材料物理性能简介.doc

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1、基本要求一，基本概念：1. 摩尔热容: 使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）: 声子是晶体中晶

2、格集体激发的准粒子，就是晶格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0max 分布,其中,最大频率所对应的温度即为德拜温度D,即D=max/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）过程中待测试样和标准试样的温度差随温度或时间变化的关系曲线TT（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 Calor

3、imetry, DSC）: 用示差方法测量加热或冷却过程中，将试样和标准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和电流产生，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。12. 迈斯纳效应：若在常温下将超导体先放入磁场内，则有磁力线穿过超导体；然后再将超导体冷却至Tc以下，发现磁产从超导体内被排出，即超导体

4、内无磁场B=0。即超导体具有完全的抗磁性。13. 铁电体：具有电畴结构和电滞回线的晶体。14. 铁电性：具在一定温度范围内具有自发极化，且自发极化的方向可因外电场的作用而反向，晶体的这种特性称为铁电性。15. 自发极化：在没有外电场作用时，晶体中存在着由于电偶极子的有序排列而产生的极化。16. 压电效应：在某些晶体（主要是离子晶体）的一定方向施加机械力作用时，晶体的两端表面出现符号相反的束缚电荷，且束缚电荷的密度与施加的外力大小成正比，这种由机械效应转换成电效应的现象称为压电效应。17. 逆压电效应：将具有压电效应的电介质置于外电场中，由于外电场的作用引起其内部正负电荷中心位移，从而导致电介质

5、发生形变（形变与所加电场强度成正比），这种由电效应转换成机械效应的过程称为逆压电效应。18. 介质损耗：由于导电或交变场中极化弛豫过程在电介质中引起的能量损耗，由电能转变为其它形式的能（如热、光能等），统称为介质损耗。19. 光生伏特效应：光照射引起PN结两端产生电动势的效应。当光照射到PN结结区时，光照产生的电子空穴对在结电场作用下，电子推向N区，空穴推向P区；电子在N区积累使N区侧带负电，空穴在P区积累使P区侧带正电，从而建立一个与原内建电位差相反的电位差，称为光生电位差。20. 磁化强度：单位体积的总磁矩，表征物质的磁化状态。21. 磁畴：在未加磁场时铁磁体内部已经磁化到饱和状态的小区域

6、。22. 磁致伸缩效应：铁磁体在磁场中被磁化时，其形状和尺寸都发生变化的现象。23. 退磁场：当铁磁体磁化出现磁极后，这时在铁磁体内部由于磁极作用而产生一个与外磁化场反向的磁场，因它起到减弱外磁场的作用，故称为退磁场。24. 技术磁化：在外磁场的作用下，铁磁体从完全退磁状态磁化到饱和的内部变化过程。25. 磁导率：当外磁场H增加时，磁感应强度B增加的速率叫磁导率，用表示， 即=B/H。26. 内耗：固体材料对振动能量的损耗称为内耗，它代表材料对振动的阻尼能力。27. 滞弹性：在弹性范围内出现的非弹性现象（如弹性蠕变和弹性后效）。28. 滞弹性内耗：由滞弹性产生的内耗。29. 弹性模量：在弹性范

7、围内，引起物体单位变形所需要的应力大小。即材料所受应力与应变之间的线性比例系数， = E，其中称为弹性模量。它表示材料弹性变形的难易程度。二，基本理论（含微观机理）：热学: 杜隆珀替定律；爱因斯坦模型；德拜的比热模型电学: 1. 量子自由电子理论; 2. 能带理论; 3.离子导电机制磁学: 1铁磁金属的自发磁化理论; 2. 矫顽力理论（应力理论，杂质理论）热膨胀：微观机理弹性与内耗: 1弹性理论；滞弹性内耗机制（驰豫理论的基本思想）三，基本规律（含影响因素）热学：热容的实验规律，影响热容的因素和规律（温度，组织转变，结构相变，合金成分等）电学：导体，半导体，绝缘体的导电性随温度的变化规律；影响

8、导电性的因素磁学：曲线；磁化规律；影响铁磁性的因素（组织敏感参量和组织不敏感参量）热膨胀：热膨胀的实验规律；常见材料（如钢组织）的膨胀规律弹性与内耗：内耗的实验测定；斯诺克内耗实验四，实验测量方法与原理热学：热容的测定和热分析方法磁学：磁性的测量方法和原理（如矫顽力等）热膨胀：热膨胀的测量方法弹性与内耗：弹性模量和内耗的测量原理；碳在Fe中的扩散系数和扩散激活能的测定内容简介第一章. 材料的热性能由于材料和制品往往要应用于不同的温度环境中，很多使用场合还对它们的热性能有着特定的要求，因此热学性能也是材料重要的基本性质之一。固体材料的一些热性能如比热，热膨胀、热传导等都直接与晶格振动有关，因此我

9、们首先介绍热力学与统计力学一些概念和晶格振动的有关内容。1 材料的热容热容的概念:热容的定义：物体在温度升高1K时所吸收的热量称作该物体的热容摩尔热容：使摩尔物质在没有相变和化学反应的条件下，温度升高1K所需要的能量,它反映材料从周围环境吸收热量的能力。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。比容：单位质量（即1kg物质）的体积，即密度的倒数（m3/kg）。物体的热容还与它的热过程性质有关，假如加热过程是恒压条件下进行的，所测定的热容称为恒压热容(CP)。假如加热过程是在保持物体容积不变的条件下进行的，则所

10、测定的热容称为恒容热容(CV)。由于恒压加热过程中，物体除温度升高外，还要对外界作功(膨胀功)，所以每提高1K温度需要吸收更多的热量，即CPCV， 1.1晶态固体热容的经验定律和经典理论晶体的热容，元素的热容定律杜隆珀替定律：“恒压下元素的原子热容等于25J/Kmol”。实际上大部分元素的原子热容都接近25 J/Kmol，特别在高温时符合得更好。根据晶格振动理论，一个摩尔固体中有N个原子，总能量为：E = 3NkT=3RT 式中 N阿佛加德罗常数；T绝对温度(K)；k波尔茨曼常数；R8.314(J/kmol)气体普适常数。按热容的定义，有: Cv= (dE/dT)v = 3NkB = 3R =

11、24.91 J/(mol.K) 1.2晶态固体热容的量子理论1.2.1 爱因斯坦模型爱因斯坦提出的假设是：晶体中所有原子都以相同的频率振动,振动的能量是量子化的,且每个振子都是独立的振子。当 T E 时: =3R 这就是杜隆珀替定律的形式。当T趋于零时，CV逐渐减小，当T0时，CV=0，这都是爱因斯坦模型与实验相符之处，但是在低温下，当T D，CV3R这即是杜隆珀替定律。 当温度很低时，即T 107 ) ，选用兆欧表(粗测)，冲击检流计(精测)。n 中阻测量(R：102106) ，用万用表，欧姆表，单电桥法(精测)。n 半导体用直流四探针法。n 金属和合金电阻(R：10-6102) ，双电桥或

12、电位差计。重点掌握金属导体，半导体，和绝缘体的测量方法，测量原理（含电路图），测量步骤和计算公式。8电阻分析的应用：n 碳钢的回火n Al-Cu合金的时效n Cu3Au合金的有序-无序转化n 测定固溶体溶解度曲线9. 热电性能l 三个基本热电效应: 塞贝克效应 (1821年发现); 珀耳帖效应 (1834年发现); 汤姆逊效应 （1854年发现）.在珀耳帖效应中，如果电流方向与接触电势同向时，接触端则放热；如果电流方向与接触端电势反向时则吸热。在汤姆逊效应中，如果电流方向与温差电势方向相同时，则有热流流出导体；如果电流方向与温差电势方向相反时，则有热流流入导体。l 影响热电势的因素（合金元素，

13、温度，组织转变，有序-无序转变，钢的含碳量和热处理的影响，l 热电势的测量l 热电性分析的应用热电子效应10. 压电性与铁电性正压电效应：在某些晶体（主要是离子晶体）的一定方向施加机械力作用时，晶体的两端表面出现符号相反的束缚电荷，且束缚电荷的密度与施加的外力大小成正比，这种由机械效应转换成电效应的现象称为压电效应。逆压电效应：将具有压电效应的电介质置于外电场中，由于外电场的作用引起其内部正负电荷中心位移，从而导致电介质发生形变（形变与所加电场强度成正比），这种由电效应转换成机械效应的过程称为逆压电效应。晶体的介电性：电场作用引起电介质产生极化的现象. 电介质的极化强度与施加电场呈正比： P=

14、 eo ceE铁电性：在一定温度范围内具有自发极化，在外电场作用下，自发极化能重新取向，电位移矢量与电场强度间的关系呈电滞回线特征。 （具有自发极化的晶体）铁电体：具有电畴结构和电滞回线的晶体。11热释电效应12光电性，磁电性一. 外光电效应 在光线作用下，物体内电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。 光电效应能否产生,取决于光子的能量是否大于该物质表面的电子逸出功。这意味着每一种物质都有一个对应的光频阀值,称为红限频率（对应的光波长称为临界波长）。 f光线 f红限，微弱的光线即可导致电子发射。习题1. 光电管的

15、光电子发射面受到 = 2537 的光照射，所放出的电子最大能量为2.5 eV，试求材料的逸出功。注： h = 6.62610-34 Js； c = 3108 m/s；q=1.610-19 库仑。二.内光电效应 当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类：1.光电导效应 在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。过程：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度

16、的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。本征吸收: 半导体吸收光子的能量使价带中的电子激发到导带，在价带中留下空穴，产生等量的电子与空穴，这种吸收过程叫本征吸收。产生本征吸收的条件：入射光子的能量（h）至少要等于材料的禁带宽度Eg。即h Eg。从而有0Eg/h， 0 hc/Eg = 1.24meV/Eg，h：普朗克常数；c：光速；0：材料的频率阈值；0：材料的波长阈值习题2. 已知Ge和Si的禁带宽度分别为0.72 eV和1.1 eV，试求光照下本证Ge和Si发生光电效应时所需光的最小波长？习题3. 某功函数为2.5 eV的金属表

17、面受到光照射，（1）这个面吸收红光（红=760 nm）或紫光（紫=380 nm）时，能发出光电子吗？（2） 用波长为185 nm的紫外光照射时，从表面放出的光电子能量是多少电子伏特eV？2.光生伏特效应 在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。 基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。改错：1当光照射在PN结上时，所产生的光生电位差与PN结原内建电位差相同。 答：错；当光照射在PN结上时，所产生的光生电位差与PN结原内建电位差相同（反）。第三章. 材料的磁学性能一， 基本参量分子电流理论 磁荷（等效）理论 相互关系磁矩： 磁偶极矩： 磁化强度： 磁极化强度：

18、 磁场强度：H 磁感应强度：B 磁化率：=M/H 磁导率：=B/H 二，基本关系三，单位换算SI： CGS：B: T; H: A/m; M: A/m B:G(Gauss); H:Oe; M: emu/cm3;（特斯拉）或Wb/m2B: 1T=104 G; H: 1103 A/m=4 Oe; M: 1103 A/m= emu/cm3;例1牌号为1J46的冷轧铁镍软磁薄带的饱和磁化强度为Ms = 11.9105 Am-1，则饱和磁极化强度Js 为_ T （特斯拉），沿薄膜法向的退磁场Hd为_ Am-1，最大矫顽力Hc = 20 A/m，相当于Hc = _ Oe （奥斯特）。（注：0 = 410-7

19、 Hm-1）。3.1磁矩和磁化强度3.1.1磁矩（1）定义: 磁矩是表示磁体本质的一个物理量。任何一个封闭的电流都具有磁矩。其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的面积的乘积IS。（2）原子磁矩物质是原子核和电子的集合体，要理解物质的磁性起源，就要考虑原子具有的磁矩。现在我们可以从以下三方面来分析原子中的磁矩。 电子轨道运动产生的磁矩: l = (l(l+1)1/2 B 电子自旋产生的磁矩: s = (S(S+1)1/2 B 原子核的磁矩: 原子核的磁矩原子核的磁矩3.2 物质磁性的分类弱磁性: 1. 抗磁性；2. 顺磁性；3. 反铁磁性。强磁性: 1. 铁磁体；2. 亚铁磁体

20、：与铁磁体相似，但 值较小，如磁铁矿（Fe3O4)。v 顺磁性：定义: 当材料被磁化后,磁化矢量与外加磁场的方向相同时，固体表现为顺磁性。 顺磁性物质的磁化率一般很小，室温下约为10-310-6 数量级。 原子内部存在固有磁矩(离子有未填满的电子壳层)。如过渡元素、稀土元素：3d-金属Ti,V; 4d-金属铌Nb, 锆Zr, 钼Mo，钯Pd；5d-金属(Hf, Ta, W, 铂Pt）。 自由电子的顺磁性大于离子的抗磁性。如：碱金属和碱土金属离子虽然是填满的壳层，但Li，Na, K，Mg， Al是顺磁性金属。 顺磁性物质的磁化率与温度 的关系服从居里-外 斯定律：v 抗磁性：定义: 当材料被磁化

21、后,磁化矢量与外加磁场的方向相反时，固体表现为抗磁性。 抗磁性物质的抗磁性一般很微弱，磁化率 是甚小的负常数(M与H反向)，一般约为10-6 数量级。 抗磁性是电子电子的循轨运动在外加磁场作用下的结果.任何金属都具有抗磁性. 金属中有一半是抗磁金属。Cu, Ag, Au, Hg, Zn, Bi等。(因抗磁性大于电子的顺磁性)v 铁磁性 有一类物质如Fe,Co,Ni，室温下磁化率可达10 10 6 数量级，这类物质的磁性称为铁磁性 铁磁性物质即使在较弱的磁场内，也可得到极高的磁化强度，而且当外磁场移去后，仍可保留极强的磁性（有剩磁）。 铁磁体的铁磁性只在某一温度以下才表现出来，超过这一温度，铁磁性消失。这一温度称为居里点其磁化率与温度的关系服