材料物理基本的性能和研究
材料物理性能及测试
材料物理性能及测试材料的物理性能是指材料在物理方面的性质和行为，包括材料的力学性能、热学性能、电学性能以及光学性能等。
这些性能对于材料的使用和应用起着重要的作用。
为了准确地评估和测试材料的物理性能，科学家和工程师使用了各种测试方法和仪器设备。
一、力学性能力学性能是衡量材料在外力作用下的行为的一种性能。
主要指材料的强度、韧性、硬度、延展性等。
常用的测试方法包括拉伸测试、压缩测试、剪切测试和弯曲测试等。
1.拉伸测试拉伸测试是一种常见的方法，用来评估材料的强度和延展性。
在拉伸测试中，材料样品被施加拉伸力，通常通过测量载荷和伸长量来计算拉伸应力和应变。
拉伸强度是指材料在拉伸过程中承受的最大应力，屈服强度是指材料开始产生可观察的塑性变形的应力。
2.压缩测试压缩测试用于测量材料在受压力下的性能。
将材料样品放入压力装置中，施加压力使其受到压缩，通过测量载荷和位移来计算压缩应力和应变。
压缩强度是指材料在压缩过程中承受的最大应力。
3.剪切测试剪切测试用于评估材料的抗剪切能力。
将材料样品放入剪切装置中，施加剪切力使其发生剪切变形，通过测量载荷和位移来计算剪切应力和应变。
剪切强度是指材料在剪切过程中承受的最大应力。
弯曲测试用于评估材料在弯曲载荷下的行为。
将材料样品放入弯曲装置中，施加弯曲力使其发生弯曲变形，通过测量载荷和位移来计算弯曲应力和应变。
弯曲强度是指材料在弯曲过程中承受的最大应力。
二、热学性能热学性能是指材料在温度变化下的行为。
主要包括热膨胀性、热导率、比热容等性能。
常用的测试方法包括热膨胀测试、热导率测试和比热容测试等。
1.热膨胀测试热膨胀测试用于测量材料随温度变化而发生的膨胀或收缩。
在热膨胀测试中，材料样品被加热或冷却，通过测量长度变化来计算热膨胀系数。
2.热导率测试热导率测试用于测量材料传导热的能力。
在热导率测试中，材料样品的一侧被加热，另一侧被保持在恒定温度，测量两侧温度差来计算热导率。
3.比热容测试比热容测试用于测量材料吸热或放热的能力。
材料物理学中的物理性能测试
材料物理学中的物理性能测试材料物理学是研究材料的结构、性质和性能的学科，而物理性能测试则是评估这些材料在不同环境下的响应和表现的重要手段。
通过物理性能测试，我们可以了解材料的力学性能、热学性能、电学性能等，从而为材料的设计、选择和应用提供科学依据。
一、力学性能测试力学性能是材料最基本的性能之一，它包括材料的强度、硬度、韧性等指标。
常见的力学性能测试方法有拉伸试验、压缩试验、弯曲试验等。
拉伸试验是最常用的力学性能测试方法之一，通过施加拉力来测量材料的抗拉强度、屈服强度、断裂强度等指标。
压缩试验则是施加压力来测量材料的抗压强度、屈服强度等。
弯曲试验则是通过施加弯曲力来测量材料的弯曲强度、弯曲模量等。
二、热学性能测试热学性能是材料在热力学条件下的表现，包括导热性能、热膨胀性能等。
导热性能测试是评估材料导热性能的重要方法，常用的测试方法有热传导仪、热导率计等。
热膨胀性能测试则是测量材料在温度变化下的线膨胀系数，常用的测试方法有热膨胀仪、激光干涉仪等。
三、电学性能测试电学性能是材料在电场、电流下的表现，包括电导率、介电常数、电阻等。
电导率测试是评估材料导电性能的重要方法，常用的测试方法有四探针法、电导率计等。
介电常数测试则是测量材料在电场中的响应，常用的测试方法有介电常数测试仪、电容测量仪等。
电阻测试则是测量材料对电流的阻碍程度，常用的测试方法有电阻测试仪、电阻箱等。
四、其他物理性能测试除了上述的力学性能、热学性能和电学性能测试外，材料物理学中还有其他重要的物理性能需要测试。
例如，磁学性能测试是评估材料磁性的重要手段，常用的测试方法有霍尔效应测试、磁滞回线测试等。
光学性能测试则是评估材料对光的传输、反射、折射等性能的重要方法，常用的测试方法有透射光谱仪、反射光谱仪等。
综上所述，物理性能测试在材料物理学中具有重要的地位和作用。
通过对材料的力学性能、热学性能、电学性能等进行测试，我们可以全面了解材料的性能特点，为材料的设计、选择和应用提供科学依据。
材料物理性能(课件)
TIM
Ni(OH)2
19
（二）热容
■ 热分析方法 · 差热分析(Differential thermal analysis, DTA)： 测量试样与参比物之 间温差与时间或温度的关系 。分析所采用的参比物应是热惰性物质 ， 即在 整个测试温度范围内不发生分解、相变和破坏 ，也不与被测物质发生化学 反应 。参比物的热容、热传导系数等应尽量与试样接近。
5
（一 ）热学性能的物理基础
■ 晶格热振动
· 晶格热振动： 晶体点阵中质点围绕平衡位置的微小振动 。材料 热学性能的物理本质均与其晶格热振动相关。 · 晶格振动是三维的 ， 当振动很微弱时 ， 可认为原子作简谐振动。 振动频率随弹性模量Em增大而提高。
x=ACOS(ot+p)
· 温度升高时质点动能增大 ， 1/2 mv2= 1/2 kT, ∑ (动能)i ＝热能 · 质点热振动相互影响 ，相邻质点间的振动存在一定的相位差， 晶格振动以波（格波） 的形式在整个材料内传播 。格波在固体中的 传播速度： v = 3 * 103m/s, 晶格常数a为10-10 m数量级 ，格波最高频 率：v / 2a = 1.5 * 1013 Hz · 频率极低的格波： 声频支振动； 频率极高的格波： 光频支振动
■ 亚稳态组织转变为稳定态要释放 热量 ，热容 －温度曲线向下拐折。
H
TC
T
二级相变焓和热容随温度的变化
17
（二）热容
■ 热容的测量
· 量热计法 。低温及中温区： 电加热法 · 高温区：撒克司法
P：搅拌器 ，C： 量热器筒 18
材料科学中的物理性能分析
材料科学中的物理性能分析材料科学是一门研究材料结构、性质和制备方法的科学。
而物理性能分析则是材料学中非常重要的一个方面，它可以帮助科学家更好地了解材料的特性，因此对于材料研究和应用具有极大的意义。
材料的物理性能主要包括热学性能、导电性、磁性、光学性能等。
下面我们将分别介绍这些方面的物理性能分析。
一、热学性能分析热学性能是材料中一个非常重要的性能参数，它包括热导率、比热、热膨胀系数等。
其中热导率是材料热传导性能的重要参数之一，它决定了材料是否适用于制造热导管、散热器、加热器等热工设备。
热导率的测量方法包括横向热流法、纵向热流法、加热法等。
比热是固体、液体、气体等物质吸收或释放热时所需要的热量与其温度变化之比，它是材料的另一个重要参数。
测量比热的方法主要有差热分析法、热容热偏差法、放热法等。
热膨胀系数是材料热膨胀的能力，它通常用来描述材料在加热或降温过程中的体积变化程度。
热膨胀系数的测量方法包括悬铂法、差热分析法、干涉仪法等。
二、导电性能分析导电性是材料的另一个关键性质之一，它通常用来描述材料中导电的能力。
材料导电性能的主要因素包括材料中自由电子的浓度、载流子的迁移率等。
材料导电性能的分析方法主要有电阻率测量法、霍尔效应测量法等。
电阻率测量法是一种常见的测量材料导电性的方法，它是通过测量电流流过材料时的电阻，来计算材料的电阻率。
电阻率测量法可以用于测量各种类型的材料导电性。
霍尔效应测量法是一种可以测量半导体中载流子浓度、迁移率和极性的方法。
它基于霍尔效应的原理，而霍尔效应是指电磁场引起空间中电荷移动的现象。
霍尔效应测量法可以用于测量各种类型的材料的导电性。
三、磁性能分析磁性是材料的另一种重要性质。
根据磁性的不同，材料可以分为铁磁性、抗磁性、顺磁性、反铁磁性等类型。
材料磁性能的分析方法主要有振动样品磁强计法、SQUID磁强计法、磁化率测量法等。
振动样品磁强计法是一种测量磁性的方法，它可以通过观察材料在磁场中的振动状态，依据材料在磁性强场下发生的微小位移来测量材料的磁性。
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(总结)
一章1、原子间的键合类型有几种？（P1)金属键、离子键、共价键、分子键和氢键2、什么是微观粒子的波粒二象性？（P1）光子这种微观粒子表现出双重性质——波动性和粒子性，这种现象叫做波粒二象性。
3、什么是色散关系？什么是声子？声子的性质？（P20、P25）将频率和波矢的关系叫做色散关系。
声子就是晶格振动中的独立简谐振子的能量量子。
性质：（1）声子的粒子性：声子和光子相似，光子是电磁波的能量量子，电磁波可以认为是光子流，光子携带电磁波的能量和动量。
（2）声子的准粒子性：准粒子性的具体表现：声子的动量不确定，波矢改变一个周期或倍数，代表同一振动状态，所以不是真正的动量。
4、声子概念的意义？（P25）（1）可以将格波雨物质的相互作用过程理解为，声子和物质的碰撞过程，使问题大大简化，得出的结论也正确。
（2）利用声子的性质可以确定晶格振动谱。
5、简述高聚物分子运动的特点。
（P29）（1）运动单元的多重性（2）分子运动时间的依赖性（3）分子运动的温度依赖性6、影响高聚物玻璃化温度的因素（P33）（1）分子链结构的影响（2）分子量的影响（3）增塑剂的影响（4）外界条件的影响7、影响高聚物流动温度的因素（P39）(1) 分子量（2）分子间作用力（3）外力8、线性非晶高聚物的力学状态？（P29）二章1、材料的热学性能的内容。
(P41)材料的热学性能包括热容、热膨胀、热传导、热稳定性、熔化和升华等。
2、什么是热容？（P42）什么是杜隆-柏替定律和奈曼-柯普定律（P43）热容是分子或原子热运动的能量随温度而变化的物理量，其定义是物体温度升高1K所需要增加的能量。
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：化合物分子热容等于构成此化合物各元素原子热容之和。
3、试述线膨胀系数与体膨胀系数的关系。
（P50）4、请分析热膨胀与其他性能的关系。
（P49）5、影响材料热膨胀系数的因素。
（P50）（1）化学组成、相和结构的影响（2）化学键的影响（3）相变的影响6、简述影响热导率的因素。
竹材物理力学性能研究
对竹材进行压缩处理，使其密度增 大，提高其抗压和抗弯强度。
竹材的防腐处理
化学防腐
使用防腐剂对竹材进行处理，以 防止其受潮、腐烂和虫蛀。
生物防腐
利用生物制剂对竹材进行处理， 使其具有抗菌、防虫性能。
真空或压力处理
将竹材置于真空或压力环境下进 行处理，以消除内部水分和气体，
提高防腐性能。
竹材的复合化处理
本研究对于促进竹材在建筑、桥梁等工程领域的应用，推动绿色建筑和可持续发展 具有重要意义。
02
CHAPTER
竹材的基本物理特性
密度与孔隙率
密度
竹材的密度通常在0.4-0.9g/cm³之 间，其密度取决于竹种和生长环境。 密度是影响竹材物理力学性能的重要 因素之一。
孔隙率
竹材内部具有发达的孔隙结构，孔隙 率较高，一般在20%-30%之间。这种 孔隙结构对竹材的力学性能和加工性 能有一定影响。
冲击韧性
• 冲击韧性：冲击韧性是指材料在受到冲击负荷时的抵抗破裂和 延性的能力。竹材的冲击韧性较好，能够吸收较大的冲击能量， 这与其纤维结构有关。
疲劳性能
• 疲劳性能：疲劳性能是指材料在反复承受一定负荷时抵抗 疲劳破坏的能力。竹材的疲劳性能较好，能够在一定循环 次数的负荷下保持较好的完整性。
04
弯曲性能与弹性模量
弯曲性能
竹材在承受弯曲负荷时的性能表现，通常以弯曲强度和弯曲模量来衡量。弯曲强 度是指竹材在弯曲状态下所能承受的最大负荷，弯曲模量则是指竹材在受到外力 作用时抵抗变形的能力。
弹性模量
弹性模量是衡量材料抵抗弹性变形能力的重要参数，通常以兆帕（MPa）表示。竹 材的弹性模量较高，能够达到20GPa左右，表明其具有较好的抗变形能力。
材料物理专业实验报告
实验名称：材料物理性能测试实验日期：2023年4月10日实验地点：材料物理实验室实验目的：1. 研究不同材料在力学性能方面的差异。
2. 学习并掌握材料力学性能测试的基本方法。
3. 分析实验数据，得出材料的力学性能规律。
实验仪器：1. 万能材料试验机2. 量具：钢直尺、游标卡尺3. 计算器4. 记录本实验材料：1. 钢材（Q235）2. 铝合金（6061）3. 塑料（聚丙烯）4. 纤维材料（碳纤维）实验原理：本实验采用静态拉伸法测试材料的弹性模量、屈服强度和抗拉强度等力学性能。
通过拉伸实验，测量材料在受力过程中的应变和应力，进而计算出弹性模量、屈服强度和抗拉强度等指标。
实验步骤：1. 准备实验材料：将钢材、铝合金、塑料和纤维材料分别切割成标准试样。
2. 测量试样尺寸：使用游标卡尺测量试样长度、宽度和厚度，记录数据。
3. 安装试样：将试样固定在万能材料试验机上，确保试样中心线与试验机拉伸轴对齐。
4. 进行拉伸实验：启动万能材料试验机，缓慢拉伸试样，直至试样断裂。
5. 记录实验数据：在拉伸过程中，记录应力、应变等数据。
6. 分析实验数据：根据实验数据，计算弹性模量、屈服强度和抗拉强度等指标。
实验结果与分析：1. 弹性模量：通过实验数据计算得出，不同材料的弹性模量存在差异。
钢材的弹性模量最高，铝合金次之，塑料和纤维材料的弹性模量相对较低。
2. 屈服强度：实验结果显示，钢材的屈服强度最高，铝合金次之，塑料和纤维材料的屈服强度相对较低。
3. 抗拉强度：实验结果显示，钢材的抗拉强度最高，铝合金次之，塑料和纤维材料的抗拉强度相对较低。
结论：1. 钢材在力学性能方面表现最佳，具有良好的弹性和强度。
2. 铝合金具有较好的力学性能，但比钢材略逊一筹。
3. 塑料和纤维材料在力学性能方面相对较差，但在某些特定领域具有独特优势。
注意事项：1. 实验过程中，确保试样安装正确，避免因安装不当导致实验数据误差。
2. 在拉伸实验过程中，注意观察试样状态，防止试样断裂时发生意外。
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依定义，在面积为ds的截面面，电流强度I 可以表示为：I=n·e·v·ds
依定义，电流强度I与电流密度Jx间的关系 可表示为： Jx=I/ds
由此，可以得出：v J x ne
霍耳场 表达式
代入 E=B0·v ，得：
E B0 Jx ne
即霍耳场可表示为：
EH
J x B0 ne
综合
RH
EH J x B0
介质、力场等
3.介绍与物理性能相关的特殊材料 功能材料
4. 介绍与这些物性相关的测试技术 与分析方法
课程特点:
需具备的基础知识：大学普通物理、化学、 物理冶金、晶体学 量子力学、理论物理、固体物理
难点：第1章 固体中的电子状态
课程安排：
授课周次：5-13 总 学 时：44 ；理论学时：36，实验学时：8
频率为的光，其光子具有的能量为:
E m C2 h
式中：h = 6.6310-34J·S，为普朗克恒量。
利用光子理论成功地说明了光的发射和吸 收现象。
鉴于微观粒子光子所表现出的双重性
质—波动性和粒子性，即波粒二象性。
l924年法国物理学家德布罗意(dc Broglie)认为
“波粒二象性” 具有普遍意义，不局限于光，并 提出物质波假说：一个能量为E、动量为P的粒子， 既具有粒子性，同时也具有波动性，其波长由动量 P确定，频率则由能量E确定。
ν<<C，那么：
h m0
德布罗意关于物质波的 假设，在1927年被美国 贝尔电话实验室的戴维 森(Davisson)和革末 (Germer) 的电子衍射 实验所证实。
电子枪
54v
探测器
500
Ni
电子枪
U
K
D
电子束
探测器
B
500
G
电子枪
探测器
54v
d
Hale Waihona Puke 镍单晶dd sin k, k 1
本章将就固体中电子能量结构和状态作初步
介绍，建立起现代固体电子能量结构观念，包括
德布罗意波、费密—狄拉克分布函数、 禁带起因、能带结构及其与原子能级的关系，
以及非晶态金属、半导体的电子状态等。
1927年10月，第五届索尔维会议
1.1 电子的粒子性和波动性
1.1.1 电子粒子性和霍耳效应
在1879年Edwin Hall发现的金属晶体中存在霍耳
材料物理基本 的性能和研究
材料：金属材料、无机非金属材料、 高分子材料
物理性能：电、光、磁、热、声、 辐射
力学性能
课程的内容：
1.材料的电、介电、光、热、磁、弹性和内耗性 能的物理本质。
2. 物性与材料的成分、组织结构、工艺过程的 关系及变化规律。
物性随环境而变化 环境有温度、压力、电场、磁场、辐射、化学
效应，证实了电子的粒子性。
霍耳效应：取一块金属导体放在与它通过的电流
方向垂直的磁场中，结果发现在横跨样品的两面
产生一个与电流和磁
场垂直的电场。这种现
象称为霍耳效应。
-+
Jx
B0
所产生的电场称为霍耳场，用霍耳系数来 表征。
+
-
B0
Jx
RH
EH J x B0
霍耳场强度
由洛仑兹力公式知电子所受洛仑兹力为：
n Z N0 Z N0
M
M
N0为阿伏加德罗常数
6.021023/mol。
？问题：
根据计算，如果金属中只存在自由电子一种载流
子，那么RH只能为负。但实际测量的结果却与之 相反，RH为正。实际结果说明金属晶体中的电子
一定还有其它存在状态。
1.1.2 电子的波动性
问题的提出： 19世纪末，人们确认光具有波动性，服从麦克斯 韦(Maxwcll)的电磁波动理论。利用波动学说解释 了光在传播中的偏振、干涉、衍射现象，但不能 解释光电效应。 1905年爱因斯坦(Einstein)依照普朗克(Planck) 的量子假设提出了光子理论，认为光是由一种微 粒—光子组成的。
键、分子键和氢键。
✓晶体结构复杂：有14种类型空间点
阵 (Bravais点阵)。
原子间键合
晶体 结构
固体的电子 能量结构和状态
材料 物理性能
键合、晶体结构、电子能量结构是理解和 创新一种材料的物理性能的理论基础。
其中电子的能量结构最为复杂。
思路：
电子的运动到底有什么规律和特殊性？
✓ 电子的粒子性-------霍尔效应 ✓ 电子的波动性-------德布罗意波假设 ✓ 电子波动性的描述-----薛定谔方程 ✓ 波动的状态意味着什么----求解薛定谔方程
h h ; p m
E mC2 h
式中：m为粒子质量。v为自由粒子运动
速度。 由上式计算的波长，称为德布罗 意波波长。
在相对论力学中运动物体的相对质量m、静止质
量m0及速度v间存在如下关系：
m
m0
2
1 C2
与该粒子相联系的平面单色波的波长又可表示为：
上式为实hp物粒子m的h德布罗m意h波0长计1算公式C22。如果
Ni
从晶体表面相邻两原子 (离子)所散射出来的波，
500
如果在max方向上光程差
为，就会相互加强，产
生极大。可以算出54eV电
子束相应波长：
电子枪
探测器
54v
d
d
Ni d sin k, k 1
，可以得到：
RH
EH J x B0
1 gJ x B0 J x B0 ne
1 ne
其中：Jx为沿x方向的电流密度； B0为磁场强度； n为电子密度。
上式说明： 霍耳系数只与金属中的自由电子有关。 霍耳效应证明金属中存在自由电子，它是
电荷的载体。RH的理论计算与实测结果对于
典型金属一致。
假设：金属的密度为，原子价为Z，原子摩尔质 量为M，那么电子密度为：
f洛仑兹=B0·e·v
假设电子受力后产生的电场为匀强电场，前后两侧面
平行，间距为h，则其场强为： E=U/h
故电子所受静电力为：F电=E·e=(U·e)/h
电子处于稳定状态时，电场力与洛仑兹力
平衡，即： F电=f洛仑兹
将F电=E·e=(U·e)/h 及 f洛仑兹=B0·e·v两式带入， 得： E=B0·v 或：U=h·v·B0
考核方式：？？
成绩组成：平时：20％，考试：80％ 教材：材料物理性能， 田莳主编，北京航空航天
大学出版社，2004年11月 参考书籍：无机材料物理性能， 关振铎等编著，
清华大学出版社
第一章 固体中电子能量结构和状态
✓原子间的键合、晶体结构和电子能
量结构与状态决定了材料的物理性能。
✓键合类型：金属键、离子键、共价