材料物理性能ppt课件

本课程主要内容（Contents）,材料的电学性能 材料的磁学性能 材料的光学性能 材料的弹性与内耗 材料的热学性能,1,2,电学部分最为重要、磁学其次，而后光学、力学等，以教材为基础，补充部分内容，但本课程知识点很多，同学们需要预习，在课后及时复习。 本课程成绩组成：期末试卷60%（闭卷）+平时作业、考勤、问答（20%）+随堂实验（20%）,2,3,课程的知识要求,物理学 化学 材料力学、固体物理导论、工艺学 材料的研究方法及表征 物理化学等课程,3,4,本科生学习：一方面是知识学习，另外一方面是方法的学习(学会自学） 参考书： 1熊兆贤材料物理导论北京：科学出版社2002年 2田莳材料物理性能北京：北京航空航天大学出版社2004年 3关振铎无机材料物理性能北京：清华大学2001年,课程的讲授方法,4,材料科学的核心四面体,5,前言（Introduction),物理性能是材料科学研究重要组成部分，材料科学包括：制备与合成、性能、应用 基础是：物理学、化学等学科，是这些学科在材料性能方面的应用 无机材料的不同领域 性能方面区别：电子材料、磁性材料、生物材料、水泥、玻璃、陶瓷材料、耐火材料等,6,7,材料的性能主要是由其结构因素所决定的。 材料性能是一种用于表征材料在给定的外界条件下的行为的参量。 研究方法有：经验方法、机理（反映本质的基本关系出发，建立物理模型等） 材料设计、计算材料学,7,7,8,关系,现代材料科学在较大程度上依赖于材料性能与其成分及结构之间的关系。 成分与结构有从宏观到微观的各个不同层次，测试技术和表征技术是联系它们的工具。,8,9,研究目标,设计,基础数据,评价检测,合成,性能验证,设计 依据,性能测试,组织表征,供测试样,微组织 调节控制,9,10,结构,物质的结构：晶体的结构；晶体的缺陷；玻璃的结构；固体的表面结构 材料的显微结构：在显微镜下直至电子显微镜下观察到的结构组织；包括：相种类、多少、分布、晶粒尺寸、形状；气孔大小和分布；杂质、缺陷、晶界等。,10,11,性能,材料使用中表现有多少行为，就对应有多少性能。 （结构材料和功能材料的划分） 外界条件不同，相同的材料也会有不同的性能。 多数的性能都有量纲。为了便于学习、测试和研究，常采用不同的标准来划分性能,11,12,化学性能：（1）抗氧化性能 （2）耐腐蚀性能 （3）抗渣、抗碱性能 复杂性能（1）复合性能：高温抗折强度、高温蠕变强度等 （2）工艺性能：可塑性、流动性等 （3）使用性能：耐磨性等,12,13,意义,判断材料的优劣 正确选择和使用材料-立足材料的性能 改变材料的性能 贯穿材料的结构-性能-制备-应用这个关系,13,第一章 材料的电学性能,概述 材料的电学性能大致上包含 导电性 超导电性 介电性 磁电性 热电性 接触电性 热释电性和压电性 光电性,14,导电性,1. 导电性的表示方法 电阻R的大小可以评价材料的导电性好坏。但对不同的材料，R 不仅与材料的性能有关，还与材料尺寸有关，即,是材料的固有性质，是由材质决定的，与形状无关,电导率：,15,导体、半导体、绝缘体 不同材料具有不同的导电性，根据材料导电性的好坏，即按值的大小把材料进行分类。 的为导体材料，其中纯金属的值为10-810-7，合金的值为10-710-5； 值为10-3109的为半导体材料； 的为绝缘体材料。,16,虽然物质都是由基本粒子构成的，但导电性的差异却非常显著。 究竟是什么原因造成材料导电性的如此明显的差别呢？ 与物质的能带结构及其被电子填充的性质有关,17,晶体的能带,晶体的能带中，物质的导电性反映为： (价带：valence band; 导带：conduction band; 禁带：band gap） 它的价带是否被填满 是否存在禁带 禁带宽度的大小,18,导体与非导体的区别,金属导体的能带分布 一是价带和导带重叠，而无禁带； 二是价带未被价电子填满，所以这种价带本身就是导带。这两种情况下的价电子就是自由电子，所以金属导体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（包括半导体和绝缘体）在绝对零度时，其能带情况是满价带和空 导带且有禁带，故基本无 导电能力。,19,半导体和绝缘体的区别,半导体和绝缘体的能带图的区别仅是禁带宽度的大小。（绝缘体：3ev6ev, 半导体: 0.1 ev2ev) 禁带宽度的大小就影响到自由电子数量的多少，禁带宽度小，自由电子多，反之就少。,20,金属的导电性,金属的导电机制与马基申定则 当电子波在绝对零度下通过一个理想的晶体点阵时，它将不会受到散射而无阻碍地传播，这时0，而为无穷大，即此时的材料是一个理想的导体。 只有在晶体点阵的完整性以及由于晶体点阵离子的热振动，晶体中的异类原子、位错和点缺陷等使晶体点阵的周期性遭到破坏的地方，电子波才会受到散射，从而产生了阻碍作用，降低了导电性，这就是材料产生电阻的本质所在。,21,散射系数和电阻率成正比。对于金属而言，温度升高离子热振动的振幅愈大，电子就愈易受到散射，故可认为与温度成正比，则也就与温度成正比，这就是金属的电阻随温度升高而增大的原因。 实际的晶体不但有杂质，而且还存在缺陷。传导电子的散射发生在电子声子、电子杂质原子以及与其他晶体点阵静态缺陷相碰撞的时候。理想金属的电阻对应着两种散射机制（声子散射和电子散射），可以看成为基本电阻。这个电阻在绝对零度时降为零。第三种机制（电子在杂质和缺陷上的散射）在有缺陷的晶体中，是绝对零度下金属的残余电阻。这个电阻反映了金属的纯度和完整性。,22,三种散射机制,声子散射 电子散射 电子在杂质和缺陷上的散射,23,马基申定律（马希森定则）Matthiessens rule,固溶体电阻率看成由金属基本电阻率(T)和残余电阻率残组成。不同散射机制对电阻率的贡献可以加法求和。这一导电规律称为马基申定律，即 （化学缺陷：偶然存在的杂质原子及人工加入的合金元素的原子；物理缺陷：指空位、间隙原子、位错以及它们的复合体。） 马基申定律成立的前提：忽略了电子各种散射机制间的交互作用,24,高温时金属的电阻率基本上取决于(T)，而在低温时取决于残。 残的大小就可以用来评定金属的电学纯度。常常采用相对电阻率(300K)/(4.2K)的大小来评定金属的电学纯度。（晶体越纯、越完善，相对电阻率越大）,25,影响金属导电性的因素,温度 受力情况 冷加工 晶体缺陷 热处理 几何尺寸效应,26,温度对金属电阻的影响,加热时发生点阵热振动和振幅的变化，出现相变、回复、空位退火、再结晶以及合金相成分和组织的变化，这些现象往往对电阻的变化显示出重要的影响。 另一方面，测量电阻与温度的关系可以显示电子散射的不同机制，同样也显示超导现象和引起铁磁性反常的特殊性能。,27,金属的电阻随温度变化的一般规律：,绝对零度下，纯净又无缺陷的金属，其电阻率等于零。 随温度的升高金属的电阻率也增加。 理想晶体的电阻率是温度的单值函数。若晶体中存在杂质和结构缺陷，电阻与温度的关系曲线将发生变化（注意三条曲线绝对0度时的电阻率）,28,低温下“电子电子”散射对电阻的贡献可能是显著的，但除低温以外几乎所有温度下大多数金属的电阻都取决于“电子声子”散射。点阵的热振动在不同温区存在差异。在各自的温区有各自的电阻变化规律（在TD和TD是不同的）。,29,