电子材料物理第五章
材料物理化学作业-化学平衡
材料物理化学作业第五章 化学平衡1．1500K 时，含10%CO 、90%CO 2的气体混合物能否将Ni 氧化成NiO ？已知在此温度下NiO O Ni =+221 11112050-Θ⋅-=∆mol J G CO O C =+221 12242150-Θ⋅-=∆mol J G 22CO O C =+ 13395390-Θ⋅-=∆mol J G2．已知250C 时Ag 2O 的分解压为1.317×10-2kPa 。
（1）求此温度下Ag 2O 的标准生成吉布斯自由能；（2）求1molAg 2O 在空气（总压101.3kPa ，X O2=21%）中分解的吉布斯自由能变化；（3）250C 时，Ag 2O 在空气中能否稳定存在？3．竖炉炼锌的总反应为：()()s g ZnO C CO Zn +=+设体系中没有其它气体，求总压为101.3kPa 时反应的开始温度。
已知：()()222g s Zn O ZnO += ()11921740395/G T K J mol ϑ-∆=-+222C O CO += ()12232600167.8/G T K J mol ϑ-∆=--4．已知 ()1()2()122519200125/s s Fe O FeO G T K J mol θ-+=∆=-+()1()234()231545600156.5/22s s Fe O Fe O G T K J mol θ-+=∆=-+ （1）当Fe (s)过量时，高温下FeO 稳定还是Fe 3O 4稳定？两种氧化物共存的温度是多少？（2）当1000K ，氧的分压为1.013kPa 时，是FeO 稳定还是Fe 3O 4稳定？5．钢液中碳氧平衡的反应式如下：[C]+[O]=CO （g ） 145.3135600-Θ⋅--=∆mol TJ G m[C]、[O]的浓度用质量百分浓度表示，f c =1，f o =1。
求16000C 时：（1）平衡常数；（2）含碳0.02%的钢液中氧的平衡含量（Θ=p p CO ）。
材料物理化学-第五章 表面与界面
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④n↑或↓ 三、吸附与表面改性 吸附：新鲜的固体表面能迅速地从空气中吸附气体或其它物质来降低其表面能。吸附是 一种物质的原子或分子附着在另一种物质表面现象。 表面改性：通过改变固体表面结构状态和官能团。 表面活性剂：降低体系的表面（或界面）张力的物质。
5.3 无机材料的晶界与相界
液体
开 the contact 两相的化学性能或
F 为润湿张力，θ为润湿角（接触角 angle），由于 所以，润湿先决条件是γSV>γS或γSL很小，当固液 化学结合方式很接近时，是可以满足这一要求。
材料物理化学
固
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改变γSV——减少氧化吸附膜； 改变γSL——两相组成相似； 改变γLV——液体中加入表面活性剂 ⑶浸渍润湿 浸渍润湿指固体浸入液体中的过程。
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第五章
表面与界面
表面的质点由于受力不均衡而处于较高的能阶。这就使物体表面呈现一系列特殊的性 质。高分散度物系比低分散度物系能量高得多，必然使物系由于分散度的变化而使两者在物 理性能（如熔点、沸点、蒸气压、溶解度、吸附、润湿和烧结等）和化学性质（化学活性、 催化、固相反应）方面有很大的差别。随着材料科学的发展，固体表面的结构和性能日益受 到科学界的重视。随着近年来表面微区分析、超高真空技术以及低能电子衍射等研究手段的 发展，使固体表面的组态、构型、能量和特性等方面的研究逐渐发展和深入，并逐渐形成一 门独立学科——表面化学和表面物理。 表面与界面的结构、性质，在无机非金属固体材料领域中，起着非常重要的作用。例如 固相反应、烧结、晶体生长、玻璃的强化、陶瓷的显微结构、复合材料都与它密切相关。 表面：—个相和它本身蒸汽（或真空）接触面称之。 界面：—个相与另一个相（结构不同）接触的分界面称之。 相界：指具有不同组成或结构的两固相间的分界面。 晶界：是指同材料相同结构的两个晶粒之间的边界。 习惯上把液-气界面、固-气界面称为液体表面和固体表面。表面可以由一系列的物理化 学数据来描述（表面积、表面组成、表面张力、表面自由能、熵、焓等），表面与界面的组 成和结构对其性能有着重要的影响。 表面与界面起突出作用的新型材料，如薄膜、多层膜、超晶格、超细微粒与纳米材料等 发展如日中天。
材料物理导论
《材料物理导论》习题解答第一章材料的力学1. 一圆杆的直径为2.5 mm、长度为25cm并受到4500N的轴向拉力，若直径拉细至2.4mm，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。
解：根据题意可得下表2. 一试样长40cm,宽10cm,厚1cm，受到应力为1000N拉力，其杨氏模量为3.5×109 N/m2，能伸长多少厘米?3. 一材料在室温时的杨氏模量为3.5×108 N/m2,泊松比为0.35，计算其剪切模量和体积模量。
5. 一陶瓷含体积百分比为95%的Al2O3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。
若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。
8. 一试样受到拉应力为1.0×103 N/m2,10秒种后试样长度为原始长度的1.15倍,移去外力后试样的长度为原始长度的1.10倍,若可用单一Maxwell模型来描述,求其松弛时间τ值。
第二章材料的热学9.一硅酸铝玻璃的性能为=2.1J/(㎡▪s▪K)，α=4.6×/K,σf=N/㎡,E=N/㎡,μ=0.25.求第一和第二抗热冲击断裂因子和。
10.一热机部件由氮化硅制成，导热率为1.84J/(㎡▪s▪K)，最大厚度=0.12m,表面热传导系数为500J/(㎡▪s▪K)，请估算能承受热冲击的最大允许温差。
第三章材料的电学20.如果A原子的原子半径为B原子的两倍，那么在其他条件都相同的情况下，A原子的电子极化率大约是B原子的多少倍？25、画出典型铁电体的电滞回线示意图，并用有关机制解释引起非线性关系的原因。
解：铁电体晶体在整体上呈现自发极化，这意味着在正负端分别有一层正的和负的束缚电荷。
束缚电荷产生的电场在晶体内部与极化反向（称为退极化场），使静电能升高。
在受机械约束时，伴随着自发极化的应变还能使应变能增加。
《材料物理性能》课后习题答案
《材料物理性能》第一章材料的力学性能1-1一圆杆的直径为2.5 mm 、长度为25cm 并受到4500N 的轴向拉力，若直径拉细至2.4mm ，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。
解：由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。
1-5一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。
若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。
解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=0.95,V 2=0.05。
则有当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E 0(1-1.9P+0.9P 2)可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa 和293.1 GPa 。
0816.04.25.2ln ln ln 22001====A A l l T ε真应变)(91710909.4450060MPa A F =⨯==-σ名义应力0851.0100=-=∆=AA l l ε名义应变)(99510524.445006MPa A F T =⨯==-σ真应力)(2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =⨯+⨯=+=上限弹性模量)(1.323)8405.038095.0()(112211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量1 / 101-6试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图，并算出t = 0,t = ∞ 和t = τ时的纵坐标表达式。
解：Maxwell 模型可以较好地模拟应力松弛过程：V oigt 模型可以较好地模拟应变蠕变过程：以上两种模型所描述的是最简单的情况，事实上由于材料力学性能的复杂性，我们会用到用多个弹簧和多个黏壶通过串并联组合而成的复杂模型。
材料物理学第5.3相变与临界现象
强调了对称性的变化在相变中的重要性。将高对称 性中的对称破缺与有序相的出现联系在一起。
序参量就是在这种前提下引进的。高对称性序参量 为零、低对称相则不等于零。
2018/10/24 材料物理学第5章讲稿-4
一级相变：热力学势本身连续，第一阶导数不连 续的状态突变。 二级相变：热力学势和它的第一阶导数连续而第 二阶导数不连续的状态突变。 二级相变没有体积变化与潜热；但比热、压缩率 和磁化率等物理量随温度变化曲线上出现跃变或 无穷的尖峰。
2018/10/24 材料物理学第5章讲稿-4
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
厄伦菲斯定理：一个系统在相变点有直到（n1)热力学势的导数连续，但n级导数不连续称n 阶相变。 超流和没有磁场的超导转变、大量的铁磁性和 铁电性相转变为二级相变。 习惯上将二级以上的高阶相变称连续相变或临 界现象。超导和导流是宏观范围表现出的量子 效应。 至今尚未发现三级以上的相变。
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材料物理学第5章讲稿-4
2. 按结构变化
（1）重构型：
物相的结构单元发生化学急需的断裂或重组。 形成的新结构与母相没有明显的位相关系。 固-液相转变、许多晶体的不同晶相的相变 都是重构型相变。
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材料物理学第5章讲稿-4
（2）位移型
不涉及母相晶体结构中的化学键断裂与重组， 价键基本保持不变。 只是个别原子或离子在晶胞中作微小位移（软 模），或离子多面体骨架的转动。 马氏体是钢在高温淬火通过相变得到的一种高 硬产物。
2018/10/24 材料物理学第5章讲稿-4
（
4）有序－无序相变
材料物理压电陶瓷
2019/10/7⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。 9
各种压电材料的优缺点
• 压电单晶 优点：Q值较大，有良好的温度特性。 缺点：制程困难。
• 陶瓷压电材料 优点：抗酸碱，机电耦合系数高，易制程任意形状。 缺点：温度系数大，需高压极化处理(kV/mm)。
变压器 电声设备：麦克风、扬声器、压电耳机 传感器：压电地震仪 压电驱动器
2019/10/7
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5.2 压电陶瓷的性能参数
压电陶瓷的主要参数
作为介电材料，可用介电系数ε，介电损 耗tgδ，绝缘电阻率ρ和抗电强度Eb等表征。
作为压电材料，还有一些参数：
压电系数d
机电耦合系数k
机械品质因素Q
F －－－－－ － ＋＋＋＋＋
极化方向 －－－－－ ＋＋＋＋＋＋
（顺压电效应）
正压电效应示意图
（实线代表形变前的情况，虚线
2019/10/7
代表形变后的情况）
4
同样，若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，
如图，由于电场的方向与极化强度的方向相同，所以电 场的作用使极化强度增大。这时，陶瓷片内的正负束缚 电荷之间距离也增大，就是说，陶瓷片沿极化方向产生 伸长形变（图中虚线）。同理，如果外加电场的方向与 极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这 种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械 能的现象，就是逆压电效应（电致伸缩效应） 。
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（1） 钛酸钡压电陶瓷 钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（BaCO3）和二氧化
钛（TiO2）按1：1分子比例在高温下合成的压电陶瓷。 它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石
华中科技大学电子材料物理复习
陶聪一世神来之笔一、名词解释二、判断6143第二章：结构缺陷相变（1or2）点群：在有限对称图形中由宏观对称元素组合成的对称元素群。
空间群：由晶体结构的对称操作（点对称操作、平移操作）所组合的对称群。
晶胞：能同时反映晶体周期性和对称性的最小平行六面体重复单元。
对称性：物体由两个或以上的等同部分组成，经过一定空间操作，各部分调换位置后整个物体保持不变的性质。
对称元素：在对称操作中保持不变的点、线、面等几何元素。
（可以是晶体中实际存在，也可以是假想的）晶体场：晶体结构配位多面体中配位负离子对中心正离子所产生的静电势场。
缺陷：通常把晶体点阵结构中周期性势场的畸变称为晶体的结构缺陷。
点缺陷：引起几个原子范围(三维方向尺寸都很小)的点阵结构不完整。
弗伦克尔缺陷：在满足化学计量比晶体中，金属离子脱离格点位置，形成金属填隙，同时产生金属空位。
肖特基缺陷：在满足化学计量比的晶体中，在晶格中同时出现金属空位和氧空位。
相：体系内物理化学性质相同且完全均匀的部分。
可以是纯物质也可以是混合物。
物种数：平衡体系中所含的化学物质数S。
组分数：能够确定平衡体系中所有各相组成的最少物种数n。
自由度：平衡体系中，在一定范围内可以任意独立改变而不致引起体系中旧项消失或新相产生的独立变数。
第三章：电导（2or1）迁移率：载流子在单位电场中的迁移速度。
霍尔效应：金属或半导体薄片置于沿z方向的磁场中，当在x方向有电流流过时，在y方向将产生电动势，这种现象称为霍尔效应。
电解效应：在直流电场作用下，离子发生迁移并在电极附近发生电子得失，产生新的物质。
压敏效应：对电压变化敏感的非线性电阻效应。
PTC效应：施主掺杂的BaTiO3在居里温度附近，电阻率随温度的升高急剧增大的现象。
第四章：介电（1）极化：在电场作用下，介质中正、负电荷发生相对位移，正负电荷中心不重合，从而产生感应电荷。
极化率：单位电场强度下，质点电偶极矩的大小。
极化强度：单位体积内，电偶极矩的矢量和。
材料物理——精选推荐
习题答案第一章：1.1试阐述经典热容理论、爱因斯坦量子热容理论及德拜热容理论，并说出它们的不同之处。
答：经典热容理论：杜隆－珀替把气体分子的热容理论直接应用于固体，并用统计力学处理热容。
晶体摩尔热容为常数。
爱因斯坦量子热容理论：爱因斯坦把晶体中原子看成是具有相同频率、并在空间自由振动的独立振子。
引用了晶格振动能量量子化即声子的概念。
德拜量子热容理论：格波的频率有一定分布，即不为常数。
德拜考虑到低温下只有频率较低的长声学波对热容才有重要的贡献，可用连续介质中的弹性波来描述。
1.2阐述金属热容与合金热容的特点。
答：包括点阵振动引起的热容LVc和电子热容eVc。
一般情况下，常温时点阵振动贡献的热容远大于电子热容，只有在温度极低或极高时，电子热容才不能被忽略。
金属及合金发生相变时，会产生附加的热效应，并因此使热容（及热焓）发生异常变化。
按照变化特征主要可分为一级相变、二级相变、亚稳态组织转变等情况。
1.3证明理想固体线膨胀系数和体膨胀系数间的关系。
答：见文中（1－43）～（1－47）。
1.4简述影响膨胀系数的因素。
答：膨胀系数与温度、热容、质点间的结合能、熔点以及物质的结构都有关系。
1.5为什么导电性好的材料一般其导热性也好？答：固体中的导热主要是由晶格振动的格波和自由运动来实现的。
导电性好的材料有大量的自由电子，而且电子的质量很轻，能够迅速地实现热量的传递。
因此，导电性好的材料一般导热性也好。
1.6一级相变、二级相变对热容有什么影响？答：一级相变伴随相变潜热发生，若为恒温转变，在相变时伴随有焓的突变，同时热容趋于无穷大，但是二级相变则没有相变潜热，但热容有突变。
1.7何谓热应力？它是如何产生的？请以平面陶瓷薄板为例说明热应力的计算。
答：不改变外力作用状态，材料仅因热冲击在温度作用下产生的内应力叫热应力。
其产生和计算见文中1.5.2节。
1.8何谓差热分析（DTA）法？差热分析法与普通热分析法有何不同？在DTA基础上发展起来的差示扫描量热（DSC）法与DTA有何不同？答：DTA是在程序控制温度下，测量物质与参比物之间的温度差随温度变化的一种技术。
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本章要点： 介绍磁性来源、磁性分类、铁磁体、磁 记录原理和各种磁性材料的性能及应用
• 磁性材料在现代微电子学、传感控制、信息存储、 激光调制以及仪表测量和永磁电机等现代工业技 术中具有广泛的应用
• 磁性材料主要有金属基磁性材料和磁性无机材料 等，磁性无机材料一般是含铁及其它元素的的复 合氧化物，通常称为铁氧体（ferrite），其具有 高电阻（10～106Ω·m）、低损耗的优点。
• (2) 铁原子（原子序数26），基态电子壳层分布为 • 1s（2）2s（2）2p（6）3s（2）3p（6）3d（6）4s（2） • 磁性电子壳层3d（6）（半满以上） • S=5×1/2-1/2=2 • 电子的总自旋磁矩4uB • L=2+1+0+（-1）+(-2)+2=2
• J=L+S=4 • 原子磁矩：gJ=1.5 • uJ=6.7
32＜z＜82
• j-j 耦合 z＞82
• 磁铁物质的角动量 • 大都L-S耦合 • 原子的总角动量
pJ pL pS pJ J (J 1)
J gJ J (J 1)B
• 原子磁矩
gJ
1
J(J
1) S(S 1) L(L 1) 2J (J 1)
朗德或光谱分裂因子Βιβλιοθήκη LS• (3) 洪德法则
• 多电子原子基态的量子数L，S，J 由洪德法则确定 • 法则一：在泡利不相容原理允许下，给定原子组态具有最
大 S ms 值
• 法则二：在最大S时 L mL 应有最大值
• 法则三：未满壳层中J由下列方式证明： • ① 当电子数少于应满数的一半 J L S
主要内容
• 5.1 物质的磁性 • 5.2 磁畴与磁滞回线 • 5.3 铁氧体的磁性和结构 • 5.4 硬磁材料和软磁材料 • 5.5 磁记录与磁存储材料
5.1物质的磁性
• 5.1.1 磁性
5.1.3 磁性的分类
• 磁矩
抗磁
• 电子磁矩
顺磁
• 原子磁矩
铁磁性
• 5.1.2 磁性的本质
亚铁磁性
• 电子的磁矩
• 在均匀磁场中，磁矩受到磁场作用的力矩
•
JF m B
• 一维情况，磁矩受到的磁场力为
[Wb.m-2]
Fx
m
dB dx
• ★磁矩是表征物体磁性大小的物理量，磁矩越大，磁性越
强，物体在磁场中受到的力也越大
• 磁矩只与物质本身有关，与外加磁场无关
• 2 电子磁矩
• 原子中每个电子都具有磁 矩
数的取值范围知：
• ① n，l，ml，ms四个量子数相同的电子最多1个；
• ② n, l, ml三个量子数相同的电子最多只有两个； • ③ n，l两个量子数相同的电子最多有2（2l+1）个； • ④ 对给定主量子数n的壳层，可容纳2n²个电子；
• 能量相同（主量子数n）的电子分布在同一壳层上，n=0， 1，2，3…壳层分别用K，L，M，N等表示；在同一壳层 中，可以取0，1，…（l-1）个角量子数，可以按照其不同 分成若干次壳层，分别用符号s，p，d，f，g，h等表示。 具体见表5-1
• 产生磁矩的主要原因
• ★ 电子绕原子核运动→电 子轨道磁矩
• ★电子本身自旋→电子自 旋磁矩
orb
r
-e L
z B
A I
z
µspin
Sz
• 3 原子磁矩
• 原子磁矩来源 • (1) 每个电子的轨道磁矩 • (2) 电子自旋磁矩 • (3) 原子核磁矩 • 原子核磁矩很小，一般可以略去。 • 要确定原子的核磁矩，首先要了解原子中的电子分布规律
反铁磁性
• 交换作用
5.1.1 磁性
• 1 磁矩
un
• 磁性来源于物质中电子 • 的运动及原子和电子内
m A
• 部的永久磁矩
I
• 任一封闭的环形电流（I）
• 都具有磁矩
Definition of a magnetic dipole moment.
• 大小： m Is
单位：A m2
• 方向：与环形电流的法线方向一致
• 电子填满壳层 ：电子总动量据和总磁矩都为零 • 未填满电子的壳层 ：存在着未成对的电子磁矩对原子的
总磁矩作出贡献
• 结论：原子的总磁矩取决于未满电子壳层上的电子磁矩— 磁矩电子壳层
• （2）角动量耦合与原子总磁矩**
• 原子中的角动量耦合方式由两种：
• 轨道-自旋耦合（L-S耦合）z＜32
• 混合耦合
• ②当电子数等于或大于应满数的一半 J L S
• （4）原子磁矩的计算
• （1）cr+3(z=24):电子组态 1s(2)2s(2)2p(6)3s(2)3p(6)3d(3) →半满以下, 则
• S=1/2+1/2+1/2=3/2（最大值） • L=2+1+0=3（可能最大值） • J=L-S=3/2 • 总的电子自旋磁矩3uB • 原子磁矩：将L S J带入公式求出 gJ=0.4 • uJ=1.3856uB
电子壳层
• 2 交换作用
• 用来解释磁性很强的铁磁体的磁特性 • 铁磁性除与电子结构有关外，还与晶体结构有关： • 处于不同原子间、未填满壳层上的电子由于公有化运动发
4 磁化强度与磁导率
• 真空中
B 0H
0 4 107 (H / m)
• 磁介质中 B H
• 介质磁导率表征磁介质的磁性、导磁性和磁化难易程度，只与介质有 关
• 定义 B 0(H M ) H
• 磁化强度 ( / 0 1)H M M (r 1)H H
和原子中电子的角动量是如何耦合的
• （1）电子壳层与磁性
• 在多电子原子中，决定电子状态的原则有两条 • ★泡利不相容原理： • 一个量子态（n，l，ml，ms）上最多容纳一个电子 • ★能量最小原理： • 体系能量最低时最稳定 • 原子中一个电子的状态由量子数（ n，l，ml，ms ）决定，由波函数量子
• X叫做磁化率，可正可负
5.1.2 磁性的本质
• 1 电子的磁矩
• 磁现象和电现象存在本质的联系 • 物质的磁现象与原子、电子结构有关 • 电子磁矩=电子轨道磁矩+自旋磁 • （1）晶体中电子轨道磁矩受晶格场的作用，方向是变化的，不能形
成联合磁矩，对外没磁性作用。所以物质磁性主要是自旋磁矩引起的 • （2）原子核自旋的自旋磁矩可以略去不计 • （3）孤立原子是否具有磁矩，决定于原子的结构，即有无未填满的