材料物理性能-功能晶体材料概要
材料物理性能简介-
<<材料物理性能>>基本要求（一）一，基本概念：1.摩尔热容: 使１摩尔物质在没有相变和化学反应的条件下，温度升高1K所需要的热量称为摩尔热容。
它反映材料从周围环境吸收热量的能力。
2.比热容：质量为1kg的物质在没有相变和化学反应的条件下，温度升高1K所需要的热量称为比热容。
它反映材料从周围环境吸收热量的能力。
3.比容：单位质量（即1kg物质）的体积，即密度的倒数（m3/kg）。
4.格波：由于晶体中的原子间存在着很强的相互作用，因此晶格中一个质点的微振动会引起临近质点随之振动。
因相邻质点间的振动存在着一定的位相差，故晶格振动会在晶体中以弹性波的形式传播，而形成“格波”。
5.声子（Phonon）: 声子是中集体激发的准粒子，就是振动中的简谐振子的能量量子。
6.德拜特征温度: 德拜模型认为:晶体对热容的贡献主要是低频弹性波的振动，声频支的频率具有0～ωmax分布,其中,最大频率所对应的温度即为德拜温度θD,即θD=ћωmax/k。
7.示差热分析法（Differential Thermal Analysis, DTA ）: 是在测定热分析曲线（即加热温度T与加热时间t的关系曲线）的同时，利用示差热电偶测定加热（或冷却）过程中待测试样和试样的温度差随温度或时间变化的关系曲线ΔT~T（t），从而对材料组织结构进行分析的一种技术。
8.示差扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry, DSC）: 用示差方法测量加热或冷却过程中，将试样和样的温度差保持为零时，所需要补充的热量与温度或时间的关系。
9.热稳定性（抗热振性）：材料承受温度的急剧变化（热冲击）而不致破坏的能力。
10.塞贝克效应：当两种不同的导体组成一个闭合回路时，若在两接头处存在温度差则回路中将有电势及电流产生，这种现象称为塞贝克效应。
11.玻尔帖效应：当有电流通过两个不同导体组成的回路时，除产生不可逆的焦耳热外，还要在两接头处出现吸热或放出热量Q的现象。
材料物理性能-功能材料
热电材料是指利用其热电性的材料．对金属热电材料主要是 利用塞贝克效应制作热电偶，因而是重要的测温材料之一。而 对半导体热电材料则可利用塞贝克效应。珀耳帖效应及汤姆逊 效应制作热能转变为电能的转换器以及反之用电能来作加热器 和制冷器。
《材料物理性能》——功能材料
功能金属材料——电性材料
对金属热电偶材料的性能要求为且有高的热电势及高的热电 势温度系数，保证高的灵敏度。同时要求热电势随温度的变化是 单值的，最好呈线性关系。具有良好的高温抗氧化性和抗环境介 质的腐蚀性，在使用过程中稳定性好，重复性好，并容易加工， 价格低廉。完全达到这些要求比较困难，各种热电偶材料也各有 其优缺点，一般根据使用温度范围来选择使用热电偶材料。为了 确定两种材料组成热电偶后的热电势，技术上选用铂作为标准热 电极材料，这是因为铂的熔点高，抗氧化性强及较好的重复性。
导电材料是利用金属及合金优良的导电性能来传输电流， 输送电能。导电材料广泛应用于电力工业技术领域，有时它 也可包括仪器仪表用导电引线和布线材料，以及电接点材料。 导电材料在性能上的要求为高的电导率，高的力学性能， 良好的抗腐蚀性能、良好的工艺性能(热冷加工，焊接)并且 价格便宜。纯金属中导电性能好的有银、铜、金、铝。
《材料物理性能》——功能材料
功能金属材料——电性材料
Ni—Cr系合金 Ni—Cr系合金的成分见表1，这类合金随Cr量 的不同，氧化性能也不同，在15％Cr以上，性能良好。 表1 Ni-Cr系电热合金的成分及特点
α ≤ 0.1× 10−6 / oC
《材料物理性能》——功能材料
功能金属材料——电性材料
《材料物理性能》——功能材料
功能金属材料——电性材料
电热材料
电流通过导体将放出焦耳热，利用电流热效应的材料 就是电热材料，因此广泛用作电热器。对电热材料的性能 要求是：有高的电阻率和低的电阻温度系数，在高温时具 有良好的抗氧化性，并有长期的稳定性，有足够的高温强 度，易于拉丝。目前常用的为Ni—Cr系和Fe—Cr—Al系合 金。
材料物理性能(总结)
一章1、原子间的键合类型有几种？（P1)金属键、离子键、共价键、分子键和氢键2、什么是微观粒子的波粒二象性？（P1）光子这种微观粒子表现出双重性质——波动性和粒子性，这种现象叫做波粒二象性。
3、什么是色散关系？什么是声子？声子的性质？（P20、P25）将频率和波矢的关系叫做色散关系。
声子就是晶格振动中的独立简谐振子的能量量子。
性质：（1）声子的粒子性：声子和光子相似，光子是电磁波的能量量子，电磁波可以认为是光子流，光子携带电磁波的能量和动量。
（2）声子的准粒子性：准粒子性的具体表现：声子的动量不确定，波矢改变一个周期或倍数，代表同一振动状态，所以不是真正的动量。
4、声子概念的意义？（P25）（1）可以将格波雨物质的相互作用过程理解为，声子和物质的碰撞过程，使问题大大简化，得出的结论也正确。
（2）利用声子的性质可以确定晶格振动谱。
5、简述高聚物分子运动的特点。
（P29）（1）运动单元的多重性（2）分子运动时间的依赖性（3）分子运动的温度依赖性6、影响高聚物玻璃化温度的因素（P33）（1）分子链结构的影响（2）分子量的影响（3）增塑剂的影响（4）外界条件的影响7、影响高聚物流动温度的因素（P39）(1) 分子量（2）分子间作用力（3）外力8、线性非晶高聚物的力学状态？（P29）二章1、材料的热学性能的内容。
(P41)材料的热学性能包括热容、热膨胀、热传导、热稳定性、熔化和升华等。
2、什么是热容？（P42）什么是杜隆-柏替定律和奈曼-柯普定律（P43）热容是分子或原子热运动的能量随温度而变化的物理量，其定义是物体温度升高1K所需要增加的能量。
杜隆-珀替定律：恒压下元素的原子热容为25J/(k·mol)；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。
3、试述线膨胀系数与体膨胀系数的关系。
（P50）4、请分析热膨胀与其他性能的关系。
（P49）5、影响材料热膨胀系数的因素。
（P50）（1）化学组成、相和结构的影响（2）化学键的影响（3）相变的影响6、简述影响热导率的因素。
材料物理性能概述
材料物理性能概述引言当今世界，材料越来越成为非常重要的社会生产支柱之一，而材料的性能越来越多地被重视和研究。
本文主要介绍一下材料的各种物理性能。
本文主要从六个方面来介绍，分别是材料的电学性能、磁学性能、热学性能、光学性能。
一、材料的电学性能1.概述材料的电学性能包括以下内容：导电性的一般理论处理、金属材料的导电性、半导体材料的导电性、离子晶体导电性与超导电性。
导电性方面，引入电导率、电流密度概念。
2. 导电性的一般理论处理材料依导电性的分类及导电性范围，四类材料的导电性范围，导电性与材料中电子态间的关系；导电性与材料中载流子的浓度、电荷量、移动速度(及迁移率)的一般关系，在半导体、金属(经典自由电子理论)中的具体形式；量子自由电子理论下的导电性，Fermi球漂移，导电电子数，电导率结论()σετ=132N e vF F2的推导，自由电子的自由程；能带理论下的导电性结论，各类材料导电性相对强弱的讨论，Brillouin区边界的限制。
3. 金属材料的导电性机理：实验规律(Matthiessen规则)，残余电阻与温度对电阻的影响，电阻根源—周期势场的不规则点，即散射中心(数量、强度)、导电性的微观控制因素—电子的自由程。
影响因素：温度的影响规律；合金成分的影响(固溶态—影响强度与原子半径及化合价差的关系，有序化的影响；多相区)；相变的影响。
其它(自学)：偏离Matthiessen规则的合金化影响，K状态，其它影响因素；电阻研究的意义：材料分析方法(高纯度分析，相变及转变分析)，测温等应用，精密电阻合金、导电材料、电热合金等。
4 . 半导体材料的导电性半导体材料简介(本征—单质、化合物材料，掺杂— n型，p型，材料的电子态特征)，导电性(0K下不导电，T>0K时，依靠热激活导电)，电子有效质量、电子与空穴。
载流子浓度理论推导，本征半导体的典型数值，掺杂半导体的结构、附近能级的产生、及对载流子浓度的影响；半导体材料的导电性与温度、掺杂的关系，晶体缺陷的影响。
功能材料概论2
2.3 晶体结构
2.3.1 元素的晶体结构分为三类： 第一类金属晶体结构：面心立方、六方、体心立方密堆积； 第三类非金属共价键，链状(I)、层状(Te)、网状(As); 第二类结构
1.金属元素的晶体结构特点:以金属键结合，失去外层电子 的金属离子与自由电子的吸引力。无方向性，对称性较高 的密堆结构。
晶体结构＝空间点阵＋结构基元
结构基元：原子、分子或其集团
3. 晶胞
能够反映晶格特征的最小几何单元（平行六面体），称为 晶胞，是构成晶格的最基本单元。
晶胞在三维空间重复堆砌可构成整个空间点阵，通常为小 的平行六面体。按重要程度晶胞要顺序满足①能充分反映 整个空间点阵的对称性，②具有尽可能多的直角，③体积 要最小。
包括：空位（vacancy）、间隙原子（interstitial particle）、异类原子（foreign particle），如图所示。 点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动 力学过程等有关。
(a)空位
(b)异类原子
(c)间隙原子
2. 线缺陷
指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排 列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外 二维方向上很短。如各种位错（dislocation）。
常见结构：
体心立方 bcc Body-centered cubic 面心立方 fcc Face-centered cubic 密堆六方 cph Close-packed hexagonal
（1）面心立方 原子位置 立方体的八个顶角和每个侧面中心
面心立方中原子排列
在面心立方晶格中密排面为{111}，密排方向为<110>
其表现的性能也有差异，这是晶体区别于非晶体的重要 特性。比如：晶体常具有沿某些确定方位的晶面发生劈 裂的现象，方解石和云母就是最好的例子。 （2）自范性（自限性）：晶体能够自发地呈现封闭的规 则的外形（几何多面体）。
功能材料概论2
2. 晶体结构与空间点阵 既然点阵只是表示原子或原子集团分布规律的一种几何抽 象，那么，每个结点就不一定代表一个原子。就是说，可 能在每个结点处恰好有一个原子，也可能围绕每个结点有 一群原子（原子集团）。但是，每个结点周围的环境（包 括原子的种类和分布）必须相同，亦即点阵的结点都是等 同点。 晶体结构与空间点阵的区别： 空间点阵是晶体中质点排列的几何学抽象，用以描述和分析晶 体结构的周期性和对称性，由于各阵点的周围环境相同，故它 只能有14种类型；而晶体结构中则是指晶体中实际质点（原子、 分子或离子）的具体排列情况，他们能组成各种类型的排列 （因实际质点千差万别），实际排列的晶体结构是无限的。 晶体结构＝空间点阵＋结构基元 结构基元：原子、分子或其集团
正交点阵中一些晶面的面指数
正交点阵中一些晶面的面指数
• •
晶面间的距离越大，晶面上 的原子排列越密集。 同一晶面族的原子排列方式 相同，它们的晶面间的间距 也相同。
•
不同晶面族的晶面间距也不 相同。
2.1.5 晶体结构的对称性
• 宏观对称性 • 晶体的对称性最直观地表现在其几何外形上，由于晶 体外形为有限的几何图形，故晶体外形上所体现的对 称性与分子一样为点对称性，称为宏观对称性。有四 种类型的对称操作和对称元素 • 旋转 旋转轴 • 反映 反映面(镜面) • 反演 对称中心 • 旋转反演 反轴
简单四方 体心四方 简单立方 体心立方 面心立方
正交 a≠b≠c，α=β=γ＝90º
简单正交 底心正交 体心正交 面心正交
立方 Cubic a=b=c， α=β=γ＝90º
2.1.4 晶面指数
晶面指数标定步骤： 1. 在点阵中设定参考坐标系； 2. 求得待定晶面在三个晶轴上的 截距，若该晶面与某轴平行， 则在此轴上截距为无穷大；若 该晶面与某轴负方向相截，则 在此轴上截距为一负值； 3. 取各截距的倒数； 4. 将三倒数化为互质的整数比， 并加上圆括号，即表示该晶面 的指数，记为( h k l )。
第四章材料物理性能
（2）电子能态转变
光子被吸收和发射，都可能涉 及到固体材料中电子能态的转变。
原子吸收了光子能量之后，
可能将Ei能级上的电子激发到能 量更高的Ej空能级上，电子发生 的能量变化ΔE与电磁波的频率有
关：
ΔE=hνij 式中：h为普朗克常量，νij为入
射光子的频率。
4.1.2.1.材料折射率及其影响因素
自然中存在一些天然光学材料：我国的夜明珠、 发光壁；印度的蛇眼石、叙利亚的孔雀暖玉等。
这些材料具有奇异的发光现象，能在无光环境下 放出各种色泽的晶莹光辉。由于这些光学材料稀 有，被视为人间珍宝，成为权力和财富的象征。
夜明珠
珍珠
猫眼石
春秋战国时期，墨子就研究光的传播规律，出现 了最古老的光学材料—青铜反光镜。
注：折射率的大小与入射光波长有关。材料的折射率n 随入 射光波长的降低而减小，所以，谈材料的折射率时必须指出 所用的光的波长。一般常用nD来比较不同材料的折射率。
4.1.2.2材料的反射系数及其影响因素
当光从二种不同介质通过时，要发 生反射和折射。其中反射是电子吸 收光子能量，由高能级又返回低能 级时发射出的的电磁波。
例如：常温下的石英晶体，n=1.55， 高温时的鳞石英，n=1.47，方石英n=1.49。 可见常温下的石英晶体n值最大。。
3. 色散
a) 定义：材料的折射率随入射光的频率的减小(或波长的增加)而 减小的性质，即是材料的折射率对波长的变化率,称为折射率的色散。
在给定入射光波长的情况下，材料的色散为:
带来的苦恼。
科学研究、工农业生产和人类生活等需要使用显微 镜、望远镜、摄像机等各种光学仪器，核心部分都 是由光学材料制造的光学零件。
光学材料已成为人类社会必不可少的功能材料。
材料物理性能
金属物理性能 Physical Properties of Metals and Alloys 1. 结构性指标、功能性指标、结构材料、功能材料 结构性指标：材料的高强度、高韧性、耐高温、抗腐蚀等 功能性指标：原子内部的电子以至原子核间交互作用表现出来的特性结构材料：以强度 刚度 韧性 耐劳性 硬度 疲劳强度等力学性能为特征的材料。
如钢，铁。
功能材料：具有特定物理、化学或生物学特性的材料，如超导材料。
2. 自发辐射、共振吸收、受激辐射或诱发辐射(a) 自发辐射：处于激发态的原子中，电子在激发态能级上只能停留一段很短的时间，就自发地跃迁到较低能级中去，同时辐射出一个光子，这种辐射叫做自发辐射。
(b) 共振吸收：从经典电动力学的观点来看，吸收光和发射光的基本单元是谐振子。
每种谐振子都有它的固有频率，当外来电磁波的频率和谐振子的固有频率相同时，谐振子会对外来的辐射产生很强的吸收，这种吸收称为共振吸收。
(c) 当原子处于激发态E 2时，如果恰好有能量(这里E 2>E 1)的光子射来，在入射光子的影响下，原子会发出一个同样的光子而跃迂到低能级E 1上去，这种辐射叫做受激辐射。
3. 质量为m 、速度为v 、自由运动的微粒的德布罗意波长：A o 25.12ννλ===e m h p h 当加速电压V ≈150V 时，λ≈1Å相当于晶体的点阵常数4. 试述物理性能测试方法与传统的金相、XRD 及电镜分析的区别。
(1) 可以有效地进行材料试验的动态过程研究，较精确地判断材料中发生相变的温度、时间、数量和限度；(2) 可以灵敏地确定一些微量元素对材料结构与性能的影响；(3) 所得结果反映材料的整体效应，可以避免局部微观区域观察或测量可能造成的错觉。
5. 能够用能带理论解释导电性。
导体：如果允带内的能级未被填满，允带之间没有禁带或允带相互重叠，见图a ，b ，c 。
绝缘体：若一个满带上面相邻的是一个较宽的禁带，见图d 。
材料物理性能定义总结
第一章材料的电性能A按压力对金属导电性的影响：金属分为正常金属和反常金属。
B本征电导：源于晶体点阵中基本离子的运动。
玻璃的导电机理：玻璃在通常情况下是绝缘体，但在高温下，玻璃的电阻率却可能大大降低，因此在高温下有些玻璃将成为导体。
玻璃的导电是由于某些离子的可动性导致的，故玻璃是一种电解质的导体。
在钠玻璃中，钠离子在二氧化硅网络中从一个间隙跳到另一个间隙，形成电流。
这与离子晶体中的间隙离子导电类似。
本征半导体：纯净的无结构缺陷的半导体单晶。
本征电导在高温下为导电的主要表现。
半导体导电机理：在绝对零度和无外界影响的条件下，半导体的空带中无运动的电子。
但当温度升高或受光照射时，也就是半导体受到热激发时，共价键中的价电子由于从外界获得了能量，其中部分获得了足够大能量的价电子就可以挣脱束缚，离开原子而成为自由电子。
本征半导体的电学特性：1)本征激发成对产生自由电子和空穴，自由电子浓度与空穴浓度相等；2)禁带宽度Eg 越大，载流子浓度n i 越小；3)温度升高时载流子浓度n i 增大。
4)载流子浓度n i与原子密度相比是极小的，所以本征半导体的导电能力很微弱。
不均匀固溶体（k状态）：在合金元素中含有过渡族金属的，这些固溶体中有特殊相变及特殊结构存在，这种组织状态称为k状态。
这些固溶体中原子间距的大小显著地波动，其波动正式组元原子在晶体中不均匀分布的结果，所以也把k状态称之为“不均匀固溶体）。
C畴壁：两铁电畴之间的界壁称为畴壁。
超导电性：在一定低温条件下，金属突然失去电阻的现象叫超导电性。
超导态：金属失去电阻的状态称为超导态，金属具有电阻的状态称为正常态。
超导体三个基本特性：完全导电性,完全抗磁性,通量(flux)量子化。
完全导电性：在室温下把超导体放入磁场中，冷却到低温进入超导态，把原磁场移开，则在超导体中的感生电流，由于没有电阻而将长久存在，成为不衰减电流。
超导现象产生的原因：由于超导材料中的电子双双结成库柏电子对，电子对和晶格间相互作用，而无能量损失，使超导体不产生电阻超导体存在Tc 的原因：当温度或外磁场强度增加时，电子对获得能量，当温度或外磁场强度增加到临界值时，电子对全部被拆开成正常态电子，于是材料即由超导态转变为正常态。
晶体材料简介
晶体（crystal）是由大量微观物质单位（原子、离子、分子等）按一定规则有序排列的结构，非晶体是指结构无序或者近程有序而长程无序的物质，组成物质的分子（或原子、离子）不呈空间有规则周期性排列的固体。
晶体与非晶体的区别：1 外形晶体都具有规则的几何形状，而非晶体没有一定的几何外形。
2 各向异性晶体的各种物理性质，在各个方向上都是不同的，即各向异性；非晶体则显各向同性。
3 熔点晶体必须到达熔点时才能熔解，而非晶体在熔解的过程中，没有明确的熔点，随着温度升高，物质首先变软，然后逐渐由稠变稀。
4 对X射线的衍射晶体可对X射线发生，非晶体不可对X射线发生衍射，当单一波长的X-射线通过晶体时，会在记录仪上看到分立的斑点或明锐谱线。
而在同一条件下摄取的非晶体图谱中却看不到分立的斑点或明锐谱线。
晶体与非晶体在一定条件下是可以互相转化的。
由非晶态转化为晶态，这一过程称为晶化或脱玻化。
晶化过程可以自发进行，因为非晶态内能高、不稳定，而晶态内能低、稳定。
相反，晶体也可因内部质点的规则排列遭到破坏而转化为非晶态，这个过程称为非晶化。
非晶化一般需要外能。
大块非晶(BMG)即非晶态合金指的是内部原子排列不存在长程有序的金属和合金，通常也称为玻璃态合金或金属玻璃。
非晶态合金与液态一样具有近程有序而远程无序的结构特征。
特点(1)高强韧性。
其抗拉强度可达到3000 MPa以上，而超高强度钢（晶态）抗拉强度仅为1800～2000 MPa。
另外，许多淬火态的非晶态合金薄带可反复弯曲，即使弯曲180°也不会断裂。
(2)耐腐蚀性。
它具有很强的耐腐蚀性，其主要原因是凝固时能迅速形成致密、均匀、稳定的高纯度钝化膜。
(3)优良的磁性。
与传统的金属磁性材料相比，由于非晶合金原子排列无序，没有晶体的各向异性，而且电阻率高，具有高的磁导率，低的损耗，是优良的软磁材料。
(4)工艺简单、节能、环保。
非晶合金薄带成品的制造是在炼钢之后直接喷带的，只需一步就完成制造，工艺大大简化，节能，无污染，有利于环境保护。
材料物理性能知识点总结
材料性能的影响因素材料化学组成和显微结构不同，决定其有不同的特性；材料的内部分子层次上，原子、离子之间的相互作用和化学键合对材料性能产生决定性的影响；多晶多相材料的显微结构的不同，影响材料的大部分性能。
晶体结合类型、特征：（1）离子晶体：离子键合、高硬度、高升华热，可溶于极性溶剂、低温不导电，高温离子导电。
（2）共价晶体：共价键合、高硬度、高熔点，几乎不溶于所有溶剂，高折射率，强反射本领。
（3）金属晶体：金属键合、高密度、导电率高，延展性好，只溶于液体金属。
（4）分子晶体：范德华力结合，高热膨胀，易溶于非极性有机溶剂中，低熔点、沸点，压缩系数大，保留分子的性质。
（5）氢键：低熔点、沸点，结合力高于无氢键的类似分子。
单晶体是由一个微小的晶核各向均匀生长而成，其内部的粒子基本上按其特有的规律整齐排列。
晶体微粒（包括离子、原子团）在空间排列有一定的规律晶体性质：1.均与性；2.各向异性；3.规则的多面体外形；4.确定的熔点；5.对称性晶体可分为单晶、多晶、微晶等微晶：粒度很小的晶体组成的物质（显晶质、隐晶质、单晶、多晶）晶体和非晶体的区别如下：晶体有规则的几何外形非晶体没有一定的外形晶体有固定的熔点非晶体没有固定的熔点晶体显各向异性非晶体显各向同性按热力学观点看：晶体一般都具有最低的能量，因而较稳定非晶体一般能量较高，都处于介稳或亚稳态晶格确定步骤：1.确定基本结构单元；2.将结构基元看做一点；3.这些几何点聚焦形成点阵（面角守恒：同组晶体和对应面之间夹角恒定不变）材料应用考虑因素：使用寿命、性能、可靠性、环境适应性、性价比。
材料性能是一种用于表征材料在给定外界条件下的行为参量。
同一材料不同性能，只是相同的内部结构，在不同的外界条件下所表现出的不同行为。
材料性能的研究：材料性能的研究，既是材料开发的出发点，也是其重要归属。
材料强度、表面光洁度、绝缘性能、热导性、热膨胀系数等是衡量基板材料好坏的重要指标。
材料的晶体结构与物理性能分析
材料的晶体结构与物理性能分析材料的晶体结构是材料科学中的一个重要概念，对材料的性能、应用和研究都有着不可忽视的作用。
本文将就材料的晶体结构与物理性能进行深入的探讨和分析。
一、晶体结构的定义和性质晶体是一种具有有序的三维结构的固体，晶体结构是指晶体中原子、离子或分子处于规则的排列状态。
晶体结构的分析主要涉及到晶格、晶胞和对称性等概念。
晶格是指空间中的一种平行移动重复排列的结构，晶格点是晶格上的离子、原子或分子。
晶格点之间的最小距离称为晶格常数。
晶胞是晶体中最小的重复单元，可以看作是由晶格点构成的无限长的基本单元。
晶体的对称性具有很重要的意义，对称性强的晶体通常具有更稳定的结构和更优异的物理性能。
常见的对称性包括中心对称性、镜像对称性、轴对称性和平面对称性等。
二、晶体结构与物理性能的关系晶体结构与物理性能之间存在着很密切的关系，晶体的形态、硬度、热稳定性、光电性质等都与晶体的结构有着很大的关联。
例如，晶体的硬度与晶体的结构有很大的关系。
晶体的硬度通常取决于晶体内部离子或原子之间结合的紧密程度。
在晶体内部，原子或离子之间存在着作用力，通常被称为键结。
键结牢固程度越高，晶体的硬度越高。
此外，晶格的对称性还会对晶体的物理性能产生很大的影响。
典型的例子是铁磁性材料，当材料的晶格对称性越高，铁磁性效应更加明显。
三、晶体结构的分析方法晶体结构的分析通常会涉及到许多实验技术和理论手段，主要包括X射线衍射、电子显微镜、拉曼光谱、核磁共振等方法。
其中，X射线衍射是最重要的晶体结构分析方法之一。
X射线衍射的基本原理是：当X射线通过晶体时，会因受到晶体中离子、原子的散射作用而发生衍射，衍射的方向和强度与晶体内部的排列状态有很大关系。
通过测定衍射强度和方向，可以得到晶体的晶格常数、晶体结构和晶格对称性等信息。
此外，X射线衍射还可以用于分析晶体中的缺陷结构和晶体的杂质等问题。
结论材料的晶体结构是材料科学中不可忽视的一环。
晶体结构的特点、对称性和分析方法对于深入认识材料的物理性质和应用具有重要意义。
5.1_晶体材料的结构与物理性能
晶体缺陷
一方面对材料的某些性能产生不良影响 一方面也使材料的性能产生各种变化，达到材料
的改性，甚至赋于材料新的或特殊的性能。 改变晶体中缺陷的种类或缺陷的浓度，可制得所需性能 的晶体材料，是材料改性和制备新型或特殊性能材料的有效 方法之一，非整比化合物构成的材料即是其中的一类。
实例1：在钠蒸汽中加热NaCl晶体 氯化钠晶体中有少量钠原子掺入，此时，若晶体受到辐 射时，钠原子将电离为钠离子和自由电子，钠离子占据正常 正离子位置、电子占据负离子格点，形成Na1+δCl，此时电 子处于空缺位置，他们能够吸收可见光而使晶体材料带有颜 色，为绿色化合物 。
晶体的稳定性： 组成晶体的微粒是对称排列的，形成很规则的几何空 间点阵，组成点阵的各个原子之间，都相互作用着， 它们的作用主要是静电引力。对每一个原子来说，其 他原子对它作用的总效果，使它们都处在势能最低的 状态，因此很稳定，宏观上就表现为形状固定，且不 易改变。
晶体的范性：
晶体内部原子有规则的排列，引起了晶体各向不同的 物理性质。例如原子的规则排列可以使晶体内部出现 若干个晶面，立方体的食盐就有三组与其边平行的平 面。如果外力沿平行晶面的方向作用，则晶体就很容 易滑动（变形），这种变形还不易恢复，称为晶体的 范性。同样也可以看出沿晶面的方向，其弹性限度 小，只要稍加力，就超出了其弹性限度，使其不能复 原；
衍射效应 由于组成材料的周期性排列的晶体相当于三维光 栅，能使波长相当的x射线、电子流或中于流产生衍射 效应，这成为了解晶体材料内部结构的重要实验方法。 测定晶体立体结构的衍射方法，有X射线衍射、电 子衍射和中子衍射等方法。其中以X射线衍射法的应用 所积累的精密分子立体结构信息最多。 例：XRD谱图示例
（2）不同晶体材料的特殊性 不同的晶体材料具有不同的微观结构，使之区 别于其他的晶体，因而又使不同晶体材料之间各 有特点。 例：晶体缺陷形成非整比化合物构成的材料。
材料物理性能
1.根据受力应变特征材料分为：脆性材料，延性材料，弹性材料。
2.材料受载荷后形变的三个阶段：弹性形变，塑形形变，断裂3.弹性模量：材料在弹性变形阶段内正应力和对应的正应变的比值。
意义：反映材料抵抗应变的能力，是原子间结合强度的标志。
影响因素〔键合方式，晶体结构，温度，复相的弹性模量〕。
机理：对于足够小的形变应力与应变成线性关系，系数为弹性模量，物理本质是原子间结合力抵抗外力的宏观表现，弹性系数和弹性模量是反映原子间结合强度的标志。
4.滞弹性：固体材料的应变产生与消除需要有限的时间，这种与时间有关的弹性称为滞弹性。
衡量指标：应力弛豫和应力蠕变。
应力弛豫：在持续外力作用下发生形变的物体在总变形值保持不变的情况下，徐变变形增加使物体的内部应力随时间延续而逐渐减少的现象。
应力蠕变：固体材料在恒定荷载下变形随时间延续而缓慢增加的不平衡过程。
5.塑性形变指一种在外力移去后不能回复的形变。
滑移系统：滑移方向和滑移面。
产生条件：a-〔几何条件〕面间距大滑移矢量小b〔静电条件〕每个面上是同种电荷原子，相对滑移面上的电荷相反。
无机非材料不产生原因：a.滑移系统少；b.〔位错运动激活能大〕位错运动需要克服的势垒比拟大，位错运动难以实现。
施加应力，或者由于滑移系统少无法到达临界剪应力，或者在到达临界剪应力之前就导致断裂；c.伯格斯矢量大。
6.高温蠕变定义：材料在高温下长时间受到小应力作用出现蠕变现象。
影响因素：温度和应力。
机理：a晶格机理〔位错攀移理论，由于热运动位错线处一列原子移去或移入，位错线向上移一个滑移面。
〕b扩散蠕变理论〔空位扩散流动，应力造成浓度差，导致晶粒沿受拉方向伸长或缩短引起形变〕c晶界机理〔多晶体蠕变，高温下晶界相对滑动，剪应力松弛，有利蠕变。
低温下晶界本身是位错源，不利蠕变〕7.理论断裂强度：理论下材料所能承受的最大应力。
实际强度：实际情况中材料在外加应力作用下，沿垂直外力方向拉断所需应力。
8.断裂韧性：是材料的固有性能，由材料的组成和显微结构所决定，是材料的本征参数。
功能材料相关知识点概括讲解
绪论1、功能材料指具有一种或几种特定功能的材料，具有优良的物理、化学和生物功能，在物件中起着“功能”的作用。
力学功能对应于宏观物体的机械运动，其他功能对应于微观物体的运动，习惯上不把结构材料包括在功能材料范畴内。
2、宏观运动和微观运动之间相互联系，在适当条件下可以互相转化。
因此，结构材料和功能材料有共同的科学基础，有时很难截然划分。
3、功能材料是指具有优良的物理、化学和生物或其相互转化的功能，用于非承载目的的材料。
4、功能材料按化学成分（化学键）分类，可分为金属、无机非金属、有机高分子和复合功能材料。
按物理性质分类，可分为物理（如光、电、磁、声、热和力学功能材料等）、化学、生物、核功能材料和特殊功能材料。
导电材料1、导电材料按导电机理可分为电子导电材料和离子导电材料两大类，电子导电材料的导电源于电子运动，电子导电材料包括导体、超导体和半导体。
离子导电材料的导电主要源于离子的运动。
2、超导体从正常态（电阻态）过渡到超导态（零电阻态）的转变称为正常-超导转变，转变时的温度Tc称为这种超导体的临界温度。
3、除温度外足够的磁场也能破坏超导态。
使超导态转变成正常态的最小磁场Hc（T）称为此温度下该超导体的临界磁场。
磁场的存在可以使临界温度降低，磁场越大，临界温度也越低。
4、超导体按迈斯纳效应可分为软超导体（第一类超导体）和硬超导体（第二类超导体），硬超导体在超导态和正常态之间有一种混合态存在。
5、半导体的电子结构跟绝缘体相近，只是半导体的禁带宽度要比绝缘体小，电子受热或光等能量容易被激发，同时产生空穴而形成传导。
6、半导体按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体。
元素半导体包括本征半导体和杂质半导体。
7、半导体按掺杂原子的价电子数可分为施主型(电子型或n型)和受主型(空穴型或P型)。
前者掺杂原子的价电子多于纯元素的价电子，后者正好相反。
8、半导体中价带上的电子借助于热、光、电、磁等方式激发到导带叫本征激发。
材料物理性能-功能晶体材料概要PPT文档78页
6、纪律是自由的第一条件。——黑格 尔 7、纪律是集体的面貌，集体的声音， 集体的 动作， 集体的 表情， 集体的 信念。 ——马 卡连柯
8、我们现在必须完全保持党的纪律， 否则一 切都会 陷入污 泥中。 ——马 克思 9、学校没有纪律便如磨坊没有水。— —夸美 纽斯
10、一个人应该：活泼而守纪律，天 真而不 幼稚， 勇敢而 鲁莽， 倔强而 有原则 ，热情 而不冲 动，乐 观而不 盲目。 —心灵的最软弱无力。——斯宾诺莎 7、自知之明是最难得的知识。——西班牙 8、勇气通往天堂，怯懦通往地狱。——塞内加 9、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。——赫尔普斯 10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。——笛卡儿
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《材料物理性能》——功能材料
功能晶体材料—激光晶体
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功能晶体材料—激光晶体
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功能晶体材料—激光晶体
2. 优良的光学均匀性能
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3. 良好的物理化学性能
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功能晶体材料—激光晶体
功能晶体材料—光学晶体材料
金属卤化物晶体
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功能晶体材料—光学晶体材料
金属卤化物的光学性质
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功能晶体材料—光学晶体材料
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功能晶体材料—光学晶体材料
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氧化物和含氧酸盐晶体
固体激光器
固体激光器工作物质中产生激光的粒子，一般为离子， 称为激活离子。构成晶体晶格结构的物质称为基质。根据 激活离子的工作原理可以将固体激光器分为基于电子能级 的激光器、基于电子—振动跃迁的激光器。
本节将简单介绍这些激光器。
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功能晶体材料—激光晶体
基于电子能级的激光器
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功能晶体材料—激光晶体
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2. 自激活激光晶体
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主要的自激活激光晶体
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激光晶体分类
《材料物理性能》——功能材料
功能晶体材料—激光晶体
1. 掺杂型激光晶体 绝大部分激光晶体都是掺杂型激光晶体。它是由激活离 子和基质晶体两部分组成。激光晶体的研究都是基于为各 种激活离子提供一个合适的晶格场，使之产生所需的受激 辐射。常用的激活离子绝大部分是过渡金属离子和稀上金 属离子。 激光晶体对基质晶体的要求是其阳离子与激活离子半 径、电负性接近，价态尽可能相同，物理化学性能稳定和 能较易生长出光学均匀性好的大尺寸晶体。基本符台上述 要求的基质晶体主要有氧化物和氟化物二大类。氧化物晶 体通常熔点高、硬度大、物理化学性能稳定，掺入三价激 活离子对不需要电荷补偿，因此是研制最多、应用最广的 一类基质晶体。
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功能晶体材料—非线性光学晶体
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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功能晶体材料—非线性光学晶体
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功能晶体材料—光学晶体材料
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各种半导体晶体的光学性质
《材料物理性能》——功能材料
功能晶体材料—非线性光学晶体
自从20世纪60年代激光出现后，其相干电磁场功率密度可达 10“w／cmz，相应的电场强度可与原子的库仑场强(约3×10。v／ m)相比较。因此，其极化率P与电场的二次、三次甚至更高次幂 相关，从而开辟了非线性光学及其材料发展这一新领域。正是由 于光波通过介质时极化率非线性响应产生了对于光波的反作用， 产生丁在和频差频等处的谐波。这种省强光有关的、不同于线性 光学现象的效应被称作非线性光学效应具有非线性光学效应的晶 体则称为非线性光学晶体。
《材料物理性能》——功能材料
特殊结构功能材料
光学晶体
非线性光学晶体
激光晶体
《材料物理性能》——功能材料
特殊结构功能材料—激光晶体
材料
功能晶体材料—非线性光学晶体
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功能晶体材料—非线性光学晶体
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功能晶体材料—非线性光学晶体
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功能晶体材料—非线性光学晶体
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功能晶体材料—非线性光学晶体
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4. 半导体激光
《材料物理性能》——功能材料
功能晶体材料—激光晶体
4. 半导体激光
《材料物理性能》——功能材料
功能晶体材料—电光和光折变晶体
电光和光折变晶体 材料
《材料物理性能》——功能材料
功能晶体材料—光学晶体材料
激光晶体
材料
功能晶体材料—激光晶体
《材料物理性能》——功能材料
功能晶体材料—激光晶体
激光器要实现自激振荡，除了具备粒子数反转和受激辐射 几率远远大于自发辐射几率，即受激辐射占主导地位以外，还 须增益大于损耗。 由激光器工作的基本原理可以看出一种优良的激光工作物 质应该具有以下几个特点： 优良的光学均匀性 1. 良好的荧光和激光性能
《材料物理性能》——功能材料
功能晶体材料—光学晶体材料
激光晶体
材料
电光和光折变晶体
《材料物理性能》——功能材料
功能晶体材料—其他交互效应功能晶体
材料
《材料物理性能》——功能材料
功能复合材料
光学晶体
非线性光学晶体
激光晶体
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功能复合材料—激光晶体
材料
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功能晶体材料—光学晶体材料
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功能晶体材料—非线性光学晶体
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功能晶体材料—激光晶体
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功能晶体材料—激光晶体
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功能晶体材料—激光晶体
基于电子—振动跃迁的激光器(终端声子激光器
3. 色心激光晶体
《材料物理性能》——功能材料
功能晶体材料—激光晶体
主要碱金属卤化物色心晶体
《材料物理性能》——功能材料
功能晶体材料—激光晶体
4. 半导体激光
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功能晶体材料—新型激光晶体的探索
探索新的激光晶体，首先必须考虑激活离子和基质晶体； 探索新型激光晶体的若干方面。
《材料物理性能》——功能材料
功能晶体材料—非线性光学晶体
《材料物理性能》——功能材料
功能晶体材料—非线性光学晶体
《材料物理性能》——功能材料
功能晶体材料—非线性光学晶体
《材料物理性能》——功能材料
功能晶体材料—非线性光学晶体
《材料物理性能》——功能材料
功能晶体材料—非线性光学晶体
激光频率转换晶体
《材料物理性能》——功能材料
功能晶体材料—光学晶体材料
《材料物理性能》——功能材料
功能晶体材料—光学晶体材料
氧化物及含氧酸盐晶体的光学性质
《材料物理性能》——功能材料
功能晶体材料—光学晶体材料
《材料物理性能》——功能材料
功能晶体材料—光学晶体材料
IV族与II—VI族化合物半导体晶体
《材料物理性能》——功能材料
《材料物理性能》——功能材料
功能晶体材料
光学晶体
非线性光学晶体
激光晶体 电光和光折变晶体
《材料物理性能》——功能材料
功能晶体材料—光学晶体材料
光学晶体一般是指作为光学介质用的晶体，主要用于光 学仪器中的透过窗口、棱镜、透镜、滤光和偏光元件及相 位补偿镜等，其应用均属于线性光学的范畴。 作为棱镜透镜材料，光学设计首先要考虑的是使用的光 谱透过区，要求光学晶体在该光谱区域有较高的透过率。 光学晶体也由此可分为紫外、可见和红外晶体，图11-l表示 一些光学晶体(均为离子晶体）。在紫外区和红外区的吸收 系数随波长的变化，紫外和红外吸收极限波长与阴、阳离 子的原子序数成正比。轻元素化合物在紫外有较高的透过 率，重金属化合物在红外有较高的透过率，由图11-l可选择 适用于不同光谱透过范围的光学晶体。