材料科学与工程基础知识

第2章材料科学与工程基础知识

一、材料的分类

1二、材料的结构

固体材料的性能主要取决于其化学成分、组织结构及加工工艺过程。所谓结构就是指物质内部原子在空间的分布及排列规律。合成与制备过程使用性能性质组成与结构（化学）（工程）（物理学）2材料的化学键

1.离子键

2.共价键

3.金属键

4.分子间作用力组成物质的质点（原子、分子或离子）间的相互作用力称为结合键。3

离子键

形成：正、负离子靠静电引力结合在一起而形成的结合键称为离子键。特性：离子键没有方向性，无饱和性。NaCl晶体结构如图所示。

性能特点：离子晶体的硬度高、热膨胀系数小，但脆性大，具有很好的绝缘性。典型的离子晶体是无色透明的。

4

共价键

形成：元素周期表中的ⅣA、ⅤA、ⅥA族大多数元素或电负性不大的原子相互结合时，原子间不产生电子的转移，以共价电子形成稳定的电子满壳层的方式实现结合。这种由共用电子对产生的结合键称为共价键。氧化硅中硅氧原子间共价键，其结构如图所示。性能特点：共价键结合力很大，所以共价晶体具有高强度、高硬度、高熔点、脆性大。

5金属键

形成：由金属正离子与自由电子之间相互作用而结合的方式称为金属键。如图所示。性能特点：

1)良好的导电性及导热性；

2)正的电阻温度系数；

3)良好的强度及塑性；

4)特有的金属光泽。

6分子间作用力形成：一个分子的正电荷部位与另一分子的负电荷部位间以微弱静电引力相引而结合在一起称为范德华力（或分子键）。特性：分子晶体因其结合键能很低，所以其熔点很低，硬度也低。但其绝缘性良好。

7

材料的结合键类型不同，则其性能不同。常见结合键的特性见表1-1。表2-1结合键的特性

离子键

共价键金属键结构特点

无方向性或方向性不明显，配位数大

方向性明显，配位数小，密度小

无方向性，配位数大，密度大

力学性能

强度高，劈裂性良好，硬度大

强度高，硬度大

有各种强度，有塑性

热力性质

熔点高，膨胀系数小，熔体中有离子存在

熔点高，膨胀系数小，熔体中有的含有分子

有各种熔点，导热性好，液态的温度范围宽

电学性质

绝缘体，熔体为导体

绝缘体，熔体为非导体

导电体（自由电子）

光学性质

与各构成离子的性质相同，对红外线的吸收强，多是无色或浅色透明的

折射率大，同气体的吸收光谱很不同

不透明，有金属光泽

89所谓晶体是指原子在其内部沿三维空间呈周期性重复排列的一类物质。晶体的主要特点是：①结构有序；②物理性质表现为各向异性；③有固定的熔点；④在一定条件下有规则的几何外形。

1.晶体的基本概念

(1)晶格与晶胞

晶格是指描述晶体排列规律的空间格架。从晶格中取出一个最能代表原子排列特征的最基本的几何单元，称为晶胞。晶胞各棱边的尺寸称为晶格常数。

晶体结构及其分类10

表1-2晶系

(2)晶系

按原子排列形式及晶格常数不同可将晶体分为七种晶系，见表1-2。

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(4)晶胞中所含原子数

晶胞中所含原子数是指一个晶胞内真正包含的原子数目。

(5)配位数和致密度

配位数是指在晶体结构中，与任一原子最近邻且等距离的原子数。

致密度（K）是指晶胞中原子所占体积分数，即K=nv′/V。式中，n为晶胞所含原子数、v′为单个原子体积、V为晶胞体积。

(3)原子半径

原子半径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两原子之间距离的一半。

12十四种布拉菲晶胞：简单三斜triclinic简单单斜Simplemonoclinic底心单斜Base-centered13简单正交SimpleOrthorhombic体心正交Body-centeredOrthorhombic底心正交Base-centered面心正交Face-centered14简单六方（角）Hexagonal简单菱方（三角）Rhombohedral（Trigonal）简单四方Tetragonal

体心四方Body-centeredtetragonal15简单立方Cubic体心立方Body-centeredcubic

面心立方Face-centeredcubic

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2)晶格常数a=b=c,α=β=γ=90°。

3)原子半径。

4)晶胞所含原子数2个原子。

5)配位数8。

6)致密度68%。

7)具有体心立方晶格的金属：α-Fe、β-Ti、Cr、W、Mo、V、b等30余种金属。

(1)体心立方晶格（bcc晶格）

1)原子排列特征体心立方晶格的晶胞如图所示。

2.常见金属的晶格类型

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2)晶格常数a=b=c,α=β=γ=90°。

3)原子半径。

4)晶胞所含原子数4个原子。

5)配位数12。

6)致密度74%。

7)具有面心立方晶格的金属：γ-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au、Ag等。

(2)面心立方晶格（fcc晶格）

1)原子排列特征面心立方晶格的晶胞如图所示。

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2)晶格常数

3)原子半径

4)晶胞所含原子数6个原子。

5)配位数12。

6)致密度74%。

7)具有密排六方晶格的金属：Mg、Cd、Zn、Be、α-Ti等。

(3)密排六方晶格（hcp晶格）

1)原子排列特征密排六方晶格的晶胞如图所示。

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4.晶体的各向异性

金属晶体不同方向上性能不同，这种性质叫做晶体的各向异性。

实际晶体结构

一块晶体内部晶格位向完全一致，称该晶体为单晶体。由多晶粒构成的晶体称为多晶体。

实际晶体中存在的晶体缺陷，按缺陷几何特征可分为以下三种：

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1.点缺陷

点缺陷是指在三维尺度上都很小而不超过几个原子直径的缺陷。⑴原子空位⑵间隙原子⑶置换原子，如图所示。点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生了扭曲—晶格畸变，使金属的电阻率、屈服强度增加，金属的密度发生变化。

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2.线缺陷

线缺陷是指二维尺度很小而另一维尺度很大的缺陷。它包括各种类型的位错。所谓位错是指晶体中一部分晶体相对另一部分晶体发生了一列或若干列原子有规律的错排现象。第一个图为刃型位错，第二个图为螺型位错。

22透射电镜下观察到的位错线23螺型位错24位错的运动

位错的运动有两种基本形式：滑移和攀移。

在一定的切应力的作用下，位错在滑移面上受到垂直于位错线的作用力。当此力足够大，足以克服位错运动时受到的阻力时，位错便可以沿着滑移面移动，这种沿着滑移面移动的位错运动称为滑移。

刃型位错的位错线还可以沿着垂直于滑移面的方向移动，刃型位错的这种运动称为攀移。(a)(b)(c)刃型位错的滑移25滑移面滑移台阶ττ26位错对材料性能的影响：1.对载流子浓度的影响：刃型位错是N型半导体的受主、P型半导体的施主，螺位错不起作用。2.对迁移率的影响：在N型半导体中，刃位错线是一串受主，接受电子后成为一串负电中心，由于库仑作用，周围形成一个圆柱形的正电荷区，对运动电子其散射作用降低迁移率，当电荷柱平行于电子运动，作用不明显。3.对少数载流子的寿命的影响：寿命与位错密度成反比，原因是位错引起晶格伸缩，导致禁带宽度发生变化，位错的受主能级复合少数载流子。4.对扩散腐蚀的影响：杂质沿位错线扩散快，使扩散结不平整，引起漏电击穿等，位错部位的应变能和悬键扭转能等增加其化学活性，易产生蚀坑。27

3.面缺陷

面缺陷是指二维尺度很大而另一尺度很小的缺陷。金属晶体中的面缺陷主要有晶界和亚晶界。

晶粒与晶粒之间的接触界面称为晶界。如图（a)所示。

亚晶粒之间的交界称为亚晶界。如图(b)所示。晶界、亚晶界处具有许多特殊性能。

28玻璃是指具有玻璃转变点（玻璃化温度）的非晶态固体。玻璃与其它非晶态的区别就在于有无玻璃转变点。固体晶体非晶体玻璃其它非晶态29玻璃的膨胀曲线Tg-玻璃化温度30气体、熔体、玻璃和晶体的X射线衍射图31非晶态材料中的原子排列

所谓非晶体是指原子在其内部沿三维空间呈紊乱、无序排列的一类物质。非晶体的特点是：①结构无序；②物理性质表现为各向同性；③没有固定的熔点；④热导率（导热系数）和膨胀性小等。

1短程有序

非晶体的结构从总体上来说是长程无序的，但邻近原子的排列是有一定规律性的，即所谓的短程有序。

2亚稳态性非晶体结构处于亚稳态，在一定条件下，可转变成晶体结构。

32玻璃玻璃相是一种非晶态物质。其作用：

①粘连晶体相，填充晶体相间空隙，提高材料致密度；

②降低烧成温度，加快烧结；

③阻止晶体转变，抑制其长大；

④获得透光性等玻璃特性；

⑤不能成为陶瓷的主导相：对陶瓷的机械强度、介电性能、耐热耐火性等不利。

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晶态与非晶态可以相互转化传统方法：玻璃原料经加热熔融，再经快速冷却。冷却速度>106

C/s时，金属材料也可以形成非晶金属。出现了许多新技术，获得玻璃态物质。

345高聚物的结构

高分子材料是以高分子化合物为主要组分的材料。高分子化合物是分子量很大的化合物，每个分子可含几千、几万甚至几十万个原子。

高分子材料的纳米化35

简单的低分子化合物叫单体。由一种或几种简单的低分子化合物通过共价键重复连接而成的链称为分子链。大分子链中的重复结构单元叫链节。链节的重复次数即链节数叫聚合度。例如：聚氯乙烯分子是由n个氯乙烯分子打开双键，彼此连接起来形成的大分子链。可用下式表示：

其中氯乙烯就是聚氯乙烯的单体，就是聚氯乙烯分子键的链节，n就是聚合度。聚合度反映了大分子链的长短和分子量的大小，可见高分子化合物的分子量（M）是链节的分子量（M0）与聚合度（n）的乘积。M=M0×n

36聚合反应按单体和聚合物在反应前后组成和结构上的变化分类加聚反应（additionpolymerization)：单体通过相互加成而形成聚合物的反应。主要是烯类单体，如PVC、PE、PS、PMMA等。特点：重复单元和单体结构相同、仅是电子结构变化、聚合物分子量是单体分子量的整数倍。37缩聚反应（condensationpolymerization)：具有多个可相互反应的官能团的单体通过各种缩合反应消去小分子形成聚合物的反应。其结构单元比单体少若干原子，主链一般含杂原子，如尼龙-66。其他反应类型：如环氧乙烷开环聚合、丙烯酰胺异构化聚合生成尼龙3、二元醇和二异氰酸酯分子间氢转移生成聚氨酯。WallaceH.Carothers（1896-1937）38

1.5.1大分子链的结构

1.结构单元的化学组成

在元素周期表中只有ⅢA、ⅣA、ⅤA、ⅥA中部分非金属、亚金属元素（如N、C、B、O、P、S、Si、Se等）才能形成高分子链。由于高聚物中常见的C、H、O、N等元素均为轻元素，所以高分子材料具有密度小的特点。

2.结构单元键连接方式和链的构型

⑴聚合物中聚氯乙烯单体的连接方式

1)头-尾连接：

2)头-头或尾-尾连接：

3)无规则连接：39

⑵共聚物中单体的连接方式（以AB两种单体共聚为例）

1)无规则共聚：—ABBABBABAABAA—2)交替共聚：

—ABABABABABAB—3)嵌段共聚:—AAAABBAAAABB—4)接枝共聚：

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（2）链的构型链的结构是指高分子链中原子或原子团在空间的排列方式,即链构型。按取代基R在空间所处的位置及规律不同,可有以下三种立体构型:

⑴全同立构取代基R全部处于主链一侧。⑵间同立构取代基R相间地分布在主链两侧。⑶无规立构取代基R在主链两侧作不规则地分布。高分子链的构型不同,则性能不同

41

2）支化型分子链在主链上带有支链。这类结构高聚物的性能和加工都接近线型分子链高聚物。

2.高分子链的形态（1）高分子链的几何形态

1）线型分子链由许多链节组成的长链，通常是卷曲成线团状。这类结构高聚物的特点是弹性、塑性好，硬度低，是热塑性材料的典型结构。

3）体型分子链分子链之间由许多链节相互横向交联。具有这类结构的高聚物硬度高、脆性大、无弹性和塑性，是热固性材料的典型结构。42

（2）高分子链的构象及柔顺性

1）链的构象由于单链内旋转所产生的大分子链的空间形象称为大分子链的构象。

2）柔顺性由于构象变化获得不同卷曲程度的特性。这种能拉伸、回缩的性能称为分子链的柔性，这是聚合物具有弹性的原因。43

1.5.2高聚物的聚集态结构

高分子化合物的聚集态结构是指高聚物内部高分子链之间的几何排列或堆砌结构,也称超分子结构。依分子在空间排列的规整性可将高聚物分为结晶型、部分结晶型和无定型(非晶态)三类。

在实际生产中大多数聚合物都是部分晶态或完全非晶态。晶态结构在高分子化合物中所占的质量分数或体积分数称为结晶度。结晶度越高，分子间作用力越强，因此高分子化合物的强度、硬度、刚度和熔点越高，耐热性和化学稳定性也越好；而与键运动有关的性能，如弹性、伸长率、冲击韧性则降低。

44三、材料的性能材料的性能是一种参量，用于表征材料在给定外界条件下的行为，它是材料微观结构特征的宏观反映。只有在充分了解各种材料性能特点的前提下，才能合理地选择、应用和发展各种材料。物理化学性能电学性能力学性能光学性能热学性能磁学性能45（一）材料的物理性能材料的物理性能是指材料本身的具有各种物理量(热、电、光、磁等)以及环境变化时它们的变化程度。密度密度是指单位体积物质的质量，单位是kg/m3;ρ＝M/VM：金属的质量（kg）；V：金属的体积(m³)

一般将密度小于5.0×10³kg/m³的金属称为轻金属；密度大于5.0×10³kg/m³的金属称为重金属。46结晶学密度：由组成没有缺陷的连续晶格计算出来的理想密度；相对密度：与结晶学密度意义相同；理论密度：与结晶学密度含义相同，但考虑了固溶体和多相；体积密度：包括所有晶格缺陷、各相和制备过程形成的气孔。47熔点是指物质由固态转变为液态的温度，反映固态下原子间的结合力。易熔金属：熔点低（锡、铅等）如保险丝材料；难熔金属：熔点高（钨、铬等）如白炽灯的灯丝材料。48化学性能材料在使用过程中同周围的环境发生一定程度上的气相－固相、液相一固相或固相－固相之间的反应，表面逐渐被侵蚀。材料的化学性能是指材料抵抗各种介质作用的能力。它包括溶蚀性、耐腐蚀性、抗渗入性、抗氧化性等，归结为材料的化学稳定性。还有催化性、离子交换性等。材料的化学稳定性依材料的组成、结构等而不同。金属材料主要是易被氧化腐蚀。硅酸盐类的材料由于氧化、溶蚀、冻结溶化、热应力、干湿等作用而被损坏。高分子材料则会因氧化、生物作用、虫蛀、溶蚀、老化降解而损害其耐久性。49金属材料的化学稳定性金属材料的化学稳定性以金属对周围介质侵蚀的抵抗能力来衡量。金属的腐蚀（1）化学腐蚀：金属材料受周围介质作用引起的化学变化。（2）电化学腐蚀：金属与电解质接触时发生的一种腐蚀。电解质：在潮湿的环境中、在溶液中、在熔融状态下能形成阴阳离子，而能导电的物质，如酸、碱、盐等。在腐蚀过程中，金属表面形成许多微小的电流。产生电化学腐蚀的基本条件：必须是两种不同的金属或同一种金属由于化学成分、金相组织有所不同，当它处于一种电解质中，就不可避免产生电化学腐蚀，而电位低的金属就会不断地受到腐蚀。50有的金属氧化后，生成的氧化物在其表面形成一种致密的薄膜，氧不能再继续与金属直接接触，防止金属的继续氧化，增强了金属的抗氧化能力。Al、Cr生成Al2O3、Cr2O3是一种结构致密、性质稳定的保护膜。工业上常用6类10级的耐蚀性评级标准：Ⅰ类1级表示为完全耐蚀Ⅱ类2级、3级表示为相当耐蚀Ⅲ类4级、5级表示为耐蚀Ⅳ类6级、7级表示为尚耐蚀Ⅴ类8级、9级表示为耐蚀差Ⅵ类10级表示为不耐蚀51无机非金属材料的化学稳定性无机非金属材料的耐久性，是由材料的密度、气孔率，溶解、溶出、氧化等化学作用，和干湿作用、温度变化、冻结融化等物理作用的因素决定。52高分子材料的化学稳定性高分子材料的化学性质总的来说大多数是比较稳定的，其有良好的抗腐蚀能力。其主要原因有三方面：一、是分子链上各原子是由共价键结合而成的，键能较高，结合很牢；二、是高分子的特殊形态（晶态高聚物由于长链分子间堆砌紧密，具有相当高的化学稳定性，无定形高聚物处于玻璃态时，因大分子链不能自由运动，反应基团被固定。）使得大分子链上能够参加化学反应的基团在与化学反应介质的接触上比较困难。三、是高聚物大都是绝缘休，不会产生电化学腐蚀。53聚四氟乙烯：具有极好的化学稳定性，即使在高温下也不与浓酸、浓碱、有机溶剂和强氧化剂等起反应，在沸腾的“王水”中也毫无损伤，可在-195～250℃的温度范围内长期使用，所以获得“塑料王”的美称。聚氯乙烯：其耐酸性和耐碱性好，有一定的强度和刚度，可制成各种规格的管道、阀门、泵、容器以及各种防腐衬里。酚醛树脂：由于具有化学键交联形成的网状结构，耐腐蚀性能也很好。542热学性能材料的热容、热膨胀、热传导、热辐射、热电势等都属于热学性能。材料的组织结构发生变化时常伴随一定的热效应。热的移动的三种方式：热传导、热辐射和热对流。固体加热时有3个重要的热效应，即吸热、传热、膨胀。热容热容表示lmol物质温度升高1K时所吸收的热量。热容通常是用摩尔热容J/molK来表征。热容又分为定容热容Cv和定压热容Cp两种。

Cv随温度升高而增高。但当温度高于称为德拜温度的特征温度时，Cv变得几乎与温度无关。德拜温度通常为材料熔点的1/5～1/2。德拜温度定义为：ωmax为声子振动的最大频率，h为普朗克常数，k为波尔茨曼常数。55德拜的比热模型德拜考虑了晶体中原子的相互作用。由于晶格中对热容的主要贡献是弹性波的振动，也就是波长较长的声频支在低温下的振动占主导地位。杜隆－铂替定律：恒压下元素的原子热容为25J/molK。Cv≈3R＝24.91J/molK。结构中的缺陷对材料的热容会有较大影响。在常温下固体材料的定压热容和定容热容几乎没有差别，而所测定的都是定压热容。56热膨胀膨胀系数是表示物体的热胀冷缩物体这一特性的一个参数。膨胀系数指的是温度变化1K时材料单位长度的变化量，故也称为线膨胀系数（K-1）。线膨胀系数al和体积膨胀系数av：

从原子尺度看，热膨胀与原子（分子或链段）振动有关。组成固体的那些原子（分子或链段）相互之间的化学键合作用和物理键合作用，对热膨胀有重要作用。结合能越大，原子从其平均位置发生位移以后的位能（或复位的吸引力、排斥力）增加得越为急剧，相应地，膨胀系数越小。膨胀系数是随温度变化的，在0K与德拜温度之间，膨胀系数增长迅速，德拜温度以上的温度就增加得比较缓慢。57共价键的陶瓷材料与金属材料相比，倾向于具有低膨胀系数；而离子键的陶瓷材料与金属材料相比，倾向于具有稍高的膨胀系数。有机化合物中，共价键合的三维网络状高分子化合物的膨胀系数一般较低；长链高分子化合物由于其分子之间是弱键合，膨胀系数较高。58热传导由于材料相邻部分间的温差而发生的能量迁移的现象便是热传导。材料导热能力的常数，称为热导率或导热系数，其单位为W/mK；即单位时间内在1K温差的1m3正方体的一个面向其所对的另一个面流过的热量。热传导的机制主要可分为三种：一、自由电子的传导（金属）：随着温度升高自由电子互相冲突的频度增多，变得难于活动，金属的热导率随温度增高而下降。金属内的杂质会妨碍自由电子的运动，减少传导作用，所以合金的热导率明显变小。化学成分相同若金属组织改变，λ也随着变化。二、晶格振动的传导（具有离子键或共价键的晶体）是以热弹性波形式传递的。在各种波之间会产生相互干涉，散射使波缓慢减弱。温度愈散射愈大，λ随温度升高而略变小。在高温下，晶体的热导率λ已不受温度的影响。三、分子或链段的传导（高分子材料）：由它的振动波及邻近分子激励的形式进行的。转移、传递的热量速度较慢，所以有机材料的热传导率也小。与非金属材料相比，金属为热的良导体，而气体则是热的绝缘体。5960耐热性材料的熔点可反映耐高温材料的耐热性。材料熔融时的温度称为熔点（Tm）。一般材料结构中的分子间作用力越大，Tm就高。613电学性能材料的电性质是材料在静电场或交变电场中，即处在电源的两极之间行为的表征导电性能材料导电性的量度为电阻率ρ(Ωm)或电导率σ。电阻率的倒数为电导率。电阻率的大小直接取决于单位体积中的载流子数目、每个载流子的电荷量和每个载流子的迁移率。载流子的迁移率取决于原子结合的类型、晶体缺陷、掺杂剂类型和用量及离子在离子化合物中的扩散速率。产生电流的载流子有四种类型：电子、空穴、正离子、负离子。根据电阻率的大小，可将材料分成超导体、导体、半导体和绝缘体四类超导体ρ在一定温度下接近于0；导体ρ为10-8～10-5Ωm

；半导体ρ为10-5～107Ωm

；绝缘体ρ为107～1020

Ωm

。

一般金属材料是导体，部分陶瓷材料和少数高分子材料是半导体，普通陶瓷材料与大部分高分子材料是绝缘体。62金属和合金

非金属

银铜(工业纯)金铝(工业纯)Al-1.2%Mn合金钠钨(工业纯)70%Cu-30%Zn黄铜镍(工业纯)纯铁(工业纯)钛(工业纯)TiC不锈钢，301钢80%Ni-20%Cr合金

6.30×1075.85×1074.25×1073.45×1072.95×1072.10×1071.77×1071.60×1071.46×1071.03×1070.24×1070.17×1070.14×1070.093×107

石墨SiC锗，纯硅，纯酚醛树脂(电木)窗玻璃Al2O3云母聚甲基丙烯酸甲酯BeO聚乙烯聚苯乙烯金刚石石英玻璃聚四氟乙烯105(平均)102.24.3×10-410-7

10-11<10-1010-10

10-1210-11

10-15<10-1210-12

10-15<10-14<10-14<10-14<10-16<10-16

表2-16各种材料在室温下的电导率

（

-1

m-1）

63能带理论原子的价轨道线性组合成一系列相应的分子轨道，形成的分子轨道间能量差很小，它们在能量上基本上是连续的，称为能带。由已充满电子的原子轨道所形成的低能量能带，称为满（价）带；由未充满电子的能带组成的分子轨道称为导带；导带与满带间能级差为禁带（能隙）。64导体：导体中导带和价带之间没用禁区，电子进入导带不需要能量，因而导电电子浓度很大，外电场能改变价电子的速度或能量分布，造成价电子的定向流动。绝缘体：导带与价带之间（禁带）能量差太大，一般在能级差大于5ev时，而价带又被电子填满，在外电场或其他因素作用下，不能改变价电子的速度或能量分布，因此不可能导电。半导体：导带与价带之间（禁带）能带差较小（通常△E≤3ev），在光照或加热条件下，价带上电子可以激发到空带上形成导带，因而空带及原来的价带（由于形成空位）也变成导带而可以导电，因此半导体可以导电。6566例1：一价的金属锂中价电子就只填充了2S带中的一半能级（位于能带底部的能级），因而在很小的外电场作用下最高的被填充能级（费米能级）上的电子就能跃迁到相邻的空能级上，从而其下层能级上的价电子又能跃迁到上一层，依次类推，这样就改变了价电子的能量和速度分布，形成定向电流。674磁性物质在磁场的作用下都会表现出一定的磁性。有些物质使原磁场增加，有些使磁场减弱。材料的磁性主要来源于电子自旋磁矩。过渡元素、自由基中的未成对电子均具有顺磁性。若未成对电子自旋同向排列，可形成磁畴，从而产生磁性。所谓磁畴就是物质中所包含的许多自发磁化的小区域。

68为了比较磁介质的磁化性能采用磁导率与磁化率的物理量。线圈放入真空中磁场H0，线圈中插入磁介质的磁场H，则由磁介质产生的磁场为Hm＝H-H0，Hm称为磁化强度。磁化率xm=Hm/H0；磁导率μm＝1＋xm。磁通量密度B（Wb·m-2）为：B＝μm（H0＋Hm）

磁化曲线在评价铁磁材料的性能方面有着重要作用。它表明激励磁场强度H与磁通量密度（或称为磁应感强度）B的关系。69按照物质对磁场的影响，可将其分为三类：1）抗磁性物质，使磁场减弱；抗磁性是某些材料放入磁场内，沿磁场的相反方向被微弱磁化，当撤去外磁场时，磁化呈可逆消失的现象。如NaCl,、Cu、金刚石及绝大多数高分子材料等。2）顺磁性物质，使磁场略有增加；顺磁性是材料放入磁场内沿磁场方向被微弱磁化，而当撤去磁场时，磁化又能可逆地消失的性质。这是因为由于热运动电子的自旋取向强烈混乱，自旋处于非自发的排列状态。顺磁质不能为磁铁吸引。如A1、Pt、FeCl3等。xm≈10-6～10-2。703）铁磁性及亚铁磁性物质，使磁场强烈增加；铁磁性是一种材料的导磁率非常大、能沿磁场方向被强烈磁化的性质。这是因为铁磁质放入到磁场时，磁矩平行于磁场方向排列，形成了自发磁化。xm≈10-1～105。铁磁质在升高温度时，由于热运动磁矩的排列变为混乱，磁化变小。如再升高温度就变为顺磁性，这个温度称为居里温度。铁的居里温度为770℃-，镍为358℃。亚铁磁性是材料中部分阳离子的原子磁矩与磁场反向平行，而另一些则平行取向所致的磁性行为。铁氧体MO·Fe2O3。铁磁质按材料的磁学性质又分为硬铁磁质和软铁磁质。硬铁磁质：一旦被磁化后磁力线难于消失，可用作为永磁铁；如有Fe-W、Fe-Co-W

软铁磁质：能沿磁场方向被强烈磁化，但磁场撤去后磁性立即消失。如Fe、Fe-Si-Al715光学性能光的透过、吸收和反射光波是一种电磁波，根据其波长的不同可分成红外线、可见光和紫外线3个波段。当光波投射到物体上时，有一部分在它的表面上被反射，其余部分经折射进入到该物体中，其中有一部分被吸收变为热能，剩下的部分透过。光波在物体中的传输速度V。与在真空中的速度V0的比值即为物体的折射率n，（n＝V0/V）。光学透明材料的反射率R可表达为：R＝[（n-1）/（n+1）]2由于外加电场、磁场、应力的作用，而使折射率变化的现象，称为电光效应、磁光效应和光弹性。

72金属具有不透明性和高反射率，这是由于金属导带中已填充的能级的上方紧接着就有许多空着的电子能态，当电磁波入射时均可以激发电子到能量较高的未填充态，从而被吸收。结果是光线射进金属表面不深即被完全吸收，只有非常薄的金属膜才显得有些透明。电子一且被激发后，又会衰减到较低的能级，从而在金属表面发生光线的再反射。因此，金属的强反射是由吸收和再反射综合造成的。73表2-20光的反射、吸收、透过的特征

材料无机(陶瓷)材料金属材料高分子材料反射除金刚石、立方ZrO2、TiN等外，多数陶瓷对可见光的R均较小对可见、红外线、微波等低频率光有强反射n为：1.34

1.71，R非常小吸收含有过渡、稀土金属离子的物质，∵配位场e的激发，在可见波段有吸收；∵晶格振动，在红外波段均有吸收对低频率光反射，同时也吸收含

电子结合的发色基团，在可见波段产生吸收；红外波段有显著吸收，可用于检测分子基团透过一般光带能级差较大，透可见和近红外；但杂质、气孔、多晶异向性等→透过率↘可透紫外线以上的高频光；若膜厚<10

50nm，可显著透过可见光虽然不纯物等会引起着色，但一般无色透明，透光性高74

大多数非晶态高分子化合物，当其不含杂质、疵痕时，都是清彻透明的。最典型的是聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃），它接近于完全透明。聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚氯乙烯等透光率都在90%上下。结晶高分子化合物的晶体尺寸小于可见光的波长，则该晶体不会对通过的光产生干涉作用，因而也是透明的。如微晶尼龙、拉伸的聚乙烯等。当晶体尺寸大于可见光波长时，则由于产生光散射而使其变得不透明并呈乳白色，如尼龙。无机非金属材料是透明的还是不透明的，取决于能带结构。若能隙足够宽，以致可见光不足以引起电子激发，就会呈现透明。大多数玻璃的透光性是非常好的。大部分陶瓷材料在可见光波段呈不透明，但烧结中通过加入少量添加剂抑制晶粒的生长，也可以制得透明的陶瓷材料。75荧光性

是一种物质在吸收电能或光能后，通过电子跃迁，再释放出光的现象。许多稀土化合物本身就是荧光体。一般材料需要激活剂引发荧光性，如银激活ZnS荧光体可写为ZnS:Ag。表2-20列出了部分荧光材料的用途。

76表2-20部分荧光材料的用途用途激发方法代表性的荧光材料荧光颜色彩色电视机18

27KV电子射线ZnS:Ag,ClZnS:Cu,Au,ClY2O2S:Eu蓝绿红观测用阴极射线管

1.5

10KV电子射线Zn2SiO4:Mn绿电子显微镜50

3000KV电子射线

(Zn,Cd)S:Cu,Al

绿数字显示管

20V电子射线ZnO

绿荧光灯254nm紫外线Ca10(PO4)6(F,Cl)2:Sb,Mn白荧光水银灯365nm紫外线Y(V,P)O4:Eu红复写用灯254nm紫外线Zn2SiO4:Mn绿X线增感纸X射线CaWO4Gd2O2S:Tb蓝白黄绿固体激光光(近紫外

近红外)Y