材料科学与工程系列 十五 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 Physical Properties of Inorganic Materials (Second Edition) 无机材料物理性能 第2版 关振铎张中太焦金生编著 清华大学出版社
材料科学与工程系列 第2版序 本书是关振铎、张中太、焦金生三位前辈编著的《无机材料物理性能》的第2版！ 从本书的第1版正式出版到现在，已经过去了整整20年。在这20年间，国内众多高 校都采用了本书作为无机非金属材料专业本科生和研究生的教科书或主要教学参考 书。本书多次重印，总印数已经高达几万册，仍然有供不应求之势。清华大学出版社 在对本书的读者群进行了深人调研的基础上，多次就出版第2版事宜与作者沟通协 商：只是由于三位前辈或年事渐高或工作性质变化，精力和体力都无法承担起对本书 进行再度修订的工作。因此，受关振锋和张中太两位前辈的委托，我们于2007年年 末在两位前辈的指导下开始了对本书进行修订的尝试。 我们是本书第1版的第一批读者；确切地说，我们应该是本书最早的一批读者 20世纪80年代中期，当本书刚刚开始以油印本的形式作为清华大学化工系无机非 金属材料专业本科生教材使用的时候，我们就先后手捧着这本教材坐在教室里聆听 过关振锋和张中太两位前辈的讲授。而后，我们又先后分别进人了关振怿教授和张 中太教授的课题组，分别追随两位前辈开始了科研生涯；在此后20多年的工作中，这 本书一直都是我们案头必备的参考书之一。 20年来，我们也接触了国内许多高校的教师和学生。从他们的言谈之间，我们 能够强烈地感受到本书在国内无机非金属材料专业的教学和科研工作中所发挥出的 巨大作用。毫不夸张地说，读过本书的人无不对本书给予了极高的评价和赞赏。我 们深深知道，这种极高的评价和赞赏不仅仅是因为本书是国内第一部关于无机材料 物理性能的专业教科书，而且还因为本书在很大程度上反映出了作者深厚的学术功 底和丰富的教学经验：深厚的学术功底决定了本书的科学性，丰富的教学经验则决定 了本书的可读性。 20年来，以高性能陶瓷为主要代表的无机材料得到了突飞猛进的发展：相应地， 与无机材料物理性能的理论探索和实验研究也取得了极为丰硕的新成果。然而，当 开始对本书进行修订的时候，我们发现几乎所有的新进展和新成果所依赖的基本概 念、基本理论和基本实验技术在第1版中都或多或少地有所反映。作为一部主要面 向本科生的教材，本书第1版无疑是成功的。 因此，与第1版相比，我们最终完成的第2版在内容上没有实质性的变化，只是 为了牧学上的方便，将第1版的第2章“无机材料的脆性断裂与强度”分成了两章，即 第2版中的第2章“无机材料的断裂强度”和第3章“无机材料的断裂及裂纹扩展
.无机材料物理性能 此外，针对第1版中少量未能深入展开的内容进行了适当的扩充和完善。为了使读 者在正式阅读之前对本书的内容及背景有所了解，第2版保留了第1版的前言。 正是因为与第1版相比没有实质性的变化，而我们只是做了一些力所能及的文 字修订工作而已，我们认为本书的署名应该仍然维持原状，以尊重三位前辈为撰写本 书所付出的心血。只是作为第2版文字的责任人，我们在这里需要说明一下：在第2 版中，龚江宏承担了第1~5章的修订工作，唐子龙承担了第6~8章的修订工作。全 书由粪江宏统稿。 在本书第2版交付印刷之际，我们谨向关振铎、张中太、焦金生三位前辈表示由 衷的敬意，并衷心希望这个修订本的出版能够使他们感到满意和欣慰。 龚江宏唐子龙 2011年6月清华园
材料科学与工程系列 第1版 前言 无机非金属材料类专业教材编审委员会“材料科学基础理论”教材编审小组在 1990年度工作会议(1990年10月8~10日于天津大学)上，对“无机材料物理性能” 教材进行了审查，同意列为全国统编教材。国家建筑材料工业局教材办公室随后审 定“同意作为必修课教材出版”。 本书的主要内容是无机材料（指无机非金属材料，包括陶瓷、玻璃、耐火材料、建 筑材料等)的各种物理性能，不牵涉到化学性能（如耐腐蚀等）。所研究的性能包括无 机材料的变形与力学性能、脆性断裂与强度，以及热学、光学、电导、介电、压电和磁学 等性能。这些性能基本上都是各个领域在研制和应用无机非金属材料中对它们提出 来的一系列技术要求，即所谓材料的本征参数。因此，首先要掌握上述各类本征参数 的物理意义和单位以及这些参数在实际问题中所处的地位。其次，要搞懂这些性能 参数的来源，即性能和材料的组成、结构和构造的关系。也就是说，掌握这些性能参 数的物质规律，从而为判断材料优劣，正确选择和使用材料，改变材料性能，探索新材 料、新性能、新工艺打下理论基础。为了全面地掌握材料的结构，对无机材料的原料 和工艺也应有所认识，以取得分析性能的正确依据。 书中安排了较多的实验内容，从验证性能参数、掌握检验技术、学习科研方法和 分析手段等方面加强学习效果。 本书的先修内容为：材料力学、物理化学、固体材料结构基础、微观分析方法、硅 酸盐工艺等。 无机材料物理性能的研究方法可以分为两种：一种是经验方法，在大量占有实 验数据的基础上，经过对数据的分析处理，整理为经验方程，来表示它们的函数关系； 另一种是从机理着手，即从反映本质的基本关系（如原子间的相互作用、点阵振动的 波形方程等)出发，按照性能的有关规律，建立物理模型，用数学方法求解，得到有关 理论方程式。通过以上两种方法的相互验证促进了材料科学的发展 在材料的性能研究过程中，为了阐明材料的宏观构造和微观结构，在各种性能实 验的同时，常常进行材料的金相显微镜形貌、偏光、扫描电镜微观构造以及X射线衍 射等微观分析，以取得物质结构和成分的宏观及亚微观方面的直观验证。 在本书的一些章节中，介绍了最近发表的科研成果，特别是新型材料和新型工艺 下获得的高性能机理（例如超导材料性能机理）。 本书适用于无机非金属材料中的新型陶瓷、传统陶瓷，玻璃、晶体、半导体、石墨
.无机材料物理性能 薄膜、复合材料以及耐火材料等专业。其他像硅酸盐工程，包括水泥与混凝土材料、 建筑及装饰材料等专业也可参考。 本书第1~4章由关振铎编著，第5章由张中太编著，第6、7章由焦金生编著。 全书由关振铎统编。 书中不妥及错误之处，敬请读者指正。 作者
材料科学与工程系列 目 录 第1章无机材料的受力形变.1 1,1应力与应变.1 1.1.1应力.2 1.1.2应变.2 1.2无机材料的弹性形变. .4 1.2.1各向同性体的弹性常数 0.t0t.0.4 1.2.2单晶的弹性常数.6 1.2.3弹性模量的物理本质 .8 1,2.4多相材料的弹性模量 1.2.5弹性模量的测定.。.。9 1.3无机材料中晶相的塑性形变 .10 1.3.1晶格滑移.11 1.3.2塑性形变的位错运动理论.13 1.3.3塑性形变速率对屈服强度的影响.16 1.4高温下玻璃相的黏性流动 16 1.4.1流动模型.16 1.4.2影响黏度的因素.17 1.5无机材料的高温蠕变 .19 1.5.1黏弹性与滞弹性.19 1.5.2高温蠕变曲线. 1.5.3高温蠕变理论 .22 1.5.4蠕变断裂. .24 1.5,5影响蠕变的因素. 24 1.6无机材料的超塑性.27 28 第2章无机材料的断裂强度.30 2.1断裂强度的微裂纹理论.30 2.1.1固体材料的理论断裂强度 .30
.无机材料物理性能 2.1.2 Griffith微裂纹理论.32 2.2无机材料中微裂纹的起源. 36 2.2.1无机材料中本征裂纹的起源.36 2.2.2表面接触损伤及机械加工损伤.39 2.3无机材料断裂强度测试方法 .40 2.4断裂强度的统计性质. 43 2.4.1强度的统计分析.43 2.4.2韦伯函数中m和00的求法.45 2.4.3韦伯统计的应用及实例.。 . 45 2.4.4两参数韦伯分布及其应用.47 2.5显徽结构对无机材料断裂强度的影响.47 2.5.1气孔率的影响.48 2.5.2晶粒尺寸的影响.48 习题.49 第3章无机材料的断裂及裂纹扩展.50 3.1新裂力学基本概念.50 3.1,1裂纹系统的机械能释放率.50 3.1.2 裂纹尖端处的应力场强度. 2 3.1,3临界应力场强度因子及断裂韧性.54 3.1.4平面应变断裂韧性.55 3.1.5几何形状因子的柔度标定技术.57 3.2无机材料断裂韧性测试方法. . 58 3.2.1直通切口梁测试技术.59 3.2.2双扭法.60 3.2.3山形切口法. .61 3.3显微结构对断裂韧性的影响.63 3.3.1裂纹偏转与裂纹偏转增韧.63 3.3.2 裂纹桥接与裂纹桥接增韧.65 3.3.3 微裂纹增韧与相变增韧. .67 3.3.4裂纹扩展阻力曲线.68 3.4无机材料中裂纹的缓慢扩展.70 3.4.1裂纹缓慢扩展~K1曲线 .71 3.4.2裂纹缓慢扩展机理.72 3.4.3裂纹缓慢扩展行为研究方法.75 3.4.4无机材料断裂寿命预测. .76
目 录 3.4.5无机材料的高温延迟断裂.78 3.5无机材料的硬度与压痕开裂的应用 3.5.1 无机材料的硬度及其测试方法. .79 3.5.2无机材料的压痕开裂及其分类.8】 3.5.3压痕裂纹在断裂韧性测试中的应用.83 习题.86 第4章无机材料的热学性能.87 4.1无机材料的热容. .88 4.1.1晶态固体热容的经验定律和经典理论.89 4.1.2晶态固体热容的量子理论.90 413无机材料的热容+.93 4.2无机材料的热膨胀 t.t+40.95 4.2.1 热膨胀系数 95 4.2.2 固体材料热膨胀机理.97 4.2.3 热膨胀和其他性能的关系. 4.24多品k和复合材料的执影张·：：，.，101 4.2.5陶瓷品表面釉层的热膨胀系数 4.3无机材料的热传导. 104 43.1 固体材料热传导的宏观规律 4.3.2 固体材料热传导的微观机理 105 4.3.3影响热导率的因素.108 4.3.4某些无机材料的热导率 4.4无机材料的热稳定性. 117 4.4.1 热稳定性的评价方法 .117 4.4.2 热应力. .118 4.4.3抗热冲击新裂性能.120 4.4.4抗热冲击损伤性.124 4.4.5提高抗热冲击断裂性能的措施 126 4.5无机材料的熔融与分解. 128 4.5.1 晶体的熔点与结合能 128 4.5.2间隙相的熔点. 129 4.5.3升华与分解.130 习题. 131 第5章无机材料的光学性能一.132 5.1光通过介质的现象.132
无机材抖物理楼出 5.1.1折射.132 5.1.2色散 .134 5.1.3反射 135 5.2无机材料的透光性.137 5.2.1介质对光的吸收 .137 5.2.2介质对光的散射.139 5.2.3无机材料的透光性 .141 5.2.4提高无机材料透光性的措施.143 5.3界面反射和光泽. 145 5.3.1镜反射和漫反射.145 5.3.2光泽145 5.4不透明性（乳浊）和半透明性 146 5.4.1不透明性.146 5.4.2乳浊剂的成分 4444440440g404444444040e44440 146 5.4.3乳浊机理 147 5.4.4常用乳浊剂.148 5.4.5改善乳浊性能的工艺措施 5.4.6半透明性 149 5.5无机材料的颜色. .151 5.6其他光学性能的应用.152 习题 .155 第6章无机材料的电导 156 6.1电导的物理现象.156 6.1.1电导的宏观参数 .156 6.1.2电导的物理特性 .165 6.2离子电导.167 6.2.1载流子浓度.167 6.2.2离子迁移率 .168 6.2.3离子电导率 170 6.2.4影响离子电导率的因数.173 6.2.5周体电解质Zx02 175 6.3电子电导. 176 6.3.1电子迁移率.176 6.3.2载流子浓度 179 6.3.3电子电导率 . 184
目录 4 6.3.4影响电子电导的因素 .185 6.3.5晶格缺陷与电子电导 .4*.0*.*.】90 6,4玻漓态电导.195 6.5无机材料的电导 .197 6.5.1多晶多相固体材料的电导 197 6.5.2次级现象.199 6.5,3无机材料电导的混合法则 .200 6.6半导体陶瓷的物理效应.201 6.6.1晶界效应.201 6.6.2表面效应 .205 6.6.3西贝克效应 207 6.6.4pn结.209 6.7超导体.211 6.7.1约瑟夫孙效应 211 6.7.2超导体的应用 .213 习题 214 第7章无机材料的介电性能 .217 7.1介质的极化.217 7.1.1极化现象及其物理量.217 7.1.2 克劳修斯-莫索蒂方程. 218 7.1.3电子位移极化.220 7.1.4离子位移极化 00040+044e44.404g8004444, 224 7.1.5松驰极化 225 7.1.6转向极化 229 7.1.7空间电荷极化.230 7.1.8 自发极化. 230 7.1.9高介晶体的极化 231 7.1.10多晶多相无机材料的极化. 235 7.2介质损耗.240 7.2.1介质损耗的表示方法 .240 7.2.2介质损耗和频率、温度的关系.244 7.2.3无机介质的损耗 245 7.3介电强度. . 249 7.3.1介质在电场中的破坏. 249 7.3.2热击穿.250