无机材料物理性能第3讲资料PPT课件
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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。
无机材料物理性能教案ppt
g
圆片式样体积电阻率的测量
电导的宏观参数
片状试样
电导的宏观参数
精确测定结果:
电导的宏观参数
8、表面电阻和表面电阻率
板状式样
电导的宏观参数
圆片试样
I V
r1 a r2 g
b
电导的宏观参数
直流四端电极法
适用于中高电导率的材料，能消除电 极非欧姆接触对测量结果的影响。
电导的宏观参数
在室温下测量电导率常采用简单的四探针法
匀材料，电流是均匀的， 电流密度J在各处是一 样的。
定义：单位面积通 过的电流，或单位时间 通过单位面积的电荷量。
表达式：
(A•cm-2)
3、电场强度 定义：单位长度上的电势差。 表达式： (V•cm-1)
4、电阻率：
ρ为电阻率， 为反映材料电阻性能的参数
5、电导率：
反映材料的电阻性能。
6、欧姆定律的微分形式
电导的物理特性
3、电解效应（离子电导特性） 离子的迁移伴随质量变化，离子在
电极附近发生电子得失，产生新的物 质。
法拉第电解定律：
——电解物质的量 ——电化当量
——通过的电量 ——法拉第常数
实质：类似电解质溶液中的电解。
如NaCl溶液的电解。
应用：可检验陶瓷材料是否存在离子电 导。
4、迁移率和电导率的一般表达式
载流子浓度
杂质电导：由固定较弱的离子（杂 质）的运动造成。
杂质电导中，载流子浓度取决于杂质 的数量和种类。
二、离子迁移率
❖ 离子电导的微观机构为载流子 ── 离子的扩散 。
❖ 间隙离子的扩散过程就构成了宏 观的离子“迁移”。
离子扩散机构
离子迁移率
间隙离子的势垒
圆片式样体积电阻率的测量
电导的宏观参数
片状试样
电导的宏观参数
精确测定结果:
电导的宏观参数
8、表面电阻和表面电阻率
板状式样
电导的宏观参数
圆片试样
I V
r1 a r2 g
b
电导的宏观参数
直流四端电极法
适用于中高电导率的材料，能消除电 极非欧姆接触对测量结果的影响。
电导的宏观参数
在室温下测量电导率常采用简单的四探针法
匀材料，电流是均匀的， 电流密度J在各处是一 样的。
定义：单位面积通 过的电流，或单位时间 通过单位面积的电荷量。
表达式：
(A•cm-2)
3、电场强度 定义：单位长度上的电势差。 表达式： (V•cm-1)
4、电阻率：
ρ为电阻率， 为反映材料电阻性能的参数
5、电导率：
反映材料的电阻性能。
6、欧姆定律的微分形式
电导的物理特性
3、电解效应（离子电导特性） 离子的迁移伴随质量变化，离子在
电极附近发生电子得失，产生新的物 质。
法拉第电解定律：
——电解物质的量 ——电化当量
——通过的电量 ——法拉第常数
实质：类似电解质溶液中的电解。
如NaCl溶液的电解。
应用：可检验陶瓷材料是否存在离子电 导。
4、迁移率和电导率的一般表达式
载流子浓度
杂质电导：由固定较弱的离子（杂 质）的运动造成。
杂质电导中，载流子浓度取决于杂质 的数量和种类。
二、离子迁移率
❖ 离子电导的微观机构为载流子 ── 离子的扩散 。
❖ 间隙离子的扩散过程就构成了宏 观的离子“迁移”。
离子扩散机构
离子迁移率
间隙离子的势垒
第三章无机材料的热学性能PPT课件
Vi
WiV i
代入（4-28）式，整理得
iWiKi / i WiKi / i
.
（4-29）
35
1 V 2 (2 1 ) ( 4 K G 1 ( 1 3 K 3 2 K 2 4 ) [ G 4 1 V ) 2 2 G 1 ( ( K K 2 2 K K 1 1 ) ) ( 1 6 3 G K 1 1 2 K 2 1 2 G 4 G 1 K 1 K 2 ) 1 ]
几种陶瓷材料的. 热容-温度曲线
19
CaO+SiO2与CaSiO3的热容-温度曲线
.
20
虽然固体材料的摩尔热容不是结构敏感的，但是单位体积的热容却与气孔 率有关。多孔材料因为质量轻，所以热容小，因此提高轻质隔热砖的温度 所需要的热量远低于致密的耐火砖。
材料热容与温度关系应有实验来精确测定，经验公式：
对于圆柱体薄釉样品，有如下表达式：
釉1 E(T0T) (釉坯 )A A 坯
（4-33）
坯1 E(T0T) (坯釉)A A釉 坯 .
（4-34）
39
4.3 无机材料的热传导
4.3.1 固体材料热传导的宏观规律
当固体材料的一端的温度比另一端高时，热量就会从热端自动 传向冷端，这个现象称为热传导。
QdTSt
人们发现德拜理论在低温下还不能完全符合事实，显然是由于 晶体毕竟不是一个连续体。
实际上电子运动能量的变化对热容也会有贡献，只是在温度不 太低时，这部分的影响远小于晶格振动能量的影响，一般可以 忽略不计，只有在极低的温度下，才成为不可忽略的部分。
.
18
4.1.2.3 无机材料的热容 无机材料的热容与键的强度、材料的弹性模量、熔点等有关。 陶瓷材料的热容与材料结构的关系是不大的。 相变时由于热量的不连续变化，所以热容也出现了突变。
(推荐)《材料物理性能》PPT课件
焓 内能
P
比定容热容：材料温度升高时，体积恒定，所测得的比热容。
cp与cv哪个大？ cp＞cv 原因？ cp测量方便，cv更具理论意义。对于固体材料二者差别很小，可忽 略，但高温下差别增大。cp、cv与温度之间的关系（三个阶段）。 12
二、晶态固体热容的经验定律与经典理论
19世纪提出，认为热容与温度和材料种类无关。
CV,m
3R1
2 TD3
D T 0
x3 d
ex 1
xe3 T DTD1
ω x
kT
讨论： （1）高温时（T＞＞θD ） ex 1x
1mol原子的原子个数为N（阿佛加德罗常数 6.02 ×1023），1mol原子 的总能量为： E＝3NkT＝3RT
＝3R＝3 × 8.314≈25J/K·mol
(2) 实际上大部分元素的在常温以上原子热容接近该值，但对于轻元素 与实际值差别较大。
13
二、晶态固体热容的经验定律与经典理论
2. 化合物的热容定律——奈曼－柯普定律
通过材料性能的学习，可以掌握材料性能的基本概念、物理本质、 变化规律及性能指标的工程意义，了解影响材料性能的各种因素及材料 性能与其化学成分、组织结构间的关系，掌握改善和提高材料性能、充 分发挥材料性能潜力的主要途径，同时了解材料性能的测试原理、方法 及相关仪器设备。
只有这样才能在合理选用材料、提高材料性能和开发新材料过程中 具有必须的基本知识、基本技能和明确的思路。
xn+1 。该质点的运动方程为：
Em为微观弹
性模量。
描述： 相邻质点振动位移间的关系。
说明： 临近质点的振动存在一定的相位差，即各质点的热振动不是孤 立的，与临近质点存在相互作用。
3、质点的热振动与物体热量 构成物体各质点热运动动能的总和即为物体的热量。温度升高，质
P
比定容热容：材料温度升高时，体积恒定，所测得的比热容。
cp与cv哪个大？ cp＞cv 原因？ cp测量方便，cv更具理论意义。对于固体材料二者差别很小，可忽 略，但高温下差别增大。cp、cv与温度之间的关系（三个阶段）。 12
二、晶态固体热容的经验定律与经典理论
19世纪提出，认为热容与温度和材料种类无关。
CV,m
3R1
2 TD3
D T 0
x3 d
ex 1
xe3 T DTD1
ω x
kT
讨论： （1）高温时（T＞＞θD ） ex 1x
1mol原子的原子个数为N（阿佛加德罗常数 6.02 ×1023），1mol原子 的总能量为： E＝3NkT＝3RT
＝3R＝3 × 8.314≈25J/K·mol
(2) 实际上大部分元素的在常温以上原子热容接近该值，但对于轻元素 与实际值差别较大。
13
二、晶态固体热容的经验定律与经典理论
2. 化合物的热容定律——奈曼－柯普定律
通过材料性能的学习，可以掌握材料性能的基本概念、物理本质、 变化规律及性能指标的工程意义，了解影响材料性能的各种因素及材料 性能与其化学成分、组织结构间的关系，掌握改善和提高材料性能、充 分发挥材料性能潜力的主要途径，同时了解材料性能的测试原理、方法 及相关仪器设备。
只有这样才能在合理选用材料、提高材料性能和开发新材料过程中 具有必须的基本知识、基本技能和明确的思路。
xn+1 。该质点的运动方程为：
Em为微观弹
性模量。
描述： 相邻质点振动位移间的关系。
说明： 临近质点的振动存在一定的相位差，即各质点的热振动不是孤 立的，与临近质点存在相互作用。
3、质点的热振动与物体热量 构成物体各质点热运动动能的总和即为物体的热量。温度升高，质
《无机材料物理性能》讲资料PPT课件
th/ c
5000 1540 3.3
3000 1300 2.3
材料
Al2O3宝石 BeO
2048 320 6.4 MgO
3480 —
240 14.5 Si3N4热压 10.5 — SiC
693
10.5 66.0 Si3N4烧结
400
10 40.0 AlN
5000 44.1 113
th
5000 3570 2450 3850 4900 3850 2800
端部的曲率半径而与孔洞的形状无关，依据弹性
理论：
A 1 2
c
考虑到:
c远大于，所以 A 2
c
考虑到裂纹尖端曲率半 径ρ与晶格常数 相当:
A 2
c a0
裂纹扩展的条件是： A th 故
Ac 2 c
c
a0
Er a0
th
断裂理论
p为裂纹扩展单位面积在塑性变形中所作的塑 性功，由于 p>> (约为的103量级)
CC
2E p 2 (1 2 )
C
2E p (1 2 )c
25
应力场强度因子和 平面应变断裂韧性
26
2002年11月19日，希腊“威望”号油轮在西班牙加 利西亚省所属海域触礁，断裂成两截，随后逐渐下沉。 据悉，这艘船上共装有7.7万吨燃料油。生态学家称这可 能是世界上最严重的燃油泄漏事件之一。
断裂理论
贡献：看到了缺陷、解释了实际强度远低于
理论强度的事实。
缺点：沿用了传统的强度理论，引用了现成
的弹性力学应力集中理论，并将缺陷 视为椭园孔，未能讨论裂纹型的缺陷。
第 03-3 讲材料物理性能与测试PPT
抗热冲击损伤性能
裂纹长度及强度与温度的函数关系
提高抗热冲击断裂性能的措施
1. 提高应力强度σ，减小弹性模 量E； 2. 提高材料的热导率，使R′提 高； 3. 减小材料的膨胀系数α； 4. 减少材料表面热传递系数h； 5. 减小产品的有效厚度。
考虑静力平衡条件，有: σ1 S1 + σ2 S2 = 0 联立上二方程，解得: σ1 = -(α1-α2)ΔT / [1/E1 + S1/(E2 S2)] ， σ2 = (α1-α2)ΔT / [1/(E1 S1) + 1/E2]
热应力的计算
薄板的热应力图
热应力的计算
解得：
E x z T 1
构件的热膨胀或收缩受到约束时造成应 力；
相连接的两个构件存在温度差，构件间
相互约束造成热应力；
构件存在温度梯度，其间各部分相互约
束，钢化玻璃；
不同材料的组合和约束造成热应力。
热应力的产生
例如： 端头组合在一起的棒1和棒2，其长度相 同，均为L，截面积为S1、S2，线膨胀系数 分别为α1、α2，且α1 > α2，初始温度为T1， 最终温度为T2。试分析其因热膨胀而导致 的应力情况。
R Tmax 1
f
rm h 0.31
Tmax
f 1 1 E 0.31rm h
f 1 R E
'
第二热应力断裂 抵抗因子J/(cm· s)
抗热冲击断裂性能
rmh/4.18J/(cm· K) s·
不同条件下，材料瘁冷断裂的最大温差
定义：
f 1 R E
为第一热应力断裂抵抗因子(℃ )。
无机材料物理性能第3讲
2.1.1 固体材料的理论断裂强度
1、理论断裂强度的物理模型
σ
在外力作用下，解理面间
的原子结合遭到破坏，从而引
a0
起晶体的脆性断裂。当原子处
于平衡位置时，原子间的作用
m
n 力为零；在拉应力作用下，原
子间距増大，引力也增大。原
子间结合力—原子间距曲线上 的最高点代表晶体的最大结合
力，即理论断裂强度th 。
2.3 无机材料断裂强度测试方法（自学）
要求：
1、搞懂为什么通常测试无机材料断裂强度要采取弯 曲方法，而不测拉伸强度？
2、熟悉弯曲强度测试方法的加载方式、试样形状及 尺寸、强度计算公式。
3、了解陶瓷材料按其强度下限值分类的方法。 4、搞懂实验室制备与工业化生产材料的强度差异的
原因？
注：GB/T 6569-1986 <<工程陶瓷弯曲强度实验方法>> 已被GB/T 6569-2006 <<精细陶瓷弯曲强度试验方法>> 代替！
2、 Inglis裂纹尖端应力集中理论 Inglis （英格里斯）1913年提出。
该理论考虑了裂纹端部一点的应力，认为当tip等于材 料的理论强度时，裂纹就会被拉开，c 随之变大， tip又 进一步增加。如此恶性循环，导致材料迅速断裂。
σ
tip 2
c a
E
a
σtip
σtip
c
E
4c
仅考虑了裂纹端部一点
通常情况下，≈E/100，th ≈ E/10； 熔融石英纤维 th=24.1GPa E/4 碳化硅晶须 th=6.47GPa E/23 氧化铝晶须 th=15.2GPa E/33 尺寸较大的材料实际强度比理论强度低
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.
17
晶体的非
固体材料的热膨胀机理 线形振动
产生线膨胀的原因不是简谐振动，而是因为原子间的 受力是不均衡的。质点在平衡位置两侧，受力不对称：
r<r0时。斜率大，稍 r>r0时。斜率较小， 微增大一点位移，斥 引力随位移的增大要
力变很大
慢些
.
18
热膨胀性能与其它性能的关系
a)热膨胀和结合能、熔点的关系： 结合能高，α也高
C p3R2(5 J/mo K )l
但轻元素原子热容需改用以下值
化合物定律--柯普定律
C niCi
.
7
杜隆-珀替定律
成功之处：
高温下与试验结果基本符合
.
8
杜隆-珀替定律
局限性： ➢ 不能说明高温下，不同温度下热容的微小 差别 ➢ 不能说明低温下，热容随温度的降低而减 小，在接近绝对零度时，热容按T的三次 方趋近与零的试验结果
C
t＝
Q T
T
.
3
热容的分类
比热容
摩尔热容
平均热容（注意适用温度范围）C均＝T2－QT1
恒压热容
Cp＝Q Tp
H Tp
恒容热容
Cv＝Q Tv
E Tv
.
4
无机材料的热容
一般有 Cp > Cv， Cp测定 简单，Cv更有理论意义。
.
5
无机材料的热容
.
6
晶态固体热容的经验定律
元素热容定律--杜隆-珀替定律
如：MgO、 BeO、 Al2O3、 MgAl2O4、BeAl2O4都具有 相当大的膨胀系数。
固体结构疏松，内部空隙较多，当温度升高，原 子振幅加大，原子间距离增加时，部分的被结构内部 空隙所容纳，宏观膨胀就小。
如：石英 12×10-6 /K ，石英玻璃0.5×10-6/K
.
26
晶体的各向异性膨胀(非等轴晶系)
✓ 无机材料有大致相同的比热曲线。
.
11
无机材料的热容规律
不同温度下某些陶瓷材料的热容
.
12
无机材料的热容规律
✓ 多相复合材料的热容约等于构成该复合材料的物质的 热容之和
C = giCi 式中， gi：材料中第i种组成的重量百分数， ci：材料中第i种组成的比热容。
✓ 相变时，由于热量不连续变化，热容出现突变。
✓ 其中：一级相变——Cp在相变温度突变；
二级相变——Cp在相变温度附近剧烈变化
.
13
无机材料的热容规律
根据热容选材： 材料升高一度，需吸收的热量不同。吸
收热量小，热损耗小，同一组成，质量不同 热容也不同，质量轻，热容小。对于隔热材 料，需使用轻质隔热砖，便于炉体迅速升温， 同时降低热量损耗。
.
14
晶格振动加剧
引起体积膨胀(l )
吸收能量 升高单位温度 =Cv
l 、 Cv与温度有相似的规律
比热容
l
T/oC
.
25
热膨胀与结构的关
• 结构紧密的固体，膨胀系数大，反之膨胀系数小对于氧离子紧密堆积结构的氧化物，相互热振动 导致膨胀系数较大，约在6～8×10-6/ 0C，升高到德拜 特征温度时，增加到 10～15×10-6/ 0C。
b)热膨胀与T、热容的关系： 温度高，αl大，热容有相似的规律
c)热膨胀与结构的关系 d)压力和应力对热膨胀的影响
.
19
膨胀系数和键强的关系
.
20
热膨胀性能与其它性能的关系
a)热膨胀和结合能、熔点的关系： 结合能高，热膨胀系数小。
b)热膨胀与T、热容的关系： 温度高，热膨胀系数大，热容有相似 的规律
各层间的结合力不同引起热膨胀不同。
.
27
多晶和复合材料的热膨胀
无机材料都是多晶体或由几种晶体和 玻璃相组成的复合体。
各向异性的多晶体或复合材料，由于 其中各部分的α有所不同，而在烧成后的 冷却过程中会产生内应力，而导致热膨胀。
.
28
陶瓷制品表面釉的膨胀
无限大的上釉陶瓷平板样品应力计算：
釉 ＝ E T 0 － T 釉 － 坯 1 － 3 j 6 j 2 坯 ＝ E T 0 － T 坯 － 釉 1 － 3 j 6 j 2
定义
在材料中热量由高温区域向低 温区域传递的现象就称为热传导。 其能力用热导率(Thermalconductivity） λ来衡量。
5.5
尖晶石
7.6 熔融石英玻璃
0.5
莫来石
5.3 窗玻璃
9.0
ZrO2
4.2 堇青石瓷
.
1.1-2.0
22
纯金属的平均线膨胀系数×10-6 （0—100 0C）
.
23
热膨胀与结合能、熔点的关
结合力强，势能曲线深而狭窄，升高同样的温度， 质点振幅增加的较少，热膨胀系数小。
.
24
热膨胀与温度、热容的关系
.
29
热膨胀性质的应用
1.陶瓷材料的坯、釉适应性： α釉略小于α坯， 制品强度高 如果：α釉>α坯， 釉裂 如果：α釉《α坯， 釉层剥落
.
30
热膨胀性质的应用
2. 陶瓷材料与其他材料复合： 例如：电子管中，陶瓷与金属封接等。 要求：1、陶瓷与焊料结合能； 2、与金属热膨胀系数接近。
.
31
无机材料的热传导
无机材料的热膨胀
热膨胀系数
线膨胀系数：
l l0
lT
体膨胀系数：
V V0
VT
线膨胀系数与体膨胀系数的关系:
v 3l
.
15
无机材料的热膨胀
某些无机材料热膨胀.系数与温度的关系 16
固体材料的热膨胀机理
前面我们用原子的间谐振动解释了固体 的比热问题，但晶体的另一些热学性能如热 膨胀、热传导则不能用间谐振动来解释，必 须考虑非间谐振动。
第三章
无机材料热学性能
.
1
无机材料的晶格热振动
材料的各种热性能的物理本质，均 与晶格热震动有关。
晶体点阵中的质点（原子、离子） 总是围着衡位置作微小震动，称为晶格 热震动。
内部各质点热运动动能之和，称为 物体的热量。
.
2
无机材料的热容
热容定义
热容是使材料温度升高1k所需的能量， 它反映材料从周围环境中吸收热量的能 力，不同温度下，热容不同
c)热膨胀与结构的关系 d)相变对热膨胀的影响
.
21
无机材料的平均热膨胀系数
材料 金刚石
线膨胀系数 材 料 1/oC×106 (0－1000)oC
～3.1 SiC
线膨胀系数 1/oC×106 (0－1000)oC
4.7
BeO
9.0 TiC
7.4
MgO
13.5 SiO2
12
ZrO2（稳定化）
10.0 粘土耐火材料
.
9
德拜模型
热容的量子理论
当温度较高时，T >> θD，Cv = 3Nk=25J/mol.K
当温度很低时，T << θD，有：
cv
1254NkTD
3
即：CP与T对的立方成比例，与实验结果相吻合
.
10
无机材料的热容规律
✓ 不同材料θD不同，θD取决于材料的键 强
度，弹性模量和熔点。德拜温度约为熔点 的0.2—0.5倍。