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文檔簡介

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

電學部分最為重要、磁學其次,而后光學、力學等,以教材為基礎,補充部分內容,但本課程知識點很多,同學們需要預習,在課后及時復習。本課程成績組成:期末試卷60%(閉卷)+平時作業(yè)、考勤、問答(20%)+隨堂實驗(20%)2021/6/2734

課程的知識要求

物理學化學材料力學、固體物理導論、工藝學材料的研究方法及表征物理化學等課程2021/6/2745

本科生學習:一方面是知識學習,另外一方面是方法的學習(學會自學)參考書:

1.熊兆賢.《材料物理導論》.北京:科學出版社.2002年

2.田蒔.《材料物理性能》.北京:北京航空航天大學出版社.2004年

3.關振鐸.《無機材料物理性能》.北京:清華大學.2001年

課程的講授方法2021/6/275材料科學的核心四面體2021/6/276前言(Introduction)物理性能是材料科學研究重要組成部分,材料科學包括:制備與合成、性能、應用基礎是:物理學、化學等學科,是這些學科在材料性能方面的應用無機材料的不同領域性能方面區(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構因素所決定的。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:經驗方法、機理(反映本質的基本關系出發(fā),建立物理模型等)材料設計、計算材料學8

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關系現(xiàn)代材料科學在較大程度上依賴于材料性能與其成分及結構之間的關系。

成分與結構有從宏觀到微觀的各個不同層次,測試技術和表征技術是聯(lián)系它們的工具。2021/6/27910

研究目標設計基礎數(shù)據(jù)評價檢測合成性能驗證設計依據(jù)性能測試組織表征供測試樣微組織調節(jié)控制2021/6/271011

結構

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

性能

材料使用中表現(xiàn)有多少行為,就對應有多少性能。 (結構材料和功能材料的劃分)外界條件不同,相同的材料也會有不同的性能。多數(shù)的性能都有量綱。為了便于學習、測試和研究,常采用不同的標準來劃分性能2021/6/271213

化學性能:(1)抗氧化性能(2)耐腐蝕性能(3)抗渣、抗堿性能復雜性能(1)復合性能:高溫抗折強度、高溫蠕變強度等(2)工藝性能:可塑性、流動性等(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構-性能-制備-應用這個關系2021/6/2714第一章材料的電學性能概述材料的電學性能大致上包含

導電性 超導電性

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導電性

1.導電性的表示方法

電阻R的大小可以評價材料的導電性好壞。但對不同的材料,R

不僅與材料的性能有關,還與材料尺寸有關,即ρ是材料的固有性質,是由材質決定的,與形狀無關電導率σ:2021/6/2716

導體、半導體、絕緣體不同材料具有不同的導電性,根據(jù)材料導電性的好壞,即按ρ值的大小把材料進行分類。的為導體材料,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的為半導體材料;的為絕緣體材料。2021/6/2717

雖然物質都是由基本粒子構成的,但導電性的差異卻非常顯著。

究竟是什么原因造成材料導電性的如此明顯的差別呢?與物質的能帶結構及其被電子填充的性質有關2021/6/2718晶體的能帶晶體的能帶中,物質的導電性反映為:(價帶:valenceband;導帶:conductionband;禁帶:bandgap)

它的價帶是否被填滿

是否存在禁帶

禁帶寬度的大小2021/6/2719導體與非導體的區(qū)別

金屬導體的能帶分布一是價帶和導帶重疊,而無禁帶;二是價帶未被價電子填滿,所以這種價帶本身就是導帶。這兩種情況下的價電子就是自由電子,所以金屬導體即使在溫度較低的情況下仍有大量的自由電子,具有很強的導電能力。非導體(包括半導體和絕緣體)在絕對零度時,其能帶情況是滿價帶和空導帶且有禁帶,故基本無導電能力。2021/6/2720半導體和絕緣體的區(qū)別

半導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金屬的導電性金屬的導電機制與馬基申定則 當電子波在絕對零度下通過一個理想的晶體點陣時,它將不會受到散射而無阻礙地傳播,這時ρ=0,而σ為無窮大,即此時的材料是一個理想的導體。

只有在晶體點陣的完整性以及由于晶體點陣離子的熱振動,晶體中的異類原子、位錯和點缺陷等使晶體點陣的周期性遭到破壞的地方,電子波才會受到散射,從而產生了阻礙作用,降低了導電性,這就是材料產生電阻的本質所在。2021/6/2722散射系數(shù)μ和電阻率ρ成正比。對于金屬而言,溫度升高離子熱振動的振幅愈大,電子就愈易受到散射,故可認為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。實際的晶體不但有雜質,而且還存在缺陷。傳導電子的散射發(fā)生在電子-聲子、電子-雜質原子以及與其他晶體點陣靜態(tài)缺陷相碰撞的時候。理想金屬的電阻對應著兩種散射機制(聲子散射和電子散射),可以看成為基本電阻。這個電阻在絕對零度時降為零。第三種機制(電子在雜質和缺陷上的散射)在有缺陷的晶體中,是絕對零度下金屬的殘余電阻。這個電阻反映了金屬的純度和完整性。2021/6/2723三種散射機制聲子散射電子散射電子在雜質和缺陷上的散射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。不同散射機制對電阻率的貢獻可以加法求和。這一導電規(guī)律稱為馬基申定律,即(化學缺陷:偶然存在的雜質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、位錯以及它們的復合體。) 馬基申定律成立的前提:忽略了電子各種散射機制間的交互作用2021/6/2725高溫時金屬的電阻率基本上取決于ρ(T),而在低溫時取決于ρ殘。ρ殘的大小就可以用來評定金屬的電學純度。常常采用相對電阻率ρ(300K)/ρ(4.2K)的大小來評定金屬的電學純度。(晶體越純、越完善,相對電阻率越大)2021/6/2726影響金屬導電性的因素

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

加熱時發(fā)生點陣熱振動和振幅的變化,出現(xiàn)相變、回復、空位退火、再結晶以及合金相成分和組織的變化,這些現(xiàn)象往往對電阻的變化顯示出重要的影響。另一方面,測量電阻與溫度的關系可以顯示電子散射的不同機制,同樣也顯示超導現(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:絕對零度下,純凈又無缺陷的金屬,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

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