材料物理性能(同名7746)

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，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(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(n≈p)。

一般半导体在常温下靠本征激发提供的载流子甚少

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考点21.

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：

①

消除铁中的杂质；

②

把晶粒培育到很大的尺寸；

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，材料内部的原子磁矩变为混乱排列。只有当T＜Tc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。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

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，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，矫顽力随形变量增大而增大，3)、加工硬化，4)、晶粒细化

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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

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

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θD以上时，CV,m接近于3R。如果把CV,m看做T/θD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。

1、当系统由1相转变为2相时，化学势μ1=μ2,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(ΔV≠0)的同时还发生熵(及热焓)的突变(△S≠0)

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μ1=μ2，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。

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二级相变时△Cp,m≠0，Δx≠0，△β≠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.

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。)不同固体的德拜温度不同。

物理意义:德拜温度θD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κ。已知镁在0

的电阻率ρ=4.4×10-6Ω×cm，电阻温度系数α=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ρo，因此公式○3要运用两次。

解：由公式

κ/(σTT)=2.54×10-8

W·Ω·k-2

···○1

ρT=

···○2

ρT=ρo(1+αT)

···○3

得：κ=

-

=210.5

W·m-1·k-1

第五章

考点32.

可见光波的波长为390~770nm。

考点33.

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。

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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，被称为非常光（或e光）。

一般而言，非常光的折射线不在入射面内，并且折射角以及入射面与折射面之间的夹角不但和原来光束的入射角有关，还和晶体的方向有关。

考点38.

光的吸收和散射

1、从微观上分析，光子与固体材料相互作用，实际上是光子与固体材料中的原子、离子、电子之间的相互作用，引起了电子极化。电磁辐射的电场分量，在可见光频率范围内，电场分量与传播过程中的每个原子都发生作用，引起电子极化，即造成电子云和原子核电荷重心发生相对位移。其结果是，当光线通过介质时，一部分能量被吸收，同时光波速度被减小。

2、光在通过气体、液体、固体等介质时，遇到烟尘、微粒、悬浮液滴或者结构成分不均匀的微小区域，都会有一小部分能量偏离原来的传播方向而向四面八方弥散开来，这种现象称为光的散射。光的散射导致原来传播方向上光强的减弱。