材料物理性能复习小节.ppt

第一章　材料热学性能 第一节　晶格振动 第二节　材料热容 第三节　材料热膨胀 第四节　材料热传导 第一节　固体电子理论 第二节　材料电导性能 第三节　材料介电性能 第四节　材料铁电性能 第一节　磁学概论 第二节　铁磁性 第三节　铁氧体的结构与磁性能 第四节　磁性材料及其应用 第一节　基本概论 第二节　折射和色散 第三节　反射和散射 第四节　吸收与颜色 第五节　激光基础及其应用 * 材料应用的关键热性能 材料热性能的理论基础 Thermal properties 固体的比热、热膨胀、热导等热学性能直接与晶格的振动有关 晶体中的原子在平衡位置附近的微振动具有波的形式（称为格波） 由于原子间的相互作用力，在晶体中产生格波，原子间的作用力符合虎克定律时，格波为简谐波。格波间不发生相互作用，独立存在 晶体中所有格波都可用倒格子空间中的第一布里渊区内的波矢K来描述 第一节小结 声学波与光学波的区别。前者是相邻原子的振动方向相同，波长很长时，格波为晶胞中心在振动，可以看作连续介质的弹性波；后者是相邻原子的振动方向相反，波长很长时，晶胞中心不动，晶胞中的原子作相对振动 由于边界条件，使格波发生分立，若晶体中含有个N原胞，每个原胞含有2个不同原子，则共有2N个格波，其中1支是声学波，另1支是光学波，每支包含N个格波 晶格振动的能量是量子化的，晶格振动的量子单元称作声子，声子具有能量??，与光子的区别是不具有真正的动量，这是由格波的特性决定的 热容是晶体的内能对温度求导，内能是所有振动格波的能量之和 根据德拜模型，可求出热容与温度的函数，定义?D=??m/kB为德拜温度，T?D时，最大频率的格波被激发出来 德拜温度是材料特性参数 德拜模型表明，T?D时，CV=3R；T?D时，CV?T3。与实验结果接近 低温下，自由电子对金属热容的贡献不可忽略 高温下，固体热容符合简单的加和性规律，即奈曼-考普定律 第二节小结 材料热膨胀的物理本质是质点振动的非简谐效应，材料热膨胀可以用原子间作用力曲线和势能曲线加以解释 由于具有相似的微观机制和物理本质，膨胀系数与热容密切相关并有相似的规律 质点间的结合力强，材料熔点高，热膨胀系数小 结构紧密的晶体，热膨胀系数大；结构空敞的晶体，热膨胀系数小；玻璃的膨胀系数一般小于晶体；具有各向异性的非等轴晶体，热膨胀系数是各向异性 热膨胀系数将随离子键性的增加而增加，随键强增加而减小 材料各晶粒和整体平均热膨胀不一致，是陶瓷微应力的来源 第三节小结 材料存在温度梯度时，热量自动从热端向冷端传递的现象，称为热传导。热传导分稳定传热和非稳定传热 材料导热的机制主要有电子导热、声子导热和光子导热 金属导热主要通过自由电子间碰撞实现，晶格振动对金属导热也有贡献是次要的；非金属晶体导热的主要机制是晶格振动（声子和光子） 声子间碰撞既是热阻产生的原因，同时也是热量得以传递的微观机制 温度对热导率的影响主要是CV~T和l~T关系的综合体现。同样的，材料组成和结构对热导率的影响主要也是对热容和平均自由程影响的结果 第四节小结 材料应用的关键电学性能 材料电学性能的理论基础 第二章　材料电学性能 Electrical properties 固体电子理论分三个阶段：德鲁特和洛伦茨的经典自由电子学说、索末菲的量子自由电子学说、能带理论 经典自由电子学说解释了金属具有优异的电导和热导性能；量子自由电子学说解释了电子对热容的贡献；能带理论则在上述基础上较好地解释了导体、绝缘体与半导体的区别 能带理论可以由紧束缚近似和准自由电子近似分别得到 金属、绝缘体和半导体的能带特征决定了其导电特性 第一节小结 电导：材料中带电粒子在电场作用下的定向移动；带电粒子：电子（空穴）、正或负离子 影响材料导电性能的因素：载流子浓度与迁移率 一般地，金属电阻表现正温度系数关系，原因是温度升高加剧晶格振动对电子的散射 半导体的导电性表现出显著的温度敏感性、杂质敏感性和光照敏感性 本征半导体的电导率与温度关系与高温时的杂质半导体相似 离子电导的微观机制为离子的扩散，且以亚晶格间隙扩散为主 第二节小结 几个基本概念：电介质、介质极化、介电常数、极化率、束缚电荷、极化强度、介质损耗、介电强度 电介质的极化机制，以及各种极化机制引起的极化和电场频率的关系 反映了电介质极化的能力的物理量：相对介电常数、极化强度 P和?r为描述电介质极化的宏观量； ?和?是与电介质质点极化相关的微观量 第三节小结 几个基本概念及其相互关系：电介质、热释电、压电体、铁电体、铁电畴、人工极化、居里温度、电滞回线 铁电体：在一定温度范围内具有自发极化性质，并且自发极化方向可随外电场作可逆转动的晶体 两大类铁电晶体：有序－无序型铁电体和位