材料物理性能汇总

※材料的导电性能1、霍尔效应电子电导的特征是具有霍尔效应。置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势差，这种现象称霍尔效应。形成的电场EH，称为霍尔场。表征霍尔场的物理参数称为霍尔系数，定义为：霍尔系数RH有如下表达式：enRiH1表示霍尔效应的强弱。霍尔系数只与金属中自由电子密度有关2、金属的导电机制只有在费密面附近能级的电子才能对导电做出贡献。利用能带理论严格导出电导率表达式：式中：nef表示单位体积内实际参加传导过程的电子数；m*为电子的有效质量，它是考虑晶体点阵对电场作用的结果。此式不仅适用于金属，也适用于非金属。能完整地反映晶体导电的物理本质。量子力学可以证明，当电子波在绝对零度下通过一个完整的晶体点阵时，它将不受散射而无阻碍的传播，这时电阻为零。只有在晶体点阵完整性遭到破坏的地方，电子波才受到散射(不相干散射)，这就会产生电阻——金属产生电阻的根本原因。由于温度引起的离子运动(热振动)振幅的变化(通常用振幅的均方值表示)，以及晶体中异类原子、位错、点缺陷等都会使理想晶体点阵的周期性遭到破坏。这样，电子波在这些地方发生散射而产生电阻，降低导电性。3、马西森定律（P94题11）试说明用电阻法研究金属的晶体缺陷（冷加工或高温淬火）时威慑年电阻测量要在低温下进行。马西森（Matthissen）和沃格特（Vogt）早期根据对金属固溶体中的溶质原子的浓度较小，以致于可以略去它们之间的相互影响，把金属的电阻看成由金属的基本电阻ρL(T)和残余电阻ρʹ组成，这就是马西森定律（MatthissenRule），用下式表示：ρʹ是与杂质的浓度、电缺陷和位错有关的电阻率。ρL(T)是与温度有关的电阻率。4、电阻率与温度的关系金属的温度愈高，电阻也愈大。若以ρ0和ρt表示金属在0℃和T℃温度下的电阻率，则电阻与温度关系为:在t温度下金属的电阻温度系数：5、电阻率与压力的关系在流体静压压缩时，大多数金属的电阻率降低。在流体静压下金属的电阻率可用下式计算式中：ρ0表示在真空条件下的电阻率；p表示压力；φ是压力系数(负值10-5~10-6)。正常金属（铁、钴、镍、钯、铂等），压力增大，金属电阻率下降；反常金属（碱土金属和稀土金属的大部分）6、缺陷对电阻率的影响：不同类型的缺陷对电阻率的影响程度不同，空位和间隙原子对剩余电阻率的影响和金属杂质原子的影响相似。点缺陷所引起的剩余电阻率变化远比线缺陷的影响大。7、固溶体的电阻率形成固溶体时电阻率的变化：当形成固溶体时，合金导电性能降低。因为在溶剂晶格中溶入溶质原于时，溶剂的晶格发生扭曲畸变，破坏了晶格势场的周期性，从而增加了电子散射几率，电阻率增高。所当然的，且原于半径差越大，固溶体电阻也越大。但是，点阵畸变不是固溶体电阻增大的唯一原因。有序合金电阻率（会分析电阻率的变化）两个因素：固溶体有序化合金组元化学作用加强电子结合更强导电电子数减少电阻率增加固溶体有序化离子势场更为对称电子散射几率大幅降低电阻率减小通常，第二个因素的作用占优势，故当合金有序化时，电阻率降低。8、晶体离子电导离子电导是带电荷的离子载流子在电场作用下的定向运动。离子电导分两种情况：本征电导（固有离子电导）、杂质电导。本征电导：组成晶体点阵的基本离子由于热运动而离开晶格，形成热缺陷，这种热缺陷无论是离子或空位都可以在电场作用下成为导电的载流子，参与导电。杂质电导：由固定相对较弱的离子运动引起的，主要是杂质离子。一般情况下，由于杂质离子与晶格联系弱，所以，在较低温度下杂质电导表现显著，而本征电导在高温下才成为导电主要表现。热缺陷的浓度取决于温度和缺陷的形成能。离子导电的影响因素：1)温度的影响：温度以指数形式影响其电导率。随着温度从低温向高温增加，其电阻率的对数的斜率会发生变化，即出现拐点。注意，在分析右曲线时，拐点并不一定是离子导电机制变化，也可能是导电载流子种类发生变化。2)离子性质、晶体结构的影响（会判断）：晶体熔点高，原子之间的结合力大，导电激活能高，电导率降低。9、半导体（用能带结构理论解释n、p型半导体的区别）特点：（p型）靠近价带顶部形成受主能级。（n型）靠近倒带底部形成施主能级。10、超导体超导体的两个物理特性：完全导电性、完全抗磁性。两类超导体的基本特征：（1）第一类超导体：Hc和Ic很低，由于其临界电流密度和临界磁场较低，几乎没有实用的可能性。（2）第二类超导体：除金属元素钒、锝和铌外，第II类超导体主要包括金属化合物及其合金。库柏（Cooper)电子对当电子间有净的吸引作用时，费密面附近的两个电子将形成束缚的电子对的状态，它的能量比两个独立的电子的总能量低，这种电子对状态称为库柏对。11、电阻的测量方法及应用（特点、适用范围，会选择）A.电桥法测量直流电阻最常用的方法优点：测量的准确度几乎等于标准量的准确度。缺点：测量过程中，为获得平衡状态，需进行反复调节，测试速度慢，不能适应大量、快速测量的需要。直流单电桥测电阻的范围在1Ω～1MΩ之间。双臂电桥（凯尔文电桥），测量直流小电阻。B.电位差计法优点：测金属电阻随温度变化时C.直流四探针法（四电极法）主要用于半导体材料或超导体等低电阻率的测试D.电阻法测量固溶体溶解度曲线、研究合金时效、研究马氏体转变、研究疲劳和裂纹扩展、研究有序转变、钢的回火及过冷奥氏体分解等。※材料的介电性能1、相对介电常数εr=C/Co物理意义：反映了电介质材料在静电场中的极化特性2、电介质：通常指电阻率大于1010Ω·cm的一类在电场中以感应而并非传导的方式呈现其电学性能的材料。在电场作用下建立极化的物质。介电常数ε是表征电介质的最基本的参量。3、电介质的极化：在电场作用下，正、负束缚电荷只能在微观尺度上作相对位移，不能作定向运动。正负束缚电荷间的相对偏移，产生感应偶极矩。在外电场作用下,电介质内部感生偶极矩的现象，称为电介质的极化。4、电介质的极化机制注意：铁电体中自发极化的产生是不需要外加电场诱导的，完全是由特殊晶体结构诱发的。极化强度：电介质在电场作用下的极化程度用极化强度矢量P表示，极化强度P是电介质单位体积内的感生偶极矩，可表示为：单位为库仑/米2(C/m2)说明：(1)真空中P=0，真空中无电介质。(2)导体内P=0，导体内不存在电偶极子。(3)电偶极子排列的有序程度反映了介质被极化的程度，排列愈有序说明极化愈烈。介电系数是综合反映介质内部电极化行为的一个主要宏观物理量。5、电介质极化类型（包括电子位移极化、）；驰豫极化（电子驰豫极化、离子驰豫极化）；取向极化；空间电荷极化。弹性位移极化（瞬时极化）（1）电子位移极化：在外电场作用下，原于外围的电子轨道相对于原子核发生位移，原子中的正、负电荷重心产生相对位移。响应时间为10-14~10-16S可见光频段（2）离子位移极化：离子在电场作用下偏移平衡位置的移动，相当于形成一个感生偶极矩；也可以理解为离子晶体在电场作用下离子间的键合被拉长。响应时间为10-12~10-13S微波频段注：只有当分子结构有极化时，离子的位移极化才表现的较为突出，在无极性分子中离子位移极化率很小，这时仍以电子极化为主。驰豫（松弛）极化概念：当材料中存在着弱联系的电子、离子和偶极子等弛豫质点时，温度造成的热运动使这些质点分布混乱，而电场使它们有序分布，平衡时建立了极化状态。这种极化具有统计性质，称为热弛豫(松弛)极化。特点：（1）与热运动有关；（2）极化需要克服一定的势垒，因而需要消耗一定的能量。是非弹性的；（3）不可逆；（4）带电质点热运动距离远。VPlim(a)(b)电场方向包括：（1）电子驰豫极化αeT响应时间为10-2~10-9S（2）离子驰豫极化αaT响应时间为10-2~10-5S无线电频率取向（转向）极化概念：指极性介电体的分子偶极矩在外电场作用下，沿外施电场方向转向，而产生宏观偶极矩的极化。注：介质中存在固有电矩。响应时间为10-2~10-10S无线电频率空间电荷极化概念：离子多晶体的晶界处、晶体缺陷、微区夹层与不均质结构等存在空间电荷，这些混乱分布的空间电荷，在外电场作用下，趋向于有序化，即空间电荷的正负电荷质点分别向外电场的负、正极方向移动，从而表现为极化。响应时间：大约几秒到数十分钟，甚至数十小时。注：只对直流和低频下的强度有贡献。6、损耗因子（P141题1）7、压电效应（Piezoeletriceffect)单晶、多晶、陶瓷压电性就是指某些晶体材料按所施加的机械应力成比例地产生电荷的能力。正压电效应-----当对石英晶体在一定方向上施加机械应力时，在其两端表面上会出现数量相等、符号相反的束缚电荷；而且在一定范围内电荷密度与作用力成正比。逆压电效应----石英晶体在一定方向的电场作用下，则会产生外形尺寸的变化，在一定范围内，其形变与电场强度成正比。8、石英晶体的压电性当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布在正六边形的顶角上，形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、P2、P3。如图(a)所示。因为P=qL（q为电荷量，L为正负电荷之间的距离），此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即P1+P2+P3＝0所以晶体表面不产生电荷，呈电中性。当晶体受到沿x方向的压力（Fx0）作用时，晶体沿x方向将产生收缩，正、负离子的相对位置随之发生变化，如图(b)所示。此时正、负电荷中心不再重合，电偶极矩P1减小，P2、P3增大，它们在x方向上的分量不再等于零:(P1+P2+P3)x0在y、z方向上的分量为：(P1+P2+P3)y=0(P1+P2+P3)z=0当晶体受到沿x方向的拉力（Fx＞0）作用时，其变化情况如图(c)所示。电偶极矩P1增大，P2、P3减小，此时它们在x、y、z三个方向上的分量为(P1+P2+P3)x0(P1+P2+P3)y=0(P1+P2+P3)z=0在x轴的正向出现负电荷，在y、z方向依然不出现电荷。可见，当晶体受到沿x(电轴)方向的力Fx作用时，它在x方向产生正压电效应，而y、z方向则不产生压电效应。晶体在y轴方向受力Fy作用下的情况与Fx相似。当Fy＞0时，晶体的形变与图（b）相似；当Fy＜0时，则与图（c）相似。由此可见，晶体在y（即机械轴）方向的力Fy作用下，在x方向产生正压电效应，在y、z方向同样不产生压电效应。晶体在z轴方向受力Fz的作用时，因为晶体沿x方向和沿y方向所产生的正应变完全相同，所以，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这就表明，在沿z(即光轴)方向的力Fz作用下，晶体不产生压电效应。9、压电陶瓷的压电效应i10、压电振子：当向一个具有一定取向和形状制成的有电极的压电晶片(或极化了的压电陶瓷片)输入电场，其频率与晶片的机械谐振频率一致时。就会使晶片因逆压电效应而产生机械谐振，这种晶片称为压电阵子。11、影响材料压电性能的因素晶体结构：压电效应只能在不具有对称中心的晶体内才能发生，具有对称中心的晶体都不具有压电效应。非极性分子基本不呈现压电性，空间电荷不均一分布的有可能出现压电性。压电材料的预极化：所谓预极化就是在宏观不呈现压电效应的压电陶瓷上加上一个强直流电，使陶瓷中的电畴沿电场方向取向排列。时间、温度：升高温度会使压电性能下降。12、材料的热释电性概念：某些晶体除了由于应力产生电荷以外，温度的变化也可以引起电极状态的改变，因此当均匀加热时，这类晶体能够产生极化而形成偶极子。这种效应称为热释电效应（Pyroelectriceffect)。热释电效应是由于晶体中存在自发极化而引起的。注：（1）具有对称中心的晶体不可能具有热释电性。（2）具有压电性的晶体不一定就具有热释电性，仅当晶体中存在有与其它极轴都不同的唯一极轴时，才可能有热膨胀引起晶体总电矩的改变，从而表现为热释电性。13、材料的铁电性电滞回线（图见下右图）及几个重要参量：饱和极化强度Ps、剩余极化强度Pr、矫顽电场Ec、居里温度Tc电畴：由于电退极化场与极化方向反向，使静电能升高。在受机械约束时，伴随着自发极化的