第4章 材料的介电性能
清华大学工程材料第五版第四章
二、按使用范围分类
1. 通用塑料 应用范围广、生产量大的塑料品种。 聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚烯烃、酚醛塑料 2. 工程塑料 和氨基塑料等，产量约占塑料总产量的四分之 综合工程性能(机械性能、耐热耐寒性能、 三以上。 耐蚀性和绝缘性能等)良好的各种塑料。
如聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯和 ABS等。 3. 耐热塑料 能在较高温度（100 ℃～200 ℃）工作。 聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、有机硅树 脂、环氧树脂等。
七、氨纶 化学名称为聚氨酯纤维，商品名称为氨纶。 由聚酯、芳香族二异氰酸酯聚合，用脂肪族二 胺交联而成。 1、特点 ●高弹性。伸长600%～750%时，回弹率达 95％以上。 2、应用 用作运动衣、游泳衣。与涤纶混纺后，制 作夏季衣服。
4.3
合成橡胶
橡胶 具有极高弹性的高分子材料。
●性能特点 弹性变形量可达100％～1000％，而且回 弹性好，回弹速度快。 橡胶还有一定的耐磨性，很好的绝缘性和 不透气、不透水性。
聚酰胺的应用： 制造耐磨耐蚀零件，如轴承、齿轮、
尼龙轴套
尼龙拉杆
7. 聚碳酸酯(PC) 聚碳酸酯誉称"透明金属"， ●具有优良的综合性能。冲击韧性和延 性突出，在热塑性塑料中是最好的；弹性模 量较高，不受温度的影响； ●抗蠕变性能好，尺寸稳定性高； ●透明度高，可染成各种颜色； ●吸水性小； ●绝缘性能优良，在10 ℃～130 ℃间介 电常数和介质损耗近于不变。
有机玻璃顶棚
二、热固性塑料 1. 酚醛塑料(PE) 由酚类和醛类缩聚合成酚醛树脂,再加入 添加剂而制得。一般为热固性塑料。 ●具有一定的机械强度和硬度, 耐磨性好； ●绝缘性良好, 耐热性较高，耐蚀性优良。 ●缺点是性脆，不耐碱。
酚醛塑料的应用：
材料的性能与表征课程教学大纲
材料的性能与表征课程教学大纲一、课程说明（一）课程名称、所属专业、课程性质、学分；课程名称：材料的性能与表征所属专业：材料化学课程性质：专业基础课学分：2（二）课程简介、目标与任务：材料的物理性能是材料的重要性能之一。
外接因素（温度、电场、磁场等）作用于材料，引起材料内部原子、分子、电子的微观运动状态的改变，在宏观上表现为一定的感应物理量，即呈现某一物理性能。
具体地讲，最常见的材料物理性能有材料的电性能、介电性能、光学性能、热学性能、磁学性能以及弹性性能，每一种物理性能对应一定的物理基础。
而材料的物理性能强烈依赖于物质不同层次的结构组成，同时也受环境因素的强烈影响。
每一种材料物理性能都具有一定的分子和测试方法，而物理性能分析也是材料研究的重要手段。
通过本课程的学习，对材料的电性能、介电性能、光学性能、热学性能、磁学性能以及弹性性能的物理本质和表征参量、影响因素、分析测试方法有较全面地认识，并了解物理性能分析在材料研究中的应用。
（三）先修课程要求，与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接：先修课程：力学，热学，电磁学，普通物理(光学与原子物理)，材料科学基础（四）教材与主要参考书。
教材：刘勇，陈国钦编著. 材料物理性能. 北京：北京航空航天大学出版社, 2015.09主要参考书：吴雪梅主编；诸葛兰剑等编著. 材料物理性能与检测. 北京：科学出版社, 2012.01.关振铎，龚江宏，唐子龙著. 无机材料物理性能第2版. 北京：清华大学出版社, 2011.06.高智勇，隋解和，孟祥龙编著. 材料物理性能及其分析测试方法. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社, 2015.11.二、课程内容与安排第1章绪论（一）教学方法与学时分配课堂授课，1学时（二）内容及基本要求主要内容：简要介绍本课程的主要内容，学习本课程的意义和目的，以本课程的学习方法。
【了解】：本课程的主要内容，本课程的学习方法。
【一般了解】：学习本课程的意义和目的第2章材料的电性能2.1 电导率和载流子2.2 电子类载流子导电2.3 离子类载流子导电2.4 半导体2.5 超导体2.6 导电性的测量2.7 电阻分析的应用2.8 延伸阅读（一）教学方法与学时分配课堂授课，5学时（二）内容及基本要求主要内容：主要讲述电子类载流子导电、离子类载流子导电、半导体、超导体的导电机制及影响因素，导电性的测量方法及电阻分析的应用。
《无机材料物理性能》课后习题答案
《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Al2O3 (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E1=380GPa,E2=84GPa,V1=0.95,V2=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=E0(1-1.9P+0.9P2)可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa和293.1 GPa。 1-11一圆柱形Al2O3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 = 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：
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。如采用四元件模型来表示线性高聚物的蠕变过程等。 第二章 脆性断裂和强度
Fτ N6053
Ф3mm )(112)(1012.160cos/0015.060cos1017.3)(1017.360cos53cos0015.060cos0015.053cos82332min2MPaPaNFFf：此拉力下的法向应力为
材料科学与工程材料物理期末考试复习重点及答案
材料物理第四章材料强化比较材料强化的方法加工硬化适用材料：位错能够滑移的塑性材料原理：塑性变形时由于位错增殖，提高材料密度，使位错间相互作用力增大，使对位错进行滑移的阻力也增大，起到强化作用加工技术：冷加工（低温下使金属发生形变），轧制、锻造、冲压、拉拔等。
冷加工既经济又方便，可用退火消除冷加工产生塑性变形；通过控制变形量控制加工硬化的程度。
（通过每次增加一点应力以使金属发生塑性形变从而提高到屈服强度的方式，高温下失去强化效果）随变形强度↑→强硬度↑→塑韧性↓的现象性能变化：抗张强度、屈服强度和硬度有所增加，但是塑性和金属形变的总的性能下降，同时物理性能如电导率、密度等也都有所下降。
固溶强化通过形成固溶体合金，可是实现固溶强化的目的。
（高温不明显损害固溶强化效果）原理：溶质原子进入溶剂，造成晶格畸变，从而使位错滑移困难，基体的变形抗力随之提高（有些固溶体会出现明显的屈服点和应变时效现象）。
效果：溶质、溶剂原子尺寸差别越大，固溶强化效果越好（差别大的尺寸的溶质原子进入溶剂后，造成晶格畸变大，位错滑移越困难）；添加的合金元素越多，固溶强化效果越好。
加工技术：形成固溶体合金性能变化：合金的屈服强度、抗拉强度、硬度等会超过纯金属；几乎所有合金的塑性都低于纯金属，铜锌合金除外；合金的电导率大大低于纯金属；改善合金的抗蠕变性能。
弥散强化将多相组织混合在一起所获得的材料强化效应。
（特别适应高温材料）原理：添加合金元素的量大于固溶度，析出新相形成两相合金，两相界面上的原子排列无晶格完整性，阻碍位错的滑移，从而实现材料强化。
加工技术：通过使金属间化合物在塑性基体中弥散分布或共晶反应能够获得弥散强化的材料。
固态相变强化通过控制固态相变来强化材料的方法，可以多次采用；而通过控制凝固过程实现材料强化的方法，只能在材料冶炼制备中采用一次。
原理：通过控制第二相或析出物的析出获得所需的强化性能。
加工技术：利用时效强化、共析反应或非平衡态的马氏体相变等固态相变来强化材料。
第五章材料的介电性能,
材料 刚玉 云母晶体 氧化铝陶瓷 食盐晶体 LiF晶体 聚苯乙烯 高抗冲聚苯乙烯 聚苯醚 聚碳酸酯 9（6.5）[60(106)] 5.4~6.2 9.5~11.2 6.12 9.27 2.45~3.10（60） 2.45~4.75（60） 2.58（60） 2.97~3.71（60）
聚乙烯泡沫塑料
整理得：
5.1.4 影响介电常数的因素
• 介电类型 • 温度系数
• 介电常数与温度呈强的非线性关系，用温度系数描述温度特征难度大 • 介电常数与温度呈线性关系，可以用温度系数描述介电常数与温度的 关系
5.2 交变电场中的电介质
• 5.2.1 复介电常数
在变动的电场下，静态介电常数不再适用，而出现动态介电常数——复介电常数
第五章 材料的介电性能
5.1 介质极化和静态介电常数
5.2 交变电场中的电介质
• 在外电场作用下，材料发生两种响应，一种是电传导，另一种是 电感应。与导电材料相伴而生，主要应用于材料介电性能的这一 类材料总称为电介质（材料）。 • 表征材料的介电性能的基本参数：介电系数、介电损耗、电导率 和击穿强度。
一切陶瓷
离子结构 离子不紧 密的材料 高价金属 氧化物 有机
空间电荷 极化
结构不均 匀的材料
直流—— 光频 直流—— 红外 直流—— 超高频 直流—— 超高频 直流—— 超高频 直流—— 高频
无关
温度升高极 化增强 随温度变化 有极大值 随温度变化 有极大值 随温度变化 有极大值
无
很弱 有 有 有
随温度升高 而减小
在气体、液体和理想的完整晶体中，经常存在的微观极化机制是电子位移极化、离子位移极 化和固有电矩的取向极化
在非晶体固体、聚合物高分子、陶瓷以及不完整的晶体中，还会存在其他复杂的微观极化机制。 松弛极化、空间电荷极化和自发极化
第4章压电陶瓷2
• 复合材料主要通过加和效应和乘积效应影响材
料的性能.
微电子机械系统 (MEMs)
Substrate Contact Monomorph Contact Top Ti/P t P olyim ide P ZT Bottom Ti/P t SiO 2 n-type silicon P +Silicon Etched Cavity SiO 2
X<0.33, 三方相，呈 现强的介电弛豫特性 X>0.33,四方相，呈 现典型的普通铁电体 特征
PZN－PT单晶
PZN－PT单晶的介电性能
电致伸缩
5 压电陶瓷材料发展方向
• 无铅压电陶瓷
• 高温压电陶瓷
• 压电复合材料 • 压电薄膜与厚膜材料
Lead-free piezoceramics
准同型相界 Morphotropic Phase Boundary (MPB) 无准同型相界：
BaTiO3, (Na1/2Bi1/2)TiO3 (Tc=335oC, d33=74pC/N),
PbTiO3,
LiNbO3 （铌铁矿结构）Tc=1210oC, g15=91X10-3Vm/N PbNb2O6 （钨青铜结构）
Bi4Ti3O12 （铋层状结构）
Sr2Nb2O7 (焦绿石结构）
有准同型相界－－PZT
(1) BaTiO3压电陶瓷
Tc低, 在0oC有相变, 稳定性差, 影响其应用 改性:
(1) Pb取代改性—Tc提高, 第二转变温度下降, 提
高压电系数的热稳定性, 且压电效应增大.
(2) Ca取代改性—Tc不变, 但第二转变温度降低,
Microcantilever Arrays
Acoustic Wave Devices （SAW） Chemical Sensor
第三章 材料的介电性能--内含精选动图详述
A、电容材料
提高击穿电压措施
1、加强冷却，提高热击穿电压； 2、 改善环境条件，防止高温，避免潮气﹑臭 氧等有害物质的侵蚀。
A、电容材料
II、传感器
C s
ε：介质介电常数 s ：极板面积 δ ：极板间距离
s
δ
ε
上式中，哪几个参量是变量？ 可以有几种传感器？
A、电容材料
II、传感器
变极距型(变间距型)电容传感器
B、压电材料----纳米发电机
1961年王中林出生于陕西省 蒲城县高阳镇，王中林的初 中和高中就是在这种大背景 下度过的，三分之一的时间 都在田里泡着，毕业于尧山 中学。
纳米发电机创始人 （王中林）
进入大学校门的第一天，他 就暗暗给自己定下一条标准， 本科每门课程不能低于90分。
B、压电材料----纳米发电机
2、介电材料在其它环境中的极化
应变场中的极化------压电效应
在完全黑暗的环境中， 将一块干燥的冰糖用榔 头敲碎，可以看到冰糖 在破碎的一瞬间，发出 暗淡的蓝色闪光，这是 强电场放电所产生的闪 光，产生闪光的机理是 晶体的压电效应
2、介电材料在其它环境中的极化 应变场中的极化------压电效应
压电效应：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形 时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷， 当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向 改变时，电荷极性也随着改变。
F
＋＋＋＋＋＋ －－－－－－
F
2、介电材料在其它环境中的极化
应变场中的极化------压电效应
逆压电效应：当在电介质的极化方向施加电场，这些电 介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加 电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。
材料性能学第十章--材料的电学性能
+4
+4
+4
+4
电子和空穴在外电场的作用下都将作 定向运动，这种作定向运动电子和空 穴（载流子）参与导电，形成本征半 导体中的电流。
当温度升高时，有更多的电子能够跳到下一个能带去。这有两个结果：在上面的导带 中少数电子所起的作用和它们在金属中所起的作用相同；而价带中留下的空态即空穴 起着类似的作用，不过它们好象是正的电子，因此，它们有来自导带中的激发电子和 来自价带中的空穴的导电性；温度升高时，由于有更多的电子被激发到导带， 所以 电导率随温度而迅速增加。
第一节 导电性能
量子力学证明，对于一个绝对纯的理想的完整晶体，0 K时，电子波 的传播不受阻碍，形成无阻传播，电阻为零，导致所谓的超导现象。
二、导电机理
1、金属及半导体的导电机理
第一节 导电性能
实际金属内部存在着缺陷和杂质。缺陷和杂质产生的静态点阵畸 变和热振动引起的动态点阵畸变，对电磁波造成散射，这是金属 产生电阻的原因。由此导出的电导率为：
合金为：
10-7－
-5 10 Ω.m
半导体材料：ρ=10-2-109Ω.m
绝缘体材料：ρ＞1010Ω.m
各种材料在室温的电导率
金属和合金
-1 -1 (Ω .m )
银 铜，工业纯 金 铝, 工业纯 Al-1.2%,Mn 合金 钠 钨， 工业纯 黄铜（70%Cu-30%Zn 镍,工业纯 纯铁,工业纯 钛,工业纯 不锈钢，301型 镍铬合金 (80%Ni-20%Cr）
第一节 导电性能
一、电阻与导电的基本概念
欧姆定律：当在材料的两端施加电压时，材料 中有电流流过
电阻与材料的性质有关，还与材料的长度 及截面积有关
电阻率只与材料本性有关，而与导体的几何 尺寸是无关，作为评定导电性的基本参数
材料基础-第四章固体材料的缺陷
例如，Fe的剪切模量大约100GPa，则理论剪切 模量应为3000MPa。但是，单晶体Fe的实际强度仅 为1－10MPa，晶面之间的滑移用相当小剪力就能移 动。理论值与实际值相差巨大。因而，人们就猜测 晶体中存在着象位错这样的线缺陷。 当时仅是理论上的一种推测，没有真正看到。 直到50年代，透射电镜（TEM）的研发成功，才从 实验中观察到实际的位错形貌。 当晶体的一部分相对于另一部分进行局部滑移 时，晶体的已滑移部分与未滑移部分的交界线形成 分界线，即位错，用TEM可观察到(见图4-4)。 位错主要分两种类型：刃型位错和螺型位错。
按晶体缺陷的几何特征，可以分成四种 基本类型：点缺陷、线缺陷(位错)、面缺陷 和体缺陷，如图4-1所示。 但需记住，这些缺陷只代表理想原子排 列中的缺陷。而实用上，为了获得所要求的 材料性能如强度、硬度、塑性等，有时要有 意地制造一些缺陷，即通过合金化、扩散、 热处理和表面处理，设计和控制这些缺陷。 因此，设计和控制晶体缺陷是改进产品 质量的关键，特别是对晶体生长以及使用过 程中控制缺陷的形成、类型以及变化，都是 极为重要的。
图4-3 晶格节点的置换原子
4. 点缺陷对材料性能的影响 在一般情况下，点缺陷主要影响晶体的物 理性质，如比容、比热容、电阻率等。 （1）比容 为了在晶体内部产生一个空位，需将该处 的原子移到晶体表面上，这就导致体积的增加。
（2）比热容 由于形成点缺陷，需向晶体提供附加的能 量(空位生成焓)，因而引起附加的比热容。
断裂，而不会沿垂直截面的方向断裂，原因在于 材料在变形过程中发生了滑移，如图4-10所示。
图4-10 单晶体的拉伸断裂 及晶面滑移形貌
这是因为，材料的塑性变形通常会沿着晶体原子 的密排方向滑移，见图4-11 外加拉应力、滑移方向和滑移面的关系
纳米复合材料：第4章 杂化复合材料
胶体吸收光的规律
呈色
规律
20nm 50nm
70nm
红色 紫色
蓝色
溶胶的颜色与胶体质点大小的关系：
胶粒越小，溶胶的颜色偏向长波长的光 色；胶粒越大，溶胶的颜色偏向短波长的 光色。
4.1 分散体系与溶胶
银溶胶的颜色
银粒径/nm 10～20 25～35 35～45 50～60 70～80
透射光 黄 红 红紫 蓝紫 蓝
4.1 分散体系与溶胶
2）凝聚法：
通过体系中各组分间的化学变化，形成具有一定粒子大小 的分散质的溶胶体系。在制备纳米复合材料时，更多的是通
过分子间的化学变化而形成溶胶.
（实例：将有机硅烷溶解在强极性有机化合物中，可以很 快形成稳定的溶液，如果有矿物酸的作用，有机硅烷催化水 解形成稳定的有机硅溶胶，目前已知的纳米复合材料前驱溶 胶还有有机钛溶胶、有机镉溶胶。）
因硅胶粒电离而荷负电。） 2、胶粒的吸附。胶粒可吸附水性介质中的H+、OH-或其它
离子，从而使胶粒带电。 3、胶粒晶格中某原子被取代而带电。（如：蒙脱土晶格中
的Al3+可部分被Mg2+或Ca2+取代而荷负电。）
4.1 分散体系与溶胶
4.1.2.3 溶胶的稳定性
由于界面原子的Gibbs自由能比内部原子高，憎 溶胶是热力学不稳定体系。若无其它条件限制，溶 胶倾向于自发凝聚，形成低表面能状态。
4.1 分散体系与溶胶
（2）缔合溶胶：表面活性剂分子在溶液中形成胶束， 进而构成所谓的微乳液或液晶，也是热力学稳定 体系。（如肥皂水、有机硅乳液、家用柔软剂、 牛奶等）
4.1 分散体系与溶胶
（3）憎溶胶：分散质与分散介质之间存在明显界面
的体系，是由微小的固体颗粒 悬浮分散在液相中 构成，分散颗粒不停地进行布郎运动，属于多相