材料物理性能

1、材料物理性能 第一章 考点1. 电子理论的发展经历了三个阶段，即古典电子理论、量子自由电子理论和能带理论。 古典电子理论假设金属中的价电子完全自由，并且服从经典力学规律； 量子自由电子理论也认为金属中的价电子是自由的，但认为它们服从量子力学规律； 能带理论则考虑到点阵周期场的作用。 考点2. 费米电子 在T = 0K时，大块金属中的自由电子从低能级排起，直到全部价电子均占据了相应的能级为止。具有能量为EF(0)以下的所有能级都被占满，而在EF(0)之上的能级都空着，EF(0)称为费米能

2、，是由费米提出的，相应的能级称为费米能级。 考点3. 四个量子数 1、主量子数n 2、角量子数l 3、磁量子数m  4、自旋量子数ms 考点4. 思考题 1、过渡族金属物理性能的特殊性与电子能带结构有何联系？ 过渡族金属的 d 带不满，且能级低而密，可容纳较多的电子，夺取较高的 s 带中的 电子，降低费米能级。 第二章 考点5. 载流子 载流子可以是电子、空穴，也可以是离子、离子空位。材料所具有的

3、载流子种类不同，其导电性能也有较大的差异，金属与合金的载流子为电子，半导体的载流子为电子和空穴，离子类导电的载流子为离子、离子空位。而超导体的导电性能则来自于库柏电子对的贡献。 考点6. 杂质可以分为两类 一种是作为电子供体提供导带电子的发射杂质，称为“施主”；另一种是作为电子受体提供价带空穴的收集杂质，称为“受主”。 掺入施主杂质后在热激发下半导体中电子浓度增加(n>p)，电子为多数载流子，简称“多子”，空穴为少数载流子，简称“少子”。这时以电子导电为主，故称为n型半导体。施主杂质有时也就称为n型杂质。 在掺入受主的半导体中由于受主电离

4、(p>n)，空穴为多子，电子为少子，因而以空穴导电为主，故称为p型半导体。受主杂质也称为p型杂质。 考点7. 我们把只有本征激发过程的半导体称为本征半导体。 考点8. 在同一种半导体材料中往往同时存在两种类型的杂质，这时半导体的导电类型主要取决于掺杂浓度高的杂质。 随着温度的升高本征载流子的浓度将迅速增加，而杂质提供的载流子浓度却不随温度而改变。因此，在高温时即使是杂质半导体也是本征激发占主导地位，呈现出本征半导体的特征(np)。 一般半导体在常温下靠本征激发提供的载流子甚少  6  考点21.&#

5、160;磁弹性能 物体在磁化时要伸长（或收缩），如果受到限制，不能伸长（或收缩），则在物体内部产生压应力（或拉应力）。这样，物体内部将产生弹性能，称为磁弹性能。因此，物体内部缺陷、杂质等都可能增加其磁弹性能。 考点22. 技术磁化包含着两种机制：壁移磁化和畴转磁化。 壁移磁化：在有效场作用下，自发磁化方向接近于H方向的磁畴长大，而与H方向偏离较大的近邻磁畴相应缩小，从而使畴壁发生位置变化  其实质是：在H作用下，磁畴体积发生变化，相当于畴壁位置发生了位移。  磁畴转动磁化过程：在H 0时，铁磁体磁畴内所有

6、磁矩一致向着H方向转动的过程。  外磁场的作用是导致磁畴转动的根本原因及动力（即H 0时，总自由能将发生变化，其最小值方向将重新分布，磁畴的取向也会由原来的方向向H方向转动） 考点23. 改善铁磁材料磁导率的方法有：  消除铁中的杂质；  把晶粒培育到很大的尺寸；  造成再结晶织构，即在再结晶时使晶体的易轴(100)沿外磁场排列起来；  退火时在一定方向施加磁场，并在冷却过程中使磁场从居里点保持到材料只有很低范性的低温，这就是磁场中的退火。 考点24.&#

7、160;软磁材料 容易磁化和退磁的磁性材料称为软磁材料，即这类材料的磁滞回线很窄。其特点是矫顽力低，磁导率高，每周期的磁滞损耗(Q)小。它可分为金属软磁材料和非金属软磁材料。 考点25. 思考题 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=0或B=0，则必须加上一个反向磁场Hc，成为矫顽力。 

8、0;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：=B/H，表征磁性介质的物理量，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=·H，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

9、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=4Mr。（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|也随之增大。当H=Hs时，磁化强度M达到饱和值，此时=s，称为饱和

10、磁致伸缩所致。 2、什么是自发磁化？铁磁体形成的条件是什么？有人说“铁磁性金属没有抗磁性”，对吗？为什么？ a、组成铁磁性材料的原子或离子有未满壳层的电子，因此有固有原子磁矩。在铁磁性材料中，相邻离子或原子的未满壳层的电子之间有强烈的交换耦合作用，在低于居里温度并且没有外加磁场的情况下，这种作用会使相邻原子 7  或离子的磁矩在一定区域内趋于平行或者反平行排列，处于自行磁化的状态，称为自发磁化。 b、铁磁性材料具有一个磁性转变温度:居里温度Tc。一般自发磁化随环境温度的升高而逐渐减小，超过居里温度Tc后全部消失，此时材料表现出顺磁性，

11、材料内部的原子磁矩变为混乱排列。只有当TTc时，组成铁磁性材料的原子磁矩在磁畴内才平行或反平行排列，材料中有自发磁化。 材料内部相邻原子的电子之间存在一种来源于静电的相互交换作用，由于这种交换作用对系统能量的影响，迫使各原子的磁矩平行或反平行排列，形成自发磁化。 c、材料的磁性来源于电子的轨道运动和电子的自旋运动。所有的材料处于磁场中时，外磁场都会对电子轨道运动回路附加有洛伦兹力，使材料产生一种抗磁性，其磁化强度和磁场方向相反。 抗磁性是电子轨道运动感生的，因此所有物质有抗磁性。但并非所有物质都是抗磁体，这是因为原子往往还存在着轨道磁矩和自旋磁矩所组成的顺磁磁矩。

12、原子系统具有总磁矩时，只有那些抗磁性大于顺磁性的物质才成为抗磁体。 3、什么叫磁弹性能？他受哪些因素影响？ 物体在磁化时伸长或收缩受到限制，则在物体内部形成应力，从而内部将产生弹性能，即磁弹性能。 物体内部的缺陷、杂质等都可以增加其磁弹性能。 对于多晶体而言，若磁弹性能是由于应力的存在而引起的，那么磁化方向和应力方向的夹角、材料所受的应力、饱和磁致伸缩系数和单位体积中的磁弹性能都会影响该磁弹性能。 4、技术磁化过程可分为那几个阶段，各个技术磁化阶段的特点是什么？什么叫单畴体？单晶体一定是单畴体吗？ OAM  

13、60;ABMM与H曲线不再是线性。此阶段中M多M    BC当磁化到SMs。    第四部分自CM-HM-HCMs还 （注：书上为三个过程，但相对而言，我认为这个答案更为合理和完整。若有疑虑，可省去第四部分） 说法一、具有强磁化强度的颗粒(如磁铁矿)其自发能随着体积增大能够迅速增大。在某些非常小的颗粒中，这些电子自旋最终定向排列。这种颗粒被均匀磁化，并被称为单畴(single domain, SD)。 说法二、多畴的大块材料在很强的外磁场的作用下，被磁化至饱和状态，

14、整块材料内的自发磁化强度基本上取在一个磁化方向上，形成一个单畴。 单晶体不一定是单畴体 假如单晶半径为R，单畴体的临界尺寸为r，如果R>r,则不是单畴结构；如果R<r，则肯定是单畴结构。也就是说，单畴体有一个临界尺寸，但临界尺寸r不一定是单晶尺寸。当R<r，则肯定是单畴结构。 5、什么叫矫顽力？提高材料的矫顽力的途径有哪些？ 使磁化至技术饱和的永磁体的B（磁感应强度）降低至零所需要的反向磁场强度称为磁感矫顽力。 提高材料的矫顽力的途径：1)、使合金从有序结构向无序结构转变，2)、范性形变使晶体中产生大量的缺陷和内应力，矫顽力随

15、形变量增大而增大，3)、加工硬化，4)、晶粒细化  8  6、自发磁化的物理本质是什么？材料具有铁磁性的充要条件是什么？ 铁磁体自发磁化的本质是电子间的静电交换相互作用  材料具有铁磁性的充要条件为: 1）必要条件:材料原子中具有未充满的电子壳层,即原子磁矩                      

16、;       2）充分条件:交换积分A > 0 第四章 考点26. 金属的摩尔定容热容由点阵振动和自由电子两部分的贡献组成 考点27. 常温时与点阵振动对摩尔定容热容的贡献相比，电子的贡献微不足道，但在极高温和极低温条件下则不可忽略。 这是因为在高温下，电子像金属晶体的离子那样显著地参加到热运动中，以     T      

17、60;     作出贡献。因此，在III温区CV,m不以3R为渐近线，而继续有所上升。在极低温度下电子摩尔定容热容不像离子热容那样急剧减小，因而在极低温下起着主导作用。 随T的降低CV,m趋近于零，当T增高到德拜温度D以上时，CV,m接近于3R。如果把CV,m看做T/D的函数，则对所有金属都得到同样的关系。 过渡族金属摩尔定容热容中电子部分的贡献表现得较显著，它包括s态电子的摩尔定容热容，也包括d或f态电子的摩尔定容热容。 考点28. 相变 相变分为一级相变和高级(二级、三级)相变。 

18、 1、当系统由1相转变为2相时，化学势1=2,而化学势的一级偏微商不相等，称为一级相变。 在一级相变时发生体积突变(V0)的同时还发生熵(及热焓)的突变(S0) 属于一级相变的有：物态变化、同素异构转变、共晶、包晶、共析转变等。 2、当系统相变时1=2，且化学势的一级偏微商也相等，而化学势的二级偏微商不相等。 则称为二级相变。  9  二级相变时Cp,m0，x0，0，即体积和热焓均无明显变化，而Cp,m有突变 属于二级相变的有：铁磁-顺磁以及部分铁电-顺电和有序-无序转变等。 考点29

19、. 膨胀合金的工业应用 铁磁合金的热膨胀反常在工业上有重要的应用。这里大体可分为两大类：低膨胀合金和定膨胀合金。 考点30. 热传导的物理机制 热传导的过程就是材料内部的能量传输过程。 在固体中能量的载体可以有自由电子、声子（点阵波）和光子（电磁辐射）。因此，固体的导热包括：电子导热、声子导热和光子导热。 考点31. 思考题 1、何谓德拜温度？有什么物理意义？对它有哪些测试方法？ 德拜温度:固体比热理论中按照德拜假设分析时产生的一个参量。(为了准确计算固体比热容而引入的一个物理量。)不同固体的德

20、拜温度不同。 物理意义:德拜温度D是反映晶体点阵内原子间结合力的又一重要物理量,是反映固体的许多特性的重要标志。 测试方法：X射线衍射强度 2、根据维德曼-弗兰兹定律计算镁在400的热导率。已知镁在0 的电阻率=4.4×10-6×cm，电阻温度系数=0.005-1。 注意：1、计算时要注意开氏温度与摄氏温度的换算；       2、计算时要注意厘米与米的换算       3、计算时为了求

21、o，因此公式3要运用两次。 解：由公式 /(TT)=2.54×10-8  W··k-2               ···1            T=      

22、60;                          ···2            T=o(1+T)       

23、                  ···3     得：=                       &#

24、160;         -                         =210.5 W·m-1·k-1 第五章 考点32. 可见光波的波长为390770nm。 考点33. 

25、偏振性是横波的特有性质。 考点34. 几条有关光传播特性的基本规律 1、光在均匀介质中的直线传播定律； 2、光通过两种介质的分界面时的反射定律和折射定律； 3、光的独立传播定律和光路可逆性原理。 考点35. 棱镜、透镜和反射镜 1、利用材料的折射性质可以制成有用的光学元件，应用最为广泛的是棱镜和透镜，棱镜是由几个平面包围而成的透明光学材料。棱镜主要用于分光和偏转光束的方向。透镜通常是由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。 2、根据光的反射定律制作的原件是反射镜。反射镜的表面可以磨成光

26、滑的平面或球面（或其他曲面）。平面反射镜通常用于改变光的传播方向，球面和其他曲面反射镜除了可以改变光束的方向之外，还会对光波有汇聚或发散作用。  10  考点36. 本证吸收区 晶体中点阵周期势场的作用导致了能带的形成。 电子从价带跃迁到导带的过程所跨越的禁带宽度Eg，对应于一个强吸收区，称为基本吸收区，也称本证吸收区。 考点37. 双折射 当光束通过各向异性介质表面时，折射光会分成两束沿着不同的方向传播。这种由一束入射光折射后分成两束的现象称为双折射。双折射的两束光中有一束光的偏折方向符合折射定律，所以称为寻常光。另一束的折射方向不符合折射定律，被称为