材料物理性能课件1
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它的价带是否被填满
是否存在禁带
禁带宽度的大小
导体与非导体的区别
❖金属导体的能带分布 一是价带和导带重叠，而无禁带；
二是价带未被价电子填满，所以这种价带本身就是导带。 这两种情况下的价电子就是自由电子，所以金属导体即 使在温度较低的情况下仍有大量的自由电子，具有很强 的导电能力。
❖非导体（包括半导体和绝缘体）在绝对零度时，其能 带情况是满价带和空
❖ 声子散射
三种散射机制
❖ 电子散射
❖ 电子在杂质和缺陷上的散射
马基申定律（马希森定则）Matthiessen's rule
❖ 固溶体电阻率看成由金属基本电阻率ρ(T)和残余电 阻率ρ残组成。不同散射机制对电阻率的贡献可以加 法求和。这一导电规律称为马基申定律，即
③ 109m 的为绝缘体材料。
虽然物质都是由基本粒子构成的，但导电 性的差异却非常显著。
究竟是什么原因造成材料导电性的如此明 显的差别呢？
与物质的能带结构及其被电子填充的性质有 关
晶体的能带 ❖晶体的能带中，物质的导电性反映为： (价带：valence band; 导带：conduction band; 禁带： band gap）
本课程主要内容（Contents）
❖ 材料的电学性能 ❖ 材料的磁学性能 ❖ 材料的光学性能 ❖ 材料的弹性与内耗 ❖ 材料的热学性能
电学部分最为重要、磁学其次，而后光学、力 学等，以教材为基础，补充部分内容，但本课 程知识点很多，同学们需要预习，在课后及时 复习。
本课程成绩组成：期末试卷60%（闭卷）+平 时作业、考勤、问答（20%）+随堂实验 （20%）
R L S
ρ是材料的固有性质，是由材质决定的，与形状无关 电导率σ：
1
❖ 导体、半导体、绝缘体 不同材料具有不同的导电性，根据材料导电性的好坏，
即按ρ值的大小把材料进行分类。
① 105m的为导体材料，其中纯金属的ρ值为
10-8～10-7，合金的ρ值为10-7～10-5；
②ρ值为10-3～109的为半导体材料；
5
材料科学的核心四面体
前言（Introduction)
➢ 物理性能是材料科学研究重要组成部分，材料科 学包括：制备与合成、性能、应用
➢ 基础是：物理学、化学等学科，是这些学科在材 料性能方面的应用
➢ 无机材料的不同领域 性能方面区别：电子材料、 磁性材料、生物材料、水泥、玻璃、陶瓷材料、 耐火材料等
❖ 散射系数μ和电阻率ρ成正比。对于金属而言，温度升高离子 热振动的振幅愈大，电子就愈易受到散射，故可认为μ与温 度成正比，则ρ也就与温度成正比，这就是金属的电阻随温 度升高而增大的原因。
❖ 实际的晶体不但有杂质，而且还存在缺陷。传导电子的散射 发生在电子－声子、电子－杂质原子以及与其他晶体点阵静 态缺陷相碰撞的时候。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），可以看成为基本电阻。这个电阻 在绝对零度时降为零。第三种机制（电子在杂质和缺陷上的 散射）在有缺陷的晶体中，是绝对零度下金属的残余电阻。 这个电阻反映了金属的纯度和完整性。
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性能
材料使用中表现有多少行为，就对应有多少性能。 （结构材料和功能材料的划分）
外界条件不同，相同的材料也会有不同的性能。
多数的性能都有量纲。为了便于学习、测试和研究， 常采用不同的标准来划分性能
12
化学性能：（1）抗氧化性能 （2）耐腐蚀性能 （3）抗渣、抗碱性能
复杂性能（1）复合性能：高温抗折强度、高温蠕 变强度等 （2）工艺性能：可塑性、流动性等 （3） 使用性能：耐磨性等
它将不会受到散射而无阻碍地传播，这时ρ＝0，而 σ为无穷大，即此时的材料是一个理想的导体。
只有在晶体点阵的完整性以及由于晶体点阵离子的 热振动，晶体中的异类原子、位错和点缺陷等使晶 体点阵的周期性遭到破坏的地方，电子波才会受到 散射，从而产生了阻碍作用，降低了导电性，这就 是材料产生电阻的本质所在。
导带且有禁带，故基本无
导电能力。
半导体和绝缘体的区别
❖ 半导体和绝缘体的能带图的区别仅是禁带宽度的大 小。（绝缘体：3ev~6ev, 半导体: 0.1 ev~2ev)
❖ 禁带宽度的大小就影响到自由电子数量的多少，禁 带宽度小，自由电子多，反之就少。
金属的导电性
❖ 金属的导电机制与马基申定则 当电子波在绝对零度下通过一个理想的晶体点阵时，
13
意义 判断材料的优劣 正确选择和使用材料---立足材料的性能 改变材料的性能 贯穿材料的结构-性能-制备-应用这个关系
14
第一章 材料的电学性能
概述 ❖ 材料的电学性能大致上包含
导电性 超导电性 介电性 磁电性 热电性 接触电性 热释电性和压电性 光电性
导电性
1. 导电性的表示方法 电阻R的大小可以评价材料的导电性好坏。但对不同的材料， R 不仅与材料的性能有关，还与材料尺寸有关，即
9
研究目标
性能验证
评价检测
Baidu Nhomakorabea
性能测试
设计 设计 依据 基础数据
供测试样
微组织 调节控制
组织表征 合成
10
结构
物质的结构：晶体的结构；晶体的缺陷；玻璃的结 构；固体的表面结构
材料的显微结构：在显微镜下直至电子显微镜下观 察到的结构组织；包括：相种类、多少、分布、晶 粒尺寸、形状；气孔大小和分布；杂质、缺陷、晶 界等。
3
课程的知识要求 物理学 化学 材料力学、固体物理导论、工艺学 材料的研究方法及表征 物理化学等课程
4
课程的讲授方法
本科生学习：一方面是知识学习，另外一方面是方 法的学习(学会自学）
❖ 参考书： 1．熊兆贤．《材料物理导论》．北京：科学出版 社．2002年 2．田莳．《材料物理性能》．北京：北京航空航天 大学出版社．2004年 3．关振铎．《无机材料物理性能》．北京：清华大 学．2001年
材料的性能主要是由其结构因素所决定的。 材料性能是一种用于表征材料在给定的外界条件下的
行为的参量。 研究方法有：经验方法、机理（反映本质的基本关系
出发，建立物理模型等）
材料设计、计算材料学
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关系
现代材料科学在较大程度上依赖于材料性能与 其成分及结构之间的关系。
成分与结构有从宏观到微观的各个不同层次， 测试技术和表征技术是联系它们的工具。
是否存在禁带
禁带宽度的大小
导体与非导体的区别
❖金属导体的能带分布 一是价带和导带重叠，而无禁带；
二是价带未被价电子填满，所以这种价带本身就是导带。 这两种情况下的价电子就是自由电子，所以金属导体即 使在温度较低的情况下仍有大量的自由电子，具有很强 的导电能力。
❖非导体（包括半导体和绝缘体）在绝对零度时，其能 带情况是满价带和空
❖ 声子散射
三种散射机制
❖ 电子散射
❖ 电子在杂质和缺陷上的散射
马基申定律（马希森定则）Matthiessen's rule
❖ 固溶体电阻率看成由金属基本电阻率ρ(T)和残余电 阻率ρ残组成。不同散射机制对电阻率的贡献可以加 法求和。这一导电规律称为马基申定律，即
③ 109m 的为绝缘体材料。
虽然物质都是由基本粒子构成的，但导电 性的差异却非常显著。
究竟是什么原因造成材料导电性的如此明 显的差别呢？
与物质的能带结构及其被电子填充的性质有 关
晶体的能带 ❖晶体的能带中，物质的导电性反映为： (价带：valence band; 导带：conduction band; 禁带： band gap）
本课程主要内容（Contents）
❖ 材料的电学性能 ❖ 材料的磁学性能 ❖ 材料的光学性能 ❖ 材料的弹性与内耗 ❖ 材料的热学性能
电学部分最为重要、磁学其次，而后光学、力 学等，以教材为基础，补充部分内容，但本课 程知识点很多，同学们需要预习，在课后及时 复习。
本课程成绩组成：期末试卷60%（闭卷）+平 时作业、考勤、问答（20%）+随堂实验 （20%）
R L S
ρ是材料的固有性质，是由材质决定的，与形状无关 电导率σ：
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❖ 导体、半导体、绝缘体 不同材料具有不同的导电性，根据材料导电性的好坏，
即按ρ值的大小把材料进行分类。
① 105m的为导体材料，其中纯金属的ρ值为
10-8～10-7，合金的ρ值为10-7～10-5；
②ρ值为10-3～109的为半导体材料；
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材料科学的核心四面体
前言（Introduction)
➢ 物理性能是材料科学研究重要组成部分，材料科 学包括：制备与合成、性能、应用
➢ 基础是：物理学、化学等学科，是这些学科在材 料性能方面的应用
➢ 无机材料的不同领域 性能方面区别：电子材料、 磁性材料、生物材料、水泥、玻璃、陶瓷材料、 耐火材料等
❖ 散射系数μ和电阻率ρ成正比。对于金属而言，温度升高离子 热振动的振幅愈大，电子就愈易受到散射，故可认为μ与温 度成正比，则ρ也就与温度成正比，这就是金属的电阻随温 度升高而增大的原因。
❖ 实际的晶体不但有杂质，而且还存在缺陷。传导电子的散射 发生在电子－声子、电子－杂质原子以及与其他晶体点阵静 态缺陷相碰撞的时候。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），可以看成为基本电阻。这个电阻 在绝对零度时降为零。第三种机制（电子在杂质和缺陷上的 散射）在有缺陷的晶体中，是绝对零度下金属的残余电阻。 这个电阻反映了金属的纯度和完整性。
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性能
材料使用中表现有多少行为，就对应有多少性能。 （结构材料和功能材料的划分）
外界条件不同，相同的材料也会有不同的性能。
多数的性能都有量纲。为了便于学习、测试和研究， 常采用不同的标准来划分性能
12
化学性能：（1）抗氧化性能 （2）耐腐蚀性能 （3）抗渣、抗碱性能
复杂性能（1）复合性能：高温抗折强度、高温蠕 变强度等 （2）工艺性能：可塑性、流动性等 （3） 使用性能：耐磨性等
它将不会受到散射而无阻碍地传播，这时ρ＝0，而 σ为无穷大，即此时的材料是一个理想的导体。
只有在晶体点阵的完整性以及由于晶体点阵离子的 热振动，晶体中的异类原子、位错和点缺陷等使晶 体点阵的周期性遭到破坏的地方，电子波才会受到 散射，从而产生了阻碍作用，降低了导电性，这就 是材料产生电阻的本质所在。
导带且有禁带，故基本无
导电能力。
半导体和绝缘体的区别
❖ 半导体和绝缘体的能带图的区别仅是禁带宽度的大 小。（绝缘体：3ev~6ev, 半导体: 0.1 ev~2ev)
❖ 禁带宽度的大小就影响到自由电子数量的多少，禁 带宽度小，自由电子多，反之就少。
金属的导电性
❖ 金属的导电机制与马基申定则 当电子波在绝对零度下通过一个理想的晶体点阵时，
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意义 判断材料的优劣 正确选择和使用材料---立足材料的性能 改变材料的性能 贯穿材料的结构-性能-制备-应用这个关系
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第一章 材料的电学性能
概述 ❖ 材料的电学性能大致上包含
导电性 超导电性 介电性 磁电性 热电性 接触电性 热释电性和压电性 光电性
导电性
1. 导电性的表示方法 电阻R的大小可以评价材料的导电性好坏。但对不同的材料， R 不仅与材料的性能有关，还与材料尺寸有关，即
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研究目标
性能验证
评价检测
Baidu Nhomakorabea
性能测试
设计 设计 依据 基础数据
供测试样
微组织 调节控制
组织表征 合成
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结构
物质的结构：晶体的结构；晶体的缺陷；玻璃的结 构；固体的表面结构
材料的显微结构：在显微镜下直至电子显微镜下观 察到的结构组织；包括：相种类、多少、分布、晶 粒尺寸、形状；气孔大小和分布；杂质、缺陷、晶 界等。
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课程的知识要求 物理学 化学 材料力学、固体物理导论、工艺学 材料的研究方法及表征 物理化学等课程
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课程的讲授方法
本科生学习：一方面是知识学习，另外一方面是方 法的学习(学会自学）
❖ 参考书： 1．熊兆贤．《材料物理导论》．北京：科学出版 社．2002年 2．田莳．《材料物理性能》．北京：北京航空航天 大学出版社．2004年 3．关振铎．《无机材料物理性能》．北京：清华大 学．2001年
材料的性能主要是由其结构因素所决定的。 材料性能是一种用于表征材料在给定的外界条件下的
行为的参量。 研究方法有：经验方法、机理（反映本质的基本关系
出发，建立物理模型等）
材料设计、计算材料学
8
关系
现代材料科学在较大程度上依赖于材料性能与 其成分及结构之间的关系。
成分与结构有从宏观到微观的各个不同层次， 测试技术和表征技术是联系它们的工具。