第三章 无机非金属材料的性能.ppt
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《无机非金属》课件
气相法可以制备出具有超常物理性能的无机非金属材料,但制备过程能耗极高,且 不易控制材料的尺寸和形状。
生物法
生物法是一种利用生物资源来制备无 机非金属材料的方法。
生物法可以制备出具有环保、可持续 性的无机非金属材料,但制备过程较 为复杂,且材料的性能和纯度不易控 制。
生物法通常需要使用微生物或植物提 取物等生物资源作为原料。
详细描述
热容表示材料在温度升高或降低时吸收或释放热量的能力,热导率表示热量在材料中的传导能力。热 膨胀系数表示材料在温度变化时尺寸变化的程度,抗热震性则表示材料在承受温度急剧变化时的稳定 性。
电学性能
总结词
无机非金属材料的电学性能主要包括电导率、介电常数和绝缘性等。
详细描述
电导率表示材料传导电流的能力,介电常数与材料的介电性能有关,绝缘性则表示材料 阻止电流通过的能力。
05
无机非金属材料的挑战 与未来发展
当前无机非金属材料面临的挑战
资源短缺
随着社会的发展,对无机非金属材料的需求量越来越大,而一些关键 资源的短缺问题逐渐凸显出来,如稀土元素、高岭土等。
环境负荷
无机非金属材料的生产过程中往往伴随着较高的能耗和排放,对环境 造成一定的压力,如水泥、玻璃等行业。
技术瓶颈
04
无机非金属材料的应用 实例
建筑领域的应用
总结词
广泛、重要
详细描述
无机非金属材料在建筑领域的应用非常广泛 ,如混凝土、石材、玻璃等,它们是建筑物 的主要构成材料,具有耐久、防火、隔音等 特点,为建筑物的安全和舒适提供了保障。
电子信息领域的应用
要点一
总结词
高科技、前沿
要点二
详细描述
在电子信息领域,无机非金属材料扮演着重要的角色,如 硅半导体材料、陶瓷电子元件等,它们是现代电子工业的 基础,为电子产品的微型化、高性能化提供了技术支持。
生物法
生物法是一种利用生物资源来制备无 机非金属材料的方法。
生物法可以制备出具有环保、可持续 性的无机非金属材料,但制备过程较 为复杂,且材料的性能和纯度不易控 制。
生物法通常需要使用微生物或植物提 取物等生物资源作为原料。
详细描述
热容表示材料在温度升高或降低时吸收或释放热量的能力,热导率表示热量在材料中的传导能力。热 膨胀系数表示材料在温度变化时尺寸变化的程度,抗热震性则表示材料在承受温度急剧变化时的稳定 性。
电学性能
总结词
无机非金属材料的电学性能主要包括电导率、介电常数和绝缘性等。
详细描述
电导率表示材料传导电流的能力,介电常数与材料的介电性能有关,绝缘性则表示材料 阻止电流通过的能力。
05
无机非金属材料的挑战 与未来发展
当前无机非金属材料面临的挑战
资源短缺
随着社会的发展,对无机非金属材料的需求量越来越大,而一些关键 资源的短缺问题逐渐凸显出来,如稀土元素、高岭土等。
环境负荷
无机非金属材料的生产过程中往往伴随着较高的能耗和排放,对环境 造成一定的压力,如水泥、玻璃等行业。
技术瓶颈
04
无机非金属材料的应用 实例
建筑领域的应用
总结词
广泛、重要
详细描述
无机非金属材料在建筑领域的应用非常广泛 ,如混凝土、石材、玻璃等,它们是建筑物 的主要构成材料,具有耐久、防火、隔音等 特点,为建筑物的安全和舒适提供了保障。
电子信息领域的应用
要点一
总结词
高科技、前沿
要点二
详细描述
在电子信息领域,无机非金属材料扮演着重要的角色,如 硅半导体材料、陶瓷电子元件等,它们是现代电子工业的 基础,为电子产品的微型化、高性能化提供了技术支持。
无机非金属材料ppt课件
05
CATALOGUE
无机非金属材料的未来发展趋 势与挑战
发展趋势
01
高性能陶瓷材料
由于其优异的性能,陶瓷材料在许多领域都有广泛的应用,如航空航天
、汽车、医疗等。未来,陶瓷材料的研究将更加深入,应用领域更加广
泛。
02
纳米无机非金属材料
纳米无机非金属材料由于其尺寸效应和量子效应,具有许多优异的性能
THANKS
感谢观看
。随着纳米科技的不断发展,纳米无机非金属材料的研究和应用也将得
到更广泛的推广。
03
绿色无机非金属材料
随着环保意识的不断提高,绿色无机非金属材料将成为未来研究的热点
。这类材料具有低能耗、低污染、高循环利用的特点,符合可持续发展
的要求。
挑战与问题
材料性能的提升
尽管陶瓷等无机非金属材料的性能已经有所提升,但是与金属材料相比,仍然存在一定的 差距。因此,提高无机非金属材料的性能是当前面临的一个重要挑战。
02
CATALOGUE
无机非金属材料的性质与用途
性质
01
02
03
04
一般性质
无机非金属材料具有较高的熔 点、硬度,良好的化学稳定性
,但脆性较大。
力学性质
无机非金属材料具有较高的抗 压强度、抗拉强度,耐磨性较
好,但韧性较差。
电学性质
无机非金属材料具有较好的绝 缘性能和导热性能。
光学性质
无机非金属材料具有较好的光 学性能,如透光性、反射性等
根据性质和用途,无机非金属材料可 分为陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料等 几大类。
无机非金属材料的重要性
无机非金属材料在国民经济发展中扮演着重要角色,特别是 在高技术领域,如航空航天、电子、新能源等领域具有不可 替代的作用。
无机非金属材料PPT课件
2021/4/8
43
2021/4/8
氧化铝陶瓷
结 构 陶 瓷
二氧化锆
44
几种典型的新型无机非金属材料
高温结构陶瓷 特点:耐高温、耐腐蚀、硬度大、 耐磨损、不怕氧化、密度小等
(1)氧化铝陶瓷
性能 熔点高
2021/4/8
硬度大 透明、耐高温
用途 坩埚、高温炉管
刚玉球磨机
高压钠灯灯管 45
高纯氧化铝透明陶瓷管
▪ 瓷器:需要纯净的粘土做原料,
温度也更高,瓷器比陶器磁体
白净质地致密。
2021/4/8
29
主要种类:
土器:砖瓦
红瓦 (自然冷却,Fe2O3含量较多) 青瓦 (淋水冷却,Fe3O4、FeO较多)
陶器: 彩陶 江苏宜兴的紫砂壶、秦汉兵马俑
瓷器: 碗盘茶具
收藏珍品
景德镇陶瓷
炻器: 水缸、砂锅
2021/4/8
模具和夹具。
2021/4/8
48
(3)碳化硅陶瓷
碳化硅(SiC--金刚砂)和氮化硅一样,是
稳定的原子晶体。具有高的热传导能力、硬度
大、熔点高、比重小,有较高的强度和较好的
热稳定性,与各种酸都不起作用,其抗氧化性
能在高达1550OC时仍很优良。
用途:制造磨料、模
具、特种耐火材料制品;
用于制造电阻发热元件。
27
3、陶瓷
主原料要 生产过程 反应条件 种类
黏土
①混合 ②成型 ③干燥 ④烧结 ⑤冷却
高温
2021/4/8
土器 陶器 炻器 瓷器
性能
抗氧化、 抗酸碱腐 蚀、耐高 温、绝缘 、易成型
28
▪ 陶瓷是由黏土在高温下烧制而成,根据
无机非金属材料ppt课件
类型:陶瓷、玻璃、水泥 (1)陶瓷 ·主要原料:黏土 ·主要成分:含水的铝硅酸盐,成分复杂
(2)玻璃 ·主要原料:纯碱(Na2CO3)、石灰石(CaCO3)、石英砂(SiO2) ·主要成分:Na2SiO3、CaSiO3和SiO2
高温
Na2CO3+SiO2===Na2SiO3+CO2↑
高温
CaCO3 +SiO2===CaSiO3 + CO2↑
二、新型无机非金属材料
1、硅和二氧化硅
根据元素周期表中硅的位置,思考: 为什么硅能成为应用最为广泛的半导体材料?
第三周期、第IV A族
①硅的存在与性质:
硅在自然界以硅酸盐和氧化物的形式存在
硅酸盐矿石
玛瑙( SiO2 )
水晶( SiO2 )
高温下,硅能与氧气反应生成SiO2,与氯气反应生成 SiCl4 。
(3)碳纳米材料
碳纳米材料是近年来人们十分关注的一类新型无机非金属 材料,主要包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯等,在能源、信息、 医药等领域有着广阔的应用前景。
注:碳纳米材料、金刚石、石墨都是碳的同素异形体, 它们因结构不同(碳原子排列方式不同)而具有不同性质。
——富勒烯
富勒烯是由碳原子构成的 一系列笼形分子的总称,其中 的C60是富勒烯的代表物。C60的 发现为纳米科学提供了重要的 研究对象,开启了碳纳米材料 研究和应用的新时代。
③
。
②二氧化硅的性质:
(1)物理性质: 二氧化硅硬度大、熔点高,不溶于水
(2)化学性质:
酸性氧化物:SiO2+2NaOH=== Na2SiO3+H2O ;
具有氧化性:SiO2+2C
Si+2CO↑;
特 性 :SiO2+4HF=== SiF4↑+2H2O。
无机非金属材料(yong)-PPT资料57页
硅 太 阳 能 电 池
计
算
机
、 微
用途:太阳能电池、计
电 子
算机芯片以及半导体材
产
料信息技术等材料和人
品 的
造卫星、登月车、火星
核 心
探测器等动力设备新能 源。
小结
SiF4
Si
SiO2
Na2SiO3
H2SiO3
作业: 上网查阅有关硅及其化合物的用途,了解新型的 无机非金属材料有关知识。
〖 测试·反馈 〗:
A 、B 、C 、D 、E 。 (2)写出有关反应的化学方程式。
9、CO2通入下列各溶液中,不可能产生沉淀的是( )
A 石灰水
B 饱和碳酸钠溶液
C 硅酸钠溶液
D 氯化钙溶液
10.下列物质中属于纯净物的是( A )
A.Na2CO3·10H2O C.纯净的盐酸
B.水泥 D.普通玻璃
11.下列叙述正确的是( BD ) A.酸均不能与酸性氧化物反应 B.玻璃、陶瓷、水泥容器都不能贮存氢氟酸 C.石灰抹墙、水泥砌墙过程的硬化原理相同 D.石灰窑、玻璃熔炉出来的气体主要成分相同
品,制备的原料和主要成分分别是什么?
12 、新型的无机非金属材料有哪些? 13、硅单质有晶体硅和无定形硅,晶体硅有
哪些性Байду номын сангаас?有何用途?
14、工业上如何制备单质硅?
8、什么是硅酸盐?有何性质?
硅酸盐是由硅、氧和金属组成的化合物的总称。 是一类结构复杂的固态物质,大多数不溶于水, 化学性质很稳定。
9、最简单的硅酸盐是什么?是否溶于水?其俗名 是什么?有何用途?
玻璃
(1)含有Na2SIO3,CaSiO3和 SiO2 , 主要成分是SiO2,玻璃态物质,没有 固定熔点 (2)反应原料:石灰石,纯碱,石英
无机非金属材料课件
2
电子行业
电路板、绝缘材料等
3
化工行业
催化剂、粉末材料等
无熔点,使其熔化成型。
2
溶胶-凝胶法
通过控制溶胶和凝胶的形成过程制备材料。
3
气相沉积法
利用化学反应气体形成材料。
无机非金属材料的市场前景
1 广泛应用
市场需求量大,应用领域广泛。
2 创新发展
新材料的出现不断推动市场发展。
玻璃材料
如玻璃器皿、建筑玻璃等,具有透明、光滑的 特性。
聚合物材料
如塑料、橡胶等,具有良好的可塑性和耐磨性。
陶瓷材料
如水泥、石膏等,具有良好的外观和耐久性。
无机非金属材料的性质和特点
• 高熔点和硬度 • 良好的绝缘性能 • 抗腐蚀性能强 • 多种颜色和外观
无机非金属材料的应用领域
1
建筑领域
玻璃窗、砖瓦等
无机非金属材料ppt课件
无机非金属材料是一类在自然界中存在的无机物质,没有金属的特性。 这些材料在我们的日常生活中扮演着重要的角色。
什么是无机非金属材料
无机非金属材料是指不含金属元素的材料,主要由非金属原子组成。 这种材料通常具有高熔点、高耐腐蚀性和良好的绝缘性能。
常见的无机非金属材料
陶瓷材料
如瓷器、砖瓦等,具有高硬度和耐磨性。
3 环保意识
对环境友好的无机非金属材料受到青睐。
总结和展望
无机非金属材料在现代社会中扮演着重要的角色,持续创新和环保意识将促 进其未来发展。
无机非金属材料ppt课件
熔融法制备无机非金属材料的缺点是制备出的无机非金属材料结构不够致密,性能不够优异。
热解法制备的无机非金属材料有炭黑、石墨、碳纤维等。
热解法制备无机非金属材料的缺点是制备出的无机非金属材料结构不够致密,性能不够优异。
烧结法是一种将粉末状的物质加热到高温状态,使其发生物理和化学变化,最终形成致密化块状无机非金属材料的方法。
热膨胀系数
无机非金属材料的热膨胀系数差异较大,有些材料在加热时膨胀较小,适用于高温或温度变化较大的环境。
电导率与绝缘性:大多数无机非金属材料具有较高的绝缘性能,是良好的电绝缘材料。例如,陶瓷、玻璃和某些特种水泥可用于高压电器和电子设备的绝缘结构。
折射率与光学常数
无机非金属材料的折射率较高,决定了它们在光学仪器、光纤通讯和照明系统等领域的应用价值。不同材料的光学常数(如折射率、消光系数和色散等)决定了它们在特定波长范围内的光学行为。
烧结法制备无机非金属材料的优点是制备出的无机非金属材料结构致密,性能优异。
烧结法制备无机非金属材料的缺点是制备过程需要高温条件,能耗较高,同时制备出的无机非金属材料尺寸较小。
烧结法制备的无机非金属材料有陶瓷、玻璃、耐火材料等。
无机非金属材料的性能特点
硬度
韧性
强度与断裂韧性
疲劳性能
无机非金属材料的硬度通常较高,具有较好的耐磨性和耐压性能。例如,陶瓷材料具有极高的硬度,广泛用于切割工具、磨料和轴承等领域。
A
B
D
C
化学气相沉积法
利用化学反应产生气体,在气体的扩散和迁移过程中,通过化学反应生成无机非金属材料。
溶胶-凝胶法
将无机盐或金属醇盐溶解在合适的溶剂中,经过水解、缩聚等化学反应,形成稳定的溶胶,再经干燥、烧结固化制备无机非金属材料。
热解法制备的无机非金属材料有炭黑、石墨、碳纤维等。
热解法制备无机非金属材料的缺点是制备出的无机非金属材料结构不够致密,性能不够优异。
烧结法是一种将粉末状的物质加热到高温状态,使其发生物理和化学变化,最终形成致密化块状无机非金属材料的方法。
热膨胀系数
无机非金属材料的热膨胀系数差异较大,有些材料在加热时膨胀较小,适用于高温或温度变化较大的环境。
电导率与绝缘性:大多数无机非金属材料具有较高的绝缘性能,是良好的电绝缘材料。例如,陶瓷、玻璃和某些特种水泥可用于高压电器和电子设备的绝缘结构。
折射率与光学常数
无机非金属材料的折射率较高,决定了它们在光学仪器、光纤通讯和照明系统等领域的应用价值。不同材料的光学常数(如折射率、消光系数和色散等)决定了它们在特定波长范围内的光学行为。
烧结法制备无机非金属材料的优点是制备出的无机非金属材料结构致密,性能优异。
烧结法制备无机非金属材料的缺点是制备过程需要高温条件,能耗较高,同时制备出的无机非金属材料尺寸较小。
烧结法制备的无机非金属材料有陶瓷、玻璃、耐火材料等。
无机非金属材料的性能特点
硬度
韧性
强度与断裂韧性
疲劳性能
无机非金属材料的硬度通常较高,具有较好的耐磨性和耐压性能。例如,陶瓷材料具有极高的硬度,广泛用于切割工具、磨料和轴承等领域。
A
B
D
C
化学气相沉积法
利用化学反应产生气体,在气体的扩散和迁移过程中,通过化学反应生成无机非金属材料。
溶胶-凝胶法
将无机盐或金属醇盐溶解在合适的溶剂中,经过水解、缩聚等化学反应,形成稳定的溶胶,再经干燥、烧结固化制备无机非金属材料。
无机非金属材料课件
THANKS
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电子电器行业
航空航天领域
无机非金属材料具有良好的电绝缘性和稳 定性,可用于制造电子元件和电器设备等 。
无机非金属材料具有耐高温和抗腐蚀等特 性,在航空航天领域中有广泛的应用,如 火箭发动机壳体、飞机结构件等。
02
无机非金属材料的生产工艺
原料选择与处理
原料种类
根据产品需求选择合适的矿物原料,如黏土、石 英、长石等。
材料在高温下保持其结构 和性质的能力,反映材料 的耐热性。
04
无机非金属材料的发展趋势与挑 战
新材料的研究与开发
高性能陶瓷材料
研究具有高强度、高韧性、耐磨 、耐高温等优异性能的新型陶瓷 材料,如氮化硅陶瓷、碳化硅陶
瓷等。
新型玻璃材料
探索具有特殊光学、电学、磁学等 性能的新型玻璃材料,如光子晶体 玻璃、导电玻璃等。
成型与烧成
成型工艺
选择合适的成型工艺,如干压成型、等静压成型等, 根据产品形状和尺寸确定。
成型参数
控制成型参数,如压力、温度、时间等,以保证成型 质量。
烧成工艺
制定合理的烧成制度,控制烧成温度、时间、气氛等 参数,以获得理想的烧成效果。
加工与处理
加工设备
根据产品需求选择合适的加工设备,如切割机、磨削机、抛光机 等。
新型复合材料
研究由两种或多种材料组成的新型 复合材料,如碳纤维复合材料、玻 璃纤维复合材料等。
生产工艺的改进与创新
1 2
先进陶瓷制备技术
发展先进的陶瓷制备技术,如凝胶注模成型、等 静压成型等,以提高陶瓷材料的致密度和均匀性 。
玻璃熔炼与成型技术
研究新型的玻璃熔炼与成型技术,如溢流下拉法 、连熔连铸法等,以提高玻璃的质量和产量。
化学人教版(2019)必修第二册5.3无机非金属材料(共26张ppt)
硅酸盐的这种结构,使得硅酸盐材料大多具有硬度 高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点
一、硅酸盐材料
1、陶瓷 原料:黏土
(含水的铝硅酸盐)
高温烧结
陶瓷制品
2、玻璃
高温反应
原料:
玻璃主要成分:
碳酸钠(Na2CO3)
硅酸钠(Na2SiO3)
碳酸钙(CaCO3)
硅酸钙(CaSiO3)
二氧化硅(SiO2)
二氧化硅(SiO2)
医疗等领域。
4、碳纳米材料(均为碳单质)
富勒烯
石墨烯
碳纳米管
——富勒烯 富勒烯是由碳原子构
成的一系列笼形分子的总 称,其中的C60是富勒烯的 代表物。C60的发现为纳米 科学提供了重要的研究对 象,开启了碳纳米材料研 究和应用的新时代。用富 勒烯制造的纳米小车有望 于用于靶向药物的运输。
——碳纳米管
集成电路
晶体管
电脑中央处理器(CPU) 硅太阳能电池
价值5000元的芯片 点沙 成金 价值5元的沙子
第 12 页
Si
从沙滩到用户
SiO2
【资料 卡片】
利用焦炭 将二氧化 硅还原得 到粗硅, 再进一步 提纯得到 高纯硅。
硅的化学性质
不活泼
△
△ ①Si+2F2 === SiF4
②Si+2Cl2===SiCl4
5.3无机非金属材料
生活情境
传统的无机非金属材料多为硅酸盐材料,在日常生活中随处 可见,比如制作餐具的陶瓷,窗户上的玻璃,建筑上的水泥。
硅酸盐材料的共性
在硅酸盐中,Si和O构成了硅氧四面体。每个 Si结合4个O, Si在中心,O在四面体的4个顶 角;许多这样的四面体还可以通过顶角的O 相互连接,每个O为两个四面体所共有,与2 个Si相结合。
一、硅酸盐材料
1、陶瓷 原料:黏土
(含水的铝硅酸盐)
高温烧结
陶瓷制品
2、玻璃
高温反应
原料:
玻璃主要成分:
碳酸钠(Na2CO3)
硅酸钠(Na2SiO3)
碳酸钙(CaCO3)
硅酸钙(CaSiO3)
二氧化硅(SiO2)
二氧化硅(SiO2)
医疗等领域。
4、碳纳米材料(均为碳单质)
富勒烯
石墨烯
碳纳米管
——富勒烯 富勒烯是由碳原子构
成的一系列笼形分子的总 称,其中的C60是富勒烯的 代表物。C60的发现为纳米 科学提供了重要的研究对 象,开启了碳纳米材料研 究和应用的新时代。用富 勒烯制造的纳米小车有望 于用于靶向药物的运输。
——碳纳米管
集成电路
晶体管
电脑中央处理器(CPU) 硅太阳能电池
价值5000元的芯片 点沙 成金 价值5元的沙子
第 12 页
Si
从沙滩到用户
SiO2
【资料 卡片】
利用焦炭 将二氧化 硅还原得 到粗硅, 再进一步 提纯得到 高纯硅。
硅的化学性质
不活泼
△
△ ①Si+2F2 === SiF4
②Si+2Cl2===SiCl4
5.3无机非金属材料
生活情境
传统的无机非金属材料多为硅酸盐材料,在日常生活中随处 可见,比如制作餐具的陶瓷,窗户上的玻璃,建筑上的水泥。
硅酸盐材料的共性
在硅酸盐中,Si和O构成了硅氧四面体。每个 Si结合4个O, Si在中心,O在四面体的4个顶 角;许多这样的四面体还可以通过顶角的O 相互连接,每个O为两个四面体所共有,与2 个Si相结合。
无机非金属材料的性能分析PPT课件
熔点高
氧化铝陶瓷 球磨罐
星式氧化铝陶瓷球磨机 第31页/共82页
材料的力学性能
第32页/共82页
弹性变形
• 胡克定律:材料应力-应变关系,在弹性限度内,成正比关系,其比例系数 E就是弹性模量。
xx E xx
xx
E
yy
第33页/共82页
弹性变形
• 小变形近似,简谐近似; • 原子间共振频率与原子折合质量以及弹性常数间的关系为
第59页/共82页
其他物理与化学性能
能量是“量子化”的,n为量子数; 能带是整个晶体的性质,不是个别原子的性质。
第60页/共82页
能带
• 固体中原子的能级展成能带以后,原子中原有的电子也就填充在能带中;(对应 于原子中电子由低能级向高能级排布,固体中电子也是由低能带向高能带填充的)
• 对于半导体与绝缘体,是刚好填满低能量的几个能带,而被填满的最高能带上方 是禁带,禁带上方则是一个电子也没有的空能带。而导体则是有半空半满的非满 能带。
固体材料中热量是由自由电子、质点振动、热辐射所传递的
热传导机制相应的分为三种
(一) 电子热导 (二) 声子热导 (三) 光子热导
第22页/共82页
热传导
• 无机非金属材料,自由电子很少。主要通过质点振动形成格波,格波在材料中 传播,来导热。
第23页/共82页
热传导
声子:质点热振动能量是量子化的,
第17页/共82页
热膨胀
如何省力地开启玻璃罐头?
第18页/共82页
热传导
砂锅
第19页/共82页
热传导
△t时间内通过△S截面上的热量为△Q
傅里叶定律: q Q dT
S t
dx
相关主题
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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) 裂纹的扩散
• 前提: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。
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。
310 烧结稳定化ZrO2 150 P=5 %
83
石英玻璃
72
290 莫来石瓷
69
9
滑石瓷
69
210 镁质耐火砖
170
407
2. 影响弹性模量的因素
• (1)晶体结构
• (2)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
• (3)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。
• ——出现完全分离断裂。
三、塑性
• 1.定义
塑性变形 ——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 的性质,残余变形即称为塑性变形。 延展性——材料经塑性变形后而不被破坏的能力。
• 2.影响因素
(1)温度 (2)载荷和位错速度
图3 MgO和KBr弯曲试验的应力-应变曲线
在适当条件下,无机材料中也可能会存在塑性变形。
四、韧性
• 1. 定义
• ——指材料抵抗裂纹产生和扩展的能力。 • ——是材料断裂过程中单位体积材料吸收能量
的量度。 • ——可由拉伸应力-应变曲线下的面积大小衡
量。
• 2. 衡量指标
• 冲击韧性 • 断裂韧性
Titanic沉没原因
Titanic ——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。
KIc Yc l Y——形状因子
4. 强度的影响因子
• (1)内在因素:材料的物性。如:弹性模量、 热膨胀系数、导热性、断裂能;
• (2)显微结构:相组成、晶粒、气孔、晶界 (晶相、玻璃相、微晶相)、微裂纹(长度、 尖端的曲率大小);
• (3)外界因素:使用温度、应力、气氛环境、 试样的形状大小、表面;(例如:无机材料 的形变随温度升高而变化的情况:弹性—— 弹塑性——塑性——粘性流动)
• (4)材料的密实性,显微结构的组成及前期 工艺
二、脆性
• 1. 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
• 材料的脆性变形要求出现裂纹并发生扩展。 • (1)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。
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。
对连续基体内的密闭气孔,可用下面经验公式: E=Eo(1-1.9P+0.9P2)适用于P50
材料
氧化铝晶体 烧结氧化铝(P=5 % )
高铝瓷(P=90-95 % ) 烧结氧化铍( P=5 % )
热压BN( P=5 % ) 热压B4C( P=5 % ) 石墨( P=20 % ) 烧结MgO( P=5 % ) 烧结MoSi2( P=5 % )
E (Gpa) 380
材料 烧结TiC(P=5 % )
E (Gpa) 310
366 烧结MgAl2O4(P=5 238 %)
366 密实SiC(P=5 % ) 470
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:
• ——材料的应力-应变行为在断裂前完全是弹 性的;
• ——断裂开始且扩展方向垂直于最大的主拉 力方向;
第三章 无机非金属材料的性能
各种材料的特性
金属 材料
无机 材料
Байду номын сангаас
聚合 物
强度高,延展性好 良导体 不透明
表面光滑有光泽
硬而脆 不良导体
耐高温 耐严酷环境
电绝缘,热绝缘 磁惰性,化学惰性
重量轻 透明 韧性好
第一节 力学性能
• 材料的力学性能——材料在各种不同工作情 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 学特征。
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
• ——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。
• 2. Orowan理论
E
a
γ——表面能 a——离子距离
只有在一些极细的纤维晶体和晶须中,σ≈σth 在较大尺寸材料中,σ<σth
• 3. Griffith微裂纹理论
(1)理论要点
Griffith认为实际材料中总是存在许多细小的裂纹或 缺陷,在外力作用下,这些裂纹和缺陷附近产生应 力集中现象。当应力达到一定程度时,裂纹开始扩 展而导致断裂。所以断裂并不是两部分晶体同时沿 整个界面拉断,而是裂纹扩展的结果。
(2)断裂应力(临界应力)
c
(3)断裂判据
2Er
l
r——裂纹尖端的曲率半径 l——契口长度
✓ 一、弹性 ✓ 二、脆性 ✓ 三、塑性 ✓ 四、韧性 ✓ 五、力学强度 ✓ 六、无机材料的高温行为
弹性变形
塑性变形
断裂
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。
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。
外力继续增大 至大于材料的 断裂强度时将 会发生断裂。
大多数无机非金属材料塑性变形范围很小或几乎没有,通常表现为脆性。
一、弹性
1. 弹性模量
• 在一定应力-应变极限内,无机非金属材料服 从于胡克定律,即
σ=Eε
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 分和低弹性模量成分之间。若两相系统的泊 松比相同,在力的作用下的应变相同,则:
• (4)工艺因素:原料的纯度粒度形状、成型 方法、升温制度、降温速率、保温时间,气 氛及压力等;
5. 提高无机非金属材料强度的途径
改变结构单元组成、去除表面微裂纹、消除热表面应力、 掺入增强相等
六、高温力学行为
• 1. 蠕变
• (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) 裂纹的扩散
• 前提: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。
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。
310 烧结稳定化ZrO2 150 P=5 %
83
石英玻璃
72
290 莫来石瓷
69
9
滑石瓷
69
210 镁质耐火砖
170
407
2. 影响弹性模量的因素
• (1)晶体结构
• (2)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
• (3)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。
• ——出现完全分离断裂。
三、塑性
• 1.定义
塑性变形 ——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 的性质,残余变形即称为塑性变形。 延展性——材料经塑性变形后而不被破坏的能力。
• 2.影响因素
(1)温度 (2)载荷和位错速度
图3 MgO和KBr弯曲试验的应力-应变曲线
在适当条件下,无机材料中也可能会存在塑性变形。
四、韧性
• 1. 定义
• ——指材料抵抗裂纹产生和扩展的能力。 • ——是材料断裂过程中单位体积材料吸收能量
的量度。 • ——可由拉伸应力-应变曲线下的面积大小衡
量。
• 2. 衡量指标
• 冲击韧性 • 断裂韧性
Titanic沉没原因
Titanic ——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。
KIc Yc l Y——形状因子
4. 强度的影响因子
• (1)内在因素:材料的物性。如:弹性模量、 热膨胀系数、导热性、断裂能;
• (2)显微结构:相组成、晶粒、气孔、晶界 (晶相、玻璃相、微晶相)、微裂纹(长度、 尖端的曲率大小);
• (3)外界因素:使用温度、应力、气氛环境、 试样的形状大小、表面;(例如:无机材料 的形变随温度升高而变化的情况:弹性—— 弹塑性——塑性——粘性流动)
• (4)材料的密实性,显微结构的组成及前期 工艺
二、脆性
• 1. 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
• 材料的脆性变形要求出现裂纹并发生扩展。 • (1)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。
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。
对连续基体内的密闭气孔,可用下面经验公式: E=Eo(1-1.9P+0.9P2)适用于P50
材料
氧化铝晶体 烧结氧化铝(P=5 % )
高铝瓷(P=90-95 % ) 烧结氧化铍( P=5 % )
热压BN( P=5 % ) 热压B4C( P=5 % ) 石墨( P=20 % ) 烧结MgO( P=5 % ) 烧结MoSi2( P=5 % )
E (Gpa) 380
材料 烧结TiC(P=5 % )
E (Gpa) 310
366 烧结MgAl2O4(P=5 238 %)
366 密实SiC(P=5 % ) 470
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:
• ——材料的应力-应变行为在断裂前完全是弹 性的;
• ——断裂开始且扩展方向垂直于最大的主拉 力方向;
第三章 无机非金属材料的性能
各种材料的特性
金属 材料
无机 材料
Байду номын сангаас
聚合 物
强度高,延展性好 良导体 不透明
表面光滑有光泽
硬而脆 不良导体
耐高温 耐严酷环境
电绝缘,热绝缘 磁惰性,化学惰性
重量轻 透明 韧性好
第一节 力学性能
• 材料的力学性能——材料在各种不同工作情 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 学特征。
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
• ——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。
• 2. Orowan理论
E
a
γ——表面能 a——离子距离
只有在一些极细的纤维晶体和晶须中,σ≈σth 在较大尺寸材料中,σ<σth
• 3. Griffith微裂纹理论
(1)理论要点
Griffith认为实际材料中总是存在许多细小的裂纹或 缺陷,在外力作用下,这些裂纹和缺陷附近产生应 力集中现象。当应力达到一定程度时,裂纹开始扩 展而导致断裂。所以断裂并不是两部分晶体同时沿 整个界面拉断,而是裂纹扩展的结果。
(2)断裂应力(临界应力)
c
(3)断裂判据
2Er
l
r——裂纹尖端的曲率半径 l——契口长度
✓ 一、弹性 ✓ 二、脆性 ✓ 三、塑性 ✓ 四、韧性 ✓ 五、力学强度 ✓ 六、无机材料的高温行为
弹性变形
塑性变形
断裂
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。
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。
外力继续增大 至大于材料的 断裂强度时将 会发生断裂。
大多数无机非金属材料塑性变形范围很小或几乎没有,通常表现为脆性。
一、弹性
1. 弹性模量
• 在一定应力-应变极限内,无机非金属材料服 从于胡克定律,即
σ=Eε
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 分和低弹性模量成分之间。若两相系统的泊 松比相同,在力的作用下的应变相同,则:
• (4)工艺因素:原料的纯度粒度形状、成型 方法、升温制度、降温速率、保温时间,气 氛及压力等;
5. 提高无机非金属材料强度的途径
改变结构单元组成、去除表面微裂纹、消除热表面应力、 掺入增强相等
六、高温力学行为
• 1. 蠕变