材料物理性能-ppt課件

1、序論1.材料的性能問題回顧 研究材料和生產材料的目的材料 材料能否達到要求和優(yōu)劣、性能價格比（科技發(fā)展對材料的性能要求越來越高）。 對于每一實際應用的材料要求其具有一種或多種（綜合）性能。 有些場合要求材料某方面的指標越高越好，如超導材料：在努力提高其臨界溫度Tc，擴大其應用領域；有些場合要考慮其“性能價格比”，即達到使用要求即可。 那么，性能如何表征和測試、性能的物理本質、影響性能的因素、如何正確選擇材料和提高材料的性能是材料科學的基礎知識。 總之，我們使用和研究材料，必須首先對其性能要有充分的了解。 材料性能分類、概況？材料物理性能力學性能 在外力作用下所表現出的行為： 彈性變形、塑性變形

2、、斷裂彈性模量、硬度、強度、塑性、韌性、疲勞等等。作為結構材料最重要的性能指標。物理性能 由材料的物理本質所決定的性能，如電子能帶結構的不同決定材料導電性的不同等。是材料在熱、電、磁、光等作用下通過材料的物理本質所表現出的不同性能。如密度、熱膨脹性、導電性、磁性、導熱性、熔點等。作為功能材料最重要的性能指標。 化學性能 材料在一定環(huán)境條件下抵抗各種介質化學作用的能力。如耐腐蝕性能、抗氧化性能等。工藝性能 材料在不同制造工藝條件下所表現出來的承受加工的能力，是物理、化學性能的綜合。如鑄造性能、塑性加工性能、焊接性能、切削加工性能等。直接影響材料使用的方式、成本、生產效率等。材料的性能（使用性能和

3、工藝性能） 材料性能學是材科科學與工程一級學科專業(yè)基礎課。因為材料科學的根本任務是：材料制備、提高材料性能、開發(fā)性能優(yōu)異的新材料、研究材料的應用，以滿足各行業(yè)對材料性能要求日益提高的需要。最終歸結到材料性能上。 通過材料性能的學習，可以掌握材料性能的基本概念、物理本質、變化規(guī)律及性能指標的工程意義，了解影響材料性能的各種因素及材料性能與其化學成分、組織結構間的關系，掌握改善和提高材料性能、充分發(fā)揮材料性能潛力的主要途徑，同時了解材料性能的測試原理、方法及相關儀器設備。 只有這樣才能在合理選用材料、提高材料性能和開發(fā)新材料過程中具有必須的基本知識、基本技能和明確的思路。2.為什么要學習和研究材料

4、的性能工程材料按照其用途可分為：結構材料和功能材料 在以機械工業(yè)為主導的時代：主要使用結構材料，主要追求材料高強度、高韌性、耐高溫等，即材料力學性能。 當今人類進入了信息時代：功能材料越來越重要，發(fā)展迅速。如信息技術、電子計算機、機器人領域，太空、海洋等領域要求材料具有很高的功能性。材料物理性能是功能材料的基礎，如音像技術與材料的磁學性能有關、超導材料與材料的電性能相關、隔熱材料與材料的熱學性能相關、光導纖維與材料的光學性能有關等。 學習材料物理性能主要是為功能材料的研究和使用打基礎。3.本課程的學習目的、內容 學習熱學性能、電學性能、磁學性能和光學性能。 掌握基本概念： 有關概念與現象及表征

5、，如熱導率、磁疇、硬磁與軟磁材料、熱電效應、半導體的熱敏、光敏現象等等。物理本質： 如熱膨脹是怎么產生的，不同材料為什么有不同的磁性等。從材料原子結構、電子層、晶格運動等內部因素認識材料物理性能的本質和機理。影響因素、與化學成分及組織結構之間的關系： 如為什么合金熱導率較純金屬低？為什么陶瓷材料較金屬材料熱膨脹系數小？石墨與金剛石哪個熱膨脹系數大？為什么？等等。物理性能指標的工程意義： 物理性能指標在實際工程上有何應用。了解物理性能指標的測試方法和原理，相關儀器，試樣準備。注意：金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料表現出不同的物理性能，如材料熱穩(wěn)定性（耐熱震性）只對無機非金屬材料有意義，導電熱

6、敏效應只對半導體材料有意義等等。學習時將三大類材料物理性能的共性融合在一起，同時兼顧其個性。本課程學習的內容和要求材料物理性能 哈爾濱工業(yè)大學出版社 邱成軍等 TB303/Q712材料物理性能 機械工業(yè)出版社，陳騑騢 TB303/C417 金屬材料物理性能 冶金工業(yè)出版社 王潤 75.211 W35無機材料物理性能 清華大學出版社 關振鐸等 71.2241/460工程材料的性能、設計與選材 機械工業(yè)出版社，柴惠芬,石德珂編 71.22/501材料物理性能 中南大學出版社 龍毅，李慶奎，強文江參考書： 熱學性能：各種材料及其制品都是在一定溫度環(huán)境下使用的，在使用過程中將對不同的溫度做出反映，所表

7、現出的不同熱物理性能。 如環(huán)境溫度變化材料膨脹或收縮，同時吸收或放出熱量，但不同材料表現不同的值；材料各部分溫度不同時。 包括熱容、熱膨脹、熱傳導、熱穩(wěn)定性等等。本章學習這些熱學性能的有關概念、物理本質、影響因素、測量方法和工程意義。第一章 材料的熱學性能第1節(jié) 熱學性能的物理基礎1、各種熱學性能的物理本質 材料各種熱學性能的物理本質，均與晶格熱振動有關。晶格熱振動：固體材料（包括晶體和非晶體），點陣中的質點（原子、離子）實際上并不是固定不動的，而總是圍繞其平衡位置作微小振動。如金屬鋁、NaCl(面心立方)中離子。 熱振動的劇烈程度與溫度有關。溫度不太高時各質點在其平衡位置作微小振動，溫度升高

8、振動加劇，甚至產生擴散（非均質材料），溫度升至一定程度，振動周期破壞，材料熔化，晶體材料表現出固定熔點。 只討論溫度不太高時材料的熱學性能。溫度變化，質點熱振動變化，導致。第1節(jié) 熱學性能的物理基礎2、質點的簡諧振動方程 可將晶格熱振動分解成三個方向的線性振動。設每個質點的質量為m，在任一瞬間該質點在x方向的位移為xn。其相鄰質點的位移為xn-1 xn+1 。該質點的運動方程為： Em為微觀彈性模量。 相鄰質點振動位移間的關系。臨近質點的振動存在一定的相位差，即各質點的熱振動不是孤立的，與臨近質點存在相互作用。描述：說明：3、質點的熱振動與物體熱量 構成物體各質點熱運動動能的總和即為物體的熱量

9、。溫度升高，質點振動頻率和振幅增加，熱量增加。與熱容有關。4、聲頻支振動和光頻支振動 材料中質點間存在很強的相互作用力，一個質點的振動會影響其臨近質點的振動，進而影響到其它區(qū)域質點的振動。相鄰質點間的振動存在一定相位相差，即晶格振動以彈性波的形式在整個材料內傳播，這種彈性波稱為格波。彈性波是多頻率振動的組合波，頻率高者傳播較快。 聲頻支振動：振動質點中頻率甚低的格波，質點彼此之間位相差不大，則格波類似于彈性體中的應變波（與聲音頻率相當）。 光頻支振動：格波中頻率甚高的振動波，質點間位相差很大，鄰近質點的運動幾乎相反，頻率住往在紅外光區(qū)。 聲頻支振動可看成相鄰質點具有相同的振動方向；光頻支振動可

10、看成相鄰質點振動方向相反。 對于離子型晶體，正、負離子間存在相對振動，對于光頻支振動，異號離子間有反向位移，便構成了一個偶極子，在振動過程中此偶極子的偶極矩周期性變化，根據電動力學，它會發(fā)射電磁波，其強度決定于振幅大小。在室溫下，所發(fā)射的這種電磁波是微弱的，如果從外界發(fā)射相應頻率的紅外光，則會被晶體強烈吸收，從而激發(fā)總體振動。這就是離子晶體具有很強的紅外光吸收特性的原因。第1節(jié) 熱學性能的物理基礎第2節(jié) 材料的熱容1.熱容： 在沒有相變、化學反應的條件下，材料溫度升高1K所吸收的熱量。 單位J/K （在T溫度時）。 為什么溫度升高材料吸收熱量哪？（即熱容的物理本質是什么？）溫度升高，晶格熱振動

11、加劇，材料內能增加，若發(fā)生膨脹，還對外做功。影響物質熱容的因素：物質的性質、溫度、是否發(fā)生體積變化、電子。2. 比熱容（質量熱容）：單位質量材料的熱容，單位J/(Kg K)。 一、熱容的基本概念及其與溫度的關系（一）熱容的基本概念和物理本質3.摩爾熱容：1mol材料的熱容。單位：4.平均比熱容： 同種材料在不同溫度比熱容不同，工程上往往用單位質量的材料從溫度T1升高到T2所吸收熱量的平均值表示其熱容，稱平均比熱容 。較粗略，但工程上常用，使用時注意：溫度范圍。一、熱容的基本概念5.比定壓熱容和比定容熱容 比定壓熱容：材料溫度升高時，壓強恒定，所測得的比熱容。P內能焓 比定容熱容：材料溫度升高時

12、，體積恒定，所測得的比熱容。cp與cv哪個大？cpcv 原因？cp測量方便，cv更具理論意義。對于固體材料二者差別很小，可忽略，但高溫下差別增大。cp、cv與溫度之間的關系（三個階段）。 (1)經典熱容理論：固體中每一個自由度的振動（共3個）用諧振子表示，每個振動自由度平均動能和平均位能都為1/2kT(k為玻爾茨曼常數 1.3810-23，則每個原子平均動能和位能之和為：3 2 1/2kT3kT, 1mol原子的原子個數為N（阿佛加德羅常數 6.02 1023），1mol原子的總能量為： E3NkT3RT 3R3 8.31425J/Kmol 二、晶態(tài)固體熱容的經驗定律與經典理論19世紀提出，認

13、為熱容與溫度和材料種類無關。 1.元素的熱容定律杜隆伯替定律 恒壓下元素的原子熱容等于25J/molK，即晶態(tài)固體材料每含1mol原子，熱容為25J/molK。（舉例） (2) 實際上大部分元素的在常溫以上原子熱容接近該值，但對于輕元素與實際值差別較大。2. 化合物的熱容定律奈曼柯普定律 化合物的分子熱容等于構成此化合物各原子熱容之和。 雙原子固體：如NaCl、TiC 摩爾熱容？ 多原子固體：如H2O、 SiO2、CaSiO3 摩爾熱容？ 其來由是根據杜隆伯替定律，也是基于經典熱容理論。二、晶態(tài)固體熱容的經驗定律與經典理論 （1）認為熱容與溫度無關，與事實不符。實際上？ （2）低溫時、輕元素與

14、事實差別很大。 （3）認為所有元素熱容相同，構成化合物時，分子熱容等于各原子熱 容之和，與事實不完全相符。 （4）未考慮體積是否變化及電子的影響。 （5）除輕元素外大部分元素與固體物質在非低溫時與事實十分接近。3.熱容經驗定律評價原因：假設與前提問題，原子（各種元素） 在相同溫度下，平均動能、位能相等，模型過于簡化。 經驗定律和經典理論在解釋實際問題時不能與事實完全相符，因此出現了固體熱容的量子理論。3.熱容經驗定律評價三、晶態(tài)固體熱容的量子理論 晶態(tài)固體熱容的經典理論過于簡化，存在較多的問題。20世紀初期提出了晶態(tài)固體量子理論，能夠更好地解釋熱容現象。 普朗克首先提出了質點振動能量的“量子化

15、”理論。認為在一物體內，即使溫度相同，不同質點熱振動的頻率（）也不盡相同，即使同一質點能量也時大時小。但它們的能量都是量子化的，都以h為最小單位，稱量子能階。質點的能量都是這一最小單位的整數倍。 在此基礎上，經過簡化和推導，得到了一些熱容的數學模型，其中有代表性的為愛因斯坦模型和德拜模型。1.愛因斯坦模型 1906年愛因斯坦根據普朗克質點振動量子化的觀點，并假設每個質點都在獨立振動，原子間彼此無關，每個質點振動頻率相同，簡化、推導而得。 推導過程：略 注意愛因斯坦溫度E 進步：能量量子化、考慮到溫度因素。 討論：（1）當高溫時（TE ），Cv3R 即為杜隆伯替定律的形式，實際上杜隆伯替定律在較

16、高溫度 時與事實符合較好。 愛因斯坦模型中考慮到了頻率隨溫度和元素的變化，較杜隆伯 替定律精確。 1.愛因斯坦模型（2）低溫時（TE ）， 熱容以指數規(guī)律隨T減小而減小，但不是按T的三次方變化，計算值 較實際值小，但較經驗定律有明顯進步。（3）T0時，熱容為0，與事實相符。 評價： 三個方面的進步：考慮到的溫度、低溫、溫度趨于0時。 不足：在TE溫區(qū)理論值較實驗值下降得過快。 原因：前提、沒有考慮低頻率振動對熱容的貢獻。德拜模型在這一方面作了改進，故能得到更好結果。 前提：考慮了晶體中各質點的相互作用；對熱容的貢獻主要是頻率較低的聲頻支振動（0max），光頻支振動對熱容的貢獻很小，忽略；把晶體

17、看作連續(xù)介質； max由分子密度和聲速決定。 推導過程：略 注意德拜特征溫度D 進步：考慮到了晶體中各質點的相互作用。2. 德拜模型 討論：（1）高溫時（TD ），Cv3R，即杜隆伯替定律形式。同時考慮到了頻率隨溫度和元素的變化，一般溫度下，較杜隆伯替定律精確。（2）低溫時（TD ）， 表明T趨于0時，熱容與T的3次方成比例地趨于0，與事實十分符合，較愛因斯坦模型進步。 評價： 一般場合已足夠精確。但隨著測量技術的進步，發(fā)現其在低溫下還不能與實際完全相符；不能解釋超導現象；不完全適用于復雜化合物。 原因：晶體畢竟不是一個連續(xù)體（如晶界、雜質等缺陷）。對于金屬晶體，沒有考慮自由電子的貢獻等。四、

18、無機材料的熱容 1. 材料都有D （0.20.5T熔），D以上熱容逐漸趨于25J/molK，絕大多數氧化物、碳化物，至1273K附近熱容近似于25J/molK，溫度進一步增加熱容基本不變。 2.熱容與材料組織結構關系不大，如CaO和SiO2mol比為1：1的混合物與CaSiO3的熱容T曲線基本重合。但單位體積的熱容與氣孔率有關，多孔材料質輕，體積熱容小。因此周期加熱爐，用多孔的硅藻上磚、泡沫剛玉等，減少熱量損耗，加快升降溫速度。 3. 在相變、多晶轉化、鐵電轉變、有序無序轉變等點上，熱容突變。同樣金屬材料熔化與凝固、過飽和固溶體時效，馬氏體與殘余奧氏體回火轉變，形變金屬的回復、再結晶等溫度也存

19、在這一現象。原因？ 4.材料熱容與溫度關系的經驗公式 根據實驗結果加以整理，可得經驗公式： Cp abTcT2 一些無機材料在不同溫度范圍的 a、b、c可通過相關資料（如物理性能手冊）查出。工程上一般采用。 較高溫度下，若某物質的數據不能查得，工程上也常用查得的構成該化合物的元素或簡單化合物的熱容總和作為其熱容（如CaSiO3）。五、金屬材料的熱容 1.自由電子對熱容的貢獻 金屬的特征是內部有大量的自由電子。經典電子論估計自由電于對熱容的貢獻在32k（玻爾茨曼常數）數量級，且與溫度無關，金屬化合物、固溶體和中間相的熱容由點陣振動和自由電子兩部分組成。常溫下電子對熱容的貢獻只占1100；但在極高

20、溫度和極低溫度下，對熱容的貢獻不可忽視。這是因為高溫下電子像金屬晶體離子那樣顯著地參加到熱運動中，因此，高溫區(qū)隨溫度升高熱容繼續(xù)上升。極低溫下，電子熱容不像離子熱容那樣急劇減小，因而在極低溫度下起著主導作用。 2.合金成分對熱容的影響 合金的熱容是每個組成元素熱容與其質量百分比的乘積之和。溫度高于D時，計算出的熱容值與實測結果相差不超過4。該定律具有一定的普遍性，它不僅適用于金屬化合物、金屬與非金屬的化合物，并能準確地適用于中間相和固溶體及它們所組成的多相合金，但對鐵磁合金不適用。熱處理雖能改變合金組織，但對合金高溫下的熱容無明顯影響。 3.相變時熱容變化（自學）P9六、熱容的測量（自學）七、

21、熱分析及其工程應用（自學）第3節(jié) 材料的熱膨脹一、熱膨脹的概念及熱膨脹系數1.熱膨脹：物體的體積或長度隨溫度的升高而增大的現象。也就是所謂的 熱脹冷縮現象。 不同物質的熱膨脹特性不同。有的物質隨溫度變化有較大的體積變化，而另一些物質則相反。即使是同一種物質，晶體結構不同（如石英玻璃與SiO2晶體），也將有不同的熱膨脹性能，等等。 意義：集成電路、特燈等基體材料與金屬間的封接，復合材料，精密儀器等。選擇、設計膨脹性能滿足使用要求的材料。2.熱膨脹系數：1）線膨脹系數（1）物體溫度升高自T1T2，其長度增加自L1L2，則 即為T1T2溫度區(qū)間的平均線膨脹系數,單位：K 。表示物體在該溫度范圍內，溫

22、度每平均升高1個單位，長度的相對變化量。是材料在一個溫度范圍內的平均膨脹特性。工業(yè)上通常使用。1一、熱膨脹的概念及熱膨脹系數（2）當T和L0時，得 即T溫度下的真線膨脹系數，或微分線膨脹系數。（3） 一般隨溫度的升高而升高。 （4）手冊上查到的都是平均線膨脹系數，工程上一般使用，但一定注意其使用溫度范圍。（5）一般無機非金屬 較小，金屬材料較大。大多在105106K 1 數量級。如（106K 1）：Al:23.8（303273K）；鋼: 1020（273373K）；Cu:17.18（373K）Si:6.95（ 273373K）；SiC:4.7 （2731273K）；Si3N4:2.7 （273

23、1273K）；石英玻璃:0.5 （2731273K）。2）體積膨脹系數（體膨脹系數） 物體的體積隨溫度升高而增大，表示為：VT=V0(1+V T)， V即為平均體積膨脹系數。 表示物體溫度升高1K，體積的相對增大量。真體積膨脹系數？（1）各項同性立方體材料：V 3L 推導略。（2）各項異性立方體材料： 各晶軸方向的線性膨脹系數不同，分別為表示為：a、b、c 可得：V ab c 推導略。二、熱膨脹的機理 重點、難點 1.簡諧振動問題 前面將質點熱振動近似看作簡諧振動。即質點只圍繞其平衡位置做熱振動，溫度升高不改變其平衡位置，只影響振幅、頻率，質點間平均距離不因溫度升高而改變，這樣不會有熱膨脹，顯

24、然與實際不符，即簡諧振動不能解釋熱膨脹現象，只能揭示熱容的本質。那么熱膨脹是怎樣通過質點的熱振動產生的哪？（前面講過，材料各種熱學性能的物理本質，均與晶格熱振動有關）。 2.熱膨脹的物理本質（機理） 實際上物體溫度升高，由于質點振動的加劇，將引起質點平均距離增大，從而導致物體熱膨脹。(1)雙原子模型（從臨近質點間的相互作用力解釋）P18 圖1.16、1.17 先討論相鄰兩質點，以左質點為參照位置。兩質點間存在著相互作用力： 引力異性電荷之間的庫侖吸引力。 斥力同性電荷之間的庫侖排斥力泡利不相容原理引起的斥力。 引力與斥力都與質點間距有關：引力與斥力都隨質點間離減小而增大，但兩力不簡單地與位移成

25、正比。隨間距減小增大速度不同，斥力增加快，合力曲線斜率不等（平衡位置左側大，右側?。?，所以質點振動時其平均位置不在振動的平衡位置，而靠右。溫度升高，振幅增大，其平均位置偏離平衡位置靠右的距離越大，兩質點間的距離增大，晶胞參數增大，物體膨脹。(2)用勢能曲線解釋 P19 圖1.18 圖1.18為質點相作用的位能曲線（圖中虛線），圖中平行的橫線代表不同的溫度。任一溫度下，質點在其平衡位置動能最大，勢能為零；在左右最遠距離勢能最大，動能為零。隨溫度升高，質點振幅增大，左右側最大勢能都增加，但由于斥力增加的快，左側勢能增加較右側快，形成了勢能曲線的不對稱。因此，隨溫度的升高，質點的中心位置右移，質點間

26、的距離增大，物體膨脹。2.熱膨脹的物理本質（機理）1.與熱容之間的關系 格律乃森定律：物體的膨脹系數與定容熱容成正比（表達式見式1.40、1.41）。它們有相似溫度依賴關系，在低溫下隨溫度升高急劇增大，而到高溫則趨于平緩。圖1.19是鋁根據其理論關系所得的曲線與實測結果的對比，基本一致。 原因：固體的熱膨脹實質上是由于材料溫度升高晶格熱振動加劇引起的。振幅增加越大，熱膨脹越大，同時振動能量越大。而晶格熱振動加劇，質點振動能量增加，升高單位溫度能量的增加值正是熱容的定義。2.與原子結合能、熔點之間的關系 熱膨脹系數與熔點、原子間結合能、德拜溫度的平方成反比。 原因：固體材料的熱膨脹與晶體點陣中質

27、點的位能性質有關，質點的位能性質又由質點間的結合力特性決定。原子間結合力越強的材料，其位阱越深而狹（位能隨質點位移變化陡峭），升高同樣溫度，振幅增加越小，因此熱膨脹系數小。 一般，晶體結構類型相同時，結合能大的物質熔點高，所以熔點高的物質膨脹系數小。單質的熔點與元素周期表存在一定規(guī)律，所以膨脹系數與周期表也有相應關系。如：三、熱膨脹與其它物理性能之間的關系1.鍵強： 鍵強越大的材料膨脹系數越小，如陶瓷為共價或離子鍵，膨脹系數小。2.晶體結構： 化學組成同，但晶體結構不同，如石英玻璃與多晶石英。哪個大？ 結構緊密的晶體大，類似非晶態(tài)玻璃那樣結構松散的材料小。因結構疏松的材料內部空隙較多，溫度升高

28、，質點振幅增大，質點間距離的增大部分被結構內的空隙所容納，整個材料宏觀上小。 多晶石英：12106K 1； 石英玻璃：0.5106K 13.非等軸晶系的晶體 單晶體各晶軸方向不同，最顯著的是層狀結構材料。如石墨層內結合力強，小，1106K 1，層間結合力弱得多，大，27106K 1 。 多晶金屬材料，往往存在微晶的擇優(yōu)取向，在一定程度上表現出單晶的各相異性；一般結構上高度各相異性的材料， V都很小，因此作為優(yōu)良耐熱震材料被廣泛使用。4.相變 材料發(fā)生相變，膨脹特性也發(fā)生明顯變化，不同相變變化特征不同。 原因：材料晶型、晶體結構、結合鍵等都可能發(fā)生明顯變化。四、影響熱膨脹性能的因素5. 合金 單

29、相均勻固溶體合金 溶質元素膨脹系數高于溶劑基體時膨脹系數增加；溶質元素膨脹系數低于溶劑基體時膨脹系數降低。含量越高影響越大。因此其膨脹系數介于兩組元之間，隨溶質原子濃度變化近似呈直線變化，一般略低于直線值。 溶質元素的膨脹系數高于基體：如Cu-Zn、Sn；Fe-Mn、Sn等。 溶質元素的膨脹系數低于基體：如Ag-Au；Bi-Sb； Fe-Cr、V；Cu-Pd、Ni、Au；Al-Cu、Si、Ni、Fe等。 注意：Cu-Sb例外， Sb膨脹系數低于Cu，但使Cu膨脹系數增大，可能與其半金屬性有關。 多相合金 介于各組成相的膨脹系數之間，可近似按體積百分數以混合定則粗略估算。6.鋼 取決于組成相特性

30、：奧氏體最高。 鋼中合金元素影響：形成碳化物升高，固溶于鐵素體降低。四、影響熱膨脹性能的因素 熱膨脹系數是材料的一項重要熱學性能指標，在實際工程應用中具有重要意義。1.是決定材料抗熱震性的主要因素。2.陶瓷坯上釉， 二者應匹配。釉適當小于坯，燒結冷卻過程中，釉 層收縮小，使釉層中存在壓應力，提高釉層強度，防止裂紋產生。小 的太多也不行，會使釉層脫落。3.集成電路、電子管、特燈生產中。4.復合材料制備。5.精密儀器儀表。六、熱膨脹系數的測量（自學）七、膨脹分析的應用（自學）五、熱膨脹在工程中的意義一、熱傳導與熱導率的基本概念與定律1.熱傳導： 不同溫度的物體具有不同的內能；同一物體在不同的區(qū)域溫

31、度不等，含有的內能不同。這些不同溫度的物體或區(qū)域相互靠近或接觸時，就會以熱量的形式交換能量。 當材料相鄰部分間存在溫度差時，熱量從溫度高的區(qū)域自動流向溫度低的區(qū)域，這種現象叫熱傳導。 不同的材料導熱性能不同。工程應用上，有時希望材料的導熱性越差越好，如隔熱材料、保溫材料等；有時希望材料的導熱性越良越好，如散熱器材料、電子信息材料等。在熱能工程、制冷技術、工業(yè)爐設計等諸多技術領域，材料的導熱性都是非常重要的問題。 那么，材料的導熱性能好壞如何定量地比較、衡量哪？需引入“熱導率”的概念。第4節(jié) 材料的熱傳導2.傅里葉定律和熱導率 先分析一下在某一特定材料中的傳熱量與哪些因素有關： 溫度梯度：沿熱流

32、方向每單位長度的溫度變化量， 。矢量，規(guī)定其方向指向溫度升高的方向。 熱流密度：單位時間內通過與熱流垂直的單位面積的熱量，以“q”表示。 傅里葉定律：在固體內任何一點，熱流密度與溫度梯度成正比，但方向相反，即 即為熱導率，表示單位溫度梯度下，單位時間內通過單位截面積的熱量。 則，流過的與熱流垂直的某一截面的熱量（注意“”的意義）： 導熱率也稱為導熱系數，標志材料本質的導熱能力。單位：(根據其物理意義記）。 注意：利用傅里葉定律計算傳熱量時，只適用于穩(wěn)定傳熱過程，即x方向各處溫度恒定；只適用于各向同性材料，各向異性材料 不是定數。 金屬比非金屬導熱性能好，氣體是熱的絕緣體。 熱阻率（ ）：熱導率

33、的倒數。3.熱擴散率 前面討論的是穩(wěn)定傳熱過程，即傳熱過程中各處溫度不變。但比如工件在加熱爐內加熱時，各部分溫度不斷發(fā)生變化，即為不穩(wěn)定傳熱過程。加熱過程中，自工件表面逐漸向內部傳熱，這個工件溫度逐漸達到一致。那么溫度（熱焓）變化并達到一致的時間與哪些因素有關哪？導熱率、熱容與密度（儲熱能力）、體積形狀。 因此，引入導溫系數或熱擴散率（）的概念：表征材料隨溫度場的變化其溫度變化的速率， 。 為材料的密度，c為比熱容。在加熱或冷卻相同的條件下， 越大的材料各處溫度變化越快，溫差越小，達到溫度一致的時間越短。要計算出經多長時間才能使工件達到某一預定的均勻溫度，就需知道熱擴散率。 氣體導熱回憶：依靠

34、分子間的碰撞傳遞能量來實現。即氣體中溫度高的分子運動激烈，能量大；溫度低的分子能量小。通過碰撞，低能量分子能量升高溫度上升，高能量的分子能量降低溫度下降，從而實現傳熱。 固體中質點只能在其平衡位置附近做微小振動，不能象氣體一樣依靠質點間的直接碰撞來傳熱。依靠什么哪？主要依靠晶格振動的格波和自由電子?；貞浉癫ǖ母拍?。 二、熱傳導的物理機制（微觀機理）1.金屬材料 有大量的自由電子，可迅速實現傳熱，故一般很大。晶格振動對金屬導熱的貢獻很次要。2.非金屬材料 自由電子極少，導熱主要依靠晶格振動的格波。材料內存在溫度差時，晶格中處于較高溫度的質點熱振動較強烈，其臨近溫度較低的質點熱振動較弱。由于質點間

35、存在相互作用力，振動較弱的質點在振動較強的質點的影響下振動加劇，能量增加；振動較強的振動能量降低，使熱量發(fā)生轉移。這樣能量傳遞在整個材料內進行，從而實現傳熱。 溫度不太高時，質點振動微弱，頻率較低，相鄰質點間相位差小，格波頻率低，即主要是聲頻支振動，光頻支的能量很微弱，固體非金屬材料導熱光頻支的貢獻可以忽略。 為了研究方便，引入“聲子”的概念，即將晶格振動中的能量量子化，聲頻波中的量子稱為聲子。一個聲子的能量為h，這樣就可將聲頻支振動的格波理解為聲子的運動。把格波與物質的相互作用聲子與物質的碰撞；把格波傳播遇到的散射聲子與缺陷的碰撞；把理想晶體中熱阻的來源聲子與聲子的碰撞。1）聲子和聲子傳熱2

36、.非金屬材料 就是說熱傳導可理解為聲子運動的結果，就像氣體熱傳導中分子之間的碰撞一樣。它們的熱導率應具有同樣形式的數學表達式。 理想氣體熱導率公式： 。 c:單位氣體比熱容， :氣體分子平均速度， l:氣體分子平均自由程。 1）聲子和聲子傳熱 引申到晶體材料中： c：聲子比熱容， ：聲子平均速度， ：聲子平均自由程。 僅與晶體密度、彈性力學性質有關，與頻率無關。 c與 是頻率的函數，即與溫度有關。 c：與溫度的關系即物體熱容與溫度的關系。 l 的影響因素： 格波中耦合作用（振動中的非線性）越強，不同頻率格波傳播中相 互干擾越嚴重，聲子間碰撞越嚴重，l減小，熱導率降低。 晶體中缺陷、雜質即晶界都

37、會引起聲子散射， l減小，熱導率降低。 頻率越低，波長越大，傳播越易繞過缺陷， l大，熱導率降高。 溫度升高，聲子碰撞機會增多， l減小。但減小有限度，高溫下l最 小值為幾個晶格間距；反之，低溫時最大為一個晶粒尺寸。2）光子傳熱 光子： 固體中分子、原子和電子的振動、轉動等運動狀態(tài)的改變，會輻射出較高頻率的電磁波。波長0.440m（可見光與部分近紅外光區(qū)）。 此輻射線稱熱射線，熱射線的傳遞過程稱熱輻射。由于它們都在光頻范圍，其傳播過程和光在介質中傳播現象類似，也有散射、衍射、吸收、反射和折射，所以可把它們的導熱看做光子在介質中傳播。 溫度不太高時，熱輻射很微弱，但隨溫度升高，熱輻射急劇增大，與

38、T的四次方成正比。光子導熱就不可忽視。 光子導熱仍以 作基本形式。 宏觀解釋：材料中存在溫度梯度時，兩相鄰體積單元間溫度高的輻射能量大，吸收的能量??；溫度低的體積單元相反，這樣在整個材料中溫度從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳遞。 對于光子導熱，輻射透明的介質光子l大，反之光子l小。完全不透明的介質，光子l為零，輻射導熱可忽略。即還取決于材料光學性能。 2）光子傳熱 可見，材料依靠晶格熱振動的導熱有兩種機制，即聲子導熱與光子 導熱，溫度不太高時光子導熱可忽略，高溫時光子導熱不可忽視。三、熱導率的一般規(guī)律魏得曼-弗蘭茲定律內容： 室溫下的許多金屬材料 幾乎相同； 與溫度T成正比 L：稱為洛侖茲數，2.45 10

39、8W K2 意義： 熱導率的測定既困難又不準確，根據此公式可通過測定電導率來確 定金屬熱導率。四、影響材料的因素 1.溫度: 1)金屬與合金：（自學） 2)非金屬材料： 溫度不太高時，聲子導熱占主導，根據公式 ：基本不隨溫度變化，不考慮。 l：溫度極低時（020K左右)為上限，一個晶粒大小；隨溫度升高l降 低；較高溫度時趨于下限，幾個晶格間距。 c：為固體材料熱容隨溫度的變化規(guī)律。因此： 020K左右：l為上限， c正比于T的3次方，故正比于T的3次方。 約2040K：溫度升高， l降， c正比于T的3次方，故隨T升高而升 高，但不是正比于T的3次方。約40800K： c基本恒定， l降， 隨

40、T升高而降低。大于800K： c基本恒定， l為下限， 隨T變化平緩。很高溫度：光子導熱作用強， 隨T升高而升高。 畫出隨溫度變化曲線： 可見，對于一般的非金屬晶體材料，在常用溫度區(qū)間，隨溫度升而降。2.晶體結構影響復雜性： 晶體結構越復雜，對于聲子傳熱格波受到的散射越嚴重，傳播阻力越大，l降，減小。如MgAl2O4較Al2O4、MgO的小。非等軸晶系： 有各向異性，如石墨，層內大。隨溫度升高，各向差減小，因溫度升高，結構趨于對稱。多晶與單晶 同種材料多晶比單晶小。因多晶中晶界、缺陷多，聲子易散射，自由程減小。隨溫度升高，差值增大，因晶界、缺陷等對聲子阻礙作用增強，但單晶在溫度升高后光子導熱較

41、多晶明顯。非晶材料 較晶體材料小幾個數量級。因非晶近程有序，可看成晶粒極小的晶體（幾個晶格間距），為聲子自由程在極低溫度下的下限。即自由程實際不隨溫度變化，是晶體材料的下限，l小。四、影響材料的因素3.化學組成的影響 1）構成晶體的元素 一般組成元素的原子質量越小，晶體密度越小，彈性模量越大，德拜溫度越高，越大。故輕元素固體和結合能越大的固體較大。如： 2）固溶體： 固溶體形成， 減小。 原因： 趨勢圖：“U”形。 金屬：4.復合材料 “S”形。5.氣孔的影響（自學）6.金屬與合金： 冷加工、固溶強化、多相合金較無缺陷金屬小。四、熱導率的測量（自學）四、影響材料的因素第5節(jié) 材料的熱穩(wěn)定性一、

42、概念與表示方法1.熱穩(wěn)定性材料承受溫度的急劇變化而不致破壞的能力（又稱抗熱震性）。不同材料種類材料的熱穩(wěn)定性？無機材料及其它脆性材料： 熱穩(wěn)定性較差，制備、加工和使用過程中經常會受到環(huán)境溫度起伏的熱沖擊，熱穩(wěn)定性是無機材料的一個重要性能。（工程意義？） 材料受熱沖擊時的損壞有兩種類型： 抗熱沖擊斷裂性：抵抗熱沖擊時發(fā)生瞬時斷裂的能力（玻璃、陶瓷等）； 抗熱沖擊損傷性：熱沖擊循環(huán)作用下，材料表面開裂、剝落，并不斷發(fā)展， 最終碎裂或變質（含微孔的材料、非均質金屬陶瓷等）。注意與高溫性能和化學穩(wěn)定性的區(qū)別2.表示方法對于一具體材料，其熱穩(wěn)定性好壞如何衡量哪？工程上，不同材料采用不同的直觀、簡便的熱穩(wěn)

43、定性評定方法：日用瓷：一定規(guī)格的試樣加熱到一定溫度立即置于流動的室溫水中 急冷。逐次提高溫度和重復急冷，直至觀測到試樣發(fā)生龜裂， 以產生龜裂的前一次的溫度來表征其熱穩(wěn)定性。普通耐火材料:試樣加熱到1123K并保溫40 min 置于283293K的流 動水中3min或空氣中510min 重復這樣的操作，直至 試件失重20。以操作次數來表征其熱穩(wěn)定性。高溫陶瓷材料:以加熱到一定溫度后，在水中急冷，然后測其抗折強度 的損失率來評定它的熱穩(wěn)定性。 如制品形狀較復雜，則在可能的情況下，直接用制品進行測定，以免除形狀和尺寸帶來的影響。如高壓電瓷的懸式絕緣子等。 對于無機材料尤其是制品的熱穩(wěn)定性，尚需提出一

44、些評定的因子，以便從理論上分析其機理和影響因素。二、熱應力 無機非金屬材料為什么在熱沖擊條件下會發(fā)生開裂、損傷哪？ 其根本原因是材料在受到熱沖擊時產生熱膨脹或收縮引起的內應力（即熱應力）超過了材料力學極限而引起的。1.熱應力的產生LLL 對于長度為L的桿件，溫度自T0 T1，膨脹L，若桿件自由膨脹，桿件內無膨脹而產生的應力；若兩端剛性約束使其不能伸長，桿件所受壓應力相當于把樣品自由膨脹后長度(L+L)壓縮到L所需力。若T0T1,即冷卻過程,材料內應力為拉應力。2.具體材料中熱應力的存在 實際材料中并不是在以上所述兩端固定機械力的作用下才產生熱應力。 多相復合材料:各相熱膨脹系數不同,各相膨脹、

45、收縮不一致； 材料內存在溫度梯度：相鄰各部分膨脹、收縮不一致產生熱應力。如熱 玻璃板投入冷水，表面層收縮大產生張應力；內層收縮小產生壓應力。三、抗熱沖擊斷裂性能1.第一熱應力斷裂抵抗因子R 玻璃、陶瓷脆性材料為什么在熱沖擊條件下會發(fā)生瞬時斷裂哪？ 根據前面的分析，是由于在熱沖擊時材料內部產生的熱應力超過了材料強度極限引起的。即只要材料表面和中心間最大熱應力不超過f，材料就不會損壞。 （以熱應力f為判據） 材料表面和中心的溫差越大，內應力越大。顯然材料所能承受不致斷裂的最大溫差Tmax值愈大，熱穩(wěn)定性越好。可以用Tmax表征材料熱穩(wěn)定性。 理論計算得出： 定義R為第一熱應力斷裂抵抗因子或第一熱應

46、力因子。單位：。 f極限抗拉強度，泊松比，E彈性模量，線膨脹系數。2.第二熱應力斷裂抵抗因子R 第一熱應力因子只考慮到材料f、E。但材料是否出現熱應力斷裂，還與材料中應力的分布、產生的速率和持續(xù)時間，材料的特性（例如塑性、均勻性、馳豫性）以及原先存在的裂紋、缺陷等有關。因此，R雖然在一定程度上反映了材料抗熱沖擊性的優(yōu)劣，但并不全面。 第二熱應力因子又考慮到如下因素：（l）熱導率：愈大，傳熱愈快，熱應力很快緩解，對熱穩(wěn)定有利。（2）材料或制品的厚?。罕〉膫鳠嵬ǖ蓝?，容易很快使溫度均勻。材料 半厚以rm表示。（3）表面散熱速率（表面熱傳遞系數）h：材料表面溫度比周圍環(huán)境溫度 高1K，在單位表面積、

47、單位時間帶走的熱量。h大，散熱快，內外溫 差大，熱應力大。如窯內進風，降溫快，會使制品炸裂。2.第二熱應力斷裂抵抗因子R 考慮以上三因素，引入畢奧模量：hrm/?？梢?，越大，對熱穩(wěn)定性越不利。 實際驟冷時，由于馳豫等因素，材料內部產生的最大熱應力是滯后的。 即熱應力并不是馬上達最大值，且隨的不同，熱應力會有不同程度的折減。越小，滯后越多，折減越多。考慮到應力折減可導出：定義為第二熱應力斷裂抵抗因子。最大溫差 S為形狀系數，無限平板S1。3.材料最大冷卻速率與第三熱應力因子R 實際應用中，用材料允許的最大冷卻或加熱速率 表征其熱穩(wěn)定性更直接實用。 對于無限平板可導出： 其中 稱為第三熱應力因子。

48、 為密度，cp為熱容。四、抗熱沖擊損傷性 抗熱沖擊斷裂，以強度應力為判據，認為材料中熱應力達到抗張強度極限后就產生開裂。一旦有裂紋成核就會導致材料的完全破壞。這樣導出的結果只適用于一般的玻璃、陶瓷和電子陶瓷等。 但對于含微孔的材料（如粘士質耐火制品、建筑磚等）和非均質的金屬陶瓷等卻不適用。 這些材料在熱沖擊下產生裂紋時，在裂紋瞬時擴張過程中可能被微孔、晶界或金屬相所阻止，如果裂紋的擴展、蔓延能抑制在一個很小的范圍內，可能不致引起材料的完全斷裂。如一些筑爐用的耐火磚中，含1020氣孔率時反而具有最好的抗熱沖擊損傷性。而氣孔的存在會降低材料的強度和熱導率，而R和R值都要減小。這一現象按強度應力理論

49、就不能解釋。凡是以熱沖擊損傷為主的熱沖擊破壞都是如此。 因此，對抗熱震性問題就發(fā)展了第二種處理方式，從斷裂力學觀點出發(fā)，以彈性應變能斷裂能為判據的理論。 即含微孔材料、非均質金屬陶瓷熱沖擊情況下，裂紋的產生、擴展以及蔓延程度與材料積存的彈性應變能和裂紋擴展的斷裂表面能有關。四、抗熱沖擊損傷性 裂紋產生的動力：裂紋產生與擴展將釋放彈性應變能，減小體系能量； 阻力：裂紋產生與擴展將新增斷裂表面能，增大體系能量。 材料內積存的彈性應變能越小，原裂紋擴展可能性越小，抗熱應力損傷性越好；裂紋擴展所需斷裂表面能越大，裂紋蔓延程度越小，抗熱應力損傷性越好。 用彈性應變能釋放率倒數： 比較具有相同斷裂表面能的

50、材料的抗熱沖擊損傷性。 用 比較具有不同斷裂表面能的材料的抗熱沖擊損傷性 、 高的材料抗熱沖擊損傷性能好，它們與E成正比，與成反比。這與 、 、 相反。原因：二者判據不同。在抗熱應力損傷性中，認為強度高的材料，原有裂紋在熱應力的作用下容易擴展蔓延，對熱穩(wěn)定性不利，尤其在一些晶粒較大的樣品中經常會遇到這樣的情況。斷裂表面能五、提高抗熱沖擊斷裂性能的措施 主要根據抗熱沖擊斷裂因子所涉及到的各性能參數對熱穩(wěn)定性的影響。 1.提高，降低E，使/E 提高 實際無機材料不低，但E很大，尤其是普通玻璃更是如此；金屬材料大E小，例如鎢的斷裂強度比陶瓷高幾十倍。 同種材料晶粒細，晶界缺陷少，氣孔少而均勻則強度高

51、，抗熱沖擊性好。 2.提高，使 提高 大，內外溫差較快得到緩解平衡，減小熱應力聚集時間。金屬材料大，只有BeO可與金屬類比。 3.減小材料熱膨脹系數 相同溫差，熱應力小。如石英玻璃，很小，可作爐管等。 4.減小材料表面散熱系數h 周圍環(huán)境散熱條件特別重要，如燒成冷卻階段，維持降溫速度，表面不吹風。 5.減小材料有效厚度五、提高抗熱沖擊斷裂性能的措施 以上措施是針對密實性陶瓷材料、玻璃等，提高抗熱沖擊斷裂性能而言。 但對多孔、粗粒、干壓和部分燒結的制品，要從抗熱沖擊損傷性來考慮。如耐火磚的熱穩(wěn)定不夠，表現為層層剝落，這是表面裂紋、微裂紋擴展所致。材料具有高E和低的極限強度，材料具有更低的彈性應變

52、能釋放率；另一方面，提高材料的斷裂表面能。小結 1.材料的熱穩(wěn)定性（抗熱震性能） 為什么說它是無機非金屬材料的一項重要性能？ 2. 材料受熱沖擊損壞的兩種類型 分別適用于哪些材料？ 3. 工程上評定“日用瓷”、“普通耐火材料”、“高溫陶瓷材料”熱穩(wěn)定性好 壞通常分別采用的方法 4.材料受熱沖擊損壞的根本原因 5. 熱應力及其產生 6. 材料抗熱沖擊斷裂的判據，第一、二、三熱應力斷裂抵抗因子。 畢奧模量的概念。 7.材料抗熱沖擊損傷的判據，兩個抗熱應力損傷因子。 8. 提高抗熱沖擊斷裂性能的措施1.解釋名詞：格波、熱導率、熱應力2.為什么說材料熱學性能的物理本質都與晶格熱振動有關?3.為什么玻璃

53、的熱導率常低于晶態(tài)固體幾個數量級？4.什么是材料的熱穩(wěn)定性？如何提高材料的熱穩(wěn)定性？第一章 作業(yè)第二章 材料的電學性能第1節(jié) 材料的導電性一、電阻與電導基本概念 歐姆定律： 材料的電阻： 即材料的電阻與材料本性、尺寸有關。與長度成正比，與截面積成反比。 其中稱電阻率或比電阻，材料單位截面積、單位長度的電阻。 國際單位： ，只與材料本性有關，與其尺寸無關，用來評價不同材料的導電性能好壞。 電導率：電阻率的倒數，電導率越大，材料導電性越好。二、不同材料的導電性為什么不同材料之間導電性具有如此巨大的區(qū)別哪？可用能帶理論解釋。 導 體： 10 。 其中 純金屬：10 10 合金：10 10 。 半導體

54、：在10 10 。 絕緣體：10 。 元素周期表中： A、B族內殼層軌道填滿電子，最外層有1個s電子，具有最小的； 過渡金屬：大得多； B族： 范圍很寬。58775399第2節(jié) 晶體的能帶一、能帶理論及有關概念： 能帶理論認為，晶體中價電子是公有化的，其能量是量子化的，每個能級只能容納兩個自旋方向相反的電子。由于晶體中電子能級間的間隙很小，可以把能級分布看成是準連續(xù)的，稱為能帶。 但離子點陣所造成的勢場是不均勻的，電子在周期勢場中運動，隨位置變化其能量也呈周期性變化，接近正離子時勢能減小，離開時能量增大。這樣價電子在晶體中的運動就不是完全自由的，而受周期場的作用，并可能使價電子以不同能態(tài)分布的

55、能帶發(fā)生分裂，即某些能態(tài)電子不能取值。 能帶分裂的寬度叫能隙； 能帶對應的能隙叫禁帶； 相應地將電子可以取值的能級所組成的能帶稱為價帶； 價帶中未被填充電子的能級叫空能級； 具有空能級價帶中的電子是自由的，在外電場的作用下參與導電，這樣的價帶叫導帶。被填滿電子的價帶叫滿帶，滿帶中的電子無活動余地，不能參與導電。二、能帶理論解釋導體、半導體、絕緣體間導電性的區(qū)別：導體：價帶與導帶重疊，無禁帶。 或價帶未被電子填滿，這種價帶本身即為導帶。 這兩種情況下價電子都是自由的，就像金屬具有大量的 這樣的自由電子，所以具有很強的導電能力。導帶價帶價帶（導帶）半導體和絕緣體：滿價帶和空導帶之間具有禁帶。半導體

56、：禁帶寬度小，在熱、光等作用下，滿帶中的部分電子有可能獲得足夠的能量而越過禁帶到達其上面的空帶形成導帶，且滿帶中出現了電子留下的空穴。導帶中的電子和價帶中的空穴在電場作用下定向移動產生電流。參加導電的電子和空穴濃度相等，稱本征導電，這種半導體稱為本征半導體。 雜質對半導體的導電性影響很大，如Si中摻入十萬分之一的B，其導電性提高14倍。絕緣體：禁帶寬度很大，電子很難越過禁帶到達其上面的空帶，外電場的作用下幾乎不產生電流。價帶禁帶導帶價帶禁帶導帶第3節(jié) 金屬的導電性一、金屬的導電機制與馬基申定則 用量子理論和能帶理論可導出所有材料的電導率： 此式完整地反應了晶體導電的物理本質。 量子力學可以證明

57、，當電子波在絕對零度下通過一個理想的晶體點陣時，它將不會受到散射而無阻礙地傳播，即 無窮大，這時0，而為無窮大，即此時的材料是一個理想的導體。 材料電阻產生的本質：晶體點陣離子的熱振動及晶體點陣的不完整性（晶體中異類原子、位錯和點缺陷等）使晶體點陣的周期性遭到破壞，晶體中的電子波就會受到散射， 減小，導電性降低。 令 為散射系數，可導出： 即材料的電阻與散射系數成正比。 金屬電阻隨溫度升高而升高原因： 金屬材料隨溫度升高，離子熱振動的振幅增大，電子就愈易受到散射，可認為與溫度成正比，則也與溫度成正比。 金屬電阻包括： （1）基本電阻(T) ：對應聲子散射和電子散射兩機制，由熱 振動產生，與溫度

58、有關，0K時為0。 （2）殘余電阻殘 ：對應電子在雜質和缺陷上的散射機制， 0K 時金屬的電阻。反應了金屬純度和完整性。 馬基申定律 馬基申等人把固溶體電阻率看成由金屬基本電阻率(T)和殘余電阻殘組成。 即（T）殘 稱為馬基申定律。 馬基申定律忽略了電子各種散射機制間的交互作用，但簡明描述了合金的導電性，低濃度固溶體與實驗事實符合的很好。 根據馬基申定律，在高溫時金屬的電阻率基本上取決于(T) ，而在低溫時取決于殘。既然殘是電子在雜質和缺陷上的散射引起的，那么殘的大小就可以用來評定金屬的電學純度。 考慮到殘測量困難，實際上常采用相對電阻率(300K)/ (4.2K)的大小來評定金屬的電學純度。

59、晶體越純、越完善，相對電阻率越大。許多完整的金屬單晶相對電阻率可高達20000。 一、金屬的導電機制與馬基申定則二、影響金屬導電性的因素 1. 溫度 加熱時出現相變、回復、空位、再結晶以及合金相成分和組織的變化，這些都對金屬材料的電阻產生重要影響。 測量電阻與溫度的關系是研究這些現象和過程的一個重要方法。 (1)一般規(guī)律 絕對零度下純凈又無缺陷的金屬電阻率等于零，隨溫度升高金屬電阻率增加。理想晶體的電阻率是溫度的單值函數，若晶體中存在雜質和結構缺陷，電阻率與溫度的關系曲線將發(fā)生變化。 (T)與D 之間的關系 (T)在D 以上和以下與溫度有不同的函數關系： T D 時： T D時： 因此，當研制

60、具有一定電阻值和電阻溫度系數值的材料時，知道金屬在哪個溫區(qū)工作，怎樣控制和發(fā)揮其性能非常重要。 1. 溫度對純金屬導電性影響（1） 電阻溫度線性關系及電阻溫度系數 室溫和更高溫度下(T 2/3D ）： 過渡族以外的金屬 4103 過渡族金屬特別是磁性金屬較大，如鐵的6103 真電阻溫度系數 極低溫時（約2K以下） 電阻與溫度的平方成正比。 普通非過渡族金屬的電阻與溫度的 關系見右圖。 (2)過渡族金屬和多晶型轉變 過渡族金屬電阻與溫度間有著復雜的關系。 原因：在過渡族金屬中存在著不同的載體，傳導電子有可能從s-殼層向d-殼層過渡，可能對電阻帶來明顯的影響。 另外，在T D 時，s態(tài)電子在d態(tài)電