材料物理性能

1、本課程主要內(nèi)容（本課程主要內(nèi)容（Contents）v材料的電學(xué)性能材料的電學(xué)性能v材料的磁學(xué)性能材料的磁學(xué)性能v材料的光學(xué)性能材料的光學(xué)性能v材料的彈性與內(nèi)耗材料的彈性與內(nèi)耗v材料的熱學(xué)性能材料的熱學(xué)性能3 n電學(xué)部分最為重要、磁學(xué)其次，而后光學(xué)、力電學(xué)部分最為重要、磁學(xué)其次，而后光學(xué)、力學(xué)等，以教材為基礎(chǔ)，補(bǔ)充部分內(nèi)容，但本課學(xué)等，以教材為基礎(chǔ)，補(bǔ)充部分內(nèi)容，但本課程知識點(diǎn)很多，同學(xué)們需要預(yù)習(xí)，在課后及時程知識點(diǎn)很多，同學(xué)們需要預(yù)習(xí)，在課后及時復(fù)習(xí)。復(fù)習(xí)。n本課程成績組成：期末試卷本課程成績組成：期末試卷60%（閉卷）（閉卷）+平平時作業(yè)、考勤、問答（時作業(yè)、考勤、問答（20%）+隨堂實(shí)驗(yàn)隨

2、堂實(shí)驗(yàn)（20%）4 課程的知識要求課程的知識要求 n物理學(xué)物理學(xué) n化學(xué)化學(xué) n材料力學(xué)、固體物理導(dǎo)論、工藝學(xué)材料力學(xué)、固體物理導(dǎo)論、工藝學(xué) n材料的研究方法及表征材料的研究方法及表征 n物理化學(xué)等課程物理化學(xué)等課程5 n本科生學(xué)習(xí)：一方面是知識學(xué)習(xí)，另外一方面是方本科生學(xué)習(xí)：一方面是知識學(xué)習(xí)，另外一方面是方法的學(xué)習(xí)法的學(xué)習(xí)(學(xué)會自學(xué)）學(xué)會自學(xué)） v參考書：參考書：1熊兆賢熊兆賢材料物理導(dǎo)論材料物理導(dǎo)論北京：科學(xué)出版北京：科學(xué)出版社社2002年年2田蒔田蒔材料物理性能材料物理性能北京：北京航空航北京：北京航空航天大學(xué)出版社天大學(xué)出版社2004年年3關(guān)振鐸關(guān)振鐸無機(jī)材料物理性能無機(jī)材料物理性能北

3、京：清華北京：清華大學(xué)大學(xué)2001年年 課程的講授方法課程的講授方法材料科學(xué)的核心四面體材料科學(xué)的核心四面體前言（前言（Introduction) )物理性能是材料科學(xué)研究重要組成部分，材料科物理性能是材料科學(xué)研究重要組成部分，材料科學(xué)包括：制備與合成、性能、應(yīng)用學(xué)包括：制備與合成、性能、應(yīng)用 基礎(chǔ)是：物理學(xué)、化學(xué)等學(xué)科，是這些學(xué)科在材基礎(chǔ)是：物理學(xué)、化學(xué)等學(xué)科，是這些學(xué)科在材料性能方面的應(yīng)用料性能方面的應(yīng)用 無機(jī)材料的不同領(lǐng)域無機(jī)材料的不同領(lǐng)域 ：電子材料、：電子材料、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、要是由其結(jié)構(gòu)因素所決定的。材料的性能主要是由其結(jié)構(gòu)因素所決定的。 n材料性能是一種用于表征材料在給定的外界條件下材料性能是一種用于表征材料在給定的外界條件下的行為的參量。的行為的參量。 n研究方法有：經(jīng)驗(yàn)方法、機(jī)理（反映本質(zhì)的基本關(guān)研究方法有：經(jīng)驗(yàn)方法、機(jī)理（反映本質(zhì)的基本關(guān)系出發(fā)，建立物理模型等）系出發(fā)，建立物理模型等）n材料設(shè)計、計算材料學(xué)材料設(shè)計、計算材料學(xué)8 9 關(guān)系n現(xiàn)代材料科學(xué)在較大程度上依賴于現(xiàn)代材料科學(xué)在較大程度上依賴于與與其其及及之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。 n成分與結(jié)構(gòu)有從宏觀到微觀的各個不同層次，成分與結(jié)構(gòu)有從宏觀到微觀的各個不同層次，測試技術(shù)和表征技術(shù)是聯(lián)系它們的工具。測試

5、技術(shù)和表征技術(shù)是聯(lián)系它們的工具。10 研究目標(biāo)研究目標(biāo)設(shè)計設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)評價檢測評價檢測合成合成性能驗(yàn)證性能驗(yàn)證設(shè)計設(shè)計 依據(jù)依據(jù)性能測試性能測試組織表征組織表征供測試樣供測試樣微組織微組織 調(diào)節(jié)控制調(diào)節(jié)控制11 結(jié)構(gòu) ：晶體的結(jié)構(gòu)；晶體的缺陷；玻璃的：晶體的結(jié)構(gòu)；晶體的缺陷；玻璃的結(jié)構(gòu)；固體的表面結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)；固體的表面結(jié)構(gòu) ：在顯微鏡下直至電子顯微鏡下：在顯微鏡下直至電子顯微鏡下觀察到的結(jié)構(gòu)組織；包括：相種類、多少、分布、觀察到的結(jié)構(gòu)組織；包括：相種類、多少、分布、晶粒尺寸、形狀；氣孔大小和分布；雜質(zhì)、缺陷、晶粒尺寸、形狀；氣孔大小和分布；雜質(zhì)、缺陷、晶界等。晶界等。 12 性能 n材料

6、使用中表現(xiàn)有多少行為，就對應(yīng)有多少性能。材料使用中表現(xiàn)有多少行為，就對應(yīng)有多少性能。（結(jié)構(gòu)材料和功能材料的劃分）（結(jié)構(gòu)材料和功能材料的劃分） n外界條件不同，相同的材料也會有不同的性能。外界條件不同，相同的材料也會有不同的性能。n多數(shù)的性能都有量綱。為了便于學(xué)習(xí)、測試和研究，多數(shù)的性能都有量綱。為了便于學(xué)習(xí)、測試和研究，常采用不同的標(biāo)準(zhǔn)來劃分性能常采用不同的標(biāo)準(zhǔn)來劃分性能13 n化學(xué)性能：（化學(xué)性能：（1 1）抗氧化性能）抗氧化性能 （2 2）耐腐蝕性能）耐腐蝕性能 （3 3）抗渣、抗堿性能）抗渣、抗堿性能 n復(fù)雜性能（復(fù)雜性能（1 1）復(fù)合性能：高溫抗折強(qiáng)度、高溫蠕）復(fù)合性能：高溫抗折強(qiáng)度、

7、高溫蠕變強(qiáng)度等變強(qiáng)度等 （2 2）工藝性能：可塑性、流動性等）工藝性能：可塑性、流動性等 （3 3）使用性能：耐磨性等）使用性能：耐磨性等14 意義意義 導(dǎo)電性導(dǎo)電性LRS1 電阻電阻R的大小可以評價材料的導(dǎo)電性好壞。但對不同的材料的大小可以評價材料的導(dǎo)電性好壞。但對不同的材料，R 不僅與材料的性能有關(guān)，還與材料尺寸有關(guān)，即不僅與材料的性能有關(guān)，還與材料尺寸有關(guān)，即v 不同材料具有不同的導(dǎo)電性，根據(jù)材料導(dǎo)電性的好壞，不同材料具有不同的導(dǎo)電性，根據(jù)材料導(dǎo)電性的好壞，即按即按值的大小把材料進(jìn)行分類。值的大小把材料進(jìn)行分類。v 的為導(dǎo)體材料，其中純金屬的的為導(dǎo)體材料，其中純金屬的值為值為10-810

8、-7，合金的，合金的值為值為10-710-5；v值為值為10-3109的為半導(dǎo)體材料；的為半導(dǎo)體材料； 的為絕緣體材料。的為絕緣體材料。510m910mv晶體的能帶中，物質(zhì)的導(dǎo)電性反映為：晶體的能帶中，物質(zhì)的導(dǎo)電性反映為：(價帶：價帶：valence band; 導(dǎo)帶：導(dǎo)帶：conduction band; 禁帶：禁帶：band gap）導(dǎo)體與非導(dǎo)體的區(qū)別導(dǎo)體與非導(dǎo)體的區(qū)別 一是；二是價帶未被價電子填滿，所以這種。這兩種情況下的價電子就是自由電子，所以金屬導(dǎo)體即使在溫度較低的情況下仍有大量的自由電子，具有很強(qiáng)的導(dǎo)電能力。半導(dǎo)體和絕緣體的區(qū)別半導(dǎo)體和絕緣體的區(qū)別 v半導(dǎo)體和絕緣體的能帶圖的區(qū)別僅

9、是禁帶寬度的大小。（)v禁帶寬度的大小就影響到自由電子數(shù)量的多少，禁帶寬度小，自由電子多，反之就少。金屬的導(dǎo)電性v金屬的導(dǎo)電機(jī)制與馬基申定則金屬的導(dǎo)電機(jī)制與馬基申定則當(dāng)電子波在絕對零度下通過一個理想的晶體點(diǎn)陣時，當(dāng)電子波在絕對零度下通過一個理想的晶體點(diǎn)陣時，它將它將，這時，這時0，而，而為無窮大，即此時的材料是一個理想的導(dǎo)體。為無窮大，即此時的材料是一個理想的導(dǎo)體。 只有在晶體點(diǎn)陣的完整性以及由于晶體點(diǎn)陣離子的只有在晶體點(diǎn)陣的完整性以及由于晶體點(diǎn)陣離子的熱振動，晶體中的異類原子、位錯和點(diǎn)缺陷等使晶熱振動，晶體中的異類原子、位錯和點(diǎn)缺陷等使晶體點(diǎn)陣的周期性遭到破壞的地方，電子波才會受到體點(diǎn)陣的周

10、期性遭到破壞的地方，電子波才會受到散射，從而產(chǎn)生了阻礙作用，降低了導(dǎo)電性，這就散射，從而產(chǎn)生了阻礙作用，降低了導(dǎo)電性，這就是是所在。所在。v 散射系數(shù)散射系數(shù)和電阻率和電阻率成正比。對于金屬而言，溫度升高離子成正比。對于金屬而言，溫度升高離子熱振動的振幅愈大，電子就愈易受到散射，故可認(rèn)為熱振動的振幅愈大，電子就愈易受到散射，故可認(rèn)為與溫與溫度成正比，則度成正比，則也就與溫度成正比，這就是也就與溫度成正比，這就是。v 實(shí)際的晶體不但有雜質(zhì)，而且還存在缺陷。傳導(dǎo)電子的散射實(shí)際的晶體不但有雜質(zhì)，而且還存在缺陷。傳導(dǎo)電子的散射發(fā)生在電子聲子、電子雜質(zhì)原子以及與其他晶體點(diǎn)陣靜發(fā)生在電子聲子、電子雜質(zhì)原子

11、以及與其他晶體點(diǎn)陣靜態(tài)缺陷相碰撞的時候。理想金屬的電阻對應(yīng)著兩種散射機(jī)制態(tài)缺陷相碰撞的時候。理想金屬的電阻對應(yīng)著兩種散射機(jī)制（），可以看成為基本電阻。這個電阻），可以看成為基本電阻。這個電阻在絕對零度時降為零。第三種機(jī)制（在絕對零度時降為零。第三種機(jī)制（）在有缺陷的晶體中，是絕對零度下金屬的殘余電阻。）在有缺陷的晶體中，是絕對零度下金屬的殘余電阻。這個電阻反映了金屬的純度和完整性。這個電阻反映了金屬的純度和完整性。三種散射機(jī)制三種散射機(jī)制v聲子散射聲子散射v電子散射電子散射v電子在雜質(zhì)和缺陷上的散射電子在雜質(zhì)和缺陷上的散射馬基申定律（馬希森定則）馬基申定律（馬希森定則）Matthiessens

12、 rule v固溶體電阻率看成由金屬基本電阻率固溶體電阻率看成由金屬基本電阻率(T)和殘余電和殘余電阻率阻率殘殘組成。不同散射機(jī)制對電阻率的貢獻(xiàn)可以加組成。不同散射機(jī)制對電阻率的貢獻(xiàn)可以加法求和。這一導(dǎo)電規(guī)律稱為法求和。這一導(dǎo)電規(guī)律稱為，即，即（：偶然存在的雜質(zhì)原子及人工加入的合金：偶然存在的雜質(zhì)原子及人工加入的合金元素的原子；元素的原子；：指空位、間隙原子、位錯：指空位、間隙原子、位錯以及它們的復(fù)合體。）以及它們的復(fù)合體。） 馬基申定律成立的前提：忽略了電子各種散射機(jī)制馬基申定律成立的前提：忽略了電子各種散射機(jī)制間的交互作用間的交互作用 ( )iiT殘v高溫時金屬的電阻率基本上取決于高溫時金

13、屬的電阻率基本上取決于(T)，而在低，而在低溫時取決于溫時取決于殘殘。v殘殘的大小就可以用來評定金屬的電學(xué)純度。常常的大小就可以用來評定金屬的電學(xué)純度。常常采用相對電阻率采用相對電阻率(300K)/(4.2K)的大小來評定金的大小來評定金屬的電學(xué)純度。（晶體越純、越完善，相對電阻屬的電學(xué)純度。（晶體越純、越完善，相對電阻率越大）率越大）影響金屬導(dǎo)電性的因素影響金屬導(dǎo)電性的因素 v溫度溫度v受力情況受力情況v冷加工冷加工v晶體缺陷晶體缺陷v熱處理熱處理v幾何尺寸效應(yīng)幾何尺寸效應(yīng)溫度對金屬電阻的影響溫度對金屬電阻的影響 加熱時發(fā)生點(diǎn)陣熱振動和振幅的變化，出現(xiàn)相變、回加熱時發(fā)生點(diǎn)陣熱振動和振幅的變化，出現(xiàn)相變、回復(fù)、空位退火、再結(jié)晶以及合金相成分和組織的變化，這復(fù)、空位退火、再結(jié)晶以及合金相成分和組織的變化，這些現(xiàn)象往往對電阻的變化顯示出重要的影響。些現(xiàn)象往往對電阻的變化顯示出重要的影響。 另一方面，測量電阻與溫度的關(guān)系可以顯示電子散射另一方面，測量電阻與溫度的關(guān)系可以顯示電子散射的不同機(jī)制，同樣也顯示超導(dǎo)現(xiàn)象和引起鐵磁性反常的特的不同機(jī)制，同樣也顯示超導(dǎo)現(xiàn)象和引起鐵磁性反常的特殊性能。殊性能。v絕對零度下，純凈又無缺陷的金屬，其電阻率等于絕對零度下，純凈又無缺陷的金屬，其電阻率等于零。零。v隨溫度的升高金屬的電阻率也增加。隨溫度的升高金屬的