材料物理性能(研究生)资料.
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材料物理性能
材料学院 王希靖
Fra Baidu bibliotek
绪论
作为一门学科，材料科学与工程的形成是金属材 料、无机材料、有机高分子材料各学科发展过程 的殊途同归。如果说以往机械工业的发展长期来 追求材料的高强度、高韧性、耐高温、抗腐蚀等 主要后材料结构抗力的话，在人类进入“信息社 会”的今天，许多新兴企业正在替代原有的传统 工业，音像市场已渗透到社会生活的各个角落， 电子计算机和机器人正在努力实现智能化，人类 对太空、海洋和人体自身的探索日益深入，这一 切对材料提出的则是更高的功能性指标。
第一节 磁的基本概念 一、磁质与磁距
磁化：物质受到磁场作用而呈现一定磁性的现象。 磁质：能被磁场磁化的物质。 总磁场： H 总 H H '
H ：外磁场强度；
H ' ：附加场强 依 H ' 的大小与方向，可分为三类：
（1）、 抗磁质：H ' 方向相反H，且 （2 ）、顺磁质：H ' 方向相同H，且 （3）、铁磁质：H ' 方向相同H，且
• 人们曾经幻想过能实现大功率的光发射，如今钕玻璃的成功应用使得 激光器可以输出1012--1014w的脉冲功率。同样，正是由于高透明光导 纤维玻璃的研制成功，才使远距离光通信成为现实。
• 今天，科技的发展和生活质量的提高从各个领域对材料的性能都提 出了新需求。譬如，随着机械功率的增大和速度的提高，有害的振动 和噪声不可避免地随之增长，人们为了保护赖以生活的环境，就有必 要研制高阻尼和消声材料以防止噪声的污染。
• 工程材料可以粗略地划分为结构材料和功能材料。 • 功能材料涉及的范围很广，通常指那些具有特定物理、化学
或生物学特性的材料。它可以作为一种将输入能量传递或转 换成其他能量的功能元件。 • 材料的结构性以原子尺度内部不发生变化为特征， • 材料的功能性通常为原子内部的电子以至原于核间的交互作 用而表现出来的特性。 • 譬如，电子能带结构的不同性质决定了材料的导电性差异， 因而有良导体、半导体、电介质和超导体之分。 • 材料的磁性决定于原子中次壳层电子是否被填满以及它们之 间因“交换作用”产生不同原子取向的结果，因而有抗磁体、 顺磁体和铁磁体之别。由于微观结构的差异，材料的铁磁性 中又可区分为水磁、软磁、短磁和旋磁等。 • 材料在“非平衡”的情况下能够发光(如彩色显像管中那样的 荧光)，则是材料的透明基质中渗入微量杂质的电子被激发到 高能态，从而成为发光中心的缘故.
• 在探索功能材料的同时，人们研究材料物理性能的另一个感兴趣领 域是把物理性能测试作为材料研究的一种方法，即通过各种状态下所 测得的材料参数，取得固体内部微观结构组态的信息，以阐明材料的 纯度、状态、相组成，精确判断相变过程的性质、数量和限度。这种 方法在许多方面有独特的效果，称为“材料物理性能分析”。与金相 分析、x—射线分析和电子显微分析相比，物理性能分析的特点是： (1)可以有效地进行材料试验的动态过程研究，较精确地判断材科中发 生相变的温度、时间、数量和限度；
• 可以设想，在不远的将来，港口、机场、泵房、机械加工和铸锻车间 也将成为低噪声或无噪声环境。宇宙飞行器在返回大气层时，其前沿 局部表面耍达到数千摄氏度高温，为了进行太空探索就需要研制更优 良的隔热材料和热防护材料。总之，人们需要更多具有电、磁、光、 热和声学特殊性能的金属、陶瓷、半导体和聚合物材料。
• 在40年代半导体材科尚未问世之前，世界上第一台电子计算机曾经是 一座两层楼高的庞然大物，而今功能比它强得多的一台“nlinkpaid— 600笔记本电脑全都集成在一个厚度仅35mm的盒子里，整机重量仅 2．5kg。由于磁记录材料的进步，今天可以把联邦百科全书都贮存在 计算机中一个小小的硬盘里，供全世界的读者通过计算机国际互联网 随时查阅。
H ' H
H ' H H ' H
磁距：磁质磁性的表征。磁质在外磁场中的磁力 距。
概念引入：M=Is×S×H
I S S Pm 为磁矩。
原子中电子的两个运动： 自旋运动：自己围绕自身轴运动。 循轨运动：电子围绕原子核运动。
因为相当于一个闭合的电回路，都存在着固定的磁
矩，称为循轨磁矩：
循
eh
• 毫无疑问，材料在工程应用中需要有综合性能，但其中某一项性能往 往处于决定性的地位。材料物理性能是功能材料发展中受到特别关注 的领域之一。它的进展凝聚着物理、化学、冶金、陶瓷和聚合物等领 域科学工作者的成果，在人类科技发展史上已作出了醒目的记载。譬 如，在第二次世界大战期间，德国以其首先研制成功的高保真录音磁 带深夜里在电台播放时，曾经使英美的谍报人员迷惑不解，而今录音、 录像的磁带或光盘己成为全世界普通人日常的生活用品。
第1章 材料磁学性能
1基本磁性参数 磁性现象是带电粒子的量子效应，磁性是一切物质的基本 属性之一。按照现代科学的观点，所有物质(从微小的微 观粒子到宏观物质，以至于宇宙天体)无论其处于什么样 的状态(气态、液态、固态)，也无论处于怎样的温度、压 力下．都显现某种磁性状态。 物质宏观磁性是组成物质 的基本质点磁性的集体表现，应用磁性材科可以实现能量 转换、存贮，信息传递与存贮等功能．磁性材料的应用遍 及各个领域，各行各业。磁性是磁性材料的重要物理参数， 磁性与生命科学密切相关，现代技术的发展离不开磁性材 料和磁性理论，磁性分析方法是研究材料组织结构的重要 手段之一。
4me
li (li 1) B
li (li 1)
玻尔磁子： B 9.27 10 24 A m2
li :为轨道角动量量子数。
自旋磁矩：自
eh
2m
Si (Si 1) 2B
Si (Si 1)
si为自旋角动量量子数。 磁矩的宏观表现：无外磁场时，磁矩取向紊乱， 不呈现磁性；
(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。
应当看到，合理地选用物理性能参数是取得预期分析结果的前提。在 材料研究中，针对所研究的问题有时可以选用不同参数进行综合分析， 并用其他方法的研究结果予以补充和左证。只有合理地采用不同的研 究方法，互相补充，才能有效地解决材料科学研究中提出的问题。
材料学院 王希靖
Fra Baidu bibliotek
绪论
作为一门学科，材料科学与工程的形成是金属材 料、无机材料、有机高分子材料各学科发展过程 的殊途同归。如果说以往机械工业的发展长期来 追求材料的高强度、高韧性、耐高温、抗腐蚀等 主要后材料结构抗力的话，在人类进入“信息社 会”的今天，许多新兴企业正在替代原有的传统 工业，音像市场已渗透到社会生活的各个角落， 电子计算机和机器人正在努力实现智能化，人类 对太空、海洋和人体自身的探索日益深入，这一 切对材料提出的则是更高的功能性指标。
第一节 磁的基本概念 一、磁质与磁距
磁化：物质受到磁场作用而呈现一定磁性的现象。 磁质：能被磁场磁化的物质。 总磁场： H 总 H H '
H ：外磁场强度；
H ' ：附加场强 依 H ' 的大小与方向，可分为三类：
（1）、 抗磁质：H ' 方向相反H，且 （2 ）、顺磁质：H ' 方向相同H，且 （3）、铁磁质：H ' 方向相同H，且
• 人们曾经幻想过能实现大功率的光发射，如今钕玻璃的成功应用使得 激光器可以输出1012--1014w的脉冲功率。同样，正是由于高透明光导 纤维玻璃的研制成功，才使远距离光通信成为现实。
• 今天，科技的发展和生活质量的提高从各个领域对材料的性能都提 出了新需求。譬如，随着机械功率的增大和速度的提高，有害的振动 和噪声不可避免地随之增长，人们为了保护赖以生活的环境，就有必 要研制高阻尼和消声材料以防止噪声的污染。
• 工程材料可以粗略地划分为结构材料和功能材料。 • 功能材料涉及的范围很广，通常指那些具有特定物理、化学
或生物学特性的材料。它可以作为一种将输入能量传递或转 换成其他能量的功能元件。 • 材料的结构性以原子尺度内部不发生变化为特征， • 材料的功能性通常为原子内部的电子以至原于核间的交互作 用而表现出来的特性。 • 譬如，电子能带结构的不同性质决定了材料的导电性差异， 因而有良导体、半导体、电介质和超导体之分。 • 材料的磁性决定于原子中次壳层电子是否被填满以及它们之 间因“交换作用”产生不同原子取向的结果，因而有抗磁体、 顺磁体和铁磁体之别。由于微观结构的差异，材料的铁磁性 中又可区分为水磁、软磁、短磁和旋磁等。 • 材料在“非平衡”的情况下能够发光(如彩色显像管中那样的 荧光)，则是材料的透明基质中渗入微量杂质的电子被激发到 高能态，从而成为发光中心的缘故.
• 在探索功能材料的同时，人们研究材料物理性能的另一个感兴趣领 域是把物理性能测试作为材料研究的一种方法，即通过各种状态下所 测得的材料参数，取得固体内部微观结构组态的信息，以阐明材料的 纯度、状态、相组成，精确判断相变过程的性质、数量和限度。这种 方法在许多方面有独特的效果，称为“材料物理性能分析”。与金相 分析、x—射线分析和电子显微分析相比，物理性能分析的特点是： (1)可以有效地进行材料试验的动态过程研究，较精确地判断材科中发 生相变的温度、时间、数量和限度；
• 可以设想，在不远的将来，港口、机场、泵房、机械加工和铸锻车间 也将成为低噪声或无噪声环境。宇宙飞行器在返回大气层时，其前沿 局部表面耍达到数千摄氏度高温，为了进行太空探索就需要研制更优 良的隔热材料和热防护材料。总之，人们需要更多具有电、磁、光、 热和声学特殊性能的金属、陶瓷、半导体和聚合物材料。
• 在40年代半导体材科尚未问世之前，世界上第一台电子计算机曾经是 一座两层楼高的庞然大物，而今功能比它强得多的一台“nlinkpaid— 600笔记本电脑全都集成在一个厚度仅35mm的盒子里，整机重量仅 2．5kg。由于磁记录材料的进步，今天可以把联邦百科全书都贮存在 计算机中一个小小的硬盘里，供全世界的读者通过计算机国际互联网 随时查阅。
H ' H
H ' H H ' H
磁距：磁质磁性的表征。磁质在外磁场中的磁力 距。
概念引入：M=Is×S×H
I S S Pm 为磁矩。
原子中电子的两个运动： 自旋运动：自己围绕自身轴运动。 循轨运动：电子围绕原子核运动。
因为相当于一个闭合的电回路，都存在着固定的磁
矩，称为循轨磁矩：
循
eh
• 毫无疑问，材料在工程应用中需要有综合性能，但其中某一项性能往 往处于决定性的地位。材料物理性能是功能材料发展中受到特别关注 的领域之一。它的进展凝聚着物理、化学、冶金、陶瓷和聚合物等领 域科学工作者的成果，在人类科技发展史上已作出了醒目的记载。譬 如，在第二次世界大战期间，德国以其首先研制成功的高保真录音磁 带深夜里在电台播放时，曾经使英美的谍报人员迷惑不解，而今录音、 录像的磁带或光盘己成为全世界普通人日常的生活用品。
第1章 材料磁学性能
1基本磁性参数 磁性现象是带电粒子的量子效应，磁性是一切物质的基本 属性之一。按照现代科学的观点，所有物质(从微小的微 观粒子到宏观物质，以至于宇宙天体)无论其处于什么样 的状态(气态、液态、固态)，也无论处于怎样的温度、压 力下．都显现某种磁性状态。 物质宏观磁性是组成物质 的基本质点磁性的集体表现，应用磁性材科可以实现能量 转换、存贮，信息传递与存贮等功能．磁性材料的应用遍 及各个领域，各行各业。磁性是磁性材料的重要物理参数， 磁性与生命科学密切相关，现代技术的发展离不开磁性材 料和磁性理论，磁性分析方法是研究材料组织结构的重要 手段之一。
4me
li (li 1) B
li (li 1)
玻尔磁子： B 9.27 10 24 A m2
li :为轨道角动量量子数。
自旋磁矩：自
eh
2m
Si (Si 1) 2B
Si (Si 1)
si为自旋角动量量子数。 磁矩的宏观表现：无外磁场时，磁矩取向紊乱， 不呈现磁性；
(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。
应当看到，合理地选用物理性能参数是取得预期分析结果的前提。在 材料研究中，针对所研究的问题有时可以选用不同参数进行综合分析， 并用其他方法的研究结果予以补充和左证。只有合理地采用不同的研 究方法，互相补充，才能有效地解决材料科学研究中提出的问题。