材料性能检测资料：材料性能检测讲稿(第一章).doc

1、- 1 -材料是宇宙间可以用来制造有用物品的物质，是人类生存和发展、征服自然和改造自然的物质基础。材料的使用与发展是人类不断进步和文明的标志。现代社会的进步，在很大程度上都依赖于新材料的发现和发展。材料是工程技术的基础与先导。 现在，材料与能源、信息（生命） 技术是现代文明的三（四）大支柱， 人们都认识到发展尖端技术的前提是发展和发现新 （性能）材料与新材料的加工技术。第一章第一章绪绪论论一、基本概念1、 材料：材料是人类社会所能接受的、经济地制造、有用器件的物质。定义中包含下列五个现代判据：（l） 人类社会所能接受的”包含资源、 能源和环境保护三个判推。（2）“经济地”包含经济性判据，即生产

2、和加工成器件的花费至少能为器件所带来的效益所补偿。（3） “制造有用器件的”包含质量判据， 包括材料的工艺性能 （制造）和使用性能（有用） 。2、 材料分类化学成分：如单元素（C） 、氧化物（N2O3） 、硅化物（WSi）化学性能：酸性（氧化锆） 、中性（氧化铝陶瓷） 、碱性（水泥）物理状态：矿物成分（金属、非金属） ；物理性能：用途：制造工艺：（1）按 化 学 成 分 分 类（2） 按按 晶晶 体体 结结 构构 分分 类类（2） 按按 晶晶 体体 结结 构构 分分 类类（3）按按功功能能分分类类（4）成分、显微结构、性质）成分、显微结构、性质（5）依据性能的分类：a. 结构材料：材料的结构性

3、以原子尺度内部不发生变化为特征，即坚固并有一定的耐用性，键能大的材料坚固 。如：玻璃、水泥、陶瓷b. 功能材料： 由于电子或离子在内部运动而引起其特性的称为它的第一特征，一般由于掺杂和晶格缺陷而造成的敏感性也作为功能材料的特征之一。具有特定物理（光学玻璃） 、化学（催化剂）或生物特性（生物陶瓷）的材料。可以作为一种将输入- 2 -能量传递或转换成其它能量的功能元件。如：电子能带结构的不同决定了材料的导电性差异；材料在“非平衡”情况下能够发光。2、材料性能、材料性能材料所具有的属性和功能，用于表征材料在给定的外界条件下的行为。（l）行为有多少行为，就对应有多少性能。例如，用表征材料在外力作用下拉

4、伸行为的载荷-位移曲线或应力-应变曲线，采用屈服、伸缩、断裂等行为判据，便分别有屈服强度、抗拉强度、断裂强度等力学性能。（2）外界条件在不同的外界条件下，同一种材料会有不同的性能。故当表征材料的某一性能时，必须同时指明所对应的外界条件。如未专门指明，则会认为它是处于地球表面（海平面高度）和标准气候下（空气温度（20 士 2），相对湿度（75 土 2）%，大气压 93106kPa） 。（3）参量性能是对材料行为的量化表示，具有量纲和数值。通过量纲，可以理解某项性能的属性，通过性能的数值，可以有助于器件设计时的选材与用材，实现结构优化，也为材料的研究和评价提供了目标和标准。例如，“强度”这个力学性

5、能，如不注明外界条件，其意义是含糊的， 说含 30%的 Zn 的黄铜的室温抗拉强度是 313.6MPa，才是确切的，因为它表明的外界条件是：室温、空气、拉伸载荷、工业标准规定的拉伸速度。又如，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：a) 温度升高到熔点的 40-50%以上蠕变断裂强度；b) 反复的交变载荷疲劳断裂强度；c) 特定的化学介质等腐蚀断裂强度。材料的性能包括两方面：使用性能是材料在使用条件下表现出来的。如力学性能、光学性能、化学性能等。工艺性能则指材料在加工过程中反映出的性能。如切削加工性能、热处理性能等。材料性能的外延与划分材料性能的外延与划分便于学习、测

6、试和研究，常采用不同的标准来划分:a) 应用的广泛性：将力学性能与物理性能并列为同级，正如将力学从物理学抽出来并与之并列一样，这是学科发展的一个特点；b) 实验室一般可测定简单性能和复合性能，并应依据工艺及其使用特点，进行模拟设计，测定工艺性能和使用性能，这是材料工程的一个重要内容；c) 分析复合性能时，一般先采用简单叠加模型，然后再考虑交互作用并进而进行相应的改进。如腐蚀疲劳速度(da/dN)T 可以认为是由惰性环境中的纯疲劳扩展速度(da/dN)F 及静态应力腐蚀速度两部分组成：据此，再根据实际情况考虑它们间的交互作用，并改进其模型。1.物理性能：热学性能；声学性能；光学性能；电学性能；磁

7、学性能；辐照性能2.力学性能：强度；延性；韧性；刚性3.化学性能：抗氧化性；耐腐蚀性；抗渗入性4.复杂性能：复合性能：简单性能的组合，如高温疲劳强度等工艺性能：铸造性、可锻性、可焊性、切削性等；使用性能：抗弹穿入性、耐磨性、乐器悦耳性、刀刃锋锐性等材料与物理化学性质的关系材料与物理化学性质的关系物理性质与材料的关系（见下页）物理性质与材料的关系（见下页）石英玻璃的性能：a.线膨胀系数小， 热稳定性好， 为普通玻璃的 1/10-1/20。 如 20 时，线膨胀系数为 510-71/,1200时为 1.110-71/ 。b.耐热性高，经常使用温度为 11001200,短期达 1400 。c.能良好

8、的透过紫外线，,这种在科学技术上有很大价值。d.具有良好的耐化学腐蚀性能（耐酸） ，除 HF 和热 H2PO5 外，对任何浓度，任何温度的无机、有机酸都耐蚀。e.对碱类和碱性盐类的化学作用的抵抗能力差， 由于能生成可溶性硅酸盐的原因，不适于在强碱介质中使用。材料化学性质物理性质功能性质力学性质无机非金属组成微观结构晶体结构颗粒尺寸耐腐蚀性熔点热性质电性质磁性质光学性质声学性质重力性质颜色压缩性质韧性硬度金属组成微观结构相结构晶粒尺寸耐腐蚀性杂质拉伸性质韧性延展性耐疲劳性硬度蠕变性质聚合物组成填料结晶度分子量及分布阻燃性立体结构耐化学腐蚀性拉伸性质抗冲击性质压缩性质动态力学性质模量复合材料组成微

9、观结构相结构晶粒尺寸耐腐蚀性 杂质拉伸性质压缩性质韧性蠕变性质3f.物理机械性能：抗压强度（kg/cm2） ：3500抗拉强度（kg/cm2） ：450抗弯强度（kg/cm2） ：400比重（g/cm3） ： 2.15-2.2材料性能研究注意问题材料性能研究注意问题a) 现象与本质 统一材料不同性能是材料在不同的外界条件下所表现出的不同行为。在研究材料性能时，既要总结个别性能的特殊规律，也应该要从材料的内部结构去理解材料为什么会有这些性能。例研究材料机械性能，既要研究材料的各种强度、弹性、塑性、韧性的特殊规律，即建立与性能的各种表象规律，又要运用晶体缺陷理论去研究材料从形变到断裂的普遍规律，去

10、探寻这些现象形成的机理。又如，材料的电、磁、光、热现象的物理性能，可以在电子论的指导下得到物理本质的统一。因此，我们必须要运用固体物理和固体化学，从本质上理解固体材料的各种性能所涉及的现象。绝大多数性能是与整体内部的原子特性和交互作用有关的，但是，有些性能则只与材料的表面层原子有关，如腐蚀和氧化、摩擦和磨损、晶体外延生长与离子注入、催化和表面反应等。材料工程师侧重于表象规律的建立，其主要职责是“如何做?”，材料科学家侧重于探寻现象的机理，其主要职责是回答“为什么?”；故说：工程师守法，科学家讲理。他们间的分工、配合到结合，可较好地解决“现象与本质”问题。b) 材料性能的划分只是为了学习和研究的

11、方便材料性能的划分只是为了学习和研究的方便要注意各种性能间既有区别，又有联系。如复杂性能就是不同简单性能的组合。如：消振性，对于高振动的器件，(如汽轮机的叶片)是一个重要的力学性能，但对琴丝、大钟，除了力学性能外还涉及到悦耳的声学性能。材料的高温蠕变强度：既是力学性能，又联系到热学性能；材料的应力腐蚀：既是化学问题，又是力学问题；反射率是光学性能，又与金属表面的化学稳定性有关；c) 研究材料性能时研究材料性能时,还要注意性能的复合与转换还要注意性能的复合与转换物理现象之间的转换是相当普遍的，人们利用这些现象，制备了很多功能元件与控制元件，例如，热电偶、光电管、电阻应变片、压电晶体等。近年来，还

12、提出了相乘效应：即，若对材料 A 施加 X 作用，可得到 Y 效果，则这个材料具有 X/Y 性能，如：压电性能中 X 为压力，Y 为电位差：若材料 B 具有 Y/Z性能，则 A 与 B 复合之后具有 X/Z 新性能：(X/Y)(Y/Z)=(X/Z)功能复合材料的相乘性表功能复合材料的相乘性表d) 发展与改造发展与改造一般都用“工艺结构性能”去控制或改造性能，即工艺决定结构，结构决定性能。改变结构时，应考虑可变性以及这种改变对于性能改变的敏感性。有些结构是难于改变的，如原子结构和晶体结构类型；有些组织虽然可以通过工艺来改变，但性能对于结构却有不同的敏感性。某些性能主要取决于成分，当成分固定了，性

13、能也就随之而固定，这称为非结构敏感性性能。如：熔点、弹性模量、磁饱和等。另一些性能则由于晶体的缺陷、畸变、第二相的数量、大小和分布等的改变而可能有很大的变化，这则称为结构敏感性的性能，例如：电导率、屈服强度、矫顽力等。i) 成分固定时，企图用工艺去改变非结构敏感性性能，是徒劳无功的。ii) 对于结构敏感性性能，当组织不变时，有可能列出状态方程，表示各种变量之间的关系。3、检测、检测在探索材料性能的同时，人们研究材料的另一重要领域材料物理性能检测方法，即通过各种状态下所测得的材料参数，取得固体微观结构组态的信息，以阐明材料的纯度、状态、相组成、精确判断相变过程的性质、数量和限度。检测（检验与测量

14、） ：是用一定的工具或仪器来确定一个未知量数值的过程。材料在研究初期是定性的，随着科学技术的发展，已发展到了定量研究。因而检测这个概念已成为研究和分类物理性质在物质内部主要的特征变化有关材料电学性质磁学性质表面性质光学性质介电性质热学性质机械性质电导反磁性、顺磁性、强磁性、反强磁性在固体表面上的吸附光的吸收、发光极化、诱导偶极强介电性比热、热导、热膨胀弹性、延展性、机械强度电子或离子的移动磁矩的排列固体的表面能光电子能离子的偏移晶格振动位错、化学键、晶粒间界、晶格缺陷导体、半导体铝镍钴磁石催化、半导体气敏元件荧光材料、激光材料BaTiO3绝热材料、热导材料结构材料A 组元性能(X/Y） B 组

15、元性能(X/Y)AB复合材料性能(X/Z)压电性磁阻性压阻效应压磁性法拉弟效应(电磁转变) 压致电极性变化压电性场致发光压力发光压电性凯尔光电效应力致发光磁致伸缩压阻性磁阻效应磁致伸缩压电性磁电效应光导性电致伸缩光致伸缩光导性场致发光光波转变(红外/可见光)闪烁现象光导性辐照诱致导电闪烁现象荧光辐射荧光热胀变形性敏电阻热阻控制效应- 4 -开发产品，设计和制造等整个工作不可缺少的部分。检检 测测 方方 法法 的的 分分 类类检测方法分为直接检测和间接检测。直接测量：在测量过程中，有时可以把被测量材料与同性质的标准进行比较。例如：测量材料的质量，可以通过天平的砝码与被测材料进行比较，得到材料的质

16、量。有时则无法将被测量物与标准量直接比较，而是经变换后才能进行比较。间接测量：另外许多物理量、机械量参量无法用简单的直接测量方法得到。如激光粒度检测仪，是把被测物通过各种相应的传感器变换成电参量，并将该电参量放大或转换，再送入显示或记录仪器，或送入计算机处理，从而得到被测量值。无损检测无损检测非破损检验非破损检验在不破损试件的条件下，对材料或构件质量、性能等所进行的检验。优点是能用同一试件作重复性试验，并可进一步测试其性能随时间发生变化的规律。方法：机械方法，如钢球撞痕、回弹仪等，物理方法，如超声法、共振法、X-射线法、-射线法等。如：硅酸盐材料和水泥制品上，主要用于测定动弹性模量、强度及内部

17、缺陷等4、规范和标准规范：是检验材料（原材料或半成品）性能参数时所应遵守技术文件。是对要求、量纲、材料等的详细说明。通常规定实验条件（如温度、湿度等） ，实验方法（包括样品准备、操作程序和结果处理）和实验用仪器、试剂等。根据规范所规定的条件进行实验， 所得结果可与原定标准相互比较， 以评定材料 （试件）的质量和性能。检测标准检测标准标准（化） ：对材料或工业产品类型、性能、尺寸、技术文件的符号与代码等加以统一规定，并予以实施的一项技术措施。或者说，标准是在测量或鉴定容量、数量、含量、程度、数值、质量等方面，作为一种法则或比较基础而建立。标准的最终目的是建立一种共同的语言，这样使在开发者、设计者

18、、制造者和最终使用者和其它有关方面之间不致造成混乱或发生语言不通。建立标准的优点：（1）标准化给工业（自动化）带来的好处是能够提高效率，提高质量，保证均一的高质量商品和提出新的问题。（2） 标准化为国际贸易、 技术交流、 共同市场的建立打开门户。人们可以想象，如果工业上没有距离、质量和时间等基本单位的定义，如果没有国家规定的度量衡标准，将会造成怎样的混乱局面。标准的种类：标准的种类：国标(GB)：国家技术监督局部标(BG)：部委技术监督局（建材）行业标准(JC)： 国家建筑材料工业局企标(QG)：海尔集团有限公司技术部第二次世界大战后，国际贸易有了巨大发展。为了国际标准化，又建立了国际标准化组

19、织（The International StandardOrganization） 。ISO 由世界 50 多个国家的国立标准团体组成，ISO 的标准化工作由 5 个或更多国家订立协议建立的委员会来实施。二、材料性能与检测研究内容与目的二、材料性能与检测研究内容与目的总的研究内容和目的：总的研究内容和目的：是研究材料的性能及性能检测方法。所研究的性能是各个领域在研制和应用这些材料中，对它们提出来的一系列要求，即材料的特（本）征参数。（1）掌握这些参数的物理意义、单位和检测方法及在实际问题中所处的地位；（2）研究性能参数的来源， （既性能与材料组成、结构与构造的关系） 、物质规律，从而判断材料的

20、优劣，正确发挥和使用材料，改变材料性能，探索新材料、新性能、新工艺。材料性能研究目的材料性能研究目的1、材料性能的研究，既是材料开发的出发点，也是其重要归属陶瓷材料，它之所以能广泛地应用，归根结底是因为其某一方面的性能可以满足人们的需要，可制成各种各样的形状，坚硬、表面光洁度高，可用作各种各样的容器；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。此外，近年来开发出来的一些新性能还可满足一些特殊环境的要求，用此制备重要的功能元件，如：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

21、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。等等，各种各样的例子不胜枚举。用于集成电路的绝缘基板材料用于集成电路的绝缘基板材料首先必须要具有一定的强度，以便能够承载起安装在其上的集成电路元件及布在其上的电路线，要有均匀而平滑的表面，以便进行穿孔、开槽等精密加工，从而能够构成细微而精密的图形；应有优良的绝缘性能(尤其是在高频下)， 还要有充分的导热性，以迅速散发电路上因电流产生的热；热膨胀系数之差应尽可能地小，从而保证基片与电路间良好的匹配性，电路与基片就不会剥离；总之，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

22、是较好基片材料，但导热性能不好。氧化铝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。比氧化铝的导热性更好的材料(更有希望作基片的材料)有如下几类：氧化铝单晶(亦称为蓝宝石)，其导热系数比氧化铝烧结体大 4倍，但却难于获得合适的薄片形状。碳化硅：导热性较好，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，且致密烧结非常困难。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。但是要稳定地供给高纯度且具有一定大小的片状金刚石晶体，目前还有很大困难，要投入实际应用，还需要做出很大的努力。以上仅从导热系数指标来讨论，实际应用中还要考虑其它指标。如对于大

23、型计算机，还要考虑介电常数。因为若基片材料- 5 -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。故用氧化铝作基片材料，还存在着许多值得改进之处。总之，对材料的使用，主要是使用其某一方面的性能。在选用材料时先考查主要性能满足时，再考察其它性能。2、材料性能的研究，有助于研究材料的内部结构：、材料性能的研究，有助于研究材料的内部结构：材料性能就是内部结构的体现，对结构敏感性能，更是如此。同样，材料的性能，也反映了材料的内部结构。例如：根据 n=2dsin，利用晶体对 X-ray 的衍射图象，就可以推知晶体中面网间距 d，进而就可以分析晶体的结构。材材 料料 检检 测测

24、 目目 的的材料性能检测是对各种原材料、成品和半成品，用工具仪器或其它分析方法（物理的和化学的）以检查它是否合乎标准的过程。检检 测测 的的 目目 的的1. 验证设计设想2. 提供可靠性基础3. 使产品适于配套4. 质量控制5. 满足标准和规范6. 符合工艺要求7.建立新的材料档案8. 安全9.评价竞争者的产品三、材料性能研究与学习方法三、材料性能研究与学习方法研究方法大体上可分为两大类：(1)经验方法在大量占有实验数据的基础上， 对数据的分析处理，整理为经验方程，用以表示它们的函数关系。(2) 理论方法从机理着手，即从反映本质的基本关系(如原子间的相互作用、点阵的波形方程等)出发，按照性能的

25、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。1、黑箱法 2、相关法 3、过程法（1）黑箱法）黑箱法黑箱法对材料的内部结构不作探究，认为材料是一个看不见内容的“黑箱”（black box）或“闭箱”（closed box） ，只从它的输入和输出的实验关系，来定义或理解其性能。若输入为 X，输出为 Y，从实验确定：Y KXK传递函数传递函数，定义与表达弹性模量 E、电阻 R 和热膨胀系数 a 等性能。现象输入（X）输 出（Y）关系式K性能弹性变量=（1/）1/EE导电VII= （1/ R ）V1/RR热膨胀TLL =（ L0 ）TL0应用黑箱法所确定的关系式，要注意它们的适用范围，

26、因为这些关系式是用归纳法获得的。黑箱法只能表象地解释客观世界，提供输入与输出之间的定量关系，不能“改造”客观世界，因为不能提出传递系数及性能的影响因素，更不能提出改变性能的措施。黑箱法只能提供输入与输出之间的定量关系，表象地回答“是什么”，不能解释“为什么”，即不能提出传递乘数及性能的物理意义及内在影响，更不能提出改变性能的措施。对材料的了解从黑灰白，即从一团漆黑，经部分明白到完全明白的过程。 我们总是与黑度不同的“灰箱”打交道。用自然暴露法研究复合材料在大气环境的老化性能，就是采用“黑箱法”的例子。（2）相关法）相关法对所研究的性能 P，在已有理论的指导或大量实验数据的启示下，寻求与 P 有

27、关的结构参数 Si，然后建立 P 与 Si 之间的经验关系式：P=f（SI）il，2，n可以用 Si计算 P，并可通过工艺与选材改变 Si，从而控制 P，即按工艺结构性能的思路，以工艺决定结构，以结构控制性能。相关法的目的是找出性能与结构之间的相关性关系。相关法特点： 在已有的理论指导下或已有的实验数据的启示下进行相关处理。 对相关处理结果进行必要的数理统计分析，确定相关系数和可信度。 利用相关处理的结果，选择控制性能的措施，并为进一步的理论分析提供实践基础。 相关法属于归纳法，主要解决性能的现象问题，回答“是什么”， 对于现象的本质性无法解释， 相关法常用于材料工程领域。（3）过程法）过程法

28、过程法用于深入了解现象的本质，回答“为什么”和“怎么办”的问题。材料的“性能”是对于它的“行为”的表述，行为当然是一种“变化”，过程法从“内因”和“外因”的辩证关系去理解变化、行为和性能，找寻作为变化根据的“内因”，探究外因如何通过内因而起作用。也就是说，要找出 P=f（ Si）中影响或决定结构参数S i 的化学性质、微观结构与能量关系，以及它们对行为过程的影响， 从而发现通过控制这些因素来改变结构参数以调节性能 P的途径。相关法和过程法研究材料的性能是相辅相成的：过程法既需要依赖，又需要说明大量的相关法研究的结果；而过程法的研究结果，不仅可以加深对相关经验规律的理解，区分相关关系的真伪和本质

29、联系，也可为了解与调节材料的性能提供新的思路和途径。三种方法分别代表了材料研究的不同层次，区别主要在对材料结构（即材质、性能的内因）的态度和揭示程度。黑箱法不考虑结构；相关法是建立性能与结构之间的相关性方程；过程法是从性能所涉及的过程去探究结构与性能的关系，从而寻找控制与调节性能的途径。四、在材料科学与工程研究中的地位及特点四、在材料科学与工程研究中的地位及特点1.地位地位著名科学家门捷列夫曾说过： “没有测量就没有科学” 。人们通过检测（测试）可以对事物进行客观的分析和评价。回顾科学技术的发展历程，无论是新元素的发现，还是一种新效应的证实；无论是对材料性能的认识，还是利用和开发，都离- 6

30、-不开检测（测试） 。因此检测渗入到材料各个研究部门。随着科学技术的不断发展，各学科之间的相互渗透越来越密切，所研究的对象也越来越广泛。对一个新课题的研究，往往需要进行大量复杂多样的测试工作。因此性能检测在材料科学研究中的地位越来越重要。一个研究部门的研究成果如何？第一是设计思路，第二就是如何对设计思路进行检测分析。一个企业，其产品是否有市场，重要的是质量如何，而质量必须通过检测而确定。因此，材料性能及检测贯穿于材料的各个环节中，它是各个环节研究的基础。同时，重大的技术进步几乎总是与材料的性能改良或新材料的发展和使用紧密相连。2.特点特点（1）复杂性：从前面的分类可以看出，材料的种类繁多，不同

31、材料性能不同，其测试的手段也不同，即使同种材料用于不同的行业，其所需性能测试方法手段也不同。因而检测所涉及面很广，也很复杂；（2）多样性：对同一种性能的检测有不同的检测方法、手段和标准。如粒度，有显微镜法、重力沉降法、激光粒度测定法、库尔特计数粒度测定法、吸附法等。（3）所得结果反映材料的整体效应，可以避免局部微观区域观察或测量可能造成的错觉；（4）可以有效地进行材料试验的动态过程研究，较精确地判断材料中发生相变的温度、时间、数量和限度；（5）灵敏地确定一些微量元素对材料结构与性能的影响；四、与其它课程的关系及课程安排四、与其它课程的关系及课程安排材料性能与检测与其它课程是相互依托的，是其它专

32、业课程研究的基础及技术手段。美国科学院对材料科学与工程的定义：Involves the generation and application of knowledge relation thecomposition, structure,andprocessingof materialstotheirproperties and uses.材料组成、结构、加工与材料性质、使用之间关系的发现与应用。材料科学着重于发现材料的本质，并由此对结构与组成、性质、使用性能之间的关系作出描述与解释。材料工程是应用材料科学的知识，对材料进行开发、制造、修饰并实现其具体应用。第二章第二章材料化学性能与检测材料化

33、学性能与检测2.1材料的化学稳定性材料的化学稳定性化学性能是指材料在受到外界条件（温度、压力、气氛等）变化的影响，或与某些侵蚀性介质接触时产生化学反应而引起的材料内部成分、结构和性能改变的现象，以及材料的化学特征形成的有用功能。包括三方面的内容：（1）材料在外界温度、压力等条件变化时，其内部结构和性能随之变化，即化学稳定性能（包括体积稳定） ；（2）材料在与侵蚀性介质（固、液、气相）接触时，引起内部成分、结构、使用性能变化的反应性能，即抗腐蚀性和活性；（3）利用与外界的物质交换或能量交换形成的有用功能，如化学传感器等。三、材料化学稳定性的检测三、材料化学稳定性的检测材料微区分析：应用电子光学、

34、离子光学和激光等新技术对微粒、微区的成分、结构、形态及某些性质进行研究使用的仪器有：透射电镜、扫描电镜、电子探针、离子探针、激光探针、光电子能谱仪、中子衍射仪等；材料的谱学研究分析：材料共振谱学（穆斯堡尔谱、电子顺磁共振谱、核磁共振谱、核四极矩共振谱等） ；材料吸收谱学（X 射线谱、紫外光谱、可见光谱、红外光谱、拉曼光谱）材料发射光谱（ X 射线光电子能谱、紫外光电子能谱）化学稳定性的检测：一般要采用现代测试技术：透射电镜：结构分析（是否存在缺陷、不稳定结构）X-粉晶衍射：成分分析（是否含有易氧化、易分解的元素）红外光谱：成分分析（是否含有易氧化、易分解的元素）电子探针：成分分析（是否含有易氧

35、化、易分解的元素）从而确定材料化学稳定性。2.2材料的耐化学腐蚀性材料的耐化学腐蚀性一、材料腐蚀的基本概念一、材料腐蚀的基本概念“腐蚀”是物质的表面在外界环境或介质影响发生化学反应而受到破坏的现象。 “腐蚀”是指物质本身的“质”的变化化学变化，材料受侵蚀的方式有三种：物理作用、化学作用和生物作用。前二者较常见，在侵蚀过程中很少有单一中侵蚀作用，往往几种作用同时存在，互相影响。材料的腐蚀是一种自发进行的过程，是物质由高能态向低能态的转变形式。例如，铁在自然界中多以赤铁矿的形式存在，属于比较稳定的状态，只有赋予矿石一定的能量，才能使之还原为金属铁，铁比它的化合物具有更高的自由能，因此金属铁具有释放

36、能量而回到热力学更稳定的自然存在状态氧化物、硫化物及其他化合物的倾向，腐蚀就是这种变化的表现材料的腐蚀具有双重性质：金属构件的腐蚀是相当有害的，它会造成设备的毁坏。而用腐蚀现象对金属材料进行电化学加工，制备信息硬件的印刷线路板，制取奥氏体不锈钢粉末，利用金属的阳极氧化膜对金属进行保护等都是利用腐蚀机理而派生的技术。故不能片面地只把腐蚀视作一种破坏、失效，而应当利用腐蚀的有利效应为人类服务。二、腐蚀的分类1、根据金属腐蚀的机理不同分类（1）化学腐蚀材料表面与非电解质（干燥气、高温气体、非电解质溶液）直接发生化学作用而引起的破坏称为化学腐蚀。在化学腐蚀过程中，电子的传递是在金属与氧化剂之间直接进行

37、的，因而没有电流产生。 例如铝在四氯化碳或乙醇中的腐蚀镁和钛在甲醇中的腐蚀等都属于化学腐蚀（2）电化学腐蚀材料表面与电解质溶液发生电化学反应而引起的破坏称之。任何一种按电化学机理进行的腐蚀反应至少包括一个阳极反应和一个阴极反应，并有电流产生。电化学腐蚀是最普遍、最常见的腐蚀形式例如金属在大气、- 7 -海水、土壤、介质中的腐蚀。2、根据腐蚀的环境分类（1）大气腐蚀材料在大气环境下发生的腐蚀称为大气腐蚀，如材料在生产储存或使用过程中受大气作用发生的腐蚀。（2）海水腐蚀材料构件在海洋环境中发生的腐蚀称为海水腐蚀，如船舶、码头、海底管线都会受到海洋环境的腐蚀。（3）淡水腐蚀材料在硬水或软水中的腐蚀称

38、为淡水腐蚀，如河水、湖水、地下水等含盐量少的天然水中的腐蚀（4）土壤腐蚀埋设在地下的材料构筑物（地下管道、电缆等）在土壤的作用下发生的腐蚀称为土壤腐蚀，如油、气、水管长期理在土壤中造成的腐蚀穿孔等3、根据腐蚀破坏的外部特征分类（1）全面腐蚀腐蚀分布在整个表面上并连成一片的腐蚀破坏，又可分为均匀腐蚀和不均匀腐蚀。均匀腐蚀：腐蚀均匀地发生在整个表面上，材料表面上各部分的腐蚀速度基本相同例如碳钢在强酸强碱中、钢在大气中、金属高温氧化均属均匀腐蚀。不均匀腐蚀：腐蚀作用虽然发生在整个材料表面上，但各部分的腐蚀速度相差较大列如海船航行几年后，在船体的下部整个金属表面上，可观察到不均匀腐蚀。（2）局部腐蚀腐

39、蚀主要发生在材料表面的某一区域，而表面的其他部分未被破坏，局部腐蚀比全面腐蚀有更大的危害性，而且更难以预测。（省略金属腐蚀破坏形态图，见金属腐蚀与控制 ）（3）应力和环境介质共同作用下的腐蚀应力腐蚀断裂：危害性极大。应力腐蚀是金属在拉应力的作用下并在某些活性介质中发生的电化学腐蚀破裂。腐蚀疲劳：金属在交变应力（循环应力或脉动应力）和腐蚀环境介质的共同作用下产生的脆性断裂称为腐蚀疲劳例如船用螺旋桨推进器、蜗轮及蜗轮叶片、内燃机连杆等常出现此类破坏。氢损伤：是指氢进入金属中，导致金属材料塑性、韧性明显下降，产生低应力脆断的损伤现象。根据产生条件、作用机理和损坏形态，通常把氢损伤分为:氢脆：氢扩散到

40、金属中以固溶态存在或生成金属氢化物而导致材料脆性断裂的现象；氢鼓泡：扩散到金属中的氢聚集在金属的孔洞处，形成氢分子产生很大压力，形成内部裂纹使金属开裂的现象；氢腐蚀：是指在高温高压下，氢进入金属产生化学反应如钢中，氢与碳作用生成甲烷气体，导致金属材料脱碳或沿晶开裂二、产生侵蚀的原因二、产生侵蚀的原因1. 材料中存在易溶（熔）的反应活性物质组份玻璃以 SiO2为主要成分，同时含有一定量碱金属氧化物（Na2O，Li2O 等）的单相均匀材料，碱金属氧化物未完全进入SiO2网络，产生一些易于迁移的金属离子（网络游离子） 。与酸性或中性水介质中的 H+ 发生离子交换反应：Si-O 网络- Si-O-Na

41、+H+ Si-O 网络- Si-O H + Na+对玻璃的化学腐蚀主要来自于 OH离子：Si-O 网络- Si-O- Si +OH Si-O 网络- Si-OH + Na+- Si-O其他硅酸盐材料有与玻璃类似的化学腐蚀特性。当二氧化硅（尤其是无定性的 SiO2）与碱液接触时发生如下反应受到侵蚀：SiO2+2NaOHNa2SiO3(水玻璃)+H2O所生成的硅酸钠易溶于水及碱液中。一般来说，材料中 SiO2的含量越高，耐酸性越强，SiO255%的天然及人造硅酸盐是不耐酸的。但有例外。如：铸石（SiO2=55%左右） ，耐腐蚀性很强红砖（SiO2=60-80%） ，SiO2为无定形状态，但煅烧形成

42、硅线石和莫来石，这两种物质密度大，具有高度耐蚀性。2.材料孔隙和结构的影响（材料内部不充实）硅酸盐材料除熔制品（玻璃、铸石）外，或多或少存在一定的孔隙，孔隙的存在会降低材料的耐腐蚀性。孔隙的存在，形成了侵蚀通道，使材料受侵蚀介质作用的面积增大，侵蚀作用增强，使得侵蚀作用不仅发生在表面，而且也发生在材料内部。当侵蚀作用发生化学反应生成结晶物时，造成物理机械性破坏，加快了侵蚀作用的速度。如：在某制碱工厂车间的地面，当水泥地面间歇的受到烧碱溶液侵润时，体积增大，在水泥内部膨胀，使材料产生内应力而破坏水泥地面。NaOH+CO2Na2CO3（结晶）通常孔隙不相连通受侵蚀比开口的孔隙作用小。3侵蚀介质的影

43、响侵蚀介质有：酸类、碱类、水、金属等类型。酸介质中：通常对材料侵蚀作用的速度与酸的类型无关而与酸的电离度、环境条件有关：a. 酸的电离度越大，对材料侵蚀作用越强；b. 环境温度高，酸的电离度增大，侵蚀作用增强；c. 浓度不同，侵蚀作用速度不同。4防止侵蚀的方法（1）尽可能与侵蚀性介质隔离，如增加表面保护层、镀膜、陶瓷施釉；（2）改变材料的化学、矿物组成或掺入活性混合材料，减少材料的内应力，提高材料稳定性；（3）加入抗蚀剂；（4）调整配料、成型等工艺条件，使材料内部结构致密，也可大大减少侵蚀作用。三、无机非金属材料耐蚀性表征指标及检测三、无机非金属材料耐蚀性表征指标及检测材料抗腐蚀性的指标（技术

44、参数） ，常用的有：抗氧化性、耐酸性、耐碱性、 抗渗性、抗水性、耐真空性等。1 抗氧化性指材料在（高温）氧化气氛条件下抵抗氧化的能力，一般用重量变化和检查评定。2 抗水性材料抵抗水或潮湿侵蚀的能力。以玻璃抗水性测定为例: 称取若干克粒径为 0.56-0.8mm 的玻璃（其值为比重的 4 倍） ，在蒸馏水中煮沸 5 小时后过滤、烘干，测定水中残渣重量。根据残渣重量，确定抗水化学性等级。如：- 8 -一级为 0-10 毫克，二级为 10-15 毫克，三级为 15-25 毫克四级为 25-50 毫克，五级为 50 毫克以上。3 耐酸（碱）度指试样在一定浓度的酸 （碱） 中重量损失或剩余量的百分比。有

45、时用材料晶体结构完全破坏时所需酸（碱）的浓度表示（如沸石） 。一般测试方法为：将试样粉碎，取 80-200 目部分（纤维试样可剪成 2-3mm 长） ，105左右烘干至恒重。称取烘干样 1.00克，浸泡于一定浓度的酸和碱中，在水浴（100 ）中加热处理 2 小时，冷却、过滤，并用蒸馏水清洗过滤 2-3 次，然后烘干（105 ）至恒重。称重，按下列式计算：耐酸（碱）度K=(A1-A2)/A1100%式中A1为腐蚀前称重，A2为腐蚀后称重通常作平行样 2-3 份，取其平均值。 （测试结果应注明酸碱浓度、温度及侵蚀时间） 。举例：石材耐酸度检测石材耐酸度是指试样在一定浓度的酸介质中煮沸一定的时间后，

46、试样质量与实验前质量相比以百分数表示。检测步骤如下：1 试样准备：从原材料上均匀取若干碎块，制备成粒径为 0.5-1.0mm 的粉末，在 105-1100烘干至恒重，冷却称重 1.000g。2实验：a. 将称好的试样置于 250ml 的锥形瓶内，加入硫酸（比密度为1.84）25ml，并在烧瓶上连接冷凝管；b.将烧瓶（放在电炉上） ，加热至沸腾，保持 1 小时，冷却到硫酸蒸气完全消失，拆取冷凝管。提动锥形烧瓶并注入蒸馏水50ml 同时用少量蒸馏水冲洗冷凝管和塞子，并将冲洗后的水收集在同一烧瓶中。c. 过滤：为了避免试样损失，过滤时可向烧瓶内加入少量用无灰滤纸制成的滤纸浆。过滤时先将定量纸浆放在带

47、中速滤纸的漏斗底上，用热蒸馏水冲洗烧瓶并将此水注入漏斗，然后用热蒸馏水洗涤滤纸上的残渣， 至洗涤水 （用 0.1%甲基橙溶液实验）无反应为止。d. 将带有试样残渣的滤纸放在瓷坩埚内灼烧至恒重（灼烧温度为 700-800 ） ，然后冷却称量。3计算结果：耐酸度=（M1/M）100%M1为灼烧后残渣质量，M2为试样质量（g）取两次平行实验的平均值，作为实验结果，平行实验的误差应在 0.5%左右。石材耐碱度：测定方法同上，只是加入 25ml、浓度为 20%的NaOH。由于材料在使用时受侵蚀介质作用的仅仅是工作表面，因而又有：a.侵蚀安全性测定取材料制品，规格为 555cm 无裂纹的材料，放入盛有硫酸

48、（比密度 1.80，温度 200C 左右）的带盖容器中。浸泡期内，经常检查试块的外观变化，并保持酸的浓度。浸泡 45 天后取出试块并用水冲洗，然后用纱布擦干，检查试块有无裂纹、剥落、膨胀等现象。若试块完整，试块表面和浸泡酸液亦无显著变色，则为合格。b.浸泡后的抗屈强度用测定浸泡酸安定后的试样进行抗屈强度测试，测试结果不低于原样抗屈强度的 85%为合格。5.抗渗透性抗渗透性是材料抵抗气体或液体渗透的能力。它是材料的重要指标。大多数材料在腐蚀介质中虽不被侵蚀，但能被渗透时，这种材料也不能使用。抗渗透性测定：将试件密封地固定在金属槽中，槽上用法兰封盖，然后将水或腐蚀性溶液注满，再施以一定的压力，保持

49、一定的时间。如果试件下部表面上没有明显的漏泄或液滴，则认为材料在该压力下是不渗透的。小结化学稳定性是微观效应，在设计材料配方、加工工艺过程中可以控制；耐化学侵蚀是宏观效应，受外界环境影响。2.3无机非金属材料化学功能及检测无机非金属材料化学功能及检测化学功能是材料利用与外界的物质交换或能量交换而形成的有用效应。其有如下表现形式：a.特种陶瓷多具有特异功能：对各种化学物质敏感并将其浓度转换为电 信号进行检测的仪器 ） ；b. 相当于以化学反应结果向外部输电的化学电池和双层电容器；c. 从外部供给电或光等能量，利用化学变化使物质迁移的化学泵；d. 使材料着色的电致变色效应；e. 使化学反应顺利进行

50、的催化剂和催化剂载体；f. 固定化酶：通过吸附、键合、交联或包埋等方式将游离酶固定于某介质上或其中，以提高酶分子的利用率、稳定性和机械性。g. 使物质实现分离的过滤器等。如利用吸附性和离子交换性可将沸石、硅藻土、膨润土、膨胀珍珠岩、硅酸钙、二氧化硅、氧化铝等制成助 滤剂、净化剂、脱色剂等；h. 传感器：用 TiO2-V2O5、磷灰石、MgCr2O4、MgFe2O4制成湿度传感器、气体传感器等。无机非金属材料的化学功能具体有：机非金属材料的化学功能具体有：吸附性能、离子交换性能、 催化性能、反应性能等。主要是指层 （链） 状结构特征： 常常发生的阳离子同型交换，造成内部电荷不平衡，产生一系列电化