第一章：电学性能
1、绝缘体ρ﹥10^10Ω·m 半导体：10^-2＜ρ10^10Ω·m 导体：10^-2Ω·m ﹥ρ
2、电阻对应三种散射机制：声子散射、电子散射、电子在杂质和缺陷上的散射。
3、马基申定则：金属固溶体中溶质原子的浓度较小，以致可以略去它们之间的相互影响，把固溶体的电阻看成由金属的基本电阻和残余电阻组成，即ρ＝ρ（T ）＋ρ残。这实际上表明，在一级近似下不同散射机制对电阻的贡献可以加法求和。根据马基申定律，在高温时金属的电阻率基本上取决于ρ(T) ，而在低温时取决于ρ残。既然ρ残是电子在杂质和缺陷上的散射引起的，那么ρ残的大小就可以用来评定金属的电学纯度。
4、影响金属导电性因素：温度、应力、冷加工变形、合金元素及相结构
5、载流子：能够携带电荷的粒子称为载流子。在金属、半导体和绝缘体中携带电荷的载流子是电子；在离子化合物中，携带电荷的载流子则是离子。
6、本征半导体：纯净的无结构缺陷的半导体单晶。其电学特性：1)本征激发成对产生自由电子和空穴，自由电子浓度与空穴浓度相等；2)禁带宽度Eg 越大，载流子浓度ni 越小；3)温度升高时载流子浓度ni 增大。4)载流子浓度ni 与原子密度相比是极小的，所以本征半导 体的导电能力很微弱。
7、多子：在n 型半导体中，自由电子的浓度大（1.5×10^14㎝-3），故自由电子称为多数载流子，简称多子。少子：把n 型半导体中的空穴称为少数载流子，简称少子。
8、杂质半导体：掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。杂质半导体特性：1)掺杂浓度与原子密度相比虽很微小，但是却能使载流子浓度极大地提高，因而导电能力也显著地增强。掺杂浓度愈大，其导电能力也愈强。2)掺杂只是使一种载流子的浓度增加，因此杂质半导体主要靠多子导电。当掺入五价元素(施主杂质)时，主要靠自由电子导电；当掺入三价元素(受主杂质)时，主要靠空穴导电。
9、电介质的分类：中性电介质、偶性电介质、离子型电介质
10、介质损耗：.电介质在电场作用下，单位时间内因发热而消耗的能量称电介质的损耗功率，简称介质损耗。介质损耗形式：1）电导（或漏导）损耗，实际使用的电介质都不是理想的绝缘体，都或多或少地存在一些弱联系带电离子或空穴，在E 作用下产生漏导电流，发热，产生损耗。2）极化损耗3）电离损耗
11、电介质的极化：电介质在电场的作用下，其内部的束缚电荷所发生的弹性位移现象和偶极子的取向现象。基本方式：电极极化：1）电子式极化（电子位移极化）：在E 作用下，原子外围的电子云中心相对于原子核发生位移，形成感应电矩而使介质极化的现象。 形成很快（10-14～10-16 s),是弹性可逆的，极化过程不消耗能量。在所有电介质中都存在，但只存在此种极化的电介质只有中性的气体、液体和少数非极性固体。2）离子式极化(离子位移极化）:离子晶体中，除离子中的电子产生位移极化外，正负离子也在E 作用下发生相对位移而引起的极化。又分为： a.离子弹性位移极化：在离子键构成的晶体中，离子间约束力很强，离子位移有限，极化过程很快（ 10-12～10-13s ），不消耗能量，可逆。 3）偶极子极化(固有电矩的转向极化）:有E 时，偶极子有沿电场方向排列的趋势，而形成宏观电矩，形成的极化。所需时间较长（10-2～10-10s ），不可逆，需消耗能量。4）空间电荷极化：有些电介质中，存在可移动的离子，在E 作用下，正负离子分离所形成的极化。所需时间最长（10-2s ）。
12、超导电性：一定的低温条件下，材料电阻突然失去的现象。超导体的特性：完全导电性 完全抗磁性 通量量子化
13、电阻分析方法可用材料学问题：研究过饱和固溶体的脱溶和溶质元素的回溶、测定固溶体的溶解度曲线、研究合金的时效、合金的不均匀固溶体的形成及有序—无序的转变等。
14、双臂电桥法的原理：?????-=++=+=r I I R R I R I R I R I R I R I R I N x )()(2342
2322114
2331上式中各量见图4所示，上列方程可得
)(
2
41323213R R R R r R R rR R R R R N X -+++=从式可以看出，双臂电桥
的平衡条件式如果满足以
下辅助条件， 2413R R R R =
则公式中第二项为零，于
是得到双臂电桥的平衡条件为N X R R R R 13=
15：电阻分析的应用：1）测定固溶体的溶解度曲线2）研究合金的时效3）材料疲劳过程的研究4）研究碳钢的回火5）研究Cu3Au 有序-无序转变6）马氏体相变的研究
第二章：磁学性能
1、物质磁性的分类：抗磁体，顺磁体，铁磁体，
亚铁磁体，反铁磁体
2、磁滞回线：磁化曲线和磁滞回线是技术磁化的
结果。MS ：饱和磁化强度
BS ：饱和磁感强度Mr ：剩余磁化强度Br ：剩余磁
感强度HC ：矫顽力
Hs: 饱和外加磁场强度Hr: 剩余磁场强度
1） 磁化曲线是磁介质的磁化强度M （或磁感应强
度B ）随外磁场强度H 的变化曲线，分为静态
磁化曲线和动态磁化曲线（磁滞回线）。
铁磁质的磁化曲线的特点:①铁磁质的静态磁化
曲线按磁化强度M 随外磁场H 的变化规律大致可分为三个阶段。第一阶段磁化强度随外磁场缓慢增加；撤除外磁场，磁化强度恢复为原始值（可逆磁化）。第二阶段磁化强度随外磁场强度增加而快速增加；去除外磁场，磁化强度不能完全恢复至原始状态（不可逆磁化或有剩磁）。第三阶段磁化强度又随外磁场强度增加而缓慢增加并趋于饱和状态。②磁滞回线的形状与磁场强度和磁场强度的变化频率及变化波形有关；频率一定时，随交变磁场强度幅值的减小，磁滞回线的形状逐渐趋近于变为椭圆形；随频率增加，磁滞回线呈现椭圆形的磁场强度幅值的范围扩大，且各磁场强度幅值下回线的矩形比增大。
2）磁滞回线中，外磁场H 减小为零时，铁磁质所具有的磁感应强度为剩余磁感应强度r B ，简称为剩磁；为使剩磁降低为零而施加的反向外磁场强度c H ，称为矫顽力。 3) 外磁场 H 与铁磁质的相互作用能为磁位能H E 00cos H J J E H H μμμμθ=-?=-?
4）某处某磁矩的磁位能与外磁场强度H ，该处的磁导率 ，该磁矩 J 的大小和磁矩与外磁
场的夹角错误！未找到引用源。有关。
5）使更多的磁矩转向与外磁场一致的方向能降低体系磁位能。
磁滞损耗：磁滞回线所包围的面积表示磁化一周时所消耗的功，称为磁滞损耗Q
3、本征磁矩（固有磁矩）：原子中电子的轨道磁矩和电子的自旋磁矩构成了原子固有磁矩，即本征磁矩。
4、对抗磁性物质，在外加磁场的作用下的附加磁矩大小Δμ=﹣（e 2r 2H ）／（4m ）或Δμ=Δi πr 2
5、自发磁化的原因：铁磁质自发磁化的根源是原子磁矩，其中其主要作用的为电子自旋磁矩。产生的条件：1）原子内部有未填满的电子壳层，即原子本征磁矩不为零；（必要条件）2）Rab/r 之比大于3使交换积分A 为正，即满足晶体结构的要求。磁致伸缩：是铁磁物质(磁性材料）由于磁化状态的改变，其尺寸在各方向发生变化的现象。
6、磁畴结构：磁畴的形状，尺寸，畴壁的类型与厚度总称为磁畴结构。平衡状态时的畴结构影响因素：交换能，各向异性能，磁弹性能，畴壁能及退磁能。平衡状态时的畴结构使上述能量之和具有最小值。
7、技术磁化：技术磁化是指在外磁场作用下铁磁体从完全退磁状态磁化直饱和状态的内部变化过程。实质上是外加磁场对磁畴的作用过程。方式：磁畴壁的迁移和磁畴的旋转；机制：壁移磁化和畴转磁化
9、铁磁物质技术磁化的三个阶段及各阶段特点：第一阶段畴壁可逆迁移区，对自发磁化方向与磁场成锐角的磁畴，由于静磁能低的有利地位而发生扩张，而成钝角的磁畴则缩小，此时去除外磁场，则畴壁结构和宏观磁化都将恢复到原始状态；第二阶段畴壁不可逆迁移区，存在巴克豪森跳跃；第三阶段磁畴旋转区，磁场要为增加磁晶各向异性能而做功，因而转动困难，磁化进行的很微弱。
10、静态磁特性的测量方法：冲击法，磁转矩仪（热磁仪）测量法，磁天平（或磁称）测量法，振动样品磁强计测量法。 11、磁性分析的应用：铁磁性分析；抗磁性与顺磁性分析
第三章：光学性能
1、影响折射率的因素：1）构成材料元素的离子半径2）材料的结构、晶型和非晶态3）材料所受的内应力4）同质异构体。物理本质：反映了材料的电磁结构（对非铁磁结构主要是电结构）在光波电磁场作用下的极化性质或介电特征。
2、在微观上，光与固体材料互相作用两种重要结果：1）电子极化2）电子能态转变
3、光与物体相互作用的本质有两种方式：
4、光的色散：材料的折射率随入射光的波长而变化，这种现象称为光的色散。散射：光线通过有尘土的空气或胶质溶液等媒质时，部分光线偏离原来的传播方向而向四面八方弥散开来的现象。叫做光的散射
5、全反射：入射光线在介质分界面上被全部反射的现象，叫做光的全反射。临界角：折射角等于90°时的入射角称为临界角。 发生全反射的条件：1)光从光密介质射入光疏介质；2)入射角大于临界角。
6、从宏观上讲，当光从一种介质进入另一种介质时，会发生的现象：透射、吸收、反射、散射
7、爱因斯坦对于黑体辐射的理论要点：光与物质的相互作用除了光吸收与光发散外还有第三个基本过程，及受激辐射。光的发射与吸收可经由三个基本过程：受激吸收、受激辐射和自发辐射。该理论首次预言了受激辐射的存在，明确提出光子与受激辐射概念，，以更清晰的物理图像解释了黑体辐射的规律，是激光工作原理的核心。
8、光致发光：物体依赖外界光源进行照射，从而获得能量，产生激发导至发光的现象，它大致经过吸收、能量传递及光发射三个主要阶段
9、弹射散射的分类：延德尔散射、米氏散射、瑞利散射
第四章：热学性能
1、材料的热力学性能：热容、热膨胀、热传导、热辐射、热电势和热稳定性等。
2、金属材料不发生相变时摩尔定容热容随温度变化的基本规律：
3、热分析：在程序控制温度下，测量物质的物理性质与温度关系的一类技术。方法：普通热分析法、差热分析法、差示扫描量热法、微分热分析法、热重分析法和机械分析法等；其应用：建立合金相图，测定120sin n n =α
钢的过冷奥氏体转变曲线，热弹性马氏体相变的研究，研究合金的有序无序转变，研究淬火钢的回火，非晶态合金晶化过程研究，液晶相变的热分析研究等。
4、热膨胀：物体在加热或冷却时的热涨冷缩现象膨胀分析：利用式样长度和体积的变化研究材料内部组织的变化规律。膨胀的物理本质：温度升高，原子振幅增加，导致原子间距增大，因此产生热膨胀。膨胀仪的分类：机械式膨胀仪，光学膨胀仪，电测试膨胀仪。
5、热传导：即材料内部能量的传输；其物理机制：固体中能量的载体可以有自由电子，声子（点阵波）和光子（电磁辐射）。因此，固体的导热包括电子导热，声子导热和光子导热。
6、热电性：在金属导线组成的回路中，存在着温差或通以电流时，会产生热能与电能相互转换的效应，成为金属的热电性。
塞贝克效应：由于温差而产生的热电现象称为塞贝克效应；规律：均质导体定律，中间导体定律，中间温度定律。三种热电效应：塞北克效应，玻耳帖效应，汤姆逊效应。测量总热电势的方法：定点法，比较法，视差法。
7、热稳定性：是指材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力，亦称为抗热震性。抗热冲击断裂性：材料发生瞬时断裂，抵抗这类破坏的性能称为抗热冲击断裂性
一、概念题
1.电畴：晶体中存在一些不同方向的自发极化区域(domain).在铁电体中，固有电极矩在一定的子区域内取向相同这些区域就称为电畴。（取向相同的固有电偶极矩）电畴的排列方式分为180度电畴（反平行）和90度电畴。因而不加电场时，整个晶体总电矩为零。
2.畴壁：两畴之间的界壁称为畴壁。
3.马基申等人把固溶体电阻率看成由金属基本电阻率ρ(T)和残余电阻ρ残组成。即ρ＝ρ（T）＋ρ残称为马基申定律。根据马基申定律，在高温时金属的电阻率基本上取决于ρ(T) ，而在低温时取决于ρ残。既然ρ残是电子在杂质和缺陷上的散射引起的，那么ρ残的大小就可以用来评定金属的电学纯度。
4.导体：可在电场作用流动自由电荷的物体，能传导电流的元件
5.绝缘体：不善于传导电流的物质
6.半导体：电阻率介于金属和绝缘体之间并且有负的电阻温度系数的材料
7.压电体：能产生压电效应的晶体材
8. 电介质的击穿，当施加在电介质上的电压增大到一定值时，使电介质失去绝缘性的现象称为击穿(breakdown)。击穿形式：1）电击穿，是一电过程，仅有电子参与；2）热击穿；3）化学击穿
9.介质损耗：.电介质在电场作用下，单位时间内因发热而消耗的能量称电介质的损耗功率。
介质损耗形式：1）电导（或漏导）损耗，实际使用的电介质都不是理想的绝缘体，都或多或少地存在一些弱联系带电离子或空穴，在E 作用下产生漏导电流，发热，产生损耗。2）极化损耗
10．超导体：材料失去电阻的状态称为超导态，存在电阻的状态称为正常态，具有超导态的材料称为超导体。
11．接触电性：两种不同的材料接触，由于它们可以有不同的相、不同的晶体结构、电子结构，所以在它们的交界面上不可避免地要发生载流子的某种行为，由此而引起两种材料单独存在时所没有的新的电学效应，称为接触电性。
12、热电效应：电位差、温度差、电流、热流之间存在着的交叉联系构成了热点效应。
第一个热电效应——塞贝克效应：两种下同的导体组成一个闭合回路时，若在两接头处存在温度差，则回路中将有电势及电流产生，这种现象称为塞贝克效
第二个热电效应——玻尔贴效应：当有电流通过两个不同导体组成的回路时，除产生焦耳热外，在两接头处还分别出现吸收或放出热量Q的现象，Q称为玻尔帖热，此现象称为玻尔帖效应，
第三个热电效应——汤姆逊效应：当电流通过具有一定温度梯度的导体时，除产生焦耳热外，另有一横向热流流入或流出导体（即吸热或放热），此种热电现象称为汤姆逊效应。
13、热释电效应：在某些绝缘物中，由于温度变化而引起电极化状态改变的现象。
14、磁畴：未加磁场时铁磁质内部已经磁化到饱和状态的若干个小区域。
15、磁致伸缩材料：铁磁体在磁场中磁化时，其尺寸或体积发生变化的现象称为磁致伸缩效应。具有磁致伸缩效应的材料称为磁致伸缩材料。
16、磁电阻效应：磁场对载流导体或半导体中的载流子起作用致使电阻值发生变化的现象
17、磁矫顽力：反磁化过程中，当反向磁畴扩大到同正向磁畴大小相相等时，它们的磁化对外对外部的效果相互抵消，有效磁化强度为零，这时的磁场强度称为磁矫顽力。
18、磁化率：即单位外磁场强度下材料的磁化强度。它的大小反映了物质磁化的难易程度，是材料的一个重要的磁参数。
19、磁导率:反应磁感应强度随外磁场的变化速率，单位与相同，为亨/米。其大小与磁介质和随外加磁场强度有关。
20、磁晶的各向异性：在单晶体的不同晶向上，磁性能不同的性质。
21、磁弹性能：当铁磁体存在应力时，磁致伸缩要与应力相互作用，与此有关的能量。
22、退磁能：：铁磁体与自身退磁场的相互作用能称为退磁场能。
（磁化饱和后，慢慢减少H，则M亦减小，此过程为退磁。）
23、光电效应：是指光线照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为光电效应。（百度的）
24、一般吸收：在光学材料中，石英对所有可见光几乎都透明的，在紫外波段也有很好的透光性能，且吸收系数不变，这种现象为一般吸收。
25.选择吸收：在光学材料中，石英对于波长范围为3.5—5.0μm的红外光却是不透明的，且吸收系数随波长剧烈变化，这种现象为选择吸收。
26．折射率的色散：材料的折射率随入射光的频率的减小而减小，这种现象称为折射率的色散。
27.光生伏特效应：是指半导体在受到光照射时产生电动势的现象。（百度的）
28光的非弹性散射：当光通过介质时，从侧向接受到的散射光主要是波长（或频率）不发生变化的瑞利散射光，属于弹性散射。当使用高灵敏度和高分辨率的光谱仪，可以发现散射光中还有其它光谱成分，它们在频率坐标上对称地分布在弹性散射光的低频和高频侧，强度一般比弹性散射微弱得多。这些频率发生改变的光散射是入射光子与介质发生非弹性碰撞的结果，称为非弹性散射。
29发射光谱：发射光强~发射光波长
指在一定的激发条件下发射光强按波长的分布。
其形状与材料的能量结构有关。
反映材料中从高能级始发的向下跃迁过程。
激发光谱：发光强度~激发光波长
指材料发射某一特定谱线（或谱带）的发光强度随激发光的波长而变化的曲线
能够引起材料发光的激发波长也一定是材料可以吸收的波长，但激发光谱≠吸
收光谱（因为有的材料吸收光后不一定会发射光，把吸收的光能转化为热能而
耗散掉对发光没有贡献的吸收是不会在激发光谱上反映的）。
反映材料中从基态始发的向上跃迁过程。
30．发光寿命：发光寿命指发光体在激发停止之后持续发光时间的长短。
31. 发光效率：
量子效率η
q
：
指发射光子数n
out 与吸收光子数（或输入的电子数） n
in
之比。
功率效率η
p
：
表示发光功率P
out 与吸收光功率（或输入的电功率）P
in
之比。
光度效率η
l
：
表示发射的光通量L与输入的光功率（或电功率）P
in
之比。
32.受激辐射：对于物质中处于高能级上的原子，如果在它发生自发辐射以前，受到频率的外来光子的作用，就有可能在外来光子的影响下，发射出一个同样的光子，而由高能级跃迁到低能级上。这种辐射不同于自发辐射，称为受激辐射。（百度的）
33.热阻：是材料对热传导的阻隔能力。
34.杜隆-柏替定律：元素的热容定律（杜隆－珀替定律）：
恒压下，元素的摩尔热容为25J/(K?mol)，轻元素例外。
35.热膨胀：物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为热膨胀。
36.魏得曼-弗兰兹定律：在室温下许多金属的热导率与电导率之比几乎相同，而不随金属的不同而改变。
37.材料的热稳定性：热稳定性是指材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力，又称为抗热震性。
38.因瓦效应：材料在一定温度范围内所产生的膨胀系数值低于正常规律的膨胀系数值的现象。
二．简答题：
（1）电介质电导的概念，详细类别，来源
答：并不是所有的电介质都是理想的绝缘体，在外电场作用下，介质中都会有一个很小的电流。称为泄露电流。
导电方式有：电子与空穴（电子电导）；可移动的正负离子和离子空位。对于离子电导，必须需要指出的是：在较低场强下，存在离子电导；在高场强下，呈现电子电导。
晶体的离子电导分为两类：一类是源于晶体点阵中基本离子的运动，称为离子固有电导或本征电导，这种电导是热缺陷形成的，即是由离子自身随着热运动的加剧而离开晶格点阵形成。另一类是源于结合力较弱的杂质离子的运动造成的，称为杂质电导
（2）硬磁材料与软磁材料各自的特点与区别
答：软磁材料：磁滞回线瘦长，易于磁化，也易于退磁，μ高、Ms高、Hc小、Mr低硬磁（永磁）材料：磁滞回线短粗，磁化后不易退磁，μ低、Hc与Mr高
（3）请简要回答热电性的三个基本热电效应
答：第一个热电效应——塞贝克效应：两种下同的导体组成一个闭合回路时，若在两接头处存在温度差，则回路中将有电势及电流产生，这种现象称为塞贝克效应。
第二个热电效应——玻尔贴效应：当有电流通过两个不同导体组成的回路时，除产生焦耳热外，在两接头处还分别出现吸收或放出热量Q的现象，Q称为玻尔帖热，此现象称为玻尔帖效应。
第三个热电效应——汤姆逊效应：当电流通过具有一定温度梯度的导体时，除产生焦耳热外，另有一横向热流流入或流出导体（即吸热或放热），此种热电现象称为汤姆逊效应。
（4）电滞回线的各个物理量的名称及物理意义
答：P：电极化强度
Pr：剩余电极化强度
Ps：饱和电极化强度
E：外电场强度
Eo：矫顽电场强度
（5）磁滞回线的各个物理量的名称及物理意义
答：CD段：退磁曲线
MS：饱和磁化强度
BS：饱和磁感强度
Mr：剩余磁化强度
Br：剩余磁感强度
HC：矫顽力
Hs: 饱和外加磁场强度
Hr: 剩余磁场强度
（6）请基于磁化率大小给物质磁性分类，并说明各类的物质磁化难易程度
答：
χ称为物质的磁化率, 它的大小反映了物质磁化的难易程度
1)抗磁性材料：χ为甚小负常数
2)反铁磁性材料：χ是甚小的正常数
3)顺磁磁性材料：χ为正常数
4）亚铁磁性材料：类似铁磁体，但χ值没有铁磁体大
5）铁磁性材料：χ为很大的正常数
7) 简要回答物质磁性的本源
答:任何物质由原子组成，原子又有带正电的原子核（核子）和带负电的电子构成。核子和电子本身都在做自旋运动，电子又沿一定轨道绕核子做循规运动。它们的这些运动形成闭合电流，从而产生磁矩。材料磁性的本源是：材料内部电子的循规运动和自旋运动。
8) 为什么自发磁化要分很多磁畴。
答;从能量的观点，这种磁畴的形成是能量最小原则的必然结果，形成磁畴是为了降低系统的能量。由于交换作用力图使整个晶体自发磁化至饱和，磁化显然沿晶体的易磁化方向，这样才能使交换能和慈晶能都处于最小值。但是晶体都有一定的形状和尺寸，整个晶体均匀磁化的结果必然产生磁极，有磁极急必然产生退磁能，从而给系统增加了退磁能，退磁能将要破坏已经形成的自发磁化。这两个矛盾的相互作用结果
将使大磁畴分割为小磁畴
9) 正常情况下，为什么半导体的电阻率随温度的升高而降低。
答：正常情况下，为什么半导体的电阻率随温度的升高而降低。自由电子
，由公式知，自由电子与温度近似成正比，故温度升高，自由电子增大，所以半导体的电阻率随温度的升高而降低。
10.金属电阻随温度升高而升高原因：
金属材料随温度升高，离子热振动的振幅增大，电子就愈易受到散射，可认为μ与温度成正比，则ρ也与温度成正比
11.影响金属导电性的因素
主要因素：温度，受力情况，冷加工，晶体缺陷，热处理，几何尺寸效应，电阻率各向异性。
12.当形成化合物时，合金的导电性变化激烈，其电阻率要比各组元的电阻率高很多。
原因在于原子键合的方式发生了变化，其中至少一部分由金属键变为共价键获离子键，使导电电子减少。若两组元给出的价电子的能力相同（即两个组元的电离势几乎没差别），则所形成化合物的电阻值就低，若两个组元的电离势相差较大，即一组元的给出电子被两个组元吸收，则化合物的电阻就大，接近半导体的性质.
13) 超导体为什么具有完全的抗磁性：外磁场在试样表面感应产生一个磁感应电流。此电流所经路径的电阻为零，所以它产生的附加磁场总是与外磁场大小相等，方向相反，因而使超导体内的合成磁场为零。于是表现出完全的抗磁性。
14.本征硅的导电机理：在热、光等外界条件的影响下，满带上的价电子获得足够的能量，跃过禁带跃迁至空带而成为自由电子，同时在满带中留下电子空穴，自由电子和电子空穴在外加电场的作用下定向移动形成电流。
15.硼掺杂Si的导电机制：在本征半导体中，掺入3价硼元素的杂质（硼，铝，镓，铟），就可以使晶体中空穴浓度大大增加。因为3价元素的原子只有3个价电子，当它顶替晶格中的一个4价元素原子，并与周围的4个硅（或锗）原子组成4个共价键时，缺少一个价电子，形成一个空位。因为，3价元素形成的空位能级非常靠近价带顶的能量，在价电子共有化运动中，相邻的原子上的价电子就很容易来填补这个空位（较跃迁至禁带以上的空带容易的多），从而产生一个空穴。所以每一个三价杂质元素的原子都能接受一个价电子，而在价带中产生一个空穴。
16.砷掺杂Si的导电机理：本征半导体中掺入5价元素（磷，砷，锑）就可使晶体中的自由电子的浓度极大地增加。因为5价元素的原子有5个价电子，当它顶替晶格中的一个4价元素的原子时，余下了1个价电子变成多余的，此电子的能级非常靠近导带底，非常容易进入导带成为自由电子，因而导带中的自由电子较本征半导体显著增多，导电性能大幅度提高。
17．介质损耗的形式及造成这几种损耗的原因：
1）电导（或漏导）损耗
实际使用的电介质都不是理想的绝缘体，都或多或少地存在一些弱联系带电离子或空穴，在E 作用下产生漏导电流，发热，产生损耗。低场强下，存在离子电导；高场强下，电子电导。离子电导：本征电导和杂质电导。
2）极化损耗：介质极化时,有些极化形式可引起损耗。
一方面：极化过程中离子要在E作用下克服热运动消耗能量，引起损耗。
另一方面：松弛极化建立时间较长，极化跟不上外E的变化（特别是交流频率较高时），所造成的电矩往往滞后于E，即E达最大时，极化引起的极化电荷未达最大，当E开始减小时，极化仍继续增至最大值后才开始减小，当E为0时，极化尚未完全消除，当外E反向时，极板上遗留的部分电荷中和了电源对极板充电的部分电荷，并以热的形式散发，产生损耗。
3）电离损耗
又称游离损耗，是气体引起的，含气孔的固体电介质，外E大于气体电离所需的E时，气体发生电离吸收能量，造成损耗。
电离损耗可使电介质膨胀，可导致介质热破坏和促使化学破坏，因此必须降低电介质中的气孔。
另外还有结构损耗和宏观结构不均匀造成的损耗。
（18）电畴转向时引起较大内应力，这种转向不稳定。当外加电场撤去后，则有小部分电畴偏离极化方向，恢复原位，而大部分电畴则停留在新转向的极化方向上，也就形成了剩余极化。
（19）电畴的运动
在外电场的推动下，电畴会随外电场方向出现转向运动。其运动过程分为新畴成核、发展和畴壁移动来实现。
１８０°畴：
反向电场——（边沿，缺陷处即成核）新畴——尖劈状的新畴向前端发展（因１８０°畴前移速度快几个数量级）,１８０°畴不产生应力（因自发极化反平行），一般需耗较大电场能。
９０°畴：
对于９０°畴的“转向”虽然也产生针状电畴，但是主要是通过９０°畴的侧向运动来实现。但因晶轴的长缩方向不一致，而产生应力并引起近邻晶胞承受压力。
（20）实际的铁电体中，必然同时存在９０°畴和１８０°畴，并且相互影响，相互牵制。尤其多晶陶瓷中杂质，缺陷，晶粒间界，空间电荷的存在将给电畴的转向带来电的或机械应力方面的影响，故铁电陶瓷在外电场作用下的定向移动率，通常比铁电单晶的定向率低的多（这也是为什么铁电单晶Ps值比铁电陶瓷高的原因）。
二、综合题
3引起电介质击穿的形式及其物理机制：电击穿是因电场使电介质中积聚起足够数量和能量的带电电质点而导致电介质失去绝缘性能。热击穿是在电场作用下，电介质内部热量积累，温度过高而导致失去绝缘性能。电化学击穿是在电场，温度等因素作用，电介质发生缓慢的化学变化，性能逐渐劣化，最后失去绝缘性能。
4超导现象的物理机制是什么：BCS理论。认为，超导现象产生的原因是超导体中的电子在超导态时，电子间存在着特殊的吸引力，而不是正常态时的静电斥力。这种吸引力使电子双双结成电子对。它是超导态电子与晶格点阵间相互作用产生的结果。使动量和自旋方向相反的两个电子el、e2结成了电子对，称为库柏电子对。
5阐明P209页图。4.19的物理特征（不确定）在电磁波谱的可见光区，金属和半导体的吸收系数都很大，但是电介质材料，包括玻璃、陶瓷等无机材料的大部分在这个波谱区都有良好透过性，也就是说吸收洗漱很小。
在紫外区出现了紫外吸收端，因为波长越短，能量越大。
红外区的吸收峰是因为离子弹性振动与光子辐射发生谐振消耗能量所致。
6铁磁性产生的两个条件：原子有未被抵消的自旋磁矩（必要条件），可发生自发磁化（充分条件）。
自发磁化的产生机理与条件：据键合理论，原子相互接近形成分子时，电子云要相互重叠，电子要相互交换位置。对过渡族金属，原子的3d与4s态能量接近，它们电子云重叠时引起了3d、4S态电子的交换。交换所产生的静电作用力称为交换力，交换力的作用迫使相邻原子的自旋磁矩产生有序的排列。
7要获得一束高能激光如何实现为了产生激光，必须选择增益系数超过一定的阈值的激光介质，在激光谐
振的配合下，使沿腔轴（镜面法线）方向传播的光波不断增强，并成为色彩极单纯（特定模式）、方向性极好、能量密度极高的激光束。
（8）金属-半导体接触时，请基于溢出功大小阐述接触电效应
?答假定金属的逸出功φM大于半导体的逸出功φS ，当形成MS结时，半导体中的电子会向金属中扩散，使金属表面带负电，半导体表面带正电，能带发生移动，形成新的费米能而达到平衡，不在有静电子的流动，形成了接触电位差，V MS = (φM - φS)/e. 并在接触界面出现一个由半导体指向金属的内电场，阻碍载流子的继续扩散。也形成了耗尽层，能带向上弯曲，在金属与半导体两侧形成势垒高度稍有不同的肖特基势垒。这种MS结具有整流作用。
?当φM < φS时，电子将有金属扩散流向半导体，在半导体一侧形成堆积层，这个是高导电区，成为反阻挡层（黑板图示）。能带向下弯曲，成为欧姆结。通常半导体器件采用金属电极时就需要良好的欧姆接触。
（9）阐明热传导的物理机制
答：同（1）
（10）退磁的方法有哪些，同时请说明每一种方法的退磁机制
答：
磁滞回线的起点不是饱和点，而在饱和点以下时，H减小时，Mr和Hc减小，即磁滞回线变得短而窄，若施加的交变磁场幅值H趋于0时，则回线将成为趋于坐标原点的螺线，直至交变磁场的H ＝0，铁磁体将完全退磁。
热退磁：将试样加热到居里点以上，然后在无外电场的条件下缓慢冷却到室温。该方法操作复杂，可能导致试样结构变化，但能获得完全的退磁效果。
交流退磁：在试样上加一低频交变磁场，并使其振幅由某一最大值均匀减小到零。
（11）PN结的发光机制是什么
答：
（12）为什么所有物质都具有抗磁性，请阐明原因
答：
（13）请阐明材料出现热膨胀的物理机制
实际上物体温度升高，由于质点振动的加剧，将引起质点平均距离增大，从而导致物体热膨胀。
. 对于简谐振动，位能曲线对称，升高温度只能增大振幅，并不会改变平衡位置，因此质点间的平均距离不会因温度升高而改变。
对于非简谐振动，位能曲线不对称，质点向外振动的距离大于向内振动的距离，随着温度升高，动能增大，振动剧烈，质点间的平均距离不断增大，形成宏观的热膨胀现象。
用双原子模型解释
r r>r0时，表现为引力，但引力随位移的增大较慢。 因此，合力曲线和势能曲线均不对称 引力与斥力都与质点间的距离有关：引力与斥力都随质点间距离减小而增大，但两个作用力都是非线性的，即不简单地与位移成正比。随间距的减小增大速度不同，斥力增加的快，其合力曲线的斜率不等（平衡位置左侧大，右侧小），所以质点振动时其平均位置不在原平衡位置，而是靠右。温度升高，振幅增大，其平均位置偏离原平衡位置靠右的距离越大，两质点间的距离增大，使晶胞参数增大，整个物体膨胀。 用势能曲线解释 任一温度下，质点在其平衡位置动能最大，势能为零；在左右最远距离势能最大，动能为零。随温度升高，质点振幅增大，左右侧最大势能都增加，但由于斥力增加的快，左侧势能增加较右侧快，形成了势能曲线的不对称。因此，随温度的升高，质点的中心位置右移，质点间的距离最大，物体膨胀。 14．铁电体自发极化的物理机制：1）非铁电态到铁电态过渡总是伴随着晶格结构的改变。2）晶体由立方晶系转变为四方晶系，晶体的对称性降低。3）自发极化主要是由于某些离子偏离了平衡位置而造成的。偏离导致单位晶胞中出现电矩，电矩之间的相互作用使偏离离子在新的位置上稳定下来。与此同时，晶体结构发生畸变。 15．（右图为N沟道晶体管示意图，在P型衬底的MOS 系统中增加两个N型扩散区，分别称为源区（S表示）和漏区（D表示））。 通过控制栅压G的极性和数值，可以使MOS晶体管分别处于导通或截止的状态：源、漏之间的电流将受到栅压的调制，这就是MOS晶体管工作原理的基础。 16.基于伏特效应设计的太阳能电池吸收光能及产生电能的示意图并阐明其运作过程。 利用扩散掺杂的方法，在P型半导体的 表面形成一个薄的N型层，在光的照射下， 在PN结及其附近表面产生大量的电子和空 穴对，在PN结附近一个扩散长度内，电子- 空穴对还没有复合就有可能通过扩散达到 PN结的强电场区域（PN结自建电场），电子 将运动到N型区，空穴将运动到P型区，使 N区带负电、P区带正电，上下电极产生电 压——光生电子伏特效应。 17. PN结在正、反向电压施加作用下的导电过程： A、PN结的构成：PN结的两边由于存在载流子分布的浓度差而引起载 流子的扩散运动。P区中的空穴扩散到了N区，N区中的电子扩散到 了P区，随着扩散的进行在交界面处形成了一层的空间电荷区，同时 也有一定值的内电场Ei和内建电位差V ,如右图所示。 B、外加正向电压的情况 由于外加正向电压U与内电位差 V D方向相反，因而使阻挡层两端的电位差减小到（V D-U）， 空间电荷量减少，以至内电场减小，结果产生了从P区流向N区的正向电流。该电流是由多子扩散形成的，故较大。 C、由于外加电压U与内电位差V D方向相同，阻挡层加宽，科技电荷量增多，以至内电场加强，形成了从N区流向P区的反向电流。该电流是由少子漂移形成的，故很微弱，且几乎不随U的增大而变化。 18.介质极化的五种基本形式及概念、基本特点 1）。电子式极化（电子位移极化）：在E作用下，原子外围的电子云中心相对于原子核发生位移，形成感应电矩而使介质极化的现象。特点：形成很快（10-14～10-16 s),是弹性可逆的，极化过程不消耗能量。在所有电介质中都存在，但只存在此种极化的电介质只有中性的气体、液体和少数非极性固体。 2）。2）离子式极化(离子位移极化）:离子晶体中，除离子中的电子产生位移极化外，正负离子也在E作用下发生相对位移而引起的极化。又分为：A.离子弹性位移极化：在离子键构成的晶体中，离子间约束力很强，离子位移有限，极化过程很快（10-12～10-13s），不消耗能量，可逆。B、热离子极化（离子松弛式位移极化）：在有些离子晶体和无定形体中，存在一些约束力较弱的离子，无E时作无规则热运动，宏观无电矩；有E时，正负离子反向迁移，形成正负离子分离而产生介质极化。极化建立时间较长（10-2～10-5s），有极化滞后现象，需消耗一定能量，不可逆。 3）偶极子极化(固有电矩的转向极化）:有E时，偶极子有沿电场方向排列的趋势，而形成宏观电矩，形成的极化。所需时间较长（10-2～10-10s），不可逆，需消耗能量。 4）空间电荷极化：有些电介质中，存在可移动的离子，在E作用下，正负离子分离所形成的极化。所需时间最长（10-2s）。 19、BaTiO3单晶体在外电场作用下的极化反转过程： （20）金属Fe具有磁性原因 答：铁磁质的磁性是自发产生的，磁化过程只不过是把铁磁质本身的磁性显示了出来，而不是由外界向铁磁质提供磁性。铁磁性产生的充分条件：原子内部要有未填满的电子壳层（或说存在固有磁矩），且A（交换能积分常数）为正值（或说可发生自发磁化）。 据键合理论，原子相互接近形成分子时，电子云要相互重叠，电子要相互交换位置。对Fe过渡族金属，原子的3d与4s态能量接近，它们电子云重叠时引起了3d、4S态电子的交换。交换力的作用迫使相邻原子的自旋磁矩产生有序的排列。铁磁质产生自发磁化 材料物理习题集 第一章 固体中电子能量结构和状态（量子力学基础） 1. 一电子通过5400V 电位差的电场，（1）计算它的德布罗意波长；（2）计算它的波数；（3） 计算它对Ni 晶体（111）面（面间距d =2.04×10-10m ）的布拉格衍射角。（P5） 12 34 131 192 1111 o ' (2) 6.610 = (29.110 5400 1.610 ) =1.67102K 3.7610sin sin 2182h h p mE m d d λπ λ θλ λ θθ----=???????=?==?=解：（1）= （2）波数= （3）2 2. 有两种原子，基态电子壳层是这样填充的 3. ; ; s s s s s s s 226232 2 6 2 6 10 2 6 10 （1）1、22p 、33p （2）1、22p 、33p 3d 、44p 4d ，请分别写出n=3的所有电子的四个量 子数的可能组态。（非书上内容） 4. 5. 6. 如电子占据某一能级的几率是1/4，另一能级被占据的几率为3/4，分别计算两个能级 的能量比费米能级高出多少k T ？（P15） 7. 8. 1()exp[]1 1ln[1] () ()1/4ln 3()3/4ln 3F F F F f E E E kT E E kT f E f E E E kT f E E E kT = -+?-=-=-=?=-=-?解：由将代入得将代入得 9. 已知Cu 的密度为8.5×103kg/m 3，计算其E 0 F 。（P16） 10. 2 2 03 23426 23 3 31 18(3/8)2(6.6310)8.510 =(3 6.0210/8)291063.5 =1.0910 6.83F h E n m J eV ππ---=????????=解： 由 11. 计算Na 在0K 时自由电子的平均动能。（Na 的摩尔质量M=22.99， .0ρ?33 =11310kg/m ）（P16） 期末复习题 一、填空（20） 1.一长30cm的圆杆，直径4mm，承受5000N的轴向拉力。如直径拉成3.8 mm，且体积保持不变，在此拉力下名义应力值为，名义应变值为。 2.克劳修斯—莫索蒂方程建立了宏观量介电常数与微观量极化率之间的关系。 3．固体材料的热膨胀本质是点阵结构中质点间平均距离随温度升高而增大。 4．格波间相互作用力愈强，也就是声子间碰撞几率愈大，相应的平均自由程愈小，热导率也就愈 介电常数一致，虚部表示了电介质中能量损耗的大小。 ．当磁化强度M为负值时，固体表现为抗磁性。8．电子磁矩由电子的轨道磁矩和自旋磁矩组成。 9．无机非金属材料中的载流子主要是电子和离子。 10．广义虎克定律适用于各向异性的非均匀材料。 ?（1-m）2x。11．设某一玻璃的光反射损失为m，如果连续透过x块平板玻璃，则透过部分应为 I 12．对于中心穿透裂纹的大而薄的板，其几何形状因子。 13．设电介质中带电质点的电荷量q，在电场作用下极化后，正电荷与负电荷的位移矢量为l，则此偶极矩为 ql 。 14．裂纹扩展的动力是物体内储存的弹性应变能的降低大于等于由于开裂形成两个新表面所需的表面能。 15.Griffith微裂纹理论认为，断裂并不是两部分晶体同时沿整个界面拉断，而是裂纹扩展的结果。16．考虑散热的影响，材料允许承受的最大温度差可用第二热应力因子表示。 17．当温度不太高时，固体材料中的热导形式主要是声子热导。 18．在应力分量的表示方法中，应力分量σ,τ的下标第一个字母表示方向，第二个字母表示应力作用的方向。 19．电滞回线的存在是判定晶体为铁电体的重要根据。 20．原子磁矩的来源是电子的轨道磁矩、自旋磁矩和原子核的磁矩。而物质的磁性主要由电子的自旋磁矩引起。 21. 按照格里菲斯微裂纹理论，材料的断裂强度不是取决于裂纹的数量，而是决定于裂纹的大小，即是由最危险的裂纹尺寸或临界裂纹尺寸决定材料的断裂强度。 22.复合体中热膨胀滞后现象产生的原因是由于不同相间或晶粒的不同方向上膨胀系数差别很大，产生很大的内应力，使坯体产生微裂纹。 23.晶体发生塑性变形的方式主要有滑移和孪生。 24.铁电体是具有自发极化且在外电场作用下具有电滞回线的晶体。 25.自发磁化的本质是电子间的静电交换相互作用。 二、名词解释(20) 自发极化：极化并非由外电场所引起，而是由极性晶体内部结构特点所引起，使晶体中的每个晶胞内存在固有电偶极矩，这种极化机制为自发极化。 断裂能：是一种织构敏感参数,起着断裂过程的阻力作用，不仅取决于组分、结构，在很大程度上受到微观缺陷、显微结构的影响。包括热力学表面能、塑性形变能、微裂纹形成能、相变弹性 能等。 1、 ?拉伸曲线： ?拉伸力F－绝对伸长△L的关系曲线。 ?在拉伸力的作用下，退火低碳钢的变形过程四个阶段： ?1）弹性变形：O～e ?2）不均匀屈服塑性变形：A～C ?3）均匀塑性变形：C～B ?4）不均匀集中塑性变形：B～k ?5）最后发生断裂。k～ 2、弹性变形定义： ?当外力去除后，能恢复到原形状或尺寸的变形－弹性变形。 ?弹性变形的可逆性特点： ?金属、陶瓷或结晶态的高分子聚合物：在弹性变形内，应力－应变间具有单值线性 关系，且弹性变形量都较小。 ?橡胶态高分子聚合物：在弹性变形内，应力－应变间不呈线性关系，且变形量较大。 ?无论变形量大小和应力－应变是否呈线性关系，凡弹性形变都是可逆变形。 3、弹性比功：（弹性比能、应变比能），用a e 表示， ?表示材料在弹性变形过程中吸收弹性变形功的能力。 ?一般用材料开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。 ?物理意义：吸收弹性变形功的能力。 ?几何意义：应力σ-应变ε曲线上弹性阶段下的面积。 4、理想弹性材料：在外载荷作用下，应力-应变服从虎克定律，即σ＝Eε，并同时满足3个条件，即： ?①应变对于应力的响应是线性的； ?②应力和应变同相位； ?③应变是应力的单值函数。 ?材料的非理想弹性行为： ?可分为滞弹性、伪弹性及包申格效应等几种类型 5、滞弹性(弹性后效) ?滞弹性：是指材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间的延长而产生的附加弹 性应变的现象。 6、实际金属材料具有滞弹性。 ?1）单向加载弹性滞后环 ?在弹性区内单向快速加载、卸载时，加载线与卸载线会不重合（应力和应变不同步）， 形成一封闭回线，称为弹性滞后环。 ?2）交变加载弹性滞后环 ?交变载荷时，若最大应力＜宏观弹性极限，加载速率比较大，则也得到弹性滞后环(图 b)。 ?3）交变加载塑性滞后环 ?交变载荷时，若最大应力＞宏观弹性极限，则得到塑性滞后环（图c）。 7、材料存在弹性滞后环的现象说明：材料加载时吸收的变形功> 卸载时释放的变形功，有一部分加载变形功被材料所吸收。 ?这部分在变形过程中被吸收的功，称为材料的内耗。 ?内耗的大小：可用滞后环面积度量。 8、金属材料在交变载荷(振动)下吸收不可逆变形功的能力，称为金属的循环韧性，也叫金属的“内耗”。 ?严格说，循环韧性与内耗是有区别的，但有时常混用。 ?循环韧性： ?指材料在塑性区内加载时吸收不可逆变形功的能力。 ?内耗： ?指材料在弹性区内加载时吸收不可逆变形功的能力 9、循环韧性：也是金属材料的力学性能，因它表示在交变载荷(振动)下吸收不可逆变形功的能力，故又称为消振性。 ?材料循环韧性越高，则自身的消振能力就越好。 ?高的循环韧性可减振：如汽轮机叶片（1Cr13），机床材料、发动机缸体、底座等选 用灰铸铁制造。 ?低循环韧性可提高其灵敏度：如仪表和精密机械、重要的传感元件。 ?乐器所用材料的循环韧性越低，则音质越好。 10、伪弹性有些合金如（Au金-Cd镉，In铟-Tl铊等）在受一定应力时会诱发形成马氏体，相应地产生应变，应力去除后马氏体立即逆变为母相，应变回复 11、当材料所受应力超过弹性极限后，开始发生不可逆的永久变形，又称塑性变形。 12、单晶体受力后，外力在任何晶面上都可分解为正应力和切应力。 ?正应力：只能引起弹性变形及解理断裂。 ?只有在切应力的作用下，金属晶体才能产生塑性变形。 13、金属材料常见的塑性变形方式：滑移和孪生两种。 14、滑移现象： ?表面经抛光的金属单晶体在拉伸时，当应力超过屈服强度时，在表面会出现一些与 应力轴成一定角度的平行细线。 ?在显微镜下，此平行细线是一些较大的台阶（滑移带）。 ?滑移带：又是由许多小台阶组成，此小台阶称为滑移线 第一章 1、应力：单位面积上所受的内力ζ=F/A 2、应变：描述物体内部质点之间的相对运动ε=△L/Lo 3、晶格滑移：晶体受力时，晶体的一部分相对另一部分发生平移滑动。条件：①移动较小 的距离即可恢复、②静电作用上移动中无大的斥力 4、塑性形变过程：①理论上剪切强度：克服化学键所产生的强度。当η>ηo时，发生滑移 （临界剪切应力），η=ηm sin(2πx/λ),x<<λ时，η=ηm（2πx/λ）。由虎克定律η0=Gx/λ.则Gx/λ=ηm（2πx/λ）→ηm=G/2π;②位错运动理论：实际晶体中存在错位缺陷，当受剪应力作用时，并不是晶体内两部分整体相互错动，而是位错在滑移面上沿滑移方向运动，使位错运动所需的力比是晶体两部分整体相互华东所需的力小的多，故实际晶体的滑移是位错运动的结果。位错是一种缺陷，位错的运动是接力式的；③位错增值理论：在时间t内不但比N个位错通过试样边界，而且还会引起位错增值，使通过便捷的位错数量增加到NS个，其中S位位错增值系数。过程机理画图 5、高温蠕变：在高温、恒定应力的作用下，随着时间的延长，应变不断增加。⑴起始阶段 0-a：在外力作用下瞬时发生弹性形变，与时间无关。⑵蠕变减速阶段a-b：应变速率随时间递减，即a-b段的斜率dε/dt随时间的增加而愈小，曲线愈来愈平缓。原因：受阻碍较小，容易运动的位错解放出来后，蠕变速率就会降低；⑶稳态蠕变阶段b-c：入编速率几乎保持不变，即dε/dt=K（常数）原因：容易运动的位错解放后，而受阻较大的位错未被解放。⑷加速入编阶段c-d:应变绿随时间增加而增加，曲线变陡。原因：继续增加温度或延长时间，受阻碍较大的位错也能进一步解放出来。影响入编的因素：⒈温度，温度升高，入编增加。⒉应力，拉应力增加，蠕变增加，压应力增加，蠕变减小⒊气孔率增加，蠕变增加，晶粒愈小，蠕变率愈小。⒋组成。⒌晶体结构。 6、弹性形变：外力移去后可以恢复的形变。塑性形变：外力移去后不可恢复的形变 第二章 7、突发性断裂（快速扩展）：在临界状态下，断裂源处的裂纹尖端所受的横向拉应力正好 等于结合强度时，裂纹产生突发性扩展。（一旦扩展，引起周围盈利的再分配，导致裂纹的加速扩展，出现突出性断裂） 8、裂纹缓慢生长：当裂纹尖端处的横向拉应力尚不足以引起扩展，但在长期受应力的情况 下，特别是同时处于高温环境中时，还会出现裂纹的缓慢生长。 9、理论结合强度：无机材料的抗压强度大约是抗拉强度的10倍。δth=(EΥ/a)0.5→(Υ=aE/100) →δth=E/10(a：晶格常数，Υ：断裂表面能断裂表面能Υ比自由表面能大。这是因为储存的弹性应变能除消耗于形成新表面外，还有一部分要消耗在塑性形变、声能、热能等方面。 10、Griffith微裂纹理论：⑴Inglis尖端分析：孔洞两个端部的应力取决于孔洞的长度和 端部的曲率半径而与孔洞的形状无关。应用：修玻璃通过打孔增加曲率来减慢裂纹扩展。 ⑵Griffith能量分析：物体内储存的弹性应变能的降低大于等于开裂形成两个新表面所需 的表面能。（产生一条长度2C的裂纹，应变能降低为We，形成两个新断面所需表面能为Ws）。裂纹进一步扩展（2dc，单位面积所释放的能量为dWe/2dc，形成新的单位表面积所需的表面能为dWs/2dc。）当dWe/2dc 1. 影响弹性模量的因素包括:原子结构、温度、相变。 2. 随有温度升高弹性模量不一定会下降。如低碳钢温度一直升到铁素体转变为 奥氏体相变点，弹性模量单调下降，但超过相变点，弹性校模量会突然上升，然后又呈单调下降趋势。这是在由于在相变点因为相变的发生，膨胀系数急剧减小，使得弹性模量突然降低所致。 3. 不同材料的弹性模量差别很大，主要是因为材料具有不同的结合键和键能。 4. 弹性系数Ks 的大小实质上代表了对原子间弹性位移的抵抗力，即原子结合 力。对于一定的材料它是个常数。 弹性系数Ks 和弹性模量E 之间的关系:它们都代表原子之间的结合力。因为建立的模型不同，没有定量关系。（☆） 5. 材料的断裂强度：a E th /γσ= 材料断裂强度的粗略估计：10/E th =σ 6. 杜隆-珀替定律局限性:不能说明低温下，热容随温度的降低而减小，在接近 绝对零度时，热容按T 的三次方趋近与零的试验结果。 7. 德拜温度意义: ① 原子热振动的特征在两个温度区域存在着本质差别，就是由德拜温 度θD 来划分这两个温度区域: 在低θD 的温度区间，电阻率与温度的5次方成正比。 在高于θD 的温度区间，电阻率与温度成正比。 ② 德拜温度------晶体具有的固定特征值。 ③ 德拜理论表明:当把热容视为(T/θD )的两数时，对所有的物质都具有 相同的关系曲线。德拜温度表征了热容对温度的依赖性。本质上， 徳拜温度反应物质内部原子间结合力的物理量。 8. 固体材料热膨胀机理： （1） 固体材料的热膨胀本质，归结为点阵结构中质点间平均距离随温度升 高而增大。 （2） 晶体中各种热缺陷的形成造成局部点阵的畸变和膨胀。随着温度升 高，热缺陷浓度呈指数增加，这方面影响较重要。 9. 导热系数与导温系数的含义: 材料最终稳定的温度梯度分布取决于热导率，热导率越高，温度梯度越小;而趋向于稳定的速度,则取决于热扩散率,热扩散率越高，趋向于稳定的速度越快。 即:热导率大，稳定后的温度梯度小，热扩散率大，更快的达到“稳定后的温度梯度”（☆） 10. 热稳定性是指材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力，故又称为抗热震 性。 热稳定性破坏(即抗热振性)的类型有两种：抗热冲击断裂性和抗热冲击损伤性。 11. 提高材料抗热冲击断裂性能的措施 ①提高材料强度σ，减小弹性模量E ，σ/E 增大，即提高了材料柔韧性，这样可吸收较多的应变能而不致于开裂。晶粒较细，晶界缺陷小，气孔少且分散者，强度较高，抗热冲击断裂性较好。 材料物理性能 第一章、材料的热学性能 一、基本概念 1.热容：物体温度升高1K 所需要增加的能量。（热容是分子热运动的能量随温度变化的一个物理量）T Q c ??= 2.比热容：质量为1kg 的物质在没有相变和化学反应的条件下升高1K 所需要的热量。[ 与 物质的本性有关，用c 表示，单位J/(kg ·K)]T Q m c ??=1 3.摩尔热容：1mol 的物质在没有相变和化学反应的条件下升高1K 所需要的热量。用Cm 表示。 4.定容热容：加热过程中，体积不变，则所供给的热量只需满足升高1K 时物体内能的增加，不必再以做功的形式传输，该条件下的热容： 5.定压热容：假定在加热过程中保持压力不变，而体积则自由向外膨胀，这时升高1K 时供 给 物体的能量，除满足内能的增加，还必须补充对外做功的损耗。 6.热膨胀：物质的体积或长度随温度的升高而增大的现象。 7.线膨胀系数αl ：温度升高1K 时，物体的相对伸长。t l l l ?=?α0 8.体膨胀系数αv ：温度升高1K 时，物体体积相对增长值。t V V t t V ??= 1α 9.热导率（导热系数）λ：在 单位温度梯度下，单位时间内通过单位截面积的热量。（标志 材 料热传导能力，适用于稳态各点温度不随时间变化。)q=-λ△T/△X 。 10.热扩散率（导温系数）α：单位面积上，温度随时间的变化率。α=λ/ρc 。α表示温度变化的速率（材料内部温度趋于一致的能力。α越大的材料各处的温度差越小。适用于非稳态不稳定的热传导过程。本质仍是材料传热能力。）。 二、基本理论 1.德拜理论及热容和温度变化关系。 答：⑴爱因斯坦没有考虑低频振动对热容的贡献。 ⑵模型假设：①固体中的原子振动频率不同；处于不同频率的振子数有确定的分布函数； ②固体可看做连续介质，能传播弹性振动波； ③固体中传播的弹性波分为纵波和横波两类； ④假定弹性波的振动能级量子化，振动能量只能是最小能量单位hν的整数倍。 ⑶结论：①当T》θD时，Cv,m=3R；在高温区，德拜理论的结果与杜隆-珀蒂定律相符。 ②当T《θD时，Cv,m∝3T。 ③当T→0时，Cv,m→0，与实验大体相符。 ⑷不足：①由于德拜把晶体看成连续介质，对于原子振动频率较高的部分不适用； ②晶体不是连续介质，德拜理论在低温下也不符； ③金属类的晶体，没有考虑自由电子的贡献。 2.热容的物理本质。 答：温度一定时，原子虽然振动，但它的平衡位置不变，物体体积就没变化。物体温度升高了，原子的振动激烈了，但如果每个原子的平均距离保持不变，物体也就不会因为温度升高而发生膨胀。 【⑴反映晶体受热后激发出的晶格波和温度的关系； ⑵对于N个原子构成的晶体，在热振动时形成3N个振子，各个振子的频率不同，激发出的声子能力也不同； ⑶温度升高，晶格的振幅增大，该频率的声子数目也增大； ⑷温度升高，在宏观上表现为吸热或放热，实质上是各个频率声子数发生变化。材料物理的解释】 3.热膨胀的物理本质。 答：由于原子之间存在着相互作用力，吸引力与斥力。力大小和原子之间的距离有关（是非线性关系，引力、斥力的变化是非对称的），两原子相互作用是不对称变化，当温度上升，势能增高，由于势能曲线的不对称性必然导致振动中心右移。即原子间距增大。 ⑴T↑原子间的平均距离↑r＞r0吸引合力变化较慢 ⑵T↑晶体中热缺陷密度↑r＜r0排斥合力变化较快 【材料质点间的平均距离随温度的升高而增大（微观），宏观表现为体积、线长的增大】 4.固体材料的导热机制。 答：⑴固体的导热包括：电子导热、声子导热和光子导热。 ①纯金属：电子导热是主要机制； ②合金：声子导热的作用增强； ③半金属或半导体：声子导热、电子导热； ④绝缘体：几乎只有声子导热一种形式，只有在极高温度下才可能有光子导热存在。 ⑵气体：分子间碰撞，可忽略彼此之间的相互作用力。 固体：质点间有很强的相互作用。 5.焓和热容与加热温度的关系。P11。图1.8 ⑴①有潜热，热容趋于无穷大；⑵①无潜热，热容有突变 第一章电学性能 1.1 材料的导电性 ，ρ称为电阻率或比电阻，只与材料特性有关，而与导体的几何尺寸无关，是评定材料导电性的基本参数。ρ的倒数σ称为电导率。 一、金属导电理论 1、经典自由电子理论 在金属晶体中，正离子构成了晶体点阵，并形成一个均匀的电场，价电子是完全自由的，称为自由电子，它们弥散分布于整个点阵之中，就像气体分子充满整个容器一样，因此又称为“电子气”。它们的运动遵循理想气体的运动规律，自由电子之间及它们与正离子之间的相互作用类似于机械碰撞。当对金属施加外电场时，自由电子沿电场方向作定向加速运动，从而形成了电流。在自由电子定向运动过程中，要不断与正离子发生碰撞，使电子受阻，这就是产生电阻的原因。 2、量子自由电子理论 金属中正离子形成的电场是均匀的，价电子与离子间没有相互作用，可以在整个金属中自由运动。但金属中每个原子的内层电子基本保持着单个原子时的能量状态，而所有价电子却按量子化规律具有不同的能量状态，即具有不同的能级。 0K时电子所具有最高能态称为费密能E F。 不是所有的自由电子都参与导电，只有处于高能态的自由电子才参与导电。另外，电子波在传播的过程中被离子点阵散射，然后相互干涉而形成电阻。 马基申定则：′，总的电阻包括金属的基本电阻和溶质（杂质）浓度引起的电阻（与温度无关）；从马基申定则可以看出，在高温时金属的电阻基本取决于，而在低温时则决定于残余电阻′。 3、能带理论 能带：由于电子能级间隙很小，所以能级的分布可看成是准连续的，称为能带。 图1-1(a)、(b)、(c)，如果允带内的能级未被填满，允带之间没有禁带或允带相互重叠，在外电场的作用下电子很容易从一个能级转到另一个能级上去而产生电流，具有这种能带结构的材料就是导体。 图1-1(d)，若一个满带上面相邻的是一个较宽的禁带，由于满带中的电子没有活动的余地，即便是禁带上面的能带完全是空的，在外电场作用下电子也很难跳过禁带，具有这种能带结构的材料是绝缘体。 材料物理性能思考题 第一章：材料电学性能 1如何评价材料的导电能力？如何界定超导、导体、半导体和绝缘体材料？ 2 经典导电理论的主要内容是什么？它如何解释欧姆定律？它有哪些局限性？ 3 自由电子近似下的量子导电理论如何看待自由电子的能量和运动行为？ 4 根据自由电子近似下的量子导电理论解释：准连续能级、能级的简并状态、 简并度、能态密度、k空间、等幅平面波和能级密度函数。 5 自由电子近似下的等能面为什么是球面？倒易空间的倒易节点数与不含自旋 的能态数是何关系？为什么自由电子的波矢量是一个倒易矢量？ 6 自由电子在允许能级的分布遵循何种分布规律？何为费米面和费米能级？何 为有效电子？价电子与有效电子有何关系？如何根据价电子浓度确定原子的费米半径？ 7 自由电子的平均能量与温度有何种关系？温度如何影响费米能级？根据自由 电子近似下的量子导电理论，试分析温度如何影响材料的导电性。 8 自由电子近似下的量子导电理论与经典导电理论在欧姆定律的微观解释方面 有何异同点？ 9 何为能带理论？它与近自由电子近似和紧束缚近似下的量子导电理论有何关 系？ 10 孤立原子相互靠近时，为什么会发生能级分裂和形成能带？禁带的形成规律 是什么？何为材料的能带结构？ 11 在布里渊区的界面附近，费米面和能级密度函数有何变化规律？哪些条件下 会发生禁带重叠或禁带消失现象？试分析禁带的产生原因。 12 在能带理论中，自由电子的能量和运动行为与自由电子近似下有何不同？ 13 自由电子的能态或能量与其运动速度和加速度有何关系？何为电子的有效质 量？其物理本质是什么？ 14 试分析、阐述导体、半导体（本征、掺杂）和绝缘体的能带结构特点。 15 能带论对欧姆定律的微观解释与自由电子近似下的量子导电理论有何异同 点？ 16 解释原胞、基矢、基元和布里渊区的含义 第一章 一、基本概念 1．塑性形变及其形式：塑性形变是指一种在外力移去后不能恢复的形变。晶体中的塑性形变有两种基本方式：滑移和孪晶。 2．蠕变：当对粘弹性体施加恒定压力σ0时，其应变随时间而增加，这种现象叫做蠕变。弛豫：当对粘弹性体施加恒定应变ε0时，其应力将随时间而减小，这种现象叫弛豫。 3．粘弹性：一些非晶体，有时甚至多晶体在比较小的应力时可以同时表现出弹性和粘性，称为粘弹性，所有聚合物差不多都表现出这种粘弹性。 4．滞弹性：对于理想的弹性固体，作用应力会立即引起弹性应变，一旦应力消除，应变也随之消除，但对于实际固体这种弹性应变的产生与消除需要有限时间，无机固体和金属这种与时间有关的弹性称为滞弹性。 二、基本理论 1．金属材料和无机非金属材料的塑性变形机理：○1产生滑移机会的多少取决于晶体中的滑移系统数量。○2对于金属，金属键没有方向性，滑移系统多，所以易于滑移而产生塑性形变。对于无机非材料，离子键和共价键有明显的方向性，同号离子相遇，斥力极大，只有个别滑移系统才能满足几何条件与静电作用条件。晶体结构越复杂，满足这种条件就越困难，所以不易产生滑移。○3滑移反映出来的宏观上的塑性形变是位错运动的结果，无机材料不易形成位错，位错运动也很困难，也就难以产生塑性形变，材料易脆断。 金属与非金属晶体滑移难易的对比 金属非金属 由一种离子组成组成复杂 金属键物方向性共价键或离子键有方向性 结果简单结构复杂 滑移系统多滑移系统少 2．无机材料高温蠕变的三个理论 ○1高温蠕变的位错运动理论：无机材料中晶相的位错在低温下受到障碍难以发生运动，在高温下原子热运动加剧，可以使位错从障碍中解放出来，引起蠕变。当温度增加时，位错运动加快，除位错运动产生滑移外，位错攀移也能产生宏观上的形变。热运动有助于使位错从障碍中解放出来，并使位错运动加速。当受阻碍较小时，容易运动的位错解放出来完成蠕变后，蠕变速率就会降低，这就解释了蠕变减速阶段的特点。如果继续增加温度或延长时间，受阻碍较大的位错也能进一步解放出来，引起最后的加速蠕变阶段。 ○2扩散蠕变理论：高温下的蠕变现象和晶体中的扩散现象类似，并且把蠕变过程看成是外力作用下沿应力作用方向扩散的一种形式。 ○3晶界蠕变理论：多晶陶瓷中存在着大量晶界，当晶界位向差大时，可以把晶界看成是非晶体，因此在温度较高时，晶界粘度迅速下降，外力导致晶界粘滞流动，发生蠕变。 第二章 一、基本概念 1．裂纹的亚临界生长：裂纹除快速失稳扩展外，还会在使用应力下，随着时间的推移而缓慢扩展，这种缓慢扩展也叫亚临界生长，或称为静态疲劳。 2．裂纹扩展动力：物体内储存的弹性应变能的降低大于等于由于开裂形成两个新表面所需的表面能，反之，前者小于后者，则裂纹不会扩展。将上述理论用于有裂纹的物体，物体内储存的弹性应变能的降低（或释放）就是裂纹扩展动力。 拉伸冲杯试验模具与产品 高强度板材杯凸 EC系列板材成型实验平台创新性地引入双级液 压、动态载荷平衡、模具总成机构等独特设计， 达到板材成形实验平台的测试精度高、可扩展的 测试功能多、拉伸推力大、压边力与拉伸力分别 单独可控的优点，可以做各种超过10mm厚度的高 强度板材的成形测试。测试平台对现有的汽车轻 量化技术、板材成形工艺研究、材料物理性能测 试、焊接工艺评估、润滑油品分级方面起到至关 重要的作用，经我们的平台实验后，可得出最优 设计参数，减少工业领域的材料浪费，达到节能 环保的效果 目前国内市场上的板材成形试验机主要受限于结 构，采取多立柱液压压紧，丝杠提供拉伸力的方 式，这种结构复杂、体积庞大、提供的拉伸力范 围小，只能测试国标GB15825里面规定的2mm厚 以内的板材测试；EC系列的产品的拉伸力范围、 测试精度和重复性完全满足ISO、GB、DIN、ASTM 等试验标准 ⑤弯曲试验⑥扩孔试验⑦滚边试验 注：此试验的深拉冲杯完成后，需要 G1型滚边机完成滚弯过程 EC系列板材成形试验平台可做测试内容 EC系列板材成形试验平台应用领域： - 板材成形性能研究 - 冲压工艺模拟和成型工艺参数研究和评估（常温和高温） - 焊道检测、焊接工艺指标评定 - 润滑油的评估和分级 - 涂料性能检测 - 包装材料质量评定（易拉罐板材、清漆性能） EC系列板材成形试验平台技术特性: 1.双级液压拉伸压边系统，每级可单独控制位移、速度、方向、推力 2.压边力分边：带压边力自动分边装置，保证压边载荷均匀分布于圆周，结构保证由于压边力不均匀引起的物料不对称滑动，提高 拉伸试验结果的准确性 3.业内首创深拉冲杯一次成形技术，板材一次性自动冲裁圆片、自动适应均匀压边、自动拉伸、自动退料 4.创新性的模具总成成套更换方式，让模具更换更加简单方便，防止模具错误装配；更高的模具对中性 5.液压拉伸机构：冲头自动匀速推进、速度无极可调，系统推力大，整个试验过程平滑流畅 6.实验冲模对中性：0.05mm以内 7.机器停机方式：①传感器感应到冲头拉伸力急速下降，板材屈服极限到达，自动停机②手动停机：观察到裂纹出现，立即停机 8.系统内采用防尘设计，适应严酷工况；满足长期高负荷试验运行 9.拉伸力获取方式：盘辐式压力传感器、油压换算 10.全数字数据处理平台，高速动态数据采样频率超过1MSPS高速动态数据采集模块、高速嵌入式带DSP算法微处理器,数据采集密度大 11.输出：GOM-FLC系统信号接口、USB连接PC接口 12.主机自带人机界面，可独立监控实验过程，也可通过USB接口监控 13.可调滚动脚轮，移动方便 14.系统带缓冲刹车保护装置，启动、停机平稳，环保节能设计，能效比高 ※ 材料的导电性能 1、 霍尔效应 电子电导的特征是具有霍尔效应。 置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两 个面之间产生电动势差，这种现象称霍尔效应。 形成的电场E H ，称为霍尔场。表征霍尔场的物理参数称为霍尔系数，定义为： 霍尔系数R H 有如下表达式：e n R i H 1 ± = 表示霍尔效应的强弱。霍尔系数只与金属中自由电子密度有关 2、 金属的导电机制 只有在费密面附近能级的电子才能对导电做出贡献。 利用能带理论严格导出电导率表达式： 式中： nef 表示单位体积内实际参加传导过程的电子数； m *为电子的有效质量，它是考虑晶体点阵对电场作用的结果。 此式不仅适用于金属，也适用于非金属。能完整地反映晶体导电的物理本质。 量子力学可以证明，当电子波在绝对零度下通过一个完整的晶体点阵时，它将不受散射而无阻碍的传播，这时 电阻为零。只有在晶体点阵完整性遭到破坏的地方，电子波才受到散射(不相干散射)，这就会产生电阻——金属产生电阻的根本原因。由于温度引起的离子运动(热振动)振幅的变化(通常用振幅的均方值表示)，以及晶体中异类原子、位错、点缺陷等都会使理想晶体点阵的周期性遭到破坏。这样，电子波在这些地方发生散射而产生电阻，降低导电性。 3、 马西森定律 （P94题11） 试说明用电阻法研究金属的晶体缺陷（冷加工或高温淬火）时威慑年电阻测量要在低温下进行。 马西森（Matthissen ）和沃格特（V ogt ）早期根据对金属固溶体中的溶质原子的浓度较小，以致于可以略去它们 之间的相互影响，把金属的电阻看成由金属的基本电阻ρL(T)和残余电阻ρ?组成，这就是马西森定律（ Matthissen Rule ），用下式表示： ρ?是与杂质的浓度、电缺陷和位错有关的电阻率。 ρL(T)是与温度有关的电阻率。 4、 电阻率与温度的关系 金属的温度愈高，电阻也愈大。 若以ρ0和ρt 表示金属在0 ℃和T ℃温度下的电阻率，则电阻与温度关系为: 在t 温度下金属的电阻温度系数： 5、 电阻率与压力的关系 在流体静压压缩时，大多数金属的电阻率降低。 在流体静压下金属的电阻率可用下式计算 式中：ρ0表示在真空条件下的电阻率；p 表示压力；φ是压力系数(负值10-5~10-6 )。 正常金属（铁、钴、镍、钯、铂等），压力增大，金属电阻率下降；反常金属（碱土金属和稀土金属的大部分） 6、 缺陷对电阻率的影响：不同类型的缺陷对电阻率的影响程度不同，空位和间隙原子对剩余电阻率的影响和金属 杂质原子的影响相似。点缺陷所引起的剩余电阻率变化远比线缺陷的影响大。 材料物理性能复习思考题汇总 第一章绪论及材料力学性能 一．名词解释与比较 名义应力:材料受力前面积为A,则δ。=F/A,称为名义应力 工程应力：材料受力后面积为A。，则δT =F/A。，称为工程应力 拉伸应变：材料受到垂直于截面积方向大小相等，方向相反并作用在同一条直线上的两个拉伸应力时发生的形变。 剪切应变：材料受到平行于截面积大小相等，方向相反的两个剪切应力时发生的形变。 结构材料：以力学性能为基础，以制造受力构件所用材料 功能材料：具有除力学性能以外的其他物理性能的材料。 晶须：无缺陷的单晶材料 弹性模量：材料发生单位应变时的应力 刚性模量：反映材料抵抗切应变的能力 泊松比：反映材料横向正应变与受力方向线应变的比值。（横向收缩率与轴向收缩率的比值） 形状因子：塑性变形过程中与变形体尺寸，工模具尺寸及变形量相关参数。 平面应变断裂韧性：一个考虑了裂纹尺寸并表征材料特征的常数 弹性蠕变：对于金属这样的实际弹性体，当对它施加一定的应力时，它除了产生一个瞬时应变以外，还会产生一个随时间而变化的附加应变（或称为弛豫应变），这一现象称为弹性蠕变。 蠕变：在恒定的应力δ作用下材料的应变随时间增加而逐渐增大的现象 材料的疲劳：裂纹在使用应力下，随着时间的推移而缓慢扩展。 应力腐蚀理论：在一定环境温度和应力场强度因子作用下，材料中关键裂纹尖端处，裂纹扩展动力与裂纹扩展阻力的比较，构成裂纹开裂和止裂的条件。 滑移系统：滑移面族和滑移方向为滑移系统 相变增韧：利用多晶多相陶瓷中某些相成分在不同温度的相变，从而增韧的效果，统称相变增韧 弥散强化：在基体中渗入具有一定颗粒尺寸的微细粉料，达到增韧效果，这称为弥散增韧 屈服强度：屈服强度是金属材料发生屈服现象时的屈服极限，亦即抵抗微量塑性变形的应力 法向应力：导致材料伸长或缩短的应力 切向应力：引起材料切向畸变的应力 应力集中：受力构件由于外界因素或自身因素导致几何形状、外形尺寸发生突变而引起局部范围内应力显著增大的现象。 热学作业（一） 1. 请简述关于固体热容的经典理论. 爱因斯坦热容模型解决了热容经典理论存在的什么问题？其本身又存在什么问题？为什么会出现这样的问题？德拜模型怎样解决了爱因斯坦模型的问题？ 答：固体热容的经典理论包括关于元素热容的杜隆-珀替定律，以及关于化合物热容的柯普定律。前者内容为：恒压下元素的原子热容约为25 J/(K·mol)。后者内容为：化合物分子热容等于构成该化合物的各元素原子热容之和。 爱因斯坦热容模型解决了热容经典理论中C m 不随T 变化的问题。在高温下爱因斯坦模型与经典理论一致，与实际情况相符，在0K 时C m 为0，但该模型得出的结论是C m 按指数规律随T 变化，这与实际观察到的C m 按T 3变化的规律不一致。 之所以出现这样的问题是因为爱因斯坦热容模型对原子热振动频率的处理过于简化——原子并不是彼此独立地以同样的频率振动的，而是相互间有耦合作用。 德拜模型主要考虑声频支振动的贡献，把晶体看作连续介质，振动频率可视为从0到ωmax 连续分布的谱带，从而较为准确地处理了热振动频率的问题。 2. 金属Al 在30K 下的C v,m =0.81J/K·mol ，其θD 为428K. 试估算Al 在50K 及500K 时的热容C v,m . 解：50K 远低于德拜温度428K ，在此温度下，C v 与T 3成正比，即3T A C v ?= 则 53310330 81 .0-?=== T C A v J/mol·K 4 故50K 时的恒容热容75.3501033 53=??=?=-T A C v J/mol·K 500K 高于德拜温度，故此温度下的恒容摩尔热容约为定值3R ，即： 9.2431.833=?=?=R C v J/mol·K 热学作业（二） 1、晶体加热时，晶格膨胀会使得其理论密度减小. 例如，Cu 在室温（20℃）下密度为8.94g/cm 3，待加热至1000℃时，其理论密度值为多少？（不考虑热缺陷影响，Cu 晶体从室温~1000℃的线膨胀系数为17.0×10-6/℃） 解：因为3202020a m V m D == ，31000 10001000a m V m D == 晶格热振动：固体材料由晶体或非晶体组成，点阵中的质点并不是静止不动的，而是围绕其平衡位置做微小振动。声频支振动：振动着的质点中频率甚低的格波，质点质点之间的相位差不大。光频支振动与之相反。热容：在没有相变和化学反应的条件下，材料温度升高1K时所吸收的热量。金属材料热容的影响因素：自由电子的影响，一般可忽略，低温热容缓慢下降，高温热容超过3R继续上升，合金成分对热容的影响。组织转变对热容的影响：一级相变和二级相变一级相变在相变点发生突变，二级，也剧烈变化但有限值，亚稳态组织转变，从亚稳态转变为稳态时要放出热量。热容的测量方法：量热计法，撒克司法，史密斯法和脉冲法。热分析法：差热分析，差示扫描量热法，热重法。热分析的应用：建立合金相图，热弹性马氏体相变研究，合金的有序无须转变研究，液相转变的研究。影响热膨胀性能的因素：键强，晶体结构，非等轴晶系的晶体，相变，化学成分。热膨胀系数的测量：机械杠杆式膨胀仪，光杠杆膨胀仪，电感式膨胀仪。热膨胀分析的应用：确定钢的组织转变点（切线法、极值法）研究加热转变。热导率：单位时间内通过单位截面面积的热量。热导率的测量：稳态法，非稳态法。材料的热冲击损坏类型：抗热冲击断裂性，抗热冲击损伤性。热应力：材料的热胀冷缩引起的内应力。提高抗热冲击断裂性能的措施：提高材料的强度减小弹性模量，提高材料的热导率，减小材料的热膨胀系数，减小表面散热系数，减小产品的有效厚度。载流子：材料中参与传导电流的带电粒子。费米球：在0K下自由电子在速度空间中分布形成一个中心对成球。掺杂半导体（n、p型）n型，所有结合键被价电子填满后仍有富裕的价电子，p型，价电子都成键后仍有些结合键上缺少价电子出现空穴。掺杂能级：掺入的异价原子使得局部结合键情况发生变化，导致半导体中出现附加能及。光致电导：半导体材料受到适当波长的电磁波辐射时，导电性会大幅度升高的现象。陶瓷材料的导电性：按用途分电子导电、离子导电，半导体、绝缘体。超导体：零电阻、完全抗磁，条件，温度条件、磁场条件、电流条件。磁化强度M：单位体积磁性材料内原子磁矩m的矢量总和。磁极化强度J：单位体积中磁偶极子矢量总和。材料按磁性分为：抗磁性、顺磁性、铁磁性、亚铁磁性和反铁磁性。磁致伸缩：铁磁体的长度或体积发生变化的现象。退磁场：在铁磁性材料内部，附加磁场方向和外加磁场方向相反。磁畴（三角畴、片状畴）矫顽力：畴壁越过最大的阻力峰所需要的磁场就相当于材料的矫顽力。剩余磁化强度：铁磁体磁化到饱和并去掉外磁场后，在磁化方向保留的Mr（剩余磁化强度）或Br（剩余磁感应强度）称为剩磁（用获得晶体结构或磁结构的办法来提高剩磁）磁滞损耗：铁磁性材料反复磁化一周，由于磁滞现象所造成的损耗（减小摩擦生热、或形成磁有序）。涡流损耗：感应电流所引起的损耗（做成薄片，提高电阻率）。剩余损耗：总损耗减去所剩下的损耗（控制杂质的量）。磁后效（约旦后效、李希特后效）交流（动态）磁性测量：伏安法、电桥法。OMR-正常磁电阻：传导电子受到磁场的洛伦兹力作用做回旋运动，使其有效的平均自由程减小所致。AMR-各向异性磁电阻效应：铁磁性的过渡金属、合金中，外加磁场方向平行于电流方向时的电阻率和外加磁场方向垂直电流方向时的电阻率不同。GMR-巨磁电阻效应：磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较无外磁场作用时纯在显著变化的现象。光的本（横波、具有偏振性）质：波粒二象性。光和固相作用的本质：电子极化、电子能态转变。影响折射率的因素：元素离子半径，电子结构，材料的结构、晶型、晶态。同质异构体，外界因素。半导体材料中的光吸收：激子吸收（能产生激子的光的吸收）、本征吸收（电子在带与带之间的跃迁所形成的吸收）发光寿命：发光体在激发停止之后 材料物理性能考试重点、复习题 精品资料 1.格波：在晶格中存在着角频率为ω的平面波，是晶格中的所有原子以相同频率振动而 形成的波，或某一个原子在平衡附近的振动以波的形式在晶体中传播形成的波 2.色散关系：频率和波矢的关系 3.声子：晶格振动中的独立简谐振子的能量量子 4.热容：是分子或原子热运动的能量随温度而变化的物理量，其定义是物体温度升高1K 所需要增加的能量。 5.两个关于晶体热容的经验定律：一是元素的热容定律----杜隆-珀替定律：恒压下元素的 原子热容为25J/(K*mol);另一个是化合物的热容定律-----奈曼-柯普定律：化合物分子热容等于构成此化合物各元素原子热容之和。 6.热膨胀：物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为热膨胀 7.固体材料热膨胀机理：材料的热膨胀是由于原子间距增大的结果，而原子间距是指晶 格结点上原子振动的平衡位置间的距离。材料温度一定时，原子虽然振动，但它平衡位置保持不变，材料就不会因温度升高而发生膨胀；而温度升高时，会导致原子间距增大。 8.温度对热导率的影响：在温度不太高时，材料中主要以声子热导为主,决定热导率的因 素有材料的热容C、声子的平均速度V和声子的平均自由程L,其中v通常可以看作常数,只有在温度较高时,介质的弹性模量下降导致V减小。材料声子热容C在低温下与温度T3成正比。声子平均自由程V随温度的变化类似于气体分子运动中的情况，随温度升高而降低。实验表明在低温下L值的变化不大，其上限为晶粒的线度，下限为晶格间距。在极低温度时，声子平均自由程接近或达到其上限值—晶粒的直径；声子的热容C则与T3成正比；在此范围内光子热导可以忽略不计，因此晶体的热导率与温度的三次方成正比例关系。在较低温度时，声子的平均自由程L随温度升高而减小，声子的热容C仍与T3成正比，光子热导仍然极小，可以忽略不计，此时与L相比C对声子热导率的影响更大,因此在此范围内热导率仍然随温度升高而增大,但变化率减小。 在较高温度下，声子的平均自由程L随温度升高继续减小,而声子热容C趋近于常数,材料的热导率由L随温度升高而减小决定。随着温度升高,声子的平均自由程逐渐趋近于其最小值,声子热容为常数,光子平均自由程有所增大,故此光子热导逐步提高,因此高温下热导率随温度升高而增大。一般来说,对于晶体材料，在常用温度范围内，热导率随温度的上升为下降。 9.影响热导率的因素:1）温度的影响，一般来说，晶体材料在常用温度范围内，热导率随 温度的上升而下降。2）显微结构的影响。3）化学组成的影响。4）复合材料的热导率 10.热稳定性：是指材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力，所以又称为抗热震性。 11.常用热分析方法：1）普通热分析法2）差热分析3）差示扫描量热法4）热重法 12.光折射：当光依次通过两种不同介质时，光的行进方向要发生改变，这种现象称为折 射 13.光的散射：材料中如果有光学性能不均匀的结构，例如含有透明小粒子、光性能不同 的晶界相、气孔或其他夹杂物，都会引起一部分光束偏离原来的传播方向而向四面八方散开来，这种现象称为光的散射。 14.吸收：光通过物质传播时，会引起物质的价电子跃迁或使原子振动，从而使光能的一 部分转变为热能，导致光能的衰减的现象 15.弹性散射：光的波长（或光子能量）在散射前后不发生变化的，称为弹性散射 16.按照瑞利定律，微小粒子对波长的散射不如短波有效，在可见光的短波侧λ=400nm 处，紫光的散射强度要比长波侧λ=720nm出红光的散射强度大约大10倍 17.色散：材料的折射率随入射光的频率的减小（或波长的增加）而减小的性质，称为材仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢2 材料物理性能 热容的基本概念 当物质吸收热量温度升高时，温度每升高1K所吸收的热量称为该物质的热容。系统的温度升高1K所需的热称为该系统的热容（符号C，单位J/K）。 爱因斯坦模型 爱因斯坦应用量子论的观点，于1907年提出的计算固体热容的原子振动的简单模型。爱因斯坦模型指出：①固体内原子均以同一特征频率v振动,②每一原子有三个振动自由度，③可以将黑体辐射的普朗克公式应用到固体中原子的振动上去，且每一振动自由度的振子作为线性振子而具有平均能量。 当T》θE时得C V,m≈3R，同用能量均分定理得到的结果一致。当T<<θE时,,随着T→0而指数地趋于零，同实验结果大致相符，解决了杜隆－珀替定律不能解释的低温下固体热容同温度有关的实验事实，但在低温下毕竟下降得快了些。 德拜模型 每一个独立谐振子的振动是一种简正振动模式，弹性媒质的一种简正振动模式是具有一定频率、波长和传播方向的弹性波。 为把固体看作是连续的弹性媒质，德拜模型只考虑那些频率非常低（近似取为零）直到极限频率Vm范围内的振动模式。由于n的数目很大，3n种振动频率可看作是连续分布在零到Vm区间内，则3n个不同频率的独立谐振子的总能量就由分立的求和变为积分，Uo是同温度无关的常数，ρ(v)称频率分布函数。（具体教材P7） 热膨胀的物理本质及影响因素 A：物理本质：材料热膨胀的物理本质是质点振动的非简谐效应。 （1）质点在平衡位置两侧受力不对称，质点振动时的平均位置不在r0处，而要向右移。因此相邻质点间平均距离增加。温度越高，振幅越大，质点在r0两侧受力不对称情况越显著，平衡位置向右移动越多，相邻质点间平均距离就增加得越多，以致晶胞参数增大，晶体膨胀。(双原子模型)P20 （2）用势能曲线解释 势能曲线不是严格对称抛物线。 势能随原子间距的减小，比随原子间距的增加而增加得更迅速。 原子的能量随温度的增加而增加，温度越高，平均位置移得越远，引起晶体的膨胀。B：影响因素： 1.相变的影响一级相变：伴随比热容的突变，相应的膨胀系数将有不连续变化，其转变点处膨胀系数将为无限大。二级相变：相变点处膨胀系数曲线有折点。 2.成分和组织的影响形成固溶体时，一般溶质元素的膨胀系数高于溶质基体时，将增大膨胀系数；结构紧密的固体，膨胀系数大，反之，膨胀系数小；若果材料由不同结构和性能的相机械混合而成，各相膨胀系数的差异导致内应力，而内应力将抑制物体的热膨胀。 3.各向异性的影响晶体的各向异性膨胀，各层间的结合力不同引起热膨胀不同。 4.铁磁性转变对于铁磁性的金属和合金，膨胀系数随温度变化将出现反常，即在正常的膨胀曲线上出现附加的膨胀峰。 膨胀分析法确定钢的组织转变温度 在组织转变之前或转变之后，试样的膨胀或收缩时单纯由温度变化引起的。在组织转变的温度范围内，除单纯由温度引起的长度变化外，又附加了组织转变的体积效应，由于附加的膨胀效应，膨胀曲线偏离一般规律。因此，在组织转变开始和转变终了时，曲线便出现了拐点，拐点即对应转变的开始及终了温度。P32材料物理性能课后习题_北航出版社_田莳主编
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