《材料性能学》教学课件.ppt

材 料 性 能 Ch0 绪 论 一、材料性能的定义 ??? 材料性能是一种用于表征材料在给定的外界条件下的行为的参量。 ??? 有多少行为，就对应地有多少性能。 例如： 外力作用下的拉伸行为——屈服强度、抗拉强度、断裂强度等力学性能。 材料在外磁场作用下磁化及退磁行为——矫顽力、剩余磁感、贮藏的磁能等磁学性能。 ??? 外界条件不同，相同的材料也会有不同的性能。 例如 虽然“断裂强度”的临界条件是断裂，不少的外界条件可以影响断裂行为： 温度升高到熔点的40--50%以上──蠕变断裂强度； 反复的交变载荷──疲劳断裂强度； 特定的化学介质等──腐蚀断裂强度。 性能必须量化。 多数的性能都有量纲，在学习过程中尤其要注意。 二、材料性能的划分 三、材料性能研究目的 材料性能的研究，既是材料开发的出发点，也是其重要归属 天然的石块很难成形 陶器——粘土+水制成泥坯，容易成形，烧制后强度提高，但易破碎。 金属的开发与使用首次较完美地解决了容易成形与坚硬这一对矛盾。金属也有缺点，如铁容易生锈高温环境下变软。 塑料可方便地制成薄膜、纤维、多孔质体、空心体等形状的制品。 当代陶瓷可制成性、坚硬、表面光洁度高；也具有特殊性能和极限工作条件的耐受力。 2、材料性能决定了材料的用途 例、陶瓷材料 可制成性、坚硬、表面光洁度高；也具有一定的电气绝缘强度及机械强度，可作为重要的绝缘材料。 新性能 磁性：计算机记忆元件； 光学性能：光学元件，如透明陶瓷可用作钠光灯的灯罩，钠光灯的发光效率高且节能，但若用普通玻璃，则因为钠蒸气的腐蚀作用，而出问题； 机械强度与化学惰性：仿生陶瓷(人造骨骼，牙齿等)； 耐高温：高温陶瓷。 3、对性能的保障决定了材料的工艺 人类开发利用材料是从其性能入手的。根据对材料性能上的要求，而探索合适的工艺路线。 金属 铁生锈——不锈钢；高温环境变软——耐热合金。 陶瓷器的制造三要素为： 硅石——骨架材料；粘土——帮助成形；长石——帮助烧结 真正不可缺少的要素----骨架成分，具有“耐高温”、“不为化学药剂侵蚀”和“硬质”等特性，而这些特性却被另外两个要素破坏掉了。长石破坏 “耐高温性能”、粘土则影响 “硬质”。 用硅石以外的物质作骨架要素，去掉为了烧结而添加的长石，提高原料的纯度和磨细原料（Φ0.2微米），杂质的含量由百分之几减到万分之几；严格控制烧成法，制成品具有几乎全部的优异特性----精密陶瓷，从而实现了同时具有容易成型与坚硬特征的目标。 4、对性能的追求决定了材料的发展 例1、集成电路的绝缘基板材料 材料的强度、表面光洁度、绝缘性能、热导性、热膨胀系数等材料性能是衡量基板材料好坏的重要指标。 环氧树脂等塑料较好，但导热性能不好。 氧化铝的导热性能约为环氧树脂的三十倍，故氧化铝是重要的基片材料。 比氧化铝导热性更好的材料： 氧化铝单晶：4倍于氧化铝，难于加工成薄片形状 碳化硅：约10倍于氧化铝，硬度高，可精密加工，热膨胀系数接近硅。但却是半导体，致密烧结困难。（添加氧化铍热压烧结成导热性能与绝缘性兼有的致密材料） 金刚石是导热系数最好的材料，绝缘性也很好，是最理想的绝缘基片材料。稳定地供给高纯度且具有一定大小的片状金刚石晶体还有很大困难。 考虑介电常数 如对于大型计算机，还要考虑介电常数。因为若基片材料的介电常数过大，则电子元件上的响应时间就会变大，从而影响计算机的运算速度。 极性有机质，介电常数较大；氧化铝约为9左右，而玻璃为4-6。 由此看来，用氧化铝作基片材料，还存在着许多值得改进之处。 4、对性能的追求决定了材料的发展 例2、航天飞机 哥伦比亚号于2003年2月1日在返航途中彻底解体，7名航天员全部遇难。 [美国《空间飞行》2003年5月8日报道] 经过3个月的紧张调查，美国“哥伦比亚”号航天飞机事故调查委员会(CAIB)在美国家航空航天局事故调查组(NAIT)的帮助下，公布了“哥伦比亚”号航天飞机失事原因的初步调查结果。 该调查委员会认为，哥伦比亚号航天飞机左翼在发射升空时曾遭到从外部燃料贮箱上脱落的泡沫绝缘材料撞击，结果造成机体表面隔热瓦出现了大面积松动和破损，最终导致哥伦比亚号在返航途中因超高温空气侵入而彻底解体。 航天飞机左翼升空时曾遭到从外部燃料贮箱上脱落的泡沫绝缘材料撞击 表面隔热瓦出现松动和破损 隔热瓦究竟是什么东西呢？ 其实隔热瓦就是陶瓷，准确地说，是一种结构陶瓷。结构陶瓷主要是指发挥其机械、热、化学等性能的一大类新型陶瓷材料，它可以在许多苛刻的工作环境下服役，因而成为许多新兴科学技术得以实现的关键。在空间技术领域，制造宇宙飞船需要能承受高温和温度急变、强度高、重量轻且长寿的结构材料和防护材料，在这方面，结构陶瓷占有绝对优势。 结构陶瓷具有耐高温、低密度、良