材料物理性能

1．热容的德拜模型：

晶体中对热容的主要贡献是弹性波振动，波长较长的声频支在低温下的振动占主导地位，并且声频波的波长远大于晶体的晶格常数，可以把晶体近似为连续介质，声频支的振动近似为连续，具有0～ωmax的谱带。

结论：（1）当温度较高时，即T>>θ D ，Cv=3Nk=3R即杜隆—珀替定律（热容是与温度T无关的常数）。，与实验结果吻合。（2）当温度很低时，即T<<θ D ，计算得，与实验结果吻合。（3）当T→0时，Cv趋于0，但T3定律，与实验结果的T规律有差距。

不足：（1）由于德拜把晶体近似为连续介质，对于原子振动频率较高的部分不适用，使得对一些化合物的热容的计算与实验不符。（2）没有考虑自由电子的贡献，使得其在极高温和极低温区与实验不符。

2.热容是随温度而变化的，在不发生相变的条件下，多数物质的摩尔热容测量表明，定容热容C和温度的关系与定压热容有相似的规律。

(1)在高温区，Cv的变化平缓（2）低温区，Cv ～T3（3）温度接近0K时，Cv ～T (4) 0 K时，Cv ～0

热容来源：受热后点阵离子的振动加剧和体积膨胀对外做功，此外还和电子贡献有关，后者在温度极高（接近熔点）或极低（接近0K）的范围内影响较大，在一般温度下则影响很小。

3.热膨胀的物理本质：当物体温度升高时，晶体中原子的振动加剧，相邻原子之间的平衡距离也随温度变化而变化，因此温度升高而发生膨胀现象。

4.膨胀系数与热容的关系：体膨胀与定容热容成正比，它们有相似的温度依赖关系。膨胀系数与熔点的关系：熔点较高的金属，具有较低的膨胀系数。膨胀系数与德拜温度的关系：德拜温度越高，膨胀系数越小。

原因：膨胀系数是原子间结合力的反映。原子间的结合力越大、膨胀系数越小。

5.一级相变：有潜热、比热容无限大，体积发生突变，膨胀系数发生突变。

二级相变：无潜热，无体积发生突变，比热容和膨胀系数发生突变。

6.热传导的物理机制：固体的导热包括电子导热、声子导热和光子导热三种形式。（1）金属导热机制：电子导热率约是声子的导热率的30倍，电子导热起主要作用。

（2）半导体导热机制：电子导热和声子导热率的作用大体相当。

（3）绝缘体导热机制：声子导热起主要作用。

7.热传导的影响因素：

(1)温度对金属热导率的影响：对金属热传导其阻挡作用的主要有缺陷阻挡和声子阻挡两部分。低温：缺陷阻挡起主要作用。高温：声子阻挡起主要作用。

中温：声子阻挡和缺陷阻挡都起作用。

纯金属：只有声子阻挡，温度升高电子的平均自由程减小。一般有热导率随温度的升高而降低的规律。

合金：声子阻挡和缺陷阻挡，由于异类原子的存在，温度对电子平均自由程的影响很小，声子导热作用加强。一般有热导率随温度的升高而增大的规律。

玻璃体：一般有热导率随温度的升高而增大的规律。

(2)原子结构对热传导的影响：金属的电导率越高，热传导性能越好。

(3)合金成分和晶体结构对热传导的影响：合金中由于加入杂质元素使杂质缺陷形成的热阻增强，使得热导率降低。杂质原子与金属原子的结构差异越大，影响越大。

(4)气孔率对热传导的影响：气孔率越大，热导率越低。

1、造成材料导电性差异的主要原因：能带结构及其被电子填充的性质有关。

晶体的能带分为：价带、禁带和导带。晶体的导电性是其能带分布的反映。其价带是否被填满，是否存在禁带，以及禁带宽度的大小等因素决定其导电性能。导体和非导体的区别：

金属导体的能带分布特点：无禁带——价带和导带重叠；价带未被价电子填满，价带本身就是导带。这里的价电子就是自由电子，所以金属即使在温度较低的情况下仍有大量的自由电子，具有很强的导电能力。

非导体的能带分布特点：有禁带。在绝对零度时，满价带和空导带，基本无导电能力。

半导体和绝缘体的区别：

禁带宽度的大小：半导体——禁带宽度小。绝缘体——禁带宽度大。

能带分布情况：

半导体：禁带宽度小。在室温下，一部分价电子能获得大于禁带宽度的能量ΔE，跃迁到导带中去，成为自由电子，同时在价带中形成空穴，这样就使半导体具有一些导电能力。

绝缘体：禁带宽度大。在室温下，几乎没有价电子能跃迁到导带中去，故基本无自由电子和空穴，所以绝缘体几乎没有导电能力。

2.金属导电的机制：

经典理论：在外电场的作用下，自由电子在导体中定向移动。

量子理论：在外电场的作用下，自由电子以波动的形式在晶体点阵中定向传播。电阻的本质：电子波在晶体点阵中传播时，受到散射，从而产生阻碍作用，降低了导电性。电子波在绝对零度下，通过一个理想点阵时，将不会受到散射，无阻碍传播，电阻率为0。

电阻产生的机制：

（1）晶体点阵离子的热振动（声子），对电子波产生散射。（2）晶体点阵电子的热振动，对电子波产生散射。（3）晶体点阵的完整性被破坏（存在杂质原子、晶体缺陷等），对电子波产生散射。

温度对金属电阻的影响：

（1）一般规律：

0K时：其大小决定于晶体缺陷的类型和数量。

极低温时：电子散射占主要地位，声子散射很弱，基本电阻与温度的平方成正比(T≤2K)。

非过渡族金属：θD≤500K，当T>2/3θD时，可略去高次项，具有线性关系。（2）过渡族金属：室温以上的线性关系被破坏。

多晶型金属的不同结构具有不同的物理性质，电阻温度系数也不同，电阻率随温度变化将发生突变。

（3）铁磁材料随温度的变化，在一定温度下发生铁磁-顺磁的磁相转变，从而导致电阻-温度关系反常。

3.本征半导体：纯净的、无结构缺陷的半导体单晶。

在绝对零度和无外界影响的情况下：半导体的满带中被电子占满，空带中无电子，不导电。

在温度升高、光照等热激发（本征激发）时：价电子从外界获得能量，部分价电子获得足够的能量脱离束缚，跃迁到空带中。空带中有了电子成为导带，满

带中的部分价电子迁出出现了空穴，成为价带。

自由电子和空穴在外电场的作用下定向运动，形成电流。自由电子和空穴都能导电，统称为载流子。

本征半导体的电学特性：

（1）本征激发成对产生自由电子和空穴，所自由电子浓度与空穴浓度相等，都是等于本征载流子的浓度ni；

（2）ni 和Eg 有近似反比关系，硅比锗Eg 大，故硅比锗的ni小；

（3）ni 与温度近似正比，故温度升高时ni就增大；

（4）ni 与原子密度相比是极小的，所以本征半导体的导电能力很微弱。

4.杂质半导体：在本征半导体中人为地掺入五价元素和三价元素，分别获得N（电子）型和P（空穴）型杂质半导体。

N型半导体：在本征半导体中掺入五价元素获得电子型杂质半导体。由于的掺入五价元素中的四个价电子与周围的原子形成共价键，余下一个价电子的能级非常接近导带能量，使得其在常温下进入导带成为自由电子，因此掺杂后的半导体导带中的自由电子显著增多。把这个五价元素称为施主杂质。电子是多数载流子。P型半导体：在本征半导体中掺入三价元素获得电子空穴型杂质半导体。由于的掺入三价元素中的三个价电子与周围的原子形成共价键时，缺少一个价电子，形成一个空位置（空穴）。因此掺杂后的半导体价带中的空穴电子显著增多。把这个三价元素称为受主杂质。空穴是多数载流子。

掺杂半导体与本征半导体相比具有的特征：

（1）掺杂浓度虽然很微小，但却能使载流子浓度得到极大提高，导电能力显著增强。（2）掺杂只是使一种载流子的浓度增加，杂质半导体主要靠多子（多数载流子）导电。分别主要靠自由电子导电或空穴导电。

5. PN结是指同一块半导体单晶中，在P型掺杂区与N型掺杂区交界面附近形成的特殊区域。是构成半导体电子器件的基本单元。

PN结形成过程：（1）载流子的浓度差引起的载流子的扩散运动（2）扩散运动形成空间电荷区（阻挡层）（3）内电场是扩散与漂移达到动态平衡

PN结的特性：单向导电性。

（1）外加正向电压的情况：由于外部正向电压与内电场电位差方向相反，阻挡层变窄、消失，内电场减小、消失，电阻减小。

（2）外加反向电压的情况：由于外部反向电压与内电场电位差方向相同，阻挡层增大，内电场增大，电阻急剧增大。

6.超导体的性能：

（1）完全的导电性：超导体在超导态时是等电位的，电阻为0。

（2）完全抗磁性：当超导体冷却到临界温度以下而转变为超导态后，只要周围的外加磁场没有强到破坏超导性的程度，超导体就会把穿透到体内的磁力线完全排斥出体外，在超导体内永远保持磁感应强度为零。超导体的这种特殊性质被称为“迈斯纳效应”。

超导电性的影响因素：

（1）温度（TC）—超导体必须冷却至某一临界温度以下才能保持其超导性。（2）临界电流密度（JC）—通过超导体的电流密度必须小于某一临界电流密度才能保持超导体的超导性。

（3）临界磁场（HC）—施加给超导体的磁场必须小于某一临界磁场才能保持超导体的超导性。超导现象产生的原因：是由于超导体中的电子在超导态时，电子

之间存在着特殊的吸引力，使得电子双双结成电子对（库柏电子对），它是超导态电子与经各点阵相互作用的结果。

7.接触电效应：当两种材料在它们接触的效界面上产生的载流子的某种行为，由此引起的两种材料单独存在时所没有的新的电学效应。

8.热电性：材料中存在电位差时会产生电流，存在温度差时会产生热流，故因电位差、温度差、电流、热流之间存在着交叉联系，构成热电效应。

（1）第一热电效应-塞贝克效应：两种不同的导体（或半导体）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位差及电流产生，称为塞贝克效应。

（2）第二热电效应-玻尔帖效应：当有电流通过两个不同导体（或半导体）组成的回路时，除产生不可逆的焦尔热外，还要有两接头处分别出现吸收或放出热量Q的现象，Q称为玻尔帖热，此现象为玻尔帖效应，被认为是塞贝克效应的逆效应。被用于温差制冷。

（3）第三热电效应-汤姆逊效应：当电流通过具有一定温度梯度的导体时，会有一横向热流流入或流出导体，其方向视电流的方向和温度梯度的方向而定，此现象为汤姆逊效应。

磁化率：磁化强度与外磁场强度的比值。与材料和温度有关

1、根据物质的磁化率，把物质的磁性大致分为抗磁体、顺磁体、反铁磁体、铁磁体和亚铁磁体。

(1)抗磁体：χ为负值，很小，约在10-6数量级。χ与T、H均无关，抗磁性产生的原因：电子的轨道运动在外磁场的作用下产生了附加磁矩。附加磁矩与外磁场方向相反，物质磁化后内部产生与外场方向相反的附加磁场，对外表现出抗磁性。凡是电子壳层被排满了的物质都属于抗磁体。

(2)顺磁体：χ为正值，很小，约在10-3～10-6数量级。χ与H无关，与T有关，服从C-W定律。所以超顺磁体没有磁滞回线。顺磁性物质的原子或离子具有一定的磁矩，这些原子磁矩来源于未满的电子壳层(例如过渡族元素的3d壳层)。在顺磁性物质中，磁性原子或离子分开的很远，以致它们之间没有明显的相互作用，因而在没有外磁场时，由于热运动的作用，原子磁矩是无规混乱取向。当有外磁场作用时，原子磁矩有沿磁场方向取向的趋势，从而呈现出正的磁化率。(3)反铁磁体：χ为正值，很小。χ随T变化，存在转变温度T N,T>T N 服从C-W 定律；T

χ随T表现为复杂的依赖关系，如果交换积分A＜0时，则原于磁，

矩取反向平行排列能量最低。如果相邻原子磁矩相等，由于原子磁矩反平行排列，原子磁矩相互抵消，自发磁化强度等于零。这样一种特性称为反铁磁性。

(4)铁磁性体：χ为正值，很大，约在10～106数量级。χ与M对T、H有复杂的依赖关系，由此画曲线及磁滞回线，磁化与T密切相关。χ不但随T和H变化，而且与磁化历史有关；存在磁性变化的转变温度Tc：T>Tc，服从C-W定律；T>1,M>>1。当磁性物质内部相邻原子的交换能积分常数为正(A＞0)时，相邻原子磁矩将同向平行排列（能量最低），从而实现自发磁化。这就是铁磁性产生的原因。

(5)亚铁磁体：χ为正值，没有铁磁性体大。χ是H、T的函数并与磁化历史有关；Ms-T的关系比铁磁性稍复杂一些，存在一些转变温度Tc。TTc时，χ（T）偏离C-W定律。亚铁磁性物质由磁矩大小不同的两种离子(或原子)组成，相同磁性的离子磁矩同向平行排列，而不同磁性的离子磁矩是反向平行排列。由于两种离子的磁矩不相等，反向平行的磁矩

就不能恰好抵消，二者之差表现为宏观磁矩。

2、物质具有铁磁性的基本条件：(1)物质中的原子有磁矩(2)原子磁矩之间有一定的相互作用。

铁磁性物质在居里温度以上是顺磁性；居里温度以下原子磁矩间的相互作用能大于热振动能，显现铁磁性。

铁磁性产生的条件：①原子内部要有末填满的电子壳层②及Rab／r之比大于3，使交换积分A为正。前者指的是原子本征磁矩不为零；后者指的是要有一定的晶体结构。

磁畴：未加磁场时铁磁体内部已经磁化到饱和状态的小区域。

形成原因：由于原子磁矩间的相互作用，晶体中相邻原子的磁偶极子会在一个较小的区域内排成一致的方向，导致形成一个较大的净磁矩。因物质由许多小磁畴组成的。在未受到磁场作用时，磁畴方向是无规则的，因而在整体上净磁化强度为零。

磁畴的结构：主畴：大而长的磁畴，其自发磁化方向沿晶体的易磁化方向。相邻主畴磁化方向相反。副畴：小而短的磁畴，其磁化方向不定。磁畴壁：相邻磁畴的界限区域称为磁畴壁，分为两种：(1)180o壁，相邻磁畴的磁化方向相反；(2)90o壁，相邻磁畴的磁化方向垂直。

3.技术磁化：在外磁场的作用下，铁磁体从完全退磁状态磁化至饱和的内部变化过程。

技术磁化的实质：外磁场把各个磁畴的磁矩方向转到（或接近）外磁场方向的过程。

铁磁质的基本磁化曲线大体可分为三个阶段（过程）：

（1）可逆迁移：起始阶段，畴壁微小移动，磁化曲线平坦，磁导率（初始磁导率）较小，过程可逆，无磁滞。

（2）不可逆迁移：畴壁发生瞬时跳跃移动，大量原子磁矩瞬时转向，表现出强烈的磁化，磁化曲线急剧上升，磁导率很高，过程不可逆。

（3）旋转：由于易磁化轴通常与外场不一致，当磁场继续增大时，整个晶体单畴磁矩的方向将逐渐转向外场方向（磁畴旋转）。

技术磁化包含着两种机制：

（1）壁移磁化：相邻磁畴接近畴壁的区域和磁畴内部原子磁矩发生转动。（2）畴转磁化：整个晶体单畴磁矩的方向将逐渐转向外场方向（磁畴旋转）。4.晶粒尺寸和杂质对铁磁体磁性的影响。

(1)晶粒细化的影响：晶粒细化使得晶界增多，对磁化的阻力增大，使得最大磁导率降低，矫顽力增大。

(2)杂质的影响：杂质会造成点阵扭曲，当夹杂物存在于畴壁穿孔，这会给壁位移造成阻力，使得最大磁导率降低，矫顽力增大。

5.铁磁、亚铁磁材料的动态磁化特性

(1)磁滞和涡流损耗：铁磁材料在交变磁场中反复磁化时，由于磁化处于非平衡状态，磁化曲线表现出动态特性。交流磁化曲线的形状介于直流磁滞回线和椭圆之间。当外场的振幅不大时（磁化基本是可逆的）的磁滞回线称为瑞利磁滞回线，形状为椭圆形。变化的磁场在其空间将产生涡旋电场，在涡旋电场的作用下，铁磁材料内部将产生涡旋电流—涡流。涡流产生的能量损耗—涡流损耗。

(2)磁后效应及复数磁导率：磁后效应：磁化强度（或磁感应强度）跟不上磁场变化的延迟现象。

磁后效应产生的主要原因：（1）畴壁移动阻力（磁滞）（2）涡旋电流产生的抗磁场（涡流）（3）点阵间隙位置杂质原子的扩散弛豫（扩散），畴壁移动的弛豫（约旦磁后效应）（4）磁壁共振。

由于在交变磁场中存在的磁滞后效应，利用复数的形式表示磁场及其参量。(3)磁导率减落及磁共振损耗：起始磁导率随时间的推移而降低的现象，称为磁导率减落。减落系数，越小越好。

磁导率减落的原因：由材料中电子或离子的扩散后效所造成。因磁性材料退磁时处于亚稳态，随时间的推移，为使磁性体的自由能达到最小值，电子或离子将不断向有利的位置扩散，把畴壁稳定在势阱中，导致了铁氧体起始磁导率随时间的减落。磁损耗随频率而变，在某一频率下出现明显增大的损耗就是一种共振损耗。随磁场频率的变化，将出现不同形式的共振损耗。当进动的频率与高频磁场的频率一致时，出现共振损耗。这种由磁各向异性场形成的共振现象，称为自然共振。v为旋磁系数。

1、光的波动性主要表现在它有干涉和衍射及偏振等特性。

双光束干涉就是指两束光（同频率、同振动方向）相遇以后，在光的叠加区，光强重新分布，出现明暗相间、稳定的干涉条纹。

当光波传播遇到障碍物时，在一定程度上绕过障碍物（尺寸与波长相近）而进入几何阴影区，这种现象称为衍射。

2、光吸收：当光束通过介质时，一部分光能量被材料吸收，其强度减弱，即为光吸收。

朗伯特定律：在价质中光强随传播距离呈指数衰减。当光的传播距离达到1/a时，强度衰减到入射时的1/e。a越大材料越厚，光就被吸收得越多，透过光的强度越小。

产生光吸收的原因：光作为一种能量流，在穿过介质时，引起介质的价电子跃迁，或使原子振动而消耗能量。此外介质中的价电子吸收光子能量而激发，当尚未退激时，在运动中与其它分子碰撞，电子的能量转变为分子的热动能，从而造成光能的衰减。

3、光散射：材料的折射率随入射光的频率减小（或波长的增加）而减小的性质，称为折射率的色散。

经典色散理论：（阻尼受迫振子模型）受迫振动的振子作为次波源向外发射散射波，由于固体和液体中的这种散射中心密度很高，振子散射波的相互干涉，使得次波只沿原来入射光波方向前进。次波和入射波叠加，使得合成波的在介质中的传播速度与入射光波的频率有关，导致介质对不同频率的光有着不同的折射率。

4、双折射：由于折射率与原子紧密堆积有关，所以对于各向异性材料，在不同的方向上表现出不同的折射率值，因此，当单色光束通过各向异性介质的表面时，由于在各方向上的折射程度不同，折射光会分成两束沿着不同的方向传播。

机制：在介质中的光波是入射波与介质中振子受迫振动所发射的次波的合成波，合成波的频率与入射波相同，但其位相却因受到振子固有频率的制约而滞后，因此，波合成的结果使介质中的光速比真空中慢。位相滞后的程度与振子固有频率和入射光波频率的差值有关，因此介质中的光速又与入射光的频率有关。

5、光散射：光通成分不均匀的介质时，都会有一部分能量偏离原来的传播方向而向四面八方弥散。

根据散射前后光子能量（或光波波长）变化与否，分为弹性散射与非弹性散射。弹性散射：散射前后光的波长（或光子能量）不发生变化，只改变方向的散射。

非弹性散射：入射光子与介质发生非弹性碰撞，导致频率发生改变的光散射。按照瑞利散射定律，我们不难理解晴天时晨阳与午阳的颜色不同。入射波长越长，散射光强越小，即长波散射要小于短波散射。因为大气及尘埃对光谱上蓝紫色光的散射比红橙色光为甚，阳光透过大气层越厚，其中蓝紫色光成分损失越多，太阳显得越红。

1、弹性模量：在施加给材料的应力F和所引起的应变D之间存在着线性关系F=MD，比例常数M是一个与材料性能有关的物理常数，不能施加应力的大小而变化，称为弹性模量。弹性模量是组织不敏感参量，它取决于原子之间结合力的强弱。

弹性模量M依应力状态的形式分为：

对于各向同性的材料而言，单向拉伸或压缩时用的正弹性模量E（杨氏模量）；当受到剪切形变时用剪切弹性模量G（切边模量）；

当受到各向体积压缩时用体积模量K（流体静压模量）。

弹性模量大小反映的物理本质：弹性模量代表了产生单位应变所需施加的应力，是材料弹性形变难易（刚性）的衡量，也表征着材料恢复形变前形状和尺寸的能力（回复力）。

5、影响弹性模量的因素：

（1）温度：凡是影响金属原子间结合力的因素都会对弹性模量造成影响。对于多数金属，随着温度的升高，原子的热运动加剧，原子间的距离增大，导致原子间相互作用力减弱，所以弹性模量随温度升高近似地呈直线降低。

（2）相变：原子在晶体学上的重构和磁的重构所造成的影响。

（3）合金成分与组织.：

⒈形成固溶体合金：在有限互溶的情况下形成固溶体时，根据Melean的观点，溶质对合金弹性模量E的影响有三个方面：

①溶质原子造成点阵畸变，引起合金弹性模量的降低；②溶质原子可能阻碍位错弯曲和动运使弹性模量增大；

③当溶质和溶剂原子间结合力比溶剂原子间结合力大时，会引起合金模量的增加，反之亦然。

⒉形成化合物和多相合金：

①多数单相合金铁晶粒大小和多相合金铁弥散度对模量的影响很小；

②在两相合金中，弹性模量对组成合金的体积浓度呈线性关系；

③三相较复杂。

2.弹性内耗：在弹性范围内物体振动时，振幅逐渐衰减、振动能逐渐被消耗。

内耗产生原因：由于振动时固体内部存在某种不可逆过程，使系统的机械能逐渐转化为热能的过程，源于应力感生的原子的重排和磁重排的能量损耗。

内耗的分类：

（1）点阵原子有序排列引起的内耗；（2）置换原子应力感生有序引起的内耗；（3）位错引起的内耗；（4）晶界引起的内耗；（5）热弹性和磁弹性内耗。

3.滞弹性：在弹性范围内出现的非弹性现象，应变滞后于应力。

滞弹性产生的原因：受力材料从一个平衡态过渡到新的平衡态，内部原子调整需要时间。

滞弹性导致振动能量损耗。