《无机材料物理性能》第讲
无机材料物理性能 教学大纲
无机材料物理性能一、课程说明课程编号：060405Z10课程名称(中/英文)：无机材料物理性能/Physical Properties of Inorganic Materials课程类别：学科专业基础课程学时/学分: 56/3.5先修课程：大学物理、物理化学、晶体学基础、材料化学基础适应专业：材料科学与工程教材、教学参考书：(1) 宁青菊、谈国强、史永胜，无机材料物理性能，北京，化学工业出版社，2006(2) 关振铎、张中太、焦金生，无机材料物理性能，北京，清华大学出版社，2006(3) 陈树串，材料物理性能，上海，上海交通大学出版社，1999(4) 邱成军、，材料物理性能，哈尔滨，哈尔滨工业大学出版社，2007二、课程设置的目的意义无机材料物理性能课程是材料科学与工程专业的四年制材料化学方向本科生的一门专业基础课。
通过本课程的学习，了解掌握无机非金属材料的力、光、电、磁、热各种物理性能的基本概念、基本原理，学生将能够理解性能与材料的组成、结构的关系及各性能之间的关联与变化规律，让学生为正确地选择和使用材料、改善材料性能、设计与探索优质新材料提供理论基础。
三、课程的基本要求知识：材料研究必定涉及材料的性能，本课程教学内容包括无机非金属材料的热学、电导、介电、光学、磁学、力学等重要性能的基本原理与微观机制，性能与材料的组成、结构的关系，以及各性能之间的关联与变化规律。
能力：通过本课程的学习，了解掌握无机非金属材料的力、光、电、磁、热各种物理性能的基本概念、基本原理，学生将能够理解性能与材料的组成、结构的关系及各性能之间的关联与变化规律，让学生为正确地选择和使用材料、改善材料性能、设计与探索优质新材料提供理论基础。
素质：建立性能－结构－工艺密切关联的观念，通过课程中的分析讨论辩论培养分析沟通交流素质，建立材料设计制备到应用的思维模式，提升理解工程管理与经济决策的基本素质。
提升自主学习和终身学习的意识，形成不断学习和适应发展素质。
材料物理性能 第一章 (2)
在能源科学技术中的应用
i) 保温材料的优选和保温材料结构的优化设计。
ii) 远红外加热技术，以获得最佳的能量利用率。 iii) 太阳能的利用：要求尽可能多地吸收太阳辐射，
并且要最大限度地抑制集热器本身的热损。
在电子技术和计算机技术中的应用
i) 在超大规模集成电路（容量和密集度迅速增大）中， 要求集成块的基底材料导热性能优良。
自由电子的贡献
CV CVl CVe T 3 T
点阵振动热容 自由电子热容
常温下，自由电子热容微不足道 高温和低温时，电子热容不能够忽略
合金成分的影响
合金的热容是每个组成元素热容与其质量百分比的 乘积之和。
n
C X1C1 X 2C2 X nCn X iCi
无机材料的热容
高于D 时，趋于常数；低于D 时，与 T 3成正比 与材料结构的关系不大 相变时，热容出现了突变 单位体积的热容与气孔率有关
Cp a bT cT 2
不同温度下某些陶瓷材料的热容
相变时，热容出现了突变。
金属材料的热容
➢ 自由电子对热容的贡献 ➢ 合金成分对热容的影响 ➢ 相变时的热容变化
电学、热学、磁学性能 电学、光学性能 电学、热学性能 光学、热学、电学性能
课程内容
➢ 材料的热学、电学、磁学、光学等性能； ➢ 热学、电学、磁学、光学等现象的物理本质； ➢ 热学、电学、磁学、光学等性能的测量； ➢ 材料物理性能的工程意义及从理论上设计材料。
第一章 材料的热学性能
热容 热膨胀 热传导 热稳定性
3N
2
kT
e kT
2
无机材料物理性能-习题讲解
2. 已知金刚石的相对介电常数r=5.5，磁化 率=-2.17×10-5，试计算光在金刚石中的传 播速度
c c c v n rr r (1 ) 3 108 5.5 (1 2.17 105 ) 1.28108 m / s
引起散射的其它原因还有：缺陷、杂质、晶粒界 面等。
7. 影响热导率的因素有哪些？
温度的影响:
低温：主要是声子传导。自由程则有随温度的升高而迅速降低的特点，低温时，上限为晶粒的距离， 在高温时，下限为晶格的间距。
高温下热辐射显著，光子传导占优势；
在低温时，热导率λ与T3成比例。高温时,λ则迅速降低。 结晶构造的影响 ：声子传导与晶格振动的非谐和有关。晶体结构越复杂，晶格振动的非谐和越大， 自由行程则趋于变小，从而声子的散射大， λ 低。
9.证明固体材料的热膨胀系数不因内含均匀 分散的气孔而改变
对于内含均匀分散气孔的固体材料，可视为固相 与气相组成的复合材料，其热膨胀系数为：
V KW / K W /
i i i i i i i
由于空气组分的质量分数Wi≈0，所以气孔对热膨 胀系数没有贡献。
10. 影响材料散热的因素有哪些？
第三章
材料的光学性能
---习题讲解
1. 试述光与固体材料的作用机理
在固体材料中出现的光学现象是电磁辐射与固体材料中的 原子、离子或电子之间相互作用的结果。一般存在两种作 用机理： 一是电子极化，即在可见光范围内，电场分量与传播过程 中遇到的每一个原子都发生相互作用，引起电子极化，即 造成电子云和原子核的电荷中心发生相互位移，所以当光 通过介质时，一部分能量被吸收同时光速减小，后者导致 折射。 二是电子能态转变：即电磁波的吸收和发射包含电子从一 种能态向另一种能态转变的过程。材料的原子吸收了光子 的能量之后可将较低能级的电子激发到较高能级上去，电 子发生的能级变化与电磁波频率有关。
1-《材料物理性能》-第一章-概论
材料物理性能第一章：概论本节主要内容(一)材料及其性能研究的重要性(二)知识体系1、材料的概念2、材料的分类3、材料科学与工程专业(三)课程简介(四)第一章：材料物理性能概论材料及其性能研究：贯穿于整个人类的文明史。
人类使用的材料，决定了人类的文明程度。
实质上——主要取决于材料的性能如何。
材料的重要性Michael Faraday 电气时代:电磁材料超级计算机个人电脑材料是信息社会的基石！传感器件半导体芯片半导体技术液晶材料光学材料金属、高分子材料磁性材料移动通讯数码拍照拍照功能显示功能外壳信号接受对话功能电子线路照片存储介电材料移动网络语音、视频本节主要内容(一)材料及其性能研究的重要性(二)知识体系1、材料的概念2、材料的分类3、材料科学与工程专业(三)课程简介(四)第一章：材料物理性能概论◼材料(materials)的概念：➢材料是人类社会所能接受的、可经济地制造有用物品的物质。
➢材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的物质的统称。
材料是人类赖以生存和发展的物质基础,与国民经济建设、国防建设和人民生活密切相关。
20世纪70年代，把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱。
80年代，以高技术群为代表的新技术革命，又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。
◼材料的分类：➢按照人为加工程度区分：✓天然材料：自然界原来就有未经加工或基本不加工可直接使用•如棉花、沙子、石材、蚕丝、煤矿、石油、铁矿、羊毛✓合成材料：人为把不同物质经化学方法或聚合作用加工而成•如塑料、合成纤维和合成橡胶天然材料材料合成材料◼材料的分类：➢按照物理化学属性区分：✓金属材料✓无机非金属材料✓有机高分子材料✓复合材料➢按照用途区分：✓建筑材料、电子材料✓航空航天材料、核材料✓生物材料、能源材料✓。
金条铜阀玻璃水泥高分子材料碳纤维复合材料◼材料的分类：➢按照结晶状态区分：✓晶体(单晶、多晶)：短程有序，长程有序✓非晶：短程有序，长程无序✓准晶：介于晶体和非晶之间，长程有序，但无平移对称性(如：5次旋转对称性)✓液晶：由固态向液态转化过程中存在的取向有序流体非晶玻璃NaCl 晶体2011诺贝尔化学奖“发现准晶体”[铝锰合金]达尼埃尔·谢赫特曼◼材料的分类：➢按照使用性能区分：◼复杂性能◼化学性能◼物理性能◼力学性能③使用性能②工艺性能①复合性能③抗渗入性②耐腐蚀性①抗氧化性④刚性③延性②韧性①强度⑥辐照性能⑤声学性能④光学性能③磁学性能②电学性能①热学性能结构材料功能材料新材料？知识体系◼材料科学与工程：是关于材料的➢组成与结构（composition and structure ）➢合成与加工（synthesis and processing ）➢基本性质（proporties ）➢与服役性能（performance ）这四个要素➢以及它们两两之间的互相联系的学科。
无机材料的热学性能-第1讲
dV
西南科技大学
第三章 无机材料的热学性能
固体或液体：T↑，体积变化小，因此：
C P CV
高温时，固体或液体的Cp与Cv的差别较大！
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第三章 无机材料的热学性能
2、固体的经典热容理论
（1）元素的热容定律——杜隆一珀替定律
恒压下，元素的原子热容为： C
P
25 J /( k mol )
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第三章 无机材料的热学性能
3、简谐振动 简谐振动：物体在跟偏离平衡位置的位移大小成正 比、方向总是指向平衡位置的回复力作用下的振动 ；或物体的运动参量（位移、速度、加速度）随时 间按正弦或余弦规律变化的振动。
X A co s( 2 t / T )
式中：X为位移；A为振幅，即 质点离开平衡位置时 (x=0) 的最 大位移绝对值；t为时间；T为 (2 简谐振动的周期； t / T ) 为简 谐振动的位相。
彩电等多种电路中广泛应用的大功率管，其底部 的有机绝缘片，为了散热而要求具有良好的热导性。
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第三章 无机材料的热学性能
3.1 热学性能的物理基础
1、热性能的物理本质
升华 热容 晶格热振动 热膨胀 熔化 热稳定性
热传 导
热性能的物理本质:晶格热振动
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第三章 无机材料的热学性能
h
0
2
1
E
低温区：
hv
0
1
kT
C
v
e
kT
2
1
h kT
0
h 0 3R kT
e
低温区域，CV值按指数规律随温度T而变化，而 不是从实验中得出的按T3变化的规律。 忽略了各格波的频率差别，其假设过于简化。
材料性能与表征无机材料物理性能教学大纲
材料性能与表征无机材料物理性能教学大纲一、课程介绍《材料性能与表征》是材料类专业学生的学科基础课程。
本课程主要介绍材料的力学、热学、光学、磁学、电学的特性和表征方法，目的是使学生充分认识材料的物理性能以及这些性能在人类物质生活中的意义，学会利用这些知识解释有关材料的许多现象，认识材料的宏观性能与微观机制的联系，为材料的合成、制备、加工和应用指明方向。
主要内容包括：材料的受力变形、材料的脆性断裂与强度，材料的热学性能，材料的光学性能，材料的磁学性能，材料的电学性能等。
教学部分共含32个理论学时，16个实践环节学时。
Introduction“Properties and Characterization of Materials” is the main professional fundamental course for materials science and engineering students. This course mainly introduces the mechanical, thermal, optical, electrical and magnetic properties and characterization method of materials. The main purpose of this course is to make students fully understand the physical properties of materials and theirs significance in human materials life, learn to explain many phenomena of the materials by these knowledge, to understand the relationship between the macroscopic properties and microscopic mechanisms of materials, and to point out the directions for the synthesis, preparation, processing and application of the materials. The main contents of this course are listed as follows: stress deformation of materials, brittle fracture and strength of materials, thermal properties of materials, optical properties of materials, magnetic properties of materials, electrical properties of materials. The teaching part of this course includes 32 theoretical credit hours and 16 practical credit hours.课程基本信息二、教学大纲1、课程目标1）掌握材料性能的基本理论及其主要影响因素，培养学生对抽象问题的认识，使学生能够针对具体的材料工程问题，建立数学模型并求解。
《无机材料物理性能》课后习题答案解析
课后习题《材料物理性能》第一章材料的力学性能1-1一圆杆的直径为2.5 mm 、长度为25cm 并受到4500N 的轴向拉力，若直径拉细至 2.4mm ，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。
解：由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。
1-5一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。
若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。
解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=0.95,V 2=0.05。
则有当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E 0(1-1.9P+0.9P 2)可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa 和293.1 GPa 。
0816.04.25.2ln ln ln 22001====A A l l T ε真应变)(91710909.4450060MPa A F =⨯==-σ名义应力0851.0100=-=∆=A A l l ε名义应变)(99510524.445006MPa A F T =⨯==-σ真应力)(2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =⨯+⨯=+=上限弹性模量)(1.323)8405.038095.0()(112211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量1-11一圆柱形Al 2O 3晶体受轴向拉力F ，若其临界抗剪强度τf 为135 MPa,求沿图中所示之方向的滑移系统产生滑移时需要的最小拉力值，并求滑移面的法向应力。
解：1-6试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图，并算出t = 0,t = ∞ 和t = τ时的纵坐标表达式。
解：Maxwell 模型可以较好地模拟应力松弛过程：Voigt 模型可以较好地模拟应变蠕变过程：).1()()(0)0()1)(()1()(10//0----==∞=-∞=-=e EEe e Et t t στεσεεεσεττ；；则有：其蠕变曲线方程为：./)0()(;0)();0()0((0)e (t)-t/e στσσσσσστ==∞==则有：：其应力松弛曲线方程为0123450.00.20.40.60.81.0σ(t )/σ(0)t/τ应力松弛曲线0123450.00.20.40.60.81.0ε(t )/ε(∞)t/τ应变蠕变曲线)(112)(1012.160cos /0015.060cos 1017.3)(1017.360cos 53cos 0015.060cos 0015.053cos 82332min 2MPa Pa N F F f =⨯=︒︒⨯⨯=⨯=︒⨯︒⨯=⇒︒⨯︒=πσπτπτ：此拉力下的法向应力为为：系统的剪切强度可表示由题意得图示方向滑移以上两种模型所描述的是最简单的情况，事实上由于材料力学性能的复杂性，我们会用到用多个弹簧和多个黏壶通过串并联组合而成的复杂模型。
无机材料物理性能知识总结
第一章物理基础知识与理论物理性能本质：外界因素（作用物理量）作用于某一物体，如：外力、温度梯度、外加电场磁场、光照等，引起原子、分子或离子及电子的微观运动，在宏观上表现为感应物理量，感应物理量与作用物理量呈一定的关系，其中有一与材料本质有关的常数——材料的性能。
晶体结构：原子规则排列，主要体现是原子排列具有周期性，或者称长程有序。
非晶体结构：不具有长程有序。
点阵：晶体内部结构概括为是由一些相同点子在空间有规则作周期性无限分布，这些点子的总体称为点阵。
晶体由（基元）沿空间三个不同方向，各按一定的距离（周期性）地平移而构成，（基元）每一平移距离称为周期。
晶格的共同特点是具有周期性，可以用（原胞）和（基失）来描述。
分别求立方晶胞、面心晶胞和体心晶胞的原胞基失和原胞体积？（1）立方晶胞：（2）面心晶胞（3）体心晶胞晶体格子（简称晶格）：晶体中原子排列的具体形式。
晶列的特点：（1）一族平行晶列把所有点包括无遗。
（2）在一平面中，同族的相邻晶列之间的距离相等。
（3）通过一格点可以有无限多个晶列，其中每一晶列都有一族平行的晶列与之对应。
（4 ）有无限多族平行晶列。
晶面的特点：（1）通过任一格点，可以作全同的晶面与一晶面平行，构成一族平行晶面. （2）所有的格点都在一族平行的晶面上而无遗漏；（3）一族晶面平行且等距，各晶面上格点分布情况相同；（4）晶格中有无限多族的平行晶面。
格波：晶体中的原子在平衡位置附近的微振动具有波的形式。
色散关系：晶格振动谱，即频率和波矢的关系。
声子：晶格振动的能量是量子化的，晶格振动的量子单元称作声子，声子具有能量ħ ，与光子的区别是不具有真正的动量，这是由格波的特性决定的。
声学波与光学波的区别：前者是相邻原子的振动方向相同，波长很长时，格波为晶胞中心在振动，可以看作连续介质的弹性波；后者是相邻原子的振动方向相反，波长很长时，晶胞中心不动，晶胞中的原子作相对振动。
德布罗意假设:一切微观粒子都具有波粒二象性。
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a0 2
c
c a0
c
Griffith断裂理论
应力集中强度理论 应力集中
流 体 的 流 动
材料中的裂纹型缺陷：材料中的伤痕、裂 纹、气孔、杂质等宏观缺陷。
力线n
裂纹 长度2c
力管 平板弹性体的受力情况
为了传递力，力线一定穿过材料组织到达固定端
力以音速通过力管（截面积为A），把P/n大小的力 传给此端面。
应力集中强度理论
断裂的条件：当裂纹尖端的局部应力等于理论 强度
th = (s E/ r0 )1/2 时，裂纹扩展，沿着横截面分为两部分，此时 的外加应力为断裂强度。
即
Ln = 2 (c/ r0)1/2= th = (s E/ r0 )1/2
th 2
th 2 2 S 2 i n x
由虎克定律
ExE
a0
lx
l a0
th
2x
E x
a0
2x
2 th
2 E 2a0
E
a0
th
E
a0
理论结合强度
断裂理论
根据Orowan 模型，经过推导出：
Orowan
th
E
a
高强度的固体必须要求E、γ大，a小，
γ约为aE/100，故理论结模 型合强度可写成：
th
E 10
断裂强度理论值和测定值
材料
Al2O3晶须 铁晶须 奥氏型钢 硼 硬木 玻璃 NaCl Al2O3刚玉
Th
c
Kg/m
m2
th/ c
5000 1540 3.3
3000 2048 3480 — 693 400 5000
1300 2.3 320 6.4 240 14.5 10.5 — 10.5 66.0 10 40.0 44.1 113
Inglis断裂理论
断裂理论
c
2c
σ
微裂纹端部的曲率对应于原子间距
Inglis断裂理论
断裂理论
孔洞两个端部的应力几乎取决于孔洞
的长度和端部的曲率半径而与孔洞的
形状无关，即：
c A 2
A12ac0
近似为 A 2
c a0
A12
c
裂纹扩展的条件是：
A th
2 c
c a0
Er a0
故
c
Er 4c
断裂理论
理论结合强度（ Orowan近似）
Orowan以应力—应变正弦函数曲线 的形式近似的描述原子间作用力随原
子间距的变化。 thSin2x
模 型
原子间约束力和距离间的关系
理论结合强度的推导 断裂理论
断裂功 W 0 2th S2 i n xd x2 t h C2 o x s0 2t h 形成两个新的表面 W 2
材料
Al2O3宝石 BeO MgO Si3N4热压 SiC Si3N4烧结 AlN
th
5000 3570 2450 3850 4900 3850 2800
c
64.4 23.8 30.1 100 95 29.5 60～ 100
th/ c
77.6
150 81.4 38.5 51.6 130 46.7 ～ 28.0
能量守衡理论
固体在拉伸应力下，由于伸长而储存了弹性应 变能，断裂时，应变能提供了新生断面所需的 表面能。
即：
th x/2=2s
其中：th 为理论强度； x为平衡时原子间距 的增量； ：表面能。
虎克定律： th =E (x/r0) 理论断裂强度： th =2 (s E/ r0 )1/2
Orowan
工具材料
气孔、晶粒、杂质、晶界 (大小、形状、分布)等宏观 缺陷
晶体结构,单晶多晶和非 晶体中的微观缺陷
与强度有关的问题（共性，特性）
哪些因素影响材料的强度？ 这些因素与显微结构间的关系？ 材料在怎样的状态下断裂?断裂过程怎样？ 韧性是什么？ 材料的可靠性？具有怎样的强度？可能 用于什么地方？
与材料强度有关的断裂力学的特点：
远离孔的地方，其应力为： =(P/n)/A
孔周围力管端面积减小为A1 ，孔周围局部应力为： =(P/n)/A1
椭圆裂纹 越扁平或者尖端半径越小，其效果越明显。
应力集中：材料中存在裂纹时，裂纹尖端处的应力远 超过表观应力。
裂纹尖端处的应力集中
裂纹尖端的弹性应力
裂纹尖端的弹性应 力沿x分布通式：
Ln Ln
40人死亡； 14人受伤； 直接经济损失631万元。
脆性断裂现象
断裂现象分类:
– 金属类：先是弹性形变，然后塑性形变， 直至断裂
– 高分子类：先是弹性形变（很大），然 后塑性形变，直至断裂
– 无机材料：先是弹性形变（较小），然 后不发生塑性形变（或很小） 而直接脆性断裂
脆性断裂现象
脆性断裂的特点
着眼于裂纹尖端应力集中区域的力场和 应变场分布； 研究裂纹生长、扩展最终导致断裂的动 态过程和规律； 研究抑制裂纹扩展、防止断裂的条件。 给工程设计、合理选材、质量评价提供 判据。
断裂理论
§2-2 理论结合强度
固体的强度——固体材料抵抗破坏的能力 – 按破坏形式分：屈服强度 断裂强度 – 按讨论方式分：理论强度 实际强度
断裂理论
断裂理论
❖ Inglis断裂理论
❖ Griffith脆断理论 ❖ Irwin - Orowan 理论
Inglis断裂理论
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。
断裂前无明显的预兆 断裂处往往存在一定的断裂源 由于断裂源的存在，实际断裂强度 远远小于理论强度
脆性断裂现象
脆性断裂的微观过程
突发性裂纹扩展 裂纹的缓慢生长
强度
多孔质材料 高温材料 结构材料
玻璃 水泥 耐火材料 复合材料
电子电器材料
断裂 强度
材料的 强度 强度理论
光学材料 生物材料
耐摩擦材料 耐磨损材料
2c 0 x
Ln =q(c, , x)
用弹性理论计算得：
裂纹尖端处的弹性应力分
布
Ln = {[1+ /(2x+ )] c 1/2 / (2x+ )1/2 + /(2x+
)}Байду номын сангаас
当 x=0, Ln = [ 2(c/ )1/2+1]
当c>> ，即裂纹为扁平的锐裂纹 Ln = 2 (c/ )1/2
当最小时（为原子间距r0）Ln = 2 (c/ r0)1/2
无机材料物理性能
第五讲
2020年5月17日
第二章 无机材料脆性断裂与强度
断裂行为 理论结合强度 断裂理论
§2-1 脆性断裂现象
断裂现象
脆性断裂的断裂面
断裂现象
船身断裂，一分为二的Schenectady号油轮
垮塌后的彩虹桥 脆 性 断 裂
断裂现象
1999年1月4日，我国重庆市綦江县 彩虹桥发生垮塌，造成：