《材料科学与工程基础 教学课件 ppt 作者 杨庆祥 第三章 材料的物理性能》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料科学与工程基础 教学课件 ppt 作者 杨庆祥 第三章 材料的物理性能（33页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2019年5月22日,第三章 材料的物理性能,第一节 热学性能,一、热容,固体物质被加热时，特别是吸收一些能量后，温度会上升。热容是反映物质从外部环境吸收热量的能力性质。物体在温度升高1K时所吸收的热量称作该物体的热容，所以在温度t时物体的热容可以表达为：,1. 热容的定义,是温度变化，,所需要的能量，,工程上所用的平均热容是指物体从温度T1到T2所吸收的热量的平均值：,假如加热过程是恒压条件下进行的，所测定助热容称为恒压热容(Cp)。假如加热过程是在保持物体容积不变的条件下进行的，则所测定的热容称为恒容热容(Cv)。 由于恒压加热过程中，物体除温度升高外，还要对外界做功(膨胀功)，所以每提高
2、1K温度需要吸收更多的热量，即Cp Cv 。,2. 热容随温度的变化规律,图3-1 金属铜热容随温度的变化曲线,曲线可分为为三个区域： I区(温度接近0K区)，Cv,m ；II区(低温区)，Cv,m ；III区(高温区)，Cv,m变化很平缓，约为3R的与温度无关的值，R是气体常数。这是材料不发生相变时，Cv,m T曲线的共性规律。若在升温过程中内部组织结构发生变化，因而有热效应产生，使Cv,m T曲线变化。,热容,线膨胀系数,热导率,表3-1 各种材料的热学性能参数,二、热膨胀,1. 热膨胀系数,大多数固体物质受热膨胀，遇冷收缩。固体物质的长度随温度的变化可表示如下：,或,l0和lf表示温度从
3、T0变化到Tf时的初始长度和最终长度。 参数al被称为热膨胀线性系数，表示温度升高1K时物体的相对伸长。,由温度引起的体积变化可以由下式计算：,V和V0分别是变化后的体积和初始体积， av是热膨胀体积系数，相当于温度升高1K时物体体积相对增大。,2. 热膨胀机理,图3-2 实验热膨胀曲线 图3-3 固体物质的势能原子间距曲线,热膨胀实际上要归功于不对称弯曲的势能低谷，而不是随温度升高而增大的原子振动振幅。如果势能低谷是对称的，就没有原子间距的净变化，因此就没有热膨胀。,3. 金属、陶瓷和聚合物的膨胀系数,线膨胀系数,一些普通金属热膨胀线性系数的范围是510-62510-6（-1）。对于一些在有
4、温度波动，而要求尺寸稳定性很高情况下使用的特殊材料，导致了对铁镍合金、铁镍钴合金的开发，它们的al数值在110-6(-1)。这类合金称为因瓦合金(invariable alloy)，它的膨胀特性与硼硅酸盐玻璃（耐热玻璃）相近。因此，当因瓦合金和耐热玻璃连结时，二者连结处可以避免产生热应力，以及由热应力而导致的开裂。典型的因瓦合金(36Ni-Fe)，见表3-2。 在很多有着较低热膨胀系数的陶瓷材料中，都有相对较强的化学键作用力，其热膨胀系数在0.510-61510-6（-1）范围。对非晶和立方晶格陶瓷，al是各向同性的。实际上，某些陶瓷材料受热之后，在某些晶格方向收缩，而在另一个方向膨胀。无机玻
5、璃的膨胀系数和成分有关。熔融石英（高纯度SiO2玻璃）热膨胀系数很小，为0.410-6（-1）。原因是由于其原子存储密度很小，原子间距的膨胀引起宏观上尺寸变化相对较小。 一些聚合物受热后有非常大的热膨胀，热膨胀系数范围大约为5010-640010-6（-1）。最高的al值能在线性和分枝聚合物中发现，因为分子间次价键很脆弱，只有很小程度的交联。随着交联程度的增加，膨胀系数减小。膨胀系数最小的聚合物是热固性网状聚合物,例如苯酚甲醛，几乎所有的键都是共价键。,表3-2几种物质的膨胀系数,线膨胀系数,三、热传导,1.热导率,当固体材料一端的温度比另一端高时，热量就会从热端自动地传向冷端，这个现象就称为
6、热传导。热传导率是用来描述物质传热能力的性质，即,热导率的物理意义是指单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量，它的单位为瓦特米K(焦耳米秒K)。,不稳定传热过程,2. 热传导机理,热在固体物质里的传递是通过晶格振动波（声子）和自由电子实现的。一个热传导率对应了一种机理，总的热传导率为晶格振动和自由电子热传导率两者之和，可以表示为：,kl和ke分别是晶格振动和电子热传导率。在通常情况下，二者其中之一占有优势。与声子或晶格振动相关联的热能是沿运动方向传递的。Kl的贡献来自于存在着温度梯度的固体内声子从高温向低温区域的净运动。 自由或传导电子参与电子热传导。在高温区域的自由电子获得动力学能
7、量，然后迁移到低温区域，一部分动力学能量通过声子碰撞或其它晶体缺陷传递给原子自身（作为振动能量）。ke对总热传导率的相对贡献随自由电子浓度增加而增加，因为有更多的电子可以参与到热传递过程中去。,3. 金属、陶瓷和聚合物的热传导,在高纯度金属中，因为电子不象声子那样容易散射，所以电子对热传导的贡献比声子大。并且，因为金属有大量的自由电子存在参与热传导，所以金属传热性能特别好。,不纯的金属合金导致了热传导率的降低，同样，电传导率也降低了。也就是说，杂质原子在固溶体中充当了散射中心，降低电子运动的效率。,图3-4 几种陶瓷材料热导率与温度的关系,大部分聚合物的热传导率在0.3 W/(m.K)左右。,
8、温下陶瓷材料的热传导率范围大约在250 W/(mK)。,第二节 电学性能,一、材料的导电性,导体通过的电流I与导体两端的电压U和导体本身的电阻R的关系用欧姆定律来表示：,电阻公式：,根据导电性能的好坏，常把材料分为导体、绝缘体和半导体。,材料的电导率和电阻率的关系为倒数关系：,越小，则越大，材料的导电性就越好，电导率的单位为(S/m)(西门子/米)。,在外部电场作用下，带电粒子受力运动，从而产生了电流。正电荷粒子在电场方向被加速，而负电荷粒子与之相反。在大多数固体材料中，电子的流动引起电流的产生，这种情况定义为电子导电。此外对于离子材料，有带电离子净移动从而产生电流，成为离子导电。,二、材料导
9、电的机理,电子在周期势场中运动时，随着位置的变化，它的势能也呈周期变化，即接近正离子时势能降低，离开时势能增高。这样，价电子在金属中运动就不能看成是完全自由的了，而是要受到周期场的作用。,图3-5 周期场中电子的EK曲线,利用能带理论能够很好地说明物质的导电性。,图3-6 能带填充情况示意图 a)、b)、c) 金属 d) 绝缘体 e) 半导体,三、金属的导电性,表3-3 常见金属和合金在室温下的电导率,由于金属中存在结晶的缺陷，而这些晶体缺陷可以成为导电电子的发散中心，增加它们的数量可以提高电阻率（即降低电导率）。一个金属的总电阻率是由热运动、杂质、塑性变形三种因素决定的，而这三种因素影响的发
10、散机理是独立作用的，可用下式所示：,四、半导体的导电性,表3-4 半导体材料在室温时的带隙能量、电导率、电子迁移率和空位迁移率,半导体材料的电导率不如金属材料的高，然而，他们所具有独特的电学性能使其具有特殊的用途。这些材料的电学性能对微量的杂质及其敏感。本征半导体是指那些纯金属的电子结构所本征的电学行为。当电学性能受到杂质的影响时，这样的半导体就是非本征的。,材料的电行为是由杂质决定的，存在微量的杂质，将导致过多的电子和空穴。 以天然半导体硅为例，来说明半导体中杂质是如何传输的。一个Si原子外层有4个电子，其中每一个与邻近周围四个Si原子中的一个电子以共价键相连。现在，假定加入一个化合价为5的
11、杂原子为杂质，这个原子可能是周期表中第VA族的元素（如P，As，Sb）。在这些杂原子中，5个价电子中只有四个电子能够参与成键，这是因为在周围的原子仅有四个可能的化学键。而剩下的一个非成键电子则通过静电吸引以极弱的力结合在杂质原子周围的区域，这个电子的结合能是相对较小的（0.01 eV）。因此，这个电子很容易从杂质原子上离开，从而变成一个自由或导电的电子。这种类型的材料就称为n型杂质半导体。由于电子的密度或浓度较高，它们成为多数载流子；另一方面，空穴则是少数载流子。 在四价硅（Si）或锗（Ge）中，添加位于第三主族元素如铝（Al），硼（B）和镓（Ga）杂质后，产生了与n型相反的作用。在每个原子的
12、周围，其中一个共价键是不饱和的，这样的缺陷可被视为一个弱键键合到其它杂原子上的空穴。这个空穴可以从杂原子上释放，其过程是通过从邻近化学键上电子的转移实现，电子和空穴交换位置。这种空穴的数目多于电子（或pn）的材料就称为p型杂质半导体，这是因为带正电荷的微粒（空穴）主要负责电子传导。当然，空穴是主要的载流子，电子只是少量的出现。） 杂质型半导体（包括n型和p型）都是产生于具有高纯度的材料，这些材料总的杂质含量在10-7数量级。控制施主杂质和受主杂质的数量，然后再利用各种技术加进去。这种在半导体材料中加入杂质以控制电导率的过程叫做掺杂。,五、离子陶瓷和聚合物的导电性,表3-5 典型聚合物和离子陶瓷
13、在室温下的电导率,(1) 离子材料中的导电性：离子材料中的阳离子和阴离子有电子电荷，这样，在电场的存在下就具有迁移或传播的能力。,(2) 聚合物的电性能：多数聚合物材料的是电的不良导体，这是因为没有大量的电子参与导电。聚合物材料掺有金属导体后会具有导电性，它们被称为导电聚合物，电导率可达1.5107（m）-1 。,第三节 磁学性能,一、材料的基本磁学性质,磁场强度H与磁感应强度B的关系为,乘以系数,B、H与M（磁化强度）三个磁矢量关系为,介质的磁导率,磁化强度与磁场强度的关系,为磁化率,使磁场减弱的物质称为抗磁性物质； 使磁场略有增强的称为顺磁性物质； 使磁场急剧增加的称为铁磁性物质。,根据物
14、质被磁化后对磁场所产生的影响,二、材料的顺磁性和抗磁性,1. 顺磁体 大多数物质的原子和离子中，全部电子的磁效应(包括电子轨道运动和电子自旋产生的两种磁效应)相互抵消，不存在磁矩，因而不显现磁性。,2. 抗磁体 无磁矩存在的物质称为抗磁性物质。当抗磁体放入外磁场内，在此介质内感生一个磁矩，按照楞次定律其方向应与外磁场正方向相反，此种性质称为抗磁性。,三、材料的铁磁性,1. 磁化曲线和磁滞回线,图3-7 铁磁金属的磁化曲线,图3-8 铁磁金属的磁滞回线,2. 磁畴结构,图3-9 磁畴结构示意图 a) 磁畴结构 b) 磁畴壁,3. 铁磁金属的磁化机制,铁磁金属在外加磁场的作用下所产生的磁化称为技术
15、磁化。实际上，前面所提到的磁化曲线即技术磁化曲线。技术磁化过程的实质就是在外加磁场的作用下磁畴的大小及取向变化的过程。,图3-10 磁化机制示意图,四、材料的反铁磁性,1932年尼尔发现铂、钯、锰、铬等金属和某些合金的磁化率随温度的变化很小，但数值却相当高，这些物质称为反铁磁性材料。 在温度高于某一温度TN (尼尔温度)时，反铁滋性体的磁化率与温度的关系为,而当在TN以下温度时，随温度的降低而减小，且几乎与磁场强度无关。 尼尔提出了双次点阵的反铁磁性理论，他假设晶体中顺磁离子的点阵可以分为相互穿插的两个“次点阵”A与B，次点阵A中的每一个离子的任何一个最邻近的离子均位于次点阵B上，这就使得相邻
16、的两个次点阵的磁矩全部反平行取向，因而在晶体内存在两种内场的相互作用。等轴简单点阵与等轴体心点阵可以满足这种条件。于是，在极低温度下，由于相邻原于的自旋完全反向，其磁矩几乎完全抵消，故磁化率几乎接近于“0”。当温度上升时，使自旋相反的作用减弱，增加。而当温度升至尼尔点以上时，热骚动的影响较大，此时反铁磁体与顺磁体有相同的磁化行为。,五、铁氧体的磁性,图3-11 铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性的自旋排列,铁氧体是含铁酸盐的陶瓷质磁性材料。接材料的结构分类，日前已有尖晶石型、石榴石型、磁铅石型以及钙铁矿型、钛铁矿型和钨青铜型等六种，新的类型还陆续出现。但从研究详尽、生产和使用已普及的角度来看，重要的是前面三种。 为了解释铁氧体的磁性，尼尔认为铁氧体中A位与B位的离子它们的磁矩应是反平行取向的，这样彼此的磁矩就会抵消。但由于铁氧体内总是含有两种或以上的阳离子，而这些离子各具有大小不等弱磁矩(或有些离子完
