江大材料物理性能深刻復習資料

1、第一章材料的熱學性能1 .熱容的概念(P42):熱容是分子或原子熱運動的能量隨溫度變化而變化的物理量，其定義T時物體熱是物體溫度升高1K所需增加的能量。溫度不同，物體的熱容不一定相同，溫度容為：Ct ()t(J/K)(簡單點就直接用這個吧：CQ)PS:物理意義：吸收熱量提高點陣振動能量，對外做功，加劇電子運動比熱容(單位質量)：Cm? T2 .晶體熱容的經驗定律(P42):杜隆一珀替定律：恒壓下元素的原子熱容為25J/(K mol) 奈曼一柯普定律：化合物熱容等于構成此化合物各元素原子熱容之和(P46):3 .從材料結構比較金屬、無機非金屬、高聚物的熱容大小A金屬：a純金屬：熱容由點陣振動和自

2、由電子運動兩部分組成:CvC； C T3 Tb合金金屬：符合奈曼一柯普定律Cm X1C1 m X2C 2mXnCnmXiCim1273K左右近似B無機非金屬：a符合熱容理論，一般都是從低溫時的一個低數值增加到25J/(K mol)的數值；b無機材料熱容與材料結構關系不大，但單位體積熱容與氣孔率有關，多孔質輕熱容小；c當材料發(fā)生相變：一級附至5楣槍理谷方Tc熱容無窮大，不連續(xù)變化；二級相變：無體積突變，無相變潛熱，在轉變點熱容達到有限極大值（P47C高聚物：多為部分結晶或無定型結構，熱容不一定符合理論式，熱容相對較大，且由化學 結構決定，溫度升高鏈段振動加劇，改變鏈運動狀態(tài)（主鏈、支鏈（鏈節(jié)、側

3、基）。4 .從材料結構比較金屬、無機非金屬、高聚物的熱傳導機制 （P53）:A金屬：有大量自由電子，且電子質輕，實現熱量迅速傳遞，熱導率一般較大。純金屬溫度升高使自由程減小作用超過溫度直接作用，熱導率隨溫度上升而下降；合金熱傳導以自由電子和聲子為主，因異類原子存在，溫度本身起主導作用，熱導率隨溫度上升增大。B無機非金屬：晶格振動為主要傳導機制， 即聲子熱導為主，約為金屬熱傳導的三十分之一。C高聚物：熱導率與溫度關系比較復雜，但總體來說熱導率隨溫度的增加而增加。高聚物主要依靠鏈段運動傳熱為主，而高分子鏈段運動比較困難，熱導能力比較差。5 .材料熱膨脹物理本質：熱膨脹是指物體體積或長度隨溫度升高而

4、增大的現象。膨脹是原子間距（晶格結點原子振動的平衡位置間的距離）增大的結果，溫度升高，原子平衡位置移動，原子間距增大，導致膨脹。雙原子模型：P49圖2-6.6 .熱膨脹系數和熔點之間的關系 （P49）:溫度升高至熔點，原子熱運動突破原子間結合力， 破壞原固態(tài)晶體結構變?yōu)橐簯B(tài)，所以固態(tài)晶體膨脹有極限值。VTm V0格律乃森定律：Tm v C （C為常數，約在0.06-0.076 之間，）V0線膨脹系數與熔點：iTm0.022固態(tài)晶體熔點越高，膨脹系數越低，間接反映晶體原子間結合力大小。（增大）但材料7 .熱分析法概念：測量材料在加熱或冷卻過程中熱效應所產生的溫度和時間的關系。固態(tài)相變時，產生的熱

5、效應小，普通熱分析測量精度不高。8 .差熱分析法概念：在程序控溫下，將被測物與參比物在相同條件下加熱或冷卻，測量試樣與參比物之間的溫差隨溫度、時間的變化關系。對參比物的要求：應為熱惰性物質，在測試溫度范圍內本身不發(fā)生分解、相變、破壞，也不與被測物質發(fā)生化學反應，且比熱容、熱傳導系數應盡量與試樣接近。(如硅酸鹽采用A12O3、MgO ;鋼鐵采用饃。)9 .熱應力(P63):由于材料熱膨脹或收縮引起的內應力稱為熱應力。材料內應力：E( -p)E (T T0)產生原因：桿件材料兩端完全剛性約束，熱膨脹無法實現，則桿件與支撐體間產生很大應力；多相組成材料，不同相膨脹系數不同， 溫度變化時各相膨脹收縮量

6、不同而相互牽制產生熱應力；各相同性材料，存在溫度梯度時也會產生熱應力。10 .抗熱沖擊斷裂(P64)：發(fā)生瞬時斷裂，抵抗這類破壞的性能。一一一f(1)第一熱應力斷裂抵抗因子：R -) T maxE最大熱應力max不超過強度極限f,則材料安全。材料可承受溫度變化范圍越大，熱穩(wěn)定性約好。f(1)-1第二熱應力斷裂抵抗因子：R , T max RS?E0.31rmhR越大，熱穩(wěn)定性約好。(散熱) R第三熱應力斷裂抵抗因子：R Ra (冷卻速率)Cp抗熱沖擊損傷(P62):在熱沖擊循環(huán)作用下，材料表面開裂、剝落，并不斷發(fā)展，最終碎裂或變質，抵抗這種破壞的性能稱為抗熱沖擊損傷性能?？篃釕p傷因子R和R

7、 ，二者值越高抗熱損傷性能越好。11 .提高抗熱沖擊斷裂措施（P69）:1）提高材料強度，減小彈性模量 E,使一提高（同種材料若晶粒細小、晶界缺陷小、氣E孔少且分散均勻，往往強度高，抗熱沖擊性能好）。2）提高材料的熱導率，提高R （大的材料傳遞熱量快，材料內外溫差較快得到緩解、平衡，降低短期熱應力的聚集）。3）減小材料的熱膨脹系數，熱膨脹系數小的材料，在同樣溫差下產生熱應力小。4）減小表面熱傳遞系數 h,保持緩慢散熱降溫。5）減小產品的有效厚度 rm。第二章材料的導電性能1 .超導電性（P115）: 一定低溫條件下，材料突然失去電阻的現象。（超導態(tài)電子對運動不耗能）超導體的兩個基本特性：A完全

8、導電性：電阻為零，超導體為等電位，內部沒有電場。B完全抗磁性（邁斯納效應）：屏蔽磁場和排除磁通的性能。2 .固溶體的導電性：1）固溶體組元濃度影響：形成固溶體合金導電率降低，原因A溶質原子引起溶劑點陣畸變，破壞晶格勢場周期性，增加電子散射概率，增大電阻率；B組元間化學相互作用增強，有效電子數減少，電阻率增大。2）有序固溶體：A組元間化學相互作用加強，電子結合比無序固溶體強，電子數減少，電阻率增強；B晶體的離子電場有序化后更對稱，減少電子散射，電阻降低，這一因素占優(yōu)勢。總體合金電阻降低。3）不均勻固溶體：冷加工變形使電阻減小。形成不均勻固溶體時，點陣形成原子偏聚，偏聚區(qū)成分與固溶體成分不同，原子

9、聚集區(qū)域的集合尺寸與電子波波長相當（ 1nm ）,可強烈散射電子波，提高合金電阻率。聚集區(qū)域的原子為有序排列，冷加工能有效地破壞固溶體中的這種近程有序狀態(tài)，是不均勻組織變成無序的均勻組織，因此合金電阻率明顯降低。溫度、壓力、形變對于導電性質的影響溫度：金屬電阻率隨溫度升高而增大，溫度升高會使離子振動加劇，熱振動振幅加大，原子的無序度增加，周期勢場的漲落也加大。這些因素都使電子運動的自由程減小，散射概率增加而導致電阻率增大。大多數金屬在熔化成液態(tài)時，其電阻率會突然增大約1.52倍，這是由于原子排列的長程有序被破壞，從而加強了對電子的散射，引起電阻增加。應力的影響：彈性應力范圍內的單向拉應力，使原

10、子間的距離增大，點陣的畸變增大，導致金屬的電阻增大。高的壓力往往能導致物質的金屬化。引起導電類型的變化，而且有助于從絕緣休一半導體一金屬一超導體的轉變。冷加工變形 的影響：引起金屬電阻率增大， 是由于冷加工變形使晶體點陣畸變和晶體缺陷增加，特別是空位濃度的增加，造成點陣電場的不均勻而加劇對電子散射的結果。若對冷加工變形的金屬進行退火， 使它產生回復和再結晶， 則電阻下降。再結晶生成的新晶粒的晶界增多，對電子運動的阻礙作用增強所造成的，晶粒越細，電阻越大。（回復退火可以顯著降低點缺陷濃度，因此使電阻率有明顯的降低。再結晶過程可以消除形變時造成的點陣畸變和晶體缺陷，所以再結晶可使電阻率恢復到冷變形

11、前的水平。）3 .金屬化合物導電性： 合金導電率比純組元低， 因原子間一部分金屬鍵轉化成共價鍵或離子鍵，有效電子數減少，電阻率增高。4 .多相合金的導電性：與組成相的導電性、相對量、合金的組織形態(tài)有關。5 .影響金屬導電性的因素（P119）：1)溫度：溫度升高，熱振動振幅加大，原子無序度增加，電子運動自由程減小，散射概率增大，電阻率增大。 T0(1T)2)應力：拉應力使原子間距增大，點陣畸變增大，電阻增大。電阻率0(1)。3)冷加工變形(塑性變形)：使晶體點陣畸變，晶體缺陷增加，空位濃度增加，造成離子場不均勻，對電子波散射率增大， 導致電阻增加?；貜屯嘶鹪俳Y晶降低缺陷濃度，降低電阻率。6 .三

12、個熱電效應概念及物理本質：熱電效應指熱與電的轉換效應1)第一熱電效應(塞貝克效應P141 ):兩種不同導體組成一個閉合回路，若兩接頭處存在溫差，回路中將有電勢及電流產生。回路中產生的電勢、電流稱為熱電勢、熱電流；該回路稱為熱電偶或溫差電池。產生機理：A接觸電位差：原因a兩種金屬的電子逸出功 (電子從金屬表面逸出所需的最小能量，與金1 屬表面勢壘E0和費米能級EF有關)不同，電位差 V12 -( ba) V2 V1 ； b兩種金屬e kT. na自由電子留度不同，電位差 V 12 ln 一。enbB溫差電位差：指金屬兩端溫度不同引起熱流，造成自由電子流動，從而引起的電位差。熱端高能電子向冷端擴散

13、， 熱端帶正電，冷端帶負電，金屬內部產生阻止電子擴散的溫差電場，穩(wěn)定后為 Va (T1, T2)、Vb(T1 , T2)。總電位差：12 V12(T1) V12(T2) V2(T1,T2) Vi(Ti,T2) (Ti 丁2)門0 V2(Ti,T2)Vi(Ti,T2) e n2塞貝克效應應用：測量溫度、溫差發(fā)電、材料成分組織分析。中間金屬定律：一系列金屬串聯(lián)的接觸電勢，只要中間金屬兩端溫度相同，不論其性質如何都與中間金屬無關，只與兩端金屬有關。2)第二熱電效應(波爾帖效應 P148 ):指電流通過兩個不同金屬接觸點，除電流產生焦耳熱，還額外產生放熱吸熱的現象。焦耳熱與電流方向無關，波爾貼熱與電流

14、方向有關且熱力學可逆。正反通電，兩次的熱量差為2Q （兩倍波爾帖熱）。產生機理：用接觸電位差解釋（ P149圖4-53 ） , A接頭處兩金屬接頭有接觸電位差V12 ,阻礙電流電子運動， 電子反抗電場力做功 eV12 ,電子動能減?。粶p速電子與金屬原子相碰，從金屬原子獲得動能，則該處溫度降低，需從外界吸收能量。B接頭處接觸電位差使電子運動加速，電子動能增加 eV12 ,碰撞將動能傳遞給原子，溫度升高釋放熱量。3）第三熱電效應（湯姆遜效應P149）:指當電流通過有溫差的導體時，會有一橫向熱流流入或流出導體（橫向吸熱或放熱），其方向視電流或溫度梯度方向而定的現象：dQ , dT I dt dx產生

15、機理：（P149圖4-54 ）金屬存在溫差時，高溫端電子擴散快為正電，低溫端為負電，形成高溫端指向低溫端的電位差，當外加電流與 V（T1,T2）同向時，電子被溫差電場加速獲得能量，與晶格碰撞傳給晶格，金屬能量升高并放熱。外加電流反向則吸熱。一個由兩種導體組成的回路，接觸端溫度不同，三種熱效應會同時產生：塞貝克熱效應產生熱電勢、熱電流，熱電流通過接觸點要吸收或放出波爾帖熱，通過導體時要吸收或放出湯姆遜熱。第三章材料的介電性能1 .電介質（P154）:放在平板電容器中增加電容的材料稱為介電材料。電介質即在電場作 用下能建立極化的物質。2 .束縛（感應）電荷：在真空平板電容中嵌入一塊電介質，外加電場

16、時，正極板附近的介質表面感應出負電荷，負極板介質表面感應出正電荷，這種感應出的表面電荷稱為束縛電荷。3 .電介質極化：電介質在電場作用下產生束縛電荷的現象，可使電容器增加電荷的存儲能力。4 .電介質的壓電性、熱釋電性、鐵電性的產生條件：1）壓電性（P181 ）:在晶體的一些特定方向上加力，在力的垂直方向的平面出現正、負束縛電荷的現象。產生條件：A必須是電介質；B結構必須帶有正、負電荷的質點，有離子或離子團的存在，即必須為離子晶體或由離子團組成的分子晶體；C結構沒有對稱中心。2）熱釋電性（P182）:晶體由于溫度作用使電極化強度變化。條件： A具有自發(fā)極化（固有極化）能力的晶體；B在結構上有極軸

17、（晶體唯一的軸，軸兩端有不同的性質，采用對稱操作不能與其他晶向重合的方向）C結構沒有對稱中心。5 ）鐵電性：晶體中極化強度隨外加電場變化而變化的性質。般電介質、壓電體、熱釋電體、鐵電體存在的宏觀條件一般電介質壓電體熱釋電體鐵電體電場極化電場極化電場極化電場極化無對稱中心無對稱中心無對稱中心自發(fā)極化自發(fā)極化極軸極軸電滯回線第四章材料的磁學性能1 .原子磁矩包括 電子軌道磁矩（電子繞原子核運動產生）、電子自旋磁矩、原子核磁矩。2 .原子固有磁矩概念（P194）:電子軌道磁矩和電子自旋磁矩構成原子固有磁矩（本征磁矩）。產生的本質：電子層各個軌道電子排滿，電子磁矩相互抵消， 該電子層磁矩和為零；若原子

18、中所有電子層都排滿，形成球形對稱集體，則電子軌道磁矩和電子自旋磁矩各自相互抵消,此時原子本征磁矩為零。 原子中有未被填滿的電子殼層，其電子的自旋磁矩未被抵消 （方向相反的電子自旋磁矩可以相互抵消），原子具有“永久磁矩”。3 .任何物質都具有抗磁性本質的原因（P198）:外加磁場作用下由于電子軌道運動產生與外磁場方向相反的附加磁矩。順磁性原因：外磁場作用下，為降低靜磁能，原子磁矩要轉向外磁場方向，使總磁矩不為零表現出磁性。4 .鐵磁性金屬產生自發(fā)磁化的原因（P203）:（自發(fā)磁化：在沒有外加磁場的情況下，材料發(fā)生的磁化）A有未填滿的電子層，因電子間的相互作用產生自發(fā)磁化（兩原子相接近，電 子云互相重疊且電子層的能量相差不大，因此電子可互換位置， 使相鄰原子自旋磁矩產生有序排列）B電子互換產生附加能量為交換能，EexAcos ,當a/r3 , A0 ,有自發(fā)磁化傾向。5 .銘、鎰是反鐵磁質的原因（P196、P203）:反鐵磁體的磁化率是小的正數，在溫度低于某一溫度時，磁化率隨溫度升高而增大，高于這一溫度，其行為像順磁體。當a/r1 ,即。1/ 3時，弛豫時間遠大于振動周期，意味著應力變化非?？?，材料來不