材料物理性能

材料物理性能內(nèi)容提要電學(xué)性能－金屬、半導(dǎo)體、絕緣體、超導(dǎo)體磁學(xué)性能－抗磁性、順磁性、鐵磁性熱學(xué)性能－熱容、熱焓、熱膨脹、熱傳導(dǎo)、熱電性及熱穩(wěn)定性彈性與滯彈性－彈性模量、滯彈性、內(nèi)耗考核方式平時(shí)成績(jī)30％考查成績(jī)70％第一章材料的電學(xué)性能材料的導(dǎo)電性半導(dǎo)體的電學(xué)性能絕緣體的電學(xué)性能超導(dǎo)電性影響金屬導(dǎo)電性的因素導(dǎo)電性的測(cè)量引言一、載流子電流是電荷的定向運(yùn)動(dòng)，電荷的載體稱為載流子。載流子電子、空穴正離子、負(fù)離子、空位二、遷移數(shù)表征材料導(dǎo)電載流子種類對(duì)導(dǎo)電貢獻(xiàn)的參數(shù)，用tx表示。ti+、ti-、te-、th+離子遷移數(shù)ti>0.99的導(dǎo)體為離子導(dǎo)體；ti<0.99的導(dǎo)體為混合導(dǎo)體。某種載流子輸運(yùn)電荷的電導(dǎo)率各載流子輸運(yùn)電荷的總電導(dǎo)率某一種載流子輸運(yùn)電荷占全部電導(dǎo)率的分?jǐn)?shù)第一節(jié)材料的導(dǎo)電性一、電阻率和電導(dǎo)率歐姆定律：U=RIR表示導(dǎo)體的電阻，不僅與導(dǎo)體材料本身的性質(zhì)有關(guān)，而且還與其長(zhǎng)度l及截面積S有關(guān)，其值R＝ρl/S，式中ρ稱為電阻率或比電阻。電阻率只與材料特性有關(guān)，而與導(dǎo)體的幾何尺寸無關(guān)，因此評(píng)定材料導(dǎo)電性的基本參數(shù)是電阻率或電導(dǎo)率，電阻率的單位為Ω·m,Ω·cm,μΩ·cm。當(dāng)施加的電場(chǎng)產(chǎn)生電流時(shí)，電流密度J正比于電場(chǎng)強(qiáng)度E，其比例常數(shù)σ即為電導(dǎo)率：電阻率ρ的倒數(shù)σ即為電導(dǎo)率，即σ=1/ρ，電導(dǎo)率的單位為S/m或Ω-1·m-1。工程上用相對(duì)電導(dǎo)率IACS%=σ/σCu%表征導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)軟純銅電導(dǎo)率導(dǎo)體：ρ<10-3Ω·cm；絕緣體：ρ>108Ω·cm；半導(dǎo)體：ρ值介于10-3～108

Ω·cm之間。二、金屬導(dǎo)電理論經(jīng)典自由電子論1900年特魯?shù)?洛倫茲1.經(jīng)典自由電子理論（量子理論發(fā)展前）霍耳效應(yīng)當(dāng)金屬導(dǎo)體處于與電流方向相垂直的磁場(chǎng)內(nèi)時(shí)，則在?？鐦悠返膬擅娈a(chǎn)生一個(gè)與電流和磁場(chǎng)都垂直的電場(chǎng)，此現(xiàn)象稱為霍耳效應(yīng)。

表征霍耳場(chǎng)的物理參數(shù)：霍耳系數(shù)又因可得由式可見，霍爾系數(shù)只與金屬中的自由電子密度有關(guān)?；魻栃?yīng)證明了金屬中存在自由電子，理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果對(duì)典型金屬相一致。電導(dǎo)率：經(jīng)典電子論的局限性

經(jīng)典電子論模型成功地說明了歐姆定律，導(dǎo)電與導(dǎo)熱的關(guān)系。但在說明以下問題遇到困難：實(shí)際測(cè)量的電子自由程比經(jīng)典理論估計(jì)值大許多；電子比熱容測(cè)量值只是經(jīng)典理論值的百分之一；霍爾系數(shù)按經(jīng)典自由電子理論只能為負(fù)，但在某些金屬中發(fā)現(xiàn)有正值；無法解釋半導(dǎo)體，絕緣體導(dǎo)電性與金屬的巨大差異。這些都表明經(jīng)典電子論的不完善，其主要原因在于它機(jī)械地搬用經(jīng)典力學(xué)去處理微觀質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，因而不能正確反映微觀質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。2.量子自由電子理論量子理論的一些法則

電子具有波、粒兩相性，運(yùn)動(dòng)著的電子作為物質(zhì)波，在一價(jià)金屬中，自由電子的動(dòng)能E等mv2/2.有電場(chǎng)時(shí)的E-K曲線量子自由電子理論的電阻率表達(dá)式lF為費(fèi)米面附近電子平均自由程；vF為費(fèi)米面附近電子平均運(yùn)動(dòng)速度。3.能帶理論由于周期勢(shì)場(chǎng)的存在，自由電子的能級(jí)發(fā)生分裂，出現(xiàn)允帶和禁帶。周期場(chǎng)中電子運(yùn)動(dòng)的E-K曲線及能帶電阻率nef為單位體積內(nèi)實(shí)際參與傳導(dǎo)過程的電子數(shù)，稱為有效自由電子數(shù)。不同材料nef不同。一價(jià)金屬的nef比二、三價(jià)金屬多，因此它們的導(dǎo)電性較好。m*表示電子的有效質(zhì)量，它是考慮晶體點(diǎn)陣對(duì)電場(chǎng)作用的結(jié)果。μ為散射系數(shù)，μ＝1/l當(dāng)電子波通過理想晶體點(diǎn)陣(0K)時(shí),不受散射；只有晶體在點(diǎn)陣完整性遭到破壞的地方，電子波受到散射，這就是金屬產(chǎn)生電阻的根本原因。若金屬中含有少量雜質(zhì)，雜質(zhì)原子使金屬正常的結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變，對(duì)電子波引起額外散射。此時(shí)散射系數(shù)與溫度成正比與雜質(zhì)濃度成正比與溫度無關(guān)此時(shí)，總電阻包括金屬的基本電阻和溶質(zhì)濃度引起的電阻。電阻率遵循馬西森定律：當(dāng)處于高溫時(shí)，金屬電阻主要由ρ(T)主導(dǎo)；在低溫時(shí)，ρ′是主要的。在極低溫度下（4.2K)測(cè)得的金屬電阻率稱為金屬剩余電阻率，可作為衡量金屬純度的重要指標(biāo)。ρ(T)與溫度有關(guān)的電阻率ρ′與雜質(zhì)濃度、點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)有關(guān)三、無機(jī)非金屬材料的導(dǎo)電機(jī)理（一）離子型晶體的導(dǎo)電機(jī)理第一類離子電導(dǎo)源于晶體點(diǎn)陣中基本離子的運(yùn)動(dòng)，稱為離子固有電導(dǎo)或本征電導(dǎo)。本征電導(dǎo)在高溫下為導(dǎo)電主要表現(xiàn)。這種離子隨著熱振動(dòng)的加劇而離開晶格陣點(diǎn)，形成熱缺陷。這種熱缺陷無論是離子或者空位均帶電，可作為載流子，參加導(dǎo)電。第二類離子電導(dǎo)是結(jié)合力比較弱的離子運(yùn)動(dòng)造成的，這些離子主要是雜質(zhì)離子，因而稱為雜質(zhì)電導(dǎo)。在低溫下，離子晶體的電導(dǎo)主要由雜質(zhì)載流子濃度決定。由雜質(zhì)引起的電導(dǎo)率可以用下式表示，即當(dāng)材料中存在多種載流子時(shí)，材料的總電導(dǎo)率是各種電導(dǎo)率的總和，可表示為：A、B為材料常數(shù)離子導(dǎo)電是離子在電場(chǎng)作用下的擴(kuò)散現(xiàn)象。其擴(kuò)散路徑暢通，離子擴(kuò)散系數(shù)就高，導(dǎo)電率也就高?？捎媚芩姑摚瓙垡蛩固狗匠瘫碚髟摤F(xiàn)象：其中，D為擴(kuò)散系數(shù)；n為載流子單位體積濃度；q為離子電荷電量。根據(jù)σ＝nqμ可得μ為離子遷移率；B為離子絕對(duì)遷移率，B＝μ/q離子電導(dǎo)率和離子擴(kuò)散系數(shù)間建立聯(lián)系（二）玻璃的導(dǎo)電機(jī)理第二節(jié)半導(dǎo)體的電學(xué)性能

一.本征半導(dǎo)體在絕對(duì)零度和無外界影響的條件下，半導(dǎo)體的空帶中無運(yùn)動(dòng)的電子。但當(dāng)溫度升高或受光照射時(shí)，也就是半導(dǎo)體受到熱激發(fā)時(shí)，共價(jià)鍵中的價(jià)電子由于從外界獲得了能量，其中部分獲得了足夠大能量的價(jià)電子就可以掙脫束縛，離開原子而成為自由電子。本征半導(dǎo)體就是指純凈的無結(jié)構(gòu)缺陷的半導(dǎo)體單晶。半導(dǎo)體硅Thebasicbondrepresentationofintrinsicsilicon.AbrokenbondatPositionA,resultinginaconductionelectron

andahole.

（一）本征載流子濃度（二）本征半導(dǎo)體載流子遷移率在漂移過程中，載流子不斷地互相碰撞，使得大量載流子定向漂移運(yùn)動(dòng)的平均速度為一個(gè)恒定值，并與電場(chǎng)強(qiáng)度E成正比。自由電子和空穴的定向平均漂移速度分別為遷移率

（三）本征半導(dǎo)體的電阻率/電導(dǎo)率本征半導(dǎo)體在電場(chǎng)E作用下，空穴載流子將沿E方向作定向漂移運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生空穴電流ip；自由電子將逆電場(chǎng)方向作定向漂移運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生電子電流in?？傠娏髅芏菾為：本征半導(dǎo)體的電阻率：本征電導(dǎo)率：1)本征激發(fā)成對(duì)產(chǎn)生自由電子和空穴，自由電子濃度與空穴濃度相等；2)禁帶寬度Eg越大，載流子濃度ni越?。?)溫度升高時(shí)載流子濃度ni增大。4)載流子濃度ni

與原子密度相比是極小的，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很微弱。本征半導(dǎo)體的電學(xué)特性二.雜質(zhì)半導(dǎo)體（一）n型半導(dǎo)體

雜質(zhì)原子電子成為導(dǎo)電電子所需能量10-2ev硅原子電子成為導(dǎo)電電子所需能量常溫下，每個(gè)摻入的五價(jià)元素原子的多余價(jià)電子都可以進(jìn)入導(dǎo)帶成為自由電子，因而導(dǎo)帶中的自由電子數(shù)比本征半導(dǎo)體顯著地增多。n型半導(dǎo)體的電流密度：（二）p型半導(dǎo)體

摻入三價(jià)雜質(zhì)元素（硼，鋁，鎵，銦）后，三價(jià)元素原子只有三個(gè)價(jià)電子，當(dāng)其取代點(diǎn)陣中的硅原子并與周圍的硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，必然缺少一個(gè)價(jià)電子，形成一個(gè)空位置。雜質(zhì)原子接受的電子能量高于價(jià)帶頂部能量，但十分接近價(jià)帶。Ea是電子從價(jià)帶跳到雜質(zhì)原子能級(jí)所需能量，稱為受主能級(jí)；三價(jià)元素原子為受主雜質(zhì)。在常溫下，處于價(jià)帶中的價(jià)電子都可以進(jìn)入受主能級(jí)。所以每一個(gè)三價(jià)雜質(zhì)元素的原子都能接受一個(gè)價(jià)電子，而在價(jià)帶中產(chǎn)生一個(gè)空穴。P型半導(dǎo)體的電阻率為：式中，NA為受主雜質(zhì)濃度雜質(zhì)半導(dǎo)體特性1)摻雜濃度與原子密度相比雖很微小，但是卻能使載流子濃度極大地提高，因而導(dǎo)電能力也顯著地增強(qiáng)。摻雜濃度愈大，其導(dǎo)電能力也愈強(qiáng)。2)摻雜只是使一種載流子的濃度增加，因此雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多子導(dǎo)電。當(dāng)摻入五價(jià)元素(施主雜質(zhì))時(shí)，主要靠自由電子導(dǎo)電；當(dāng)摻入三價(jià)元素(受主雜質(zhì))時(shí)，主要靠空穴導(dǎo)電。第三節(jié)絕緣體的電學(xué)性能絕緣體是指不善于傳導(dǎo)電流的物質(zhì)，又稱為電介質(zhì)。它們的電阻率極高。評(píng)價(jià)絕緣材料的主要電學(xué)性能指標(biāo)：(1)介電常數(shù)，(2)耐電強(qiáng)度，(3)損耗因數(shù)，(4)體電阻率和表面電阻率，其中前三項(xiàng)屬介電性，后者屬于導(dǎo)電性。一.介電常數(shù)平板電容器的電量Q與兩側(cè)電壓V以及電容量C成正比：Q=CV當(dāng)板間為真空時(shí)，平板電容器電容量C0與平板面積S、板間距離d的關(guān)系為：式中，C0,ε0分別為真空電容和真空介電常數(shù)，ε0＝8.85*10-2F.m當(dāng)極板間存在電介質(zhì)時(shí)，

電容器存儲(chǔ)電荷能力增強(qiáng)。

此時(shí)

其中，比例常數(shù)ε稱為靜態(tài)介電常數(shù)，它代表了極板間電介質(zhì)的性能。帶有電介質(zhì)的電容C與真空電容Co之比稱為電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)ε

r，感應(yīng)電荷束縛電荷電容器存儲(chǔ)電荷能力增強(qiáng)的原因：電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生束縛電荷，這種現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的極化。放在平板電容器中增加電容的材料稱為介電材料。從存儲(chǔ)能量角度推導(dǎo)可得：W為電容器存儲(chǔ)的能量；E為電場(chǎng)強(qiáng)度；V為電容器的體積。極化相關(guān)物理量1.電偶極矩

μ＝Ql式中，Q為電量，l為正負(fù)電荷重心的距離。2.電極化強(qiáng)度－電介質(zhì)極化程度的度量(單位C/m2）式中，∑μ為電介質(zhì)中所有電偶極矩的矢量和；ΔV為∑μ電偶極矩所在空間的體積。3.電極化率電極化強(qiáng)度和電介質(zhì)所處實(shí)際有效電場(chǎng)成正比，對(duì)各向同性電介質(zhì)

4.電位移－描述電介質(zhì)的高斯定理所引入的物理量，定義為式中D、E、P均為矢量。

幾個(gè)物理量間的關(guān)系二.介質(zhì)損耗P105-107思考：交變電場(chǎng)下真實(shí)電介質(zhì)平板電容器總電流包括哪些部分？損耗角、介質(zhì)損耗因子、損耗角正切值、品質(zhì)因數(shù)三.介電強(qiáng)度思考：P115影響無機(jī)材料介電強(qiáng)度的因素有哪些？四.電介質(zhì)極化機(jī)制1.位移極化：電子、離子位移極化2.松弛極化：電子、離子松弛極化3.取向極化4.空間電荷極化1.位移極化a.電子位移極化－在外電場(chǎng)作用下，原子外圍的電子軌道相對(duì)于原子核發(fā)生位移，原子中的正負(fù)電荷重心產(chǎn)生相對(duì)位移，建立的時(shí)間僅為10-14~10-15s。可逆變化，不導(dǎo)致介質(zhì)損耗。它的主要貢獻(xiàn)是引起介電常數(shù)的增加。b.離子位移極化－離子在電場(chǎng)作用下偏移平衡位置的移動(dòng)，相當(dāng)于形成一個(gè)感生偶極矩，也可理解為離子晶體在電場(chǎng)作用下離子間的鍵合被拉長(zhǎng)，建立的時(shí)間為10-12~10-13s。2.松弛極化a.電子松弛極化－晶格熱振動(dòng)、晶格缺陷、雜質(zhì)的引入、化學(xué)組成的局部改變等因素都能使電子能態(tài)發(fā)生變化。在外加電場(chǎng)作用下，一些能量高的電子或空穴的運(yùn)動(dòng)具有方向性而呈現(xiàn)極化，這種極化即為電子松弛極化，建立時(shí)間約為10-2~10-9s，不可逆過程。b.離子松弛極化－弱聯(lián)系離子從一平衡位置移動(dòng)到另一平衡位置，在外電場(chǎng)作用下，離子向電場(chǎng)方向或反電場(chǎng)方向遷移的幾率增大，呈現(xiàn)電極性。建立時(shí)間為10-2~10-5s，不可逆過程。3.取向極化沿外場(chǎng)方向取向的偶極子數(shù)大于和外場(chǎng)反向的偶極子數(shù)，因此電介質(zhì)整體出現(xiàn)宏觀偶極矩，這種極化稱為取向極化。它是極性電介質(zhì)的一種極化方式，建立時(shí)間約為10-2~10-10s.4.空間電荷極化離子多晶體的晶界以及二維、三維缺陷處存在空間電荷，在外電場(chǎng)作用下，趨向于有序化，即帶有空間電荷的正負(fù)電荷質(zhì)點(diǎn)分別向外電場(chǎng)的負(fù)、正極方向移動(dòng)，從而表現(xiàn)為極化。五.電介質(zhì)的特殊性能(一）壓電性正壓電效應(yīng)－當(dāng)晶體受到機(jī)械力作用時(shí)，一定方向的表面產(chǎn)生束縛電荷，其電荷密度大小與所加應(yīng)力的大小呈線性關(guān)系。這種由機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的過程稱為正壓電效應(yīng)。-+F+-+-F+--+逆壓電效應(yīng)－當(dāng)晶體在外電場(chǎng)激勵(lì)下，晶體的某些方向上產(chǎn)生形變（或諧振），且應(yīng)變大小與所加電場(chǎng)在一定范圍內(nèi)有線性關(guān)系，這種由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的過程稱為逆壓電效應(yīng)。+-+-++--α－石英晶體1.在x方向上兩晶面被電極，測(cè)定電荷密度在x方向上受到正應(yīng)力T1作用時(shí)，x方向電極面上產(chǎn)生束縛電荷，表面電荷密度σ與作用應(yīng)力成正比：

σ1＝d11T1d11為壓電應(yīng)變常量由于表面電荷密度等于電位移，故

D1=d