材料物理导论
材料物理导论
材料物理导论《材料物理导论》课程教学大纲课程英文名称: An Introduction to Materials Physics课程编号:0312083002课程计划学时: 48学分: 3课程简介:本课程的目的主要是让材料物理专业的学生在课程学习期间了解利用物理学的方法处理材料科学中问题。
学会从物理学的一些基本概念、基本原理、基本定律出发，说明材料的微观结构、组织形貌、原子电子运动状态及它们与材料性能和成分之间的关系。
本课程要求理解材料的力学、热学、电学、磁学、光学、声学以及材料的功能转换等内容。
通过该课程的学习能深刻理解材料的各种性能及主要影响因素，并能在材料研究中建立相应的物理模型，阐述材料结构、性能和它们在各种外界条件下发生的变化及其变化规律。
一、课程教学内容及教学基本要求第一章材料的力学本章重点：材料的形变；材料的塑性、蠕变与黏弹性；材料的断裂与机械强度；材料的力学与显微结构。
难点：材料的塑性、蠕变与黏弹性；材料的断裂与机械强度。
了解：材料的量子力学基础；材料的力学与显微结构。
本章学时:6学时教学形式:讲授教具:黑板，粉笔第一节材料的形变；材料的塑性、蠕变与黏弹性本节要求：掌握：材料的形变（考核概率30%）。
掌握：材料的塑性、蠕变与黏弹性（考核概率50%）。
（重点，难点）1材料的形变：应力；应变；弹性形变；黏性形变（重点）2材料的塑性、蠕变与黏弹性：材料发塑性；材料的蠕变；材料的黏弹性（重点，难点）第二节材料的断裂与机械强度本节要求：掌握：材料的理论结合强度；材料的脆性断裂与韧性断裂（考核概率70%）。
掌握：材料的裂纹断裂理论；材料的断裂韧性；材料的强度(考核概率70%)。
1材料的理论结合强度（重点，难点）2材料的脆性断裂与韧性断裂（重点，难点）3材料的裂纹断裂理论（重点，难点）4材料的断裂韧性（重点，难点）5材料的强度（重点，难点）第三节材料的量子力学基础；材料的力学与显微结构本节要求：了解：材料的量子力学基础。
材料物理导论答案
= ih ψ∇ψ ∗ −ψ ∗∇ψ 2m
=
ih 2m
ir
(−2ikr ) r3
=
hk mr 2
i r
16. 一粒子在一维势阱中运动，势阱为
U (x)
=
⎪⎧U ⎨
o
> 0,
x
>
a
求束缚态(0
<
E
<
U0)的能级所满足的方程。
⎪⎩0, x ≤ a
解：粒子满足波函数：
⎧ ⎪− ⎪
h2 2m
d
2ϕ1 (x0 dx 2
第一章 材料的力学
1. 一圆杆的直径为 2.5 mm、长度为 25cm 并受到 4500N 的轴向拉力，若直径拉细至 2.4mm，
且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，
并比较讨论这些计算结果。
解：根据题意可得下表
拉伸前后圆杆相关参数表
体积 V/mm3 直径 d/mm 圆面积 S/mm2
解：据题即求如图 E1,E2,η2 和η3 四参数。如图所示有
ε
= ε1
+ε2
+ε3
=
σ0 E1
+
σ0 E2
(1 − e−t /τ
)+
σ0 η3
t
其中ε1 立即回复，ε2 逐渐回复，ε3 不能回复。
⇒
⎪⎧ε1 ⎪ ⎪ ⎨ε 3 ⎪
= =
σ0 E1
σ0 η3
= 0.05 − (3 + e10−10 ) /100 = t = 1.0 ×104 ⋅ 36000 = (3 +
MPa,求沿图中所示之方向的滑移系统产生滑移时需要的最小
材料物理导论-思考题4
第三章 材料的电学1.说明量子自由导电理论与经典导电理论的异同。
经典导电理论：金属是由原子点阵组成的，价电子是完全自由的，可以在整个金属中自由运动自由电子的运动遵守经典力学的运动规律，遵守气体分子运动论。
这些电子在一般情况下可沿所有方向运动。
在电场作用下自由电子将沿电场的反方向运动，从而在金属中产生电流。
电子与原子的碰撞妨碍电子的继续加速，形成电阻。
量子自由导电理论：金属离子所形成的势场各处都是均匀的，价电子是共有化的，它们不束缚于某个原子上，可以在整个金属内自由地运动，电子之间没有相互作用。
电子运动服从量子力学原理 。
2. 一块n 型硅半导体，其施主浓度N D ＝1015／cm 3，本征费米能级Ei 在禁带正中，费米能级E F 在Ei 之上0.29eV 处，设施主电离能∆E D ＝0.05eV ，试计算在T ＝300K 时，施主能级上的电子浓度对于硅半导，其禁带E=E C -E V =1.12ev又由题可知：E F -Ei=0.29ev ，∆E D = E C -E D = 0.05eV所以 E D -E F =0.5E-∆E D -（E F -Ei ）=0.22ev将 N D ＝1015／cm 3，E D -E F = 0.22ev ，T=300K ，k=1.38 x 10-23带入下式因此施主能级上的电子浓度n D =4.06 x 1011／cm 33.为什么金属的电阻随温度的上升而增加，半导体却降低？半导体是靠载流子(空穴或电子)导电的，温度升高，载流子增多，导电性增强；金属晶体里边，温度升高原子核振动加剧，碰撞电子使之减速的概率增加，电阻率上升4.在实际工程中往往需要金属既有良好的导电性又有高的强度，假如足够高的强度既可以通过冷加工获得，也可以由固溶强化得到，从导电率的要求看，你建议采用哪种强化方法？为什么？采用冷加工的方法，固溶强化会使金属的电导率大大降低，主要原因是溶质原子的溶入引起溶剂点阵的畸变，量子力学可以证明，当电子波在绝对零度下通过一个完整的晶体点阵()11exp()2DD D D D F N n N fE E E kT==-+时，将不受到散射而无阻碍地传播，这时电阻率为0，而电导率应为无穷大。
材料物理导论-思考题4
材料物理导论-思考题4第三章材料的电学1.说明量子自由导电理论与经典导电理论的异同。
经典导电理论：金属是由原子点阵组成的，价电子是完全自由的，可以在整个金属中自由运动自由电子的运动遵守经典力学的运动规律，遵守气体分子运动论。
这些电子在一般情况下可沿所有方向运动。
在电场作用下自由电子将沿电场的反方向运动，从而在金属中产生电流。
电子与原子的碰撞妨碍电子的继续加速，形成电阻。
量子自由导电理论：金属离子所形成的势场各处都是均匀的，价电子是共有化的，它们不束缚于某个原子上，可以在整个金属内自由地运动，电子之间没有相互作用。
电子运动服从量子力学原理。
2. 一块n 型硅半导体，其施主浓度N D ＝1015／cm 3，本征费米能级Ei 在禁带正中，费米能级E F 在Ei 之上0.29eV 处，设施主电离能?E D ＝0.05eV ，试计算在T ＝300K 时，施主能级上的电子浓度对于硅半导，其禁带E=E C -E V =1.12ev又由题可知：E F -Ei=0.29ev ，?E D = E C -E D = 0.05eV所以 E D -E F =0.5E-?E D -（E F -Ei ）=0.22ev将 N D ＝1015／cm 3，E D -E F = 0.22ev ，T=300K ，k=1.38 x 10-23带入下式因此施主能级上的电子浓度n D =4.06 x 1011／cm 33.为什么金属的电阻随温度的上升而增加，半导体却降低？半导体是靠载流子(空穴或电子)导电的，温度升高，载流子增多，导电性增强；金属晶体里边，温度升高原子核振动加剧，碰撞电子使之减速的概率增加，电阻率上升4.在实际工程中往往需要金属既有良好的导电性又有高的强度，假如足够高的强度既可以通过冷加工获得，也可以由固溶强化得到，从导电率的要求看，你建议采用哪种强化方法？为什么？采用冷加工的方法，固溶强化会使金属的电导率大大降低，主要原因是溶质原子的溶入引起溶剂点阵的畸变，量子力学可以证明，当电子波在绝对零度下通过一个完整的晶体点阵()11exp()2DD D D D F N n N fE E E kT==-+时，将不受到散射而无阻碍地传播，这时电阻率为0，而电导率应为无穷大。
材料物理导论名词解释 南理工
光电效应：是指在光的作用下从物体表面释放电子的现象康普顿效应：x-ray 被物质散射时，测到了波长改变的现象。
量子围栏：蒸发到铜(111)晶面的铁原子用扫描隧道显微镜的探针排列成的园环。
几率密度：代表电子出现在 (x,y,z) 点附近单位体积中被测到的几率的大小量子力学的基本原理：Born 提出的波函数的几率解释本征方程、本征值、本征函数:算符作用于函数u 上等于常数f 与u 的乘积 u = f u 量子隧道效应：粒子在能量E 小于势垒高度时仍能贯穿势垒的现象电阻率（电导率）：是物质的本征参数，用来表征材料导电性表征材料导电性的微观物理量：载流子浓度和迁移率自由电子气模型：金属中电子共有化，好比理想气体，彼此之间没什么相互作用，各自独立地在势能等于平均势能的场中运动，因而不受外力作用，只是到金属表面时才受到突然升高的势能的阻挡马蒂森定则：金属的电阻率可表为0()()e T T ρρρ=+。
()e T ρ由于声子对电子的散射所引起的，称为本征电阻率。
0ρ杂质或缺陷对电子的散射产生的，与温度无关，称剩余电阻率。
能带理论：预言固体中电子能量会落在某些限定范围或“带”中布洛赫定理：周期性势场中的波函数()()ikx k x e u x ψ=⋅禁带：在诸能量断开的间隔内不存在允许的电子能级（原因：是在布区边界上存在布拉格反射.）能带: 包括允带和禁带。
允带（allowed band ）：允许电子能量存在的能量范围。
禁带（forbidden band ）：不允许电子存在的能量范围。
布里渊区：将标志电子状态的波矢k 分割成许多区域，这些区域满带：被电子填满的能带导带：被电子部分填充的能带空带：没有电子填充的能带价带: 被价电子占据的允带（低温下通常被价电子占满）。
或最上面的一个满带Wilson 转变：对于绝缘体,若满带与空带重叠,即成为不满带,则成为了导体。
这种与能带是否交叠相对应的金属--绝缘体的转变称为Wilson 转变。
材料物理导论课程教学大纲
材料物理导论课程教学大纲一、课程说明（一）课程名称、所属专业、课程性质、学分；课程名称：材料物理导论所属专业：材料物理课程性质：专业基础课学分：4（二）课程简介、目标与任务；课程简介：材料物理导论是材料科学专业的主干基础课，它着重阐述固体的结构、组成粒子间的相互作用以及粒子的运动规律，并在此基础上阐明固体的基本性质及其应用的原理。
目标与任务：通过本课程的学习，使学生们学习和掌握固体的基本结构和固体宏观性质的微观本质，使学生们掌握研究固体物理的基本方法和理论。
使学生们掌握晶体结构、晶体结合、声子、自由电子和能带理论等相关知识。
着重培养学生对基本物理概念、物理模型和物理过程的理解。
（三）先修课程要求，与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接；先修课程为量子力学、热力学与统计物理。
后续课程包括材料科学基础、材料学等。
（四）教材与主要参考书。
教材：C. 基泰尔《固体物理导论》主要参考书：1．黄昆、韩汝琪《固体物理学》2．胡安、章维益《固体物理学》3．黄昆《固体物理学》4．孙会元《固体物理基础》5．方俊鑫、陆栋《固体物理学》二、课程内容与安排第一章晶体结构第一节绪论第二节原子的周期性阵列第三节点阵的基本类型第四节晶向、晶面指数系统第五节简单晶体结构第二章晶体衍射和倒易点阵第一节晶体衍射第二节散射波振幅第三节布里渊区第四节实验衍射方法第五节结构基元的傅立叶分析第三章晶体结合第一节晶体结合的基本形式第二节惰性气体的晶体第三节离子晶体第四章声子I－晶格振动第一节一维单原子链振动第二节一维双原子链振动第三节三维晶格振动第四节格波量子-声子第五节声子动量第五节声子对中子的非弹性散射第五章声子II－热学性质第一节晶格热容第二节非谐晶体相互作用第三节晶格的热传导第六章自由电子费米气体第一节金属自由电子论的物理模型第二节能级和态密度第三节自由电子气体的热容第四节电导和欧姆定律第五节电子在电磁场中的运动第六节金属热导率第七章能带I第一节近自由电子模型第二节布洛赫定理第三节电子在周期势场中的波动方程第四节能带的图示法第五节能带与导电性第八章能带II第一节准经典近似与运动方程第二节空穴第三节有效质量第九章费米面和金属第一节费米面构图第二节紧束缚近似第三节费米面研究的实验方法（一）教学方法与学时分配课堂讲授，18周，共72学时。
材料物理导论名词解释（2）
材料物理导论名词解释（2）材料物理导论名词解释Harmonic vibration 简谐振动：物体在跟偏离平衡位置的位移大小成正比，方向总指向平衡位置的回复力的作用下的振动Heat conduction by electron 电子热传导：依靠电子的碰撞，进行能量的传递Heat conduction by phono 声子热传导：声子从高浓度区域到低浓度区域的扩散过程Heat stress damage of materials 材料的热应力损伤：材料在受到热冲击作用时产生的断裂损伤Homogeneous materials 均质材料：无法机械分割为更单纯材料的单元Hysteretic losses 磁滞损耗：铁碳体处于交变磁场中时将沿磁滞回线反复被磁化、去碳，在此过程中要消耗额外的能量并以热的形式从铁磁体中释放Instrinsic electrical conduction 本征电导：导带中的电子导电和价带中的空穴导电同时发生 Instrinsic excitation 本征激发：把价电子激发成导带电子的过程Instrinsic semiconductor 本征半导体：只有本征激发的半导体Insulator 绝缘体：不易导电的物体Ionic defect conentration 离子浓度：以单位体积中所含的运动离子的量Ionic electrical conduction 离子型电导：载流子主要是离子的材料所具有的电导Ionic polarization 离子极化：在外电场作用下，构成分子的离子发生相对位移而形成的极化 Josephson 约瑟夫森效应：当在两块超导体之间存在一块极薄的绝缘层时，超导电子能通过极薄的绝缘层。
Laser 激光：受激发射的光Lattice vibration 晶格热振动：晶体中原子以平衡位置为中心不停的振动的现象Lattice wave 格波：晶格中的所有原子以相同频率振动而形成的波，或一原子在平衡位置附近的振动是以波的形式在晶格中传播而形成的波Linear expansion coefficient 线胀系数：固态物质的温度改变1℃时，其长度的变化与它在0℃时的长度之比Luminescence 荧光：材料接受能量后立即引起发光、中断能量后几乎立刻停止发光Magnetic domain wall 磁畴壁：两相邻磁畴间的过渡区域或交界面Magnetic domain 磁畴：自发磁化是按区域分布的，各个自发磁化区域称为磁畴 Magnetic field 磁场：由运动电荷或电场的变化而产生的一种特殊物质Magnetization 磁化：铁磁性材料在外加磁场作用下，各磁矩规则取向而宏观显示出的磁性现象Magneto resistance effects 磁阻效应：由于磁场存在导致半导体电阻增大的现象meissner 麦斯纳效应：当超导体低于某临界温度Tc时，外加的磁场会被排斥在超导体之外Melting point 熔点：固态急速向液态转变的温度Mgnetism indensity 磁化强度：材料内部的磁感应强度可以看成两部分：1.来自自身空间磁场的作用2.来自材料的磁化产生的附加磁场的作用Mgnetocry stalline anisotropy 磁晶各向异性能：沿不同方向使材料磁化，达到磁饱和时材料所消耗的能量，在铁磁单晶体的不同晶向上磁性能不同的性质Mobility 迁移率：载流子在单位电场中的迁移速度n-type semiconductor n型半导体：掺入施主杂质，主要依靠导带中电子导电的半导体电子型半导体Optical fiber 光纤：传输光能的波导介质Paramagnetism 顺磁性：有些材料的自旋磁矩与轨道磁矩未完全抵消，每个原子都有一个永久磁矩，在外磁场作用下，各原子磁矩会沿外磁场方向择优取向，使材料表现出宏观的磁性的性质。
材料物理导论(熊兆贤着)课后习题答案第四章习题参考解答
第四章材料的磁学 1. 垂直于板面方向磁化,则为垂直于磁场方向 J =μ0M = 1Wb/m 2 退磁场Hd = - NM大薄片材料,退磁因子Na = Nb = 0, Nc = 1所以Hd = - M = -0μJ =m H m Wb /104/172-⨯π=7.96×105A/m 2. 试证明拉莫进动频率W L = 002H m e eμ 证明:由于逆磁体中自旋磁矩相互抵消,只须考虑在磁场H 中电子轨道运动的变化,按照动量矩定理,电子轨道动量l 的变化等于作用在磁矩μl 的力矩,即:dtdl = μl ()00B H l ⨯=⨯μμ,式中B 0 = μ0H 为磁场在真空中的磁感应强度. 而 μl = - l me 2 上式改写成: l B m e dt dl ⨯=02,又因为L V dtdl ϖ==线 所以,在磁场B 0电子的轨道角动量l 和轨道磁矩均绕磁场旋转,这种旋转运动称为拉莫运动,拉莫运动的频率为00022H m e m eB W l μ==3. 答: 退磁因子,无量纲,与磁体的几何形状有关.对于旋转椭圆体的三个主轴方向退磁因子之和,存在下面简单的关系:Na + Nb +Nc = 1 (a,b,c 分别是旋转椭圆体的三个半主轴,它们分别与坐标轴x,y,z 方向一致)根据上式,很容易求得其三种极限情况下的退磁因子:1) 球形体:因为其三个等轴, Na = Nb = Nc 31=∴N 2) 细长圆柱体: 其为a,b 等轴,而c>>a,b Nb Na =∴ 而0=Nc 3) 薄圆板体: b=a>>c 0=∴Na 0=Nb 4. 何谓轨道角动量猝灭现象?由于晶体场导致简并能级分裂,可能出现最低轨道能级单态.当单态是最低能级轨道时,总轨道角动量的绝对值L 2虽然保持不变,但轨道角动量的分量L z 不再是常量. 当L z 的平均值为0,即0=⎰*τϕϕd L z 时,称其为轨道角动量猝灭. 5. 推导居里-外斯定律cT T C -=χ,说明磁化率与温度的关系0证明: 铁磁体中作用于本征磁矩的有效磁感应场M B B eff λ+=0其中M 为磁化强度,则M λ为内场,顺磁体磁化强度表达式:⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=T k JB g JB Ng M B B J B 0μμ 把B 0用B eff 代替,则得到铁磁体磁化强度:()⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=T k M B J g JB Ng M B B J B B )(00λμμ……………….(1) 当T>T c 时,自发磁化强度消失,只有在外磁场B 0作用下产生磁化强度当T>>T c 时,可令1)(0<<+T k M B J g B B λμ,则(1)式变为: )(3)1(022M B Tk J J Ng M B B λμ++=………………..(2) 又B B k J J Ng Tc 3/)1(22λμ+= 代入(2)式有 T M B T M c λλ)(0+=解得λ)(0c c T T B T M -= 令λc T C =' 则得c c cc T T C T T C H H T T C T T B C M -=-=∴=-=-='''000μχχμ当T c T ≤时,0<χ为铁磁性当T > T c 时,0>χ为顺磁性6. 自发磁化的物理本质是什么?材料具有铁磁性的充要条件是什么?答: 铁磁体自发磁化的本质是电子间的静电交换相互作用材料具有铁磁性的充要条件为:1) 必要条件:材料原子中具有未充满的电子壳层,即原子磁矩2) 充分条件:交换积分A > 07.超交换作用有哪些类型? 为什么A-B 型的作用最强?答: 具有三种超交换类型: A-A, B-B 和A-B因为金属分布在A 位和B 位,且A 位和B 位上的离子磁矩取向是反平行排列的.超交换作用的强弱取决于两个主要的因素: 1)两离子之间的距离以及金属离子之间通过氧离子所组成的键角ψi 2) 金属离子3d 电子数目及轨道组态.A-B 型ψ1=125°9’ ; ψ2=150°34’A-A 型ψ3=79°38’B-B 型ψ4=90°; ψ5=125°2’因为ψi 越大,超交换作用就越强,所以A-B 型的交换作用最强.8. 论述各类磁性χ-T 的相互关系1) 抗磁性.d χ 与温度无关,d χ<0 2) 顺磁性:c T T C -=χ,T c 为临界温度,成为顺磁居里温度,T>T c 时显顺磁性 3) 反铁磁性:当温度达到某个临界值T N 以上,服从居里-外斯定律4) 铁磁性: χf >0, T< T c ,否则将转变为顺磁性,并服从居里-外斯定律5) 亚铁磁性: 是未抵消的反铁磁性结构的铁磁性9. 比较铁磁体中五种能量的下列关系:答:铁磁材料的五种相互作用能分别为: 交换能F ex ,磁晶各向异性能F x ,磁弹性能F σ,退磁场能F d 和外磁场能F H1) 相邻原子电子自旋的单位体积内的交换能A>0时,电子自旋不平行,则会引起系统交换能的增加, F ex >0,只有当不考虑自旋轨道耦合时,交换能F ex 是各向同性的.2) 磁晶各向异性能F x ,是饱和磁化强度矢量在铁磁材料中取不同方向时随时间而改变的能量,仅与磁化强度矢量在晶体中的相对晶轴的取向有关磁晶各向异性来源于电子自旋与轨道的相互耦合作用以及晶体电场效应.这种原子或离子的自旋与轨道的耦合作用,会导致铁磁体的长度和体积的大小发生变化,出现所谓的磁致伸缩3) 铁磁体在受到应力作用时会发生相应的应变,从而引起磁弹性能F σ,包括由于自发形变而引起的磁应力能,包括外加应力和内应力4) 铁磁体在外磁场中具有位能成为外磁场能F H ,外磁场能是铁磁体磁化的动力5) 有限尺寸的铁磁体材料,受到外加磁场H 的变化,会在两端面上分别出现正负磁荷,从而产生减弱外磁场的磁场H d ,均匀磁化材料的退磁场能F d 为:10. 用能量的观点说明铁磁体内形成磁畴的原因答:根据热力学定律,稳定的磁状态一定是对应于铁磁材料内总自由能极小值的状态.磁畴的形成和稳定的结构状态,也是对应于满足总的自由能为极小值的条件.对于铁材料来说，分成磁畴后比分成磁畴前能量缩小,故铁磁材料自发磁化后必然分成小区域的磁畴,使总自由能为最低,从而满足能量最低原理.可见,退磁场能是形成磁畴的原因11． 解：单位面积的畴壁能量231/1098.32m J aA k S -⨯==πγ S 为自旋量子数=1 磁畴宽度m L M D s 641095.80.1710-⨯==γ L=10-2m 12 解：此题通过内应力分布为l x πσσ2sin0=，可见为90°畴壁位移，其为位移磁方程为σλμs s H M 230=，当外磁场变化H ∆，畴壁位移x ∆平衡时 H x M x x xH M s s s s ∆∂∂=∆∴∆∂∂=∇σλμσλμ232300 此时沿外磁场方向上磁矩将增加⊥∆=∆⊥S x S M s H (μ为单位体积90°畴壁的面积） 设磁畴宽度2l D =,在单位体积内将有2/D 个畴和畴壁数目,因而单位体积内畴壁面积应为)3....(....................442)11(l S l D =∴=⨯⨯⊥ 将(2)(3)代入(1),可得:0209034σλμπχs s i M =- 13. 证明: 用单弛豫来描述,磁场为交变磁场强度t i m e H H ω=作用下磁感应强度为)(c t i m e B B δω-=由t i m e H i H B ωμμμμμ)'''(00-==所以为半圆形14.15．讨论动态磁化过程中，磁损耗与频率的关系。
材料物理导论总结
第一章：材料的力学形变：材料在外力作用下发生形状和尺寸的变化,称为形变力学性能机械性能：材料承受外力作用,抵抗形变的能力及其破坏规律,称为材料的力学性能或机械性能应力：材料单位面积上所受的附加内力称应力.法向应力应该大小相等,正负号相同,同一平面上的两个剪切应力互相垂直.法向应力导致材料的伸长或缩短,剪切应力引起材料的切向畸变.应变：用来表征材料受力时内部各质点之间的相对位移.对于各向同性材料,有三种基本的应变类型.拉伸应变,剪切应变,压缩应变.拉伸应变：材料受到垂直于截面积的大小相等,方向相反并作用在同一直线上的两个拉伸应力时材料发生的形变.剪切应变：材料受到平行于截面积的大小相等,方向相反的两剪切应力时发生的形变.压缩应变：材料周围受到均匀应力P时,体积从起始时的V0变化为V1的形变.弹性模量：是材料发生单位应变时的应力,表征材料抵抗形变能力的大小,E越大,越不易变形,表征材料的刚度越大.是原子间结合强度的标志之一.黏性形变：是指黏性物体在剪切应力作用下发生不可逆的流动形变,该形变随时间的增大而增大.剪切应力小时,黏度与应力无关,随温度的上升而下降.牛顿流体：服从牛顿黏性定律的物体称为牛顿流体.在足够大的剪切应力下或温度足够高时,无机材料中的陶瓷晶界,玻璃和高分子材料的非晶部分均会产声黏性形变,因此高温下的氧化物流体,低分子溶液或高分子稀溶液大多属于牛顿流体,而高分子浓溶液或高分子熔体不符合牛顿黏性定律,为非牛顿流体.塑性：材料在外应力去除后仍能保持部分应变的特性称为塑性.晶体塑性形变两种类型：滑移和孪晶.延展性：材料发生塑性形变而不断裂的能力称为延展性.μ泊松比,定义为在拉伸试验中,材料横向单位面积的减少与纵向单位长度的增加率之比.滑移是指在剪切应力作用下晶体的一部分相对于另一部分发生平移滑动,在显微镜下可观察到晶体表面出现宏观条纹,并构成滑移带.滑移一般发生在原子密度大和晶向指数小的晶面和晶向上.材料的滑移系统往往不止一个,滑移系统越多,则发生滑移的可能性越大.实际晶体材料的滑移是位错缺陷在滑移面上沿滑移方向运动的结果：位错运动所需的剪切应力比使晶体两部分整体相互滑移所需的应力小的多.蠕变：蠕变是在恒定的应力作用下材料的应变随时间增加而逐渐增大的现象.影响因素：温度、应力、组分、晶体键型、气孔、晶粒大小、玻璃相等.无机材料的蠕变理论：位错蠕变理论,扩散蠕变理论,晶界蠕变理论.黏弹性：材料形变介于理想弹性固体和理想黏性液体之间,既具有固体的弹性又有液体的黏性,称为黏弹性.时温等效原理力学松弛现象有蠕变,应力松弛静态力学松弛,滞后和力损耗动态力学松弛晶界：是结构相同而取向不同晶体之间的界面.高分子材料的力损耗与温度和频率的关系：1.高分子材料在玻璃化温度Tg以下受到应力时,相应的应变很小,主要由键长和键角的改变引起,速度快到几乎能跟得上应力的变化,因此&很小,tan&也小；温度升高到Tg附近时,以玻璃态向高弹态过渡,链段开始运动,此时材料的粘度很大,链断运动收到的摩擦阻力很大,高弹应变明显落后于应力的变化,因此tan&出现极大值；温度更高时应变大,而且链断运动比较自由,&变小,tan&也小；温度很高时,材料从高弹态向粘流态过渡,分子链段间发生互相滑移,导致力损耗急剧增加,tan&急剧增大.2.高分子材料在应力变化的频率较低时,分子链断运动基本能跟上应力的变化,tan&很小；频率很高时,分子链断完全跟不上应力的变化,tan&也很小；而当频率中等时,分子链断运动跟不上应力的变化,使tan&出现极大值,此时材料表现出明显的粘弹性.应力松弛：是指在恒定的应变时,材料内部的应力随时间增长而减小的现象.机械强度：材料在外力作用下抵抗形变及断裂破坏的能力称为机械强度.根据外力作用形式,可分为抗拉强度,抗冲强度,抗压强度,抗弯强度,抗剪强度.材料在低温下大多脆性断裂；高温下大多韧性断裂.麦克斯韦模型：应变恒定时,应力随时间指数衰减；形变一定,力减小.应力松弛沃伊特模型：应力恒定时,形变随时间增大而增大；力一定,形变增大.蠕变延展性材料拉伸时有可塑性功,可阻碍断裂.第二章：材料的热学热力学与统计力学的关系：热力学是用宏观的方法,研究热运动在宏观现象上表现出来的一些规律,是从能量转化的观点来研究物质的热性质；而统计力学则从物质的微观结构出发,应用微观粒子运动的力学规律和统计方法来研究物质的热性质.热力学第二定律：克劳修斯说法不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其他的变化.开尔文说法不可能从单一热源取热使之完全变为有用的功而不引起其他的变化.低温时：Cp≈Cv高温时：Cp＞Cv,定压加热时,物体除升温外,还会对外做功,升高单位温度需吸更多热量.经典理论：①定压下单一元素的摩尔热容Cv=25J/Kmol②化合物材料摩尔热容等于构成该化合物分子各元素摩尔热容之和.③1摩尔固体的总能量：E=3NkT=3RT；摩尔热容Cv=3Nk=3R ≈25J/Kmol晶格热振动：晶体中的原子以平衡位置为中心不停地振动,称其为“晶格热振动”声子：晶格振动的能量是量子化的,以hv为单元来增加或减少能量,称这种能量单元为“声子”.金属材料的总热容为声子和电子两部分的共同贡献.固体材料热膨胀的本质：在于晶格点阵实际上在做非简谐运动,晶格振动中相邻质点间的作用力实际上是非线性的,点阵能曲线也是非对称的.体胀系数近似等于三个线胀系数之和.热传导：是指材料中的热量自动的从热端传向冷端的现象.固体材料热传导：主要由晶格振动的格波来实现；高温时还可能由光子热传导.材料热传导的微观机理：1.声热子传导2.光热子传导3.电子热传导金属主要含孔率大的陶瓷热导率小,保温.热稳定性：是指材料承受温度的急剧变化而不致碎裂破坏的能力.裂纹的产生和扩展与材料中积存的弹性应变能和裂纹扩展所需的断裂表面能有关.材料的抗热应力损伤性正比于断裂表面能,反比与弹性应变能释放率.第三章：材料的电学金属自由电子气模型费米电子气模型：该模型认为金属材料的原子失去价电子成为带正电的离子实,而价电子在离子实的正电背景下能自由移动,既满足电中性条件,也不会因价电子间的库伦斥力而散开,这种自由电子还服从泡利不相容原理,其能量分布满足费米-狄拉克分布函数能带理论：采用“单电子近似法”来处理晶体中的电子能谱.单电子近似法：来处理晶体中电子能谱①固体原子核按一定周期性固定排列在晶体中②每个电子是固定原子核势场及其它电子的平均势场中运动电子型电导：①导电载流子是电子或空穴即电子空位②具有“霍尔效应”③例：硅、锗和砷化镓等晶态半导体材料以及许多导体材料杂质和缺陷的影响：使严格周期性排列原子产生的周期性势场受到破坏,在禁带中引入允许电子所具有的能量状态即能级；这种禁带中的能级对半导体材料性质有重要的影响.杂质能级与允带能级的区别：允带能级可容纳自旋方向相反的两个电子.施主杂志能级只可能有：1.中性施主被一个电子占据2.电离施主没有被电子占据.本征是指半导体本身的特征.半导体的载流子浓度：实际的半导体总含有或多或少的杂质,但当杂质浓度很小或者温度足够高时,由价带到导带的本征激发所产生的载流子可超过杂质电离产生的载流子,这时载流子浓度主要由半导体本征性质所决定,而杂质影响可忽略不计,也称这种半导体为本征半导体.本征载流子浓度ni随温度T升高呈指数增大,ni随禁带宽度Eg成指数减小.导带中电子浓度n.和价带中空穴浓度P.受温度T和费米能级Ef的影响.电子型电导：Rh霍尔系数只与材料的载流子种类浓度有关；“磁阻效应”可分为物理磁阻和几何磁阻.施主和受主杂质同时存在时,半导体的导电类型决定于浓度大的杂质.本征载流子浓度ni随温度升高呈指数增大,随禁带宽度Eg的增大呈指数减小.任何非简并半导体中两种载流子浓度的乘积等于本征载流子的浓度的平方与杂质无关.杂质半导体的杂质能级被电子或空穴占据的情况与允带中的能级有区别：在允带中的能级可以容纳自旋方向相反的两个电子,而施主或受主杂质能级上,只可能有如下两种情况：1.中性施主或受主被一个电子或空穴占据；2.电离施主或受主没有被电子或空穴占据.离子型电导：具有“电解效应”电极附近发生电子得失,伴随着产生新物质.两种离子载流子：①晶格离子本身因为热振动而离开晶格形成热缺陷的本征离子载流子,它在高温下起主要作用②由于杂质离子等弱联系离子运动而形成的杂质离子载流子,它在低温下起主要作用.其中的载流子浓度与迁移率都与温度呈指数正比关系.介电体分子三种极化类型：电子极化、离子极化、偶极子转向极化电损耗来源：①普通无机晶体介质只有位移极化,损耗来源主要为离子电导,tanδ与电导率σ成正比②无定形玻璃：电导损耗、松弛损耗、结构损耗由Si-O网络的变形引起③多晶陶瓷：离子电导损耗、松弛损耗、夹层损耗④铁电陶瓷：自发极化超电导性的特征：完全导电性、完全抗磁性、磁通的量子化、约瑟夫逊效应叙述BaTiO3典型电解质中在居里点以下存在的四种极化机制：电子极化：指在外电场作用下,构成原子外围的电子云相对原子核发生位移形成的极化.建立或消除电子极化时间极短2.离子极化：指在外电场的作用下,构成分子的离子发生相对位移而形成的极化,离子极化建立核消除时间很短,与离子在晶格振动的周期有相同数量级3.偶极子转向极化：指极性介电体的分子偶极矩在外电场作用下,沿外施电场方向而产生宏观偶极矩的极化.4.位移型自发极化：是由于晶体内离子的位移而产生了极化偶极矩,形成了自发极化.试比较,聚合物介电松弛与力学松弛的异同点：材料的力学松弛包括了静态力学松弛与动态力学松弛：蠕变与应力松弛属于静态力学松弛；滞后和力损耗属于动态力学松弛.介电松弛指在固定频率下测试聚合物试样的介电系数和介电损耗随温度的变化,或在一定温度下测试试样的介电性质随频率的变化.两者都反映了聚合物的结构、构型及链段的运动状态.引起散射的根本原因：半导体内周期势场受到破坏.电离杂质浓度越高,载流子散射机会越多；温度越高,越不易散射.温度越高,晶格热振动越激烈,散射概率增大.散射与迁移呈反比.导体,半导体和绝缘体的区别：电子全部填满到某个允带,而其上面的允带则完全空着,填满电子的允带称为满带,完全没有电子的允带称为空带,具有这种能带结构的固体称为绝缘体.能带结构与绝缘体相似,不同点在于禁带宽度Eg较窄,因而,不在很高的温度下,满带中的部分电子受热运动的影响,能够被热激发而越过禁带,进入到上面的空带中去而形成自由电子,从而产生导电能力,具有这种能带结构的固体称为半导体.满带上面的允带不是全部空着,而是有一部分能级被电子填充,另一部分能级空着,这种允带称为导带.有外加电场时导带中的电子便能挑到能量较高的能级上形成电流,称这种材料为导体.介电体的击穿：介电体在高电场下电流急剧增大,并在某一电场强度下完全丧失绝缘性能的现象.第四章：材料的磁学磁偶极子：通常把线度小至原子的小磁体称为磁偶极子.产生磁矩的原因：1.电子绕原子核的轨道运动,产生一个非常小的磁场,形成一个沿旋转轴方向的轨道磁矩2.每个电子本身做自旋运动,产生一个沿自旋轴方向的自旋磁矩,它比轨道磁矩大的多.材料的宏观磁性是组成材料的原子中电子的磁矩引起的未填满的电子壳层,电子的自旋磁矩未被完全抵消,则原子具有永久磁矩.反之.波尔磁子UB：把原子中每个电子都看作一个小磁体,具有永久的轨道磁矩和自旋磁矩.最小的磁矩称为波尔磁子.×10-24A·m2材料的磁性取决于材料中原子和电子磁矩对外加磁场的响应,具体可分为抗磁性,顺磁性,反铁磁性,铁磁性和亚铁磁性,前三种属于弱磁性,后两种为强磁性.材料的抗磁性和顺磁性的来源：1.组成原子的电子的固有自旋2.电子绕核旋转的轨道角动量3.外加磁场所产生的轨道矩改变.前两个是对顺磁性有贡献,后一个是对抗磁性有贡献.自由磁矩的顺磁性理论：原子磁偶极距之间无相互作用,为自由磁偶极距,热平衡下为无规则分布,外加磁场后,原子磁偶极距的角度分布发生变化,沿着接近外磁场方向作择优分布,而引起顺磁磁化强度.磁滞回线的面积与磁滞损耗成正比.分子场两个假说：分子场假说：铁磁材料在一定温度范围内存在与外加磁场无关的自发磁化,导致自发磁化的相互作用力假定为材料内部存在分子场,其数量级大小为109A/M,原子磁矩在分子场作用下,克服热运动的无序效应,自发地平行一致取向.磁畴假说：自发磁化是按区域分布的,各个自发磁化区域称为磁畴,在无外磁场时都是自发磁化到饱和,但各磁畴自发磁化的方向有一定分布,使宏光磁体的总磁矩为零.居里温度的本质：是铁磁材料内静电交换作用强弱在宏观上的表现,交换作用越强,就需要越大热能才能破坏这种作用,宏观上就表现出居里温度越高.铁磁材料的五种相互作用能：交换能,磁晶各向异性能,磁弹性能,退磁场能,外磁场能.磁损耗：在动态磁化过程中,材料样品内的磁损耗除了具有静态磁化时磁滞损耗外,还有涡轮损耗和剩余损耗.品质因子：能量的储存与能量的消耗之比为品质因子Q.对于永磁恒磁、硬磁材料,希望其在外加磁场去除后仍能长久的保留较强的磁性,其主要性能指标是：矫顽力Hc、剩余磁感应强度Br或剩余磁化强度Mr和最大磁能积BHmax,希望这三个性能指标越大越好.并要求材料对温度、震动、时间、辐射及其它干扰因素的稳定性也好.何谓轨道角动量猝灭现象：由于晶体场导致简并能级分裂,可能出现最低轨道能级单态.当单态是最低能级轨道时,总轨道角动量的绝对值L2虽然保持不变,但轨道角动量的分量L z不再是常量. 当L z的平均值为0时,称其为轨道角动量猝灭.自发磁化的物理本质是什么材料具有铁磁性的充要条件是什么：铁磁体自发磁化的本质是电子间的静电交换相互作用；材料具有铁磁性的充要条件为:必要条件:材料原子中具有未充满的电子壳层,即原子磁矩,充分条件:交换积分A > 0超交换作用有哪些类型为什么A-B型的作用最强具有三种超交换类型: A-A, B-B和A-B.因为金属分布在A位和B位,且A位和B位上的离子磁矩取向是反平行排列的.超交换作用的强弱取决于两个主要的因素: 1两离子之间的距离以及金属离子之间通过氧离子所组成的键角ψi2 金属离子3d电子数目及轨道组态.因为ψi越大,超交换作用就越强,所以A-B型的交换作用最强讨论动态磁化过程中,磁损耗与频率的关系.低频区域f < 104Hz引起损耗的机理主要是由于不可逆磁化过程产生的磁滞和磁化状态滞后于磁场变化的磁后效；中频区域 f = 104---106Hz,损耗会出现峰值；高频区域f = 106—108Hz,急剧下降,损耗迅速增加.交变磁场的频率与畴壁振动的本征频率或弛豫频率相同时,发生畴壁共振或畴壁弛豫而吸收大量引起损耗增大超高频区域f = 108—1010Hz继续下降,可能出现负值,而出现自然共振引起的峰值,这是由于外加磁场频率与磁矩进动固有频率相等时产生共振现象引起的；极高频区域f > 1010Hz对应为自然交换共振区域.铁氧体材料按磁滞回线特征分类：分为软磁材料、硬磁永磁材料和矩磁材料铁氧体是含有铁酸盐的陶瓷磁性材料.与铁磁性相同点：具有自发磁化强度和磁畴不同点：①一般由多种金属的氧化物复合②其磁性来自两种磁矩,一种在一个方向排列整齐,一种磁矩在相反方向排列静态磁化：静态磁场；磁滞线面积大；静态磁滞损耗.动态磁化：动态磁场；小；磁滞损耗,涡流损耗,剩余损耗.第五章：材料的光学对人眼睛敏感的可见光谱的波长r=,光属于横波材料的折射率：光在真空中的速度v真空与材料的速度v材料之比,称为材料的折射率n.相对折射率：当光从材料1通过界面传入到材料2时,与界面法向形成的入射角i1和折射角i2与两种材料的折射率n1与n2的关系为：n21=sinn1/sinn2=n2/n1.N21为材料2相对于材料1的相对折射率.折射率随材料的电容率ε增大而增大.原因：由于ε与材料的极化现象有关,当材料的的原子受到外加电场的作用而极化时,正电荷沿电场方向移动,负电荷沿反电场方向移动,使得正负电荷的中心发生相对位移,外加电场越强正负电荷中心间距越大.当材料的离子半径增大时,其ε增大,折射率也增大.可用大离子获得高折射率材料：PBS,n=.小离子获得低折射率材料：SiCl4 n=均质材料:如通过非晶态或立方晶体的各向同性材料时,光速不因传播方向的改变而变化,材料只有一个折射率.非均质材料：材料存在内应力时,垂直于拉应力方向的n大,平行于拉应力的n小,而在同质异构材料中,高温晶型n小,低温晶型n大.散射现象：光在材料中传播时,遇到不均匀结构产生的次极波,与主波方向不一致,会与主波合成出现干涉现象,使光偏离原方向.光的吸收：由于光是一种能量流,在光通过材料传播时,会引起材料的价电子跃迁或使原子振动,从而使光能的一部分变为热能,导致光能的衰减,这种现象称为光的吸收.金属对光的吸收很强烈,因为金属的价电子处于未满带吸收光子后呈激发态不必跃迁到导带就能发生碰撞而发热.朗波特定律：光的强度随厚度的增加而呈指数性衰减.α光的吸收系数,取决于材料的性质与光的波长.光的折射率的色散：材料的折射率N随入射光的频率减小而减小的现象,称为光的折射率的色散.影响材料透光性的因素：吸收系数,反射系数,散射系数,材料的厚度.透光率随这四个因素的增大而减小提高材料透光率的措施：采用高纯材料以避免材料形成异相,添加微量成分以降低材料的气孔率,以及采用热压法,热锻法或热等静压法.散射系数的影响因素：乳浊剂的颗粒尺寸,相对折射率及体积百分比.当颗粒尺寸与入射光波长相近,颗粒体积百分比高,颗粒与基体材料的折射率相差较大时,能得到最大散射效果.显色原理：着色剂对光的选择性吸收而引起选择性反射或透射.发光：光是原子或分子发射出的具有一定波长和频率的能量.当材料的原子或分子从外部接受能量成为激发态,然后从激发态回到正常态时,会以电磁辐射形式放出所接受的能量,这种辐射现象称为发光.发光的机理：能发出荧光的材料主要是具有共轭键的苯环为基的芳香族和杂环化合物；而能发出磷光的材料主要是具有缺陷的某些复杂无机晶体,大多是第二族金属的硫化物,晒化物和氧化物作为基质,重金属作为激活剂.激光：激发态的粒子受到一个具有能量等于两能级间差值的光子作用,使粒子转变到正常态同时产生第二个光子,称其为受激发射,这样产生的光称为激光.激光的特点：激光的特点是具有时间和空间的相干性,是一种单色和定向的相干光束.激光可应用在许多方面,如激光通信,测距,定向,雷达等.光的入射角大于临界角时就会发生光的全反射光学纤维：光学纤维是由两种不同折射率的材料制成,以折射率大的材料作为光纤的芯子,折射率小的材料作为光纤的包层.光信号在玻璃纤维光纤中传输时的传输损耗,主要来源有：1.光纤材料的本征损耗,包括Si-O键在波长为9um,和21um处的红外振动吸收延伸到2um附近的影响.2.光纤材料的杂志吸收,包括微量OH-根在波长为,和处的基波,二次谐波和三次谐波的振动吸收,以及过渡金属离子引起的吸收 3.光纤的结构缺陷,包括光纤芯子半径沿轴向有着微小变化,折射率分布也有微小不均匀性,从而引起散射损耗.光纤按折射率剖面分布和传输模式可分为三种：单模光纤直径几个um,只传输单模光束,阶跃型多模光纤由低折射率玻璃外层包覆高折射率玻璃芯子,渐变型多模光纤折射率沿光纤径向由中央向四周连续减小非线性光学效应：在强光场或其他外加场的扰动下,材料原子或分子内电子的运动除了围绕其平衡位置产生微小的线性振动外,还会受到偏离线性的附加扰动,此时材料的电容率往往变为时间或空间的函数,材料的极化响应与光波电厂不再保持简单的线性关系,这种非线性极化将引起材料光学性质的变化,导致不同频率光波之间的能量耦合,从而使入射光波的频率,振幅,偏振及传播方向发生改变,即产生非线性光学效应.主要是原子外层束缚电子在光波电场作用下的受迫振动产生的.其光学材料的特点:当高能量的光波射入时,会在材料中引起非线性光学效应,产生谐波,电光效应,光混频,参量振荡等. 第六章：材料的声学声波是由物体振动而产生的,当以空气作介质传播时,人能听到频率在25Hz-20kHz范围的声音.声波是一种机械波.回声：一定形状的房间中,反射声可形成回声,声焦点或死点现象当不同壁面反射而到达听者的声音所经过的路程大于直达声17m时,则到达的反射将形成回声.声波三个基本物理定律以及意义：声振动作为一个宏观的物理现象,满足三个基本物理定律：牛顿第二定律、质量守恒定律和绝热压缩定律,由此分别可以推导出介质运动方程p-V关系、连续性方程V-p’和物态方程p-p’关系,并由此导出声波方程――p,V和p’等对空间、时间坐标的微分方程.声波过程是绝热过程.平面波：若声波沿x方向传播而在yz平面上各质点的振幅和相位均相同,则为平面波.声强：在声场中任一点上一定方向的声强,是指单位时间内在该点给定方向通过垂直此方向单位面积上的能量.声阻：声阻是流体阻力或辐射阻力粘滞性引起,它导致能量耗散,使声能转为热能.室内声学：声音在一定封闭空间内辐射,传播或接收,此时室内物体和房间壁面会引起发射声,房间还会使声音在空间的分布发生变化而使音质改变.吸声材料吸声原理：吸声材料的作用就是把声能转化为热能.对于柔顺性吸声材料,其吸声机理在于柔顺骨架内部摩擦,空气摩擦和热交换；对于非柔性吸声材料,其吸声特性依靠空气的粘滞性,进入材料的声波迫使材料孔内的空气振动,而空气与骨架间进行热交换,更促进了声能的损耗.影响水声声速的因素：声波在水中的阻力损失比在大气中小,则声波在水中可比大气中传播更远温度,含盐率及压力,其作用依次减弱.水声材料主要用于制作各种声源发射器和水听器,曾用过水溶性单晶、磁致伸缩材料和压电陶瓷材料,随着水声换能器技术的发展,要求具有功率大、频率常数低、时间和温度稳定性好、强电场下性能好以及能承受动态张应力大的材料.声波在传播时有扩展损失,和衰减损失.超声波：频率在20khz以上.产生超声波的材料主要有两大类：.压电晶体和陶瓷是产生超声波的一类重要的材料；磁致伸缩材料为另一类超声波发生材料微声：频率在几十兆赫兹以上的超高频超声波.。
材料物理导论
材料物理导论材料物理导论是一门涵盖了材料科学和物理学的学科，主要研究物质的性质和结构。
下面将分步骤阐述材料物理导论的主要内容。
第一步：物质的基本性质物质的基本性质是材料物理导论中的重要部分。
物质的基本性质包括物质的质量、电荷、电磁力、位移、动量等特性。
对于材料科学来说，物质的基本性质对材料的选择、设计和制造的过程具有重要意义。
第二步：晶体结构晶体结构是材料物理导论中的热点研究议题之一。
晶体结构研究包括元素周期表、晶体的分类、晶体的点阵、晶体的晶格常数、晶体的晶格缺陷以及晶体的相互作用等内容。
晶体结构对于材料特性、材料性能和材料应用具有重要意义。
第三步：物理分析方法物理分析方法是材料物理导论中的重要研究内容。
物理分析方法包括光学显微镜、电子显微镜、X射线衍射、热力学实验、质谱分析等方法。
物理分析方法可以帮助人们更好地认识材料、了解材料的内部结构与外部性能。
第四步：电子结构电子结构是材料物理导论中的重要概念之一。
电子结构研究包括材料的能带结构、能量带隙以及电子状态密度等几个方面。
此外，电子结构也与材料的载流子行为以及各种材料性质的特性密切相关。
第五步：材料特性材料特性是材料物理导论中所关注的重要问题。
材料特性包括材料的热学性质、光学性质、磁学性质、电学性质、机械性质等特征。
对于材料科学来说，了解材料的特性对材料的改性、设计及应用极为重要。
以上便是关于材料物理导论内容的主要介绍。
材料物理导论作为一门交叉学科，结合了材料科学和物理学的研究方法和思想，让人们更好地认识材料的性质和结构。
通过对材料物理导论的深入研究和实践，可以有效地加深我们对材料科学和物理学领域的理解，为材料科学的发展贡献自己的力量。
材料物理导论名词解释（3）
材料物理导论名词解释（3）材料物理导论名词解释p-type semiconductor p型半导体：掺入受主杂质，主要依靠导带中空穴导电的半导体空穴型半导体Quality factor 品质因子：能量的储存与损耗之比Refractive index 折射率：光在真空与材料中的传播之比Scattering of ionized impurities 电离杂质散射：半导体中施主杂质、受主杂质电离后分别变成带正电、负电的离子，在电离施主或受主周围形成一个电场使得载流子散射的现象 Semiconductor 半导体：电阻率介于金属与绝缘材料之间的材料Soft magnetic materials 软磁材料：在较弱磁场下易于磁化，也易退磁的一种磁性材料 Specific heat capacity 比热容：单位质量的热容量Spontaneous plarization 自发极化：外加电场去除后仍存在极化的现象Spuerconductor 超导体：一定温度下具有零电阻超导电现象的材料Statistical mechanics 统计力学：研究大量粒子几何的宏观运动规律的科学Statistical regularity 统计规律性：由大量微观粒子组成的整体，表现出与机械运动规律不同的另一种规律性。
Susceplitilsty 磁化率：表示材料磁化程度的物理量Thermal conduction 热传导：材料中的热量自动从高温区传向低温区的现象Thermal eqilibrium state 热力学：平衡态：一个系统处于不变的外界条件下，经过一定的时间后系统达到的一个宏观性质不随时间变化的状态。
Thermal expansion coeffient热膨胀系数：温度升高1K时，物体长度、体积相对增长值 Thermal expansion 热膨胀：材料的长度或体积在不加压力时随温度的升高而变大的现象Thermal motion 热力学：物质中原子和分子不停的无规则运动状态Thermal shock resistance 热稳定性：材料承受温度的急剧变化而不致碎裂破坏的能力Thermal stability热稳定性：材料承受温度的急剧变化而不致碎裂破坏的能力Thermal stress rupture 热应力：材料在为改变外力作用状态时，仅因热冲击而在材料内部产生的内应力Thermodynamics 热力学：研究热现象中物质系统在平衡时的性质和建立能量的平衡关系，以及状态发生时系统与外界相互作用的学科Transmittance 透光率：光能通过材料后剩余光能所占百分比Valence band 价带：填满的电子的能量最高的允带Valence bands 允带：电子能够占据的能量区域Velocity distribution function 速度分布函数：描述分子运动速率分布状态的函数 Vescattering of carriers 载流子迁移：载流子在电场作用下产生运动的现象材料物理性能名词解释2017-04-09 17:22 | #2楼铁电性：电偶极子由于它们的相互作用而产生的自发平行排列的现象。
材料物理导论（熊兆贤着）课后习题答案第一章习题参考解答
第一章 材料的力学1. 一圆杆的直径为2.5 mm 、长度为25cm 并受到4500N 的轴向拉力，若直径拉细至2.4mm ，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。
解：根据题意可得下表由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。
2. 一试样长40cm,宽10cm,厚1cm ，受到应力为1000N 拉力，其杨氏模量为3.5×109 N/m 2，解：3. 一材料在室温时的杨氏模量为3.5×108 N/m 2,泊松比为0.35，计算其剪切模量和体积模量。
解：根据可知：拉伸前后圆杆相关参数表 )(0114.0105.310101401000940000cm E A l F l El l =⨯⨯⨯⨯⨯=⋅⋅=⋅=⋅=∆-σε0816.04.25.2ln ln ln 22001====A A l l T ε真应变)(91710909.4450060MPa A F =⨯==-σ名义应力0851.0100=-=∆=A A l l ε名义应变)(99510524.445006MPa A F T =⨯==-σ真应力)21(3)1(2μμ-=+=B G E )(130)(103.1)35.01(2105.3)1(288MPa Pa E G ≈⨯=+⨯=+=μ剪切模量)(390)(109.3)7.01(3105.3)21(388MPa Pa E B ≈⨯=-⨯=-=μ体积模量4. 试证明应力-应变曲线下的面积正比于拉伸试样所做的功。
证：5. 一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。
若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。
解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=0.95,V 2=0.05。
则有当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E 0(1-1.9P+0.9P 2)可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa 和293.1 GPa 。
材料物理导论名词解释
Absorption coefficient 吸收常数：垂直于光束方向的水层元内单位厚度的吸收量Acceptor impurity 受主杂质：lll族杂质在Si、Ge中能够接受电子而产生导电空穴并形成负电中心acceptor ionization 受主电离：空穴挣脱受主杂质束缚的过程Antiferromagnetism 反铁磁性：材料中相邻原子或离子的磁矩作反向平行排列使得总磁矩为零的性质。
Birefringence 双折射：光入射到各向异性的晶体分解为两束光而沿不同方向折射的现象Conduction bands 导带：一部分被电子填充，另一部分能级空着的允带Crystallization 结晶：液态金属转变为固态金属形成晶体的过程Current density 电流密度：描述电路中某点电流强弱和流动方向的物理量currie temperature 居里温度：自发极化急剧消失的温度Diamagnetism 抗磁性：外加磁场使材料中电子轨道运动发生变化，感应出很小的磁矩且该磁矩与外磁场方向相反的性质Dielectric breakdown 介电体击穿：介电体在高电场下电流急剧增大，并在某一电场强度下完全丧失绝缘性能的现象dielectric loss 介电损耗：将电介质在电场作用下，单位时间内消耗的电能Dielectric medium 电介质：能够被电极化的介质Dipolar turning polarization 偶极子转向极化：极性介电体的分子偶极矩在外电场作用下，沿外施电场方向转向而产生宏观偶极矩的极化Disperse phase 分散相：被分散的物质Dispersion of refractive index 折射率的色散：材料的折射率m随入射光频率减小而减小的现象Donor impurity level 施主能级：将被施主杂质束缚的电子能量状态称施主能级Donor impurity 施主杂质：V族杂志在硅、锗中电力时，能够释放电子而产生导电导子并形成整点中心，称其位施主杂质或n型杂志donor ionization 施主电离：施主杂质释放电子的过程Electirical polarization 电子极化：电场作用下，构成原子外围的电子云相对原子核发生位移形成的极化Electrical field 电场：由电荷及变化磁场周围空间里存在的一种特殊物质Electrical resistivity 电阻率：某种材料制成的长1米、横截面积是1平方米的在常温下（20℃时）导线的电阻，叫做这种材料的电阻率。
材料物理导论(熊兆贤着)课后习题答案第一章习题参考解答
第一章 材料的力学1. 一圆杆的直径为2.5 mm 、长度为25cm 并受到4500N 的轴向拉力，若直径拉细至2.4mm ，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。
解：根据题意可得下表由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。
2. 一试样长40cm,宽10cm,厚1cm ，受到应力为1000N 拉力，其杨氏模量为3.5×109N/m 2，解：3. 一材料在室温时的杨氏模量为3.5×108N/m 2,泊松比为0.35，计算其剪切模量和体积模量。
解：根据可知：拉伸前后圆杆相关参数表 )(0114.0105.310101401000940000cm E A l F l El l =⨯⨯⨯⨯⨯=⋅⋅=⋅=⋅=∆-σε0816.04.25.2ln ln ln 22001====A A l l T ε真应变)(91710909.4450060MPa A F =⨯==-σ名义应力0851.0100=-=∆=A A l l ε名义应变)(99510524.445006MPa A F T =⨯==-σ真应力)21(3)1(2μμ-=+=B G E )(130)(103.1)35.01(2105.3)1(288MPa Pa E G ≈⨯=+⨯=+=μ剪切模量)(390)(109.3)7.01(3105.3)21(388MPa Pa E B ≈⨯=-⨯=-=μ体积模量4. 试证明应力-应变曲线下的面积正比于拉伸试样所做的功。
证：5. 一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。
若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。
解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=0.95,V 2=0.05。
则有当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E 0(1-1.9P+0.9P 2)可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa 和293.1 GPa 。
材料物理学导论
材料物理学导论材料物理学是一门研究材料的性质、结构和行为的学科，它旨在了解材料的基本原理，并为材料的开发和应用提供理论和实验依据。
本文将介绍材料物理学的基本概念、研究方法和应用领域，以及与其他学科的交叉研究。
一、材料物理学的基本概念材料物理学是研究材料的物理性质和行为的学科。
它关注材料结构和性质之间的关系，以及材料制备和性能优化的方法。
材料的物理性质包括力学性质、光学性质、磁性和电性等。
材料物理学着眼于揭示物质的微观结构和宏观性质之间的联系，以及各种条件下材料的行为。
二、材料物理学的研究方法1. 实验研究：材料物理学借助实验手段，对材料的结构和性质进行定量分析。
通过调整材料成分、制备工艺和外部条件等因素，研究材料性能的变化规律，为材料的设计和应用提供依据。
2. 理论模拟：材料物理学采用理论模型和计算方法，揭示物质的微观结构和性质之间的关系。
通过求解方程、模拟材料的运动和相互作用等，预测材料的性质和行为。
理论模拟为材料设计和性能优化提供了重要的理论指导。
三、材料物理学的应用领域1. 新材料开发：材料物理学为新材料的研发提供了基础和理论指导。
通过对材料的定量分析和设计，可以开发出具有特殊性能和应用价值的新材料，如高强度材料、超导材料和半导体材料等。
2. 能源领域：材料物理学在能源领域的应用十分广泛。
例如，通过研究材料的电学性质和光学性质，可以开发出高效的太阳能电池和光催化材料，用于能源转换和储存。
3. 电子器件：材料物理学为电子器件的设计和制造提供了理论指导。
通过研究材料的导电性和磁性等性质，可以开发出更小型、更高性能的电子器件，如集成电路和磁存储芯片等。
4. 生物医学：材料物理学在生物医学领域有着重要的应用。
例如，通过研究生物材料的相容性和生物学特性，可以制备出用于组织工程和药物传递的新型材料。
四、材料物理学的交叉学科研究材料物理学与其他学科之间存在紧密的交叉研究。
例如，材料物理学与化学、工程学和生物学等学科的交叉研究，推动了新材料的开发和创新。
材料物理导论郑州大学第一章材料的力学
1.1.4 黏性形变
黏性形变（Viscous Deformation） 黏性物体在剪切应力作用下发生不可逆流动形 变，该形变随时间增加而增大。 理想黏性形变行为遵循牛顿粘性定律，即剪切 应力与应变率或流动速度梯度成正比
黏性系数（简称粘度） 单位：Pa· S
d dv dt dx
理想弹性材料，在应力作用下会发生弹性形变 （Elastic Deformation）,其应力与应变关系服从 Hook定律：
E
比例系数E称为弹性模量（Elastic Modulus），又 称弹性刚度
弹性模量的单位与应力的单位相同，为N/m2.
1.1.3 弹性形变
三种应变类型的弹性模量
应力张量（Tensor）
xx ij yx zx
xy xz yy y z zy zz
法向应力导致材料的伸长或缩短；
剪切应力引起材料的切向畸变。
xy yx (剪切应力互等原理 )
某点的应力状态由6个应力分量决定
且两相的泊松比相同） EH E1V1 E2V2
下限弹性模量
E L （若假设两相的应力相同）
V1 V2 1 E L E1 E2
连续基本内含有封闭气孔时，总弹性模量的
经验计算公式： 2 E E0 (1 1.9P 0.9P )
式中，E0为无气孔时弹性模量，P为气孔率
广义Hook定律
0e
E / kT
123 sinh 2kT
粘度表达式
根据牛顿黏性定律
1 exp(E / kT ) 12 3 2 0 sinh( )
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位错理论与高分子材料
关红艳
专业：材料学学号：S2*******
内容摘要：
《高分子材料中的位错应力场与位错能量》是一篇结合了高分子聚合物的线粘弹性理论模型以及位错的基本理论，求解高分子材料中刃型位错、螺型位错的应力场及位错能量的论文。
本文在认真阅读此文献基础上结合材料物理导论课程内容对位错理论相关原理进行了梳理和复习，同时提出了关于线粘弹性理论模型求解高分子材料位错应力场与位错能量的自己的见解。
关键词：线粘弹性体；高分子材料；位错理论
正文：
位错的概念最初是在研究晶体的强度和范性时引入的。
五十年代初期，应用电子显微镜薄膜技术对位错进行了直接观测。
经过近半个世纪的理论研究和实验观察，人们认识到位错的存在不仅影响晶体的强度性质，而且对晶体生长，表面吸附、催化、扩散、脱溶沉淀，晶体的电学、光学性质、晶体的生长速率、半导体的电学性质、摄影像的形成、硬磁性、超导性等均有密切关系[1]。
当应力超过弹性限度而使晶体材料发生范性变形时，可以在表面上观察到滑移带的条纹，这些滑移带的出现实际上反映了沿一定的晶面两边的晶体发生了相对滑移。
滑移面一般是高密度的原子面，而滑移方向是在滑移平面内，并且是沿着原子间距最小的方向。
一个滑移平面和在这个平面上的一个滑移方向组成了一个滑移系统。
利用滑移来解释范性形变在一定程度上反映了真实的情况，但是当进行定量解释时则遇到了严重困难。
滑移过程并非是原子面之间整体的发生相对
位移，而是一部分先发生滑移，然后推动晶体中另一部分滑移。
位错是在滑移面上已经滑移及尚未滑移部分的分界线。
这样，晶体的滑移可以看作是位错运动的结果。
当位错从一端运动到另一端之后，整个晶体错动了一个原子位置，晶体恢复完整，但却留下了永久变形。
由于位错附近有严重的原子错排，以及弹性畸变引起的长程应力场，因此在位错附近的原子平均能量比其理想晶格位置上的要高，比较容易运动。
对于一个位错，沿其长度各处具有相同的柏氏矢量，与位错所在的位置无关。
是不是混合位错，并不取决于位错线的形状，而是取决于位错线和柏氏矢量的角度[2]。
高分子材料也有类似金属材料的位错现象，建立在线弹性理论基础上的金属材料位错理论相对比较成熟。
由于高分子材料同时具有弹性和粘性性质，是一种典型的粘弹性材料，而高分子材料初始阶段的位错应力-应变关系近似线性，故可以采用线粘弹性理论建立此类材料中的位错应力场和位错能。
理想弹性体受外力作用后，平衡形变瞬时达到，
形变与时间无关，符合胡克定律；而理性粘性体受外
力作用后，形变是随时间线性发展的，符合牛顿流动
定律。
高分子材料的形变与时间有关，这种关系介于
理想弹性体与理想粘性体之间，也就是说，应变和应
变速率同时与应力有关，即粘弹性材料。
由于弹簧能很好地描述理想弹性体力学行为，粘壶能很好地描述理想粘性流体力学行为。
故而 由一个弹簧和一个粘壶串联组成Maxwell 模型如图1所示。
图
1
图2刃型位错的连续介质模型图3螺型位错的连续介质模型
位错的出现在晶体中产生了应力和应变，因而增加了储存的弹性能。
这种弹性能随位错位置变化而变化。
位错有两种基本模型：刃型位错和螺型位错。
我们要研究的高分子材料中刃型位错和螺型位错的连续介质模型如图1和图2所示。
在图中我们可以看到刃型位错的伯格斯矢量垂直于位错线，位错方向与滑移方向垂直；螺型位错的伯格斯矢量平行于位错线，位错方向与滑移方向平行。
在实际晶体中，除了位错附近的严重原子错排外，还存在长程的弹性畸变，这种弹性畸变必然在位错周围存在一个应力场以及由此而产生的弹性畸变能。
应力场的研究通常是按连续介质模型来处理的。
所谓连续介质模型，就是忽略晶体中的点阵结构原子的不连续性，同时把位错中心区几个原子间距内由于严重原子错排而使弹性理论效应失效的部分排除。
由于位错在晶体中造成局部畸变，畸变结果必然产生应力场并有应力能。
这个模型做以下假设：(1)研究晶体完全弹性，即除去外力之后，物体能完全恢复原状，应力和应变呈线性关系；(2)不考虑晶体的分子和原子结构，认为它是均匀介质，在整个体积内连续分布；(3)晶体各向同性。
在弹性应力场中，位错的增殖由位错的运动而引起，金属晶体中的位错要想
持续不断地运动，一方面外加振动波给位错提供能量，另一方面位错运动要克服其阻力，也即位错要和合金中的溶质原子在晶格中产生的弹性应力场、其他位错的弹性应力场、点阵阻力应力场发生相互作用，这些应力场会阻碍位错运动。
在弹性场中信号的传播速度等于声速，金属构件在周期性的动应力作用下，振动波以纵波的形式传入金属的晶格中。
沿滑移面作用的切应力作用于晶体，可使晶体的位错沿滑移面运动。
对于金属晶体，刃型位错的应力场与z 无关，是平面场，正应力场关于y 轴对称。
而螺型位错应力场只有切应力，没有正应力分量，应力大小和b 有关，r 越大应力越小。
222xz b y x y μτπ=-+ 222yz b x x y
μτπ=+ 螺型位错的单位长度弹性能W 由表达式
102
1
(')22r r rdr σσπμ
+⎰ 给出。
当r 1>>r o 时可得 2
10ln 14r b W K r μπ⎡⎤=-⎢⎥⎣⎦
其中K=1。
对于刃型位错可求得同样的表达式，但其中K=1-υ。
式中第二项是由于表面上的应力的迟豫引起的。
这种迟豫显然能够使能量降低。
并且公式是在假设介质为各向同性时得到的。
由于高分子材料初始阶段的位错为近似线性关系，可以用线粘弹性理论来建立此类材料中的位错应力场和位错能。
据此可以认为高分子材料在无外力作用时的应力场、位移场满足平衡方程：
在不计体力时，根据几何方程加入应力边界条件和螺型位错位移边界条件、刃型位错位移边界条件积分得到相应的畸变方程和体变方程。
再根据图1所示Maxwell 模型计算得到
112,/b a G ηητ===
其中，G 为切变模量，η为粘度，τ为松弛时间，K 为体变模量。
最终得出结论，金属材料的位错应力场、位错能与高分子材料的位错应力场、位错能相差一个时间函数f(t)、f 1(t)，即时间因子。
所以两种材料的位错应力场及能量有相同的空间分布。
t=0是一个奇异点，随时间的延长，材料的位错应力场及能量将消失。
然而此文中所用的Maxwell 模型是建立在恒应力的情
况下，不能反映出高分子材料的蠕变过程；而通过弹簧与
粘壶并联而成的模型即开尔文模型是建立在恒应变情况
下，不能反映出高分子材料的应力松弛过程。
高聚物的粘
弹性可以通过弹簧和粘壶的各种组合得到描述，四元件模
型(如图4)是根据高分子的运动机理设计的。
由分子内部键
长，键角的改变引起的普弹性变是瞬时完成的与时间无关，所以可以用一个硬弹簧模拟；由链段的伸展、卷曲引起的高弹形变随时间而变化，可用弹簧与粘壶并联模拟；高分子本身相互滑移引起的粘性流动，
形变随图4
时间线性变化，可用粘壶模拟。
故我们可以通过四元件模型的建立，结合位错理论中刃型位错与螺型位错的连续介质模型推导高分子材料真实的位错应力场与位错能量。
参考文献：
[1] 杨顺华等,晶体位错理论基础.1988.
[2] 周亚栋,无机材料物理化学.1992.。