材料物理性能(劉強(qiáng))

1、材料物理性能2013-8 材料作為國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，越來越受到人們的關(guān)注與重視。隨著科技的飛速發(fā)展，材料不僅要滿足承載的結(jié)構(gòu)件需要，還要適應(yīng)人們對各種功能器件的需求，因而對材料的性能要求越來越高。為了適應(yīng)社會對材料類專業(yè)人才的需求變化，許多高校都對材料類專業(yè)的教學(xué)大綱作了修訂，建立了金屬材料工程、無機(jī)非金屬材料工程、高分子材料工程及復(fù)合材料工程等專業(yè)的公共課程平臺，以適應(yīng)“厚基礎(chǔ)、寬專業(yè)、多方向、強(qiáng)能力”的高等教育發(fā)展趨勢。材料物理性能作為公共平臺課程，其內(nèi)容在保證物理性能基礎(chǔ)理論的同時，必須強(qiáng)調(diào)各材料類專業(yè)共公知識點(diǎn)，同時還需兼顧相關(guān)專業(yè)的各自特點(diǎn)，以滿足各材料專業(yè)的需要。前 言 全書共分

2、七章內(nèi)容，第一章為材料物理基本知識簡介，第二章為材料的熱學(xué)性能，第三章為材料的光學(xué)性能，第四章為材料的導(dǎo)電性能，第五章為材料的介電性能，第六章為材料的磁學(xué)性能，第七章為材料彈性變形與內(nèi)耗。每章內(nèi)容主要包括物理性能的基本概念及其物理本質(zhì)，金屬材料、無機(jī)非金屬材料及高分子材料的物理性能表現(xiàn)及影響它們的因素，物理性能的測試方法及物理性能分析在材料研究中的應(yīng)用。整個編寫思路主要體現(xiàn)物理性能的基本理論與材料研究相結(jié)合。在本書編寫過程中，參考和引用了一些教材和專著，在書后的參考文獻(xiàn)中已列出，在此向作者表示誠摯的謝意。 目錄第一章 材料物理基本知識簡介第一節(jié) 電子的波動性一. 微觀粒子的波粒二象性二. 波函

3、數(shù)三. 薛定諤(Schr dinger)方程四. 霍爾效應(yīng)第二節(jié) 金屬的費(fèi)密(Fermi)-索末菲(Sommerfel)電子理論一. 金屬中自由電子的能級二. 自由電子的能級密度三. 自由電子按能級分布 第三節(jié) 晶體能帶理論基本知識概述一. 周期勢場中的傳導(dǎo)電子二. K空間的等能線和等能面三. 準(zhǔn)自由電子近似電子能級密度第三節(jié) 晶體能帶理論基本知識概述一. 周期勢場中的傳導(dǎo)電子二. K空間的等能線和等能面三. 準(zhǔn)自由電子近似電子能級密度四. 能帶和原子能級第四節(jié) 晶格振動一. 一維原子鏈的振動二. 晶格振動的量子化聲子第五節(jié) 非晶態(tài)金屬、半導(dǎo)體的電子狀態(tài)一 非晶態(tài)金屬、半導(dǎo)體及其特點(diǎn)二. 電子

4、狀態(tài)第六節(jié) 分子運(yùn)動理論簡介一. 高聚物分子運(yùn)動的特點(diǎn)二. 高聚物的力學(xué)狀態(tài)三. 高聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變及其影響因素四. 結(jié)晶高聚物的熔融五. 高聚物的黏流態(tài)轉(zhuǎn)變及其影響因素第二章 材料的熱學(xué)性能第一節(jié) 材料的熱容一 熱容概念二 晶態(tài)固體熱容的經(jīng)驗定律和經(jīng)典理論三 晶態(tài)固體熱容的量子理論回顧四 不同材料的熱容第二節(jié) 材料的熱膨脹一 熱膨脹系數(shù)二 固體材料熱膨脹機(jī)理三 熱膨脹和其他性能的關(guān)系四 影響材料熱膨脹系數(shù)的因素第三節(jié) 材料的熱傳導(dǎo)一 固體材料熱傳導(dǎo)的規(guī)律二 固體材料熱傳導(dǎo)的微觀機(jī)理三 影響熱導(dǎo)率的因素第四節(jié) 材料的熱穩(wěn)定性一 高分子材料的熱穩(wěn)定性二 無機(jī)材料的熱穩(wěn)定性。第五節(jié) 熱分析方法及在

5、材料分析中的應(yīng)用一 常用熱分析方法二 熱分析的應(yīng)用三 熱分析在材料科學(xué)上的應(yīng)用本章小結(jié)復(fù)習(xí)題第三章 材料的光學(xué)性能第一節(jié) 光通過介質(zhì)的現(xiàn)象一 光的折射與非線性二 光的反射三 材料對光的吸收四 材料對光的散射五 色散 六 光學(xué)性能的應(yīng)用及其影響因素第二節(jié) 材料的受激輻射和激光一 受激輻射二 激活介質(zhì)三 光學(xué)諧振腔和模式四 激光振蕩條件第三節(jié) 材料的紅外光學(xué)性能一 紅外線的基本性質(zhì)二 紅外材料的性能第四節(jié) 光學(xué)的特殊效應(yīng)的應(yīng)用一 熒光物質(zhì)二 激光材料三 通訊用光導(dǎo)纖維四 電光、磁光及聲光材料第五節(jié) 非線性光學(xué)性能一 非線性光學(xué)性能概念二 非線性光學(xué)晶體性質(zhì)及制備三 非線性光學(xué)性能的應(yīng)用本章小結(jié) 復(fù)

6、習(xí)題第四章 材料的導(dǎo)電性能第一節(jié) 材料的導(dǎo)電性一 電阻與導(dǎo)電的基本概念二 導(dǎo)電的物理特性三 導(dǎo)電機(jī)理第二節(jié) 超導(dǎo)電性一 超導(dǎo)體的兩個基本特性二 超導(dǎo)體的三個重要性能指標(biāo)三 兩類超導(dǎo)體四 超導(dǎo)現(xiàn)象的物理本質(zhì)五 超導(dǎo)高分子的Little模型第三節(jié) 影響金屬導(dǎo)電性的因素一. 溫度的影響二. 應(yīng)力的影響三. 冷加工變形的影響第四節(jié) 導(dǎo)電性的測量一 雙臂電橋法二 直流電位差計測量法三 直流四探針法四 絕緣體電阻的測量第五節(jié) 電阻分析的應(yīng)用一 研究合金的時效二 測量固溶體的溶解度曲線三 研究淬火鋼的回火第六節(jié) 無機(jī)非金屬材料的電導(dǎo)一、玻璃態(tài)的電導(dǎo)二、陶瓷材料的電導(dǎo)第七節(jié) 半導(dǎo)體的電學(xué)性能一. 本征半導(dǎo)體的

7、電學(xué)性能二 .雜質(zhì)半導(dǎo)體的電學(xué)性能三. 溫度對半導(dǎo)體電阻的影響四、半導(dǎo)體陶瓷的物理效應(yīng)第八節(jié) 材料的熱電性一 第一熱電效應(yīng)塞貝克（Seebeck）效應(yīng)二. 第二熱電效應(yīng)玻爾帖(Peltier)效應(yīng)三第三熱電效應(yīng)湯姆遜(Tomson)效應(yīng)第九節(jié) 光電導(dǎo)性一 .光電導(dǎo)的基本概念二 光電導(dǎo)機(jī)理奧薩格（Onasger）離子對理論三 光電導(dǎo)性高分子聚合物的結(jié)構(gòu)四 導(dǎo)電高分子聚合物的光電導(dǎo)性本章小結(jié)復(fù)習(xí)題第五章 材料的介電性能第一節(jié) 電介質(zhì)及其極化一、平板電容器及其電介質(zhì)二、極化相關(guān)物理量三、電介質(zhì)極化的機(jī)制四、宏觀極化強(qiáng)度與微觀極化率的關(guān)系五、多晶多相無機(jī)材料的極化六、 高分子材料的極化第二節(jié) 交變電場

8、下的電介質(zhì)一、復(fù)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗二、電介質(zhì)弛豫和頻率響應(yīng)三、介電損耗分析第三節(jié) 電介質(zhì)在電場中的破壞一、介電強(qiáng)度(介電擊穿強(qiáng)度)二、本征擊穿機(jī)制三、熱擊穿機(jī)制四、雪崩式擊穿機(jī)制五、影響無機(jī)材料擊穿強(qiáng)度的各種因素第四節(jié) 壓電性、熱釋電性和鐵電性一、壓電性(piezoelectricity)二、熱釋電性三、鐵電性(ferroelectricity)第五節(jié) 介電測量簡介一、電容率(介電常數(shù))、介電損耗、介電強(qiáng)度的測定二、電滯回線的測量三、壓電性的測量本章小結(jié)復(fù)習(xí)題第六章 材料的磁學(xué)性能第一節(jié) 磁性基本量及磁性分類一、磁性的本質(zhì)二、磁化現(xiàn)象與磁性的基本物理量三、物質(zhì)磁性的分類四、鐵磁體磁化曲線和磁滯

9、回線第二節(jié) 抗磁性和順磁性一、抗磁性二、順磁性三、影響金屬抗磁性與順磁性的因素四、抗磁體和順磁體的磁化率測量第三節(jié) 鐵磁性一 自發(fā)磁化二 鐵磁系統(tǒng)中的能量概念三 磁疇的形成和結(jié)構(gòu)四 技術(shù)磁化和反磁化過程五 影響鐵磁性的因素第四節(jié) 磁性高分子材料第五節(jié) 鐵氧體結(jié)構(gòu)及磁性一、 尖晶石型鐵氧體二、 磁鉛石型鐵氧體三、 石榴石型鐵氧體 第六節(jié) 動態(tài)磁化特性一、交流磁化過程與交流磁滯回線二、復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率三、交變磁場作用下的能量損耗第七節(jié) 鐵磁性的測量一、動態(tài)磁特性的測量二、靜態(tài)磁特性的測量第八節(jié) 磁性分析的應(yīng)用一、抗磁性與順磁性分析的應(yīng)用二、鐵磁性分析的應(yīng)用本章小結(jié) 復(fù)習(xí)題第七章 材料彈性變形與內(nèi)耗 材料

10、彈性變形一彈性模量及彈性變形本質(zhì)二彈性模量與鍵合方式、原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系三彈性模量與晶體結(jié)構(gòu)關(guān)系四影響彈性模量的因素五不同材料的彈性模量六彈性模量的測量與應(yīng)用第二節(jié) 材料內(nèi)耗一 靜滯后內(nèi)耗二 滯彈性內(nèi)耗三內(nèi)耗產(chǎn)生的機(jī)制四 .內(nèi)耗的測量方法和度量五. 內(nèi)耗分析的應(yīng)用本章小結(jié)復(fù)習(xí)題參考文獻(xiàn) 第一章 材料物理基本知識簡介 材料物理性能強(qiáng)烈依賴于材料原子間的鍵合、晶體結(jié)構(gòu)和電子能量結(jié)構(gòu)與狀態(tài)。已知原子間的鍵合類型有：金屬鍵、離子鍵、共價鍵、分子鍵和氫鍵，它們存在的實體代表、結(jié)合能及主要特點(diǎn)，列于表1.1。根據(jù)課程分工和教學(xué)大綱要求，本章僅就固體中電子能量結(jié)構(gòu)和狀態(tài)作初步的介紹，建立起現(xiàn)代固體電子能量結(jié)構(gòu)的

11、觀念，包括德布羅意波；費(fèi)密-狄拉克分布函數(shù)；禁帶起因、能帶結(jié)構(gòu)及其與原子能級的關(guān)系，以及非晶態(tài)金屬、半導(dǎo)體的電子狀態(tài)等。第一節(jié) 電子的波動性一.微觀粒子的波粒二象性 利用光子理論成功地說明了光的發(fā)射和吸收等現(xiàn)象。從對光的本性研究中發(fā)現(xiàn)，光子這種微觀粒子表現(xiàn)出雙重性質(zhì)波動性和粒子性，這種現(xiàn)象叫做波粒二象性。二. 波函數(shù)三. 薛定諤(Schr dinger)方程四. 霍爾效應(yīng) 第二節(jié) 金屬的費(fèi)密(Fermi)-索末菲(Sommerfel) 電子理論 第三節(jié) 晶體能帶理論基本知識概述 第四節(jié) 晶格振動 一. 一維原子鏈的振動 二. 晶格振動的量子化聲子 1. 聲子概念的由來 晶格振動是晶體中諸原子(

12、離子)集體在作振動，其結(jié)果表現(xiàn)為晶格中的格波 。聲子就是晶格振動中的獨(dú)立簡諧振子的能量量子。這就是聲子概念的由來。 2. 格波能量量子化 3 . 聲子的性質(zhì) (1)聲子的粒子性 (2)聲子的準(zhǔn)粒子性 (3)聲子概念的意義 可以將格波與物質(zhì)的相互作用過程，理解為聲子和物質(zhì)(如，電子、光子、聲子等)的碰撞過程，使問題大大簡化，得出的結(jié)論也正確。第五節(jié) 非晶態(tài)金屬、半導(dǎo)體的電子狀態(tài)第六節(jié) 分子運(yùn)動理論簡介一. 高聚物分子運(yùn)動的特點(diǎn)（1）運(yùn)動單元的多重性 （2）分子運(yùn)動的時間依賴性二. 高聚物的力學(xué)狀態(tài)（1）線型非晶高聚物的力學(xué)狀態(tài)123451玻璃態(tài)；2玻璃態(tài)向高彈態(tài)的轉(zhuǎn)變區(qū)；3高彈態(tài)；4高彈態(tài)向黏流

13、態(tài)的轉(zhuǎn)變區(qū)；5黏流態(tài) 圖1.37 線型非晶高聚物的溫度形變曲線從圖1.37中可以看出，對線型非晶高聚物，其溫度形變曲線可以分為五個區(qū)域。區(qū)域1，在較低的溫度下，高聚物的形變很小，類似于堅硬的玻璃體，所以稱為玻璃態(tài)。 區(qū)域2，隨著溫度的升高，鏈段的松弛過程表現(xiàn)得相當(dāng)明顯，高聚物的變形能力提高，是玻璃態(tài)向高彈態(tài)的轉(zhuǎn)變區(qū)，也稱為玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)。 區(qū)域3，溫度升高到一定值后，在此后的一個溫度區(qū)間內(nèi)，形變達(dá)到相對的穩(wěn)定，此時高聚物成為柔軟的固體，彈性形變值可達(dá)原長的510倍，外力除去后形變?nèi)菀谆貜?fù)，這一力學(xué)狀態(tài)稱為高彈態(tài)。 區(qū)域4，進(jìn)一步升高溫度，高聚物開始產(chǎn)生不可回復(fù)的形變，開始向流體轉(zhuǎn)變。這一力學(xué)狀態(tài)

14、是高彈態(tài)向黏流態(tài)的轉(zhuǎn)變區(qū)。這一區(qū)域中，分子鏈的松弛過程表現(xiàn)得很明顯，高聚物既表現(xiàn)出橡膠的高彈態(tài)，又表現(xiàn)出流動性，因此也稱為橡膠流動態(tài)。 區(qū)域5，此時溫度很高，高聚物成為黏性液體，可以發(fā)生黏性流動，這一力學(xué)狀態(tài)稱為黏流態(tài)。此時，分子鏈間的纏結(jié)開始解開，整鏈開始滑移。 從轉(zhuǎn)變區(qū)可以確定兩個特征溫度（通常可用切線法作出）：玻璃化溫度Tg和流動溫度Tf。因此線型非晶高聚物的三種力學(xué)狀態(tài)可用玻璃化溫度和流動溫度來劃分，溫度低于Tg時為玻璃態(tài)，溫度在TgTf之間為高彈態(tài)，溫度高于Tf為黏流態(tài)。 （2）結(jié)晶高聚物的力學(xué)狀態(tài) 部分結(jié)晶高聚物的非晶區(qū)也能發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變，但這種轉(zhuǎn)變必然要受到晶區(qū)的限制。當(dāng)溫度低于

15、晶區(qū)的熔點(diǎn)時，晶區(qū)阻礙整鏈運(yùn)動，但非晶區(qū)的鏈段仍能運(yùn)動。因此部分結(jié)晶高聚物除了具有熔點(diǎn)外，也具有玻璃化溫度。當(dāng)溫度高于其玻璃化溫度而低于熔點(diǎn)時，非晶區(qū)從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)，這時高聚物變成了柔韌的皮革態(tài)，如圖1.38中的曲線3所示。 形變TgTmTf溫度1231相對分子量較??；2相對分子量較大；3輕度結(jié)晶高聚物圖1.38 結(jié)晶高聚物的溫度形變曲線 （3）交聯(lián)高聚物的力學(xué)狀態(tài)三. 高聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變及其影響因素 1. 高聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變及其多維性 2. 高聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變理論 3. 影響玻璃化溫度的因素（1）分子鏈結(jié)構(gòu)的影響 鏈段運(yùn)動是通過主鏈上單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)的。因此從化學(xué)結(jié)構(gòu)上看，決定高聚物

16、玻璃化溫度的主要因素有兩個：主鏈本身的柔性和高分子間的作用力。 主鏈結(jié)構(gòu) 高分子主鏈的柔順性是由單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)的。 側(cè)基、側(cè)鏈 側(cè)基對Tg的影響可以從側(cè)基的極性、體積、側(cè)基或側(cè)鏈的柔順性以及對稱性來討論。 離子型高聚物 交聯(lián) （2）.相對分子量的影響 （3）增塑劑的影響 （4）外界條件的影響 升溫速度和外力作用時間 外力, 流體靜壓力 （4）.外界條件的影響 升溫速度和外力作用時間 一般，在常用的測試方法中，玻璃化轉(zhuǎn)變不是熱力學(xué)的平衡狀態(tài)，因此在測量Tg時，隨著升降溫速度的減慢，所得數(shù)值偏低。 外力 外力能促進(jìn)鏈段沿外力作用方向運(yùn)動，使Tg降低。應(yīng)力越大，Tg越低。 流體靜壓力 如果高聚物受

17、到流體靜壓力，則其內(nèi)部的自由體積將被壓縮，玻璃化溫度會升高。靜壓力越大，玻璃化溫度越高。 四. 結(jié)晶高聚物的熔融 1. 結(jié)晶高聚物的熔融與熔點(diǎn) 2. 影響熔點(diǎn)的因素 五. 高聚物的黏流態(tài)轉(zhuǎn)變及其影響因素 1. 高聚物黏性流動的機(jī)理 2.影響高聚物流動溫度的因素（1）相對分子量（2）分子間作用力（3）外力 本章小結(jié) 本章進(jìn)一步鞏固大學(xué)普通物理的量子物理基礎(chǔ)：微觀粒子的波粒二象性、德布羅意波、波函數(shù)等概念和描述微觀粒子運(yùn)動規(guī)律的薛定諤方程，并以這些為基礎(chǔ)介紹了認(rèn)識晶體中電子運(yùn)動狀態(tài)的三個階段。 應(yīng)當(dāng)從物理本質(zhì)上理解晶體中電子能量結(jié)構(gòu)的導(dǎo)帶、價帶和禁帶(能隙)產(chǎn)生的原因，并利用能帶理論的初步知識說明

18、材料的一些物理性質(zhì)(聚合物能帶的計算采用鍵軌道模型和分子軌道理論)。非晶態(tài)金屬和半導(dǎo)體的電子理論只要了解一下即可。 本章從高聚物分子運(yùn)動的特點(diǎn)和相關(guān)理論出發(fā)，介紹了線型非晶高聚物、結(jié)晶高聚物和交聯(lián)高聚物的幾個力學(xué)狀態(tài)和轉(zhuǎn)變區(qū)。進(jìn)而討論了玻璃化轉(zhuǎn)變的自由體積理論，高聚物玻璃化轉(zhuǎn)變、結(jié)晶高聚物熔融及黏流轉(zhuǎn)變的結(jié)構(gòu)影響因素。這對于高聚物結(jié)構(gòu)與性能的理論探討和高分子材料的實際應(yīng)用都具有很重要的意義。 第二章 材料的熱學(xué)性能 材料在使用過程中，將對環(huán)境溫度作出響應(yīng)，表現(xiàn)出不同的熱學(xué)性能。材料的熱學(xué)性能包括熱容、熱膨脹、熱傳導(dǎo)、熱穩(wěn)定性、熔化和升華等等。本章就這些熱性能和材料的宏觀、微觀本質(zhì)關(guān)系加以探討，

19、以便在選材、用材、改善材質(zhì)、設(shè)計新材料、新工藝方面打下物理理論基礎(chǔ)。同時，材料組織結(jié)構(gòu)、狀態(tài)發(fā)生變化時，常伴隨產(chǎn)生一定的熱效應(yīng)，因此，熱學(xué)性能分析可成為研究材料相變常用方法。材料的各種熱性能的物理本質(zhì)，均與晶格熱振動有關(guān)。固體材料是由晶體或非晶體組成。晶體點(diǎn)陣中的質(zhì)點(diǎn)(原子、離子)總是圍繞其平衡位置作微小振動，這種振動稱為晶格熱振動。晶格熱振動是三維的，可以根據(jù)空間力系將其分解成三個方向的線性振動。 第一節(jié) 材料的熱容一 熱容概念 熱容是分子或原子熱運(yùn)動的能量隨溫度而變化的物理量，其定義是物體溫度升高lK所需要增加的能量。 顯然，物體的質(zhì)量不同，熱容不同。為便于比較，我們可用比熱容，即單位質(zhì)量

20、物質(zhì)在沒有相變和化學(xué)反應(yīng)的條件下升高1K所需的熱量，單位是J(Kkg)，用小寫c表示。如果物質(zhì)量用一摩爾表示，則為摩爾熱容，單位是J(Kmol)。 工程上所用的平均熱容是指物質(zhì)從溫度T1到T2所吸收的熱量的平均值。 平均熱容是比較粗略的，T1T2的范圍愈大，精度愈差，應(yīng)用時要特別注意適用的溫度范圍。 兩個有關(guān)晶體熱容的經(jīng)驗定律。一是元素的熱容定律杜隆珀替定律：恒壓下元素的原子熱容為25 J / (Kmol)；另一個是化合物的熱容定律奈曼-柯普定律（Neumann-Kopp）：化合物分子熱容等于構(gòu)成此化合物各元素原子熱容之和。 三 晶態(tài)固體熱容的量子理論回顧 四 不同材料的熱容 1.金屬材料的熱

21、容 2無機(jī)材料的熱容 3. 高分子材料的熱容 第二節(jié) 材料的熱膨脹 一、熱膨脹系數(shù) 物體的體積或長度隨溫度的升高而增大的現(xiàn)象稱為熱膨脹。 熱膨脹系數(shù)是材料的重要性能，在材料的分析、應(yīng)用過程中，是我們考慮的重要因素之一。 二、固體材料熱膨脹機(jī)理 材料的熱膨脹是由于原子間距增大的結(jié)果，而原子間距是指晶格結(jié)點(diǎn)上原子振動的平衡位置間的距離。材料溫度一定時，原子雖然振動，但它平衡位置保持不變，材料就不會因溫度升高而發(fā)生膨脹；而溫度升高時，會導(dǎo)致原子間距增大。 三、熱膨脹和其他性能的關(guān)系 1.熱膨脹和熔點(diǎn)的關(guān)系 2.熱膨脹與熱容的關(guān)系 四、影響材料熱膨脹系數(shù)的因素 1化學(xué)組成、相和結(jié)構(gòu)影響 2. 化學(xué)鍵的

22、影響 3. 相變的影響 第三節(jié) 材料的熱傳導(dǎo) 當(dāng)固體材料一端的溫度比另一端高時，熱量就會從熱端自動地傳向冷端，這個現(xiàn)象就稱為熱傳導(dǎo)。不同的材料在導(dǎo)熱性能上可以有很大的差別，有些材料是極為優(yōu)良的絕熱材料，有些又是熱的良導(dǎo)體。在熱能工程、燃汽輪機(jī)葉片的散熱以及航天器外層的隔熱等問題上，都需要考慮材料的導(dǎo)熱性能。一、固體材料熱傳導(dǎo)的規(guī)律 當(dāng)固體材料一端的溫度比另一端高時，熱量就會從熱端自動地傳向冷端，這個現(xiàn)象就稱為熱傳導(dǎo)。 導(dǎo)熱系數(shù)的物理意義是指單位溫度梯度下，單位時間內(nèi)通過單位垂直面積的熱量，它的單位為W(mK)或J(msK)。 二 、 固體材料熱傳導(dǎo)的微觀機(jī)理1. 聲子和聲子熱導(dǎo) 2光子熱導(dǎo)三、

23、影響熱導(dǎo)率的因素1溫度的影響2顯微結(jié)構(gòu)的影響(1) 結(jié)晶構(gòu)造的影響 聲子傳導(dǎo)與晶格振動的非諧性有關(guān)。晶體結(jié)構(gòu)愈復(fù)雜，晶格振動的非諧性程度愈大。格波受到的散射愈大，因此，聲子平均自由程較小，熱導(dǎo)率較低。(2) 各向異性晶體的熱導(dǎo)率(3) 多晶體與單晶體的熱導(dǎo)率(4) 非晶體的熱導(dǎo)率 3 化學(xué)組成的影響4. 復(fù)相材料的熱導(dǎo)率 在無機(jī)材料中，一般玻璃相是連續(xù)相，因此，普通的瓷和粘土制品的熱導(dǎo)率更接近其成分中玻璃相的熱導(dǎo)率。5氣孔的影響 無機(jī)材料常含有氣孔，氣孔對熱導(dǎo)率的影響較為復(fù)雜。 在無機(jī)材料中，一般玻璃相是連續(xù)相，因此，普通的瓷和粘土制品的熱導(dǎo)率更接近其成分中玻璃相的熱導(dǎo)率。 第四節(jié) 材料的熱穩(wěn)

24、定性 熱穩(wěn)定性是指材料承受溫度的急劇變化而不致破壞的能力，所以又稱為抗熱震性。相對而言，金屬材料的熱穩(wěn)定性好于無機(jī)材料和高分子材料，無機(jī)材料和其他脆性材料一樣，熱穩(wěn)定性比較差，在加工和使用過程中，經(jīng)常會受到環(huán)境溫度起伏的熱沖擊，因此，熱穩(wěn)定性是無機(jī)材料的一個重要性能；而高分子材料熱穩(wěn)定性的要求，更多地體現(xiàn)在耐熱性能上，高分子材料不耐高溫，是它的主要不足之處。因此，本節(jié)主要討論高分子材料和無機(jī)材料的熱穩(wěn)定性。 一高分子材料的熱穩(wěn)定性 與金屬材料和無機(jī)非金屬材料相比，高分子材料具有很多優(yōu)異的性能，但也存在著一些不足之處。如何提高聚合物的耐熱性能一直是擺在高分子科學(xué)家面前的重要問題之一。 高分子材料

25、在受熱過程中將發(fā)生兩類變化：一是物理變化，包括軟化、熔融等，二是化學(xué)變化，包括交聯(lián)、降解、環(huán)化、氧化、水解等。它們是高聚物受熱后性能發(fā)生惡化的主要原因。通常用玻璃化溫度Tg、熔融溫度Tm、及熱分解溫度Td等溫度參數(shù)來表征這些變化，反映材料的耐熱性能。 1高聚物的結(jié)構(gòu)與耐熱性關(guān)系 （1） 增加高分子鏈的剛性（2） 提高高聚物的結(jié)晶能力（3） 進(jìn)行交聯(lián) 2. 高聚物的熱分解與耐熱性的關(guān)系（1）在高分子鏈中避免弱鍵。主鏈中靠近叔碳原子和季碳原子的鍵容易斷裂，如一些高聚物分解溫度的順序為：聚乙烯支化聚乙烯聚異丁烯聚甲基丙烯酸甲酯。 （2）在高分子主鏈中盡量避免一長串連接的亞甲基CH2，并盡量引入較大比

26、例的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。目前合成的多數(shù)耐高溫聚合物都具有這樣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，如聚碳酸酯、聚苯醚、聚芳酰胺等。（3）合成“梯形”、“螺形”或“片狀”高分子。二無機(jī)材料的熱穩(wěn)定性。從無機(jī)材料受熱損壞的形式來看，可分成兩種類型：一種是材料發(fā)生瞬時斷裂，抵抗這類破壞的性能稱為抗熱沖擊斷裂性；另一種是在熱沖擊循環(huán)作用下，材料表面開裂、剝落，并不斷發(fā)展，最終碎裂或變質(zhì)，抵抗這類破壞的性能稱為抗熱沖擊損傷性。1熱穩(wěn)定性的表示方法2熱應(yīng)力 不改變外力作用狀態(tài)，材料僅因熱沖擊造成開裂和斷裂而損壞，這必然是由于材料在溫度作用下產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力超過了材料的力學(xué)強(qiáng)度極限所致。3抗熱沖擊斷裂性能（1）第一熱應(yīng)力斷裂抵抗因子R（2）第二熱

27、應(yīng)力斷裂抵抗因子R （3）冷卻速率引起材料中的溫度梯度及熱應(yīng)力4抗熱沖擊損傷性5提高抗熱沖擊斷裂性能的措施 提高陶瓷材料抗熱沖擊斷裂性能的措施，主要根據(jù)是上述抗熱沖擊斷裂因子所涉及的各個性能參數(shù)對熱穩(wěn)定性的影響。 （1） 提高材料強(qiáng)度 ，減小彈性模量E，使/E提高。這意味著提高材料的柔韌性能吸收較多的彈性應(yīng)變能而不致開裂，因而提高了熱穩(wěn)定性。同一種材料，如果晶粒比較細(xì)，晶界缺陷小，氣孔少且分散均勻，則往往強(qiáng)度高，抗熱沖擊性好。（2）提高材料的熱導(dǎo)率，使提高。大的材料傳遞熱量快，使材料內(nèi)外溫差較快地得到緩解、平衡，因而降低了短時期熱應(yīng)力的聚集。 （3） 減小材料的熱膨脹系數(shù)，小的材料，在同樣的溫

28、差下，產(chǎn)生的熱應(yīng)力小。 （4） 減小表面熱傳遞系數(shù)h. （5） 減小產(chǎn)品的有效厚度的。 第五節(jié) 熱分析方法及在材料分析中的應(yīng)用 熱分析方法是在程序控制溫度下，測量物質(zhì)的物理性質(zhì)與溫度關(guān)系的一類技術(shù)，物理性質(zhì)包括溫度、熱量、質(zhì)量、尺寸、力學(xué)特性、聲學(xué)特性、光學(xué)特性、電學(xué)特性及磁學(xué)特性等，材料在加熱或冷卻過程中發(fā)生相變，伴隨一些物理量的顯著變化，所以，熱分析方法常用來研究材料相變過程的熱效應(yīng)。根據(jù)物質(zhì)發(fā)生變化的物理參數(shù)不同，相應(yīng)的熱分析方法主要有：普通熱分析法、差熱分析（DTA）、示差掃描量熱法（DSC）、熱重分析（TG）和熱膨脹分析等。隨著實驗儀器的進(jìn)步，現(xiàn)在還常用綜合熱分析法，就是在相同的熱處

29、理條件下，利用單一的熱分析儀組合在一起而構(gòu)成的綜合熱分析儀，對實驗材料同時實現(xiàn)多種熱分析的方法，它能夠同時提供更多的表征材料熱特性的信息，其中TG-DTA和TG-DSC的組合，是較普遍采用的綜合熱分析方法。 一 常用熱分析方法 1、普通熱分析法 普通熱分析法是測量材料在加熱或冷卻過程中熱效應(yīng)所產(chǎn)生的溫度和時間的關(guān)系的一種分析方法。由于材料固態(tài)相變時，產(chǎn)生的熱效應(yīng)較小，所以，普通熱分析法測量的精度不高，實際中常用差熱分析等方法。2、差熱分析（differential thermal analysis,簡稱DTA） 差熱分析是在程序控制溫度下，講被測材料與參比物在相同條件下加熱或冷卻，測量試樣與參

30、比物之間溫差（T）隨溫度(T)時間（t）的變化關(guān)系。3、差示掃描量熱法（differential scanning calorimetry, 簡稱DSC） 差示掃描量熱法是在程序溫度控制下用差動方法測量加熱或冷卻過程中，在試樣和標(biāo)樣的溫度差保持為零時，所要補(bǔ)充的熱量與溫度和時間的關(guān)系的分析技術(shù)，一般分為功率補(bǔ)償差示掃描量熱法和熱流式差示掃描量熱法。4. 熱重法（themogrivimetry, 簡稱TG）當(dāng)試樣在熱處理過程中，隨溫度變化有水分的排除或熱分解等反應(yīng)時放出氣體，則在熱天平上產(chǎn)生失重，當(dāng)試樣在熱處理過程中，隨溫度變化有Fe+2氧化成Fe+3等氧化反應(yīng)時，則在熱天平上表現(xiàn)出增重。熱重法

31、就是在程序控制溫度下測量材料的質(zhì)量與溫度關(guān)系的一種分析技術(shù)，把試樣的質(zhì)量作為時間或溫度的函數(shù)記錄分析，得到的曲線稱為熱重曲線。通過熱重分析可以區(qū)別和鑒定不同的物質(zhì)。二 熱分析的應(yīng)用1物質(zhì)的鑒定2進(jìn)行熱力學(xué)研究3動力學(xué)研究4結(jié)構(gòu)與物理性能關(guān)系的研究 三 熱分析在材料科學(xué)上的應(yīng)用 1在高分子材料上的應(yīng)用 2在金屬材料上的應(yīng)用 3在無機(jī)非金屬材料上的應(yīng)用 4實例分析 本章小結(jié) 本章介紹了熱容、熱膨脹的概念及其物理意義，不同材料的熱容、熱膨脹是不一樣的，熱容和熱膨脹都能反映原子間結(jié)合力的信息，兩者之間有一定的關(guān)系，要掌握影響材料熱膨脹的因素，材料熱膨脹系數(shù)各向異性及組成相熱膨脹系數(shù)的差異，要引起材料的

32、熱應(yīng)力，不同材料的匹配，要注意它們的熱膨脹系數(shù)間關(guān)系。掌握材料熱傳導(dǎo)的基本理論及影響材料熱傳導(dǎo)的因素。了解熱穩(wěn)定性對無機(jī)材料、高分子材料的重要性，并掌握提高無機(jī)材料抗熱沖擊斷裂的措施。學(xué)會利用熱分析方法來研究材料，并掌握熱分析方法在材料研究應(yīng)用的幾個典型實例。 第三章 材料的光學(xué)性能 第一節(jié) 光通過介質(zhì)的現(xiàn)象 光波照射到一介質(zhì)上時，要發(fā)生反射、折射、吸收、散射等一系列現(xiàn)象，這既是光傳播路徑的變化，也是光能量的重新分配。介質(zhì)材料的不同，這些現(xiàn)象產(chǎn)生的程度也不一樣，所以，人們根據(jù)需要，就要選擇不同的材料與光發(fā)生作用來滿足不同的要求。為此，我們需要對光與材料作用發(fā)生的各種現(xiàn)象有所了解。一 .光的折射

33、與非線性1.光折射概念 介質(zhì)對光的折射性質(zhì)用材料的折射率n表示，光在真空中的傳播速度與在致密材料中傳播速度的比值就稱為材料的絕對折射率.2. 影響折射率的因素（1）離子半徑（2） 材料的結(jié)構(gòu)（3） 材料所受的應(yīng)力 3.同質(zhì)異構(gòu)體二. 光的反射1 反射及反射系數(shù)2 全反射 三 .材料對光的吸收 1光的吸收 光是一種能量流，在光通過物質(zhì)傳播時，會引起物質(zhì)的價電子躍遷或使原子振動，從而使光能的一部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，?dǎo)致光能的衰減，這種現(xiàn)象稱為光的吸收。 2光吸收與光波長的關(guān)系 四. 材料對光的散射 1. 光的散射概念 材料中如果有光學(xué)性能不均勻的結(jié)構(gòu)，例如含有透明小粒子、光性能不同的晶界相、氣孔或其它夾

34、雜物，都會引起一部分光束偏離原來的傳播方向而向四面八方散開來，這種現(xiàn)象稱為光的散射。散射的原因主要是光波遇到不均勻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的次級波，與主波方向不一致，與主波合成出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，使光偏離原來的方向，從而引起散射。 2. 彈性散射 光的波長（或光子能量）在散射前后不發(fā)生變化的，稱為彈性散射。 3. 非彈性散射 當(dāng)光束通過介質(zhì)時，入射光子與介質(zhì)發(fā)生非彈性碰撞，使散射光的波長（或頻率）發(fā)生改變，這種散射稱為非彈性散射。 五、色散 材料的折射率隨入射光的頻率的減?。ɑ虿ㄩL的增加）而減小的性質(zhì)，稱為材料的色散。 六、光學(xué)性能的應(yīng)用及其影響因素 1透光性 （1） 透光性概念 材料可以使光透過的性能稱為透光性，

35、透光性是個綜合指標(biāo)，即光能通過材料后，剩余光能所占的百分比。光的能量(強(qiáng)度)可以用照度來表示。 （2） 影響材料透光性的因素 宏觀及顯微缺陷 晶粒排列方向氣孔引起的散射損失（3）提高無機(jī)材料透光性的措施 提高原材料純度 摻加外加劑 工藝措施 一般，采取熱壓法要比普通燒結(jié)法更便于排除氣孔，因而是獲得透明陶瓷較為有效的工藝，熱等靜壓法效果更好。2界面反射和光澤 （1） 鏡反射和漫反射 （2) 光澤3不透明性（乳濁）和半透明性（1） 不透明性陶瓷坯體有氣孔，而且色澤不均勻，顏色較深，缺乏光澤，因此常用釉加以覆蓋。釉的主體為玻璃相，有較高的表面光澤和不透明性。 （2） 乳濁劑的成分構(gòu)成釉及搪瓷的主要成

36、分的硅酸鹽玻璃，其折射率限定在1.491.65。作為一種有效的散射劑，加進(jìn)玻璃內(nèi)的乳濁劑必須具有和上述數(shù)值顯著不同的折射率。此外，乳濁劑還必須能夠在硅酸鹽玻璃基體中形成小顆粒，不與玻璃相起反應(yīng)。（3）乳濁機(jī)理（4） 改善乳濁性能的工藝措施 制成熔塊釉 乳濁釉的燒成制度（5）半透明性乳白玻璃和半透明瓷器(包括半透明釉)的一個重要光學(xué)性質(zhì)是半透明性。 4材料的顏色 （1）顏料的著色劑 分子著色劑， 膠態(tài)著色劑陶瓷的色調(diào) 第二節(jié) 材料的受激輻射和激光 自習(xí) 第三節(jié) 材料的紅外光學(xué)性能 一 紅外線的基本性質(zhì) 紅外線同可見光一樣在本質(zhì)上都是電磁波，它的波長范圍很寬（0.7m1000m）,按波長又可分為三

37、個光譜區(qū):近紅外（0.7m15m）,中紅外（15m50m）, 遠(yuǎn)紅外（50m1000m）。紅外線同樣具有波粒二象性，遵守光的反射定律和折射定律，在一定條件下也會發(fā)生干涉和衍社效應(yīng)。 二 紅外材料的性能 第四節(jié) 光學(xué)的特殊效應(yīng)的應(yīng)用 一 熒光物質(zhì) 二 激光材料 三 通訊用光導(dǎo)纖維 四 電光、磁光及聲光材料1.電光材料材料在電場作用下其光學(xué)特性發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為電光效應(yīng)，其中材料的折射率與電場強(qiáng)度成直線關(guān)系變化的電光效應(yīng)為波克爾效應(yīng)，與電場強(qiáng)度平方成直線關(guān)系變化的電光效應(yīng)為克爾效應(yīng)。2. 磁光材料材料在磁場作用下其光學(xué)特性發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁光效應(yīng)，其中材料的偏振光面發(fā)生偏轉(zhuǎn)的稱為磁光法拉第效應(yīng)，

38、偏振光面偏轉(zhuǎn)角隨磁場強(qiáng)度而變化的稱為磁光克爾效應(yīng)。 3 .聲光材料材料在聲波作用下其光學(xué)特性發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為聲光效應(yīng)，超聲波引起的聲光效應(yīng)尤為顯著，這是因為超聲波能夠引起物質(zhì)密度的周期性密疏變化，從而使在該物質(zhì)中傳輸?shù)墓飧淖冃羞M(jìn)方向。第五節(jié) 非線性光學(xué)性能一、非線性光學(xué)性能概念二、非線性光學(xué)晶體性質(zhì)及制備三、非線性光學(xué)性能的應(yīng)用1. 激光變頻晶體2. 光折變晶體 本章小結(jié) 以光子與固體相互作用為基礎(chǔ)，全面理解材料的透射率、反射率、折射率以及材料對光的吸收、散射和色散，同時理解材料的透光性、半透明、乳濁、不透明以及材料顏色、光澤的物理意義，并掌握表征這些光性質(zhì)的物理參數(shù)的影響因素，掌握提高材料

39、透光性的措施。理解金屬、無機(jī)非金屬材料和高分子材料的光學(xué)性能特點(diǎn)。理解材料的受激輻射和激光機(jī)理及其應(yīng)用，了解紅外光學(xué)性能及其應(yīng)用；了解光學(xué)性能在熒光物質(zhì)、通訊用光導(dǎo)纖維、激光器、電光、磁光及聲光材料中應(yīng)用的理論基礎(chǔ)。了解非線性光學(xué)性能基本概念。第四章 材料的導(dǎo)電性能 第一節(jié) 材料的導(dǎo)電性 一、 電阻與導(dǎo)電的基本概念二、導(dǎo)電的物理特性1、載流子 電流是電荷在空間的定向運(yùn)動。任何一種物質(zhì)，只要有電流就意味著有帶電粒子的定向運(yùn)動，這些帶電粒子稱為載流子。金屬導(dǎo)體中的載流子是自由電子，無機(jī)材料中的載流子可以是電子（負(fù)電子、空穴）、離子（正、負(fù)離子，空位）。載流子為離子或離子空穴的電導(dǎo)稱為離子式電導(dǎo)，載

40、流子為電子或電子空穴的電導(dǎo)稱為電子式電導(dǎo)。電子電導(dǎo)和離子電導(dǎo)具有不同的物理效應(yīng)，由此可以確定材料的導(dǎo)電性質(zhì)。（1）霍爾效應(yīng) 電子電導(dǎo)的特征是具有霍爾效應(yīng)。 （2）電解效應(yīng) 離子電導(dǎo)的特征是存在電解效應(yīng)。2、遷移率和電導(dǎo)率的一般表達(dá)式三 、導(dǎo)電機(jī)理 1、金屬及半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理（1）經(jīng)典電子理論（2） 量子自由電子理論（3） 能帶理論 2、無機(jī)非金屬材料的導(dǎo)電機(jī)理 無機(jī)非金屬材料的種類很多，其導(dǎo)電性、導(dǎo)電機(jī)理相差很大，絕大多數(shù)無機(jī)非金屬材料是絕緣體，但也有一些是導(dǎo)體或半導(dǎo)體，即使是絕緣體，在電場作用下也會產(chǎn)生漏電電流.載流子不同，其導(dǎo)電機(jī)理也不同。（1）載流子濃度 對于固有電導(dǎo)（本征電導(dǎo)），載流子

41、由晶體本身熱缺陷弗侖克爾缺陷和肖特基缺陷提供。（2）離子遷移率 離子電導(dǎo)的微觀機(jī)構(gòu)為載流子-離子的擴(kuò)散。（3）離子電導(dǎo)率 離子電導(dǎo)包括本征離子電導(dǎo)和雜質(zhì)離子電導(dǎo)。 擴(kuò)散與離子電導(dǎo)（4）影響離子電導(dǎo)率的因素 溫度 晶體結(jié)構(gòu) 晶格缺陷2）電子電導(dǎo) 電子電導(dǎo)的載流子是電子或空穴（電子空位）。3、高分子材料導(dǎo)電機(jī)理 第二節(jié) 超導(dǎo)電性一.超導(dǎo)體的兩個基本特性超導(dǎo)體有兩個基本特征：完全導(dǎo)電性和完全抗磁性。1. 完全導(dǎo)電性超導(dǎo)體的電阻為零，具有完全導(dǎo)電性。同時也說明超導(dǎo)體是等電位的，超導(dǎo)體內(nèi)沒有電場。 2.完全抗磁性超導(dǎo)體具有完全抗磁性，完全抗磁性又稱為邁斯納效應(yīng)（Meissner）。因此超導(dǎo)體具有屏蔽磁場

42、和排除磁通的性能。 二. 超導(dǎo)體的三個重要性能指標(biāo)1. 臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc超導(dǎo)體溫度低于臨界轉(zhuǎn)變溫度時 ，便出現(xiàn)完全導(dǎo)電和邁斯納效應(yīng)等基本特征。超導(dǎo)材料的臨界轉(zhuǎn)變溫度越高越好，越有利于應(yīng)用。2. 臨界磁場強(qiáng)度Hc3. 臨界電流密度Jc 三. 兩類超導(dǎo)體 第三節(jié) 影響金屬導(dǎo)電性的因素 影響材料導(dǎo)電性能的因素主要有溫度、化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)和缺陷的濃度及其遷移率等，但不同種類的材料導(dǎo)電機(jī)理各異，影響因素及其影響程度也不盡相同。一. 溫度的影響二. 應(yīng)力的影響三. 冷加工變形的影響四. 合金元素及相結(jié)構(gòu)的影響 純金屬的導(dǎo)電性與其在元素周期表中的位置有關(guān)，這是由不同的能帶結(jié)構(gòu)決定的。而合金的導(dǎo)電性則

43、表現(xiàn)得更為復(fù)雜，這是因為金屬中加入合金元素后，異類原子將引起點(diǎn)陣畸變，組元間相互作用引起的有效電子數(shù)的變化和能帶結(jié)構(gòu)的變化，以及合金組織結(jié)構(gòu)的變化等，這些因素都會對合金的導(dǎo)電性產(chǎn)生明顯的影響。 1. 固溶體的導(dǎo)電性（1）.固溶體組元濃度對電阻的影響（2） 有序固溶體的電阻（3）不均勻固溶體（K狀態(tài)）的電阻2. 金屬化合物的導(dǎo)電性 3. 多相合金的導(dǎo)電性 第四節(jié) 導(dǎo)電性的測量 材料導(dǎo)電性的測量實際上就是測量試樣的電阻，因為根據(jù)試樣的幾何尺寸和電阻值就可以計算出它的電阻率。電阻的測量方法很多，應(yīng)根據(jù)試樣阻值大小、精度要求和具體條件選擇不同的方法。如果精度要求不高，常用兆歐表、萬用表、數(shù)字式歐姆表及

44、伏安法等測量，而對于精度要求比較高或阻值在10-6102的材料電阻（如金屬及合金的阻值）測量時，必須采用更精密的測量方法。下面介紹幾種在材料研究中常用的精密測量方法。一 .雙臂電橋法 二 .直流電位差計測量法三. 直流四探針法四. 絕緣體電阻的測量 第五節(jié) 電阻分析的應(yīng)用 用電阻分析法來研究材料的成分、結(jié)構(gòu)和組織變化的靈敏度很高，它能極敏感地反映出材料內(nèi)部的微弱變化。一.研究合金的時效合金的時效往往伴隨著脫溶過程，從而使電阻發(fā)生顯著的變化，所以電阻分析法是研究合金時效的最有效方法之一。二.測量固溶體的溶解度曲線三.研究淬火鋼的回火 第六節(jié) 無機(jī)非金屬材料的電導(dǎo) 無機(jī)非金屬材料具有復(fù)雜的顯微結(jié)構(gòu)

45、，按其結(jié)構(gòu)狀態(tài)可以分為玻璃態(tài)材料和晶體材料。根據(jù)載流子的不同，無機(jī)非金屬材料的電導(dǎo)可以采用電子式電導(dǎo)，也可以采用離子式電導(dǎo)，因而無機(jī)非金屬材料的電導(dǎo)要根據(jù)其結(jié)構(gòu)而具體分析。一、玻璃態(tài)的電導(dǎo)二、陶瓷材料的電導(dǎo)1. 多晶多相固體材料的電導(dǎo)2. 次級現(xiàn)象（1）電化學(xué)老化現(xiàn)象 一般電化學(xué)老化的主要原因主要是離子在電極附近發(fā)生氧化還原過程，有下面幾種情況： 1)電子-陽離子電導(dǎo)2)電子-陰離子電導(dǎo) 3) 陰離子-陽離子電導(dǎo)4）陽離子-陽離子電導(dǎo)（2）.空間電荷效應(yīng) 第七節(jié) 半導(dǎo)體的電學(xué)性能 半導(dǎo)體的電學(xué)性能總是介于金屬導(dǎo)體與絕緣體之間，所以，稱為“半導(dǎo)體”。 從能帶理論知，半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)類似于絕緣體，

46、存在著禁帶。半導(dǎo)體材料可分為晶體半導(dǎo)體、非晶體半導(dǎo)體和有機(jī)半導(dǎo)體三種類型，而非晶體半導(dǎo)體和有機(jī)半導(dǎo)體的研究還剛起步，所以，我們只討論晶體半導(dǎo)體。一. 本征半導(dǎo)體的電學(xué)性能 二 .雜質(zhì)半導(dǎo)體的電學(xué)性能 1）摻雜濃度與原子密度相比雖很微小，但是卻能使載流子濃度極大地提高，因而導(dǎo)電能力也顯著地增強(qiáng)。 2）摻雜只是使一種載流子的濃度增加，因此雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多子導(dǎo)電。三、半導(dǎo)體陶瓷的物理效應(yīng) 1. 晶界效應(yīng) 1）.PTC效應(yīng) （1） PTC現(xiàn)象 價控型, 還原型 （2） PTC現(xiàn)象的機(jī)理 （3）PTC陶瓷的應(yīng)用 PTC可應(yīng)用于溫度敏感元件、限電流元件以及恒溫發(fā)熱體等方面。溫度敏感元件有二種類型：一是利

47、用PTC電阻-溫度特性，主要用于各種家用電器的過熱報警器以及馬達(dá)的過熱保護(hù)；另一類是利用PTC靜態(tài)特性的溫度變化，主要用于液位計。 限電流元件應(yīng)用于電子電路的過流保護(hù)、彩電的自動消磁。近年來廣泛應(yīng)用于冰箱、空調(diào)機(jī)等的馬達(dá)起動。 PTC恒溫發(fā)熱元件應(yīng)用于家用電器具有構(gòu)造簡單，容易恒溫，無過熱危險，安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。從小功率發(fā)熱元件，諸如電子滅蚊器、電熱水壺、電吹風(fēng)機(jī)、電飯鍋等發(fā)展為大功率蜂窩狀發(fā)熱元件，廣泛應(yīng)用于干燥機(jī)、溫風(fēng)暖房機(jī)等。目前進(jìn)一步獲得了多種工業(yè)用途，如電烙鐵、石油汽化發(fā)熱元件、氣車?yán)淦饎雍銣丶訜崞鞯取?）.壓敏效應(yīng)（Varistor effect）2. 表面效應(yīng)（1）半導(dǎo)體表面空間電

48、荷層的形成（2）半導(dǎo)體表面吸附氣體時電導(dǎo)率的變化 第八節(jié) 材料的熱電性 在金屬導(dǎo)線組成的回路中，存在著溫差或通以電流時，會產(chǎn)生熱與電的轉(zhuǎn)換效應(yīng)，稱為金屬的熱電效應(yīng)。這種熱電現(xiàn)象很早就被發(fā)現(xiàn)，它可以概括為三個基本的熱電效應(yīng)。一. 第一熱電效應(yīng)塞貝克（Seebeck）效應(yīng) 1821年德國學(xué)者塞貝克發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體組成一個閉合回路時，若在兩接頭處存在溫度差，則回路中將有電勢及電流產(chǎn)生，這種現(xiàn)象稱為塞貝克效應(yīng)，回路中產(chǎn)生的電勢稱為熱電勢，電流稱為熱電流，上述回路稱為熱電偶或溫差電池。1. 塞貝克效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理（1） 接觸電位差（2） 溫差電位差2. 影響熱電勢的因素（1） 金屬本性的影響（2）

49、合金化的影響（3） 組織轉(zhuǎn)變的影響（4）塑性變形的影響（5）壓力的影響（6）磁場的影響3. 熱電勢的測量（1）定點(diǎn)法 所謂定點(diǎn)法，是用有穩(wěn)定物態(tài)、轉(zhuǎn)變溫度和國際溫標(biāo)所定義的固定溫度的高純物質(zhì)作為熱電勢測量的溫度點(diǎn)，而無需使用溫度計來確定試樣所處的溫度。（2）比較法 定點(diǎn)法的溫度值雖然很精確，但僅限于少數(shù)溫度點(diǎn)，應(yīng)用受到一定限制。目前，材料熱電勢的測量多數(shù)還是采用比較法。比較法使用足夠精度的各種溫度計測量熱端溫度，并同步地記錄試樣和參考電極配對的熱電勢?？梢栽谌魏螠囟认逻M(jìn)行測量，因而廣泛被使用于熱點(diǎn)檢測和研究。 4. 塞貝克效應(yīng)的應(yīng)用 (1)測量溫度 （2）溫差發(fā)電 （3）在材料分析中應(yīng)用二.

50、第二熱電效應(yīng)玻爾帖(Peltier)效應(yīng)三第三熱電效應(yīng)湯姆遜(Tomson)效應(yīng) 第九節(jié) 光電導(dǎo)性一 .光電導(dǎo)的基本概念 所謂光電導(dǎo)，是指物質(zhì)在受到光照時，其電子電導(dǎo)載流子數(shù)目比其熱平衡狀態(tài)時多的現(xiàn)象。二 光電導(dǎo)機(jī)理奧薩格（Onasger）離子對理論三 光電導(dǎo)性高分子聚合物的結(jié)構(gòu)四 導(dǎo)電高分子聚合物的光電導(dǎo)性 本章小結(jié) 根據(jù)導(dǎo)電載流子種類的區(qū)分,介紹了金屬、半導(dǎo)體、無機(jī)非金屬材料、高分子材料的導(dǎo)電機(jī)制以及影響電導(dǎo)率的主要因素。本書著重介紹了影響金屬導(dǎo)電性的因素、導(dǎo)電性的測量及在材料分析中的應(yīng)用、無機(jī)非金屬材料的電導(dǎo)（如半導(dǎo)體陶瓷的物理效應(yīng)）、高分子聚合物的導(dǎo)電特性等。 還介紹了超導(dǎo)體的研究進(jìn)展

51、，集中描述超導(dǎo)態(tài)的量子特性以及評價超導(dǎo)體三個指標(biāo)的關(guān)系；介紹了材料的三個熱電效應(yīng)及光電效應(yīng)。 第五章 材料的介電性能介電材料和絕緣材料是電子和電氣工程中不可缺少的功能材料，它主要應(yīng)用材料的介電性能。這一類材料總稱為電介質(zhì)。本章主要介紹電介質(zhì)的介電性能，包括介電常數(shù)、介電損耗、介電強(qiáng)度及其隨環(huán)境(溫度、濕度、輻射等)的變化規(guī)律，并介紹鐵電性、壓電性及其應(yīng)用等。 第一節(jié) 電介質(zhì)及其極化一、平板電容器及其電介質(zhì)二、極化相關(guān)物理量三、電介質(zhì)極化的機(jī)制 1、電子、離子位移極化1）電子位移極化在外電場作用下，原子外圍的電子軌道相對予原子核發(fā)生位移，原子中的正、負(fù)電荷重心產(chǎn)生相對位移。這種極化稱為電子位移極

52、化(也稱電子形變極化)。2）離子位移極化離子在電場作用下偏移平衡位置的移動，相當(dāng)于形成一個感生偶極矩.2、弛豫(松弛)極化1）電子弛豫極化由于晶格的熱振動、晶格缺陷、雜質(zhì)引入、化學(xué)成分局部改變等因素，使電子能態(tài)發(fā)生改變，出現(xiàn)位于禁帶中的局部能級形成所謂弱束縛電子。2）離子弛豫極化和晶體中存在弱束縛電子類似，在晶體中也存在弱聯(lián)系離子。 3、取向極化 沿外場方向取向的偶極子數(shù)大于與外場反向的偶極子數(shù)，因此電介質(zhì)整體出現(xiàn)宏觀偶極矩，這種極化稱為取向極化。4、空間電荷極化 由于空間電荷的積聚，可形成很高的與外場方向相反的電場，故而有時又稱這種極化為高壓式極化。四、宏觀極化強(qiáng)度與微觀極化率的關(guān)系1、退極

53、化場Ed和局部電場Eloc2、克勞修斯一莫索堤方程(Clausius-Mosotti equation) 五、多晶多相無機(jī)材料的極化1、混合物法則2、陶瓷介質(zhì)的極化 電工陶瓷按其極化形式可分類如下: （1）主要是電子位移極化的電介質(zhì)，包括金紅石瓷、鈣鈦礦瓷以及某些含鋯陶瓷。 （2）主要是離子位移極化的材料，包括剛玉、斜頑輝石為基礎(chǔ)的陶瓷以及堿性氧化物含量不多的玻璃。（3）具有顯著離子松弛極化和電子松弛極化的材料，包括絕緣子瓷、堿玻璃和高溫含鈦陶瓷。3、介電常數(shù)的溫度系數(shù) 根據(jù)介電常數(shù)與溫度的關(guān)系，電子陶瓷可分為兩大類：一類是介電常數(shù)與溫度成典型非線性的陶瓷介質(zhì)。六、 高分子材料的極化1、高聚物

54、分子結(jié)構(gòu)對介電性能的影響2、高聚物的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)和力學(xué)狀態(tài)對介電性能的影響 第二節(jié) 交變電場下的電介質(zhì) 電介質(zhì)除承受直流電場作用外，更多地是承受交流電場作用，因此應(yīng)考核電介質(zhì)的動態(tài)特性，如交變電場下的電介質(zhì)損耗及強(qiáng)度特性。一、復(fù)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗二、電介質(zhì)弛豫和頻率響應(yīng)三、介電損耗分析1、頻率的影響2、溫度的影響3、陶瓷材料的損耗 陶瓷材料的損耗主要來源于以下三部分：電導(dǎo)損耗；取向極化和弛豫極化損耗；電介質(zhì)結(jié)構(gòu)損耗。此外無機(jī)材料表面氣孔吸附水分、油污及灰塵等造成表面電導(dǎo)也會引起較大的損耗。一般材料，在高溫、低頻下，主要為電導(dǎo)損耗，在常溫、高頻下，主要為松弛極化損耗，在高頻、低溫下主要為結(jié)構(gòu)損耗。

55、1）離子晶體的損耗2）玻璃的損耗3）陶瓷材料的損耗陶瓷材料的損耗主要來源于電導(dǎo)損耗、松弛質(zhì)點(diǎn)的極化損耗及結(jié)構(gòu)損耗。此外無機(jī)材料表面氣孔吸附水分、油污及灰塵等造成表面電導(dǎo)也會引起較大的損耗。降低材料的介質(zhì)損耗應(yīng)從考慮降低材料的電導(dǎo)損耗和極化損耗入手。（1）選擇合適的主晶相。根據(jù)要求盡量選擇結(jié)構(gòu)緊密的晶體作為主晶相。（2）在改善主晶相性能時，盡量避免產(chǎn)生缺位固溶體或填隙固溶體，最好形成連續(xù)固溶體。這樣弱聯(lián)系離子少，可避免損耗顯著增大。（3）盡量減少玻璃相。為了改善工藝性能引入較多玻璃相時，應(yīng)采用“中和效應(yīng)”和“壓抑效應(yīng)”，以降低玻璃相的損耗。（4）防止產(chǎn)生多晶轉(zhuǎn)變，因為多晶轉(zhuǎn)變時晶格缺陷多，電性能

56、下降，損耗增加。（5）注意焙燒氣氛。含鈦陶瓷不宜在還原氣氛中焙燒。燒成過程中升溫速度要合適，防止產(chǎn)品急冷急熱。（6）控制好最終燒結(jié)溫度，使產(chǎn)品“正燒”，防止“生燒”和“過燒”，以減少氣孔率。此外，在工藝過程中應(yīng)防止雜質(zhì)的混入，坯體要致密。4、高分子材料的損耗 決定高分子材料介電損耗大小的內(nèi)在原因，一個是高聚物分子極性大小和極性基團(tuán)的密度，另一個是極性基團(tuán)的可動性。高聚物分子極性越大，極性基團(tuán)密度越大，則介電損耗越大。 第三節(jié) 電介質(zhì)在電場中的破壞一、介電強(qiáng)度 當(dāng)陶瓷或聚合物用于工程中做絕緣材料、電容器材料和封裝材料時，通常都要經(jīng)受一定的電壓梯度的作用，如果材料發(fā)生短路，則這些材料就失效了。人們

57、稱這種失效為介電擊穿。引起材料擊穿的電壓梯度(V/cm)稱為材料的介電強(qiáng)度或介電擊穿強(qiáng)度。電介質(zhì)擊穿強(qiáng)度受許多因素影響，因此變化很大。這些影響因素有：材料厚度、環(huán)境溫度和氣氛、電極形狀、材料表面狀態(tài)、電場頻率和波形、材料成分和孔隙度、晶體各向異性、非晶態(tài)結(jié)構(gòu)等。二、本征擊穿機(jī)制 實驗上，本征擊穿應(yīng)表現(xiàn)為擊穿主要是由所加電場決定的，在所使用的電場條件下，使電子溫度達(dá)到擊穿的臨界水平。觀察發(fā)現(xiàn)，本征擊穿發(fā)生在室溫或室溫以下。發(fā)生的時間間隔很短，在微秒或微秒以下。本征擊穿所以稱之為“本征”，是因為這種擊穿機(jī)制與樣品或電極的幾何形狀無關(guān)，或者與所加電場的波形無關(guān)。因此在給定溫度下，產(chǎn)生本征擊穿的電場值

58、僅與材料有關(guān)。三、熱擊穿機(jī)制 四、雪崩式擊穿機(jī)制五、影響無機(jī)材料擊穿強(qiáng)度的各種因素1、介質(zhì)結(jié)構(gòu)的不均勻性2、材料中氣泡的作用3、材料表面狀態(tài)和邊緣電場 固體表面擊穿電壓常低于沒有固體介質(zhì)時的空氣擊穿電壓，其降低情況常決定于以下三種條件。(1)固體介質(zhì)不同，表面放電電壓也不同。(2)固體介質(zhì)與電極接觸不好，則表面擊穿電壓降低，尤其是當(dāng)不良接觸在陰極處時更嚴(yán)重。(3)電場頻率不同，表面擊穿電壓也不同，隨頻率升高，擊穿電壓降低。 第四節(jié) 壓電性、熱釋電性和鐵電性 一、壓電性(piezoelectricity) 1880年P(guān)iere.Curie和Jacques.Curie兄弟發(fā)現(xiàn)，對石英單晶體(以下稱

59、晶體)在一些特定方向上加力，則在力的垂直方向的平面上出現(xiàn)正、負(fù)束縛電荷。后來稱這種現(xiàn)象為壓電效應(yīng)。 1、正壓電效應(yīng) 當(dāng)晶體受到機(jī)械力作用時，一定方向的表面產(chǎn)生束縛電荷，其電荷密度大小與所加應(yīng)力的大小成線性關(guān)系。這種由機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的過程，稱為正壓電效應(yīng)。 2、逆壓電效應(yīng)與電致伸縮 3、晶體壓電性產(chǎn)生原因 4、壓電材料主要的表征參數(shù) 壓電材料性能的表征參量，除了描述電介質(zhì)的一般參量如電容率、介質(zhì)損耗角正切(電學(xué)品質(zhì)因數(shù)Qe)、介質(zhì)擊穿強(qiáng)度、壓電常量外，還有描述壓電材料彈性諧振時力學(xué)性能的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm以及描述諧振時機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換的機(jī)電耦合系數(shù)K。 二、 熱釋電性 1、熱釋電現(xiàn)象 2、熱

60、釋電效應(yīng)產(chǎn)生的條件 3、材料熱釋電性的表征三、鐵電性1、鐵電體、電疇2、鐵電體的起源與晶體結(jié)構(gòu) （1）鐵電體的起源（2）鐵電性、壓電性、熱釋電性關(guān)系 3、鐵電體的臨界性質(zhì)（1）環(huán)境因素對鐵電體性質(zhì)的影響（2）成分、晶粒大小、尺寸因素的影響 (3) 反鐵電-鐵電相變4、壓電、鐵電材料及其應(yīng)用（1）壓電、鐵電材料（2）應(yīng)用 第五節(jié) 介電測量簡介一、電容率(介電常數(shù))、介電損耗、介電強(qiáng)度的測定二、電滯回線的測量三、壓電性的測量1、平面機(jī)電耦合系數(shù)KP2、壓電應(yīng)變常量d33和d31 本章小結(jié)通過比較真空平板電容器和填充電介質(zhì)的平板電容器的電容變化，引入介電常數(shù)和極化的概念，注意與極化相關(guān)的物理量；分析