材料物理性能-功能晶体材料
5.1_晶体材料的结构与物理性能
晶体缺陷
一方面对材料的某些性能产生不良影响 一方面也使材料的性能产生各种变化，达到材料
的改性，甚至赋于材料新的或特殊的性能。 改变晶体中缺陷的种类或缺陷的浓度，可制得所需性能 的晶体材料，是材料改性和制备新型或特殊性能材料的有效 方法之一，非整比化合物构成的材料即是其中的一类。
实例1：在钠蒸汽中加热NaCl晶体 氯化钠晶体中有少量钠原子掺入，此时，若晶体受到辐 射时，钠原子将电离为钠离子和自由电子，钠离子占据正常 正离子位置、电子占据负离子格点，形成Na1+δCl，此时电 子处于空缺位置，他们能够吸收可见光而使晶体材料带有颜 色，为绿色化合物 。
晶体的稳定性： 组成晶体的微粒是对称排列的，形成很规则的几何空 间点阵，组成点阵的各个原子之间，都相互作用着， 它们的作用主要是静电引力。对每一个原子来说，其 他原子对它作用的总效果，使它们都处在势能最低的 状态，因此很稳定，宏观上就表现为形状固定，且不 易改变。
晶体的范性：
晶体内部原子有规则的排列，引起了晶体各向不同的 物理性质。例如原子的规则排列可以使晶体内部出现 若干个晶面，立方体的食盐就有三组与其边平行的平 面。如果外力沿平行晶面的方向作用，则晶体就很容 易滑动（变形），这种变形还不易恢复，称为晶体的 范性。同样也可以看出沿晶面的方向，其弹性限度 小，只要稍加力，就超出了其弹性限度，使其不能复 原；
衍射效应 由于组成材料的周期性排列的晶体相当于三维光 栅，能使波长相当的x射线、电子流或中于流产生衍射 效应，这成为了解晶体材料内部结构的重要实验方法。 测定晶体立体结构的衍射方法，有X射线衍射、电 子衍射和中子衍射等方法。其中以X射线衍射法的应用 所积累的精密分子立体结构信息最多。 例：XRD谱图示例
（2）不同晶体材料的特殊性 不同的晶体材料具有不同的微观结构，使之区 别于其他的晶体，因而又使不同晶体材料之间各 有特点。 例：晶体缺陷形成非整比化合物构成的材料。
材料物理性能-功能晶体材料概要
《材料物理性能》——功能材料
功能晶体材料—激光晶体
《材料物理性能》——功能材料
功能晶体材料—激光晶体
《材料物理性能》——功能材料
功能晶体材料—激光晶体
2. 优良的光学均匀性能
《材料物理性能》——功能材料
功能晶体材料—激光晶体
3. 良好的物理化学性能
《材料物理性能》——功能材料
功能晶体材料—激光晶体
功能晶体材料—光学晶体材料
金属卤化物晶体
《材料物理性能》——功能材料
功能晶体材料—光学晶体材料
金属卤化物的光学性质
《材料物理性能》——功能材料
功能晶体材料—光学晶体材料
《材料物理性能》——功能材料
功能晶体材料—光学晶体材料
《材料物理性能》——功能材料
功能晶体材料—光学晶体材料
氧化物和含氧酸盐晶体
固体激光器
固体激光器工作物质中产生激光的粒子，一般为离子， 称为激活离子。构成晶体晶格结构的物质称为基质。根据 激活离子的工作原理可以将固体激光器分为基于电子能级 的激光器、基于电子—振动跃迁的激光器。
本节将简单介绍这些激光器。
《材料物理性能》——功能材料
功能晶体材料—激光晶体
基于电子能级的激光器
《材料物理性能》——功能材料
功能晶体材料—激光晶体
《材料物理性能》——功能材料
功能晶体材料—激光晶体
《材料物理性能》——功能材料
功能晶体材料—激光晶体
2. 自激活激光晶体
《材料物理性能》——功能材料
功能晶体材料—激光晶体
主要的自激活激光晶体
《材料物理性能》——功能材料
功能晶体材料—激光晶体
《材料物理性能》——功能材料
材料物理性能 第一章 (2)
在能源科学技术中的应用
i) 保温材料的优选和保温材料结构的优化设计。
ii) 远红外加热技术，以获得最佳的能量利用率。 iii) 太阳能的利用：要求尽可能多地吸收太阳辐射，
并且要最大限度地抑制集热器本身的热损。
在电子技术和计算机技术中的应用
i) 在超大规模集成电路（容量和密集度迅速增大）中， 要求集成块的基底材料导热性能优良。
自由电子的贡献
CV CVl CVe T 3 T
点阵振动热容 自由电子热容
常温下，自由电子热容微不足道 高温和低温时，电子热容不能够忽略
合金成分的影响
合金的热容是每个组成元素热容与其质量百分比的 乘积之和。
n
C X1C1 X 2C2 X nCn X iCi
无机材料的热容
高于D 时，趋于常数；低于D 时，与 T 3成正比 与材料结构的关系不大 相变时，热容出现了突变 单位体积的热容与气孔率有关
Cp a bT cT 2
不同温度下某些陶瓷材料的热容
相变时，热容出现了突变。
金属材料的热容
➢ 自由电子对热容的贡献 ➢ 合金成分对热容的影响 ➢ 相变时的热容变化
电学、热学、磁学性能 电学、光学性能 电学、热学性能 光学、热学、电学性能
课程内容
➢ 材料的热学、电学、磁学、光学等性能； ➢ 热学、电学、磁学、光学等现象的物理本质； ➢ 热学、电学、磁学、光学等性能的测量； ➢ 材料物理性能的工程意义及从理论上设计材料。
第一章 材料的热学性能
热容 热膨胀 热传导 热稳定性
3N
2
kT
e kT
2
材料物理性能简介-
<<材料物理性能>>基本要求（一）一，基本概念：1.摩尔热容: 使１摩尔物质在没有相变和化学反应的条件下，温度升高1K所需要的热量称为摩尔热容。
它反映材料从周围环境吸收热量的能力。
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，温度升高1K所需要的热量称为比热容。
它反映材料从周围环境吸收热量的能力。
3.比容：单位质量（即1kg物质）的体积，即密度的倒数（m3/kg）。
4.格波：由于晶体中的原子间存在着很强的相互作用，因此晶格中一个质点的微振动会引起临近质点随之振动。
因相邻质点间的振动存在着一定的位相差，故晶格振动会在晶体中以弹性波的形式传播，而形成“格波”。
5.声子（Phonon）: 声子是中集体激发的准粒子，就是振动中的简谐振子的能量量子。
6.德拜特征温度: 德拜模型认为:晶体对热容的贡献主要是低频弹性波的振动，声频支的频率具有0～ωmax分布,其中,最大频率所对应的温度即为德拜温度θD,即θD=ћωmax/k。
7.示差热分析法（Differential Thermal Analysis, DTA ）: 是在测定热分析曲线（即加热温度T与加热时间t的关系曲线）的同时，利用示差热电偶测定加热（或冷却）过程中待测试样和试样的温度差随温度或时间变化的关系曲线ΔT~T（t），从而对材料组织结构进行分析的一种技术。
8.示差扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry, DSC）: 用示差方法测量加热或冷却过程中，将试样和样的温度差保持为零时，所需要补充的热量与温度或时间的关系。
9.热稳定性（抗热振性）：材料承受温度的急剧变化（热冲击）而不致破坏的能力。
10.塞贝克效应：当两种不同的导体组成一个闭合回路时，若在两接头处存在温度差则回路中将有电势及电流产生，这种现象称为塞贝克效应。
11.玻尔帖效应：当有电流通过两个不同导体组成的回路时，除产生不可逆的焦耳热外，还要在两接头处出现吸热或放出热量Q的现象。
材料物理性能-功能材料
热电材料是指利用其热电性的材料．对金属热电材料主要是 利用塞贝克效应制作热电偶，因而是重要的测温材料之一。而 对半导体热电材料则可利用塞贝克效应。珀耳帖效应及汤姆逊 效应制作热能转变为电能的转换器以及反之用电能来作加热器 和制冷器。
《材料物理性能》——功能材料
功能金属材料——电性材料
对金属热电偶材料的性能要求为且有高的热电势及高的热电 势温度系数，保证高的灵敏度。同时要求热电势随温度的变化是 单值的，最好呈线性关系。具有良好的高温抗氧化性和抗环境介 质的腐蚀性，在使用过程中稳定性好，重复性好，并容易加工， 价格低廉。完全达到这些要求比较困难，各种热电偶材料也各有 其优缺点，一般根据使用温度范围来选择使用热电偶材料。为了 确定两种材料组成热电偶后的热电势，技术上选用铂作为标准热 电极材料，这是因为铂的熔点高，抗氧化性强及较好的重复性。
导电材料是利用金属及合金优良的导电性能来传输电流， 输送电能。导电材料广泛应用于电力工业技术领域，有时它 也可包括仪器仪表用导电引线和布线材料，以及电接点材料。 导电材料在性能上的要求为高的电导率，高的力学性能， 良好的抗腐蚀性能、良好的工艺性能(热冷加工，焊接)并且 价格便宜。纯金属中导电性能好的有银、铜、金、铝。
《材料物理性能》——功能材料
功能金属材料——电性材料
Ni—Cr系合金 Ni—Cr系合金的成分见表1，这类合金随Cr量 的不同，氧化性能也不同，在15％Cr以上，性能良好。 表1 Ni-Cr系电热合金的成分及特点
α ≤ 0.1× 10−6 / oC
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功能金属材料——电性材料
《材料物理性能》——功能材料
功能金属材料——电性材料
电热材料
电流通过导体将放出焦耳热，利用电流热效应的材料 就是电热材料，因此广泛用作电热器。对电热材料的性能 要求是：有高的电阻率和低的电阻温度系数，在高温时具 有良好的抗氧化性，并有长期的稳定性，有足够的高温强 度，易于拉丝。目前常用的为Ni—Cr系和Fe—Cr—Al系合 金。
材料物理性能
1.根据受力应变特征材料分为：脆性材料，延性材料，弹性材料。
2.材料受载荷后形变的三个阶段：弹性形变，塑形形变，断裂3.弹性模量：材料在弹性变形阶段内正应力和对应的正应变的比值。
意义：反映材料抵抗应变的能力，是原子间结合强度的标志。
影响因素〔键合方式，晶体结构，温度，复相的弹性模量〕。
机理：对于足够小的形变应力与应变成线性关系，系数为弹性模量，物理本质是原子间结合力抵抗外力的宏观表现，弹性系数和弹性模量是反映原子间结合强度的标志。
4.滞弹性：固体材料的应变产生与消除需要有限的时间，这种与时间有关的弹性称为滞弹性。
衡量指标：应力弛豫和应力蠕变。
应力弛豫：在持续外力作用下发生形变的物体在总变形值保持不变的情况下，徐变变形增加使物体的内部应力随时间延续而逐渐减少的现象。
应力蠕变：固体材料在恒定荷载下变形随时间延续而缓慢增加的不平衡过程。
5.塑性形变指一种在外力移去后不能回复的形变。
滑移系统：滑移方向和滑移面。
产生条件：a-〔几何条件〕面间距大滑移矢量小b〔静电条件〕每个面上是同种电荷原子，相对滑移面上的电荷相反。
无机非材料不产生原因：a.滑移系统少；b.〔位错运动激活能大〕位错运动需要克服的势垒比拟大，位错运动难以实现。
施加应力，或者由于滑移系统少无法到达临界剪应力，或者在到达临界剪应力之前就导致断裂；c.伯格斯矢量大。
6.高温蠕变定义：材料在高温下长时间受到小应力作用出现蠕变现象。
影响因素：温度和应力。
机理：a晶格机理〔位错攀移理论，由于热运动位错线处一列原子移去或移入，位错线向上移一个滑移面。
〕b扩散蠕变理论〔空位扩散流动，应力造成浓度差，导致晶粒沿受拉方向伸长或缩短引起形变〕c晶界机理〔多晶体蠕变，高温下晶界相对滑动，剪应力松弛，有利蠕变。
低温下晶界本身是位错源，不利蠕变〕7.理论断裂强度：理论下材料所能承受的最大应力。
实际强度：实际情况中材料在外加应力作用下，沿垂直外力方向拉断所需应力。
8.断裂韧性：是材料的固有性能，由材料的组成和显微结构所决定，是材料的本征参数。
晶体学基础与材料性能
晶体学基础与材料性能1. 引言晶体学作为材料科学领域的重要分支，对于理解和改善材料性能具有至关重要的作用。
晶体结构决定了材料的物理、化学以及生物学性能，从而影响到材料在日常生活中的应用。
从基本的金属、陶瓷到先进的复合材料，无一不与晶体学紧密相关。
在这一章节中，我们将探讨晶体学的基本概念，并分析晶体结构与材料性能之间的深层联系。
1.1 晶体学基本概念1.1.1 晶体的定义及特点晶体是一种具有规则几何外形和周期性结构排列的固体。
其特点包括：•有序性：组成晶体的原子、离子或分子按照一定的规律排列，形成长程有序的结构。
•周期性：晶体中的基本结构单元（晶胞）在三维空间内周期性重复排列。
•对称性：晶体具有多种空间对称性，包括旋转、镜像以及反演对称。
1.1.2 晶体的分类及晶系根据晶胞的不同形状和对称性，晶体可以分为七大晶系：立方晶系、四方晶系、六方晶系、三方晶系、正交晶系、单斜晶系和三斜晶系。
1.1.3 晶体结构的基本要素晶体结构的基本要素主要包括：•晶胞：晶体最小的重复单元，定义了晶体的基本结构和几何形状。
•布拉维格子：由晶胞扩展而成的无限大的格子结构，是描述晶体对称性的基础。
•原胞：晶体中最小的重复单元，它不包含任何晶格缺陷。
•晶格常数：晶胞中相邻原子、离子或分子之间的距离，是描述晶体结构的重要参数。
了解这些基本概念，有助于我们深入探讨晶体结构与材料性能之间的内在联系，并为后续的材料设计和优化提供理论基础。
2. 晶体结构与材料性能的关系2.1 晶体结构与力学性能2.1.1 晶体结构与弹性模量晶体的弹性模量是描述其抵抗形变能力的重要力学参数。
晶体的弹性模量与其晶体结构密切相关，不同的晶体结构具有不同的弹性模量。
晶体中原子的排列方式、键长和键角等因素都会影响弹性模量。
例如，金刚石因其特殊的晶体结构，具有非常高的弹性模量。
2.1.2 晶体结构与硬度硬度是晶体材料另一个重要的力学性能指标。
晶体结构中的原子排列方式、键的类型和空间分布等因素决定了其硬度。
功能材料概论2
2. 晶体结构与空间点阵 既然点阵只是表示原子或原子集团分布规律的一种几何抽 象，那么，每个结点就不一定代表一个原子。就是说，可 能在每个结点处恰好有一个原子，也可能围绕每个结点有 一群原子（原子集团）。但是，每个结点周围的环境（包 括原子的种类和分布）必须相同，亦即点阵的结点都是等 同点。 晶体结构与空间点阵的区别： 空间点阵是晶体中质点排列的几何学抽象，用以描述和分析晶 体结构的周期性和对称性，由于各阵点的周围环境相同，故它 只能有14种类型；而晶体结构中则是指晶体中实际质点（原子、 分子或离子）的具体排列情况，他们能组成各种类型的排列 （因实际质点千差万别），实际排列的晶体结构是无限的。 晶体结构＝空间点阵＋结构基元 结构基元：原子、分子或其集团
正交点阵中一些晶面的面指数
正交点阵中一些晶面的面指数
• •
晶面间的距离越大，晶面上 的原子排列越密集。 同一晶面族的原子排列方式 相同，它们的晶面间的间距 也相同。
•
不同晶面族的晶面间距也不 相同。
2.1.5 晶体结构的对称性
• 宏观对称性 • 晶体的对称性最直观地表现在其几何外形上，由于晶 体外形为有限的几何图形，故晶体外形上所体现的对 称性与分子一样为点对称性，称为宏观对称性。有四 种类型的对称操作和对称元素 • 旋转 旋转轴 • 反映 反映面(镜面) • 反演 对称中心 • 旋转反演 反轴
简单四方 体心四方 简单立方 体心立方 面心立方
正交 a≠b≠c，α=β=γ＝90º
简单正交 底心正交 体心正交 面心正交
立方 Cubic a=b=c， α=β=γ＝90º
2.1.4 晶面指数
晶面指数标定步骤： 1. 在点阵中设定参考坐标系； 2. 求得待定晶面在三个晶轴上的 截距，若该晶面与某轴平行， 则在此轴上截距为无穷大；若 该晶面与某轴负方向相截，则 在此轴上截距为一负值； 3. 取各截距的倒数； 4. 将三倒数化为互质的整数比， 并加上圆括号，即表示该晶面 的指数，记为( h k l )。
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《材料物理性能》——功能材料
功能晶体材料—光学晶体材料
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功能晶体材料—激光晶体
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功能晶体材料—激光晶体
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2. 自激活激光晶体
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主要的自激活激光晶体
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功能晶体材料—非线性光学晶体
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金属卤化物晶体
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金属卤化物的光学性质
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氧化物和含氧酸盐晶体
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功能晶体材料—激光晶体
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2. 优良的光学均匀性能
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3. 良好的物理化学性能
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各种半导体晶体的光学性质
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功能晶体材料—非线性光学晶体
自从20世纪60年代激光出现后，其相干电磁场功率密度可达 10“w／cmz，相应的电场强度可与原子的库仑场强(约3×10。v／ m)相比较。因此，其极化率P与电场的二次、三次甚至更高次幂 相关，从而开辟了非线性光学及其材料发展这一新领域。正是由 于光波通过介质时极化率非线性响应产生了对于光波的反作用， 产生丁在和频差频等处的谐波。这种省强光有关的、不同于线性 光学现象的效应被称作非线性光学效应具有非线性光学效应的晶 体则称为非线性光学晶体。
3. 色心激光晶体
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主要碱金属卤化物色心晶体
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4. 半导体激光
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功能晶体材料—新型激光晶体的探索
探索新的激光晶体，首先必须考虑激活离子和基质晶体； 探索新型激光晶体的若干方面。
功能晶体材料—非线性光学晶体
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固体激光器
固体激光器工作物质中产生激光的粒子，一般为离子， 称为激活离子。构成晶体晶格结构的物质称为基质。根据 激活离子的工作原理可以将固体激光器分为基于电子能级 的激光器、基于电子—振动跃迁的激光器。
本节将简单介绍这些激光器。
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基于电子能级的激光器
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功能晶体材料
光学晶体
非线性光学晶体
激光晶体 电光和光折变晶体
《材料物理性能》——功能材料
功能晶体材料—光学晶体材料
光学晶体一般是指作为光学介质用的晶体，主要用于光 学仪器中的透过窗口、棱镜、透镜、滤光和偏光元件及相 位补偿镜等，其应用均属于线性光学的范畴。 作为棱镜透镜材料，光学设计首先要考虑的是使用的光 谱透过区，要求光学晶体在该光谱区域有较高的透过率。 光学晶体也由此可分为紫外、可见和红外晶体，图11-l表示 一些光学晶体(均为离子晶体）。在紫外区和红外区的吸收 系数随波长的变化，紫外和红外吸收极限波长与阴、阳离 子的原子序数成正比。轻元素化合物在紫外有较高的透过 率，重金属化合物在红外有较高的透过率，由图11-l可选择 适用于不同光谱透过范围的光学晶体。
《材料物理性能》——功能材料
功能晶体材料—非线性光学晶体
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功能晶体材料—非线性光学晶体
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功能晶体材料—非线性光学晶体
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功能晶体材料—非线性光学晶体
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功能晶体材料—非线性光学晶体
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功能晶体材料—光学晶体材料
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功能晶体材料—光学晶体材料
氧化物及含氧酸盐晶体的光学性质
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功能晶体材料—光学晶体材料
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功能晶体材料—光学晶体材料
IV族与II—VI族化合物半导体晶体
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功能晶体材料—非线性光学晶体
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功能晶体材料—非线性光学晶体
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功能晶体材料—非线性光学晶体
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激光频率转换晶体
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功能晶体材料—激光晶体
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基于电子—振动跃迁的激光器(终端声子激光器
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激光晶体分类
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1. 掺杂型激光晶体 绝大部分激光晶体都是掺杂型激光晶体。它是由激活离 子和基质晶体两部分组成。激光晶体的研究都是基于为各 种激活离子提供一个合适的晶格场，使之产生所需的受激 辐射。常用的激活离子绝大部分是过渡金属离子和稀上金 属离子。 激光晶体对基质晶体的要求是其阳离子与激活离子半 径、电负性接近，价态尽可能相同，物理化学性能稳定和 能较易生长出光学均匀性好的大尺寸晶体。基本符台上述 要求的基质晶体主要有氧化物和氟化物二大类。氧化物晶 体通常熔点高、硬度大、物理化学性能稳定，掺入三价激 活离子对不需要电荷补偿，因此是研制最多、应用最广的 一类基质晶体。
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功能晶体材料—光学晶体材料
激光晶体
材料
电光和光折变晶体
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功能晶体材料—其他交互效应功能晶体
材料
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功能复合材料
光学晶体
非线性光学晶体
激光晶体
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功能复合材料—激光晶体
材料
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特殊结构功能材料
光学晶体
非线性光学晶体
激光晶体
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特殊结构功能材料—激光晶体
材料
功能晶体材料—激光晶体
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功能晶体材料—激光晶体
激光器要实现自激振荡，除了具备粒子数反转和受激辐射 几率远远大于自发辐射几率，即受激辐射占主导地位以外，还 须增益大于损耗。 由激光器工作的基本原理可以看出一种优良的激光工作物 质应该具有以下几个特点： 优良的光学均匀性 1. 良好的荧光和激光性能
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功能晶体材料—激光晶体
4. 半导体激光
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功能晶体材料—激光晶体
4. 半导体激光
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功能晶体材料—电光和光折变晶体
电光和光折变晶体 材料
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功能晶体材料—光学晶体材料
激光晶体
材料