非金属材料学 第三章 性能.

离子半径小而扩散快的阳离子，其运动活化能或迁 移需克服的势垒较小，在低温时就易产生较大的电导 率。 如果材料的结构比较松散或存在大量的结构缺陷， 空隙成为离子迁移的通道，使得材料的电导率增大。
C a O C a
Z r O 2
' ' Z r
快离子导体 V O O O
Z r O ' ' 由于扩散与温度相关，因此离子电导率也随温度的 2 2 C a O C a C a 2 O Z r i O 升高而增大。
热传导
对于某温度下处于热振动状态的粒子，由外部再加上能量更大的热振动
时，会依次引起邻接离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。

热传导系数指单位温度梯度下，单位时间内通过横截面积的热量，反映了 物质传热的难易，其倒数叫做热阻。 无机非金属材料的热传导主要依赖于晶格振动，或依赖于声子传导热量。 气孔越多，材料的热传导性越差。原子排列的有序性越高，热传导性越强。
第三章 无机非金属材料的性能
3.1 力学性能
指受载荷时出现的形状改变及断裂性质
陶瓷 与 玻璃 金属材料 金属材料 高分子材料 高分子材料
大多数无机非金属材料: 塑性变形区域范围很小或几乎没 有为脆性。
sb
金属： 在外力作用下一般经历弹性变形、 塑性变形和断裂三个阶段。
e
不同材料的典型应力和应变关系图 Ⅰ—弹性应变区； Ⅰ—塑性应变区
拉应力。 抗压强度为试样被破坏前的最大承载 压应力。 抗弯强度与试样所能承载的最大断裂 载荷相对应，通常采用三点弯曲法测定。
样品抗弯实验示意图
实测强度远低于理论强度
缺陷和表面裂纹
3.2 热学性能
主要包括热容、热膨胀和热传导
热容
oC)]称 温度升高1 oC时物质能量的增加，每一克物质的热容[J/(g· 为比热，每一个分子的热容叫做分子比热。
M =0 (r 1) H 0 H
r 1 / 0
= r 1
是相对导磁率, 1 为材料的磁导率。
为磁化率。磁化率为正的为顺磁性，磁化率为负的为 抗磁性，磁化率超过一般物质许多倍的为铁磁性。
磁性 起源？
抗磁性（Al3+、O2+、Pb2+)
材料中原子或离子中所有磁矩相互抵消，总磁矩等于零。在外加磁场 的作用下会产生磁化，其方向与外加磁场方向相反。磁化率为负，磁效应 较弱， 约10-4，相对导磁率r略小于1。

G = E /[2（1－n）]
n—泊松比, 横向收缩率与纵向伸长率的比值

K = E /[3(1－2 n)]
K—体弹性模量（压缩模量）, 压力与体积变化率的比值
弹性常数测定方法：超声波法
硬度
硬度：抵抗机械变形能力的总和。
硬度取决于键的强度，无机非金属材料的硬度比较高。 一般无机非金属材料的硬度随温度的升高而降低。
弹性变形
理想的弹性变形是可逆变形。在弹性变形范围内，应力 和应变间服从虎克定律(单值线性函数关系)，四个弹性常数： E 、G、K、n与原子间的相互作用有关。
百度文库
正应力下:σ= Ee
E—弹性模量，也叫材料的刚度，表示材料弹性变形抵抗力 的大小

切应力下: t= Gg
t、g—分别为切应力、切应变，G—切变模量
恒容比热Cv
温度升高但不发生体积变化时能量的增加。 Cv的物理意义：反映晶体受热激发后激发出的格波与温度的关系。
恒压比热Cp
压力保持恒定时温度升高而引起的能量增加。 蓄热材料：比热大
加热材料：比热小
热膨胀
产生热膨胀的原因： 温度升高，热振动使原子间距增大 热膨胀系数：线膨胀系数和体积膨胀系数 热膨胀系数大小与原子间键强和物质结构密切相关。 原子结合键越强，热膨胀系数越小 热膨胀系数测定：石英比较法
顺磁性 （稀土离子）
H
材料中原子或离子的壳层内电子自旋磁矩没有相互抵消，形成永久磁
矩。在没有电场作用时，各个磁矩没有相互作用或作用很弱，指向是无序 分布的，没有形成宏观磁现象。但在磁场作用下，这些磁矩沿磁场方向排
铁电性
电场强度增大时，极化程度开始按比例 增大，接着突然升高。在电场强度很大时， 极化速度又减慢并趋于极限值。 去除电场后，剩余一部分极化状态，必须 加上相反的电场才能完全消除极化状态，出 现类似于铁磁体类似的滞后现象，人们称之 为铁电性。
3.5 磁学性能
B=0H+M
B为磁感应强度，0是真空时的导磁率，H为磁场强度，M是磁化强度。


3.3 导电性能
电阻率或电导率表示材料的导电难易。根据导 电性的不同，可以将固体分为导体、半导体和绝缘体。 导体的电阻率小于10-4 · cm，绝缘体的电阻率大 于109 · cm。 导电能力的大小由载流子浓度和载流子的迁移速 率决定。载流子可以是电子，空穴或离子。
离子导电
当固体中存在离子扩散运动时，就有可能产生离子 导电。
因为温度升高，原子间振动增加，从削弱了原子间的结合力。
维氏硬度（显微硬度）用压入试验测定。
强度
强度：在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力。

材料受力的方式：拉、压、弯、扭四种。 对应于抗拉强度、抗压强度、抗弯强度（抗折强度）和抗扭强度， 实际只测定抗拉、抗压、抗弯三项指标。
抗拉强度为试样被拉断前的最大承载
电子导电

价带：原子中处于最外层的价电子所占据的能级最容易分裂 而形成能带 导带：最靠近价带且其能量比较高的那个能带。 禁带：导带和价带间的电子能级不存在的区域。
Fe2+=Fe3++e
-
Fe2O3-x
掺杂
N取代SiC中的C Al取代SiC中的Si
形成非化学计量化合物
3.4 介电性能
面积A
V Vacuum E = V/l 电容器两板间的电 介质能提高电容量
l
C Q0 +Q1 e= = C0 Q0
V e为相对介电常数 材料越易被极化，电容量 也大，相应电容器的尺寸可 大大减小，有利于集成电路 和大规模集成电路的发展。
P
Dielectric 电介质
介电损耗
电介质在电场作用下，引起介质发热，单位时间内 消耗的能量称为介电损耗。 tan（为相位偏移角）的大小直接影响电介质损失 的大小，是判断电介质是否可做绝缘材料的初步标准。 Q=1/tan为晶质因素。Q越大，tan越小，说明电 容器的品质越好。 高性能电容器用电介质的材料要求： 高的介电常数、低的介电损耗