)六、预防SSI干预方法根据指南使用预防性抗菌药物正确脱毛方法缩短术前住院时间维持手术患者的正常体温血糖控制氧疗抗菌素的预防/治疗预防

在污染细菌接触宿主手术部位前给药治疗

在污染细菌接触宿主手术部位后给药

防患于未然六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用146预防和治疗性抗菌素使用目的：清洁手术：防止可能的外源污染可染手术：减少粘膜定植细菌的数量污染手术：清除已经污染宿主的细菌六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用147需植入假体，心脏手术、神外手术、血管外科手术等六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用预防性抗菌素使用指征：可染伤口(Clean-contaminatedwound)污染伤口（Contaminatedwound）清洁伤口（Cleanwound）但存在感染风险六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用外科预防性抗生素的应用：预防性抗生素对哪些病人有用?什么时候开始用药?抗生素种类选择?使用单次还是多次?采用怎样的给药途径？六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用预防性抗菌素显示有效的手术有：妇产科手术胃肠道手术(包括阑尾炎)口咽部手术腹部和肢体血管手术心脏手术骨科假体植入术开颅手术某些“清洁”手术六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用外科预防性抗生素的应用：预防性抗生素对哪些病人有用?什么时候开始用药?抗生素种类选择?使用单次还是多次?采用怎样的给药途径？六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用

理想的给药时间？目前还没有明确的证据表明最佳的给药时机研究显示：切皮前45～75min给药，SSI发生率最低，且不建议在切皮前30min内给药影响给药时间的因素:所选药物的代谢动力学特性手术中污染发生的可能时间病人的循环动力学状态止血带的使用剖宫产细菌在手术伤口接种后的生长动力学

手术过程

012345671hr2hrs6hrs1day3-5days细菌数logCFU/ml六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用153术后给药，细菌在手术伤口接种的生长动力学无改变

手术过程抗生素血肿血浆六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用Antibioticsinclot

手术过程

血浆中抗生素予以抗生素血块中抗生素血浆术前给药，可以有效抑制细菌在手术伤口的生长六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用155ClassenDC,etal..NEnglJMed1992;326:281切开前时间切开后时间予以抗生素切开六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用不同给药时间，手术伤口的感染率不同NEJM1992;326:281-6投药时间感染数（%）相对危险度(95%CI)早期（切皮前2-24h）36914(3.8%)6.7(2.9-14.7)4.3手术前（切皮前45-75min)170810(0.9%)1.0围手术期（切皮后3h内）2824(1.4%)2.4(0.9-7.9) 2.1手术后（切皮3h以上）48816(3.3%)5.8(2.6-12.3)

5.8全部284744(1.5%)似然比病人数六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用结论：抗生素在切皮前45-75min或麻醉诱导开始时给药，预防SSI效果好157六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用切口切开后，局部抗生素分布将受阻必须在切口切开前给药！！！抗菌素应在切皮前45～75min给药六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用外科预防性抗生素的应用：预防性抗生素对哪些病人有用?什么时候开始用药?抗生素种类选择?使用单次还是多次?采用怎样的给药途径？有效安全杀菌剂半衰期长相对窄谱廉价六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用抗生素的选择原则：各类手术最易引起SSI的病原菌及预防用药选择六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用

手术最可能的病原菌预防用药选择胆道手术革兰阴性杆菌，厌氧菌头孢呋辛或头孢哌酮或

(如脆弱类杆菌）头孢曲松阑尾手术革兰阴性杆菌，厌氧菌头孢呋辛或头孢噻肟；

(如脆弱类杆菌）＋甲硝唑结、直肠手术革兰阴性杆菌，厌氧菌头孢呋辛或头孢曲松或

(如脆弱类杆菌）头孢噻肟；＋甲硝唑泌尿外科手术革兰阴性杆菌头孢呋辛；环丙沙星妇产科手术革兰阴性杆菌，肠球菌头孢呋辛或头孢曲松或

B族链球菌，厌氧菌头孢噻肟；+甲硝唑莫西沙星（可单药应用）注:各种手术切口感染都可能由葡萄球菌引起六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用外科预防性抗生素的应用：预防性抗生素对哪些病人有用?什么时候开始用药?抗生素种类选择?使用单次还是多次?采用怎样的给药途径？六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用单次给药还是多次给药？没有证据显示多次给药比单次给药好伤口关闭后给药没有益处多数指南建议24小时内停药没有必要维持抗菌素治疗直到撤除尿管和引流管手术时间延长或术中出血量较大时可重复给药细菌污染定植感染一次性用药用药24h用药4872h数小时从十数小时到数十小时六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用用药时机不同，用药期限也应不同短时间预防性应用抗生素的优点：六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用减少毒副作用不易产生耐药菌株不易引起微生态紊乱减轻病人负担可以选用单价较高但效果较好的抗生素减少护理工作量药品消耗增加抗菌素相关并发症增加耐药抗菌素种类增加易引起脆弱芽孢杆菌肠炎MRSA（耐甲氧西林金黄色葡萄球菌）定植六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用延长抗菌素使用的缺点：六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用外科预防性抗生素的应用：预防性抗生素对哪些病人有用?什么时候开始用药?抗生素种类选择?使用单次还是多次?采用怎样的给药途径？正确的给药方法：六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用应静脉给药，2030min滴完肌注、口服存在吸收上的个体差异，不能保证血液和组织的药物浓度，不宜采用常用的-内酰胺类抗生素半衰期为12h，若手术超过３４h，应给第２个剂量，必要时还可用第３次可能有损伤肠管的手术，术前用抗菌药物准备肠道局部抗生素冲洗创腔或伤口无确切预防效果，不予提倡不应将日常全身性应用的抗生素应用于伤口局部（诱发高耐药）必要时可用新霉素、杆菌肽等抗生素缓释系统（PMMA—青大霉素骨水泥或胶原海绵)局部应用可能有一定益处六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用不提倡局部预防应用抗生素：时机不当时间太长选药不当，缺乏针对性六、预防SSI干预方法

——抗菌药物的应用预防用药易犯的错误：在开刀前45-75min之内投药按最新临床指南选药术后24小时内停药择期手术后一般无须继续使用抗生素大量对比研究证明，手术后继续用药数次或数天并不能降低手术后感染率若病人有明显感染高危因素或使用人工植入物，可再用1次或数次小结预防SSI干预方法

——正确的脱毛方法用脱毛剂、术前即刻备皮可有效减少SSI的发生手术部位脱毛方法与切口感染率的关系：备皮方法 剃毛备皮 5.6%

脱毛0.6%备皮时间 术前24小时前 ＞20%

术前24小时内 7.1%

术前即刻 3.1%方法/时间 术前即刻剪毛 1.8%

前1晚剪/剃毛 4.0%THANKYOUMagneticResonanceImagingPART01磁共振成像发生事件作者或公司磁共振发展史1946发现磁共振现象BlochPurcell1971发现肿瘤的T1、T2时间长Damadian1973做出两个充水试管MR图像Lauterbur1974活鼠的MR图像Lauterbur等1976人体胸部的MR图像Damadian1977初期的全身MR图像

Mallard1980磁共振装置商品化1989

0.15T永磁商用磁共振设备中国安科

2003诺贝尔奖金LauterburMansfierd时间PART02MR成像基本原理实现人体磁共振成像的条件:人体内氢原子核是人体内最多的物质。最易受外加磁场的影响而发生磁共振现象(没有核辐射)有一个稳定的静磁场（磁体）梯度场和射频场：前者用于空间编码和选层，后者施加特定频率的射频脉冲，使之形成磁共振现象信号接收装置：各种线圈计算机系统：完成信号采集、传输、图像重建、后处理等

人体内的H核子可看作是自旋状态下的小星球。自然状态下，H核进动杂乱无章，磁性相互抵消zMyx进入静磁场后，H核磁矩发生规律性排列（正负方向），正负方向的磁矢量相互抵消后，少数正向排列（低能态）的H核合成总磁化矢量M，即为MR信号基础ZZYYXB0XMZMXYA:施加90度RF脉冲前的磁化矢量MzB:施加90度RF脉冲后的磁化矢量Mxy.并以Larmor频率横向施进C:90度脉冲对磁化矢量的作用。即M以螺旋运动的形式倾倒到横向平面ABC在这一过程中，产生能量

三、弛豫（Relaxation）回复“自由”的过程

1.

纵向弛豫（T1弛豫）：

M0（MZ）的恢复，“量变”高能态1H→低能态1H自旋—晶格弛豫、热弛豫

吸收RF光子能量（共振）低能态1H高能态1H

放出能量（光子，MRS）T1弛豫时间：

MZ恢复到M0的2/3所需的时间

T1愈小、M0恢复愈快T2弛豫时间：MXY丧失2/3所需的时间；T2愈大、同相位时间长MXY持续时间愈长MXY与ST1加权成像、T2加权成像

所谓的加权就是“突出”的意思

T1加权成像（T1WI）----突出组织T1弛豫（纵向弛豫）差别

T2加权成像（T2WI）----突出组织T2弛豫（横向弛豫）差别。

磁共振诊断基于此两种标准图像磁共振常规h检查必扫这两种标准图像.T1的长度在数百至数千毫秒（ms）范围T2值的长度在数十至数千毫秒（ms）范围

在同一个驰豫过程中,T2比T1短得多

如何观看MR图像：首先我们要分清图像上的各种标示。分清扫描序列、扫描部位、扫描层面。正常或异常的所在部位---即在同一层面观察、分析T1、T2加权像上信号改变。绝大部分病变T1WI是低信号、T2WI是高信号改变。只要熟悉扫描部位正常组织结构的信号表现，通常病变与正常组织不会混淆。一般的规律是T1WI看解剖,T2WI看病变。磁共振成像技术－－图像空间分辨力，对比分辨力一、如何确定MRI的来源（一）层面的选择1.MXY产生（1H共振）条件

RF=ω=γB02.梯度磁场Z（GZ）

GZ→B0→ω

不同频率的RF

特定层面1H激励、共振

3.层厚的影响因素

RF的带宽↓

GZ的强度↑层厚↓〈二〉体素信号的确定1、频率编码2、相位编码

M0↑--GZ、RF→相应层面MXY----------GY→沿Y方向1H有不同ω

各1H同相位MXY旋进速度不同同频率一定时间后→→GX→沿X方向1H有不同ω沿Y方向不同1H的MXYMXY旋进频率不同