武汉理工材料物理期末重点

决定材料强度的关键因素原子之间的结合力、键合类型位错材料强化的方式：合金化和冷加工，需要构件处于高应力的塑形形变状态→提高热处理，要求材料在固态下要发生相变，包括有序强化，沉淀强化，共析强化→提高强度（思路：增加位错运动的阻力。位错运动（滑移和攀移）是材料变形的原因）断裂韧性：表示含有裂纹的材料所能承受的应力（定量指标）利用含有一个已知尺寸的裂纹的试样，可以测得钙裂纹开始扩展并导致材料发生断裂时的临界应力场强度因子k值，即定为材料的断裂韧性k。断裂韧性与材料的厚度有关。材料抵抗裂纹的扩展能力的影响因素：裂纹尺寸a越大，许可应力σ越低材料发生塑性形变的能力厚试样的断裂韧性比薄试样的要小增加负载速率，会减小材料的断裂韧性降低温度会减小材料的断裂韧性减小晶粒尺寸，可以改善断裂韧性共析反应—控制固态相变来实现材料强化，可多次采用需热处理指从一个固相S1转变成两个固相S2和S3的反应，S1→S2=S3;共析反应是固相之间的反应，在热处理时，可先将材料加热到形成固相S1的温度，然后在冷却过程利用共析反应得到S2华为S3两个固相，从而可以使从而可以使合金实现弥散强化。共析强化的特征在于固态相变强化，所形成的共析组织是一种特殊的高度弥散结构。5.弥散强化：多相组织（相界面阻碍位错的滑移）混合在一起所获得的强化效应。基体：含量大，连续分布，塑性析出物：数量少，脆性，不连续分布，尺寸小，数密度多，圆形常见：①金属间化合物—两种或多种元素按一定比例形成的新相具有一定的晶体结构和特定的性能，大都又脆又硬。（高熔点，高硬度，抗氧化性，抗蠕变性好等）通过金属间化合物在塑性基体中弥散分布来强化材料材料的有序化→塑性↓（位错滑移困难），高温蠕变强度↑（原子扩散困难）②共晶反应—从一个液相转变成两个固相，不能热处理（l→α(s)+β(s))α相的凝固会促进β相的凝固，β相的凝固也会促进α相的凝固。α相和β相总是密密麻麻的相互叠合在一起，共晶组织越多，合金的温度越高。共晶组织具有很低的熔点共晶组织总是最后从液相中凝固出来，将初相包围起来，若共晶组织是脆性的，会使整个材料变脆。固溶强化：无限固溶体、有限固溶体（相：一种结构，一个相中结构或原子排列处处相同，化学成分处处相同）①区别：混合物：2种以上的相，各项保持自己的特性固溶体：1个相，各组元相互溶解，不再保持自己的特性通过形成固溶体合金，实现固溶强化②固溶强化效果影响因素：1°溶剂和溶质原子的尺寸差别越大，固溶强化效果越好（晶格畸变大，位错滑移困难）2°添加的合金元素越多，固溶强化效果越好（不超过固溶度）③固溶强化对材料性质的影响：1°合金的屈服强度，抗拉强度，硬度等会超过纯金属2°几乎所有的合金的塑性都低于纯金属（反例：铜锌合金强度塑性都高于纯铜）3°合金的电导率大大低于纯金属4°改善合金的抗蠕变性能7.①N个电子在K空间占据一个球——费米球，其半径对应为费米波矢KF。电子能量 P83基态，N=2×态密度×费米球体积=（电子密度）②在k空间中把占据态和未占据态分开的界面——费米面金属中虽有大量电子，但并非所有电子对比热有贡献，只有费米面附近的~KBT能量范围的电子因热激发迁跃到较高能级的那部分电子才真正参与了对比热的贡献。 (T≠0时，）费米能级上电子占据态的几率=费米能级F电子未占据态几率 ③自由电子气模型导电性④电阻——传导电子的散射：电子——声子 电子——杂志原子碰撞电子——其他晶体点阵静态缺陷马基申定则：由于金属固溶体中溶质原子的浓度较小，以致可以略去他们之间的相互影响，把固溶体的电阻看成由金属的基本电阻ρ（T）和残余电阻ρ残组成。在一级近似下，不同散射机制对电阻的贡献可以加减求和，这一导电规律称为马基申定则。1°声子散射理想金属基本电阻ρ（T），ρ（0K）=02°电子散射 有缺陷晶体中，还存在3°电子在杂质和缺陷上的散射，即ρ残，可用来评定金属的电学纯度（晶体越纯、越完善，自由成长度约长，相对电阻值越大）8.超导体的两大属性eq\o\ac(○,1)零电阻效应eq\o\ac(○,2)麦斯纳效应区别：理想导体：不存在任何散射电子机制，有零电阻效应而没有麦斯纳效应。一个理想的超导体应具有较大的临街电流，较高的临界磁场和较高的临临界温度。9.eq\o\ac(○,1)倒带---为填满电子的能带；价带---油价电子能级分裂而成的能带；近代---在能带之间没有可能量子态的能量区域。eq\o\ac(○,2)能带结构图10.n型半导体：掺入了施主杂质（提供电子做为载流子，高价元素）的非本征半导体，以负电荷（电子）作为载流子P型半导体：掺入了受主杂质（提供空穴作为载流子，低价元素）的非本征半导体，以正电荷（空穴）作为载流子11.eq\o\ac(○,1)p-n结：不同类型半导体接触（由电子、空穴浓度差产生扩散，在接触处形成势垒→单向导电性）eq\o\ac(○,2)p-n结整流原理：以接触面为界限，n型区域有一个带正电的空间电荷层，在p型区域有一个带负电的空间电荷层，这个空间电荷层产生一个自建电场，逆着自建电场的方向，即p型区域为正电位，n型区域为负电位（正向偏置电压）,消弱势垒区的电场强度，载流子容易流动，而顺着自建电场的方向，即p型区域为负电位，n型区域为正电位时（反向偏置电压），增强势垒区的电场强度，载流子不易流动。12.余辉效应：若荧光材料中含有一些微量杂质，且这些杂质的能级位于禁带内，相当于陷阱能级，从价带被激发的电子进入导带后，又会掉入这些陷阱能级，这些被陷阱能级不糊的激发电子必须先脱离陷阱能级进入导带后才能跃迁回到价带。所以他们被入射光子激发后，需要延迟一段时间才会发光，即出现了余辉现象。余辉时间取决于陷阱能级分导带之间的能极差，即陷阱能级深度。13.激光二极管：由高浓度掺杂的半导体p-n结制成，平衡时势垒很高，所加正电压不足以使势垒消失，载流子电子和载流子空穴聚集在p-n结附近，形成所谓的激活区。n型区的费米能级位于导带之中，p型区的费米能级位于价带之中。加上正向偏压时，n型区向p型区注入载流子电子，p区向n区注入载流子空穴。14.激光的产生：当一个电子从导带跃迁到价带并与价带的空穴结合时，就放出一个光子1。由于此时在高能级的导带上具有大量电子，收到光子1的作用，到带上一个电子产生受激辐射，产生了一个与光子1完全相同于光子2。激光器的一端由全反射镜面组成，从而能够使光子反射回到半导体激活区中，以产生更多的受激辐射。在激光器的另一端面由半反射的镜面组成，从而让一部分光子射出半导体，易产生所需要的激光光束。剩下的没有射出半导体的光子被再次反射回到半导体内，以产生更多的受激辐射。外加的正向电压可以分别向导带和价带提供稳定的载流子电子和载流子空穴，从而使激光二极管能够稳定发射激光光束。光伏特效应——太阳能电池（p-n结制成）理论基础（对半导体纯度要求很高）同质结，同种材料，结合面共极性好，缺陷少，减少了电子的捕获。（1）Eg相等的p型半导体与n型半导体结合（即同质结），受光激发后，在二者的结合区域，会产生大量的空穴载流子和电子载流子（可能再次相互结合），一部分电子载流子会移动到能级较低的n型导带，空穴载流子会移动到能级较低的p型价带。其结果是n型中负电荷增加，p型中正电荷增加，形成电流。但这种电荷的增加不会无限进行下去，正负电荷相互分离后，会产生反点位，而阻止正负电荷进一步积累，这种反点位与正负电荷移动趋势相互平衡所达到的平衡状态，就是该太阳能电池产生的电动势最大值。P102（2）当太阳光射入到p-n结时，p型区域和n型区域都有可能出现电子激发现象。N型区域的价带电子被激发到激发到导带上后，就停留在n型的导带上，而在n型价带上同时形成空穴会迁移到能量更稳定的p型价带上去。P型区域的价电子被激发到导带上后，将迁移到能量更稳的n型导带上，而p型区域价带上同时形成的空穴则保留在该价带上。这样，p-n结不仅能将光子能量转变成电荷能量，跟重要的是能够在空间位置（p型区域和n型区域）将正负电荷分离开来。如果在p-n结的外部接上回路，这些被分离的正负电荷就可以通过回路相互结合，这就是太阳能电池。P115半导体与金属的接触整流接触---------肖特基势垒欧姆接触(功函数-------费米能级与真空能级之间的插值)N型半导体（Фs）与金属（Фm）接触（Фm>Фs，即Efm<Efs）e：S→M，半导体表面留下带正电的施主电子，形成一层带正电的空间电荷层。金属表面的负电荷和半导体表面的正电荷在空间电荷层中形成电场，E:S→M。当能能带弯曲到使半导体的费米能级与金属的费米能级相等时，电子停止向金属流动，达到平衡状态。接触面上形成有表面势垒，即肖特基势垒。势垒区为耗尽区。P117P型半导体与金属接触（Фm<Фs，即Efm>Efs）e：M→S,金属表面缺少电子，带正电，半导体表面积累电子而带负点，半导体内部电子增多而费米能级上升，当半导体和M的Ef相等时，电子停止流动，达到平衡状态。半导体表面能带向下弯曲，金属与半导体界面没有势垒。无论所加的偏压极性如何，电子都可以自由通过界面，形成欧姆接触。E：M→SP型半导体与金属接触（）h,=S→M，金属表面带正电，半导体表面带负电，E：M→S半导体表面能带从外向里向上弯曲，形成空穴的表面势垒（整流接触）整流效应：M（+）S（-），h：M→S（反向偏压），电流较小；M（-）S（+），削弱内建电场，半导体势垒降低。h：S→M（正向偏压），电流较大。P型半导体与金属接触（）e,：S→M，金属表面带负电，半导体表面带正电，E：S→M半导体表面能带从外向里向下弯曲，界面没有势垒，形成欧姆接触。整流接触：M与N型S，M与P型S，16（1）电介质：在电场作用下具有极化能力并在其中长期存在电场的一种物质。（体内一般没有自由电荷，具有良好的绝缘性能）（2）极化：无极分子的极化（无固有电距）——分子中的正负电荷中心在外电场作用下发生相对位移（位移极化）有极分子的极化（有固有电距）——分子偶极子在外电场作用下发生转向（转向极化）（3）分子极化的来源：①：电子位移极化Pe：由于电场的作用，使电子云与原子核发生相对位移，原子具有了一定的电偶极矩。电子极化率αe=4πea3，（表明电子位移极化率与原子半径a的立方成正比）②：离子位移极化Pi：由于电场作用，分子中正负离子发生相对位移，形成感应偶极矩。离子极化率：αi=q2/k（k为弹性系数）=【4πe（r++r-）3】/（n-1）（n为常数）。③：偶极矩的转向极化Pd：具有固有电距的分子，在外电场作用下，电距发生转向产生电极化。转向极化率αd=u2/3kT（u为固有电距）。（分子电极化率α=αe+αi+αd）电介质可以看成是宽禁带半导体。（Eg=3~5eV）电子电导的载流子：本征载流子——本征电子等非本征载流子——由杂质引起的可动电子和空穴注入载流子——肖特基注入和隧道注入电子迁移率：漂流运动、跳跃运动。“极化子”-电子连同被它极化了的周围杂质。电导率r=Are-u/kT。（r-T指数关系）u-溶化能。电子电导的电流传导是非线性的。热击穿——当固体电介质在电场作用下由电导和介质损耗所产生的热量超过试样通过传导和辐射所能散发的热量时，试样中的热平衡就被破坏，试样温度不断上升，最终造成介质的永久性热破坏。铁电体——在某温度范围内具有自发极化，而且极化强度可以随外电场的反向而反向，具有电滞回线。（1）自发极化：如果晶胞本身的正负电荷中心不重合，即晶胞具有极性，那么，由于晶体构造的周期性和重复性，晶胞的固有电距便会沿着同一方向排列整齐，使晶体处于高度的极化状态下，由于这种极化状态是外电场为零时自发地建立起来，因此称自发极化。（2）分类：无序-有序型相变铁电体、位移型相变铁电体。（3）当温度高于某一临界温度Tc时，晶体的铁电性消失（相变过程），而且晶格结构也发生转变，这一温度是铁电体的居里点。如果晶体具有两个或多个铁电相时，表征顺电相与铁电相之间的一个相变温度才是居里点，而把铁电体发生相变时的温度统称为过渡温度或转变温度。（4）电滞回线：铁电体的自发极化在外电场作用下的重行定向并不是连续发生的，而是在外电场超过某一临界场强时发生的。这就使得极化强度P滞后于外加电场E。当电场发生周期性变化时，P和E之间便形成电滞回线关系。（5）剩余极化强度全部去除所需的反向电场强度——矫顽电场强度E0（T↑，E0↓，f↑，E0↑）eq\o\ac(○,6)正压电效应---由于机械力的作用而是介质发生极化逆压电效应---由于外电场的作用，晶体的形状发生变化晶体构造上不存在对称中心，是产生压电效应的必要条件。eq\o\ac(○,7)压电振子---最基本的压电元件，是被覆激励电极的压电体。若雅典振子是具有固有震动效率fv的弹性体，当施加于压电振子上的激励信号频率等于fv是，压电振子由于逆压电效应产生机械谐振，这种机械谐振又借助正压电效应而输出电信号。最小阻扰频率fm→Imax，最大阻挠频率fn→Imin谐振频率fr---fm附近存在的使信号电压与电流同位相的频率反谐振频率fa---fn附近存在的另一个使信号电压与电流同位相的频率（在机械损耗为0时，fr=fm，fn=fa）频率常数N（kHz·m）---谐振频率fr与沿震动方向的长度l的乘积。几点偶尔洗漱K---表示压电材料的机械能与电能的耦合效应。eq\o\ac(○,8)电致伸缩：任何电解质在外电场E的作用下都会出现应力，这种应力的大小与E的二次项呈线性关系，比例于电场二次项的应力将使电电介质产生相应的应变。1’电致伸缩是二次效应，在任何电介质中均存在压电效应是一次效应，只可能出现于没有中心对称的电介质中。对于压电体，在外电场作用下，压电效应和电致伸缩效应同时出现但一般一次效应更显著。2’电致伸缩是一种非线性效应。热释电效应：当温度发生变化时，晶体的自发极化强度Ps也随着变化，这时被自发在极化束缚在表面的自由电荷层就发生相应调整，如释放出来，恢复自由，使晶体呈现带电状态，或在闭合电路中产生电流。热释电体是具有自发极化的晶体；热释电体总是具有压电效应的；自发极化能被外场重新定向的热释电体---铁电体；第一类---晶体的体积和外形被强制保持不变（机械夹持状态下军用体积变化）第二类---晶体因受热膨胀而产生应变，又通过压电效应产生电位移叠加在第一类效应上：受热膨胀通过压电效应耦合而产生的附加热释电效应（机械自由状态下均匀体积变化）第三类---在非均匀加热时，晶体内部会出现温度和应力梯度，应力梯度通过压电效应的耦合也将引入附加的热释电效应①物质的磁性来源于材料的电子结构，电子磁矩的相互作用决定了磁性材料的类型和磁性能。②原子的磁矩来源于电子和原子核，但原子核的磁矩仅有电子的1/1836.5，所以原子磁矩主要来源于电子磁矩，而电子磁矩有分为电子轨道磁矩和自旋磁矩。③ml为磁量子数，可以取ml=0,±1,±2…±ln—电子壳层数，l—s(0),p(1),d(2)ms=±1/2(自旋角动量方向量子数）S=Σms(原子总自旋量子数）L=Σml(原子总轨道叫量子数）④金属及其合金的原子磁矩可以从能带理论（能级形成能带，能带重叠）的角度来解释（n为4s+3d电子数)⑤磁畴形成的动力—退磁场能分畴越多，退磁能越低；分畴越多，磁畴壁越多，磁畴能越高磁畴形成的根本原因是为了降低退磁能。薄膜：在二维空间扩展，呈很薄的形态，厚度从几个纳米到几十微米（≦1μm）薄膜形成顺序：具有一定能量的原子被吸附→形成小原子团→临界核→小岛→大岛→岛结合→沟道薄膜→连续薄膜薄膜形成的四个阶段：临界核的形成；岛的形成；长大与结合；沟道薄膜的形成和连续膜的形成。薄膜形成的理论基础：热力学界面能理论（成核和毛细作用理论）原子聚集理论（统计