第一章 材料的热学性能
1.热容的概念(P42)：热容是分子或原子热运动的能量随温度变化而变化的物理量，其定义是物体温度升高1K 所需增加的能量。温度不同，物体的热容不一定相同，温度T 时物体热容为：)/()(K J T Q C T T ??=（简单点就直接用这个吧：T
Q C ??=） PS ：物理意义：吸收热量提高点阵振动能量，对外做功，加剧电子运动 比热容（单位质量）：T
m Q C ???= 2.晶体热容的经验定律(P42)：
杜隆—珀替定律：恒压下元素的原子热容为25J/(K ·mol)
奈曼—柯普定律：化合物热容等于构成此化合物各元素原子热容之和
3.从材料结构比较金属、无机非金属、高聚物的热容大小(P46)：
A 金属：a 纯金属：热容由点阵振动和自由电子运动两部分组成：
T T C C C e V L V V γα+=+=3
b 合金金属：符合奈曼—柯普定律∑==+++=n i im i
nm n m m m C x C x C x C x C 12121
B 无机非金属：a 符合热容理论，一般都是从低温时的一个低数值增加到1273K 左右近似于 25J/(K ·mol)的数值；b 无机材料热容与材料结构关系不大，但单位体积热容与气
孔率有关，多孔质轻热容小；c 当材料发生相变：一级相变：体积突变，有相变潜热，温度
Tc 热容无穷大，不连续变化；二级相变：无体积突变，无相变潜热，在转变点热容达到有图2-5 热焓、热容与加热温度的关系)。
限极大值(P47
C 高聚物：多为部分结晶或无定型结构，热容不一定符合理论式，热容相对较大，且由化学结构决定，温度升高链段振动加剧，改变链运动状态（主链、支链（链节、侧基））。 4.从材料结构比较金属、无机非金属、高聚物的热传导机制(P53)：
A 金属：有大量自由电子，且电子质轻，实现热量迅速传递，热导率一般较大。纯金属温度升高使自由程减小作用超过温度直接作用，热导率随温度上升而下降；合金热传导以自由电子和声子为主，因异类原子存在，温度本身起主导作用，热导率随温度上升增大。
B 无机非金属：晶格振动为主要传导机制，即声子热导为主，约为金属热传导的三十分之一。
C 高聚物：热导率与温度关系比较复杂，但总体来说热导率随温度的增加而增加。高聚物主要依靠链段运动传热为主，而高分子链段运动比较困难，热导能力比较差。
5.材料热膨胀物理本质：热膨胀是指物体体积或长度随温度升高而增大的现象。膨胀是原子间距（晶格结点原子振动的平衡位置间的距离）增大的结果，温度升高，原子平衡位置移动，原子间距增大，导致膨胀。双原子模型：P49 图2-
6.
6.热膨胀系数和熔点之间的关系(P49)：温度升高至熔点，原子热运动突破原子间结合力，破坏原固态晶体结构变为液态，所以固态晶体膨胀有极限值。 格律乃森定律：C V V V T Tm m V =-=0
0α (C 为常数，约在0.06-0.076之间，) 线膨胀系数与熔点：022.0=m l T α
固态晶体熔点越高，膨胀系数越低，间接反映晶体原子间结合力大小。（增大）
7.热分析法概念：测量材料在加热或冷却过程中热效应所产生的温度和时间的关系。但材料固态相变时，产生的热效应小，普通热分析测量精度不高。
8.差热分析法概念：在程序控温下，将被测物与参比物在相同条件下加热或冷却，测量试样与参比物之间的温差随温度、时间的变化关系。
对参比物的要求：应为热惰性物质，在测试温度围本身不发生分解、相变、破坏，也不与被测物质发生化学反应，且比热容、热传导系数应尽量与试样接近。（如硅酸盐采用Al 2O 3、MgO ；钢铁采用镍。）
9.热应力(P63)：由于材料热膨胀或收缩引起的应力称为热应力。 材料应力：)()(0T T E l
l E -'-=?-=σσ 产生原因：杆件材料两端完全刚性约束，热膨胀无法实现，则杆件与支撑体间产生很大应力；多相组成材料，不同相膨胀系数不同，温度变化时各相膨胀收缩量不同而相互牵制产生热应力；各相同性材料，存在温度梯度时也会产生热应力。
10.抗热冲击断裂(P64)：发生瞬时断裂，抵抗这类破坏的性能。 第一热应力断裂抵抗因子：max )1(T E R f ?=-=
αμσ 最大热应力max σ
不超过强度极限f σ，则材料安全。材料可承受温度变化围越大，热稳定性约好。 第二热应力断裂抵抗因子：αμλσE R f
)1(-='，h r S R T m 31.01max ?'=? R '越大，热稳定性约好。（散热） 第三热应力断裂抵抗因子：a p R C R R ='=''ρ
（冷却速率） 抗热冲击损伤(P62)：在热冲击循环作用下，材料表面开裂、剥落，并不断发展，最终碎裂或变质，抵抗这种破坏的性能称为抗热冲击损伤性能。
抗热应力损伤因子R R '''''''和，二者值越高抗热损伤性能越好。
11.提高抗热冲击断裂措施(P69)：
1)提高材料强度σ，减小弹性模量E ，使E
σ提高（同种材料若晶粒细小、晶界缺陷小、气孔少且分散均匀，往往强度高，抗热冲击性能好）。
2)提高材料的热导率λ，提高R '（λ大的材料传递热量快，材料外温差较快得到缓解、平衡，降低短期热应力的聚集）。
3）减小材料的热膨胀系数α，热膨胀系数小的材料，在同样温差下产生热应力小。
4）减小表面热传递系数h ，保持缓慢散热降温。
5）减小产品的有效厚度m r 。
第二章 材料的导电性能
1.超导电性(P115)：一定低温条件下，材料突然失去电阻的现象。（超导态电子对运动不耗能）
超导体的两个基本特性：A 完全导电性：电阻为零，超导体为等电位，部没有电场。 B 完全抗磁性（迈斯纳效应）：屏蔽磁场和排除磁通的性能。 2.固溶体的导电性：
1）固溶体组元浓度影响：形成固溶体合金导电率降低，原因A 溶质原子引起溶剂点阵畸变，破坏晶格势场周期性，增加电子散射概率，增大电阻率；B 组元间化学相互作用增强，有效电子数减少，电阻率增大。
2）有序固溶体：A 组元间化学相互作用加强，电子结合比无序固溶体强，电子数减少，电阻率增强；B 晶体的离子电场有序化后更对称，减少电子散射，电阻降低，这一因素占优势。总体合金电阻降低。
3）不均匀固溶体：冷加工变形使电阻减小。形成不均匀固溶体时，点阵形成原子偏聚，偏聚区成分与固溶体成分不同，原子聚集区域的集合尺寸与电子波波长相当（1nm），可强烈散射电子波，提高合金电阻率。聚集区域的原子为有序排列，冷加工能有效地破坏固溶体中的这种近程有序状态，是不均匀组织变成无序的均匀组织，因此合金电阻率明显降低。温度、压力、形变对于导电性质的影响
温度：金属电阻率随温度升高而增大，温度升高会使离子振动加剧，热振动振幅加大，原子的无序度增加，周期势场的涨落也加大。这些因素都使电子运动的自由程减小，散射概率增加而导致电阻率增大。大多数金属在熔化成液态时，其电阻率会突然增大约1.5~2倍，这是由于原子排列的长程有序被破坏，从而加强了对电子的散射，引起电阻增加。
应力的影响：弹性应力围的单向拉应力，使原子间的距离增大，点阵的畸变增大，导致金属的电阻增大。高的压力往往能导致物质的金属化。引起导电类型的变化，而且有助于从绝缘休—半导体—金属—超导体的转变。
冷加工变形的影响：引起金属电阻率增大，是由于冷加工变形使晶体点阵畸变和晶体缺陷增加，特别是空位浓度的增加，造成点阵电场的不均匀而加剧对电子散射的结果。若对冷加工变形的金属进行退火，使它产生回复和再结晶，则电阻下降。再结晶生成的新晶粒的晶界增多，对电子运动的阻碍作用增强所造成的，晶粒越细，电阻越大。（回复退火可以显著降低点缺陷浓度，因此使电阻率有明显的降低。再结晶过程可以消除形变时造成的点阵畸变和晶体缺陷，所以再结晶可使电阻率恢复到冷变形前的水平。）
3.金属化合物导电性：合金导电率比纯组元低，因原子间一部分金属键转化成共价键或离子键，有效电子数减少，电阻率增高。
4.多相合金的导电性：与组成相的导电性、相对量、合金的组织形态有关。
5.影响金属导电性的因素(P119)：
1）温度：温度升高，热振动振幅加大，原子无序度增加，电子运动自由程减小，散射概率增大，电阻率增大。)1(0T T αρρ+=
2）应力：拉应力使原子间距增大，点阵畸变增大，电阻增大。电阻率)1(0ασρρ+=。
3）冷加工变形(塑性变形)：使晶体点阵畸变，晶体缺陷增加，空位浓度增加 ，造成离子场不均匀，对电子波散射率增大，导致电阻增加。回复退火再结晶降低缺陷浓度，降低电阻率。 6.三个热电效应概念及物理本质：热电效应指热与电的转换效应
1)第一热电效应（塞贝克效应P141）：两种不同导体组成一个闭合回路，若两接头处存在温差，回路中将有电势及电流产生。回路中产生的电势、电流称为热电势、热电流；该回路称为热电偶或温差电池。
产生机理：
A 接触电位差：原因a 两种金属的电子逸出功（电子从金属表面逸出所需的最小能量，与金属表面势垒E 0和费米能级E F 有关）不同，电位差1212)(1V V e V a b -=-=
'??；b 两种金属自由电子密度不同，电位差b
a n n e kT V ln 12=''。 B 温差电位差：指金属两端温度不同引起热流，造成自由电子流动，从而引起的电位差。热端高能电子向冷端扩散，热端带正电，冷端带负电，金属部产生阻止电子扩散的温差电场，稳定后为V a （T 1，T 2）、V
b (T 1，T 2)。 总电位差：
),(),(2ln
)(),(),()()(211212
12121121221211212T T V T T V n n e k T T T T V T T V T V T V -+-=-+-=ε塞贝克效应应用：测量温度、温差发电、材料成分组织分析。 中间金属定律：一系列金属串联的接触电势，只要中间金属两端温度相同，不论其性质如何都与中间金属无关，只与两端金属有关。
2）第二热电效应（波尔帖效应P148）：指电流通过两个不同金属接触点，除电流产生焦
耳热，还额外产生放热吸热的现象。焦耳热与电流方向无关，波尔贴热与电流方向有关且热力学可逆。正反通电，两次的热量差为2Q （两倍波尔帖热）。
产生机理：用接触电位差解释（P149图4-53），A 接头处两金属接头有接触电位差V12，阻碍电流电子运动，电子反抗电场力做功eV12，电子动能减小；减速电子与金属原子相碰，从金属原子获得动能，则该处温度降低，需从外界吸收能量。B 接头处接触电位差使电子运动加速，电子动能增加eV12，碰撞将动能传递给原子，温度升高释放热量。
3）第三热电效应（汤姆逊效应P149）：指当电流通过有温差的导体时，会有一横向热流流入或流出导体（横向吸热或放热），其方向视电流或温度梯度方向而定的现象：dx
dT I dt dQ μ=。 产生机理：（P149 图4-54）金属存在温差时，高温端电子扩散快为正电，低温端为负电，形成高温端指向低温端的电位差，当外加电流与V(T1，T2)同向时，电子被温差电场加速获得能量，与晶格碰撞传给晶格，金属能量升高并放热。外加电流反向则吸热。
一个由两种导体组成的回路，接触端温度不同，三种热效应会同时产生：塞贝克热效应
产生热电势、热电流，热电流通过接触点要吸收或放出波尔帖热，通过导体时要吸收或放出汤姆逊热。
第三章 材料的介电性能
1.电介质（P154）：放在平板电容器中增加电容的材料称为介电材料。电介质即在电场作用下能建立极化的物质。
2.束缚（感应）电荷：在真空平板电容中嵌入一块电介质，外加电场时，正极板附近的介质表面感应出负电荷，负极板介质表面感应出正电荷，这种感应出的表面电荷称为束缚电荷。
3.电介质极化：电介质在电场作用下产生束缚电荷的现象，可使电容器增加电荷的存储能力。
4.电介质的压电性、热释电性、铁电性的产生条件：
1）压电性（P181）：在晶体的一些特定方向上加力，在力的垂直方向的平面出现正、负束缚电荷的现象。产生条件：A必须是电介质；B结构必须带有正、负电荷的质点，有离子或离子团的存在，即必须为离子晶体或由离子团组成的分子晶体；C结构没有对称中心。2）热释电性(P182)：晶体由于温度作用使电极化强度变化。条件：A具有自发极化（固有极化）能力的晶体；B在结构上有极轴（晶体唯一的轴，轴两端有不同的性质，采用对称操作不能与其他晶向重合的方向）C结构没有对称中心。
3）铁电性：晶体中极化强度随外加电场变化而变化的性质。
一般电介质、压电体、热释电体、铁电体存在的宏观条件
第四章材料的磁学性能
1.原子磁矩包括电子轨道磁矩（电子绕原子核运动产生）、电子自旋磁矩、原子核磁矩。
2.原子固有磁矩概念（P194）：电子轨道磁矩和电子自旋磁矩构成原子固有磁矩（本征磁矩）。
产生的本质：电子层各个轨道电子排满，电子磁矩相互抵消，该电子层磁矩和为零；若原子中所有电子层都排满，形成球形对称集体，则电子轨道磁矩和电子自旋磁矩各自相互抵消，
此时原子本征磁矩为零。原子中有未被填满的电子壳层，其电子的自旋磁矩未被抵消（方向相反的电子自旋磁矩可以相互抵消），原子具有“永久磁矩”。
3.任何物质都具有抗磁性本质的原因(P198)：外加磁场作用下由于电子轨道运动产生与外磁场方向相反的附加磁矩。
顺磁性原因：外磁场作用下，为降低静磁能，原子磁矩要转向外磁场方向，使总磁矩不为零表现出磁性。
4.铁磁性金属产生自发磁化的原因(P203)：（自发磁化：在没有外加磁场的情况下，材料发生的磁化）A 有未填满的电子层，因电子间的相互作用产生自发磁化（两原子相接近，电子云互相重叠且电子层的能量相差不大，因此电子可互换位置，使相邻原子自旋磁矩产生有序排列）B 电子互换产生附加能量为交换能，?cos A E ex -=，当a/r>3，A>0，有自发磁化倾向。
5.铬、锰是反铁磁质的原因(P196、P203)：反铁磁体的磁化率χ是小的正数，在温度低于某一温度时，磁化率随温度升高而增大，高于这一温度，其行为像顺磁体。
当a/r<3时，A ＜0，自旋磁矩取反向平行排列能量最低。相邻原子磁矩相等时，原子磁矩反平行排列，原子磁矩相互抵消，自发磁化强度等于零，这一特性称为反铁磁性。Mn 、Cr 为反铁磁体，无论在什么温度下其宏观特性都是顺磁性的，磁化率为正。温度极低时，相邻原子自旋相反，磁矩抵消，磁化率接近0；温度升高，自旋反向作用减弱，磁化率增加。在一定温度Tn （尼尔点）磁化率有最大值rn χ，温度在Tn 以上，反磁体与顺磁体有相同的磁化行为。
6.超交换的概念(P226)：超交换作用是指夹杂在磁性离子间的氧离子形成的间接交换作用，是铁氧体有很强自发磁化的原因。
7.尖晶石型(P226)元细胞由8个分子组成，氧四面体空隙位置A 位，八面体空隙位置B 位，
用[ ]表示。
正尖晶石型的特点和表示方法：离子分布为M2+处于A位，Fe3+处于B位的铁氧体为正尖晶石。A位被不具有磁矩的Zn+、Cd2+占据，A-B不存在超交换作用，B位两个Fe3+磁矩反平行耦合，B-B磁矩完全抵消，不出现自发磁化。
反尖晶石型的特点表示方法：M2+占B位，Fe3+占A位及剩余B位。A位与B位的Fe3+有超交换相互作用，则二者磁矩反向平行并相互抵消，仅余剩下B位M2+磁矩，因此几乎所有亚铁磁性尖晶石都是反型。
8.磁化曲线、磁滞回线(P197图6-2)
磁性能点：a) 饱和磁感应强度Bs b) 剩余磁感应强度Br ，铁磁物质磁化到饱和后，又将磁场强度下降到零时，铁磁物质中残留的磁感应强度c) 矫顽力Hc，铁磁物质磁化到饱和后，由于磁滞现象，要使磁介质中B为零，须有一定的反向磁场强度-H，磁场场强度称为矫顽力Hc。
9.磁致伸缩效应(P206)：铁磁体在磁场中被磁化，尺寸形状都发生变化的现象。大小用磁
致伸缩系数λ表示：
l l?
=
λ。
产生的本质原因：原子磁矩有序排列时，电子间相互作用导致原子间距自发调整引起的，是其部各个磁畴形变的外观表现。
10.铁磁质的技术磁化(P212)：
技术磁化概念：在外磁场作用下铁磁体从完全退磁状态磁化至饱和状态的部变化过程。
两种机制方法：畴壁迁移（壁移磁化）、磁畴旋转（畴转磁化）。
过程三阶段：1）起始磁化阶段：锐角磁畴能态低，钝角畴能态高，磁畴壁自旋磁矩能态高，受磁场影响转动，即磁畴壁移动，则锐角畴扩大，钝角畴缩小，若撤销磁场畴壁迁移可逆。2）急剧磁化阶段：外加磁场增强，畴壁发生瞬时跳跃，钝角畴瞬时转向锐角易磁化方向，
畴壁以不可逆跳跃式进行，称为巴克豪森效应（巴克豪森跳跃）。
3）缓慢磁化至饱和阶段：原子磁矩都转向与磁场成锐角的易磁化方向后成为单畴，增强外磁场，磁场要为增加磁晶各向异性能做功，磁畴转动困难而微弱。（转动可逆）
磁化壁移阻力(P213)：
1）阻力来源：A 磁化产生退磁能B 晶体部缺陷。
2）阻力来源理论：A 应力理论：晶体缺陷及磁化产生的磁致伸缩效应会产生分布不均匀的应力，应力的分布状态决定壁移阻力。B 杂质理论：从能量角度看，畴壁处于杂质处，被杂质穿孔而畴壁总面积减少，畴壁能降低，外磁场使畴壁移动，畴壁面积增大、畴壁能增大，造成畴壁迁移阻力。
11.提高剩余磁化强度Mr 方法(P216)：1）使外磁场方向与易磁化方向一致，Mr=Ms ；2）进行磁场热处理，让外磁场从高于居里点温度向低温冷却，形成磁织构。
提高矫顽力Hc 的方法(P217)：需增加壁移阻力1）提高磁致伸缩系数s λ；2）使材料产生应力，增加杂质浓度和弥散度；3）选择K 值较高Ms 较低的材料。
12.形变对剩余磁化强度、磁性能的影响(P219)：形变使晶格缺陷增加，应力场和壁移阻力增加，使磁导率m μ下降，矫顽力Hc 增加，剩余磁感应强度Br 在临界变形度下急剧下降，以上则增强（强老师说：参考图6-41）。晶粒细化也使磁导率减小，矫顽力和磁滞损耗增大。
13.坡莫合金的成分(P221)：指铁镍合金，含镍量在35%－90%之间。
磁性能特点：在弱磁场中也有较高的磁导率。Ni 含量30%处，发生γα到的相转变，导致许多磁学性能改变，i m μμ和的最大值在Ni 含量78%处，此时K s 和λ趋于0。
14.单畴颗粒（P210）：颗粒足够小，可在一个方向自发磁化到饱和形成单个磁畴的颗粒。 磁化特点：不存在畴壁，在技术磁化时无壁移过程，只靠畴的转动，需克服磁晶各向异性能，
技术磁化和退磁都不易，具有低磁导率和高矫顽力。
第五章材料的光学性能
1.光的折射率的产生：折射的实质是由于介质密度不同，光在其中传播速度也不同。光在真空中传播速度与在致密材料中传播速度之比称为材料的绝对折射率。
2.介质中光速比真空中慢原因：在介质中的光波是入射波与介质中振子(原子、分子、离子等微观粒子的抽象概念)受迫振动所发射的次波的合成波。合成波的频率与入射光波相同，但其位相却因受到振子固有振动频率的制约而滞后。因此，波合成的结果使介质中的光速比真空中慢。
3.反射的决定因素有哪些：W’是单位时间通过单位面积的反射光的能量流，若入射光的单位能量流为W时。
反射系数R=W’/W
光的反射：指光在传播到不同物质时，在分界面上改变传播方向又返回原来物质中的现象。影响因素：在垂直入射的情况下，光在界面上反射的多少取决于两种介质的相对折射率
n21 ，如果n1和n2相差很大，那么界面反射损失就严重。如果n1等于n2，几乎没有反射损失。
由许多块玻璃组成透镜系统，反射损失更可观。为了减小这种界面损失，常常采用折射率和玻璃相近的胶将它们粘起来，这样，除了最外和最的表面是玻璃和空气的相对折射率外，部各界面都是玻璃和胶的较小的相对折射率，从而大大减小了界面的反射损失。
4.双折射的概念、特点。光波入射各向异性的晶体，分解成振动方向互相垂直、传播速度不等的两种偏振光，此现象即为双折射；
双折射光纤中，平行于入射面的光线的折射率，称为常光折射率n0，严格遵循折射定律。
另一条与之垂直的光线所构成的折射率随入射方向改变而变化，称非常光折射率ne。当光沿晶体光轴方向入射时只有常光折射率存在，与光轴垂直入射时，非常光折射率达到最大。
5.单折射在结构上的要求：双折射是非均质晶体的特性，只要材料不是各向异性，就会产生单折射。
6.电介质在紫外红外产生吸收峰的原因：紫外吸收增加因为波长越短，光子能量越大。当光子能量达到禁带宽度时，电子就会吸收光子能量从满带跃迁到导带，此时吸收系数将骤然增大；红外吸收是因为离子的弹性振动与光子辐射产生谐振消耗能量所致，材料发生振动的固有频率由离子间结合力决定。
7.选择性吸收概念：同一物质对某一种波长的吸收系数可以非常大，而对另一种波长的吸收系数可以非常小的现象称为“选择吸收。
均匀吸收概念：如果介质在可见光围对各种波长的吸收程度相同，则称为均匀吸收。
8.色散的概念：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。
9.散射概念：光在通过结构成分不均匀介质微区域时，有一部分能量偏离原来的传播方向而向四面八方弥散开来，这种现象称为光的散射
产生原因：主要是光波遇到不均匀结构产生的次级波与主波方向不一致，二者合成出现干涉现象，使光偏离原来的方向，从而引起散射。
10.弹性与非弹性散射区别、包含哪几类：散射前后，光的波长(或光子能量)不发生变化的散射称为弹性散射。包含：廷德尔散射、米氏散射、瑞利散射；散射光中频率发生改变的光散射称为“非弹性散射”。其中包含瑞利散射线、布里渊散射线、拉曼散射线、斯托克斯线、反斯托克斯线。
从波动和能量观点解释红、蓝移：波动的观点来看，光的非弹性散射机制是光波电磁场与介质微观粒子固有振动之间的耦合，从而激发介质微观结构的振动或导致振动消失，以至于散
射光波频率相应出现红移或蓝移；能量观点来看，处于低能级的介质分子受到某频率入射光子作用后跃迁到某虚能级再向下跃迁回来时并没有回到原能级，但发射出一个与原先频率不同的光子。这个光子频率与入射光自相比有了能量差，便产生了红移或蓝移现象。
11.影响透光性的因素：材料透光性主要与材料的吸收系数，反射系数及散射系数影响。散射系数是影响材料透光率的主要因素。
12.受激辐射：当一个能量满足hμ=E2-E1的光子趋近高能级E2的原子时，入射的光子诱导高能级原子发射一个和自己性质完全相同的光子。
自发辐射：原子处于高能级，那么它就可能自发的、独立的向低能级跃迁并发射一个光子。受激吸收：原子在低能级时受到hμ=E2-E1的光子趋近时，原子可能吸收一个光子并跃迁到高能级。
自发与受激辐射的异同：自发辐射和受激辐射都发射出光子；但各原子的自发辐射过程完全是随机的，所以自发辐射光是非相干的。但受激辐射会发射出一个和外来光特性完全相同的光子，所以受激辐射光是相干的。
13.激活介质的作用：突破玻尔兹曼分布，是高能级粒子数大于低能级粒子数，实现粒子数反转引发雪崩效应使特定频率、方向、偏振态的光得到增强。
14.激光材料构成：由基质和激活离子组成（红宝石激光器CrAl2O3的基质Al2O3激活离子Cr3+）。基质主要是为激活离子提供一个合适的晶格场，使之产生受激发射。而激活离子则是作为发光中心。
第六章耗与弹性变形
1.晶体结构材料和高弹态的高聚物的物理本质：对于金属、陶瓷类材料，变形过程由双原子模型解释。外力不大时部分原子克服原子间作用力，使原子发生相对位移改变原子间距，发
生弹性型变。外力去除后原子恢复到原先位置，形变消失原子间结合力越大，弹性模量越高；高聚物高弹态是在外力作用下，呈卷曲状高分子链链段运动沿受力方向伸展，且变形量较大；弹性模量的物理本质是标志原子间结合力的大小。材料原子间结合力越大，其弹性模量越高；原子排列越紧密，其弹性模量越高。
温度对各自弹性模量的影响：
一般说来，随温度的升高，物质的原子振动加剧，原子间距增大体积膨胀，原子间结合力减弱，使材料的弹性模量降低。
对于高弹态聚合物，弹性模量随温度的升高略有增加，这一点与其他材料不同。其原因是温度升高时，高分子链的分子运动加剧，力图恢复到卷曲的平衡状态的能力增强所致。
2.动滞与静滞型耗各自特点与区别：动滞是由于应变落后于应力引起的，大小与振动频率有关；静滞则是由于在加载和去载时应力、应变关系不同引起的，大小与振幅有关。
耗和角频率之间的关系对Q^-1=△Mωτ/1+(ωτ)^2讨论
当ωτ>>1，即τ>>1/ω时，弛豫时间远大于振动周期，意味着应力变化非常快，材料来不及产生弛豫过程，相当于理想弹性体，所以耗趋于零。
当ωτ<<1，即τ<<1/ω时，弛豫时间远小于振动周期，意味着应力变化非常慢，材料有充分时间产生弛豫过程，应力应变同步变化，所以耗趋于零。
当ωτ为中间值时，即当ωτ=1时，弛豫应变跟不上应力变化，所以应力应变曲线不是单值函数，成为了一个椭圆，耗达到了峰值。
背底耗：由于位错被钉扎时阻尼振动引起的，与振幅无关，属于动滞后型耗；由于位错脱钉过程引起的，与频率无关，属于静滞后型耗；
3.应力感生有序的概念：固溶体中由于溶质原子溶入造成晶格的不对称畸变，在没有应力作用时呈无序分布，但在外力作用下，溶质原子将沿某方向择优分布以降低畸变能。
热重分析实验报告
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材料与建筑工程学院实验报告 课程名称: 材料物理性能 专业：材料科学与工程 班级: 2013级本科 姓名：张学书 学号: 3
指导老师：谢礼兰老师 贵州师范大学学生实验报告 成绩 实验一：SＴＡ449F3同步热分析仪的结构原理及操作方法 一、实验目的 1、熟悉同步热分析仪的基本原理。 2、了解ＳTA４49 F3型同步热分析仪的构造原理及性能。 3、学习STA4４９ F3型同步热分析仪的操作方法。 二、实验原理 差示扫描量热法(DSＣ)是指在加热的过程中，测量被测物质与参比物之间的能量差与温度之间的关系的一种方法技术。图１-1为功率补偿式DSC仪器示意图:
图１-1 功率补偿式D ＳC 示意图 1.温度程序控制器; 2.气氛控制；３.差热放大器;4.功率补偿放大器;5.记录仪 当试样发生热效应时，譬如放热,试样温度高于参比物温度,放置在它们下面的一组差示热电偶产生温差电势U ΔT ，经差热放大器放大后送入功率补偿放大器,功率补偿放大器自动调节补偿加热丝的电流,使试样下面的电流Ｉｓ减小，参比物下面的电流IR 增大,而Ｉs ＋ＩR 保持恒定。降低试样的温度,增高参比物的温度,使试样和参比物之间的温差ΔT 趋于零。上述热量补偿能及时,迅速完成，使试样和参比物的温度始终维持相同。 设两边的补偿加热丝的电阻值相同,即ＲS ＝RR=Ｒ，补偿电热丝上的电功率为PS=IR 和P Ｒ=IR 。当样品没有热效应时，PS=P Ｒ;当样品存在热效应时,PS 和PR 的差ΔＰ能反映样品放(吸)热的功率： ΔP= PS-PR= ＩR -IR=（I Ｓ+IR)( I Ｓ－IR)Ｒ =(ＩS+IR ） ΔV ＝I ΔＶ? （1） 由于总电流IS+IR 为恒定,所以样品的放（吸）热的功率ΔＰ只和ΔV 成正比, 3 1 2 4 5
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。
材料物理性能习题与解答
目录 1 材料的力学性能 (2) 2 材料的热学性能 (12) 3 材料的光学性能 (17) 4 材料的电导性能 (20) 5 材料的磁学性能 (29) 6 材料的功能转换性能 (37)
1材料的力学性能 1-1一圆杆的直径为2.5 mm、长度为25cm并受到4500N的轴向拉力，若直径拉细至 2.4mm，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。 解：根据题意可得下表 由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。 1-2一试样长40cm,宽10cm,厚1cm，受到应力为1000N拉力，其氏模量为3.5×109 N/m2，能伸长多少厘米? 解： 拉伸前后圆杆相关参数表 ) ( 0114 .0 10 5.3 10 10 1 40 1000 9 4 0cm E A l F l E l l= ? ? ? ? ? = ? ? = ? = ? = ? - σ ε 10 909 .4 0? 0851 .0 1 = - = ? = A A l l ε 名义应变
1-3一材料在室温时的氏模量为3.5×108 N/m 2,泊松比为0.35，计算其剪切模量和体积模量。 解：根据 可知： 1-4试证明应力-应变曲线下的面积正比于拉伸试样所做的功。 证： 1-5一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。 解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=0.95,V 2=0.05。则有 当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E 0(1-1.9P+0.9P 2)可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa 和293.1 GPa 。 1-6试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图，并算出t = 0,t = ∞ 和t = τ时的纵坐标表达式。 解：Maxwell 模型可以较好地模拟应力松弛过程： Voigt 模型可以较好地模拟应变蠕变过程： )21(3)1(2μμ-=+=B G E ) (130)(103.1)35.01(2105.3)1(288MPa Pa E G ≈?=+?=+=μ剪切模量) (390)(109.3) 7.01(3105.3)21(388 MPa Pa E B ≈?=-?=-=μ体积模量. ,.,1 1 2 1 212 12 1 2 1 21 S W VS d V ld A Fdl W W S W V Fdl V l dl A F d S l l l l l l ∝====∝= ===???? ? ?亦即做功或者： 亦即面积εεεεεεεσεσεσ)(2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =?+?=+=上限弹性模量) (1.323)84 05.038095.0()(1 12211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量). 1()()(0)0() 1)(()1()(10 //0 ----= = ∞=-∞=-=e e e E t t t στεσεεεσεττ；；则有：其蠕变曲线方程为：. /)0()(;0)();0()0((0)e (t)-t/e στσσσσσστ==∞==则有：：其应力松弛曲线方程为
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。
《材料性能》课程教学大纲 一、课程基本信息 1、课程代码：MT322 2、课程名称（中/英文）：材料性能/Properties of Materials 3、学时/学分：51/3 4、先修课程：大学物理，固体物理，材料科学基础、材料加工原理 5、面向对象：材料科学与工程专业 6、开课院（系）、教研室：材料科学与工程学院 7、教材、教学参考书： 1)《材料性能学》张帆, 周伟敏. 上海交通大学出版社(2009) 2)《材料性能学》王从曾. 北京工业大学出版社(2001) 3)《材料的力学行为》匡震邦, 顾海澄, 李中华. 高等教育出版社(1998) 4)《材料物理性能》田莳.北京航天航空大学出版社(2002) 二、课程性质和任务 本课程是材料科学与工程专业的专业基础主干课程。随着现代科学技术的发展，研制与开发新型结构材料以及新型功能材料、电磁材料等具有特殊物理性能的新材料已成为近代材料研究的发展方向，材料力学性能与物理性能测试方法与技术在现代材料研究领域中也显示出重要作用。其任务是通过教学和实验的手段，使学生掌握材料力学性能和物理性能的概念，测试及计算的基本原理，培养学生综合分析、解决问题的能力和实验技能，为学生在走上工作岗位以后，无论是从事工程技术工作，科学研究工作或者是开拓新技术领域打下坚实的实验技能基础。 三、教学内容和基本要求 第0章绪论 1、知识点群 材料性能的概念及划分；材料性能的宏观表征方法；微观本质；影响因素；材料性能测试的一般概念。 2、教学内容
第一节材料性能的研究意义 第二节材料性能的概念及划分 第三节材料性能的宏观表征 第四节材料性能的微观本质 第五节材料性能的影响因素 第六节材料性能的测试 3、教学安排及教学方式（课堂教学总学时数1 ） 4、教学目标 对本课程的重要性、范畴、主要内容、教学方法和要求等有一个初步了解，为本课程的学习打下基础。 第1章材料的常规力学性能 1、知识点群 拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切等静载试验方法及相应的力学性能指标；材料的缺口效应；材料的硬度试验方法；材料的冲击韧性试验方法；材料的强度统计学特性。 2、教学内容与教学方法 1.1 单向静拉伸试验及性能 1.1.1 单向静拉伸试验 1.1.2 拉伸曲线 1.1.3 单向静拉伸基本力学性能指标 1.2 其它静载下的力学试验及性能 1.2.1 应力状态软性系数 1.2.2 压缩 1.2.3 弯曲 1.2.4 扭转 1.2.5 剪切 1.2.6 几种静载试验方法的比较 1.3 缺口效应 1.3.1 缺口处应力分布及缺口效应 1.3.2 缺口敏感度 1.4 硬度 1.4.1 布氏硬度 1.4.2 洛氏硬度 1.4.3 维氏硬度
1-1一圆杆的直径为2.5 mm 、长度为25cm 并受到4500N 的轴向拉力，若直径拉细至2.4mm ，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。 解： 由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。 1-5一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。 解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=0.95,V 2=0.05。则有 当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E 0(1-1.9P+0.9P 2)可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa 和293.1 GPa 。 1-6试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图，并算出t = 0,t = ∞ 和t = τ时的纵坐标表达式。 解：Maxwell 模型可以较好地模拟应力松弛过程： V oigt 模型可以较好地模拟应变蠕变过程： ) (2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =?+?=+=上限弹性模量 ) (1.323)84 05.038095.0()(112211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量 ). 1()()(0)0() 1)(()1()(1 //0 ----= = ∞=-∞=-=e E E e e E t t t στεσεεεσετ τ ；；则有：其蠕变曲线方程为：. /)0()(;0)();0()0((0)e (t)-t/e στσσσσσστ ==∞==则有：：其应力松弛曲线方程为1.0 1.0 0816.04.25 .2ln ln ln 2 2 001====A A l l T ε真应变)(91710 909.44500 60MPa A F =?==-σ名义应力0851 .0100 =-=?=A A l l ε名义应变)(99510 524.445006MPa A F T =?==-σ真应力
无机材料物理性能试题及答案
无机材料物理性能试题及答案 一、填空题（每题2分，共36分） 1、电子电导时，载流子的主要散射机构有中性杂质的散射、位错散射、电离杂质的散射、晶格振动的散射。 2、无机材料的热容与材料结构的关系不大，CaO和SiO2的混合物与CaSiO3 的 热容-温度曲线基本一致。 3、离子晶体中的电导主要为离子电导。可以分为两类：固有离子电导（本征 电导）和杂质电导。在高温下本征电导特别显著，在低温下杂质电导最为显著。 4、固体材料质点间结合力越强，热膨胀系数越小。 5、电流吸收现象主要发生在离子电导为主的陶瓷材料中。电子电导为主的陶瓷材料，因 电子迁移率很高，所以不存在空间电荷和吸收电流现象。 6、导电材料中载流子是离子、电子和空位。 7. 电子电导具有霍尔效应，离子电导具有电解效应，从而可以通过这两种效应检查材料 中载流子的类型。 8. 非晶体的导热率（不考虑光子导热的贡献）在所有温度下都比晶体的 小。在高温下，二者的导热率比较接近。 9. 固体材料的热膨胀的本质为：点阵结构中的质点间平均距离随着温度升高而增 大。 10. 电导率的一般表达式为 ∑ = ∑ = i i i i i q nμ σ σ 。其各参数n i、q i和μi的含义分别 是载流子的浓度、载流子的电荷量、载流子的迁移率。 11. 晶体结构愈复杂，晶格振动的非线性程度愈大。格波受到的 散射大，因此声子的平均自由程小，热导率低。 12、波矢和频率之间的关系为色散关系。 13、对于热射线高度透明的材料，它们的光子传导效应较大，但是在有微小气孔存在时，由于气孔与固体间折射率有很大的差异，使这些微气孔形成了散射中心，导致透明度强烈降低。 14、大多数烧结陶瓷材料的光子传导率要比单晶和玻璃小1～3数量级，其原因是前者有微量的气孔存在，从而显著地降低射线的传播，导致光子自由程显著减小。 15、当光照射到光滑材料表面时，发生镜面反射；当光照射到粗糙的材料表面时，发生漫反射。 16、作为乳浊剂必须满足：具有与基体显著不同的折射率，能够形成小颗粒。 用高反射率，厚釉层和高的散射系数，可以得到良好的乳浊效果。 17、材料的折射随着入射光的频率的减少（或波长的增加）而减少的性质，称为折射率的色散。
《材料物理性能》 第一章材料的力学性能 1-1一圆杆的直径为2.5 mm 、长度为25cm 并受到4500N 的轴向拉力，若直径拉细至 2.4mm ，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。 解： 由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。 1-5一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。 解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=,V 2=。则有 当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=代入经验计算公式E=E 0+可得，其上、下限弹性模量分别变为 GPa 和 GPa 。 1-11一圆柱形Al 2O 3晶体受轴向拉力F ，若其临界抗剪强度 τf 为135 MPa,求沿图中所示之方向的滑移系统产生滑移时需要的最小拉力值，并求滑移面的法向应力。 0816 .04.25.2ln ln ln 22 001====A A l l T ε真应变) (91710909.44500 60MPa A F =?==-σ名义应力0851 .010 0=-=?=A A l l ε名义应变) (99510524.445006MPa A F T =?== -σ真应力)(2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =?+?=+=上限弹性模量) (1.323)84 05.038095.0()(1 12211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量
材料无机材料物理性能考试及答案
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无机材料物理性能试卷 一．填空（１×２０＝２０分） 1．CsCl结构中，Ｃs+与Cl-分别构成＿＿＿＿格子。 ２．影响黏度的因素有＿＿＿＿、＿＿＿＿、＿＿＿＿. ３.影响蠕变的因素有温度、＿＿＿＿、＿＿＿＿、＿＿＿＿. ４．在＿＿＿＿、＿＿＿＿的情况下，室温时绝缘体转化为半导体。 ５．一般材料的＿＿＿＿远大于＿＿＿＿。 ６．裂纹尖端出高度的＿＿＿＿导致了较大的裂纹扩展力。 ７．多组分玻璃中的介质损耗主要包括三个部分：＿＿＿＿、＿＿＿＿＿＿＿＿、＿＿＿＿。 ８．介电常数显著变化是在＿＿＿＿处。 ９．裂纹有三种扩展方式：＿＿＿＿、＿＿＿＿、＿＿＿＿。 １０．电子电导的特征是具有＿＿＿＿。 二.名词解释（4×4分=16分） 1.电解效应 2.热膨胀 3.塑性形变 4.磁畴 三.问答题（3×8分=24分） 1.简述晶体的结合类型和主要特征： 2.什么叫晶体的热缺陷？有几种类型？写出其浓度表达式?晶体中离子电导分为哪几类？ 3.无机材料的蠕变曲线分为哪几个阶段，分析各阶段的特点。 4.下图为氧化铝单晶的热导率与温度的关系图，试解释图像先增后减的原因。 四，计算题（共20分） 1.求熔融石英的结合强度，设估计的表面能为1.75J/m2；Si-O的平衡原子间距为1.6×10-8cm，弹性模量值从60 到75GPa。（10分） 2.康宁1273玻璃(硅酸铝玻璃)具有下列性能参数： =0.021J/(cm ·s ·℃)；a=4.6×10-6℃-1；σp=7.0kg/mm2，
期末复习题参考答案 一、填空 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，热导率也就愈低。 5．电介质材料中的压电性、铁电性与热释电性是由于相应压电体、铁电体和热释电体都是不具有对称中心的晶体。 6．复介电常数由实部和虚部这两部分组成，实部与通常应用的介电常数一致，虚部表示了电介质中能量损耗的大小。 7．无机非金属材料中的载流子主要是电子和离子。 8．广义虎克定律适用于各向异性的非均匀材料。 ?（1-m）2x。9．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 10．对于中心穿透裂纹的大而薄的板，其几何形状因子Y= 。 11．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 。 12．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。 13.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。14．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。 15．当温度不太高时，固体材料中的热导形式主要是声子热导。 16．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。 17．电滞回线的存在是判定晶体为铁电体的重要根据。 18．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。 19. 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。 20.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。 21.晶体发生塑性变形的方式主要有滑移和孪生。 22.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。 23.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 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。 滞弹性：当应力作用于实际固体时，固体形变的产生与消除需要一定的时间，这种与时间有关的弹性称为滞弹性。 格波：处于格点上的原子的热振动可描述成类似于机械波传播的结果，这种波称为格波，格波的一个
1-1一圆杆的直径为2.5 mm 、长度为25cm 并受到4500N 的轴向拉力，若直径拉细至2.4mm ，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。 解： 由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。 1-5一瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。若该瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。 解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=0.95,V 2=0.05。则有 当该瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E 0(1-1.9P+0.9P 2)可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa 和293.1 GPa 。 1-6试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图，并算出t = 0,t = ∞ 和t = τ时的纵坐标表达式。 解：Maxwell 模型可以较好地模拟应力松弛过程： ) (2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =?+?=+=上限弹性模量) (1.323)84 05.038095.0()(1 12211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量. /)0()(;0)();0()0((0)e (t)-t/e στσσσσσστ==∞==则有：：其应力松弛曲线方程为0816.04.25.2ln ln ln 2 2 001====A A l l T ε真应变) (91710 909.44500 60MPa A F =?==-σ名义应力0851 .010 0=-=?=A A l l ε名义应变) (99510524.44500 6 MPa A F T =?= =-σ真应力
《材料物理性能复习资料整理》 一、名词解释 物质的磁化：物质在磁场中受磁场的作用呈现一定磁性的现象。 自发极化：铁磁性材料在没有外加H时，原子磁矩趋于同向排列而发生的磁化。 软磁材料：是指磁滞回线瘦长，μ高、H c小、M r低，并且磁化后容易退磁的磁性材料。硬磁材料：是指磁滞回线短粗，μ低、H c大、M r高，并且磁化后很难退磁的磁性材料。磁致伸缩：铁磁体在磁场中被磁化时，其形状和尺寸都会发生变化，这种现象称为磁致伸缩效应。 PN结：是指在同一块半导体单晶中P型掺杂区域N型掺杂区的交界面附近的区域。 禁带：在能带结构中能态密度为零的能量区间。 超导电性：在一定条件下（温度、磁场、压力）材料的电阻突然消失的现象称为超导电性。马基申定则：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。 这表明在一级近似下，不同散射机制对电阻率的贡献可以用加法求和。 激活介质：实现粒子数反转的介质具有对光的放大作用，称为激活介质。 因瓦效应：将与因瓦反常相关联的其它物理特性的反常行为统称为因瓦效应。 磁介质：能被磁场磁化的物质。 技术磁化：是指在外磁场的作用下，铁磁体从完全退磁状态磁化至饱和的内部变化过程。磁畴：是指在未加磁场时铁磁体内部已经磁化到饱和状态的小区域。 铁电畴：铁电体中自发极化方向一致的微小区域。 N型半导体：在本征半导体中掺入5价元素（磷，砷，锑）使晶体中的自由电子的浓度极大地增加而形成的以电子为多子的杂质半导体称为N型半导体。 第一类超导体：指大多数纯金属超导体，在超导态下磁通从超导体中全部逐出，具有完全的迈斯纳效应（完全的抗磁性）。这类导体称为第一类超导体。 介质损耗：电介质在外电场作用下，其内部会有发热现象，这说明有部分电能已转化为热能耗散掉，这种介质内的能量损耗称为介质损耗。 光致发光：通过光的辐射将材料中的电子激发到高能态从而导致发光，称为光致发光。 杜隆-珀替定律：恒压下，元素的原子摩尔热容为25J/(K?mol)。 二、简答题 1.请从能量式波长（频率）范围详细划分电磁波谱 （1）无线电波——波长从108~1013nm （2）微波——波长从106~108nm （3）红外线——波长从103~106nm （4）可见光——波长390~700nm （5）紫外线——波长从10~390nm （6）伦琴射线——波长10-3~100nm （7）γ射线——波长从10-5~0.1nm
《材料物理性能》 第一章材料的力学性能 1-1一圆杆的直径为2.5 mm 、长度为25cm 并受到4500N 的轴向拉力，若直径拉细至2.4mm ，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。 解： 由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。 1-5一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。 解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=0.95,V 2=0.05。则有 当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E 0(1-1.9P+0.9P 2) 可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa 和293.1 GPa 。 0816 .04.25.2ln ln ln 22 001====A A l l T ε真应变) (91710909.44500 60MPa A F =?==-σ名义应力0851 .010 0=-=?=A A l l ε名义应变) (99510524.445006MPa A F T =?== -σ真应力) (2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =?+?=+=上限弹性模量) (1.323)84 05.038095.0()(1 12211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量
1-11一圆柱形Al 2O 3晶体受轴向拉力F ，若其临界抗剪强度τf 为135 MPa,求沿图中所示之方向的滑移系统产生滑移时需要的最小拉力值，并求滑移面的法向应力。 解： 1-6试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图，并算出t = 0,t = ∞ 和 t = τ时的纵坐标表达式。 解：Maxwell 模型可以较好地模拟应力松弛过程： V oigt 模型可以较好地模拟应变蠕变过程： 以上两种模型所描述的是最简单的情况，事实上由于材料力学性能的复杂性，我们会用到用多个弹簧和多个黏壶通过串并联组合而成的复杂模型。如采用四元件模型来表示线性高聚物的蠕变过程等。 ). 1()()(0)0() 1)(()1()(10 //0 ----= = ∞=-∞=-=e E E e e E t t t στεσεεεσεττ；；则有：其蠕变曲线方程为：. /)0()(;0)();0()0((0)e (t)-t/e στσσσσσστ==∞==则有：：其应力松弛曲线方程为0 1 2 3 4 5 0.0 0.20.40.60.81.0 σ(t )/σ(0) t/τ 应力松弛曲线 012345 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 ε (t )/ε(∞) t/τ 应变蠕变曲线 )(112)(1012.160cos /0015.060cos 1017.3)(1017.360cos 53cos 0015.060cos 0015.053cos 82 332min 2MPa Pa N F F f =?=? ? ??=?=? ???=?? ?? = πσπ τπτ：此拉力下的法向应力为为： 系统的剪切强度可表示由题意得图示方向滑移
实验一材料的拉伸试验 1.实验名称及类别 材料的拉伸试验；验证性。 2.实验内容及目的 （1）测定低碳钢材料在常温、静载条件下的屈服强度、抗拉强度、伸长率和断面收缩率。 （2）测定铸铁在常温、静载条件下的抗拉强度。 （3）掌握万能材料试验机的工作原理和使用方法。 3.实验材料及设备 低碳钢、铸铁、游标卡尺、万能试验机。 4.试样的制备 按照国家标准GB6397—86《金属拉伸试验试样》，金属拉伸试样的形状随着产品的品种、规格以及试验目的的不同而分为圆形截面试样、矩形截面试样、异形截面试样和不经机加工的全截面形状试样四种。其中最常用的是圆形截面试样和矩形截面试样。 如图1所示，圆形截面试样和矩形截面试样均由平行、过渡和夹持三部分组成。平行部分的试验段长度称为试样的标距，按试样的标距与横截面面积之间的关系，分为比例试样和定标距试样。圆形截面比例试样通常取或，矩形截面比例试样通常取或，其中，前者称为长比例试样（简称长试样），后者称为短比例试样（简称短试样）。定标距试样的与之间无上述比例关系。过渡部分以圆弧与平行部分光滑地连接，以保证试样断裂时的断口在平行部分。夹持部分稍大，其形状和尺寸根据试样大小、材料特性、试验目的以及万能试验机的夹具结构进行设计。 对试样的形状、尺寸和加工的技术要求参见国家标准GB6397—86。
（a） （b） 图1 拉伸试样 （a）圆形截面试样；（b）矩形截面试样 5.实验原理 低碳钢进行拉伸试验时，外力必须通过试样轴线，以确保材料处于单向应力状态。低碳钢具有良好的塑性，低碳钢断裂前明显地分成四个阶段：弹性阶段：试件的变形是弹性的。在这个范围内卸载，试样仍恢复原来的尺寸，没有任何残余变形。 屈服（流动)阶段：应力应变曲线上出现明显的屈服点。这表明材料暂时丧失抵抗继续变形的能力。这时，应力基本上不变化，而变形快速增长。通常把下屈服点作为材料屈服极限（又称屈服强度），即，是材料开始进入塑性的标志。结构、零件的应力一旦超过屈服极限，材料就会屈服，零件就会因为过量变形而失效。因此强度设计时常以屈服极限作为确定许可应力的基础。 强化阶段：屈服阶段结束后，应力应变曲线又开始上升，材料恢复了对继续变形的抵抗能力，载荷就必须不断增长。D点是应力应变曲线的最高点，定义为材料的强度极限又称作材料的抗拉强度，即。对低碳钢来说抗拉强度是材料均匀塑性变形的最大抗力，是材料进入颈缩阶段的标志。 颈缩阶段：应力达到强度极限后，塑性变形开始在局部进行。局部截面急剧收缩，承载面积迅速减少，试样承受的载荷很快下降，直到断裂。断裂时，试样的弹性变形消失，塑性变形则遗留在破断的试样上。
1.微观粒子的波粒二象性 在量子力学里，微观粒子在不同条件下分别表现出波动或粒子的性质。这种量子行为称为波粒二象性。 2.波函数及其物理意义 微观粒子具有波动性，是一种具有统计规律的几率波，它决定电子在空间某处出现的几率，在t 时刻，几率波应是空间位置（x,y,z,t)的函数。此函数 称波函数。其模的平方代表粒子在该处出现的概率。 表示t 时刻、 （x 、y 、z ）处、单位体积内发现粒子的几率。 3.自由电子的能级密度 能级密度即状态密度。 dN 为E 到E+dE 范围内总的状态数。代表单位能量范围内所能容纳的电子数。 4.费米能级 在0K 时，能量小于或等于费米能的能级全部被电子占满，能量大于费米能级的全部为空。故费米能是0K 时金属基态系统电子所占有的能级最高的能量。 5.晶体能带理论 假定固体中原子核不动，并设想每个电子是在固定的原子核的势场及其他电子的平均势场中运动，称单电子近似。用单电子近似法处理晶体中电子能谱的理论，称能带理论。 6.导体，绝缘体，半导体的能带结构 根据能带理论，晶体中并非所有电子，也并非所有的价电子都参与导电，只有导带中的电子或价带顶部的空穴才能参与导电。从下图可以看出，导体中导带和价带之间没有禁区，电子进入导带不需要能量，因而导电电子的浓度很 大。在绝缘体中价带和导期隔着一个宽的禁带E g ，电子由价带到导带需要外界供给能量，使电子激发，实现电子由价带到导带的跃迁，因而通常导带中导电电子浓度很小。半导体和绝缘体有相类似的能带结构，只是半导体的禁带较窄(E g 小) ，电子跃迁比较容易 1.电导率 是表示物质传输电流能力强弱的一种测量值。当施加电压于导体的两 端 时，其电荷载子会呈现朝某方向流动的行为，因而产生电流。电导率 是以欧姆定律定义为电流密度 和电场强度 的比率： κ=1/ρ 2.金属—电阻率与温度的关系 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，当电子波通过一个理想品体点阵时(0K)，它将不受散射；只有在晶体点阵完整性遭到破坏的地方，电子被才受到散射(不相干散射)，这就是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)，以及晶体中异类原于、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。 金属电阻率在不同温度范围与温度变化关系不同。一般认为纯金属在整个温度区间产生电阻机制是电子-声子（离子）散射。在极低温度下，电子-电子散射构成了电阻产生的主要机制。金属融化，金属原子规则阵列被破坏，从而增强了对电子的散射，电阻增加。 3.离子电导理论 离子电导是带有电荷的离子载流子在电场作用下的定向移动。一类是晶体点阵的基本离子，因热振动而离开晶格，形成热缺陷，离子或空位在电场作用下成为导电载流子，参加导电，即本征导电。另一类参加导电的载流子主要是杂质。 离子尺寸，质量都远大于电子，其运动方式是从一个平衡位置跳跃到另一个平衡位置。离子导电是离子在电场作用下的扩散。其扩散路径畅通，离子扩散系数就高，故导电率高。 4.快离子导体（最佳离子导体，超离子导体） 具有离子导电的固体物质称固体电解质。有些
非晶态固体的导电性能 能带论是目前研究晶态固体中电子运动的重要理论,能带论的出发点是:固体中的电子不再束缚于个别的原子,而是在整个固体中做共有化运动。它是所谓“单电子理论”,就是说,各电子的运动基本上看做是相互独立的, 每个电子是在一个具有晶格周期性的势场中运动,这个周 期性势场包括了原子实以及其它电子的平均势场。能带论虽然是一个近似理论,但实际的发展证明,它对于晶态半导体是比较好的,近似可以作为分析其中电子运动规律的基础。 这段文字引自韩汝琦教授在1979年所写的《非晶态半导体的导电性》研究。由于非晶态材料的非周期性，及从理论上讲其导电性能不好，所以没有具体阐述，通过对文献的查找我发现对于这一方面研究的学者也少之又少。所以在学习了材料物理性能对于固体晶态金属、半导体、离子结构导电性的基础上对非晶态的固体导电性做一些了解。以下为我在阅读相关文献后的一点总结及感触。 非晶态半导体中电子运动的问题,仍可以用单电子理论,即把各电子的运动看成是相互独立的。差别在于这时的势场不再具有周期性,本征态波函数不再具有布洛赫波函数的形式, 与晶体势场周期性相联系的量子数k不再存在了。则无法通过k空间建立能带能级的关系。 非晶态半导体中也存在有导带和价带,它们之间也有禁带,能带的存在是不依赖于晶体的周期性的.差别在于能态密度函数存在有尾部。在晶态半导体中能带中的状态是共有化运动状态, 而在非晶态半导体能带中的状态分为两类:一类叫扩展态;一类叫定域态。在导带中, E > Ec 的状态( Ec为临界状态)是扩展态,它的波函数延伸在整个空间,相当于电子可以通过隧道效应从一个势井穿透到另一个势井,它类似于晶态半导体中的共有化运动状态。在导带E < Ec的 状态是定域态,它的波函数只是局限在一些中心点附近,随着远离这个中心点的距离增大而 指数衰减。电子不能通过隧道效应在整个材料中做共有化运动,而是在比较小的范围内做定 域运动,所以叫做定域态。 隧道效应：是一种有微观粒子波动性所确定的微观效应。按照量子理论，可以解出除了在势垒处的反射外，还有透过势垒的波函数，表明在势垒的另一边，粒子有一定概率贯穿势垒。对于非晶态半导体,扩展态中载流子导电的机理和晶态中载流子的导电机理相似;而在定域态中载流子只能通过和晶格振动的相互作用,交换能量,才能从一个定域态跳到另一个定域态。综上所述,为了分析非晶态半导体的导电性,就需要着重分析定域态的导电机理。先可以从晶态半导体的杂质开始讨论，在简单的半导体的导电理论中,施主杂质(或受主杂质)在低温下 可以束缚电子(或空穴) ,这些电子(或空穴)围绕着杂质原子运动。假定有一N型样品,施主和 受主杂质浓度分别是N D和NA。在足够低的温度下,导带中的电子可以忽略不计。这时受主接受施主提供的电子成为负离子,而施主一部分失去电子成为正离子,一部分仍是中性的. 在这些中性的施主杂质周围束缚有电子,杂质导电就是靠这些电子从一个施主态到另一个 不占有电子的施主态之间的跳跃.在晶体中实际存在的电离施主和电离受主杂质,它们的库 仑场会影响这些施主态的能级位置。由于电离杂质分布是无规则的,使得这些施主态的能量值是不完全一样的。这样,电子从一个施主态转移到另一个施主态就必须具备两个条件。( A )是两个施主态之间的波函数要有交叠,也就是说,一般来说只有相互靠近的一些杂质态之间 才能实现转移; ( B )是由于这些相邻施主态能级的能量之间一般来说是不一样的,这样在转 移过程中就需要依赖于电子一晶格的相互作用,电子与晶格交换能量吸收一个或多个声子, 这是一个激活过程,称为跳跃式导电。根据这个导电机构可以说明上述实验事实,其中,反映跳跃导电的激活能;当掺杂浓度增高,杂质态波函数的交叠增大,从而使几变大.从杂质导电的例子,可以看出定域态的几个特点: ( A )定域态的波函数是局限在某一中心附近的范围内,就象 施主态的电子是局限在施主杂质中心附近一样。( B )由于存在有无规则的势场分布(在杂质 导电中就是无规则分布的电离杂质的库仑势场) ,使得这些定域态的能级可能是不相同的, 形成连续分布的能带。( c )定域态之间的电子导电是跳跃式的。当然,这种跳跃式的杂质导电
1、试说明下列磁学参量的定义和概念：磁化强度、矫顽力、饱和磁化强度、磁导率、磁化率、剩余磁感应强度、磁各向异性常数、饱和磁致伸缩系数。 a、磁化强度：一个物体在外磁场中被磁化的程度，用单位体积内磁矩的多少来衡量，成为磁化强度M b、矫顽力Hc：一个试样磁化至饱和，如果要μ=0或B=0，则必须加上一个反向磁场Hc，成为矫顽力。 c、饱和磁化强度：磁化曲线中随着磁化场的增加，磁化强度M或磁感强度B开始增加较缓慢，然后迅速增加，再转而缓慢地增加，最后磁化至饱和。Ms成为饱和磁化强度，Bs成为饱和磁感应强度。 d、磁导率：μ=B/H，表征磁性介质的物理量，μ称为磁导率。 e、磁化率：从宏观上来看，物体在磁场中被磁化的程度与磁化场的磁场强度有关。 M=χ·H，χ称为单位体积磁化率。 f、剩余磁感应强度：将一个试样磁化至饱和，然后慢慢地减少H，则M也将减少，但M并不按照磁化曲线反方向进行，而是按另一条曲线改变，当H减少到零时，M=Mr或Br=4πMr。（Mr、Br分别为剩余磁化强度和剩余磁感应强度） g、磁滞消耗：磁滞回线所包围的面积表征磁化一周时所消耗的功，称为磁滞损耗Q（ J/m3） h、磁晶各向异性常数：磁化强度矢量沿不同晶轴方向的能量差代表磁晶各向异性能，用Ek表示。磁晶各向异性能是磁化矢量方向的函数。 i、饱和磁致伸缩系数：随着外磁场的增强，致磁体的磁化强度增强，这时|λ|也随之增大。当H=Hs时，磁化强度M达到饱和值，此时λ=λs，称为饱和磁致伸缩所致。 2、计算Gd3+和Cr3+的自由离子磁矩Gd3+的离子磁矩比Cr3+离子磁矩高的原因是什么 Gd3+有7个未成对电子,Cr3+ 3个未成对电子. 所以, Gd3+的离子磁矩为7μB, Cr3+的离子磁矩为3μB. 3、过渡族金属晶体中的原子（或离子）磁矩比它们各自的自由离子 磁矩低的原因是什么 4、试绘图说明抗磁性、顺磁性、铁磁性物质在外场B=0的磁行为。