材料物理性能知識(shí)點(diǎn)總結(jié)

1、 材料性能的影響因素材料化學(xué)組成和顯微結(jié)構(gòu)不同，決定其有不同的特性；材料的內(nèi)部分子層次上，原子、離子之間的相互作用和化學(xué)鍵合對材料性能產(chǎn)生決定性的影響；多晶多相材料的顯微結(jié)構(gòu)的不同，影響材料的大部分性能。晶體結(jié)合類型、特征：（1） 離子晶體：離子鍵合、高硬度、高升華熱，可溶于極性溶劑、低溫不導(dǎo)電，高溫離子導(dǎo)電。（2） 共價(jià)晶體：共價(jià)鍵合、高硬度、高熔點(diǎn)，幾乎不溶于所有溶劑，高折射率，強(qiáng)反射本領(lǐng)。（3） 金屬晶體：金屬鍵合、高密度、導(dǎo)電率高，延展性好，只溶于液體金屬。（4） 分子晶體：范德華力結(jié)合，高熱膨脹，易溶于非極性有機(jī)溶劑中，低熔點(diǎn)、沸點(diǎn)，壓縮系數(shù)大，保留分子的性質(zhì)。（5） 氫鍵：低熔點(diǎn)、

2、沸點(diǎn)，結(jié)合力高于無氫鍵的類似分子。單晶體是由一個(gè)微小的晶核各向均勻生長而成，其內(nèi)部的粒子基本上按其特有的規(guī)律整齊排列。晶體微粒（包括離子、原子團(tuán)）在空間排列有一定的規(guī)律晶體性質(zhì)：1.均與性；2.各向異性；3.規(guī)則的多面體外形；4.確定的熔點(diǎn)；5.對稱性晶體可分為單晶、多晶、微晶等微晶：粒度很小的晶體組成的物質(zhì)（顯晶質(zhì)、隱晶質(zhì)、單晶、多晶）晶體和非晶體的區(qū)別如下：晶體有規(guī)則的幾何外形 非晶體沒有一定的外形晶體有固定的熔點(diǎn) 非晶體沒有固定的熔點(diǎn)晶體顯各向異性 非晶體顯各向同性按熱力學(xué)觀點(diǎn)看：晶體一般都具有最低的能量，因而較穩(wěn)定 非晶體一般能量較高，都處于介穩(wěn)或亞穩(wěn)態(tài)晶格確定步驟：1.確定基本結(jié)構(gòu)單

3、元；2.將結(jié)構(gòu)基元看做一點(diǎn)；3.這些幾何點(diǎn)聚焦形成點(diǎn)陣（面角守恒：同組晶體和對應(yīng)面之間夾角恒定不變）材料應(yīng)用考慮因素：使用壽命、性能、可靠性、環(huán)境適應(yīng)性、性價(jià)比。材料性能是一種用于表征材料在給定外界條件下的行為參量。同一材料不同性能，只是相同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在不同的外界條件下所表現(xiàn)出的不同行為。材料性能的研究：材料性能的研究，既是材料開發(fā)的出發(fā)點(diǎn)，也是其重要?dú)w屬。 材料強(qiáng)度、表面光潔度、絕緣性能、熱導(dǎo)性、熱膨脹系數(shù)等是衡量基板材料好壞的重要指標(biāo)。材料性能的研究，有助于研究材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。材料性能就是內(nèi)部結(jié)構(gòu)的體現(xiàn)，對結(jié)構(gòu)敏感性能，更是如此。同樣，材料的性能，也反應(yīng)了材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。應(yīng)力及應(yīng)變材料在

4、外力作用下發(fā)生形狀和尺寸的變化，稱為形變。應(yīng)力：材料單位面積上所受的附加內(nèi)力，其值等于單位面積上所受的外力。應(yīng)力；若受力后的面積為A，則=為真實(shí)應(yīng)力。應(yīng)變：用來表征材料受力時(shí)內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)之間的相對位移。對于各向同性材料，有三種基本的應(yīng)變類型：拉伸應(yīng)變，剪切應(yīng)變和壓縮應(yīng)變。拉伸應(yīng)變是指材料受到垂直于截面積方向的大小相等、方向相反并在同一直線上的兩個(gè)拉伸應(yīng)力時(shí)材料發(fā)生的形變。一根長度為l。的材料，在拉應(yīng)力作用下被拉長到l1，則其拉伸應(yīng)變?yōu)?=（l1-l。）/l。=l/l。真實(shí)應(yīng)變定義為： T =剪切應(yīng)變是指下來受到平行于截面積方向的大小相等、方向相反的兩個(gè)剪切應(yīng)力時(shí)發(fā)生的形變，在剪切了作用下，材料發(fā)

5、生偏斜，該偏斜角的正切值定義為剪切應(yīng)變：=壓縮應(yīng)變：指材料周圍受到均勻應(yīng)力P時(shí)，其體積從起始時(shí)的V0變化為V1的形變 =（V1-V0)/V0=V/V0總彈性應(yīng)變能非常小是所有脆性材料的特征；彈性形變對于理想的彈性材料，在應(yīng)力作用下會(huì)發(fā)生彈性形變，其應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系服從胡克定律，即應(yīng)力與應(yīng)變成正比 =E式中的比例系數(shù)E稱彈性模量，又稱彈性剛度后楊氏模量。 彈性模量是材料發(fā)生單位應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力，它表征材料抵抗形變的能力的大小。在單方向收應(yīng)力X時(shí)，y方向的應(yīng)變yx=-yxx=-yxX/Ex=S21XS21=-yx/Ex 稱為彈性柔順系數(shù)，稱為橫向形變系數(shù)彈性模量E反應(yīng)材料抵抗正應(yīng)變的能力；剪切模量G反應(yīng)

6、材料抵抗剪切應(yīng)變的能力；泊松比反應(yīng)材料橫向正應(yīng)變與受力方向線應(yīng)變的比值（G=/)彈性模量的一影響因素：（1）原子結(jié)構(gòu)的影響：原子間距大，彈性模量小。定義各向等同的壓力P除以體積變化為材料的體積模量KK=-P/(V/V0)=-E/3(2-1)(2) 溫度的影響：溫度升高，彈性模量降低(3) 相變的影響：相變改變材料結(jié)構(gòu)，彈性模量發(fā)生質(zhì)的變化。復(fù)相位的彈性模量：在兩相系統(tǒng)中，假定兩相的泊松比相同，在力的作用下應(yīng)變相同，則總彈性模量最高值Eu=E1V1+E2V2 V1，V2分別為1,2相體積分?jǐn)?shù)兩相材料最小模量：1/El=V1/E1+V2/E2對氣孔率為P的材料彈性模量的經(jīng)驗(yàn)式E=E0(1-1.9P

7、+0.9P×P)塑性形變指外力移去后不能恢復(fù)的形變； 材料在塑性形變時(shí)不被破壞的能力叫延展性。應(yīng)力應(yīng)變曲線中斜率為彈性模量晶體受力時(shí)，晶體的一部分相對另一部分平移滑動(dòng)，這一過程叫做滑移。晶體滑移特點(diǎn)：滑移距離小；滑移時(shí)不會(huì)遇到同號(hào)離子的斥力。晶體滑動(dòng)總是發(fā)生在主要晶面和主要晶相上。這些晶面和晶相指數(shù)較小，原子密度較大，只要滑移較小的距離就可使晶體結(jié)構(gòu)復(fù)原?；葡到y(tǒng)：滑移面+滑移方向金屬易滑移而長生塑性變形的原因是金屬的滑移系統(tǒng)多。 多晶材料比單晶材料更難滑移原因：對于多晶體材料，其晶粒在空間隨機(jī)分布，不同方向的晶粒，其滑移面上的剪應(yīng)力差別很大，即使個(gè)別晶粒已達(dá)到臨界剪切應(yīng)力而發(fā)生滑移

8、，也會(huì)受到周圍晶粒的制約，使滑移受到阻礙而終止。所以多晶材料更不易產(chǎn)生滑移。 無機(jī)材料的晶格點(diǎn)陣常數(shù)大于金屬材料，難形成位錯(cuò)。無機(jī)材料由于其組成復(fù)雜、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、共價(jià)鍵合離子鍵的方向性，滑移系統(tǒng)很少，只有少數(shù)無機(jī)材料晶體在室溫下具有延展性，這些晶體都屬于NaCl型結(jié)構(gòu)的離子晶體結(jié)構(gòu)。AlO3屬于剛玉型結(jié)構(gòu)，比較復(fù)雜，因而在室溫下不能產(chǎn)生滑移。晶體的晶格滑移常是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果；【方解石（冰洲石）具有雙折射】由于無機(jī)材料滑移面少，難以得到足夠的剪切力支持位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)；多晶的位錯(cuò)常在晶界部位阻塞終止；無機(jī)材料的晶格點(diǎn)陣常數(shù)大于金屬材料，更難形成位錯(cuò)。形變速率與剪應(yīng)力大小成正比； 對于單晶要引起宏觀塑性變形

9、必須：（1）有足夠多的位錯(cuò)；（2）位錯(cuò)有一定的運(yùn)動(dòng)速度；（3）柏氏矢量大位錯(cuò)形成能：E=aG 形成位錯(cuò)所需要的能量（a.為常數(shù)，G為彈性模量，b相當(dāng)于晶格點(diǎn)陣常數(shù)）滯彈性和內(nèi)耗指材料在快速加載或卸載后，隨時(shí)間的延長而產(chǎn)生的附加彈性應(yīng)變的性能應(yīng)變松弛是固體材料在恒定荷載下，形變隨時(shí)間延續(xù)而緩慢增加的不平衡過程，或材料受力后內(nèi)部原子有不平衡的過程，也叫蠕變或形變。應(yīng)力松弛是在持續(xù)外力的作用下，發(fā)生形變著的物體，在總的形變值保持不變的情況下，由于徐變形變漸增，彈性形變相應(yīng)減小，由此使物體的內(nèi)部應(yīng)力隨時(shí)間延續(xù)而逐漸減小的過程。松弛應(yīng)力與松弛應(yīng)變都是材料的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系隨時(shí)間而變化的現(xiàn)象，都是指在外界條

10、件影響下，材料內(nèi)部的原子從不平衡狀態(tài)通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)重新組合二達(dá)到平衡狀態(tài)的過程。材料內(nèi)耗：由于內(nèi)部原因二十機(jī)械能消耗的現(xiàn)象。材料的高溫蠕變 金屬材料、材料在長時(shí)間高溫或恒應(yīng)力下應(yīng)變隨時(shí)間緩慢的塑性變化；無機(jī)材料高溫下原子熱運(yùn)動(dòng)加劇，可以使位錯(cuò)從障礙中解放出來，發(fā)生運(yùn)動(dòng)，引起蠕變。位錯(cuò)釋放完成蠕變以后，蠕變速率降低解釋減速蠕變階段；延長時(shí)間，受阻礙較大的位錯(cuò)繼續(xù)釋放解釋加速蠕變階段。蠕變曲線 （1） 起始段。在外力作用下發(fā)生瞬間彈性形變，即應(yīng)力和應(yīng)變同步（2） 第一階段蠕變過度階段：特點(diǎn)是應(yīng)變隨時(shí)間遞減，持續(xù)時(shí)間較短（3） 第二階段蠕變穩(wěn)定蠕變：此階段形變速率小，且恒定。（4） 第三階段蠕變加速蠕

11、變：特點(diǎn)是曲線較陡，說明蠕變速率隨時(shí)間增加而快速增加。影響蠕變因素：1.溫度：溫度升高，蠕變增大；2.應(yīng)力：蠕變隨應(yīng)力增大而增大；3.晶體組成：結(jié)合力越大，越不容易發(fā)生蠕變；4.顯微結(jié)構(gòu)：氣孔率增加，蠕變率增加；晶粒越小，蠕變率增大；溫度升高，玻璃的黏度較低，形變塑速率增大，蠕變率增大（玻璃相）；不同組成蠕變性不同；共價(jià)鍵成分增加，蠕變減小。材料的斷裂強(qiáng)度脆性斷裂行為：外力正應(yīng)力的彈性形變，剪應(yīng)力下的彈性畸變，外力撤銷形變消失，剪應(yīng)力足夠大或溫度足夠高位錯(cuò)滑移塑性形變。但無機(jī)材料的玻璃相等非晶體相產(chǎn)生粘性流動(dòng)=粘性形變。應(yīng)力集中裂紋和缺陷擴(kuò)散脆性斷裂臨界狀態(tài)：裂紋尖端的橫向拉應(yīng)力=結(jié)合強(qiáng)度，導(dǎo)

12、致裂紋擴(kuò)展突發(fā)性斷裂長期受力：橫向拉應(yīng)力<結(jié)合強(qiáng)度，裂紋緩慢生長緩慢開裂斷裂韌性：K=Y 是材料的本征參數(shù)，它反應(yīng)了具有裂紋的材料對外界作用的抵抗能力，即阻止裂紋擴(kuò)展的能力，是材料的固有性能。裂紋起源：（1）由于晶體微觀結(jié)構(gòu)中存在缺陷，當(dāng)受到外力作用時(shí)，在這些缺陷處就引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋成核（2）材料表面的機(jī)械損傷與化學(xué)腐蝕形成表面裂紋（3）由于熱應(yīng)力而形成裂紋材料的斷裂強(qiáng)度不是取決于裂紋的數(shù)量，而是取決于裂紋的大小，即是由最危險(xiǎn)的裂紋尺寸（臨界裂紋尺寸）決定材料的斷裂強(qiáng)度，一旦裂紋超過臨界尺寸，斷裂就會(huì)迅速擴(kuò)展而斷裂。蠕變斷裂：多晶材料在高溫時(shí)，在恒定應(yīng)力作用下由于形變不斷增加而導(dǎo)致

13、的斷裂蠕變斷裂明顯地取決于溫度和外加應(yīng)力。溫度越低，應(yīng)力越小，則蠕變斷裂所需的時(shí)間越長。蠕變斷裂過程中裂紋的擴(kuò)展屬于亞臨界擴(kuò)展顯微結(jié)構(gòu)對材料脆性斷裂的影響：（1） 晶粒尺寸：對多晶材料，晶粒越小，強(qiáng)度越高；多晶材料中初始裂紋尺寸與晶粒尺寸相當(dāng)，晶粒越細(xì)，初始裂紋尺寸越小，臨界應(yīng)力越高，即屈服應(yīng)力越高（2）氣孔的影響：大多數(shù)陶瓷材料的強(qiáng)度和彈性模量都隨氣孔率的增加而降低。金屬材料的強(qiáng)化：加工硬化；細(xì)晶強(qiáng)化（通過晶粒粒度的細(xì)化來提高金屬的強(qiáng)度）；合金強(qiáng)化（通過溶入某種溶質(zhì)元素形成固溶體而使金屬強(qiáng)度、硬度升高）；高溫強(qiáng)化陶瓷材料的強(qiáng)化：微晶、高密度與高純度；預(yù)加應(yīng)力；化學(xué)強(qiáng)化；陶瓷材料的增韌 材料的

14、熱學(xué)性能材料的熱血性能包括：熱容、熱膨脹、熱傳導(dǎo)、熱穩(wěn)定性、熔化和升華等各質(zhì)點(diǎn)熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能總和，即為該物體的熱量，即=熱量材料的熱容：熱容是分子熱運(yùn)動(dòng)隨溫度而變化的一個(gè)物理量；熱容是物質(zhì)溫度上升1K所需要增加的能量；單位質(zhì)量的熱容叫做比熱容；1mol材料的熱容叫摩爾熱容。金屬熱容：第I區(qū)，溫度范圍05KT第II區(qū)，溫度區(qū)間很大， 第III區(qū)，溫度在德拜溫度D附近,比熱容趨于一常數(shù)第IV區(qū)，當(dāng)溫度高于德拜溫度D 時(shí)，熱容曲線趨平緩上升趨勢。材料的熱膨脹：物體的體積或長度隨溫度的升高二增大的現(xiàn)象稱為熱膨脹。線膨脹系數(shù)= 體膨脹系數(shù)=3各向異性晶體：=+ 中級(jí)晶族各向異性晶體：=+ 多晶轉(zhuǎn)變體積不均

15、與變化不均勻變化固體材料的熱膨脹機(jī)理：（1）固體材料的熱膨脹本質(zhì)，歸結(jié)為點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中質(zhì)點(diǎn)間平衡距離隨溫度升高而增大。（2）晶體中各種熱缺陷的形成造成局部點(diǎn)陣的畸變和膨脹。金屬硬度增大，膨脹系數(shù)減??；對于相同組成的物質(zhì)，結(jié)構(gòu)緊密晶體，膨脹系數(shù)較大；熔點(diǎn)大，膨脹系數(shù)小。陶瓷制品表面釉層的熱膨脹系數(shù)不同方向膨脹系數(shù)差太大時(shí)，會(huì)因內(nèi)應(yīng)力而使胚體產(chǎn)生裂紋，再加熱時(shí)，該裂紋趨向于消失，微裂紋多見于晶界。晶體長大應(yīng)力發(fā)展裂紋當(dāng)選擇釉的膨脹系數(shù)適當(dāng)?shù)匦∮谂唧w的膨脹系數(shù)，制品的力學(xué)強(qiáng)度得以提高原因： 釉層的膨脹系數(shù)比胚體的膨脹系數(shù)小，燒成后的制品在冷卻過程中表面釉層的收縮比胚體小，使釉層中存在壓應(yīng)力，均勻分布的壓

16、應(yīng)力明顯地提高脆性材料的力學(xué)強(qiáng)度，同時(shí)，這一壓應(yīng)力也抑制裂紋的發(fā)生，并阻礙其發(fā)展，因而使強(qiáng)度提高。影響金屬熱導(dǎo)率的因素：（1）溫度的影響：低溫時(shí)熱導(dǎo)率隨溫度的升高而不斷增大，并達(dá)到最大值；隨后，熱導(dǎo)率在一小段溫度范圍內(nèi)基本保持不變；升高到某一溫度后，熱導(dǎo)率隨溫度急劇降低；溫度降低到某一值后，熱導(dǎo)率隨溫度的升高而緩慢下降，并在熔點(diǎn)處達(dá)最低值（2）晶粒大小的影響：一般情況是晶粒粗大，熱導(dǎo)率高；晶粒越小，熱導(dǎo)率越低（3）立方晶系的熱導(dǎo)率與晶相無關(guān)；非立方晶系的熱導(dǎo)率表現(xiàn)出各向異性（4）雜質(zhì)將強(qiáng)烈影響熱導(dǎo)率影響無機(jī)非金屬材料熱導(dǎo)率的因素：（1）溫度的影響：耐火氧化物多晶材料，在使用的溫度范圍內(nèi)，隨溫度

17、升高，熱導(dǎo)率下降；不密實(shí)的耐火材料，隨溫度升高，略有增大（因氣孔導(dǎo)熱占一定分量）（2）化學(xué)組成的影響：固溶體的形成降低熱導(dǎo)率，而且取代的質(zhì)量和大小與基質(zhì)元素相差越大，取代后的結(jié)合力改變越大，對熱導(dǎo)率的影響越大。（3）顯微結(jié)構(gòu)的影響：a結(jié)晶構(gòu)造越復(fù)雜，熱導(dǎo)率越低；b非等軸晶系的熱導(dǎo)率成各向異性；c同一種物質(zhì)，多晶體的熱導(dǎo)率總是比單晶的?。籨在不考慮光子熱導(dǎo)的貢獻(xiàn)的任何溫度下，非晶體的熱導(dǎo)率都小于晶體的熱導(dǎo)率；高溫時(shí)，非晶體的熱導(dǎo)率與晶體的熱導(dǎo)率比較接近；晶體和非晶體的T曲線的重大區(qū)別在于非晶體的T曲線無的峰值點(diǎn)m；e.當(dāng)溫度不很高，氣孔率不大，氣孔尺寸很小又均勻地分散在陶瓷介質(zhì)中時(shí)，這樣的氣孔的

18、熱導(dǎo)率很小，可近似看做零。熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性是指材料承受溫度的急劇變化而不致破壞的能力，又稱為抗熱震性。材料因熱膨脹或收縮而引起的內(nèi)應(yīng)力稱熱應(yīng)力熱應(yīng)力產(chǎn)生的原因：（1）構(gòu)件因熱脹或冷縮受到限制時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力（2）材料中因存在溫度梯度而產(chǎn)生熱應(yīng)力（3）多相復(fù)合材料因各相膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生熱應(yīng)力熱導(dǎo)率大，熱穩(wěn)定性好；材料表面散熱速率大對熱穩(wěn)定性不利。提高抗熱震性的措施：（1）提高材料強(qiáng)度、減小彈性模量，使/E提高。（2）提高下材料的熱導(dǎo)率；（3）減小材料的熱膨脹系數(shù)：（4）減小表面熱傳遞系數(shù)；（5）減小產(chǎn)品厚度 材料的光學(xué)性能折射率的影響因素：（1）構(gòu)成材料元素的離子半徑（2）材料的結(jié)構(gòu)、晶型：均勻介質(zhì)

19、只有一種折射率；非均介質(zhì)有兩個(gè)折射率，發(fā)生雙折射現(xiàn)象；沿著堆積密度大的方向折射率大（3）材料存在內(nèi)應(yīng)力：拉應(yīng)力方向n值小，垂直于拉應(yīng)力方向大，壓應(yīng)力方向大。（4）同質(zhì)異構(gòu)體：在同質(zhì)異構(gòu)體中，高溫時(shí)的晶型折射率較低，低溫時(shí)的晶型折射率較高。晶體的雙折射：光通過非均質(zhì)晶體時(shí)，通常分解成兩束傳播方向不同的偏振光，這種現(xiàn)象稱雙折射現(xiàn)象。雙折射條件：材料本身透明；材料必須是晶體且非高級(jí)晶族晶體雙折率：分解成的兩束光的折射率之差偏振光：光的電場矢量在不同方向的振動(dòng)強(qiáng)度不同的光減小反射損失措施：（1）透過介質(zhì)表面鍍增透膜；（2）將多次透過的玻璃用折射率與之相近的膠將他們黏起來，以減少空氣界面造成的損失光的色

20、散：材料的折射率隨入射光波長而變化的現(xiàn)象，通常情況下，隨波長增加，折射率減小。透鏡磨成凹凸組合鏡頭，可以消除色散第3章 材料的光學(xué)性能重要性：透鏡、棱鏡、濾光鏡、激光器、光導(dǎo)維纖等的材料利用的主要功能是光學(xué)性能。另外，陶瓷，餐具對顏色、光澤及半透明性等都有特殊要求。對于光學(xué)玻璃，其折射率和色散是基本的光學(xué)參數(shù)。偏光顯微鏡在地質(zhì)、陶瓷等工業(yè)上廣泛應(yīng)用 3.1光通過介質(zhì)的現(xiàn)象 設(shè)入射到材料表面的光輻射能流率為 ，光線一部分透過介質(zhì)，一部分被吸收，一部分在界面上被反射回原介質(zhì)，一部分被散射。設(shè)透過、吸收、反射和散射的光輻射能流率分別為 ，定義 為透射系數(shù)， 為吸收系數(shù)， 為散射系數(shù)。則 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對于材料1的折射率3） 影響材料折射率的因素 構(gòu)成材料的元素的離子半徑 大離子得到高折射率的材料。其中為磁導(dǎo)率。在無機(jī)材料類的電介質(zhì)中，=1離子半徑越大，介電常數(shù)越大。材料的結(jié)構(gòu)、晶形和非晶態(tài)均質(zhì)體只有單一折射率。非均質(zhì)體有兩個(gè)折射率，發(fā)生雙折射現(xiàn)象，沿著晶體堆積密度大的方向折射率大材料所受的內(nèi)應(yīng)力拉應(yīng)力方向n小，垂直于拉應(yīng)力方向大，壓應(yīng)力方向大。同質(zhì)異構(gòu)體中，高溫型折射率低，低溫型折射率高偏振光：光的電場矢量在不同方向的振動(dòng)強(qiáng)度不同的光稱為偏振光。雙折射 ：光通過非均質(zhì)晶體時(shí)，通常會(huì)分解成兩束傳播方向不同的偏振光，這種現(xiàn)象稱為

22、雙折射現(xiàn)象。原因是在該晶體內(nèi)不同振動(dòng)方向的光波的折射率不同。反射 入射能量=反射能量+折射能量根據(jù)波動(dòng)理論：當(dāng)光線以很小的入射角達(dá)到介質(zhì)界面時(shí)，反射系數(shù)（即反射能量與入射能量之比）例子：透鏡之間以折射率相似的膠粘起來減小反射損失PA6里加入二氧化鈦（鈦白粉）以增強(qiáng)反射提高光澤材料的透射及其影響因素:(1) 材料的光透過性質(zhì)1)金屬材料的光透過性射入金屬中的光線被吸收，金屬不透明。與被吸收的光同樣波長的光波又可從表面反射出來，形成金屬特有的光澤。所以，金屬的顏色是反射光線的顏色2)非金屬材料的光透過性介質(zhì)吸收光波的規(guī)律 透過的光的強(qiáng)度與入射強(qiáng)度的關(guān)系有： x為光透過的厚度 非金屬材料的禁帶寬度大

23、于3.1eV時(shí)，超過了可見光光子的能量，不可能吸收可見光，表現(xiàn)為透明。在紅外區(qū)的吸收是因?yàn)殡x子的彈性振動(dòng)與光子輻射發(fā)生諧振而被吸收。因?yàn)檎駝?dòng)能相對較小，與紅外光能量相當(dāng)。透明材料對自然光的選擇性吸收顯示出透明體的顏色（透過色），對自然光均勻吸收時(shí)則顯示出黑白或灰色3.4 光的散射1)散射 折射率處處相等的均勻介質(zhì)不產(chǎn)生散射介質(zhì)不均勻，如含有小粒子，光性能不同的晶界相，氣孔或其它雜質(zhì)相不均勻和生成的次級(jí)波與主波方向不一致，并合成產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，使光偏離原來的折射方向，從而引起散射。散射使光在前進(jìn)方向上的強(qiáng)度減弱。 S為散射系數(shù)。所以，透過光的強(qiáng)度:2) 彈性散射：散射光波與入射光波長相同，包括廷德

24、爾散射、米氏散射和瑞利散射。瑞利散射：隨散射粒子的粒徑d與光的波長的關(guān)系不同，有：d<, Sd d=, S最大d>, S1/d3)非彈性散射：散射光波長與入射光不同。有喇曼散射和布里淵散射。材料的透光性影響因素: 吸收系數(shù); 反射系數(shù); 散射系數(shù) 由下面幾方面決定：A,材料宏觀和微觀缺陷，它們會(huì)增加界面B,晶體結(jié)構(gòu)C,晶粒排列方向; 氣孔引起散射損失雙折射與透明陶瓷雙折射導(dǎo)致光線在多晶材料內(nèi)部不斷散射，透明性下降，高雙折射率致制備透明陶瓷困難。剛玉雙折射率低，剛玉瓷可制成多晶透明陶瓷，金紅石雙折射率高，無法制備成多晶透明陶瓷鏡面反射: 發(fā)生于高度平整界面，反射方向一致。漫反射:發(fā)生

25、于不平整界面，反射方向不一致。3.5 不透明性與半透明性3. 5.1概念不透明：乳濁，指吸收系數(shù)低，透明物質(zhì)的強(qiáng)散射造成不透明;根據(jù)乳濁度的不同，另有半透明、透明3. 5.2原理散射改變光線的方向，漫反射漫透射：材料中必須存在散射顆粒散射原因：多晶體,分散得很細(xì)的兩相體系，兩相的相對折射率越高，散射越強(qiáng)烈。3. 5.3顯色原因著色劑對光的選擇性吸收而引起選擇性反射或選擇性透射。用著色顏料的有: 分子（離子）著色劑 膠態(tài)著色劑 3.5.4著色3.5.4.1分子（離子）著色劑起著色作用的主要是離子1）簡單離子 外層電子為惰性氣體型或銅型時(shí)，本身比較穩(wěn)定，可見光的能量達(dá)到電子躍遷的激發(fā)能量，不吸收可

26、見光，顯示為無色。過渡元素有未成對的d電子，鑭系元素有未成對的f電子，較少的能量即能激發(fā)其躍遷，故而吸收可見光顯示各種顏色如Co2+吸收橙黃和部分綠光，顯示帶紫的藍(lán)色Cu2+顯示藍(lán)綠色，Cr2+顯黃色， Cr3+顯紫色3.6.1 電光效應(yīng)及電光晶體（1）電光效應(yīng)材料折射率n與外加電場E0有如下關(guān)系：式中n0為無外電場時(shí)的折射率。這種外加電場 引起材料折射率變化 的現(xiàn)象稱為電光效應(yīng)。有電光效應(yīng)的晶體稱為電光晶體。（2）一次電光效應(yīng)折射率與電場有線性關(guān)系的電光效應(yīng)為一次電光效應(yīng)。只有沒有對稱中心的晶體才能發(fā)生一次電光效應(yīng)。（3）二次電光效應(yīng)折射率與電場強(qiáng)度的平方有線性關(guān)系的電光效應(yīng)為二次電光效應(yīng)。

27、有對稱中心的晶體和結(jié)構(gòu)任意混亂的介質(zhì)可能發(fā)生二次電光效應(yīng)。3.7光導(dǎo)纖維 光線從光密媒質(zhì)折射入光疏媒質(zhì)時(shí)，折射角大于入射角，當(dāng)折射角大于90°時(shí)，光線全部反射回光密媒質(zhì)而不進(jìn)入光疏媒質(zhì)，這種現(xiàn)象稱為全反射。如果保持入射角足夠大，光波可在光密媒質(zhì)的纖維中傳播，這是遠(yuǎn)距離光傳輸?shù)睦碚摶A(chǔ)。3.8 激光 在外來光子的激發(fā)下，誘發(fā)電子能態(tài)改變，從而發(fā)射出與外來光子的頻率相位、傳輸方向以及偏振態(tài)均相同的相干光波。原理：氙氣燈照Cr3+紅寶石， Cr3+激發(fā)從基態(tài)躍遷之后，直接從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)，發(fā)出光子，不形成激光從激發(fā)態(tài)到亞穩(wěn)態(tài)，停留3ns后返回基態(tài)并放出光子，帶動(dòng)亞穩(wěn)態(tài)下積聚的許多電子雪崩似

28、的返回基態(tài)，從而發(fā)射出越來越多的光子，來回反射，不斷加強(qiáng)。發(fā)射出波長為高強(qiáng)度相干光波。第4章 材料的電導(dǎo)性能4.1 引言電流是電荷的定向運(yùn)動(dòng)，所以有電流必須有電荷的輸運(yùn)過程。電荷的載體稱為載流子，載流子可以是電子、空穴，也可以是正離子，負(fù)離子。tx表示某一種載流子輸運(yùn)電荷占全部電導(dǎo)率的分?jǐn)?shù)。把離子遷移數(shù)ti>0.99的導(dǎo)體稱為離子導(dǎo)體，把ti<0.99的導(dǎo)體稱為混合導(dǎo)體。電流密度J正比于電場強(qiáng)度E，其比例關(guān)系 系數(shù)即為電導(dǎo)率。按電導(dǎo)率從大小到的順序依次有：導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。導(dǎo)體的電導(dǎo)率多大于1 S/m，半導(dǎo)體的電導(dǎo)率：10-6102 S/m，絕緣體的電導(dǎo)率多小于10-6S/m4

29、.2電子類載流子導(dǎo)電電子電導(dǎo)的載流子是電子和空穴，主要發(fā)生在導(dǎo)體和半導(dǎo)體中。4.2.1 金屬導(dǎo)電機(jī)制1）電子電導(dǎo)的特征霍爾效應(yīng)沿方向試樣中通入電流(電流密度JX),Z軸方向加一磁場HZ,那么，在Y軸方向?qū)a(chǎn)生電場Ey（其中RH稱為霍爾系數(shù)）。載流子的遷移率, 即載流子在單位電場中的遷移速度。電子電導(dǎo)率 霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生是因?yàn)殡娮釉诖艌鲎饔孟庐a(chǎn)生橫向移動(dòng)的結(jié)果。離子的質(zhì)量比電子大得多，磁場作用力不使它產(chǎn)生橫向位移，而純離子電導(dǎo)不出現(xiàn)霍爾現(xiàn)象。2） 金屬電子電導(dǎo)的電阻產(chǎn)生機(jī)制當(dāng)電子波通過一個(gè)理想晶體點(diǎn)陣時(shí)（OK）,它將不受散射；只有在晶體點(diǎn)陣的完整性遭到破壞的地方，電子波才受到散射（不相干散射），這

30、就是金屬產(chǎn)生電阻的根本原因。由于溫度引起的離子運(yùn)動(dòng)（熱運(yùn)動(dòng)）振幅的變化，以及晶體中異類原子、位錯(cuò)、點(diǎn)缺陷等都會(huì)使理想晶體點(diǎn)陣的周期性遭到破壞。這樣，電子波在這些地方發(fā)生散射而產(chǎn)生電阻，降低導(dǎo)電性。3）金屬電導(dǎo)的馬西森定律 是與溫度有關(guān)的電阻率， 是與雜質(zhì)濃度、點(diǎn)缺陷及位錯(cuò)有關(guān)的電阻率。在高溫時(shí)，金屬的電阻主要由 起主導(dǎo)作用，在低溫時(shí)， 起主要作用。4.2.2 金屬電阻率與溫度的關(guān)系金屬的溫度愈高，電阻也愈大。若 以 和 代表金屬在0和T時(shí)的電阻率，則：此公式在溫度高于室溫下，對大多數(shù)金屬是適用的。4.2.3冷加工和缺陷對電阻率的影響）冷加工引起金屬電阻率增加，同晶格畸變（空位，位錯(cuò)）有關(guān)。在時(shí)

31、，未經(jīng)冷加工變形的純金屬的電阻率趨于零，而冷加工的金屬在時(shí)仍保持有電阻率，稱為剩余電阻率。）缺陷空位、間隙原子以及它們的組合、位錯(cuò)等晶體缺陷使金屬電阻率增加。其對剩余電阻率的影響與金屬中雜質(zhì)離子的影響是同一數(shù)量級(jí)。4.2.4固溶體的電阻率）當(dāng)形成固溶體時(shí)，合金導(dǎo)電性能降低。原因：固溶體使晶格發(fā)生扭曲，破壞了晶格勢場的周期性。）合金有序化時(shí)，電阻率降低。4.離子類載流子導(dǎo)電4.3.1離子電導(dǎo)的特征電解效應(yīng)離子的遷移伴隨著明顯的質(zhì)量變化，離子在電極附近發(fā)生電子得失，產(chǎn)生新的物質(zhì)，這就是電解現(xiàn)象。電解現(xiàn)象遵循法拉第定律：即電解物質(zhì)的量與通過的電量成正比。4.3.2 本征導(dǎo)電和雜質(zhì)導(dǎo)電1）本征導(dǎo)電：晶

32、體點(diǎn)陣中的基本離子因熱振動(dòng)而離開晶格，形成熱缺陷，這種熱缺陷無論是離子或空位都可以在電場作用下定向移動(dòng)而導(dǎo)電。2）雜質(zhì)導(dǎo)電：參加導(dǎo)電的載流子主要是雜質(zhì)。3）在較低溫下雜質(zhì)導(dǎo)電顯著，在較高溫下本征導(dǎo)電表現(xiàn)明顯。弗倫克爾（Frenker)缺陷：正常格點(diǎn)的原子由于運(yùn)動(dòng)進(jìn)入晶格間隙而在晶體內(nèi)正常格點(diǎn)留下空位?？瘴慌c間隙成對產(chǎn)生。肖特基缺陷（Schottky)缺陷：正常格點(diǎn)的原子由于熱運(yùn)動(dòng)躍遷到晶體表面，在晶體內(nèi)正常格點(diǎn)留下空位。正空位與負(fù)空位成對產(chǎn)生。4.3.3離子導(dǎo)電的影響因素1）溫度的影響高溫區(qū)本征導(dǎo)電，低溫區(qū)雜質(zhì)導(dǎo)電。不論哪一種情況，隨溫度的增加，電導(dǎo)率增加 。這是離子導(dǎo)電不同于電子導(dǎo)電的方面。

33、2）離子性質(zhì)、晶體結(jié)構(gòu)熔點(diǎn)高結(jié)合能大的晶體其導(dǎo)電激活能也高，電導(dǎo)率就低。對堿金屬化合物，負(fù)離子半徑增大，正離子激活能降低。NaF:216KJ/mol, NaCl:169 KJ/mol, NaI:118 KJ/mol低價(jià)正離子荷電少，活化能低，高價(jià)正離子價(jià)鍵強(qiáng)，激活能高 。3) 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷增加導(dǎo)電性。產(chǎn)生離子型點(diǎn)缺陷時(shí)，也會(huì)有相應(yīng)的電子型缺陷出現(xiàn)，從而顯著影響電導(dǎo)率。4.3.4固體電解質(zhì)1）固體電解質(zhì)：具有離子導(dǎo)電的固體物質(zhì)稱為固體電解質(zhì)。只有離子晶體才能成為固體電解質(zhì)。2）有些固體電解質(zhì)的電導(dǎo)率比正常離子化合物的電導(dǎo)率高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)（與半導(dǎo)體相當(dāng)），故通稱為快離子導(dǎo)體，最佳離子導(dǎo)體或超離子導(dǎo)

34、體。3)離子晶體具有離子電導(dǎo)的條件是離子晶格缺陷多。熱激勵(lì)形成晶格缺陷。不等價(jià)固溶摻雜形成晶格缺陷。正負(fù)離子計(jì)量比隨氣氛變化發(fā)生偏離，引發(fā)缺陷。立方氧化鋯3)快離子導(dǎo)體舉例：定義：在氧化鋯立方結(jié)構(gòu)中摻入低價(jià)離子代替部分鋯可以使該結(jié)構(gòu)在室溫下穩(wěn)定，如鈣穩(wěn)定氧化鋯（CSZ）用途:用于測量氣體中或熔融金屬中氧的含量。原理：是利用其表面氧分壓與電極電位相關(guān)。4.4半導(dǎo)體電導(dǎo)按電導(dǎo)率從大到小的順序依次有：導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。由圖2-1可知：導(dǎo)體的電導(dǎo)率多大于1 S/m，半導(dǎo)體的電導(dǎo)率：10-6102 S/m，絕緣體的電導(dǎo)率多小于10-6S/m. 分為本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體兩類。晶體能帶理論1）相鄰原子

35、間同一能級(jí)電子云開始重疊時(shí)，該能級(jí)發(fā)生分裂，分裂的能級(jí)數(shù)與原子數(shù)相等。2）原子基態(tài)價(jià)電子能級(jí)分裂而成的能帶稱為價(jià)帶，相應(yīng)于價(jià)帶以上的能帶（即第一激發(fā)態(tài)）稱為導(dǎo)帶,電子不能出現(xiàn)的能帶稱為禁帶。3）只有導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶頂部的空穴才能導(dǎo)電金屬中導(dǎo)帶與價(jià)帶之間沒有禁區(qū)（禁帶寬度Eg0),電子進(jìn)入導(dǎo)帶不需要能量。絕緣體中導(dǎo)帶與價(jià)帶之間的禁區(qū)寬度（禁帶)很大，電子難于從價(jià)帶進(jìn)入導(dǎo)帶，故不導(dǎo)電。半導(dǎo)體禁帶大小居中，適當(dāng)?shù)哪芰考纯砂l(fā)電子進(jìn)入導(dǎo)帶而導(dǎo)電。4.4.1本征半導(dǎo)體激1)半導(dǎo)體制備工藝之一，就是要制備盡可能純的材料（純度高達(dá)10-10），然后可控制地引入雜質(zhì)。純的未摻雜的半導(dǎo)體僅僅由它固有的性質(zhì)決定，

36、所以稱為本征半導(dǎo)體。把由外部作用而改變半導(dǎo)體固有性質(zhì)的半導(dǎo)體稱為非本征半導(dǎo)體或雜質(zhì)半導(dǎo)體。主要的半導(dǎo)體器件為非本征半導(dǎo)體。2）載流子濃度對于本征半導(dǎo)體，電子類載流子就是從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶中的電子，相應(yīng)地產(chǎn)生同樣數(shù)目的空穴：Ne=Nh導(dǎo)帶中的電子數(shù)結(jié)論:導(dǎo)帶中的電子數(shù)是溫度和電子有效質(zhì)量的函數(shù). Eg為導(dǎo)帶底部的能量級(jí)，EF為費(fèi)密能,費(fèi)密能代表0K時(shí)金屬基態(tài)系統(tǒng)電子所占有的能級(jí)最高的能量，費(fèi)密能級(jí)可以粗略地認(rèn)為位于半導(dǎo)體的價(jià)帶和導(dǎo)帶的一半（即禁帶的中央）。4.4.雜質(zhì)半導(dǎo)體）n型半導(dǎo)體人為地將第V族的元素，如Sb、As、P等作為雜質(zhì)摻入半導(dǎo)體中，摻入雜質(zhì)濃度<10，與硅成鍵后，多出的一個(gè)電子

37、與核不是緊密結(jié)合，使多余的雜質(zhì)離子的電子進(jìn)入導(dǎo)帶，成為導(dǎo)電的電子所需要的能量遠(yuǎn)少于半導(dǎo)體禁帶的能量，常溫下多為10-2eV數(shù)量級(jí)以下。 雜質(zhì)原子捐贈(zèng)電子:Ed為施主能級(jí)，粗糙計(jì)算方法：2） P型半導(dǎo)體（1）摻入第族的元素如In、Al、B等，與硅相比，少一個(gè)電子，有空穴存在。（2）被雜質(zhì)原子接受的電子的能量高于價(jià)帶頂部的能量。（3）受主能級(jí)Ea是電子從價(jià)帶跳到雜質(zhì)原子能級(jí)所需能量，其雜質(zhì)原子稱為受主。4.4.3載流子遷移率若電子密度為n，則：若同時(shí)有電子和空穴導(dǎo)電，則e與h分別為電子與空穴的遷移率。5.4.4半導(dǎo)體電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系半導(dǎo)體的電導(dǎo)率對溫度變化敏感。與溫度T的關(guān)系：低溫時(shí)，雜質(zhì)電導(dǎo)對

38、電導(dǎo)率有明顯影響；雖然隨溫度增加，離子遷移率降低，但載流子數(shù)量n隨溫度增高大大提高 。所以，高溫時(shí)，電導(dǎo)率升高主要由升溫所致，總之，溫度增加，電導(dǎo)率提高。4.5超導(dǎo)體4.5.1概定義及歷史1）1911年發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象定義：在一定的低溫條件下，材料突然失去電阻的現(xiàn)象超導(dǎo)態(tài)：無電阻；正常態(tài):有電阻。4.5.2超導(dǎo)態(tài)特征和指標(biāo)1）特征：超導(dǎo)電流將持續(xù)流動(dòng)超導(dǎo)體具有抗磁性，在磁場中的超導(dǎo)體的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零。通量量子化2） 指標(biāo)： 超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc 臨界磁場強(qiáng)度Bc 臨界電流密度Jc4.6玻璃態(tài)電導(dǎo)4.6.1堿金屬玻璃玻璃體的結(jié)構(gòu)比晶體疏松，堿金屬離子能夠穿過間隙克服位壘而導(dǎo)電：離子電導(dǎo)。堿金屬在玻璃中為

39、弱聯(lián)系離子，因而導(dǎo)電性大增加堿金屬濃度不大時(shí)，電導(dǎo)率與其濃度呈直線關(guān)系增長：因?yàn)樵黾拥闹皇禽d流子。增加到一定濃度時(shí)，電導(dǎo)率與其濃度呈指數(shù)關(guān)系增長：因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)被破壞，活化能降低，導(dǎo)電率指數(shù)式上升。4.6.2雙堿效應(yīng)和壓堿效應(yīng)1）雙堿效應(yīng)：在堿金屬離子總濃度相同的情況下，含兩種堿金屬離子的電導(dǎo)比一種要小。原因：兩種原子及其空位互相干擾，堵塞通道，遷移率相比之下降低。2）壓堿效應(yīng)：含堿玻璃中加入二價(jià)金屬離子氧化物，特別是重金屬，使玻璃璃電導(dǎo)率降低原因：二價(jià)金屬與陰離子團(tuán)結(jié)合牢固，堵塞通道，遷移困難，從而遷移率減小。4.7無機(jī)材料的電導(dǎo)4.7.1多晶多相固體材料的電導(dǎo)1）陶瓷材料通常為多晶多相材料。其導(dǎo)

40、電機(jī)理包括電子電導(dǎo)和離子電導(dǎo)。2）微晶相、玻璃相的電導(dǎo)率較高，間隙或缺陷固溶體電導(dǎo)率增加。3）晶界氣孔對多晶材料電導(dǎo)的影響離子和電子的自由程都很短，電子：10-15納米。晶界的散射效應(yīng)遠(yuǎn)小于晶格，所以，晶粒大小對電導(dǎo)率影響小。小量氣孔時(shí)，氣孔增加，導(dǎo)電降低；大量氣孔形成連續(xù)相時(shí)將吸附雜質(zhì)、水和離子，提高電導(dǎo)，電導(dǎo)受氣相控制。材料的電導(dǎo)很大程度上決定于電子電導(dǎo)原因：半束縛電子的離解能很小，易被激發(fā)，濃度隨溫度升高增加快。電子或空穴的遷移率比離子遷移率大許多個(gè)數(shù)量級(jí)。所以，絕緣陶瓷要嚴(yán)格控制燒成氣氛，防止金屬陽離子還原，減小電子電導(dǎo)。4.7.2無機(jī)材料電導(dǎo)的混合法則1）陶瓷材料：晶粒，晶界，氣孔、

41、玻璃相等是電導(dǎo)因素，主要考慮晶粒和晶界： 分別為晶粒和晶界的電導(dǎo)； 分別為晶粒和晶界的體積分?jǐn)?shù)n=-1，串聯(lián)；n=1,并聯(lián). 時(shí)，晶粒均勻分散在晶界中, 這時(shí)有陶瓷電導(dǎo)的對數(shù)混合法則： 顯然，對于大數(shù)陶瓷，對數(shù)混合法則更適用。4.7.3半導(dǎo)體陶瓷的物理效應(yīng)1）晶界效應(yīng)：壓敏效應(yīng)：臨界電壓VC以下電阻高;當(dāng)電壓大于VC時(shí)，電阻迅速降低。正溫度（PTC）效應(yīng)：價(jià)控型半導(dǎo)體在由正方相向立方相轉(zhuǎn)變點(diǎn)（居里點(diǎn)）附件電阻率驟然升高3-4個(gè)數(shù)量級(jí)。2）表面效應(yīng)：氣敏電阻，吸附氣體使電導(dǎo)率增加或減小3）溫差電動(dòng)效應(yīng): 熱電效應(yīng)4）光生伏特效應(yīng)：光致電壓，P正n負(fù)。4.5熱電性(thermoelectricit

42、y)4.4.1熱電效應(yīng)1）塞貝克效應(yīng) 兩種不同材料A和B組成回路，當(dāng)兩接觸處溫度不同時(shí)，則在回路中存在電動(dòng)勢，該效應(yīng)稱為塞貝克效應(yīng)。當(dāng)溫差較小時(shí)，電動(dòng)勢與溫度差有線性關(guān)系EAB=SABT SAB塞貝克系數(shù)2） 珀耳貼（Peltier）效應(yīng)將兩種不同金屬組成的回路中通過電流時(shí)，將使兩種金屬的其中一接頭處放熱，另一接頭處吸熱 qAB=ABI AB 相對帕爾貼系數(shù)。3) 湯姆遜（W.Thomson）效應(yīng)在一根具有溫度梯度的均勻?qū)w中通過電流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生吸熱生放熱現(xiàn)象。這稱為湯姆遜（W.Thomson）熱效應(yīng)塞貝克效應(yīng)是珀耳貼（Peltier）效應(yīng)的逆效應(yīng)。4.4.2絕對熱電勢系數(shù)電子在熱電效應(yīng)中的作用

43、：電子在熱傳遞運(yùn)動(dòng)過程中引起反方向的電動(dòng)勢。熱電動(dòng)勢系數(shù)隨溫度的變化可以是極好的線性關(guān)系?；緫?yīng)用：熱電偶，溫差發(fā)電和電致冷。半導(dǎo)體制冷的技術(shù)優(yōu)勢與應(yīng)用范圍與現(xiàn)行的壓縮式制冷或吸收式制冷方式相比，半導(dǎo)體制冷是靠電子（空穴）在運(yùn)動(dòng)中直接傳遞熱量來實(shí)現(xiàn)的，因而有如下優(yōu)點(diǎn)：不需要制冷劑，無污染、清潔衛(wèi)生；無機(jī)械傳動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡單、無噪聲、無磨損、可靠性高；通過改變工作電流的大小來調(diào)節(jié)制冷速度和制冷溫度，控制靈活；熱電堆可以任意排布、大小形狀皆可根據(jù)需要改變。第5章 材料的磁學(xué)性能磁性研究的意義：1）與物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，原子及原子結(jié)構(gòu)，原子間的相互作用-鍵合情況和晶體結(jié)構(gòu)，研究磁性是研究物質(zhì)內(nèi)部

44、結(jié)構(gòu)的重要方法2）磁性材料有廣泛的應(yīng)用，特別是在電子技術(shù)，電子工業(yè)領(lǐng)域。5.1磁學(xué)基本量及磁性分類5.1.1磁學(xué)基本量磁偶極矩偶極矩在磁感應(yīng)強(qiáng)度B中所受力矩磁偶極矩與外加磁場的作用能稱為靜磁能U其中為磁導(dǎo)率。磁化強(qiáng)度材料的磁化強(qiáng)度可以認(rèn)為是材料在磁場中顯示出凈磁矩的結(jié)果。 相對磁導(dǎo)率r與真空磁導(dǎo)率0及絕對磁導(dǎo)率有關(guān):5.1.2物質(zhì)的磁性分類根據(jù)物質(zhì)磁化率的特點(diǎn)，將物質(zhì)的磁性分為五類1）抗磁性 磁化率為很小的負(fù)數(shù)（10-6級(jí)）2）順磁性 （10-3，10-6）3）鐵磁性 在較弱的磁場作用下，就能產(chǎn)生很大的磁化強(qiáng)度，且與外磁場關(guān)系非線性4）亞鐵磁性 和鐵磁性相似，但磁化率較小5)反鐵磁性 磁化率是

45、很小的正數(shù)5.2原子本征磁矩、抗磁性和順磁性5.2.1 原子本征磁矩包括電子軌道磁矩，電子自旋磁矩和原子核磁矩如果原子中所有殼層電子全部填滿，由于電子軌道和自旋磁矩各自相互抵消，此時(shí)原子本征磁矩為零。5.2.2 抗磁性電子的軌道運(yùn)動(dòng)即產(chǎn)生抗磁性，但只有原子的電子殼層完全充滿了電子的物質(zhì)，抗磁性才能表現(xiàn)出來。所以凡電子殼層電子填滿的物質(zhì)均屬抗磁性物質(zhì)。如惰性氣體，離子型晶體，共價(jià)鍵的碳硅鍺硫磷等單質(zhì)，大部分有機(jī)物。5.2.3 順磁性產(chǎn)生順磁性的條件是原子的固有磁矩不為零。條件：具奇數(shù)個(gè)電子的原子或點(diǎn)陣缺陷。內(nèi)殼層未被填滿的原子或離子，過渡元素和稀土金屬。單位體積內(nèi)金屬的順磁化率C為常數(shù)。大多數(shù)物

46、質(zhì)屬于順磁性物質(zhì)。5.3鐵磁性和亞鐵磁性材料的特征5.3.1自發(fā)磁化理論自發(fā)磁化現(xiàn)象：外斯假說認(rèn)為：鐵磁性物質(zhì)內(nèi)部存在很強(qiáng)的“分子場”，在分子場的作用下，原子磁矩趨向于同向平行排列，即自發(fā)磁化至飽和，鐵磁體自發(fā)磁化分成若干個(gè)小區(qū)域，各個(gè)小區(qū)域的磁化方向各不相同，其磁性彼此抵消，所以大塊磁鐵不顯示磁性。溫度升高，原子間間距增大，降低交換作用。溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)破壞磁矩的規(guī)則取向。故自發(fā)磁化強(qiáng)度下降。溫度高至居里點(diǎn)TC，原子磁矩的規(guī)則取向完全取破壞，自發(fā)磁化不再存在。材料由鐵磁性變?yōu)轫槾判浴ｈF磁性產(chǎn)生的原因鐵磁性體自發(fā)磁化的根源是原子磁矩。而且起主要作用的是電子自旋磁矩。原子在電子殼層中存在沒有被電

47、子填滿的狀態(tài)是產(chǎn)生鐵磁性的必要條件。原子核間的距離Rab與參加交換的電子距核的距離（電子殼層半徑）r之比大于3時(shí)，成鍵電子交換積分為正。溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)破壞磁矩取向5.3.2 反鐵磁性和亞鐵磁性原子磁矩大小不同的兩種離子（或原子）組成，相同磁性的離子磁矩平等排列，而不同磁性的離子磁矩是反向平行排列。由于兩種離子的磁矩不相等，反向平行的磁矩就不會(huì)恰好抵消，二者之差表現(xiàn)為宏觀磁矩，這就是亞鐵磁性，若二者大小相等，就表現(xiàn)為反鐵磁性。5.3.3 磁疇外斯假設(shè)認(rèn)為自發(fā)磁化是以小區(qū)域磁疇存在的。各磁疇方向不同雜亂排列時(shí)，總體不顯磁性。大而長的磁疇：主疇，沿晶體易磁化方向。副疇不沿磁化方向。相鄰磁疇的界限稱

48、為磁疇壁，主要分180°壁和90°壁。磁疇壁是一過渡區(qū)，有一定厚度。磁疇的形狀，尺寸、疇壁的類型和厚度總稱為磁疇結(jié)構(gòu)同一磁性材料，磁疇壁不同，磁疇結(jié)構(gòu)不同，磁化行為也不同，所以磁疇結(jié)構(gòu)差異是磁性差異的原因。技術(shù)磁化理論技術(shù)磁化過程，是外加磁場對磁疇的作用過程，即外加磁場將磁疇的磁矩的方向轉(zhuǎn)到外磁場方向的過程。兩種方式的技術(shù)磁化：磁疇壁的遷移磁疇的旋轉(zhuǎn)磁化曲線和磁磁滯回線是技術(shù)磁化的結(jié)果5.3.4磁化曲線和磁滯回線M-H或B-H曲線非線性是鐵磁性物質(zhì)的特征。磁化至飽和后，磁化強(qiáng)度不再隨外磁場的增加而增加。起始磁導(dǎo)率最大磁導(dǎo)率m。 退磁：隨H減小，M(B)減小.退磁過程中M的變

49、化落后于H的變化。該現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象。5.4 磁性材料的損耗磁芯在不可逆交流磁化過程中所消耗的能量，統(tǒng)稱為鐵芯損耗（鐵損），它由磁滯損耗、渦流損耗和剩余損耗三部分組成。渦流損耗：交變磁場 感應(yīng)電動(dòng)勢導(dǎo)致渦電流，渦電流的大小和電阻率成反比，磁疇壁處還產(chǎn)生內(nèi)部渦電流導(dǎo)致感生電動(dòng)勢抵消外磁場，從而引起趨膚效應(yīng)。磁滯回線所包圍的面積表征磁化一周時(shí)所消耗的功，稱為磁滯損耗Q 5.5 鐵氧體磁性材料鐵氧體是含鐵酸鹽的陶瓷磁性材料。通稱為鐵磁性物質(zhì)；鐵氧體一般都是多種金屬的氧化物復(fù)合而成，所以含有不同的磁矩，其磁性是兩磁短之和的體現(xiàn)，故嚴(yán)格來說是亞鐵磁性物質(zhì)；鐵氧體結(jié)構(gòu):尖晶石型、石榴石型、磁鉛石型、鈣鈦礦

50、型、鈦鐵礦型和鎢青銅型等6種。鐵氧體的晶體結(jié)構(gòu)鐵氧體是含鐵酸鹽的陶瓷磁性材料，即以氧化鐵為主要成分的強(qiáng)磁性氧化物，通稱為鐵磁性物質(zhì)；鐵氧體一般都是多種金屬的氧化物復(fù)合而成，所以含有不同的磁矩，其磁性是兩磁矩之和的體現(xiàn)，故嚴(yán)格來說是亞鐵磁性物質(zhì)；鐵氧體結(jié)構(gòu):尖晶石型、石榴石型、磁鉛石型、鈣鈦礦型、鈦鐵礦型和鎢青銅型等6種。尖晶石型鐵氧體尖晶石型鐵氧體的化學(xué)通式：M2+N23+O4,其晶體結(jié)構(gòu)中氧原子呈緊密堆積，陽離子分別填充在氧原子形成的部分四面體或八面體空隙中。正尖晶石型結(jié)構(gòu)：二價(jià)陽離子M填充1/8的四面體空隙中，三價(jià)陽離子N填充在1/2的八面體空隙中。反尖晶石型結(jié)構(gòu)：三價(jià)陽離子N一半填充在1

51、/8的四面體空隙中， 另一半與二價(jià)陽離子一起填充1/2的八面體空隙中。 Mg1-xMnxFe2O4中間型尖晶石：二價(jià)和三價(jià)陽離子同時(shí)既占據(jù)四面體空隙，也占據(jù)八面體空隙。一般說來，反尖晶石型鐵氧體具有亞鐵磁性，正尖晶石型鐵氧鐵為反鐵磁性磁鉛石型鐵氧體晶體結(jié)構(gòu)與天然磁鉛石 類似，屬六方晶系，分子式可寫成MeFe12O19，晶體結(jié)構(gòu)中的二價(jià)離子與氧離子 一起形成緊密堆積，其它離子填充其空隙，故其對稱性低于尖晶石。磁鉛石型鐵氧體具有較大的矯頑力，是磁性較強(qiáng)的硬磁材料。典型實(shí)例： 鋇鐵氧體 BaFe12O19石榴石型鐵氧體晶體結(jié)構(gòu)與天然石榴石 X3Y2SiO43類似的鐵氧體，屬于立方晶系，其中陽離子可占

52、據(jù)四面體、八面體和十二面體等大的空隙中，后者常為離子半徑大的稀土元素所占據(jù)。石榴石型鐵氧體具有優(yōu)異的磁性和介電性能，體積電阻高，損耗小，同時(shí)還具有一定的透光性，在微波、磁泡和磁光等領(lǐng)域是重要的磁性材料。實(shí)例： M3Fe5O125.5.1軟磁材料1）軟磁材料的特點(diǎn)是高的磁導(dǎo)率，高電阻，低的矯頑力和低鐵芯損耗。2）疇壁含有沉淀相和雜質(zhì)等不均勻相，它們對疇壁運(yùn)動(dòng)起釘扎作用。結(jié)果提高矯頑力，降低磁導(dǎo)率，提高了鐵芯損耗。3）用于需要反復(fù)磁化的場合及高頻。3）減小各向異性改善初始磁導(dǎo)率降低鐵芯損耗4）高頻應(yīng)用，渦流損失成為主要因素，鐵氧體電阻率高（是金屬的106倍）宜于高頻應(yīng)用。5）亞鐵磁性的鐵氧體，如含

53、鋅的尖晶石用于高頻軟磁材料主要應(yīng)用：電感線圈，小型變壓器，脈沖變壓器，中頻變壓器等的磁芯，錄音磁頭，磁放大器等。5.5.2 硬磁材料1）硬磁材料又稱永磁材料，指磁化后保持較強(qiáng)剩磁的材料，要求剩磁和矯頑力大。2）用最大磁積能（BH）max來反映硬磁材料儲(chǔ)有磁能的能力3）用途：在磁路系統(tǒng)中作永磁以產(chǎn)生恒定磁場 如揚(yáng)聲器，助聽器錄音磁頭。電視聚焦器，磁電式儀表。4）重要的鐵氧體硬磁材料鋇恒磁：BaFe12O19它比金屬者電阻大。5）磁疇轉(zhuǎn)向和疇壁移動(dòng)是磁化過程機(jī)理，晶粒小至單疇，則阻止疇壁移動(dòng)而只有磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)，提高 矯頑力；磁致晶粒取向使與外磁場 一致?？商岣呤４牛岣咦畲蟠欧e能。如銣鐵硼類金屬間化合物材料1）硬磁材料又稱永磁材料，指磁化后保持較強(qiáng)剩磁的材料，要求剩磁和矯頑力大。2）用最大磁積能（BH）max來反映硬磁材料儲(chǔ)有磁能的能力3）用途：在磁路系統(tǒng)中作永磁以產(chǎn)生恒定磁場 如揚(yáng)聲器，助聽器錄音磁頭。電視聚焦器，磁電式儀表。4）重要的鐵氧體硬磁材料鋇恒磁：BaFe12O19它比金屬者電阻大。5）磁疇轉(zhuǎn)向和疇壁移動(dòng)是磁化過程機(jī)理，晶粒小至單疇，則阻止疇壁移動(dòng)而只有磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)，提高 矯頑力；磁致晶粒取向使與外磁場 一致?？商岣呤４?，提高最大磁積能。如銣鐵硼類金屬間化合物材料5.5.3矩磁材料1）磁滯回線近似于矩形的材料2）用B-