无机材料物理性能第5讲.ppt
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无机材料物理性能PPT课件
电子位移极化
弹性模型 +e
-e
建立牛顿方程： ma= -kx - eEoe it 电偶极矩： = -ex= Eoe it{1/[(k/m)o2－ 2]}e2/m 弹性振子的固有频率 ： o=(k/m)1/2 有： = e Eloc 得：
动态
e
e2 m
2 0
1
2
静态
e2 e2
e
m2 0
k
电子位移极化
+ 空腔表面上的电荷密度： －P cos 绿环所对应的微小环球面的表面积dS:
dS=2rsin rd dS面上的电荷为： dq= －P cosdS
根据库仑定律：dS面上的电荷作用在球心单位正电 荷上的P方向分力dF：
dF= －（－PcosdS/4o r2 ) cos
由 qE=F
1×E=F E=F
有立方对称的参考点位置，如果所有原
子都可以用平行的点型偶极子来代替，
则E3 =0。
Eloc=E外+E1+P /3o=E+P /3o
克劳修斯一莫索蒂方程
根据
D= o E+P
得
P =D－ o E=（ 1－ o ） E
= o （ r－ 1） E
由
Eloc=E外+E1+P /3o=E+P /3o
=E+ o （ r－ 1） /3o
对具有两 种以上极化质点的介质，上式变为：
r r
1 2
1
3 0
nkk
k
三、介质的总极化
第一种，位移极化： 位移式极化------弹 性的、瞬间完成的、不消耗能量的极化。
第二种，松弛极化：该极化与热运动有 关，其完成需要一定的时间，且是非弹 性的，需要消耗一定的能量。
无机非金属材料物理性能PPT课件
是塑性变形，直到断裂。 3)无机材料类：先是弹性形变(较小)，然
后不发生塑性变形(或很小)，直到断裂。
第7页/共61页
2.2理论结合强度 2.2.1能量守衡模型
固体受外功作用而变形，在变形过程中，
外力所作的功转变为储存于固体内的能量。
断裂时，应变能提供了新生断面所需的表
面能。
thx/2=2
th
th=E(x/r0)
称韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称
韧脆转变温度。材料的使用温度应高于韧
脆转变温度。
第40页/共61页
>断裂韧性的测试方法 单边切口梁法(SENB)
第41页/共61页
第42页/共61页
第43页/共61页
压痕法 测试试样表面先抛光成 镜面，在显微硬度仪上， 以10Kg负载在抛光表面 用硬度计的锥形金刚石 压头产生一压痕，这样在压痕的四个 顶点就产生了预制裂纹。根据压痕载 荷P和压痕裂纹扩展长度C计算出断裂 韧性数值
th=2(E/r0)1/2
第8页/共61页
2.2.2奥罗万模型 以应力—应变正弦函数曲线的形式近似的 描述原子间作用力随原子间距的变化。
U=S
S
= thsin(2x/)
第9页/共61页
理论结合强度：
高强度的固体必须 要求E、γ大，a小
th=2(E/r0)1/2
通常，γ约为aE/100， th=E/10 对于大部分实际材料来说，其理论结合强 度与实际材料有一定的差异。 --- Griffith微裂纹理论
内裂的薄板为例 KI=π1/2σc1/2. 当为临界值时， 有KIC=π1/2σcc1/2, 故KIC2= πσc2c 代入P55:3-16
第50页/共61页
2.5裂纹的起源与扩展 2.5.1裂纹的起源 1)材料结构中存在缺陷，当受外力时，在 这些缺陷处引起应力集中，导致裂纹产生。 位错： 2)材料表面的机械损伤与化学腐蚀形成表 面裂纹。
后不发生塑性变形(或很小)，直到断裂。
第7页/共61页
2.2理论结合强度 2.2.1能量守衡模型
固体受外功作用而变形，在变形过程中，
外力所作的功转变为储存于固体内的能量。
断裂时，应变能提供了新生断面所需的表
面能。
thx/2=2
th
th=E(x/r0)
称韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称
韧脆转变温度。材料的使用温度应高于韧
脆转变温度。
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>断裂韧性的测试方法 单边切口梁法(SENB)
第41页/共61页
第42页/共61页
第43页/共61页
压痕法 测试试样表面先抛光成 镜面，在显微硬度仪上， 以10Kg负载在抛光表面 用硬度计的锥形金刚石 压头产生一压痕，这样在压痕的四个 顶点就产生了预制裂纹。根据压痕载 荷P和压痕裂纹扩展长度C计算出断裂 韧性数值
th=2(E/r0)1/2
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2.2.2奥罗万模型 以应力—应变正弦函数曲线的形式近似的 描述原子间作用力随原子间距的变化。
U=S
S
= thsin(2x/)
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理论结合强度：
高强度的固体必须 要求E、γ大，a小
th=2(E/r0)1/2
通常，γ约为aE/100， th=E/10 对于大部分实际材料来说，其理论结合强 度与实际材料有一定的差异。 --- Griffith微裂纹理论
内裂的薄板为例 KI=π1/2σc1/2. 当为临界值时， 有KIC=π1/2σcc1/2, 故KIC2= πσc2c 代入P55:3-16
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2.5裂纹的起源与扩展 2.5.1裂纹的起源 1)材料结构中存在缺陷，当受外力时，在 这些缺陷处引起应力集中，导致裂纹产生。 位错： 2)材料表面的机械损伤与化学腐蚀形成表 面裂纹。
《无机材料物理性能》第5讲
控制强度的三个参数
弹性模量E：取决于材料的组分、晶体的结构、 气孔。对其他显微结构较不敏感。
断裂能 f ：不仅取决于组分、结构，在很大 程度上受到微观缺陷、显微结构的影响，是一 种织构敏感参数,起着断裂过程的阻力作用。 裂纹半长度c：材料中最危险的缺陷，其作用 在于导致材料内部的局部应力集中，是断裂的 动力因素。
玻璃
在373K的沸水中
表面 273K
内部 373K
在273K的冰水浴中,表 面层趋于T=100 收缩,内层的收缩为零。
与强度有关的问题（共性，特性）
哪些因素影响材料的强度？ 这些因素与显微结构间的关系？ 材料在怎样的状态下断裂?断裂过程怎样？ 韧性是什么？ 材料的可靠性？具有怎样的强度？可能 用于什么地方？
与材料强度有关的断裂力学的特点：
着眼于裂纹尖端应力集中区域的力场和 应变场分布； 研究裂纹生长、扩展最终导致断裂的动 态过程和规律； 研究抑制裂纹扩展、防止断裂的条件。 给工程设计、合理选材、质量评价提供 判据。
114.1
65
49.1 1030 3520
114.1
81
33.1 1030 1400
96.8
65
31.8 1030 2600
96.8
81
15.8 1050 1400
96.8
40
56.8 1100 2740
91.2
65
26.2 1030 3160
91.2
81
10.2 1050 1260
88.6
65
23.6 1030 2810
结论：弹性应变能释放率 UE / C等于或大于裂纹扩 展单位裂纹长度所需的表面能增量 US /C ，裂纹失 稳而扩展。
材料物理性能(课件)
· 热重法(Thermogravimetry)： 测量质量与温度的关系 。 · 用途： 测量有机物分解温度 ， 研究高聚物的热稳定性
TIM
Ni(OH)2
19
（二）热容
■ 热分析方法 · 差热分析(Differential thermal analysis, DTA)： 测量试样与参比物之 间温差与时间或温度的关系 。分析所采用的参比物应是热惰性物质 ， 即在 整个测试温度范围内不发生分解、相变和破坏 ，也不与被测物质发生化学 反应 。参比物的热容、热传导系数等应尽量与试样接近。
5
（一 ）热学性能的物理基础
■ 晶格热振动
· 晶格热振动： 晶体点阵中质点围绕平衡位置的微小振动 。材料 热学性能的物理本质均与其晶格热振动相关。 · 晶格振动是三维的 ， 当振动很微弱时 ， 可认为原子作简谐振动。 振动频率随弹性模量Em增大而提高。
x=ACOS(ot+p)
· 温度升高时质点动能增大 ， 1/2 mv2= 1/2 kT, ∑ (动能)i ＝热能 · 质点热振动相互影响 ，相邻质点间的振动存在一定的相位差， 晶格振动以波（格波） 的形式在整个材料内传播 。格波在固体中的 传播速度： v = 3 * 103m/s, 晶格常数a为10-10 m数量级 ，格波最高频 率：v / 2a = 1.5 * 1013 Hz · 频率极低的格波： 声频支振动； 频率极高的格波： 光频支振动
■ 亚稳态组织转变为稳定态要释放 热量 ，热容 －温度曲线向下拐折。
H
TC
T
二级相变焓和热容随温度的变化
17
（二）热容
■ 热容的测量
· 量热计法 。低温及中温区： 电加热法 · 高温区：撒克司法
P：搅拌器 ，C： 量热器筒 18
TIM
Ni(OH)2
19
（二）热容
■ 热分析方法 · 差热分析(Differential thermal analysis, DTA)： 测量试样与参比物之 间温差与时间或温度的关系 。分析所采用的参比物应是热惰性物质 ， 即在 整个测试温度范围内不发生分解、相变和破坏 ，也不与被测物质发生化学 反应 。参比物的热容、热传导系数等应尽量与试样接近。
5
（一 ）热学性能的物理基础
■ 晶格热振动
· 晶格热振动： 晶体点阵中质点围绕平衡位置的微小振动 。材料 热学性能的物理本质均与其晶格热振动相关。 · 晶格振动是三维的 ， 当振动很微弱时 ， 可认为原子作简谐振动。 振动频率随弹性模量Em增大而提高。
x=ACOS(ot+p)
· 温度升高时质点动能增大 ， 1/2 mv2= 1/2 kT, ∑ (动能)i ＝热能 · 质点热振动相互影响 ，相邻质点间的振动存在一定的相位差， 晶格振动以波（格波） 的形式在整个材料内传播 。格波在固体中的 传播速度： v = 3 * 103m/s, 晶格常数a为10-10 m数量级 ，格波最高频 率：v / 2a = 1.5 * 1013 Hz · 频率极低的格波： 声频支振动； 频率极高的格波： 光频支振动
■ 亚稳态组织转变为稳定态要释放 热量 ，热容 －温度曲线向下拐折。
H
TC
T
二级相变焓和热容随温度的变化
17
（二）热容
■ 热容的测量
· 量热计法 。低温及中温区： 电加热法 · 高温区：撒克司法
P：搅拌器 ，C： 量热器筒 18
第五讲 硅—无机非金属材料
知识点一.硅1.硅的化学性质。
在常温下，硅的化学性质不活泼，不与O 2、Cl 2、H 2SO 4、HNO 3等反应，但可与氟气、氢氟酸和强碱反应。
①硅和氟气反应：Si+2F 2==SiF 4。
②硅和氢氟酸反应：Si+4HF==SiF 4↑+2H 2↑。
③硅和氢氧化钠溶液反应：Si+2NaOH+H 2O==Na 2SiO 3+2H 2↑。
④硅在氧气中加热：Si+O 2SiO 2。
2. 硅的工业制法。
SiO 2＋2C Si(粗硅)＋2CO ↑(注意产物)提纯：Si+2Cl 2SiCl 4 ；SiCl 4+2H 2Si+4HCl ↑3.晶体硅的用途。
用来制造半导体器件，制成太阳能电池、芯片和耐酸设备等。
知识点二. 二氧化硅1.物理性质：硬度大、熔点高，难溶于水。
2.化学性质：①酸性氧化物的通性：SiO 2是酸性氧化物，是H 2SiO 3的酸酐，但不溶于水：△无机非金属材料的主角-硅SiO2+CaO CaSiO3SiO2+2NaOH＝Na2SiO3+H2O (Na2SiO3是强的粘合剂)②弱氧化性：SiO2+2C Si+2CO↑③特性：SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O要点解释：（A）由于玻璃的成分中含有SiO2，故实验室盛放碱液的试剂瓶用橡皮塞而不用玻璃塞。
（B）未进行磨砂处理的玻璃，在常温下是不易被强碱腐蚀的，故盛放碱液可以用玻璃瓶（不能用玻璃塞）。
（C）因为氢氟酸腐蚀玻璃，与玻璃中的SiO2反应，所以氢氟酸既不能用玻璃塞、也不能用玻璃瓶保存，而应保存在塑料瓶或铅皿中。
3.用途：①SiO2是制造光导纤维的主要原料。
②石英制作石英玻璃、石英电子表、石英钟等。
③水晶常用来制造电子工业的重要部件、光学仪器、工艺品等。
④石英砂常用作制玻璃和建筑材料。
4.SiO2与CO2化学性质的比较CO2+H2O H2CO3SiO2+CaO CaSiO3SiO2+2C Si+2CO↑知识点三.硅酸（H4SiO4、H2SiO3）△1.不稳定性：H2SiO3SiO2 +H2O2.极弱酸性：不能使酸碱指示剂变色：H2SiO3＋2NaOH=Na2SiO3+2H2O制备：Na2SiO3+CO2+H2O=H4SiO4↓(白色胶状)+Na2CO3或Na2SiO3+2HCl==H2SiO3↓+2NaCl，H4SiO4＝H2SiO3+H2O(不稳定、易分解)知识点四. 硅酸盐1.常用的硅酸盐是Na2SiO3，俗称“泡花碱”，易溶于水，其水溶液称为水玻璃，是一种矿物胶，密封保存。
无机材料的热学性能PPT课件
e kT
hi
2
e kT 1
4.1.2.1 爱因斯坦模型
假设：晶体中所有原子都以相同的频率振动。
h
CV
3Nk
h
kT
2
e kT
h
2
ekT 1
12
第12页/共82页
适当选取频率υ，可以使理论与实验吻合，又因为 R N，k
令e
h k
， 则可以改写为：
CV
3R
E
T
2
E
eT
E
2
=3Rf E
U (r)
U (r0 )
dU dr
r0
x
21!
d 2U dr2
r0
x2
31!
d 3U dr3
r0
x3
......
上式实际为：
U (r)
U
(r0
)
1 x 2
2
1 3
x 3
......
如果略去上式中得x3项及更高次项，则相互作用的势能为：
U
(r)
U
(r0
)
1 2
x
2
这时的势能曲线为抛物线型的。如不略去x3项，那么：
两个经验定律
一是元素的热容定律——杜隆-珀替定律： 恒压下元素的原子热容等于25 J/(K·mol)
另一个是化合物的热容定律——柯普定律： 化合物分子热容等于构成此该化合物各元素原子热容之和。 但轻元素的原子热容不能用25 J/(K·mol)
根据晶格振动理论，在固体中可以用谐振子来代表每个原子在 一个自由度的振动，按照经典理论能量按自由度均分，每一振 动自由度的平均动能和平均位能都为kT/2，一个原子有三个振 动自由度，平均动能和位能的总和等于3kT。
hi
2
e kT 1
4.1.2.1 爱因斯坦模型
假设：晶体中所有原子都以相同的频率振动。
h
CV
3Nk
h
kT
2
e kT
h
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ekT 1
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适当选取频率υ，可以使理论与实验吻合，又因为 R N，k
令e
h k
， 则可以改写为：
CV
3R
E
T
2
E
eT
E
2
=3Rf E
U (r)
U (r0 )
dU dr
r0
x
21!
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x2
31!
d 3U dr3
r0
x3
......
上式实际为：
U (r)
U
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)
1 x 2
2
1 3
x 3
......
如果略去上式中得x3项及更高次项，则相互作用的势能为：
U
(r)
U
(r0
)
1 2
x
2
这时的势能曲线为抛物线型的。如不略去x3项，那么：
两个经验定律
一是元素的热容定律——杜隆-珀替定律： 恒压下元素的原子热容等于25 J/(K·mol)
另一个是化合物的热容定律——柯普定律： 化合物分子热容等于构成此该化合物各元素原子热容之和。 但轻元素的原子热容不能用25 J/(K·mol)
根据晶格振动理论，在固体中可以用谐振子来代表每个原子在 一个自由度的振动，按照经典理论能量按自由度均分，每一振 动自由度的平均动能和平均位能都为kT/2，一个原子有三个振 动自由度，平均动能和位能的总和等于3kT。
无机材料的光学性能PPT学习教案
第2页/共107页
2、光的电磁性
麦克斯韦
（1）光是一种电磁波，是 由电磁场周期性振动的传 播所形成的，在光波中电 场和磁场是交织在一起的 ；
（2）光有波的一般性质；
（3）光的真空中传播速度 是c=3×108m/s；
（4）色光是由频率决定的
第3页/共107页
，即：不同的频率对应不 同的颜色的光。
可 见 光 (visible light) —— 能 够 引 起 人 的视觉 的电磁 波。
v c
ε为介电常数；μ为磁导率
其中：
n 无机材料： μ ＝1， ε ＞ 1
n
所以,n总是大于1，进而，介质中的光速总是小于 C
第20页/共107页
2、影响折射率的因素
1、 离 子 半 径 ：
n
介电常数随着离子半径的增大而增大，因而折射率n随着 离子半径的增大而增大。
用大离子得到高折射率的材料；
第24页/共107页
（2）非均质介质（各向异性） 双折射：光进入非均质介质时，一般都要分为振动方向 相互垂直、传播速度不等的两个波，它们分别构成两条 折射光线，这个现象称为双折射。
i n1
e n2
o
e 光
O 光
第25页/共107页
➢平行于入射面的光线的折射率——常光折射率n0
，
始终为一常数，严格服从折射定律。 ➢垂直的光线所构成的折射率，则随入射线方向的 改变而变化，称为非常光折射率ne，不遵守折射定 律，随入射光的方向而变化。
三、反 射
反射系数：
m
n21 n21
12 12
m—反射系数；
n质211—的介相质对2折相射对率于介
同 一 材 料 在 不同介 质中有 不同反 射率, 不 同材料 对同一 波长的 光波的 反射系 数也有 很大差 异。如 :对波 长为0.36μm的 光 铝薄 膜的反 射率可 以达到 92.5% ，铜薄 膜仅有 36.3%。
2、光的电磁性
麦克斯韦
（1）光是一种电磁波，是 由电磁场周期性振动的传 播所形成的，在光波中电 场和磁场是交织在一起的 ；
（2）光有波的一般性质；
（3）光的真空中传播速度 是c=3×108m/s；
（4）色光是由频率决定的
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，即：不同的频率对应不 同的颜色的光。
可 见 光 (visible light) —— 能 够 引 起 人 的视觉 的电磁 波。
v c
ε为介电常数；μ为磁导率
其中：
n 无机材料： μ ＝1， ε ＞ 1
n
所以,n总是大于1，进而，介质中的光速总是小于 C
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2、影响折射率的因素
1、 离 子 半 径 ：
n
介电常数随着离子半径的增大而增大，因而折射率n随着 离子半径的增大而增大。
用大离子得到高折射率的材料；
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（2）非均质介质（各向异性） 双折射：光进入非均质介质时，一般都要分为振动方向 相互垂直、传播速度不等的两个波，它们分别构成两条 折射光线，这个现象称为双折射。
i n1
e n2
o
e 光
O 光
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➢平行于入射面的光线的折射率——常光折射率n0
，
始终为一常数，严格服从折射定律。 ➢垂直的光线所构成的折射率，则随入射线方向的 改变而变化，称为非常光折射率ne，不遵守折射定 律，随入射光的方向而变化。
三、反 射
反射系数：
m
n21 n21
12 12
m—反射系数；
n质211—的介相质对2折相射对率于介
同 一 材 料 在 不同介 质中有 不同反 射率, 不 同材料 对同一 波长的 光波的 反射系 数也有 很大差 异。如 :对波 长为0.36μm的 光 铝薄 膜的反 射率可 以达到 92.5% ，铜薄 膜仅有 36.3%。
无机材料物理性能第5讲PPT课件
➢铁磁性物质即使在较弱的磁场内，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。
➢无外磁场时，磁畴无序取向，M总=0 ➢外磁场作用下，磁畴沿外磁场取向，M总很大 ➢与顺磁性的最大区别：后者不会自发磁化形成
磁畴
➢饱和磁化强度：铁磁材料能达到的最大磁化强 度Ms
14
磁性的分类
❖铁磁性
16
Fe,Co,Ni,Gd,Tb,Dy,等元素及
M
其合金、金属间化合物。
FeSi,NiFe,CoFe,SmCo,NdFeB
,CoCr等
H
M
各种铁氧体系材料（Te,Go,Ni
氧化物）Fe,Co等与重稀土类
金属形成金属间化合物
（TbFe等)
M
H O2,Pt,Rh,Pd等，第一主族
（Li,Na,K等），第二主族
J m B
为了求得磁矩在磁场中所受的力，对一维情
况可以写出:
dB
Fx
m dx
磁矩是表征磁性体磁性大小的物理量。
磁感应强度B：外磁场作用下，材料内部的磁通
量密度
B H T或Wb/m2
6
物质的磁性
磁导率 材料特性常数，单位外磁场强度下，材料 内部的磁通量密度（H/m）。
相对磁导率μx： μx= μ/ μo 磁化强度M:外磁场H作用下，材料内部磁矩
24
磁畴
25
磁畴
右图表示 磁畴壁的 移动和磁 畴的磁化 矢量的转 向及其在 磁化曲线 上起作用 的范围
电子的磁矩
➢ 电子磁矩由电子的轨道磁矩和自旋磁矩组成 ➢ 物质的磁性不是由电子的轨道磁矩引起，而
是主要由自旋磁矩引起 ➢ 孤立原子的磁矩决定于原子的结构 ➢ 某些元素具有各层都充满电子的原子结构，
➢无外磁场时，磁畴无序取向，M总=0 ➢外磁场作用下，磁畴沿外磁场取向，M总很大 ➢与顺磁性的最大区别：后者不会自发磁化形成
磁畴
➢饱和磁化强度：铁磁材料能达到的最大磁化强 度Ms
14
磁性的分类
❖铁磁性
16
Fe,Co,Ni,Gd,Tb,Dy,等元素及
M
其合金、金属间化合物。
FeSi,NiFe,CoFe,SmCo,NdFeB
,CoCr等
H
M
各种铁氧体系材料（Te,Go,Ni
氧化物）Fe,Co等与重稀土类
金属形成金属间化合物
（TbFe等)
M
H O2,Pt,Rh,Pd等，第一主族
（Li,Na,K等），第二主族
J m B
为了求得磁矩在磁场中所受的力，对一维情
况可以写出:
dB
Fx
m dx
磁矩是表征磁性体磁性大小的物理量。
磁感应强度B：外磁场作用下，材料内部的磁通
量密度
B H T或Wb/m2
6
物质的磁性
磁导率 材料特性常数，单位外磁场强度下，材料 内部的磁通量密度（H/m）。
相对磁导率μx： μx= μ/ μo 磁化强度M:外磁场H作用下，材料内部磁矩
24
磁畴
25
磁畴
右图表示 磁畴壁的 移动和磁 畴的磁化 矢量的转 向及其在 磁化曲线 上起作用 的范围
电子的磁矩
➢ 电子磁矩由电子的轨道磁矩和自旋磁矩组成 ➢ 物质的磁性不是由电子的轨道磁矩引起，而
是主要由自旋磁矩引起 ➢ 孤立原子的磁矩决定于原子的结构 ➢ 某些元素具有各层都充满电子的原子结构，
第五讲材料的热稳定性
压电陶瓷器件
37
本章小结
材料的热容
经典理论 量子理论 影响因素
材料的膨胀
物理本质 影响因素
材料的热传导
基本概念 物理机制 影响因素
材料的热稳定性
热应力 提高抗冲击断裂性能的措施
38
表示热学性能的参数比较
热容（比热容）热膨胀系数
定义
C Q T
TБайду номын сангаас
1 lT
dl dT
物理本质 经典理论 作用力曲线
龟裂前一次温度
普通耐火材料： 加热到一定温度保温 急冷 重复操作直到试件失重20 %。
操作次数 7
第四节 材料的热稳定性
热稳定性的表示方法 热应力及第一热应力断裂抵抗因子 抗热冲击损伤性 提高抗热冲击断裂性能的措施 梯度功能材料
8
2. 热应力及第一热应力断裂抵抗因子
热应力：由于材料热膨胀或收缩引起的内应力。
➢ 材料从陶瓷过渡到金属的过程中，耐热性逐渐降低，机 械强度逐渐升高。
➢ 热应力在材料两端均很小，在材料中部过渡区达到峰值 (比突变界面的应力峰值小得多)，
➢ 具有缓和热应力的功能。
金属和陶瓷构成的材料特性 （a）无梯度 （b）有梯度
28
航天方面
90年代初，日本开发了小动力火箭燃烧器和热遮蔽材料用的梯 度功能材料，目前已研制出能耐1700℃的ZrO2/Ni梯度功能材 料，用作马赫数大于20的并可重复使用的航天飞机机身材料。 空天飞机高速飞行时机身和机翼的温度也高达上千K，只能采 用热防护梯度材料解决热应力问题。 梯度功能材料也可用于普通飞机的喷气燃烧器。
3
什么是热稳定性？
热稳定性（抗热震性）： 材料承受温度变化而不致破坏的能力。
37
本章小结
材料的热容
经典理论 量子理论 影响因素
材料的膨胀
物理本质 影响因素
材料的热传导
基本概念 物理机制 影响因素
材料的热稳定性
热应力 提高抗冲击断裂性能的措施
38
表示热学性能的参数比较
热容（比热容）热膨胀系数
定义
C Q T
TБайду номын сангаас
1 lT
dl dT
物理本质 经典理论 作用力曲线
龟裂前一次温度
普通耐火材料： 加热到一定温度保温 急冷 重复操作直到试件失重20 %。
操作次数 7
第四节 材料的热稳定性
热稳定性的表示方法 热应力及第一热应力断裂抵抗因子 抗热冲击损伤性 提高抗热冲击断裂性能的措施 梯度功能材料
8
2. 热应力及第一热应力断裂抵抗因子
热应力：由于材料热膨胀或收缩引起的内应力。
➢ 材料从陶瓷过渡到金属的过程中，耐热性逐渐降低，机 械强度逐渐升高。
➢ 热应力在材料两端均很小，在材料中部过渡区达到峰值 (比突变界面的应力峰值小得多)，
➢ 具有缓和热应力的功能。
金属和陶瓷构成的材料特性 （a）无梯度 （b）有梯度
28
航天方面
90年代初，日本开发了小动力火箭燃烧器和热遮蔽材料用的梯 度功能材料，目前已研制出能耐1700℃的ZrO2/Ni梯度功能材 料，用作马赫数大于20的并可重复使用的航天飞机机身材料。 空天飞机高速飞行时机身和机翼的温度也高达上千K，只能采 用热防护梯度材料解决热应力问题。 梯度功能材料也可用于普通飞机的喷气燃烧器。
3
什么是热稳定性？
热稳定性（抗热震性）： 材料承受温度变化而不致破坏的能力。
无机材料科学基础第五章 固溶体PPT课件
金属和金属形成的固溶体都是置换式的。如， Cu-Zn系中的α和η固溶体都是置换式固溶体。
在金属氧化物中，主要发生在金属离子位 置 上 的 置 换 ， 如 ： MgO-CaO ， MgO-CoO ， PbZrO3-PbTiO3，Al2O3-Cr2O3等。
C3S的固溶体C54S16MA2.相当于18个Si中有两个被置换。
可编辑课件PPT
18
实例
在面心立方结构中，例如MgO中，氧八面体间 隙都已被Mg离子占满，只有氧四面体间隙是空的。 在TiO2中，有二分之一的八面体空隙是空的。在萤 石结构中，氟离子作简单立方排列，而正离子Ca2+ 只占据了有立方体空隙的一半，在晶胞中有一个较 大的间隙位置。在沸石之类的具有网状结构的硅酸 盐结构中，间隙就更大，具有隧道型空隙。 因此， 对于同样的外来杂质原子，可以预料形成填隙式固 溶体的可能性或固溶度大小的顺序将是沸石>萤石 >TiO2>MgO。实验证明是符合的。
SrO、BaO，使他们形成正硅酸盐。或
添加B2O3、P2O5、Cr2O3为稳定剂，使他 们形成[BO4]、[PO4]、[CrO4]置换[SiO4] 而形成固溶体。
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9
2、晶体结构类型的影响
若溶质与溶剂晶体结构类型相同，能形成连 续固溶体，这也是形成连续固溶体的必要条件，而 不是充分必要条件。
二、置换型固溶体
三、间隙型固溶体
四、形成固溶体后对晶体性质的影响
五、固溶体的研究方法
可编辑课件PPT
1
第一节 固溶体的分类
一、根据外来组元在主晶相中所处位置 ，可分 为置换固溶体和间隙固溶体。
二、按外来组元在主晶相中的固溶度，可分为 连续型(无限型)固溶体和有限型固溶体。
在金属氧化物中，主要发生在金属离子位 置 上 的 置 换 ， 如 ： MgO-CaO ， MgO-CoO ， PbZrO3-PbTiO3，Al2O3-Cr2O3等。
C3S的固溶体C54S16MA2.相当于18个Si中有两个被置换。
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18
实例
在面心立方结构中，例如MgO中，氧八面体间 隙都已被Mg离子占满，只有氧四面体间隙是空的。 在TiO2中，有二分之一的八面体空隙是空的。在萤 石结构中，氟离子作简单立方排列，而正离子Ca2+ 只占据了有立方体空隙的一半，在晶胞中有一个较 大的间隙位置。在沸石之类的具有网状结构的硅酸 盐结构中，间隙就更大，具有隧道型空隙。 因此， 对于同样的外来杂质原子，可以预料形成填隙式固 溶体的可能性或固溶度大小的顺序将是沸石>萤石 >TiO2>MgO。实验证明是符合的。
SrO、BaO，使他们形成正硅酸盐。或
添加B2O3、P2O5、Cr2O3为稳定剂，使他 们形成[BO4]、[PO4]、[CrO4]置换[SiO4] 而形成固溶体。
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9
2、晶体结构类型的影响
若溶质与溶剂晶体结构类型相同，能形成连 续固溶体，这也是形成连续固溶体的必要条件，而 不是充分必要条件。
二、置换型固溶体
三、间隙型固溶体
四、形成固溶体后对晶体性质的影响
五、固溶体的研究方法
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1
第一节 固溶体的分类
一、根据外来组元在主晶相中所处位置 ，可分 为置换固溶体和间隙固溶体。
二、按外来组元在主晶相中的固溶度，可分为 连续型(无限型)固溶体和有限型固溶体。
无机材料物理性能力学PPT优选版
2004年8月
15
无机材料物理性能
If the behavior is linear elastic, or nearly linearelastic, Hooke’s Law may be applied:
SEe
Where E is the modulus of elasticity (MPa),S is the stress (MPa), e is the strain
无机材料物理性能1力学
Where everything is bad, it must be good to know the worst.
F.H. Bradley
2004年8月
2
无机材料物理性能
Elongation 伸长量
eLLo L : loaded length of a material (m) 受力伸长后的长度
2004年8月
28
无机材料物理性能
Famous example failures: Molasses tank
Adapted from R.W. Hertzberg, pg. 261, Deformation and Fracture Mechanics of Eng. Matls.
6 liters (2x106 gallons) of molasses cascaded into the street.
2004年8月
16
无机材料物理性能
粘性形变 Viscous Deformation 粘性物体在剪切应力作用下发生不可逆 的流动形变，该形变随时间的增加而增 大。理想的粘性形变行为遵循牛顿粘性 定律：
d/dt dv/dx
其中为粘性系数，简称黏度，单位为 Pa• s 泊
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岩盐
12.6
铋
176
2020/10/30
常用铁磁性物质、铁氧体的磁性能
物质
μ0（起始）
居里温度
Fe
150
1043
Ni
110
627
Fe3O4
70
858
NiFe2O4
10
858
Mn0.65Zn0.35Fe2O4
1500
400
2020/10/30
磁性的分类
❖抗磁性
➢ 当磁化强度为负时，固体表现为抗磁性 ➢Bi,Cu,Ag,Au 等金属具有这种性质 ➢ 抗磁性物质的抗磁性一般很微弱，磁化
化率与绝对温度成反比 C T
➢顺磁性物质的磁化率一般也很小，室温下约为10-5 ➢过渡元素、稀土元素、钢系元素，还有铝铂等金属，都属
于顺磁物质 ➢一般：抗磁性与顺磁性被认为没有磁性，原因：依赖外磁
场且磁化率极小
2020/10/30
磁性的分类
❖铁磁性
➢有一类物质如Fe,Co,Ni，室温下磁化率可达10-3 数量级，这类物质的磁性称为铁磁性
➢铁磁性物质即使在较弱的磁场内，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。
➢无外磁场时，磁畴无序取向，M总=0 ➢外磁场作用下，磁畴沿外磁场取向，M总很大 ➢与顺磁性的最大区别：后者不会自发磁化形成
磁畴 ➢饱和磁化强度：铁磁材料能达到的最大磁化强
度Ms
2020/10/30
磁性的分类
2020/10/30
2020/10/30
无机材料的磁学性能
❖ 物质的磁性 ❖ 磁畴与磁滞回线 ❖ 铁氧体的磁性与结构 ❖ 磁性材料
2020/10/30
物质的磁性
磁性
磁矩 磁矩是表示磁体本质的一个物理量。 任何一个封闭的电流都具有磁矩ｍ。 其方向与环形电流法线的方向一致， 其大小为电流与封闭环形的面积的乘
量密度
B H T或Wb/m2
2020/10/30
物质的磁性
磁导率 材料特性常数，单位外磁场强度下，材料 内部的磁通量密度（H/m）。
相对磁导率μx： μx= μ/ μo 磁化强度M:外磁场H作用下，材料内部磁矩
延外磁场方向排列而使磁场强化的量 （A/m）。
其数B 值O 为(H ：“M)单位M 体 积(内x1 感)H 生磁H 矩的大小”
2020/10/30
石榴石型铁氧体
❖稀土石榴石也具有重要的磁性能， 其通式为：
M3cF2eaF3edO12
❖式中M为稀土离子或钇离子，都是三价。
2020/10/30
磁铅石型铁氧体
磁铅石型铁氧体的结构与天然 的磁铅石相同，属六方晶系， 结构比较复杂。
P(F b7 .5 e M 3 .5A n0 .5T l0 .5i)O 19
2020/10/30
2020/10/30
Fe,Co,Ni,Gd,Tb,Dy,等元素及
M
其合金、金属间化合物。
FeSi,NiFe,CoFe,SmCo,NdFeB
,CoCr等
H
M
各种铁氧体系材料（Te,Go,Ni
氧化物）Fe,Co等与重稀土类
金属形成金属间化合物
（TbFe等)
M
H O2,Pt,Rh,Pd等，第一主族
率一般约为-10-5，为负值 ➢ 外磁场使电子轨道改变，感生出一个与
外磁场方向相反的磁矩 ➢ 陶瓷材料多数原子是抗磁性的
2020/10/30
磁性的分类
❖顺磁性
➢无外加磁场时，原子无规则热振动，无宏观磁性；有外加 磁场时，原子磁矩旋转，延外磁场择优取向，显示出极弱 的磁性。
➢顺磁性物质的磁性除了与H有关外，还依赖于温度，其磁
是主要由自旋磁矩引起 ➢ 孤立原子的磁矩决定于原子的结构 ➢ 某些元素具有各层都充满电子的原子结构，
其电子磁矩相互抵消，因而不显磁性
2020/10/30
磁介质的磁导率
顺磁性
物质
氧（1大气 压） 铝
（μx－1） /10－6 1.9
23
铂
360
抗磁性
物质 氢
（1-μx）/10 －6 0.063
铜
8.8
2020/10/30
磁畴与磁滞回线
磁畴
（Li,Na,K等），第二主族
(Be,Mg,Ca),NaCl,KCl的F中心
M
H Cr,Mn,Nd,Sm,Eu等3d过渡元
素或稀土元素，还有MnO、
MnF2等合金、化合物等。
H
铁氧体的磁性与结构
铁氧体是含铁酸盐的陶瓷磁性材料 铁氧体与铁磁性物质的异同 铁氧体的分类，有尖晶石型、石榴石
型、磁铅石型、钙钛矿型、钛铁矿型 和钨青铜型等6种
❖铁磁性
➢铁磁体的铁磁性只在某一温度以下才表现出 来，超过这一温度，铁磁性消失。这一温度 称为居里点其磁化率与温度的关系服从居 里——外斯定律 C T TC
2020/10/30
磁性的分类
❖反铁磁性
➢反铁磁性物质大 都是非金属化合物， 如MnO。
➢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， 因此其宏观特性是 顺磁性的
合
2020/10/30
铁氧体的磁性与结构
2020/10/30
亚铁磁性
❖由于铁氧体内总是含有两种或两种以上 的阳离子，这些离子各具有大小不等的 磁矩，反向占位的离子数目也不相同， 因此晶体内由于磁矩的反平行取向而导 致的抵消作用通常并不一定会使磁性完 全消失而变成反铁磁体，往往保留了剩 余磁矩，表现出一定的铁磁性，这称为 亚铁磁性或铁氧体磁性 。
称为磁化率或磁化系数
2020/10/定。一小块磁体在外磁场中受力
Fx
VM B X
V为样品的体积,若外磁场已知， 则M可由力的侧定计算出。
2020/10/30
物质磁性的本质
电子的磁矩
➢ 电子磁矩由电子的轨道磁矩和自旋磁矩组成 ➢ 物质的磁性不是由电子的轨道磁矩引起，而
2020/10/30
铁氧体的磁性与结构
❖尖晶石型铁氧体
所有的亚铁磁性尖晶石几乎都是反型的 阳离子出现于反型的程度，取决于热处理条件 锰铁氧体约为80％正型尖晶石，这种离子分布随热
处理变化不大
铁氧体磁性材料：反尖晶石结构
M 2 O 2 (F3 e )2(O 2 )3
M2+---Ni2+、Co2+、Cu2+,亦可是Mn、Mg混
积IΔS。
2020/10/30
物质的磁性
2020/10/30
物质的磁性
磁矩在磁场中所受到的作用力在均匀磁场中， 磁矩受到磁场作用的力矩
J m B
为了求得磁矩在磁场中所受的力，对一维情
况可以写出:
dB
Fx
m dx
磁矩是表征磁性体磁性大小的物理量。
磁感应强度B：外磁场作用下，材料内部的磁通