2011材料物理性能考試重點

編號：編號：2011120720111220材料物理性能考試重點一、材料的熱性能晶格熱振動：固體材料由晶體或非晶體組成,點陣中的質(zhì)點（原子、離子）并不是靜止不動的,而總是圍繞其平衡位置作微小振動。格波：不同原子不同的振動位相差,就像簡諧波一樣在晶體中傳播晶格熱振動,這種波稱為格波。是多頻率振動的組合波。聲頻支振動：振動著的質(zhì)點中所包含的頻率甚低的格波,質(zhì)點彼此之間的相位差不大,格波類似于彈性體的應(yīng)變波,稱為“聲頻支振動”。光頻支振動：格波中頻率甚高的振動波。質(zhì)點間的位相差很大,鄰近質(zhì)點的運動幾乎相反,頻率往往在紅外光區(qū),稱為“光頻支振動”。簡諧波的基本特征量：頻率和波矢量聲子：每個獨立振動模式的能量均是以hWj為最小基本單位，格波能量的增減必須是hw.的整數(shù)倍，即能量是量子化的。把這種能量的量子“hw.”稱為聲子。ii熱容：金屬銅摩爾熱容隨溫度的變化曲線：I區(qū)（接近于OK）CV,m^TII區(qū)（低溫區(qū)）CV,m^T3III區(qū)（高溫區(qū)）CVm>3R，CVm變化很平穩(wěn)，近于恒定值。若升溫過程中發(fā)生相V，mV，m于恒定值。若升溫過程中發(fā)生相變，而產(chǎn)生熱效應(yīng)，則將使Cv,m——T曲線發(fā)生變化。熱分析法：差熱分析法、差示掃描量熱法、熱重分析法、熱膨脹分析法。影響熱膨脹性能的因素：鍵強、晶體結(jié)構(gòu)、非等軸晶系的晶體、相變、化學(xué)成分

熱導(dǎo)率2的物理意義是單位溫度梯度下，單位時間內(nèi)通過單位截面積的熱量，單位是J/（m.s.K），標(biāo)志著材料本質(zhì)的導(dǎo)熱能力。020406080100r/K在達到1600OC高溫后，入隨溫度的升高又會有少許回升，這是由于光子導(dǎo)熱作用逐漸增強的結(jié)果。由此可看出：對于一般的-Bcrman(19511*■■OL??flKiagery(l%0)憾韜界面oL?WKingcryf196(9石梃界面020406080100r/K在達到1600OC高溫后，入隨溫度的升高又會有少許回升，這是由于光子導(dǎo)熱作用逐漸增強的結(jié)果。由此可看出：對于一般的-Bcrman(19511*■■OL??flKiagery(l%0)憾韜界面oL?WKingcryf196(9石梃界面1II11丄」°'°0200400^600EOO10001200140077K非金屬晶體材料，在常用的溫度區(qū)間內(nèi)，入是隨著溫度的升高而降低的。材料的熱穩(wěn)定性是指材料承受溫度的急劇變化而不致破壞的能力，又稱抗熱震性。（無機材料和其它脆性材料的熱穩(wěn)定性較差）材料的熱沖擊順壞有兩種類型：一種是材料發(fā)生瞬時斷裂，抵抗之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。提高抗熱沖擊斷裂性能的措施（1）提高材料的強度，減小彈性模量E，使O/E提高（2）提高材料的熱導(dǎo)率入（3）減小材料的熱膨脹系數(shù)a（4）減小表面散熱系數(shù)h

（5）減小產(chǎn)品的有效厚度rm二、材料的導(dǎo)電性1、從導(dǎo)電角度出發(fā)，根據(jù)導(dǎo)電機理、參照材料導(dǎo)電性的高低，習(xí)慣上將材料劃分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。2、半導(dǎo)體材料的載流子包括導(dǎo)帶中的電子和價帶中的空穴。n型半導(dǎo)體中，導(dǎo)帶中的電子體積密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于價帶的空穴，是占主導(dǎo)地位的載流子；p型半導(dǎo)體中數(shù)量占優(yōu)勢的載流子為價帶的空穴。（數(shù)量占優(yōu)勢的載流子稱作多數(shù)載流子）3、電阻的影響因素：溫度、缺陷、雜志。4、材料中所有價電子都參與成鍵、并且所有鍵都處于飽和（原子外電子層填滿）狀態(tài)，這類半導(dǎo)體稱作本征半導(dǎo)體。與之相對的是摻雜半導(dǎo)體。摻雜半導(dǎo)體中，所有結(jié)合鍵處被價電子填滿后仍有部分富于價電子，稱作n型半導(dǎo)體。摻雜半導(dǎo)體中，在所有價電子都成鍵后仍有些結(jié)合鍵上缺少價電子，而出現(xiàn)一些空穴，稱作p型半導(dǎo)體。耗盡區(qū)載流子濃度激發(fā)區(qū)（1）低溫區(qū)：導(dǎo)帶中的電子主要來自于摻雜原子的電離。耗盡區(qū)載流子濃度激發(fā)區(qū)（2）中溫區(qū)：電離基本完畢，半導(dǎo)體中總得載流子濃度保持不變。（3）高溫區(qū)：本征激發(fā)占據(jù)主導(dǎo)地位，本征激發(fā)載流子遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于摻雜濃度。T5、超導(dǎo)體兩種熱性：完全導(dǎo)電性、完全抗磁性。超導(dǎo)體三個性能指標(biāo)：超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc、臨界磁場He、臨界電流密度Jc三、材料的磁性能真空磁導(dǎo)率卩o=4nX10-7H?m-l磁導(dǎo)率是單位磁場中材料的磁感應(yīng)強度大小，是表征磁體的磁性、導(dǎo)磁性及磁化難易程度的磁學(xué)量。根據(jù)磁化率x的大小，材料的磁性分為鐵磁性、順磁性、抗磁性三大類。原子磁矩的三個來源：電子軌道磁矩、電子自旋磁矩、原子核磁矩。材料在外加磁場H中時，使它所在的空間的磁場發(fā)生變化，產(chǎn)生一個附加磁場H',材料本身呈現(xiàn)出磁性，這種現(xiàn)象叫磁化。磁化過程中兩個重要特性：磁各向異性、磁致伸縮磁致伸縮：在磁場中磁化時，鐵磁體的長度或體積發(fā)生變化的現(xiàn)象。磁各向異性：材料沿不同方向磁化的難易程度不同。磁疇：在鐵磁體物質(zhì)中，存在許多微小自發(fā)磁化區(qū)域，稱為磁疇。成因：穩(wěn)定的磁結(jié)構(gòu)要求：總能量最低磁疇的形狀、尺寸、磁疇壁的厚度由交換能、退磁場能、磁晶各向異性能以及磁場能（存在外磁場時）、磁彈性能（存在外應(yīng)力時）決定。平衡狀態(tài)的磁疇結(jié)構(gòu)和磁疇壁應(yīng)具有最小的能量。疇壁——布洛赫壁、奈爾壁永磁材料：金屬永磁材料、鐵氧體永磁材料、稀土永磁材料軟磁材料：金屬軟磁材料、鐵氧體軟磁材料、非晶及納米晶軟磁材料鐵磁性材料的磁化曲線（復(fù)雜）：可逆磁化階段、不可逆磁化階段、飽和磁化階段、順磁磁化階段在直流磁場中測量的磁導(dǎo)率稱為靜態(tài)磁導(dǎo)率，根據(jù)不同的用途和直流磁場的特點有：起始磁導(dǎo)率；最大磁導(dǎo)率；增量磁導(dǎo)率；微分磁導(dǎo)率標(biāo)志永磁體性能好壞的參數(shù)：最大磁能積、矯頑力、剩于磁感應(yīng)強度、（穩(wěn)定性——溫度系數(shù)和不可逆損失）鐵電體的類型：1、有序-無序型鐵電體2、位移型鐵電體3、有序-無序和位移復(fù)合型鐵電體。1/tan稱為品質(zhì)因數(shù)Q,是表征軟磁材料在高頻應(yīng)用時的性能指標(biāo)。磁譜是指鐵磁體在交變磁場中的復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率的實部和虛部隨頻率增加而變化的曲線。在材料的磁譜曲線上,下降到初始值的一半或達到極大值時所對應(yīng)的頻率稱為該材料的截止頻率f。是磁性材料能夠使用的頻率范圍的重要標(biāo)志。

磁性能材料的鐵芯損耗一般包括磁滯損耗、渦流損耗、剩余損耗磁電阻效應(yīng)：材料的電阻隨外加磁場的變化而改變的現(xiàn)象。分為：正常磁電阻（0MR）、各向異性磁電阻（AMR）、巨磁電阻（GMR）。(E/V)IAIZ=-^T<Ie(E/V)IAIZ=-^T<Ie順磁材料與抗磁材料的磁化曲線抗磁、順磁性材料磁化曲線特點：—線性—磁化可逆性—斜率很?。∕-H）鐵磁體的磁滯回線B隨H變化規(guī)律oab同磁化曲線；減小H,B沿bc減小,當(dāng)H=0時,B=Br（剩余磁感應(yīng)強度）這就是鐵磁金屬的剩磁現(xiàn)象；cd想去掉剩磁需加反向磁場.H=-Hc，B=0，Hc為去掉剩磁的臨界外磁場,稱為矯頑力。cd曲線也稱為退磁曲線，從此曲線可得出考核永磁材料的重要參數(shù)。繼續(xù)在反方向增加H--Hs，磁化曲線沿de到-Bs從-Bs改為加正方向磁場，隨Hf,B沿e館b曲線變化為BsB變化總是落后于H的變化,這種現(xiàn)象稱為磁滯效應(yīng)——磁滯回線——鐵磁材料的重要特征之一。四、材料的介電性能極化：電介質(zhì)在電場作用下發(fā)生正負(fù)電荷中心分離，產(chǎn)生束縛電荷的現(xiàn)象。在電介質(zhì)中起主要作用的是束縛電荷，束縛電荷不形成漏電電流，在電的作用下，它們以正、負(fù)電荷重心不重合的電極化方式傳遞和記錄電的影響。相對介電常數(shù)放映了電介質(zhì)極化的能力。表征壓電元件的常數(shù)：諧振頻率和反諧振頻率、頻率常數(shù)、壓電常數(shù)d33、電學(xué)品質(zhì)因數(shù)和機械品質(zhì)因數(shù)Qm、機電耦合系數(shù)k極化機理：電子極化、離子極化、偶極子取向極化、空間電荷極化極化形式：位移式極化、松弛極化、自發(fā)極化機電耦合系數(shù)k是衡量壓電材料的機一電能量轉(zhuǎn)換能力的一個重要參數(shù)。機電耦合系數(shù)是能量之比，無量綱，其最大值為1。當(dāng)k=0時，則意味著無壓電效應(yīng)。常見的機電耦合系數(shù)有：平面耦合系數(shù)、橫向耦合系數(shù)、縱向耦合系數(shù)、（厚度振動耦合系數(shù)）極化電場、極化溫度、極化時間是壓電陶瓷極化處理中的重要參數(shù)。正壓電效應(yīng)（壓電性）：某些介質(zhì)在應(yīng)力的作用下，發(fā)生電極化或電極化的變化，導(dǎo)致晶體表面出現(xiàn)束縛電荷，且一定范圍內(nèi)束縛電荷密度與應(yīng)力成正比，這種的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)（壓電性）。逆壓電效應(yīng)：在壓電體的適當(dāng)方向施加外電場會導(dǎo)致其發(fā)生形變，且一定范圍內(nèi)形變與電場強度成正比，這種效應(yīng)稱為逆壓電效應(yīng)。介質(zhì)具有壓電性的條件：晶體結(jié)構(gòu)不具有對稱中心鐵電體：指在一定溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化，并且自發(fā)極化方向可隨外電場作可逆轉(zhuǎn)動的晶體。鐵電晶體——極性晶體——自發(fā)極化——非線性介質(zhì)固體電介質(zhì)的擊穿形式：熱擊穿、電擊穿、電化學(xué)擊穿一般電介質(zhì)在電場作用下具體損耗的能量重要包括：極化損耗、電導(dǎo)損耗（漏導(dǎo)）電離損耗影響因素：內(nèi)因——結(jié)構(gòu)；外因——溫度、頻率介電性能的物理參數(shù)：介電常數(shù)、介電常數(shù)的溫度系數(shù)、介電損耗、介電強度五、光學(xué)、附錄1、光的波粒二象性——波動性、粒子性2、光的特性——折射、反射、吸收、散射、（色散）3、絕對折射率：光從真空進入介質(zhì)材料時，光在兩者中的傳播速度之比。折射率是重要的特性參數(shù)，影響因素有：構(gòu)成材料元素的離子半徑和電子結(jié)構(gòu)；材料的結(jié)構(gòu)、晶型和晶態(tài)；同質(zhì)異構(gòu)體；外界因素對折射率的影響電子是微觀粒子，同時具有粒子性和波動性K空間中某狀態(tài)點上電子的能力正比于該店矢徑的平方金屬中自由電子的能態(tài)密度正比于能級能量的平方根能量位于能帶間隙下方、被電子占據(jù)的能量最高的允帶稱作價帶，而剛好處于能帶間隙上方的允帶稱作導(dǎo)帶。為什么說材料熱學(xué)性能的物理本質(zhì)都與晶格熱振動有關(guān)？答：材料各種熱學(xué)性能的物理本質(zhì)，均與其晶格熱振動有關(guān)。固體材料由晶體或非晶體組成，點陣中的質(zhì)點（原子、離子）并不是靜止不動的，而總是圍繞其平衡位置作微小振動，稱為晶格熱振動。質(zhì)點熱振動的劇烈程度與溫度有關(guān)。溫度升高振動加劇，甚至產(chǎn)生擴散（非均質(zhì)材料），溫度升高至一定程度，振動周期破壞，導(dǎo)致材料熔化，晶體材料表現(xiàn)出固定熔點。PN結(jié)中的空間電荷區(qū)是如何形成？為什么PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕看穑簆n結(jié)是由n型與p型半導(dǎo)體互相接觸時、在接觸面上形成的。當(dāng)兩種摻雜半導(dǎo)體相互接觸后，由于n型半導(dǎo)體中有大量的導(dǎo)帶電子、p型半導(dǎo)體內(nèi)有大量的價帶空穴，兩邊存在空穴與電子的濃度梯度，因此要發(fā)生載流子擴散。在pn結(jié)區(qū)域內(nèi)，通過電子與空穴的復(fù)合而大幅度降低了半導(dǎo)體的載流子體積密度，產(chǎn)生耗盡層。與此同時，該區(qū)域內(nèi)原有的局部中性被破壞，p型半導(dǎo)體一側(cè)內(nèi)接受電子而帶負(fù)電，n型半導(dǎo)體一側(cè)則是帶正電，這樣的電荷分布形成了一個空間電荷區(qū)。在接觸面的pn