第三章 工程材料的基本性能2012-3.ppt

3.3 工程材料的物理性能、化学性能 材料的物理性能－电、磁、声、光、热、熔点、密度以及热膨胀系数等。 材料的化学性能－耐腐蚀性和抗氧化性。 3.3 工程材料的物理性能、化学性能 3.3.1 电性质及其影响因素和超导现象 3.3.2 材料的磁性质及磁性材料 3.3.3 材料的热性质 3.3.4 材料的化学性质 3.3.1 电性质及其影响因素和超导现象 材料的电性能是材料的重要物理性能之一。导电材料、电阻材料、电热材料、半导体材料、超导材料和绝缘材料等都是以材料的电性能为基础。 3.3.1 电性质及其影响因素和超导现象 1. 电阻率与电导率 （1）电阻R R=ρL/A，单位Ω，与被测试样的几何形状有关。 （2）电阻率ρ ρ单位Ω·m。 1. 电阻率与电导率 电阻率ρ的意义：微观水平上阻碍电流流动的度量。 电阻率ρ－表征材料导电性的重要物理量。 按照ρ值的大小与范围： 超导体：ρ→0； 导体：ρ=10-8～10-5Ω·m； 半导体：ρ=10-5～107Ω·m； 绝缘体：ρ=107～1020Ω·m。 1. 电阻率与电导率 （3）电导率σ－描述材料导电性的另一参数。 定义：物质传送电流的能力，是电阻率的倒数， 即σ=1/ρ，单位Ω-1·m-1。 电导率的决定因素： σ与材料中的载流子的密度n、载流子带的电量∣e∣和载流子的迁移速度μ的关系： σ=n∣e∣μ 2. 影响电阻率的因素 （1）温度 1）金属材料：温度越高，电阻率越高。 多数金属和合金电阻率和温度关系为： ρt=ρ20(1+αT) 其中，α为电阻温度系数；T=(t-20) ℃。除了过渡金属外，纯金属的α≈4×10-3/ ℃。 2）半导体材料：温度越高，电阻率越低 2. 影响电阻率的因素 （2）杂质元素 杂质元素增加了对电子的散射作用，使金属电阻率增大。 （2）变形 塑性变形后，金属晶体中的晶体缺陷增多，引起电阻率的增高。 3.3.1 电性质及其影响因素和超导现象 马基申(Matthiessen)定律：ρ总=ρt+ρλ+ρd ρt－温度对电阻率的影响。 ρλ－杂质对电阻率的影响。由于在纯金属中加入少量的合金元素(杂质)增加了对电子的折射作用，使金属的电阻率增大。 ρd－形变对电阻率的影响。材料塑性变形后，金属晶体中的晶体缺陷增多，引起电阻率的增高。 -200℃以上，ρ随温度升高线性增加，斜率几乎相等；-100℃以下，杂质和变形对电阻率的影响。 3.3.1 电性质及其影响因素和超导现象 （2）半导体材料：温度越高，电阻率反而下降 原因：温度升高材料内载流体的数目增加，表现为温度 升高，电阻率降低 本征半导体：电阻率是由纯材料本身决定的 ㏑ρ=(Eg/2kT)-C C为常数与温度无关；Eg为禁带能量宽度；k为波尔兹曼 常数。 ㏑ρ对1/T作图，得到一条直线，斜率为Eg/2k，可见Eg越大，电阻率对温度变化越敏感 3.3.1 电性质及其影响因素和超导现象 3. 超导现象 超导现象:大多数高纯金属冷却到0K附近时，电阻逐渐减小到一个表征该金属特性的微小值。也有一些材料在很低温度下电阻突然从某个值降低到零，再进一步降温电阻保持零不变。具有这种性质的材料，称为超导体，电阻为零时的温度称为临界温度TC 超导体的特征：零电阻；抗磁性，温度处于TC以下时外加磁场完全被排除在超导体之外 3.3.1 电性质及其影响因素和超导现象 超导现象的发现及应用： 发现：1911年荷兰的H.K.Onnes首先发现汞的超导性。铅、锡、铌钛、铌锗等金属、合金和金属间化合物具有超导性，Tc很低，约4～23.2K。 1986年，发现氧化物陶瓷超导体Ba-La-Cu-O，Tc为30K。 第一代镧系超导体：La-Cu-Ba氧化物，Tc为91K； 第二代钇系超导体：Y-Ba-Cu氧化物；Tc为92.3K的钇系超导薄膜； 第三代铋系超导体：Bi-Sr-Ca-Cu氧化物，Tc为114～120K。 1990年发现新的不含铜的钒系复合氧化物，Tc高达132K。 3.3.1 电性质及其影响因素和超导现象 应用：超导发电机、超导悬浮列车、超导输电、超导贮能 （1）超导磁悬浮列车：速度高达400一500千米/时 （2）超导计算机?：计算速度为一般大型计算机速度的100倍到1000倍 3.3.2 材料的磁性质及磁性材料 物质的磁性：抗磁性、顺磁性和铁磁性三类。 抗磁性和顺磁性材料为弱磁性材料。 工业上应用的是铁磁性和亚铁磁性材料。根据磁性材料在外磁场作用下的性能：软磁和硬磁材料。 3.3