材料物理性能期末考试复习重点(非常全,
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热容是物体温度升高1K 所需要增加的能量。它反映材料从周围环境中吸收热量的能力。是分子热运动的能量随温度而变化的一个物理量。不同环境下，物体的热容不同。
热容是随温度而变化的，在不发生相变的条件下，多数物质的摩尔热容测量表明，定容热容C 和温度的关系与定压热容有相似的规律。(1)在高温区：定压热容Cv 的变化平缓；(2)低温区：Cv 与T^3成正比；(3)温度接近0K 时，Cv 与T 成正比；(4)0K 时，Cv=0；
热容的来源：受热后点阵离子的振动加剧和体积膨胀对外做功，此外还和电子贡献有关，后者在温度极高（接近熔点）或极低（接近0K ）的范围内影响较大，在一般温度下则影响很小。
晶态固体热容的经验定律和经典理论：(1)元素的热容定律—杜隆一珀替定律：热容是与温度T 无关的常数。恒压下元素的原子热容为25J/ (k ·mol)；（2）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该化合物各元素原子热容之和。
德拜模型:考虑了晶体中原子的相互作用。晶体中点阵结构对热容的主要贡献是弹性波振
动，波长较长的声频支在低温下的振动占主导地位，并且声频波的波长远大于晶体的晶格常数，可以把晶体近似为连续介质，声频支的振动近似为连续，具有0～ωmax 的谱带的振动。可导出定压热容的公式：34)/(5/12,D T R m Cv θπ=
由上式可以得到如下的结论：（1）当温度较高时，即处于高温区定压热容=3Nk=3R ，即杜隆—珀替定律，与实验结果吻合；（2）当温度很低时，小于德拜温度时，定压热容与T^3成正比，与实验结果吻合。（3）当T →0时，C V 趋于0，与实验大体相符。但T^3定律，与实
验结果的T 规律有差距。
德拜模型的不足：（1）由于德拜把晶体近似为连续介质，对于原子振动频率较高的部分不适用，使得对一些化合物的热容的计算与实验不符。（2）对于金属类晶体，没有考虑自由电子的贡献，使得其在极高温和极低温区与实验不符。（3）解释不了超导现象。
金属材料热容：a.自由电子对热容的贡献：（1）低温时：热容由点阵振动和自由电子两部分的贡献组成；（2）常温时：自由电子热容远小于点阵振动热容，可忽略；（3）极低温时：电子热容起主导作用；（4）高温时：电子热容有贡献。 b.合金成分对热容的影响：合金元素加入后能生成不同的相与组织，因此合金的热容取决于组成相的性质。合金的热容是每个组成元素热容与其质量百分比的乘积之和； 可通过合金的手段改变金属材料的热容。 相变时的热容变化：（1）熔化和凝固：液态金属的热容比固态的大。
(2)一级相变和二极相变。一级相变：三态转变，多型性相转变。有潜热，热容趋于无穷。 二极相变：磁转变，有序-无序转变等。在一个温度范围内逐步完成，无潜热，热容突变。
（3)亚稳态组织转变：组织转变不可逆。如不发生相变，热容和温度呈线性关系；如发生相变，热容偏离直线。亚稳态（热量高）向稳态（热量低）转变要放热，导致热容下降
热膨胀：物体的体积或长度随温度升高而增大的现象。热膨胀的物理本质（机制）：当物体温度升高时，晶体中原子的振动加剧，相邻原子之间的平衡距离也随温度变化而变化，因此温度升高而发生膨胀现象。
(1)膨胀系数与热容的关系：体膨胀与定容热容成正比，它们有相似的温度依赖关系。低温下随温度升高急剧增大，高温时则趋于平缓；弹性模量与热容成反比。(2)膨胀系数与熔点的关系：熔点越高，原子间结合力越大，热膨胀系数与熔点成反比；(3)膨胀系数与德拜温度的关系：德拜温度越高，膨胀系数越小。原因：膨胀系数是原子间结合力的反映。原子间的结合力越大、膨胀系数越小。
影响膨胀性能的因素：1.相变的影响①一级相变：有潜热、比热容无限大，体积发生突变，膨胀系数发生突变。②二级相变：无潜热，无体积发生突变，比热容和膨胀系数发生突变。
2.组织成分的影响（1）形成固溶体：固溶体的膨胀与溶质元素的膨胀系数和含量有关。溶质元素的膨胀系数高于溶剂基体时，将增大膨胀系数。（2）不同结构形态的物质：对于相
同组成的物质，结构紧密的晶体膨胀系数大。单晶>多晶>纳米>非晶。孔隙越多，膨胀系越小。
3.晶体各向异性的影响；
4.铁磁性转变的影响。
热传导：不同温度的物体或区域，在相互靠近或接触时，会以传热的形式交换能量（能量迁移）。温度梯度：单位长度的温度变化。矢量，方向指向温度升高。
热导率：单位温度梯度下，单位时间内通过单位截面积的热量。热扩散率：对于不稳定导热过程的体系，引入热扩散率来描述体系的热传导能力和温度长随时间的变化。
热传导的物理机制：热传导过程是材料内部的能量传输过程，在固体中其载体有：自由电子、声子（点阵波）和光子（电磁辐射）。（1）金属导热机制：电子导热率约是声子的导热率的30倍，电子导热起主要作用。（2）半导体导热机制：电子导热和声子导热率的作用大体相当。（3）绝缘体导热机制：声子导热起主要作用。
热传导的影响因素
1.温度对金属热导率的影响：对金属热传导其阻挡作用的主要有：缺陷阻挡和声子阻挡两部分。低温：缺陷阻挡起主要作用。高温：声子阻挡起主要作用。中温：声子阻挡和缺陷阻挡都起作用。纯金属：只有声子阻挡，温度升高电子的平均自由程减小。一般有热导率随温度的升高而降低的规律。合金：声子阻挡和缺陷阻挡，由于异类原子的存在，温度对电子平均自由程的影响很小，声子导热作用加强。一般有热导率随温度的升高而增大的规律。玻璃体：一般有热导率随温度的升高而增大的规律。
2.原子结构对热传导的影响：金属的电导率越高，热传导性能越好。
3.合金成分和晶体结构对热传导的影响：合金中由于加入杂质元素使杂质缺陷形成的热阻增强，使得热导率降低。杂质原子与金属原子的结构差异越大，影响越大。
4.气孔率对热传导的影响：气孔率越大，热导率越低。原因：空气是热的不良导体。
热稳定性：指材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力。
热冲击损坏类型：1．一种是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。抵抗这类破坏的能力称为抗热冲击损伤性。2．一种是材料发生瞬时断裂。抵抗这类破坏的能力称为抗热冲击断裂性。
影响材料热稳定性的主要因素：（1）材料的热导率λ愈快，热应力持续一定时间后很快缓解，所以对热稳定有利。（2）传热的途径，即材料或制品的厚薄，薄的传热通道短，容易很快使温度均匀。（3）材料表面散热速率。如果材料表面向外散热外，材料内、外温差变大，热应力也大。此外，还与材料中应力的分布，产生的速率和持续时间、材料特性（如塑性、均匀性、驰豫性）以及原先存在的裂纹、缺陷等有关。
σ提提高抗热冲击断裂性能的措施及作用：1．提高材料强度σ，减小弹性模量E，使E
/高。可以提高材料的柔韧性。2．提高材料的热导率λ，使'R提高。λ大的材料传递热量快，材料内外温差可以快速缓解、平衡。3．减小材料的热膨胀系数α。α小的材料在同样温差下产生的热应力小。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。
造成材料导电性差异的主要原因:能带结构及其被电子填充的性质有关。（1）晶体的能带分为：价带、禁带和导带。晶体的导电性是其能带分布的反映。其价带是否被填满，是否存在禁带，以及禁带宽度的大小等因素决定其导电性能。导体和非导体的区别：金属导体的能带分布特点:无禁带。a价带和导带重叠;b价带未被价电子填满，价带本身就是导带。这两种情况下的价电子就是自由电子，所以金属即使在温度较低的情况下仍有大量的自由电子，具有很强的导电能力。非导体的能带分布特点:有禁带。在绝对零度时，满价带和空导带，基本无导电能力。半导体和绝缘体的区别：半导体禁带宽度小。在室温下，一部分价电子能获得大于禁带宽度的能量ΔE，跃迁到导带中去，成为自由电子，同时在价带中形成空穴，这
样就使半导体具有一些导电能力。而绝缘体禁带宽度大。在室温下，几乎没有价电子能跃迁到导带中去，故基本无自由电子和空穴，所以绝缘体几乎没有导电能力。
金属的导电机制：经典理论：在外电场的作用下，自由电子在导体中定向移动。量子理论：在外电场的作用下，自由电子以波动的形式在晶体点阵中定向传播。
电阻的本质：电子波在晶体点阵中传播时，受到散射，从而产生阻碍作用，降低了导电性。电子波在绝对零度下，通过一个理想点阵时，将不会受到散射，无阻碍传播，电阻率为0。 电阻产生的机制：（1）晶体点阵离子的热振动（声子），对电子波产生散射。（2）晶体点阵电子的热振动，对电子波产生散射。（3）晶体点阵的完整性被破坏（存在杂质原子、晶体缺陷等），对电子波产生散射。【基本电阻12+残余电阻3】。
影响金属导电性的因素：1.温度对金属电阻的影响：（1）一般规律，0K 时：电阻率大小决定于晶体缺陷的类型和数量。极低温时：电子散射占主要地位，声子散射很弱，基本电阻与温度的平方成正比。随着温度的升高，声子散射散射作用逐渐增强，并占据主导地位。根据德拜理论，原子热振动存在两个规律性区域，区分区域的温度D θ被称为德拜温度。当T<
2.受力情况对金属电阻的影响：（1）拉力的影响：在弹性限度内，单向拉伸或扭转应力能提高金属的电阻率。（2）压力的影响：对于大多数金属，压力能降低金属的电阻率。在高压下，原子间距缩小，内部缺陷的形态、电子结构、费米面、能带结构及电子散射机制等都发生了变化，从而影响材料的导电性，甚至可能导致物质的金属化。
3.冷加工对金属电阻的影响：冷加工的形变使金属的电阻率提高。
4.晶格缺陷对金属电阻的影响：晶格缺陷使金属的电阻率提高。
5.热处理对金属电阻的影响：冷加工后，再退火，可使电阻降低。当退火温度接近于再结晶温度时，可降低到冷加工前的水平。但当退火温度高于再结晶温度时，电阻反而增大。新晶粒的晶界阻碍了电子的运动。淬火能够固定金属在高温时的空位浓度，而产生残余电阻。淬火温度越高，残余电阻越大。
6.几何尺寸效应对金属电阻的影响：当试样的尺寸与导电电子的平均自由程在同一数量级时，电子在表面发生散射，产生附加电阻。
7.电阻率的各向异性：一般立方晶系的单晶体电阻表现为各向同性，但对称性较差的六方、四方、斜方等晶系单晶体的导电性表现为各向异性。多晶体各向同性。
本征半导体：纯净的、无结构缺陷的半导体单晶。导电机制：在绝对零度和无外界影响的情况下：半导体的满带中被电子占满，空带中无电子，不导电。在温度升高、光照等热激发（本征激发）时：价电子从外界获得能量，部分价电子获得足够的能量脱离束缚，跃迁到空带中。空带中有了电子成为导带，满带中的部分价电子迁出出现了空穴，成为价带。本征激发时，自由电子和空穴成对出现，在外电场的作用下，电子逆电场方向运动，空穴顺电场方向运动。
自由电子和空穴在外电场的作用下定向运动，形成电流。自由电子和空穴都能导电，统称为载流子。本征半导体的电学特性：（1）本征激发成对产生自由电子和空穴，所自由电子浓度与空穴浓度相等，都是等于本征载流子的浓度ni ；（2）ni 和Eg 有近似反比关系，硅比锗Eg 大，故硅比锗的ni 小；（3）ni 与温度近似正比，故温度升高时ni 就增大；（4）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。
杂质半导体的分类及导电机制：通常制造半导体器件的材料是杂质半导体。在本征半导体中
人为地掺入五价元素和三价元素，分别获得N（电子）型和P（空穴）型杂质半导体。（1）N型半导体：在本征半导体中掺入五价元素获得电子型杂质半导体。由于的掺入五价元素中的四个价电子与周围的原子形成共价键，余下一个价电子的能级非常接近导带能量，使得其在常温下进入导带成为自由电子，因此掺杂后的半导体导带中的自由电子显著增多。把这个五价元素称为施主杂质。电子是多数载流子（多子）。（2）P型半导体：在本征半导体中掺入三价元素获得电子空穴型杂质半导体。由于的掺入三价元素中的三个价电子与周围的原子形成共价键时，缺少一个价电子，形成一个空位置（空穴）。因此掺杂后的半导体价带中的空穴电子显著增多。把这个三价元素称为受主杂质。空穴是多数载流子。
掺杂半导体与本征半导体相比具有的特征：（1）掺杂浓度虽然很微小，但却能使载流子浓度得到极大提高，导电能力显著增强。掺杂浓度越大，其导电能力也越强。（2）掺杂只是使一种载流子的浓度增加，杂质半导体主要靠多子导电。N型半导体主要靠自由电子导电，P型半导体主要靠空穴导电。
PN结的形成及特性：PN结是指同一块半导体单晶中，在P型掺杂区与N型掺杂区交界面附近形成的特殊区域。是构成半导体电子器件的基本单元。
PN结制造工艺的实质：P型掺杂与N型掺杂之间通过扩散实现的的杂质互补。
PN结阻挡层的形成过程：（1）载流子的浓度差引起的载流子的扩散运动；（2）扩散运动形成空间电荷区（阻挡层）；（3）内电场是扩散与漂移达到动态平衡。
PN结的特性：单向导电性。（1）外加正向电压的情况由于外部正向电压与内电场电位差方向相反，阻挡层变窄、消失，内电场减小、消失，电阻减小。（2）外加反向电压的情况由于外部反向电压与内电场电位差方向相同，阻挡层增大，内电场增大，电阻急剧增大。
电介质极化：在电场作用下，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（正端转向电场负极、负端转向电场正极）现象。电介质的击穿：当施加电介质上的电场强度或电压增大到一定程度时，电介质就由介电状态变为导电状态。
超导体：零电阻：将超导体冷却到某一临界温度（T C）以下时电阻突然降为零的现象称为超导体的零电阻现象。不材料失去电阻的状态称为超导态，具有超导态的材料称为超导体。
超导体的性能：（1）完全的导电性：超导体在超导态时是等电位的，电阻为0。（2)完全抗磁性。当超导体冷却到临界温度以下而转变为超导态后，只要周围的外加磁场没有强到破
坏超导性的程度，超导体就会把穿透到体内的磁力线完全排斥出体外，在超导体内永远保持磁感应强度为零。超导体的这种特殊性质被称为“迈斯纳效应”。
超导现象的物理机制：由于超导体中的电子在超导态时，电子之间存在着特殊的吸引力，使
得电子结成电子对（库伯电子对），它是超导态电子与晶格点阵相互作用的结果。超导态由
于电子结成库柏对，使得能量降低成为稳定态。一个超导态电子对的能量比形成它的单独的两个正常态的电子的能量低2Δ，这个降低的能量称为超导体的能隙。当温度或外磁场强度增加时，电子对获得能量能隙就减小。能隙减小到零时，电子对被拆开成正常态电子，超导
态转变为正常态。每个电子对在运动中的总动量保持不变，不消耗能量，表现出零电阻的特
性。
评价超导体性能的主要参量：1温度。超导体必须冷却至某一临界温度以下才能保持其超导性。2临界电流密度。通过超导体的电流密度必须小于某一临界电流密度才能保持超导体的
超导性。3临界磁场。施加给超导体的磁场必须小于某一临界磁场才能保持超导体的超导
性。
金属热电性及其物理机制：热电性：材料中存在电位差时会产生电流，存在温度差时会产生热流，故因电位差、温度差、电流、热流之间存在着交叉联系，构成热电效应。
第一热电效应-塞贝克效应：两种不同的导体（或半导体）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位差及电流产生，称为塞贝克效应。原因：由于同一导体
（或半导体）两端处在不同的温度区域，形成了温差电位差。
温差电位差形成机制：热端的高能电子向冷端热扩散，在两端分别形成异号电荷积累区，形成内电场，当扩散和漂移平衡时，形成稳定的电位差。温差越高，电位差越大。不同的导体
（或半导体）热电势率不同。而不同导体（或半导体）接触形成的接触电位差，是影响这一现象另一个原因。（在不同温度下接触电位不同）
第二热电效应-玻尔帖效应：当有电流通过两个不同导体（或半导体）组成的回路时，除产生不可逆的焦尔热外，还要有两接头处分别出现吸收或放出热量Q的现象。此现象为玻尔帖效应，被认为是塞贝克效应的逆效应。被用于温差制冷。
原因（机制）：接触电位区的存在。电子在通过接触区被减速时，动能减少，减速电子与金属原子碰撞后获得能量，吸热，该处温度降低。反之放热，温度升高。
第三热电效应-汤姆逊效应：当电流通过具有一定温度梯度的导体时，会有一横向热流流入或流出导体，其方向视电流的方向和温度梯度的方向而定，此现象为汤姆逊效应。
原因（机制）：温差电位区的存在。电子在通过温差电位区被减速时，动能减少，与晶格碰撞后从金属原子获得能量，吸热，晶格能量降低，温度降低。反之被加速时，碰撞晶格，放热，晶格能量增加，温度升高。
接触电性：当两种不同的材料在它们接触的效界面上产生的载流子的某种行为，由此引起的两种材料单独存在时所没有的新的电学效应，称为接触电效应。
金属-金属的接触电效应：两个不同的金属相互紧密接触时，在接触面附近形成的特殊区域（MM结）。接触电位差形成的机制：（1）两种金属逸出功不同，在交界面会发生电子扩散，接触界面会形成空间电位场，阻止电子继续扩散，电子扩散和漂移相互竞争，最终达到平衡状态，形成一定的电位差，即接触电位差；（2）两种金属的自由电子密度不同，当电
子发生扩散时，接触界面形成空间电场，扩散和漂移相互竞争，最后达到平衡状态，形成一定的电位差。金属的接触电位差为这两个原因形成电位差的叠加。
磁化理论的两种观点：（1）分子环流观点：物质中的每个磁分子都相当一个环形电流，即
是一个分子磁矩。无外磁场时：热运动、杂乱无章，不显宏观磁性。有外磁场时：沿磁场方向排列，显现宏观磁性。（2）等效磁荷观点：材料的的每个磁分子就是一个磁偶极子。无
外磁场时：热运动、杂乱无章，不显宏观磁性。有外磁场时：沿磁场方向排列，显现宏观磁性。
磁介质的分类：根据物质的磁化率，把物质的磁性大致分为抗磁体、顺磁体、反铁磁体、铁磁体和亚铁磁体。
1、抗磁体（磁化率χ为负值，很小，约在10^-6数量级）：原子的磁矩为零的物质对外不显示磁性。但在外磁场的作用下原子的磁矩不再为零，显示出一定的抗磁性。因为电子的轨
道运动在外磁场的作用下产生了附加磁矩。附加磁矩与外磁场方向相反，物质磁化后内部产生与外场方向相反的附加磁场，对外表现出抗磁性。凡是电子壳层被排满了的物质都属于抗磁体。电子壳层未被排满了的物质，也具有一定的抗磁性，但不一定是抗磁体。
2、顺磁体（χ为正值，很小，约在10^-3～10^-6数量级）：顺磁性物质的原子或离子具有
一定的磁矩，这些原子磁矩来源于未满的电子壳层。在顺磁性物质中，磁性原子或离子分开的很远，以致它们之间没有明显的相互作用，因而在没有外磁场时，由于热运动的作用，原子磁矩是无规混乱取向。当有外磁场作用时，原子磁矩有沿磁场方向取向的趋势，从而呈现出正的磁化率。但在常温下，由于热运动的影响，原子磁矩难以有序化排列，磁化十分困
难。
3、铁磁性及其物理本质：铁磁性材料的磁性是自发产生的，磁化过程只不过是把物质本身
的磁性显示出来，而不是由外界向物质提供磁性的过程。实验证明铁磁质自发磁化的起因是源于原子未被抵消的电子自旋磁矩，而轨道磁矩对铁磁性几乎无贡献。
铁磁体的自发磁化：根据键合理论，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。因交换作用而产生的附加能量成为交换能。当磁性物质内部相邻原子电子的交换能积分常数为正(A＞0)时，相邻原子磁矩将同向平行排列（能量最低），从而实现自发
磁化。这就是铁磁性产生的原因。（铁磁体：χ为正值，很大，约在10～10^6数量级）
物质具有铁磁性的基本条件：(1)物质中的原子有磁矩；(2)原子磁矩之间有一定的相互作用。
铁磁性产生的条件：①原子内部要有末填满的电子壳层；②及Rab/r之比大于3，使交换积分A为正。前者指的是原子本征磁矩不为零；后者指的是要有一定的晶体结构。
铁磁质受热原子间距离增大，电子间交换作用减弱，自发磁化减弱，当高于一定温度时交换作用被破坏，表现为顺磁性，这个转变温度被称为居里温度。
4、反铁磁性（χ为正值，很小）：如果交换积分A＜0时，则原于磁矩取反向平行排列能量
最低。如果相邻原子磁矩相等，由于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。这样一种特性称为反铁磁性。
5、亚铁磁性（χ为正值，没有铁磁性体大）：交换积分A＜0，则原于磁矩取反向平行排列
能量最低。如果相邻原子磁矩不等，原子磁矩不能相互抵消，存在自发磁化。亚铁磁性物质由磁矩大小不同的两种离子(或原子)组成，相同磁性的离子磁矩同向平行排列，而不同磁性的离子磁矩是反向平行排列。由于两种离子的磁矩不相等，反向平行的磁矩就不能恰好抵消，二者之差表现为宏观磁矩。
磁晶各向异性：在单晶体的不同晶向上磁性能不同的性质，称为磁性的各向异性。
磁性各向异性产生原因：相邻原子间电子轨道还有交换作用，由于自旋-轨道相互作用，电
荷的分布为旋转椭球性，非对称性与自旋方向密切相关，所以自旋方向相对于晶轴的转动将使交换能改变，同时也使原子电荷分布的静电相互作用能改变，导致磁各向异性。
磁致伸缩：铁磁性物质的尺寸和形状在磁化过程中发生形变的現象，叫磁致伸缩。产生原
因：原子磁矩有序排列时，电子间的相互作用导致原子间距的的自发调整。
当磁致伸缩引起的形变受到限制，在材料内部将产生应力，存在弹性能，称为磁弹性能。
铁磁体的形状各向异性及退磁能：铁磁体在磁场中具有的能量称为静磁能，它包括铁磁体与
外磁磁场的相互作用能和铁磁体在自身退磁场中的能量，后者常称为退磁能。铁磁体的形状各向异性是由退磁场引起的，当铁磁体磁化出现磁极后，这时在铁磁体内部由磁极作用而产
生一个与外磁化场反向的磁场，因它起到退磁（减弱外磁场）的作用，故称为退磁场。
磁畴：未加磁场时铁磁体内部已经磁化到饱和状态的小区域。磁畴形成原因：由于原子磁矩
间的相互作用，晶体中相邻原子的磁偶极子会在一个较小的区域内排成一致的方向，导致形成一个较大的净磁矩。因物质由许多小磁畴组成的。在未受到磁场作用时，磁畴按一定规则排列，磁矩相互抵消，整体上净磁化强度为零。
磁畴的结构：主畴：大而长的磁畴，其自发磁化方向沿晶体的易磁化方向。相邻主畴磁化方
向相反。副畴：小而短的磁畴，其磁化方向不定。磁畴壁：相邻磁畴的界限区域称为磁畴壁，分为两种：（1）180o壁。相邻磁畴的磁化方向相反。（2）90o壁。相邻磁畴的磁化方向垂直。磁畴的形状、尺寸、畴壁的类型与厚度总称为磁畴结构。
铁磁体技术磁化的过程及物理机制技术磁化的实质：外磁场把各个磁畴的磁矩方向转到（或
接近）外磁场方向的过程。铁磁质的基本磁化曲线大体可分为三个阶段：（1）可逆迁移：
起始阶段，畴壁微小移动，磁化曲线平坦，磁导率（初始磁导率）较小，过程可逆，无磁滞。（2）不可逆迁移：畴壁发生瞬时跳跃移动，大量原子磁矩瞬时转向，表现出强烈的磁化，磁化曲线急剧上升，磁导率很高，过程不可逆。（3）旋转：由于易磁化轴通常与外场不一致，当磁场继续增大时，整个晶体单畴磁矩的方向将逐渐转向外场方向（磁畴旋转）。
技术磁化两种机制：（1）壁移磁化：磁畴接近畴壁的区域和磁畴内部原子磁矩发生转动。（2）旋转磁化：整个晶体单畴磁矩的方向将逐渐转向外场方向（磁畴旋转）。
影响铁磁性的因素：1、温度的影响。温度升高使原子热运动加剧，原子磁矩的无序排列倾
向增大而导致Ms下降，矫顽力减小。温度升高，引起应力松弛，利于磁化，使得初始磁导率增加。2、应力的影响。当应力的方向与金属的磁致伸缩为同号时，则应力对磁化起促进作用。3、形变的影响。加工硬化能引起晶体点阵扭曲，晶粒破碎，内应力增加，对壁移造成阻力。使得最大磁导率降低，矫顽力增大。4、晶粒细化的影响。晶粒细化使得晶界增多，对磁化的阻力增大，使得最大磁导率降低，矫顽力增大。5、杂质的影响。杂质会造成点阵扭曲，当夹杂物存在于畴壁穿孔，这会给壁位移造成阻力，使得最大磁导率降低，矫顽力增大。[[6、磁场中退火：各磁畴受磁致伸缩而发生形变，主要是沿易轴的形变。7、合金的成分和组织的影响：a.形成固溶体：（1）顺磁、抗磁溶质原子的固溶，使得饱和磁化强
度急剧减小。（2）铁磁性溶质的原子有较强的固有磁矩，当少量加入形成固溶体时，通过点阵常数的变化，使交换作用增强，因而对自发磁化有所促进。（3）固溶体合金的有序化
对合金的磁性有显著的影响，饱和磁化强度增大。b.形成化合物：（1）与顺磁、抗磁金属，铁磁性能降低；（2）与非金属（O、S），多呈亚铁磁性。]]
改善铁磁材料磁导率μ的方法：1）消除铁磁材料中的杂质；2）晶粒足够大并呈等轴状；3）形成再织构；4）采用磁场中退火。
动态磁化特性：(1)磁滞和涡流损耗：铁磁材料在交变磁场中反复磁化时，由于磁化处于非
平衡状态，磁化曲线表现出动态特性。交流磁化曲线的形状介于直流磁滞回线和椭圆之间。变化的磁场在其空间将产生涡旋电场，在涡旋电场的作用下，铁磁材料内部将产生涡旋电流—涡流。涡旋电流将产生一个磁场来阻止外磁场引起的磁通变化，使得铁磁体内的实际磁场
的变化总是要滞后于外磁场。(2)磁后效应：磁化强度（或磁感应强度）跟不上磁场变化的延迟现象。主要原因：（1）畴壁移动阻力（磁滞）；（2）涡旋电流产生的抗磁场（涡流）；（3）点阵间隙位置杂质原子的扩散弛豫（扩散磁后效应），畴壁移动的弛豫（约旦磁后效应）；（4）磁壁共振。(3)磁导率减落：起始磁导率随时间的推移而降低的现象。其
原因：由材料中电子或离子的扩散后效所造成。因磁性材料退磁时处于亚稳态，随时间的推移，为使磁性体的自由能达到最小值，电子或离子将不断向有利的位置扩散，把畴壁稳定在势阱中，导致了铁氧体起始磁导率随时间的减落。温度越高电子或离子的扩散速度越快，起始磁导率的减落越快。
光的反射和折射：光波入射到两种媒质的分界面以后，如果不考虑吸收、散射等其它形式的能量损耗，则入射光的能量只在两种介质的界面上会发生反射、折射。（1）光在均匀介质中直线传播，在不同的介质中具有不同的传播速度。（2）光在两种介质的分界面时遵守反射、折射定律。（3）光路可逆光从一个介质进入到另一个介质时，将发生透射、反射、吸
收和散射现象。入射光的能流率等于透射、反射、吸收和散射能流率之和。透射、反射、吸收和散射能流率相对于入射光所占的比率分别被称为透射系数τ、反射系数α、吸收系数m 和散射系数s 。τ+α+m+s=1。
折射率的影响因素：（1）构成材料元素的离子半径。当离子半径增大时，其ε增大，因而n 也增大。（2）材料的结构、晶型和非晶态。非晶态和立方晶体这些各向同性材料，当光通过时，光速不因传播方向改变而变化，材料只有一个折射率，称为均质介质。但是除立方晶体以外的其他晶型，都是非均质介质（双折射现象）。（3）材料所受的内应力。有内应力的透明材料，垂直于受拉主应力方向的n 大，平行于受拉主应力方向的n 小。（4）同质异构体。在同质异构材料中，高温时的晶型折射率n 较低，低温时存在的晶型折射率n 较高。
材料的折射率反映了光在该材料中传播速度的快慢。从本质上讲，反映了材料的电磁结构（对非铁磁介质主要是电结构）在光波作用下的极化性质或介电特性。
反射率：反射光的功率与入射光的功率之比。透射率：透射光的功率与入射光的功率之比。光的反射率和透射率与光的偏振方向有关，并随入射角度而变化。光是横波，在垂直于传播方向上，电矢量可以取任何方向。因此，可以分解成两个相互垂直的线偏振分量。即振动方向垂直于入射平面的s 分量和振动方向平行于入射平面的p 分量。当入射角和折射角之和为π/2时，反射光没有平行入射面的矢量。此时的入射角称为布儒斯特角。利用布儒斯特角可以产生偏光。 光在界面的反射损失取决于两种介质的相对折射率，相对折射率越大，m 越大，反射损失越大。 光连续通过X 块平板玻璃，则透过部分应为（1-m)^2X 。
全反射：当光从光密介质进入到光疏介质，当入射角达到某一角度时，不再有折射光线，光线被全部反射的现象。 全反射临界角：1/2sin n n =θ。
棱镜主要用于分光和偏转光的方向；透镜主要是两个球面或曲面包围而成的透明光学材料，主要用于聚光和成像；反射是指材料表面洁度非常高的情况下的反射，反射光线具有明确的方向性，一般称之为镜反射。
光吸收及其物理机制：朗伯定律：在价质中光强随传播距离呈指数衰减。当光的传播距离达到1/α时，强度衰减到入射时的1/e 。α越大材料越厚，光就被吸收得越多，透过光的强度越小。产生光吸收的原因：光作为一种能量流，在穿过介质时，引起介质的价电子跃迁，或使原子振动而消耗能量。此外介质中的价电子吸收光子能量而激发，当尚未退激时，在运动中与其它分子碰撞，电子的能量转变为分子的热动能，从而造成光能的衰减。
光吸收与波长的关系：1、金属对光吸收较强。金属的价电子处于未满带，吸收光子后即呈激发态，无需跃迁到导带即能产生碰撞而发热。2、电介质材料，如玻璃、陶瓷等具有较好的透过性----电子质材料的价电子所处的能带是满带。它不能吸收光子而自由运动，而光子的能量又不足以使价电子跃迁到导带，所以在一定波长内，吸收率数小。3、紫外光能量大，半导体电子就会吸收能量从满带跃迁到导带，此时吸收系数大。
光的色散：材料的折射率随入射光的频率减小而减小的性质，称为折射率的色散。
物理机制：经典色散理论（阻尼受迫振子模型）：介质原子的电结构被看成是正负电荷之间由一根无形的弹簧束缚在一起的弹性振子。在光波电磁场的作用下作受迫振动，振动的相位与振子的固有频率和光波频率有关。受迫振动的振子作为次波源向外发射散射波，由于固体和液体中的这种散射中心密度很高，振子散射波的相互干涉，使得次波只沿原来入射光波方向前进。次波和入射波叠加，使得合成波的在介质中的传播速度与入射光波的频率有关，导致介质对不同频率的光有着不同的折射率。
双折射：当单色光束通过各向异性介质的表面时，由于在各方向上的折射程度不同，折射光会分成两束沿着不同的方向传播。 寻常光折射率n0严格服从折射定律。非常光折射率ne ，它不遵守折射定律，随入射光的方向而变化，沿光轴传播折射率为n0。
双折射物理机制：在介质的光波是入射波与介质中的振子受迫振动所发出的次波相互叠加而
形成的合成波，合成波的频率与入射光波相同，但其相位却受振子固有震动频率的影响制约而滞后。因此，波合成的结构使光速比真空中偏慢。相位滞后与振子固有频率和入射光的频率差值有关，介质的光速与入射光频率有关。
光的散射：光通过含有烟尘、微粒、悬浮液滴或成分不均匀的介质时，都会有一部分能量偏离原来的传播方向而向四面八方弥散，这种现象为光的散射。光强随传播距离的减弱仍符合指数衰减定律。只是比单一吸收衰减（朗伯定律）更快。
根据散射前后光子能量（或光波波长）变化与否，分为弹性散射与非弹性散射。弹性散射：散射前后光的波长（或光子能量）不发生变化，只改变方向的散射。
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。
弹性散射按照散射中心尺度与入射光波长的大小，分为三类：1、丁铎尔散射：散射中心的尺度远大于光波波长时，散射光强与入射光波长无关。如粉笔灰、白云呈白色；在胶体、乳浊液以及含有烟、雾或灰尘的大气中的散射。2、米氏散射：散射中心的尺度与光波波长可以比拟时，σ在0～4之间,具体取值与散射中心有关。3.瑞利散射：当散射中心的线度远小于入射光的波长时，散射强度与波长的4次方成反比。瑞利散射不改变原入射光的频率。
按照瑞利散射定律，我们不难理解晴天时晨阳与午阳的颜色不同。入射波长越长，散射光强越小，即长波散射要小于短波散射。因为大气及尘埃对光谱上蓝紫色光的散射比红橙色光为甚，阳光透过大气层越厚，其中蓝紫色光成分损失越多，太阳显得越红。
非弹性散射：1.拉曼散射：是分子或点阵振动的光学声子（即光学模）对光波的散射。2.布里渊散射：是点阵振动引起的密度起伏或超声波对光波的非弹性散射，即点阵振动的声学声子（即声学模）与光波之间的能量交换结果。
非弹性散射机制：1波动观点：是光波电磁场与介质内微观粒子固有振动之间的耦合，可激发介质微观结构的振动或导致振动的淬灭，以至于散射光波频率相应出现“红移”（频率降低）或“蓝移”（频率增高）。通常产生拉曼振动的的介质多由相互约束的正负离子所组成。正负离子的周期性振动导致偶极矩的周期性变化，这种振动偶极矩与光波电磁场的相互作用引起的能量交换，发生光波的非弹性散射。2量子力学观点：能级与虚能级之间的跃迁与回落。
光发射：材料以某种方式吸收能量之后，将其转化为光能即发射光子的过程。
1.平衡辐射：只与辐射体的温度和发射本领有关，如白炽灯的发光。
2.非平衡辐射：在外界激发下物体偏离了原来的热平衡，继而发出的辐射。
材料的受激辐射：光与物质相互作用的三个基本过程：光的吸收、光发射、受激辐射
受激辐射的过程：当一个能量满足hv=E2-E1的光子趋近高能级E2的原子时，有可能入射的光子非但不被吸收，反而诱导高能级原子发射一个和自已性质完全相同的光子来。特点：1、受激辐射的光子和入射光子具有相同的频率、方向和偏振状态。2、受激辐射是受激吸收的逆过程，它的发生使高能级的原子数减少。
激光形成的基本条件：(1)要有适当的激光工作物质；(2)要有外界激励源；(3)要有激光谐振腔。
激光形成的阈值条件：光在谐振腔内受到各种损耗；(1)反射镜的透射损耗；(2)谐振腔的内部损耗。激光工作原理：(1)工作物质在激励能源激励下实现粒子数反转；(2)由自发辐射产生的少数沿腔轴方向传播的光子在工作物质中引起受激辐射；(3)光学谐振腔使受激辐射的光子在腔内往返振荡，不断得到放大；(4)满足阈值条件下形成激光。
弹性的物理本质：当物体受到外力时，为了保持平衡，内部通过原子间距离的调整而产生内
应力，对外表现为形变。弹性模量的大小反映了物质原子间结合力的大小。
影响弹性模量的因素：1、温度的影响：随着温度的升高，原子热运动加剧，原子间距离增大，相互作用力减弱，所以弹性模量随温度升高近似地呈直线降低。2、相变的影响：原子在晶体学上的重构和磁的重构所造成的影响。3、合金成分与组织的影响：（1）形成固溶体合金：1）溶质原子造成点阵畸变，引起合金弹性模量的降低；2）溶质原子可能阻碍位错弯曲和动运使弹性模量增大；3）当溶质和溶剂原子间结合力比溶剂原子间结合力大时，会引起合金模量的增加，反之亦然。（2）形成化合物和多相合金：1）多数单相合金铁晶粒大小和多相合金铁弥散度对模量的影响很小。2）在两相合金中，弹性模量对组成合金的体积浓度呈线性关系。3）三相较复杂。
内耗的产生机制：内耗产生原因：由于振动时固体内部存在某种不可逆过程，使系统的机械
能逐渐转化为热能的过程，源于应力感生的原子的重排和磁重排的能量损耗。
内耗的分类：（1）点阵中间隙原子有序排列引起的内耗；（2）置换原子应力感生有序引起的内耗；（3）与位错有关的内耗；（4）与晶界有关的内耗；（5）热弹性和磁弹性内耗。
经典自由电子理论推导 推导各向同（异）性材料的体膨胀系数和线膨胀系数的关系 二、计算题 在500单晶硅中掺有的硼，设杂质全部电离球该材料的电阻率，（设u= ，硅密度2.33g/cm^3,硼原子量为10.8） 假设X射线用铝材屏蔽，如果要是95%的X射线能量不能透过，则铝材的厚度至少要多少？铝的吸收系数为0.42cm-1 三、名词解释 马基申定则：总的电阻包括金属的基本电阻和溶质浓度引起的电阻（与温度无关）。 本征半导体：纯净的无结构缺陷的半导体单晶 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成为电介质的介质损耗磁化：任何物质处于磁场中，均会使其所占有的空间的磁场发生变化，这是由于磁场的作用使物质表现出一定的磁性，该现象称为磁化（单位体积的磁矩称为磁化强度）本征磁矩：原子中电子的轨道磁矩和自旋磁矩构成的原子固有磁矩称为本征磁矩 自发磁化：在铁磁物质内部存在着很强的与外磁场无关的“分子场”，在这种分子场作用下，原子磁矩趋于同向平行排列，即自发的磁化至饱和， 磁畴：居里点下，铁磁体自发磁化成若干个小区域，称为磁畴 磁晶各向异性：在单晶体的不同晶向上，磁性能是不同的，称为~ 形状各向异性：不同形状的试样磁化行为是不同的，该现象称为~ 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~ 技术磁化：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内部变化过程 双光束干涉：两束光相遇后，在光叠加区，光强重新分布，出现明暗相间，稳定的干涉条纹（条件：频率相同振动方向一致，并且有固定的相位关系） 衍射：光波遇到障碍物时，在一定程度上能绕过障碍物进入几何阴影区。 色散：材料的折射率随入射光的波长而变化 折射率的色散：材料的折射率随入射光的频率减小而减小的性质 双折射：由一束入射光折射后分成两束光的现象。符合折射率的是寻常光，不然是非常光二向色性：晶体结构的各向异性不仅能产生折射率的各向异性（双折射），而且能产生吸收率的各向异性 四、问答题 1.经典自由电子理论与量子自由电子理论异同 同：金属晶体中，正离子形成的电场是均匀的，价电子是自由的， 异：经典理论认为没有施加外电场时，自由电子沿各个方向运动的几率相同，不产生电流？ 量子理论认为每个原子的内层电子基本保持着单个原子时的能量状态，所有价电子有不同的能级。 2.评价电介质的主要电学性能指标有哪些？ 介电常数、耐电常数、损耗因数、体电阻率和表面电阻率、前三个属于介电性，后者导电性3.电介质的极化基本形式 电子式极化、离子式极化、偶极子极化、空间电荷极化
这有答案，大家尽量出有答案的题材料物理性能 习题与解答 吴其胜 盐城工学院材料工程学院 2007，3
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，其杨氏模量为3.5×109 N/m 2，能伸长多少厘米? 解： 拉伸前后圆杆相关参数表 ) (0114.010 5.310101401000940000cm E A l F l E l l =?????=??= ?=?=?-σ ε0816.04.25 .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 524.44500 6 MPa A F T =?= = -σ真应力
1-3一材料在室温时的杨氏模量为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： V oigt 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(210 5.3) 1(28 8 MPa Pa E G ≈?=+?= += μ剪切模量) (390)(109.3) 7.01(310 5.3) 21(38 8 MPa Pa E B ≈?=-?= -=μ体积模量. ,. ,112 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 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εε εε εε εσεσεσ) (2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =?+?=+=上限弹性模量 ) (1.323)84 05.038095.0()(11 2211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量 ). 1()()(0)0() 1)(()1()(1 //0 ----= = ∞=-∞=-= 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
2、材料的热学性能 2-1 计算室温（298K ）及高温（1273K ）时莫来石瓷的摩尔热容值，并请和按杜龙-伯蒂规律计算的结果比较。 （1） 当T=298K ，Cp=a+bT+cT -2=87.55+14.96 10-3298-26.68 105/2982 =87.55+4.46-30.04 =61.97 4.18 J/mol K=259.0346 J/mol K （2） 当T=1273K ，Cp=a+bT+cT -2=87.55+14.96 10-31273-26.68 105/12732 =87.55+19.04-1.65 =104.94 4.18 J/mol K=438.65 J/mol K 据杜隆-珀替定律：(3Al 2O 32SiO 4) Cp=21*24.94=523.74 J/mol K 2-2 康宁玻璃（硅酸铝玻璃）具有下列性能参数：λ=0.021J/(cm s ℃); α=4.610?6/℃;σp =7.0Kg/mm 2，E=6700Kg/mm 2，μ=0.25。求其第一及第二热冲击断裂抵抗因子。 第一冲击断裂抵抗因子：E R f αμσ)1(-==666 79.8100.75 4.61067009.810-???????=170℃ 第二冲击断裂抵抗因子：E R f αμλσ) 1(-= '=1700.021=3.57 J/(cm s) 2-3 一陶瓷件由反应烧结氮化硅制成，其热导率λ=0.184J/(cm s ℃)，最大厚度=120mm 。如果表面热传递系数h=0.05 J/(cm 2s ℃)，假定形状因子S=1，估算可安全应用的热冲击最大允许温差。 h r S R T m m 31.01? '=?=226*0.18405 .0*6*31.01 =447℃ 2-4、系统自由能的增加量TS E F -?=?，又有! ln ln ()!! N N N n n =-，若在肖特基缺 定律所得的计算值。 趋近按，可见，随着温度的升高Petit Dulong C m P -,
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》教学大纲 教学内容: 绪论(1 学时) 《材料物理性能》课程的性质,任务和内容,以及在材料科学与工程技术中的作用. 基本要求: 了解本课程的学习内容,性质和作用. 第一章无机材料的受力形变(3 学时) 1. 应力,应变的基本概念 2. 塑性变形塑性变形的基本理论滑移 3. 高温蠕变高温蠕变的基本概念高温蠕 变的三种理论 第二章基本要求: 了解:应力,应变的基本概念,塑性变形的基本概念,高温蠕变的基本概念. 熟悉:掌握广义的虎克定律,塑性变形的微观机理,滑移的基本形态及与能量的关系.高温蠕变的原因及其基本理论. 重点: 滑移的基本形态,滑移面与材料性能的关系,高温蠕变的基本理论. 难点: 广义的虎克定律,塑性变形的基本理论. 第二章无机材料的脆性断裂与强度(6 学时) 1.理论结合强度理论结合强度的基本概念及其计算 2.实际结合强度实际结合强度的基本概念 3. 理论结合强度与实际结合强度的差别及产生的原因位错的基本概念,位错的运动裂纹的扩展及扩展的基本理论 4.Griffith 微裂纹理论 Griffith 微裂纹理论的基本概 念及基本理论,裂纹扩展的条件 基本要求: 了解:理论结合强度的基本概念及其计算;实际结合强度的基本概念;位错的基本概念,位错的运动;裂纹的扩展及扩展的基本理论;Griffith 微裂纹理论的基本概念及基本理论,裂纹扩展的条件熟悉:理论结合强度和实际结合强度的基本概念;位错的基本概念,位错的运动;裂纹的扩展及扩展的基本理论;Griffith 微裂纹理论的基本概念及基本理论,裂纹扩展的条件. 重点: 裂纹的扩展及扩展的基本理论;Griffith 微裂纹理论的基本概念及基本理论,裂纹扩展的条件难点: Griffith 微裂纹理论的 基本概念及基本理论 第三章无机材料的热学性能(7 学时) 1. 晶体的点阵振动一维单原子及双原子的振动的基本理论 2. 热容热容的基本概念热容的经验定律和经典理论热容的爱因斯坦模型热容的德拜模型 3.热膨胀热膨胀的基本概念热膨胀的基
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。
名词解释 1.应变：用来描述物体内部各质点之间的相对位移。 2.弹性模量：表征材料抵抗变形的能力。 3.剪切应变：物体内部一体积元上的二个面元之间的夹角变化。 4.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，就叫滑移. 5.屈服应力：当外力超过物理弹性极限，达到某一点后，在外力几乎不增加的情况下，变形骤然加快，此点为屈服点，达到屈服点的应力叫屈服应力。 6.塑性：使固体产生变形的力，在超过该固体的屈服应力后，出现能使该固体长期保持其变形后的形状或尺寸，即非可逆性。 7.塑性形变：在超过材料的屈服应力作用下，产生变形，外力移去后不能恢复的形变。 8.粘弹性：一些非晶体和多晶体在比较小的应力时,可以同时变现出弹性和粘性，称为粘弹性. 9.滞弹性：弹性行为与时间有关，表征材料的形变在应力移去后能够恢复但不能立即恢复的能力。 10.弛豫:施加恒定应变，则应力将随时间而减小，弹性模量也随时间而降低。 11.蠕变——当对粘弹性体施加恒定应力，其应变随时间而增加，弹性模量也随时间而减小。 12.应力场强度因子：反映裂纹尖端弹性应力场强弱的物理量称为应力强度因子。它和裂纹尺寸、构件几何特征以及载荷有关。 13.断裂韧性：反映材料抗断性能的参数。 14.冲击韧性：指材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂功的能力。 15.亚临界裂纹扩展：在低于材料断裂韧性的外加应力场强度作用下所发生的裂纹缓慢扩展称为亚临界裂纹扩展。 16.裂纹偏转增韧：在扩展裂纹剪短应力场中的增强体会导致裂纹发生偏转，从而干扰应力场，导致机体的应力强度降低，起到阻碍裂纹扩展的作用。 17.弥散增韧：在基体中渗入具有一定颗粒尺寸的微细粉料达到增韧的效果，称为弥散增韧。 18.相变增韧：利用多晶多相陶瓷中某些相成份在不同温度的相变，从而达到增韧的效果，称为相变增韧。 19.热容：分子热运动的能量随着温度而变化的一个物理量，定义为物体温度升高1K所需要的能量。 20.比热容：将1g质量的物体温度升高1K所需要增加的热量，简称比热。 21.热膨胀：物体的体积或长度随温度升高而增大的现象。 热传导：当固体材料一端的温度笔另一端高时，热量会从热端自动地传向冷端。22.热导率：在物体内部垂直于导热方向取两个相距1米，面积为1平方米的平行平面，若两个平面的温度相差1K，则在1秒内从一个平面传导至另一个平面的热量就规定为该物质的热导率。 23.热稳定性: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。 24.抗热冲击断裂性：材料抵抗温度急剧变化时瞬时断裂的性能。 25.抗热冲击损伤性：材料抵抗热冲击循环作用下缓慢破坏的性能。 26.热应力：材料热膨胀或收缩引起的内应力。 27.声频支振动：振动的质点中包含频率甚低的格波时，质点彼此间的位相差不
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，
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》 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
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.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
无机材料物理性能考试试题及答案 一、填空（18） 1. 声子的准粒子性表现在声子的动量不确定、系统中声子的数目不守恒。 2. 在外加电场E的作用下，一个具有电偶极矩为p的点电偶极子的位能U=-p·E，该式表明当电偶极矩的取向与外电场同向时，能量为最低而反向时能量为最高。 3. TC为正的温度补偿材料具有敞旷结构，并且内部结构单位能发生较大的转动。 4. 钙钛矿型结构由 5 个简立方格子套购而成，它们分别是1个Ti 、1个Ca 和3个氧简立方格子 5. 弹性系数ks的大小实质上反映了原子间势能曲线极小值尖峭度的大小。 6. 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。 7. 制备微晶、高密度与高纯度材料的依据是材料脆性断裂的影响因素有晶粒尺寸、气孔率、杂质等。 8. 粒子强化材料的机理在于粒子可以防止基体内的位错运动，或通过粒子的塑性形变而吸收一部分能量，达从而到强化的目的。 9. 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。 10.裂纹有三种扩展方式：张开型、滑开型、撕开型 11. 格波：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位置附近的振动是以波的形式在晶体中传播形成的波 二、名词解释(12) 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。 电子的共有化运动：原子组成晶体后，由于电子壳层的交叠，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个原子的某一电子壳层转移到相邻原子的相似壳层上去，因而电子可以在整个晶体中运动。这种运动称为电子的共有化运动。 平衡载流子和非平衡载流子：在一定温度下，半导体中由于热激发产生的载流子成为平衡载流子。由于施加外界条件(外加电压、光照)，人为地增加载流子数目，比热平衡载流子数目多的载流子称为非平衡载流子。 三、简答题（13） 1. 玻璃是无序网络结构，不可能有滑移系统，呈脆性，但在高温时又能变形，为什么？ 答：正是因为非长程有序，许多原子并不在势能曲线低谷；在高温下，有一些原子键比较弱，只需较小的应力就能使这些原子间的键断裂；原子跃迁附近的空隙位置，引起原子位移和重排。不需初始的屈服应力就能变形-----粘性流动。因此玻璃在高温时能变形。 2. 有关介质损耗描述的方法有哪些？其本质是否一致？ 答：损耗角正切、损耗因子、损耗角正切倒数、损耗功率、等效电导率、复介电常数的复项。多种方法对材料来说都涉及同一现象。即实际电介质的电流位相滞后理想电介质的电流位相。因此它们的本质是一致的。 3. 简述提高陶瓷材料抗热冲击断裂性能的措施。 答：(1) 提高材料的强度 f，减小弹性模量E。(2) 提高材料的热导率c。(3) 减小材料的热膨胀系数a。(4) 减小表面热传递系数h。(5) 减小产品的有效厚度rm。
《材料物理性能》课程教学大纲 一、课程名称（中英文） 中文名称：材料物理性能 英文名称：Properties of Material Physics 二、课程代码及性质 课程代码: 0801151 课程性质:学科专业基础课程, 必修课 三、学时与学分 总学时：32（理论学时：32学时；实践学时：0学时） 学分：2 四、先修课程 大学物理、材料科学基础、热处理原理与工艺 五、授课对象 本课程面向材料科学与工程专业、功能材料专业开设 六、课程教学目的（对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用） 本课程的教学目的: 1. 系统掌握材料物理性能方向的专业知识，具备应用这些知识分析、解决材料科学与工程专业中的功能材料选择和应用技术复杂问题的能力； 2. 掌握各种物理性能的本质，具备独立进行物理性能分析和测量的能力； 3. 理解不同类型物理性能与材料的不同层次的结构和组织之间的对应关系，具备基于材料成分、结构设计开发新型功能材料的能力；同时，具备基于材料物理性能的研究，实现对材料结构和相变（结构变化）的表征的能力； 4．了解功能材料及制备和应用技术的发展前沿，掌握其发展特点与动向。
七、教学重点与难点： 教学重点：
材料物理性能中的电学性能、介电性能、热学性能、光学性能和磁学性能基于材料成分、结构和组织微观本质。 教学难点： 材料物理性能中的电学性能、介电性能、热学性能、光学性能和磁学性能的微观机理和宏观性能内在联系的定量描述，以及各种性能之间的逻辑关系。 八、教学方法与手段： 教学方法： (1)以课堂讲授为主,阐述该课程的基本内容,保证主要教学内容的完成; (2)安排适量的课堂讨论环节,使学生通过课下的资料查阅而掌握基本的专业资料获取方法、途径、整理归纳和讲演能力。 教学手段： (1)运用现代教学工具,在课堂上通过PPT讲授方式,实现图文并茂,形象直观; (2)收集典型功能材料应用实物,在课堂上进行针对性讲授。 九、教学内容与学时安排 （1）总体安排 教学内容与学时的总体安排，如表2所示。 （2）具体内容 各章节的具体内容如下： 第一章材料物理性能概论(2学时) 1.1材料的分类 1.2材料物理性能本构关系 1.3材料物理性能的研究方法及描述 1.4数值分析方法在材料物理性能研究中的应用 1.5功能材料的性能、应用与发展 第二章材料的电学性能(6学时) 2.1 概念和原理 2.2 导体、绝缘体和半导体的能带 2.3 金属的导电性 2.4 离子导体 2.5 半导体的电学性能 2.6 超导电性
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。
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，称为材料 的色散 18.透光性：材料可以使光透过的性能称为透光性 19.镜反射：是指光照射在光洁度非常高的材料表面时，反射光线具有明确的方向性，这种