材料性能基础
2026/1/11 材料科学与人类文明-材料性能基础 1 材料性能基础
材料性能基础口 物理性能：密度、熔点、热、电、光、磁口化学性能：抗氧化、耐蚀性、催化性、生物相容性口力学性能：弹性、强度、韧性、硬度、疲劳、高温力学性能、耐磨性改变材料力学性能的主要方法：金属材料强化方法（塑性变形、细化晶粒、合金化、热处理），无机非金属材料增强增韧、高分子材料增强与改性材料科学与人类文明--材料性能基础2026/1/11
2026/1/11 材料科学与人类文明-材料性能基础 2 材料性能基础 ❑ 物理性能：密度、熔点、热、电、光、磁 ❑ 化学性能：抗氧化、耐蚀性、催化性、生物相容性 ❑ 力学性能：弹性、强度、韧性、硬度、疲劳、高温力学性能 、耐磨性 ◆ 改变材料力学性能的主要方法：金属材料强化方法（塑性变 形、细化晶粒、合金化、热处理），无机非金属材料增强增 韧、高分子材料增强与改性
材料性能概述材料的性能：表征材料在给定外界条件下的行为成分化学键性能组织结构制备技术、加工过程等Fe-0.45wt%C不同组织下表现完全不同的性能：左边一F+P，较软、韧右边一M，较硬、脆材料科学与人类文明--材料性能基础2026/1/113
2026/1/11 材料科学与人类文明-材料性能基础 3 材料性能概述 材料的性能：表征材料在给定外界条件下的行为 成分 组织结构 性能 制备技术、加工过程等 Fe-0.45wt%C不同组织下表现 完全不同的性能： 左边—F+P，较软、韧 右边—M，较硬、脆 化学键
三大材料一般性能特点材料价键一般性能特点金属金属键强度硬度较高；塑性韧性好；导电导热性好无机非金属离子键、强度硬度高；塑性韧性差；一般不导电；共价键耐热；耐腐蚀高分子共价键、强度硬度低：韧性中等：绝缘；不导热分子键耐热性差、易燃；轻；软；易加工材料科学与人类文明--材料性能基础2026/1/11
2026/1/11 材料科学与人类文明-材料性能基础 4 三大材料一般性能特点 材料 价键 一般性能特点 金属 金属键 强度硬度较高；塑性韧性好；导电导热 性好 无机非金属 离子键、 共价键 强度硬度高；塑性韧性差；一般不导电； 耐热；耐腐蚀 高分子 共价键、 分子键 强度硬度低；韧性中等；绝缘；不导热； 耐热性差、易燃；轻；软；易加工
Chap3-1材料的物理性能热学性能：热容、热传导、热膨胀、热辐射、耐热性电学性能：导电、介电、铁电、压电光学性能：光的透过、吸收和反射；荧光性&磁学性能：铁磁、顺磁、抗磁材料科学与人类文明--材料性能基础2026/1/11
2026/1/11 材料科学与人类文明-材料性能基础 5 材料的物理性能 ❖ 热学性能：热容、热传导、热膨胀、热辐射、耐热性 ❖ 电学性能：导电、介电、铁电、压电 ❖ 光学性能：光的透过、吸收和反射；荧光性 ❖ 磁学性能：铁磁、顺磁、抗磁 Chap3-1
热学性能：晶格热振动-晶格点阵中的质点（原子、离子）围着平衡位置做微小振动（1）热容3R热容表征材料从周围环境吸收热量的能力，用1mol物质温度升高1K是所吸收C, =3RC,的热量来表示，有定压热容和定容热容两种。单位：J/(mol·K)C,=AT30dodo00.T/K—p=Po2V=VodTdT材料定容热容和温度之间的关系德拜温度材料科学与人类文明--材料性能基础2026/1/116
2026/1/11 材料科学与人类文明-材料性能基础 6 （1）热容 0 0 , p p p v v v dT dQ C dT dQ C = = = = 热容表征材料从周围环境吸收热量的能 力，用1 mol物质温度升高1 K是所吸收 的热量来表示，有定压热容和定容热容 两种。单位：J/(mol•K) 0 3 Cv = AT Cv = 3R Cv 0 3R D T/K 材料定容热容和温度之间的关系 热学性能：晶格热振动 -晶格点阵中的质点（原子、离子）围着平衡位置做微小振动 德拜温度
根据热容选材：材料升高一度，需吸收的热量不同，吸收热量小，热损耗小。同一组成，质量不同，热容也不同，质量轻，热容小。对于隔热材料，需使用轻质隔热砖，便于炉体快速升温，同时降低热量损耗。材料科学与人类文明--材料性能基础2026/1/11
2026/1/11 材料科学与人类文明-材料性能基础 7 根据热容选材： ◼ 材料升高一度，需吸收的热量不同，吸收热量 小，热损耗小。同一组成，质量不同，热容也 不同，质量轻，热容小。对于隔热材料，需使 用轻质隔热砖，便于炉体快速升温，同时降低 热量损耗
(2）热传导热传导本质：由于温差而发生的材料相邻部分间的能量迁移。热传导表征热导率入，单位：W/(m·K）dTq=-a定义：dxq—单位时间单位面积（垂直于热流方向）内流/过的热量，单位：W/m2Ti-T=1 K温度梯度，单位：K/mdT/dx材料科学与人类文明--材料性能基础2026/1/118
2026/1/11 材料科学与人类文明-材料性能基础 8 （2）热传导 热传导本质：由于温差而发生的材料相邻部分间的能量迁移。 T1 T2 Q T1 -T2=1 K 热传导表征——热导率 ，单位：W/(m • K) dx dT 定义： q = − q——单位时间单位面积（垂直于热流方向）内流 过的热量，单位：W/m2 dT/dx——温度梯度，单位：K/m
热传导机制热传导的三种方式：自由电子传导、晶格振动传导和分子或链段传导》金属材料的热传导一自由电子传导金属的热导率较高（20-400W/m-K），随温度的升高、缺陷的增多而下降。>无机非金属材料的热传导一晶格振动传导热导率低，良好的绝热材料（一般陶瓷材料2-50W/m-K），随温度升高略微减小；陶瓷中的孔洞明显降低热导率：玻璃的原子排列远程无序，不产生热弹性波，因此热导率更低：高分子材料的热导率一分子或链段传导热量通过分子或链段的传递，速度慢，因此其热导率低，可用作绝热材料：结晶度增大，热导率增大：孔洞降低热导率。2026/1/11材料科学与人类文明--材料性能基础
2026/1/11 材料科学与人类文明-材料性能基础 9 热传导机制 热传导的三种方式：自由电子传导、晶格振动传导和分子或链段传导 ➢ 金属材料的热传导——自由电子传导 金属的热导率较高（20-400 W/m-K），随温度的升高、缺陷的增多而下降。 ➢ 无机非金属材料的热传导——晶格振动传导 热导率低，良好的绝热材料（一般陶瓷材料2-50 W/m-K），随温度升高略微 减小； 陶瓷中的孔洞明显降低热导率； 玻璃的原子排列远程无序，不产生热弹性波，因此热导率更低； ➢ 高分子材料的热导率——分子或链段传导 热量通过分子或链段的传递，速度慢，因此其热导率低，可用作绝热材料； 结晶度增大，热导率增大； 孔洞降低热导率
(3）热膨胀热膨胀系数一温度变化1K时材料单位长度（线膨胀系数α）或单位体积（体积膨胀系数α）变化量。对各向同性材料，α=3αldl1dT热膨胀系数主要取决于原子（或分子、链段）之间结合力。结合力越大，热膨胀系数越低。材料金属陶瓷高分子5-25α/ ×10-6K-10.5-1550-300材料科学与人类文明--材料性能基础102026/1/11
2026/1/11 材料科学与人类文明-材料性能基础 10 （3）热膨胀 热膨胀系数——温度变化1 K时材料单位长度（线膨胀系数l）或单位体 积（体积膨胀系数v）变化量。对各向同性材料，v =3l l p v p dT dV dT V dl l ( ) 1 ( ) , 1 = = 热膨胀系数主要取决于原子（或分子、链段）之间结合力。结合力越 大，热膨胀系数越低。 材料 金属 陶瓷 高分子 l / 10-6 K-1 5-25 0.5-15 50-300