上海交大 教學(xué)大綱.doc

課程名稱：材料科學(xué)基礎(chǔ)/Fundamentals of Materials Science課堂學(xué)時(shí)：90實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：36適用專業(yè)：材料科學(xué)與工程類專業(yè)、冶金類專業(yè)和機(jī)電類專業(yè)一、課程的性質(zhì)、地位、任務(wù)材料科學(xué)基礎(chǔ)是材料類和冶金類專業(yè)的一門主干課，也是該專業(yè)的主要技術(shù)基礎(chǔ)課。通過(guò)講課、實(shí)驗(yàn)、課堂討論和課外實(shí)踐等 各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，將金屬學(xué)、陶瓷學(xué)和高分子物理的基礎(chǔ)理論融合為一體，以研究材料共性規(guī)律，即研究材料的成分、組織結(jié)構(gòu)、制備工藝和性能之間的相互關(guān)系，指 導(dǎo)材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，并為學(xué)習(xí)后繼專業(yè)課程、從事材料科學(xué)研究和工程技術(shù)工作打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。二、課程的教學(xué)內(nèi)容和基本要求緒論（1學(xué)時(shí)）了解材料的發(fā)展史、材料科學(xué)的研究對(duì)象和內(nèi)容以及學(xué)習(xí)本課程的目的意義和要求。第一章原子結(jié)構(gòu)和鍵合（4學(xué)時(shí)）了解物質(zhì)由原子組成，而組成材料的各元素的原子結(jié)構(gòu)和原子間的鍵合是決定材料性能的重要因素。1 原子結(jié)構(gòu)(一)、原子結(jié)構(gòu)；(二)、原子間的鍵合；(三)、高分子鏈。2 原子間的鍵合(一)、金屬鍵(二)、離子鍵(三)、共價(jià)鍵(四)、范德華力(五)、氫鍵3 高分子鏈(一)、結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成1碳鏈高分子2雜鏈分子3元素有機(jī)高分子4無(wú)機(jī)高分子(二)、高分子鏈結(jié)構(gòu)單元的鍵合方式1均聚物結(jié)構(gòu)單元順序 2共聚物的序列結(jié)構(gòu)(三)、高分子鏈的幾何形狀(四)、高分子鏈的構(gòu)型第二章固體結(jié)構(gòu)(8學(xué)時(shí))固態(tài)原子按其原子（或分子）聚集的狀態(tài)，可劃分為晶體與非晶體兩大類。晶體中的原子在空間呈有規(guī)則的周期性重復(fù)排列；而非晶體中的原子則是 無(wú)規(guī)則排列的。材料的性能與材料各元素的原子結(jié)構(gòu)和鍵合密切相關(guān)，也與固態(tài)材料中原子或分子在空間的分布排列和運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及原子集合體的形貌特征密切相 關(guān)。1 晶體學(xué)基礎(chǔ)(一)、晶體的空間點(diǎn)陣1空間點(diǎn)陣概念2晶胞3晶系與布拉菲點(diǎn)陣4晶體結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣的關(guān)系(二)、晶向指數(shù)和晶面指數(shù)1陣點(diǎn)坐標(biāo)2晶向指數(shù)3晶面指數(shù)4六方晶系指數(shù)5晶帶6晶面間距2 金屬的晶體結(jié)構(gòu)(一)、面心立方晶體結(jié)構(gòu)的晶體學(xué)特征(二)、體心立方晶體結(jié)構(gòu)的晶體學(xué)特征(三)、密排六方晶體結(jié)構(gòu)的晶體學(xué)特征3 金屬的相結(jié)構(gòu)(一)、固溶體1置換固溶體2間隙固溶體3有序固溶體4固溶體的性質(zhì)(二)、中間相1正常價(jià)化合物2電子化合物3原子尺寸因素化合物()間隙相和間隙化合物()拓?fù)涿芏严? 離子晶體結(jié)構(gòu)(一)、NaCl型結(jié)構(gòu)(二)、螢石型結(jié)構(gòu)(三)、CsCl型結(jié)構(gòu)(四)、a-Al2O3型結(jié)構(gòu)5 共價(jià)晶體結(jié)構(gòu)(一)、金剛石結(jié)構(gòu)(二)、SiO2結(jié)構(gòu)(三)、VA、VIA族亞金屬結(jié)構(gòu)6 聚合物晶態(tài)結(jié)構(gòu)(一)、晶胞結(jié)構(gòu)(二)、晶態(tài)結(jié)構(gòu)模型(三)、聚合物結(jié)晶形態(tài)7 非晶態(tài)結(jié)構(gòu)第三章晶體缺陷(12學(xué)時(shí))實(shí)際晶體常存在各種偏離理想結(jié)構(gòu)的區(qū)域晶體缺陷。根據(jù)晶體缺陷分布的幾何特征可分為點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷三類。了解晶體缺陷有利于分析研 究結(jié)構(gòu)敏感性能的變化規(guī)律和相變、擴(kuò)散、塑性變形、再結(jié)晶以及氧化、燒結(jié)等現(xiàn)象，對(duì)探索材料晶體中的奧秘和推動(dòng)材料科學(xué)的發(fā)展起著重要作用。1 點(diǎn)缺陷(一)、空位與間隙原子(二)、電缺陷的運(yùn)動(dòng)(三)、點(diǎn)缺陷的平衡濃度2 線缺陷(一)、位錯(cuò)概念的引入(二)、位錯(cuò)的基本結(jié)構(gòu)1刃型位錯(cuò)2螺型位錯(cuò)3混合位錯(cuò)4位錯(cuò)密度5柏矢矢量(三)、位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)1位錯(cuò)的滑移2位錯(cuò)的攀移3位錯(cuò)的交滑移(四)、位錯(cuò)的彈性性質(zhì)1位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)2位錯(cuò)的應(yīng)變能3位錯(cuò)的線張力4作用在位錯(cuò)上的力5平行位錯(cuò)之間的作用力(五)、實(shí)際晶體中的位錯(cuò)1堆垛層錯(cuò)2不全位錯(cuò)3位錯(cuò)反應(yīng)與擴(kuò)展位錯(cuò)4湯普森四面體3 面缺陷(一)、晶界二)、孿晶界三)、相界(四)、外表面第四章固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng)(14 學(xué)時(shí))固體中物質(zhì)的遷移屬動(dòng)力學(xué)范疇。固體中按照原子的鍵合情況可分為金屬(金屬鍵)、陶瓷(離子鍵)和高分子(共價(jià)鍵)三類材料。不同的鍵合情 況導(dǎo)致固體中原子的運(yùn)動(dòng)方式不同。本章主要了解上述三類材料中原子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及影響因素，并為將來(lái)學(xué)習(xí)材料動(dòng)力學(xué)打下基礎(chǔ)。因此，本章的主要內(nèi)容包括：擴(kuò) 散方程的推導(dǎo)及求解，擴(kuò)散的熱力學(xué)分析及原子機(jī)制，影響擴(kuò)散的因素及反應(yīng)擴(kuò)散，離子晶體與金屬晶體在擴(kuò)散方面的異同和高分子材料中分子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律等。1 表象理論(一)、菲克第一定律(二)、菲克第二定律(三)、擴(kuò)散方程的解1. 誤差函數(shù)解2. 格林函數(shù)解(衰減薄膜源)(四)、置換型固溶體中的擴(kuò)散(五)、擴(kuò)散系數(shù)與濃度相關(guān)時(shí)的求解2 擴(kuò)散的熱力學(xué)分析3 擴(kuò)散的原子理論(一)、擴(kuò)散機(jī)制1. 交換機(jī)制2. 間隙機(jī)制3. 空位機(jī)制4. 晶界擴(kuò)散及表面擴(kuò)散(二)、原子跳躍和擴(kuò)散系數(shù)1. 原子跳躍頻率2. 擴(kuò)散系數(shù)3. 無(wú)規(guī)行走與擴(kuò)散距離4. 擴(kuò)散激活能4 影響擴(kuò)散的因素（簡(jiǎn)介）(一)、溫度(二)、固溶體類型(三)、晶體結(jié)構(gòu)(四)、晶體缺陷(五)、化學(xué)成分(六)、應(yīng)力的作用5 反應(yīng)擴(kuò)散6 離子晶體中的擴(kuò)散7 高分子的分子運(yùn)動(dòng)(一)、分子鏈運(yùn)動(dòng)的起因及其柔順性(二)、分子的運(yùn)動(dòng)方式及其結(jié)構(gòu)影響因素1. 主鏈結(jié)構(gòu)2. 取代基的特性3. 鏈的長(zhǎng)度(三)、高分子不同力學(xué)狀態(tài)的分子運(yùn)動(dòng)解說(shuō)1.線型非晶態(tài)高分子的三種力學(xué)狀態(tài)2. 體型非晶態(tài)高分子的力學(xué)狀態(tài)3.結(jié)晶高分子的力學(xué)狀態(tài)第五章材料的形變與再結(jié)晶(14學(xué)時(shí))分析研究材料在外力作用下的塑性變形過(guò)程、機(jī)理、組織結(jié)構(gòu)與性能的影響規(guī)律以及變形材料在加熱過(guò)程中產(chǎn)生回復(fù)再結(jié)晶現(xiàn)象，不僅對(duì)正確選擇控制材料的加工工藝、保證產(chǎn)品質(zhì)量是十分必要的，而且對(duì)合理使用材料、研制和發(fā)展新材料也是很重要的。1 材料受力情況下的力學(xué)行為2 彈性變形與粘彈性3 單晶體的塑性變形(一)、滑移1滑移帶與滑移線2滑移系3滑移的臨界分切應(yīng)力4滑移時(shí)晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)5多系滑移6滑移的位錯(cuò)機(jī)制(二)、孿生1孿生的切變過(guò)程2孿生的位錯(cuò)機(jī)制(三)、扭折4 多晶體的塑性變形(一)、多晶體變形的特點(diǎn)(二)、晶粒取向的影響(三)、晶界的影響(四)、屈服現(xiàn)象5 變形后的組織與性能(一)、顯微組織的變化(二)、亞結(jié)構(gòu)的變化(三)、性能的變化(四)、加工硬化(五)、變形織構(gòu)(六)、殘余應(yīng)力6 合金的塑性變形(一)、固溶體的塑性變形(二)、多相合金的塑性變形7 變形晶體加熱時(shí)的變化(一)、顯微組織的變化(二)、性能的變化8 回復(fù)(一)、微觀結(jié)構(gòu)的變化(二)、回復(fù)動(dòng)力學(xué)9 再結(jié)晶(一)、形核長(zhǎng)大(二)、再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)(三)、再結(jié)晶后的晶粒尺寸(四)、影響再結(jié)晶的主要因素10 再結(jié)晶后晶粒的長(zhǎng)大(一)、晶粒的正常長(zhǎng)大(二)、晶粒的異常長(zhǎng)大-二次再結(jié)晶11 動(dòng)態(tài)回復(fù)與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶(一)、動(dòng)態(tài)回復(fù)(二)、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶12 超塑性第六章單組元相圖及純晶體的凝固(8學(xué)時(shí))單元系的凝固是研究相變的基礎(chǔ)，應(yīng)用熱力學(xué)理論探討單元系的凝固機(jī)理，包括形、生長(zhǎng)特征是本章的重點(diǎn)內(nèi)容。在此基礎(chǔ)上了解鑄錠的宏觀組織以及對(duì)比高分子晶體與金屬晶體的凝固特征異同點(diǎn)亦為本章需掌握的內(nèi)容。1 單元系相變的熱力學(xué)及相平衡(一)、相平衡條件和相律(二)、單元系相圖2 純晶體的凝固(一)、液態(tài)結(jié)構(gòu)(二)、晶體凝固的熱力學(xué)條件(三)、形核1. 均勻形核() 晶核形成時(shí)的能量變化和臨界晶核() 形核率2. 非均勻形核(四)、晶體長(zhǎng)大1. 液-固體界面的構(gòu)造2. 晶體長(zhǎng)大方式和生長(zhǎng)速率() 連續(xù)長(zhǎng)大() 二維形核()籍螺型位錯(cuò)生長(zhǎng)(五)、結(jié)晶動(dòng)力學(xué)及凝固組織1. 結(jié)晶動(dòng)力學(xué)2. 晶體長(zhǎng)大方式和生長(zhǎng)速率()在正的溫度梯度下的情況()在負(fù)的溫度梯度下的情況3. 凝固后的晶粒大小控制 (簡(jiǎn)介)()增加過(guò)冷度()形核劑的作用() 振動(dòng)促進(jìn)形核(六)、高分子的結(jié)晶特征1. 相似性()晶粒尺寸與過(guò)冷度的關(guān)系()結(jié)晶分形核與長(zhǎng)大兩個(gè)過(guò)程()非均勻形核所需過(guò)冷度小()結(jié)晶動(dòng)力學(xué)符合Avrami方程2. 差異性()高分子晶體結(jié)晶的不完全性()熔融過(guò)程的升溫現(xiàn)象第七章二元系相圖及合金的凝固(16學(xué)時(shí))在多組元材料中，二元系是最基本，也是研究最為透徹的體系。掌握二元系材料的相圖及凝固原理是將來(lái)理解材料成分-制備工藝-組織結(jié)構(gòu)-性能的關(guān)鍵。因此，本章的重點(diǎn)在于學(xué)習(xí)通過(guò)相圖分析材料的平衡組織，以及非平衡凝固時(shí)材料內(nèi)部成分和結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律。1 相圖的表示和實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法2 相圖的熱力學(xué)基礎(chǔ)(一)、固溶體的自由能-成分曲線(二)、多相平衡的公切線原理(三)、混合物的自由能和杠桿法則(四)、從自由能-成分曲線推測(cè)相圖(五)、二元相圖的幾何規(guī)律3 二元相圖分析(一)、勻晶相圖和固溶體凝固1. 勻晶相圖2. 固溶體的平衡凝固3. 固溶體的非平衡凝固(二)、共晶相圖及其合金凝固1. 共晶相圖2. 共晶合金的平衡凝固及其組織()亞共晶合金()共晶合金()過(guò)共晶合金3. 共晶合金的非平衡凝固() 偽共晶() 非平衡共晶組織(三)、包晶相圖及其合金凝固1. 包晶相圖2. 包晶合金的凝固及其平衡組織3. 包晶合金的非平衡凝固(四)、溶混間隙相圖與調(diào)幅分解(五)、其他類型的二元相圖 (簡(jiǎn)介)(六)、復(fù)雜二元相圖的分析方法(七)、根據(jù)相圖推測(cè)合金的性能 (簡(jiǎn)介)(八)、二元相圖實(shí)例分析（自學(xué)）4 二元合金的凝固理論(一)、固溶體的凝固理論1. 正常凝固2. 區(qū)域熔煉(自學(xué))3. 表征液體混合程度的有效分配系數(shù)ke4. 合金凝固中的成分過(guò)冷()成分過(guò)冷的概念()產(chǎn)生成分過(guò)冷的臨界條件()成分過(guò)冷對(duì)晶體生長(zhǎng)形態(tài)的影響(二)、共晶凝固理論1. 共晶組織分類(簡(jiǎn)介)2. 層片狀和棒狀共晶形成的條件及機(jī)制3. 層片生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)4. 共晶界面穩(wěn)定性(三)、合金鑄錠的組織與缺陷 (簡(jiǎn)介)5 高分子合金概述(一)、高發(fā)分子合金的相容性(二)、高分子-高分子體系的相圖及測(cè)定方法(三)、高分子合金的制備方法1. 物理共混2. 化學(xué)共混(四)、高分子合金的形態(tài)結(jié)構(gòu)1. 單相連續(xù)結(jié)構(gòu)2. 兩相連續(xù)結(jié)構(gòu)(五)、高分子合金性能與組元的一般關(guān)系(六)、高分子合金主要類型(簡(jiǎn)介)第八章三元相圖(8學(xué)時(shí))三元相圖已較二元相圖復(fù)雜許多，但通過(guò)尋找三元相圖的基本規(guī)律可掌握復(fù)雜相圖的分析方法。故本章在二元相圖的基礎(chǔ)上理解三元相圖，主要掌握三元相圖的基本特點(diǎn)，并會(huì)分析簡(jiǎn)單三元相圖的投影圖和截面圖。1 三元相圖基礎(chǔ)(一)、三元相圖成分表示方法1. 等邊成分三角形2. 等邊成分三角形中的特殊線3. 成分的其他表示方法(自學(xué))(二)、三元相圖的空間模型(三)、三元相圖的截面圖和投影圖1. 水平截面2. 垂直截面3. 三元相圖的投影圖(四)、三元相圖中的杠桿定律及重心定律1. 直線法則2. 杠桿定律3. 重心定律4. 背向法則2 固態(tài)互不溶解的三元共晶相圖1. 相圖的空間模型2. 截面圖3. 投影圖4.相區(qū)接觸法則3 固態(tài)有限互溶的三元共晶相圖1. 相圖分析2. 投影圖3. 截面圖4-9(自學(xué)，不作考試范圍)第九章材料的亞穩(wěn)態(tài)(3學(xué)時(shí)，簡(jiǎn)介)在重點(diǎn)掌握前面各章內(nèi)容的基礎(chǔ)上，本章主要分兩個(gè)部分，其一為母相處于亞穩(wěn)狀態(tài)的材料，包括納米材料、準(zhǔn)晶態(tài)和非晶等材料的主要特點(diǎn)，以開闊學(xué)生的視野；其二為經(jīng)固態(tài)相變獲得的亞穩(wěn)態(tài)材料，總結(jié)固態(tài)相變的一些特征，為今后學(xué)習(xí)材料加工原理做預(yù)備。1 納米晶材料(一)、納米晶材料的結(jié)構(gòu)(二)、納米晶材料的性能(三)、納米晶材料的形成2 準(zhǔn)晶態(tài)(一)、準(zhǔn)晶的結(jié)構(gòu)(二)、準(zhǔn)晶的形成(三)、準(zhǔn)晶的性能3 非晶態(tài)材料(一)、非晶態(tài)的形成(二)、非晶態(tài)的結(jié)構(gòu)(三)、非晶合金的性能(四)、高分子的玻璃化轉(zhuǎn)變4 固態(tài)相變形成的亞穩(wěn)相(一)、固溶體脫溶分解產(chǎn)物1. 脫溶轉(zhuǎn)變2. 脫溶過(guò)程的亞穩(wěn)相3. 脫溶分解對(duì)性能的影響(二)、馬氏體轉(zhuǎn)變1. 馬氏體轉(zhuǎn)變晶體學(xué)2. 馬氏體轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)3. 熱彈性馬氏體(三)、貝氏體轉(zhuǎn)變1. 鋼中貝氏體轉(zhuǎn)變特征2. 貝氏體轉(zhuǎn)變機(jī)制三、教學(xué)實(shí)驗(yàn)根據(jù)學(xué)校教學(xué)及設(shè)施的情況，推薦實(shí)施綜合實(shí)驗(yàn)。從材料的冶煉、凝固、變形加工、制備金相樣品及根據(jù)相圖進(jìn)行組織分析的綜合實(shí)驗(yàn)。使學(xué)生能了解和掌握金相分析的最基本技能和暗室技術(shù)，進(jìn)一步鞏固和加深理解書本知識(shí)，了解材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)和形成機(jī)理及對(duì)性能的影響等等。實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：36學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1、金相顯微鏡原理、結(jié)構(gòu)和使用2、金相樣品的制備3、金相顯微攝影和暗室技術(shù)4、澆注和凝固條件對(duì)鑄錠（件）組織的影響5、二元合金顯微組織分析6、位錯(cuò)的實(shí)驗(yàn)觀察7、鑄鐵金相組織分析8、固體金屬中的擴(kuò)散9、三元合金顯微組織分析10、塑性變形和再結(jié)晶11、氣孔率、吸水率及體積密度測(cè)定12、高分子結(jié)晶形態(tài)的偏光顯微鏡觀察第十章總結(jié)固體材料從性能角度大體可分成兩類：結(jié)構(gòu)材料和功能材料。結(jié)構(gòu)材料是以其強(qiáng)度和塑性為主要應(yīng)用指標(biāo)，而功能材料是以其某一特殊功能特性，如電性能、 熱性能、磁性能或光性能等為主要應(yīng)用指標(biāo)。功能材料的性能與結(jié)構(gòu)材料不同，取決于原子中的電子結(jié)構(gòu)和電子的運(yùn)動(dòng)（旋轉(zhuǎn)、散射、激發(fā)和躍遷等）。本章對(duì)材料 功能特性的物理基礎(chǔ)進(jìn)行了復(fù)習(xí)，注重論述了功能材料的電、熱、磁和光行為的表述、起因和影響因素。 能 帶理論是目前研究固體中電子運(yùn)動(dòng)的一個(gè)主要理論基礎(chǔ)。對(duì)于單個(gè)原子，電子處在不同的分立能級(jí)上。但當(dāng)大量的原子構(gòu)成晶體后，各個(gè)原子的能級(jí)因電子云的重疊 而形成能帶。量子力學(xué)理論表明，由 N 個(gè)原子組成的固體，每個(gè)能帶含有 N 個(gè)分裂的能級(jí)，而每個(gè)能級(jí)可以容納具有相反自旋方向的兩個(gè)電子，也就是每個(gè)能帶最多可容納 2N 個(gè)電子。在這些能帶之間存在一些電子不具有的能量區(qū)域，稱為禁帶（或帶隙）。 基 于費(fèi)米狄拉克分布函數(shù)可知，在絕對(duì)零度時(shí)，凡能量（ E ）小于費(fèi)米能（ E F ）的所有能態(tài)，全部為電子所占據(jù)（稱為滿態(tài)），并且電子由最低能量開始逐一填滿 E F 以下的各個(gè)能級(jí)，而 E F 則是絕對(duì)溫度下自由電子的最高能級(jí)；當(dāng) EE F 的各個(gè)能態(tài)均不出現(xiàn)電子，為空能態(tài)（或空態(tài)）。當(dāng)溫度高于絕對(duì)零度時(shí)，有少量能態(tài)與費(fèi)米能接近的電子可以吸收熱能而躍遷到能量較高的能態(tài)，此時(shí)高于費(fèi)米能 的原有空能級(jí)也有一部分被電子占據(jù)。 基于電導(dǎo)率（或與之成反比的電阻率），固體材料可以分為金屬、半導(dǎo)體和絕緣體三類。 對(duì) 于大部分材料而言，電流來(lái)自于自由電子的運(yùn)動(dòng)，它們?cè)谕怆妶?chǎng)作用下而被加速運(yùn)動(dòng)。這些自由電子的數(shù)目取決于材料的電子能帶結(jié)構(gòu)。金屬、半導(dǎo)體和絕緣體具有 不同的電子能帶結(jié)構(gòu)。從一個(gè)能帶的滿態(tài)所激發(fā)到費(fèi)米能以上的空態(tài)的電子稱為自由電子。在金屬中，激發(fā)自由電子所需的能量較小，因此在金屬中可產(chǎn)生大量的自 由電子。而對(duì)于半導(dǎo)體和絕緣體，激發(fā)自由電子所需的能量較大，因此半導(dǎo)體和絕緣體具有較低的自由電子濃度和較小的電導(dǎo)率。 被外電場(chǎng)作用的自由電子會(huì)被晶體點(diǎn)陣中的雜質(zhì)所散射。電子遷移率的大小表征了這些散射事件頻率的大小。在許多材料中，電導(dǎo)率是正比于自由電子的溫度和電子遷移率的乘積。 對(duì)于金屬材料，電阻率隨溫度、雜質(zhì)濃度、塑性變形的提高而增加。每一項(xiàng)對(duì)總電阻率的貢獻(xiàn)是它們的加和。 半 導(dǎo)體可以是某些元素（如 Si 和 Ge ），也可以是共價(jià)鍵化合物。在這些材料中，除了自由電子外，空穴（想象的正電荷粒子）也參加了傳導(dǎo)過(guò)程?；陔娦袨椋雽?dǎo)體可以分為本征半導(dǎo)體和非本征半 導(dǎo)體。對(duì)于本征電行為，電子和空穴濃度是相等的；對(duì)于非本征半導(dǎo)體，電行為是由雜質(zhì)所支配的。非本征半導(dǎo)體可以是 N 型，也可以是 P 型，它們分別取決于是電子還是空穴成為電導(dǎo)主導(dǎo)者。施主雜質(zhì)導(dǎo)致額外電子的產(chǎn)生，而復(fù)主雜質(zhì)導(dǎo)致額外空穴的產(chǎn)生。半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率尤其敏感于雜質(zhì)類型、 濃度和溫度。甚至某些極少含量雜質(zhì)的加入都會(huì)顯著增加電導(dǎo)率。而且，隨溫度的提高，本征電導(dǎo)率和非本征電導(dǎo)率都呈現(xiàn)指數(shù)型的增加。 介電材料就是電性方面的絕緣體，在外電場(chǎng)下易產(chǎn)生極化。這種極化現(xiàn)象說(shuō)明了介電材料增加電容器電荷容量的能力。極化起因于原子或分子偶極沿外電場(chǎng)方向的調(diào)整。 熱 吸收、熱膨脹和熱傳導(dǎo)是三種重要的熱現(xiàn)象。熱容是一種表示材料從外部環(huán)境吸收熱的能力，它表示每升高 1K 溫度所需的能量。熱容可以用摩爾熱容表示，也可以用比熱容表示。被許多固體材料吸收的大部分能量是來(lái)自于原子振動(dòng)能量，而其他能量吸收機(jī)制（例如，增加自 由電子的動(dòng)能）通常是不重要的。 對(duì)于許多晶體固體，在 0 K 溫度附近，定容熱容隨溫度的三次方變化，當(dāng)超過(guò)德拜溫度后，定容熱容與溫度無(wú)關(guān)，近似等于 3R （ R 是氣體常數(shù)）。 固體材料加熱時(shí)膨脹，冷卻時(shí)收縮。長(zhǎng)度的變化分?jǐn)?shù)是正比于溫度的變化，比例系數(shù)就稱為熱膨脹系數(shù)。熱膨脹反映出平均原子間距的增加，這是勢(shì)能隨原子間距呈非對(duì)稱變化的結(jié)果。原子鍵能越大，熱膨脹系數(shù)越小。 熱能從材料的高溫度區(qū)傳遞到低溫度區(qū)就被稱為熱傳導(dǎo)。對(duì)于穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)，熱通量是正比于沿?zé)崃鞣较虻臏囟忍荻?。比例系?shù)就是熱傳導(dǎo)率。 對(duì)于固體材料，熱的傳遞通過(guò)自由電子和點(diǎn)陣振動(dòng)波（聲子）得以實(shí)現(xiàn)的。相對(duì)純的金屬，其高熱傳導(dǎo)率是源于大量的自由電子。相反，陶瓷和高分子材料是差的熱導(dǎo)體，其原因是自由電子濃度低，而聲子傳導(dǎo)是主導(dǎo)機(jī)制。 物體由溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力可能導(dǎo)致材料開裂或不希望的塑性變形。熱應(yīng)力的兩個(gè)主要起源是殘余熱膨脹（或收縮）和在加熱（或冷卻）過(guò)程中建立起來(lái)的溫度梯度。 由快速溫度變化引起的熱應(yīng)力可能導(dǎo)致材料的開裂，這種現(xiàn)象稱為熱沖擊。由于陶瓷材料很脆，它們尤其對(duì)熱沖擊很敏感。熱沖擊抗力反比于彈性模量和熱膨脹系數(shù)。 材料的宏觀磁性是外磁場(chǎng)和組分原子磁偶極交互作用的結(jié)果。單個(gè)電子具有軌道和自旋磁距。在每個(gè)原子中，某些電子對(duì)的軌道磁距和自旋磁距相互抵消，對(duì)于一個(gè)原子的凈磁距就是每個(gè)電子的磁距加和。 抗 磁性來(lái)自于外磁場(chǎng)下電子軌道運(yùn)動(dòng)的變化，由此激發(fā)的磁距量極其小，而且磁距方向與外磁場(chǎng)相反。所有材料都具有抗磁性。順磁性材料具有永久的原子偶極磁距， 這些磁偶極無(wú)交互作用，在外場(chǎng)作用下它們?cè)幱谌我馕幌驅(qū)⒀赝夥较蛘{(diào)整，由于磁化率小，而且只有在外場(chǎng)的情況才存在。因此，抗磁性和順磁性材料被認(rèn)為是非 磁性材料。 大的，永久性磁化可以在鐵磁性金屬（ Fe ， Co ， Ni ）中建立起來(lái)。在鐵磁性材料中，耦合交互作用使相鄰原子的自旋磁距調(diào)整為相同方向，甚至可在無(wú)外場(chǎng)時(shí)發(fā)生。 相 鄰陽(yáng)離子自旋磁距反平行的情況在某些離子材料中被發(fā)現(xiàn)，在這些材料中的自旋磁距完全抵消稱為反鐵磁性。如果自旋磁距部分的抵消，永久的磁化就可能存在，這 種磁性稱為鐵氧化磁性。對(duì)于立方磁性陶瓷，凈自旋磁距來(lái)自于八面體的二價(jià)離子（例如 Fe 2+ ），它們的自旋磁距互相調(diào)整為一致方向。 隨著溫度的提高，所增加的熱振動(dòng)傾向于消弱在鐵磁性和鐵氧體材料中的偶極間的耦合力。因此，飽和磁化強(qiáng)度隨溫度提高至居里溫度（ Tc ）而逐漸消失。在居里溫度，飽和磁化強(qiáng)度幾乎掉至為零。在 Tc 溫度之上，這些材料就呈現(xiàn)順磁性。 在 居里溫度以下，鐵磁性或鐵氧體材料是由磁疇構(gòu)成，而在每一個(gè)小體積區(qū)域內(nèi)所有磁偶極矩都被調(diào)整為同方向，磁化是飽和的。磁性材料總的磁化強(qiáng)度就是所有磁疇 的磁化矢量之和。在外磁場(chǎng)的作用下，有利方向（磁距與外場(chǎng)方向接近）的疇將消耗不利位向的疇而長(zhǎng)大。這個(gè)過(guò)程隨外場(chǎng)的增大而連續(xù)進(jìn)行，直至宏觀試樣變成為 一個(gè)單疇。當(dāng)這個(gè)疇的磁距方向與外場(chǎng)方向一致時(shí)，就獲得飽和磁化強(qiáng)度。隨外磁場(chǎng)的增加或減小，疇結(jié)構(gòu)隨疇壁運(yùn)功而改變。磁滯和永久性磁化來(lái)自于這疇壁運(yùn)動(dòng) 的阻力。 對(duì)于軟磁材料，在磁化過(guò)程中疇壁運(yùn)動(dòng)是很容易的。因此，它們具有小的磁滯回線和較低的磁滯能量損失。對(duì)于磁性材料，疇壁運(yùn)動(dòng)就困難得多，這導(dǎo)致了大的磁滯回線和大的磁滯能損失。 固體材料的光學(xué)行為是材料中原子、離子和 / 或電子與可見(jiàn)光電磁輻射交互作用的結(jié)果。可能交互作用的現(xiàn)象包括入射光的折射、反射、吸收和透射。 金屬呈現(xiàn)不透明，其原因是在它很薄的外表層內(nèi)產(chǎn)生光輻射吸收和再發(fā)射。吸收的發(fā)生是通過(guò)電子從占據(jù)能態(tài)激發(fā)到費(fèi)米層級(jí)以上的未占據(jù)能態(tài)