材料物理学第1章-4PPT课件
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2. 梯度功能第一壁材料
面向等离子体护墙材料（Plasma Flaxma Facting， PFM）是决定聚变能能否开发成功的关键。
PFM表面要承受来自等离子体、高能中子、α粒
子及电磁辐射等的冲刷,而它的另一面必须强制冷却。
因此,ＰＦＭ必须具有很高的熔点,同时应具有很好的
用途：结构复合材料，功能复合材料。
按材料不同基体：聚合物，金属，陶瓷，碳 基。
按增强体（功能体）形状：纤维，颗粒，片， 层叠式等。
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1.4.2复合材料中的复合效应
1.线性效应
线性效应是指复合材料的性质与增强组元 （功能组元）的含量有线性关系。线性效应的内 容有：平均效应、平行效应、相补效应、相抵效 应等。
复合材料的对称性是材料各组元内部结构及其在空 间几何配位上的对称特征。
4.标度（scale）
复合材料的标度是指功能组分的大小，这对功能复 合材料尤为重要。
5.周期性（periodicity）
周期性是指复合材料中组元分布的周期特征。当需 要利用复合材料中的谐振和干涉所产生的效应时， 就必需在结构上严格控制复合材料在结构上的周期 特征。
通过对以上参数的设计，可以有效的控制材料的性 能，获得良好的优值。
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1.4.5 梯度功能材料
梯度功能材料是“由一种功能在空间和 时间上连续变化的材料”，梯度功能材 料（Functionally Gradient Materials， 简称FGM）又称倾斜功能材料。
设计思想：在材料制备过程中，连续地 控制材料的微观要素（包含组成、组织、 亚结构和空隙等），使材料内部不存在 明显的界面。
2.非线性效应
非线性效应指的是复合材料的性质与增强组 元的含量无直接关系；复合后可能产生一些新的 性质。如乘积效应、诱导效应、共振效应和系统 效应等。
掌握和运用这些非线性效应，在复合材料
（特别是功能复合材料）的设计时，具有较多的
自由度，得到新材料。
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1.4.3 复合材料的主要参数
§1.4 复合材料
复合材料是由两种以上物理和化学上不同的 物质组合起来的一种多相体。 一般由基体组元与增强体（功能体）组成。 复合材料优良性能的获得必需通过其复合效 应的作用，要涉及材料设计与工艺制作两个 方面。 需要进行材料设计与工艺优化才能得到优良 的复合材料
1.4.1 复合材料的分类
性能高低：常用复合材料，先进复合材料。
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1.4.6 梯度功能材料的分类
1.从材料组合方式：
金属-金属，金属-陶瓷，陶瓷-陶瓷，玻璃-金 属，玻璃-玻璃等多种组合方式。
2.成份变化方式：
梯度功能涂覆型材料（在材料表面形成组成的 涂层）；梯度功能连接型（粘接在两个基体间 的连接组成或梯度变化）和梯度功能材料本身 （组成一侧到另一侧的结构材料）。
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1.4.7 梯度材料的主要制备方法
原位法（in-situ）材料中的第二相生成于 材料形成过程。
自蔓延法（self-progation synthesis） 梯度组合
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1.4.8 梯度功能材料研究的主要内容
梯度材料设计；成分的连续变化对材料 热性能、强度硬度、耐磨性能和复合原 则和表达公式。
1.复合度 （compositivity） 复合度是复合材料中各级组元所占的体积或
重量百分数。改变复合度是调整复合材料性能 是最为有效的手段之一。
2.联结类型（connectivity） 联结型是指在复合结构中，各组元在三维空 间自身相互联结的方式。
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3.对称性（symmetry）
抗热冲击性。碳复合材料具有高导热率,是PFM重要的
候选材料之一.但碳材料在高温下易于氧化,其表面必
须覆盖保护层进行保护。
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3.梯度结构的生物医学材料
羟（基）磷灰石（Hydroxyaptite，HA）材料 具有良好的生物活性，是当前普遍采用的骨替换 材料，但由于本身的机械强度低以及脆性大而使 其应用受到限制。
研究表明，具有梯度孔隙结构的HA可兼顾生
物性能与力学性能的需要,他们制备了孔隙大小和
体积分数从表层至内层呈梯度变化的HA材料,其外
层为大孔隙结构可使细胞和血管易于依附从而促
进骨生长,而内层为致密结构可提高骨植入材料的
机械稳定性。该梯度孔隙HA的弯曲强度比相同。
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梯度材料制备新工艺；低价大面积重复 性能好的材料。
梯度材料的特性评价。热学、力学、耐 辐射等性能的全面评价。
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Hale Waihona Puke 91.4.9 梯度功能材料的主要应用
1. 梯度功能热障涂层
等离子喷涂热障涂层（Thermal Barrier Coatings，TBC）作为热保护材料广泛用于汽轮机叶 片、航天飞机燃烧室内壁等受热金属部件上。在服 役条件下, TBC材料需要承受巨大的温度落差、热冲 击以及高温氧化等的考验。传统的热障涂层通常包 括用于增强抗氧化性和涂层附着力的MCrAlY底层和 用于热绝缘的Zr2O面层。
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
1计算材料物理-第一章
MM力场
Norman L. Allinger (University of Georgia) /wiki/Norman_Allinger /people/faculty/allinger director of UGA's Computational Center for Molecular Structure and Design and professor emeritus of chemistry, has won the Benjamin Franklin Medal, a major international career achievement award that is often referred to as the "American Nobel.“ /doi/abs/10.1021/ja00205a001 主要用于有机物
势能面与能量最小化
势能函数可以用势能面来表示 Potential energy surface (PES) 势能面上的每个点对应一个可能的结构 寻找稳定的结构即为寻找势能面上的极小值点
/wiki/Potential_energy_surface
势能函数（势能面）的维数
对于含有N个原子的分子，有3N个笛卡尔坐标，因 此势能可以看作3N个坐标变量的函数 U(x1, y1, z1; x2, y2, z2; …; xN, yN, zN) 如果考虑内坐标，只有3N-6个内坐标，因此势能可 以看作3N-6个坐标变量的函数？
Why
势能面
势能面
1 2 U O k O 0 2
此项并非总是必须的
力场的势函数形式
材料物理基础第一节课
1.2材料物理学的特点
固体物理学提供了原子键合、原子振动、电子结构、能带结构等的基础知识。
01
热力学、物理化学、材料力学、材料物理性能可以用来阐明材料一些宏观的规律和材料特性。
02
材料学
材料物理课的主要内容
主要介绍金属结构理论、缺陷物理、材料强化、导电物理基础、材料的介电行为、铁电物理、磁性物理、材料的相变、非晶态物理、高分子物理和低维材料结构。
推荐教材
参考书
作业
1。选一种日常用的电器、通讯设备等，指出它包括那几种材料以及这些电器今后的前景。
2。联系以前学习和遇到过的材料，讨论一下它可能遇到的物理问题。
材料科学的形成是金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料各学科发展过程的殊途同归。也就是说，构成工程材料的结构材料和功能材料有着共同的学科基础，这个学科就是材料科学。显然，材料科学已成为一门独立的学科以及各组成学科的聚集体。
材料种类类型、材料加工工艺以及各种材料之间相互有机联系而形成的材料科学，就广义而言，三者构成了材料学。
单击此处添加小标题
材料科学的研究导致新的物理学现象
研究材料的性质在各种外界条件（力、热、光、气、电、磁、辐照、极端条件等）下发生的变化。发现到新的物理现象和效应、规律、形成新的概念。比如铁电、热释电、压电、电致伸缩等效应。
晶体学揭示材料的微观组织结构
2材料物理学的特点
材料科学有助于研究材料的内在联系
材料的分类
材料有共通性
制备、使用过程中现象、概念、转变相似。
单晶
多晶
非晶
准晶
结构、缺陷行为
材料物理第一章1.2材料的蠕变-new详解
C1和C2为常数。
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1.2.3 材料的粘弹性
玻尔兹曼(Boltzmann)叠加原理
玻尔兹曼叠加原理： 粘弹性材料的力学松弛行为是其整个过程 中各个应力贡献的线性加和的结果。
据此原理可以用有限的实验数据， 去预测很宽范围内材料的力学性质。
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1.2.3 材料的粘弹性
理想力学元件模型
采用理想弹簧和理想粘壶，以不同方式组合 起来，可以模拟粘弹性材料的力学松弛过程。 理想弹簧代表理想弹性体，其力学性质服从
➢橡胶采用硫化交联的办法，是为了防止因分子间滑移 的粘性形变而引起的蠕变；
➢塑料加工时会产生内应力，常需要升温退火的办法来 消除，以防止产品弯曲或开裂。
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1.2.3 材料的粘弹性
滞后
定义：在交变应力作用下，形变落后于应 力变化的现象。
原因：在外力作用和去除的过程中，大分子的形 变是大分子链段发生重排的过程，这个过程需要 时间，导致应变滞后于应力。 若应力表达式为：
???????1为普弹应变内部键长键角变化2为高弹应变3为粘性应变e1为普弹应变模量e2为高弹应变模量3为材料粘度为松弛时间分子链段形变不同分子链段相对滑移12123材料的粘弹性应力松弛在恒定的应变时材料内部的应力随时间的增长而减小的现象
1.2 材料的塑性、蠕变与粘弹性
1.2.1 材料的塑性
塑性(Plasticity)：
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1.2.3 材料的粘弹性
力损耗与频率的关系
高分子材料在应力变化的频率较低时，分子链段运 动基本能跟上应力的变化，tanδ很小； 频率较高时，分子链段运动完全跟不上应力的变 化，tanδ也很小； 频率中等时，分子链段运动跟不上应力的变化，使 tanδ出现极大值。
材料物理学第1章-凝聚态材料
从结构上看，准晶至少是由几种基本結构的組合 后，以填滿整個空間 。
准晶內的原子振動，可使得這幾種基本結构之間 來回变換，而不會破坏准晶 的存在。
迄今为止，发现的准晶已有100多种。
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材料物理学第1章
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2 .准晶的力学性质
材料物理学 第1章 凝聚态材料
本章讨论凝聚态材料基本结构与性质。
§1.1 晶体、非晶体、准晶体与液晶 §1.2 纳米材料 §1.3 超晶格材料与低维材料 §1.4 复合材料与梯度功能材料
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材料物理学第1章
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什么是凝聚态？
通过分子原子间的相互作用而结合在一起，有固 定的体积的物质称凝聚体（Condensed System）。
（1） 高强度、高硬度
Al-Cu-Fe二十面体准晶和其类似相合金（包括添加少量 其它元素的合金）压缩强度可达700Mpa以上，硬度为Hv600900。
（2）脆性大，室温下变形难。
准晶压缩率小于1％，但在高温时则呈超塑性。这是因 准晶中的位错是固定，位错不易发生滑移而对形变作出贡献。
（3） 表面能低
准晶的低表面能与它的低表面电子态密度有关，所以它 有极低的磨擦系数；其次，有损伤自恢复功能，由于磨擦引 起的裂纹，会在随后的磨擦过程中消失，因而显示出一定的 韧性；准晶与食品的不粘性也很好。
虽然局部來看，准晶的结构也有一定的規則与 某些規律，但是准晶却不存在可以填滿整个空 间的最小单位“单胞”(unit cell) 。此外准 晶还具有一般晶体沒有的如五边形的对称性等 等。
准晶是短程有序，长程取向有序 ，具有准周期性。
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第一章原子的结构与键合ppt课件
（1）共价键的定义 ➢ 有些同类原子，例如周期表IVA，VA，VIA族中大多数元
素或电负性相差不大的原子互相接近时，原子之间不产生 电子的转移，此时借共用电子对所产生的力结合。
（2）共价键的特点 ➢ 共价键键合的基本特点是核外电子云达到最大的重叠，形
成“共用电子对”，有确定的方位，且配位数较小。
由于金属键即无饱和性又无方向 性，因而每个原子有可能同更多 的原子结合，并趋于形成低能量 的密堆结构，当金属受力变形而 改变原子之间的相互位置时不至 于破坏金属键，这就使金属具有 良好的延展性。
金属变形时，由金属键结 合的原子可变换相对位置
（3）金属键型晶体的特征 良好的导电、导热性：
自由电子定向运动（在电场作用下）导电、（在热场作 用下）导热。
金属键模型
电子气 金属离子
图 金属键与金属晶体
© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™
图 金属键与金属晶体
图 金属键、金属的导电性和金属的变形
问题1：金属具有良好导电、导热性能的原因？ （自由电子的存在）
问题2：金属具有良好延展性的原因？
Pauli不相容原理(Pauli principle) 在一个原子中，不可能存在四个量子数 完全相同的两个电子。
Hund规则(Hund ’s rule) 在同一亚层中的各个能级中， 电子的排布尽可能分占不同 的能级，而且自旋方向相同
IA
1 H IIA 2 Li Be
碱金属
碱土金属 过渡元素
主族金属
第一节 原子结构
1.1.1 物质的组成
一切物质都是由无数微粒按一定 的方式聚集而成的。这些微粒可能 是分子、原子或离子。
半导体物理与器件-课件-教学PPT-作者-裴素华-第1章-半导体材料的基本性质
简化为
J = pqv p
1.6.4 半导体的电阻率ρ
电阻率是半导体材料的一个重要参数，其值为电导率
的倒数。 1
1
ρ= =
σ nqμn + pqμ p
对于强P型和强N型半导体业有相应的简化。
从上面的公式可以看出，半导体电阻率的大小决定于 n, p, μn ,μp的具体数值，而这些参数又与温度有关， 所以电阻率灵敏的依赖于温度，这是半导体的重要 特点之一。
b) P型硅中电子和空穴 的迁移率
载流子的迁移率还要随温度而变化。
硅中载流子迁移率随温度变化的曲线 a) μn b) μp
1.6.3 半导体样品中的漂移电流密度
设一个晶体样品如图所示， 以单位面积为底，以平 均漂移速度v为长度的矩 形体积。先求出电子电 流密度，设电场E为x方 向，在电场的作用下， 电子应沿着-x方向运动。
不论半导体中的杂质激发还是本征激发，都是依靠吸收 晶格热振动能量而发生的。由于晶格的热振动能量是随 温度变化的，因而载流子的激发也要随温度而变化。
载流子激发随温度的变化 a）温度很低 b）室温临近 c）温度较高 d）温度很高
伴随着温度的升高，半导体的费米能级也相应地发 生变化
杂质半导体费米能级随温度的变化 a）N型半导体 b）P型半导体
a)随机热运动 b) 随机热运动和外加电场作用下的运动合成
随机热运动的结果是没有电荷迁移，不能形成电流。
引入两个概念：
1. 大量载流子碰撞间存在一个路程的平均值，称为平 均自由程，用λ表示，其典型值为10-5cm；
2. 两次碰撞间的平均时间称为平均自由时间，用τ表示, 约为1ps；
建立了上述随机热运动的图像后，就可以比较实际地去 分析载流子在外加电场作用下的运动了。
材料物理学ppt课件
式中k， 4202m；k弹性系数 0固 ；有频率
代入薛定谔方程， 得到谐振子的运动微分方程：
2 2 V E
2m
2 2m
d 2
dx2
2
2m02 x2
E
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
的几率 ），波函数是空间和时间的函数，并且是复数，
即Φ = Φ(x，y，z，t)
自由粒子(动量、能量不随时间或位置改变）的波函数：
2 i ( px Et )
0e h
r,t
Ae
i
( Et
pr )
0 、 A 常数
（描述自由粒子的波是平面波）
波函数的性质：波函数乘上一个常数后，所描写的粒子状态不变（粒子在 空间各点出现的几率总和等于1，所以粒子在空间各点出现的几率只决定于 波函数在各点强度的比例，而不决定于强度的绝对大小）。
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
量子力学的应用
⑴一维势阱问题 势阱—在某一定区域内，势能有固定的值。 设一粒子处于势能为V的势场中，沿x方向做一维运动，势能满足下列边界条件：
V
0xa，Vx0
x0和xa，Vx
t
(1.6)
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
③定态薛定谔方程 由于势能与时间无关，薛定谔方程可进行简化．设方程的一种特解为：
x ,y ,z .t. x ,y ,z ft
材料物理导论总结
第一章：材料的力学形变：材料在外力作用下发生形状和尺寸的变化,称为形变力学性能机械性能：材料承受外力作用,抵抗形变的能力及其破坏规律,称为材料的力学性能或机械性能应力：材料单位面积上所受的附加内力称应力.法向应力应该大小相等,正负号相同,同一平面上的两个剪切应力互相垂直.法向应力导致材料的伸长或缩短,剪切应力引起材料的切向畸变.应变：用来表征材料受力时内部各质点之间的相对位移.对于各向同性材料,有三种基本的应变类型.拉伸应变,剪切应变,压缩应变.拉伸应变：材料受到垂直于截面积的大小相等,方向相反并作用在同一直线上的两个拉伸应力时材料发生的形变.剪切应变：材料受到平行于截面积的大小相等,方向相反的两剪切应力时发生的形变.压缩应变：材料周围受到均匀应力P时,体积从起始时的V0变化为V1的形变.弹性模量：是材料发生单位应变时的应力,表征材料抵抗形变能力的大小,E越大,越不易变形,表征材料的刚度越大.是原子间结合强度的标志之一.黏性形变：是指黏性物体在剪切应力作用下发生不可逆的流动形变,该形变随时间的增大而增大.剪切应力小时,黏度与应力无关,随温度的上升而下降.牛顿流体：服从牛顿黏性定律的物体称为牛顿流体.在足够大的剪切应力下或温度足够高时,无机材料中的陶瓷晶界,玻璃和高分子材料的非晶部分均会产声黏性形变,因此高温下的氧化物流体,低分子溶液或高分子稀溶液大多属于牛顿流体,而高分子浓溶液或高分子熔体不符合牛顿黏性定律,为非牛顿流体.塑性：材料在外应力去除后仍能保持部分应变的特性称为塑性.晶体塑性形变两种类型：滑移和孪晶.延展性：材料发生塑性形变而不断裂的能力称为延展性.μ泊松比,定义为在拉伸试验中,材料横向单位面积的减少与纵向单位长度的增加率之比.滑移是指在剪切应力作用下晶体的一部分相对于另一部分发生平移滑动,在显微镜下可观察到晶体表面出现宏观条纹,并构成滑移带.滑移一般发生在原子密度大和晶向指数小的晶面和晶向上.材料的滑移系统往往不止一个,滑移系统越多,则发生滑移的可能性越大.实际晶体材料的滑移是位错缺陷在滑移面上沿滑移方向运动的结果：位错运动所需的剪切应力比使晶体两部分整体相互滑移所需的应力小的多.蠕变：蠕变是在恒定的应力作用下材料的应变随时间增加而逐渐增大的现象.影响因素：温度、应力、组分、晶体键型、气孔、晶粒大小、玻璃相等.无机材料的蠕变理论：位错蠕变理论,扩散蠕变理论,晶界蠕变理论.黏弹性：材料形变介于理想弹性固体和理想黏性液体之间,既具有固体的弹性又有液体的黏性,称为黏弹性.时温等效原理力学松弛现象有蠕变,应力松弛静态力学松弛,滞后和力损耗动态力学松弛晶界：是结构相同而取向不同晶体之间的界面.高分子材料的力损耗与温度和频率的关系：1.高分子材料在玻璃化温度Tg以下受到应力时,相应的应变很小,主要由键长和键角的改变引起,速度快到几乎能跟得上应力的变化,因此&很小,tan&也小；温度升高到Tg附近时,以玻璃态向高弹态过渡,链段开始运动,此时材料的粘度很大,链断运动收到的摩擦阻力很大,高弹应变明显落后于应力的变化,因此tan&出现极大值；温度更高时应变大,而且链断运动比较自由,&变小,tan&也小；温度很高时,材料从高弹态向粘流态过渡,分子链段间发生互相滑移,导致力损耗急剧增加,tan&急剧增大.2.高分子材料在应力变化的频率较低时,分子链断运动基本能跟上应力的变化,tan&很小；频率很高时,分子链断完全跟不上应力的变化,tan&也很小；而当频率中等时,分子链断运动跟不上应力的变化,使tan&出现极大值,此时材料表现出明显的粘弹性.应力松弛：是指在恒定的应变时,材料内部的应力随时间增长而减小的现象.机械强度：材料在外力作用下抵抗形变及断裂破坏的能力称为机械强度.根据外力作用形式,可分为抗拉强度,抗冲强度,抗压强度,抗弯强度,抗剪强度.材料在低温下大多脆性断裂；高温下大多韧性断裂.麦克斯韦模型：应变恒定时,应力随时间指数衰减；形变一定,力减小.应力松弛沃伊特模型：应力恒定时,形变随时间增大而增大；力一定,形变增大.蠕变延展性材料拉伸时有可塑性功,可阻碍断裂.第二章：材料的热学热力学与统计力学的关系：热力学是用宏观的方法,研究热运动在宏观现象上表现出来的一些规律,是从能量转化的观点来研究物质的热性质；而统计力学则从物质的微观结构出发,应用微观粒子运动的力学规律和统计方法来研究物质的热性质.热力学第二定律：克劳修斯说法不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其他的变化.开尔文说法不可能从单一热源取热使之完全变为有用的功而不引起其他的变化.低温时：Cp≈Cv高温时：Cp＞Cv,定压加热时,物体除升温外,还会对外做功,升高单位温度需吸更多热量.经典理论：①定压下单一元素的摩尔热容Cv=25J/Kmol②化合物材料摩尔热容等于构成该化合物分子各元素摩尔热容之和.③1摩尔固体的总能量：E=3NkT=3RT；摩尔热容Cv=3Nk=3R ≈25J/Kmol晶格热振动：晶体中的原子以平衡位置为中心不停地振动,称其为“晶格热振动”声子：晶格振动的能量是量子化的,以hv为单元来增加或减少能量,称这种能量单元为“声子”.金属材料的总热容为声子和电子两部分的共同贡献.固体材料热膨胀的本质：在于晶格点阵实际上在做非简谐运动,晶格振动中相邻质点间的作用力实际上是非线性的,点阵能曲线也是非对称的.体胀系数近似等于三个线胀系数之和.热传导：是指材料中的热量自动的从热端传向冷端的现象.固体材料热传导：主要由晶格振动的格波来实现；高温时还可能由光子热传导.材料热传导的微观机理：1.声热子传导2.光热子传导3.电子热传导金属主要含孔率大的陶瓷热导率小,保温.热稳定性：是指材料承受温度的急剧变化而不致碎裂破坏的能力.裂纹的产生和扩展与材料中积存的弹性应变能和裂纹扩展所需的断裂表面能有关.材料的抗热应力损伤性正比于断裂表面能,反比与弹性应变能释放率.第三章：材料的电学金属自由电子气模型费米电子气模型：该模型认为金属材料的原子失去价电子成为带正电的离子实,而价电子在离子实的正电背景下能自由移动,既满足电中性条件,也不会因价电子间的库伦斥力而散开,这种自由电子还服从泡利不相容原理,其能量分布满足费米-狄拉克分布函数能带理论：采用“单电子近似法”来处理晶体中的电子能谱.单电子近似法：来处理晶体中电子能谱①固体原子核按一定周期性固定排列在晶体中②每个电子是固定原子核势场及其它电子的平均势场中运动电子型电导：①导电载流子是电子或空穴即电子空位②具有“霍尔效应”③例：硅、锗和砷化镓等晶态半导体材料以及许多导体材料杂质和缺陷的影响：使严格周期性排列原子产生的周期性势场受到破坏,在禁带中引入允许电子所具有的能量状态即能级；这种禁带中的能级对半导体材料性质有重要的影响.杂质能级与允带能级的区别：允带能级可容纳自旋方向相反的两个电子.施主杂志能级只可能有：1.中性施主被一个电子占据2.电离施主没有被电子占据.本征是指半导体本身的特征.半导体的载流子浓度：实际的半导体总含有或多或少的杂质,但当杂质浓度很小或者温度足够高时,由价带到导带的本征激发所产生的载流子可超过杂质电离产生的载流子,这时载流子浓度主要由半导体本征性质所决定,而杂质影响可忽略不计,也称这种半导体为本征半导体.本征载流子浓度ni随温度T升高呈指数增大,ni随禁带宽度Eg成指数减小.导带中电子浓度n.和价带中空穴浓度P.受温度T和费米能级Ef的影响.电子型电导：Rh霍尔系数只与材料的载流子种类浓度有关；“磁阻效应”可分为物理磁阻和几何磁阻.施主和受主杂质同时存在时,半导体的导电类型决定于浓度大的杂质.本征载流子浓度ni随温度升高呈指数增大,随禁带宽度Eg的增大呈指数减小.任何非简并半导体中两种载流子浓度的乘积等于本征载流子的浓度的平方与杂质无关.杂质半导体的杂质能级被电子或空穴占据的情况与允带中的能级有区别：在允带中的能级可以容纳自旋方向相反的两个电子,而施主或受主杂质能级上,只可能有如下两种情况：1.中性施主或受主被一个电子或空穴占据；2.电离施主或受主没有被电子或空穴占据.离子型电导：具有“电解效应”电极附近发生电子得失,伴随着产生新物质.两种离子载流子：①晶格离子本身因为热振动而离开晶格形成热缺陷的本征离子载流子,它在高温下起主要作用②由于杂质离子等弱联系离子运动而形成的杂质离子载流子,它在低温下起主要作用.其中的载流子浓度与迁移率都与温度呈指数正比关系.介电体分子三种极化类型：电子极化、离子极化、偶极子转向极化电损耗来源：①普通无机晶体介质只有位移极化,损耗来源主要为离子电导,tanδ与电导率σ成正比②无定形玻璃：电导损耗、松弛损耗、结构损耗由Si-O网络的变形引起③多晶陶瓷：离子电导损耗、松弛损耗、夹层损耗④铁电陶瓷：自发极化超电导性的特征：完全导电性、完全抗磁性、磁通的量子化、约瑟夫逊效应叙述BaTiO3典型电解质中在居里点以下存在的四种极化机制：电子极化：指在外电场作用下,构成原子外围的电子云相对原子核发生位移形成的极化.建立或消除电子极化时间极短2.离子极化：指在外电场的作用下,构成分子的离子发生相对位移而形成的极化,离子极化建立核消除时间很短,与离子在晶格振动的周期有相同数量级3.偶极子转向极化：指极性介电体的分子偶极矩在外电场作用下,沿外施电场方向而产生宏观偶极矩的极化.4.位移型自发极化：是由于晶体内离子的位移而产生了极化偶极矩,形成了自发极化.试比较,聚合物介电松弛与力学松弛的异同点：材料的力学松弛包括了静态力学松弛与动态力学松弛：蠕变与应力松弛属于静态力学松弛；滞后和力损耗属于动态力学松弛.介电松弛指在固定频率下测试聚合物试样的介电系数和介电损耗随温度的变化,或在一定温度下测试试样的介电性质随频率的变化.两者都反映了聚合物的结构、构型及链段的运动状态.引起散射的根本原因：半导体内周期势场受到破坏.电离杂质浓度越高,载流子散射机会越多；温度越高,越不易散射.温度越高,晶格热振动越激烈,散射概率增大.散射与迁移呈反比.导体,半导体和绝缘体的区别：电子全部填满到某个允带,而其上面的允带则完全空着,填满电子的允带称为满带,完全没有电子的允带称为空带,具有这种能带结构的固体称为绝缘体.能带结构与绝缘体相似,不同点在于禁带宽度Eg较窄,因而,不在很高的温度下,满带中的部分电子受热运动的影响,能够被热激发而越过禁带,进入到上面的空带中去而形成自由电子,从而产生导电能力,具有这种能带结构的固体称为半导体.满带上面的允带不是全部空着,而是有一部分能级被电子填充,另一部分能级空着,这种允带称为导带.有外加电场时导带中的电子便能挑到能量较高的能级上形成电流,称这种材料为导体.介电体的击穿：介电体在高电场下电流急剧增大,并在某一电场强度下完全丧失绝缘性能的现象.第四章：材料的磁学磁偶极子：通常把线度小至原子的小磁体称为磁偶极子.产生磁矩的原因：1.电子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轨道磁矩2.每个电子本身做自旋运动,产生一个沿自旋轴方向的自旋磁矩,它比轨道磁矩大的多.材料的宏观磁性是组成材料的原子中电子的磁矩引起的未填满的电子壳层,电子的自旋磁矩未被完全抵消,则原子具有永久磁矩.反之.波尔磁子UB：把原子中每个电子都看作一个小磁体,具有永久的轨道磁矩和自旋磁矩.最小的磁矩称为波尔磁子.×10-24A·m2材料的磁性取决于材料中原子和电子磁矩对外加磁场的响应,具体可分为抗磁性,顺磁性,反铁磁性,铁磁性和亚铁磁性,前三种属于弱磁性,后两种为强磁性.材料的抗磁性和顺磁性的来源：1.组成原子的电子的固有自旋2.电子绕核旋转的轨道角动量3.外加磁场所产生的轨道矩改变.前两个是对顺磁性有贡献,后一个是对抗磁性有贡献.自由磁矩的顺磁性理论：原子磁偶极距之间无相互作用,为自由磁偶极距,热平衡下为无规则分布,外加磁场后,原子磁偶极距的角度分布发生变化,沿着接近外磁场方向作择优分布,而引起顺磁磁化强度.磁滞回线的面积与磁滞损耗成正比.分子场两个假说：分子场假说：铁磁材料在一定温度范围内存在与外加磁场无关的自发磁化,导致自发磁化的相互作用力假定为材料内部存在分子场,其数量级大小为109A/M,原子磁矩在分子场作用下,克服热运动的无序效应,自发地平行一致取向.磁畴假说：自发磁化是按区域分布的,各个自发磁化区域称为磁畴,在无外磁场时都是自发磁化到饱和,但各磁畴自发磁化的方向有一定分布,使宏光磁体的总磁矩为零.居里温度的本质：是铁磁材料内静电交换作用强弱在宏观上的表现,交换作用越强,就需要越大热能才能破坏这种作用,宏观上就表现出居里温度越高.铁磁材料的五种相互作用能：交换能,磁晶各向异性能,磁弹性能,退磁场能,外磁场能.磁损耗：在动态磁化过程中,材料样品内的磁损耗除了具有静态磁化时磁滞损耗外,还有涡轮损耗和剩余损耗.品质因子：能量的储存与能量的消耗之比为品质因子Q.对于永磁恒磁、硬磁材料,希望其在外加磁场去除后仍能长久的保留较强的磁性,其主要性能指标是：矫顽力Hc、剩余磁感应强度Br或剩余磁化强度Mr和最大磁能积BHmax,希望这三个性能指标越大越好.并要求材料对温度、震动、时间、辐射及其它干扰因素的稳定性也好.何谓轨道角动量猝灭现象：由于晶体场导致简并能级分裂,可能出现最低轨道能级单态.当单态是最低能级轨道时,总轨道角动量的绝对值L2虽然保持不变,但轨道角动量的分量L z不再是常量. 当L z的平均值为0时,称其为轨道角动量猝灭.自发磁化的物理本质是什么材料具有铁磁性的充要条件是什么：铁磁体自发磁化的本质是电子间的静电交换相互作用；材料具有铁磁性的充要条件为:必要条件:材料原子中具有未充满的电子壳层,即原子磁矩,充分条件:交换积分A > 0超交换作用有哪些类型为什么A-B型的作用最强具有三种超交换类型: A-A, B-B和A-B.因为金属分布在A位和B位,且A位和B位上的离子磁矩取向是反平行排列的.超交换作用的强弱取决于两个主要的因素: 1两离子之间的距离以及金属离子之间通过氧离子所组成的键角ψi2 金属离子3d电子数目及轨道组态.因为ψi越大,超交换作用就越强,所以A-B型的交换作用最强讨论动态磁化过程中,磁损耗与频率的关系.低频区域f < 104Hz引起损耗的机理主要是由于不可逆磁化过程产生的磁滞和磁化状态滞后于磁场变化的磁后效；中频区域 f = 104---106Hz,损耗会出现峰值；高频区域f = 106—108Hz,急剧下降,损耗迅速增加.交变磁场的频率与畴壁振动的本征频率或弛豫频率相同时,发生畴壁共振或畴壁弛豫而吸收大量引起损耗增大超高频区域f = 108—1010Hz继续下降,可能出现负值,而出现自然共振引起的峰值,这是由于外加磁场频率与磁矩进动固有频率相等时产生共振现象引起的；极高频区域f > 1010Hz对应为自然交换共振区域.铁氧体材料按磁滞回线特征分类：分为软磁材料、硬磁永磁材料和矩磁材料铁氧体是含有铁酸盐的陶瓷磁性材料.与铁磁性相同点：具有自发磁化强度和磁畴不同点：①一般由多种金属的氧化物复合②其磁性来自两种磁矩,一种在一个方向排列整齐,一种磁矩在相反方向排列静态磁化：静态磁场；磁滞线面积大；静态磁滞损耗.动态磁化：动态磁场；小；磁滞损耗,涡流损耗,剩余损耗.第五章：材料的光学对人眼睛敏感的可见光谱的波长r=,光属于横波材料的折射率：光在真空中的速度v真空与材料的速度v材料之比,称为材料的折射率n.相对折射率：当光从材料1通过界面传入到材料2时,与界面法向形成的入射角i1和折射角i2与两种材料的折射率n1与n2的关系为：n21=sinn1/sinn2=n2/n1.N21为材料2相对于材料1的相对折射率.折射率随材料的电容率ε增大而增大.原因：由于ε与材料的极化现象有关,当材料的的原子受到外加电场的作用而极化时,正电荷沿电场方向移动,负电荷沿反电场方向移动,使得正负电荷的中心发生相对位移,外加电场越强正负电荷中心间距越大.当材料的离子半径增大时,其ε增大,折射率也增大.可用大离子获得高折射率材料：PBS,n=.小离子获得低折射率材料：SiCl4 n=均质材料:如通过非晶态或立方晶体的各向同性材料时,光速不因传播方向的改变而变化,材料只有一个折射率.非均质材料：材料存在内应力时,垂直于拉应力方向的n大,平行于拉应力的n小,而在同质异构材料中,高温晶型n小,低温晶型n大.散射现象：光在材料中传播时,遇到不均匀结构产生的次极波,与主波方向不一致,会与主波合成出现干涉现象,使光偏离原方向.光的吸收：由于光是一种能量流,在光通过材料传播时,会引起材料的价电子跃迁或使原子振动,从而使光能的一部分变为热能,导致光能的衰减,这种现象称为光的吸收.金属对光的吸收很强烈,因为金属的价电子处于未满带吸收光子后呈激发态不必跃迁到导带就能发生碰撞而发热.朗波特定律：光的强度随厚度的增加而呈指数性衰减.α光的吸收系数,取决于材料的性质与光的波长.光的折射率的色散：材料的折射率N随入射光的频率减小而减小的现象,称为光的折射率的色散.影响材料透光性的因素：吸收系数,反射系数,散射系数,材料的厚度.透光率随这四个因素的增大而减小提高材料透光率的措施：采用高纯材料以避免材料形成异相,添加微量成分以降低材料的气孔率,以及采用热压法,热锻法或热等静压法.散射系数的影响因素：乳浊剂的颗粒尺寸,相对折射率及体积百分比.当颗粒尺寸与入射光波长相近,颗粒体积百分比高,颗粒与基体材料的折射率相差较大时,能得到最大散射效果.显色原理：着色剂对光的选择性吸收而引起选择性反射或透射.发光：光是原子或分子发射出的具有一定波长和频率的能量.当材料的原子或分子从外部接受能量成为激发态,然后从激发态回到正常态时,会以电磁辐射形式放出所接受的能量,这种辐射现象称为发光.发光的机理：能发出荧光的材料主要是具有共轭键的苯环为基的芳香族和杂环化合物；而能发出磷光的材料主要是具有缺陷的某些复杂无机晶体,大多是第二族金属的硫化物,晒化物和氧化物作为基质,重金属作为激活剂.激光：激发态的粒子受到一个具有能量等于两能级间差值的光子作用,使粒子转变到正常态同时产生第二个光子,称其为受激发射,这样产生的光称为激光.激光的特点：激光的特点是具有时间和空间的相干性,是一种单色和定向的相干光束.激光可应用在许多方面,如激光通信,测距,定向,雷达等.光的入射角大于临界角时就会发生光的全反射光学纤维：光学纤维是由两种不同折射率的材料制成,以折射率大的材料作为光纤的芯子,折射率小的材料作为光纤的包层.光信号在玻璃纤维光纤中传输时的传输损耗,主要来源有：1.光纤材料的本征损耗,包括Si-O键在波长为9um,和21um处的红外振动吸收延伸到2um附近的影响.2.光纤材料的杂志吸收,包括微量OH-根在波长为,和处的基波,二次谐波和三次谐波的振动吸收,以及过渡金属离子引起的吸收 3.光纤的结构缺陷,包括光纤芯子半径沿轴向有着微小变化,折射率分布也有微小不均匀性,从而引起散射损耗.光纤按折射率剖面分布和传输模式可分为三种：单模光纤直径几个um,只传输单模光束,阶跃型多模光纤由低折射率玻璃外层包覆高折射率玻璃芯子,渐变型多模光纤折射率沿光纤径向由中央向四周连续减小非线性光学效应：在强光场或其他外加场的扰动下,材料原子或分子内电子的运动除了围绕其平衡位置产生微小的线性振动外,还会受到偏离线性的附加扰动,此时材料的电容率往往变为时间或空间的函数,材料的极化响应与光波电厂不再保持简单的线性关系,这种非线性极化将引起材料光学性质的变化,导致不同频率光波之间的能量耦合,从而使入射光波的频率,振幅,偏振及传播方向发生改变,即产生非线性光学效应.主要是原子外层束缚电子在光波电场作用下的受迫振动产生的.其光学材料的特点:当高能量的光波射入时,会在材料中引起非线性光学效应,产生谐波,电光效应,光混频,参量振荡等. 第六章：材料的声学声波是由物体振动而产生的,当以空气作介质传播时,人能听到频率在25Hz-20kHz范围的声音.声波是一种机械波.回声：一定形状的房间中,反射声可形成回声,声焦点或死点现象当不同壁面反射而到达听者的声音所经过的路程大于直达声17m时,则到达的反射将形成回声.声波三个基本物理定律以及意义：声振动作为一个宏观的物理现象,满足三个基本物理定律：牛顿第二定律、质量守恒定律和绝热压缩定律,由此分别可以推导出介质运动方程p-V关系、连续性方程V-p’和物态方程p-p’关系,并由此导出声波方程――p,V和p’等对空间、时间坐标的微分方程.声波过程是绝热过程.平面波：若声波沿x方向传播而在yz平面上各质点的振幅和相位均相同,则为平面波.声强：在声场中任一点上一定方向的声强,是指单位时间内在该点给定方向通过垂直此方向单位面积上的能量.声阻：声阻是流体阻力或辐射阻力粘滞性引起,它导致能量耗散,使声能转为热能.室内声学：声音在一定封闭空间内辐射,传播或接收,此时室内物体和房间壁面会引起发射声,房间还会使声音在空间的分布发生变化而使音质改变.吸声材料吸声原理：吸声材料的作用就是把声能转化为热能.对于柔顺性吸声材料,其吸声机理在于柔顺骨架内部摩擦,空气摩擦和热交换；对于非柔性吸声材料,其吸声特性依靠空气的粘滞性,进入材料的声波迫使材料孔内的空气振动,而空气与骨架间进行热交换,更促进了声能的损耗.影响水声声速的因素：声波在水中的阻力损失比在大气中小,则声波在水中可比大气中传播更远温度,含盐率及压力,其作用依次减弱.水声材料主要用于制作各种声源发射器和水听器,曾用过水溶性单晶、磁致伸缩材料和压电陶瓷材料,随着水声换能器技术的发展,要求具有功率大、频率常数低、时间和温度稳定性好、强电场下性能好以及能承受动态张应力大的材料.声波在传播时有扩展损失,和衰减损失.超声波：频率在20khz以上.产生超声波的材料主要有两大类：.压电晶体和陶瓷是产生超声波的一类重要的材料；磁致伸缩材料为另一类超声波发生材料微声：频率在几十兆赫兹以上的超高频超声波.。
《材料物理性能》PPT课件
●化学性能
材料在一定环境条件下抵抗各种介质化学作用的能力。如耐腐蚀性
能、抗氧化性能等。
★工艺性能
材料在不同制造工艺条件下所表现出来的承受加工的能力，是物理、
化学性能的综合。如铸造性能、塑性加工性能、焊接性能、切削加工
性能等。直接影响材料使用的方式完、整版成课本件p、pt生产效率等。
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2.为什么要学习和研究材料的性能
只有这样才能在合理选用材料、提高材料性能和开发新材料过程中 具有必须的基本知识、基本技能和明确的思路。
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3.本课程的学习目的、内容
工程材料按照其用途可分为：结构材料和功能材料
●在以机械工业为主导的时代：主要使用结构材料，主要追求材料高强 度、高韧性、耐高温等，即材料力学性能。
●当今人类进入了信息时代：功能材料越来越重要，发展迅速。如信 息技术、电子计算机、机器人领域，太空、海洋等领域要求材料具有很 高的功能性。材料物理性能是功能材料的基础，如音像技术与材料的磁 学性能有关、超导材料与材料的电性能相关、隔热材料与材料的热学性 能相关、光导纤维与材料的光学性能有关等。
子结构、电子层、晶格运动等内部因素认识材料物理性能的本质和机理。
●影响因素、与化学成分及组织结构之间的关系：
如为什么合金热导率较纯金属低？为什么陶瓷材料较金属材料热膨胀系
数小？石墨与金刚石哪个热膨胀系数大？为什么？等等。
●物理性能指标的工程意义：
物理性能指标在实际工程上有何应用。
●了解物理性能指标的测试方法和原理，相关仪器，试样准备。
材料物理性能
机械工业出版社，陈騑騢
TB303/C417
金属材料物理性能
冶金工业出版社 王润
75.211 W35