材料物理性能 2013-8 材料作为国民经济的基础产业，越来越受到人们的关注与重视。随着科技的飞速发展 ，材料不仅要满足承载的结构件需要，还要适应人们对各种功能器件的需求，因而对材料 的性能要求越来越高。为了适应社会对材料类专业人才的需求变化，许多高校都对材料类 专业的教学大纲作了修订，建立了金属材料工程、无机非金属材料工程、高分子材料工程 及复合材料工程等专业的公共课程平台，以适应“厚基础、宽专业、多方向、强能力”的高 等教育发展趋势。材料物理性能作为公共平台课程，其内容在保证物理性能基础理论 的同时，必须强调各材料类专业共公知识点，同时还需兼顾相关专业的各自特点，以满足 各材料专业的需要。 前 言 全书共分七章内容，第一章为材料物理基本知识简介，第二章为材料的热学性能，第 三章为材料的光学性能，第四章为材料的导电性能，第五章为材料的介电性能，第六章为 材料的磁学性能，第七章为材料弹性变形与内耗。每章内容主要包括物理性能的基本概念 及其物理本质，金属材料、无机非金属材料及高分子材料的物理性能表现及影响它们的因 素，物理性能的测试方法及物理性能分析在材料研究中的应用。整个编写思路主要体现物 理性能的基本理论与材料研究相结合。 在本书编写过程中，参考和引用了一些教材和专著，在书后的参考文献中已列出，在此向 作者表示诚挚的谢意。 目录 第一章 材料物理基本知识简介 第一节 电子的波动性 一. 微观粒子的波粒二象性 二. 波函数 三. 薛定谔(Schr dinger)方程 四. 霍尔效应 第二节 金属的费密(Fermi)-索末菲(Sommerfel)电子理论 一. 金属中自由电子的能级 二. 自由电子的能级密度 三. 自由电子按能级分布 第三节 晶体能带理论基本知识概述 一. 周期势场中的传导电子 二. K空间的等能线和等能面 三. 准自由电子近似电子能级密度 第三节 晶体能带理论基本知识概述 一. 周期势场中的传导电子 二. K空间的等能线和等能面 三. 准自由电子近似电子能级密度 四. 能带和原子能级 第四节 晶格振动 一. 一维原子链的振动 二. 晶格振动的量子化声子 第五节 非晶态金属、半导体的电子状态 一 非晶态金属、半导体及其特点 二. 电子状态 第六节 分子运动理论简介 一. 高聚物分子运动的特点 二. 高聚物的力学状态 三. 高聚物的玻璃化转变及其影响因素 四. 结晶高聚物的熔融 五. 高聚物的黏流态转变及其影响因素 第二章 材料的热学性能 第一节 材料的热容 一 热容概念 二 晶态固体热容的经验定律和经典理论 三 晶态固体热容的量子理论回顾 四 不同材料的热容 第二节 材料的热膨胀 一 热膨胀系数 二 固体材料热膨胀机理 三 热膨胀和其他性能的关系 四 影响材料热膨胀系数的因素 第三节 材料的热传导 一 固体材料热传导的规律 二 固体材料热传导的微观机理 三 影响热导率的因素 第四节 材料的热稳定性 一 高分子材料的热稳定性 二 无机材料的热稳定性。 第五节 热分析方法及在材料分析中的应用 一 常用热分析方法 二 热分析的应用 三 热分析在材料科学上的应用 本章小结 复习题 第三章 材料的光学性能 第一节 光通过介质的现象 一 光的折射与非线性 二 光的反射 三 材料对光的吸收 四 材料对光的散射 五 色散 六 光学性能的应用及其影响因素 第二节 材料的受激辐射和激光 一 受激辐射 二 激活介质 三 光学谐振腔和模式 四 激光振荡条件 第三节 材料的红外光学性能 一 红外线的基本性质 二 红外材料的性能 第四节 光学的特殊效应的应用 一 荧光物质 二 激光材料 三 通讯用光导纤维 四 电光、磁光及声光材料 第五节 非线性光学性能 一 非线性光学性能概念 二 非线性光学晶体性质及制备 三 非线性光学性能的应用 本章小结 复习题 第四章 材料的导电性能 第一节 材料的导电性 一 电阻与导电的基本概念 二 导电的物理特性 三 导电机理 第二节 超导电性 一 超导体的两个基本特性 二 超导体的三个重要性能指标 三 两类超导体 四 超导现象的物理本质 五 超导高分子的Little模型 第三节 影响金属导电性的因素 一. 温度的影响 二. 应力的影响 三. 冷加工变形的影响 第四节 导电性的测量 一 双臂电桥法 二 直流电位差计测量法 三 直流四探针法 四 绝缘体电阻的测量 第五节 电阻分析的应用 一 研究合金的时效 二 测量固溶体的溶解度曲线 三 研究淬火钢的回火 第六节 无机非金属材料的电导 一、玻璃态的电导 二、陶瓷材料的电导 第七节 半导体的电学性能 一. 本征半导体的电学性能 二 .杂质半导体的电学性能 三. 温度对半导体电阻的影响 四、半导体陶瓷的物理效应 第八节 材料的热电性 一 第一热电效应塞贝克（Seebeck）效应 二. 第二热电效应玻尔帖(Peltier)效应 三第三热电效应汤姆逊(Tomson)效应 第九节 光电导性 一 .光电导的基本概念 二 光电导机理奥萨格（Onasger）离子对理论 三 光电导性高分子聚合物的结构 四 导电高分子聚合物的光电导性 本章小结 复习题 第五章 材料的介电性能 第一节 电介质及其极化 一、平板电容器及其电介质 二、极化相关物理量 三、电介质极化的机制 四、宏观极化强度与微观极化率的关系 五、多晶多相无机材料的极化 六、 高分子材料的极化 第二节 交变电场下的电介质 一、复介电常数和介质损耗 二、电介质弛豫和频率响应 三、介电损耗分析 第三节 电介质在电场中的破坏 一、介电强度(介电击穿强度) 二、本征击穿机制 三、热击穿机制 四、雪崩式击穿机制 五、影响无机材料击穿强度的各种因素 第四节 压电性、热释电性和铁电性 一、压电性(piezoelectricity) 二、热释电性 三、铁电性(ferroelectricity) 第五节 介电测量简介 一、电容率(介电常数)、介电损耗、介电强度的测定 二、电滞回线的测量 三、压电性的测量 本章小结 复习题 第六章 材料的磁学性能 第一节 磁性基本量及磁性分类 一、磁性的本质 二、磁化现象与磁性的基本物理量 三、物质磁性的分类 四、铁磁体磁化曲线和磁滞回线 第二节 抗磁性和顺磁性 一、抗磁性 二、顺磁性 三、影响金属抗磁性与顺磁性的因素 四、抗磁体和顺磁体的磁化率测量 第三节 铁磁性 一 自发磁化 二 铁磁系统中的能量概念 三 磁畴的形成和结构 四 技术磁化和反磁化过程 五 影响铁磁性的因素 第四节 磁性高分子材料 第五节 铁氧体结构及磁性 一、 尖晶石型铁氧体 二、 磁铅石型铁氧体 三、 石榴石型铁氧体 第六节 动态磁化特性 一、交流磁化过程与交流磁滞回线 二、复数磁导率 三、交变磁场作用下的能量损耗 第七节 铁磁性的测量 一、动态磁特性的测量 二、静态磁特性的测量 第八节 磁性分析的应用 一、抗磁性与顺磁性分析的应用 二、铁磁性分析的应用 本章小结 复习题 第七章 材料弹性变形与内耗 材料弹性变形 一弹性模量及弹性变形本质 二弹性模量与键合方式、原子结构的关系 三弹性模量与晶体结构关系 四影响弹性模量的因素 五不同材料的弹性模量 六弹性模量的测量与应用 第二节 材料内耗 一 静滞后内耗 二 滞弹性内耗 三内耗产生的机制 四 .内耗的测量方法和度量 五. 内耗分析的应用 本章小结 复习题 参考文献 第一章 材料物理基本知识简介 材料物理性能强烈依赖于材料原子间的键合、晶体结构和电 子能量结构与状态。已知原子间的键合类型有：金属键、离子 键、共价键、分子键和氢键，它们存在的实体代表、结合能及主 要特点，列于表1.1。根据课程分工和教学大纲要求，本章仅就 固体中电子能量结构和状态作初步的介绍，建立起现代固体电子 能量结构的观念，包括德布罗意波；费密-狄拉克分布函数；禁 带起因、能带结构及其与原子能级的关系，以及非晶态金属、半 导体的电子状态等。 第一节 电子的波动性 一.微观粒子的波粒二象性 利用光子理论成功地说明了光的发射和吸收等现象。从对光 的本性研究中发现，光子这种微观粒子表现出双重性质 波动性和粒子性，这种现象叫做波粒二象性。 二. 波函数 三. 薛定谔(Schr dinger)方程 四. 霍尔效应 第二节 金属的费密(Fermi)-索末菲(Sommerfel) 电子理论 第三节 晶体能带理论基本知识概述 第四节 晶格振动 一. 一维原子链的振动 二. 晶格振动的量子化声子 1. 声子概念的由来 晶格振动是晶体中诸原子(离子)集体在作振动，其结果表现为晶 格中的格波 。声子就是晶格振动中的独立简谐振子的能量量 子。这就是声子概念的由来。 2. 格波能量量子化 3 . 声子的性质 (1)声子的粒子性 (2)声子的准粒子性 (3)声子概念的意义 可以将格波与物质的相互作用过程，理解为声子和物质(如， 电子、光子、声子等)的碰撞过程，使问题大大简化，得出的结 论也正确。 第五节 非晶态金属、半导体的电子状态 第六节 分子运动理论简介 一. 高聚物分子运动的特点 （1）运动单元的多重性 （2）分子运动的时间依赖性 二. 高聚物的力学状态 （1）线型非晶高聚物的力学状态 1 2 3 4 5 1玻璃态；2玻璃态向高弹态的转变区；3高弹态；4高弹态向黏流态的转 变区；5黏流态 图1.37 线型非晶高聚物的温度形变曲线 从图1.37中可以看出，对线型非晶高聚物，其温度形变曲线可以分为五个区 域。 区域1，在较低的温度下，高聚物的形变很小，类似于坚硬的玻璃体，所以称为 玻璃态。 区域2，随着温度的升高，链段的松弛过程表现得相当明显，高 聚物的变形能力提高，是玻璃态向高弹态的转变区，也称为玻璃 化转变区。 区域3，温度升高到一定值后，在此后的一个温度区间内，形变 达到相对的稳定，此时高聚物成为柔软的固体，弹性形变值可达 原长的510倍，外力除去后形变容易回复，这一力学状态称为 高弹态。 区域4，进一步升高温度，高聚物开始产生不可回复的形变，开 始向流体转变。这一力学状态是高弹态向黏流态的转变区。这一 区域中，分子链的松弛过程表现得很明显，高聚物既表现出橡胶 的高弹态，又表现出流动性，因此也称为橡胶流动态。 区域5，此时温度很高，高聚物成为黏性液体，可以发生黏性流 动，这一力学状态称为黏流态。此时，分子链间的缠结开始解开 ，整链开始滑移。 从转变区可以确定两个特征温度（通常可用切线法作出）：玻璃 化温度Tg和流动温度Tf。因此线型非晶高聚物的三种力学状态可 用玻璃化温度和流动温度来划分，温度低于Tg时为玻璃态，温度 在TgTf之间为高弹态，温度高于Tf为黏流态。 （2）结晶高聚物的力学状态 部分结晶高聚物的非晶区也能发生玻璃化转变，但这种转变必 然要受到晶区的限制。当温度低于晶区的熔点时，晶区阻碍整链运 动，但非晶区的链段仍能运动。因此部分结晶高聚物除了具有熔点 外，也具有玻璃化温度。当温度高于其玻璃化温度而低于熔点时， 非晶区从玻璃态转变为高弹态，这时高聚物变成了柔韧的皮革态， 如图1.38中的曲线3所示。 形变 Tg TmTf 温度 1 2 3 1相对分子量较小；2相对分子量较大；3轻度结晶高聚物 图1.38 结晶高聚物的温度形变曲线 （3）交联高聚物的力学状态 三. 高聚物的玻璃化转变及其影响因素 1. 高聚物的玻璃化转变及其多维性 2. 高聚物的玻璃化转变理论 3. 影响玻璃化温度的因素 （1）分子链结构的影响 链段运动是通过主链上单键的内旋转来实现的。因此从化学结 构上看，决定高聚物玻璃化温度的主要因