材料物理性能总复习

奈曼-柯普定律
化合物分子热容等于构成此化合物各元素原子热容之和。
杜隆珀替定律
恒压下元素的原子热容等于25J/(K.mol)。
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
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2、经典热容理论
• 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。
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。
材料的磁学性能
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1、基本磁参量的概念与定义以及影响因素
磁矩
磁化强度
磁导率
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
6、半导体的载流子浓度、迁移率及其电阻率 本征半导体 本征载流子浓度与温度T和禁带宽度Eg 有关： 随温度增加，载流子浓度增加； 禁带宽度大时，载流子浓度小； μn 和μp 分别表示在单位场强下自由电子和空穴的平均漂移速度（cm/s），称为迁移率。 杂质半导体 多子导电
温 度 升 高
半导体载流子浓度、迁移率及其电阻率与温度的关系
n -- 单位体积内载流子数目 q -- 为每一载流子携带的电荷量
E -- 为外电场电场强度
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。
J -- 为电流密度
2、导电性本质因素
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。
3）磁致伸缩、铁磁性与居里温度
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。
铁磁性物质的磁化特性与抗磁和顺磁物质的差别
4.自发磁化理论：铁磁性的本质
5.铁磁性产生的条件
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。 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。 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）
8.软磁、硬磁材料的基本参数与特性
应用：制造磁导体，增加磁路磁通量，降低磁阻。如：变压器。
特征：易磁化、易消磁。
应用：电表、电机、电话机、录音机、收音机、拾音器等。
特征：在无外磁场下保持高的磁化强度。
性能：低的Bs、 Br、Hs、 Hc；高的μ。
软磁材料（变压器铁芯）
性能：高的Bs、 Br、Hs、 Hc。
单位体积内原子固有磁矩矢量和（A/m）
磁化率
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。
在单位外磁场强度（H）下的磁化强度
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
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
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。
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)
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。 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。
平均比热容
定容热容：
定压热容：
单位质量材料的热容： 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：
• 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
Es的物理意义是缺陷形成能
5、马基申定则及金属电阻率与温度的关系 马基申定则 一般在高于室温的情况下，有： 总的电阻包括金属的基本电阻（声子散射和电子散射）和溶质（杂质）浓度引起的电阻（电子在杂质和缺陷上的散射，与温度无关）。 与温度的关系 极低温下T≤2K：电子-电子散射 较高温度：电子-声子散射
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。
材料的热学性能
1、表征热容的参量
比热容
摩尔热容
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
缺 陷 增 多
杂质散射
4、离子电导
本征离子电导
杂质离子电导
载流子由热缺陷提供，温度升高热缺陷浓度增大，载流子浓度增大，离子本征电导率也随之加大
载流子的浓度决定于杂质的数量和种类，杂质浓度增大，载流子浓度增大，同时使点阵发生畸变，杂质离子离解活化能变小，电导率增大
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 • 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
3、电子电导
l －电子的平均自由程； m* －电子的有效质量； －电子平均运动速度； e －电子电量； －两次散射之间的平均时间； neff －单位体积内的实际参与导电的电子数； v －单位时间内散射的次数
温 度 升 高
有效电子数 和电子平均 速度几乎无 影响
离子振动加剧
硬磁材料（永磁体）
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.
– 为每一载流子在E的方向上发生迁移的平均速度 1、电导率的一般表达式，各个参数的物理意义
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： 5）亚铁磁性：
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。 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，总是使热导率降低
3.铁磁性材料特性
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。
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 HC：矫顽力
载流子浓度
载流子迁移率
半导体电阻率
声子散射造成下降
杂质散射造成上升
上升
本征半导体，下降
杂质半导体
低温区：下降
饱和区：升高
本征区：下降
本征半导体，下降
杂质半导体
低温区：上升
饱和区：下降
本征区：下降
7、超导体特性和超导体的三个性能指标 完全导电性 特性 性能指标 完全抗磁性－迈斯纳效应 超导转变温度 Tc 临界磁场 Bc（Hc） 临界电流密度 Jc
极化：在外电场作用下，介质内质点（原子、分子、离子）或在不同区域的正、负电荷重心发生分离，形成内部的电偶极矩（偶极子）的过程。 极化率：单位电场强度下，介质粒子电偶极矩的大小，表征材料的极化能力。 极化强度：单位体积的介质内的电偶极矩的总和 偶极子的电偶极矩： 8、极化、极化率、极化强度及其关系式 介电性的本质是在外电场作用下电介质内部的极化。
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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• 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。
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• 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
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• 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
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。 平均线膨胀系升高而增大。
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。
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
导热系数
传热的微观机理
8、导热系数与传热的微观机理
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
魏德曼-弗朗兹定律
Lorentz定律
比值λ/σ与温度 T 呈正比
式中，L －Lorentz常数：
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9、热导率与电导率的关系
10、影响热导率的因素
• 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。
热容的量子理论：能量量子化
3、热容的量子理论
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
5、热膨胀性能的表征