无机材料化学(第7讲)课件.ppt

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1、第三章无机材料的物理性能力学性能：指材料在外力作用下(承担力学负荷时)表现出来的各种特性。如：弹性、塑性、韧性、强度、硬度等。物理性能：是材料本质不发生变化时所表现出的物理特性。是材料固有的属性。包括：材料性能是一种用于表征材料在给定条件下材料行为的参量。可分为：力学性能、物理性能和化学性能。热学性质：热容量、导热性、热膨胀、抗热冲击性。电学性质：导电性、介电性、铁电性、压电性、热释电性。磁学性质：磁导率、抗磁性、顺磁性、铁磁性、铁氧体磁性。光学性质：光吸收、光反射、光折射、光透过、发光、颜色、激光作用。声学性质：声吸

2、收(反射、透射)、吸声系数、降噪系数。化学性能：指材料对外界接触物的耐受性，也即化学稳定性。主要包括：材料的耐腐蚀性、耐酸性和耐热性。耐腐蚀性：指材料抵抗大气和弱腐蚀介质(如水、水蒸汽)腐蚀的能力。耐酸性：指材料抵抗腐蚀介质(如酸、碱和盐溶液)腐蚀的能力。耐热性：包括材料的抗氧化性和热强性。抗氧化性：指材料在高温或受热情况下抵抗气体氧化腐蚀的能力；热强性：指随温度升高，材料保持其强度的能力。材料化学性能总的体现为各种材料抵抗周围环境的作用，避免或减缓腐蚀破坏的能力。3.1　热学性质现代技术往往要求材料在变温条件，甚至在

3、极端温度条件下工作，如超高温或极低温。在使用材料时就要了解它们的热学性质，包括热容、热膨胀和导热性等。例如，宇宙飞船返回大气层时表面因与空气摩擦而温度升高。因此，飞船表面的陶瓷防护瓦既要能经受400~1260℃的高温，又要有良好的绝热性及低的热膨胀系数，使瓦片不容易脱落。在宇宙飞船表面装陶瓷防护瓦片热学性质包括：热膨胀、热传导、热容等材料属性，它们均与温度或热有关。热学性质的物理本质：质点的热振动，即晶格热振动。3.1.1　晶格的热振动晶格热振动在0K以上，晶体中的质点在其平衡位置附近的振动。晶格热振动是三维空间的，可

4、根据空间力系将其分解成三个方向的线振动。晶格热振动最简单的情况是一维单原子点阵的振动。晶格热振动可看成是一种简谐振动(称为简谐振子模型)，即原子在其平衡位置附近往复振动。一维单原子点阵中格波的传播晶格振动（晶体中质点的振动）集体表现可看成是连续介质中传播的弹性波，具有波的性质。这种存在于晶格中的波称为格波。单个质点表现有微粒性质，体现在晶格振动能量是量子化的。(即振动能量是以某一能量单位为单元来增减)为表示这种能量的量子化，把晶格振动的格波称为“声子”。(声子是产生晶格振动弹性波的能量子)格波的传播可看作是声子的运动。

5、(两者之间的关系)热量晶格晶格振动电子缺陷和热缺陷频率为晶格波（振子）振动的振幅增加振子的能量增加以声子为单位增加振子能量（即能量量子化）进入引起表现为增加增加的方式能量表现为引起表现为简谐振子的能量本质振子受热激发所占的能级是分立的，它的能级在0k时为1/2ħ------零点能。依次的能级是每隔ħ升高一级，一般忽略零点能。nEn=nħ+1/2ħ210振子能量量子化：在简谐近似下,由N个原子构成的晶格振动,可等效成3N个独立的谐振子振动（每个原子的自由度为3），原子的振动,或者说格波振动是这3N个谐振子振动

6、的线形迭加。因各谐振子频率不同（N个原子共有3N个频率），激发出的声子能量也不同。温度一定，频率一定，各频率的声子数目也一定；温度变化，频率变化，各频率声子数目也发生变化。由N个原子构成的体系，就有3N个振动频率，因此格波是多频率振动的组合波。其中：振动频率低的质点，彼此间位相差不大，相邻质点振动方向相同，其振动称为“声频支振动”；振动频率高的质点，彼此间位相差大，相邻质点振动方向相反，其振动称为“光频支振动”。对离子晶体来讲，正、负离子振动频率和振幅不同，会导致离子间有相对运动。当正、负离子振动方向相同时，表现为正、

7、负离子质量中心的振动，其频率低，对应声频支；当正、负离子振动方向相反时，表现为正、负离子的相对振动，其质量中心不动，频率高，对应光频支。离子晶体中，当正、负离子振动方向相反时便构成一个偶极子，其偶极矩在振动过程中是同期性变化，会因此而发生相当于红外光波的电磁波，其强度决定于温度的高低。红外光波能激发这种晶格振动，这也是该格波称为光频支的原因。3.1.2热膨胀热膨胀是固体体积或长度随温度升高而增大的现象。通常用线膨胀系数α或体膨胀系数β表示：α、β分别为温度每升高1℃时固体长度或体积的增加比率。热膨胀是晶体中相邻原子之间

8、的平衡距离随温度变化而变化的客观表现。是由于相邻原子之间的非简谐振动产生的。（1）从原子间引力－斥力曲线分析质点间引力--斥力曲线和位能曲线振动位能曲线相邻原子间振动的非简谐性使其作用力并不是简单地与位移成正比。在平衡位置r0两侧的合力曲线斜率并不相等。由于受力不平衡，原子振动时的平均位置就不在r0处，而是右移使相邻原子平均距离增