江大材料物理性能复习资料

第一章材料的热学性能1.热容的概念(P42)：热容是分子或原子热运动的能量随温度变化而变化的物理量，其定义是物体温度升高1K所需增加的能量。温度不同，物体的热容不一定相同，温度T时物体热容为：)/()(KJTQCTT（简单点就直接用这个吧：TQC）PS：物理意义：吸收热量提高点阵振动能量，对外做功，加剧电子运动比热容（单位质量）：TmQC2.晶体热容的经验定律(P42)：杜隆—珀替定律：恒压下元素的原子热容为25J/(K·mol)奈曼—柯普定律：化合物热容等于构成此化合物各元素原子热容之和3.从材料结构比较金属、无机非金属、高聚物的热容大小(P46)：A金属：a纯金属：热容由点阵振动和自由电子运动两部分组成：TTCCCeVLVV3b合金金属：符合奈曼—柯普定律niiminmnmmmCxCxCxCxC12121B无机非金属：a符合热容理论，一般都是从低温时的一个低数值增加到1273K左右近似于25J/(K·mol)的数值；b无机材料热容与材料结构关系不大，但单位体积热容与气孔率有关，多孔质轻热容小；c当材料发生相变：一级相变：体积突变，有相变潜热，温度Tc热容无穷大，不连续变化；二级相变：无体积突变，无相变潜热，在转变点热容达到有限极大值(P47C高聚物：多为部分结晶或无定型结构，热容不一定符合理论式，热容相对较大，且由化学结构决定，温度升高链段振动加剧，改变链运动状态（主链、支链（链节、侧基））。4.从材料结构比较金属、无机非金属、高聚物的热传导机制(P53)：A金属：有大量自由电子，且电子质轻，实现热量迅速传递，热导率一般较大。纯金属温度升高使自由程减小作用超过温度直接作用，热导率随温度上升而下降；合金热传导以自由电子和声子为主，因异类原子存在，温度本身起主导作用，热导率随温度上升增大。B无机非金属：晶格振动为主要传导机制，即声子热导为主，约为金属热传导的三十分之一。C高聚物：热导率与温度关系比较复杂，但总体来说热导率随温度的增加而增加。高聚物主要依靠链段运动传热为主，而高分子链段运动比较困难，热导能力比较差。5.材料热膨胀物理本质：热膨胀是指物体体积或长度随温度升高而增大的现象。膨胀是原子间距（晶格结点原子振动的平衡位置间的距离）增大的结果，温度升高，原子平衡位置移动，原子间距增大，导致膨胀。双原子模型：P49图2-6.图2-5热焓、热容与加热温度的关系)。6.热膨胀系数和熔点之间的关系(P49)：温度升高至熔点，原子热运动突破原子间结合力，破坏原固态晶体结构变为液态，所以固态晶体膨胀有极限值。格律乃森定律：CVVVTTmmV00(C为常数，约在0.06-0.076之间，)线膨胀系数与熔点：022.0mlT固态晶体熔点越高，膨胀系数越低，间接反映晶体原子间结合力大小。（增大）7.热分析法概念：测量材料在加热或冷却过程中热效应所产生的温度和时间的关系。但材料固态相变时，产生的热效应小，普通热分析测量精度不高。8.差热分析法概念：在程序控温下，将被测物与参比物在相同条件下加热或冷却，测量试样与参比物之间的温差随温度、时间的变化关系。对参比物的要求：应为热惰性物质，在测试温度范围内本身不发生分解、相变、破坏，也不与被测物质发生化学反应，且比热容、热传导系数应尽量与试样接近。（如硅酸盐采用Al2O3、MgO；钢铁采用镍。）9.热应力(P63)：由于材料热膨胀或收缩引起的内应力称为热应力。材料内应力：)()(0TTEllE产生原因：杆件材料两端完全刚性约束，热膨胀无法实现，则杆件与支撑体间产生很大应力；多相组成材料，不同相膨胀系数不同，温度变化时各相膨胀收缩量不同而相互牵制产生热应力；各相同性材料，存在温度梯度时也会产生热应力。10.抗热冲击断裂(P64)：发生瞬时断裂，抵抗这类破坏的性能。第一热应力断裂抵抗因子：max)1(TERf最大热应力max不超过强度极限f，则材料安全。材料可承受温度变化范围越大，热稳定性约好。第二热应力断裂抵抗因子：ERf)1(，hrSRTm31.01maxR越大，热稳定性约好。（散热）第三热应力断裂抵抗因子：apRCRR（冷却速率）抗热冲击损伤(P62)：在热冲击循环作用下，材料表面开裂、剥落，并不断发展，最终碎裂或变质，抵抗这种破坏的性能称为抗热冲击损伤性能。抗热应力损伤因子RR和，二者值越高抗热损伤性能越好。11.提高抗热冲击断裂措施(P69)：1)提高材料强度，减小弹性模量E，使E提高（同种材料若晶粒细小、晶界缺陷小、气孔少且分散均匀，往往强度高，抗热冲击性能好）。2)提高材料的热导率，提高R（大的材料传递热量快，材料内外温差较快得到缓解、平衡，降低短期热应力的聚集）。3）减小材料的热膨胀系数，热膨胀系数小的材料，在同样温差下产生热应力小。4）减小表面热传递系数h，保持缓慢散热降温。5）减小产品的有效厚度mr。第二章材料的导电性能1.超导电性(P115)：一定低温条件下，材料突然失去电阻的现象。（超导态电子对运动不耗能）超导体的两个基本特性：A完全导电性：电阻为零，超导体为等电位，内部没有电场。B完全抗磁性（迈斯纳效应）：屏蔽磁场和排除磁通的性能。2.固溶体的导电性：1）固溶体组元浓度影响：形成固溶体合金导电率降低，原因A溶质原子引起溶剂点阵畸变，破坏晶格势场周期性，增加电子散射概率，增大电阻率；B组元间化学相互作用增强，有效电子数减少，电阻率增大。2）有序固溶体：A组元间化学相互作用加强，电子结合比无序固溶体强，电子数减少，电阻率增强；B晶体的离子电场有序化后更对称，减少电子散射，电阻降低，这一因素占优势。总体合金电阻降低。3）不均匀固溶体：冷加工变形使电阻减小。形成不均匀固溶体时，点阵形成原子偏聚，偏聚区成分与固溶体成分不同，原子聚集区域的集合尺寸与电子波波长相当（1nm），可强烈散射电子波，提高合金电阻率。聚集区域的原子为有序排列，冷加工能有效地破坏固溶体中的这种近程有序状态，是不均匀组织变成无序的均匀组织，因此合金电阻率明显降低。温度、压力、形变对于导电性质的影响温度：金属电阻率随温度升高而增大，温度升高会使离子振动加剧，热振动振幅加大，原子的无序度增加，周期势场的涨落也加大。这些因素都使电子运动的自由程减小，散射概率增加而导致电阻率增大。大多数金属在熔化成液态时，其电阻率会突然增大约1.5~2倍，这是由于原子排列的长程有序被破坏，从而加强了对电子的散射，引起电阻增加。应力的影响：弹性应力范围内的单向拉应力，使原子间的距离增大，点阵的畸变增大，导致金属的电阻增大。高的压力往往能导致物质的金属化。引起导电类型的变化，而且有助于从绝缘休—半导体—金属—超导体的转变。冷加工变形的影响：引起金属电阻率增大，是由于冷加工变形使晶体点阵畸变和晶体缺陷增加，特别是空位浓度的增加，造成点阵电场的不均匀而加剧对电子散射的结果。若对冷加工变形的金属进行退火，使它产生回复和再结晶，则电阻下降。再结晶生成的新晶粒的晶界增多，对电子运动的阻碍作用增强所造成的，晶粒越细，电阻越大。（回复退火可以显著降低点缺陷浓度，因此使电阻率有明显的降低。再结晶过程可以消除形变时造成的点阵畸变和晶体缺陷，所以再结晶可使电阻率恢复到冷变形前的水平。）3.金属化合物导电性：合金导电率比纯组元低，因原子间一部分金属键转化成共价键或离子键，有效电子数减少，电阻率增高。4.多相合金的导电性：与组成相的导电性、相对量、合金的组织形态有关。5.影响金属导电性的因素(P119)：1）温度：温度升高，热振动振幅加大，原子无序度增加，电子运动自由程减小，散射概率增大，电阻率增大。)1(0TT2）应力：拉应力使原子间距增大，点阵畸变增大，电阻增大。电阻率)1(0。3）冷加工变形(塑性变形)：使晶体点阵畸变，晶体缺陷增加，空位浓度增加，造成离子场不均匀，对电子波散射率增大，导致电阻增加。回复退火再结晶降低缺陷浓度，降低电阻率。6.三个热电效应概念及物理本质：热电效应指热与电的转换效应1)第一热电效应（塞贝克效应P141）：两种不同导体组成一个闭合回路，若两接头处存在温差，回路中将有电势及电流产生。回路中产生的电势、电流称为热电势、热电流；该回路称为热电偶或温差电池。产生机理：A接触电位差：原因a两种金属的电子逸出功（电子从金属表面逸出所需的最小能量，与金属表面势垒E0和费米能级EF有关）不同，电位差1212)(1VVeVab；b两种金属自由电子密度不同，电位差bannekTVln12。B温差电位差：指金属两端温度不同引起热流，造成自由电子流动，从而引起的电位差。热端高能电子向冷端扩散，热端带正电，冷端带负电，金属内部产生阻止电子扩散的温差电场，稳定后为Va（T1，T2）、Vb(T1，T2)。总电位差：),(),(2ln)(),(),()()(21121212121121221211212TTVTTVnnekTTTTVTTVTVTV塞贝克效应应用：测量温度、温差发电、材料成分组织分析。中间金属定律：一系列金属串联的接触电势，只要中间金属两端温度相同，不论其性质如何都与中间金属无关，只与两端金属有关。2）第二热电效应（波尔帖效应P148）：指电流通过两个不同金属接触点，除电流产生焦耳热，还额外产生放热吸热的现象。焦耳热与电流方向无关，波尔贴热与电流方向有关且热力学可逆。正反通电，两次的热量差为2Q（两倍波尔帖热）。产生机理：用接触电位差解释（P149图4-53），A接头处两金属接头有接触电位差V12，阻碍电流电子运动，电子反抗电场力做功eV12，电子动能减小；减速电子与金属原子相碰，从金属原子获得动能，则该处温度降低，需从外界吸收能量。B接头处接触电位差使电子运动加速，电子动能增加eV12，碰撞将动能传递给原子，温度升高释放热量。3）第三热电效应（汤姆逊效应P149）：指当电流通过有温差的导体时，会有一横向热流流入或流出导体（横向吸热或放热），其方向视电流或温度梯度方向而定的现象：dxdTIdtdQ。产生机理：（P149图4-54）金属存在温差时，高温端电子扩散快为正电，低温端为负电，形成高温端指向低温端的电位差，当外加电流与V(T1，T2)同向时，电子被温差电场加速获得能量，与晶格碰撞传给晶格，金属能量升高并放热。外加电流反向则吸热。一个由两种导体组成的回路，接触端温度不同，三种热效应会同时产生：塞贝克热效应产生热电势、热电流，热电流通过接触点要吸收或放出波尔帖热，通过导体时要吸收或放出汤姆逊热。第三章材料的介电性能1.电介质（P154）：放在平板电容器中增加电容的材料称为介电材料。电介质即在电场作用下能建立极化的物质。2.束缚（感应）电荷：在真空平板电容中嵌入一块电介质，外加电场时，正极板附近的介质表面感应出负电荷，负极板介质表面感应出正电荷，这种感应出的表面电荷称为束缚电荷。3.电介质极化：电介质在电场作用下产生束缚电荷的现象，可使电容器增加电荷的存储能力。4.电介质的压电性、热释电性、铁电性的产生条件：1）压电性（P181）：在晶体的一些特定方向上加力，在力的垂直方向的平面出现正、负束缚电荷的现象。产生条件：A必须是电介质；B结构必须带有正、负电荷的质点，有离子或离子团的存在，即必须为离子晶体或由离子团组成的分子晶体；C结构没有对称中心。2）热释电性(P182)：晶体由于温度作用使电极化强度变化。条件：A具有自发极化（固有极化）能力的晶体；B在结构上有极轴（晶体唯一的轴，轴两端有不同的性质，采用对称操作不能与其他晶向重合的方向）C结构没有对称中心。3）铁电性：晶体中极化强度随外加电场变化而变化的性质。一般电介质、压电体、热释电体、铁电体存在的宏观条件一般电介质压电体热释电体铁电体电场极化电场极化电场极化电场极化无对称中心无对称中心无对称中心自发极化自发极化极轴极轴电滞回线第四章材料的磁学性能1.原子磁矩包括电子轨道