材料物理性能

材料物理性能
第一章材料热学性能
一(热容的定义，热容的来源以及热容随温度的变化规律
热容:是问题温度每升高1K，物质所需要增加的能量被称为热容。

热容的来源:温度升高导致原子热振动加剧，点阵离子振动以及体积膨胀需要向外做功，同时自由电子对热容也有贡献，但只在温度极端的情况下才发生。

热容随温度的变化规律:热容反映了材料从周围环境吸收能量的能力，不同温度时，热容不同。

定容热容与定压热容有相似规律。

当温度较高时，定压热容变化趋势平缓
当温度较低时，定压热容与T3成正比;
当温度趋于0K时，定压热容与T成正比;
当温度等于0K是，定压热容也等于0K。

二(热容的德拜模型以及其局限性
答:晶格点阵结构对热容的作用主要表现在弹性波的振动上，即波长较长的声频支的振动在低温下起主导作用，由于声频支的波长大于晶格常数，故可以将晶格看成是连续的介质，声频支也可以看成是连续的具有0-Wmax的谱带的振动。

由此，可导出定压热容的公式:Cv,m=12/5π4R(T/θD)3
由此公式可得:
1)当温度大于德拜温度时，即处于高温区，定压热容=3R，与实验结
果相符合;2)当温度小于德拜温度时，定压热容与T3成正比，比爱因斯坦模型更接近于实验结果;3)当温差极低时(趋近于0K时)，定压热容趋近于0，大体与实验结果相符。

德拜模型的局限性:
因为德拜模型把晶格点阵考虑成连续的介质，故对于原子振动频率较高的部分并不适用，故德拜模型对于一些化合物的计算与实验结果不相符;2)对于金属类晶体，忽略了自由电子的贡献，所以在极端温度条件下与实验结果不符;3)解释不了超导现象。

三(热膨胀的定义及其物理机制
热膨胀:热膨胀是指随着温度的升高，材料发生体积或者长度增大的现象。

热膨胀的物理机制:随着温度的升高，晶体中的的原子振动加剧，相邻原子之间的平衡间距也随温度的变化而变化，因此温度升高产生热膨胀的现象。

四(热膨胀与其他物理量之间的关系。

热膨胀是原子间结合力的体现，原子间的结合力越大，热膨胀系数越小。

热膨胀系数与热容的关系:热膨胀系数与热容成正比，有相似的温度依赖关系。

热膨胀系数与熔点的关系:熔点越高，原子间的结合力越大，热膨胀系数与熔点成反比。

热膨胀系数与德拜温度之间的关系:德拜温度越高，热膨胀系数越小，德拜温度越高，原子间的结合力越大。

热膨胀系数与原子序数的关系:对于第一主族，原子序数增加热膨胀系数增加。

对于其他主族元素，原子序数增加热膨胀系数降低。

五(影响材料热膨胀系数的因素
相变的影响:一级相变有相变潜热，有体积突变，热容和热膨胀系数发生突变。

二级相变没有相变潜热，没有体积突变，热容和热膨胀系数发生突变。

成分和组织的影响:1)对于固溶体:与溶质元素的热膨胀系数有关，如果溶质元素的热膨胀系数高于溶剂基体，将增大热膨胀系数;2)相同结构的晶型:排列紧密的热膨胀系数大。

3)铁磁性转变的影响。

4)晶体各向异性的影响。

六(材料热传导的定义以及其机制(按金属、半导体、绝缘体划分)
热传导的定义:两个不同温度的物质或区域在相互接触或靠近时，会以传热的形式产生能量的传递，此过程被称为热传导
热传导的机制:热传导的载体主要有三种:1)声子传导;2)电子传导;3)光子传导。

1)金属的导热机制:电子传导为主;
2)半导体的导热机制:声子传导和电子传导作用大体相当;
3)绝缘体的导热机制:声子传导占主要的地位。

七(影响热传导的因素
答:对金属热传导的主要由两种原因:1)声子的阻碍2)缺陷的阻碍。

1)温度对金属热传导的影响:高温下，金属热传导的阻碍作用主要以声子为主;低温下，缺陷阻挡起主要作用;中温:声子阻挡和缺陷阻挡痛
失存在;
对于纯金属来说:只有声子阻挡，温度升高电子的平均自由程，一般热导率随温度的升高而降低。

对于合金来说:存在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，故热导率随温度的升高而升高。

对于玻璃态来说:一般有热导率随温度升高而增大的规律。

2)原子结构对热传导的影响:金属的电导率越高，热导率也越高。

3)合金成分和晶体结构对热导率的影响:合金中加入杂质元素使杂质缺陷形成增加热阻挡作用，使导热率降低，杂质原子原子和金属原子结构差异越大，影响越大。

4)气孔率对热导率的影响:有气孔率越大，热导率越低。

八(热稳定性的定义、分类和影响热稳定性的因素
热稳定性的定义:物质承受温度急剧变化而不发生破坏的能力。

热稳定性的分类:1)在热循环冲击的作用下，物质表面发生脱落，并不断发展
最终形成变质或碎裂，抵抗这类破坏的能力被称为抗热冲击损伤性;2)材料发生瞬
时断裂，抵抗这类破坏的能力被称为抗热冲击断裂性。

影响热应力的因素:热应力影响材料断裂破坏，还涉及材料的散热问题，散热
使热应力得到缓解。

1)材料的热导率越高，热应力持续的时间越短，金属的热稳定性越好。

2)传热的途径:材料或制品的薄厚程度，薄的材料传热通道，很容
易使温度均匀。

3)材料表面散热速率:材料表面内外温差过大，热应力也大
此外，影响热应力的因素还有材料中应力的分布，产生的速率和持续时间以及
材料时候出现热应力断裂、材料特性以及原先存在的裂纹、缺陷有关。

九(提高材料热稳定性的办法
1)提高材料的导热率
2)减小材料的热膨胀系数
3)降低材料表面的散热速率
4)将材料制备得更轻薄
5)提高材料的强度，减小弹性模量，这意味着提高材料的柔韧性。

第二章材料的电学性能
一(材料的电学性能包括: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。

二(导电性(描述导电性的物理量有:电阻R、电导率和电阻率)(三者之间的关系) 根据电阻率可以把材料分为导体、半导体和绝缘体
三(造成材料导电性差异的主要原因,
答:造成材料导电性差异的主要原因与1)能带结构及2)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。

例如1)金属导体无禁带——a.价带和导带重叠或相
接;b.价带未被价电子填满，价带本身就是导带。

故价电子就是自由电子，所以即使金属在很低的温度下也存在大量的自由电子，故具有很强的导电能力;2)非导体存在禁带——在绝对零度时，其能带分布情况是满价带和空导带且有禁带，故基本无导电能力。

3)半导体和绝缘体存在禁带，但由于禁带宽度不同而造成导电能力的差异，半导体的禁带宽度小，在室温下，一部分价电子能获得大于禁带宽度的能量跃迁到导带中去，成为自由电子，同时在价带中形成空缺，故有一定的导电能力。

而绝缘体的禁带宽度打，在室温下，几乎没有价电子能跃迁到价带中去，故基本没有自由电子和空缺，从而几乎没有导电能力。

四(金属电阻产生的主要机制及其产生的电阻随温度的变化规律。

电阻的本质:根据量子理论，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，在此传播过程中受到散射，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，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)晶体点阵存在杂质原子、晶体缺陷(完整性被破坏)对电子波产生散射。

1)一般规律:
由马西森定律 P=P(T)+Pc可以看出，高温时金属电阻率取决于基本电阻，低温时取决于残余电阻，故0K时，电阻率的大小决定于晶体缺陷的类型和数量，纯净
无缺陷的金属，其电阻率等于0，随温度的升高金属的电阻率也增加。

当温度极低时，电子散射占主导地位，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的作用逐渐加强，并占主导地位，当T《德拜温度时，基本电阻与温度的五次方成正比;当T》2/3德拜温度，德拜温度小于500K时，对于非过渡族金属，基本电阻与温度成正比。

2)过渡族金属:线性关系在室温上被破坏
3)对于多晶型金属:不同结构具有不同的物理性质，电阻温度系数也不同，因而电阻率随温度变化将发生突变。

4)铁磁材料:由于在一定温度下会发生铁磁-顺磁的磁相转变，从而导致电阻-温度关系的反常。

五(受力情况的影响:在弹性范围内，单向拉伸或扭转应力能提高金属的电阻率，在受压力的情况下电阻率降低。

冷加工的影响:冷加工的形变使金属的电阻率提高。

晶格缺陷的影响:晶格缺陷使金属的电阻率提高。

热处理的影响: 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。

淬火能产生残余电阻。

淬火温度越高，残余电阻越大。

几何尺寸的影响: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。

六(一般晶体表现为各向同性，但对称性较差的单晶体表现为各向异性，多晶体表现为各向同性。

七(本征半导体的导电机制及电学性质:
本征半导体:纯净无结构缺陷的半导体晶体。

导电机制:在绝对零度和无外界影响的条件下，本征半导体的满带被电子占满，空带中无电子，故不导电。

在温度升高、光照等热激发(本征激发)条件下，价电子从外界获得能量，部分价电子获得足够的能量跃迁到空带中去。

此时空带中有了电子成为导带，满带中部分价电子跃迁形成空穴，成为价带。

自由电子和空穴在外电场的作用下定向移动，形成电流，故能导电。

空穴和自由电子都能导电，统称载流子。

本征半导体的电学性质:
本征激发成对产生的自由电子和空穴，所以两者浓度相等，等于本征载流子浓度ni
1)ni与禁带宽度成反比，即禁带宽度越宽，价电子跃迁所需要的能量越大，所产生的ni越小，故导电性能越差。

2)ni.与温度成正比，即温度升高，价电子获得的外界能量越多，ni越大，导电性能越好。

3)ni与原子密度相比是极小的，因此，室温下，本征半导体的载流子浓度很小，导电能力很弱。

八(什么是参杂半导体,分类及导电机制。

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。

N型半导体:在本征半导体中掺入5价的杂志，获得电子型的杂质半导体。

由于掺入五价元素中的四个价电子与周围的原子形成共价键，余下的一个电子的能级非常接近导带能量，使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明显增多，导电能力增强。

我们把这个五价元素称为施主杂质，电子称为多子(多数载流子)。

P型半导体:在本征半导体中掺入3价的杂质，获得空穴型的杂质半导体。

由于掺入三价元素中的价电子与周围原子形成共价键时，缺少一个价电子，形成一个空穴，因此参杂后的半导体价带中的空穴明显增多，导电能力随之增强。

我们把这个三价元素称为受主杂质，空穴是多子。

杂质半导体与本征半导体的区别:
1)掺杂浓度与原子密度相比虽很微小，但能使载流子浓度显著增大，导电能力因而显著增强。

掺杂浓度越大，导电能力越强。

2)掺杂只能使一种载流子浓度增强，因此杂质半导体主要靠多子导电。

P型半导体主要靠空穴导电，N型半导体主要靠自由电子导电。

九(PN结的形成及其特性
PN结是指同一块半导体单晶中，由P型半导体与N型半导体界面相接附近形成的特殊区域，是构成半导体电子元件的基本单元。

PN结工艺的实质是:P型掺杂与N型掺杂之间通过扩散实现杂质互补。

PN结形成的过程:1)载流子的浓度差导致载流子的扩散运动;2)扩散运动形成空间电荷区(阻挡层);3)内电场使扩散与漂移达到动态平衡。

PN结的特性:单向导电性;具体:1)外加正向电压时:由于外部施加的正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)外加反向电压时:由于外部施加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。

十(超导体的特性及其物理机制，评价超导体性能的主要参数
将超导体冷却到某一临界温度(TC)以下时电阻突然降为0的现象成为超导体的零电阻现象。

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)完全导电性:超导体在超导态是等电位的，电阻为0;2)完全抗磁性:当超导体处于超导态时，只有外界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到体外，在超导体内保持磁感应强度为0.这种现象被称为“迈斯纳效应”。

影响超导电性的因素:1)温度—超导体必须冷却到某一临界温度以下才能保持超导性。

2)临界电流密度—如果输入电流所产生的磁场与外磁场之和超过了临界磁场，超导体会被破坏。

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。

超导现象的物理机制:由于超导体中的电子存在超导态，电子之间存在特殊的吸引力，而不是正常态时电子之间的静电斥力，这种吸引力使电子双双结成电子对，称为库伯电子对，它是超导态电子与晶格点阵间相互作用的结果。

材料变成超导态后，由于电子结成库伯对，使能量降低从而成为稳定态，一个超导态的库伯电子的能量比形成它单独的两个正常态电子的能量低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，能隙减小，电子对被拆分为正常态电子，超导态转化为正常态。

由于超导态电子在运动中保持总动量不变，也就是超导态电子在运动中不消耗能量，因此表现出零电阻特性。

十一(接触电性:当两种材料在他们的接触界面上产生载流子的某种
行为，因为产生两种材料单独存在时没有的新的电学效应，称为接触电性。

当金属-金属接触时，由于电子扩散在接触界面区域形成MM结，产生一定的电位差，产生接触电位差的机制有:1)自由电子逸出金属表面所需要的最小能量称为逸出功，由于两种接触金属的逸出功不同，在交界面就会发生电子扩散时，接触界面形成空间电位场，阻止电子继续扩散，电子扩散与电子漂移互相竞争，最终扩散力与电场力达到动态平衡状态，就形成了一定的电位差，即接触电位差;2)由于两种金属自由电子密度不同，当电子发生扩散时，接触界面形成空间电场，同(1)，
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上述两个原因形成电位差的叠加。

十二(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，因为电流、热流都与电子的运动有关，故电位差、温度差、热流、电流之间存在着交叉联系，构成热电效应。

热电效应分为
1)第一热电效应——塞贝克效应
当两种不同的导体组成一个闭合回路时，若在两接头处存在温度差，则回路中将有电势及电流产生，这种现象称为塞贝克效应。

第一热电效应的机制:1)由于同一导体两段处于不同温度，热端的高能电子向冷端热扩散，这样就在金属内部产生一个阻止电子进一步扩散的温差电场，当扩散和漂移平衡时，形成了稳定的电位差，温度越高，电位差越大;2_同时不同导体相互接触，产生接触电位差，不同温度下接触
电位差不同。

两者的叠加是导致第一热电效应的原因。

2)第二热电效应——波尔贴效应
当有电流通过两个不同导体组成的回路时，除产生不可逆的焦耳热以外，还在两接头处吸收或放出热量，这种现象称为波尔贴效应。

第二热电效应的机制:由于接触电位区的存在，电子在通过接触电位区时，由于接触电位差产生的电场力阻碍了电子运动，使之减速，动能减小。

减速的电子与金属原子相碰，又取得了动能，吸热，从而该处的温度降低。

而相反，反向运动的电子通过接触电位区时被加速，与原子碰撞后把获得的动能交给金属原子，放热，从而该处温度升高。

3)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，会有一个横向热流流入或流出导体，其方向视电流方向和温度梯度方向而定、第三热电效应的机制:由于导体温度梯度的存在，高温段的电子就要向低温端扩散，而高温段由于失去电子带正电，低温段得到电子带负点，就形成了一个内温差电场，内温差电场产生的电场力阻碍了扩散作用，但扩散作用和漂移平衡时，就形成了稳定的电位差。

由于此电位差的存在，当外电流通过有温度梯度的导体时(方向相同)，电子将被加速，除了一部分用于动能外，另外剩余的能量将以碰撞的形式传给晶格，从而晶格能量增加，温度升高。

而当外电流的方向与温度梯度相反时，电子将被温差电场减速，在与晶格碰撞时从金属原子处获得能量，从而晶格能量降低，温度降低。

第三章材料的磁学性能
一(磁化:物质收到磁场作用而表现出一定的磁性
磁介质:能够被磁化的物质
二(分子环流:物质中的每个磁分子都相当于一个环形电流，即使一个分子磁矩，当无外界磁场时，各分子环流取向杂乱无章，作用抵消，不显示磁性。

而有外磁场时，分子电流的磁矩沿磁化场排列起来，从而显现宏观磁性。

等效磁荷:材料的每个磁分子就是磁偶分子，无外界磁场时，各磁偶极子取向呈无序状，偶极矩矢量和为，故不显示磁性。

当施加外界磁场时，偶极子受磁场作用而转向外场方向，故显示宏观磁性。

三(磁化率:磁化强度M和外磁场强度H的比值，与材料和温度有关。

磁导率:磁感应强度B和外磁场强度H的比值。

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

磁性的来源:
原子由原子核和核外电子组成，核外电子在各自的轨道上绕核运动的同时还进行自旋运动。

带电粒子的这些运动分别产生轨道磁矩和自旋磁矩。

当原子中的电子壳层被排满时，电子轨道运动和自旋运动占满了所有可能的方向，原子的角度量为0，当某一电子壳层未被排满时，原子总的角动量不为0，这时原子对外就显示磁性。

抗磁体(磁化率为负值，很小，约在10-6数量级上):
原子磁矩为0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0，显示出抗磁性，这是因为电子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于外场方向相反的附加磁场，因此对外表现出抗磁性。

抗磁体的磁化率与温度和磁场强度均无关。

但有一些反常抗磁体的磁化率随温度变化。

顺磁体(磁化率为正值，很小在10-6,10-3数量级上):
顺磁体物质的原子或离子具有一定的磁矩，这些磁矩来源于未填满的电子壳层。

在这些顺磁性物质中，磁性原子和离子分开的很远没有相互作用，所以原子磁矩取向混乱。

当有外场时，原子磁矩有沿磁场方向取向的趋势，从而显示正的磁化率。

顺磁体的磁化率不受外场变化，但随温度变化，呈反比关系，符从居里-外斯定律。

但存在一些与温度无关的顺磁体。

铁磁体(磁化率为正值，很大，约在10-106数量级上)
铁磁体的磁性是自发产生的，它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。

铁磁性的自发磁是由于电子间的静电作用而产生的。

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，因交换作用而产生了附加能量称为交换能，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。

在不大的外磁场H的作用下，就能产生很大的磁化强度，存在磁滞回线。

当铁磁体的温度高于临界温度时候变成顺磁体，服从居里-外斯定律，温度小于临界温度时，表现为铁磁性。

亚铁磁性(磁导率为正值，但是没有铁磁体大)
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，因交换作用而产生了附加能量称为交换能，当交换积分A<0时，则原子磁矩取反向排列能量最低，而亚铁磁性物质由磁矩大小不同的两种离子组成，相同磁性的离子磁矩同向平行排列，而不同磁性的离子磁矩反向排列。

由于两种磁矩不相等，反向平行的磁矩不能恰好抵消，二者之差表现为宏观磁矩。

磁导率、磁化强度的变化规律与铁磁性类似，但没它强烈，也存在一个转变温度，但当温度高于TC时，偏离居里-外斯定律，低于TC时，表现出与铁磁性类似的复杂行为。

反铁磁性(磁导率为正值，但是很小)
如果交换积分A,0时，则原于磁矩取反向平行排列能量最低。

如果相邻原子磁矩相等，由于原子磁矩反平行排列，原子磁矩相互抵消，自发磁化强度等于零。

这样一种特性称为反铁磁性。

磁导率非常小，当温度高于一定时，磁导率行为像顺磁体，T低于这个温度是，磁化率与磁场的去向取向有关。