材料物理性能复习重点

第二章非组织敏感：弹性模量，热膨胀系数，居里点（成分）组织敏感性：内耗，电阻率，磁导率（成分及组织）相对电导率：IACS%定义：把国际标准纯软铜（在室温20度，电阻率为0.01724.mm2/m）的电导率作为100%，其它导体材料的电导率与之相比的百分数即为该导体材料的相对电导率。载流子：电荷的载体（电子，空穴，正离子，负离子）物体的导电现象的微观本质是：载流子在电场作用下的定向迁移迁移数tx，也称输运数（transferencenumber)定义为：式中：σT为各种载流子输运电荷形成的总电导率σx表示某种载流子输运电荷的电导率tx的意义：是某一种载流子输运电荷占全部电导率的分数表示。载流子与导电性能的关系：因素：单位体积中可移动的带电粒子数量N每个载流子的电荷量q载流子的迁移率μ迁移率：受到外加电场作用时，材料中的载流子移动的难易程度令μ=v/E，并定义其为载流子的迁移率。其物理意义为载流子在单位电场中的迁移速度。σ=Nqμ迁移率的影响因素：1.温度越高，平均碰撞间隔时间t越小，迁移率越小2.晶体缺陷越多，………………金属导电机制：载流子为自由电子。经典理论：所有自由电子都对导电做出贡献。所以有量子理论，两点基本改进:nef表示单位体积内实际参加热传导的电子数,即费米面能级附近参加电传导的电子数m*为电子的有效质量，考虑晶体点阵对电场作用的结果实际导电的载流子为费米面附近的自由电子！Txxtvmlne2电子的平均自由程m为电子的质量n为电子的密度n为电子的平均速度ffefvmlen*2产生电阻的根本原因：当电子波通过一个理想晶体点阵时（0K），它将不受散射；只有在晶体点阵完整性遭到破坏的地方，电子波才会受到散射（不相干散射）。理想晶体中晶体点阵的周期性受到破坏时，才产生阻碍电子运动的条件。（1）晶格热振动（温度引起的离子运动振幅的变化）（2）杂质的引入，位错及点缺陷在电子电导的材料中，电子与点阵的非弹性碰撞引起电子波的散射是电子运动受阻的本质原因。马西森定律：)(T与杂质浓度有关，有温度无关)(T与温度有关电阻率与温度的关系1）一般来说，温度越高，电阻率越大。在温度高于室温情况下)1(0Tt为电阻温度系数：Tt002）金属电阻率在不同范围内与温度变化的关系不同3)金属熔化时，电阻增高1.5-2倍，金属原子规则排列遭到破坏，增加了对电子散射。K，Na正常Sb反常，共价键变为金属键铁磁性金属有时发生反常。Tc:居里点铁磁性金属内d及s壳层电子云相互作用的特点决定的电阻率与压力的关系在流体静压下，大多数金属电阻率是下降的：)1(0PP原因：金属原子间距变小，内部缺陷形态，电子结构，费密能和能带结构都将发生变化，大部分金属电阻率是下降的。冷加工和缺陷对电阻率的影响冷变形-----晶格畸变---增加电子散射几率-----导致电阻率增加马西森定律：M、M表示与温度有关的退火金属的电阻率，剩余电阻率，与温度无关冷加工金属退火，可以回复到冷加工前金属的电阻值空位的产生：（1）形变；（2）高能粒子辐射中产生；（3）淬火也可以产生。位错：位错引起的电阻率的变化与位错密度之间呈线性关系固溶体的电阻率机理：加入溶质原子----溶剂的晶格发生扭曲畸变----破坏了晶格势场的周期性-----增加了电子散射几率……合金导电性降低固溶体组元的化学相互作用：一般电阻率最大在50%处，铁磁性及强顺磁性金属组成的固溶体有异常。有序合金的电阻率：组元的化学作用加强---导电电子数下降---电阻率增加晶体离子势场更对称---电子散射的几率下降---电阻率下降综合作用：电阻率比无序状态下降（一般）不均匀固溶体（K状态）的电阻率：K状态：在合金元素中含有过渡金属的，如Ni-Cr,Ni-Cu-Zn,Fe-Cr-Al等为单相合金，但回火时，电阻有反常升高，加工时电阻率下降。组元原子在晶体内不均匀分布-----内部原子的聚集---增加电子的散射几率----电阻升高冷加工在很大程度上消除了这种不均匀状态小结：缺陷，杂质，第二组元可以考虑为“缺陷”，一般而言，均匀分布的缺陷比其呈原子团方式分布时，迁移率降低更多，电阻率上升更多。问题：许多工程应用中，要求金属导线具有高强度和高导电率的综合性能，假设足够高的强度可以通过冷加工获得，也可以由固溶强化获得，从电导角度看，采用哪种方式？为什么？因为缺陷毕竟占少数。本征导电：晶体点阵的基本离子由于热振动离开晶格，形成热缺陷，而成为导电的载流子杂质导电：参加导电的载流子主要是杂质离子导电理论：1.无外加电场时间隙离子在晶体中各方向的“迁移”次数都相同，宏观上无电荷定向运动，故介质中无电导现象。2.有外加电场时由于电场力的作用，晶体中间隙离子的势垒不再对称，如图，对于正离子，受电场力作用，F=qE，F与E同方向，因而正离子顺电场方向“迁移”容易，反电场方向“迁移”困难。离子导电是离子在电场作用下的扩散现象：(1)空位扩散以空位作为载流子扩散；MgO(2)间隙扩散是间隙离子作为载流子的直接扩散运动，即从某一个间隙位置扩散到另一个间隙位置。当间隙离子较大时，如果直接扩散必然要产生较大的晶格畸变。因此，这种扩散很难进行。一般间隙扩散比空位扩散需要更大的能量。(3)亚晶格间隙扩散由于间隙离子较难扩散，在这种情况下，往往产生间隙-亚晶格扩散，即某一间隙离子取代附近的晶格离子，被取代的晶格离子进入晶格间隙，从而产生离子移动。此种扩散运动由于晶格变形小，比较容易产生。Nernst-Einstein方程：kTnqD2nqBkTkTqD其中qBB：离子绝对迁移率离子导电的影响因素：1）温度的影响T增加，电导率升高高温区：本征导电低温区：杂质导电2）离子性质晶体结构改变导电激活能实现的熔点高----结合力大---导电激活能高—电导率下降晶体有较大间隙----激活能低----电导率升高碱卤化物：负离子半径增大---正离子激活能降低---电导率升高NaF216kJ/molNaCl169kJ/molNaI118kJ/mol一价正离子尺寸小，电荷少，活化能低高价正离子，价键强，激活能高，迁移率低，电导率低3）点缺陷的影响：点缺陷的存在提高了离子的导电性！热激活产生空位不等价掺杂环境气氛使正负离子化学计量比发生变化固体电解质：具有离子导电的固体物质快离子导体：某些固体电解质的电导率比正常离子化合物的电导率高出几个数量级半导体本征半导体：纯净的无结构缺陷的半导体。行为仅仅由固有的性质决定的。导电行为取决于元素或化合物的能带结构。非本征(杂质)半导体：由于外部作用而改变导体固有性质的半导体。半导体与绝缘体有相似的能带结构，不过能带间隙较小而已。导带的电子与价带的空穴均是载流子，在本征半导体中导带电子与价带空穴是一一对应的。peNN根据本征载流子占据能级的概率和对其能带的能态密度进行积分运算等，可得到本征载流子的浓度表达式：)2exp(0kTENNgeEg——禁带宽度)2/exp()()()(0kTEqNNqNNqqNgpeepeeeppeee讨论已有的温度的影响。1）qe与T无关2）电子与空穴的迁移率随温度升高而直线降低3）载流子数量随温度升高而呈指数规律增加（占主导）在有限的温度范围内，温度对迁移率的影响很小。N型半导体和P型半导体统称为杂质半导体，与本征半导体相比，具有如下特性：（1）掺杂浓度与原子密度相比虽很微小，但是却能使载流子浓度极大地提高，导电能力因而也显著地增强。掺杂浓度愈大，其导电能力也愈强。（2）掺杂只是使一种载流子的浓度增加，因此杂质半导体主要靠多子导电。自由电子或靠空穴导电。类型σE*n本征)(0heeqNEg2N型eeqN0Ec-Ed1P型heqN0Ea1)exp(*0nkTEeN型P型超导体超导电性：在一定温度下，金属突然失去电阻的现象。超导态：金属失去电阻的状态正常态：金属具有电阻的状态超导体的特性及三个性能指标1.完全导电性2.完全抗磁性3.通量量子化相对应的指标有：临界转变温度：Tc（140K）临界磁场强度：Bc(破坏超导态的最小磁场)当TTc，BBc时，破坏超导态，显然，Bc的大小与温度有关临界超导电流：Jc保持超导态的最大输入电流，与磁场作用有关。总结：只有在一定温度和磁场内才有超导性。第三章材料的介电性能电容：两个临近导体加上电压后存储电荷能力的量度。是表征电容器容纳电荷本领的物理量。如果介电介质为真空：dAVQC/00真空介电常数：ε0=8.85×10-12F.m-1(法拉/米)介电常数是描述某种材料放入电容器中增加电容器存储电荷能力的物理量。dAdACCrr//00极化：某些物质在电场作用产生束缚电荷的现象。电介质：在电场作用下能建立极化的物质。介电材料：放在平板电容器中增加电容的材料，是一类特殊的电介质。电偶极矩：带有等量异号电荷并且相距一段距离的荷电质点，形成电偶极矩电偶极子：具有一个正极和一个负极的分子或结构.极化电荷：和外电场相垂直的电介质表面分别出现的正负电荷，不能自由移动，也不能离开，总保持电中性。极化强度P：电介质极化程度的量度，单位体积内的电偶极矩，数值上等于分子表面电荷密度σ；P它和实际有效电场有关，实际电场包括(1)外加电场；(2)极化电荷自身形成的电场1reEPe0)1(0rEP电位移D可表示为EEPEDr00电介质极化的机制：电子极化，离子极化，电偶极子取向，空间电荷极化，分别对应电子、原子、分子和空间电荷情况。1）位移极化：由电子或离子位移产生电偶极距而产生的极化。分为电子位移极化和离子位移极化。1.1电子位移极化：材料在外电场的作用下，原子中的电子云将偏离带正电的原子核这个中心，原子就成为一个暂时的感应的偶极子。这种极化可以在光频下进行，10-14-10-10S；可逆；与温度无关；产生于所有材料中电子极化率的大小与原子(离子)的半径有关3034Re1.2离子位移极化：极化晶体中负离子和正离子相对于它们的正常位置发生位移，形成一个感生偶极矩。可逆；反应时间为10-13-10-12S；温度升高，极化增强；产生于离子结构电介质中离子位移极化率：0341naa2）驰豫极化：外加电场作用于弱束缚荷电粒子造成，与带电质点的热运动密切相关。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。为非可逆过程。2.1电子驰豫极化：由于晶格的热运动，晶格缺陷，杂质引入，化学成分局部改变等因素，使电子能态发生改变，导致位于禁带中的局部能级中出现弱束缚电子，在热运动和电场作用下建立相应的极化状态。不可逆；反应时间为10-2－10-9S；多产生于Nb,bi,Ti为基的氧化物陶瓷中；随温度升高变化有极大值。2.2离子驰豫极化：弱联系离子在电场和热作用下建立的极化弱联系离子：在玻璃状态的物质、结构松散的离子晶体、晶体中的杂质或缺陷区域，离子自身能量较高，易于活化迁移，这些离子称为弱联系离子。不可逆；反应时间为10-2－10-5S；随温度变化有极大值。极化率kTqaT1222q为离子荷电量；δ为弱离子电场作用下的迁移；3）取向极化：沿外场方向的偶极子数大于和外场反向的偶极子数，因此电介质整体出现宏观偶极矩。这种极化与永久偶极子的排列取向有关，又称分子极化（或偶极子极化）。热运动：无序电场：有序（1）在包括硅酸盐在内的离子键化合物与极性聚合物中是普遍存在的；（2）响应时间10-2~10-10S；（3）这种极化在去掉电场后能保存下来，因而涉及的偶极子是永久性的；（4）随温度变化有极大值。4)空间电荷极化：可动的载流子受到电场作用移动，受到阻碍而排列于一个物理阻碍前面时产生的极化。物理阻碍：晶界，相界，自由表面，缺陷。反应时间很长，几秒到数十分钟；随温度升高而减弱；存在于结构不均匀的陶瓷电介质中；小结：（1）总的极化强度是上述各种机制作用的总和。（2）材料的组织结构影