无机非金属材料的性能分析

其他物理与化学性能
三、能带理论
晶体中，由于原子之间的相互作用，原子中 的能级将“展开”，电子也可以从一个原子移 到另一个原子上，从而不断的在晶体中运动。 电子的这种运动叫做共有化。其能量是量子化 的，每个能级只能容纳两个自旋方向相反的电 子。由于晶体中电子能级间的间隙很小，可以 把能级分布看成是准连续的，称为能带。
-
ε r称相对介电常数。
其他物理与化学性能
其他物理与化学性能
其他物理与化学性能
• 研究材料磁性的最基本的任务是确定材料的磁化 强度M与外磁场强度H和温度T的关系，在一定 温度下，定义：M＝χH • χ称为物质的磁化率，即单位外磁场强度下材 料的磁化强度。它的大小反映了物质磁化的难易 程度，是材料的一个重要的磁参数。同时，它也 是物质磁性分类的主要依据。
滞弹性：是指在弹性范围内出现的非弹性 现象。应变不仅与应力有关，而且与时间 有关。
•
弹性变形
蠕变：固体材料在恒定荷载下，变形随时间延续而缓 慢增加的不平衡过程，或材料受力后内部原子由不平 衡到平衡的过程。当外力除去后，蠕变变形不能立即 消失。 例如：沥青、水泥混凝土、玻璃和各种金属等在持续 外力作用下，除初始弹性变形外，都会出现不同程度 的随时间延续而发展的缓慢变形（蠕变）。
材料的断裂
为何断裂强度 的理论值与实 际值差别如此 之大？
材料的断裂
材料的断裂
• 无机非金属材料缺陷，萌生出微裂纹；
• 微裂纹应力集中，微裂纹扩展。
第二章 无机非金属材料的 性能
第三节 其他物理与化学性能
介电陶瓷
锂离子电池
快离子导体
吸铁石
收音机喇叭
收音机喇叭上的吸铁石 不是铁磁体！
车窗玻璃
高温
T高: 较多的振动模式 较大的振动振幅 较多的声子被激发 较多的声子数
声子浓度梯度（扩散）
T1低: 较少的振动模式 较小的振动振幅 较少的声子被激发 较少的声子数
低温
温度平衡时：同样多的振动模式 同样多的振动振幅 同样多的声子数
热传导
从晶格格波的声子理论可知：
热传导过程是声子从高浓度区域到低浓度区的扩散 过程。如果声子不发生碰撞，声子的扩散速度就是 热量的传播速度。 但事实上，声子在扩散过程中肯定要发生碰撞。从而 产生热阻。
• 温度上升，硬度下降。
硬度与强度
材料的断裂
• 脆性断裂（低温，常温下无机非金属材 料）；
• 延性断裂（金属材料）；
• 蠕变断裂（高温下合金与陶瓷）。
材料的断裂
• 材料的理论断裂强度
T
E a0
材料的断裂
• 材料的理论断裂强度高达E/5到E/10；
• 除很细的石英玻璃纤维和氧化铝晶须而 外，大部分材料实际断裂强度仅仅只有 E/100到E/1000！！！
其他物理与化学性能
• 因此物质内部的磁感应强度可以确定为 B 0 H J 0 ( H M ) 0 ( H H ) 0 (1 ) H 0 r H • 磁矩p在磁感应强度为B的磁场中，所受力矩为
L p B
• 所具有的静磁能为
E pB
其他物理与化学性能
平板电容器的电容量： ε 称静态介电常数 极板间为真空时的电容： ε 0为真空介电常数 当两极板间放入电介质，相同电位差时由于 电介质极化产生的表面感应电荷部分屏蔽了极板 产生的静电场，使极板上的电荷增多，电容增大 （根据C=Q/U)。
+ + + + -
+ + + + + + + + +
-
+ + + + + +
弹性变形
• 弹性后效：当外力除去后，应变只消失一部 分，另一部分随时间慢慢消失，其实不能立 即消失的应变是蠕变应变，不能立即消失。
弹性变形
0 (t) 0 MR MR
0
e
t

硬度与强度
• 无机非金属材料：硬度高；
• 应用最广泛之测硬度方法：维氏硬度 （HV）；
• • • • • 顺磁体； 抗磁体； 铁磁体； 亚铁磁体（铁氧体磁性）； 反铁磁体。
其他物理与化学性能
M 铁磁性材料
亚铁磁性材料
顺磁性材料
反铁磁性材料
0
H 抗磁性材料
其他物理与化学性能
• 收音机喇叭上的吸铁石的化学成分是 Fe3O4，并不是铁磁体！！！！！！
• Fe3O4是亚铁磁体。
其他物理与化学性能
砂锅
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
λ——导热系数 热流q的物理意义：指单位温度梯度下，单位时间内通过
单位垂直面积的热量，单位为J/(m2· S· k)或W/(m· K)。
当存在温度差是，高温端，质点动能增加，和邻 近温度低的质点碰撞程度增加，热量开始传递给 温度低的质点，依次结果，热量就从高温端传到 低温端。
－5
9
9
除快离子导体外，无机非金属材料一般属于 绝缘体与半导体。
其他物理与化学性能
• 离子导电性
除了常见的自 由电子导电而 外，离子能否 贡献电导？
其他物理与化学性能
Br-
Ag+
Cl-
K+
AgBr中的Frenkel缺陷
KCl中的Schottky缺陷
肖特基缺陷和弗伦克尔缺陷
其他物理与化学性能
• 离子迁移所需活化能； • 无序的热运动； • 如果是由大半径的阴离子构成骨架，并且 对阳离子束缚能力弱，有大量空隙，阳离 子可在空隙自由移动——快离子导体。
l l l0 T
αl——线膨胀系数
材料：l 105 ~ 106 / K
热膨胀
V aV V0 T
αV——体膨胀系数 各向异性的材料：各晶轴方向的线膨胀系数不同， 假如分别为αa 、αb 、αc， 则有
V a b c
V 3 l 各项同性的材料：
同学们知道一些应用 热学性能的实例吗？
热学性能
被子
声 子
什么是声子？
声 子
非金属材料 自由电子很少 离子晶体（离子构成） 共价晶体（原子构成）
这些质点可以在平衡位置 上振动，形成格波，格波 可以在整个材料中传播。
声 子
电磁波 光 子
晶格原子热振 动波
声 子
热 容
热容：物体温度升高1K所需要增加的热量。
钠蒸气放电会产生超过1000℃的高温；钠蒸气有 强烈的腐蚀作用，所以普通玻璃灯管承受不了钠蒸气 放电产生的高温，此时普通玻璃要软化。但氧化铝材 料陶瓷能承受高温，又耐腐蚀，透明氧化铝陶瓷的熔 点高达2050℃，能在1600℃的环境里不受钠蒸气腐 蚀，因此用氧化铝陶瓷。
热学性能
材料的热学性能主要包括材料的热容、热膨胀、 热传导、热电势和热稳定性等。
其他物理与化学性能
• 只有非满带的电子才参与导电。
其他物理与化学性能
• 介电性：绝缘体又叫电介质。 绝缘体 绝缘
如同水坝拦水，有水位差而 无水流，存储水能一样，绝 缘体相当于一道“电的堤 坝”，能够存储电能。
存储电能
其他物理与化学性能
• Q:电介质不同的电容器，电位相同时，所存储的 电荷是否相同？
2.新型无机非金属材料的特性
（1）耐高温、强度高。
氧化铝陶瓷（人造刚玉） ①高熔点；②高硬度；③可制成透明 主要特性 陶瓷；④无毒、不溶于水，强度高； ⑤对人体有较好的适应性 高级耐火材料，刚玉球磨机；高压钠 主要用途 灯的灯管、人造骨、人造牙、人造心 瓣膜、人造关节等
高压钠灯是发光效率很高的一种电光源，光色金白，在它的灯光 下看物清晰，不刺眼。平均寿命长达1万小时～2万小时，比高压汞灯 寿命长2倍，高过白炽灯的寿命10倍，是目前寿命最长的灯。早在30 年代初，人们就已经知道利用钠蒸气放电可获得一种高效率的光源， 但一直到1960年，高压钠灯才呱呱坠地，后经不断发展改进，才得以 实际应用。 为什么从知道钠蒸气放电 到高压钠灯的使用经过了二 十几个年头呢?
热阻： 声子扩散过程中的各种散射。
热传导
多孔耐火砖：热膨胀系数小； 热导率低。
第二章 无机非金属材料的 性能
第二节 力学性能
孩子吃饭用瓷碗吗？ 不用！ 用不锈钢碗或塑料碗！ 瓷本身易碎！
硬度大、耐磨损
透明、耐高压
氧化铝陶瓷制品
高 压 钠 灯
熔点高
氧化铝陶瓷 球磨罐
星式氧化铝陶瓷球磨机
材料的力学性能
Q CT子振动在宏观性质上的一个最直接的表现
热 容
恒压热容：加热条件在恒压下进行
Q 1 H 1 Cp ( )p ( )p T m T m
恒容热容：加热条件在恒容下进行
Q 1 U 1 Cv ( ) v ( )v T m T m
第二章 无机非金属材料的 性能
第一节 热学性能
无机非金属材料的性能综述
1.传统无机非金属材料的特性
（1）优点：具有抗腐蚀、耐高温的优点。
（2）缺点：质脆、经不起热冲击的弱点。
传统无机非金属材料与现在所用的许多金属材料 相比，有许多独特的优势，这使得很多行业的科学家 都对它情有独钟，然而，它的弱点的存在，又使它的 应用范围受到了一定的限制。为此，科学家们进行深 入的研究和探索，并进行了反复的实验，随之而来的 便是多种多样具有特殊性能的新型无机非金属材料的 问世。
热膨胀
热膨胀
原子势能—原子间距关系
由于原子间作用力是非简谐的，
使得原子势能呈非对称。
热膨胀
r0是能量的最低处， T↑,质点振动幅度↑ 质点振动能量↑ 质点离开平衡位置r0
出现两个偏离间距，
最终离开平衡位置的平均
距离增加。
因此： T↑， 质点距离↑ 体积↑
热膨胀
如何省力地开 启玻璃罐头？
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。
热传导
声子：质点热振动能量是量子化的， En (n 1 )hv
2
声频波的间隔能级hv, hv是这种量子化弹性波的最 小单位，称为量子或声子。 声子能量: hv值大小 声子数：忽略零点能1/2hv，
En n hv
其他物理与化学性能
• 电学性能 • 磁学性能 • 光学性能 • 化学性能
其他物理与化学性能
导 体： ρ ＜10 Ω·m 。 其中 纯金属ρ ：10 ～10 Ω·m 合金ρ ：10 Ω·m ～10 Ω·m 。 半导体：ρ 在10 Ω·m ～10 Ω·m 。 绝缘体：ρ ＞10Ω·m。
－5 －8 －7 －7 －5
热 容
实际材料中：
高温时： CV为常量 3R(杜隆—珀替定律)。
Cv
C T
0
3
常数
低温时：CV 的实验值并 不是一个恒量. 与T3成比例，
渐趋于零。
T/K
热 容
你知道生活中材料热容的应用吗？
铝挤塞铜制作工艺，将铜材导热速度快和铝材 单位质量热容更高的优点结合。
热膨胀
热膨胀： 物体体积或长度随温度升高而增大的现象
高温
dT dx
低温
气体材料导热——分子间直接碰撞（导热性差），
金属材料导热——主要是自由电子间碰撞，
无机非金属材料导热——晶格振动（格波），
热辐射——光子（电磁波）
固体材料中热量是由自由电子、质点振动、热辐射所传递的 (一) 电子热导
热传导机制相应的分为三种
(二) 声子热导
(三) 光子热导
热传导
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。
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。
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
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
1 2
ks m
弹性变形
• 理想弹性：在振动条件下，应力和应变之 间的关系完全遵从胡克定律，应力与应变 随时保持同相位。
红宝石
蓝宝石
钻石
其他物理与化学性能
入射角、折射角、
材料的折射率、光在 材料中的传播速度有 下述关系： 入射束
i1 n1 n2 i2
折射束
其他物理与化学性能
空玻璃杯
有水玻璃杯
其他物理与化学性能
• n2/n1越接近1，反射率就越小。 • 光学透镜系统中，透镜与透镜之间存在空气， 反射率高；一般设计时，在透镜之间粘有透明 的胶，胶折射率与透镜折射率相近，因而相对 折射率n21=n2/n1接近1，从而反射率损失大大 降低。