第七章性能精选PPT.ppt

第七章性能第1页，本讲稿共72页2.工艺性能：指材料在加工生产过程中不产生瑕疵或废品所具工艺性能：指材料在加工生产过程中不产生瑕疵或废品所具有的性能。有的性能。如金属材料铸造性、可锻性、切削加工性等等；如金属材料铸造性、可锻性、切削加工性等等；高分子高分子材料的粘度、冲压、贮存期等等材料的粘度、冲压、贮存期等等材料的使用性能是选择各种材料的重要依据，在这里材料的使用性能是选择各种材料的重要依据，在这里主要介绍一下材料的使用性能，重点介绍物理性能。主要介绍一下材料的使用性能，重点介绍物理性能。第2页，本讲稿共72页第一节第一节固体材料的物理性能固体材料的物理性能材料的物理性能是材料固有的属性，是指材料的本材料的物理性能是材料固有的属性，是指材料的本质不发生变化所表现出的性能。质不发生变化所表现出的性能。这些性能包括材料的密度、热、电、光、磁等性能。这些性能包括材料的密度、热、电、光、磁等性能。第二节第二节材料的热学性能材料的热学性能(自学自学)材料的热学性能包括热容、热传导、热膨胀、热稳定材料的热学性能包括热容、热传导、热膨胀、热稳定性、熔点、升华等。性、熔点、升华等。第3页，本讲稿共72页第三节第三节材料的电学性能材料的电学性能3.1材料的导电性材料的导电性导电材料按导电机理可分为电子导电材料和离子导电导电材料按导电机理可分为电子导电材料和离子导电材料两大类材料两大类电子导电材料：导电起源于电子的运动。电子导电材料：导电起源于电子的运动。导体：导体：电导率电导率 105S/m电子导电材料电子导电材料半导体半导体:107-104S/m超导体超导体:电导率为无限大电导率为无限大(TN1,由于它同正常分布相反，所以叫粒子数反转由于它同正常分布相反，所以叫粒子数反转分布。分布。粒子数反转分布的作用在于当外来光辐射时，受激辐射总粒子数反转分布的作用在于当外来光辐射时，受激辐射总是大于受激吸收，因而产生了光的放大信号。实验证明许多是大于受激吸收，因而产生了光的放大信号。实验证明许多物质物质(HeNe、CO2、红宝石等、红宝石等)给予一定激励后，能实现这给予一定激励后，能实现这种反转分布，它为激光的产生提供了基础。种反转分布，它为激光的产生提供了基础。第45页，本讲稿共72页图图5-4粒子数的分布粒子数的分布(a)正常分布；正常分布；(b)反转分布反转分布第46页，本讲稿共72页3.激光的产生过程激光的产生过程激光工作物质受激产生粒子数反转，当一定波长的光辐激光工作物质受激产生粒子数反转，当一定波长的光辐射通过工作物质时，就会产生光放大现象，射出强度被放射通过工作物质时，就会产生光放大现象，射出强度被放大而且与入射光波位相、频率、方向都一致的光辐射。大而且与入射光波位相、频率、方向都一致的光辐射。光辐射在谐振腔内沿轴线方向往复反射传播，多次通过工光辐射在谐振腔内沿轴线方向往复反射传播，多次通过工作物质，从而形成一束强度很大、方向集中的光波作物质，从而形成一束强度很大、方向集中的光波-激光。激光。第47页，本讲稿共72页4.产生激光的装置产生激光的装置-激光振荡器激光振荡器按工作物质分类，激光器可分为：按工作物质分类，激光器可分为：固体固体(红宝石、等红宝石、等)激光器激光器 气体气体(氯、氖、二氧化碳等氯、氖、二氧化碳等)激光器激光器 液体激光器液体激光器 半导体激光器：原理是基于电子和空穴的辐射符合现半导体激光器：原理是基于电子和空穴的辐射符合现象象通常使用的主要是固体激光器通常使用的主要是固体激光器第48页，本讲稿共72页图图5-5激光器的基本结构激光器的基本结构第49页，本讲稿共72页激光器通常由工作物质、激励源和谐振腔三部分构成。激光器通常由工作物质、激励源和谐振腔三部分构成。(1)工作物质：工作物质是激光器中借以发射激光的物质，它工作物质：工作物质是激光器中借以发射激光的物质，它是激光器的核心，由激活离子和基质组成是激光器的核心，由激活离子和基质组成如红宝石激光器的工作物质是含铬离子的红宝石。如红宝石激光器的工作物质是含铬离子的红宝石。激活离子是铬离子，基质是三氧化二铝。激活离子是铬离子，基质是三氧化二铝。红色光线是由其中的铬离子由亚稳态到基态的跃迁发射的红色光线是由其中的铬离子由亚稳态到基态的跃迁发射的第50页，本讲稿共72页Cr3+离子在红宝石中是点缺陷、其能级位于离子在红宝石中是点缺陷、其能级位于Al2O3的价的价带与导带之间。带与导带之间。这些能级是高度空间局域化的。这些能级是高度空间局域化的。能级间距正好可能级间距正好可以吸收蓝紫光线而发射红色光线。以吸收蓝紫光线而发射红色光线。其基本过程是：铬离子吸收一个蓝色光线的量子以后，其基本过程是：铬离子吸收一个蓝色光线的量子以后，使一个电子激发到较高的能级（激发态），随后发生非使一个电子激发到较高的能级（激发态），随后发生非辐射跃迁讲到亚稳态，然后辐射出一个红色光线的量子辐射跃迁讲到亚稳态，然后辐射出一个红色光线的量子回到基态。回到基态。第51页，本讲稿共72页E蓝色光线蓝色光线激发态激发态基态基态亚稳态亚稳态红色光线红色光线非辐射跃迁非辐射跃迁图图5-6红宝石中铬离子的能级红宝石中铬离子的能级第52页，本讲稿共72页(2)激励源：为了将处于基态的粒子激发到激发态能激励源：为了将处于基态的粒子激发到激发态能级获得粒子数反转，就需要激励源供给能量。这也是级获得粒子数反转，就需要激励源供给能量。这也是激光器中不可缺少的一部分，不同的激光器有不同的激激光器中不可缺少的一部分，不同的激光器有不同的激励源。励源。红宝石激光器中的激励源是脉冲红宝石激光器中的激励源是脉冲Xe灯。电源对电容充电充灯。电源对电容充电充到一定电压时在到一定电压时在Xe灯上加上触发讯号，电容器通过灯上加上触发讯号，电容器通过Xe灯放电；灯放电；Xe灯发出的强烈闪光被用以激发红宝石中的铬离子。灯发出的强烈闪光被用以激发红宝石中的铬离子。Xe灯将铬离子激发到上方的能带（激发态）灯将铬离子激发到上方的能带（激发态），被激发的铬，被激发的铬离子又从那里迅速衰减到亚稳态。亚稳态的寿命相当长，以致离子又从那里迅速衰减到亚稳态。亚稳态的寿命相当长，以致在抽运过程中有比较多的亚稳态被填充。这时一旦触发就会发在抽运过程中有比较多的亚稳态被填充。这时一旦触发就会发生受激发射。生受激发射。第53页，本讲稿共72页(3)谐振腔：激光器两端各有一反射镜，构成一谐谐振腔：激光器两端各有一反射镜，构成一谐振腔。一般其中一块为全反射，另一块为部分反射振腔。一般其中一块为全反射，另一块为部分反射镜，激光从这一端输出。镜，激光从这一端输出。第54页，本讲稿共72页第55页，本讲稿共72页第六节第六节材料的磁学性能材料的磁学性能一物质的磁性一物质的磁性1.磁性是所有物质的最普通的属性之一，即自然界任何磁性是所有物质的最普通的属性之一，即自然界任何宏观物体都具有某种程度的磁性，在磁场的作用下，均能宏观物体都具有某种程度的磁性，在磁场的作用下，均能发生磁化。发生磁化。一切宏观物质的磁性都来自原子的磁性。来源于原子内部的一切宏观物质的磁性都来自原子的磁性。来源于原子内部的电子和核的电性质。任何带电体的运动都必然在它周围的空间电子和核的电性质。任何带电体的运动都必然在它周围的空间产生磁场。具有一定的磁矩。产生磁场。具有一定的磁矩。因为原子核的磁性就仅约为电子磁性的两千分之一，所以因为原子核的磁性就仅约为电子磁性的两千分之一，所以原子磁矩主要来源于核外电子的自旋磁矩和轨道磁矩。原子磁矩主要来源于核外电子的自旋磁矩和轨道磁矩。第56页，本讲稿共72页2.磁化强度磁化强度M磁化强度磁化强度M用于描述物体磁性的强弱和磁化状态，用于描述物体磁性的强弱和磁化状态，是单位体积内的总磁矩。物体在磁场中磁化后，其是单位体积内的总磁矩。物体在磁场中磁化后，其磁化强度与磁场强度磁化强度与磁场强度H有如下关系：有如下关系：M=xH式中式中x代表物质的磁化率，其数值大小表示物代表物质的磁化率，其数值大小表示物质磁化的难易程度质磁化的难易程度.x没有单位，可正可负，取决没有单位，可正可负，取决于材料的不同磁性类别。于材料的不同磁性类别。第57页，本讲稿共72页二：材料磁性的分类二：材料磁性的分类按照物质的磁性分为抗磁性、顺磁性、铁磁性、亚铁按照物质的磁性分为抗磁性、顺磁性、铁磁性、亚铁磁性和反铁磁性。磁性和反铁磁性。1.抗磁性抗磁性(也称逆磁性也称逆磁性)。抗磁性物质的原子抗磁性物质的原子(离子离子)的合磁矩应为零，即不的合磁矩应为零，即不存在永久磁矩。存在永久磁矩。当抗磁性物质放入外磁场中，外磁场使电子轨道发当抗磁性物质放入外磁场中，外磁场使电子轨道发生改变，感生一个磁矩。按照楞次定律，其方向与外磁生改变，感生一个磁矩。按照楞次定律，其方向与外磁场方向相反，表现为抗磁性。抗磁物质的磁化率场方向相反，表现为抗磁性。抗磁物质的磁化率x为负为负值值(一般为一般为10-7-10-5）第58页，本讲稿共72页注意：注意：(1)从磁性来源讲，一切物质都具有抗磁性，但是只有从磁性来源讲，一切物质都具有抗磁性，但是只有一些物质中没有其他磁性出现时，才表现出抗磁性。否一些物质中没有其他磁性出现时，才表现出抗磁性。否则，抗磁性会被其他磁性所掩盖。则，抗磁性会被其他磁性所掩盖。(2)抗磁物质的磁化率同温度无关，即不随温度的变抗磁物质的磁化率同温度无关，即不随温度的变化而改变。化而改变。(3)抗磁物质的磁化率在固态、液态和气态是相同的。但也抗磁物质的磁化率在固态、液态和气态是相同的。但也有少数物质如金属有少数物质如金属Bi的磁化率在固态和液态并不相同。的磁化率在固态和液态并不相同。第59页，本讲稿共72页2顺磁性顺磁性顺磁性物质的主要特征是，不论外加磁场是否存顺磁性物质的主要特征是，不论外加磁场是否存在，原子内部存在永久磁矩。在，原子内部存在永久磁矩。在无外加磁场时，由于顺磁物质的原子做无规则的热在无外加磁场时，由于顺磁物质的原子做无规则的热振动，宏观看来无磁性；在外加磁场作用下，每个原子振动，宏观看来无磁性；在外加磁场作用下，每个原子磁矩比较规则地取向，物质显示极弱的磁性。磁矩比较规则地取向，物质显示极弱的磁性。第60页，本讲稿共72页磁化强度磁化强度M与外磁场方向一致与外磁场方向一致M为正值，而且为正值，而且M严格严格地与外磁场地与外磁场H成正比。顺磁性物质的磁化率一般也很小成正比。顺磁性物质的磁化率一般也很小(室室温时温时f约为约为10-5一一10-3)，近似地服从居里定律：，近似地服从居里定律：x=C/TC-居里常数居里常数T-绝对温度绝对温度顺磁性物质主要是含有奇数个电子的原子或分子及电顺磁性物质主要是含有奇数个电子的原子或分子及电子末填满的原子或离子。例如过渡元素、稀土元素等金子末填满的原子或离子。例如过渡元素、稀土元素等金属，还有某些化合物及顺磁盐，如属，还有某些化合物及顺磁盐，如MnSO45H2O,FeCl3,CuSO45H2O等。等。第61页，本讲稿共72页3.铁磁性铁磁性某些物质中，原子磁矩呈同向排列且自发磁化的现象。其某些物质中，原子磁矩呈同向排列且自发磁化的现象。其磁性比前面两类弱磁性物质要强得多磁性比前面两类弱磁性物质要强得多(x0，约为，约为101-105)。例如例如Fe、Co、Ni亦室温下的磁化率可达亦室温下的磁化率可达103数量级，属于数量级，属于强磁性物质。强磁性物质。铁磁体在很弱的外加磁场作用也能显示出强磁性，这铁磁体在很弱的外加磁场作用也能显示出强磁性，这是由于在其内部存在着磁畴的缘故。是由于在其内部存在着磁畴的缘故。第62页，本讲稿共72页1)磁畴磁畴磁畴是磁畴是指磁性材料内部的一个个小区域，每个区域内部包指磁性材料内部的一个个小区域，每个区域内部包含大量原子，这些原子的磁矩都象一个个小磁铁那样整齐排列，含大量原子，这些原子的磁矩都象一个个小磁铁那样整齐排列，磁矩大小和方向基本一致。磁矩大小和方向基本一致。在没有外加磁场时，这些基本在没有外加磁场时，这些基本部分就已具有磁性。部分就已具有磁性。较大的磁畴只有较大的磁畴只有1010-7-71010-3-3 cm cm，每，每一个磁畴包含有一个磁畴包含有1012101210151015个分子（或原子）。个分子（或原子）。单个磁畴单个磁畴第63页，本讲稿共72页 但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同，排列但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同，排列是混乱的，所以在没有磁场作用下，对外不显磁性。是混乱的，所以在没有磁场作用下，对外不显磁性。多个相邻的磁畴多个相邻的磁畴第64页，本讲稿共72页 在外磁场作用下，各磁在外磁场作用下，各磁畴畴的大小发生变化，自发磁的大小发生变化，自发磁化方向和外磁场方向相同或近似相同的磁畴扩大，方向化方向和外磁场方向相同或近似相同的磁畴扩大，方向相反或近似相反的磁畴缩小，总磁矩随着外磁场的增强相反或近似相反的磁畴缩小，总磁矩随着外磁场的增强而增加。而增加。当外磁场增强到一定程度时，所有磁畴的磁矩取当外磁场增强到一定程度时，所有磁畴的磁矩取向一致，这时就达到了磁性饱和。向一致，这时就达到了磁性饱和。第65页，本讲稿共72页2)2)磁滞回线磁滞回线 在磁化过程中，铁磁体磁化强度不仅依赖在磁化过程中，铁磁体磁化强度不仅依赖于外磁场强度，而且依赖于它的原先磁化程度，这种现象于外磁场强度，而且依赖于它的原先磁化程度，这种现象称为磁滞现象。称为磁滞现象。也就是说也就是说在磁化过程中在磁化过程中B地与外磁场地与外磁场H不不再成线性关系再成线性关系.磁滞现象可用磁化过程中的磁化曲线磁滞现象可用磁化过程中的磁化曲线(即即BHBH曲线曲线)来说明。来说明。第66页，本讲稿共72页图图4.6-1 4.6-1 磁滞回线磁滞回线第67页，本讲稿共72页 如图所示：如图所示：横坐标横坐标-外电流产生的磁场强度外电流产生的磁场强度H H。纵坐标纵坐标-铁磁体中的磁感应强度铁磁体中的磁感应强度B B。（1 1）开始当）开始当H H增加时，增加时，B B沿着沿着0a0a增加。当增加。当H H足够强且达到足够强且达到HsHs时，时，磁化达到饱和，此后磁化达到饱和，此后H H再增加，再增加，B B基本上不再增加。基本上不再增加。（2 2）当外磁场从）当外磁场从HsHs变到变到-Hs-Hs时，时，B B沿曲线沿曲线abcaabca 变化，在变化，在反方向又达饱和。若再使外磁场由反方向又达饱和。若再使外磁场由-Hs-Hs变到变到HsHs时，则时，则B B又又沿曲线沿曲线a a b b c c a a变化。变化。第68页，本讲稿共72页剩余磁感应强度剩余磁感应强度:线段线段ObOb或或ObOb 的长度表示当外磁场的长度表示当外磁场 等于零时的磁感应强度简称为剩磁，等于零时的磁感应强度简称为剩磁，用用BrBr表示。表示。矫顽磁场强度矫顽磁场强度:线段线段OcOc或或OcOc 则表示要使磁感应强度则表示要使磁感应强度 为零时，所必须施加的外磁场强度，为零时，所必须施加的外磁场强度，简称为矫顽力，用简称为矫顽力，用HcHc表示。表示。不同的铁磁体的磁化曲线的差别很大。剩磁和矫顽力等不同的铁磁体的磁化曲线的差别很大。剩磁和矫顽力等都是材料磁性的重要参数。都是材料磁性的重要参数。第69页，本讲稿共72页在回到铁磁性物质上来在回到铁磁性物质上来它的主要特点是：它的主要特点是：(1)(1)即使在较弱的磁场内，铁磁性物质也可得到极高的磁即使在较弱的磁场内，铁磁性物质也可得到极高的磁化强度，而且当外磁场移去后，仍可保留极强的磁性。化强度，而且当外磁场移去后，仍可保留极强的磁性。这也是它与顺磁性物质的主要区别。这也是它与顺磁性物质的主要区别。(2)(2)铁磁性材料只有在居里点温度铁磁性材料只有在居里点温度TcTc以下时，才具有以下时，才具有铁磁性；在居里点温度以上时，材料表现为顺磁性，铁磁性；在居里点温度以上时，材料表现为顺磁性，其磁化率与温度的关系服从居里其磁化率与温度的关系服从居里外斯定律外斯定律:x=C/(T x=C/(T一一Tc)(CTc)(C为居里常数为居里常数)。(3)(3)铁磁性物质在外磁场中的磁化过程为不可逆性铁磁性物质在外磁场中的磁化过程为不可逆性 第70页，本讲稿共72页4)4)反铁磁性反铁磁性 某些物质中，大小相等的相邻原子磁矩作反向排列某些物质中，大小相等的相邻原子磁矩作反向排列的自发磁化现象，其总磁矩为零。即不论在什么温度下的自发磁化现象，其总磁矩为零。即不论在什么温度下都不能观察到反铁磁性物质的任何自发磁化现象，但都不能观察到反铁磁性物质的任何自发磁化现象，但是在外磁场产表现为强的顺磁性。是在外磁场产表现为强的顺磁性。第71页，本讲稿共72页5)5)亚铁磁性亚铁磁性 亚铁磁性是反铁磁性的一种变体，内部原子磁亚铁磁性是反铁磁性的一种变体，内部原子磁矩之间存在着反铁磁相互作用，只是两种反平行排矩之间存在着反铁磁相互作用，只是两种反平行排列的磁矩大小不同。从而导致了一定的自发磁化。列的磁矩大小不同。从而导致了一定的自发磁化。所以在外磁场产的现象与铁磁性相似所以在外磁场产的现象与铁磁性相似.第72页，本讲稿共72页