材料性能測試課件

第一節(jié)材料科學簡介1.發(fā)展歷史a)材料科學的發(fā)展是社會進步的里程碑石器時代

青銅時代

鐵器時代

鋼鐵時代

電氣、化工時代

信息時代第一章導論石器時代的材料以石頭、動物骨骼為主青銅（銅錫合金）時代：青銅器為標志出現(xiàn)原始冶金業(yè)，跨度約四千年鐵器時代：鐵器的冶煉和使用出現(xiàn)復雜的金屬加工業(yè)信息時代：第三次產(chǎn)業(yè)革命三大技術—原子能、計算機、航天鋼鐵時代：第一次產(chǎn)業(yè)革命為標志蒸汽機的發(fā)明、冶金和機械制造業(yè)革命電氣、化工時代：第二次產(chǎn)業(yè)革命三大技術—電氣、鋼鐵、化工三大發(fā)明—汽車、飛機、無線電通信c)先進材料是21世紀新技術革命的主要標志之一b)“材料科學”成為一門獨立的交叉學科三大支柱產(chǎn)業(yè)、六大技術群體、九大重點研究領域材料信息能源生物空間海洋軟件與計算機模擬先進材料納米技術微電子學光子學微系統(tǒng)工程分子電子學細胞生物技術信息、生產(chǎn)與管理工程2.研究內(nèi)容合成與工藝流程成分與結(jié)構(gòu)性質(zhì)（性能）效能合成是核心、性能是關鍵、效能是標準3.

研究熱點a)

超高純材料:b)

新型金屬材料：c)

先進無機材料（陶瓷材料）：d)

新型有機功能材料：e)

先進復合材料：

超高純玻璃材料、超高純金屬材料、超高純半導體材料

高比強度、超塑性、超耐熱、儲氫、超導合金材料

高強度、耐磨損、耐腐蝕的結(jié)構(gòu)陶瓷、具有良好絕緣性和介電性的功能陶瓷具有各種特殊性能的有機功能材料高比強度、高比模量的結(jié)構(gòu)復合材料、各種優(yōu)良性能的功能復合材料第二節(jié)《材料性能測試》簡介1.

材料性能分類2.課程內(nèi)容a)范圍廣：既涉及金屬與合金、陶瓷、聚合物等傳統(tǒng)材料，又涉及光電子材料、磁性材料、激光材料等新興材料。

a)

材料性能相關的基本概念和定律b)材料性能的測試方法（側(cè)重原理）3.

課程特點包括力學、磁學、熱學、光學及電學方面b)

近物理、遠化學4.

推薦參考書陳樹川等，材料物理性能，上海交大出版社，1999王從曾，材料性能學，北京工業(yè)大學出版社，2001姜偉之等，工程材料的力學性能，北航出版社，2000陳洪蓀，金屬物理性能及測試方法，冶金工業(yè)出版社，1987第二章力學性能及測試方法一、力學性能的含義：材料在一定溫度條件和外力作用下，抵抗變形和斷裂的能力稱為材料的力學性能。主要包括：強度、塑性、硬度等。（1）強度：材料在外力作用下對變形或斷裂的抗力。常用的強度指標有屈服強度σS或σ0.2和抗拉強度σb（2）塑性：材料在斷裂前發(fā)生塑性變形的能力。塑性指標包括：伸長率δ，即試樣拉斷后的相對伸長量；斷面收縮率

，即試樣拉斷后，拉斷處橫截面積的相對縮小量第一節(jié)力學性能簡介（3）硬度：衡量材料軟硬程度的一個性能指標。硬度試驗的方法較多，原理也不相同，測得的硬度值和含義也不完全一樣。最常用的是靜負荷壓入法硬度試驗，即布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC）、維氏硬度（HV），其值表示材料表面抵抗堅硬物體壓入的能力。因此，硬度不是一個單純的物理量，而是反映材料的彈性、塑性、強度和韌性等的一種綜合性能指標。二、力學性能的常規(guī)測試手段（1）單向靜拉伸實驗（3）扭轉(zhuǎn)實驗（2）壓縮實驗（4）彎曲實驗（5）沖擊韌性實驗（6）斷裂韌性實驗（7）疲勞性實驗（8）磨損性實驗第二節(jié)常溫單向拉伸性能及測試方法一、力–伸長曲線圖2.1低碳鋼的力—伸長曲線F為拉力,L為絕對伸長P點以下為直線A點以下為彈性變形AC為屈服階段CB為均勻塑性變形Bk為非均勻塑性變形1—淬火后的高碳鋼彈性、少量塑性變形2—低合金鋼，類似于低碳鋼3—黃銅無明顯屈服階段4—陶瓷、玻璃只有彈性變形5—橡膠彈性變形可達1000%6—工程塑料工程應變

工程應力(Mpa)b圖2.1低碳鋼的應力應變曲線acdek真應變真應力二、應力—應變曲線彈性變形階段基本吻合塑性變形階段差異明顯工程設計和材料選用時多用工程應力和工程應變材料科學研究中真應力和真應變具有重要意義四個階段1）彈性變形階段：ob段，比例極限、彈性極限4）局部塑性變形階段，ef段2）屈服階段：cd段，屈服強度3）均勻塑性變形階段：de段，抗拉強度七種類型1)彈性模量(Gpa)三、重要拉伸性能指標影響因素：1、鍵合方式及原子結(jié)構(gòu)共價、離子及金屬鍵彈性模量較大2、晶體結(jié)構(gòu)非晶態(tài)材料的彈性模量呈各向同性多晶態(tài)材料為各向同性單晶材料為各項異性3、化學成分5)抗拉強度2)

比例極限

p0.01、彈性極限

p0.05和屈服強度

0.023)斷后伸長率4)

斷面收縮率1)試樣制備四、測試方法a)

從棒材、管材、板材等成品上合理切取材料，加工成標準尺寸試樣。圖2.2

棒材、板材試樣示意圖L0=10d或5dL0=10b或5bb)

粉、粒狀原材料經(jīng)模塑成形為標準尺寸試樣，材料性能受成型條件（成型方法、成型溫度和壓力、冷卻速度、后處理條件）影響。圖2.3

聚碳酸酯熱處理時間對性能的影響2)

實驗儀器拉力試驗機：加載和測力引伸計：測量變形高低溫輔助裝置圖2.3

DL-1000B型拉力試驗機3)實驗步驟a)測量原始截面積S0和標記初始標距L0圓形截面試樣矩形截面試樣圓管截面試樣未加工的等截面試樣b)

選擇合適的夾具和拉伸速率c)

數(shù)據(jù)處理屈服強度

0.2彈性模量屈服強度

su、sl斷面收縮率一、壓縮試驗的應力-應變曲線及特點圖2.4鑄鐵壓縮應力-應變曲線圖2.5低碳鋼壓縮應力-應變曲線第三節(jié)常溫壓縮性能及測試方法壓縮屈服強度壓縮彈性模量相對壓縮率相對斷面擴展率抗壓強度二、壓縮性能參量三、測試方法1)

試驗試樣的試樣適用于測量

pc、

sc、

bc的試樣適用于測量

0.01c、Ec的試樣僅適用于測量

bc、2)

試驗裝置試驗機、引伸計約束裝置圖2.6約束裝置示意圖3)實驗步驟a)

選擇合適的壓縮速率b)

板狀試樣夾緊力的選擇c)

數(shù)據(jù)處理Ec、

pc、sc、

bc第四節(jié)常溫扭轉(zhuǎn)性能及測試方法一、扭轉(zhuǎn)試驗的基本概念在圓柱形試樣兩端施加大小相等、方向相反、作用面垂直于試樣軸線的力偶，測量試樣的扭矩M和轉(zhuǎn)角

圖2.6

扭轉(zhuǎn)時的切應力與切應變扭矩定義為極慣性距為截面系數(shù)W，則有,圖2.8

扭轉(zhuǎn)試驗計算示意圖切變模量抗扭強度二、扭轉(zhuǎn)性能參量三、測試方法1)

試驗試樣一般選用d=10mm，L0=50或100mm，Lc=70或120mm滿足Lc=L0+2d2)

試驗裝置:扭轉(zhuǎn)試驗機和扭轉(zhuǎn)計3)

數(shù)據(jù)處理非比例扭轉(zhuǎn)應力抗扭強度最大切應變第五節(jié)常溫彎曲性能及測試方法一、彎曲試驗力學分析及基本概念三點彎曲示意圖四點彎曲示意圖撓度(f)：橫截面形心在垂直于軸線方向上的位移彎矩剪力1)

規(guī)定非比例彎曲應力其中W為抗彎截面系數(shù)2)

彎曲彈性模量二、彎曲性能參量其中I為軸慣性矩3)

抗彎強度三、測試方法1)

試驗試樣為克服彎曲時切應力的影響，應選擇的試樣2)

試驗裝置試驗機、彎曲夾具和撓度計三點彎曲時最大正應力與最大切應力的關系（圓形截面試樣）（矩形截面試樣）或非比例彎曲應力彎曲彈性模量取得出代入將3)

數(shù)據(jù)處理第六節(jié)硬度性能及測試方法一、硬度性能基本概念硬度反映材料抵抗局部變形特別是塑性變形和破裂的能力硬度并非材料獨立的力學性能，而是人為規(guī)定的在某一特定試驗條件下的一個綜合性能指標。二、布氏硬度(HB)1)試驗原理將代入得將代入HB的計算式可得根據(jù)大量試驗結(jié)果有2)試驗設備布氏硬度計：加力部分、鋼球和壓痕測量裝置3)測試方法

壓頭選擇：壓頭種類及直徑試驗力選擇：根據(jù)試樣硬度確定4)

優(yōu)缺點優(yōu)點：數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可重復性強缺點：需經(jīng)常更換壓頭、不適宜成品試樣三、洛氏硬度(HR)試驗原理金剛石壓頭淬火鋼球壓頭四、維氏硬度(HV)試驗原理將代入得優(yōu)點：不存在F與D之間的約束、壓痕測量精確、不存在標尺不統(tǒng)一的問題缺點：測定較為麻煩，效率低第三章

磁學性能及測試方法第一節(jié)磁性材料簡介1)

自然界磁現(xiàn)象：“先王立司南以端朝夕”

-

《韓非子》（春秋）

“鄭人取玉，必載司南，為其不惑也”

-

《鬼谷子》（春秋）“司南之杓，投之于地，其柢指南”-《論衡》（東漢王允）最早的自然磁性應用-司南（公元前三世紀）王振鐸復原模型一、發(fā)展歷史2)古代磁現(xiàn)象的應用“以磁石摩針鋒，則銳處常指南，亦有指北者，恐石性亦不同，南北相反，理應有異，未深考耳?！?《夢溪筆談》（北宋沈括）“舟師識地理，夜則觀星，晝則觀日，陰晦則觀指南針?！?《萍洲可談》（北宋朱彧）磁化方法：航海應用：a)

指南魚、指南針b)古代醫(yī)療慈(磁)石治療風濕、肢節(jié)痛、除熱和耳聾，《神農(nóng)本草》（東漢）“磁石可以養(yǎng)腎臟，強骨氣，通關節(jié)，消痛腫”

-《名醫(yī)別錄》（南北朝陶弘景）磁石治療耳卒聾閉、腎虛耳聾、老人耳聾、老人虛損、眼昏內(nèi)障、小兒驚癇、子宮不收、大腸脫肛、金瘡腸出、金瘡血出、誤吞針鐵、丁腫熱毒、諸般腫毒，《本草綱目》（明李時珍）用磁石制成蜜丸，經(jīng)常服用可以對眼力有益，《千金方》（唐孫思邈）磁石醫(yī)治聽力不佳，《濟生方》（南宋嚴用和）3)近代磁現(xiàn)象的應用a)核磁共振在醫(yī)療中的應用原子核磁共振成像，簡稱核磁共振成像，又稱核磁共振CT目前應用的是氫元素的原子核核磁共振層析成像。這種層析成像比目前應用的X射線層析成像(又稱X射線CT)具有更多的優(yōu)點腦瘤病人頭部的

CT成像和X射線成像b)宇宙空間探測阿爾法磁譜儀是人類送入宇宙空間的第一個大型磁譜儀（1998）。它利用強磁場和精密探測器來探測宇宙空間的反物質(zhì)和暗物質(zhì)，探索和研究宇宙物理學、基本粒子物理學和宇宙演化學的一些重大和疑難問題。反物質(zhì)：是指由質(zhì)量相同但電荷符號相反的反電子(即正電子)、反質(zhì)子和反中子組成的反原子構(gòu)成的物質(zhì)，如反氦和反碳等。暗物質(zhì)是指不能用光學方法探測到的物質(zhì)。阿爾法磁譜儀的核心部件-永磁鐵4)

近代磁性材料的發(fā)展Fe-Si軟磁合金（1900年）Fe-Ni軟磁合金（1920年）鋁鎳鈷永磁合金（1932年）稀土金屬鐵氧體（1956年）釹鐵硼永磁合金（1985年）二、磁性材料的分類1)

永磁材料（硬磁）：經(jīng)磁化后能長期保留其磁性的材料。特征：a)具有高的最大磁能積(BHm)

：永磁材料單位體積存儲和可利用的最大磁能量密度的量度；b)具有高的剩余磁化強度(Mr)和高的矯頑力(Hc)；c)具有較高的穩(wěn)定性。主要有：a)

稀土永磁材料（釹鐵硼）：當前磁能積最高的一類永磁材料，為鐵族元素和稀土元素的金屬互化物；b)

金屬永磁材料：分鋁鎳鈷(AlNiCo)系和鐵鉻鈷(FeCrCo)系兩大類，AlNiCo系成本中等，F(xiàn)eCrCo系合金可以制成管狀、片狀或線狀永磁材料而供多種特殊應用；c)

鐵氧體永磁材料

：(

BaO?6Fe2O3和SrO?6Fe2O3)等；d)

其他：微粉永磁材料、納米永磁材料、膠塑永磁材料等。2)

軟磁材料：既容易磁化又容易退磁的磁性材料。

特征：a)高的磁導率。磁導率(符號為μ)是對磁場靈敏度的量度；b)具有高的飽和磁化強度(Ms)和低的矯頑力(Hc)；c)具有較高的穩(wěn)定性。主要有：a)

鐵-硅(Fe-Si)系軟磁材料，俗稱硅鋼片；b)鐵-鎳(Fe-Ni)系軟磁材料，具有低矯頑力的一類材料；c)鐵氧體軟磁材料，可在高頻或超高頻使用；d)非晶態(tài)軟磁材料和納米晶軟磁材料，制造工藝簡單；e)

其他軟磁材料：高能和高磁化強度的鐵-鈷(Fe-Co)系合金，高電阻率的鐵-鋁(Fe-Al)系合金，磁晶各向異性和磁致伸縮都趨近于零的鐵-硅-鋁(Fe-Si-Al)系合金等。3)

磁存儲材料：電子計算機存儲器所用的磁性材料，其磁滯回線近似于矩形。特征：a)

具有高的剩磁比Br/Bm和低的矯頑力Hc；b)短的開關時間；c)磁滯回線近似于矩形。主要有：a)鐵氧體矩磁材料（MnO?Fe2O3、MgO?Fe2O3）；b)金屬磁膜材料（Fe-Ni系）等。4)

磁微波材料：具有獨特微波磁性的材料。5)

磁光材料：激光、光電子學和正在發(fā)展的光子學中所用多種磁光效應器件使用的磁性材料。主要有：a)旋磁材料，高旋磁性高電阻率的旋磁鐵氧體材料，如BaO?6Fe2O3、3Y2O3?

5Fe2O3鐵氧體系統(tǒng)等；b)磁微波吸收材料，具有高的電磁波吸收系數(shù)和寬的電磁波吸收頻帶，如以磁性金屬粉末或薄膜為組元的復合吸收材料、六角晶系復合鐵氧體等。特征：a)高的磁光效應；b)低的磁光損耗；c)寬的磁光效應頻帶；d)高的穩(wěn)定性。主要有：a)金屬磁光材料，如錳-鉍(Mn-Bi)系合金等；(2)鐵氧體磁光材料，如石榴石型鉍-釓-鐵-鎵-氧(Bi-Gd-Fe-Ga-O)系鐵氧體等；(3)非晶態(tài)磁光材料，如釓-鈷(Gd-Co)系非晶態(tài)合金等。6)

多功能磁性材料：同時具有磁性和其他性能的材料主要有：a)同時具有鐵磁性和鐵電性的鐵磁-鐵電功能材料，如BiFeO3(Ba,Pb)(Ti,Zr)O3系材料；b)同時具有鐵磁性和半導體的鐵磁-半導功能材料，具有高的磁導率和高的載流子遷移率，如銪-硫(Eu-S)系和銪-硒(Eu-Se)系材料；c)磁電材料，是一類由磁場可產(chǎn)生磁化強度和電極化強度，由電場可產(chǎn)生電極化強度和磁化強度的磁性材料，如DyAlO3和GaFeO3；d)鐵磁-有機材料，是一類不含磁性金屬的純有機化合物磁性材料?？梢哉f多功能磁性材料是正在發(fā)展和擴大的新型磁性材料。第二節(jié)宏觀磁性特征一、材料的磁性1)

分子環(huán)流假說：分子或原子中的電子繞核運動產(chǎn)生環(huán)形電流，環(huán)形電流的定向排列產(chǎn)生磁性。由原子核的自旋磁矩、電子的軌道磁矩和自旋磁矩產(chǎn)生。軌道磁矩其中,自旋磁矩其中2)

原子磁矩:成對電子軌道磁矩和自旋磁矩矢量和為零，未成對電子不為零。原子的磁矩由未成對電子決定。二、材料的磁化物質(zhì)在磁場中表現(xiàn)出一定的磁性稱為磁化其中H為外加磁場強度，單位為A/m為附加磁場強度，其大小可用磁化強度表示磁化強度：單位體積內(nèi)的總磁矩1)

磁化率和磁導率a)

磁化率為相對磁導率，為磁導率b)

磁導率真空磁導率磁感應強度將代入得2)

磁化曲線和磁滯回線軟剛的磁化曲線磁化過程中B和M與H的關系a)

磁化曲線順磁體抗磁體鐵磁體一些工業(yè)材料的磁化曲線b)

磁滯回線鐵磁體在磁化過程中存在著不可逆過程，退磁時其磁化強度不沿磁化曲線降低而是更為緩慢。當H降為零時，仍保留的磁化強度稱為剩余磁化強度Mr，施加反向磁場直至磁化強度減為零時的磁場稱為矯頑力Hc。第三節(jié)抗磁性和順磁性一、抗磁性抗磁磁矩示意圖（約10-6）二、順磁性其中j被稱為磁偶極矩磁場對條形磁體的作用順磁體磁化過程三、影響因素1)

原子結(jié)構(gòu)惰性氣體：典型的抗磁性非金屬：大多數(shù)具有抗磁性（氧和石墨例外）金屬：銅、銀、金、汞等具有抗磁性堿金屬、堿土金屬具有順磁性過渡金屬多具有鐵磁性3)

其他因素：合金成分的影響相變的影響等2)

溫度第四節(jié)鐵磁性一、鐵磁性的產(chǎn)生1)

外斯假說①物體中存在著與外磁場無關的自發(fā)磁化，其強度與溫度有關②鐵磁體內(nèi)部分成很多微小的區(qū)域，稱為“磁疇”。在外磁場作用下磁疇的取向發(fā)生變化。為原子的能量，為核a,b相互作用的勢能為電子之間、電子與核之間相互作用的能量項為兩個原子的電子交換位置產(chǎn)生的作用能，稱為交換能2)

自發(fā)磁化（自旋平行）（自旋反平行）A>0為鐵磁體(Fe、Co、Ni)或順磁體A<0為反鐵磁體(Cr、Mn)二、鐵磁材料的測量：沖擊法感生電動勢感生電流總電量因為代入得閉路試樣示意圖三、反鐵磁性和亞鐵磁性反鐵磁體：亞鐵磁體：鐵氧體MeO?Fe2O3，M為鐵、鈷、鎳、鋅、鎂等三種磁體磁矩排列示意圖宏觀磁性分類第五節(jié)鐵磁材料靜態(tài)磁化特性的測量一、沖擊法1)

閉路試樣a)

試樣要求：b)

磁場強度和磁感應強度：其中Cb為沖擊常數(shù)，由沖擊計給出，R為測量回路總電阻，為光電計偏移量，N2為測量線圈匝數(shù)，S為試樣截面積閉路試樣示意圖c)

沖擊法測量線路圖K1控制磁化電流方向，用于基本磁化曲線的測量，K3控制輔助電路，用于磁滯回線的測量。d)

沖擊法測得的磁化曲線和磁滯回線磁化曲線測量：K3閉合，R1調(diào)節(jié)電流，K1換向，磁感應從+B-B,或-B+B所以磁滯回線測量：調(diào)節(jié)R1達到磁化飽和，斷開K3，讀出檢流計偏轉(zhuǎn)

C根據(jù)磁滯回線可得到剩余磁感應強度Br和矯頑力Hc2)開路試樣：適用于永磁材料a)

試樣要求：當時，取試樣或時，取當試樣或b)

飽和磁化強度其中

0為真空磁導率，410-7(H/m)，S2為試樣截面積開路試樣示意圖二、自動測量1)

光電放大磁通計2)電子積分運算磁通計3)數(shù)字磁通計第二章力學性能作業(yè)題

1、以圖例法簡述材料單向靜拉伸四個階段的特征。

2、材料拉伸彈性變形階段的主要性能指標有哪些？如何得到？

3、比較材料拉伸與壓縮實驗中主要性能指標的異同點。

4、簡述布氏硬度與維氏硬度的測量原理及優(yōu)缺點。第三章磁學性能作業(yè)題

1、簡述磁性材料的分類及主要用途

2、簡答物質(zhì)產(chǎn)生抗磁性和順磁性的原因

3、簡答物質(zhì)產(chǎn)生鐵磁性的原因

4、以圖例法簡述鐵磁材料的磁化過程及主要性能指標。

第四章熱學性能及測試方法第一節(jié)熱容一、基本概念因為，代入得恒容熱容恒壓熱容熱容摩爾熱容熱容是質(zhì)點熱運動的的能量隨溫度變化的一個物理量，是物體溫度升高1K所需要增加的熱量。

：體膨脹系數(shù)V0：摩爾容積：壓縮系數(shù)對于物質(zhì)的凝聚態(tài)，Cp、Cv相差很小，但高溫時有較大的差別。二、固體熱容理論1)

杜隆-珀替定律固體中原子有三個自由度，每個自由度平均能量為單個原子能量為恒容熱容其中KB為波爾茲曼常數(shù)硅、鍺的摩爾熱容理論過于簡單，不能解釋低溫下熱容減小的現(xiàn)象。2)愛因斯坦理論：其中為愛因斯坦特征溫度當T

<<

E時，當T>>

E時，愛因斯坦模型與實驗值的比較每個原子都是獨立的振子，原子之間彼此無關，每個振子振動的角頻率相同。3)德拜理論當T<<

D時，德拜模型與實驗值比較考慮了晶體中原子的相互作用，認為晶體對熱容的貢獻主要是彈性波的振動，每個諧振子的頻率不同，頻率范圍從0到

m。當T>>

D時，（杜隆-珀替定律）三、熱容的測量1)

量熱計法電加熱法2)

撒克司法a)

原理及設備測量樣品與參比物的溫差與溫度的關系四、熱分析方法及其應用1)普通熱分析：測量溫度隨時間的變化2)

差熱分析(DTA)b)

差熱分析曲線熱電偶：DTA的關鍵元件測量池：包括試樣池和參比池溫控系統(tǒng)：在較大范圍內(nèi)實行線性升溫放大裝置：將熱電偶產(chǎn)生的電流放大記錄儀：氣體保護系統(tǒng)：氮氣或氬氣體系c)

差熱分析儀d)注意要點升溫的線性和速度參比物的選擇樣品的預處理3)

示差掃描量熱法(DSC)a)

原理具有兩個獨立的加熱裝置，采用熱量補償?shù)姆绞奖３謨蓚€量熱器的平衡b)注意要點取樣：質(zhì)量和幾何形狀純度：雜質(zhì)會使峰值發(fā)生變化4）熱分析方法的應用a)

測定聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度聚苯乙烯的DTA曲線b)

共聚物結(jié)構(gòu)的判斷第二節(jié)熱膨脹膨脹系數(shù)與溫度的關系一、基本概念一般固體材料：在10-2～10-5/K一般金屬、陶瓷材料：在10-5～10-6/K二、熱膨脹的機理固體材料的熱膨脹本質(zhì)，歸結(jié)為點陣結(jié)構(gòu)中質(zhì)點間平均距離隨溫度升高而增大。對于非簡諧振動，位能曲線不對稱，質(zhì)點向外振動的距離大于向內(nèi)振動的距離，隨著溫度升高，動能增大，振動激烈，質(zhì)點間的平均距離不斷增大，形成宏觀的熱膨脹現(xiàn)象。r<r0時，曲線的斜率較大；r>r0時，曲線的斜率較小。r<r0時，斥力隨位移增大得很快；r>r0時，引力隨位移的增大較慢。雙原子體系勢能曲線三、熱膨脹與其他性質(zhì)的關系1)

熱膨脹與熱容Al2O3的比熱容、熱膨脹系數(shù)與溫度的關系熱膨脹是固體材料受熱以后晶格振動加劇而引起的容積膨脹，升高單位溫度時能量的增量也就是熱容的定義。所以熱膨脹系數(shù)與熱容有著相似的規(guī)律。r：格留涅申常數(shù)，取值1.5～2.5K：體積彈性模量V：比容2)熱膨脹與熔點當晶體結(jié)構(gòu)類型相同時，結(jié)合能大的材料的熔點也高，也就是說熔點高的材料膨脹系數(shù)較小。對于單質(zhì)晶體，熔點與原子半徑之間有一定的關系，單質(zhì)晶體的原子半徑越小，結(jié)合能越大，熔點越高，熱膨脹系數(shù)越小。四、熱膨脹系數(shù)的測定及應用1)

望遠鏡直讀法：將試樣按規(guī)定的升溫速率加熱到最終溫度，通過望遠鏡直接讀出試樣的長度變化，得出線膨脹系數(shù)。2)頂桿式間接法：頂桿與試樣接觸，通過位移傳感器或千分表測量線膨脹情況。3)

熱膨脹的應用：熱膨脹分析技術用于相變點的確定。第三節(jié)熱傳導一、基本概念二、熱傳導機理電子導熱、聲子導熱、光子導熱（電磁輻射）從金屬半導體絕緣體，聲子導熱作用漸強。c為單位體積氣體熱容；v為分子平均運動速度；l為分子運動平均自由程。

e：電子熱導率，來源于自由電子的貢獻;

i：離子熱導率，來源于晶格振動的貢獻。l與溫度有關，溫度升高，聲子的振動能量加大，頻率加快，碰撞增多，自由程減小。在高溫時，最小平均自由程等于幾個晶格間距；在低溫時，最長平均自由程長達晶粒的尺度。三、熱導率的測量1)

穩(wěn)態(tài)法：測量單位面積上的熱量遷移率和溫度梯度2)

非穩(wěn)態(tài)法：直接測量導溫系數(shù)3)

優(yōu)缺點：穩(wěn)態(tài)法不易滿足熱流恒定的條件，非穩(wěn)態(tài)法無此限制，但需要比熱數(shù)據(jù)先用熱源對測試樣品進行加熱，并在樣品內(nèi)部形成穩(wěn)定的溫度分布，然后進行測量；

第五章光學性能及測試方法第一節(jié)光學基本理論一、光的本性牛頓：粒子流說惠更斯：波動說麥克斯韋：電磁波理論普朗克、愛因斯坦：光量子理論德布羅意：物質(zhì)波假說狄拉克：電磁場量子理論二、廣義波譜電磁波譜三、光的描述電場E和磁場H，通常以電場E來描述光矢量。1)

波動性根據(jù)麥克斯韋方程組，有2)

粒子性一、折射定律和反射定律第二節(jié)光的折射和反射1)

反射角2)

折射角如第一介質(zhì)為真空，則折射和反射二、反射率和透射率1)

光的偏振：垂直于入射面的分量S

平行于入射面的分量P2)

反射率：反射光通量與入射光通量之比反射率隨入射角的變化當光線垂直入射時，光線以布儒斯特角入射時反射光是完全偏振光4)

透射率：T+R=1（忽略吸收）3)布儒斯特角三、反射及折射現(xiàn)象的應用1)透鏡（凹透鏡、凸透鏡）2)面鏡（平面、球面）3)分束器件4、光纖光纖材料：石英系玻璃、多成分玻璃、復合材料1)全反射2)幾種光導纖維的性能第三節(jié)光的吸收和色散一、光的吸收吸光度為吸收系數(shù)光強光的吸收此時A+T+R=11)

朗伯-比爾定律2)吸收光譜金剛石的吸收光譜石英的吸收光譜3)吸收光譜的測量：紫外-可見分光光度法的應用根據(jù)郎伯-比爾定律有a)直接測定某一波長下的吸光度b)連續(xù)測定一段波長下的吸收光譜曲線，協(xié)助分析有機物結(jié)構(gòu)c)定量測定液體樣品的濃度d)在藥品、食品的分析；環(huán)境監(jiān)測等方面的應用二、光的色散1)

正常色散c)

科希色散公式：a)

同一材料波長越短折射率越大b)

折射率隨波長的變化率稱為色散率，波長越短色散率越大2)

反常色散石英在紅外區(qū)的反常色散3)全色散曲線第四節(jié)雙折射和二向色性一、雙折射：折射率的各向異性雙折射現(xiàn)象某些特殊方向不發(fā)生雙折射，這些方向稱為晶體的光軸符合折射定律的為尋常光（o光），其振動方向垂直于主截面（光軸與傳播方向構(gòu)成的平面）不符折射定律的為非常光（e光），其振動方向平行于主截面二、雙折射的應用1)

將自然光分解為偏振方向垂直的兩束偏振光2)

將自然光分解為兩束偏振光后再除去一束的起偏-檢偏元件3)

用于濾波的雙折射濾光器三、二向色性：吸收率的各向異性也可用于制作偏振元件第五節(jié)光的發(fā)射一、發(fā)光原理1)激發(fā)態(tài)的產(chǎn)生與失活a)分子的多重態(tài)單重態(tài)：一個所有電子自旋都配對的分子的電子狀態(tài)。大多數(shù)有機物分子的基態(tài)是單重態(tài)。當基態(tài)一對電子中的一個被激發(fā)到較高能級，其自旋方向不會立刻改變，分子仍處于單重態(tài)。三重態(tài)：有兩個電子的自旋不配對而平行的狀態(tài)。激發(fā)三重態(tài)能量較激發(fā)單重態(tài)低。b)激發(fā)態(tài)的失活

外轉(zhuǎn)換(EC)：激發(fā)態(tài)分子與溶劑與其他溶質(zhì)相互作用、能量轉(zhuǎn)換而使熒光（或磷光）減弱甚至消失的過程。熒光強度的減弱或消失，稱為熒光猝滅。

無輻射躍遷：振動弛豫(VR)：激發(fā)態(tài)分子由同一電子能級中的較高振動能級轉(zhuǎn)至較低振動能級的過程，其效率較高。內(nèi)轉(zhuǎn)換(IC)：相同多重態(tài)的兩個電子能級間，電子由高能級回到低能級的分子內(nèi)過程。系間竄越(ISC)：激發(fā)態(tài)分子的電子自旋發(fā)生倒轉(zhuǎn)而使分子的多重態(tài)發(fā)生變化的過程。磷光(P)：從第一激發(fā)三重態(tài)的最低振動能級回到基態(tài)所發(fā)出的輻射。由于磷光的產(chǎn)生伴隨自旋多重態(tài)的改變，輻射速度遠小于熒光，磷光壽命為10-4~10s。輻射躍遷：熒光(F)：激發(fā)態(tài)的分子從第一激發(fā)單重態(tài)的最低振動能級回到基態(tài)所發(fā)出的輻射，壽命為10-8

10-11s。由于是相同多重態(tài)之間的躍遷，幾率較大，速度大，速率常數(shù)kf為106~109s-1。二、激勵方式1)光致發(fā)光：以可見光將電子激發(fā)到高能態(tài)而致發(fā)光3)電致發(fā)光：LED顯示器2)陰極射線發(fā)光：CRT顯示器三、發(fā)光性質(zhì)1)發(fā)射光譜線狀光譜連續(xù)光譜2)發(fā)光壽命：停止激發(fā)后能持續(xù)發(fā)光的時間超短余輝時間熒光材料的性能超長余輝時間熒光材料的性能和用途3)發(fā)光效率a)量子效率：發(fā)射光子數(shù)與吸收光子數(shù)（或電子數(shù)）之比b)功率效率：發(fā)光功率與吸收的光功率（或輸入電功率）之比c)流明效率：發(fā)射的光通量吸收光功率（或輸入電功率）之比四、熒光和磷光的應用1)作為一種定性和定量分析方法特點：靈敏度高。檢測限比吸收光譜法低1~3個數(shù)量級；線性范圍寬；選擇性比吸收光譜法好。因為能產(chǎn)生紫外可見吸收的分子不一定發(fā)射熒光或磷光；應用范圍不如吸收光譜法廣，因為有的分子不發(fā)熒光。2)作為發(fā)光器件的應用：照明器材和顯示器第六節(jié)受激輻射和激光一、受激輻射A21為自發(fā)輻射系數(shù)B21為受激輻射系數(shù)B12為受激吸收系數(shù)二、激活介質(zhì)紅寶石的能級圖Nd3+:YAG的能級圖實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的介質(zhì)三、光學諧振腔：使受激輻射在頻率、方向和偏振態(tài)上一致1)以兩面反射鏡實現(xiàn)光強的放大功能2)限制或選擇光束的方向3)選擇光的振蕩頻率4)實現(xiàn)激光束的輸出四、激光振蕩的條件實現(xiàn)振蕩的條件為:光的增益大于光的損耗五、激光器簡介1)氣體激光器：He-Ne原子激光器、CO2分子激光器、Ar+離子激光器，主要應用于大氣檢測、激光手術等2)液體激光器：已有機染料和稀土離子溶液為工作介質(zhì)，優(yōu)點是可以產(chǎn)生從紅外到紫外各種波長的激光，用于高分辨光譜學研究和瞬態(tài)測量等。3)固體激光器：常用過渡金屬離子和稀土金屬離子為激活中心，多用于醫(yī)科手術、光纖通信等。4)半導體激光器：利用III-V族、II-VI族化合物為發(fā)光材料，如GaAs,InP,PbS等。多用于光纖通信、光盤讀寫、激光打印、復印等。第四章熱學性能作業(yè)題

1、試用杜隆-珀替理論計算室溫(298K)時MgO的摩爾熱容

2、簡述示差掃描量熱法(DSC)的原理

3、簡述熱膨脹系數(shù)與比熱容、熔點的關系

4、試解釋金屬的熱導率大于非金屬和絕緣體的原因第五章光學性能作業(yè)題

1、試舉一例說明光的折射與反射現(xiàn)象的應用

2、以全色散曲線為例說明光介質(zhì)的色散規(guī)律

3、簡述激發(fā)態(tài)的失活途徑

4、簡述激光器的種類及應用一、能帶理論

能帶是現(xiàn)代物理學描寫固體中原子外層電子運動的一種圖象。按照原子理論，原子中的電子只有占據(jù)某些能級，然而在晶格中能級改變了，我們發(fā)現(xiàn)電子能在某些整個能帶(見圖1.1.1-2)內(nèi)運動，每一能帶是與一個原子的能級相關聯(lián)的。泡利不相容原理限制能占有某個nl原子能級的電子數(shù)，同樣這原理也限制一個結(jié)晶格的能帶內(nèi)所能容納的電子數(shù)。圖1.1原子的能限和結(jié)晶格中的能帶之比較第一節(jié)光電信息技術基礎第六章光電信息材料簡介1s2s2p3s鈉(1s22s22p63s1)晶體能帶滿帶

半滿帶空帶3p圖1.2導體內(nèi)的能帶1s2s2p3s價

帶(滿)導

帶(空)3p絕緣體能帶能

隙

較

大圖1.3絕緣體圖1.4半導體內(nèi)的能帶

圖1.5半導體中的雜質(zhì)：

(a)n型價帶(滿)導帶(空)能隙較小雜質(zhì)能級++++

圖1.5半導體中的雜質(zhì)：

(b)p型二、光電發(fā)射效應

物體受到光照后向外發(fā)射電子的現(xiàn)象稱為外光電效應或稱光電發(fā)射效應，這種多發(fā)生于金屬和金屬氧化物。在光電器件中，光電管、光電倍增管和某些光電器件都是建立在光電發(fā)射效應基礎上的。

光電發(fā)射效應的幾個規(guī)律。其中主要的基本定律和性質(zhì)有：

1、光電發(fā)射第一定律當入射光線的頻譜成分不變時，光電陰極的飽和光電發(fā)射電流IK

與被陰極所吸收的光通量ΦK

成正比。即

IK=SKΦK式中SK為表征光電發(fā)射靈敏度的系數(shù)。這個關系式看上去十分簡單，但卻非常重要。因為它是用光電探測器進行光度測量、光電轉(zhuǎn)換的一個最重要的依據(jù)。

3、光電發(fā)射第三定律

當光照射某一給定金屬或某種物質(zhì)時，無論光的強度如何