《材料物理性能》課程實施大綱

1、 材料物理性能課程實施大綱1教學(xué)理念1.1大學(xué)教學(xué)的特色大學(xué)教學(xué)，和中小學(xué)教學(xué)比較起來，有著鮮明的特色。首先，從學(xué)生的角度來看，大學(xué)生具有很強的自學(xué)能力，只要稍作引導(dǎo)，就能完成課程資源的學(xué)習(xí)。對于能力特別突出的優(yōu)異生，甚至可以完全自學(xué)。其次，中小學(xué)教師的職業(yè)特殊鮮明，一般來說，僅需保質(zhì)保量完成教學(xué)任務(wù)即可。而大學(xué)教師，除了完成教學(xué)任務(wù)以外，通常還要完成一定數(shù)量的科研工作。在教學(xué)過程中，需要做到，將科研融入教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題的能力，進(jìn)而形成科學(xué)的方法論。同時，在教學(xué)過程中，教師可以深化基層理論的學(xué)習(xí)，并升華出新的科研idea。綜上所述，大學(xué)教學(xué)，是教學(xué)和科研的有機(jī)結(jié)合。1.2關(guān)

2、注教學(xué)的有效性教學(xué)過程還要重視教學(xué)的有效性。教學(xué)效果應(yīng)以學(xué)生掌握知識的程度，靈活應(yīng)用知識的能力作為評判的標(biāo)準(zhǔn)。教學(xué)過程要求教師要有時間與效益的觀念。教師在教學(xué)時既不能跟著感覺走，又不能簡單地把“效益”理解為“花最少的時間教最多的內(nèi)容”。教學(xué)效益不取決于教師教多少內(nèi)容，而是取決于對單位時間內(nèi)學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果與學(xué)習(xí)過程綜合考慮的結(jié)果。為了檢驗教學(xué)的效果，可對教學(xué)的目標(biāo)和結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)?shù)牧炕?，科學(xué)地將定量與定性，結(jié)果與過程相結(jié)合從而全面地檢驗“教”與“學(xué)”的效果。1.3關(guān)注教學(xué)的策略為了達(dá)到有效的教學(xué)，教學(xué)過程應(yīng)采用適宜的策略。教學(xué)策略是對完成特定教學(xué)目標(biāo)而采取的教學(xué)活動程序、方法、形式和媒體等因素的總

3、體考慮。怎樣操作才能使教學(xué)取得更好的效果，這是教學(xué)策略所追求的目標(biāo)。在教學(xué)過程中，必須重視教學(xué)策略的使用。例如：為了提高學(xué)生對該們課程的興趣，我們可以回避一味的講解本課程重要作用，而提出一個與生活密切相關(guān)的問題，讓學(xué)生提出解決的方案；再與該課程中給出的方案相對比，讓學(xué)生自己體會建立在基本理論之上的方法的科學(xué)性和有效性，從而激發(fā)學(xué)生對該課程的興趣。1.4關(guān)注教學(xué)價值觀教學(xué)的過程應(yīng)有自身的教學(xué)價值觀。教學(xué)的過程不應(yīng)只是知識的傳授，更應(yīng)重視培養(yǎng)學(xué)生的個體主動性。個體主動性應(yīng)表現(xiàn)為學(xué)生對自身的發(fā)展進(jìn)行主動的思考、批判和選擇，能自我策劃過程和付諸實施。當(dāng)學(xué)生具有了對自身發(fā)展的主動性時，就具有了主動把握自

4、己人生和命運的意識和能力。個體主動性是實現(xiàn)生命價值，獲取幸福人生的內(nèi)在保證。因此，培養(yǎng)學(xué)生的個體主動性是教育教學(xué)的最根本的任務(wù)。2課程介紹本課程系統(tǒng)講述材料的導(dǎo)電性、熱性能、磁性能、介電特性、彈性和滯彈性、聲學(xué)性能、光學(xué)性能、核物理性能。介紹各種性能的原理及微觀機(jī)理，性能的測定方法以及控制和改善性能的措施，各種材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，各性能之間的相互制約與變化規(guī)律。3教師簡介 3.3研究興趣金屬材料塑性變形機(jī)理、計算材料學(xué)4先修課程高等數(shù)學(xué)、普通物理、無機(jī)化學(xué)、材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)5課程目標(biāo)使同學(xué)們理解能帶結(jié)構(gòu)，材料的導(dǎo)電性、熱性能、磁性能、介電特性、彈性和滯彈性、光學(xué)性能、核物理等性能。了解影響

5、材料性能的主要因素及材料性能與其化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，基本掌握改善或提高材料性能指標(biāo)、充分發(fā)揮材料性能潛力的主要途徑，以及材料或機(jī)件失效的基本分析方法，同時對材料性能測試原理、方法以及相關(guān)儀器設(shè)備有所了解，以培養(yǎng)學(xué)生具有合理選材用材、開發(fā)新型材料的必要的基礎(chǔ)知識和基本技能。6課程內(nèi)容章次教學(xué)內(nèi)容授課學(xué)時一能帶結(jié)構(gòu)2二材料的導(dǎo)電性3三材料的介電性能3四材料的彈性與滯彈性2五馬氏體相變與形狀記憶合金2六核物理與核反應(yīng)堆2七材料的輻照效應(yīng)與核電材料3八材料的磁性能3九材料的光學(xué)性能4十碳納米管與石墨烯2課程小節(jié)2合計307.課程實施7.1教學(xué)單元一 7.1.1教學(xué)安排 2學(xué)時7.1.2教學(xué)目

6、標(biāo)掌握能帶的基本概論，產(chǎn)生能帶的原因。7.1.3教學(xué)內(nèi)容（含重點、難點）重點：氫原子的能級難點：分子軌道理論、一維周期結(jié)構(gòu)的能帶7.1.4教學(xué)過程1.氫原子能級按經(jīng)典電磁理論(19世紀(jì)末以前建立的物理學(xué)通常叫做經(jīng)典物理學(xué))，電子繞核轉(zhuǎn)動具有加速度，加速運動著的電荷(電子)要向周圍空間輻射電磁波，電磁波頻率等于電子繞核旋轉(zhuǎn)的頻率，隨著不斷地向外輻射能量，原子系統(tǒng)的能量逐漸減少，電子運動的軌道半徑也越來越小，繞核旋轉(zhuǎn)的頻率連續(xù)增大，電子輻射的電磁波頻率也在連續(xù)地變化，因而所呈現(xiàn)的光譜應(yīng)為連續(xù)光譜。2.分子軌道理論分子軌道理論（MO理論）是處理雙原子分子及多原子分子結(jié)構(gòu)的一種有效的近似方法，是化學(xué)鍵

7、理論的重要內(nèi)容。它與價鍵理論不同，后者著重于用原子軌道的重組雜化成鍵來理解化學(xué)，而前者則注重于分子軌道的認(rèn)知，即認(rèn)為分子中的電子圍繞整個分子運動。1932年，美國化學(xué)家 Robert S. Mulliken和德國化學(xué)家Friedrich Hund 提出了一種新的共價鍵理論分子軌道理論（molecular orbital theory），即MO法。該理論注意了分子的整體性，因此較好地說明了多原子分子的結(jié)構(gòu)。目前，該理論在現(xiàn)代共價鍵理論中占有很重要的地位。原子在形成分子時，所有電子都有貢獻(xiàn)，分子中的電子不再從屬于某個原子，而是在整個分子空間范圍內(nèi)運動。在分子中電子的空間運動狀態(tài)可用相應(yīng)的分子軌道波

8、函數(shù)（稱為分子軌道）來描述。3.一維周期結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)1）、電子軌道和波函數(shù)有一一對應(yīng)的關(guān)系。2）、每個波函數(shù)有不同的波矢量。3）、波矢量：表“示波的運動方向”和“波長的倒數(shù)?！保ㄒ氲箍臻g的根源）7.1.5教學(xué)方法課堂講授和提問，案例講解。7.1.6課前準(zhǔn)備情況及其他相關(guān)特殊要求提前了解量子力學(xué)方面的基礎(chǔ)知識。7.2教學(xué)單元二 7.2.1教學(xué)安排 3學(xué)時7.2.2教學(xué)目標(biāo)掌握導(dǎo)電性的基本概念、導(dǎo)電性的物理本質(zhì)。熟悉材料的導(dǎo)電機(jī)理分析，材料導(dǎo)電性的影響因素及影響規(guī)律。了解材料導(dǎo)電性的測量及應(yīng)用。7.2.3教學(xué)內(nèi)容（含重點、難點）重點：導(dǎo)電性的基本概念、導(dǎo)電性的物理本質(zhì)。難點：材料的導(dǎo)電機(jī)理分析

9、，材料導(dǎo)電性的影響因素及影響規(guī)律。7.2.4教學(xué)過程1.導(dǎo)電性的基本概念物體傳導(dǎo)電流的能力叫做導(dǎo)電性。各種金屬的導(dǎo)電性各不相同，通常銀的導(dǎo)電性最好，其次是銅和金。1 固體的導(dǎo)電是指固體中的電子或離子在電場作用下的遠(yuǎn)程遷移，通常以一種類型的電荷載體為主，如：電子導(dǎo)體，以電子載流子為主體的導(dǎo)電；離子導(dǎo)電，以離子載流子為主體的導(dǎo)電；混合型導(dǎo)體，其載流子電子和離子兼而有之。除此以外，有些電現(xiàn)象并不是由于載流子遷移所引起的，而是電場作用下誘發(fā)固體極化所引起的，例如介電現(xiàn)象和介電材料等。物體導(dǎo)電的能力：一般來說金屬、半導(dǎo)體、電解質(zhì)溶液或熔融態(tài)電解質(zhì)和一些非金屬都可以導(dǎo)電。非電解質(zhì)物體導(dǎo)電的能力是由其原子外

10、層自由電子數(shù)以及其晶體結(jié)構(gòu)決定的，如金屬含有大量的自由電子，就容易導(dǎo)電，而大多數(shù)非金屬由于自由電子數(shù)很少，故不容易導(dǎo)電。石墨導(dǎo)電，金剛石不導(dǎo)電，這就是晶體結(jié)構(gòu)原因。電解質(zhì)導(dǎo)電是因為離子化合物溶解或熔融時產(chǎn)生陰陽離子從而具有了導(dǎo)電性。2.導(dǎo)電機(jī)理經(jīng)典自由電子導(dǎo)電理論1)、價電子是自由的2)、價電子之間沒有交互作用3)、價電子和離子實（原子核+內(nèi)層電子）之間沒有交互作用。4)、電子能量滿足波爾茲曼分布。波爾茲曼分布量子導(dǎo)電理論1)、自由電子在均勻的等勢場中以粒子波的形式運動；2)、電子的能量是量子化的，能級是準(zhǔn)連續(xù)的；3)、電子按能級的分布規(guī)律遵循費米狄拉克統(tǒng)計分布規(guī)律；4)、價電子（自由電子）中

11、只有一部分電子在受到外部能量的激發(fā)躍遷到費米能級以上的允許能級時，才能成為直正意義的自由電子有效電子。費米狄拉克分布3.影響導(dǎo)電性的因素影響導(dǎo)電性的因素包括1）、原子結(jié)構(gòu)2）、晶體結(jié)構(gòu)3）、晶體缺陷4）、溫度5）、壓力4.應(yīng)用舉例1）、測量固溶體溶解度曲線2）、研究合金時效7.2.5教學(xué)方法課堂講授和提問，案例講解。7.2.6課前準(zhǔn)備情況及其他相關(guān)特殊要求提前預(yù)習(xí)材料導(dǎo)電性能方面的內(nèi)容7.3教學(xué)單元三 7.3.1教學(xué)安排 3學(xué)時7.3.2教學(xué)目標(biāo)掌握電介質(zhì)，極化，介電常數(shù)，電介質(zhì)的擊穿的概念。了解常見電介質(zhì)材料的基本原理及其應(yīng)用范圍。7.3.3教學(xué)內(nèi)容（含重點、難點）重點： 常見介電材料及其應(yīng)

12、用難點：電介質(zhì)，極化，介電常數(shù)，極化機(jī)制。7.3.4教學(xué)過程1.電介質(zhì)介電材料和絕緣材料是電子和電氣工程中不可缺少的功能材料, 它主要應(yīng)用材料的介電性能。這一類材料總稱為電介質(zhì)。本章主要介紹電介質(zhì)的介電性能, 包括介電常數(shù)、介電損耗、介電強度及其隨環(huán)境( 溫度、濕度、輻射等)的變化規(guī)律, 并介紹鐵電性、壓電性及其應(yīng)用等。電場作用下，能建立極化的一種物質(zhì)；放在平板電容器中能增加電容的材料。陶瓷、玻璃、聚合物是常用的電介質(zhì)絕緣體，不導(dǎo)電，使電容增大導(dǎo)體中含有許多可以自由移動的電子或離子。然而也有一類物質(zhì)的電子被束縛在自身所屬的原子核周圍或夾在原子核中間，這些電子可以相互交換位置，多少活動一些，但是

13、不能到處移動，就是所謂的非導(dǎo)體或絕緣體。絕緣體不能導(dǎo)電，但電場可以在其中存在，并且在電學(xué)中起著重要的作用電介質(zhì)包括氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)等范圍廣泛的物質(zhì)，也包括真空。固態(tài)電介質(zhì)包括晶態(tài)電介質(zhì)和非晶態(tài)電介質(zhì)兩大類，后者包括玻璃、樹脂和高分子聚合物等，是良好的絕緣材料。凡在外電場作用下產(chǎn)生宏觀上不等于零的電偶極矩，因而形成宏觀束縛電荷的現(xiàn)象稱為電極化，能產(chǎn)生電極化現(xiàn)象的物質(zhì)統(tǒng)稱為電介質(zhì)。電介質(zhì)的電阻率一般都很高，被稱為絕緣體。有些電介質(zhì)的電阻率并不很高，不能稱為絕緣體，但由于能發(fā)生極化過程，也歸入電介質(zhì)。2.極化在正極板附近的介質(zhì)板上出現(xiàn)負(fù)電荷；在負(fù)極板附近的介質(zhì)板上出現(xiàn)正電荷（束縛電荷）；電介質(zhì)極化電

14、介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生束縛電荷的現(xiàn)象；極化的作用作用：使電容器增加了電荷存儲能力，增加電容3.介電常數(shù)介電常數(shù)（又稱電容率），以表示，=r*0，0為真空絕對介電常數(shù)，0=8.85*10(-12)F/m。需要強調(diào)的是，一種材料的介電常數(shù)值與測試的頻率密切相關(guān)。介質(zhì)在外加電場時會產(chǎn)生感應(yīng)電荷而削弱電場，原外加電場（真空中）與介質(zhì)中電場的比值即為相對介電常數(shù)(relative permittivity或dielectric constant)，又稱誘電率，與頻率相關(guān)。介電常數(shù)是相對介電常數(shù)與真空中絕對介電常數(shù)乘積。如果有高介電常數(shù)的材料放在電場中，電場的強度會在電介質(zhì)內(nèi)有可觀的下降。理想導(dǎo)體的相對介電

15、常數(shù)雖然為1，但是由于無窮大的電導(dǎo)率導(dǎo)致趨膚深度為零，所以內(nèi)部場強總為零形成電磁屏蔽。4.電介質(zhì)擊穿當(dāng)陶瓷或聚合物用于工程中做絕緣材料、電容器材料和封裝材料時, 通常都要經(jīng)受一定的電壓梯度的作用, 如果材料發(fā)生短路, 則這些材料就失效了。人們稱這種失效為介電擊穿。引起材料擊穿的電壓梯度( V/ cm)稱為材料的介電強度或介電擊穿強度。電介質(zhì)擊穿強度受許多因素影響, 因此變化很大。這些影響因素有: 材料厚度、環(huán)境溫度和氣氛、電極形狀、材料表面狀態(tài)、電場頻率和波形、材料成分和孔隙度、晶體各向異性、非晶態(tài)結(jié)構(gòu)等。5.常見介電材料及應(yīng)用壓電材料：受到壓力作用時會在兩端面間出現(xiàn)電壓的晶體材料。1880年

16、，法國物理學(xué)家P. 居里和J.居里兄弟發(fā)現(xiàn)，把重物放在石英晶體上，晶體某些表面會產(chǎn)生電荷，電荷量與壓力成比例。這一現(xiàn)象被稱為壓電效應(yīng)。隨即，居里兄弟又發(fā)現(xiàn)了逆壓電效應(yīng)，即在外電場作用下壓電體會產(chǎn)生形變。壓電效應(yīng)的機(jī)理是：具有壓電性的晶體對稱性較低，當(dāng)受到外力作用發(fā)生形變時，晶胞中正負(fù)離子的相對位移使正負(fù)電荷中心不再重合，導(dǎo)致晶體發(fā)生宏觀極化，而晶體表面電荷面密度等于極化強度在表面法向上的投影，所以壓電材料受壓力作用形變時兩端面會出現(xiàn)異號電荷。反之，壓電材料在電場中發(fā)生極化時，會因電荷中心的位移導(dǎo)致材料變形。熱電材料：熱電材料是一種能將熱能和電能相互轉(zhuǎn)換的功能材料，1823年發(fā)現(xiàn)的塞貝克效應(yīng)和1

17、834年發(fā)現(xiàn)的帕爾帖效應(yīng)為熱電能量轉(zhuǎn)換器和熱電制冷的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。隨著空間探索興趣的增加、醫(yī)用物理學(xué)的進(jìn)展以及在地球難于日益增加的資源考察與探索活動，需要開發(fā)一類能夠自身供能且無需照看的電源系統(tǒng)，熱電發(fā)電對這些應(yīng)用尤其合適。鐵電材料：鐵電材料，是指具有鐵電效應(yīng)的一類材料，它是熱釋電材料的一個分支。鐵電材料及其應(yīng)用研究已成為凝聚態(tài)物理、固體電子學(xué)領(lǐng)域最熱門的研究課題之一7.3.5教學(xué)方法課堂講授和提問，案例講解。7.3.6課前準(zhǔn)備情況及其他相關(guān)特殊要求提前預(yù)習(xí)并思考電介質(zhì)和導(dǎo)體的本質(zhì)區(qū)別？7.4教學(xué)單元四 7.4.1教學(xué)安排 2學(xué)時7.4.2教學(xué)目標(biāo)掌握胡克定律，彈性模量，滯彈性，內(nèi)耗的概

18、念。理解材料彈性、滯彈性的概念及物理本質(zhì)，彈性、滯彈性與材料賦役性能之間的關(guān)系。7.4.3教學(xué)內(nèi)容（含重點、難點）重點：胡克定律，彈性模量，滯彈性，內(nèi)耗的概念。難點：材料彈性、滯彈性的概念及物理本質(zhì)，彈性、滯彈性與材料賦役性能之間的關(guān)系。7.4.4教學(xué)過程1. 材料的彈性（胡克定律）胡克定律，曾譯為虎克定律，是力學(xué)彈性理論中的一條基本定律，表述為：固體材料受力之后，材料中的應(yīng)力與應(yīng)變（單位變形量）之間成線性關(guān)系。滿足胡克定律的材料稱為線彈性或胡克型（Hookean）材料。材料彈性的影響因素：1）溫度2）相變3）合金成分4）織構(gòu)2.彈性模量一般地講，對彈性體施加一個外界作用，彈性體會發(fā)生形狀的改

19、變（稱為“應(yīng)變”），“彈性模量”的一般定義是：應(yīng)力除以應(yīng)變。材料在彈性變形階段，其應(yīng)力和應(yīng)變成正比例關(guān)系（即符合胡克定律），其比例系數(shù)稱為彈性模量。彈性模量的單位是達(dá)因每平方厘米。“彈性模量”是描述物質(zhì)彈性的一個物理量，是一個統(tǒng)稱，表示方法可以是“楊氏模量”、“體積模量”等。3.滯彈性在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)變落后于應(yīng)力的行為稱為滯彈性。它是相對于彈性現(xiàn)象而言的，如果受載物體上的應(yīng)力與應(yīng)變同步，兩者據(jù)有單值函數(shù)關(guān)系且服從胡克定律，這樣的物體稱為理想線彈性體。滯彈性體的彈性模量不再為常數(shù)，彈性模量分為動彈性模量和靜彈性模量兩部分，把這兩者的相對差值（E/E）稱為模量虧損。由于滯彈性的存在，會產(chǎn)生內(nèi)耗（在

20、機(jī)械振動過程中由于滯彈性造成的震動能量的損耗，機(jī)械能散發(fā)為熱能的現(xiàn)象。）滯彈性很大的金屬材料是極少數(shù)(如GCr15,1Cr18Ni9Ti等),多數(shù)材料的滯彈性很小,4.內(nèi)耗是指材料在彈性范圍內(nèi)由于其內(nèi)部各種微觀因素的原因致使機(jī)械能逐漸轉(zhuǎn)化成為材料內(nèi)能的現(xiàn)象。7.4.5教學(xué)方法課堂講授和提問。7.4.6作業(yè)安排及課后反思提前預(yù)習(xí)，并對比應(yīng)力應(yīng)變回線和磁滯回線，嘗試思考它們的類似之處。7.5教學(xué)單元五 7.5.1教學(xué)安排 2學(xué)時7.5.2教學(xué)目標(biāo)了解馬氏體相變的基本原理。掌握形狀記憶合金的記憶機(jī)制。熟悉形狀記憶合金的應(yīng)用范圍。7.5.3教學(xué)內(nèi)容（含重點、難點）重點：形狀記憶合金的記憶機(jī)制。形狀記憶

21、合金的應(yīng)用范圍。難點：馬氏體相變的基本原理。7.5.4教學(xué)過程1.馬氏體相變馬氏體最初是在鋼中發(fā)現(xiàn)的：將鋼加熱到一定溫度后經(jīng)迅速冷卻，得到的能使鋼變硬、增強的一種淬火組織。1895年法國人奧斯蒙為紀(jì)念德國冶金學(xué)家馬滕斯，把這種組織命名為馬氏體。人們最早只把鋼中由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的相變稱為馬氏體相變。20世紀(jì)以來，對鋼中馬氏體相變的特征累積了較多的知識，又相繼發(fā)現(xiàn)在某些純金屬和合金中也具有馬氏體相變，如：Ce、Co、Hf、Hg、La、Li、Ti、Tl、Pu、V、Zr、和Ag-Cd、Ag-Zn、Au-Cd、Au-Mn、Cu-Al、Cu-Sn、Cu-Zn、In-Tl、Ti-Ni等。目前廣泛地把基本

22、特征屬馬氏體相變型的相變產(chǎn)物統(tǒng)稱為馬氏體。馬氏體相變具有可逆性。當(dāng)母相冷卻時在一定溫度開始轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，把這溫度標(biāo)作Ms,加熱時馬氏體逆變?yōu)槟赶啵_始逆變的溫度標(biāo)為As。圖8中表示Fe-Ni和Au-Cd合金的Ms和As,它們所包圍的面積稱為熱滯面積,可見Fe-Ni馬氏體相變具有的熱滯大,而Au-Cd則很小。相變時的協(xié)作形變?yōu)榉缎孕巫儠r，一般熱滯較大；而為彈性形變時,熱滯很小。像Au-Cd這類合金冷卻時馬氏體長大、增多，一經(jīng)加熱又立即收縮，甚至消失。因此這類合金的馬氏體相變具有熱彈性，稱為熱彈性馬氏體相變。馬氏體相變具有熱效應(yīng)和體積效應(yīng)，相變過程是形成核心和長大的過程。但核心如何形成，又如何長大

23、，目前尚無完整的模型。馬氏體長大速率一般較大，有的甚至高達(dá)10cms。人們推想母相中的晶體缺陷（如位錯）的組態(tài)對馬氏體形核具有影響，但目前實驗技術(shù)還無法觀察到相界面上位錯的組態(tài)，因此對馬氏體相變的過程，尚不能窺其全貌。2.形狀記憶合金形狀記憶合金之所以具有變形恢復(fù)能力，是因為變形過程中材料內(nèi)部發(fā)生的熱彈性馬氏體相變。形狀記憶合金中具有兩種相：高溫相奧氏體相，低溫相馬氏體相。根據(jù)不同的熱力載荷條件，形狀記憶合金呈現(xiàn)出兩種性能。形狀記憶效應(yīng)（shape memory effect）單程記憶效應(yīng)。形狀記憶合金在較低的溫度下變形，加熱后可恢復(fù)變形前的形狀，這種只在加熱過程中存在的形狀記憶現(xiàn)象稱為單程記

24、憶效應(yīng)。雙程記憶效應(yīng)。某些合金加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時又能恢復(fù)低溫相形狀，稱為雙程記憶效應(yīng)。全程記憶效應(yīng)。加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏叵嘈螤?，稱為全程記憶效應(yīng)。SMA的形狀記憶效應(yīng)源于熱彈性馬氏體相變，這種馬氏體一旦形成，就會隨著溫度下降而繼續(xù)生長，如果溫度上升它又會減少，以完全相反的過程消失。兩項自由能之差作為相變驅(qū)動力。兩項自由能相等的溫度T0稱為平衡溫度。只有當(dāng)溫度低于平衡溫度T0時才會產(chǎn)生馬氏體相變，反之，只有當(dāng)溫度高于平衡溫度T0時才會發(fā)生逆相變。在SMA中，馬氏體相變不僅由溫度引起，也可以由應(yīng)力引起，這種由應(yīng)力引起的馬氏體相變叫做應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變，

25、且相變溫度同應(yīng)力呈線性關(guān)系。7.5.5教學(xué)方法課堂講授和提問。7.5.6課前準(zhǔn)備情況及其他相關(guān)特殊要求提前預(yù)習(xí)，了解形狀記憶合金的基本概念。7.6教學(xué)單元六 7.6.1教學(xué)安排 4學(xué)時7.6.2教學(xué)目標(biāo)掌握核裂變，核聚變的基本概念。了解核輻射的危害及基本防護(hù)措施。掌握核反應(yīng)堆的基本原理。7.6.3教學(xué)內(nèi)容（含重點、難點）重點：裂變，核聚變的基本概念難點：核反應(yīng)堆的基本原理7.6.4教學(xué)過程1.核裂變核裂變，又稱核分裂，是指由重的原子核，主要是指鈾核或钚核，分裂成兩個或多個質(zhì)量較小的原子的一種核反應(yīng)形式。原子彈、裂變核電站或核能發(fā)電廠的能量來源就是核裂變。其中鈾裂變在核電廠最常見，熱中子轟擊鈾2

26、35原子后會放出2到4個中子，中子再去撞擊其它鈾235原子，從而形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。裂變只有一些質(zhì)量非常大的原子核像鈾(yu)、釷(t)和钚（b）等才能發(fā)生核裂變。這些原子的原子核在吸收一個中子以后會分裂成兩個或更多個質(zhì)量較小的原子核，同時放出二個到三個中子和很大的能量，又能使別的原子核接著發(fā)生核裂變，使過程持續(xù)進(jìn)行下去，這種過程稱作鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。原子核在發(fā)生核裂變時，釋放出巨大的能量稱為原子核能，俗稱原子能。1千克鈾-238的全部核的裂變將產(chǎn)生20,000兆瓦小時的能量(足以讓20兆瓦的發(fā)電站運轉(zhuǎn)1,000小時)，與燃燒至少2000噸煤釋放的能量一樣多。2.核聚變核聚變（nuclear fusion）

27、，又稱核融合、融合反應(yīng)、聚變反應(yīng)或熱核反應(yīng)是指由質(zhì)量小的原子，主要是指氘或氚，在一定條件下（如超高溫和高壓），只有在極高的溫度和壓力下才能讓核外電子擺脫原子核的束縛，讓兩個原子核能夠互相吸引而碰撞到一起，發(fā)生原子核互相聚合作用，生成新的質(zhì)量更重的原子核（如氦），中子雖然質(zhì)量比較大，但是由于中子不帶電，因此也能夠在這個碰撞過程中逃離原子核的束縛而釋放出來，大量電子和中子的釋放所表現(xiàn)出來的就是巨大的能量釋放。這是一種核反應(yīng)的形式。原子核中蘊藏巨大的能量，原子核的變化（從一種原子核變化為另外一種原子核）往往伴隨著能量的釋放。核聚變是核裂變相反的核反應(yīng)形式?？茖W(xué)家正在努力研究可控核聚變，核聚變可能成為

28、未來的能量來源。3.核反應(yīng)堆核反應(yīng)堆是核電站的心臟，它的工作原理如下：原子由原子核與核外電子組成。原子核由質(zhì)子與中子組成。當(dāng)鈾235的原子核受到外來中子轟擊時，一個原子核會吸收一個中子分裂成兩個質(zhì)量較小的原子核，同時放出23個中子。這裂變產(chǎn)生的中子又去轟擊另外的鈾235原子核，引起新的裂變。如此持續(xù)進(jìn)行就是裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)生大量熱能。用循環(huán)水(或其他物質(zhì))帶走熱量才能避免反應(yīng)堆因過熱燒毀。導(dǎo)出的熱量可以使水變成水蒸氣，推動汽輪機(jī)發(fā)電。由此可知，核反應(yīng)堆最基本的組成是裂變原子核+載熱體。但是只有這兩項是不能工作的。因為，高速中子會大量飛散，這就需要使中子慢化增加與原子核碰撞的機(jī)會；核反

29、應(yīng)堆要依人的意愿決定工作狀態(tài)，這就要有控制設(shè)施；鈾及裂變產(chǎn)物都有強放射性，會對人造成傷害，因此必須有可靠的防護(hù)措施；核反應(yīng)堆發(fā)生事故時，要防止各種事故工況下輻射泄漏，所以反應(yīng)堆還需要各種安全系統(tǒng)。綜上所述，核反應(yīng)堆的合理結(jié)構(gòu)應(yīng)該是：核燃料+慢化劑+載熱體+控制設(shè)施+防護(hù)裝置+安全設(shè)施。還需要說明的是，鈾礦石不能直接做核燃料。鈾礦石要經(jīng)過精選、碾碎、酸浸、濃縮等程序，制成有一定鈾含量、一定幾何形狀的鈾棒或者球狀燃料才能參與反應(yīng)堆工作。7.6.5教學(xué)方法課堂講授和提問。7.6.6課前準(zhǔn)備情況及其他相關(guān)特殊要求預(yù)習(xí)相關(guān)內(nèi)容，思考核能的利弊。7.7教學(xué)單元七 7.7.1教學(xué)安排 3學(xué)時7.7.2教學(xué)目

30、標(biāo)掌握輻照缺陷的產(chǎn)生過程，理解輻照對材料性能的影響。掌握核電材料：核電用鋼、鋯合金、核燃料的基本特性。7.7.3教學(xué)內(nèi)容（含重點、難點）重點：核電用鋼、鋯合金、核燃料的基本特性。難點：掌握輻照缺陷的產(chǎn)生過程，理解輻照對材料性能的影響7.7.4教學(xué)過程1.輻照缺陷材料輻照效應(yīng)是射線粒子（中子、質(zhì)子、重離子、電子、Gamma射線）與材料物質(zhì)相互作用造成的材料物理、力學(xué)位能及組織成分與結(jié)構(gòu)上的變化。材料輻照效應(yīng)來自于入射到材料中的射線粒子與材料原子的相互作用，包括碰撞過程、缺陷形成過程和微觀結(jié)構(gòu)演化過程。材料輻照效應(yīng)隨射線的種類、能量、材料性質(zhì)和輻照環(huán)境（溫度、應(yīng)力等）不同而變化。在晶體中，輻照產(chǎn)生

31、的各種缺陷一般稱為輻照損傷(irradiation damage)。入射粒子與晶格原子碰撞，傳遞給靶原子的動能超過離位閾能（晶格點陣位置的束縛能）時，原子便可離開晶格位置，稱為離位，造成的損傷稱為離位損傷。對于金屬材料，最簡單的輻照缺陷是孤立的點缺陷，即弗侖克爾缺陷對（由一個離位原子變?yōu)殚g隙原子以及離位后的晶格空位組成）。直接被入射粒子碰撞產(chǎn)生離位的原子稱為初級離位原子(PKA)，如果初級離位原子具有足夠的動能，能夠繼續(xù)碰撞其他晶格原子，稱為級聯(lián)碰撞。一般情況下，中子與重離子輻照會造成級聯(lián)碰撞，一個入射粒子輻照會在很小的體積內(nèi)產(chǎn)生數(shù)百個弗侖克爾缺陷對。在一定溫度下，間隙原子和空位可以遷移，從而

32、彼此復(fù)合，或擴(kuò)散到位錯、晶界或表面等處而湮沒，也可聚集成空位團(tuán)或形成位錯環(huán)。2. 輻照對材料性能的影響離位損傷可造成材料輻照硬化、輻照脆化、輻照蠕變和輻照腫脹。輻照缺陷還改變材料中原子擴(kuò)散行為，并促使一系列由擴(kuò)散控制或影響的過程加速進(jìn)行，導(dǎo)致溶解，沉淀，偏聚等非平衡態(tài)。在中子或者高能質(zhì)子輻照情況下，核反應(yīng)會產(chǎn)生嬗變核素。在反應(yīng)堆中子輻照情況下，由于（n，p）和（n，Alpha）反應(yīng)，造成材料中氫和氦增加，氫氦與離位損傷的共同作用，往往導(dǎo)致材料損傷更嚴(yán)重。對于某些材料如高分子聚合物，陶瓷或硅酸鹽等，另一類損傷，即電離損傷也很重要。入射粒子的另一部分能量轉(zhuǎn)移給材料中的電子，使之激發(fā)或電離。這部分能

33、量可導(dǎo)致健的斷裂和輻照分解，相應(yīng)的引起材料強度喪失，介電擊穿強度下降等現(xiàn)象。3.核電材料核級材料是指用于民用核設(shè)施中的核承壓設(shè)備制造、維修，并需符合有關(guān)核安全法規(guī)、導(dǎo)則和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的鋼鐵和有色金屬材料。這些材料可細(xì)分為碳素鋼、低合金鋼、不銹鋼、鎳基合金、鈦及其合金、鋯合金等，其類型涉及板、帶、管、絲、棒和鍛件等。 就核承壓設(shè)備所用材料而言，依托法國技術(shù)的核電機(jī)組，通過大亞灣和嶺澳等核電站的建設(shè)，對核承壓設(shè)備用材已有所了解。AP-1000是我國首次引進(jìn)的三代堆型，世界上尚無建成投產(chǎn)業(yè)績，國內(nèi)對其制造標(biāo)準(zhǔn)和選材并不了解。但 CRP-1000與 AP-1000在多數(shù)反應(yīng)堆容器用材上相類似，但前者主要依

34、據(jù) RCC-M標(biāo)準(zhǔn)，而后者主要依據(jù) ASME和相關(guān)核電標(biāo)準(zhǔn)。 核電設(shè)備用關(guān)鍵金屬材料的國產(chǎn)化一直不盡人意。由于沒有核電站整體設(shè)計權(quán)和核關(guān)鍵設(shè)備的知識產(chǎn)權(quán)，核電關(guān)鍵設(shè)備所用材料的選用和制造、標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)也無話語權(quán)，主要依靠國外的技術(shù)采購規(guī)格書向國外企業(yè)采購，致使核電關(guān)鍵設(shè)備用金屬材料的開發(fā)不能支撐核電設(shè)備國產(chǎn)化的需要。我國在建堆型的大型化，以及技術(shù)來源的多樣化，又為關(guān)鍵設(shè)備用材料國產(chǎn)化增添了一定的難度。 與常規(guī)壓力容器相比，核電用材料具有以下主要特點：（1）核設(shè)備用金屬材料設(shè)計考慮要素多。核能關(guān)鍵設(shè)備通常在高溫、高壓、強腐蝕和強輻照的工況條件下工作，對材料的要求極高，通常要滿足核性能、力學(xué)性能、

35、化學(xué)性能、物理性能、輻照性能、工藝性能、經(jīng)濟(jì)性等各種性能的要求，要達(dá)到專用的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)要求。（2）質(zhì)保體系要求嚴(yán)格。按法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)和采購技術(shù)條件規(guī)定完成材料的生產(chǎn)。我國 HAF003/01和 ASME等標(biāo)準(zhǔn)對核電材料生產(chǎn)全過程質(zhì)量控制有明確的要求。對核級材料的設(shè)計、生產(chǎn)、試驗、探傷運輸全過程在嚴(yán)格的質(zhì)保體系下完成。不符合項等進(jìn)行有效的管理和監(jiān)督，對有損于質(zhì)量的情況提出切實有效的糾正措施，對各流程進(jìn)行記錄和監(jiān)察，過程要求具有可追溯性。做到凡事有章可循，凡事有據(jù)可查，凡事有人負(fù)責(zé)，凡事有人監(jiān)督。（3）化學(xué)成分要求更嚴(yán)格。受壓元件的 S、P含量一般都要求150ppM以下，反應(yīng)堆壓力容器某些部件要求80p

36、pM，個別部件 S含量要求為50ppM以下。某些特定殘余元素嚴(yán)格規(guī)定，如對奧氏體不銹鋼硼含量不得超過 18ppM；與堆內(nèi)冷卻劑接觸的所有零件（一般采用不銹鋼或合金制造），其鈷、鈮和鉭含量嚴(yán)格限定為 Co0.20%， Nb+Ta0.15%。某些接觸輻照的承壓容器，要求限制材料的銅、磷含量。（4）力學(xué)性能試驗項目多，指標(biāo)要求嚴(yán)格。取樣數(shù)量比壓力容器多得多。取樣位置也有嚴(yán)格的要求。從指標(biāo)要求上看，夏比 V型沖擊值要求比容器材料高得多，往往要同時提供 2個或 3個試驗溫度下的沖擊吸收功、側(cè)向膨脹量和纖維區(qū)面積等。（5）無損檢測要求更嚴(yán)格的。超聲波探傷的驗收要求比常規(guī)壓力容器高得多；部分容器用鋼板 UT

37、探傷重疊部分要求達(dá)到 10%15%。對于所有受壓部件都有嚴(yán)格的表面質(zhì)量要求，經(jīng)過 VT和 PT探傷檢驗。（6）核電用材的規(guī)格大、單重重、甚至有表面光潔度要求。核電設(shè)備用鋼板厚度達(dá)到 300mm，最大鍛件重達(dá) 300噸以上。核級管材、不銹鋼材等產(chǎn)品尺寸精度要求高，一些小徑、薄壁、特長管材，要求直度和表面光潔度。需通過精密超聲波、渦流探傷，制造難度極大。7.7.5教學(xué)方法課堂講授和提問。7.7.6課前準(zhǔn)備情況及其他相關(guān)特殊要求預(yù)習(xí)相關(guān)內(nèi)容，思考核核電用鋼的基本特性。7.8教學(xué)單元八 7.8.1教學(xué)安排 3學(xué)時7.8.2教學(xué)目標(biāo)掌握磁矩，抗磁性，順磁性，磁化曲線等概念，了解材料磁性的影響因素。熟悉磁

38、性的測量及應(yīng)用。7.8.3教學(xué)內(nèi)容（含重點、難點）重點：磁矩，抗磁性，順磁性，磁化曲線的概念。 難點：料磁性的影響因素。7.8.4教學(xué)過程1.磁矩在原子中，電子因繞原子核運動而具有軌道磁矩；電子還因自旋具有自旋磁矩；原子核、質(zhì)子、中子以及其他基本粒子也都具有各自的自旋磁矩。這些對研究原子能級的精細(xì)結(jié)構(gòu)，磁場中的塞曼效應(yīng)以及磁共振等有重要意義，也表明各種基本粒子具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。1）、電子自旋磁矩2）、電子軌道磁矩3）、核磁矩2.抗磁性、順磁性順磁性（paramagnetism）是指材料對磁場響應(yīng)很弱的磁性。如用磁化率 k=M/H 來表示（M和H分別為磁化強度和磁場強度），從這個關(guān)系來看，磁化率k

39、是正的，即磁化強度的方向與磁場強度的相同。抗磁性（diamagnetism）是指一種弱磁性。組成物質(zhì)的原子中，運動的電子在磁場中受電磁感應(yīng)而表現(xiàn)出的屬性。外加磁場使電子軌道動量矩繞磁場進(jìn)動，產(chǎn)生與磁場方向相反的附加磁矩，故磁化率k抗為很小的負(fù)值。3.磁化曲線磁化曲線是表示物質(zhì)中的磁場強度H與所感應(yīng)的磁感應(yīng)強度B或磁化強度M之間的關(guān)系。用圖形來表示某種鐵磁材料在磁化過程中磁感強度B與H磁場強度之間關(guān)系的一種曲線，又叫B-H曲線。這種曲線可以通過實驗方法測得。B與H之間存在著非線性關(guān)系。當(dāng)H逐漸增大時，B也增加，但上升緩慢(oa段)。當(dāng)H繼續(xù)增大時，B急驟增加，幾乎成直線上升(ab段)，當(dāng)H進(jìn)一步

40、增大時，B的增加又變得緩慢，達(dá)到c點以后，H值即使再增加，B卻幾乎不再增加，即達(dá)到了飽和。不同的鐵磁材料有著不同的磁化曲線，其B的飽和值也不相同。但同一種材料，其B的飽和值是一定的。4.影響材料磁性的因素溫度：阻礙或破壞原子磁矩和自旋磁矩的有序性。應(yīng)力：影響磁彈性能。缺陷：增大磁化阻力。5.磁性的測量及應(yīng)用磁性不只是一個宏觀的物理量, 而且與物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。它不僅取決于物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu), 還取決于原子間的相互作用鍵合情況、晶體結(jié)構(gòu)。因此, 研究磁性是研究物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要方法之一。7.8.5教學(xué)方法課堂講授和提問。7.8.6課前準(zhǔn)備情況及其他相關(guān)特殊要求提前預(yù)習(xí)并思考影響材料磁性的因素有

41、哪些？7.9教學(xué)單元九 7.9.1教學(xué)安排 4學(xué)時7.9.2教學(xué)目標(biāo)掌握光的基本性質(zhì)，理解材料光學(xué)性能的物理本質(zhì)。熟悉發(fā)光材料、光催化材料、太陽能電池材料的基本原理及其應(yīng)用。7.9.3教學(xué)內(nèi)容（含重點、難點）重點：光的基本性質(zhì)、常見光功能材料及其應(yīng)用難點：常見光功能材料的基本原理7.9.4教學(xué)過程1.光的基本性質(zhì)光是能量的一種傳播方式。光源之所以發(fā)出光，是因為光源中原子、分子的運動，主要有三種方式：熱運動、躍遷輻射（包括自發(fā)輻射和受激輻射），以及物質(zhì)內(nèi)部帶電粒子加速運動時所產(chǎn)生的光輻射。前者為生活中最常見的，第二種多用于激光、第三種是同步輻射光與切倫科夫輻射的產(chǎn)生原理。光的產(chǎn)生光同時具備以下四

42、個重要特征：1）、光以波的形式傳播。光就像水面上的水波一樣，不同波長的光呈現(xiàn)不同的顏色。2）、光以直線傳播。筆直的“光柱”和太陽“光線”都說明了這一點。3）、光速極快。在真空中為3.0105km/s，在空氣中的速度要慢些。在密度更大的介質(zhì)中，譬如在水中或玻璃中，傳播速度還要慢些。4）、光中具有含能粒子，它們被稱為“光子”，因此能引起膠片感光乳劑等物質(zhì)的化學(xué)變化。光線越強，所含的光子越多。2.材料光學(xué)性能的物理本質(zhì)光在傳播途中，遇到介質(zhì)（材料）后，會發(fā)生：反射、折射、吸收、和投射。光的反射：光在兩種物質(zhì)分界面上改變傳播方向又返回原來物質(zhì)中的現(xiàn)象，。光的折射：光從一種透明介質(zhì)斜射入另一種透明介質(zhì)時

43、，傳播方向一般會發(fā)生變化，這種現(xiàn)象叫光的折射。理解：光的折射與光的反射一樣都是發(fā)生在兩種介質(zhì)的交界處，只是反射光返回原介質(zhì)中，而折射光則進(jìn)入到另一種介質(zhì)中，由于光在在兩種不同的物質(zhì)里傳播速度不同，故在兩種介質(zhì)的交界處傳播方向發(fā)生變化，這就是光的折射。注意：在兩種介質(zhì)的交界處，既發(fā)生折射，同時也發(fā)生反射。反射光光速與入射光相同 ，折射光光速與入射光不同。光的透射：當(dāng)光入射到透明或半透明材料表面時，一部分被反射，一部分被吸收，還有一部分可以透射過去。透射是入射光經(jīng)過折射穿過物體后的出射現(xiàn)象。被透射的物體為透明體或半透明體，如玻璃，濾色片等。光的吸收：光的吸收是指原子在光照下，會吸收光子的能量由低能

44、態(tài)躍遷到高能態(tài)的現(xiàn)象。從實驗上研究光的吸收，通常用一束平行光照射在物質(zhì)上，測量光強隨穿透距離衰減的規(guī)律。在量子理論中，分子或原子在光波輻射場的作用下，從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)時吸收一個光子hv（見光的量子理論），這種躍遷也等效于一個具有一定固有頻率的振子?？紤]到分子或原子處于一定能態(tài)時的壽命（相當(dāng)于振子作自由振動時的衰減），也可以得到線性吸收系數(shù)和頻率的關(guān)系，結(jié)果與經(jīng)典理論一致。在考慮金屬的吸收時要同時考慮束縛電子與自由電子的作用。對于紅外線或更低頻率的輻射，自由電子起主要作用，而對于紫外線及更高頻率的輻射，則束縛電子的作用比較顯著，這時金屬實際上表現(xiàn)出與電介質(zhì)相似的光學(xué)性質(zhì)3.發(fā)光材料物質(zhì)內(nèi)部以

45、某種方式吸收能量，將其轉(zhuǎn)化成光輻射(非平衡輻射)的過程稱為發(fā)光；在實際應(yīng)用中，將受外界激發(fā)而發(fā)光的固體稱為發(fā)光材料。它們可以粉末、單晶、薄膜或非晶體等形態(tài)使用，主要組分是稀土金屬的化合物和半導(dǎo)體材料，與有色金屬關(guān)系很密切。1）、當(dāng)某種物質(zhì)受到激發(fā)（射線、高能粒子、電子束、外電場等）后，物質(zhì)將處于激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)的能量會通過光或熱的形式釋放出來。如果這部分的能量是位于可見、紫外或是近紅外的電磁輻射，此過程稱之為發(fā)光過程。2）、發(fā)光就是物質(zhì)在熱輻射之外以光的形式發(fā)射出多余的能量，這種發(fā)射過程具有一定的持續(xù)時間。4.光催化材料光催化材料是指通過該材料、在光的作用下發(fā)生的光化學(xué)反應(yīng)所需的一類半導(dǎo)體催化劑

46、材料，世界上能作為光催化材料的有很多，包括二氧化鈦、氧化鋅、氧化錫、二氧化鋯、硫化鎘等多種氧化物硫化物半導(dǎo)體，其中二氧化鈦(Titanium Dioxide)因其氧化能力強，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定無毒，成為世界上最當(dāng)紅的納米光觸媒材料。在早期，也曾經(jīng)較多使用硫化鎘(CdS)和氧化鋅(ZnO)作為光觸媒材料，但是由于這兩者的化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，會在光催化的同時發(fā)生光溶解，溶出有害的金屬離子具有一定的生物毒性，故發(fā)達(dá)國家目前已經(jīng)很少將它們用作為民用光催化材料，部分工業(yè)光催化領(lǐng)域還在使用。5.太陽能電池材料光伏材料能產(chǎn)生電流是因為光生伏特效應(yīng)，即如果光線照射在太陽能電池上并且光在界面層被吸收，具有足夠能量的光子能

47、夠在P型硅和N型硅中將電子從共價鍵中激發(fā)，以致產(chǎn)生電子空穴對。界面層附近的電子和空穴在復(fù)合之前，將通過空間電荷的電場作用被相互分離。電子向帶正電的N區(qū)和空穴向帶負(fù)電的P區(qū)運動。通過界面層的電荷分離，將在P區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生一個向外的可測試的電壓。此時可在硅片的兩邊加上電極并接入電壓表。對晶體硅太陽能電池來說，開路電壓的典型數(shù)值為0.50.6V。通過光照在界面層產(chǎn)生的電子空穴對越多，電流越大。界面層吸收的光能越多，界面層即電池面積越大，在太陽能電池中形成的電流也越大。7.9.5教學(xué)方法課堂講授和提問，案例講解。7.9.6課前準(zhǔn)備情況及其他相關(guān)特殊要求提前預(yù)習(xí)并思考為什么有的物質(zhì)透明而有的物質(zhì)不透明

48、。7.1教學(xué)單元十7.10.1教學(xué)安排 2學(xué)時7.10.2教學(xué)目標(biāo)熟悉碳納米管和石墨烯的應(yīng)用。7.10.3教學(xué)內(nèi)容（含重點、難點）重點：碳納米管和石墨烯的應(yīng)用。難點：碳納米管和石墨烯的物理特性。7.10.4教學(xué)過程1.碳納米管碳納米管，又名巴基管，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)（徑向尺寸為納米量級，軸向尺寸為微米量級，管子兩端基本上都封口）的一維量子材料。碳納米管主要由呈六邊形排列的碳原子構(gòu)成數(shù)層到數(shù)十層的同軸圓管。層與層之間保持固定的距離，約0.34nm，直徑一般為220 nm。并且根據(jù)碳六邊形沿軸向的不同取向可以將其分成鋸齒形、扶手椅型和螺旋型三種。其中螺旋型的碳納米管具有手性，而鋸齒形和扶手椅型碳納

49、米管沒有手性。碳納米管具有良好的導(dǎo)電性能，由于碳納米管的結(jié)構(gòu)與石墨的片層結(jié)構(gòu)相同，所以具有很好的電學(xué)性能。理論預(yù)測其導(dǎo)電性能取決于其管徑和管壁的螺旋角。當(dāng)CNTs的管徑大于6nm時，導(dǎo)電性能下降；當(dāng)管徑小于6nm時，CNTs可以被看成具有良好導(dǎo)電性能的一維量子導(dǎo)線。有報道說Huang通過計算認(rèn)為直徑為0.7nm的碳納米管具有超導(dǎo)性，盡管其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度只有1.510-4K，但是預(yù)示著碳納米管在超導(dǎo)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。碳納米管具有良好的傳熱性能，CNTs具有非常大的長徑比，因而其沿著長度方向的熱交換性能很高，相對的其垂直方向的熱交換性能較低，通過合適的取向，碳納米管可以合成高各向異性的熱傳導(dǎo)材料。另外

50、，碳納米管有著較高的熱導(dǎo)率，只要在復(fù)合材料中摻雜微量的碳納米管 ,該復(fù)合材料的熱導(dǎo)率將會可能得到很大的改善。2.石墨烯石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化方式形成的蜂窩狀平面薄膜，是一種只有一個原子層厚度的準(zhǔn)二維材料，所以又叫做單原子層石墨。它的厚度大約為0.335nm，根據(jù)制備方式的不同而存在不同的起伏，通常在垂直方向的高度大約1nm左右，水平方向?qū)挾却蠹s10nm到25nm，是除金剛石以外所有碳晶體（零維富勒烯，一維碳納米管，三維體向石墨）的基本結(jié)構(gòu)單元。強度與柔韌性：抗拉強度和彈性模量分別為 125 GPa 和 1.1TPa，楊氏模量約為42 N/m2，面積為1m2的石墨烯層片可承受4 kg的質(zhì)量，其強度約為普通鋼的100倍，用石墨烯制成的包裝袋，可以承受大約2噸的重量，是目前已知的強度最大的材料。導(dǎo)電導(dǎo)熱性：電子遷移率可達(dá)到2105cm2/Vs，約為硅中電子遷移率的140倍，砷化鎵的20倍，溫度穩(wěn)定性高，電導(dǎo)率可達(dá)108/ m,面電阻約為31/sq（310/m2），比銅或銀更低，是室溫下導(dǎo)電最好的材料。比表面積大（2630m2/g），熱導(dǎo)率（室溫下是5000Wm-1K-1）是硅的36倍，砷化鎵的20倍，是銅（室溫下401WmK）的十倍多。極