材料物理性能总复习

材料性能学总复习
3）铁磁性：即使在较弱的磁场内也可以得到极高的磁化强度，而 且当外磁场移去后，仍可保留极强的磁性
铁磁体的磁化率为正值，而且很大，但当外场增大时，由于磁化 强度迅速达到饱和，其磁化率变小 铁磁性物质很强的磁性来自于其很强的内部交换场，自发磁化是 铁磁物质的基本特征 铁磁性物质的铁磁性只在某一温度以下才表现出来，超过这一温 度，由于物质内部热骚动破坏电子自旋磁矩的平行取向，因而自发 磁化强度变为0，铁磁性消失，这一温度称为居里点Te 4）反铁磁性：
材料的热学性能
材料的热学性能是表征材料与热相互 作用行为的一种宏观特性。
热容：在没有相变或化学反应的条件 下，材料温度升高1K所吸收的热量Q。 热膨胀：物体的体积或长度随温度的 升高而增大的现象。 热传导：当固体材料的两端存在温差 时，热量会从热端自动地传向冷端的现象。 材料性能学总复习
2、导电性本质因素
i ni qi i
i i
决定材料导电性好坏的本质因素有两个：
载流子浓度 载流子迁移率
温度、压力等外界条件，以及键合、成分等材料 因素都对载流子数目和载流子迁移率有影响。任何提 高载流子浓度或载流子迁移率的因素，都能提高电导 率，降低电阻率。
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•
磁畴：磁性材料中磁化方向一致的小区域
• 磁畴结构：各个磁畴之间彼此取向不同，首尾相接，形成闭 合的磁路，使磁体在空气中的自由静磁能下降为0，对外不显现磁性， 磁畴之间被畴壁隔开，畴壁实质上是相邻磁畴间的过渡层
• 磁畴成因：大量实验证明，磁畴结构的形成是由于这种磁体 为了保持自发磁化的稳定性，必须使强磁体的能量达到最低值，因而 就分裂成无数微小的磁畴 • 磁畴影响因素：畴壁的厚度取决于交换能和磁结晶各向异性 能平衡的结果，实际材料中的畴结构，受到材料的尺寸、晶界、第二 相、应力、掺杂、缺陷等的显著影响，使畴结构复杂化
• 爱因斯坦热容理论假设：每个原子皆为 一个独立的振子，原子之间彼此无关。
高温部分符合较好，但低温部分的理论值比 实验值下降得过快。
•
德拜热容理论考虑晶体中点阵的相互作用，
将格波看成是弹性波。每个谐振子的频率不同，频 率范围从w0到wm
对一些化合物的热容计算与实验不符，很 高温度和极低温度与实验不符。
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8.软磁、硬磁材料的基本参数与特性 硬磁材料（永磁体）
特征：在无外磁场下保持高的磁化强度。
性能：高的Bs、 Br、Hs、 Hc。
应用：电表、电机、电话机、录音机、收音 机、拾音器等。
软磁材料（变压器铁芯）
特征：易磁化、易消磁。 性能：低的Bs、 Br、Hs、 Hc；高的μ。 应用：制造磁导体，增加磁路磁通量，降低 磁阻。如：变压器。
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材料的电学性能
材料的电学性能是指在外电场下材 料内部电荷的响应行为,大致分为导电性和 介电性。 导电性表征材料内部的电荷作长距 离定向流动的性能; 介电性表征材料内部正、负电荷发 生微观惊讶的相对位移而产生极化的性能.
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1、电导率的一般表达式，各个参数的物理意义
在金属中由于有大量的自由电子，而且电子的 质量很轻，所以能迅速地实现热量的传递，在非 金属晶体的晶格中，自由电子很少，因此晶格振 动是他们的主要导热机构。
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9、热导率与电导率的关系 魏德曼-弗朗兹定律
在室温下，许多金属的热导率与电导率之比 （λ/σ）几乎相同，而不随金属不同而改变。 导电性好的材料导热性也好
3、电子电导
neff e 2 1 t * * 2m v 2m 2m*
l
－电子的平均自由程；
neff e 2l
neff e 2
缺 陷 增 多
温 度 升 高
有效电子数 和电子平均 速度几乎无 影响
杂质散射
离子振动加剧
m* －电子的有效质量；
v
e
间；
－电子平均运动速度； －电子电量； －两次散射之间的平均时
L
L2 L1 1 L 1 T2 T1 L0 T L0
LT L0 1 L T2 T1
6、影响热膨胀的因素
合金成分：一般来说，加入膨胀系数大于基体的溶质时， 将提高固溶体的热膨胀系数。形成金属间化合物时，规律 比较复杂。 相变：一级相变转变点处无穷大；二级相变有拐点。 晶体致密度和晶体缺陷：结构紧密膨胀系数较大； 晶体各向异性：一般来说，杨氏模量较高的方向将有较 小的膨胀系数。
Lorentz定律
比值λ/σ与温度 T 呈正比
LT
2 k 8 2 式中，L －Lorentz常数：L 2.45 10 W K T 3 e
2
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10、影响热导率的因素 温度：存在极大值。 显微结构：
（1）结晶构造的影响：晶体结构愈复杂，晶格振动的非谐性程度愈 大。格波受到的散射愈大，声子平均自由程愈小，热导率愈低； （2）各向异性晶体的热导率：非等轴晶系的晶体热导率呈各向异性， 温度升高时，晶体结构的对称性提高，不同方向的热导率差异减小 （3）对于同一种材料，非晶体的热导率总是比单晶体小；非晶态的 热导率总是比晶态小。
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1、基本磁参量的概念与定义以及影响因素 磁矩
方向与环形电流法线的方向一致，其大小为电 流与封闭环形面积的乘积IΔS，与电流I和封闭环 形面积ΔS成正比
mI A
磁矩表征材料磁性大小的物理量，磁矩愈大，磁性愈强，即物体在磁 场中受的力愈大。 磁感应强度 在强度为H的磁场中被磁化后，物质内磁场强度的大小
磁化强度 磁化率
单位体积内原子固有磁矩矢量和（A/m）
M
M H
在单位外磁场强度（H）下的磁化强度
1 Pm V
M H
磁导率
r (1 ) 0 r
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2、物质磁性的分类
1）抗磁性：当磁化强度M为负时，固体表现为抗磁性，抗磁 性物质的原子（离子）的磁矩应为零，即不存在永久磁矩。 当抗磁性物质放入外磁场中，外磁场使电子轨道改变，感生 出一个磁矩，按照楞次定律，其方向应与外磁场方向相反，表 现为抗磁性 所以抗磁性来源于原子中电子轨道状态的变化，抗磁性物质 的抗磁性一般很微弱 2）顺磁性：不论外加磁场是否存在，原子内部存在永久磁矩。 在无外加磁场时，由于顺磁物质的原子做无规则的热振动， 宏观看来没有磁性 在外加磁场作用下，每个原子磁矩比较规则地取向，物质显 示出极弱的磁性
1、表征热容的参量 比热容 摩尔热容
Q 1 c 单位质量材料的热容： T m J / (kg.K)
1 mol材料的热容，J / (mol.K) 单位质量材料从温度 T1 升高到 T2 所吸收 热量的平均值： Q 1
平均比热容 定容热容： 定压热容：
caverage
Q 1 cV T V m
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7. 技术磁化过程
• 技术磁化过程：在外加磁场对磁畴的作用过程，也就是外加 磁场把各个磁畴的磁矩方向转到外磁场方向（或近似外磁场方向）的 过程。
• • 技术磁化是通过两种方式进行：磁畴壁的迁移和磁畴的旋转 磁化曲线和磁滞回线是技术磁化的结果。
• （I）区：可逆磁化过程（磁场减少到零时，M、B沿原曲线减 少到零），磁化曲线是线性的，没有剩磁和磁滞。以可逆壁移为主 • （II）区：不可逆，非线性，有剩磁、磁滞，由许多的M、B的 跳跃性变化组成 • （III）区：磁化矢量的转动过程，B点时，壁移消失，为单畴 体。但M与H的方向不一致。再增加外场，磁矩逐渐转动，趋于一致， 至S点达到技术饱和
7、常用工程材料的热膨胀
金属材料的热膨胀系数介于陶瓷和高分子材料之 间。
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8、导热系数与传热的微观机理 导热系数
在单位温度梯度下，单位时间内通过单位 截面积的热量，单位为W/(m•K)
传热的微观机理
固体中的导热主要是由晶格振动的格波（声子 导热）和自由电子的运动（电子导热）来实现的。
物质内部相邻原子的电子之间存在一种来源于静电的 相互交换作用由于这种交换作用对系统能量的影响，迫使 各原子的磁矩平行或反平行。
5. 铁磁性产生的条件
原子内部要有未填满的电子壳层（原子本征磁矩不为零）
a/r大于3使交换积分A为正。（一定的晶体点阵结构）
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6. 技术磁化理论
技术磁化理论：磁畴与磁畴结构、成因及影响因素


降低
成分：杂质元素将使缺陷热阻增强，导热性下降。
气孔：在不改变结构的情况下，气孔率的增大，总是使热导率 材料性能学总复习
材料的磁学性能
磁性是一切物质的基本属性，从微观 粒子到宏观物体以至于宇宙间的天体都存在 着磁的现象。
磁性是磁性材料的一种使用性能，磁 性材料具有能量转换、存储或改变能量状态 的功能。
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4、热膨胀的物理本质：
固体材料的热膨胀与原子的非简谐振动（非线性振动）有关 点阵结构中质点间平均距离随温度升高而增大。
5、热膨胀性能的表征
单位长度的物体温度升高1度的伸长量称为线
膨胀系数；


单位体积的固体温度升高1度时的体积变化量
称为体积膨胀系数。
平均线膨胀系数：温度区间的。 材料性能学总复习
HC：矫顽力 磁滞回线所包围的面积表征磁化一周时所消耗的功，称
为磁滞损耗Q，Q=ʃHdB，单位是J/m³
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3）磁致伸缩、铁磁性与居里温度
• 磁致伸缩：铁磁体在磁场中磁化时，其尺寸或体积 发生变化的现象。 • 铁磁性：即使在较弱的磁场内也可以得到极高的磁 化强度，而且当外磁场移去后，仍可保留极强的磁性 • 居里温度：铁磁性物质的铁磁性只在某一温度以下 才表现出来，超过这一温度，由于物质内部热骚动破坏 电子自旋磁矩的平行取向，因而自发磁化强度变为0，铁 磁性消失，这一温度称为居里温度Te
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4）铁磁性物质的磁化特性与抗磁和顺磁物质的差别
磁化曲线为非线性
存在磁饱和与磁滞现象
磁化是不可逆的，交变磁化时形成磁滞 回线 磁化率及磁化强度远高于抗磁和顺磁性。
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4. 自发磁化理论：铁磁性的本质
在铁磁体内部存在很强的分子场，在其作用下，在一 定尺寸范围的区域（磁畴）内原子固有磁矩趋于同向平行 排列，产生自发磁化。 各自发磁化小区域（磁畴）的磁化方向各不相同，其 磁性彼些相互抵消，所以对外并不显示磁化。
1 1 E=3N0( kT+ kT)=3N 0 kT 3RT 2 2
CV
dE 3R 25 J /(K mol ) dT
杜隆珀替定律 奈曼-柯普定律
恒压下元素的原子热容等于25J/(K.mol)。 化合物分子热容等于构成此化合物各元 素原子热容之和。
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3、热容的量子理论1 cP T P m
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2、经典热容理论 经典热容理论：模型过于简单，不能解释低温下热容减小的现象
• 将气体分子的热容理论直接用于 固体，其基本假设：晶体格点是孤立的， 根据经典统计理论，其能量是连续的， 因此固体中一个原子在空间有三个振动 自由度，每个自由度上的平均动能和位 能均为0.5kT
J E
J nqv
v E
J E n q v ----为电流密度 为外电场电场强度 单位体积内载流子数目 为每一载流子携带的电荷量
J nqv nq E E
μ为载流子的迁移率，其 含义为单位电场下载流子 的平均漂移速度。
– 为每一载流子在E的方向上发生迁移的平均速度
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5）亚铁磁性：
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3. 铁磁性材料特性 1）磁化曲线：
铁磁性物质的磁化曲 线（M－H或B－H）是非线 性的，随磁化场的增加， 磁化强度M或磁感强度B开 始时缓慢增加，然后迅速 增加，再转而缓慢增加， 最后磁化饱和。
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2）磁滞回线
两条反磁化曲线组成的闭合回线 CD段：退磁曲线 MS：饱和磁化强度 BS：饱和磁感强度 Mr：剩余磁化强度 Br：剩余磁感强度
声子散射 电子平均自由程减小 两次散射之间的平均时间减小 单位时间内散射的次数增加 金属电阻率增加，电导率下降
t
neff －单位体积内的实际参与