材料物理性能期末考试复习重点(非常全,可缩印)电子教案

材料物理性能期末考试复习重点(非常全,
可缩印)
热容是物体温度升高1K 所需要增加的能量。

它反映材料从周围环境中吸收热量的能力。

是分子热运动的能量随温度而变化的一个物理量。

不同环境下，物体的热容不同。

热容是随温度而变化的，在不发生相变的条件下，多数物质的摩尔热容测量表明，定容热容C 和温度的关系与定压热容有相似的规律。

(1)在高温区：定压热容Cv 的变化平缓；(2)低温区：Cv 与T^3成正比；(3)温度接近0K 时，Cv 与T 成正比；(4)0K 时，Cv=0；
热容的来源：受热后点阵离子的振动加剧和体积膨胀对外做功，此外还和电子贡献有关，后者在温度极高（接近熔点）或极低（接近0K ）的范围内影响较大，在一般温度下则影响很小。

晶态固体热容的经验定律和经典理论：(1)元素的热容定律—杜隆一珀替定律：热容是与温度T 无关的常数。

恒压下元素的原子热容为25J/ (k ·mol)；（2）化合物的热容定律—奈曼—柯普定律：化合物分子热容等于构成该化合物各元素原子热容之和。

德拜模型:考虑了晶体中原子的相互作用。

晶体中点阵结构对热容的主要贡献是弹性波振
动，波长较长的声频支在低温下的振动占主导地位，并且声频波的波长远大于晶体的晶格常数，可以把晶体近似为连续介质，声频支的振动近似为连续，具有0～ωmax 的谱带的振动。

可导出定压热容的公式：34)/(5/12,D T R m Cv θπ=
由上式可以得到如下的结论：（1）当温度较高时，即处于高温区定压热容=3Nk=3R ，即杜隆—珀替定律，与实验结果吻合；（2）当温度很低时，小于德拜温度时，定压热容与T^3成正比，与实验结果吻合。

（3）当T →0时，C V 趋于0，与实验大体相符。

但T^3定律，与实
验结果的T 规律有差距。

德拜模型的不足：（1）由于德拜把晶体近似为连续介质，对于原子振动频率较高的部分不适用，使得对一些化合物的热容的计算与实验不符。

（2）对于金属类晶体，没有考虑自由电子的贡献，使得其在极高温和极低温区与实验不符。

（3）解释不了超导现象。

金属材料热容：a.自由电子对热容的贡献：（1）低温时：热容由点阵振动和自由电子两部分的贡献组成；（2）常温时：自由电子热容远小于点阵振动热容，可忽略；（3）极低温时：电子热容起主导作用；（4）高温时：电子热容有贡献。

b.合金成分对热容的影响：合金元素加入后能生成不同的相与组织，因此合金的热容取决于组成相的性质。

合金的热容是每个组成元素热容与其质量百分比的乘积之和； 可通过合金的手段改变金属材料的热容。

相变时的热容变化：（1）熔化和凝固：液态金属的热容比固态的大。

(2)一级相变和二极相变。

一级相变：三态转变，多型性相转变。

有潜热，热容趋于无穷。

二极相变：磁转变，有序-无序转变等。

在一个温度范围内逐步完成，无潜热，热容突变。

（3)亚稳态组织转变：组织转变不可逆。

如不发生相变，热容和温度呈线性关系；如发生相变，热容偏离直线。

亚稳态（热量高）向稳态（热量低）转变要放热，导致热容下降
热膨胀：物体的体积或长度随温度升高而增大的现象。

热膨胀的物理本质（机制）：当物体温度升高时，晶体中原子的振动加剧，相邻原子之间的平衡距离也随温度变化而变化，因此温度升高而发生膨胀现象。

(1)膨胀系数与热容的关系：体膨胀与定容热容成正比，它们有相似的温度依赖关系。

低温下随温度升高急剧增大，高温时则趋于平缓；弹性模量与热容成反比。

(2)膨胀系数与熔点的关系：熔点越高，原子间结合力越大，热膨胀系数与熔点成反比；(3)膨胀系数与德拜温度的关系：德拜温度越高，膨胀系数越小。

原因：膨胀系数是原子间结合力的反映。

原子间的结合力越大、膨胀系数越小。

影响膨胀性能的因素：1.相变的影响①一级相变：有潜热、比热容无限大，体积发生突变，膨胀系数发生突变。

②二级相变：无潜热，无体积发生突变，比热容和膨胀系数发生突变。

2.组织成分的影响（1）形成固溶体：固溶体的膨胀与溶质元素的膨胀系数和含量有关。

溶质元素的膨胀系数高于溶剂基体时，将增大膨胀系数。

（2）不同结构形态的物质：对于相
同组成的物质，结构紧密的晶体膨胀系数大。

单晶>多晶>纳米>非晶。

孔隙越多，膨胀系越小。

3.晶体各向异性的影响；
4.铁磁性转变的影响。

热传导：不同温度的物体或区域，在相互靠近或接触时，会以传热的形式交换能量（能量迁移）。

温度梯度：单位长度的温度变化。

矢量，方向指向温度升高。

热导率：单位温度梯度下，单位时间内通过单位截面积的热量。

热扩散率：对于不稳定导热过程的体系，引入热扩散率来描述体系的热传导能力和温度长随时间的变化。

热传导的物理机制：热传导过程是材料内部的能量传输过程，在固体中其载体有：自由电子、声子（点阵波）和光子（电磁辐射）。

（1）金属导热机制：电子导热率约是声子的导热率的30倍，电子导热起主要作用。

（2）半导体导热机制：电子导热和声子导热率的作用大体相当。

（3）绝缘体导热机制：声子导热起主要作用。

热传导的影响因素
1.温度对金属热导率的影响：对金属热传导其阻挡作用的主要有：缺陷阻挡和声子阻挡两部分。

低温：缺陷阻挡起主要作用。

高温：声子阻挡起主要作用。

中温：声子阻挡和缺陷阻挡都起作用。

纯金属：只有声子阻挡，温度升高电子的平均自由程减小。

一般有热导率随温度的升高而降低的规律。

合金：声子阻挡和缺陷阻挡，由于异类原子的存在，温度对电子平均自由程的影响很小，声子导热作用加强。

一般有热导率随温度的升高而增大的规律。

玻璃体：一般有热导率随温度的升高而增大的规律。

2.原子结构对热传导的影响：金属的电导率越高，热传导性能越好。

3.合金成分和晶体结构对热传导的影响：合金中由于加入杂质元素使杂质缺陷形成的热阻增强，使得热导率降低。

杂质原子与金属原子的结构差异越大，影响越大。

4.气孔率对热传导的影响：气孔率越大，热导率越低。

原因：空气是热的不良导体。

热稳定性：指材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力。

热冲击损坏类型：1．一种是在热冲击循环作用下，材料表面开裂、剥落，并不断发展，最终碎裂或变质。

抵抗这类破坏的能力称为抗热冲击损伤性。

2．一种是材料发生瞬时断裂。

抵抗这类破坏的能力称为抗热冲击断裂性。

影响材料热稳定性的主要因素：（1）材料的热导率λ愈快，热应力持续一定时间后很快缓解，所以对热稳定有利。

（2）传热的途径，即材料或制品的厚薄，薄的传热通道短，容易很快使温度均匀。

（3）材料表面散热速率。

如果材料表面向外散热外，材料内、外温差变大，热应力也大。

此外，还与材料中应力的分布，产生的速率和持续时间、材料特性（如塑性、均匀性、驰豫性）以及原先存在的裂纹、缺陷等有关。

σ提提高抗热冲击断裂性能的措施及作用：1．提高材料强度σ，减小弹性模量E，使E
/高。

可以提高材料的柔韧性。

2．提高材料的热导率λ，使'R提高。

λ大的材料传递热量快，材料内外温差可以快速缓解、平衡。

3．减小材料的热膨胀系数α。

α小的材料在同样温差下产生的热应力小。

4．减小表面热传递系数h。

保持缓慢散热降温。

5．减小产品的有效厚度。

造成材料导电性差异的主要原因:能带结构及其被电子填充的性质有关。

（1）晶体的能带分为：价带、禁带和导带。

晶体的导电性是其能带分布的反映。

其价带是否被填满，是否存在禁带，以及禁带宽度的大小等因素决定其导电性能。

导体和非导体的区别：金属导体的能带分布特点:无禁带。

a价带和导带重叠;b价带未被价电子填满，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。

非导体的能带分布特点:有禁带。

在绝对零度时，满价带和空导带，基本无导电能力。

半导体和绝缘体的区别：半导体禁带宽度小。

在室温下，一部分价电子能获得大于禁带宽度的能量ΔE，跃迁到导带中去，成为自由电子，同时在价带中形成空穴，这
样就使半导体具有一些导电能力。

而绝缘体禁带宽度大。

在室温下，几乎没有价电子能跃迁到导带中去，故基本无自由电子和空穴，所以绝缘体几乎没有导电能力。

金属的导电机制：经典理论：在外电场的作用下，自由电子在导体中定向移动。

量子理论：在外电场的作用下，自由电子以波动的形式在晶体点阵中定向传播。

电阻的本质：电子波在晶体点阵中传播时，受到散射，从而产生阻碍作用，降低了导电性。

电子波在绝对零度下，通过一个理想点阵时，将不会受到散射，无阻碍传播，电阻率为0。

电阻产生的机制：（1）晶体点阵离子的热振动（声子），对电子波产生散射。

（2）晶体点阵电子的热振动，对电子波产生散射。

（3）晶体点阵的完整性被破坏（存在杂质原子、晶体缺陷等），对电子波产生散射。

【基本电阻12+残余电阻3】。

影响金属导电性的因素：1.温度对金属电阻的影响：（1）一般规律，0K 时：电阻率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，基本电阻与温度的平方成正比。

随着温度的升高，声子散射散射作用逐渐增强，并占据主导地位。

根据德拜理论，原子热振动存在两个规律性区域，区分区域的温度D θ被称为德拜温度。

当T<<D θ时，基本电阻与温度的五次方成正比，当T>>2/3D θ，德拜温度<500K 时，非过渡族金属的基本电阻与温度成正比。

（2）过渡族金属室温以上的线性关系被破坏。

（3）多晶型转变：多晶型金属的不同结构具有不同的物理性质，电阻温度系数也不同，电阻率随温度变化将发生突变。

（4）铁磁金属的电阻-温度关系反常。

铁磁材料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。

（2）压力的影响：对于大多数金属，压力能降低金属的电阻率。

在高压下，原子间距缩小，内部缺陷的形态、电子结构、费米面、能带结构及电子散射机制等都发生了变化，从而影响材料的导电性，甚至可能导致物质的金属化。

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。

4.晶格缺陷对金属电阻的影响：晶格缺陷使金属的电阻率提高。

5.热处理对金属电阻的影响：冷加工后，再退火，可使电阻降低。

当退火温度接近于再结晶温度时，可降低到冷加工前的水平。

但当退火温度高于再结晶温度时，电阻反而增大。

新晶粒的晶界阻碍了电子的运动。

淬火能够固定金属在高温时的空位浓度，而产生残余电阻。

淬火温度越高，残余电阻越大。

6.几何尺寸效应对金属电阻的影响：当试样的尺寸与导电电子的平均自由程在同一数量级时，电子在表面发生散射，产生附加电阻。

7.电阻率的各向异性：一般立方晶系的单晶体电阻表现为各向同性，但对称性较差的六方、四方、斜方等晶系单晶体的导电性表现为各向异性。

多晶体各向同性。

本征半导体：纯净的、无结构缺陷的半导体单晶。

导电机制：在绝对零度和无外界影响的情况下：半导体的满带中被电子占满，空带中无电子，不导电。

在温度升高、光照等热激发（本征激发）时：价电子从外界获得能量，部分价电子获得足够的能量脱离束缚，跃迁到空带中。

空带中有了电子成为导带，满带中的部分价电子迁出出现了空穴，成为价带。

本征激发时，自由电子和空穴成对出现，在外电场的作用下，电子逆电场方向运动，空穴顺电场方向运动。

自由电子和空穴在外电场的作用下定向运动，形成电流。

自由电子和空穴都能导电，统称为载流子。

本征半导体的电学特性：（1）本征激发成对产生自由电子和空穴，所自由电子浓度与空穴浓度相等，都是等于本征载流子的浓度ni ；（2）ni 和Eg 有近似反比关系，硅比锗Eg 大，故硅比锗的ni 小；（3）ni 与温度近似正比，故温度升高时ni 就增大；（4）ni 与原子密度相比是极小的，所以本征半导体的导电能力很微弱。

杂质半导体的分类及导电机制：通常制造半导体器件的材料是杂质半导体。

在本征半导体中
人为地掺入五价元素和三价元素，分别获得N（电子）型和P（空穴）型杂质半导体。

（1）N型半导体：在本征半导体中掺入五价元素获得电子型杂质半导体。

由于的掺入五价元素中的四个价电子与周围的原子形成共价键，余下一个价电子的能级非常接近导带能量，使得其在常温下进入导带成为自由电子，因此掺杂后的半导体导带中的自由电子显著增多。

把这个五价元素称为施主杂质。

电子是多数载流子（多子）。

（2）P型半导体：在本征半导体中掺入三价元素获得电子空穴型杂质半导体。

由于的掺入三价元素中的三个价电子与周围的原子形成共价键时，缺少一个价电子，形成一个空位置（空穴）。

因此掺杂后的半导体价带中的空穴电子显著增多。

把这个三价元素称为受主杂质。

空穴是多数载流子。

掺杂半导体与本征半导体相比具有的特征：（1）掺杂浓度虽然很微小，但却能使载流子浓度得到极大提高，导电能力显著增强。

掺杂浓度越大，其导电能力也越强。

（2）掺杂只是使一种载流子的浓度增加，杂质半导体主要靠多子导电。

N型半导体主要靠自由电子导电，P型半导体主要靠空穴导电。

PN结的形成及特性：PN结是指同一块半导体单晶中，在P型掺杂区与N型掺杂区交界面附近形成的特殊区域。

是构成半导体电子器件的基本单元。

PN结制造工艺的实质：P型掺杂与N型掺杂之间通过扩散实现的的杂质互补。

PN结阻挡层的形成过程：（1）载流子的浓度差引起的载流子的扩散运动；（2）扩散运动形成空间电荷区（阻挡层）；（3）内电场是扩散与漂移达到动态平衡。

PN结的特性：单向导电性。

（1）外加正向电压的情况由于外部正向电压与内电场电位差方向相反，阻挡层变窄、消失，内电场减小、消失，电阻减小。

（2）外加反向电压的情况由于外部反向电压与内电场电位差方向相同，阻挡层增大，内电场增大，电阻急剧增大。

电介质极化：在电场作用下，其内部的束缚电荷所发生的弹性位移现象和偶极子的取向（正端转向电场负极、负端转向电场正极）现象。

电介质的击穿：当施加电介质上的电场强度或电压增大到一定程度时，电介质就由介电状态变为导电状态。

超导体：零电阻：将超导体冷却到某一临界温度（T C）以下时电阻突然降为零的现象称为超导体的零电阻现象。

不材料失去电阻的状态称为超导态，具有超导态的材料称为超导体。

超导体的性能：（1）完全的导电性：超导体在超导态时是等电位的，电阻为0。

（2)完全抗磁性。

当超导体冷却到临界温度以下而转变为超导态后，只要周围的外加磁场没有强到破
坏超导性的程度，超导体就会把穿透到体内的磁力线完全排斥出体外，在超导体内永远保持磁感应强度为零。

超导体的这种特殊性质被称为“迈斯纳效应”。

超导现象的物理机制：由于超导体中的电子在超导态时，电子之间存在着特殊的吸引力，使
得电子结成电子对（库伯电子对），它是超导态电子与晶格点阵相互作用的结果。

超导态由
于电子结成库柏对，使得能量降低成为稳定态。

一个超导态电子对的能量比形成它的单独的两个正常态的电子的能量低2Δ，这个降低的能量称为超导体的能隙。

当温度或外磁场强度增加时，电子对获得能量能隙就减小。

能隙减小到零时，电子对被拆开成正常态电子，超导
态转变为正常态。

每个电子对在运动中的总动量保持不变，不消耗能量，表现出零电阻的特
性。

评价超导体性能的主要参量：1温度。

超导体必须冷却至某一临界温度以下才能保持其超导性。

2临界电流密度。

通过超导体的电流密度必须小于某一临界电流密度才能保持超导体的
超导性。

3临界磁场。

施加给超导体的磁场必须小于某一临界磁场才能保持超导体的超导
性。

金属热电性及其物理机制：热电性：材料中存在电位差时会产生电流，存在温度差时会产生热流，故因电位差、温度差、电流、热流之间存在着交叉联系，构成热电效应。

第一热电效应-塞贝克效应：两种不同的导体（或半导体）组成一个闭合回路时，若在两接头处存在温度差则回路中将有电位差及电流产生，称为塞贝克效应。

原因：由于同一导体
（或半导体）两端处在不同的温度区域，形成了温差电位差。

温差电位差形成机制：热端的高能电子向冷端热扩散，在两端分别形成异号电荷积累区，形成内电场，当扩散和漂移平衡时，形成稳定的电位差。

温差越高，电位差越大。

不同的导体
（或半导体）热电势率不同。

而不同导体（或半导体）接触形成的接触电位差，是影响这一现象另一个原因。

（在不同温度下接触电位不同）
第二热电效应-玻尔帖效应：当有电流通过两个不同导体（或半导体）组成的回路时，除产生不可逆的焦尔热外，还要有两接头处分别出现吸收或放出热量Q的现象。

此现象为玻尔帖效应，被认为是塞贝克效应的逆效应。

被用于温差制冷。

原因（机制）：接触电位区的存在。

电子在通过接触区被减速时，动能减少，减速电子与金属原子碰撞后获得能量，吸热，该处温度降低。

反之放热，温度升高。

第三热电效应-汤姆逊效应：当电流通过具有一定温度梯度的导体时，会有一横向热流流入或流出导体，其方向视电流的方向和温度梯度的方向而定，此现象为汤姆逊效应。

原因（机制）：温差电位区的存在。

电子在通过温差电位区被减速时，动能减少，与晶格碰撞后从金属原子获得能量，吸热，晶格能量降低，温度降低。

反之被加速时，碰撞晶格，放热，晶格能量增加，温度升高。

接触电性：当两种不同的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。

金属-金属的接触电效应：两个不同的金属相互紧密接触时，在接触面附近形成的特殊区域（MM结）。

接触电位差形成的机制：（1）两种金属逸出功不同，在交界面会发生电子扩散，接触界面会形成空间电位场，阻止电子继续扩散，电子扩散和漂移相互竞争，最终达到平衡状态，形成一定的电位差，即接触电位差；（2）两种金属的自由电子密度不同，当电
子发生扩散时，接触界面形成空间电场，扩散和漂移相互竞争，最后达到平衡状态，形成一定的电位差。

金属的接触电位差为这两个原因形成电位差的叠加。

磁化理论的两种观点：（1）分子环流观点：物质中的每个磁分子都相当一个环形电流，即
是一个分子磁矩。

无外磁场时：热运动、杂乱无章，不显宏观磁性。

有外磁场时：沿磁场方向排列，显现宏观磁性。

（2）等效磁荷观点：材料的的每个磁分子就是一个磁偶极子。

无
外磁场时：热运动、杂乱无章，不显宏观磁性。

有外磁场时：沿磁场方向排列，显现宏观磁性。

磁介质的分类：根据物质的磁化率，把物质的磁性大致分为抗磁体、顺磁体、反铁磁体、铁磁体和亚铁磁体。

1、抗磁体（磁化率χ为负值，很小，约在10^-6数量级）：原子的磁矩为零的物质对外不显示磁性。

但在外磁场的作用下原子的磁矩不再为零，显示出一定的抗磁性。

因为电子的轨
道运动在外磁场的作用下产生了附加磁矩。

附加磁矩与外磁场方向相反，物质磁化后内部产生与外场方向相反的附加磁场，对外表现出抗磁性。

凡是电子壳层被排满了的物质都属于抗磁体。

电子壳层未被排满了的物质，也具有一定的抗磁性，但不一定是抗磁体。

2、顺磁体（χ为正值，很小，约在10^-3～10^-6数量级）：顺磁性物质的原子或离子具有
一定的磁矩，这些原子磁矩来源于未满的电子壳层。

在顺磁性物质中，磁性原子或离子分开的很远，以致它们之间没有明显的相互作用，因而在没有外磁场时，由于热运动的作用，原子磁矩是无规混乱取向。

当有外磁场作用时，原子磁矩有沿磁场方向取向的趋势，从而呈现出正的磁化率。

但在常温下，由于热运动的影响，原子磁矩难以有序化排列，磁化十分困
难。

3、铁磁性及其物理本质：铁磁性材料的磁性是自发产生的，磁化过程只不过是把物质本身
的磁性显示出来，而不是由外界向物质提供磁性的过程。

实验证明铁磁质自发磁化的起因是源于原子未被抵消的电子自旋磁矩，而轨道磁矩对铁磁性几乎无贡献。

铁磁体的自发磁化：根据键合理论，原子相互接近形成分子时，电子云要相互重叠，电子要
相互交换位置。

因交换作用而产生的附加能量成为交换能。

当磁性物质内部相邻原子电子的交换能积分常数为正(A＞0)时，相邻原子磁矩将同向平行排列（能量最低），从而实现自发
磁化。

这就是铁磁性产生的原因。

（铁磁体：χ为正值，很大，约在10～10^6数量级）
物质具有铁磁性的基本条件：(1)物质中的原子有磁矩；(2)原子磁矩之间有一定的相互作用。

铁磁性产生的条件：①原子内部要有末填满的电子壳层；②及Rab/r之比大于3，使交换积分A为正。

前者指的是原子本征磁矩不为零；后者指的是要有一定的晶体结构。

铁磁质受热原子间距离增大，电子间交换作用减弱，自发磁化减弱，当高于一定温度时交换作用被破坏，表现为顺磁性，这个转变温度被称为居里温度。