材料物理性能
材料物理性能及测试
材料物理性能及测试材料的物理性能是指材料在物理方面的性质和行为，包括材料的力学性能、热学性能、电学性能以及光学性能等。
这些性能对于材料的使用和应用起着重要的作用。
为了准确地评估和测试材料的物理性能，科学家和工程师使用了各种测试方法和仪器设备。
一、力学性能力学性能是衡量材料在外力作用下的行为的一种性能。
主要指材料的强度、韧性、硬度、延展性等。
常用的测试方法包括拉伸测试、压缩测试、剪切测试和弯曲测试等。
1.拉伸测试拉伸测试是一种常见的方法，用来评估材料的强度和延展性。
在拉伸测试中，材料样品被施加拉伸力，通常通过测量载荷和伸长量来计算拉伸应力和应变。
拉伸强度是指材料在拉伸过程中承受的最大应力，屈服强度是指材料开始产生可观察的塑性变形的应力。
2.压缩测试压缩测试用于测量材料在受压力下的性能。
将材料样品放入压力装置中，施加压力使其受到压缩，通过测量载荷和位移来计算压缩应力和应变。
压缩强度是指材料在压缩过程中承受的最大应力。
3.剪切测试剪切测试用于评估材料的抗剪切能力。
将材料样品放入剪切装置中，施加剪切力使其发生剪切变形，通过测量载荷和位移来计算剪切应力和应变。
剪切强度是指材料在剪切过程中承受的最大应力。
弯曲测试用于评估材料在弯曲载荷下的行为。
将材料样品放入弯曲装置中，施加弯曲力使其发生弯曲变形，通过测量载荷和位移来计算弯曲应力和应变。
弯曲强度是指材料在弯曲过程中承受的最大应力。
二、热学性能热学性能是指材料在温度变化下的行为。
主要包括热膨胀性、热导率、比热容等性能。
常用的测试方法包括热膨胀测试、热导率测试和比热容测试等。
1.热膨胀测试热膨胀测试用于测量材料随温度变化而发生的膨胀或收缩。
在热膨胀测试中，材料样品被加热或冷却，通过测量长度变化来计算热膨胀系数。
2.热导率测试热导率测试用于测量材料传导热的能力。
在热导率测试中，材料样品的一侧被加热，另一侧被保持在恒定温度，测量两侧温度差来计算热导率。
3.比热容测试比热容测试用于测量材料吸热或放热的能力。
材料物理性能
量子自由电子理论的主要内容：金属中正离子形成的电场是均匀的，价电子不被原子所束缚，可以在整个金属中自由地运动。
满带：全带中每一能级都被都被两个电子占据的能带。在能带图中满带是在最下方，该处电子能量低，不足以参加物理过程（除非受激发），因此满带没有导电性。
线膨胀系数：温度升高1K时，物体的相对伸长。
线性振动：是指质点间的作用力与距离成正比。
热膨胀和结合能、熔点的关系:固体材料的热膨胀与晶体点阵中质点的位能性质有关，而质点的位能性质是由质点间的结合力特性所决定的。所以，质点间结合力强 ，热膨胀系数小.熔点也取决于质点间的结合力。所以熔点高的材料膨胀系数小。
空带：所属各能级上没电子的能带。因此也无导电性。
价带：与原子中价电子的能量相对应的能带。在半导体或电绝缘体中，价带是满带中能量最高的能带。由于热激发、光辐射或掺入杂质等原因，价带可能失去少量电子，留下空穴，从而产生空穴导电性。
导带：最靠近价带而能量较高的能带.这是除去完全被电子充满的一系列能带外，还有部分被填表满的能带.此带中，电子能自由活动。由于热激发、光辐射或掺入杂质等原因，导带出现少量电子，从而产生电子导电性。
（1）材料抵抗发生瞬时断裂这类破坏的性能，称为抗热冲击断裂性；
（2）材料抵抗在热冲击循环作用下，材料表面开裂、剥落，并不断发展，最终碎裂或变质这类破坏的性能，称为抗热冲击损伤性。
提高抗热冲击断裂性能的措施:1．提高材料强度σ，减小弹性模量E，使σ／E提高。2．提高材料的热导率λ，使R′提高。3．减小材料的热膨胀系数α。4减小表面热传递系数h。5减小产品的有效厚度rm。6有意引入裂纹，是避免灾难性热震破坏的途径。
材料物理性能简介-2014
<<材料物理性能>>基本要求一，基本概念：1.摩尔热容: 使１摩尔物质在没有相变和化学反应的条件下，温度升高1K所需要的热量称为摩尔热容。
它反映材料从周围环境吸收热量的能力。
2.比热容：质量为1kg的物质在没有相变和化学反应的条件下，温度升高1K所需要的热量称为比热容。
它反映材料从周围环境吸收热量的能力。
3.比容：单位质量（即1kg物质）的体积，即密度的倒数（m3/kg）。
4.格波：由于晶体中的原子间存在着很强的相互作用，因此晶格中一个质点的微振动会引起临近质点随之振动。
因相邻质点间的振动存在着一定的位相差，故晶格振动会在晶体中以弹性波的形式传播，而形成“格波”。
5.声子（Phonon）: 声子是晶体中晶格集体激发的准粒子，就是晶格振动中的简谐振子的能量量子。
6.德拜特征温度: 德拜模型认为:晶体对热容的贡献主要是低频弹性波的振动，声频支的频率具有0～ωmax分布,其中,最大频率所对应的温度即为德拜温度θD,即θD=ћωmax/k。
7.示差热分析法（Differential Thermal Analysis, DTA ）: 是在测定热分析曲线（即加热温度T与加热时间t的关系曲线）的同时，利用示差热电偶测定加热（或冷却）过程中待测试样和标准试样的温度差随温度或时间变化的关系曲线ΔT~T（t），从而对材料组织结构进行分析的一种技术。
8.示差扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry, DSC）: 用示差方法测量加热或冷却过程中，将试样和标准样的温度差保持为零时，所需要补充的热量与温度或时间的关系。
9.热稳定性（抗热振性）：材料承受温度的急剧变化（热冲击）而不致破坏的能力。
10.塞贝克效应：当两种不同的导体组成一个闭合回路时，若在两接头处存在温度差则回路中将有电势及电流产生，这种现象称为塞贝克效应。
11.玻尔帖效应：当有电流通过两个不同导体组成的回路时，除产生不可逆的焦耳热外，还要在两接头处出现吸热或放出热量Q的现象。
材料物理性能
裂纹的快速扩展（脆性材料） ：临界裂纹尺寸决定材料的断裂强度，一旦裂纹临界尺寸就 迅速扩展使材料断裂。因为裂纹扩展力 G=π Cζ ²/E,C↑,G↑而 dWs/dc=2γ 是常数，因此， 裂纹一旦达到临界尺寸开始扩展，G 就越来越大于 2γ ，知道破坏。 亚临界生长：在使用应力下，裂纹随时间的推移而缓慢扩张，这种缓慢扩展叫亚临界生长。 13、 防止裂纹扩展的措施：1.作用应力不超过临界应力；2.在材料中设置吸收能量的机 构 3.认为地在材料中造成大量极微细的裂纹也能吸收能量。 14、 应力腐蚀理论：在一定的环境，温度和应力场强度因子作用下，材料中关键裂纹尖 端处，裂纹扩展动力与裂纹扩展阻力的比较构成裂纹开裂或止裂的条纹。 15、 显微结构对材料脆性断裂的影响：晶粒尺寸愈小，强度愈高；气孔率增加，强度 和弹性模量降低。 16、 提高无机材料强度改进材料韧性的途径：1.微晶，高密度与高纯度，消除缺陷，提 高晶体的完整性，强度增加。2.提高抗裂能力与预加应力。 （钢化玻璃）表面造成一层压 应力层，脆性断裂自表面开始断裂，预加应力吼需要克服该应力后才开始破坏。3.化学 强化。改变表面化学的组成，使表面的摩尔体积比内部的大，由于表面受到内部材料的 限制，就产生两向状态的压应力，从而使表面残余应力更高。通常是一种大离子置换小 离子来提高压应力。 4.相变增韧。 利用多晶多相陶瓷中某些组成成分在不同温度的相变， 体积增大使围观裂纹终止，从而达到增韧的效果。5.弥散增韧。在基体中渗入具有一定 颗粒尺寸的微细粉料，达到增韧的效果。 17、 F,m 的选择原则（纤维与晶体的匹配原则） ：1.使纤维尽可能多的承担外加负荷。为 此，应选用强度及弹性模量比基体高的纤维。2.二者的结合强度适当，否则基体中所承 受的应力无法传递到纤维上。3.应力作用的方向与纤维平行，才能发挥纤维的作用，因 此应注意纤维在基体中的排列。4.纤维与基体的热膨胀系数匹配，最好是纤维的热膨胀 系数略大于基体。5.考虑二者在高温下的化学相容性。必须保证高温下不发生纤维性能 降低的化学反应。6.必须使 Vf>Vf 临界，才能起到强化作用。 18、 热容：物体温度升高 1K 所需要增加的能量 热膨胀：物体的体积或长度随温度的 升高而增大的现象。比热：单位质量的热容。 19、 晶态固体热容经验定律：1.杜隆—珀替定律（元素热容定律） ：恒压下元素的原子 热容为 25J/（K·mol）.实际上，大部分元素的原子热容都接近该值，特别在高温时符合 地更好。局限：轻元素的原子热容有较大误差 2 柯普定律（化合物热容定律） ：化合物 分子热容等于构成此化合物各元素原子热容之和。 20、 爱因斯坦，德拜模型比热模型的异同：同：都是在量子理论的基础上求得热容的 表达式，且两者在高温时与经典公式一致；异：1.爱因斯坦比热模型假设的是每个原子 都是一个独立的振子， 原子之间彼此无关。 所导出的热容值仅在高温下与经典公式一致， 而德拜模型考虑了晶体中原子的相互作用，把晶体近似为连续介质，声频支的震动也近 似的看作是连续的，与实验结果十分吻合；2.爱因斯坦模型的假设忽略可原子振动之间 频率的差别，导致模型在低温时不准；德拜模型考虑了晶体中原子的相互作用，高于 Wmax 不在声频支而在光频支范围，对热容贡献小，可忽略。当温度很低时，即 T<<θ D,有 Cv=12/5π 4NK(T/θ D)3,温度越低，近似越好。 热膨胀系数：温度升高 1K，物体的相对伸长或体积的相对增长值。 19、热膨胀机理 固体材料的热膨胀本质， 归结为点阵结构中的质点间平均距离随温度升高而增大。 在晶格振 动中相邻质点间的作用力实际是非线性的，质点在平衡位置两侧时，受力并不对称。在在质 点平衡位置两侧，合力曲线斜率时不相等的。当 r<r0 时，斜率较小，引力随位移的增大要 慢一些。在这样的受力情况下，质点平衡位置就要向右移，温度越高，相邻质点间平均距离
材料物理性能
材料物理性能1. 引言材料物理性能是指材料在物理方面的性能特征与表现，包括其力学性能、热学性能、电学性能等。
了解材料的物理性能能够帮助我们选择合适的材料，预测材料的行为以及进行工程设计和优化。
2. 力学性能2.1 弹性模量弹性模量是材料在受力作用下产生弹性变形的能力，一般表示为杨氏模量（Young’s modulus）、剪切模量（Shear modulus）和泊松比（Poisson ratio）。
- 杨氏模量描述了材料在受拉或受压时的弹性性能，可以算作是应力与应变之间的比例系数。
- 剪切模量衡量了材料在受剪切力作用下的变形能力。
- 泊松比描述了材料在受力作用下，在两个垂直于受力方向的平面上的变形比例。
2.2 强度强度是指材料在承受外力作用下能够抵抗变形和破坏的能力。
强度可以分为屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗剪强度等。
不同类型的力学性能指标适用于不同的应用场景。
2.3 脆性和韧性脆性是指材料在受力作用下容易发生断裂的性质，表现为材料的断裂韧度较低；韧性是指材料在受力作用下能够发生塑性变形而不断裂的性质，表现为材料的断裂韧度较高。
脆性和韧性是相对的，不同材料的脆性和韧性特点不同。
3. 热学性能3.1 热膨胀系数热膨胀系数描述了材料在温度变化下的对长度、体积或密度的变化率。
材料的热膨胀系数可以影响它在温度变化下的热膨胀或收缩行为。
3.2 热导率热导率是指材料传导热量的能力，表示的是单位时间内单位温度差下，通过单位横截面积所传导的热量。
热导率可以用于描述材料的导热性能。
3.3 热容量热容量是指材料在受热时吸收热量的能力，以及在冷却时释放热量的能力。
热容量可以用于描述材料在温度变化下的热稳定性和热响应行为。
4. 电学性能4.1 电导率电导率是指材料导电的能力，表示单位长度内单位面积上的电流。
电导率可以用于描述材料的导电性能。
4.2 介电常数介电常数是指材料对电场的响应能力，表示单位电场下单位体积内储存能量的能力。
材料物理性能
§1 材料物理性能1.1 热学性能1.1.1 热容热容是表征材料从周围环境吸收并储存热量的能力，可以用每一摩尔物质温度每升高1K时所吸收的热量来表示，单位为：J/mol/K。
定压热容Cp ：Cp = dQ/dT (p=p0)定容热容Cv ：Cv = dQ/dT (v=v0)1.1.2 热传导热传导是表征材料传热能力大小的，用热传导率λ表示，单位为W/m/K:q = -λdT/dx式中，q ------ 单位时间内流过垂直于热流方向的单位面积的热量，单位为W/m2；dT/dx ------ 温度梯度，单位为K/m。
热传导的本质是由于温差而发生的材料相邻部分之间的能量迁移，可以通过三种方式进行：自由电子传导、晶格振动传导和分子或链段传导。
金属材料的热传导主要是通过自由电子在晶体中的自由迁移实现的，因此具有较高的热导率，约为20-400 W/m/K。
无机非金属材料主要是通过离子键、共价键结合，电子迁移困难，其热传导主要通过晶格振动实现，一般热导率低，约为2-50 W/m/K，是良好的绝热材料。
玻璃的原子排列远程无序，因此热导率更低。
高分子材料的传热主要是通过分子或链段的振动实现，速度慢，因此其热导率更低。
1.1.3 热膨胀系数热膨胀系数是用来表征材料热胀冷缩特性的，其定义为：温度变化1K时材料单位长度（线膨胀系数αl）或单位体积（体积膨胀系数αv）变化量,单位为1/K：αl = (dl/dT)p/lαv = (dv/dT)p/v对于各向同性材料，αv=3αl 。
热膨胀系数主要取决于原子（或分子、链段）之间的结合力，结合力越大，则热膨胀系数越小。
无机非金属材料原子间结合力大，热膨胀系数最小,约0.5-15 /106K；金属材料次之，约为5-25 /106K；高分子材料以分子间力结合，结合力小，有很大的热膨胀系数，约为50-300 /106K。
在温度作用下，材料热膨胀系数的巨大差异往往会引起很大的应力，从而导致材料界面开裂，材料失效。
材料物理性能
2、弹性模量E随原子间距R的减小，近似的存在以下关系：E=k/R m3、并联：E=E A S A/S+E B S B/S 串联：1/E=L A/E A L+L B/E B L4、弹性系数Ks的大小实质上反映了原子间势能曲线极小值尖峭度的大小。
对于一定的材料它是个常数，它代表了对原子间弹性位移的抵抗力，即原子结合力。
5、影响裂纹扩展的因素：①首先应使作用应力不超过临界应力，这样裂纹就不会扩展。
②其次在材料中设置吸收能量的机构也阻碍裂纹扩展。
③此外，人为地在材料中造成大量极微细的裂纹（小于临界尺寸）也能吸收能量，阻止裂纹扩展。
6、杜隆-珀替定律——元素的热容定律：恒压下元素的原子摩尔热容为25J/(K*mol),即3R7、热膨胀：物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为热膨胀。
8、固体材料的热膨胀机理：①固体材料的热膨胀本质，归结为点阵结构中质点间平均距离随温度升高而增大。
②晶体中各种热缺陷的形成造成局部点阵的畸变和膨胀。
9、影响金属热导率的因素：①温度的影响②晶粒大小的影响③立方晶系的热导率与晶向无关；非立方晶系的热导率表现出各向异性④杂质将强烈影响热导率10、影响无机非金属材料热导率的因素：温度的影响；化学组成的影响；显微结构的影响:a.结晶构造的影响b.各向异性晶体的热导率c.多晶体与单晶体的热导率d.非晶体的热导率11、热稳定性：是指材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力，故又称抗热震性。
12、晶体和非晶体热导率曲线比较：①在不考虑光子导热的贡献的任何温度下λ非晶体<λ晶体。
②高温时，非晶体的热导率和晶体的热导率比较接近。
③两者的λ-T曲线的重大区别在于非晶体的λ-Ｔ曲线无λ的峰值点ｍ。
13、热应力引起的材料断裂破坏，还涉及材料的散热问题，散热使热应力得以缓解。
与此有关的因素包括：材料的热导率λ；传热的途径；材料表面散热速率14、提高材料抗热冲击断裂性能的措施：①提高材料强度、减小弹性模量，使σ/E提高；②提高材料的热导率，使R、提高；减小材料的热膨胀系数；③减小表面热传递系数；减小产品厚度15、光子与固体材料相互作用，实际上是光子与固体材料中的原子、离子、电子等的相互作用，出现以下两重要结果：①电子极化；②电子能态转变。
材料物理性能
1.根据受力应变特征材料分为：脆性材料，延性材料，弹性材料。
2.材料受载荷后形变的三个阶段：弹性形变，塑形形变，断裂3.弹性模量：材料在弹性变形阶段内正应力和对应的正应变的比值。
意义：反映材料抵抗应变的能力，是原子间结合强度的标志。
影响因素（键合方式，晶体结构，温度，复相的弹性模量）。
机理：对于足够小的形变应力与应变成线性关系，系数为弹性模量，物理本质是原子间结合力抵抗外力的宏观表现，弹性系数和弹性模量是反映原子间结合强度的标志。
4.滞弹性：固体材料的应变产生与消除需要有限的时间，这种与时间有关的弹性称为滞弹性。
衡量指标：应力弛豫和应力蠕变。
应力弛豫：在持续外力作用下发生形变的物体在总变形值保持不变的情况下，徐变变形增加使物体的内部应力随时间延续而逐渐减少的现象。
应力蠕变：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。
5.塑性形变指一种在外力移去后不能回复的形变。
滑移系统：滑移方向和滑移面。
产生条件：a-（几何条件）面间距大滑移矢量小b（静电条件）每个面上是同种电荷原子，相对滑移面上的电荷相反。
无机非材料不产生原因：a.滑移系统少；b.（位错运动激活能大）位错运动需要克服的势垒比较大，位错运动难以实现。
施加应力，或者由于滑移系统少无法达到临界剪应力，或者在达到临界剪应力之前就导致断裂；c.伯格斯矢量大。
6.高温蠕变定义：材料在高温下长时间受到小应力作用出现蠕变现象。
影响因素：温度和应力。
机理：a晶格机理（位错攀移理论，由于热运动位错线处一列原子移去或移入，位错线向上移一个滑移面。
）b扩散蠕变理论（空位扩散流动，应力造成浓度差，导致晶粒沿受拉方向伸长或缩短引起形变）c晶界机理（多晶体蠕变，高温下晶界相对滑动，剪应力松弛，有利蠕变。
低温下晶界本身是位错源，不利蠕变）7.理论断裂强度：理论下材料所能承受的最大应力。
实际强度：实际情况中材料在外加应力作用下，沿垂直外力方向拉断所需应力。
8.断裂韧性：是材料的固有性能，由材料的组成和显微结构所决定，是材料的本征参数。
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材料物理性能
材料的物理性能是指材料在受力、受热、受光、受电、受磁等外界作用下所表
现出的性质和特点。
它是材料的内在本质，直接影响着材料的使用性能和应用范围。
材料的物理性能包括了热学性能、光学性能、电学性能、磁学性能等多个方面。
首先，热学性能是材料的一个重要物理性能指标。
热学性能包括导热性、热膨
胀性和热稳定性等。
导热性是指材料传导热量的能力，通常用热导率来表示。
热膨胀性是指材料在温度变化下的体积变化情况，通常用线膨胀系数来表示。
热稳定性是指材料在高温环境下的性能表现，包括了热变形温度、热老化等指标。
这些性能对于材料在高温环境下的应用具有重要意义。
其次，光学性能是材料的另一个重要物理性能。
光学性能包括透光性、反射率、折射率等指标。
透光性是指材料对光的透过程度，通常用透光率来表示。
反射率是指材料对光的反射程度，通常用反射率来表示。
折射率是指材料对光的折射程度，通常用折射率来表示。
这些性能对于材料在光学器件、光学仪器等领域的应用具有重要意义。
此外，电学性能是材料的另一个重要物理性能。
电学性能包括导电性、介电常数、电阻率等指标。
导电性是指材料导电的能力，通常用电导率来表示。
介电常数是指材料在电场中的极化能力，通常用介电常数来表示。
电阻率是指材料对电流的阻碍程度，通常用电阻率来表示。
这些性能对于材料在电子器件、电气设备等领域的应用具有重要意义。
最后，磁学性能是材料的另一个重要物理性能。
磁学性能包括磁导率、磁饱和
磁化强度、矫顽力等指标。
磁导率是指材料对磁场的导磁能力，通常用磁导率来表示。
磁饱和磁化强度是指材料在外磁场作用下的最大磁化强度，通常用磁饱和磁化强度来表示。
矫顽力是指材料在外磁场作用下的抗磁化能力，通常用矫顽力来表示。
这些性能对于材料在磁性材料、电机、传感器等领域的应用具有重要意义。
综上所述，材料的物理性能是材料的重要特性，直接影响着材料的使用性能和应用范围。
不同类型的材料具有不同的物理性能，因此在材料选择和应用过程中，需要充分考虑材料的物理性能指标，以确保材料能够满足特定的使用要求。