材料化学----曾兆华Chapter3-Properties-of-Materials

材料的性能Chapter3PropertiesofMaterials1Chapter3PropertiesofMaterialsChapter3PropertiesofMaterials2GeneralCharactersofMaterialsChapter3PropertiesofMaterials3本章主要内容材料的几类主要性能：化学性能力学性能热性能电性能磁性光学性能学习目的：1.了解材料的各类性能；2.学习一些材料性能的表征及测试方法；3.加深理解材料结构与性能的关系。Chapter3PropertiesofMaterials4溶蚀性耐腐蚀性抗渗透性抗氧化性——材料抵抗各种介质作用的能力化学稳定性3.1化学性能ChemicalPerformanceChapter3PropertiesofMaterials5(1)Chemicalstabilityofmetalmaterials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吸附（1）化学锈蚀3.1.1耐氧化性金属氧化反应的主要过程示意图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6Chapter3PropertiesofMaterialsChapter3PropertiesofMaterials7Electrochemistrycorrosion（2）电化学腐蚀simpleelectrochemicalcellcorrosioncellbetweenasteelwaterpipeandacopperfittingChapter3PropertiesofMaterials8ElectrochemistrycorrosionSO2气体对铁的侵蚀过程（2）电化学腐蚀Chapter3PropertiesofMaterials9Example海水对金属的侵蚀示意图Cathodicprotectionofaburiedsteelpipeline电化学防锈——牺牲阳极法10Chapter3PropertiesofMaterialsChapter3PropertiesofMaterials11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？Chapter3PropertiesofMaterials123.1.2耐酸碱性耐酸材料以酸性氧化物SiO2为主耐碱材料大多数金属氧化物都是碱性氧化物，相应的材料表现出较强的耐碱性，而易受酸侵蚀或溶解。(2)Chemicalstabilityofnon-metalmaterialsChapter3PropertiesofMaterials13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。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。Chapter3PropertiesofMaterials14(3)Chemicalstabilityofpolymers化学稳定性好，耐酸耐碱高分子材料：•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Chapter3PropertiesofMaterials15(3)Chemicalstabilityofpolymers•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，很多有机溶剂都可以将其溶解；•交联型高分子在有机溶剂中不溶解，但能溶胀，使材料体积膨胀，性能变差；•不同的高分子材料，其分子链以及侧基不同，对各种有机溶剂表现出不同的耐受性；•组织结构对耐溶剂性也有较大影响。–例如，作为结晶性聚合物，聚乙烯在大多数有机溶剂中都难溶，因而具有很好的耐溶剂性。3.1.3耐有机溶剂性Chapter3PropertiesofMaterials16(3)Chemicalstabilityofpolymers•光照下形成自由基：3.1.4耐老化性——高分子材料面临的问题CH2CCHCH2CH3hCH2CCHCH3CH-H+•氧气的参与：RH2(1)RH+OOR+OOH(2)R+OOROOROOH+R(3)ROOH+RHRO+OH(4)RO+OHROH+R(5)HO+RHR+HO－－－－－－－•自由基形成后导致链的断裂（降解）：CCHCCH3OOCH3CCH2CH3COOCH3CH2CCHCCH3OOCH3CCH2CH3COOCH3CH2+Chapter3PropertiesofMaterials17(3)Chemicalstabilityofpolymers•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。结构与耐老化性Chapter3PropertiesofMaterials18(3)Chemicalstabilityofpolymers•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–淬灭剂耐老化性的提高Chapter3PropertiesofMaterials19——材料抵受外力作用的能力FFFFFF拉伸压缩弯折剪切3.2力学性能MechanicalPropertyChapter3PropertiesofMaterials20•应力stress•应变strain拉伸强度弯曲强度冲击强度0/FA00()/lll3.2.1材料的强度(Strength)Chapter3PropertiesofMaterials21Experiment样品拉伸试验应力-应变曲线(Hooke'sLaw)EultimatetensilestrengthyieldstrengthChapter3PropertiesofMaterials22J.AM.CHEM.SOC.2004,126,10226-10227延展性或塑性的表征•延伸率elongation•断面收缩率reductionofarea00100%flll00100%fAAA5%：脆性材料23Chapter3PropertiesofMaterialsChapter3PropertiesofMaterials24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，屈服强度高。–源于共价键的方向性Chapter3PropertiesofMaterials25102030(%)0100200300400500600700800900(MPa)低碳钢锰钢硬铝退火球墨铸铁Chapter3PropertiesofMaterials263.2.2材料的硬度（hardness)——材料局部抵抗硬物压入其表面的能力的量度•布氏硬度（Brinellhardness）•洛氏硬度（Rockwellhardness）HR=(K-h)/0.002•维氏硬度（Vickershardness）HV=0.189F/d222(/2)()iFDDDD材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标Chapter3PropertiesofMaterials27维氏硬度测量Chapter3PropertiesofMaterials28硬度试验Chapter3PropertiesofMaterials29各种材料的硬度特征：•由共价键结合的材料如金刚石具有很高的硬度，这是因为共价键的强度较高；•无机非金属材料有较高硬度–离子键和共价键的强度均较高；–当含有价态较高而半径较小的离子时，所形成的离子键强度较高（因静电引力较大），故材料的硬度更高。•金属材料形成固溶体或合金时可显著提高材料的硬度。•高分子材料硬度通常较低–分子链之间主要以范德华力或氢键结合，键力较弱Chapter3PropertiesofMaterials303.2.3疲劳性能——材料抵抗疲劳破坏的能力•疲劳（fatigue）：材料在循环受力（拉伸、压缩、弯曲、剪切等）下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。热容（heatcapacity）热膨胀（thermalexpansion）热传导（thermalconduction）Chapter3PropertiesofMaterials313.3热性能ThermalPropertyChapter3PropertiesofMaterials32•定压热容Cp–晶体材料较高温度下：Cp=3R=24.9Jmol-1K-1。–极低温度下：CpT3•定容热容CVdTdQC3.3.1热容（heatcapacity）——1mol物质升高1K所需要的热量Chapter3PropertiesofMaterials33•膨胀系数：温度变化1K时材料尺度的变化量。•线膨胀系数l和体积膨胀系数V1lpllT1VpVVT3.3.2热膨胀thermalexpansionChapter3PropertiesofMaterials34Curve势能一原子间距离曲线假想的实际的热膨胀现象解释Chapter3PropertiesofMaterials35Curve•金属和无机非金属材料的线膨胀系数较小；•聚合物材料则较大。键强与热膨胀膨胀的差异——原子间的键合力越强，则热膨胀系数越小。Chapter3PropertiesofMaterials36Examples•热量通量q：•热导率：表征物质热传导性能的物理量。–单位：Wm-1K-1，或calcm-1s-1K-1–1calcm-1s-1K-1=4.2102Wm-1K-13.3.3热传导（thermalconduction）——热量从系统的一部分传到另一部分或由一个系统传到另一个系统的现象dTqdxChapter3PropertiesofMaterials37各种材料的导热率•金属材料有很高的热导率–自由电子在热传导中担当主要角色；–金属晶体中的晶格缺陷、微结构和制造工艺都对导热性有影响；–晶格振动•无机陶瓷或其它绝缘材料热导率较低。–热传导依赖于晶格振动（声子）的转播。–高温处的晶格振动较剧烈，再加上电子运动的贡献增加，其热导率随温度升高而增大。•半导体材料的热传导：–电子与声子的共同贡献–低温时，声子是热能传导的主要载体。–较高温度下电子能激发进入导带，所以导热性显著增大。•高分子材料热导率很低–热传导是靠分子链节及链段运动的传递，其对能量传递的效果较差。Chapter3PropertiesofMaterials38ExamplesChapter3PropertiesofMaterials39导电性介电性铁电性压电性——材料被施加电场时所产生的响应行为3.4电性能ElectricalPropertyChapter3PropertiesofMaterials402.1.3.5Electricalproperty3.4.1导电性能ElectricalConductivity金属：导体、半导体（半导体金属砷、碲等）陶瓷：绝缘体、半导体高分子材料：绝缘体、半导体、导体其它：硅、锗（半导体），石墨（导体）Chapter3Pr