材料化学第3章材料的性能
材料化学chapter3-磁性材料
容易磁化和去磁的材料，或者说矫 顽力较小（低于102A/m），专业上 讲导磁率高。
（1） 硅钢片：含硅不高于4%的钢，被 用作铁芯，导磁系数大，反复磁化损失 小。 （2） 软磁铁氧体：是一种复合氧化物， 铁氧体本身也存在软硬之分，软磁铁氧 体具有立方晶系的结构，主要用于射频 变压器、磁头和其他电子学方面
原子磁距排列整齐， 归结为:①自发磁 化(磁畴)②有磁性 有序的温度限制 (居里温度)。
磁畴
畴壁
磁畴
典型的磁畴结构示意图
3.3.2 亚铁磁性
尖晶石立方堆积的铁氧体： 正尖晶石型和反尖晶石型。
原子磁距反方向排 列，但磁距不能相 互抵消，余下的磁 距表现为亚铁磁性。
3.3.2 反亚铁磁性
磁化率存在一个物理上的判 断温度，称为尼尔温度TN。
电子束蒸发沉积
制备方法：
基质
金 属 离 子
金属靶材料
（4）直流/射频溅射 在真空下，利用惰
性气体产生一个等离 气态离子 子体，让等离子体轰 (等离子体) 击靶材料，把金属原
子击出，然后沉积在 基质上。等离子体是 由直流或射频电流产 生。
制备方法：
（5）外延法 气相高真空分子束外延：在很高的真空
条件下，分子束中原子或分子落在清洁的 基地上，层层成膜，且可用原位装置直接 对膜进行检查。分子束外延技术可制备几 层到几十层分子厚的超薄膜。
含有稀土元素的用此材料：BH最高，Br高，矫 顽力高。如NdFeB系列磁体。
3.3 物质的磁性和电子行为
磁和电的关系： 物质的磁性来源于电子在原子 中的轨道运动，自旋运动和电 子与电子之间的相互作用。
物质按磁性分类
☺抗磁性物质 ☺顺磁性物质 ☺铁磁性物质 ☺亚铁磁性物质 ☺反磁性物质
大一材料化学知识点
大一材料化学知识点一、材料分类和材料性质1. 金属材料金属材料是由金属元素组成的材料，具有良好的导电性、导热性和可塑性。
常见的金属材料包括铁、铝、铜等。
金属材料在工业生产和建筑领域得到广泛应用。
2. 非金属材料非金属材料主要由非金属元素或化合物组成，具有较差的导电性和导热性。
常见的非金属材料有陶瓷、聚合物和复合材料等。
非金属材料在电子、医疗和环保等领域有重要应用价值。
3. 高分子材料高分子材料是由长链分子组成的材料，具有良好的可塑性和耐磨性。
常见的高分子材料有塑料、橡胶和纤维素等。
高分子材料广泛应用于塑料制品、橡胶制品和纺织品等行业。
4. 纳米材料纳米材料是指具有纳米级尺寸的材料，具有特殊的物理和化学性质。
常见的纳米材料有纳米颗粒、纳米管和纳米线等。
纳米材料在电子、光电和医学等领域发展迅速，具有广阔的应用前景。
二、材料结构和组织1. 晶体结构晶体结构是指材料中原子或离子的排列方式。
晶体结构的种类包括立方晶系、正交晶系和六方晶系等。
不同的晶体结构决定了材料的物理和化学性质。
2. 晶体缺陷晶体缺陷是指晶体中存在的原子或离子排列不完整的区域。
常见的晶体缺陷包括点缺陷、线缺陷和面缺陷等。
晶体缺陷对材料的强度和导电性能有重要影响。
3. 材料组织材料组织是指材料中各种组成成分的分布和排列方式。
常见的材料组织有均匀组织、层状组织和颗粒组织等。
不同的材料组织决定了材料的宏观性能和微观行为。
三、材料性能1. 机械性能机械性能是指材料在外力作用下的表现。
常见的机械性能包括强度、硬度和韧性等。
不同的材料具有不同的机械性能，适用于不同的工程应用。
2. 热学性能热学性能是指材料在热力学过程中的表现。
常见的热学性能包括热导率、膨胀系数和热稳定性等。
热学性能对材料的加工和使用具有重要的影响。
3. 电学性能电学性能是指材料在电场中的表现。
常见的电学性能包括电导率、介电常数和电阻率等。
不同的材料具有不同的电学性能，适用于不同的电子器件制备。
第三章 纳米材料的特性
（一）纳米材料的结构与形貌ZnO nanotube （一）纳米材料的结构与形貌1D ZnO nanostructures 热学性能电学性能磁学性能光学性能开热学性能开始烧结温度下降开始烧结温度下降TiO2微粒的烧结与尺寸关系纳米颗粒的晶化温度降低电阻特性介电特性压电效应电阻特性纳米金属与合金的电阻Gleiter等对纳米金属Cu，Pd，Fe块体的电阻与温度关系，电阻温度系数与颗粒尺寸的关系进行与常规材料相比，Pd纳米相固体z 随颗粒尺寸减小，电阻温度系Pd纳米固相的电阻温度系数与尺寸的关系例如，纳米银细粒径20nm18nm11nm纳米金属与合金的电阻电阻特性电阻特性介电特性是材料的基本物性•介电常数：•最新的纳米材料微波损耗机制是如今吸波材料分析的一大热点常规材料的极化都与结构的有序相联系，而纳米材料在结构上与常规粗晶材料存在很大的差别．它的介电行为（介电常数、介电损耗）有自己的特点。
介电特性减小明显增大。
在低频范围内远高于体材料。
介电特性目前，对于不同粒径的纳米非晶氮化硅、纳米钛矿、金红石和纳米（个损耗峰．损耗峰的峰位随粒径增大移向高频。
7nm27nm 84nm 258nm介电特性压电效应压电效应纳米压电电子学(Nanopiezotronics)全新研究领域和学科,有机地把压电效应和半导体效应在纳米尺度结合起来高磁化率超顺磁性：当铁磁质的磁化达到饱和之后，如果将外磁场去掉，由于介质中的掺杂内应力阻碍磁畴恢复到原来的纳米微粒尺寸高于超顺磁临界尺寸时通常呈现高的矫顽力右图为用惰性气体蒸发冷凝方法制备的Fe纳米微粒居里温度降低居里温度降低居里温度降低随粒径下降而减小，根据铁磁学，原子间距减小会随着粒径减小而对9nm Ni微粒：高磁化率巨磁电阻效应z 巨磁电阻效应巨磁电阻效应纳米材料磁学特性小结纳米材料光学特性宽频带强吸收粒子的反射率为1％，Au 纳米粒子的反射率小于10％。
纳米氮化硅对红外有一个宽频强吸收谱纳米氮化硅红外光谱Si3N4热压片的红外吸收谱Si-N 键伸缩震动宽频带强吸收吸收光谱的兰移现象吸收光谱的兰移现象激子吸收带吸收光谱的红移现象吸收光谱的红移现象：激子吸收带纳米颗粒发光现象上图曲线1和2分别为掺了粒径大于10 纳米和5纳米的CdSexS1-x的玻璃的光吸收谱，尺寸变小后出现明显的激子峰。
材料的化学性能
d. 缺陷消除等
过程是连续的，而且同时伴随有物理化学性质的变化。常见的 有：分解反应、化合反应、物相对化学稳定性的影响.
1. 分解反应——对化学稳定性的影响
（1） 碳酸钙（石灰岩）在常温下升温至530oC将分解为CaO和 CO2 ，降温后在潮湿空气中又吸水生成 Ca(OH)2 ，所以大理石石 材不能用于高温环境 ： CaCO3→CaO+CO2↑ CaO+H2O→Ca(OH)2 （ 2 ） H2 O → H2 ↑ + O2 ↑
第二章 材料化学性能与检测
化学性能 材料在受到外界条件（温度、压力、气氛 等）变化的影响，或与某些侵蚀性介质接触时产生化学反 应而引起的材料内部成分、结构和性能改变的现象，以及 材料的化学特征形成的有用功能。 包括三方面的内容： （1）材料在外界温度、压力等条件变化时，其内部结 构和性能随之变化，即化学稳定性能（包括体积稳定）； （2）材料在与侵蚀性介质（固、液、气相）接触时， 引起内部成分、结构、使用性能变化的反应性能，即抗腐 蚀性和活性； （3）利用与外界的物质交换或能量交换形成的有用功 能，如 化学传感器等。
石英颗粒表面有断键， 并与空气中水汽作用生 成Si－OH键，与Na2O 相遇时发生离子交换：
O 2
Si 1 O
Na
2 O Na+的攻击－诱导效应
Si－OH
Si－O－Na
结 果
• 1处的化学键加强！2处的化学键减弱！
• Na2O “进攻”弱点——石英骨架“分 化”——形成聚合物。
其他硅酸盐材料有与玻璃类似的化学腐蚀特性。 当二氧化硅（尤其是无定性的 SiO2 ）与碱液接触时发生如下反应 受到侵蚀：
高中化学 第3章 物质的聚集状态与物质性质 第4节几类
第4节 几类其他聚集状态的物质
目标 导航
1.了解非晶体、液晶、等离子体、纳米材料的结构特征及特殊性质。 2.了解上述聚集状态物质的实际用途和作用。
栏目 索引
基础知识导学 重点难点探究 随堂达标检测
基础知识导学
一、非晶体、液晶 1.非晶体 (1)概念 内部原子或分子呈现 杂乱无章 的分布状态的固体。 (2)非晶体与晶体的区别 晶体和非晶体的本质区别在于物质内部的微粒能否有序地 规则排列。
答案
二、纳米材料和等离子体 1.纳米材料
概念 三维空间尺寸至少有一维处于纳米尺度的、具有特定功能的材料
组成
直径为 几个或几十个纳米 的颗粒和颗粒界面。
特点
纳米颗粒内部具晶有状结构 ，界面则是 无序结构
答案
2.等离子体 由大量 带电 微粒(离子、电子)和中性微粒(分子或原子)所组成
定义 的物质聚集体 ①等离子体中正、负电荷数大致相等，总体来看等离子体呈 准电中性 。
晶态合金的强度和硬度比相应晶体的高5～10倍。另外，有些非晶态合金 的耐腐蚀性也强于晶态合金。
解析答案
2.关于液晶，下列说法中正确的有( ) A.液晶是一种晶体 B.液晶分子的空间排列是稳定的，具有各向异性 C.液晶的化学性质与温度变化无关 D.液晶的光学性质随外加电压的变化而变化
123456
解析答案
1.下列说法不正确的是( D ) A.晶体内部的物质微粒是有规则地排列的，而非晶体内部物质微粒排列
是不规则的
B.橡胶没有固定的熔点 C.非晶体的各种物理性质在各方向上都相同 D.非晶体材料的性能不如晶体材料好
解析 组成非晶体的原子或离子不是有规律排列的，这导致其物理性质、
材料性能与测试-第3章材料的冲击韧性和低温脆性
低温脆性的危害
❖ 发生脆变时，裂纹的扩展速度可高达1000~3000m/s，无法加以 阻止，无任何征兆。
❖ 1938 年和1940 年, 在比利时的哈塞尔特城和海伦赛贝斯城先后 发生了两次钢桥坍塌事故。经研究，这些事故正是材料的冷脆 造成的。
§3.2 低温脆性
❖ 定义：体心立方或某些密排六方晶体金属及其合金，特别是工程上常用的 中、低强度结构钢，在试验温度低于某一温度tk时，会由韧性状态变为脆 性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理，断
§3.1 冲击载荷下金属变形和断裂特点 §3.2 冲击弯曲和冲击韧性 §3.3 低温脆性 §3.4 影响韧脆转变温度的因素
§3.1 冲击载荷下金属变形和断裂特点
冲击载荷和静载荷的区别
加载速率的不同
加载速率：载荷施加于试样或机件时的速率，用单位时间内应力增加
的数值表示。
形变速率可间接反应加载速率的变化。
口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。
屈服强度/MPa
840
700 W
560 Mo
420 Байду номын сангаасe
280
140 Ni
几类不同冷脆倾向的材料
0 200 400 600 800 1000
温度/℃
❖ 测量不同温度下冲击韧性aK(AK)与温度t的关系曲线(AK～t)。tk称为韧脆转
变温度或冷脆转变温度，是安全性指标之一。
(3) FTE(fracture transition elastic)：低阶能和高阶能平均值对应的温度。
➢ 冲击弯曲试验，冲击吸收功-温度曲线 Ak急剧减小；
(4) 以Akv为 20.3 N·m对应的温度作为韧脆转变温度，记为 V15TT。
第三章材料的冲击韧性及低温脆性
击 韧
击实验，得到不同温度下材料的系列冲击值Ak
性 （或αk），从而获得Ak—t，或αk—t曲线。
与
低
温
脆
性
2、低温脆性
第 三
体心立方、密排六方金属或合金在温度低于tk时，由
章 材 料
塑韧性状态变为脆性状态，Ak↓↓的现象，称为 低温脆性。
的
冲
击
韧
性 材料发生冷脆性转变的温度→冷脆性转变温度tk
与
性
与
低 迟屈服现象，б>бs高速加载，体心立方金属瞬间
温 脆
并不屈服，经过一段时间后才发生屈服，且温度越
性 低，持续时间越长（不屈服，就不能削减应力峰值），
这为裂纹的发生和扩展创造了有利条件。
2、化学成分的影响
① 间隙溶质元素含量增加， 晶格畸变程度加大，位
第 三
错运动阻力提高,屈服强度升高，脆性增大，韧脆转
性 c、相同强度水平，上贝氏体的tk高于下贝氏体组织
与 低
（低碳钢低温上贝氏体的韧性高于回火马氏体的韧性）
温
脆
性
d、低温合金钢，经不完全等温处理获得贝氏体和马
氏体的混合组织，其韧性比单一贝氏体或单一马氏
体组织好。
第
三
章 晶粒细小的混合组织。裂纹在此种组织内扩展要多
材 料
次改变方向（多裂纹陶瓷相似）消耗能量较大，故
章 形成的间隙式固溶体。
材
料 的
渗碳体：是铁和碳形成的稳定化合物Fe3C.
冲 击
贝氏体：铁素体和渗碳体的非层片状混合物。铁素体
韧 性
为基，渗碳体为分散的圆形质点。具有硬度、强度、
与 韧性的最佳组合。
低
第三章 材料表面与界面化学(材料化学)
下面介绍讨论固体表面原子的自行调整 ①．弛豫表面 固体表面层之间以及表面和体内原子层之间 的垂直距离偏离固体内部的晶格常数，而其 晶胞结构基本不变，这种情况称为弛豫。 离子晶体中各个正负离子间的主要作用力是 库仑静电力，这是一种远程力，所以其表面 比较容易发生弛豫现象。
以ＮaCl晶体为例说明弛豫的特征： ＮaCl晶体离子半径较大的Ｃl－作密堆积， Ｎa＋填八面体空隙，Ｎa＋，Ｃl－相间排列， 形成ＮaCl点阵结构。为了方便，我们以二 维平面图形来讨论。晶体表面是质点周期 性排列的中断，理想表面Ｎa＋，Ｃl－并未 变形。然而，表面处于高能状态，系统总 要通过各种途径降低表面能以达到稳定状 态。
因此，即使是新鲜的玻璃表面，其化学成分， 结构也会不同于内部。这种差异可以从表面 折射率、化学稳定性、结晶倾向以及强度等 性质的观测结果得到证实。 对于含有较高极化性能的离子如Pb2+、 Sn2+、Sb2+、Cd2+等的玻璃，其表面结构 和性质会明显受到这些离子在表面的排列 取向状况的影响。这种作用本质上也是极 化问题。
2．固体表面能 ．
固体的表面同样具有表面自由能。 1个边长1cm的立方体，表面积为6cm2，分割成边长 为1nm时，小立方体的数目1021（（10-7）3=N·13）, 总表面积为6×107cm2，可见，对凝聚态的物质而言， 其表面积的大小是与其分散的程度密切相关的，分 散程度用比表面积Ａ０来表示。
清洁表面：固体的清洁表面是指经过特殊的处 清洁表面 理（如离子轰击再加退火热处理，解理，热蚀， 场效应蒸发等）后，保存在高真空条件 [133.332×(10-9-10-10)Pa ]下的表面。可以将 之近似地看作是该固体真正的表面。 即清洁表面是指不存在任何吸附，催化反应， 杂质扩散特等物理－化学效应的表面，表面化 学组成与体内相同，但周期结构可以不同于体 内。
《材料化学》课程教学大纲
《材料化学》课程教学大纲一、课程的基本信息适应对象：本科层次，应用化学、化学课程代码：18E00615学时分配：36赋予学分：2先修课程：无机化学、有机化学、分析化学、物理化学后续课程：二、课程性质与任务《材料化学》是应用化学的专业选修课程。
应用化学是一门以化学为基础的专门学科，因此对于该学科的本科学生来讲开设化学基础课尤显重要。
本课程的作用和任务在于指导学生切实地了解和掌握材料（主要是无机材料）化学所涉及的基本原理和一些基本概念，初步了解材料化学基本概念和原理，有利于学生今后从事相关工作。
三、教学目的与要求通过材料化学课程的学习，使学生了解当代材料科学的新概念、新理论、新技术、新工艺，掌握金属材料、无机非金属材料、高分子材料的基本知识，以及物理化学、电化学、光化学等化学基础知识在材料科学研究中的应用。
注重培养学生综合运用化学知识解决问题的能力；树立“多学科知识交叉与渗透”的观念。
四、教学内容与安排第一章晶体学基础1.1 晶体结构的周期性1.1.1 晶体结构的周期性与点阵1.1.2 晶体结构参数1.1.3 晶体缺陷1.2 晶体结构的对称性1.2.1 对称性基本概念1.2.2 晶体的宏观对称性1.2.3 晶体的微观对称性1.3 晶体的X射线衍射1.3.1 晶体X射线衍射基本原理1.3.2 衍射方向1.3.3 衍射强度1.3.4 常用晶体X射线衍射实验方法1.4 晶体结构的描述第二章晶态和非晶态材料的特性2.1 晶体特征的结构基础2.2晶体学点群和晶体的性质2.2.1 晶体学点群的分类2.2.2 晶体的点群和晶体的物理性质2.3 非正比化合物材料2.4液晶材料2.4.1 液晶和塑晶2.4.2 液晶的特性2.4.3 液晶材料2.4.4 液晶显示技术2.5 玻璃和陶瓷2.5.1 晶态材料与非晶态材料的异同2.5.2 玻璃2.5.3 陶瓷第三章金属材料3.1 金属特性与金属键3.1.1 自由电子理论3.1.2 能带理论3.2 金属单质结构3.2.1 金属单质结构的近似模型——等径圆球密堆积3.2.2 三维密堆积的三种典型型式3.2.3 金属单质结构概况3.2.4 金属原子半径3.3 合金结构3.3.1 金属固溶体3.3.2 金属化合物3.3.3 合金结构与性能3.4 金属材料3.4.1 轻质金属材料3.4.2 钢铁的结构与性能3.4.3 非晶态金属材料3.4.4 形状记忆合金第四章无机非金属材料4.1 离子晶体4.1.1 几种二元离子晶体的典型结构形式4.1.2 离子键与晶格能4.1.3 离子半径4.1.4 Goldschmidt结晶化学定律4.1.5 关于多元复杂离子晶体结构的规则——Pauling规则4.2 分子间做用力与超分子化学4.2.1 分子间作用力4.2.2 超分子化学4.2.3 晶体工程4.3 无机非金属材料4.3.1 无机非金属材料分类4.3.2 碳素材料4.3.3 单质硅4.3.4 无机化合物材料4.3.5 硅酸盐材料第五章高分子材料5.1 高分子材料的发展5.2 高分子材料的结构特点和性能5.2.1 高分子链的结构5.2.2 高聚物分子间的作用力5.2.3 晶态高分子的结构特点5.2.4 高聚物的物理状态转变5.2.5 高分子材料的性能5.3 高分子的聚合方法5.3.1 聚合机理5.3.2 加聚5.3.3 缩聚5.4 塑料5.4.1 塑料的分类5.4.2 塑料的应用5.4.3 塑料的加工5.5 橡胶5.5.1 天然橡胶5.5.2 合成橡胶5.5.3 橡胶的加工5.6 纤维5.6.1 纤维的分类5.6.2 合成纤维5.6.3 纤维加工成型5.7 复合材料5.7.1 复合材料的特性5.7.2 木质材料5.8 医用高分子材料5.8.1 概况5.8.2 生物医用高分子材料5.8.3 人造硬组织材料5.8.4 人工器官及其关键材料5.8.5 高分子药物5.9 导电高分子材料5.9.1 导电高分子材料的分类5.9.2 高分子导电机理5.9.3 共轭导电高分子材料5.9.4 新型导电聚合物体系5.9.5 导电高分子材料的应用5.10 高吸水性高分子材料5.10.1 发展概况5.10.2 超强吸水高分子材料的种类和特征5.10.3 超强吸水高分子材料的制备方法5.10.4 吸水高分子材料的应用第六章纳米材料6.1 纳米技术及纳米材料应用进展6.1.1 纳米科技进展6.1.2 纳米材料的种类6.1.3 纳米材料的特异性能6.2 纳米材料的制备6.2.1 纳米粉体的合成6.2.2 纳米复合材料的制备6.2.3 碳纳米管的制备6.3 纳米结构测试技术6.3.1 基本原理6.3.2 常用仪器6.3.3 检测技术的应用研究6.4 纳米材料的应用6.4.1 纳米材料在高科技中的地位6.4.2 磁学应用6.4.3 纳米催化6.4.4 陶瓷增韧6.4.5 光学应用6.4.6 医学应用6.4.7 环保应用第七章新型功能材料7.1 光学功能材料7.1.1 激光材料7.1.2 红外材料7.1.3 发光材料7.2 半导体材料7.2.1 半导体的导电机理7.2.2 半导体的分类7.2.3 半导体材料7.3 超导材料7.3.1 超导体的基本物理性质7.3.2 超导体的临界参数7.3.3 超导机理7.3.4 超导材料的种类7.3.5 超导材料的性能7.3.6 超导材料的应用7.4 热电压电和铁电材料7.4.1 热电材料7.4.2 压电材料7.4.3 铁电材料7.5 功能转换材料7.5.1 光电转化材料7.5.2 磁光材料7.5.3 声光材料教学安排及方式材料化学是一门理论性较强的基础理论课，其教学主要为课内讲授。
第 3 章 基体材料
基体材料的工艺性
一、浸润性能
树脂对纤维的浸润能力，是树脂能否均匀地分布于纤维周围的重要因素，也 是树脂和纤维界面上产生良好黏附力的重要因素。
树脂对纤维的浸润性，除纤维或织物的表面张力外，主要取决于树脂本身的 表面张力和树脂与纤维间的界面张力。 树脂的表面张力取决于分子结构，即分子间引力越大，内聚能越大，则表面 张力也越大。 树脂与纤维间的界面张力取决于树脂分子与玻璃纤维表面分子间的作用力， 作用力越大，则界面张力越大。
固化分为三个阶段。 酚醛树脂固化过程： A阶段酚醛树脂。可溶、可熔状态。平均相对分子质量低，极性基团多等。 B阶段酚醛树脂。在加热条件下向不溶、不熔转化。 C阶段酚醛树脂。树脂失去流动性，转变为不溶、不熔的固体状态。 不饱和聚酯树脂固化的阶段性：分为固化阶段分为凝胶、定型和熟化三个阶 段。具有连锁反应的特性。 环氧树脂固化的阶段性：分为固化阶段分为凝胶、定型和熟化三个阶段。具 有逐步的性质，比聚酯树脂明显。
（二）特点
热固性树脂一般是各向同性的，其最大特点是对热的响 应。它不因加热而熔化，但加热到热变形温度时，热固性树 脂会失去刚性，因此在应用中有上限温度。
热固性树脂——环氧树脂
环氧树脂——在分子中含有两个或两个以上环氧基团
的一类高聚物的总称。
环氧基具有极强的化学活泼性，可与多种类型的固化剂
发生开环、固化交联反应。
基体材料的基本性能
二、耐热性能
复合材料在温度升高时，其性能变化情况包括物理性能和化学性能。物理 性能包括模量、强度、变形等。化学性能包括失重、分解、氧化等。 树脂的耐热性有两种，物理耐热性和化学耐热性。 将聚合物加热，一般会发生物理及化学变化。物理变化：树脂的变形、软 化、流动、熔融。化学变化：分子链断裂、交联、氧化、产生气体、质量变化 等。 提高树脂耐热性的三个结构因素： 1）增加高分子链的刚性。 引入共轭双键、叁键或环状结构（包括脂环、芳环或杂环）。 2）使聚合物能够结晶。 在主链上引入醚键、酰胺键等或在侧基上引入羟基、氨基、氰基等都能 提高结晶高聚物的熔融温度。 3）进行交联。 随着交联度的增加，耐热性提高。
材料物理性能(第三章-材料的热学性能).答案
1．温度（temperature）
a. 在温度不太高的范围内，主要是声子传导 。 b. 热容C在低温下与T3成正比，所以λ也近似与T3成正 比。
c. 声子平均自由程 l 随温度升
高而降低。实验表明，低温下l 值
的上限为晶粒的线度，高温下l 值
的下限为晶格间距。
d. 例如Al2O3在低温40k处，λ值
式中第一项为常数，第二项为零，则
式中， 则，
；
；如果只考虑上式的前两项，
即点阵能曲线是抛物线。原子间的引力为：
式中β是微观弹性系数，为线性简谐振动，平衡位置仍在
r0处，上式只适用于热容CV的分析。
但对于热膨胀问题，如果还只考虑前两项，就会
得出所有固体物质均无热膨胀。因此必须再考虑第三
项。此时点阵能曲线为三次抛物线，即固体的热振动 是非线性振动。用波尔兹曼统计法，可算出平均位移 （average displacement）。
如图3.1，其中声频支最大频率：
第一节 材料的热容
热容是物体温度升高1K所需要增加的能量。
（J/K）
显然，质量不同热容不同，温度不同热容也不同。比
热容单位— 另外，平均热容 , 摩尔热容单位— ， 。
范围愈大，精
度愈差。 恒压热容
恒容热容
式中：Q＝热量，E＝内能，H＝热焓。由于恒压加 热物体除温度升高外，还要对外界做功，所以 根据热力学第二定律可以导出：
后晶格振动加剧而引起的容积膨胀，而晶格振动的激化就 是热运动能量的增大。升高单位温度时能量的增量也就是 热容的定义。所以热膨胀系数显然与热容密切相关并有着 相似的规律。见图3.8。
第三节 材料的热传导
一、固体材料热传导的宏观规律
当固体材料一端的温度比另一端高时，热量会从热 端自动地传向冷端，这个现象称为热传导。
《材料化学》课程教学大纲
《材料化学》课程教学大纲总学时：54 学分：3.0一、课程概况1、课程性质：专业必修（学位课）2、开课学期： 13、适用专业：应用化学4、课程修读条件: 学生须具有一定的高等数学、无机化学、物理化学以及结构化学等相关基础知识。
5、课程教学目的：通过《材料化学》课程的学习，掌握材料的结构、性能及其制备的基本原理、规律，介绍种类众多、内容丰富的材料的结构及性能知识，并引入学科前沿信息，了解各种材料的研究进展。
二、教学基本要求《材料化学》课程内容包括晶体学基础、晶体缺陷化学、材料的性能、材料制备、金属材料、无机非金属材料、高分子材料、新型功能材料、纳米材料等内容。
纵观材料化学所含内容可知，该课程内容丰富，所以要课内外结合，对于材料科学中各类材料如新型功能材料、纳米材料的最新研究进展，首先让学生通过课外阅读文献资料和充分准备，然后组织学生进行课堂讨论；其次，将授课与学术报告，理论与实际结合起来，在教学过程中及时向学生发布与教学内容密切相关的学术报告会信息，鼓励学生积极参加学术报告，既扩大学生的知识面又使教学内容更加新颖。
三、内容纲目及标准第1章绪论（2学时）[教学目的]本章的重点是材料化学的基本概念、特点及其主要内容，介绍材料化学在各个领域的应用和发展，使学生从整体上把握材料化学的学习内容。
[教学重点与难点]《材料化学》课程的学习内容和方法[教学内容]1.1《材料化学》的基本概念1.2《材料化学》的地位1.3学习《材料化学》的意义1.4本课程的主要内容1.5本课程的特点及学习方法第2章晶体学基础（8学时）[教学目的]通过本章的学习，使学生掌握晶体学的相关基础知识，掌握三大类固体材料的结构特点、性能特点，建立材料结构与性能之间的关系。
[教学重点与难点]1.晶体学基本概念2. 晶体材料的结构[教学内容]2.1元素和化学键2.2晶体学基本概念2.3晶体材料的结构2.4 固溶体第3章晶体缺陷化学（4学时）[教学目的]通过本章的学习，使学生掌握各类晶体缺陷对材料性能的影响吗，特别是晶体缺陷与材料物理性能之间的关系。
复合材料学 第三章 复合材料的增强材料02.
芳纶-29主要用于绳索、电缆、涂漆织物、带和 带状物，以及防弹背心等。芳纶-49用于航空、 宇航、造船工业的复合材料制件。 一、芳纶纤维的性能特点 1、力学性能 芳纶纤维的特点是拉伸强度高。单丝强度 可达 3773MPa ； 254mm长的纤维束的拉伸强 度为2744Mpa，大约为铝的5倍。芳纶纤维的 冲击性能好，大约为石墨纤维的6倍，为硼纤 维的3倍，为玻璃纤维的0.8倍。 芳 纶 纤 维 的 弹 性 模 量 高 ， 可 达 1.27 ～ 1.577×105 MPa， 比玻璃纤维高一倍， 为碳
化处理变成耐焰纤维，然后再在惰性气氛中， 于高温下进行焙烧碳化，使有机纤维失去部 分碳和其它非碳原子，形成以碳为主要成分 的纤维状物。此法可制造连续长纤维。 天然纤维，再生纤维和合成纤维都可用来制 备碳纤维。选择的条件是加热时不熔融，可 牵伸，且碳纤维产率高。 到目前为止，制作碳纤维的主要原料有三种： ①人造丝(粘胶纤维)； ②聚丙烯腈 (PAN)纤维，它不同于腈纶毛线； ③沥青维的制造 碳纤维是一种以碳为主要成分的纤维状材 料。它不同于有机纤维或无机纤维，不能用 熔融法或溶液法直接纺丝，只能以有机物为 原料，采用间接方法制造。制造方法可分为 两种类型，即气相法和有机纤维碳化法。 气相法是在惰性气氛中小分子有机物 ( 如 烃或芳烃等)在高温下沉积成纤维。用这种方 法只能制造晶须或短纤维，不能制造连续长 丝。 有机纤维碳化法是先将有机纤维经过稳定
2、碳纤维的物理性能 比重在1.5～2.0之间，这除与原丝结构有关 外，主要决定于碳化处理的温度。一般经过 高温(3000℃)石墨化处理，比重可达2.0。 热膨胀系数与其它类型纤维不同，它有各 向异性的特点。平行于纤维方向是负值(-0.72 ～ -0.90×10-6℃-1) ，而垂直于纤维方向是正值 (32～22×10-6℃-1)。 比热一般为 7.12×10-1KJ(㎏· ℃)。导热率有 方向性，平行于纤维方向导热率为 0.04 卡 / 秒· 厘米· 度，而垂直于纤维轴方向为0.002卡/ 秒· 厘米· 度。导热率随温度升高而下降。
03-材料化学热力学
3 氧势图的 应用－氧气 标尺
1、Po2标尺的画法
设1mol O2从1标准大压等温膨胀到压力为Po2
O2 (101325 Pa) O2 ( P Po2 )
rG θ 0
Po2 / P r G r G RT ln( ) 101325 Pa / P RT ln( Po2 / P ) [ R ln( Po2 / P )] T
相图：将一定压力下，温度与组成的关系图，称为相图。
3.2.1 埃林汉姆（Ellingham）图及其应用
1 氧势图的形成原理；
2 氧势图的热力学特征；（特殊的线；直线斜
率；直线位置）
3 氧势图的应用（氧气标尺；Jeffes图学生自学）
埃林汉姆（Ellingham）图及其应用 1 氧势图的形成原理
为了直观地分析和考虑各种元素与氧的亲和能力，了解不同 元素之间的氧化和还原关系，比较各种氧化物的稳定顺序， 埃林汉曾将氧化物的标准生成吉布斯自由能数值折合成元素 与1mol氧气反应的标准吉布斯自由能变化即，将反应：
S S298K S0K S 0
12
自由能（Free Energy）
G H TS dG dH TdS
G H T S
热力学第二定律 ——在任何自发变化过程中，自由能总是减少的
G<0，过程能自发进行； G>0，过程不能自发进行； G=0，过程处于平衡状态。 化学反应平衡常数：
材 料 化 学
Chemistry of Materials
王 丽 君
Tel: 62333622 E-mail: lijunwang@
本课程的内容
材料化学基础知识
材料制备化学
第三章高分子材料的结构与性能(二)
〔iv〕老化
3.3.2 高弹性
高弹态聚合物最重要的力学性能是其高弹性。
〔1〕高弹性的特点： 〔i〕弹性模量小，形变量很大；〔ii〕弹性模量与绝对温度成正比；
〔iii〕形变时有热效应； 〔iv〕在一定条件下，高弹性表现明显的松弛 现象。 〔2〕高弹性的本质
3.2.4 聚合物的熔体流动
当温度高于非晶态聚合物的Tf、晶态聚合物的Tm时，聚合物变 为可流动的粘流态或称熔融态。热塑性聚合物的加工成型大多是 利用其熔体的流动性能。
3.2.4.1 流动流谱
❖ 流谱：指质点在流动场中的运动速度分布。 ❖ 剪切流动:产生横向速度梯度场的流动 ❖ 拉伸流动:产生纵向速度梯度场的流动
材料在外力作用下发生形变的同时，在其内部还会产生对抗外 力的附加内力，以使材料保持原状，当外力消除后，内力就会使材 料回复原状并自行逐步消除。当外力与内力到达平衡时，内力与外 力大小相等，方向相反。单位面积上的内力定义为应力。
材料受力方式不同，发生形变的方式亦不同，材料受力方式主要有以下 三种根本类型：
自由体积是分子链进行构象转变和链段运动所需的活动空间。
当聚合物冷却时，自由体积逐渐减小，当到达某一温度时， 自由体积收缩到最低值，聚合物的链段运动因失去活动空间而被 冻结，聚合物进入玻璃态。因此自由体积理论认为玻璃化温度就 是使聚合物自由体积到达某一最低恒定临界值时的温度。
Tg的影响因素
〔i〕聚合物的结构：Tg是链段运动刚被冻结的温度，而链段运动 是通过主链单键的内旋转来实现，因此Tg与高分子链的柔顺性相关， 柔顺性好，Tg低，柔顺性差，Tg高。
P
冲击头，以一定速度对试样实 施冲击
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CH3 CH3
CH2 C CH C CH2
OC
CO
O
O
CH3 CH3
PMMA
CH2 + O
CH3 C CH C
CH3 C CH2 CO
O
O
CH3 CH3
Chapter3 Properties of Materials
14
结构与耐老化性
(3) Chemical stability of polymers
• 羰基容易吸收紫外光，因此含羰基的聚合物在 太阳光照射下容易被氧化降解。
• 聚四氟乙烯有极好的耐老化性能
– 氟原子与碳原子形成牢固的化学键；
– 氟原子的尺寸大小适中，一个紧挨一个，能 把碳链紧紧包围住。
• 分子链中含有不饱和双键、聚酰氨的酰氨键、 聚碳酸酯的酯键、聚砜的碳硫键、聚苯醚的苯 环上的甲基等等，都会降低高分子材料的耐老 化性。
耐蚀机理：碱蚀后稀土高镍铬铸铁 表面生成完整、致密的-(Fe, Cr)2O3氧化膜和Na2SO4、FeCl3等 附着物，使材料本体受到保护。
Chapter3 Properties of Materials
10
高分子材料：
化学稳定性好，耐酸耐碱
(3) Chemical stability of polymers
形变的直线向右平移
0.002应变量（偏移量）
其延长线与应力－应变 曲线的交点所对应的应力
o
为屈服强度。
应力-应变曲线
Chapter3 Properties of Materials
21
塑性形变的产生 对于晶体材料：由于位错的滑移，或者原子面通过 位错的形成和移动而依次地滑移 非晶体材料：基于黏性流
• 维氏硬度（Vickers hardness） HV=0.189F/d2
F:作用在压头的试验力 d：压痕两对角线长度 的评价值
维氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的优点。
18
Experiment
样品拉伸试验
Chapter3 Properties of Materials
应力-应变曲线
19
材料的拉伸曲线
1、oe段：直线、弹性形变
E (Hooke's Law)
E: 弹性模量或杨氏模量 形变源于：原子间距离的 小量改变或原子间化学键 的有限拉伸
2、es段：曲线、
弹塑性变形
3、s－b曲线： 弹性变形+均匀塑性变形
σb 拉伸强度 极限拉伸强度（UTS）
ultimate tensile strength
yield strengthbkSe4、b点以后出现颈缩现象，
即试样局部截面明显缩小
试样承载能力降低，应力 下降到K点时达到σK试样 发生断裂。
o
应力-应变曲线
b — 极限拉伸强度 K — 断裂点
28
材料的一些力学性能特点：
• 很多金属材料既有高的强度，又有良好的延展性； • 多晶材料的强度高于单晶材料；
– 这是因为多晶材料中的晶界可中断位错的滑移，改变滑 移的方向。通过控制晶粒的生长，可以达到强化材料的 目的。
• 固溶体或合金的强度高于纯金属；
– 杂质原子的存在对位错运动具有牵制作用。
• 多数无机非金属材料延展性很差。
σs 屈服强度
Chapter3 Properties of Materials
yield strength
S
e
o
应力-应变曲线
e — 弹性极限点 S — 屈服点
20
对于没有明显屈服点的材料，
规定： 以产生0.002残余变形的
yield strength
应力值σ0.2 为屈服强度。
S
e 把应力-应变曲线的弹性
Chapter3 Properties of Materials
23
强度
材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。
（1） 弹性极限（σe）
指金属材料能保持弹性变形的最大应力。
它表征了材料抵抗弹性变形的能力。
（2） 屈服强度（σS）
指材料在外力作用下，产生明显塑性形变的抗力。
它表征了材料抵抗微量塑性变形的能力。 屈服强度 — 是塑性材料选材和评定的依据。
Chapter3 Properties of Materials
5
（2）电化学腐蚀
阳极：Fe→Fe2++2e 阴极：
Electrochemistry corrosion
铁的电化学腐蚀过程
Chapter3 Properties of Materials
6
Example
海水对金属的侵蚀示意图
电化学防锈——牺牲阳极法
16
3.2 力学性能 Mechanical Property
——材料抵受外力作用的能力，主要有强 度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳性能等。
F
F
F
F
F
F
拉伸
压缩
弯折
剪切
Chapter3 Properties of Materials
17
3.2.1 材料的强度 (Strength)
➢ 拉伸强度
依受力形式：➢ 弯曲强度
烷过氧自由基
(3) RO－OH+RH RO• + •OH
(4) RO• + •OH ROH + R•
(5) HO• + RH R• + H2O
Chapter3 Properties of Materials
13
• 自由基形成后导致链的断裂（降解）： (3)Chemicalstability ofpolymers
Chapter3 Properties of Materials
7
思考：
• 为什么有的金属（如铝）比较活泼，但在 空气中很稳定？
• 为什么在潮湿环境下金属材料容易生锈？ • 材料应用中有哪些防锈方法？
Chapter3 Properties of Materials
8
3.1.2 耐酸碱性
(2) Chemical stability of non-metal materials
度。 • 材料的b与HB之间的经验关系：
对于低碳钢: b(MPa)≈3.6HB 对于高碳钢：b(MPa)≈3.4HB 对于铸铁： b(MPa)≈1HB或 b(MPa)≈ 0.6(HB-40)
• 洛氏硬度（Rockwell hardness） HR=(K-h)/0.002
常用的标尺为A、B、C （K：0.2 0.26 0.2）
• 符号HR前面的数字为硬度值， 后面为使用的标尺。
用一个顶角120度的金刚石圆锥体或直径1.59、3.18mm的 钢球，在一定载荷F下压入被测材料表面，由压痕的深度 h求出材料的硬度。
h越大，硬度越低，反之，硬度越高。
• 洛氏硬度（Rockwell hardness） HR=(K-h)/0.002
2
3.1 化学性能 Chemical Performance
——材料对外界接触物的耐受性
耐酸碱性 耐腐蚀性 抗渗透性 耐氧化性
化学稳定性
Chapter3 Properties of Materials
3
3.1.1 耐氧化性
（1）化学锈蚀
金属与非电解质相接
触时，介质中的分子
被金属表面所吸附，
并分解为原子，然后 与金属原子化合，生
耐酸材料
以酸性氧化物SiO2为主
耐
碱
材
大多数金属氧化物都是碱性氧化 料
物，相应的材料表现出较强的耐 碱性，而易受酸侵蚀或溶解。
Chapter3 Properties of Materials
9
金属的耐酸碱性
• 主要是高温下浓碱液的腐蚀问题 • 镍铬铸铁中加入稀土，降低镍含量，可以降低材
料成本，又可以保证合金铸铁良好的耐碱蚀性。
Chapter3 Properties of Materials
15
耐老化性的提高
(3) Chemical stability of polymers
• 改进聚合物分子结构 • 加入适当助剂
– 抗氧化剂 – 光屏蔽剂 – 紫外线吸收剂 – 淬灭剂
Chapter3 Properties of Materials
(1) Chemical stability of metal materials
成锈蚀产物。
金属氧化反应的 主要过程示意图
Chapter3 Properties of Materials
吸附
氧化物成核 生长 氧溶解
氧化膜生长 内氧化
缝隙 孔洞 微裂纹
宏观裂纹
4
几种金属的表面氧化膜对比
多孔氧化膜 致密氧化膜 松散氧化膜
• 延伸率
elongation
• 断面收缩率
< 5%：
脆性材料
l f l0 100%
l0
lf—试样拉断后的最后标距长度
reduction of area
相对收缩值 A0 Af 100%
A0
A0—试样原始横截面积
Af—断口处的横截面积
Chapter3 Properties of Materials
• 主链原子以共价键结合 • 长分子链对反应基团的保护 • 电绝缘性，无电化学腐蚀
Chapter3 Properties of Materials
11
3.1.3 耐有机溶剂性 (3) Chemical stability of polymers
• 金属材料和无机非金属材料有好的耐有机溶剂性能； • 热塑性高分子材料一般由线形高分子构成，很多有机
Di: 压痕直径
把直径为D的硬钢球用 力F压按在试验表面， 保持规定时间，然后 卸荷，测量被测表面 压痕直径Di.