材料物理性能

2021/6/271本課程主要內(nèi)容（Contents）材料的電學(xué)性能材料的磁學(xué)性能材料的光學(xué)性能材料的彈性與內(nèi)耗材料的熱學(xué)性能2021/6/2723

電學(xué)部分最為重要、磁學(xué)其次，而后光學(xué)、力學(xué)等，以教材為基礎(chǔ)，補(bǔ)充部分內(nèi)容，但本課程知識(shí)點(diǎn)很多，同學(xué)們需要預(yù)習(xí)，在課后及時(shí)復(fù)習(xí)。本課程成績(jī)組成：期末試卷60%（閉卷）+平時(shí)作業(yè)、考勤、問(wèn)答（20%）+隨堂實(shí)驗(yàn)（20%）2021/6/2734

課程的知識(shí)要求

物理學(xué)化學(xué)材料力學(xué)、固體物理導(dǎo)論、工藝學(xué)材料的研究方法及表征物理化學(xué)等課程2021/6/2745

本科生學(xué)習(xí)：一方面是知識(shí)學(xué)習(xí)，另外一方面是方法的學(xué)習(xí)(學(xué)會(huì)自學(xué)）參考書(shū)：

1．熊兆賢．《材料物理導(dǎo)論》．北京：科學(xué)出版社．2002年

2．田蒔．《材料物理性能》．北京：北京航空航天大學(xué)出版社．2004年

3．關(guān)振鐸．《無(wú)機(jī)材料物理性能》．北京：清華大學(xué)．2001年

課程的講授方法2021/6/275材料科學(xué)的核心四面體2021/6/276前言（Introduction)物理性能是材料科學(xué)研究重要組成部分，材料科學(xué)包括：制備與合成、性能、應(yīng)用基礎(chǔ)是：物理學(xué)、化學(xué)等學(xué)科，是這些學(xué)科在材料性能方面的應(yīng)用無(wú)機(jī)材料的不同領(lǐng)域性能方面區(qū)別：電子材料、磁性材料、生物材料、水泥、玻璃、陶瓷材料、耐火材料等2021/6/2778

材料的性能主要是由其結(jié)構(gòu)因素所決定的。材料性能是一種用于表征材料在給定的外界條件下的行為的參量。研究方法有：經(jīng)驗(yàn)方法、機(jī)理（反映本質(zhì)的基本關(guān)系出發(fā)，建立物理模型等）材料設(shè)計(jì)、計(jì)算材料學(xué)8

2021/6/2789

關(guān)系現(xiàn)代材料科學(xué)在較大程度上依賴于材料性能與其成分及結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。

成分與結(jié)構(gòu)有從宏觀到微觀的各個(gè)不同層次，測(cè)試技術(shù)和表征技術(shù)是聯(lián)系它們的工具。2021/6/27910

研究目標(biāo)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)檢測(cè)合成性能驗(yàn)證設(shè)計(jì)依據(jù)性能測(cè)試組織表征供測(cè)試樣微組織調(diào)節(jié)控制2021/6/271011

結(jié)構(gòu)

物質(zhì)的結(jié)構(gòu)：晶體的結(jié)構(gòu)；晶體的缺陷；玻璃的結(jié)構(gòu)；固體的表面結(jié)構(gòu)材料的顯微結(jié)構(gòu)：在顯微鏡下直至電子顯微鏡下觀察到的結(jié)構(gòu)組織；包括：相種類、多少、分布、晶粒尺寸、形狀；氣孔大小和分布；雜質(zhì)、缺陷、晶界等。2021/6/271112

性能

材料使用中表現(xiàn)有多少行為，就對(duì)應(yīng)有多少性能。 （結(jié)構(gòu)材料和功能材料的劃分）外界條件不同，相同的材料也會(huì)有不同的性能。多數(shù)的性能都有量綱。為了便于學(xué)習(xí)、測(cè)試和研究，常采用不同的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)劃分性能2021/6/271213

化學(xué)性能：（1）抗氧化性能（2）耐腐蝕性能（3）抗渣、抗堿性能復(fù)雜性能（1）復(fù)合性能：高溫抗折強(qiáng)度、高溫蠕變強(qiáng)度等（2）工藝性能：可塑性、流動(dòng)性等（3）使用性能：耐磨性等2021/6/271314

意義判斷材料的優(yōu)劣正確選擇和使用材料---立足材料的性能改變材料的性能貫穿材料的結(jié)構(gòu)-性能-制備-應(yīng)用這個(gè)關(guān)系2021/6/2714第一章材料的電學(xué)性能概述材料的電學(xué)性能大致上包含

導(dǎo)電性 超導(dǎo)電性

介電性 磁電性

熱電性

接觸電性

熱釋電性和壓電性 光電性2021/6/2715導(dǎo)電性

1.導(dǎo)電性的表示方法

電阻R的大小可以評(píng)價(jià)材料的導(dǎo)電性好壞。但對(duì)不同的材料，R

不僅與材料的性能有關(guān)，還與材料尺寸有關(guān)，即ρ是材料的固有性質(zhì)，是由材質(zhì)決定的，與形狀無(wú)關(guān)電導(dǎo)率σ：2021/6/2716

導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體不同材料具有不同的導(dǎo)電性，根據(jù)材料導(dǎo)電性的好壞，即按ρ值的大小把材料進(jìn)行分類。的為導(dǎo)體材料，其中純金屬的ρ值為10-8～10-7，合金的ρ值為10-7～10-5；ρ值為10-3～109的為半導(dǎo)體材料；的為絕緣體材料。2021/6/2717

雖然物質(zhì)都是由基本粒子構(gòu)成的，但導(dǎo)電性的差異卻非常顯著。

究竟是什么原因造成材料導(dǎo)電性的如此明顯的差別呢？與物質(zhì)的能帶結(jié)構(gòu)及其被電子填充的性質(zhì)有關(guān)2021/6/2718晶體的能帶晶體的能帶中，物質(zhì)的導(dǎo)電性反映為：(價(jià)帶：valenceband;導(dǎo)帶：conductionband;禁帶：bandgap）

它的價(jià)帶是否被填滿

是否存在禁帶

禁帶寬度的大小2021/6/2719導(dǎo)體與非導(dǎo)體的區(qū)別

金屬導(dǎo)體的能帶分布一是價(jià)帶和導(dǎo)帶重疊，而無(wú)禁帶；二是價(jià)帶未被價(jià)電子填滿，所以這種價(jià)帶本身就是導(dǎo)帶。這兩種情況下的價(jià)電子就是自由電子，所以金屬導(dǎo)體即使在溫度較低的情況下仍有大量的自由電子，具有很強(qiáng)的導(dǎo)電能力。非導(dǎo)體（包括半導(dǎo)體和絕緣體）在絕對(duì)零度時(shí)，其能帶情況是滿價(jià)帶和空導(dǎo)帶且有禁帶，故基本無(wú)導(dǎo)電能力。2021/6/2720半導(dǎo)體和絕緣體的區(qū)別

半導(dǎo)體和絕緣體的能帶圖的區(qū)別僅是禁帶寬度的大小。（絕緣體：3ev~6ev,半導(dǎo)體:0.1ev~2ev)禁帶寬度的大小就影響到自由電子數(shù)量的多少，禁帶寬度小，自由電子多，反之就少。2021/6/2721金屬的導(dǎo)電性金屬的導(dǎo)電機(jī)制與馬基申定則 當(dāng)電子波在絕對(duì)零度下通過(guò)一個(gè)理想的晶體點(diǎn)陣時(shí)，它將不會(huì)受到散射而無(wú)阻礙地傳播，這時(shí)ρ＝0，而σ為無(wú)窮大，即此時(shí)的材料是一個(gè)理想的導(dǎo)體。

只有在晶體點(diǎn)陣的完整性以及由于晶體點(diǎn)陣離子的熱振動(dòng)，晶體中的異類原子、位錯(cuò)和點(diǎn)缺陷等使晶體點(diǎn)陣的周期性遭到破壞的地方，電子波才會(huì)受到散射，從而產(chǎn)生了阻礙作用，降低了導(dǎo)電性，這就是材料產(chǎn)生電阻的本質(zhì)所在。2021/6/2722散射系數(shù)μ和電阻率ρ成正比。對(duì)于金屬而言，溫度升高離子熱振動(dòng)的振幅愈大，電子就愈易受到散射，故可認(rèn)為μ與溫度成正比，則ρ也就與溫度成正比，這就是金屬的電阻隨溫度升高而增大的原因。實(shí)際的晶體不但有雜質(zhì)，而且還存在缺陷。傳導(dǎo)電子的散射發(fā)生在電子－聲子、電子－雜質(zhì)原子以及與其他晶體點(diǎn)陣靜態(tài)缺陷相碰撞的時(shí)候。理想金屬的電阻對(duì)應(yīng)著兩種散射機(jī)制（聲子散射和電子散射），可以看成為基本電阻。這個(gè)電阻在絕對(duì)零度時(shí)降為零。第三種機(jī)制（電子在雜質(zhì)和缺陷上的散射）在有缺陷的晶體中，是絕對(duì)零度下金屬的殘余電阻。這個(gè)電阻反映了金屬的純度和完整性。2021/6/2723三種散射機(jī)制聲子散射電子散射電子在雜質(zhì)和缺陷上的散射2021/6/2724馬基申定律（馬希森定則）Matthiessen'srule固溶體電阻率看成由金屬基本電阻率ρ(T)和殘余電阻率ρ殘組成。不同散射機(jī)制對(duì)電阻率的貢獻(xiàn)可以加法求和。這一導(dǎo)電規(guī)律稱為馬基申定律，即（化學(xué)缺陷：偶然存在的雜質(zhì)原子及人工加入的合金元素的原子；物理缺陷：指空位、間隙原子、位錯(cuò)以及它們的復(fù)合體。） 馬基申定律成立的前提：忽略了電子各種散射機(jī)制間的交互作用2021/6/2725高溫時(shí)金屬的電阻率基本上取決于ρ(T)，而在低溫時(shí)取決于ρ殘。ρ殘的大小就可以用來(lái)評(píng)定金屬的電學(xué)純度。常常采用相對(duì)電阻率ρ(300K)/ρ(4.2K)的大小來(lái)評(píng)定金屬的電學(xué)純度。（晶體越純、越完善，相對(duì)電阻率越大）2021/6/2726影響金屬導(dǎo)電性的因素

溫度受力情況冷加工晶體缺陷熱處理幾何尺寸效應(yīng)2021/6/2727溫度對(duì)金屬電阻的影響

加熱時(shí)發(fā)生點(diǎn)陣熱振動(dòng)和振幅的變化，出現(xiàn)相變、回復(fù)、空位退火、再結(jié)晶以及合金相成分和組織的變化，這些現(xiàn)象往往對(duì)電阻的變化顯示出重要的影響。另一方面，測(cè)量電阻與溫度的關(guān)系可以顯示電子散射的不同機(jī)制，同樣也顯示超導(dǎo)現(xiàn)象和引起鐵磁性反常的特殊性能。2021/6/2728金屬的電阻隨溫度變化的一般規(guī)律：絕對(duì)零度下，純凈又無(wú)缺陷的金屬，其電阻率等于零。隨溫度的升高金屬的電阻率也增加。理想晶體的電阻率是溫度的單值函數(shù)。若晶體中存在