无机材料物理性能教案ppt
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无机材料物理性能PPT课件
电子位移极化
弹性模型 +e
-e
建立牛顿方程： ma= -kx - eEoe it 电偶极矩： = -ex= Eoe it{1/[(k/m)o2－ 2]}e2/m 弹性振子的固有频率 ： o=(k/m)1/2 有： = e Eloc 得：
动态
e
e2 m
2 0
1
2
静态
e2 e2
e
m2 0
k
电子位移极化
+ 空腔表面上的电荷密度： －P cos 绿环所对应的微小环球面的表面积dS:
dS=2rsin rd dS面上的电荷为： dq= －P cosdS
根据库仑定律：dS面上的电荷作用在球心单位正电 荷上的P方向分力dF：
dF= －（－PcosdS/4o r2 ) cos
由 qE=F
1×E=F E=F
有立方对称的参考点位置，如果所有原
子都可以用平行的点型偶极子来代替，
则E3 =0。
Eloc=E外+E1+P /3o=E+P /3o
克劳修斯一莫索蒂方程
根据
D= o E+P
得
P =D－ o E=（ 1－ o ） E
= o （ r－ 1） E
由
Eloc=E外+E1+P /3o=E+P /3o
=E+ o （ r－ 1） /3o
对具有两 种以上极化质点的介质，上式变为：
r r
1 2
1
3 0
nkk
k
三、介质的总极化
第一种，位移极化： 位移式极化------弹 性的、瞬间完成的、不消耗能量的极化。
第二种，松弛极化：该极化与热运动有 关，其完成需要一定的时间，且是非弹 性的，需要消耗一定的能量。
无机非金属材料物理性能PPT课件
是塑性变形，直到断裂。 3)无机材料类：先是弹性形变(较小)，然
后不发生塑性变形(或很小)，直到断裂。
第7页/共61页
2.2理论结合强度 2.2.1能量守衡模型
固体受外功作用而变形，在变形过程中，
外力所作的功转变为储存于固体内的能量。
断裂时，应变能提供了新生断面所需的表
面能。
thx/2=2
th
th=E(x/r0)
称韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称
韧脆转变温度。材料的使用温度应高于韧
脆转变温度。
第40页/共61页
>断裂韧性的测试方法 单边切口梁法(SENB)
第41页/共61页
第42页/共61页
第43页/共61页
压痕法 测试试样表面先抛光成 镜面，在显微硬度仪上， 以10Kg负载在抛光表面 用硬度计的锥形金刚石 压头产生一压痕，这样在压痕的四个 顶点就产生了预制裂纹。根据压痕载 荷P和压痕裂纹扩展长度C计算出断裂 韧性数值
th=2(E/r0)1/2
第8页/共61页
2.2.2奥罗万模型 以应力—应变正弦函数曲线的形式近似的 描述原子间作用力随原子间距的变化。
U=S
S
= thsin(2x/)
第9页/共61页
理论结合强度：
高强度的固体必须 要求E、γ大，a小
th=2(E/r0)1/2
通常，γ约为aE/100， th=E/10 对于大部分实际材料来说，其理论结合强 度与实际材料有一定的差异。 --- Griffith微裂纹理论
内裂的薄板为例 KI=π1/2σc1/2. 当为临界值时， 有KIC=π1/2σcc1/2, 故KIC2= πσc2c 代入P55:3-16
第50页/共61页
2.5裂纹的起源与扩展 2.5.1裂纹的起源 1)材料结构中存在缺陷，当受外力时，在 这些缺陷处引起应力集中，导致裂纹产生。 位错： 2)材料表面的机械损伤与化学腐蚀形成表 面裂纹。
后不发生塑性变形(或很小)，直到断裂。
第7页/共61页
2.2理论结合强度 2.2.1能量守衡模型
固体受外功作用而变形，在变形过程中，
外力所作的功转变为储存于固体内的能量。
断裂时，应变能提供了新生断面所需的表
面能。
thx/2=2
th
th=E(x/r0)
称韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称
韧脆转变温度。材料的使用温度应高于韧
脆转变温度。
第40页/共61页
>断裂韧性的测试方法 单边切口梁法(SENB)
第41页/共61页
第42页/共61页
第43页/共61页
压痕法 测试试样表面先抛光成 镜面，在显微硬度仪上， 以10Kg负载在抛光表面 用硬度计的锥形金刚石 压头产生一压痕，这样在压痕的四个 顶点就产生了预制裂纹。根据压痕载 荷P和压痕裂纹扩展长度C计算出断裂 韧性数值
th=2(E/r0)1/2
第8页/共61页
2.2.2奥罗万模型 以应力—应变正弦函数曲线的形式近似的 描述原子间作用力随原子间距的变化。
U=S
S
= thsin(2x/)
第9页/共61页
理论结合强度：
高强度的固体必须 要求E、γ大，a小
th=2(E/r0)1/2
通常，γ约为aE/100， th=E/10 对于大部分实际材料来说，其理论结合强 度与实际材料有一定的差异。 --- Griffith微裂纹理论
内裂的薄板为例 KI=π1/2σc1/2. 当为临界值时， 有KIC=π1/2σcc1/2, 故KIC2= πσc2c 代入P55:3-16
第50页/共61页
2.5裂纹的起源与扩展 2.5.1裂纹的起源 1)材料结构中存在缺陷，当受外力时，在 这些缺陷处引起应力集中，导致裂纹产生。 位错： 2)材料表面的机械损伤与化学腐蚀形成表 面裂纹。
无机材料化学(第7讲).ppt
感应-作用物理量的关系与材料性能
作用 感应 物理量 物理量 关 系 式
材料内部 的变化
材料性能 性能种类
应力
温差 t
形变
表面电 荷密度
D
形变
=S
D=C = t
原子发生 相对位移
原子发生相对 位移引起偶极 矩变化 原子发生位移
热量 Q Q=Ct 原子振动加强
温差电 V= t 载流子定向
动势V
激光作用。 声学性质：声吸收(反射、透射)、吸声系数、降噪系数。
化学性能：指材料对外界接触物的耐受性，即化学稳定性。
主要包括：材料的耐腐蚀性、耐酸性和耐热性。
耐腐蚀性：指材料抵抗大气和弱腐蚀介质(如水、水蒸汽) 腐蚀的能力。
耐酸性：指材料抵抗腐蚀介质(如酸、碱和盐溶液)腐蚀的 能力。
耐热性：包括材料的抗氧化性和热强性。 抗氧化性：指材料在高温或受热情况下抵抗气体氧化 腐蚀的能力； 热 强 性： 指随温度升高，材料保持其强度的能力。
温度一定，频率一定，与各频率对应的声子数目也一定； 温度变化，频率变化，与各频率对应的声子数目也发生
相应变化。
由N个原子构成的体系，就有3N 个振动频率，因此 格波是多频率振动的组合波。其中：
振动频率低的质点，彼此间位相差不大，相邻质点振动 方向相同，其振动称为“声频支振动”； 振动频率高的质点，彼此间位相差大，相邻质点振动方 向相反，其振动称为“光频支振动”。
相邻原子间振动的非简谐性使其作用力 并不是简单地与位移成正比。 在平衡位置r0两侧的合力曲线斜率并不 相等。 由于受力不平衡，原子振动时的平均位 置就不在r0处，而是右移使相邻原子平 均距离增大。
质点间引力--斥力曲线和位能曲线
振动位能曲线
无机材料物理性能第5讲-33页PPT精品文档
型、磁铅石型、钙钛矿型、钛铁矿型 和钨青铜型等6种
铁氧体的磁性与结构
尖晶石型铁氧体
所有的亚铁磁性尖晶石几乎都是反型的 阳离子出现于反型的程度，取决于热处理条件 锰铁氧体约为80％正型尖晶石，这种离子分布随热
处理变化不大
铁氧体磁性材料：反尖晶石结构
M 2 O 2 (F3 e )2(O 2 )3
M2+---Ni2+、Co2+、Cu2+,亦可是Mn、Mg混合
铁氧体的磁性与结构
亚铁磁性
由于铁氧体内总是含有两种或两种以上 的阳离子，这些离子各具有大小不等的 磁矩，反向占位的离子数目也不相同， 因此晶体内由于磁矩的反平行取向而导 致的抵消作用通常并不一定会使磁性完 全消失而变成反铁磁体，往往保留了剩 余磁矩，表现出一定的铁磁性，这称为 亚铁磁性或铁氧体磁性 。
生产上为了获得高磁导率的磁性材料， 一方面要提高材料的Ms值，这由材料的 成分和原子结构决定；
另一方面要减小磁化过程中的阻力，这 主要取决于磁畴结构和材料的晶体结构。
铁氧体磁性材料
软磁材料(Soft
Magnetic Materials) 磁材料适合于交变磁 场的器件，如变压器 的铁芯，这时，铁芯 的发热量少。此外， 还可用于电机和开关 器件（磁导体）
Fx
VM B X
V为样品的体积,若外磁场已知， 则M可由力的侧定计算出。
物质磁性的本质
电子的磁矩
电子磁矩由电子的轨道磁矩和自旋磁矩组成 物质的磁性不是由电子的轨道磁矩引起，而
是主要由自旋磁矩引起 孤立原子的磁矩决定于原子的结构 某些元素具有各层都充满电子的原子结构，
其电子磁矩相互抵消，因而不显磁性
J m B
铁氧体的磁性与结构
尖晶石型铁氧体
所有的亚铁磁性尖晶石几乎都是反型的 阳离子出现于反型的程度，取决于热处理条件 锰铁氧体约为80％正型尖晶石，这种离子分布随热
处理变化不大
铁氧体磁性材料：反尖晶石结构
M 2 O 2 (F3 e )2(O 2 )3
M2+---Ni2+、Co2+、Cu2+,亦可是Mn、Mg混合
铁氧体的磁性与结构
亚铁磁性
由于铁氧体内总是含有两种或两种以上 的阳离子，这些离子各具有大小不等的 磁矩，反向占位的离子数目也不相同， 因此晶体内由于磁矩的反平行取向而导 致的抵消作用通常并不一定会使磁性完 全消失而变成反铁磁体，往往保留了剩 余磁矩，表现出一定的铁磁性，这称为 亚铁磁性或铁氧体磁性 。
生产上为了获得高磁导率的磁性材料， 一方面要提高材料的Ms值，这由材料的 成分和原子结构决定；
另一方面要减小磁化过程中的阻力，这 主要取决于磁畴结构和材料的晶体结构。
铁氧体磁性材料
软磁材料(Soft
Magnetic Materials) 磁材料适合于交变磁 场的器件，如变压器 的铁芯，这时，铁芯 的发热量少。此外， 还可用于电机和开关 器件（磁导体）
Fx
VM B X
V为样品的体积,若外磁场已知， 则M可由力的侧定计算出。
物质磁性的本质
电子的磁矩
电子磁矩由电子的轨道磁矩和自旋磁矩组成 物质的磁性不是由电子的轨道磁矩引起，而
是主要由自旋磁矩引起 孤立原子的磁矩决定于原子的结构 某些元素具有各层都充满电子的原子结构，
其电子磁矩相互抵消，因而不显磁性
J m B
3强度3.3 无机材料物理性能 教学课件
工艺因素：原料的纯度粒度形状、成型方法、升温 制度、降温速率、保温时间，气氛及压力等；
2. 显微结构 (1) 晶粒的尺寸 f = KGg-a (2) 气孔 f = 0e-bp
(3) 晶相
f = M+KGg-1/2
3. 陶瓷的工艺过程
陶瓷制备的工艺过程
原料制备工艺
母盐的种类
沉淀的生成
杂质
混煅
干燥
合烧
热分解煅烧
粉碎
干
添加剂
法
湿干
法燥
烧成气氛 热压
粉 造 成烧 碎 粒 型结
干
法 湿干 法燥
干
法 湿干 法燥
烧结后 处理
原料制备工艺
烧
混合
结 之
煅烧
前
粉碎
工 艺
造粒
成型
固相反应
烧 成
烧成时间、温度
工 烧成气氛
艺
热压
添加剂
烧结体中的气孔 （高致密成后处理
影响固相烧结的因素
3.3 影响强度的因素
内在因素：材料的物性。如：弹性模量、热膨胀系 数、导热性、断裂能；
显微结构：相组成、气孔、晶界（晶相、玻璃相、 微晶相）、微裂纹（长度、尖端的曲率大小）；
外界因素：使用温度、应力、气氛环境、试样的形 状大小、表面；（例如：无机材料的形变随温度升 高而变化的情况
弹性——弹塑性——塑性——粘性流动）
前期因素
母盐的种类 母盐的制备条件 母盐的分解温度 母盐的分解时间 煅烧温度 煅烧时间
内在因素 本质的 晶粒大小 颗粒大小 颗粒分布 颗粒形状 表面状态 表面能 扩散系数 粘度 转变点
次要的 杂质种类 杂质数量 结构缺陷 结构畸变 形态的稳定性
2. 显微结构 (1) 晶粒的尺寸 f = KGg-a (2) 气孔 f = 0e-bp
(3) 晶相
f = M+KGg-1/2
3. 陶瓷的工艺过程
陶瓷制备的工艺过程
原料制备工艺
母盐的种类
沉淀的生成
杂质
混煅
干燥
合烧
热分解煅烧
粉碎
干
添加剂
法
湿干
法燥
烧成气氛 热压
粉 造 成烧 碎 粒 型结
干
法 湿干 法燥
干
法 湿干 法燥
烧结后 处理
原料制备工艺
烧
混合
结 之
煅烧
前
粉碎
工 艺
造粒
成型
固相反应
烧 成
烧成时间、温度
工 烧成气氛
艺
热压
添加剂
烧结体中的气孔 （高致密成后处理
影响固相烧结的因素
3.3 影响强度的因素
内在因素：材料的物性。如：弹性模量、热膨胀系 数、导热性、断裂能；
显微结构：相组成、气孔、晶界（晶相、玻璃相、 微晶相）、微裂纹（长度、尖端的曲率大小）；
外界因素：使用温度、应力、气氛环境、试样的形 状大小、表面；（例如：无机材料的形变随温度升 高而变化的情况
弹性——弹塑性——塑性——粘性流动）
前期因素
母盐的种类 母盐的制备条件 母盐的分解温度 母盐的分解时间 煅烧温度 煅烧时间
内在因素 本质的 晶粒大小 颗粒大小 颗粒分布 颗粒形状 表面状态 表面能 扩散系数 粘度 转变点
次要的 杂质种类 杂质数量 结构缺陷 结构畸变 形态的稳定性
《无机材料物理性能》第2讲
各向异性弹性力学问题需满足的基本方程
与各向同性弹性力学一样,各向异性弹性力 学有15个未知量
3个位移分量,u,v,w 6个应变分量, x , y , z , yz , xz , yx 6个应力分量, x , y , z , yz , xz , yx
• 15个场方程 静力平衡方程（3）＋几何关系（6）＋本构方程（6）
C------弹性刚度系数（与弹性柔顺系数S成反比）
结论：弹性刚度系数的大小实质上也反映了原子间势 能曲线极小值尖峭度的大小。 大部分无机材料具有离子键和共价键，共价键势能曲 线的谷比金属键和离子键的深，即：弹性刚度系数大。
NaCl型晶体的弹性刚度系数 （1011达因/厘米2，200oC） 晶体 TiC MgO LiF NaCl NaBr KCl KBr C11 50 28.92 11.1 4.87 3.87 3.98 3.46 C12 11.30 8.80 4.20 1.23 0.97 0.62 0.58 C44 17.50 15.46 6.30 1.26 0.97 0.62 0.51
§1-1
应力、应变及弹性形变
应力问题
应力及其方向的数学描述
z
由于剪应力互等定理:
y
故一点的应力状态由 六个应力分量表示:
x
体积单元应力分量示意图
应力、应变及弹性形变
应变问题
应变问题 应变是用来描述物体内部各质点 之间的相对位移的。
名义应变
真实应变
剪应变
剪 应 变
y
B′ B C
C′
dy
β
A′
反映出材料 的性质！
6个应变分量, x , y , z , yz , xz , yx
无机材料性能教案及课件
单边切口梁技术
山形切口技术
其他形状切口试样
Knoop压痕三点弯曲梁法
3.5裂纹的起源与扩展
裂纹的起源
裂纹的快速扩展
影响裂纹扩展的因素
3.6静态疲劳【难点】
静态疲劳
1.复习上次课程重点内容，提问
2.由学生讲解，提问、点评、总结
3.举例，再讨论、讲解
4.幻灯演示，讨论、启发
思考、作业
参考文献：
1.《无机材料物理性能》王秀峰等主编化学工业出版社
应力场强度因子及几何形状因子
【重点】
临界应力场强度因子及断裂韧性
【重点】
裂纹扩展的动力与阻力
1.总结、复习上次课程重点内容，提 问
2.幻灯演示，推导公式
3.幻灯演示，讨论、启发
4.举例，再讨论、讲解
5.幻灯演示，讨论、启发
思考、作业
P107第4、6题
参考文献：
1.《无机材料物理性能》王秀峰等主编化学工业出版社
2.《无机材料性能》关振铎主编清华大学出版社
3.《材料性能学》张帆等主编上海交通大学出版社
课程章节
第3章无机材料的脆性断裂与强度
3.5裂纹的起源与扩展
3.6静态疲劳
3.7蠕变断裂
3.8显微结构对材料脆性断裂的影响
第6次课
授课时间2015年3月24日授课班级1220731、732
授课类型：J理论课讨论课实践课习题课
2.掌握应力和应变的概念、各向同性和各向异性广义虎克定律。
3.理解弹性形变的机理。
4.学会分析材料中某一点的应力和应变状态，学会使用应力-应变曲线分析实际问 题。
教学内容（注明重点、难点）
课堂教学设计与教学方法
2.1应力和应变【重点】
山形切口技术
其他形状切口试样
Knoop压痕三点弯曲梁法
3.5裂纹的起源与扩展
裂纹的起源
裂纹的快速扩展
影响裂纹扩展的因素
3.6静态疲劳【难点】
静态疲劳
1.复习上次课程重点内容，提问
2.由学生讲解，提问、点评、总结
3.举例，再讨论、讲解
4.幻灯演示，讨论、启发
思考、作业
参考文献：
1.《无机材料物理性能》王秀峰等主编化学工业出版社
应力场强度因子及几何形状因子
【重点】
临界应力场强度因子及断裂韧性
【重点】
裂纹扩展的动力与阻力
1.总结、复习上次课程重点内容，提 问
2.幻灯演示，推导公式
3.幻灯演示，讨论、启发
4.举例，再讨论、讲解
5.幻灯演示，讨论、启发
思考、作业
P107第4、6题
参考文献：
1.《无机材料物理性能》王秀峰等主编化学工业出版社
2.《无机材料性能》关振铎主编清华大学出版社
3.《材料性能学》张帆等主编上海交通大学出版社
课程章节
第3章无机材料的脆性断裂与强度
3.5裂纹的起源与扩展
3.6静态疲劳
3.7蠕变断裂
3.8显微结构对材料脆性断裂的影响
第6次课
授课时间2015年3月24日授课班级1220731、732
授课类型：J理论课讨论课实践课习题课
2.掌握应力和应变的概念、各向同性和各向异性广义虎克定律。
3.理解弹性形变的机理。
4.学会分析材料中某一点的应力和应变状态，学会使用应力-应变曲线分析实际问 题。
教学内容（注明重点、难点）
课堂教学设计与教学方法
2.1应力和应变【重点】
无机材料物理性能31热容32线膨胀幻灯片
无机材料物理性能31热容32线膨胀幻灯片热容和线膨胀是无机材料的两个重要物理性能。
热容是指物质吸收热量时温度升高的数量，而线膨胀是指物质在温度变化下的长度或体积发生的变化。
这两个性能对于无机材料的研究和应用具有重要意义。
下面将分别介绍热容和线膨胀的相关知识。
一、热容热容是物质吸收热量时温度上升的程度。
它是指单位质量或单位体积物质温度上升一个单位温度所需的热量。
热容的计量单位是焦耳/开尔文（J/K）。
热容是描述物质热惯性的一个重要指标。
物质的热容可以通过加热物质并测量温度变化来确定。
不同的材料具有不同的热容值，这是因为不同材料的内部结构不同，分子间相互作用力的强弱不同。
热容的大小对于材料的热传导和热扩散过程起着重要影响。
热容大的材料在吸收热量时会有较大的温度变化，而热容小的材料则温度变化较小。
热容也与材料的热稳定性和热膨胀系数有关。
热容大的材料在热膨胀过程中会有较大的形变。
二、线膨胀线膨胀是指物质在温度变化下长度发生变化的现象。
一般来说，物质在升高温度时会线膨胀，而在降低温度时会线收缩。
线膨胀也是一个描述物质热惯性的指标。
线膨胀是由材料的内部分子结构和化学键的性质决定的。
不同的材料具有不同的线膨胀系数，其计量单位是1/开尔文（1/K）。
线膨胀系数是指单位长度物质温度升高一个单位温度时长度增加的比例。
线膨胀系数可以通过实验测量得到。
线膨胀过程对于无机材料的应用至关重要。
材料的线膨胀性能决定了材料在温度变化下是否会产生应力和变形。
例如，铁路线路的轨道材料必须具有良好的线膨胀性能，以适应不同温度下的长度变化。
此外，线膨胀性能还对电子器件的热稳定性和封装工艺起着重要作用。
总之，热容和线膨胀是无机材料的两个重要物理性能。
热容描述了物质吸热能力的大小，线膨胀描述了物质在温度变化下长度变化的程度。
这两个性能对于无机材料的研究和应用具有重要意义，对于热传导、热稳定性和应力变形等方面产生影响。
《无机材料物理性能》讲资料PPT课件
th/ c
5000 1540 3.3
3000 1300 2.3
材料
Al2O3宝石 BeO
2048 320 6.4 MgO
3480 —
240 14.5 Si3N4热压 10.5 — SiC
693
10.5 66.0 Si3N4烧结
400
10 40.0 AlN
5000 44.1 113
th
5000 3570 2450 3850 4900 3850 2800
端部的曲率半径而与孔洞的形状无关，依据弹性
理论：
A 1 2
c
考虑到:
c远大于，所以 A 2
c
考虑到裂纹尖端曲率半 径ρ与晶格常数 相当:
A 2
c a0
裂纹扩展的条件是： A th 故
Ac 2 c
c
a0
Er a0
th
断裂理论
p为裂纹扩展单位面积在塑性变形中所作的塑 性功，由于 p>> (约为的103量级)
CC
2E p 2 (1 2 )
C
2E p (1 2 )c
25
应力场强度因子和 平面应变断裂韧性
26
2002年11月19日，希腊“威望”号油轮在西班牙加 利西亚省所属海域触礁，断裂成两截，随后逐渐下沉。 据悉，这艘船上共装有7.7万吨燃料油。生态学家称这可 能是世界上最严重的燃油泄漏事件之一。
断裂理论
贡献：看到了缺陷、解释了实际强度远低于
理论强度的事实。
缺点：沿用了传统的强度理论，引用了现成
的弹性力学应力集中理论，并将缺陷 视为椭园孔，未能讨论裂纹型的缺陷。
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g
圆片式样体积电阻率的测量
电导的宏观参数
片状试样
电导的宏观参数
精确测定结果:
电导的宏观参数
8、表面电阻和表面电阻率
板状式样
电导的宏观参数
圆片试样
I V
r1 a r2 g
b
电导的宏观参数
直流四端电极法
适用于中高电导率的材料，能消除电 极非欧姆接触对测量结果的影响。
电导的宏观参数
在室温下测量电导率常采用简单的四探针法
匀材料，电流是均匀的， 电流密度J在各处是一 样的。
定义：单位面积通 过的电流，或单位时间 通过单位面积的电荷量。
表达式：
(A•cm-2)
3、电场强度 定义：单位长度上的电势差。 表达式： (V•cm-1)
4、电阻率：
ρ为电阻率， 为反映材料电阻性能的参数
5、电导率：
反映材料的电阻性能。
6、欧姆定律的微分形式
电导的物理特性
3、电解效应（离子电导特性） 离子的迁移伴随质量变化，离子在
电极附近发生电子得失，产生新的物 质。
法拉第电解定律：
——电解物质的量 ——电化当量
——通过的电量 ——法拉第常数
实质：类似电解质溶液中的电解。
如NaCl溶液的电解。
应用：可检验陶瓷材料是否存在离子电 导。
4、迁移率和电导率的一般表达式
载流子浓度
杂质电导：由固定较弱的离子（杂 质）的运动造成。
杂质电导中，载流子浓度取决于杂质 的数量和种类。
二、离子迁移率
❖ 离子电导的微观机构为载流子 ── 离子的扩散 。
❖ 间隙离子的扩散过程就构成了宏 观的离子“迁移”。
离子扩散机构
离子迁移率
间隙离子的势垒
离子迁移率
间隙离子的势垒变化
离子迁移率
物体的导电现象，其微观本质是载流子在 电场作用下的定向迁移。
设单位截面积为
，在单位体积
内载流
子数为
，每一载流子的电荷量为 ，则单位体
积内参加导电的自由电荷为 。
如果介质处在外电场中，则作用于每一个载流子的
力等于 。在这个力的作用下，每一载流子在 方
向发生漂移，其平均速度为
。容易看出，
单位时间（1s）通过单位截面 的电荷量为
一、载流子浓度
本征电导：源于晶体点阵的基本离子 的运动。
固有电导中，载流子由晶体本身的热 缺陷提供。
载流子浓度
晶体的热缺陷主要有两类： 弗仑克尔缺陷 肖特基缺陷
载流子浓度
弗仑克尔缺陷：
Nf:单位体积内填隙离子数或空位数；
N：为单位体积内离子结点数； Ef:为同时生成一个填隙离子和一个空位所需要 的能量。
电导的物理特性
霍尔系数
霍尔系数
RH为霍尔系数。正负号为载流子带电符号。
ni为载流子浓度。
电导的物理特性
实质：运动电荷在磁场中受力所致，但此处 的运动电荷只能是电子，因其质量小、 运动容易，故此现象只出现于电子电 导时，即可用霍尔效应的存在与否检 验材料是否存在电子电导。
应用： 霍尔效应可检验材料是否存 在电子电导； 离子电导不呈现霍尔效应的质量比电子大得多，磁场 作用力不足以使它产生横向位移，因而纯离子电导不 呈现霍尔效应。
J——电流密度 根据欧姆定律
该式为欧姆定律最一般的形式。因为 、 只决 定于材料的性质，所以电流密度 与几何因子无关， 这就给讨论电导的物理本质带来了方便。
由上式可得到电导率为
令
（载流子的迁移率）。其物理意义为载流
子在单位电场中的迁移速度。
电导率的一般表达式为
上式反映电导率的微观本质，即宏观电导率 与 微观载流子的浓度 ，每一种载流子的电荷量 以及每 一种载流子的迁移率的关系。
载流子浓度
肖特基空位浓度
Ns：单位体积内正离子或负离子数； N：为单位体积内离子对的数目；
Es：为离解一个阴离子和一个阳离子并到达
表面所需要的能量。
载流子浓度
一般肖特基缺陷形成能比弗仑克尔缺陷形成能 低许多
高温下: 离子晶体的电导主要由热缺陷浓
度决定
低温下: 离子晶体的电导主要由杂质载流
子浓度决定
E：V/cm
电导的宏观参数
7、体积电阻和体积电阻率 电流: 电阻:
电导的宏观参数
体积电阻Rv与材料性质及样品 几何尺寸的关系:
h－板状样品的厚度(cm) S－板状样品的电极面积(cm2) ρ －体积电阻率为描写材料电阻
v
性能的参数
电导的宏观参数
体积电阻和体积电阻率 管状式样
电导的宏观参数流子： 定义：负载电荷并可形成电流的自由粒子。 如：
金属中：自由电子； 无机材料中：电子，离子，电子空穴，离 子空位； 电子电导：载流子为电子，电子空穴； 离子电导：载流子为离子，离子空位。
电导的物理特性
2、霍尔效应（电子电导特性）
现象：沿试样x轴方向通入电流I（电流密度 Jx），Z轴方向加一磁场Hz，那么在y 轴方向上将产生一电场Ey，这一现象 称为霍尔效应。所产生电场为：
容，硅片等） 电介质材料：绝缘子，电容中的陶瓷片。
无机材料的电导
本部分的主要内容 ➢ 电导的物理现象 ➢ 离子电导 ➢ 电子电导 ➢ 无机非金属材料电导 ➢ 电导的应用
无机材料的电导
本部分的关键： 理解并掌握如下公式的含义
5.1 电导的物理现象
欧姆定律示意图
一、电导的宏观参数
1、欧姆定律
2、电流密度 对于形状规则的均
离子迁移与势垒的关系
ν0－间隙原子在半稳定位置上振动频率
离子迁移率
当外加电场时
定向移动次数为 ：
离子迁移率
载流子沿电场方向的迁移速度V
δ－相邻半稳定位置间的距离 当场强不太大时，ΔU<<kT， 则
离子迁移率
又因为
载流子迁 移速度
载流子迁 移率
离子电导
上式各物理量的意义
无机材料物理性能
第十讲
2021年2月27日
第六章 无机材料的电导
材料的电学性能主要包括
电导：
离子电导
电子电导
超导
介电性：
铁电性
压电性
热释电性
(非金属材料) （金属、半导体） （金属、非金属）
材料电学性能应用
导体材料：各种电缆 电阻和电热材料：取暖器，硅碳棒，硅
钼棒 热电和光电材料：太阳能板 半导体材料：大规模集成电路（无机电
5.2 离子电导
本征电导（固有离子电导）：源于晶体点阵 的基本离子的运动。
杂质电导：由固定较弱的离子（杂质） 的运动造成。
离子电导
注意：电导的基本公式： 只有一种载流子时： 有多种载流子时：
离子电导
离子电导要研究的主要内容： ❖ 载流子浓度 ❖ 离子迁移率 ❖ 离子电导率 ❖ 影响离子电导率的因素
圆片式样体积电阻率的测量
电导的宏观参数
片状试样
电导的宏观参数
精确测定结果:
电导的宏观参数
8、表面电阻和表面电阻率
板状式样
电导的宏观参数
圆片试样
I V
r1 a r2 g
b
电导的宏观参数
直流四端电极法
适用于中高电导率的材料，能消除电 极非欧姆接触对测量结果的影响。
电导的宏观参数
在室温下测量电导率常采用简单的四探针法
匀材料，电流是均匀的， 电流密度J在各处是一 样的。
定义：单位面积通 过的电流，或单位时间 通过单位面积的电荷量。
表达式：
(A•cm-2)
3、电场强度 定义：单位长度上的电势差。 表达式： (V•cm-1)
4、电阻率：
ρ为电阻率， 为反映材料电阻性能的参数
5、电导率：
反映材料的电阻性能。
6、欧姆定律的微分形式
电导的物理特性
3、电解效应（离子电导特性） 离子的迁移伴随质量变化，离子在
电极附近发生电子得失，产生新的物 质。
法拉第电解定律：
——电解物质的量 ——电化当量
——通过的电量 ——法拉第常数
实质：类似电解质溶液中的电解。
如NaCl溶液的电解。
应用：可检验陶瓷材料是否存在离子电 导。
4、迁移率和电导率的一般表达式
载流子浓度
杂质电导：由固定较弱的离子（杂 质）的运动造成。
杂质电导中，载流子浓度取决于杂质 的数量和种类。
二、离子迁移率
❖ 离子电导的微观机构为载流子 ── 离子的扩散 。
❖ 间隙离子的扩散过程就构成了宏 观的离子“迁移”。
离子扩散机构
离子迁移率
间隙离子的势垒
离子迁移率
间隙离子的势垒变化
离子迁移率
物体的导电现象，其微观本质是载流子在 电场作用下的定向迁移。
设单位截面积为
，在单位体积
内载流
子数为
，每一载流子的电荷量为 ，则单位体
积内参加导电的自由电荷为 。
如果介质处在外电场中，则作用于每一个载流子的
力等于 。在这个力的作用下，每一载流子在 方
向发生漂移，其平均速度为
。容易看出，
单位时间（1s）通过单位截面 的电荷量为
一、载流子浓度
本征电导：源于晶体点阵的基本离子 的运动。
固有电导中，载流子由晶体本身的热 缺陷提供。
载流子浓度
晶体的热缺陷主要有两类： 弗仑克尔缺陷 肖特基缺陷
载流子浓度
弗仑克尔缺陷：
Nf:单位体积内填隙离子数或空位数；
N：为单位体积内离子结点数； Ef:为同时生成一个填隙离子和一个空位所需要 的能量。
电导的物理特性
霍尔系数
霍尔系数
RH为霍尔系数。正负号为载流子带电符号。
ni为载流子浓度。
电导的物理特性
实质：运动电荷在磁场中受力所致，但此处 的运动电荷只能是电子，因其质量小、 运动容易，故此现象只出现于电子电 导时，即可用霍尔效应的存在与否检 验材料是否存在电子电导。
应用： 霍尔效应可检验材料是否存 在电子电导； 离子电导不呈现霍尔效应的质量比电子大得多，磁场 作用力不足以使它产生横向位移，因而纯离子电导不 呈现霍尔效应。
J——电流密度 根据欧姆定律
该式为欧姆定律最一般的形式。因为 、 只决 定于材料的性质，所以电流密度 与几何因子无关， 这就给讨论电导的物理本质带来了方便。
由上式可得到电导率为
令
（载流子的迁移率）。其物理意义为载流
子在单位电场中的迁移速度。
电导率的一般表达式为
上式反映电导率的微观本质，即宏观电导率 与 微观载流子的浓度 ，每一种载流子的电荷量 以及每 一种载流子的迁移率的关系。
载流子浓度
肖特基空位浓度
Ns：单位体积内正离子或负离子数； N：为单位体积内离子对的数目；
Es：为离解一个阴离子和一个阳离子并到达
表面所需要的能量。
载流子浓度
一般肖特基缺陷形成能比弗仑克尔缺陷形成能 低许多
高温下: 离子晶体的电导主要由热缺陷浓
度决定
低温下: 离子晶体的电导主要由杂质载流
子浓度决定
E：V/cm
电导的宏观参数
7、体积电阻和体积电阻率 电流: 电阻:
电导的宏观参数
体积电阻Rv与材料性质及样品 几何尺寸的关系:
h－板状样品的厚度(cm) S－板状样品的电极面积(cm2) ρ －体积电阻率为描写材料电阻
v
性能的参数
电导的宏观参数
体积电阻和体积电阻率 管状式样
电导的宏观参数流子： 定义：负载电荷并可形成电流的自由粒子。 如：
金属中：自由电子； 无机材料中：电子，离子，电子空穴，离 子空位； 电子电导：载流子为电子，电子空穴； 离子电导：载流子为离子，离子空位。
电导的物理特性
2、霍尔效应（电子电导特性）
现象：沿试样x轴方向通入电流I（电流密度 Jx），Z轴方向加一磁场Hz，那么在y 轴方向上将产生一电场Ey，这一现象 称为霍尔效应。所产生电场为：
容，硅片等） 电介质材料：绝缘子，电容中的陶瓷片。
无机材料的电导
本部分的主要内容 ➢ 电导的物理现象 ➢ 离子电导 ➢ 电子电导 ➢ 无机非金属材料电导 ➢ 电导的应用
无机材料的电导
本部分的关键： 理解并掌握如下公式的含义
5.1 电导的物理现象
欧姆定律示意图
一、电导的宏观参数
1、欧姆定律
2、电流密度 对于形状规则的均
离子迁移与势垒的关系
ν0－间隙原子在半稳定位置上振动频率
离子迁移率
当外加电场时
定向移动次数为 ：
离子迁移率
载流子沿电场方向的迁移速度V
δ－相邻半稳定位置间的距离 当场强不太大时，ΔU<<kT， 则
离子迁移率
又因为
载流子迁 移速度
载流子迁 移率
离子电导
上式各物理量的意义
无机材料物理性能
第十讲
2021年2月27日
第六章 无机材料的电导
材料的电学性能主要包括
电导：
离子电导
电子电导
超导
介电性：
铁电性
压电性
热释电性
(非金属材料) （金属、半导体） （金属、非金属）
材料电学性能应用
导体材料：各种电缆 电阻和电热材料：取暖器，硅碳棒，硅
钼棒 热电和光电材料：太阳能板 半导体材料：大规模集成电路（无机电
5.2 离子电导
本征电导（固有离子电导）：源于晶体点阵 的基本离子的运动。
杂质电导：由固定较弱的离子（杂质） 的运动造成。
离子电导
注意：电导的基本公式： 只有一种载流子时： 有多种载流子时：
离子电导
离子电导要研究的主要内容： ❖ 载流子浓度 ❖ 离子迁移率 ❖ 离子电导率 ❖ 影响离子电导率的因素