材料物理性能(研究生)资料.
材料物理性能总复习
奈曼-柯普定律
化合物分子热容等于构成此化合物各元素原子热容之和。
杜隆珀替定律
恒压下元素的原子热容等于25J/(K.mol)。
经典热容理论：模型过于简单，不能解释低温下热容减小的现象
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2、经典热容理论
• 爱因斯坦热容理论假设：每个原子皆为一个独立的振子，原子之间彼此无关。
高温部分符合较好，但低温部分的理论值比实验值下降得过快。
磁性是一切物质的基本属性，从微观粒子到宏观物体以至于宇宙间的天体都存在着磁的现象。 磁性是磁性材料的一种使用性能，磁性材料具有能量转换、存储或改变能量状态的功能。
材料的磁学性能
01
02
1、基本磁参量的概念与定义以及影响因素
磁矩
磁化强度
磁导率
方向与环形电流法线的方向一致，其大小为电流与封闭环形面积的乘积IΔS，与电流I和封闭环形面积ΔS成正比
6、半导体的载流子浓度、迁移率及其电阻率 本征半导体 本征载流子浓度与温度T和禁带宽度Eg 有关： 随温度增加，载流子浓度增加； 禁带宽度大时，载流子浓度小； μn 和μp 分别表示在单位场强下自由电子和空穴的平均漂移速度（cm/s），称为迁移率。 杂质半导体 多子导电
温 度 升 高
半导体载流子浓度、迁移率及其电阻率与温度的关系
n -- 单位体积内载流子数目 q -- 为每一载流子携带的电荷量
E -- 为外电场电场强度
μ为载流子的迁移率，其含义为单位电场下载流子的平均漂移速度。
J -- 为电流密度
2、导电性本质因素
决定材料导电性好坏的本质因素有两个：
载流子浓度
载流子迁移率
温度、压力等外界条件，以及键合、成分等材料因素都对载流子数目和载流子迁移率有影响。任何提高载流子浓度或载流子迁移率的因素，都能提高电导率，降低电阻率。
材料物理性能学知识点
（5）空间电荷极化：在离子多晶体中，界面、缺陷处存在空间电荷。这些混乱分布的 空间电荷，在外电场作用下，趋向于有序化，即空间电荷的正、负质点分别向外电场的负、 正极方向移动，从而表现为极化。空间电荷极化的特点：空间电荷极化常常发生在不均匀介 质中任何宏观不均匀性，均可形成空间电荷极化，所以又称界面极化，由于空间电荷的积累， 可形成很高的与外场方向相反的电场，有时又称为高压式极化。空间电荷极化随温度升高而 下降。温度升高，离子运动加剧，离子容易扩散，因而空间电荷减小，空间电荷极化需要较 长时间，只有直流或低频交流才显示出来。
39、由于温度作用而使电介质电极化强度变化的性质，称为热释电效应。具有热释电效 应的晶体一定具有自发极化(固有极化)的晶体，在结构上应具有极轴。具有对称中心的晶体
不可能有热释电效应。具有压电性的晶体不一定有热释电性。
40、极化强度随外加电场的变化曲线称为电滞回线。具有这种性质的晶体称为铁电体。 自发极化的产生机制与铁电体的晶体结构密切相关，主要是晶体中原子(离子)位置变化的结 果。
9、形成固溶体时，合金导电性能降低。在连续固溶体中合金成份距组元越远，电阻率 越高。
10、除过渡族金属外，在同一溶剂中溶入1%原子溶质金属所引起的电阻率增加，由溶 剂和溶质的价数决定，价数越大电阻率增加越大。
11、X 射线与电子显微镜分析表明该固溶体为单相组织，但固溶体中原子间距的大小显 著地波动，其波动正是组元原子在晶体中不均匀分布的结果，所以称“不均匀固溶体”，又 称“K 状态”。K 状态是“相内分解”的结果，它不析出任何具有自己固有点阵的晶体。
材料物理性能复习资料整理
材料在外力作用下发生形状和尺寸的变化，称为形变。
材料承受外力作用、抵抗变形的能力及其破坏规律，称为材料的力学性能或机械性能。
材料在单位面积上所受的附加内力称为应力。
法向应力导致材料伸长或缩短，而剪切应力引起材料的切向畸变。
应变是用来表征材料在受力时内部各质点之间的相对位移。
对于各向同性材料，有三种基本类型的应变：拉伸应变ε，剪切应变γ和压缩应变Δ。
若材料受力前的面积为A0，则σ0=F/A0称为名义应力。
若材料受力后面积为A，则σT=F/A称为真实应力。
对于理想的弹性材料，在应力作用下会发生弹性形变，其应力与应变关系服从胡克（Hook）定律（σ=Eε）。
E是弹性模量，又称为弹性刚度。
弹性模量是材料发生单位应变时的应力，它表征材料抵抗形变能力（即刚度）的大小。
E越大，越不容易变形，表示材料刚度越大。
弹性模量是原子间结合强度的标志之一。
泊松比：在拉伸试验时，材料横向单位面积的减少与纵向单位长度的增加之比值。
粘性形变是指粘性物体在剪切应力作用下发生不可逆的流动形变，该形变随时间增加而增大。
材料在外应力去除后仍保持部分应变的特性称为塑性。
材料发生塑性形变而不发生断裂的能力称为延展性。
在足够大的剪切应力τ作用下或温度T较高时，材料中的晶体部分会沿着最易滑移的系统在晶粒内部发生位错滑移，宏观上表现为材料的塑性形变。
滑移和孪晶：晶体塑性形变两种基本形式。
蠕变是在恒定的应力σ作用下材料的应变ε随时间增加而逐渐增大的现象。
位错蠕变理论：在低温下受到阻碍而难以发生运动的位错，在高温下由于热运动增大了原子的能量，使得位错能克服阻碍发生运动而导致材料的蠕变。
扩散蠕变理论：材料在高温下的蠕变现象与晶体中的扩散现象类似，蠕变过程是在应力作用下空位沿应力作用方向（或晶粒沿相反方向）扩散的一种形式。
晶界蠕变理论：多晶陶瓷材料由于存在大量晶界，当晶界位相差大时，可把晶界看成是非晶体，在温度较高时，晶界粘度迅速下降，应力使得晶界发生粘性流动而导致蠕变。
材料物理性能复习总结
第一章电学性能1。
1 材料的导电性，ρ称为电阻率或比电阻，只与材料特性有关，而与导体的几何尺寸无关，是评定材料导电性的基本参数。
ρ的倒数σ称为电导率。
一、金属导电理论1、经典自由电子理论在金属晶体中,正离子构成了晶体点阵，并形成一个均匀的电场，价电子是完全自由的，称为自由电子，它们弥散分布于整个点阵之中，就像气体分子充满整个容器一样，因此又称为“电子气”。
它们的运动遵循理想气体的运动规律，自由电子之间及它们与正离子之间的相互作用类似于机械碰撞。
当对金属施加外电场时，自由电子沿电场方向作定向加速运动，从而形成了电流。
在自由电子定向运动过程中，要不断与正离子发生碰撞，使电子受阻，这就是产生电阻的原因。
2、量子自由电子理论金属中正离子形成的电场是均匀的，价电子与离子间没有相互作用，可以在整个金属中自由运动。
但金属中每个原子的内层电子基本保持着单个原子时的能量状态，而所有价电子却按量子化规律具有不同的能量状态，即具有不同的能级。
0K时电子所具有最高能态称为费密能E F.不是所有的自由电子都参与导电,只有处于高能态的自由电子才参与导电。
另外，电子波在传播的过程中被离子点阵散射，然后相互干涉而形成电阻.马基申定则：,总的电阻包括金属的基本电阻和溶质(杂质）浓度引起的电阻(与温度无关）；从马基申定则可以看出，在高温时金属的电阻基本取决于，而在低温时则决定于残余电阻。
3、能带理论能带：由于电子能级间隙很小,所以能级的分布可看成是准连续的,称为能带。
图1—1（a）、（b)、(c),如果允带内的能级未被填满,允带之间没有禁带或允带相互重叠,在外电场的作用下电子很容易从一个能级转到另一个能级上去而产生电流,具有这种能带结构的材料就是导体。
图1—1(d)，若一个满带上面相邻的是一个较宽的禁带，由于满带中的电子没有活动的余地,即便是禁带上面的能带完全是空的,在外电场作用下电子也很难跳过禁带，具有这种能带结构的材料是绝缘体.图1—1(e），半导体的能带结构与绝缘体相同，所不同的是它的禁带比较窄，电子跳过禁带不像绝缘体那么困难,满带中的电子受热振动等因素的影响,能被激发跳过禁带而进入上面的空带，在外电场作用下空带中的自由电子产生电流。
材料物理性能讲义
Ω Ω* = (2π)3
Rl • Kn = 2π(n1l1 + n2l2 + n3l3) = 2πm, m 为整数。
(2.5)
图 2.3 二维六角点阵的魏格纳-赛茨元胞(Wigner-Seitz 原胞)。
4
由于元胞是组成点阵的最小重复单元，根据点阵中每个格点附近环境的自相 似性即平移对称性我们可以推断， 只要在一个元胞内研究材料的物理特性就代表 研究了整个点阵结构的物理特性，为此我们定义一特殊的高对称元胞，它包含了 晶 格 点阵 点群 的 全部对 称 性。 这一 特 殊的高 对 称性 元胞 称 为魏格 纳 - 赛 茨
2π ( a 2 × a3 ) Ω 2π b2 = (a3 × a1 ) Ω 2π b3 = (a1 × a2 ) Ω b1 =
(2.3)
其中Ω = a1 • (a2 × a3)是正点阵元胞的体积。 在倒点阵中任一格点的位置矢可表示 为： Kn = n1b1 + n2b2 + n3b3
(2.4)
其中 n1, n2, n3 是整数，倒点阵元胞的体积为Ω* = b1 • (b2 × b3)，且存在以下关系
图 2.4 从分立的原子轨道到固体能带结构的转变。
要理解固体的能带结构首先要从原子的电子轨道讲起，因为固体的能带归根 结底起源于原子的轨道能级。 根据量子力学，原子中带负电的电子绕带正电的原 子核运动，其轨道能量是不连续、分立的，如图 2.4 所示。在一定条件下如原子 间存在相互影响，同一原子中几个能量相近的不同类型的电子轨道(即波函数)， 可以进行线性组合， 重新分配能量和确定空间方向， 组成数目相等的新电子轨道，
《材料物理化学性能》 物理性能部分
邓振炎 上海大学物理系 (电话：66134334，邮箱：zydeng@)
江大材料物理性能复习资料
江大材料物理性能复习资料第一章材料的热学性能1.热容的概念(P42)：热容是分子或原子热运动的能量随温度变化而变化的物理量，其定义是物体温度升高1K 所需增加的能量。
温度不同，物体的热容不一定相同，温度T 时物体热容为：)/()(K J T Q C T T ??=（简单点就直接用这个吧：T Q C ??=） PS ：物理意义：吸收热量提高点阵振动能量，对外做功，加剧电子运动比热容（单位质量）：Tm Q C = 2.晶体热容的经验定律(P42)：杜隆—珀替定律：恒压下元素的原子热容为25J/(K ·mol)奈曼—柯普定律：化合物热容等于构成此化合物各元素原子热容之和3.从材料结构比较金属、无机非金属、高聚物的热容大小(P46)：A 金属：a 纯金属：热容由点阵振动和自由电子运动两部分组成：T T C C C e V L V V γα+=+=3b 合金金属：符合奈曼—柯普定律∑==+++=n i i m inm n m m m C x C x C x C x C 12121B 无机非金属：a 符合热容理论，一般都是从低温时的一个低数值增加到1273K 左右近似于25J/(K ·mol)的数值；b 无机材料热容与材料结构关系不大，但单位体积热容与气孔率有关，多孔质轻热容小；c 当材料发生相变：一级相变：体积突变，有相变潜热，温度T c 热容无穷大，不连续变化；二级相变：无体积突变，无相变潜热，在转变点热容达到有限极大值(P47C 高聚物：多为部分结晶或无定型结构，热容不一定符合理论式，热容相对较大，且由化学结构决定，温度升高链段振动加剧，改变链运动状态（主链、支链（链节、侧基））。
4.从材料结构比较金属、无机非金属、高聚物的热传导机制(P53)：A 金属：有大量自由电子，且电子质轻，实现热量迅速传递，热导率一般较大。
纯金属温度升高使自由程减小作用超过温度直接作用，热导率随温度上升而下降；合金热传导以自由电子和声子为主，因异类原子存在，温度本身起主导作用，热导率随温度上升增大。
材料物理性能复习重点
第二章非组织敏感：弹性模量，热膨胀系数，居里点（成分） 组织敏感性：内耗，电阻率，磁导率（成分及组织）相对电导率：IACS% 定义：把国际标准纯软铜（在室温20度，电阻率为0.01724.mm2/m ）的电导率作为100%，其它导体材料的电导率与之相比的百分数即为该导体材料的相对电导率。
载流子：电荷的载体（电子，空穴，正离子，负离子）物体的导电现象的微观本质是：载流子在电场作用下的定向迁移迁移数t x ，也称输运数（transference number) 定义为：式中： σT 为各种载流子输运电荷形成的总电导率 σx 表示某种载流子输运电荷的电导率t x 的意义：是某一种载流子输运电荷占全部电导率的分数表示。
载流子与导电性能的关系：因素：单位体积中可移动的带电粒子数量N 每个载流子的电荷量 q 载流子的迁移率 μ迁移率：受到外加电场作用时，材料中的载流子移动的难易程度令μ=v/E ，并定义其为载流子的迁移率。
其物理意义为载流子在单位电场中的迁移速度。
σ=Nq μ迁移率的影响因素：1. 温度越高，平均碰撞间隔时间t 越小，迁移率越小 2. 晶体缺陷越多，………………金属导电机制：载流子为自由电子。
经典理论：所有自由电子都对导电做出贡献。
所以有量子理论，两点基本改进:n ef 表示单位体积内实际参加热传导的电子数,即费米面能级附近参加电传导的电子数 m*为电子的有效质量，考虑晶体点阵对电场作用的结果 实际导电的载流子为费米面附近的自由电子！T x x t σσ=vm l ne 2=σ电子的平均自由程m 为电子的质量 n 为电子的密度 n 为电子的平均速度 f f ef vm l e n *2=σ产生电阻的根本原因：当电子波通过一个理想晶体点阵时（0K ），它将不受散射；只有在晶体点阵完整性遭到破坏的地方，电子波才会受到散射（不相干散射）。
理想晶体中晶体点阵的周期性受到破坏时，才产生阻碍电子运动的条件。
材料物理性能资料
)（E k →第一章：材料电学性能1 如何评价材料的导电能力？如何界定超导、导体、半导体和绝缘体材料？用电阻率ρ或电阻率σ评价材料的导电能力。
按材料的导电能力（电阻率），人们通常将材料划分为：）（）超导体（）（）导体（）（）半导体（）（）绝缘体（m .104m .10103m .10102m .1012728-828Ω〈Ω〈〈Ω〈〈Ω〈---ρρρρ2、经典导电理论的主要内容是什么？它如何解释欧姆定律？它有哪些局限性？金属导体中，其原子的所有价电子均脱离原子核的束缚成为自由电子，而原子核及内层束缚电子作为一个整体形成离子实。
所有离子实的库仑场构成一个平均值的等势电场，自由电子就像理想气体一样在这个等势电场中运动。
如果没有外部电场或磁场的影响，一定温度下其中的离子实只能在定域作热振动，形成格波，自由电子则可以在较大范围内作随机运动，并不时与离子实发生碰撞或散射，此时定域的离子实不能定向运动，方向随机的自由电子也不能形成电流。
施加外电场后，自由电子的运动就会在随机热运动基础上叠加一个与电场反方向的平均分量，形成定向漂移，形成电流。
自由电子在定向漂移的过程中不断与离子实或其它缺陷碰撞或散射，从而产生电阻。
E J →→=σ，电导率σ= （其中μ= ，为电子的漂移迁移率，表示单位场强下电子的漂移速度），它将外加电场强度和导体内的电流密度联系起来，表示了欧姆定律的微观形式。
缺陷：该理论高估了自由电子对金属导电能力的贡献值，实际上并不是所有价电子都参与了导电。
（？把适用于宏观物体的牛顿定律应用到微观的电子运动中，并且承认能量的连续性）3、自由电子近似下的量子导电理论如何看待自由电子的能量和运动行为？自由电子近似下，电子的本证波函数是一种等幅平面行波，即振幅保持为常数；电子本证能量E 随波矢量的变化曲线 是一条连续的抛物线。
4、根据自由电子近似下的量子导电理论解释：准连续能级、能级的简并状态、简并度、能态密度、k 空间、等幅平面波和能级密度函数。
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li (li 1) B
li (li 1)
玻尔磁子： B 9.27 10 24 A m2
li :为轨道角动量量子数。
自旋磁矩：自
eh
2m
Si (Si 1) 2B
Si (Si 1)
si为自旋角动量量子数。 磁矩的宏观表现：无外磁场时，磁矩取向紊乱， 不呈现磁性；
• 人们曾经幻想过能实现大功率的光发射，如今钕玻璃的成功应用使得 激光器可以输出1012--1014w的脉冲功率。同样，正是由于高透明光导 纤维玻璃的研制成功，才使远距离光通信成为现实。
• 今天，科技的发展和生活质量的提高从各个领域对材料的性能都提 出了新需求。譬如，随着机械功率的增大和速度的提高，有害的振动 和噪声不可避免地随之增长，人们为了保护赖以生活的环境，就有必 要研制高阻尼和消声材料以防止噪声的污染。
H ' H
H ' H H ' H
磁距：磁质磁性的表征。磁质在外磁场中的磁力 距。
概念引入：M=Is×S×H
I S S Pm 为磁矩。
原子中电子的两个运动： 自旋运动：自己围绕自身轴运动。 循轨运动：电子围绕原子核运动。
因为相当于一个闭合的电回路，都存在着固定的磁
矩，称为循轨磁矩：
循
eh
第一节 磁的基本概念 一、磁质与磁距
磁化：物质受到磁场作用而呈现一定磁性的现象。 磁质：能被磁场磁化的物质。 总磁场： H 总 H H '
H ：外磁场强度；
H ' ：附加场强 依 H ' 的大小与方向，ห้องสมุดไป่ตู้分为三类：
（1）、 抗磁质：H ' 方向相反H，且 （2 ）、顺磁质：H ' 方向相同H，且 （3）、铁磁质：H ' 方向相同H，且
• 可以设想，在不远的将来，港口、机场、泵房、机械加工和铸锻车间 也将成为低噪声或无噪声环境。宇宙飞行器在返回大气层时，其前沿 局部表面耍达到数千摄氏度高温，为了进行太空探索就需要研制更优 良的隔热材料和热防护材料。总之，人们需要更多具有电、磁、光、 热和声学特殊性能的金属、陶瓷、半导体和聚合物材料。
第1章 材料磁学性能
1基本磁性参数 磁性现象是带电粒子的量子效应，磁性是一切物质的基本 属性之一。按照现代科学的观点，所有物质(从微小的微 观粒子到宏观物质，以至于宇宙天体)无论其处于什么样 的状态(气态、液态、固态)，也无论处于怎样的温度、压 力下．都显现某种磁性状态。 物质宏观磁性是组成物质 的基本质点磁性的集体表现，应用磁性材科可以实现能量 转换、存贮，信息传递与存贮等功能．磁性材料的应用遍 及各个领域，各行各业。磁性是磁性材料的重要物理参数， 磁性与生命科学密切相关，现代技术的发展离不开磁性材 料和磁性理论，磁性分析方法是研究材料组织结构的重要 手段之一。
• 毫无疑问，材料在工程应用中需要有综合性能，但其中某一项性能往 往处于决定性的地位。材料物理性能是功能材料发展中受到特别关注 的领域之一。它的进展凝聚着物理、化学、冶金、陶瓷和聚合物等领 域科学工作者的成果，在人类科技发展史上已作出了醒目的记载。譬 如，在第二次世界大战期间，德国以其首先研制成功的高保真录音磁 带深夜里在电台播放时，曾经使英美的谍报人员迷惑不解，而今录音、 录像的磁带或光盘己成为全世界普通人日常的生活用品。
(2)可以灵敏地确定一些微量元素对材料结构与性能的影响； (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。
应当看到，合理地选用物理性能参数是取得预期分析结果的前提。在 材料研究中，针对所研究的问题有时可以选用不同参数进行综合分析， 并用其他方法的研究结果予以补充和左证。只有合理地采用不同的研 究方法，互相补充，才能有效地解决材料科学研究中提出的问题。
• 在探索功能材料的同时，人们研究材料物理性能的另一个感兴趣领 域是把物理性能测试作为材料研究的一种方法，即通过各种状态下所 测得的材料参数，取得固体内部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。这种 方法在许多方面有独特的效果，称为“材料物理性能分析”。与金相 分析、x—射线分析和电子显微分析相比，物理性能分析的特点是： (1)可以有效地进行材料试验的动态过程研究，较精确地判断材科中发 生相变的温度、时间、数量和限度；
材料物理性能
材料学院 王希靖
绪论
作为一门学科，材料科学与工程的形成是金属材 料、无机材料、有机高分子材料各学科发展过程 的殊途同归。如果说以往机械工业的发展长期来 追求材料的高强度、高韧性、耐高温、抗腐蚀等 主要后材料结构抗力的话，在人类进入“信息社 会”的今天，许多新兴企业正在替代原有的传统 工业，音像市场已渗透到社会生活的各个角落， 电子计算机和机器人正在努力实现智能化，人类 对太空、海洋和人体自身的探索日益深入，这一 切对材料提出的则是更高的功能性指标。
• 在40年代半导体材科尚未问世之前，世界上第一台电子计算机曾经是 一座两层楼高的庞然大物，而今功能比它强得多的一台“nlinkpaid— 600笔记本电脑全都集成在一个厚度仅35mm的盒子里，整机重量仅 2．5kg。由于磁记录材料的进步，今天可以把联邦百科全书都贮存在 计算机中一个小小的硬盘里，供全世界的读者通过计算机国际互联网 随时查阅。
• 工程材料可以粗略地划分为结构材料和功能材料。 • 功能材料涉及的范围很广，通常指那些具有特定物理、化学
或生物学特性的材料。它可以作为一种将输入能量传递或转 换成其他能量的功能元件。 • 材料的结构性以原子尺度内部不发生变化为特征， • 材料的功能性通常为原子内部的电子以至原于核间的交互作 用而表现出来的特性。 • 譬如，电子能带结构的不同性质决定了材料的导电性差异， 因而有良导体、半导体、电介质和超导体之分。 • 材料的磁性决定于原子中次壳层电子是否被填满以及它们之 间因“交换作用”产生不同原子取向的结果，因而有抗磁体、 顺磁体和铁磁体之别。由于微观结构的差异，材料的铁磁性 中又可区分为水磁、软磁、短磁和旋磁等。 • 材料在“非平衡”的情况下能够发光(如彩色显像管中那样的 荧光)，则是材料的透明基质中渗入微量杂质的电子被激发到 高能态，从而成为发光中心的缘故.