材料物理性能复习资料.docx

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材料物理性能复习资料

第二章材料的热学性能

热容：

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。

不同温度下，物体的热容不一定相同，所以在温度T时物体的热容为：

物理意义：

吸收的热量用来使点阵振动能量升高，改变点阵运动状态，或者还有可能产生对外做功；或加剧电子运动。

晶态固体热容的经验定律：

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）；

二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。

不同材料的热容：

1.金属材料的热容：

由点阵振动和自由电子运动两部分组成，即

式中和分别代表点阵振动和自由电子运动的热容；α和γ分别为点阵振动和自

由电子运动的热容系数。

合金的摩尔热容等于组成的各元素原子热容与其质量百分比的乘积之和，符合奈曼-柯普定律：

式中，ni和ci分别为合金相中元素i的原子数、摩尔热容。

2.无机材料的热容：

（1）对于绝大多数氧化物、碳化物，热容都是从低温时的一个低的数值增加到1273K左右的近似于25J/（K·mol）的数值。

温度进一步增加，热容基本无变化。

（也即它们符合热容定律）

（2）对材料的结构不敏感，但单位体积的热容却与气孔率有关。

气孔率越高，热容越小。

相变可分为一级相变和二级相变。

一级相变：

体积发生突变，有相变潜热，例如，铁的a-r转变、珠光体相变、马氏体转变等；二级相变：

无体积发生突变、无相变潜热，它在一定温度范围逐步完成。

例如，铁磁顺磁转变、有序-无序转变等，它们的焓无突变，仅在靠近转变点的狭窄温度区间内有明显增大，导致热容的急剧增大，达转变点时，焓达最大值。

3.高分子材料热容：

高聚物多为部分结晶或无定形结构，热容不一定符合理论式。

一般，高聚物的比热容比金属和无机材料大，高分子材料的比热容由化学结构决定，它存在链段、链节、侧基等，当温度升高时，链段振动加剧，而高聚物是长链，使之改变运动状态较困难，因而，需提供更多的能量。

传导机制

（1）金属中热传导是以自由电子导热为主，合金热传导以自由电子导热和声子导热为主；金属材料的热导率很大。

（2）对于晶体的无机非金属，热传导主要是靠点阵振动，即声子导热为主，约为金属热传导的三十分之一。

（3）高聚物的热传导以链段运动传热为主，而高分子链段运动比较困难，所以，其导热能力较差。

晶体中存在的各种缺陷和杂质会导致声子的散射，降低声子的平均自由程，使热导率变小。

固溶体的形成同样也降低热导率，而且溶质元素的质量和大小与溶剂元素相差愈大，取代后结合力改变愈大，则对热导率的影响愈大。

热阻：

材料对热传导的阻碍能力。

理想晶体中的热阻也即声子与声子的碰撞。

热膨胀本质：

原子间相互作用，位能曲伸不对称。

温度升高，振动加剧，振动中心发生变化（右移），原子间距增大，材料产生热膨胀。

线膨胀系数与熔点的关系有一个经验表达式：

因此，固态晶体的熔点愈高，晶体原子间结合力增大，其膨胀系数就愈低。

高分子材料的热稳定性

提高高分子的耐热性：

（1）增加高分子链的刚性（分子链带上庞大的侧基，增加主链共轭双键，减少单链），

（2）提高聚物结晶能力（提高链的规整度和对成性），（3）进行交联，增加分子链间化学键，阻碍分子链运动。

无机材料的热稳定性

提高抗热冲击断裂性能的措施（主要针对陶瓷，玻璃等）：

①提高材料强度σ，减小弹性模量E，使σ/E提高。

②提高材料的热导率λ，使R'提高。

③减小材料的热膨胀系数α。

也即产生的热应力小。

④减小表面热传递系数h。

⑤减小产品的有效厚度rm。

热差分析：

是在程序控制温度下，将被测材料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温差（ΔT）随温度（T）时间（t）的变化关系。

参比物要求：

应为热惰性物质，即在整个测试的温度范围内它本身不发生分解、相变、破坏，也不与被测物质产生化学反应同时参比物的比热容，热传导系数等应尽量与试样接近。

第三章材料的光学性能

一、光在介质中的传播速度比真空慢的原因

当光的电磁场作用到介质上时，介质的原子受到外加电场的作用而极化，正电荷沿着电场方向移动，负电荷沿着反电场方向移动，这样正负电荷的中心发生相对位移。

外电场越强，原子正负电荷中心距离越大。

由于这种光波电磁场和介质原子的电子体系的相互作用而产生的极化，“拖住”了电磁波的步伐，使光波的传播速度减少。

二、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，除了最外和最内的表面是玻璃和空气的相对折射率外，内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。

三、双折射现象、常光折射和非常光折射的概念

当光通过除立方晶体以外的其他品型介质时，一般都要分为振动方向和互垂直、传播速度不等的两个波，它们分别形成两条折射光线，这个现象称为双折射。

双折射光线中，平行于人射面的光线的折射率，称为常光折射率n0，不论入射光的入射角如何变化，n0始终为一常数，因而常光折射率严格服从折射定律。

另一条与之垂直的光线所构成的折射率、则随入射线方向的改变而变化，称为非常光折射率ne，它不遵守折射定律，随入射光的方向而变化。

四、选择吸收：

同一物质对各种波长的光吸收程度不一样，有的波长的光吸收系数可以非常大，而对另一波长的吸收系数又可以非常小。

均匀吸收：

介质在可见光范围对各种波长的吸收程度相同。

金属材料、半导体、电介质产生吸收峰的原因

（1）金属对光能吸收很强烈，这是因为金属的价电子处于未满带，吸收光子后即呈激发态，用不着跃迁到导带即能发生碰撞而发热。

（2）半导体的禁带比较窄，吸收可见光的能量就足以跃迁。

（3）电介质的禁带宽，可见光的能量不足以使它跃迁，所以可见光区没有吸收峰。

紫外光区能量高于禁带宽度，可以使电介质发生跃迁，从而出现吸收峰。

电介质在红外区也有一个吸收峰，这是因为离子的弹性振动与光子辐射发生谐振消耗能量所致。

五、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。

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。

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。

非弹性散射：

当光束通过介质时，人射光子与介质发生非弹性碰撞，使散射光的波长（或频率）发生改变，这种散射称为非弹性散射。

与弹性散射相比，非弹性散射通常要弱几个数量级，常常被忽略。

六、红移、蓝移原因

（1）从能量的角度看，可以用简单的能级跃迁图来说明。

图a表示瑞利散射过程，图b可表示红移过程，图c表示蓝移过程。

（2）从波动观点来看，光的非弹性散射机制是光波电磁场与介质内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的消失，以致散射光波频率相应出现“红移”〔频率降低〕或“蓝移”（频率增高）。

七、利用拉曼散射分析物质的结构（不确定）

由于拉曼散射和布里渊散射中散射光的频率与散射物质的能态结构有关，研究非弹性光散射已经成为获得固体结构、点阵振动、声学动力学以及分子的能级特征等信息的有效手段。

八、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。

原因：

在光波电磁场的作用下，光波引起介质中束缚电荷受迫振动，受迫振动的振子（束缚电荷）又可以作为新的电磁波波源，向外发射“电磁次波”（或称散射波）。

在固体材料中，这种散射中心的密度很高，多个振子波的相互干涉使得次波只沿原来入射光波的方向前进。

按照波的叠加原理，次波和入射光波叠加的结果使合成波的位相与入射波不同。

次波的叠加改变了波的位相，也就改变了光波的速度。

九、自发辐射与受激辐射的区别

自发辐射过程是指，如果原子已经处于高能级，那么它就可能自发、独立地向低能级跃迁并发射一个光子，其能量为:

hν=E2-E1

各个原子发射的自发辐射光子，除了能量（频率）受上式限制外，其发射方向和偏振态都是随机和无规的。

受激辐射过程是，当一个能量满足hν=E2-E1的光子趋近高能级E2的原子时，人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来。

受激辐射的光子和人射光子具有相同的频率、方向和偏振状态。

十、激光的激活介质的作用：

实现粒子数反转的介质，具有对光的放大作用。

十一、红宝石

红宝石（CrAl2O3）加工好的红宝石激光器呈棒状，两端面平行，靠近两个端面各放置一面镜子，以便使一些自发发射的光通过激光棒来回反射。

其中一个镜子起完全反射的作用，另一个镜子只是部分反射。

当沿着激光棒的长度方向用氙闪光灯照射时，大部分闪光的能量以热的形式散失，一小部分被激光棒吸收，Cr3+的d电子可以从4A2基态激发到4F1和4F2激发态。

这些激发态寿命很短（10-9s），通过无辐射跃迁迅速衰变，降到2E能级。

2E激发态的寿命很长，约为5x10-3s，这表明有足够的时间形成位子数反转。

然后由2E能级跃迁返回基态，多余的能量以激光形式释放出来，于是产生了激光。

第四章材料的导电性能

一、超导：

在一定的低温条件下材料突然失去电阻的现象称为超导电性。

两个基本特性：

完全导电性和完全抗磁性（即超导体内无磁场，内部磁感应强度B为零）

二、库柏电子对（BCS理论）：

当超导体内处于超导态的某一电子e1在晶体中运动时，它周围的正离子点阵将被这个电子吸引以降低静电能，从而使这个局部区域的正电荷密度增加，而这个带正电的区域又会对邻近电子e2产生吸引力，正是由于这种吸引力克服了静电斥力，使动量和自旋方向相反的两个电子e1、e2结成了电子对，这种电子对称为库柏电子对。

材料变为超导态后，由于电子对结成库柏对，使能量降低而成为一种稳定态。

三、固溶体、化合物对导电性能的影响

1.固溶体的导电性

（1）固溶体组元浓度对电阻的影响一般情况下形成固溶体时合金的电导率降低，即电阻率增高。

固溶体电阻率比纯金属高的主要原因是溶质原子的溶入引起溶剂点阵的畸变，破坏了晶格势场的周期性，从而增加了电子的散射概率，使电阻率增大。

同时，由于固溶体组元间化学相互作用（能带、电子云分布等）的加强使有效电子数减少，也会造成电阻率的增高。

（2）有序固溶体的电阻固溶体有序化对合金的电阻有显著的影响，其影响作用体现在两方面：

一方面，固溶体有序化后，其合金组元间化学作用加强，电子结合比无序固溶体强，导致导电电子数减少而合金的剩余电阻增加；另一方面，晶体的离子电场在有序化后更对称，从而减少对电子的散射，使电阻降低。

综合这两方面，通常情况下第二个因素占优势，所以有序化后，合金的电阻总体上是降低的。

（3）不均匀固溶体（K状态）的电阻当形成不均匀固溶体时，在固溶体点阵中只形成原子的偏聚，原子聚集区域的集合尺寸与电子波的波长相当（约1nm），故可以强烈地散射电子波，提高了合金电阻率。

2.金属化合物的导电性

当两种金属原子形成化合物时，其合金电导率要比纯组元的电导率低得多，这是因为组成化合物后，原子间的金属键至少有一部分转化为共价键或离子键，使有效电子数减少，导致电阻率增高。

四、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