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本課程主要內(nèi)容（Contents） 材料的電學(xué)性能 材料的磁學(xué)性能 材料的光學(xué)性能 材料的彈性與內(nèi)耗 材料的熱學(xué)性能 前言（Introduction) 物理性能是材料科學(xué)研究重要組成部分，材料科學(xué)包括：制備與合成、性能、應(yīng)用 基礎(chǔ)是：物理學(xué)、化學(xué)等學(xué)科，是這些學(xué)科在材料性能方面的應(yīng)用 無機(jī)材料的不同領(lǐng)域 性能方面區(qū)別：電子材料、磁性材料、生物材料、水泥、玻璃、陶瓷材料、耐火材料等 第一章 材料的電學(xué)性能 概述 材料的電學(xué)性能大致上包含 導(dǎo)電性 超導(dǎo)電性 介電性 磁電性 熱電性 接觸電性 熱釋電性和壓電性 光電性 導(dǎo)電性 導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體 不同材料具有不同的導(dǎo)電性，根據(jù)材料導(dǎo)電性的好壞，即按ρ值的大小把材料進(jìn)行分類。 的為導(dǎo)體材料，其中純金屬的ρ值為10-8～10-7，合金的ρ值為10-7～10-5； ρ值為10-3～109的為半導(dǎo)體材料； 的為絕緣體材料。 雖然物質(zhì)都是由基本粒子構(gòu)成的，但導(dǎo)電性的差異卻非常顯著。 究竟是什么原因造成材料導(dǎo)電性的如此明顯的差別呢？ 與物質(zhì)的能帶結(jié)構(gòu)及其被電子填充的性質(zhì)有關(guān) 晶體的能帶 晶體的能帶中，物質(zhì)的導(dǎo)電性反映為： (價(jià)帶：valence band; 導(dǎo)帶：conduction band; 禁帶：band gap） 它的價(jià)帶是否被填滿 是否存在禁帶 禁帶寬度的大小 導(dǎo)體與非導(dǎo)體的區(qū)別 金屬導(dǎo)體的能帶分布 一是價(jià)帶和導(dǎo)帶重疊，而無禁帶； 二是價(jià)帶未被價(jià)電子填滿，所以這種價(jià)帶本身就是導(dǎo)帶。這兩種情況下的價(jià)電子就是自由電子，所以金屬導(dǎo)體即使在溫度較低的情況下仍有大量的自由電子，具有很強(qiáng)的導(dǎo)電能力。 非導(dǎo)體（包括半導(dǎo)體和絕緣體）在絕對(duì)零度時(shí)，其能帶情況是滿價(jià)帶和空 導(dǎo)帶且有禁帶，故基本無 導(dǎo)電能力。 半導(dǎo)體和絕緣體的區(qū)別 半導(dǎo)體和絕緣體的能帶圖的區(qū)別僅是禁帶寬度的大小。（絕緣體：3ev~6ev， 半導(dǎo)體: 0.1 ev~2ev) 禁帶寬度的大小就影響到自由電子數(shù)量的多少，禁帶寬度小，自由電子多，反之就少。 金屬的導(dǎo)電性 金屬的導(dǎo)電機(jī)制與馬基申定則 當(dāng)電子波在絕對(duì)零度下通過一個(gè)理想的晶體點(diǎn)陣時(shí)，它將不會(huì)受到散射而無阻礙地傳播，這時(shí)ρ＝0，而σ為無窮大，即此時(shí)的材料是一個(gè)理想的導(dǎo)體。 只有在晶體點(diǎn)陣的完整性以及由于晶體點(diǎn)陣離子的熱振動(dòng)，晶體中的異類原子、位錯(cuò)和點(diǎn)缺陷等使晶體點(diǎn)陣的周期性遭到破壞的地方，電子波才會(huì)受到散射，從而產(chǎn)生了阻礙作用，降低了導(dǎo)電性，這就是材料產(chǎn)生電阻的本質(zhì)所在。 散射系數(shù)μ和電阻率ρ成正比。對(duì)于金屬而言，溫度升高離子熱振動(dòng)的振幅愈大，電子就愈易受到散射，故可認(rèn)為μ與溫度成正比，則ρ也就與溫度成正比，這就是金屬的電阻隨溫度升高而增大的原因。 實(shí)際的晶體不但有雜質(zhì)，而且還存在缺陷。傳導(dǎo)電子的散射發(fā)生在電子－聲子、電子－雜質(zhì)原子以及與其他晶體點(diǎn)陣靜態(tài)缺陷相碰撞的時(shí)候。理想金屬的電阻對(duì)應(yīng)著兩種散射機(jī)制（聲子散射和電子散射），可以看成為基本電阻。這個(gè)電阻在絕對(duì)零度時(shí)降為零。第三種機(jī)制（電子在雜質(zhì)和缺陷上的散射）在有缺陷的晶體中，是絕對(duì)零度下金屬的殘余電阻。這個(gè)電阻反映了金屬的純度和完整性。 三種散射機(jī)制 聲子散射 電子散射 電子在雜質(zhì)和缺陷上的散射 馬基申定律（馬希森定則）Matthiessen's rule 固溶體電阻率看成由金屬基本電阻率ρ(T)和殘余電阻率ρ殘組成。不同散射機(jī)制對(duì)電阻率的貢獻(xiàn)可以加法求和。這一導(dǎo)電規(guī)律稱為馬基申定律，即 （化學(xué)缺陷：偶然存在的雜質(zhì)原子及人工加入的合金元素的原子；物理缺陷：指空位、間隙原子、位錯(cuò)以及它們的復(fù)合體。） 馬基申定律成立的前提：忽略了電子各種散射機(jī)制間的交互作用 高溫時(shí)金屬的電阻率基本上取決于ρ(T)，而在低溫時(shí)取決于ρ殘。 ρ殘的大小就可以用來評(píng)定金屬的電學(xué)純度。常常采用相對(duì)電阻率ρ(300K)/ρ(4.2K)的大小來評(píng)定金屬的電學(xué)純度。（晶體越純、越完善，相對(duì)電阻率越大） 影響金屬導(dǎo)電性的因素 溫度 受力情況 冷加工 晶體缺陷 熱處理 幾何尺寸效應(yīng) 溫度對(duì)金屬電阻的影響 加熱時(shí)發(fā)生點(diǎn)陣熱振動(dòng)和振幅的變化，出現(xiàn)相變、回復(fù)、空位退火、再結(jié)晶以及合金相成分和組織的變化，這些現(xiàn)象往往對(duì)電阻的變化顯示出重要的影響。 另一方面，測量電阻與溫度的關(guān)系可以顯示電子散射的不同機(jī)制，同樣也顯示超導(dǎo)現(xiàn)象和引起鐵磁性反常的特殊性能。 金屬的電阻隨溫度變化的一般規(guī)律： 絕對(duì)零度下，純凈又無缺陷的金屬，其電阻率等于零。 隨溫度的升高金屬的電阻率也增加。 理想晶體的電阻率是溫度的單值函數(shù)。若晶體中存在雜質(zhì)和結(jié)構(gòu)缺陷，電阻與溫度的關(guān)系曲線將發(fā)生變化（注意三條曲線絕對(duì)0度時(shí)的電阻率） 低溫下“電子－電子”散射對(duì)電阻的貢獻(xiàn)可能是顯著的，但除低溫以外幾乎所有溫度下大多數(shù)金屬的電阻都取決于“電子－聲子”散射。點(diǎn)陣的熱振動(dòng)在不同溫區(qū)存在差異。在各自的溫區(qū)有各自的電阻變化規(guī)律（在T>θD和T<θD是不同的）。Cnj紅軟基地

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