材料结构与性能考试复习

1.金属键金属键是化学键的一种，是非极性键。

在金属晶体中，自由电子作穿梭运动，它不专属于某个金属原子而为整个金属晶体所共有。

这些自由电子与全部金属离子相互作用，从而形成某种结合，这种作用称为金属键。

由自由电子及排列成晶格状的金属离子之间的静电吸引力组合而成。

结构特点：无饱和性和方向性，配位数很高，金属原子呈最紧密堆积；金属晶体的特征：导电导热性强，有金属光泽，延展性好，密度大，硬度大，熔沸点高。

（1）导电性：外加电场下作用下，金属中自由电子定向移动形成电流（2）导热性：自由电子的运动和正离子的震动（3）金属光泽：电子吸收可见光，被激发到较高能级，当恢复到原来能级时把吸收的能量辐射出来，使金属不透明而具有光泽（4）延展性：金属键没有饱和性和方向性，当金属发生位移时金属正离子始终被包围在电子云中，保持金属键结合，能禁受变形而不断裂，具有延展性（5）正的电阻温度系数：随温度的升高，正离子和原子的震动幅度加大阻碍电子通过，使电阻升高。

（1）离子键的本质是正负电荷间的静电作用力。

离子键有饱和性和无方向性，使得离子化合物具有配位数高，堆积致密等特点。

③共价键有饱和性和方向性，共价键晶体有很高的熔点、具有良好的光学特性和不良导电性。

④原子晶体的性质：熔点，沸点高、硬度大、不导电、难溶于一般溶剂⑤分子晶体性质：熔点，沸点低、硬度小、容易挥发或升华、固体是电的不良导体2. 为什么原子能级会发生分裂？原子能级分裂过程中有何特点？电子共有化运动：原子组成晶体后，由于电子壳层的交叠，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子上去，因而，电子将可以在整个晶体中运动。

原子靠近产生晶体时，它们的电子云肯定要发生重叠，重叠的过程实际上就是两个电子云相互作用的过程，这个作用的结果有两种，波函数同号叠加的（也就是两个氢原子的电子是同向自旋的情况），能量就要升高，波函数异号叠加的，能量就要降低，能级因为同号或者反号叠加，分裂为两个能级，一个稍高另一个稍低，这就是能级分裂，本质上是电子之间的相互作用。

特点:越外层的电子越容易发生共有化运动，共有化运动弱，能级分裂小，形成能带窄。

电子数量增加时，能级扩展成能带。

能带内电子的能量是连续变化的，或者说电子的能带是连续分布的。

原来的一个能级，分裂成一个能带，不同的能级分裂成不同的能带。

3. 绝缘体、半导体与导体的区别对绝缘体和半导体，它的电子大多数都处于价带，不能自由移动。

但在热、光等外界因素的作用下，可以使少量价带中的电子越过禁带，跃迁到导带上去成为载流子。

绝缘体和半导体的区别主要是禁的宽度不同。

半导体的禁带很窄，（一般低于3eV），绝缘体的禁带宽一些，电子的跃迁困难得多。

因此，绝缘体的载流子的浓度很小，导电性能很弱。

实际绝缘体里，导带里的电子不是没有，并且总有一些电子会从价带跃迁到导带，但数量极少。

所以，在一般情况下，可以忽略在外场作用下它们移动所形成的电流。

但是，如果外场很强，束缚电荷挣脱束缚而成为自由电荷，则绝缘体就会被“击穿”而成为导体。

半导体除了导带导电，还因电子跃迁导致价带空穴，因此价带也导电，这是与导体最大的区别。

半导体中导带的电子与价带的空穴都参与导电。

半导体中价电子大数量多，（半导体中导带电子和价带空穴都参与导电）禁带宽度小，价带电子越过禁带激发到导带所需的能量低，在较低的能量状态下电子就可被激发到导带产生导电能力。

而在导体的结构中，导带本身具有电子，不需要外界能量即可产生电子移动形成电流，因此导电能力最好。

空穴电流：满带中的电子越过禁带进入空带，满带中出现空穴，满带其他高能级电子可以跃迁到这个空穴中来，而使满带电子能够参与导电。

在外加电场作用下，空穴沿着与电子相反的方向移动，相当于正电荷的移动，形成的电流称为空穴电流。

4. 热膨胀现象（位能曲线的不对称性）晶格点阵实际上在做非简谐振动，中轴相当于平衡位置，此时动能最大，势能最小。

当物质受热时，每个粒子的热能增大，点阵中原子或离子在点阵节点上的热震动加剧，振幅加大，同时由于势能曲线的非对称性使原子震动中心发生位移，而且随温度的升高势能的增加，这个位移逐渐增大，从而使原子间的平衡距离增大，这就导致了金属的热膨胀。

（晶体的热膨胀性：共价键晶体<离子键晶体<金属键晶体<分子键晶体---原因：共价键晶体的位能曲线的对称性好，结合力强，显示较小的热膨胀性；而离子键晶体中主要为库仑力，键合力较弱，热膨胀性大；金属键晶体的键弱，在位能曲线中右侧曲线平坦，非对称性增大显示较大的热膨胀性；分子晶体中为范德华力键合力最弱，因而显示最大的热膨胀性）热膨胀系数：结构紧密的晶体〉结构疏松的材料有机高分子材料〉金属材料原因：结构疏松的材料会带有一些孔洞，在膨胀过程中孔洞的距离会抵消膨胀的距离。

材料热膨胀性差异解释双温阻片现象：双金属片是利用金属片在温度改变时产生变形的元件，有两种热膨胀系数不同的合金叠合而成。

膨胀系数大的称为主动层，膨胀系数小的称为被动层。

由于金属膨胀系数的差异，在温度发生变化时，主动层的形变要大于被动层的形变，从而双金属的整体就会向被动层一侧弯曲，产生形变。

随温度的改变而弯曲的双金属片，在相同的温度变化下，黄铜的膨胀和收缩都比钢的大。

5. 电子比热问题金属中的电子作为一种微观粒子,是受泡利不相容原理制约,并遵从费密-狄喇克统计分布的(见量子统计法)。

在量子自由电子中，电子的能级是分立的不连续的，只有那些处于较高能级的电子才能跳到没有别的电子占据的更高能级上去，那些处于低能级的电子不能跳跃到较高能级上去，因为那些较高能级已有别的电子占据。

这样，热激发的电子数量远远小于总的价电子数。

所以用量子自由电子论推导出的比热可以解释实验结果，而经典自由电子论认为所有电子都有可能被热激发，因此计算出的热容量远远大于实验值。

6. n型和p型半导体p具有提供电子的能力，称其为施主杂质；B具有得到电子的性质，称其为受主杂质。

含有施主杂质的半导体，其导电的载流子主要是电子-n型半导体或电子型半导体；含有受主杂质的半导体，其导电的载流子主要是空穴-p型半导体或空穴型半导体。

np型都称为极性半导体。

导体中同时存在受主和施主杂质时，有相互抵消的作用。

本征激发当有能量大于禁带宽度的光子照射到半导体表面时，满带中的电子吸收这个能量，跃迁到导带产生一个自由电子和自由空穴，这一过程称为本征激发。

只有本证激发的半导体称为本征半导体。

7. 杂质能级与允带能级允带能级可容纳自旋方向相反两个电子。

施主或受主杂质能级只可能有中性施主或受主被一个电子或空穴占据；电离施主或受主没有被电子或空穴占据。

8. 解释晶体的融化现象晶体中各原子都以平衡位置为中心不停的震动，温度较低时，各原子在平衡位置做微小振动，温度升高，少数原子离开平衡位置做长距离的运动，产生扩散现象。

温度再升高，绝大多数原子作剧烈运动破坏了周期性，摆脱分子力的束缚，结果导致晶体的熔化。

9. pn结原理：Pn结的形成就是在在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺，使其一边形成n型半导体，另一半形成P型半导体，那么在两种的交界处形成pn结。

在形成pn结时，由于n型半导体区内的电子数量多于空穴数量，而P型半导体内的空穴数量多于电子数量，所以在交界处出现了电子和空穴的浓度差，这样电子和空穴都从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。

最后，多子的扩散和少子的扩散达到动态平衡，在p型和n型结合处两侧留下离子薄层，这个离子薄层形成的空间电离区称为pn结，pn结的内电场方向由n区指向p区，在空间电荷区，由于缺少多子也叫耗尽层。

在界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。

当不存在外加电场时由于pn结两边载流子浓度差引起扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于平衡状态。

当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的相互抵消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。

10. 金属材料与非金属（陶瓷）导热性的差异：金属材料由于具有大量的电子，电子是其热传导的主要方式。

非金属固体材料中导热主要由晶格的格波（声子）来实现，高温时还伴随有光子传热。

合金材料的热传导由声子和光子共同作用。

非金属材料（陶瓷）缺少大量的自由电子，传热过程中声子起主要作用且声子传热远不如电子有效，由于晶格缺陷引起散射大，传热效率低。

而金属材料中Ke=50Ki,导热过程中，电子传热不易散射，且有大量电子参与导热过程，因此导热效率高。

合金材料中由于杂质原子作用降低原子运动效率，使导热率降低，且由于晶格的影响，自由电子散射也较严重，导热性比纯金属差。

晶体结构越复杂，声子平均自由程小，热导率低；气孔率越低，热导率越高。

11.对固体熔解和相转变的解释作固态的自由能F1=E1-TS1与液态自由能F2,=E2 -TS2,与T的关系曲线，固态时原子排列整齐;而液态时原子键松散，则:E固<E液，S固<S液，因此两曲线有交点Tc，T<Tc。

时，液相趋向转变为固相，称为“结晶”;T>Tc时，固相趋向转变为液相，称为“熔解";T称为“熔点”。

12.陶瓷金属的热传导原理（声子光子电子）1.固体导热的载体固体材料的热传导主要是由晶格振动的格波(声子)来实现的。

高温时还可能有光子传热。

金属材料中主要是电子热传导。

>金属中:金属中有大量的自由电子，电子的质量很轻，能迅速地实现热量的传递。

因此，金属一般都具有较大的热导率。

虽然晶格振动对金属导热也有贡献，只是很次要的。

>非金属晶体中:在非金属晶体以晶格振动为主要的导热机构，晶格振动的格波又分为声频支河光频支。

金属热传导是电子机制的电子的贡献最多因为电子不像声子那样容易散射并且具有更高的速度，此外金属具是非常好的热导体，因为有相当大的自由电子参与热传导。

合金合金中的异种元素存在使得热导率下降原因与电导率减小的原因相同，即杂质增加特别是在固溶体中作为散射中心，降低了电子运动效率。

陶瓷是绝缘体因为它缺少大量的自由电子因此声子主要负责热传导Ke远少于Ki 再说声子在热能传导上面不如自由电子那样有效，这是因为晶格缺陷使得声子再热传导过程中发生了散射。