材料物理性能

1、材料物理性能 第一章 考點(diǎn)1. 電子理論的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段，即古典電子理論、量子自由電子理論和能帶理論。 古典電子理論假設(shè)金屬中的價(jià)電子完全自由，并且服從經(jīng)典力學(xué)規(guī)律； 量子自由電子理論也認(rèn)為金屬中的價(jià)電子是自由的，但認(rèn)為它們服從量子力學(xué)規(guī)律； 能帶理論則考慮到點(diǎn)陣周期場(chǎng)的作用。 考點(diǎn)2. 費(fèi)米電子 在T = 0K時(shí)，大塊金屬中的自由電子從低能級(jí)排起，直到全部?jī)r(jià)電子均占據(jù)了相應(yīng)的能級(jí)為止。具有能量為EF(0)以下的所有能級(jí)都被占滿，而在EF(0)之上的能級(jí)都空著，EF(0)稱為費(fèi)米能

2、，是由費(fèi)米提出的，相應(yīng)的能級(jí)稱為費(fèi)米能級(jí)。 考點(diǎn)3. 四個(gè)量子數(shù) 1、主量子數(shù)n 2、角量子數(shù)l 3、磁量子數(shù)m  4、自旋量子數(shù)ms 考點(diǎn)4. 思考題 1、過(guò)渡族金屬物理性能的特殊性與電子能帶結(jié)構(gòu)有何聯(lián)系？ 過(guò)渡族金屬的 d 帶不滿，且能級(jí)低而密，可容納較多的電子，奪取較高的 s 帶中的 電子，降低費(fèi)米能級(jí)。 第二章 考點(diǎn)5. 載流子 載流子可以是電子、空穴，也可以是離子、離子空位。材料所具有的

3、載流子種類不同，其導(dǎo)電性能也有較大的差異，金屬與合金的載流子為電子，半導(dǎo)體的載流子為電子和空穴，離子類導(dǎo)電的載流子為離子、離子空位。而超導(dǎo)體的導(dǎo)電性能則來(lái)自于庫(kù)柏電子對(duì)的貢獻(xiàn)。 考點(diǎn)6. 雜質(zhì)可以分為兩類 一種是作為電子供體提供導(dǎo)帶電子的發(fā)射雜質(zhì)，稱為“施主”；另一種是作為電子受體提供價(jià)帶空穴的收集雜質(zhì)，稱為“受主”。 摻入施主雜質(zhì)后在熱激發(fā)下半導(dǎo)體中電子濃度增加(n>p)，電子為多數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱“多子”，空穴為少數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱“少子”。這時(shí)以電子導(dǎo)電為主，故稱為n型半導(dǎo)體。施主雜質(zhì)有時(shí)也就稱為n型雜質(zhì)。 在摻入受主的半導(dǎo)體中由于受主電離

4、(p>n)，空穴為多子，電子為少子，因而以空穴導(dǎo)電為主，故稱為p型半導(dǎo)體。受主雜質(zhì)也稱為p型雜質(zhì)。 考點(diǎn)7. 我們把只有本征激發(fā)過(guò)程的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。 考點(diǎn)8. 在同一種半導(dǎo)體材料中往往同時(shí)存在兩種類型的雜質(zhì)，這時(shí)半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型主要取決于摻雜濃度高的雜質(zhì)。 隨著溫度的升高本征載流子的濃度將迅速增加，而雜質(zhì)提供的載流子濃度卻不隨溫度而改變。因此，在高溫時(shí)即使是雜質(zhì)半導(dǎo)體也是本征激發(fā)占主導(dǎo)地位，呈現(xiàn)出本征半導(dǎo)體的特征(np)。 一般半導(dǎo)體在常溫下靠本征激發(fā)提供的載流子甚少  6  考點(diǎn)21.&#

5、160;磁彈性能 物體在磁化時(shí)要伸長(zhǎng)（或收縮），如果受到限制，不能伸長(zhǎng)（或收縮），則在物體內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力（或拉應(yīng)力）。這樣，物體內(nèi)部將產(chǎn)生彈性能，稱為磁彈性能。因此，物體內(nèi)部缺陷、雜質(zhì)等都可能增加其磁彈性能。 考點(diǎn)22. 技術(shù)磁化包含著兩種機(jī)制：壁移磁化和疇轉(zhuǎn)磁化。 壁移磁化：在有效場(chǎng)作用下，自發(fā)磁化方向接近于H方向的磁疇長(zhǎng)大，而與H方向偏離較大的近鄰磁疇相應(yīng)縮小，從而使疇壁發(fā)生位置變化  其實(shí)質(zhì)是：在H作用下，磁疇體積發(fā)生變化，相當(dāng)于疇壁位置發(fā)生了位移。  磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)磁化過(guò)程：在H 0時(shí)，鐵磁體磁疇內(nèi)所有

6、磁矩一致向著H方向轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程。  外磁場(chǎng)的作用是導(dǎo)致磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)的根本原因及動(dòng)力（即H 0時(shí)，總自由能將發(fā)生變化，其最小值方向?qū)⒅匦路植?，磁疇的取向也?huì)由原來(lái)的方向向H方向轉(zhuǎn)動(dòng)） 考點(diǎn)23. 改善鐵磁材料磁導(dǎo)率的方法有：  消除鐵中的雜質(zhì)；  把晶粒培育到很大的尺寸；  造成再結(jié)晶織構(gòu)，即在再結(jié)晶時(shí)使晶體的易軸(100)沿外磁場(chǎng)排列起來(lái)；  退火時(shí)在一定方向施加磁場(chǎng)，并在冷卻過(guò)程中使磁場(chǎng)從居里點(diǎn)保持到材料只有很低范性的低溫，這就是磁場(chǎng)中的退火。 考點(diǎn)24.&#

7、160;軟磁材料 容易磁化和退磁的磁性材料稱為軟磁材料，即這類材料的磁滯回線很窄。其特點(diǎn)是矯頑力低，磁導(dǎo)率高，每周期的磁滯損耗(Q)小。它可分為金屬軟磁材料和非金屬軟磁材料。 考點(diǎn)25. 思考題 1、試說(shuō)明下列磁學(xué)參量的定義和概念：磁化強(qiáng)度、矯頑力、飽和磁化強(qiáng)度、磁導(dǎo)率、磁化率、剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁各向異性常數(shù)、飽和磁致伸縮系數(shù)。 a、磁化強(qiáng)度：一個(gè)物體在外磁場(chǎng)中被磁化的程度，用單位體積內(nèi)磁矩的多少來(lái)衡量，成為磁化強(qiáng)度M b、矯頑力Hc：一個(gè)試樣磁化至飽和，如果要=0或B=0，則必須加上一個(gè)反向磁場(chǎng)Hc，成為矯頑力。 

8、0;c、飽和磁化強(qiáng)度：磁化曲線中隨著磁化場(chǎng)的增加，磁化強(qiáng)度M或磁感強(qiáng)度B開始增加較緩慢，然后迅速增加，再轉(zhuǎn)而緩慢地增加，最后磁化至飽和。Ms成為飽和磁化強(qiáng)度，Bs成為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。  d、磁導(dǎo)率：=B/H，表征磁性介質(zhì)的物理量，稱為磁導(dǎo)率。 e、磁化率：從宏觀上來(lái)看，物體在磁場(chǎng)中被磁化的程度與磁化場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。            M=·H，稱為單位體積磁化率。  f、剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度：將一個(gè)試樣磁化至飽和，然

9、后慢慢地減少H，則M也將減少，但M并不按照磁化曲線反方向進(jìn)行，而是按另一條曲線改變，當(dāng)H減少到零時(shí)，M=Mr或Br=4Mr。（Mr、Br分別為剩余磁化強(qiáng)度和剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度）  g、磁滯消耗：磁滯回線所包圍的面積表征磁化一周時(shí)所消耗的功，稱為磁滯損耗Q（ J/m3）  h、磁晶各向異性常數(shù)：磁化強(qiáng)度矢量沿不同晶軸方向的能量差代表磁晶各向異性能，用Ek表示。磁晶各向異性能是磁化矢量方向的函數(shù)。  i、飽和磁致伸縮系數(shù)：隨著外磁場(chǎng)的增強(qiáng)，致磁體的磁化強(qiáng)度增強(qiáng)，這時(shí)|也隨之增大。當(dāng)H=Hs時(shí)，磁化強(qiáng)度M達(dá)到飽和值，此時(shí)=s，稱為飽和

10、磁致伸縮所致。 2、什么是自發(fā)磁化？鐵磁體形成的條件是什么？有人說(shuō)“鐵磁性金屬?zèng)]有抗磁性”，對(duì)嗎？為什么？ a、組成鐵磁性材料的原子或離子有未滿殼層的電子，因此有固有原子磁矩。在鐵磁性材料中，相鄰離子或原子的未滿殼層的電子之間有強(qiáng)烈的交換耦合作用，在低于居里溫度并且沒有外加磁場(chǎng)的情況下，這種作用會(huì)使相鄰原子 7  或離子的磁矩在一定區(qū)域內(nèi)趨于平行或者反平行排列，處于自行磁化的狀態(tài)，稱為自發(fā)磁化。 b、鐵磁性材料具有一個(gè)磁性轉(zhuǎn)變溫度:居里溫度Tc。一般自發(fā)磁化隨環(huán)境溫度的升高而逐漸減小，超過(guò)居里溫度Tc后全部消失，此時(shí)材料表現(xiàn)出順磁性，

11、材料內(nèi)部的原子磁矩變?yōu)榛靵y排列。只有當(dāng)TTc時(shí)，組成鐵磁性材料的原子磁矩在磁疇內(nèi)才平行或反平行排列，材料中有自發(fā)磁化。 材料內(nèi)部相鄰原子的電子之間存在一種來(lái)源于靜電的相互交換作用，由于這種交換作用對(duì)系統(tǒng)能量的影響，迫使各原子的磁矩平行或反平行排列，形成自發(fā)磁化。 c、材料的磁性來(lái)源于電子的軌道運(yùn)動(dòng)和電子的自旋運(yùn)動(dòng)。所有的材料處于磁場(chǎng)中時(shí)，外磁場(chǎng)都會(huì)對(duì)電子軌道運(yùn)動(dòng)回路附加有洛倫茲力，使材料產(chǎn)生一種抗磁性，其磁化強(qiáng)度和磁場(chǎng)方向相反。 抗磁性是電子軌道運(yùn)動(dòng)感生的，因此所有物質(zhì)有抗磁性。但并非所有物質(zhì)都是抗磁體，這是因?yàn)樵油€存在著軌道磁矩和自旋磁矩所組成的順磁磁矩。

12、原子系統(tǒng)具有總磁矩時(shí)，只有那些抗磁性大于順磁性的物質(zhì)才成為抗磁體。 3、什么叫磁彈性能？他受哪些因素影響？ 物體在磁化時(shí)伸長(zhǎng)或收縮受到限制，則在物體內(nèi)部形成應(yīng)力，從而內(nèi)部將產(chǎn)生彈性能，即磁彈性能。 物體內(nèi)部的缺陷、雜質(zhì)等都可以增加其磁彈性能。 對(duì)于多晶體而言，若磁彈性能是由于應(yīng)力的存在而引起的，那么磁化方向和應(yīng)力方向的夾角、材料所受的應(yīng)力、飽和磁致伸縮系數(shù)和單位體積中的磁彈性能都會(huì)影響該磁彈性能。 4、技術(shù)磁化過(guò)程可分為那幾個(gè)階段，各個(gè)技術(shù)磁化階段的特點(diǎn)是什么？什么叫單疇體？單晶體一定是單疇體嗎？ OAM  

13、60;ABMM與H曲線不再是線性。此階段中M多M    BC當(dāng)磁化到SMs。    第四部分自CM-HM-HCMs還 （注：書上為三個(gè)過(guò)程，但相對(duì)而言，我認(rèn)為這個(gè)答案更為合理和完整。若有疑慮，可省去第四部分） 說(shuō)法一、具有強(qiáng)磁化強(qiáng)度的顆粒(如磁鐵礦)其自發(fā)能隨著體積增大能夠迅速增大。在某些非常小的顆粒中，這些電子自旋最終定向排列。這種顆粒被均勻磁化，并被稱為單疇(single domain, SD)。 說(shuō)法二、多疇的大塊材料在很強(qiáng)的外磁場(chǎng)的作用下，被磁化至飽和狀態(tài)，

14、整塊材料內(nèi)的自發(fā)磁化強(qiáng)度基本上取在一個(gè)磁化方向上，形成一個(gè)單疇。 單晶體不一定是單疇體 假如單晶半徑為R，單疇體的臨界尺寸為r，如果R>r,則不是單疇結(jié)構(gòu)；如果R<r，則肯定是單疇結(jié)構(gòu)。也就是說(shuō)，單疇體有一個(gè)臨界尺寸，但臨界尺寸r不一定是單晶尺寸。當(dāng)R<r，則肯定是單疇結(jié)構(gòu)。 5、什么叫矯頑力？提高材料的矯頑力的途徑有哪些？ 使磁化至技術(shù)飽和的永磁體的B（磁感應(yīng)強(qiáng)度）降低至零所需要的反向磁場(chǎng)強(qiáng)度稱為磁感矯頑力。 提高材料的矯頑力的途徑：1)、使合金從有序結(jié)構(gòu)向無(wú)序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，2)、范性形變使晶體中產(chǎn)生大量的缺陷和內(nèi)應(yīng)力，矯頑力隨

15、形變量增大而增大，3)、加工硬化，4)、晶粒細(xì)化  8  6、自發(fā)磁化的物理本質(zhì)是什么？材料具有鐵磁性的充要條件是什么？ 鐵磁體自發(fā)磁化的本質(zhì)是電子間的靜電交換相互作用  材料具有鐵磁性的充要條件為: 1）必要條件:材料原子中具有未充滿的電子殼層,即原子磁矩                      

16、;       2）充分條件:交換積分A > 0 第四章 考點(diǎn)26. 金屬的摩爾定容熱容由點(diǎn)陣振動(dòng)和自由電子兩部分的貢獻(xiàn)組成 考點(diǎn)27. 常溫時(shí)與點(diǎn)陣振動(dòng)對(duì)摩爾定容熱容的貢獻(xiàn)相比，電子的貢獻(xiàn)微不足道，但在極高溫和極低溫條件下則不可忽略。 這是因?yàn)樵诟邷叵拢娮酉窠饘倬w的離子那樣顯著地參加到熱運(yùn)動(dòng)中，以     T      

17、60;     作出貢獻(xiàn)。因此，在III溫區(qū)CV,m不以3R為漸近線，而繼續(xù)有所上升。在極低溫度下電子摩爾定容熱容不像離子熱容那樣急劇減小，因而在極低溫下起著主導(dǎo)作用。 隨T的降低CV,m趨近于零，當(dāng)T增高到德拜溫度D以上時(shí)，CV,m接近于3R。如果把CV,m看做T/D的函數(shù)，則對(duì)所有金屬都得到同樣的關(guān)系。 過(guò)渡族金屬摩爾定容熱容中電子部分的貢獻(xiàn)表現(xiàn)得較顯著，它包括s態(tài)電子的摩爾定容熱容，也包括d或f態(tài)電子的摩爾定容熱容。 考點(diǎn)28. 相變 相變分為一級(jí)相變和高級(jí)(二級(jí)、三級(jí))相變。 

18、 1、當(dāng)系統(tǒng)由1相轉(zhuǎn)變?yōu)?相時(shí)，化學(xué)勢(shì)1=2,而化學(xué)勢(shì)的一級(jí)偏微商不相等，稱為一級(jí)相變。 在一級(jí)相變時(shí)發(fā)生體積突變(V0)的同時(shí)還發(fā)生熵(及熱焓)的突變(S0) 屬于一級(jí)相變的有：物態(tài)變化、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變、共晶、包晶、共析轉(zhuǎn)變等。 2、當(dāng)系統(tǒng)相變時(shí)1=2，且化學(xué)勢(shì)的一級(jí)偏微商也相等，而化學(xué)勢(shì)的二級(jí)偏微商不相等。 則稱為二級(jí)相變。  9  二級(jí)相變時(shí)Cp,m0，x0，0，即體積和熱焓均無(wú)明顯變化，而Cp,m有突變 屬于二級(jí)相變的有：鐵磁-順磁以及部分鐵電-順電和有序-無(wú)序轉(zhuǎn)變等。 考點(diǎn)29

19、. 膨脹合金的工業(yè)應(yīng)用 鐵磁合金的熱膨脹反常在工業(yè)上有重要的應(yīng)用。這里大體可分為兩大類：低膨脹合金和定膨脹合金。 考點(diǎn)30. 熱傳導(dǎo)的物理機(jī)制 熱傳導(dǎo)的過(guò)程就是材料內(nèi)部的能量傳輸過(guò)程。 在固體中能量的載體可以有自由電子、聲子（點(diǎn)陣波）和光子（電磁輻射）。因此，固體的導(dǎo)熱包括：電子導(dǎo)熱、聲子導(dǎo)熱和光子導(dǎo)熱。 考點(diǎn)31. 思考題 1、何謂德拜溫度？有什么物理意義？對(duì)它有哪些測(cè)試方法？ 德拜溫度:固體比熱理論中按照德拜假設(shè)分析時(shí)產(chǎn)生的一個(gè)參量。(為了準(zhǔn)確計(jì)算固體比熱容而引入的一個(gè)物理量。)不同固體的德

20、拜溫度不同。 物理意義:德拜溫度D是反映晶體點(diǎn)陣內(nèi)原子間結(jié)合力的又一重要物理量,是反映固體的許多特性的重要標(biāo)志。 測(cè)試方法：X射線衍射強(qiáng)度 2、根據(jù)維德曼-弗蘭茲定律計(jì)算鎂在400的熱導(dǎo)率。已知鎂在0 的電阻率=4.4×10-6×cm，電阻溫度系數(shù)=0.005-1。 注意：1、計(jì)算時(shí)要注意開氏溫度與攝氏溫度的換算；       2、計(jì)算時(shí)要注意厘米與米的換算       3、計(jì)算時(shí)為了求

21、o，因此公式3要運(yùn)用兩次。 解：由公式 /(TT)=2.54×10-8  W··k-2               ···1            T=      

22、60;                          ···2            T=o(1+T)       

23、                  ···3     得：=                       &#

24、160;         -                         =210.5 W·m-1·k-1 第五章 考點(diǎn)32. 可見光波的波長(zhǎng)為390770nm。 考點(diǎn)33. 

25、偏振性是橫波的特有性質(zhì)。 考點(diǎn)34. 幾條有關(guān)光傳播特性的基本規(guī)律 1、光在均勻介質(zhì)中的直線傳播定律； 2、光通過(guò)兩種介質(zhì)的分界面時(shí)的反射定律和折射定律； 3、光的獨(dú)立傳播定律和光路可逆性原理。 考點(diǎn)35. 棱鏡、透鏡和反射鏡 1、利用材料的折射性質(zhì)可以制成有用的光學(xué)元件，應(yīng)用最為廣泛的是棱鏡和透鏡，棱鏡是由幾個(gè)平面包圍而成的透明光學(xué)材料。棱鏡主要用于分光和偏轉(zhuǎn)光束的方向。透鏡通常是由兩個(gè)球面或曲面包圍而成的透明光學(xué)材料，主要用于聚光和成像。 2、根據(jù)光的反射定律制作的原件是反射鏡。反射鏡的表面可以磨成光

26、滑的平面或球面（或其他曲面）。平面反射鏡通常用于改變光的傳播方向，球面和其他曲面反射鏡除了可以改變光束的方向之外，還會(huì)對(duì)光波有匯聚或發(fā)散作用。  10  考點(diǎn)36. 本證吸收區(qū) 晶體中點(diǎn)陣周期勢(shì)場(chǎng)的作用導(dǎo)致了能帶的形成。 電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶的過(guò)程所跨越的禁帶寬度Eg，對(duì)應(yīng)于一個(gè)強(qiáng)吸收區(qū)，稱為基本吸收區(qū)，也稱本證吸收區(qū)。 考點(diǎn)37. 雙折射 當(dāng)光束通過(guò)各向異性介質(zhì)表面時(shí)，折射光會(huì)分成兩束沿著不同的方向傳播。這種由一束入射光折射后分成兩束的現(xiàn)象稱為雙折射。雙折射的兩束光中有一束光的偏折方向符合折射定律，所以稱為尋常光。另一束的折射方向不符合折射定律，被稱為