材料物理性能复习资料

材料物理性能总复习(无材一)

考试题型：

1 名词解释 5个*3分，共15分；

2 简答 7个*5分，共35分；

3 计算 2个*10分，共20分；

4 论述 2个*15分，共30分。

考试时间：2013-1-14. 考试重点

1 材料的受力形变 不同材料应力应变曲线的区别

A （A 点）：比例极限; E （

B 点）：弹性极限; P （

C 点）：屈服极限; U （

D 点）：断裂极限;

E ，可逆线性正比例关系，当应力在 E 和 P 之间，外力去除后有一定程度的永久变形，即发生塑性变形

陶瓷材料一般没有塑性变形，发生脆性断裂 应力：单位面积上所受内力。ζ=F/A

由于材料的面积在外力作用下，可能有变化，A 就有变化，有名义应力和实际（真实）应力 P4. 应变：描述物质内部各质点之间的相对位移

名义位移的应变：

实际应变和L0有关，可以通过公式推导获得

由于材料的不同方向的应变，因此考虑可以采用和应力分解的办法来解决，具体看教材第6-7页 虎克定律： σ=E ε

比例系数E 成为弹性模量（Elastic Modulus ）,又称弹性刚度

相关概念：应力应变虎克定律

弹性模量

001L L L L L ?=

-=ε

三种应变类型的弹性模量

杨氏模量E ；剪切模量G ； 体积模量B 弹性模量：原子间结合强度的标志之一

两类原子间结合力与原子间距关系曲线

弹性模量实际与曲线上受力点的曲线斜率成 正比结合键、原子之间的距离、外力作用也将改变弹性模量的值 温度升高，原子之间距离变大，弹性模量下降 弹性模量的本质特征；

弹性模量的影响因素；晶粒、异相、气孔、杂质等，

弹性模量的计算公式及方法；把材料看成材料的串联或者并联，我们可以得到其上限模量和下限模量，如下面的公式表示：（P13）

复合材料弹性模量及应力的计算。 陶瓷材料弹性常数和气孔率关系

多气孔陶瓷材料可以看成二相材料，其中一相的刚度为0 陶瓷材料的弹性模量随气孔率变化的表达式是：

b 是与制备工艺有关常数.当泊松比0.3，f1和f2分别是1.9和0.9，和教材上p13公式1.21一样

粘弹性：一些非晶体,有时甚至多晶体在比较小的应力时同时表现出粘性和弹性。（所有高分子材料都有这种性质） 滞弹性 ：材料和时间有关的弹性，即时间的滞后.滞弹性体的应力与应变关系仍然是线性的,应力卸除后可以完全回复到原始形状和尺寸,只是要经过充分长的时间才能达到，即应变对应力有滞后现象，故称之为滞弹性。 蠕变： 固定外力，但材料的应变不断增加的现象，本质是：弹性模量不断减少。

驰豫：材料上恒定应变，但应力随着时间而减少的现象。其本质也是弹性模量的减少。

驰豫时间 (relaxation time)：定义 应力σ是原始应力 σ0的0.37(1/e)的时间，所以有：

塑性形变 ：外力移去后不能够恢复的形变 晶体的塑性形变过程包括：滑移和孪晶 滑移：晶体的一部分相对另外一部分平移滑动。

第三阶段：蠕变速率随时间而上升，随后试样断裂。影响因素：温度，应力，显微结构，组成，晶体结构。 粘度的概念及影响因素

粘度：使相距一定距离的两个平行平面以一定速度相对移动所需的力。单位Pa*S 粘度影响因素：温度，时间，组成。

τ

σσt

e

-

=0

①温度：温度决定材料的粘度，而粘度的值将决定材料的主要性能

②时间：将影响粘度

③组成：材料的主要本征因素

陶瓷高温蠕变的影响因素

1.外界因素

①应力：不同的应力的作用，材料的蠕变情况有可能不同，如临界应力将使材料非常快断裂，接近临界应力的应力作用和低应力的作用也不同

②温度：对Q的影响

2.本征因素

①晶粒尺寸：不同的晶粒尺寸范围决定了不同的蠕变机理起控制速率的作用。当晶粒比较大，蠕变速率受晶格机理控制，当晶粒比较小，情况相对复杂，二种晶界机理和晶格机理都可能起作用

②气孔率：蠕变速率随着气孔率的增加而提高,因为气孔减小了抵抗蠕变的有效截面积

请同学们复学硅酸盐物理化学方面有关玻璃相的知识，以加强了解

思考题(不用交)

晶体的结构和滑移系之间的关系

教材第37页的第六题

多晶陶瓷的本征因素和外来因素是如何影响陶瓷材料的塑性

为什么陶瓷材料的蠕变是高温蠕变?有那几种机理?

影响陶瓷材料蠕变的因素有那些?请以含有5%玻璃相的氧化铝陶瓷为例子，加以一一说明。

2 脆性断裂与强度

强度的三个理论公式：

Griffith理论及影响因素:

Griffith理论:实际材料中存在细小的裂纹或缺陷，在外力作用下，在其上会发生应力集中现象，当应力达到一定程度时，裂纹开始扩展而导致断裂。

影响因素:有三个控制参数：

①弹性模量E：取决于材料的组分、晶体结构，对除了气孔以外的显微结构较不敏感

②断裂能：除了取决于组分、结构，在很大程度上受到微观缺陷、显微结构的影响，是一种织构敏感参数，起着断裂过程的阻力作用。

③裂纹半长度C：相当于材料中最危险的缺陷，起作用在于导致材料内部的局部应力集中，是断裂的动力因素。缺陷的起源与陶瓷的制备工艺密切相关。断裂强度取决于c 值，而不取决于裂纹的多少。

强度的影响因素：晶粒尺寸，气孔等。

提高材料强度的措施，或克服材料脆性的途径

一：微晶，高密度，高纯度。

二：提高抗断裂能力与预加应力。

三：化学强化。

四：相变增韧。

五：弥散增韧。

提高抗热冲击断裂性能的措施

①提高材料确度 ，减少弹性模量E，提高 /E。实质是提高材料的柔韧性

②提高材料的热导率 ，使得R 提高

③减少材料的热膨胀系数

④减少表面热传递系数h

⑤减少产品的有效厚度

3 热学

热容—概念：定义：C=Q/ΔT 物体温度升高1K需要的能量。

热膨胀—概念，公式及计算，影响因素

热膨胀：物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象。

公式及计算：

热膨胀和其他性能的关系

①和结合能及熔点关系：结合能高，熔点高，材料中质点的热振动受温度的影响小，材料的热膨胀系数也小

②和温度关系：是温度的函数。一般地，温度升高，热膨胀系数升高

③和结构关系：结构致密，热膨胀系数大，而玻璃的小，因为结构内的“空隙”问题。

热传导概念：热量从温度高的地方向温度低的地方传导。（公式及计算）

热传导的微观机理

①本质：晶格振动的格波和自由电子的运动

②金属中有大量自由电子，所以金属的热传导性能好

③其他结合键(共价键和离子键)主要是晶格振动的格波，而自由电子的贡献非常小

④晶格振动的格波是晶格振动的相互影响，达到平衡，实现热量的传递

影响热导率的因素

①温度：是温度的函数

温度不太高，主要是声子的热传导，温度较高，光子的热传导作用才明显。

②看教材的图3.13和图3.14

③耐火材料中氧化物多晶材料在实用温度范围内，T升高，热导率降低。看图3.1５

④晶体结构的影响：晶体结构愈复杂，晶格振动的非谐性程度愈大，声子平均自由程较小，热导率较低

各向异性晶体的热导率：

①晶体的各向异性，热导率也是各向异性。

②温度升高，各向异性的热导率的差别减少，因为晶体随着温度升高，晶体的结构的对称性更好。

多晶体和单晶体的热导率

①同一物质，多晶体的热导率比单晶体的热导率小。因为多晶体的晶界使得声子受到散射，热导率变小

②看图3.16

非晶体的热导率：

①非晶态的结构特点是：近程有序，远程无序。声子理论近似计算：

②在中低温（400-600K）：光子导热贡献很小，热容变大，所以材料的热导率增加

③在中高温（600-900K），声子热容基本不变，声子热导率基本不变，但光子热导率有增加

④高温（高于900K），声子热容基本不变，但光子导热明显增加，材料的热导率增加

⑤看图3.17

实际无机材料的热导率

①实际无机材料由晶体和非晶体组成，三种情况：

②见教材143页

③化学组成的影响①质点的原子量小，密度小，扬氏模量大， Debye temperature高，热导率大②缺陷将降低材料的热导率，如多晶界，固溶等。

④气孔的影响气孔：①无机材料中气孔对热导率的影响复杂②气孔可以作为一相，也可能是简单影响③气孔一般降低材料的热导率④在材料制备时，设计和制备均匀的纳米气孔是现在材料科学研究领域的一个方向

热应力：材料在热膨胀或者收缩产生的内应力

热稳定性：材料在温度急剧变化而不被破坏的能力，也被称为抗热震性。

分成二种：材料在瞬时断裂—抗热冲击断裂性，热冲击作用，材料表面开裂、剥落直到材料被破坏—抗热冲击损伤性。

热稳定性的表示方法①温度差②热循环次数③热循环后的强度损失④均是直观的评价方法，其基础是强度-应力

第一、二热应力抵抗因子，影响因素

第一热应力断裂抵抗因子R 公式：（请自附）

第二热应力断裂抵抗因子R’公式：（请自附）

冷却速率引起的温度梯度和热应力：

①冷却速率的不同引起不同的温度梯度

②温度梯度形成热应力，热应力将影响材料的热稳定性

③第三热应力因子

4 光学

小结

①光的反射、折射、色散、吸收及散射概念及影响因素；

②何为Rayleigh Scattering及其发生的条件；

③激光的原理及相关概念。

④散射的种类及特征。

反射：

折射：当光从真空进入较致密的材料中，其速度降低。光在真空和材料中的速度之比即为材料的折射率。

折射率n的影响因素：

①构成材料元素的离子半径，离子半径越大，材料极化，折射率增加

②材料的结构，晶型和非晶态：材料的各向同性，材料一个折射率，各向异性，材料有双折射率

③材料的内应力：应力将改变材料的折射率

④同质异构体：高温型的折射率低，低温型较高

⑤P173 表4.1

色散：这种光在介质中的传播速度（或介质的折射率）随其频率（或波长）的减小而减小的现象，称为光的色散现象。

介质对光的吸收和散射：在光束通过物质时，它的传播情况将要发生变化。首先光束越深入物质，它的光强将越减弱，这是由于一部分光的能量被物质所吸收，而另一部分光向各个方向散射所造成的，这就是光的吸收和散射现象。

一、弹性散射分类

按照散射中心尺度a0与入射光波长λ是大小，分为三类：

1. 廷德尔散射 Tyndall Scattering (J.Tyndall，1820-1893)

当a0?λ时，ζ→0

即散射中心的尺度远大于光波波长时，散射光强与入射光波长无关

如粉笔灰、白云呈白色

例如在胶体、乳浊液以及含有烟、雾或灰尘的大气中的散射

2.米氏散射 Mie Scattering

当a0与λ相近时，ζ=0~4

即散射中心的尺度与光波波长可以比拟时，ζ在0~4之间,具体取值与散射中心有关.

米氏散射性质比较复杂

3. 瑞利散射 Rayleigh scattering

当a0?λ时，ζ=4 即当散射中心的线度远小于入射光的波长时，散射强度与波长的4次方成反比

通常我们把线度小于光的波长的微粒对入射光的散射，称为瑞利散射（Rayleigh scattering）。

瑞利散射不改变原入射光的频率

无机材料的透光性

①介质对光的吸收

②光在介质内部因为碰撞及热效应使得光的能量衰减，既光被介质吸收

③郎伯特定律：光强度随着厚度的变化符合指数衰减规律

④半导体对光的波长有选择性吸收：因为半导体的Eg关系，半导体对满足其电子跃迁的能量有选择，这样材料有透光性

⑤无机材料是多晶多相体系，除了晶体外，还有气孔、杂质、晶界、微裂纹等，它们将对光波产生散射，一般地，无机材料是不透明的

⑥透光度：综合指标，光能通过陶瓷材料后，剩余光能所占的百分比，如教材第185页图4.6

影响因素:

①吸收系数：材料对光的吸收，不是主要原因

②反射系数：反射越大，材料的透光性越差

③散射系数：影响材料透光性的主要原因，有材料的宏观及显微缺陷、晶粒的排列方向、气孔引起的散射(这将非常影响材料的透光性能)

提高无机材料透光性的措施：

①提高原料的纯度

②添加外加剂：一方面这些质点将降低材料的透光率，但由于添加这些外加剂将可以降低材料的气孔，从而提高材料的透光率

③工艺措施：采用热压法比普通烧结法更容易排除气孔，即降低气孔，将晶粒定向排列将可以提高材料的透光率

5 电学

小结

①体积电阻、表面电阻及相关测量方法；

②载流子及其种类；

③离子迁移率和离子电导率的推导，影响离子电导率的因素;

④固体电解质的概念及具备条件，举例说明固体电解质的应用；

⑤半导体概念，P，N半导体能带结构；

⑥半征电子电导率计算；

⑦影响电子电导的因素；

电流强度：单位时间内流过某一截面的电荷量

电流密度：单位时间内流过材料单位面积横截面的电荷量

载流子：带电荷的自由粒子，种类有电子，空穴，正、负离子，（带电空位，极化子）。

离子迁移率，

载流子沿电场力的方向的迁移率为：

μ=v/E=(a2 02q /6kBT) × exp(－E2/ kBT)

一般离子的迁移率为10-13～10-16 m2/sV,

kB= 0.86×10-4(eV/K)

离子导电的种类：

①本征导电------晶格点阵上的离子定向运动（热缺陷的运动）。

a.弗仑克尔缺陷为填隙离子---空位对。

b.肖特基缺陷为阳离子空位---阴离子空位对。

②杂质导电------杂质离子的定向运动。

a.填隙杂质或置换杂质（溶质）。

杂质导电与本征导电的比较：

①杂质离子浓度远小于晶格格点数；

②杂质离子的活化能小于热缺陷移动的活化能；

③离子晶体的电导主要为杂质电导。

影响离子电导率的因素;

σ= Asexp[-Bs/T］

1)温度的影响：呈指数关系，随温度升高，电导率迅速增大。如图：低温下，杂质电导占主要地位(曲线1)，高温下，固有电导起主要作用。

2)晶体结构的影响

a)离子半径：一般离子半径小，结合力大，因而活化能也大；

b)离子电荷，电价高，结合力大，因而活化能也大；

c)堆积程度，结合愈紧密，可供移动的离子数目就少，且移动也要困难些，可导致较低的电导率。

3)晶体缺陷的影响

由于真正实用的离子电导（即固体电解质）必须具备两个条件：

a)电子载流子的浓度小。

b)离子晶格缺陷浓度大并参与电导。

离子性晶格缺陷的生成及其浓度大小是决定离子电导的关键所在。

影响晶格缺陷的因素有：热激励；固溶；气氛。

固体电解质；

半导体概念：常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料。价带为满带，价带与空带之间存在禁带。但禁带宽度较小。

本征半导体：载流子为电子和空穴，其浓度相等，其由热激发产生；

P，N半导体能带结构；

影响电子电导的因素

（1温度影响

温度愈高，被激活的杂质原子数愈多，从而参与导电的电子或空穴数就愈多，因而其电导率随温度的上升而增加。但是，出于杂质原子电离能远远小于本征半导体的禁带宽度，因此，尽管在相同的温度下非本征半导体的电导率比本征半导体的电导率大得多，但非本征半导体的电导率对温度的依赖性却比本征半导体要小得多。

(2)缺陷影响

A 杂质缺陷：掺杂引起的能级变化，价控半导体

用不同于晶格离子价态的杂质取代晶格离子，形成局部能级，使绝缘体实现半导化而成为导电陶瓷。

B 组分缺陷

1）阳离子空位及缺陷能级；

2）阴离子空位及缺陷能级；

3）间隙离子缺陷；

能带相关的概念：

孤立原子，电子在内外许多层轨道上运动，每层轨道对应确定的能量；

当原子形成晶体时，不同原子的内外各层轨道将发生不同的交叠，原来属于某个原子的电子不再局限于这个原子，它可以转移到相邻的原子上去，这样电子可在整个晶体中运动，即电子共有化运动。

外层电子轨道重叠大，电子共有化特性显著，电子只能在能量相同的轨道之间的转移；

在其它原子势场的作用下，相同能量的一些能级，将分裂成具有不同能量的一些能级构成的带，称为能带。

无机材料电导混合法则；

P-n 结的能带结构：

外加电压：

1）加入正偏压V ，n 区的电势比p 区的电势高VD – V ，势垒下降，空间电荷区变薄，载流子扩散增强，载流子产生的净电流。

2）加入负偏压V ，n 区的电势比p 区的电势高VD +V ，势垒上高，空间电荷区变厚，载流子扩散减弱，少数载流子产生的净电流，电流极小。

3）负压过大，势垒很大，能带弯曲变大，空间电荷区变薄，p-n 结产生隧道效应，即n 区的导带和p 区的价带具有相同的能量量子态。

光生伏特效应：

1）用能量等于或大于禁带宽度的光子照射p-n 结；

2）p 、n 区都产生电子—空穴对，产生非平衡载流子； 3）非平衡载流子破坏原来的热平衡；

4）非平衡载流子在内建电场作用下，n 区空穴向p 区扩散，p 区电子向n 区扩散； 5）若p-n 结开路，在结的两边积累电子—空穴对,产生开路电压。

(a)Nv>Nd

(b)空穴从P 向N 流动，在N 区形成正空间电荷；电子从N 向P 流动，在P 区形成负空间电荷；

(c)空间电荷在接触附近形成自建电场P ，它阻止空穴和电子进一步的扩散，达到平衡，接触电势差为Vd ；

(d)此时整个系统的费米能级相同，P －N 结处能带发生弯曲。

图不清晰，请同学们自己画出来以方便复习。

6 光电

LED的能带结构及原理（作业题，请参考自己的作业）

光伏效应的能带结构及原理（作业题）

基本原理

N区薄，重掺杂，太阳能量hv被空间电荷区和p区吸收，空间电荷区吸收hv，产生电子空穴对，在内电场E的作用下，e向n区移动，h向P区移动，形成电势差。

激光的能带结构及原理

(a)原子在入射光hv3的激发下，从基态跃迁到最高能带E3，

(b)在E3上的原子迅速跃迁到亚稳带E2，辐射出hv32,

(c)E2是亚稳态能级，粒子在其上作较长时间停留，实现粒子数反转，

(d) 在任一入射光的辐射下，产生受激辐射出激光。

粒子数反转：E2上的原子比E1上的多;

激光的三种激发方式：

①受激吸收：入射光的能量hv被吸收，原子从E1跃迁到E2， hv=E2-E1。

②自发辐射：原子从高能级自发跃迁到低能级，辐射光子hv=E2-E1, 光的方向的随机的；

③受激辐射：受入射光hv激发, 原子从E2跃迁到E1,辐射出二个与入射光同方向同相位的光，二个光又去诱发更多的发光粒子。

激光特点①极

好的方向性；

②单色性，极小的线宽；③相干性强；④极高的亮度。

7 介电

小结

极化及相关概念；

Clausius-Mossotti

极化的种类及特点；

介电常数的混合法则。

介电损耗及相关概念；

介电损耗的影响因素；

德拜方程。

铁电现象及原理；

电滞回线及相关特征；

压电效应。

电介质的定义：在电场作用下，能够建立极化的所有物质

电介质在电场作用下产生感应电荷的现象--电介质的极化

极化是：介质内质点(原子、分子或者离子)正负电荷中心的分离，成为偶极子。

极化强度：介质单位体积内的电偶极矩总和，单位：库仑/米2(C/m2)

Clausius-Mossotti（各种公式请见书本２９１）

极化的种类及特点（教材Ｐ３０７）

(1)电子位移极化的特点：定义：在外电场作用下，原子外围的电子云相对于原子核发生位移形成的极化。

a)形成极化所需时间极短(因电子质量极小)，约为10-15ｓ，在一般频率范围内，可以认为ε与频率无关；

b)具有弹性，当外电场去掉时，作用中心又马上会重合而整个呈现非极性，故电子式极化没有能量损耗。

c)温度对电子式极化影响不大。

(2)离子位移极化的特点：离子发生正负电荷中心反向位移产生的极化

a)形成极化所需时间很短，约为10-13ｓ。在频率不太高时，可以认为ε与频率无关；

b) 属弹性极化，能量损耗很小。

c) 离子位移极化受两个相反因素的影响：温度升高时离子间的结合力降低，使极化程度增加；但离子的密度随温度升高而减小，使极化程度降低。通常，前一种因素影响较大，故ε一般具有正的温度系数，即随温度升高，出现极化程度增强趋势的特征。

(3)松弛极化(当材料中存在着弱联系电子、离子和偶极子等松弛质点时，热运动使这些松弛质点分布混乱，而电场力图使这些质点按电场规律分布，最后在一定温度下，电场的作用占主导，发生极化。这种极化具有统计性质，叫作热松驰极化。)

松驰极化的特点：

①松驰极化的带电质点在热运动时移动的距离可以有分子大小，甚至更大。

②松驰极化中质点需要克服一定的势垒才能移动，因此这种极化建立的时间较长（可达10-2－10-9秒）,并且需要吸收一定的能量，所以这种极化是一种不可逆的过程。

③松驰极化多发生在晶体缺陷处或玻璃体内。

(4)偶极子转向极化：极性电介质中，存在具有固有偶极矩μ0的偶极子。无外电场时，偶极子排列混乱，使∑μi=0；加外电场时，偶极转向，成定向排列，从而使电介质极化.

偶极子极化的特点：

a) 极化是非弹性的，消耗的电场能在复原时不可能收回。

b) 形成极化所需时间较长，约为10-10～10-2ｓ，故其ε与电源频率有较大的关系，频率很高时，偶极子来不及转动，因而其ε减小。

c) 温度对极性介质的ε有很大的影响。

(5)空间电荷极化：空间电荷极化常常发生在不均匀介质中。在电场作用下，不均匀介质内部的正负间隙离子分别向负、正极移动，引起电介质内各点离子密度的变化，出现了电偶极距。这种极化叫作空间电荷极化。在电极附近积聚的离子电荷就是空间电荷。

空间电荷极化的特点：

①空间电荷极化随温度升高而下降。因为温度升高，离子运动加剧，离子扩散容易，因而空间电荷减少。

②空间电荷的建立需要较长的时间，大约几秒到数十分钟，甚至数十小时，因此空间电荷极化只对直流和低频下的介电性质有影响。

(6)自发极化(极性晶体内发生，没有外场作用)

介质的极化：

①介质的总极化=电子极化+离子极化+偶极子转向极化；

②基本形式：位移式极化和松弛极化；

22

22

1()1s s εεεεωτεεωτεωτ∞

∞∞-'=+

+-''=

+③电子位移极化，离子位移极化--弹性，瞬间完成，不消耗能量； ④电子松弛极化，离子松弛极化--非弹性，消耗能量 。

介电常数的混合法则。

介电损耗:电介质在电场作用下，单位时间消耗的电能叫介质损耗。 损耗的形式

①电导损耗：在电场作用下，介质中由泄漏电流引起的损耗就是电导损耗。绝缘好的液、固电介质在工作电压下时一般电导损耗很小，但随温度的增加而急剧增加的。

②极化损耗：由各种极化机构在电场作用下发生的能量损耗称为极化损耗。极化损耗主要是由那些较缓慢的极化过程造成的，如偶极子的极化损耗。极化损耗与温度有关，也与交变电场的频率有关，在某种温度或某种频率下，损耗会呈现最大值。

③游离损耗：气体间隙中的电晕损耗和液、固绝缘体中局部放电引起的功率损耗称为游离损耗。 介质损耗的表示;(p322)

介电损耗的影响因素； 1、频率的影响

2、温度的影响

温度对松弛极化产生影响，因而P ，ε和tg δ与温度关系很大。松弛极化随温度升高而增加，此时，离子间易发生移动，松弛时间常数η减小。

（1）当温度很低时，随温度上升，εr 、tg δ和P 上升。

（2）在中间温度范围的某一温度Tm 下，P 和tg δ有极大值， (3）当温度升到很大值时，离子热运动能量很大，离子在电场作用下的定向迁移受到热运动的阻碍，因而极化减弱，εr 下降。此时电导损耗剧烈上升，tg δ也随温度上升急剧上升。 德拜方程。

介电驰豫 : 1、驰豫过程：一个

宏观系统由于周围环境的变化或受到外界

的作用而变为非热平衡状态，这个系统再从非平衡状态过渡到新的热平衡态的整个过程就称为驰豫过程。

驰豫过程实质上是系统中微观粒子由于相互作用而交换能量，最后达到稳定分布的过程。驰豫过程的宏观规律决定于系统中微观粒子相互作用的性质。因此，研究驰豫现象是获得这些相互作用的信息的最有效途径之一。

2.介电驰豫与驰豫时间：

3.德拜驰豫方程：

材料的铁电性

①外场作用下介质的极化强度与宏观电场E成正比，称线性介质；

②极化强度与外加电场成非线性关系，称非线性介质；

③极化并非由外加电场所造成，而是由晶体内部结构造成的，晶体中每一个晶胞里都存在固有电偶极矩，称极性晶体，也称自发极化。

④晶体在没有外部电场的情况下，由于构成晶体的部分原子的自发位移而导致其内部正负电荷中心并不重合;

⑤自发极化能在外部电场的作用下反转，则称该晶体为铁电体。

电畴：一个铁电体并不是在一个方向上单一的产生自发极化，但在某一区域内，各晶胞子的自发极化方向都相同，这个小区域称为铁电畴。

铁电体内，在温度低于居里温度Tc时，都是由电畴组成的。电畴是自极化方向（即其中的电矩均朝一个方向排列）相同的小区域。

相邻电畴畴之间的界线叫畴壁。畴壁是一个有一定厚度的过渡层，在过渡层中磁矩方向逐渐改变。

铁电体的基本特征

1、铁电材料在电极化中存在电滞回线

2、晶体结构是非中心对称的.

3、晶胞具有大小相等的自发非零电偶极矩。

4、晶体中存在电畴形式的微结构

5、在外加电场下，晶体中的电矩可转变方向。

6、存在一个居里温度Tc(常称居里点)，当T>Tc时，材料由铁电相转变为顺电相，极化时电滞回线特性消失，P 与E一般呈现线性关系，并且介电常数随温度的变化服从居里-外斯定律；

电滞回线的影响因素

1、极化温度对电滞回线的影响：极化温度的高低影响到电畴运动和转向的难易。矫顽场强和饱和场强随温度升高而降低。极化温度较高，可以在较低的极化电压下达到同样的效果，其电滞回线形状比较瘦长。

2、环境温度对电滞回线的影响：环境温度的变化对材料的晶体结构有影响，从而使内部自发极化发生改变，尤

其是在相界处（晶型转变温度点）更为显著。例如，BaTiO在居里

温度附近，电滞回线逐渐闭合为一直线（铁电性消失）。

3、极化时间对电滞回线的影响：电畴转向需要一定的时间，时间

适当长一点，极化就可以充分些，即电畴定向排列完全一些。实验

表明，在相同的电场强度E作用下，极化时间长的，具有较高的极

化强度，也具有较高的剩余极化强度。

4、极化电压对电滞回线的影响：极化电压加大，电畴转向程度高，

剩余极化变大。

5、晶体结构对电滞回线的影响：同一种材料，单晶体和多晶体的

电滞回线是不同的。下图反映BaTiO３单晶和陶瓷电滞回线的差

异。单晶体的电滞回线很接近于矩形，Ps和Pr很接近，而且Pr

较高；陶瓷的电滞回线中Ps与Pr相差较多，表明陶瓷多晶体不易

成为单畴，即不易定向排列。

压电效应

对晶体材料在一定方向上施加压应力时，在其两端表面上会出现数量相等、符号相反的束缚电荷；如施加拉应力，则表面荷电性质反号。在一定范围内电荷密度与作用力大小成正比。

8 磁性

小结

描述物质磁性的物理量及意义；

任何物质都有磁性吗,为什么？

Co 的原子序号为27，计算Co2+的电子磁矩。 磁性材料的分类及依据。

描述物质磁性的物理量及意义； 1 磁感应强度

表示材料在外磁场H 的作用下在材料内部的磁通量密度。B 的单位: T 或Wb/m2

2、磁矩：

在电磁学中：线圈或分子电流的磁矩

它们在磁场中受到的力矩为

类似地，磁矩用作表征磁性体磁性大小的物理量。

Co 的原子序号为27，计算Co2+的电子磁矩。 产生磁矩的原因 ①轨道磁矩

电子围绕原子核的轨道运动，产生一个非常小的磁场，形成一个沿旋转轴方向的磁矩，即轨道磁矩。 ②自旋磁矩

每个电子本身有自旋运动产生一个沿自旋轴方向的磁矩，即自旋磁矩。 物质磁性的分类及特征

根据物质在外磁场中的磁化特性，通常将物质的磁性分为

①抗磁性： ②顺磁性： ③铁磁性,：

④反铁磁性：相邻原子或离子的磁矩呈反方向平行排列，结果总磁矩为零。 铁磁材料的分类及特征 (1) 软磁材料

①具有较高的磁导率和较高的饱和磁感应强度；

②较小的矫顽力（矫顽力很小，即磁场的方向和大小发生变化时磁畴壁很容易运动）和较低磁滞损耗，磁滞回线很窄；

③在磁场作用下非常容易磁化； ④取消磁场后很容易退磁化

(2)硬磁材料

硬磁材料又称永磁材料，难于磁化又难于退磁。 主要特点

①具有较大的矫顽力，典型值Hc ＝104～106A/m ； ②磁滞回线较粗，具有较高的最大磁能积(BH)max ； 剩磁很大；

③这种材料充磁后不易退磁，适合做永久磁铁。 ④硬磁性材料如碳钢、铝镍钴合金和铝钢等。 (3)矩磁材料（磁存储材料）

由一个由线圈缠绕的软磁性材料读写头来完成数据读写。数据（写）由线圈中的电信号引入，并通过磁头的磁隙在磁记录介质的一个很小区域产生磁场，使磁记录介质磁化，从而记录信息如右图。

原子、离子及铁氧体的磁矩计算；

→=n

IS m μB

J m F ?=μ

磁滞回线

起始磁化曲线为 oc ,当外磁场减小时，介质中的磁场并不沿起始磁化曲线返回，而是滞后于外磁场变化，——磁滞现象。

a.矫顽力——加反向磁场Hc，使介质内部的磁场为 0，

b.继续增加反向磁场，介质达到反向磁饱和状态；

c.改变外磁场为正向磁场，不断增加外场，介质又达到正向磁饱和状态。

磁滞回线及相关特征

磁畴

①任何铁磁体和亚铁磁体，在温度低于居里温度Tc时，都是由磁畴组成的。磁畴是自发磁化到饱和（即其中的磁矩均朝一个方向排列）的小区域。

②相邻磁畴之间的界线叫磁畴壁。磁畴壁是一个有一定厚度的过渡层，在过渡层中磁矩方向逐渐改变。

磁畴的转向

①在无外磁场时，各磁畴排列杂乱无章，铁磁质不显磁性；

②在外磁场中，各磁畴沿外场转向，介质内部的磁场迅速增加，在铁磁质充磁过程中伴随着发声、发热。

亚铁磁性理论

①在亚铁磁体中，A和B次晶格由不同的磁性原子占据，而且有时由不同数目的原子占据，A位和B位上的磁性离子平等排列，形成磁矩MA和MB；

②MA和MB 取向相反，存在A－A，B－B和A－B三种交换作用，其磁化强度为｜ MA－MB ｜；

③这样的磁性称为亚铁磁性，1948年Néel提出。

④亚铁磁性来自两种不同磁矩：一种磁矩在一个方向排列整齐，另一种磁矩在相反的方向排列。方向相反，大小不等——磁矩之差形成自发磁化现象。

思考题:画出典型磁滞回线，说明相关物理参数。