材料物理性能

1、本课程主要内容（本课程主要内容（Contents）v材料的电学性能材料的电学性能v材料的磁学性能材料的磁学性能v材料的光学性能材料的光学性能v材料的弹性与内耗材料的弹性与内耗v材料的热学性能材料的热学性能3 n电学部分最为重要、磁学其次，而后光学、力电学部分最为重要、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，在课后及时程知识点很多，同学们需要预习，在课后及时复习。复习。n本课程成绩组成：期末试卷本课程成绩组成：期末试卷60%（闭卷）（闭卷）+平平时作业、考勤、问答（时作业、考勤、问答（20%）+随堂实验随

2、堂实验（20%）4 课程的知识要求课程的知识要求 n物理学物理学 n化学化学 n材料力学、固体物理导论、工艺学材料力学、固体物理导论、工艺学 n材料的研究方法及表征材料的研究方法及表征 n物理化学等课程物理化学等课程5 n本科生学习：一方面是知识学习，另外一方面是方本科生学习：一方面是知识学习，另外一方面是方法的学习法的学习(学会自学）学会自学） v参考书：参考书：1熊兆贤熊兆贤材料物理导论材料物理导论北京：科学出版北京：科学出版社社2002年年2田莳田莳材料物理性能材料物理性能北京：北京航空航北京：北京航空航天大学出版社天大学出版社2004年年3关振铎关振铎无机材料物理性能无机材料物理性能北

3、京：清华北京：清华大学大学2001年年 课程的讲授方法课程的讲授方法材料科学的核心四面体材料科学的核心四面体前言（前言（Introduction) )物理性能是材料科学研究重要组成部分，材料科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料性能方面的应用 无机材料的不同领域无机材料的不同领域 ：电子材料、：电子材料、磁性材料、生物材料、水泥、玻璃、陶瓷材料、磁性材料、生物材料、水泥、玻璃、陶瓷材料、耐火材料等耐火材料等 8 n材料的性能主

4、要是由其结构因素所决定的。材料的性能主要是由其结构因素所决定的。 n材料性能是一种用于表征材料在给定的外界条件下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。的行为的参量。 n研究方法有：经验方法、机理（反映本质的基本关研究方法有：经验方法、机理（反映本质的基本关系出发，建立物理模型等）系出发，建立物理模型等）n材料设计、计算材料学材料设计、计算材料学8 9 关系n现代材料科学在较大程度上依赖于现代材料科学在较大程度上依赖于与与其其及及之间的关系。之间的关系。 n成分与结构有从宏观到微观的各个不同层次，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。测试

5、技术和表征技术是联系它们的工具。10 研究目标研究目标设计设计基础数据基础数据评价检测评价检测合成合成性能验证性能验证设计设计 依据依据性能测试性能测试组织表征组织表征供测试样供测试样微组织微组织 调节控制调节控制11 结构 ：晶体的结构；晶体的缺陷；玻璃的：晶体的结构；晶体的缺陷；玻璃的结构；固体的表面结构结构；固体的表面结构 ：在显微镜下直至电子显微镜下：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、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、晶粒尺寸、形状；气孔大小和分布；杂质、缺陷、晶界等。晶界等。 12 性能 n材料

6、使用中表现有多少行为，就对应有多少性能。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）（结构材料和功能材料的划分） n外界条件不同，相同的材料也会有不同的性能。外界条件不同，相同的材料也会有不同的性能。n多数的性能都有量纲。为了便于学习、测试和研究，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常采用不同的标准来划分性能13 n化学性能：（化学性能：（1 1）抗氧化性能）抗氧化性能 （2 2）耐腐蚀性能）耐腐蚀性能 （3 3）抗渣、抗碱性能）抗渣、抗碱性能 n复杂性能（复杂性能（1 1）复合性能：高温抗折强度、高温蠕）复合性能：高温抗折强度、

7、高温蠕变强度等变强度等 （2 2）工艺性能：可塑性、流动性等）工艺性能：可塑性、流动性等 （3 3）使用性能：耐磨性等）使用性能：耐磨性等14 意义意义 导电性导电性LRS1 电阻电阻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，即不仅与材料的性能有关，还与材料尺寸有关，即v 不同材料具有不同的导电性，根据材料导电性的好坏，不同材料具有不同的导电性，根据材料导电性的好坏，即按即按值的大小把材料进行分类。值的大小把材料进行分类。v 的为导体材料，其中纯金属的的为导体材料，其中纯金属的值为值为10-810

8、-7，合金的，合金的值为值为10-710-5；v值为值为10-3109的为半导体材料；的为半导体材料； 的为绝缘体材料。的为绝缘体材料。510m910mv晶体的能带中，物质的导电性反映为：晶体的能带中，物质的导电性反映为：(价带：价带：valence band; 导带：导带：conduction band; 禁带：禁带：band gap）导体与非导体的区别导体与非导体的区别 一是；二是价带未被价电子填满，所以这种。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。半导体和绝缘体的区别半导体和绝缘体的区别 v半导体和绝缘体的能带图的区别仅

9、是禁带宽度的大小。（)v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v金属的导电机制与马基申定则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，当电子波在绝对零度下通过一个理想的晶体点阵时，它将它将，这时，这时0，而，而为无穷大，即此时的材料是一个理想的导体。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，电子波才会受到体点阵的周

10、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，这就散射，从而产生了阻碍作用，降低了导电性，这就是是所在。所在。v 散射系数散射系数和电阻率和电阻率成正比。对于金属而言，温度升高离子成正比。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，故可认为热振动的振幅愈大，电子就愈易受到散射，故可认为与温与温度成正比，则度成正比，则也就与温度成正比，这就是也就与温度成正比，这就是。v 实际的晶体不但有杂质，而且还存在缺陷。传导电子的散射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发生在电子声子、电子杂质原子

11、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（），可以看成为基本电阻。这个电阻），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（在绝对零度时降为零。第三种机制（）在有缺陷的晶体中，是绝对零度下金属的残余电阻。）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。这个电阻反映了金属的纯度和完整性。三种散射机制三种散射机制v声子散射声子散射v电子散射电子散射v电子在杂质和缺陷上的散射电子在杂质和缺陷上的散射马基申定律（马希森定则）马基申定律（马希森定则）Matthiessens

12、 rule v固溶体电阻率看成由金属基本电阻率固溶体电阻率看成由金属基本电阻率(T)和残余电和残余电阻率阻率残残组成。不同散射机制对电阻率的贡献可以加组成。不同散射机制对电阻率的贡献可以加法求和。这一导电规律称为法求和。这一导电规律称为，即，即（：偶然存在的杂质原子及人工加入的合金：偶然存在的杂质原子及人工加入的合金元素的原子；元素的原子；：指空位、间隙原子、位错：指空位、间隙原子、位错以及它们的复合体。）以及它们的复合体。） 马基申定律成立的前提：忽略了电子各种散射机制马基申定律成立的前提：忽略了电子各种散射机制间的交互作用间的交互作用 ( )iiT残v高温时金属的电阻率基本上取决于高温时金

13、属的电阻率基本上取决于(T)，而在低，而在低温时取决于温时取决于残残。v残残的大小就可以用来评定金属的电学纯度。常常的大小就可以用来评定金属的电学纯度。常常采用相对电阻率采用相对电阻率(300K)/(4.2K)的大小来评定金的大小来评定金属的电学纯度。（晶体越纯、越完善，相对电阻属的电学纯度。（晶体越纯、越完善，相对电阻率越大）率越大）影响金属导电性的因素影响金属导电性的因素 v温度温度v受力情况受力情况v冷加工冷加工v晶体缺陷晶体缺陷v热处理热处理v几何尺寸效应几何尺寸效应温度对金属电阻的影响温度对金属电阻的影响 加热时发生点阵热振动和振幅的变化，出现相变、回加热时发生点阵热振动和振幅的变化，出现相变、回复、空位退火、再结晶以及合金相成分和组织的变化，这复、空位退火、再结晶以及合金相成分和组织的变化，这些现象往往对电阻的变化显示出重要的影响。些现象往往对电阻的变化显示出重要的影响。 另一方面，测量电阻与温度的关系可以显示电子散射另一方面，测量电阻与温度的关系可以显示电子散射的不同机制，同样也显示超导现象和引起铁磁性反常的特的不同机制，同样也显示超导现象和引起铁磁性反常的特殊性能。殊性能。v绝对零度下，纯净又无缺陷的金属，其电阻率等于绝对零度下，纯净又无缺陷的金属，其电阻率等于零。零。v随温度的升高金属的电阻率也增加。随温度的升高金属的