第三章 无机非金属材料的性能.ppt

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1、第三章第三章 无机非金属材料的性能无机非金属材料的性能各种材料的特性强度高，延展性好强度高，延展性好良导体良导体不透明不透明表面光滑有光泽表面光滑有光泽硬而脆硬而脆不良导体不良导体耐高温耐高温耐严酷环境耐严酷环境电绝缘，热绝缘电绝缘，热绝缘磁惰性，化学惰性磁惰性，化学惰性重量轻重量轻透明透明韧性好韧性好金属金属材料材料聚合聚合物物无机无机材料材料第一节第一节 力学性能力学性能材料的力学性能材料的力学性能材料在各种不同工作情材料在各种不同工作情况下（载荷、速度、温度等），从受力（静况下（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力或动力）至破坏的全过程中所呈现出的力学

2、特征。学特征。一、弹性一、弹性 二、脆性二、脆性 三、塑性三、塑性 四、韧性四、韧性 五、力学强度五、力学强度 六、无机材料的高温行为六、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。弹性变形弹性变形塑性变形塑性变形断裂断裂一、弹性一、弹性在一定应力在一定应力-应变极限内，无机非金属材料服应变极限内，无机非金属材料服从于胡克定律，即从于胡克定律，即=E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在两相系统中，总弹性模量在高弹性模量

3、成分和低弹性模量成分之间。分和低弹性模量成分之间。若两相系统的泊若两相系统的泊松比相同，在力的作用下的应变相同松比相同，在力的作用下的应变相同，则：，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.弹性模量弹性模量对连续基体内的密闭气孔，可用下面经验公式：对连续基体内的密闭气孔，可用下面经验公式：E=Eo(11.9P+0.9P2)适用于适用于P 50 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=9095%）3

4、66密实SiC(P=5%)470烧结氧化铍（P=5%）310烧结稳定化ZrO2 P=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影响弹性模量的因素（2）孔结构）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）材料的密实性，显微结构的组成及前期工艺工艺（1）晶体结构）晶体结构（3）温度）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、脆性二、脆性1.脆性

5、的共同特征脆性的共同特征 （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.脆性断裂脆性断裂 材料的脆性变形要求出现裂纹并发生扩展。材料的脆性变形要求出现裂纹并发生扩展。材料的脆性变形要求出现裂纹并发生扩展。材料的脆性变形要求出现裂纹并发生扩展。（1）裂纹的来源：）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

6、散裂纹的扩散前提前提：材料中存在裂纹，由于位错的迁移和：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。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：脆性断裂的判据：材料的应力材料的应力-应变行为在断裂前完全是弹应变行为在断裂前完全是弹性的；性的；断裂开始且扩展方向垂直于最大的主拉断裂开始且扩

7、展方向垂直于最大的主拉力方向；力方向；出现完全分离断裂。出现完全分离断裂。三、塑性1.定义定义 塑性变形塑性变形 指在材料受力时，当应力超过屈指在材料受力时，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。的性质，残余变形即称为塑性变形。延展性延展性材料经塑性变形后而不被破坏的能力。材料经塑性变形后而不被破坏的能力。图3 MgO和KBr弯曲试验的应力-应变曲线2.影响因素影响因素 （1）温度）温度 （2）载荷和位错速度）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。在适当条件下，无机材料中也可能会存在

8、塑性变形。四、韧性1.定义定义指材料指材料抵抗裂纹产生和扩展抵抗裂纹产生和扩展的能力。的能力。是材料断裂过程中单位体积材料是材料断裂过程中单位体积材料吸收能量吸收能量的量度。的量度。可由拉伸应力可由拉伸应力-应变曲线下的面积大小衡应变曲线下的面积大小衡量。量。2.衡量指标衡量指标冲击韧性冲击韧性断裂韧性断裂韧性TitanicTitanic沉没原因沉没原因nTitanic 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.定义定义力学强度是指材料抵

9、抗各种外来力学载荷的整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。体综合能力。2.Orowan理论理论表面能a离子距离只有在一些极细的纤维晶体和晶须中，th在较大尺寸材料中，2 12.5eVBandgap2.5eV半导体半导体绝缘体绝缘体EmptyconductionbandBandgapFilledvalenceband满价带满价带空导带空导带EmptyconductionbandBandgapFilledvalenceband导体导体 Material Electrical Conductivity (W-m)-1Graphite（石墨）31042105Concrete(dry)（

10、混凝土）10-9Soda-Limeglass（钠玻璃）10-1010-11Porcelain（陶土）10-1010-12Borosilicateglass（硼玻璃）10-13Aluminumoxide（氧化铝）10-13Fusedsilica（熔硅）10-18一些陶瓷的电导率一些陶瓷的电导率无机材料中导电的主要机理为无机材料中导电的主要机理为离子导电离子导电离子导电离子导电。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、介电性质介电常数介电常数VacuumlE=V/lDie

11、lectric 介电质介电质VPV面积面积A电容率之比电容率之比称介电常数称介电常数1.介电常数介电常数电介质是导电能力很低的材料；电介质是导电能力很低的材料；将其放在电场中，将其放在电场中，不会发生电子的迁移，而不会发生电子的迁移，而是发生电荷的偏移和极化是发生电荷的偏移和极化。=1+4（1）电子极化+No field+Applied E Field+（2 2）离子极化）离子极化2.影响因素影响因素（1）组成和结构）组成和结构（2）晶轴方向）晶轴方向（3）显微结构）显微结构（4）温度）温度0.403nm0.398nm0.398nm0.006nm0.006nm0.009nmTi4+Ba2+O2

12、-3.压电性与电致伸缩压电性与电致伸缩BaTiO3+(b)V(a)+(c)+电致伸缩电致伸缩压电效应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电致伸缩电致伸缩电致伸缩。压电现象压电现象压电现象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 压电常数压电常数 d(m-V-1)Quartz 2.3 10-12BaTiO3 100 10-12PbZrTiO6 250 10-12PbNb2O6 80 10-12应用应用电声器：扬声器、送话筒、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

13、器件雷达中的陶瓷表面波器件通讯设备：陶瓷滤波器通讯设备：陶瓷滤波器精密测量：压力计精密测量：压力计红外技术：红外热电探测器红外技术：红外热电探测器高压电源：变压器高压电源：变压器高压引线高压引线压电陶瓷点火器压电陶瓷点火器垫块垫块外外壳壳冲击块冲击块V第四节 磁学性能磁导率：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材料磁性的分类H=0Hdiamagneticmaterials反磁性反

14、磁性磁化率r1,cm=10-510-2顺磁性顺磁性磁通密度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铁磁性铁磁性cm106r 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反铁磁性O2-Mn2+氧化锰氧化锰中磁矩中磁矩的反平的反平行排列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)PureFe

15、Fe3O400-20002004006008001000温度对磁性的影响温度对磁性的影响CurieTemperatureFe:768Co:1120Ni:335Fe3O4:585信号输入信号输入写写读读信号输出信号输出记录介质记录介质磁头磁头间隙间隙宽宽度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。参数发生变化的现象。i rTransmitted beamIncident beam iReflected beamI0RefractionITIRAbsorption IA光与材料的相互作用光与材料的相互作用透射透射反射反射折射折射吸收吸收入射入射第五节 光学性质InputSignalEncoderElectrical/OpticalConverterRepeaterOptical/ElectricalConverterDecoderOutputSignalFiber Optic Cable应用应用光导纤维光导纤维输入信号电光转换输入信号电光转换 复制复制 光电转换光电转换 输出输出编码编码解码解码