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纳米材料的分类及其物理性能研究

纳米材料的分类及其物理性能研究
纳米材料的分类及其物理性能研究

材料物理性能期末复习题

期末复习题 一、填空(20) 1.一长30cm的圆杆,直径4mm,承受5000N的轴向拉力。如直径拉成3.8 mm,且体积保持不变,在此拉力下名义应力值为,名义应变值为。 2.克劳修斯—莫索蒂方程建立了宏观量介电常数与微观量极化率之间的关系。 3.固体材料的热膨胀本质是点阵结构中质点间平均距离随温度升高而增大。 4.格波间相互作用力愈强,也就是声子间碰撞几率愈大,相应的平均自由程愈小,热导率也就愈 介电常数一致,虚部表示了电介质中能量损耗的大小。 .当磁化强度M为负值时,固体表现为抗磁性。8.电子磁矩由电子的轨道磁矩和自旋磁矩组成。 9.无机非金属材料中的载流子主要是电子和离子。 10.广义虎克定律适用于各向异性的非均匀材料。 ?(1-m)2x。11.设某一玻璃的光反射损失为m,如果连续透过x块平板玻璃,则透过部分应为 I 12.对于中心穿透裂纹的大而薄的板,其几何形状因子。 13.设电介质中带电质点的电荷量q,在电场作用下极化后,正电荷与负电荷的位移矢量为l,则此偶极矩为 ql 。 14.裂纹扩展的动力是物体内储存的弹性应变能的降低大于等于由于开裂形成两个新表面所需的表面能。 15.Griffith微裂纹理论认为,断裂并不是两部分晶体同时沿整个界面拉断,而是裂纹扩展的结果。16.考虑散热的影响,材料允许承受的最大温度差可用第二热应力因子表示。 17.当温度不太高时,固体材料中的热导形式主要是声子热导。 18.在应力分量的表示方法中,应力分量σ,τ的下标第一个字母表示方向,第二个字母表示应力作用的方向。 19.电滞回线的存在是判定晶体为铁电体的重要根据。 20.原子磁矩的来源是电子的轨道磁矩、自旋磁矩和原子核的磁矩。而物质的磁性主要由电子的自旋磁矩引起。 21. 按照格里菲斯微裂纹理论,材料的断裂强度不是取决于裂纹的数量,而是决定于裂纹的大小,即是由最危险的裂纹尺寸或临界裂纹尺寸决定材料的断裂强度。 22.复合体中热膨胀滞后现象产生的原因是由于不同相间或晶粒的不同方向上膨胀系数差别很大,产生很大的内应力,使坯体产生微裂纹。 23.晶体发生塑性变形的方式主要有滑移和孪生。 24.铁电体是具有自发极化且在外电场作用下具有电滞回线的晶体。 25.自发磁化的本质是电子间的静电交换相互作用。 二、名词解释(20) 自发极化:极化并非由外电场所引起,而是由极性晶体内部结构特点所引起,使晶体中的每个晶胞内存在固有电偶极矩,这种极化机制为自发极化。 断裂能:是一种织构敏感参数,起着断裂过程的阻力作用,不仅取决于组分、结构,在很大程度上受到微观缺陷、显微结构的影响。包括热力学表面能、塑性形变能、微裂纹形成能、相变弹性 能等。

《金属材料的物理特性》参考教案

金属材料的物理特性 一、教学设计思路 金属材料是与我们的生活密切联系的教学内容,本课题围绕学生熟悉的生活用品开展学习,通过学生分组实验、讨论、归纳总结得出金属的一些共同的物理性质和各自的特性,通过阅读课文了解常见金属与合金的主要成分性能和用途,让学生体会到化学就在我们的生活中,增强学生发现生活、感受生活的意识,从而实现“教学生活化”的教学理念。 教学过程围绕课程目标的三个维度(知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观),注意培养学生从化学视角观察生活的习惯,教会学会将化学知识应用于生活实践的方法,使他们能对化学有关的生活问题做出合理的解释,感受学习化学的乐趣,体会学习化学的价值。 教学目标 知识技能:使学生了解金属的物理性质,了解常见合金的成分性能和用途。 能力培养:通过情景设置,使学生具有较强的问题意识,能够发现和提出有探究价值的化学问题。通过学生动手实验,培养学生的实验能力和分析问题的能力。 科学品质:通过实验激发学生学习化学的兴趣,培养学生实事求是的科学态度。培养学生将化学知识应用于生活实践的意识,能够对与化学有关的社会问题和生活问题做出合理的解释。 科学方法:指导学生用实验的方法认识事物的性质,培养学生科学的认知方法。 美育渗透:从生活中的金属制品,感受其丰富多彩的形状、颜色美。 重点 1、金属材料的物理性质 2、物质性质与用途的关系 3、合金的物理性质 难点 1、培养学生运用探究方法得出相关结论的能力 2、提高学生综合分析问题的能力

教学方法 采用实验探究法:按照问题—实验—观察—分析—结论的程序实行探究式讨论教学。 仪器、药品 铁片、铜片、铝片、干电池、小灯泡、导线、酒精灯、火柴、砂纸、黄铜、铜,与钛有关的资料和新型的合金的资料。

纳米材料物理-磁光性能

纳米材料的磁光性能 磁光效应 磁光效应就是指极化光与磁性物质交互作用后所产生的一种效应。它分为Faraday效应和Kerr效应。1846年,Faraday发现在玻璃样品上加上磁场时,透射光的极化面发生旋转,这就是Faraday效应。如图1(a)所示,红色表示加在物质上的磁场或磁化作用,黄线表示极化光,极化光通过被磁化的物质后产生Faraday效应。注意,所加磁场的方向与光束行进的方向平行。1877年Kerr在观察极化光束从磁性物质反射后,光束的极化以及强度有了改变,这就是磁光科尔效应(magneto-ptical Kerr effect, MOKE)。如图1(b)所示。 图 1 随着铁磁物质磁化强度矢量M的方向相对于材料的表面和人射光束的人射平面的取向,MOKE实际上分为3种效应:纵向MOKE、极性MOKE(Polar MOKE)和横向MOKE。可以用图形清晰地分别表示如下。 纵向MOKE是由于磁化强度矢量处于材料的表面内并平行于入射平面,如图2(a)所示。通常用s极化和P极化分别表示垂直和平行于入射平面光的极化。纵向MOKE简单,其人射光束或者只在s平面或者只在P平面极化,因此其反射光就转变为椭圆极化光。椭圆的主轴常常围绕着主平面有些微的旋转,称之为Kerr旋转。这种椭圆率称为Kerr椭圆率。 透射中也存在着同样的效应,当然通常这只能在薄膜中才看得到,因为绝大多数磁物质在磁光活跃的区域是不透明的。 这些效应的符号和数量比例于M和它的方向。在垂直人射方向没有观察到

什么效应。 图(b)所示的为横向MOKE 梗概图,此时磁化强度垂直于外加磁场和人射平面。与纵向MOKE 不同,第一,它只是在P 平面内极化;第二,反射光仍然保持线性极化,只有反射振幅的变化,即M 的变化只是从+M 变为-M ,反射率从R+?R 变为R-?R 。在垂直人射上没有什么效应。 图(c)所示的是极化MOKE 梗概图,此时磁化矢量垂直于样品表面。像纵向MOKE 一样,它只是在p 平面或s 平面内发生。这种效应中的人射光处于这些线性极化态的一种,反射时转化为椭圆极化光。在垂直人射方向可观察到效应。 金属纳米粒子和纳米粒子薄膜的磁光效应 Menendez 等制备了嵌人于非晶态Al 2O 3层中的Fe 纳米粒子A ,B 和C 三种样品,它们的粒径分别为2.4nm ,4nm 和8nm ,含量分别为10%,30%和40% , Al 2O 3层的厚度分别17nm ,18nm 和18.5nm ,测定了它们的MOKE 。图3是这三个样品的Kerr 椭圆率和旋转角与能量关系的测定结果。最明显的特点是在所有的样品中,不论是椭圆率还是旋转角谱,由于干涉的作用,都在4--4.5 e V 附近出现峰值。作者应用不同的有效媒介近似的广义方法描述了实验结果,从理论与实验符合程度发现,在纳米平均粒径大于4 nm 时,两则符合得较好,而在粒径为约2nm 时,两者的偏差大。这就说明,在粒径小于4nm 时,纳米粒子的磁光性能,因为其电子结构与体材的不同。 图 2

纳米材料物理

纳米材料的基本效应 纳米材料的特殊性能是由于纳米材料的特殊结构,使之产生四大效应,即尺寸效应(量子尺寸效应、小尺寸效应)/表(界)面效应/量子效应(宏观量子隧道效应、库仑堵塞与量子隧穿)/介电限域效应,从而具有传统材料所不具备的物理、化学性能。 宏观尺度的金属材料在高温条件下,其能带可以看作是连续的。 (久保理论) 对于纳米金属颗粒来说,低温下能带的离散性会凸现出来。相邻电子能级之间的间隔d将随颗粒体积V的减小而增加。量子尺寸效应:当粒子尺寸下降到某一值时,金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象;纳米半导体颗粒存在不连续的最高被占据分子轨道(HOMO)和最低未被占据分子轨道能级(LUMO),能隙变宽的现象,均称为量子尺寸效应。 能带理论表明,金属费米能级附近电子能级一般是连续的,这一点只有在高温或宏观尺寸情况下才成立。对于只有有限个导电电子的超微粒子来说,低温下能级是离散的,对于宏观物体包含无限个原子(即导电电子数N→∞),由久保公式可得能级间距d→0,即对大粒子或宏观物体能级间距几乎为零;而对纳米微粒,所包含原子数有限,N值很小,这就导致d有一定的值,即能级间距发生分裂。当能级间距大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时,必须要考虑量子尺寸效应,这会导致纳米微粒磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特性有着显著的不同。

Ag的电子数密度n = 6 × 1022/cm3,由公式 当T=1K时,能级最小间距d/kB=1,代入上式,求得d=20nm。根据久保理论,当d>kB时才会产生能级分裂,出现量子尺寸效应.由此得出,当粒径d<20nm,Ag纳米微粒变为 非金属绝缘体,如果温度高于1K,则要求d << 20nm才有可能变为绝缘体。这里应当指出,实际情况下金属变为绝缘体除了满足d>kB外,还需满足电子寿命>h/d的条件。实验表明,纳米Ag的确具有很高的电阻,类似于绝缘体,这就是说,纳米Ag满足上述两个条件。 Shift to higher energy in smaller size Discrete structure of spectra Increased absorption intensity

材料物理性能

材料物理性能 第一章、材料的热学性能 一、基本概念 1.热容:物体温度升高1K 所需要增加的能量。(热容是分子热运动的能量随温度变化的一个物理量)T Q c ??= 2.比热容:质量为1kg 的物质在没有相变和化学反应的条件下升高1K 所需要的热量。[ 与 物质的本性有关,用c 表示,单位J/(kg ·K)]T Q m c ??=1 3.摩尔热容:1mol 的物质在没有相变和化学反应的条件下升高1K 所需要的热量。用Cm 表示。 4.定容热容:加热过程中,体积不变,则所供给的热量只需满足升高1K 时物体内能的增加,不必再以做功的形式传输,该条件下的热容: 5.定压热容:假定在加热过程中保持压力不变,而体积则自由向外膨胀,这时升高1K 时供 给 物体的能量,除满足内能的增加,还必须补充对外做功的损耗。 6.热膨胀:物质的体积或长度随温度的升高而增大的现象。 7.线膨胀系数αl :温度升高1K 时,物体的相对伸长。t l l l ?=?α0 8.体膨胀系数αv :温度升高1K 时,物体体积相对增长值。t V V t t V ??= 1α 9.热导率(导热系数)λ:在 单位温度梯度下,单位时间内通过单位截面积的热量。(标志 材 料热传导能力,适用于稳态各点温度不随时间变化。)q=-λ△T/△X 。 10.热扩散率(导温系数)α:单位面积上,温度随时间的变化率。α=λ/ρc 。α表示温度变化的速率(材料内部温度趋于一致的能力。α越大的材料各处的温度差越小。适用于非稳态不稳定的热传导过程。本质仍是材料传热能力。)。 二、基本理论

1.德拜理论及热容和温度变化关系。 答:⑴爱因斯坦没有考虑低频振动对热容的贡献。 ⑵模型假设:①固体中的原子振动频率不同;处于不同频率的振子数有确定的分布函数; ②固体可看做连续介质,能传播弹性振动波; ③固体中传播的弹性波分为纵波和横波两类; ④假定弹性波的振动能级量子化,振动能量只能是最小能量单位hν的整数倍。 ⑶结论:①当T》θD时,Cv,m=3R;在高温区,德拜理论的结果与杜隆-珀蒂定律相符。 ②当T《θD时,Cv,m∝3T。 ③当T→0时,Cv,m→0,与实验大体相符。 ⑷不足:①由于德拜把晶体看成连续介质,对于原子振动频率较高的部分不适用; ②晶体不是连续介质,德拜理论在低温下也不符; ③金属类的晶体,没有考虑自由电子的贡献。 2.热容的物理本质。 答:温度一定时,原子虽然振动,但它的平衡位置不变,物体体积就没变化。物体温度升高了,原子的振动激烈了,但如果每个原子的平均距离保持不变,物体也就不会因为温度升高而发生膨胀。 【⑴反映晶体受热后激发出的晶格波和温度的关系; ⑵对于N个原子构成的晶体,在热振动时形成3N个振子,各个振子的频率不同,激发出的声子能力也不同; ⑶温度升高,晶格的振幅增大,该频率的声子数目也增大; ⑷温度升高,在宏观上表现为吸热或放热,实质上是各个频率声子数发生变化。材料物理的解释】 3.热膨胀的物理本质。 答:由于原子之间存在着相互作用力,吸引力与斥力。力大小和原子之间的距离有关(是非线性关系,引力、斥力的变化是非对称的),两原子相互作用是不对称变化,当温度上升,势能增高,由于势能曲线的不对称性必然导致振动中心右移。即原子间距增大。 ⑴T↑原子间的平均距离↑r>r0吸引合力变化较慢 ⑵T↑晶体中热缺陷密度↑r<r0排斥合力变化较快 【材料质点间的平均距离随温度的升高而增大(微观),宏观表现为体积、线长的增大】 4.固体材料的导热机制。 答:⑴固体的导热包括:电子导热、声子导热和光子导热。 ①纯金属:电子导热是主要机制; ②合金:声子导热的作用增强; ③半金属或半导体:声子导热、电子导热; ④绝缘体:几乎只有声子导热一种形式,只有在极高温度下才可能有光子导热存在。 ⑵气体:分子间碰撞,可忽略彼此之间的相互作用力。 固体:质点间有很强的相互作用。 5.焓和热容与加热温度的关系。P11。图1.8 ⑴①有潜热,热容趋于无穷大;⑵①无潜热,热容有突变

无机材料物理性能期末复习题

期末复习题参考答案 一、填空 1.一长30cm的圆杆,直径4mm,承受5000N的轴向拉力。如直径拉成3.8 mm,且体积保持不变,在此拉力下名义应力值为,名义应变值为。 2.克劳修斯—莫索蒂方程建立了宏观量介电常数与微观量极化率之间的关系。 3.固体材料的热膨胀本质是点阵结构中质点间平均距离随温度升高而增大。 4.格波间相互作用力愈强,也就是声子间碰撞几率愈大,相应的平均自由程愈小,热导率也就愈低。 5.电介质材料中的压电性、铁电性与热释电性是由于相应压电体、铁电体和热释电体都是不具有对称中心的晶体。 6.复介电常数由实部和虚部这两部分组成,实部与通常应用的介电常数一致,虚部表示了电介质中能量损耗的大小。 7.无机非金属材料中的载流子主要是电子和离子。 8.广义虎克定律适用于各向异性的非均匀材料。 ?(1-m)2x。9.设某一玻璃的光反射损失为m,如果连续透过x块平板玻璃,则透过部分应为 I 10.对于中心穿透裂纹的大而薄的板,其几何形状因子Y= 。 11.设电介质中带电质点的电荷量q,在电场作用下极化后,正电荷与负电荷的位移矢量为l,则此偶极矩为 ql 。 12.裂纹扩展的动力是物体内储存的弹性应变能的降低大于等于由于开裂形成两个新表面所需的表面能。 13.Griffith微裂纹理论认为,断裂并不是两部分晶体同时沿整个界面拉断,而是裂纹扩展的结果。14.考虑散热的影响,材料允许承受的最大温度差可用第二热应力因子表示。 15.当温度不太高时,固体材料中的热导形式主要是声子热导。 16.在应力分量的表示方法中,应力分量σ,τ的下标第一个字母表示方向,第二个字母表示应力作用的方向。 17.电滞回线的存在是判定晶体为铁电体的重要根据。 18.原子磁矩的来源是电子的轨道磁矩、自旋磁矩和原子核的磁矩。而物质的磁性主要由电子的自旋磁矩引起。 19. 按照格里菲斯微裂纹理论,材料的断裂强度不是取决于裂纹的数量,而是决定于裂纹的大小,即是由最危险的裂纹尺寸或临界裂纹尺寸决定材料的断裂强度。 20.复合体中热膨胀滞后现象产生的原因是由于不同相间或晶粒的不同方向上膨胀系数差别很大,产生很大的内应力,使坯体产生微裂纹。 21.晶体发生塑性变形的方式主要有滑移和孪生。 22.铁电体是具有自发极化且在外电场作用下具有电滞回线的晶体。 23.自发磁化的本质是电子间的静电交换相互作用。 二、名词解释 自发极化:极化并非由外电场所引起,而是由极性晶体内部结构特点所引起,使晶体中的每个晶胞内存在固有电偶极矩,这种极化机制为自发极化。 断裂能:是一种织构敏感参数,起着断裂过程的阻力作用,不仅取决于组分、结构,在很大程度上受到微观缺陷、显微结构的影响。包括热力学表面能、塑性形变能、微裂纹形成能、相变弹性 能等。 滞弹性:当应力作用于实际固体时,固体形变的产生与消除需要一定的时间,这种与时间有关的弹性称为滞弹性。 格波:处于格点上的原子的热振动可描述成类似于机械波传播的结果,这种波称为格波,格波的一个

武汉理工材料物理性能复习资料

第一章 一、基本概念 1.塑性形变及其形式:塑性形变是指一种在外力移去后不能恢复的形变。晶体中的塑性形变有两种基本方式:滑移和孪晶。 2.蠕变:当对粘弹性体施加恒定压力σ0时,其应变随时间而增加,这种现象叫做蠕变。弛豫:当对粘弹性体施加恒定应变ε0时,其应力将随时间而减小,这种现象叫弛豫。 3.粘弹性:一些非晶体,有时甚至多晶体在比较小的应力时可以同时表现出弹性和粘性,称为粘弹性,所有聚合物差不多都表现出这种粘弹性。 4.滞弹性:对于理想的弹性固体,作用应力会立即引起弹性应变,一旦应力消除,应变也随之消除,但对于实际固体这种弹性应变的产生与消除需要有限时间,无机固体和金属这种与时间有关的弹性称为滞弹性。 二、基本理论 1.金属材料和无机非金属材料的塑性变形机理:○1产生滑移机会的多少取决于晶体中的滑移系统数量。○2对于金属,金属键没有方向性,滑移系统多,所以易于滑移而产生塑性形变。对于无机非材料,离子键和共价键有明显的方向性,同号离子相遇,斥力极大,只有个别滑移系统才能满足几何条件与静电作用条件。晶体结构越复杂,满足这种条件就越困难,所以不易产生滑移。○3滑移反映出来的宏观上的塑性形变是位错运动的结果,无机材料不易形成位错,位错运动也很困难,也就难以产生塑性形变,材料易脆断。 金属与非金属晶体滑移难易的对比 金属非金属 由一种离子组成组成复杂 金属键物方向性共价键或离子键有方向性 结果简单结构复杂 滑移系统多滑移系统少 2.无机材料高温蠕变的三个理论 ○1高温蠕变的位错运动理论:无机材料中晶相的位错在低温下受到障碍难以发生运动,在高温下原子热运动加剧,可以使位错从障碍中解放出来,引起蠕变。当温度增加时,位错运动加快,除位错运动产生滑移外,位错攀移也能产生宏观上的形变。热运动有助于使位错从障碍中解放出来,并使位错运动加速。当受阻碍较小时,容易运动的位错解放出来完成蠕变后,蠕变速率就会降低,这就解释了蠕变减速阶段的特点。如果继续增加温度或延长时间,受阻碍较大的位错也能进一步解放出来,引起最后的加速蠕变阶段。 ○2扩散蠕变理论:高温下的蠕变现象和晶体中的扩散现象类似,并且把蠕变过程看成是外力作用下沿应力作用方向扩散的一种形式。 ○3晶界蠕变理论:多晶陶瓷中存在着大量晶界,当晶界位向差大时,可以把晶界看成是非晶体,因此在温度较高时,晶界粘度迅速下降,外力导致晶界粘滞流动,发生蠕变。 第二章 一、基本概念 1.裂纹的亚临界生长:裂纹除快速失稳扩展外,还会在使用应力下,随着时间的推移而缓慢扩展,这种缓慢扩展也叫亚临界生长,或称为静态疲劳。 2.裂纹扩展动力:物体内储存的弹性应变能的降低大于等于由于开裂形成两个新表面所需的表面能,反之,前者小于后者,则裂纹不会扩展。将上述理论用于有裂纹的物体,物体内储存的弹性应变能的降低(或释放)就是裂纹扩展动力。

纳米材料论文

纳米材料的特性与应用 摘要:纳米材料在结构、光电和化学性质等方面的诱人特征,引起物理学家、材料学家和化学家的浓厚爱好。80年代初期纳米材料这一概念形成以后,世界各国对这种材料给予极大关注。它所具有的独特的物理和化学特性,使人们意识到它的发展可能给物理、化学、材料、生物、医药等学科的研究带来新的机遇。纳米材料的应用前景十分广阔。近年来,它在化工、催化、涂料等领域也得到了一定的应用,并显示出它的独特魅力。 关键词:纳米材料特性应用 1. 纳米发展简史 1959年,着名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德。费曼预言,人类可以用小的机器制作更小的机器,最后实现根据人类意愿逐个排列原子、制造产品,这是关于纳米科技最早的梦想。 1991年,美国科学家成功地合成了碳纳米管,并发现其质量仅为同体积钢的1/6,强度却是钢的10倍,因此称之为超级纤维.这一纳米材料的发现标志人类对材料性能的发掘达到了新的高度。1999年,纳米产品的年营业额达到500亿美元。 2.什么是纳米材料 纳米(nm)是长度单位,1纳米是10-9米(十亿分之一米),对宏观物质来说,纳米是一个很小的单位,不如,人的头发丝的直径一般为7000-8000nm,人体红细胞的直径一般为3000-5000nm,一般病毒的直径也在几十至几百纳米大小,金属的晶粒尺寸一般在微米量级;对于微观物质如原子、分子等以前用埃来表示,1埃相当于1个氢原子的直径,1纳米是10埃。 一般认为纳米材料应该包括两个基本条件:一是材料的特征尺寸在1-100nm之间,二是材料此时具有区别常规尺寸材料的一些特殊物理化学特性。 3. 纳米材料的特性 广义地说,纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围(1-100nm)或由他们作为基本单元构成的材料。 3.1表面与界面效应 这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。例如粒子直径为10纳米时,微粒包含4000个原子,表面原子占40%;粒子直径为1纳米时,微粒包含有30个原子,表面原子占99%。主要原因就在于直径减少,表面原子数量增多。再例如,粒子直径为10纳米和5纳米时,比表面积分别为90米2/克和180米2/克。如此高的比表面积会出现一些极为奇特的现象,如金属纳米粒子在空中会燃烧,无机纳米粒子会吸附气体等等。 3.2小尺寸效应

金属的物理性能测试

金属的物理性能测试 金属材料的性能一般可分为使用性能和工艺性能两大类。使用性能是指材料在工作条件下所必须具备的性能,它包括物理性能、化学性能和力学性能。物理性能是指金属材料在各种物理条件任用下所表现出的性能。包括:密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性等。化学性能是指金属在室温或高温条件下抵抗外界介质化学侵蚀的能力。包括:耐蚀性和抗氧化性。力学性能是金属材料最主要的使用性能,所谓金属力学性能是指金属在力学作用下所显示与弹性和非弹性反应相关或涉及应力—应变关系的性能。它包括:强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。 1密度:密度就是某种物质单位体积的质量。 2热性能:熔点:金属材料固态转变为液态时的熔化温度。 比热容:单位质量的某种物质,在温度升高1℃时吸收的热量或温度降低1℃时所放出的热量。 热导率:在单位时间内,当沿着热流方向的单位长度上温度降低1℃时,单位面积容许导过的热量。 热胀系数:金属温度每升高1℃所增加的长度与原来长度的比值。 3电性能: 电阻率:是表示物体导电性能的一个参数。它等于1m长,横截面积为1mm2的导线两端间的电阻。也可用一个单位立方体的两平行端面间的电阻表示。 电阻温度系数:温度每升降1℃,材料电阻的改变量与原电阻率之比,称为电阻温度系数。 电导率:电阻率的倒数叫电导率。在数值上它等于导体维持单位电位梯度时,流过单位面积的电流。

4磁性能: 磁导率:是衡量磁性材料磁化难易程度的性能指标,它是磁性材料中的磁感应 强度(B)和磁场强度(H)的比值。磁性材料通常分为:软磁材料(μ值甚高,可达数万)和硬磁材料(μ值在1左右)两大类。 磁感应强度:在磁介质中的磁化过程,可以看作在原先的磁场强度(H)上再 加上一个由磁化强度(J)所决定的,数量等于4πJ的新磁场,因而在磁介质中的磁场B=H+4πJ的新磁场,叫做磁感应强度。 磁场强度:导体中通过电流,其周围就产生磁场。磁场对原磁矩或电流产生作 用力的大小为磁场强度的表征。 矫顽力:样品磁化到饱和后,由于有磁滞现象,欲使磁感应强度减为零,须施 加一定的负磁场Hc,Hc就称为矫顽力。 铁损:铁磁材料在动态磁化条件下,由于磁滞和涡流效应所消耗的能量。 其它如力学性能,工艺性能,使用性能等。

举例说明纳米材料的结构与其性质的关系

代鹏程无机化学2009级硕博连读学号:200911461 题目:举例说明纳米材料的结构与其性质的关系 答: 目录 1、纳米材料定义 2、纳米材料的结构 3、纳米材料的性能 4、以量子点为例说明纳米材料结构与其性质的关系 5、以纳米线为例说明纳米材料结构与其性质的关系 1、纳米材料定义 纳米材料是纳米级结构材料的简称。狭指由纳米颗粒构成的固体材料,其中纳米颗粒的尺寸最多不超过100纳米,在通常情况下不超过10纳米;从广义上说,纳米材料,是指微观结构至少在一维方向上受纳米尺度(1~100nm)限制的各种固体超细材料,它包括零维的原子团簇(几十个原子的聚集体)和纳米微粒;一维纳米纤维;二维纳米微粒膜(涂层)及三维纳米材料。 2、纳米材料的结构 材料学研究认为:材料的结构决定材料的性能,同时材料的性能反映材料的结构。纳米材料也同样如此。对于纳米材料,其特性既不同于原子,又不同于结晶体,可以说它是一种不同于本体材料的新材料,其物理化学性质与块体材料有明显的差异。 纳米材料的结构特点是:纳米尺度结构单元,大量的界面或自由表面,以及结构单元与大量界面单元之间存在的交互作用。在结构上,大多数纳米粒子呈现为理想单晶,也有呈现非晶态或亚稳态的纳米粒子。纳米材料的结构上存在两种结构单元;即晶体单元和界面单元。晶体单元由所有晶粒中的原子组成,这些原子严格地位于晶格位置;界面单元由处于各晶粒之间的界面原子组成,这些原子由超微晶粒的表面原子转化而来。 纳米材料由于非常小,使纳米材料的几何特点之一是比表面积(单位质量材料的表面积)很大,一般在102~104m2/g。它的另一个特点是组成纳米材料的单元表面上的原子个数与单元中所有原子个数相差不大。例如:一个由5个原子组成的正方体纳米颗粒,总共有原子个数53=125个,而表面上就有约89个原子,占了纳米颗粒材料整体原子个数的71%以上。这些特点完全不同于普通的材料。例如,普通材料的比表面积在10m2/g以下,其表面原子的个数与组成单元的整体原子个数相比较完全可以忽略不计。 由于以上纳米材料的两上显著不同于普通材料的几何特点,从物理学的观点来看,就使得纳米材料有两个不同于普通材料的物理效应表现出来,这是一个由量变到质变的过程。一个效应我们称之为量子尺寸效应,另一个被称之为表面效应。量子尺寸效应是由于材料的维度不断缩小时,描述它的物理规律完全不同

材料物理性能期末复习重点-田莳

1.微观粒子的波粒二象性 在量子力学里,微观粒子在不同条件下分别表现出波动或粒子的性质。这种量子行为称为波粒二象性。 2.波函数及其物理意义 微观粒子具有波动性,是一种具有统计规律的几率波,它决定电子在空间某处出现的几率,在t 时刻,几率波应是空间位置(x,y,z,t)的函数。此函数 称波函数。其模的平方代表粒子在该处出现的概率。 表示t 时刻、 (x 、y 、z )处、单位体积内发现粒子的几率。 3.自由电子的能级密度 能级密度即状态密度。 dN 为E 到E+dE 范围内总的状态数。代表单位能量范围内所能容纳的电子数。 4.费米能级 在0K 时,能量小于或等于费米能的能级全部被电子占满,能量大于费米能级的全部为空。故费米能是0K 时金属基态系统电子所占有的能级最高的能量。 5.晶体能带理论 假定固体中原子核不动,并设想每个电子是在固定的原子核的势场及其他电子的平均势场中运动,称单电子近似。用单电子近似法处理晶体中电子能谱的理论,称能带理论。 6.导体,绝缘体,半导体的能带结构 根据能带理论,晶体中并非所有电子,也并非所有的价电子都参与导电,只有导带中的电子或价带顶部的空穴才能参与导电。从下图可以看出,导体中导带和价带之间没有禁区,电子进入导带不需要能量,因而导电电子的浓度很 大。在绝缘体中价带和导期隔着一个宽的禁带E g ,电子由价带到导带需要外界供给能量,使电子激发,实现电子由价带到导带的跃迁,因而通常导带中导电电子浓度很小。半导体和绝缘体有相类似的能带结构,只是半导体的禁带较窄(E g 小) ,电子跃迁比较容易 1.电导率 是表示物质传输电流能力强弱的一种测量值。当施加电压于导体的两 端 时,其电荷载子会呈现朝某方向流动的行为,因而产生电流。电导率 是以欧姆定律定义为电流密度 和电场强度 的比率: κ=1/ρ 2.金属—电阻率与温度的关系 金属材料随温度升高,离子热振动的振幅增大,电子就愈易受到散射,当电子波通过一个理想品体点阵时(0K),它将不受散射;只有在晶体点阵完整性遭到破坏的地方,电子被才受到散射(不相干散射),这就是金属产生电阻的根本原因。由于温度引起的离子运动(热振动)振幅的变化(通常用振幅的均方值表示),以及晶体中异类原于、位错、点缺陷等都会使理想晶体点阵的周期性遭到破坏。这样,电子波在这些地方发生散射而产生电阻,降低导电性。 金属电阻率在不同温度范围与温度变化关系不同。一般认为纯金属在整个温度区间产生电阻机制是电子-声子(离子)散射。在极低温度下,电子-电子散射构成了电阻产生的主要机制。金属融化,金属原子规则阵列被破坏,从而增强了对电子的散射,电阻增加。 3.离子电导理论 离子电导是带有电荷的离子载流子在电场作用下的定向移动。一类是晶体点阵的基本离子,因热振动而离开晶格,形成热缺陷,离子或空位在电场作用下成为导电载流子,参加导电,即本征导电。另一类参加导电的载流子主要是杂质。 离子尺寸,质量都远大于电子,其运动方式是从一个平衡位置跳跃到另一个平衡位置。离子导电是离子在电场作用下的扩散。其扩散路径畅通,离子扩散系数就高,故导电率高。 4.快离子导体(最佳离子导体,超离子导体) 具有离子导电的固体物质称固体电解质。有些

材料物理性能.

※ 材料的导电性能 1、 霍尔效应 电子电导的特征是具有霍尔效应。 置于磁场中的静止载流导体,当它的电流方向与磁场方向不一致时,载流导体上平行于电流和磁场方向上的两 个面之间产生电动势差,这种现象称霍尔效应。 形成的电场E H ,称为霍尔场。表征霍尔场的物理参数称为霍尔系数,定义为: 霍尔系数R H 有如下表达式:e n R i H 1 ± = 表示霍尔效应的强弱。霍尔系数只与金属中自由电子密度有关 2、 金属的导电机制 只有在费密面附近能级的电子才能对导电做出贡献。 利用能带理论严格导出电导率表达式: 式中: nef 表示单位体积内实际参加传导过程的电子数; m *为电子的有效质量,它是考虑晶体点阵对电场作用的结果。 此式不仅适用于金属,也适用于非金属。能完整地反映晶体导电的物理本质。 量子力学可以证明,当电子波在绝对零度下通过一个完整的晶体点阵时,它将不受散射而无阻碍的传播,这时 电阻为零。只有在晶体点阵完整性遭到破坏的地方,电子波才受到散射(不相干散射),这就会产生电阻——金属产生电阻的根本原因。由于温度引起的离子运动(热振动)振幅的变化(通常用振幅的均方值表示),以及晶体中异类原子、位错、点缺陷等都会使理想晶体点阵的周期性遭到破坏。这样,电子波在这些地方发生散射而产生电阻,降低导电性。 3、 马西森定律 (P94题11) 试说明用电阻法研究金属的晶体缺陷(冷加工或高温淬火)时威慑年电阻测量要在低温下进行。 马西森(Matthissen )和沃格特(V ogt )早期根据对金属固溶体中的溶质原子的浓度较小,以致于可以略去它们 之间的相互影响,把金属的电阻看成由金属的基本电阻ρL(T)和残余电阻ρ?组成,这就是马西森定律( Matthissen Rule ),用下式表示: ρ?是与杂质的浓度、电缺陷和位错有关的电阻率。 ρL(T)是与温度有关的电阻率。 4、 电阻率与温度的关系 金属的温度愈高,电阻也愈大。 若以ρ0和ρt 表示金属在0 ℃和T ℃温度下的电阻率,则电阻与温度关系为: 在t 温度下金属的电阻温度系数: 5、 电阻率与压力的关系 在流体静压压缩时,大多数金属的电阻率降低。 在流体静压下金属的电阻率可用下式计算 式中:ρ0表示在真空条件下的电阻率;p 表示压力;φ是压力系数(负值10-5~10-6 )。 正常金属(铁、钴、镍、钯、铂等),压力增大,金属电阻率下降;反常金属(碱土金属和稀土金属的大部分) 6、 缺陷对电阻率的影响:不同类型的缺陷对电阻率的影响程度不同,空位和间隙原子对剩余电阻率的影响和金属 杂质原子的影响相似。点缺陷所引起的剩余电阻率变化远比线缺陷的影响大。

金属材料的物理特性教案及练习题

教学案例 学校名称:乌丹五中 课程名称:化学 内容主题:6、1金属材料的物理特性教材版本:科学粤教版 教师姓名: 456 教龄: 26年

《6、1金属材料的物理特性》问题导读——评价单 班级:姓名:学号:设计者:审核者: 1、通读教材,勾划知识点 2、精读课文,完成填空。 金属共有并区别于非金属的物理性质是、、、。金属还具有各自的特性:最难熔的金属是,最易熔的金属是,最重的金属是,最轻的金属是,最硬的金属是。 3、金属之最: 最早被人类广泛利用的金属——铜 目前世界年产量最高的金属——铁 地壳含量最高的金属元素——铝 人体中含量最高的金属元素——钙 导电、导热性最好的金属——银 延性最好的金属——铂 展性最好的金属——金 4、什么是合金 5、合金有什么特性 我的问题是: 《6、1金属材料的物理特性》问题训练——评价单:

一:填空题 1、金属共有并区别于非金属的物理性质是、、 、。 2、最难熔的金属是,最易熔的金属是,最重的金属是,最轻的金属是,最硬的金属是。 二、选择题 1、下列物质属于金属单质的是() A、水 B、木炭 C、氮气 D、铜 2、钨用来制造灯丝,因为钨具有导电性且() A、密度大 B、熔点高 C、硬度大 D、延展性好 3、铁是一种应用广泛的金属,下列有关铁的说法中,正确的是() A、铁丝在氧气中燃烧生成氧化铁 B、钢是一种纯净物 C、铁是地壳里含量最多的金属元素 D、用铁锅炒菜可使食物中增加微量的铁元素 4、钛和钛合金被认为是21世纪的重要材料,它们具有很多优良的性能,如 熔点高、密度小、可塑性好、易于加工,钛合金与人体有很好的“相容性”。 根据它们的主要性能,下列用途不切合实际的是() A、用来作保险丝 B、用来制造航天飞机 C 、用来制造人造骨 D、用于制造船舶 三、简答题 1、为什么菜刀、锤子等通常用铁制而不用铜制或铅制 2、银的导电性比铜好,为什么导线一般用铜制而不用银制

纳米材料的物理性能.

《材料科学前沿》 学号:S1******* 流水号:S2******* 姓名:张东杰 指导老师:郝耀武

纳米晶材料的物理性能 摘要:纳米材料由于其独特的微观结构和奇异的物理化学性质,目前已成为材料领域研究的热点之一。纳米晶材料具有优异的物理特性,这是由所组成的微粒的尺寸、相组成和界面这三个方面的相互作用来决定的。本文简要介绍了纳米晶材料的定义,综述了纳米晶材料的各种物理特性。 关键词:纳米材料,纳米晶材料,物理性能 1、引言 纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级(1~100nm)的材料,它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。由于其组成单元的尺度小,界面占用相当大的成分。因此,纳米材料具有多种特点,这就导致由纳米微粒构成的体系出现了不同于通常的大块宏观材料体系的许多特殊性质。纳米体系使人们认识自然又进入一个新的层次,它是联系原子、分子和宏观体系的中间环节,是人们过去从未探索过的新领域。实际上由纳米粒子组成的材料向宏观体系演变过程中存在结构上有序度的变化和在状态上的非平衡性质,使体系的性质产生很大的差别。对纳米材料的研究将使人们从微观到宏观的过渡有更深入的认识。 纳米材料按其结构可分为四类:晶粒尺寸至少在一个方向上在几个纳米范围内的称为三维纳米材料;具有层状结构的称为二维纳米材料;具有纤维结构的称为一维纳米材料;具有原子簇和原子束结构的称为零维纳米材料。 纳米晶材料(纳米结构材料)的概念最早是由H.Gleiter出的,这类固体是由(至少在一个方向上)尺寸为几个纳米的结构单元(主要是晶体)所构成。纳米晶材料是一种非平衡态的结构,其中存在大量的晶体缺陷。当然,纳米材料也可由非晶物质组成,例如:半晶态高分子聚合物是由厚度为纳米级的晶态层和非晶态层相间地构成的故是二维层状纳米结构材料。又如纳米玻璃的组成相均为非晶态,它是由纳米尺度的玻璃珠和界面层所组成。我们这里主要讨论纳米晶材料的物理性能。

材料物理性能期末复习考点教学内容

材料物理性能期末复 习考点

一名词解释 1.声频支振动:震动着的质点中所包含的频率甚低的格波,质点彼此之间的相位差不大,格波类似于弹性体中的应变波,称声频支振动。 2.光频支振动:格波中频率甚高的振动波,质点间的相位差很大,临近质点的运动几乎相反,频率往往在红外光区,称光频支振动。 3.格波:材料中一个质点的振动会影响到其临近质点的振动,相邻质点间的振,动会形成一定的相位差,使得晶格振动以波的形式在整个材料内传播的波。 4.热容:材料在温度升高和降低时要时吸收或放出热量,在没有相变和化学反应的条件下,材料温度升高1K时所吸收的热量。 5.一级相变:相变在某一温度点上完成,除体积变化外,还同时吸收和放出潜热的相变。 6.二级相变:在一定温度区间内逐步完成的,热焓无突变,仅是在靠近相变点的狭窄区域内变化加剧,其热熔在转变温度附近也发生剧烈变化,但为有限值的相变。 7.热膨胀:物体的体积或长度随温度升高而增大的现象。 8.热膨胀分析:利用试样体积变化研究材料内部组织的变化规律的方法。 9.热传导:当材料相邻部分间存在温度差时,热量将从温度高的区域自动流向温度低的区域的现象。 10.热稳定性(抗热震性):材料称受温度的急剧变化而不致破坏的能力。 11.热应力:由于材料的热胀冷缩而引起的内应力。 12.材料的导电性:在电场作用下,材料中的带电粒子发生定向移动从而产生宏观电流 13.载流子:材料中参与传导电流的带电粒子称为载流子 14.精密电阻合金:需要电阻率温度系数TRC或者α数值很小的合金,工程上称其为精密电阻合金 15.本征半导体:半导体材料中所有价电子都参与成键,并且所有键都处于饱和(原子外电子层填满)状态,这类半导体称为本征半导体。 16. n型半导体:掺杂半导体中或者所有结合键处被价电子填满后仍有部分富余的价电子的这类半导体。 17. p型半导体:在所有价电子都成键后仍有些结合键上缺少价电子,而出现一些空穴的一类半导体。 18.光致电导:半导体材料材料受到适当波长的电磁波辐射时,导电性会大幅升高的现象。

纳米材料的热学性质

纳米材料与团簇物理结课论文 纳米材料的热学性质 纳米材料是一种既不同于晶态,又不同于非晶态的第三类固体材料,通常指三维空间尺寸至少有一维处于纳米量级( 1 n m~1 0 0 n m)的固体材料。由于纳米材料粒径小,比表面积大,处于粒子表面无序排列的原子百分比高达l5~5 0%。纳米粒子的这种特殊结构导致其具有不同于传统材料的物理化学特性。 纳米材料的高浓度界面及原子能级的特殊结构使其具有不同于常规块体材料和单个分子的性质,纳米材料具有表面效应,体积效应,量子尺寸效应宏观量子隧道效应等,从而使得纳米材料热力学性质具有特殊性,纳米材料的各种热力学性质如晶格参数,结合能,熔点,熔解焓,熔解熵,热容等均显示出尺寸效应和形状效应。可见,纳米材料热力学性质在各方面均显现出与块体材料的差异性,研究纳米材料的热力学性质具有极其重要的科学意义和应用价值。 纳米材料的热学性质概述 一、纳米材料的熔点及内能 材料热性能与材料中分子、原子运动行为有着不可分割的联系。当热载子(电子、声子及光子)的各种特征尺寸与材料的特征尺寸(晶粒尺寸、颗粒尺寸或薄膜厚度)相当时,反应物质热性能的物性参数如熔化温度、热容等会体现出鲜明的尺寸依赖性。特别是,低温下热载子的平均自由程将变长,使材料热学性质的尺寸效应更为明显。

图1 几种纳米金属粒子的熔点降低现象 上图(图1)为几种纳米金属粒子的熔点降低现象。随粒子尺寸的减小,熔点降低。当金属粒子尺寸小于10nm后熔点急剧下降,其中3nm左右的金微粒子的熔点只有其块体材料熔点的一半,用高倍率电子显微镜观察尺寸2nm的纳米金粒子结构可以发现,纳米金颗粒形态可以在单晶、多晶与孪晶间连续转变。这种行为与传统材料在固定熔点熔化的行为完全不同,伴随着纳米材料的熔点降低,单位质量粒子熔化时的潜热吸收(焓变)也随尺寸的减小而减少。人们在具有自由表面的共价半导体的纳米晶体、惰性气体和分子晶体也发现了熔化的尺寸效应现象。 根据固体物理的基本原理,可以说明材料热学性质出现尺寸效应的根本原因,一般情况下,晶体材料的内能U可依据其晶格振动的波特性在德拜假设下估计出,即: (1) 式中,Θ为德拜温度;k为波矢;T为热力学温度;h为普朗克常数;k B为玻尔兹曼常数。求和是对于所有可能的k值进行的。k的允许值由其分量表示为: (2) 式中,L为晶格长度;N为状态度;△k x为特定方向上连续波矢的差。在其他方向的k分量也存在类似关系。 在块体材料内,式(1)通常简化为: (3) 式中,u bulk是块体材料单位容积的U值;n为原子数密度;x D为与德拜温度对应的积分限。上述关于u的表述只给出了来自块体材料声子模式的贡献,而表面声子的贡献则被忽略了。在块体材料中,表面声子的贡献确实可以忽略;但当材料至少一维尺寸大幅减少至纳米量级时,这

纳米材料的物理化学性能

第四章纳米材料的物理化学性能 纳米微粒的物理性能 第一节热学性能 ※1.1. 纳米颗粒的熔点下降 由于颗粒小,纳米颗粒的表面能高、比表面原子多,这些表面原子近邻配位不全,活性大以及体积远小于大块材料的纳米粒子熔化时所需要增加的内能小得多,这就使纳米微粒熔点急剧下降。 金的熔点:1064o C;2nm的金粒子的熔点为327o C。 银的熔点:960.5o C;银纳米粒子在低于100o C开始熔化。 铅的熔点:327.4o C;20nm球形铅粒子的熔点降低至39o C。 铜的熔点:1053o C;平均粒径为40nm的铜粒子,750o C。 ※1.2. 开始烧结温度下降 所谓烧结温度是指把粉末先用高压压制成形,然后在低于熔点的温度下使这些粉末结合成块,密度接近常规材料的最低加热温度。 纳米颗粒尺寸小,表面能高,压制成块材后的界面具有高能量,在烧结中高的界面能成为原子运动的驱动力,有利于界面中的孔洞收缩,空位团的湮灭,因此,在较低的温度下烧结就能达到致密化的目的,即烧结温度降低。 ※1.3. NPs 晶化温度降低 非晶纳米颗粒的晶化温度低于常规粉末,且纳米颗粒开始长大温度随粒径的减小而降低。 ※熔点降低、烧结温度降低、晶化温度降低等热学性质的显著变化来源于纳米材料的表(界)面效应。 第二节电学性能 2.1 纳米金属与合金的电阻特性 1. 与常规材料相比,Pd纳米相固体的比电阻增大; 2. 比电阻随粒径的减小而逐渐增加; 3. 比电阻随温度的升高而上升 4. 随粒子尺寸的减小,电阻温度系数逐渐下降。电阻的温度变化规律与常规粗晶基本相似,差别在于温度系数强烈依赖于晶粒尺寸。 随着尺寸的不断减小,温度依赖关系发生根本性变化。当粒径为11nm时,电阻随温度的升高而下降。 5. 当颗粒小于某一临界尺寸时(电子平均自由程),电阻的温度系数可能会由正变负,即随着温度的升高,电阻反而下降(与半导体性质类似). 电子在晶体中传播由于散射使其运动受阻,而产生电阻。 ※纳米材料的电阻来源可以分为两部分: 颗粒组元(晶内):当晶粒大于电子平均自由程时主要来自晶内散射 界面组元(晶界):晶粒尺寸与电子平均自由程相当时,主要来自界面电子散射?纳米材料中大量的晶界存在,几乎使大量电子运动局限在小颗粒范围。 ?晶界原子排列越混乱,晶界厚度越大,对电子散射能力就越强。 ?界面的这种高能垒是使电阻升高的主要原因。 总之:纳米材料体系的大量界面使得界面散射对电阻的贡献非常大,当纳米材料尺寸非常小时,这种贡献对总电阻占支配地位。当粒径低于临界尺寸时,量子尺寸效应造成的能级离散性不可忽视,最后温升造成的热激发电子对电导的贡献增大,即温度系数变负。 ※金属纳米颗粒材料的电阻增大的现象主要归因于小尺寸效应。 第三节磁学性能 许多生物体内就有天然的纳米磁性粒子,如向磁性细菌,蜜蜂,螃蟹,海龟等。

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