(整理)南昌大学材料性能学重点 材料电学性能.
南昌大学 材料性能学重点 第一章 材料热学性能
第一章材料热学性能内容概要：本章讲述材料的热容、热膨胀、热传导、热稳定性等方面的内容，并简述其物理本质。
主要内容和学时安排如下：第一节材料的热容重点掌握经典热容理论和量子热容理论的内容；理解温度、相变等对热容的影响；了解热容的几种测量方法，对热分析法的原理和应用要重点理解。
第二节材料的热膨胀重点掌握线膨胀系数、体膨胀系数、热膨胀的物理本质；了解热膨胀的测量方法；理解热膨胀分析方法在材料中的应用。
第三节材料的热传导掌握热传导定律；热传导的物理本质；理解热传导的影响因素。
（共6个学时）第一节 材料的热容一、热容的定义：不同的物体升高相同的热量时其温度会不同，温度升高1K 所需要的能量定义为热容： ∆T ∆=Q C 定容热容：如果在加热过程中，体积不变，则所提供的热量全部用于粒子动能（温度）的增加，用Cv 表示 ()V V Q C ∆=∆T定压热容：如果在加热过程中保持压力不变，则物体的体积自由膨胀，这时所提供的热量一部分用于升高体系的温度，一部分用于体系对外做功，用Cp 表示()()V V V Q U P V U C T ∆∆+∆∆===∆T ∆∆T ()()()()()P P P P P P Q U P V U V H C P T T T∆∆+∆∆∆∆===+=∆T ∆∆T ∆∆ T c m H =c 为0-TK 时平均比热容，即质量为1Kg 的物质在没有化学反应条件下，温度升高1K 时所需的热量，单位为J/（Kg.K ）定压热容>定容热容，一般实验测得的是恒压热容CpTQ m C P ∆∆=1 即在T T T -+∆温度范围内的平均热容： 当0T ∆→时，P C 即可认为是TK 时的热容dTdQ m C P 1= 摩尔恒压热容：1mol 物质在没有化学反应和相改变条件下，升高1K 所需的能量，用C pm 表示 摩尔恒容热容：KT V v C C m Vm Pm 2∂=- M C C P Pm =（M 为摩尔质量）二、热容理论实验发现：在不发生相变条件下，多数物质的热容Cv 在高温下，逐于一恒定值；低温区3V C T ∝；0T →时，0V C =。
材料性能学 10.电学性能
3）能带导电理论 ----电子能量与波矢的关系
金属导电理论
晶体电子的能量E与波矢K的关系曲线就是能带图。 晶体电子的状态是用波函数和能量本征值来确定的， 可采用波矢K来表征；即一个K就代表了一种状态（ 一种波函数和相应的能量）
3）能带导电理论
（1）基本概念
由于晶体中电子能级的 间隙很小，故能级的分布可 视为准连续的，称为能带。
基本假设：
• 自由电子（价电子）公有 化，能量量子化；
• 离子势场不均匀，呈周期 变化；
允带 禁带
3）能带导电理论
3）能带导电理论
半导体能带中的几个概念： 价带，导带，导带底，价带顶，禁带宽度
（2）三种典型材料的能带结构
空带
价带
导 带
重 叠 区
禁带宽度
导 带
价带与空带重叠， 无禁带
价带半满
金属导体
ⅡA族－Be, Mg, Ca, Sr(锶), Ba, Ra(镭)
电子结构特征：最外 s 壳层 均有 2 个电子。
能带结构特征：最外s 带为 满带。
导电性：
表面上：应导电能力不佳，
实际上：导电能力高于ⅠA族。
Mg
原 因：最外s 带与最外 p 带重叠，构成导带
ⅢA族－B, Al, Ga, In, Tl(铊)
第八章 材料的电学性能
第八 章 材料的电学性能
• 导电性 • 介电性
重点介绍
• 铁电性 • 压电性 • 热释电性 • 磁电性 • 光电性
最后一节课即6-12部分内容， 学生讲，2个学生，每人选一 个内容，讲15分钟左右， 简单介绍 PPT已有
（考试不考）
第一节 导电性
一、电阻与导电的基本概念
导电现象：在材料两端施加电压时，材料中有电流通过。
南昌大学工程材料复习资料
第一章金属材料的主要性能使用性能：材料在使用过程中所表现出来的性能。
工艺性能：材料在制成零件过程中所表现出的性能。
即材料对于零件制造工艺的适应性。
抗拉强度бb ：材料在拉断前所能承受的最大应力。
洛氏硬度HRC HRC ──测量经过热处理后的硬度。
（一般用1490N的力）1.晶体：原子在空间作有规划排列的物体。
4.晶胞：能代表晶格特征的最小几何单元。
5.晶格常数：晶胞中各棱边的长度。
体心立方晶格原子数：8*1/8+1=2致密度：晶胞中原子所占的体积与晶胞体积之比，0.68。
具有体心立方晶格的金属有：α－Fe面心立方晶格原子数：8*1/8＋6*1/2=4有面心立方晶格的金属r-Fe、结晶的必要条件：具有一定的过冷度过冷度△Ｔ：理论结晶温度(T0) 与实际结晶温度(Tn)之差。
细化晶粒的方法:增大过冷度变质处理（孕育处理）：增加外来晶核细化晶粒的方法振动结晶：将技晶打碎，成为新的晶粒。
同素异晶转变──随着温度的改变，固态金属的晶格也随之改变的现象。
§2.2 铁碳合金的基本组织组元：组成合金的元素，或独立的基本单元。
P15相：合金中具有相同成分和相同结构（相同聚集状态）的均匀部分。
组织：是指合金中一个或多个相的形貌及各相的分布状态。
P15 综合二、合金的结构固溶强化：因形成固溶体而引起合金强度、硬度升高的现象根据溶质原子在溶剂晶格中所占据的位置，可将固溶体分为：间隙固溶体──B存在A晶格的间隙中。
置换固溶体──B置换了晶格中A的位置。
铁碳合金中的固溶体P16金属化合物：金属化合物是各组元按一定整数比结合而成、并具有金属性质的均匀物质。
金属性质:是指具有良好的导电性和导热性及金属的光泽。
P17珠光体(P)──F和Fe3C组成片层相间的机械混合物二、状态图分析P19A：纯铁的熔点(1538 ℃) 。
C：共晶点，降温时发生共晶反应的成分、温度点。
(1148℃，液相成分为4.3%C)共析反应点，降温时A发生共析反应的成分与温度。
第二章 材料的电学性能(二)
金属的接触电位差为这两个原因形成电位差的叠加。
2.11.2 金属-半导体的接触电效应
1. 半导体存在表面势 2. 金属电子的逸出功和半导体存在表面势不同 3.金属-半导体接触。 4.发生扩散 5. 在金属和半导体间形成电位差
第II类超导体 除金属元素钒、锝和铌外，第II类超导体主要包括金属化合物 及其合金。第II类超导体和第I类超导体的区别主要在于： 1)第II类超导体由正常态转变为超导态时有一个中间态（混合 态） 2)第II类超导体的混合态中有磁通线存在，而第I类超导体没有； 3)第II类超导体比第I类超导体有更高的临界磁场。
超导体的完全抗磁性机理：
这是由于外磁场在试样表面感应产生一个感应 电流，此电流由于所经路径电阻为零，故它所产 生的附加磁场总是与外磁场大小相等，方向相反， 因而使超导体内的合成磁场为零。 因此感应电流能将外磁场从超导体内挤出，故 称抗磁感应电流或屏蔽电流。
2.10.3 超导电性的影响因素和基本临界参数
2.9.5 电介质的介电损耗
介质损耗：电介质在外电场作用下，其内部会有发 热现象，表明部分电能已转化为热能耗散掉，这 种介质内的能量损耗。其损耗原因是电导作用和 极化作用引起。
2.10 超导电性
2.10.1 超导电性的发现与进展 什么是超导体？
1. 零电阻 将超导体冷却到某一临界温度 （TC）以下时电阻突然降为零的现 象称为超导体的零电阻现象。不同 超导体的临界温度各不相同。1911 年昂纳斯首先发现，汞在低于临界 温度4.15K时电阻变为零。
2.9 绝缘体的电学性能
2.9.1 电介质的极化
材料性能学复习题整理
材料性能学复习题整理1.材料在使⽤的过程中，将对不同的温度做出反应，表现出不同的热物理性能，这些物理性能称为材料的热学性能。
2.声频⽀可以看成是相邻原⼦具有相同的振动⽅向，光频⽀可以看成相邻原⼦振动⽅向相反。
3.当固体材料⼀端的温度⽐另⼀端⾼时，热量会从热端⾃动地传向冷端，这个现象称为热传导。
4.各质点热运动时动能总和就是该物体的热量。
5.晶格振动的弹性波称为格波。
6.如果振动着的质点中包含频率甚低的格波，质点彼此之间的位相差不⼤，则格波类似于弹性体中的应变波，称为“声频⽀振动”；格波中频率甚⾼的振动波，质点彼此之间的位相差很⼤，邻近质点的运动⼏乎相反时，频率往往在红外光区，称为“光频⽀振动”。
7.固体中的导热主要是由晶格振动的格波和⾃由电⼦的运动来实现的。
8.与原⼦中价电⼦的能量相对应的能带，叫价带；最靠近价带⽽能量较⾼的能带叫导带。
9.电⼦电导的特征是具有霍尔效应，离⼦电导的特征是存在电解效应。
10.掺⼊施主杂质的半导体称为n型半导体；掺⼊受主杂质的半导体称为P型半导体。
11.固有电导载流⼦由晶体本⾝热缺陷——弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷提供。
12.全带中每⼀能级都被都被两个电⼦占据的能带，叫满带；所属各能级上没电⼦的能带，叫空带。
13.超导体，是指当某种物质冷却到低温时电阻突然变为零，同时物质内部失去磁通成为完全抗磁性的物质。
14.导带中的电⼦导电和价带中的空⽳导电同时存在，称为本征电导；这类载流⼦只由半导体晶格本⾝提供，所以叫本征半导体；它的特点是：载流⼦——电⼦和空⽳的浓度是相等的。
15.正压电效应的本质是因为机械作⽤引起了晶体介质的极化，从⽽导致介质两端表⾯内出现符号相反的束缚电荷。
16.原⼦磁矩有3个来源：①电⼦轨道磁矩；②电⼦⾃旋磁矩；③原⼦核磁矩。
17.所谓极化，就是在压电陶瓷上加⼀个强直流电场，使陶瓷中的电畴沿电场⽅向取向排列，只有经过极化⼯序处理的陶瓷才能显⽰压电效应。
18.质点间结合⼒愈强，热膨胀系数愈⼩。
材料物理性能——电学性能
超导电性
材料物理性能——电学性能
超导体的特性 1、完全导电性
有报导说用Nb0.75Zr0.25合金超导导线制成的超导螺线管，估计其超导 电流衰减时间不小于10万年。
超导体没有电阻，因而是等电位的，其中没有电场。
材料物理性能——电学性能
2、完全的抗磁性－迈斯钠效应 试样表面产生感应磁场，抵消外磁场。
t 0(1t)
t
d
dt
1
t
θD
• 冷加工使晶格畸变，使电子散射几
率加大，原子间距有所改变，电阻
率加大
• 压力通常使电阻率降低
• 热处理－通过晶格畸变、点缺陷、 晶粒尺寸的变化影响电阻率
材料物理性能——电学性能
合金的导电性
连续固溶体，最大电阻 率通常在50％原子浓度 处。主要是异类原子引 起溶剂晶格畸变。
材料物理性能——电学性能
本征半导体的电学性能
• 本征载流子（自由电子和空穴）浓度相等：
ni np K1T3/2exp2EkgT
• 迁移率－单位场强下自由电子和空穴的平均漂移速度
vn n vp p
• 电流密度－单位面积的电流 j qnv
• 电阻率和电导率
ijqi n n qi n pqi nn 1p
材料物理性能——电学性能
评价超导材料的性能指标： 1、临界转变温度Tc 2、临界磁场强度Hc(T)
Hc(T)Hc(0)1TTc 2
两类超导体
材料物理性能——电学性能
超导现象的物理本质 超导态时，电子与晶格点阵相互作用，使电 子克服静电斥力而相互吸引，组成电子对－ 库柏电子对，通过晶格的阻力为零。 超导态电子结成库柏对时能量比正常态的两 个电子的能量低。温度和磁场破坏库柏对的 稳定性。 温度越低，超导体越稳定。
材料的电学性能
马基申定律 金属固溶体 电阻率：
基本电阻率ρ(T)：由热运动引起，与温度有关。 残余电阻率ρC：决定于化学缺陷和物理缺陷， 与温度无关。
3.2 影响金属导电性的原因
1. 温度对金属电阻的影响 （1）一般规律
0 K 时：
其大小决定于晶体缺陷的类型和数量。
极低温时：电子散射占主要地位，声子散射很弱，基
超导体的完全抗磁性机理：
这是由于外磁场在试样表面感应产生一个感 应电流，此电流由于所经路径电阻为零，故它所 产生的附加磁场总是与外磁场大小相等，方向相 反，因而使超导体内的合成磁场为零。 因此感应电流能将外磁场从超导体内挤出， 故称抗磁感应电流或屏蔽电流。
超导电性的影响因素和基本临界参数
铁磁材料随温度的变化，在一定温度下发生铁磁顺磁的磁相转变，从而导致电阻-温度关系反常。
2. 受力情况对金属电阻的影响 （1）拉力的影响
在弹性限度内，单向拉伸或扭转应力能提高金属 的电阻率。
ρ0 为无负荷电阻率，αγ 应力系数，σ为拉应力。
（2）压力的影响 对于大多数金属，压力能降低金属的电阻率。
3. 冷加工对金属电阻的影响 冷加工的形变使金属的电阻率提高。
超导材料的应用
超导材料最诱人的应用是发 电、输电和储能。
由于超导材料在超导状态 下具有零电阻和完全的抗磁性 ，因此只需消耗极少的电能， 就可以获得10万高斯以上的稳 态强磁场。而用常规导体做磁 体，要产生这么大的磁场，需 要消耗3.5兆瓦的电能及大量的 冷却水，投资巨大。
超导磁体可用于制作交 流超导发电机、磁流体发电机 和超导输电线路等。
5 接触电性
当两种材料在它们接触的效界面上产生的载流子 的某种行为，由此引起的两种材料单独存在时所没 有的新的电学效应，称为接触电效应。存在于两种 不同材料接触之中。
材料物理材料的电学性能
编辑版ppt材料物理1来自主要内容6.1 导电性 6.2 超导性 6.3 热传导与热电效应 6.4 材料的介电性能
编辑版ppt
2
6.1 导电性
6.1.1 自由电子近似下的导电 6.1.2能带理论下的导电性 6.1.3导电性与温度的关系 6.1.4电阻率与杂质的关系 6.1.5 霍尔效应 6.1.6电导功能材料
6
实际晶体的电子是以布洛赫波传导，电子的能量分布服从 费米—狄拉克统计。
对于自由电子近似，电子处于
动量空间(Px，Py，Pz)中，从原点
开始，每个体积中依次占有两个电 子，n个电子处于填满球形的状态。
这个球称为费米球，球表面称 为费米面，球表面上的电子能量(最 大的电子能)称为费米能。
自由电子模型的费米球和 费米-狄拉克分布函数
编辑版ppt
13
(2)二价元素 IIA 族碱土金属Be, Mg, Ca, Sr, Ba和IIB族Zn, Cd, Hg
价带s 电子充满，应为绝缘体。但在三维晶体，能带交叠， 费米能级以上无禁带，导体。
编辑版ppt
14
(3)三价元素 IIIA 族Al, Ga, In, Tl，s电子充满，p电子半充满，导体。
编辑版ppt
7
➢在有限温度下，热激发引起球面混乱，即电子的占有几率 服从费米—狄拉克统计分布：
1 F (E) e(EEF )/ kT 1
➢热激发引起的电子占有几率小于1的能量幅为kT(T＝300K时 为0.025eV)。 ➢费米能为几个ev，因此，即使在有限温度，费米球混乱也只 在最表面。
编辑版ppt
2Lm
2
kF o
d 2E dk 2
dk
2Lm
2
材料性能学课件第十章 材料的电学性能 - 2
1、位移极化 电子位移极化：在外电场作用下原子外围电子云 相对于原子核发生位移，电子极化率依赖于频率、 与温度无关。 离子位移极化：离子在电场作用下偏移平衡位置
第四节 介质极化与介电性能
一、极化的基本概念
介质在电场作用下产生感应电荷的现象 称为介质的极化，这类材料称为电介质。
无极分子：无极分子在没有外电场时，分子正、负电荷中心重合。
但在外电场作用下，分子正、负电荷中心产生位移，形成取向外电 场方向的分子电偶极矩，使介质表面出现极化电荷（束缚电荷）。 极化电荷产生的附加电场方向与外电场方向相反。
二、介质的损耗形式
1、电导(或漏导)损耗 弱联系带电粒子(或空位)引起。
2、极化损耗 松弛极化所造成的介质损耗比较大。 造成损耗原因：松弛极化建立的时间较长，电 矩滞后于外加电场引起。 低频率，不产生极化损耗；高频率， 产生极化 损耗。
二、介质的损耗形式
3、电离损耗 由气体电离吸收能量所引起。 在正常条件下气体的耐受电压能力一般比固态 绝缘物的低。气体电离产生电介质损耗发热膨 胀，可能导致整个固态绝缘物的热破坏和造成 老化，尽量减少介质中的气孔。 4、结构损耗 与温度关系不大，随频率升高而增大（杂质） 5、宏观结构不均匀的介质损耗 工程介质材料大多数是不均匀介质。
三、影响抗电强度的因素
材料的组成与结构 1、温度的影响 （1）对电击穿影响不大 （2）对热击穿影响较大 （3）对化学击穿加快 2、频率的影响
频率影响介质损耗，进而对热击穿影响很大， 击穿场强与频率的平方根成反比。 另外，器件的大小和形状、散热条件都 对击穿有很大的影响。
材料性能学重点
第一章材料单向静拉伸的力学性能1、名词解释:银纹：银纹是高分子材料在变形过程中产生的一种缺陷，由于它的密度低，对光线的反射能力很高，看起来呈银色，因而得名。
银纹产生于高分子材料的弱结构或缺陷部位。
超塑性：材料在一定条件下呈现非常大的伸长率(约1000％)而不发生缩颈和断裂的现象，称为超塑性。
晶界滑动产生的应变εg在总应变εt中所占比例一般在50％～70％之间，这表明晶界滑动在超塑性变形中起了主要作用。
脆性断裂：材料断裂前基本上不产生明显的宏观塑性变形，没有明显的预兆，往往表现为突然发生的快速断裂过程，因而具有很大的危险性。
韧性断裂：材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的断裂过程。
韧性断裂时一般裂纹扩展过程较慢，而且消耗大量塑性变形能。
解理断裂：在正应力作用下，由于原子间结合键的破坏引起的沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂称为解理断裂。
(解理台阶、河流花样和舌状花样是解理断口的基本微观特征。
) 剪切断裂：剪切断裂是材料在切应力作用下沿滑移面滑移分离而造成的断裂。
(微孔聚集型断裂是材料韧性断裂的普通方式。
其断口在宏观上常呈现暗灰色、纤维状，微观断口特征花样则是断口上分布大量“韧窝”。
)4、试述韧性断裂与脆性断裂的区别，为什么说脆性断裂最危险?应力类型，塑性变形程度、有无预兆、裂纹扩展快慢。
5、断裂强度σc与抗拉强度σb有何区别?若断裂前不发生塑性变形或塑性变形很小，没有缩颈产生，材料发生脆性断裂，则σc=σb。
若断裂前产生缩颈现象，则σc与σb不相等。
6、格里菲斯公式适用哪些范围及在什么情况下需要修正?格里菲斯公式只适用于含有微裂纹的脆性固体，如玻璃、无机晶体材料、超高强钢等。
对于许多工程结构材料，如结构钢、高分子材料等，裂纹尖端会产生较大塑性变形，要消耗大量塑性变形功。
因此，必须对格里菲斯公式进行修正。
第二章材料单向静拉伸的力学性能1、应力状态软性系数；τmax和σmax的比值称为，用α表示。
α越大，最大切应力分量越大，表示应力状态越软，材料越易于产生塑性变形。
材料的电学性能
某些离子化合物可以在一定的温度区间成为固态的导体，如 -Al2O3在300C有0.35-1· cm-1的电导率——不以电子而以离 子为载流子。
2 2
25
与经典自由电子理论下的电导率的形式相同。但 其中的F、lF、vF分别是费米面附近的电子的弛 豫时间、平均自由程和运动速度。 ——可以成功地解释一价的碱金属的电导。 但对其他金属，如过渡金属，其电子结构复杂， 电子分布不是简单的费米球，必须用能带理论才 能解释其导电性。
6.1.2 能带理论下的导电性 (Electrical conductivities in energy band theory)
27
基础 晶格热容是一个宏观物理量，是晶格振动的统计平均效 应。爱因斯坦采取了一个平均频率的简单模型，取得了很 成功的结果。 电阻率也是一个宏观物理量，是电子与声子作用的统 计平均效应。是否可采取平均声子的模型来处理纯金属电 阻率问题呢？ 所谓平均声子模型，是假定声子系统由平均声子来构 成，在这个系统中，每个声子的动量等于原声子系统中声 子的平均动量。 我们知道，对电导有贡献的只是费密面上的电子，因 此纯金属电阻率可看成是费密面上的电子与平均声子相互 碰撞的结果。
26
（1）能带：包括允带和禁带 （2）允带：允许电子能量存在的能量范围 （3）禁带：不允许电子能量存在的能量范围
空带 满带
导带
价带
（4）空带：不被电子占据的允带
（5）满带：允带中的能量状态均被电子占据
材料物理性能复习总结
第一章电学性能1.1 材料的导电性，ρ称为电阻率或比电阻，只与材料特性有关，而与导体的几何尺寸无关，是评定材料导电性的基本参数。
ρ的倒数σ称为电导率。
一、金属导电理论1、经典自由电子理论在金属晶体中，正离子构成了晶体点阵，并形成一个均匀的电场，价电子是完全自由的，称为自由电子，它们弥散分布于整个点阵之中，就像气体分子充满整个容器一样，因此又称为“电子气”。
它们的运动遵循理想气体的运动规律，自由电子之间及它们与正离子之间的相互作用类似于机械碰撞。
当对金属施加外电场时，自由电子沿电场方向作定向加速运动，从而形成了电流。
在自由电子定向运动过程中，要不断与正离子发生碰撞，使电子受阻，这就是产生电阻的原因。
2、量子自由电子理论金属中正离子形成的电场是均匀的，价电子与离子间没有相互作用，可以在整个金属中自由运动。
但金属中每个原子的内层电子基本保持着单个原子时的能量状态，而所有价电子却按量子化规律具有不同的能量状态，即具有不同的能级。
0K时电子所具有最高能态称为费密能E F。
不是所有的自由电子都参与导电，只有处于高能态的自由电子才参与导电。
另外，电子波在传播的过程中被离子点阵散射，然后相互干涉而形成电阻。
马基申定则：´，总的电阻包括金属的基本电阻和溶质（杂质）浓度引起的电阻（与温度无关）；从马基申定则可以看出，在高温时金属的电阻基本取决于，而在低温时则决定于残余电阻´。
3、能带理论能带：由于电子能级间隙很小，所以能级的分布可看成是准连续的，称为能带。
图1-1(a)、(b)、(c)，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，在外电场的作用下电子很容易从一个能级转到另一个能级上去而产生电流，具有这种能带结构的材料就是导体。
图1-1(d)，若一个满带上面相邻的是一个较宽的禁带，由于满带中的电子没有活动的余地，即便是禁带上面的能带完全是空的，在外电场作用下电子也很难跳过禁带，具有这种能带结构的材料是绝缘体。
南昌大学材料性能学重点 材料电学性能
第二章材料电学性能内容概要：本章介绍金属的导电机理，以及影响金属导电的因素，导电率的测量方法及其它材料的电学性质。
具体内容和学时安排如下：第一节导电性能及本质要求学生掌握导电的三大理论：经典电子理论；电子的量子理论；能带理论。
这三大理论的成功或不足点。
理解自由电子、能级和能带、周期性势场、能带密度、K空间的概念。
第二节金属导电性能影响因素理解温度、相变、应力和热处理（淬火和退火）对材料导电性能的影响。
第三节合金的导电性能理解固溶体和化合物的导电性第四节电阻率的测量电阻率的测量方法有单电桥法；双电桥法；电子四探针法。
重点要求掌握单电桥法。
第五节电阻分析应用根据电阻率与温度的线性关系，可来研究材料的相变，材料的组织结构变化。
第六节超导电性掌握超导的两大性能：完全导电性和完全抗磁性。
掌握超导态转变为正常态的三个条件：临界温度；临界电流；临界磁场。
超导的本质－BCS理论。
第七节材料的热电性能了解三大热电现象：第一热导效应、第二热电效应、第三热电效应。
第八节半导体导电性的敏感效应了解半导体能带结构特点；半导体导电有本征导电和杂质导电;实现导电的条件。
第九节介电极化与介电性能掌握电介质极化机理和介电常数的本质第十节电介质的介电损耗了解电介质的能量损耗。
（共12个学时）第一节 导电性能及本质材料的电学性能是指材料的导电性能，与材料的结构、组织、成分等因素有关。
一、电阻与导电的概念Ｒ＝Ｕ/IR 不仅与材料的性质有关，还与材料的几何形状有关 。
SL R ρ=L 与材料的长度，ｓ与材料的横截面积，ρ为电阻率，单位为 m Ω• ρσ1=值越小，a 值越大。
ρ 值愈小，σ值愈大。
纯金属：e 为10-8～10-7合金： 10-7～10-5半导体：10-3～109绝缘体：﹥109导电性能最好的金属是银、铜、金，其电阻率分别为1.5×10-8m 、1.73×10-8m 、等 二、导电机理及能带理论关于材料的导电机理有三大理论：经典电子理论；电子的量子理论；能带理论。
(整理)南昌大学材料性能学重点 材料电学性能
第二章材料电学性能内容概要：本章介绍金属的导电机理，以及影响金属导电的因素，导电率的测量方法及其它材料的电学性质。
具体内容和学时安排如下：第一节导电性能及本质要求学生掌握导电的三大理论：经典电子理论；电子的量子理论；能带理论。
这三大理论的成功或不足点。
理解自由电子、能级和能带、周期性势场、能带密度、K空间的概念。
第二节金属导电性能影响因素理解温度、相变、应力和热处理（淬火和退火）对材料导电性能的影响。
第三节合金的导电性能理解固溶体和化合物的导电性第四节电阻率的测量电阻率的测量方法有单电桥法；双电桥法；电子四探针法。
重点要求掌握单电桥法。
第五节电阻分析应用根据电阻率与温度的线性关系，可来研究材料的相变，材料的组织结构变化。
第六节超导电性掌握超导的两大性能：完全导电性和完全抗磁性。
掌握超导态转变为正常态的三个条件：临界温度；临界电流；临界磁场。
超导的本质－BCS理论。
第七节材料的热电性能了解三大热电现象：第一热导效应、第二热电效应、第三热电效应。
第八节半导体导电性的敏感效应了解半导体能带结构特点；半导体导电有本征导电和杂质导电;实现导电的条件。
第九节介电极化与介电性能掌握电介质极化机理和介电常数的本质第十节电介质的介电损耗了解电介质的能量损耗。
（共12个学时）第一节导电性能及本质材料的电学性能是指材料的导电性能，与材料的结构、组织、成分等因素有关。
一、电阻与导电的概念Ｒ＝Ｕ/I R 不仅与材料的性质有关，还与材料的几何形状有关 。
SL R ρ= L 与材料的长度，ｓ与材料的横截面积，ρ为电阻率，单位为 m Ω•ρσ1=值越小，a 值越大。
ρ 值愈小，σ值愈大。
纯金属：e 为10-8～10-7合金： 10-7～10-5半导体：10-3～109 绝缘体：﹥109 导电性能最好的金属是银、铜、金，其电阻率分别为1.5×10-8Ω⋅m 、1.73×10-8Ω⋅m 、等二、导电机理及能带理论关于材料的导电机理有三大理论：经典电子理论；电子的量子理论；能带理论。
材料的电学性能
本征半导体和杂质半导体的电导率与温 度的关系:
0 exp( Eg / 2kT)
材料性能学
(2) 无机非金属的导电机理
无机非金属材料电导的载流子可以是电子 、电子空穴,或离子、离子空穴.
载流子是电子或电子空穴的电导称为电子 式电导,载流子是离子或离子空位的称为离 子式电导.
对于材料中存在的多种载流子的情况,材料的总电 导率可以看成是各种电导率的总和.
材料性能学
②玻璃的导电机理
玻璃的电阻率和温度与组成有关,在通常情 况下是绝缘体
玻璃与晶体的比较，玻璃具有：
•
结构疏松
•
组成中有碱金属离子
•
势垒不是单一的数值，有高有低
导电的粒子：
•
离子
•
电子
材料性能学
(3) 超导电性
第二类超导体:有两个临界磁场 , 下 临 界 磁 场 Hc1, 上 临 界 磁 场 Hc2. Hc1比Hc2低一个数量级.外 磁场小于Hc1,处于完全抗磁状 态.介于Hc1与Hc2之间时,处于超 导态与正常态的混合状态,磁场 部分地穿透到超导体内部,电流 在超导体内部分流动.等于Hc2, 超导部分消失,转变为正常态.
材料性能学
半导体的能带结构与绝缘体 相同,所不同的是它的禁带比 较窄,电子跳过禁带不像绝缘 体那么困难.如果存在外界作 用(如热、光辐射等),则价带 中的电子就有能量可能跃迁 到导带中去,在价带中同时出 现空穴.在外电场的作用下, 电子和空穴会定向移动而产 生电流.
材料性能学
空带中的电子导电和价带中的空穴导电同时 存在的导电方式称为本征电导.本征电导的特 点是参加导电的电子和空穴的浓度相等.具有 本征电导特性的半导体称为本征半导体(完全 纯净的、结构完整的半导体晶体).
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第二章材料电学性能内容概要：本章介绍金属的导电机理，以及影响金属导电的因素，导电率的测量方法及其它材料的电学性质。
具体内容和学时安排如下：第一节导电性能及本质要求学生掌握导电的三大理论：经典电子理论；电子的量子理论；能带理论。
这三大理论的成功或不足点。
理解自由电子、能级和能带、周期性势场、能带密度、K空间的概念。
第二节金属导电性能影响因素理解温度、相变、应力和热处理（淬火和退火）对材料导电性能的影响。
第三节合金的导电性能理解固溶体和化合物的导电性第四节电阻率的测量电阻率的测量方法有单电桥法；双电桥法；电子四探针法。
重点要求掌握单电桥法。
第五节电阻分析应用根据电阻率与温度的线性关系，可来研究材料的相变，材料的组织结构变化。
第六节超导电性掌握超导的两大性能：完全导电性和完全抗磁性。
掌握超导态转变为正常态的三个条件：临界温度；临界电流；临界磁场。
超导的本质－BCS理论。
第七节材料的热电性能了解三大热电现象：第一热导效应、第二热电效应、第三热电效应。
第八节半导体导电性的敏感效应了解半导体能带结构特点；半导体导电有本征导电和杂质导电;实现导电的条件。
第九节介电极化与介电性能掌握电介质极化机理和介电常数的本质第十节电介质的介电损耗了解电介质的能量损耗。
（共12个学时）第一节导电性能及本质材料的电学性能是指材料的导电性能，与材料的结构、组织、成分等因素有关。
一、电阻与导电的概念Ｒ＝Ｕ/I R 不仅与材料的性质有关，还与材料的几何形状有关 。
SL R ρ= L 与材料的长度，ｓ与材料的横截面积，ρ为电阻率，单位为 m Ω∙ρσ1=值越小，a 值越大。
ρ 值愈小，σ值愈大。
纯金属：e 为10-8～10-7合金： 10-7～10-5半导体：10-3～109 绝缘体：﹥109 导电性能最好的金属是银、铜、金，其电阻率分别为1.5×10-8Ω⋅m 、1.73×10-8Ω⋅m 、等二、导电机理及能带理论关于材料的导电机理有三大理论：经典电子理论；电子的量子理论；能带理论。
1 金属及半导体的导电机理1〉经典电子理论经典电子理论认为(以Drude 和Lorentz 为代表)：在金属晶体中，离子构成晶格点阵，并形成一个均匀的电场，价电子是完全自由的，称为自由电子，它们弥散分布于整个点阵之中，就像气体分子充满整个容器一样，因此称为“电子气”。
它们的运动遵循经典气体分子的运动规律，自由电子之间以及自由电子与正离子之间仅仅是机械碰撞而已。
在没有外加电场时，金属中的自由电子沿各个方向的运动几率相同，因此不产生电流。
当对金属施加外电场，自由电子沿电场方向加速运动，从而产生电流。
在自由电子定向运动时，要与正离子发生碰撞，使电子受阻，这就是电阻。
设电子两次碰撞之间所经历的时间为τ2*2n e m τσ*=m*为电子的有效质量（考虑了晶体场对电子的相互作用）τ为电子在两次碰撞之间的时间间隔，τ为时间自由程.v 为电子运动的平均速度。
在T=0K 时，电子不受到散射.p=0.σ→∞。
理想晶体。
T ≠0K 时，晶体的阵热振动或经典电子理论成功计算了电导率以及电导率与热导率的关系；但经典电子理论不能解释以下几种现象：电子的长平均自由程；材料导电性能差异；金属电子比热小。
2〉量子自由电子理论 量子自由电子理论认为：金属中正离子形成的电场是均匀的，价电子与离子间没有相互作用，且为整个金属所有，可以在整个金属中自由运动。
但这一理论认为：金属中每个原子的内层电子基本保持单个原子时的能量状态，而所有的价电子却按量子规律具有不同的能量状态，即具有不同的能级。
量子电子理论认为：电子具有波粒二象性。
运动着的电子作为物质波，其频率与电子的运动速度和动量具有以下关系：⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧======2228222K m h E h p h mv f p h mv h πππλπλ m 为电子质量；v 为电子速度；λ为波长；p 为电子动量；h 为普朗克常数；m h 228π为常数；K 为波矢，它是表征金属中自由电可能具有的能量参数。
自由电子能量与波矢关系为：mK E 222 = 电子波数越大，能量也越高。
金属中价电子具有不同的能量状态，有的处于低能状态，有的处于高能状态，根据泡利不相容原理，每个能态只能存在正反方向运动的电子；自由电子从低能态一直排到高能态，0K 时电子所具有的最高能态称为费米能E f 。
在没有外电场作用，沿正反方向运动的电子数目相同，没有电子产生，在外加电场作用下，外电场使向着正向运动的电子能量降低，反向运动的电子能量升高。
部分能量较高的电子转向正向运动的能级，使正反向运动的电子数目不等，使金属导电。
不是所有的自由电子参与导电，只有处于较高能态上的电子自由电子参与导电。
电磁波在传播过程中被离子散射，然后相互干涉而形成电阻。
对于一个理想晶体，0K 时，电子波的传播不受阻碍，形成无阻传播，电阻为零，即所谓超导现象；而实际晶体存在缺陷和杂质，对电子产生散射，这是金属产生电阻的原因。
⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧===p e n m t e n m t m e n eff eff eff 2222122ρσ n eff 为单位体积内参与导电的电子数，称为有效电子数；p 为散射几率。
量子理论较好解释了金属导电本质，但它解释金属中离子所产生的势场是均匀的，是其不足。
因而不能解释二价金属Mg 的导电性为何比铜差。
在一维无限深势阱中，电子的波函数和能量通过求解谢定鄂方程得到。
222222228)(8mLK h n n n mL h E z y x =++= K 是量子态；L 是长度3〉能带理论 能带理论认为：晶体中原子结合时，由于原子之间的相互作用使简并能级分裂为一系列能量不同的能级。
晶体中电子能级的间隙很小，能级分布是准连续的，称为能带；价电子是公有化的和量子化的；金属中离子的势场是不均匀的，是周期排列的。
由于周期性起伏的势场影响，金属中的能带发生分裂，某些能态不能取值，称为禁带。
在每个能级中只能允许有两个自旋反向的电子存在。
在外电场作用下电子没有余地。
能带理论较好解释了绝缘体、半导体、导体的导电性。
势场：原子之间有相互作用，当原子规律地排列时，形成势场。
这个势场是周期性起伏排列的，称为周期性势场。
自由电子按能级分布，金属中自由电子的能量是量子化的，金属中大量的自由电子分布服从费米－狄拉克统计分布，即电子占据能级的几率为f 。
1]exp[1)(+-=kTEf E E f 自由电子的能态密度为⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧∝=∝-（三维）常数（二维）一维）2121)()(()(E E Z E Z E E Z能带理论成功地解释了导体，半导体，绝缘体的本质不同。
K 空间：K 空间是一个倒格矢空间。
222;;x x y y z z K n K n K n L L Lπππ===。
n x ，n y ，n z 是自由电子的量子数，电子填充K 空间的相应的状态，每个点是一个状态对于金属：其价带部分被电子填充或导带重叠。
在外电场作用下，电子容易从一个能级转到另一个能级上去而产生电流，有这种能带结构的材料是导体。
所有金属都是导体；如果价带全部填充，而上面的导带全部是空的，价带与导带有带隙。
在外电场作用下电子很难跳过禁带，电子不能趋向一个方向运动，即不能产生电流。
有这种能带结构称为绝缘体。
半导体和绝缘体的区别在于禁带宽度不同。
但在外界作用下，例如热、光照、光辐射等，价带上的电子可以跃迁到导带，同时价带留下空穴，这样价带的空穴和导带的电子在外电场作用下都可以参与导电，具有这种能带结构的材料称为半导体。
这种导电称为本征导电；如果掺杂实现导电称为杂质导电。
2 无机非金属导电机理自由电子导电的能带理论可以解释金属和半导体的导电现象，却难以解释陶瓷、玻璃、高分子材料等非金属的导电机理。
金属材料的电导的载流子是自由电子，而无机非金属材料电导的载流子可以是电子、空穴、离子空位。
载流子是电子或电子空位的导电称为电子式导电；载流子是离子或离子空位的导电称为离子式导电。
例如离子晶体AgCl 等，一些Ag 离子从其晶体中的正常位置离开留下一些空位，之后它们却占据晶体中的一些小间隙，即间隙位置。
在外电场下，移位的间隙Ag 离子从一个空位到另一个空位的运动而产生电流。
理想金属的电阻对应着两种散射机制（声子散射和电子散射），这个电阻在T=0K 时，降为0；在晶体有缺陷时，电子在杂质或缺陷上受到散射，此时即使T=0K,电子也受到散射，产生电阻—残余电阻，此电阻与温度无关。
∴残ρρρ+=)(T .对于固溶体p 残对应于溶质原子加入后发生晶格畸变所产生的电阻率。
在高温下，金属的电阻率取决于)T （ρ.在低温下，金属的电阻率取决于残）(ρ.第二节 金属导电性能影响因素一、温度对金属电阻率的影响。
1)温度越高，晶格振动愈剧烈，对电子的散射作用愈强。
230(1)T T T T ρραβγ=++++当T ﹤500K 时， 0(1)T t ρρα=+00T Tρραρ-= α为平均电阻温度系数 0dT →当时， 1T T d dTραρ= *对于纯金属，所以纯金属的电阻温度系数近似等于4×10-3，*对于过渡族元素，如Fe,σ=6×10-3，电阻温度系数比较大，且随温度而变化，在居里点温度以下，σ随温度增高而增大，当温度达到居里点后急剧下降。
*金属熔化时，电阻率是固态时的2倍。
*当金属下降到0K 时，电阻急剧下降到0→超导现象。
2)过渡族金属和多晶型转变。
在过渡族金属中电阻与温度间存在复杂的关系。
Mott 认为这是由于在过渡族金属中存在不同的载体所致。
传导电子有可能从s 外壳向d 外壳过渡。
在T ﹤﹤时,S 态电子起作用3)铁磁金属的电阻—温度关系。
铁磁金属的电阻—温度关系是与自发磁性有关的。
在接近居里点温度时，铁磁金属的电阻率的反常降低量Δt 与自发磁化强度Ms 的平方成正比 2s M θραρ∆=这种反常现象是由于参与自发磁化的d 态电子与s 态电子相互作用所引起。
二、应力对金属电阻率的影响1）在弹性范围内单向拉伸或扭转应力能提高ρ0(1)r ρρασ=+r α为应力系数，σ为拉应力，0ρ为无负荷时的金属电阻率。
2) 压力的影响。
)10P ϕρρ+=（P 为压力，ϕ为压力系数。
金属在压力作用下，其原子间距减小，缺陷，电子结构，能带结构及电子散射机制都将发生变化。
从而影响金属的导电性能。
对于过渡族金属，其内部存在能量差别不大的未填满电子的壳层在压力作用下，外壳层电子转移到未填满的内壳层，表现出性能的变化。
根据压力对电阻的影响分为两大类：一类是正常金属元素，电阻率随压力增大而下降。
一类是反常金属：（碱金属，碱土金属，稀土金属）随压力升高，ρ先升高后下降。