材料物理性能知识点总结

1、 材料性能的影响因素材料化学组成和显微结构不同，决定其有不同的特性；材料的内部分子层次上，原子、离子之间的相互作用和化学键合对材料性能产生决定性的影响；多晶多相材料的显微结构的不同，影响材料的大部分性能。晶体结合类型、特征：（1） 离子晶体：离子键合、高硬度、高升华热，可溶于极性溶剂、低温不导电，高温离子导电。（2） 共价晶体：共价键合、高硬度、高熔点，几乎不溶于所有溶剂，高折射率，强反射本领。（3） 金属晶体：金属键合、高密度、导电率高，延展性好，只溶于液体金属。（4） 分子晶体：范德华力结合，高热膨胀，易溶于非极性有机溶剂中，低熔点、沸点，压缩系数大，保留分子的性质。（5） 氢键：低熔点、

2、沸点，结合力高于无氢键的类似分子。单晶体是由一个微小的晶核各向均匀生长而成，其内部的粒子基本上按其特有的规律整齐排列。晶体微粒（包括离子、原子团）在空间排列有一定的规律晶体性质：1.均与性；2.各向异性；3.规则的多面体外形；4.确定的熔点；5.对称性晶体可分为单晶、多晶、微晶等微晶：粒度很小的晶体组成的物质（显晶质、隐晶质、单晶、多晶）晶体和非晶体的区别如下：晶体有规则的几何外形 非晶体没有一定的外形晶体有固定的熔点 非晶体没有固定的熔点晶体显各向异性 非晶体显各向同性按热力学观点看：晶体一般都具有最低的能量，因而较稳定 非晶体一般能量较高，都处于介稳或亚稳态晶格确定步骤：1.确定基本结构单

3、元；2.将结构基元看做一点；3.这些几何点聚焦形成点阵（面角守恒：同组晶体和对应面之间夹角恒定不变）材料应用考虑因素：使用寿命、性能、可靠性、环境适应性、性价比。材料性能是一种用于表征材料在给定外界条件下的行为参量。同一材料不同性能，只是相同的内部结构，在不同的外界条件下所表现出的不同行为。材料性能的研究：材料性能的研究，既是材料开发的出发点，也是其重要归属。 材料强度、表面光洁度、绝缘性能、热导性、热膨胀系数等是衡量基板材料好坏的重要指标。材料性能的研究，有助于研究材料的内部结构。材料性能就是内部结构的体现，对结构敏感性能，更是如此。同样，材料的性能，也反应了材料的内部结构。应力及应变材料在

4、外力作用下发生形状和尺寸的变化，称为形变。应力：材料单位面积上所受的附加内力，其值等于单位面积上所受的外力。应力；若受力后的面积为A，则=为真实应力。应变：用来表征材料受力时内部各质点之间的相对位移。对于各向同性材料，有三种基本的应变类型：拉伸应变，剪切应变和压缩应变。拉伸应变是指材料受到垂直于截面积方向的大小相等、方向相反并在同一直线上的两个拉伸应力时材料发生的形变。一根长度为l。的材料，在拉应力作用下被拉长到l1，则其拉伸应变为 =（l1-l。）/l。=l/l。真实应变定义为： T =剪切应变是指下来受到平行于截面积方向的大小相等、方向相反的两个剪切应力时发生的形变，在剪切了作用下，材料发

5、生偏斜，该偏斜角的正切值定义为剪切应变：=压缩应变：指材料周围受到均匀应力P时，其体积从起始时的V0变化为V1的形变 =（V1-V0)/V0=V/V0总弹性应变能非常小是所有脆性材料的特征；弹性形变对于理想的弹性材料，在应力作用下会发生弹性形变，其应力与应变关系服从胡克定律，即应力与应变成正比 =E式中的比例系数E称弹性模量，又称弹性刚度后杨氏模量。 弹性模量是材料发生单位应变时的应力，它表征材料抵抗形变的能力的大小。在单方向收应力X时，y方向的应变yx=-yxx=-yxX/Ex=S21XS21=-yx/Ex 称为弹性柔顺系数，称为横向形变系数弹性模量E反应材料抵抗正应变的能力；剪切模量G反应

6、材料抵抗剪切应变的能力；泊松比反应材料横向正应变与受力方向线应变的比值（G=/)弹性模量的一影响因素：（1）原子结构的影响：原子间距大，弹性模量小。定义各向等同的压力P除以体积变化为材料的体积模量KK=-P/(V/V0)=-E/3(2-1)(2) 温度的影响：温度升高，弹性模量降低(3) 相变的影响：相变改变材料结构，弹性模量发生质的变化。复相位的弹性模量：在两相系统中，假定两相的泊松比相同，在力的作用下应变相同，则总弹性模量最高值Eu=E1V1+E2V2 V1，V2分别为1,2相体积分数两相材料最小模量：1/El=V1/E1+V2/E2对气孔率为P的材料弹性模量的经验式E=E0(1-1.9P

7、+0.9P×P)塑性形变指外力移去后不能恢复的形变； 材料在塑性形变时不被破坏的能力叫延展性。应力应变曲线中斜率为弹性模量晶体受力时，晶体的一部分相对另一部分平移滑动，这一过程叫做滑移。晶体滑移特点：滑移距离小；滑移时不会遇到同号离子的斥力。晶体滑动总是发生在主要晶面和主要晶相上。这些晶面和晶相指数较小，原子密度较大，只要滑移较小的距离就可使晶体结构复原。滑移系统：滑移面+滑移方向金属易滑移而长生塑性变形的原因是金属的滑移系统多。 多晶材料比单晶材料更难滑移原因：对于多晶体材料，其晶粒在空间随机分布，不同方向的晶粒，其滑移面上的剪应力差别很大，即使个别晶粒已达到临界剪切应力而发生滑移

8、，也会受到周围晶粒的制约，使滑移受到阻碍而终止。所以多晶材料更不易产生滑移。 无机材料的晶格点阵常数大于金属材料，难形成位错。无机材料由于其组成复杂、结构复杂、共价键合离子键的方向性，滑移系统很少，只有少数无机材料晶体在室温下具有延展性，这些晶体都属于NaCl型结构的离子晶体结构。AlO3属于刚玉型结构，比较复杂，因而在室温下不能产生滑移。晶体的晶格滑移常是位错运动的结果；【方解石（冰洲石）具有双折射】由于无机材料滑移面少，难以得到足够的剪切力支持位错运动；多晶的位错常在晶界部位阻塞终止；无机材料的晶格点阵常数大于金属材料，更难形成位错。形变速率与剪应力大小成正比； 对于单晶要引起宏观塑性变形

9、必须：（1）有足够多的位错；（2）位错有一定的运动速度；（3）柏氏矢量大位错形成能：E=aG 形成位错所需要的能量（a.为常数，G为弹性模量，b相当于晶格点阵常数）滞弹性和内耗指材料在快速加载或卸载后，随时间的延长而产生的附加弹性应变的性能应变松弛是固体材料在恒定荷载下，形变随时间延续而缓慢增加的不平衡过程，或材料受力后内部原子有不平衡的过程，也叫蠕变或形变。应力松弛是在持续外力的作用下，发生形变着的物体，在总的形变值保持不变的情况下，由于徐变形变渐增，弹性形变相应减小，由此使物体的内部应力随时间延续而逐渐减小的过程。松弛应力与松弛应变都是材料的应力与应变关系随时间而变化的现象，都是指在外界条

10、件影响下，材料内部的原子从不平衡状态通过内部结构重新组合二达到平衡状态的过程。材料内耗：由于内部原因二十机械能消耗的现象。材料的高温蠕变 金属材料、材料在长时间高温或恒应力下应变随时间缓慢的塑性变化；无机材料高温下原子热运动加剧，可以使位错从障碍中解放出来，发生运动，引起蠕变。位错释放完成蠕变以后，蠕变速率降低解释减速蠕变阶段；延长时间，受阻碍较大的位错继续释放解释加速蠕变阶段。蠕变曲线 （1） 起始段。在外力作用下发生瞬间弹性形变，即应力和应变同步（2） 第一阶段蠕变过度阶段：特点是应变随时间递减，持续时间较短（3） 第二阶段蠕变稳定蠕变：此阶段形变速率小，且恒定。（4） 第三阶段蠕变加速蠕

11、变：特点是曲线较陡，说明蠕变速率随时间增加而快速增加。影响蠕变因素：1.温度：温度升高，蠕变增大；2.应力：蠕变随应力增大而增大；3.晶体组成：结合力越大，越不容易发生蠕变；4.显微结构：气孔率增加，蠕变率增加；晶粒越小，蠕变率增大；温度升高，玻璃的黏度较低，形变塑速率增大，蠕变率增大（玻璃相）；不同组成蠕变性不同；共价键成分增加，蠕变减小。材料的断裂强度脆性断裂行为：外力正应力的弹性形变，剪应力下的弹性畸变，外力撤销形变消失，剪应力足够大或温度足够高位错滑移塑性形变。但无机材料的玻璃相等非晶体相产生粘性流动=粘性形变。应力集中裂纹和缺陷扩散脆性断裂临界状态：裂纹尖端的横向拉应力=结合强度，导

12、致裂纹扩展突发性断裂长期受力：横向拉应力<结合强度，裂纹缓慢生长缓慢开裂断裂韧性：K=Y 是材料的本征参数，它反应了具有裂纹的材料对外界作用的抵抗能力，即阻止裂纹扩展的能力，是材料的固有性能。裂纹起源：（1）由于晶体微观结构中存在缺陷，当受到外力作用时，在这些缺陷处就引起应力集中，导致裂纹成核（2）材料表面的机械损伤与化学腐蚀形成表面裂纹（3）由于热应力而形成裂纹材料的断裂强度不是取决于裂纹的数量，而是取决于裂纹的大小，即是由最危险的裂纹尺寸（临界裂纹尺寸）决定材料的断裂强度，一旦裂纹超过临界尺寸，断裂就会迅速扩展而断裂。蠕变断裂：多晶材料在高温时，在恒定应力作用下由于形变不断增加而导致

13、的断裂蠕变断裂明显地取决于温度和外加应力。温度越低，应力越小，则蠕变断裂所需的时间越长。蠕变断裂过程中裂纹的扩展属于亚临界扩展显微结构对材料脆性断裂的影响：（1） 晶粒尺寸：对多晶材料，晶粒越小，强度越高；多晶材料中初始裂纹尺寸与晶粒尺寸相当，晶粒越细，初始裂纹尺寸越小，临界应力越高，即屈服应力越高（2）气孔的影响：大多数陶瓷材料的强度和弹性模量都随气孔率的增加而降低。金属材料的强化：加工硬化；细晶强化（通过晶粒粒度的细化来提高金属的强度）；合金强化（通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属强度、硬度升高）；高温强化陶瓷材料的强化：微晶、高密度与高纯度；预加应力；化学强化；陶瓷材料的增韧 材料的

14、热学性能材料的热血性能包括：热容、热膨胀、热传导、热稳定性、熔化和升华等各质点热运动的动能总和，即为该物体的热量，即=热量材料的热容：热容是分子热运动随温度而变化的一个物理量；热容是物质温度上升1K所需要增加的能量；单位质量的热容叫做比热容；1mol材料的热容叫摩尔热容。金属热容：第I区，温度范围05KT第II区，温度区间很大， 第III区，温度在德拜温度D附近,比热容趋于一常数第IV区，当温度高于德拜温度D 时，热容曲线趋平缓上升趋势。材料的热膨胀：物体的体积或长度随温度的升高二增大的现象称为热膨胀。线膨胀系数= 体膨胀系数=3各向异性晶体：=+ 中级晶族各向异性晶体：=+ 多晶转变体积不均

15、与变化不均匀变化固体材料的热膨胀机理：（1）固体材料的热膨胀本质，归结为点阵结构中质点间平衡距离随温度升高而增大。（2）晶体中各种热缺陷的形成造成局部点阵的畸变和膨胀。金属硬度增大，膨胀系数减小；对于相同组成的物质，结构紧密晶体，膨胀系数较大；熔点大，膨胀系数小。陶瓷制品表面釉层的热膨胀系数不同方向膨胀系数差太大时，会因内应力而使胚体产生裂纹，再加热时，该裂纹趋向于消失，微裂纹多见于晶界。晶体长大应力发展裂纹当选择釉的膨胀系数适当地小于胚体的膨胀系数，制品的力学强度得以提高原因： 釉层的膨胀系数比胚体的膨胀系数小，烧成后的制品在冷却过程中表面釉层的收缩比胚体小，使釉层中存在压应力，均匀分布的压

16、应力明显地提高脆性材料的力学强度，同时，这一压应力也抑制裂纹的发生，并阻碍其发展，因而使强度提高。影响金属热导率的因素：（1）温度的影响：低温时热导率随温度的升高而不断增大，并达到最大值；随后，热导率在一小段温度范围内基本保持不变；升高到某一温度后，热导率随温度急剧降低；温度降低到某一值后，热导率随温度的升高而缓慢下降，并在熔点处达最低值（2）晶粒大小的影响：一般情况是晶粒粗大，热导率高；晶粒越小，热导率越低（3）立方晶系的热导率与晶相无关；非立方晶系的热导率表现出各向异性（4）杂质将强烈影响热导率影响无机非金属材料热导率的因素：（1）温度的影响：耐火氧化物多晶材料，在使用的温度范围内，随温度

17、升高，热导率下降；不密实的耐火材料，随温度升高，略有增大（因气孔导热占一定分量）（2）化学组成的影响：固溶体的形成降低热导率，而且取代的质量和大小与基质元素相差越大，取代后的结合力改变越大，对热导率的影响越大。（3）显微结构的影响：a结晶构造越复杂，热导率越低；b非等轴晶系的热导率成各向异性；c同一种物质，多晶体的热导率总是比单晶的小；d在不考虑光子热导的贡献的任何温度下，非晶体的热导率都小于晶体的热导率；高温时，非晶体的热导率与晶体的热导率比较接近；晶体和非晶体的T曲线的重大区别在于非晶体的T曲线无的峰值点m；e.当温度不很高，气孔率不大，气孔尺寸很小又均匀地分散在陶瓷介质中时，这样的气孔的

18、热导率很小，可近似看做零。热稳定性热稳定性是指材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力，又称为抗热震性。材料因热膨胀或收缩而引起的内应力称热应力热应力产生的原因：（1）构件因热胀或冷缩受到限制时产生应力（2）材料中因存在温度梯度而产生热应力（3）多相复合材料因各相膨胀系数不同而产生热应力热导率大，热稳定性好；材料表面散热速率大对热稳定性不利。提高抗热震性的措施：（1）提高材料强度、减小弹性模量，使/E提高。（2）提高下材料的热导率；（3）减小材料的热膨胀系数：（4）减小表面热传递系数；（5）减小产品厚度 材料的光学性能折射率的影响因素：（1）构成材料元素的离子半径（2）材料的结构、晶型：均匀介质

19、只有一种折射率；非均介质有两个折射率，发生双折射现象；沿着堆积密度大的方向折射率大（3）材料存在内应力：拉应力方向n值小，垂直于拉应力方向大，压应力方向大。（4）同质异构体：在同质异构体中，高温时的晶型折射率较低，低温时的晶型折射率较高。晶体的双折射：光通过非均质晶体时，通常分解成两束传播方向不同的偏振光，这种现象称双折射现象。双折射条件：材料本身透明；材料必须是晶体且非高级晶族晶体双折率：分解成的两束光的折射率之差偏振光：光的电场矢量在不同方向的振动强度不同的光减小反射损失措施：（1）透过介质表面镀增透膜；（2）将多次透过的玻璃用折射率与之相近的胶将他们黏起来，以减少空气界面造成的损失光的色

20、散：材料的折射率随入射光波长而变化的现象，通常情况下，随波长增加，折射率减小。透镜磨成凹凸组合镜头，可以消除色散第3章 材料的光学性能重要性：透镜、棱镜、滤光镜、激光器、光导维纤等的材料利用的主要功能是光学性能。另外，陶瓷，餐具对颜色、光泽及半透明性等都有特殊要求。对于光学玻璃，其折射率和色散是基本的光学参数。偏光显微镜在地质、陶瓷等工业上广泛应用 3.1光通过介质的现象 设入射到材料表面的光辐射能流率为 ，光线一部分透过介质，一部分被吸收，一部分在界面上被反射回原介质，一部分被散射。设透过、吸收、反射和散射的光辐射能流率分别为 ，定义 为透射系数， 为吸收系数， 为散射系数。则 3.1.1

21、折射1） 材料的折射率：光在真空中和在材料中的速度之比2） 材料2对于材料1的折射率3） 影响材料折射率的因素 构成材料的元素的离子半径 大离子得到高折射率的材料。其中为磁导率。在无机材料类的电介质中，=1离子半径越大，介电常数越大。材料的结构、晶形和非晶态均质体只有单一折射率。非均质体有两个折射率，发生双折射现象，沿着晶体堆积密度大的方向折射率大材料所受的内应力拉应力方向n小，垂直于拉应力方向大，压应力方向大。同质异构体中，高温型折射率低，低温型折射率高偏振光：光的电场矢量在不同方向的振动强度不同的光称为偏振光。双折射 ：光通过非均质晶体时，通常会分解成两束传播方向不同的偏振光，这种现象称为

22、双折射现象。原因是在该晶体内不同振动方向的光波的折射率不同。反射 入射能量=反射能量+折射能量根据波动理论：当光线以很小的入射角达到介质界面时，反射系数（即反射能量与入射能量之比）例子：透镜之间以折射率相似的胶粘起来减小反射损失PA6里加入二氧化钛（钛白粉）以增强反射提高光泽材料的透射及其影响因素:(1) 材料的光透过性质1)金属材料的光透过性射入金属中的光线被吸收，金属不透明。与被吸收的光同样波长的光波又可从表面反射出来，形成金属特有的光泽。所以，金属的颜色是反射光线的颜色2)非金属材料的光透过性介质吸收光波的规律 透过的光的强度与入射强度的关系有： x为光透过的厚度 非金属材料的禁带宽度大

23、于3.1eV时，超过了可见光光子的能量，不可能吸收可见光，表现为透明。在红外区的吸收是因为离子的弹性振动与光子辐射发生谐振而被吸收。因为振动能相对较小，与红外光能量相当。透明材料对自然光的选择性吸收显示出透明体的颜色（透过色），对自然光均匀吸收时则显示出黑白或灰色3.4 光的散射1)散射 折射率处处相等的均匀介质不产生散射介质不均匀，如含有小粒子，光性能不同的晶界相，气孔或其它杂质相不均匀和生成的次级波与主波方向不一致，并合成产生干涉现象，使光偏离原来的折射方向，从而引起散射。散射使光在前进方向上的强度减弱。 S为散射系数。所以，透过光的强度:2) 弹性散射：散射光波与入射光波长相同，包括廷德

24、尔散射、米氏散射和瑞利散射。瑞利散射：随散射粒子的粒径d与光的波长的关系不同，有：d<, Sd d=, S最大d>, S1/d3)非弹性散射：散射光波长与入射光不同。有喇曼散射和布里渊散射。材料的透光性影响因素: 吸收系数; 反射系数; 散射系数 由下面几方面决定：A,材料宏观和微观缺陷，它们会增加界面B,晶体结构C,晶粒排列方向; 气孔引起散射损失双折射与透明陶瓷双折射导致光线在多晶材料内部不断散射，透明性下降，高双折射率致制备透明陶瓷困难。刚玉双折射率低，刚玉瓷可制成多晶透明陶瓷，金红石双折射率高，无法制备成多晶透明陶瓷镜面反射: 发生于高度平整界面，反射方向一致。漫反射:发生

25、于不平整界面，反射方向不一致。3.5 不透明性与半透明性3. 5.1概念不透明：乳浊，指吸收系数低，透明物质的强散射造成不透明;根据乳浊度的不同，另有半透明、透明3. 5.2原理散射改变光线的方向，漫反射漫透射：材料中必须存在散射颗粒散射原因：多晶体,分散得很细的两相体系，两相的相对折射率越高，散射越强烈。3. 5.3显色原因着色剂对光的选择性吸收而引起选择性反射或选择性透射。用着色颜料的有: 分子（离子）着色剂 胶态着色剂 3.5.4着色3.5.4.1分子（离子）着色剂起着色作用的主要是离子1）简单离子 外层电子为惰性气体型或铜型时，本身比较稳定，可见光的能量达到电子跃迁的激发能量，不吸收可

26、见光，显示为无色。过渡元素有未成对的d电子，镧系元素有未成对的f电子，较少的能量即能激发其跃迁，故而吸收可见光显示各种颜色如Co2+吸收橙黄和部分绿光，显示带紫的蓝色Cu2+显示蓝绿色，Cr2+显黄色， Cr3+显紫色3.6.1 电光效应及电光晶体（1）电光效应材料折射率n与外加电场E0有如下关系：式中n0为无外电场时的折射率。这种外加电场 引起材料折射率变化 的现象称为电光效应。有电光效应的晶体称为电光晶体。（2）一次电光效应折射率与电场有线性关系的电光效应为一次电光效应。只有没有对称中心的晶体才能发生一次电光效应。（3）二次电光效应折射率与电场强度的平方有线性关系的电光效应为二次电光效应。

27、有对称中心的晶体和结构任意混乱的介质可能发生二次电光效应。3.7光导纤维 光线从光密媒质折射入光疏媒质时，折射角大于入射角，当折射角大于90°时，光线全部反射回光密媒质而不进入光疏媒质，这种现象称为全反射。如果保持入射角足够大，光波可在光密媒质的纤维中传播，这是远距离光传输的理论基础。3.8 激光 在外来光子的激发下，诱发电子能态改变，从而发射出与外来光子的频率相位、传输方向以及偏振态均相同的相干光波。原理：氙气灯照Cr3+红宝石， Cr3+激发从基态跃迁之后，直接从激发态回到基态，发出光子，不形成激光从激发态到亚稳态，停留3ns后返回基态并放出光子，带动亚稳态下积聚的许多电子雪崩似

28、的返回基态，从而发射出越来越多的光子，来回反射，不断加强。发射出波长为高强度相干光波。第4章 材料的电导性能4.1 引言电流是电荷的定向运动，所以有电流必须有电荷的输运过程。电荷的载体称为载流子，载流子可以是电子、空穴，也可以是正离子，负离子。tx表示某一种载流子输运电荷占全部电导率的分数。把离子迁移数ti>0.99的导体称为离子导体，把ti<0.99的导体称为混合导体。电流密度J正比于电场强度E，其比例关系 系数即为电导率。按电导率从大小到的顺序依次有：导体、半导体和绝缘体。导体的电导率多大于1 S/m，半导体的电导率：10-6102 S/m，绝缘体的电导率多小于10-6S/m4

29、.2电子类载流子导电电子电导的载流子是电子和空穴，主要发生在导体和半导体中。4.2.1 金属导电机制1）电子电导的特征霍尔效应沿方向试样中通入电流(电流密度JX),Z轴方向加一磁场HZ,那么，在Y轴方向将产生电场Ey（其中RH称为霍尔系数）。载流子的迁移率, 即载流子在单位电场中的迁移速度。电子电导率 霍尔效应的产生是因为电子在磁场作用下产生横向移动的结果。离子的质量比电子大得多，磁场作用力不使它产生横向位移，而纯离子电导不出现霍尔现象。2） 金属电子电导的电阻产生机制当电子波通过一个理想晶体点阵时（OK）,它将不受散射；只有在晶体点阵的完整性遭到破坏的地方，电子波才受到散射（不相干散射），这

30、就是金属产生电阻的根本原因。由于温度引起的离子运动（热运动）振幅的变化，以及晶体中异类原子、位错、点缺陷等都会使理想晶体点阵的周期性遭到破坏。这样，电子波在这些地方发生散射而产生电阻，降低导电性。3）金属电导的马西森定律 是与温度有关的电阻率， 是与杂质浓度、点缺陷及位错有关的电阻率。在高温时，金属的电阻主要由 起主导作用，在低温时， 起主要作用。4.2.2 金属电阻率与温度的关系金属的温度愈高，电阻也愈大。若 以 和 代表金属在0和T时的电阻率，则：此公式在温度高于室温下，对大多数金属是适用的。4.2.3冷加工和缺陷对电阻率的影响）冷加工引起金属电阻率增加，同晶格畸变（空位，位错）有关。在时

31、，未经冷加工变形的纯金属的电阻率趋于零，而冷加工的金属在时仍保持有电阻率，称为剩余电阻率。）缺陷空位、间隙原子以及它们的组合、位错等晶体缺陷使金属电阻率增加。其对剩余电阻率的影响与金属中杂质离子的影响是同一数量级。4.2.4固溶体的电阻率）当形成固溶体时，合金导电性能降低。原因：固溶体使晶格发生扭曲，破坏了晶格势场的周期性。）合金有序化时，电阻率降低。4.离子类载流子导电4.3.1离子电导的特征电解效应离子的迁移伴随着明显的质量变化，离子在电极附近发生电子得失，产生新的物质，这就是电解现象。电解现象遵循法拉第定律：即电解物质的量与通过的电量成正比。4.3.2 本征导电和杂质导电1）本征导电：晶

32、体点阵中的基本离子因热振动而离开晶格，形成热缺陷，这种热缺陷无论是离子或空位都可以在电场作用下定向移动而导电。2）杂质导电：参加导电的载流子主要是杂质。3）在较低温下杂质导电显著，在较高温下本征导电表现明显。弗伦克尔（Frenker)缺陷：正常格点的原子由于运动进入晶格间隙而在晶体内正常格点留下空位。空位与间隙成对产生。肖特基缺陷（Schottky)缺陷：正常格点的原子由于热运动跃迁到晶体表面，在晶体内正常格点留下空位。正空位与负空位成对产生。4.3.3离子导电的影响因素1）温度的影响高温区本征导电，低温区杂质导电。不论哪一种情况，随温度的增加，电导率增加 。这是离子导电不同于电子导电的方面。

33、2）离子性质、晶体结构熔点高结合能大的晶体其导电激活能也高，电导率就低。对碱金属化合物，负离子半径增大，正离子激活能降低。NaF:216KJ/mol, NaCl:169 KJ/mol, NaI:118 KJ/mol低价正离子荷电少，活化能低，高价正离子价键强，激活能高 。3) 点缺陷点缺陷增加导电性。产生离子型点缺陷时，也会有相应的电子型缺陷出现，从而显著影响电导率。4.3.4固体电解质1）固体电解质：具有离子导电的固体物质称为固体电解质。只有离子晶体才能成为固体电解质。2）有些固体电解质的电导率比正常离子化合物的电导率高出几个数量级（与半导体相当），故通称为快离子导体，最佳离子导体或超离子导

34、体。3)离子晶体具有离子电导的条件是离子晶格缺陷多。热激励形成晶格缺陷。不等价固溶掺杂形成晶格缺陷。正负离子计量比随气氛变化发生偏离，引发缺陷。立方氧化锆3)快离子导体举例：定义：在氧化锆立方结构中掺入低价离子代替部分锆可以使该结构在室温下稳定，如钙稳定氧化锆（CSZ）用途:用于测量气体中或熔融金属中氧的含量。原理：是利用其表面氧分压与电极电位相关。4.4半导体电导按电导率从大到小的顺序依次有：导体、半导体和绝缘体。由图2-1可知：导体的电导率多大于1 S/m，半导体的电导率：10-6102 S/m，绝缘体的电导率多小于10-6S/m. 分为本征半导体和杂质半导体两类。晶体能带理论1）相邻原子

35、间同一能级电子云开始重叠时，该能级发生分裂，分裂的能级数与原子数相等。2）原子基态价电子能级分裂而成的能带称为价带，相应于价带以上的能带（即第一激发态）称为导带,电子不能出现的能带称为禁带。3）只有导带中的电子和价带顶部的空穴才能导电金属中导带与价带之间没有禁区（禁带宽度Eg0),电子进入导带不需要能量。绝缘体中导带与价带之间的禁区宽度（禁带)很大，电子难于从价带进入导带，故不导电。半导体禁带大小居中，适当的能量即可发电子进入导带而导电。4.4.1本征半导体激1)半导体制备工艺之一，就是要制备尽可能纯的材料（纯度高达10-10），然后可控制地引入杂质。纯的未掺杂的半导体仅仅由它固有的性质决定，

36、所以称为本征半导体。把由外部作用而改变半导体固有性质的半导体称为非本征半导体或杂质半导体。主要的半导体器件为非本征半导体。2）载流子浓度对于本征半导体，电子类载流子就是从价带激发到导带中的电子，相应地产生同样数目的空穴：Ne=Nh导带中的电子数结论:导带中的电子数是温度和电子有效质量的函数. Eg为导带底部的能量级，EF为费密能,费密能代表0K时金属基态系统电子所占有的能级最高的能量，费密能级可以粗略地认为位于半导体的价带和导带的一半（即禁带的中央）。4.4.杂质半导体）n型半导体人为地将第V族的元素，如Sb、As、P等作为杂质掺入半导体中，掺入杂质浓度<10，与硅成键后，多出的一个电子

37、与核不是紧密结合，使多余的杂质离子的电子进入导带，成为导电的电子所需要的能量远少于半导体禁带的能量，常温下多为10-2eV数量级以下。 杂质原子捐赠电子:Ed为施主能级，粗糙计算方法：2） P型半导体（1）掺入第族的元素如In、Al、B等，与硅相比，少一个电子，有空穴存在。（2）被杂质原子接受的电子的能量高于价带顶部的能量。（3）受主能级Ea是电子从价带跳到杂质原子能级所需能量，其杂质原子称为受主。4.4.3载流子迁移率若电子密度为n，则：若同时有电子和空穴导电，则e与h分别为电子与空穴的迁移率。5.4.4半导体电导率与温度的关系半导体的电导率对温度变化敏感。与温度T的关系：低温时，杂质电导对

38、电导率有明显影响；虽然随温度增加，离子迁移率降低，但载流子数量n随温度增高大大提高 。所以，高温时，电导率升高主要由升温所致，总之，温度增加，电导率提高。4.5超导体4.5.1概定义及历史1）1911年发现超导现象定义：在一定的低温条件下，材料突然失去电阻的现象超导态：无电阻；正常态:有电阻。4.5.2超导态特征和指标1）特征：超导电流将持续流动超导体具有抗磁性，在磁场中的超导体的磁感应强度为零。通量量子化2） 指标： 超导转变温度Tc 临界磁场强度Bc 临界电流密度Jc4.6玻璃态电导4.6.1碱金属玻璃玻璃体的结构比晶体疏松，碱金属离子能够穿过间隙克服位垒而导电：离子电导。碱金属在玻璃中为

39、弱联系离子，因而导电性大增加碱金属浓度不大时，电导率与其浓度呈直线关系增长：因为增加的只是载流子。增加到一定浓度时，电导率与其浓度呈指数关系增长：因为结构被破坏，活化能降低，导电率指数式上升。4.6.2双碱效应和压碱效应1）双碱效应：在碱金属离子总浓度相同的情况下，含两种碱金属离子的电导比一种要小。原因：两种原子及其空位互相干扰，堵塞通道，迁移率相比之下降低。2）压碱效应：含碱玻璃中加入二价金属离子氧化物，特别是重金属，使玻璃璃电导率降低原因：二价金属与阴离子团结合牢固，堵塞通道，迁移困难，从而迁移率减小。4.7无机材料的电导4.7.1多晶多相固体材料的电导1）陶瓷材料通常为多晶多相材料。其导

40、电机理包括电子电导和离子电导。2）微晶相、玻璃相的电导率较高，间隙或缺陷固溶体电导率增加。3）晶界气孔对多晶材料电导的影响离子和电子的自由程都很短，电子：10-15纳米。晶界的散射效应远小于晶格，所以，晶粒大小对电导率影响小。小量气孔时，气孔增加，导电降低；大量气孔形成连续相时将吸附杂质、水和离子，提高电导，电导受气相控制。材料的电导很大程度上决定于电子电导原因：半束缚电子的离解能很小，易被激发，浓度随温度升高增加快。电子或空穴的迁移率比离子迁移率大许多个数量级。所以，绝缘陶瓷要严格控制烧成气氛，防止金属阳离子还原，减小电子电导。4.7.2无机材料电导的混合法则1）陶瓷材料：晶粒，晶界，气孔、

41、玻璃相等是电导因素，主要考虑晶粒和晶界： 分别为晶粒和晶界的电导； 分别为晶粒和晶界的体积分数n=-1，串联；n=1,并联. 时，晶粒均匀分散在晶界中, 这时有陶瓷电导的对数混合法则： 显然，对于大数陶瓷，对数混合法则更适用。4.7.3半导体陶瓷的物理效应1）晶界效应：压敏效应：临界电压VC以下电阻高;当电压大于VC时，电阻迅速降低。正温度（PTC）效应：价控型半导体在由正方相向立方相转变点（居里点）附件电阻率骤然升高3-4个数量级。2）表面效应：气敏电阻，吸附气体使电导率增加或减小3）温差电动效应: 热电效应4）光生伏特效应：光致电压，P正n负。4.5热电性(thermoelectricit

42、y)4.4.1热电效应1）塞贝克效应 两种不同材料A和B组成回路，当两接触处温度不同时，则在回路中存在电动势，该效应称为塞贝克效应。当温差较小时，电动势与温度差有线性关系EAB=SABT SAB塞贝克系数2） 珀耳贴（Peltier）效应将两种不同金属组成的回路中通过电流时，将使两种金属的其中一接头处放热，另一接头处吸热 qAB=ABI AB 相对帕尔贴系数。3) 汤姆逊（W.Thomson）效应在一根具有温度梯度的均匀导体中通过电流时，会产生吸热生放热现象。这称为汤姆逊（W.Thomson）热效应塞贝克效应是珀耳贴（Peltier）效应的逆效应。4.4.2绝对热电势系数电子在热电效应中的作用

43、：电子在热传递运动过程中引起反方向的电动势。热电动势系数随温度的变化可以是极好的线性关系。基本应用：热电偶，温差发电和电致冷。半导体制冷的技术优势与应用范围与现行的压缩式制冷或吸收式制冷方式相比，半导体制冷是靠电子（空穴）在运动中直接传递热量来实现的，因而有如下优点：不需要制冷剂，无污染、清洁卫生；无机械传动部件，结构简单、无噪声、无磨损、可靠性高；通过改变工作电流的大小来调节制冷速度和制冷温度，控制灵活；热电堆可以任意排布、大小形状皆可根据需要改变。第5章 材料的磁学性能磁性研究的意义：1）与物质的微观结构密切相关，原子及原子结构，原子间的相互作用-键合情况和晶体结构，研究磁性是研究物质内部

44、结构的重要方法2）磁性材料有广泛的应用，特别是在电子技术，电子工业领域。5.1磁学基本量及磁性分类5.1.1磁学基本量磁偶极矩偶极矩在磁感应强度B中所受力矩磁偶极矩与外加磁场的作用能称为静磁能U其中为磁导率。磁化强度材料的磁化强度可以认为是材料在磁场中显示出净磁矩的结果。 相对磁导率r与真空磁导率0及绝对磁导率有关:5.1.2物质的磁性分类根据物质磁化率的特点，将物质的磁性分为五类1）抗磁性 磁化率为很小的负数（10-6级）2）顺磁性 （10-3，10-6）3）铁磁性 在较弱的磁场作用下，就能产生很大的磁化强度，且与外磁场关系非线性4）亚铁磁性 和铁磁性相似，但磁化率较小5)反铁磁性 磁化率是

45、很小的正数5.2原子本征磁矩、抗磁性和顺磁性5.2.1 原子本征磁矩包括电子轨道磁矩，电子自旋磁矩和原子核磁矩如果原子中所有壳层电子全部填满，由于电子轨道和自旋磁矩各自相互抵消，此时原子本征磁矩为零。5.2.2 抗磁性电子的轨道运动即产生抗磁性，但只有原子的电子壳层完全充满了电子的物质，抗磁性才能表现出来。所以凡电子壳层电子填满的物质均属抗磁性物质。如惰性气体，离子型晶体，共价键的碳硅锗硫磷等单质，大部分有机物。5.2.3 顺磁性产生顺磁性的条件是原子的固有磁矩不为零。条件：具奇数个电子的原子或点阵缺陷。内壳层未被填满的原子或离子，过渡元素和稀土金属。单位体积内金属的顺磁化率C为常数。大多数物

46、质属于顺磁性物质。5.3铁磁性和亚铁磁性材料的特征5.3.1自发磁化理论自发磁化现象：外斯假说认为：铁磁性物质内部存在很强的“分子场”，在分子场的作用下，原子磁矩趋向于同向平行排列，即自发磁化至饱和，铁磁体自发磁化分成若干个小区域，各个小区域的磁化方向各不相同，其磁性彼此抵消，所以大块磁铁不显示磁性。温度升高，原子间间距增大，降低交换作用。温度升高，热运动破坏磁矩的规则取向。故自发磁化强度下降。温度高至居里点TC，原子磁矩的规则取向完全取破坏，自发磁化不再存在。材料由铁磁性变为顺磁性。铁磁性产生的原因铁磁性体自发磁化的根源是原子磁矩。而且起主要作用的是电子自旋磁矩。原子在电子壳层中存在没有被电

47、子填满的状态是产生铁磁性的必要条件。原子核间的距离Rab与参加交换的电子距核的距离（电子壳层半径）r之比大于3时，成键电子交换积分为正。温度升高，热运动破坏磁矩取向5.3.2 反铁磁性和亚铁磁性原子磁矩大小不同的两种离子（或原子）组成，相同磁性的离子磁矩平等排列，而不同磁性的离子磁矩是反向平行排列。由于两种离子的磁矩不相等，反向平行的磁矩就不会恰好抵消，二者之差表现为宏观磁矩，这就是亚铁磁性，若二者大小相等，就表现为反铁磁性。5.3.3 磁畴外斯假设认为自发磁化是以小区域磁畴存在的。各磁畴方向不同杂乱排列时，总体不显磁性。大而长的磁畴：主畴，沿晶体易磁化方向。副畴不沿磁化方向。相邻磁畴的界限称

48、为磁畴壁，主要分180°壁和90°壁。磁畴壁是一过渡区，有一定厚度。磁畴的形状，尺寸、畴壁的类型和厚度总称为磁畴结构同一磁性材料，磁畴壁不同，磁畴结构不同，磁化行为也不同，所以磁畴结构差异是磁性差异的原因。技术磁化理论技术磁化过程，是外加磁场对磁畴的作用过程，即外加磁场将磁畴的磁矩的方向转到外磁场方向的过程。两种方式的技术磁化：磁畴壁的迁移磁畴的旋转磁化曲线和磁磁滞回线是技术磁化的结果5.3.4磁化曲线和磁滞回线M-H或B-H曲线非线性是铁磁性物质的特征。磁化至饱和后，磁化强度不再随外磁场的增加而增加。起始磁导率最大磁导率m。 退磁：随H减小，M(B)减小.退磁过程中M的变

49、化落后于H的变化。该现象称为磁滞现象。5.4 磁性材料的损耗磁芯在不可逆交流磁化过程中所消耗的能量，统称为铁芯损耗（铁损），它由磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗三部分组成。涡流损耗：交变磁场 感应电动势导致涡电流，涡电流的大小和电阻率成反比，磁畴壁处还产生内部涡电流导致感生电动势抵消外磁场，从而引起趋肤效应。磁滞回线所包围的面积表征磁化一周时所消耗的功，称为磁滞损耗Q 5.5 铁氧体磁性材料铁氧体是含铁酸盐的陶瓷磁性材料。通称为铁磁性物质；铁氧体一般都是多种金属的氧化物复合而成，所以含有不同的磁矩，其磁性是两磁短之和的体现，故严格来说是亚铁磁性物质；铁氧体结构:尖晶石型、石榴石型、磁铅石型、钙钛矿

50、型、钛铁矿型和钨青铜型等6种。铁氧体的晶体结构铁氧体是含铁酸盐的陶瓷磁性材料，即以氧化铁为主要成分的强磁性氧化物，通称为铁磁性物质；铁氧体一般都是多种金属的氧化物复合而成，所以含有不同的磁矩，其磁性是两磁矩之和的体现，故严格来说是亚铁磁性物质；铁氧体结构:尖晶石型、石榴石型、磁铅石型、钙钛矿型、钛铁矿型和钨青铜型等6种。尖晶石型铁氧体尖晶石型铁氧体的化学通式：M2+N23+O4,其晶体结构中氧原子呈紧密堆积，阳离子分别填充在氧原子形成的部分四面体或八面体空隙中。正尖晶石型结构：二价阳离子M填充1/8的四面体空隙中，三价阳离子N填充在1/2的八面体空隙中。反尖晶石型结构：三价阳离子N一半填充在1

51、/8的四面体空隙中， 另一半与二价阳离子一起填充1/2的八面体空隙中。 Mg1-xMnxFe2O4中间型尖晶石：二价和三价阳离子同时既占据四面体空隙，也占据八面体空隙。一般说来，反尖晶石型铁氧体具有亚铁磁性，正尖晶石型铁氧铁为反铁磁性磁铅石型铁氧体晶体结构与天然磁铅石 类似，属六方晶系，分子式可写成MeFe12O19，晶体结构中的二价离子与氧离子 一起形成紧密堆积，其它离子填充其空隙，故其对称性低于尖晶石。磁铅石型铁氧体具有较大的矫顽力，是磁性较强的硬磁材料。典型实例： 钡铁氧体 BaFe12O19石榴石型铁氧体晶体结构与天然石榴石 X3Y2SiO43类似的铁氧体，属于立方晶系，其中阳离子可占

52、据四面体、八面体和十二面体等大的空隙中，后者常为离子半径大的稀土元素所占据。石榴石型铁氧体具有优异的磁性和介电性能，体积电阻高，损耗小，同时还具有一定的透光性，在微波、磁泡和磁光等领域是重要的磁性材料。实例： M3Fe5O125.5.1软磁材料1）软磁材料的特点是高的磁导率，高电阻，低的矫顽力和低铁芯损耗。2）畴壁含有沉淀相和杂质等不均匀相，它们对畴壁运动起钉扎作用。结果提高矫顽力，降低磁导率，提高了铁芯损耗。3）用于需要反复磁化的场合及高频。3）减小各向异性改善初始磁导率降低铁芯损耗4）高频应用，涡流损失成为主要因素，铁氧体电阻率高（是金属的106倍）宜于高频应用。5）亚铁磁性的铁氧体，如含

53、锌的尖晶石用于高频软磁材料主要应用：电感线圈，小型变压器，脉冲变压器，中频变压器等的磁芯，录音磁头，磁放大器等。5.5.2 硬磁材料1）硬磁材料又称永磁材料，指磁化后保持较强剩磁的材料，要求剩磁和矫顽力大。2）用最大磁积能（BH）max来反映硬磁材料储有磁能的能力3）用途：在磁路系统中作永磁以产生恒定磁场 如扬声器，助听器录音磁头。电视聚焦器，磁电式仪表。4）重要的铁氧体硬磁材料钡恒磁：BaFe12O19它比金属者电阻大。5）磁畴转向和畴壁移动是磁化过程机理，晶粒小至单畴，则阻止畴壁移动而只有磁畴转动，提高 矫顽力；磁致晶粒取向使与外磁场 一致。可提高剩磁，提高最大磁积能。如铷铁硼类金属间化合物材料1）硬磁材料又称永磁材料，指磁化后保持较强剩磁的材料，要求剩磁和矫顽力大。2）用最大磁积能（BH）max来反映硬磁材料储有磁能的能力3）用途：在磁路系统中作永磁以产生恒定磁场 如扬声器，助听器录音磁头。电视聚焦器，磁电式仪表。4）重要的铁氧体硬磁材料钡恒磁：BaFe12O19它比金属者电阻大。5）磁畴转向和畴壁移动是磁化过程机理，晶粒小至单畴，则阻止畴壁移动而只有磁畴转动，提高 矫顽力；磁致晶粒取向使与外磁场 一致。可提高剩磁，提高最大磁积能。如铷铁硼类金属间化合物材料5.5.3矩磁材料1）磁滞回线近似于矩形的材料2）用B-