材料物理性能 期末复习题.docx

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材料物理性能期末复习题

材料物理性能

马基申定则及表达式？

固溶体电阻率看成由金属基本电阻率ρ（T）和残余电阻率ρ残组成。

不同散射机制对电阻率的贡献可以加法求和。

这一导电规律称为马基申定律，

固溶体的电阻与组元的关系在形成固溶体时，与纯组元相比，合金的导电性能降低了原因：

纯组元间原子半径差所引起的晶体点阵畸变，增加了电子的散射，且原子半径差越大，固溶体的电阻也越大。

这种合金化对电阻的影响还有如下几方面：

一是杂质对理想晶体的局部破坏；二是合金化对能带结构起了作用，移动费米面并改变了电子能态的密度和有效导电电子数；三是合金化也影响弹性常数，因此点阵振动的声子谱要改变。

半导体测量的四探针法测量原理，设有一均匀的半导体试样，其尺寸与探针间距相比可视为无限大，探针引入点电流源的电流强度为I。

因均匀导体内恒定电场的等位面为球面，故在半径为r处等位面的面积为2πr2，则电流密度为j=I/2πr2。

电场强度E=j/σ=jρ=Iρ/2πr2,因此，距点电荷r处的电位为V=Iρ/2πr。

电阻分析的作用：

电阻分析法来研究材料的成分、结构和组织变化的灵敏度很高，它能极敏感地反映出材料内部的微弱变化。

半导体特点:

电阻率（ρ在10-3～109Ωm）禁带宽度Eg在0.2～3.5eV,其电学性能总是介于金属导体（ρ<10-5Ωm,Eg=0）与绝缘体（ρ>109Ωm,Eg>3.5eV）间。

半导体的分类？

分为晶体半导体、非晶半导体及有机半导体。

晶体半导体：

又分为元素（单质）半导体、化合物半导体、固溶体半导体；

价电子共有化运动：

在半导体晶体中，由于原子之间的距离很小，使得每一个原子中的价电子除受本身原子核及内层电子的作用外，还受到其他原子的作用。

在本身原子和相邻原子的共同作用下，价电子不再是属于各个原子，而成为晶体中原子所共有

半导体中电子的能量状态－能带：

在半导体晶体中，由于原子之间的距离很小，使得每一个原子中的价电子除受本身原子核及内层电子的作用外，还受到其他原子的作用。

在本身原子和相邻原子的共同作用下，价电子不再是属于各个原子，而成为晶体中原子所共有。

四大量子数每一量子数表示什么？

主量子数n、它可以取非零的即1，2，3…n。

它决定电子在核外空间出现概率最大的区域离核的远近，并且是决定电子能量高低的主要因素。

角量子数l（也称轨道角动量量子数）轨道角动量量子数决定原子轨道的形状。

磁量子数ml磁量子数决定原子轨道在空间的伸展方向，但它与电子的能量无关。

自旋角动量量子数si。

它与n、l、m无关。

电子本身还有自旋运动。

自旋运动有两种相反方向。

本征半导体的导电机制？

在绝对零度和无外界影响的条件下，半导体的空带中无电子，即无运动的电子，当温度升高或受光照射时，也就是半导体受到热激发时，共价键中的价电子由于从外界获得了能量，其中部分获得了足够大能量的价电子就可以挣脱束缚，离开原子而成为自由电子。

在能带图中，即一部分满带中的价电子获得了大于Eg的能量，跃迁到空带中去。

这时空带中有了一部分能导电的电子，称为导带。

而满带中由于部分价电子的迁出出现了空位置，称价带。

（满带→价带，空带→导带，同时产生了自由电子和空穴）

本征半导体的迁移率和电阻率定义。

迁移率：

但在外电场的作用下，电子将逆电场方向运动，空穴将顺电场方向运动，从而导电成为载流子。

本征载流子的浓度：

载流子定向漂移运动的平均速度为一个恒定值，并与电场强度成正比。

这个比值即为迁移率。

电阻率：

单位电场下电流密度的倒数

本征半导体的电学特性？

（1）本征激发成对地产生自由电子和空穴,所以自由电子浓度和空穴浓度相等,都是等于本征载流子的浓度ni。

（2）ni和Eg有近似反比关系，硅（1.11eV）比锗（0.67eV）的Eg大，故硅比锗的ni小。

（3）ni与温度成近似正比，故温度升高时，ni就增大。

（4）ni与原子密度相比时极小的，所以本征半导体的导电能力很微弱

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，具有如下特征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。

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。

N当掺入五价元素（施主杂质）时，主要靠自由电子导电；P当掺入三价元素（受主杂质）时，主要靠空穴导电PN结电学特性单向导电性加正向电压多子扩散正向电流较大加反向电压少子漂移电流几乎不变化

绝缘体的定义指电阻率大于109用来限制电流使它按一定的途径流动的材料，另外还有利用其“介电”特性建立电场以贮存电能的材料。

绝缘体的性能要求：

（1）具有足够高的耐电强度，以经受住导体间的高电场。

（2）具有足够高的绝缘电阻，以防止跨越导体的漏泄电流。

（3）具有良好的耐电弧性，以防发生飞弧损坏。

（4）必须能在环境危害的条件下（度、湿度、辐射）保持其完整性。

（5）必须具有足够的机械强度，以抗振动和冲击。

电介质定义：

在电场作用下具有极化能力并在其中长期存在电场的一种物质。

基本属性：

具有极化能力；其中能够长期存在电场。

电介质和金属导体对电场的影响金属以传导的方式来传递电的作用和影响。

电介质以电极化方式来传递和记录电的影响。

电介质（绝缘体）的四大性能和四大基本参数

（1）介电常数；（电极化）

（2）耐电强度；（击穿）（3）损耗因数；（介电损耗）（4）体积和表面的电阻率（电导）

电介质的分类电介质按其分子中正负电荷的分布状况可分为：

中性电介质，偶极电介质，离子型电介质。

从电学性质看电介质的分子可分为无极分子和有极分子

电介质极化的定义：

电介质在电场的作用下，其内部的束缚电荷所发生的弹性位移现象和偶极子的取向（正端转向电场负极、负端转向电场正极）现象。

介质极化的4种基本形式：

电子位移极化在电场作用下，构成介质原子的电子云中心与原子核发生相对位移，形成感应电矩而使介质极化的现象。

电子位移极化的形成过程很快，仅需10-14～10-16s。

它的极化是完全弹性的。

离子位移极化在离子晶体中，处于晶格结点上的正负离子也要在电场作用下发生相对位移而引起极化，这就是离子式极化，又称离子位移极化。

1、离子弹性位移极化：

这种极化只存在于离子键构成的晶体中，且极化过程也很快，约10-12～10-13s。

2、离子松弛式位移极化：

极化建立过程较长，约10-2～10-5s。

固有电矩转向极化有外电场时，由于偶极子要受到转矩的作用，有沿外电场方向排列的趋势，而呈现宏观电矩，形成极化。

偶极子不能恢复原状，极化所需较长，约10-2～10-10s。

空间电荷极化在一部分电介质中存在着可移动的离子。

在外电场作用下，正离子将向负电极侧移动并积累，而负离子将向正电极侧移动被积累，这种正、负离子分离所形成的极化。

极化所需时间最长，约10-2s。

电介质的介电常数：

、

（ε0=8.85×10-12F/m）、

什么是电介质的击穿固体电介质的击穿就是在电场作用下伴随着热、化学、力等等的作用而丧失其绝缘性能的现象。

与气体和液体电介质相比，固体电介质击穿有以下几个特点：

（1）固体介质的击穿强度比气体和液体介质高，约比气体高两个数量级，比液体高一个数量级左右；

（2）固体通常总是在气体或液体环境媒质中，因此对固体进行击穿试验时，击穿往往发生在击穿强度比较低的气体或液体媒质中，这种现象称为边缘效应。

（试验时必须尽可能排除）（3）固体电介质的击穿一般是破坏性的，击穿后在试样中留下贯穿的孔道、裂纹等不可恢复的伤痕。

固体电介质击穿的类型：

电击穿、热击穿、局部放电击穿、其他击穿机制电击穿是指电场直接作用下，介质中载流子迅速增殖造成的击穿。

热击穿当固体电介质在电场作用下，由电导和介质损耗产生的热量超过试样通过传导、对流和辐射所能散发的热量时，试样中的热平衡就被破坏，试样温度不断上升，最终造成介质永久性的热破坏，这就是热击穿。

引起电-机械-热击穿的原因？

气孔在电场作用下，特别是高频电场作用下，将发生强烈的游离，而且气孔的直径愈大，游离电压愈低。

在高频电压下，由于气孔中的强烈游离，产生大量的热量，使得气孔附近局部区域过热，在材料中产生相当高的内应力。

当热应力超过一定限度时，材料因丧失机械强度发生破坏，以致失去抗电能力，造成“击穿”。

这种击穿往往发生在质地疏松、介电常数高的材料中。

简述多孔陶瓷材料的局部放电击穿过程大部分陶瓷材料中存在着相当大的气孔，其直径可达几个微米。

这些气孔在电场作用下，特别是高频电场作用下，将发生强烈的游离，而且气孔的直径愈大，游离电压愈低。

在高频电压下，由于气孔中的强烈游离，产生大量的热量，使得气孔附近局部区域过热，在材料中产生相当高的内应力。

当热应力超过一定限度时，材料因丧失机械强度发生破坏，以致失去抗电能力，造成“击穿”。

什么是介电损耗电介质在外电场作用下，其内部会有发热现象，这说明有部分电能已转化为热能损耗掉，这种介质内的能量损耗称为介质损耗。

这种损耗是由电导作用和极化作用引起的。

超导电性：

在一定条件下（温度、磁场、压力）材料的电阻突然消失的现象。

超导态：

材料失去电阻的状态称为超导态，具有超导态的材料称为超导体。

超导的三大特性？

1、临界温度Tc；2、临界磁场Hc（T）；3、临界电流Jc

超导体的分类超导体分为两类：

第一类超导体的超导临界温度随着磁场强度的增加而下降。

当磁场强度超过某一临界值Hc时，磁力线就会穿过这类材料，使其不再呈现超导性。

只有温度和磁场都在由Tc和Hc组成的二维区域内，第一类超导体才会呈现超导性。

第二类超导体（又称London超导体或硬超导体）。

当磁场强度增加时，这类超导体从完全超导体先转变为混合状态导体，最后转变为普通导体。

在某一磁场强度下，有可能材料表面是超导体，而材料内部却是普通导体。

第二类超导体的Tc和Hc通常都大于第一类超导体。

热电势率单位温差产生的热电势即热电势率α

逸出功：

自由电子逃逸出金属表面所需要的这个最小能量或说需要对电子所做的最小的功三种热电效应玻尔帖效应、汤姆逊效应、热电子效应

塞贝克效应的应用？

温度测量温差发电

压电效应的定义在某些晶体的一定方向上施加压力或拉力，则在晶体的一些对应的表面上分别出现正、负电荷，其电荷密度与施加的外力的大小成正比。

压电效应分类（条件？

）:

正压电效应:

由于机械力的作用而使介质发生极化的现象。

（力致形变而产生电极化）。

逆压电效应:

外电场加在（不存在对称中心的）晶体上，改变其极化状态，晶体的形状也将发生变化。

（电场引起形变）纵向压电效应：

电位差的方向与压力和拉力的方位一致。

横向压电效应：

电位差的方位与施力的方位垂直。

表征压电陶瓷压电性能的三大参数的定义？

压电系数d33σ3＝d33T3d33为压电系数，它反映了材料的压电性质。

机械品质因数Qm表示在振动转换时，材料内部能量损耗的程度。

机电耦合系数K是综合反映压电陶瓷材料性能的参数，是衡量材料压电性能好坏的一个重要物理量。

它反映压电陶瓷材料的机械能与电能之间的耦合效应，可用下式来表示机电耦合系数K，即

热释电效应：

在某些绝缘物中，由于温度变化而引起电极化状态改变的现象即为热释电效应。

自发极化：

热释电效应只发生在非中心对称（32种点群中有21种不存在对称中心）并具有极性（自发极化）的晶体中。

只有10种点群满足此条件，结构上的单一对称轴成为极轴，晶体便具有自发极化。

热释电体是一种极性固体，即使在没有外加电场及其他作用情况下，它的宏观极化强度也不等于零。

请解释热释电体对外不显示电性的原因，温度改变显电性因为自发极化所建立的电场吸引了晶体内部和外部空间的异号自由电荷，在试样的表面形成一个表面电荷层。

结果自发极化建立的表面束缚电荷被外来的表面自由电荷（即吸附电荷，吸附电荷是一层自由电荷，其来源有两种：

一是晶体的微弱导电性所导致一些自由电子堆积在表面，二是从大气中吸附的异号离子）所屏蔽，束缚电荷建立的电场被抵消。

因此对外不显示电性。

但这种自发极化却很容易受温度的影响。

一旦温度升高，极化强度减小，屏蔽电荷跟不上极化电荷的变化，而显示极性，温度下降后，极化强度增大，屏蔽电荷跟不上极化电荷的变化，故显示相反的极性

产生热释电效应的必要条件：

晶体具有单极轴或自发极化

铁电体：

具有电畴结构和电滞回线的晶体

简述压电体、热释电体、铁电体的特征及关系？

压电体：

无对称中心，不具有自发极化在电场作用下不能够转向

热释电体：

无对称中心，具有自发极化在电场作用下不能够自发转向

铁电体；无对称中心，具有自发极化在电场作用下能够转向

）

电畴：

铁电体中偶极子有序排列、自发极化方向一致的区域。

电畴的分类：

根据晶粒中电畴的数量，可分为单畴和多畴两种。

根据电畴之间的夹角大小，铁电材料中的电畴可分为180畴、90畴、60畴、120畴、71畴、109畴等。

驻极：

即把适当电介质高温加热并置于强电场，而后冷却

铁电体的特征：

具有居里点，其自发极化能因外电场而重新取向，铁电体只有在极化之后才能表现出热释电效应。

具有电畴结构和电滞回线

磁介质：

能磁化的物质磁化强度单位体积的磁偶极矩的矢量和定义为磁极化强度

磁极化强度单位体积的磁偶极矩的矢量和基本磁化曲线对原先不存在宏观磁性的材料施加一个由零逐渐增大的磁场，则对不同的材料都得一不同的M－H曲线

磁化难易程度的表征：

磁化率（χ）:

研究材料磁性的基本任务是确定材料的磁化强度M与外磁场强度H和温度T的关系，即确定磁状态M＝f（H,T），在给定的外界条件（T＝常数）下，若所研究的材料各向异性，且M∥H，则上述关系可表为

磁导率（μ）当物质被磁化以后必然会反过来影响物质所在处得磁场，使其发生相应的变化。

当外磁场增加时磁感应强度增加的速率。

在工程技术上用来表示铁磁材料磁化难易程度的不是磁化率而是磁导率μ。

（前者是理论研究中常用的，而后者是工程技术中常用的）.

分子电流观点：

物质中的每个磁分子都相当于一个环形电流，无外磁场时，各分子环流取向杂乱无章，作用抵消，不显磁性。

当施加外磁场后，分子电流的磁矩将沿磁化场排列起来，而呈现出宏观磁性等效磁荷观点：

材料的磁分子就是磁偶极子，未磁化时各磁偶极子取向呈无序状态，其偶极矩的矢量和

，故不显磁性。

当施加外磁场后，磁偶极子受外磁场作用转向外场方向，由于材料内部磁偶极子的这种“整列”，使得材料的两端呈现出磁极的性质。

物质磁性的分类：

按照物质对磁场反应的类型和大小分为

（1）发生强烈吸引的物质：

铁磁体

（2）在弱磁场下发生轻微吸引，在强磁场下变为铁磁体：

亚铁磁体（3）发生轻微吸引的物质：

顺磁性体反铁磁体（4）轻微排斥的物质：

抗磁性体（5）强烈排斥的物质：

完全抗磁性体

感应强度B和磁化强度M的关系？

铁磁材料磁化过程中B和M与H的关系？

当外磁场增大到Hs时，磁化强度已达到饱和值Ms，继续增大H，M值将保持不变，这时B的增加仅仅是由于H增大的结果。

当H→无穷大时，μ→μ0，则χ→0。

技术磁化：

从退磁状态直到饱和之前的磁化过程（完全退磁：

H＝0时M＝0）

磁化曲线和磁滞回线:

磁性材料的磁化曲线和磁滞回线是材料在外加磁场时表现出来的宏观特性。

铁磁体具有很高的χ（或μ），即使在微弱的H下也可以引起激烈的磁化并达饱和。

H=0时Mr（remnant）称为剩余磁化强度。

欲将M减小到零，必须再加一反向磁场－Hc。

此Hc称为磁矫顽力。

继续增大反向磁场到-Hs，磁化强度将达到-Ms，这样经a点到d点并返回到a点，磁化状态变化了一周，得到了一个关于原点对称的闭合曲线，称磁滞回线。

回线所围的面积表征了磁滞损耗。

磁滞现象表明，技术磁化过程和材料中存在的不可逆变化有着重要的联系

μ、Mr和Hc都是对材料组织敏感的磁参数，它们不但决定于材料的组成（化学组成和相组成），而且还受显微组织的粗细、形态和分布等因素的强烈影响，即与材料的制造工艺密切相关，是材料磁滞现象的表征。

不同的磁性材料具有不同的磁滞回线，从而使它们的应用范围也不同。

磁滞回线中可以获得表征铁磁体磁性能的哪些重要的物理量？

Mr称为剩余磁化强度μ（磁导率）、Mr（剩余磁化强度）和Hc（矫顽力）都是对材料组织敏感的磁参数

原子的磁矩的组成包括哪几部分？

原子的磁矩主要由电子的磁矩组成，而电子的磁矩又是其轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和

物质顺磁性的来源？

顺磁体的分类？

顺磁体的原子或离子是有磁矩的（称为原子固有磁矩，它是电子的轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和），其源于原子内未填满的电子壳层，或源于具有奇数个电子的原子

根据顺磁磁化率与温度的关系，可以把顺磁体大致分为三类，即正常顺磁体、磁化率与温度无关的顺磁体和存在反铁磁体转变的顺磁体。

铁磁性产生的充要条件？

原子内部要有未填满的电子壳层，Rab/r>3使A>0。

铁磁质的磁化与抗、顺磁质磁化的区别？

铁磁物质的磁化，不像抗、顺磁那样与磁场成正比，而是一种很复杂的曲线关系，并且存在磁饱和与磁滞现象。

抗、顺磁质磁化是可逆的，而铁磁质是不可逆的，交变磁化时形成磁滞回线。

抗、顺磁质磁化较困难，而铁磁质则非常容易。

简述铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性的区别？

前者指的是原子的本征磁矩（固有磁矩）不能为零，后者指的是要有一定的晶体点阵结构。

软磁和硬磁各自的特征？

软磁具有小Hc、高μ的瘦长形磁滞回线的材料，适宜作软磁材料；硬磁具有大的Mr和Hc、低μ的短粗形磁滞回线的材料适宜作硬磁（永磁）材料；

原子磁性的组成原子的磁矩主要由电子的磁矩组成，而电子的磁矩又是其轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和。

抗磁性的来源？

物质的抗磁性和抗磁体的区别？

原子的磁矩取决于未填满壳层电子的轨道磁矩和自旋磁矩，当有外磁场作用时，即使对于那种总磁矩为零的原子也会显示出磁矩来。

这是由于电子的循轨运动在外磁场的作用下产生了抗磁磁矩ΔP的缘故。

物质的抗磁性不是由电子的轨道磁矩和自旋磁矩本身所产生的，而是由外磁场作用下电子循轨运动产生的附加磁矩所造成的任何物质在外磁场作用下都要产生抗磁性。

但应注意，这并不能说任何物质都是抗磁体，这是因为原子除了产生抗磁磁矩外，还有轨道磁矩和自旋磁矩产生的顺磁磁矩。

在此情况下只有那些抗磁性大于顺磁性的物质才能称为抗磁体。

凡是电子壳层被填满了的物质都属抗磁体

简述磁化率测量的原理？

抗、顺磁磁化率的测量一般是采用磁秤法，即通过试样在非均匀磁场中的受力情况来确定它的磁化率。

将试样4放入磁极的间隙中，在不均匀的磁场中当试样被磁化以后将沿χ方向受到一个力F（若试样为顺磁则产生抗力、抗磁则相反），且（书131页）式中，χ为试样的磁化率，V为试样的体积，H是磁场强度，dH/dχ是沿χ方向的磁场梯度。

磁晶各向异性：

在单晶体的不同晶向上，磁性能不同的性质，称为、、、

磁化功：

为使铁磁体磁化需消耗一定的能量，在这过程中所做的功，称为磁化功。

磁致伸缩铁磁体在磁场中被磁化时，其形状和尺寸都会发生变化，这种现象称为磁致伸缩效应。

磁弹性能材料在磁化时要发生磁致伸缩，一旦这种形变受到限制，则在材料内部将产生拉（或压）应力，因而存在一种弹性能，称磁弹性能。

磁化率的自发极化？

铁磁质的自发磁化是由于电子间的静电相互作用而产生的。

根据键合理论，当原子相互接近形成分子时，电子云要相互重叠，电子要相互交换位置，即发生交换作用。

这种交换所产生的静电作用力称为交换力，交换力的作用迫使相邻原子的自旋磁矩产生有序的排列。

因交换作用而产生的附加能量称为交换能，用ECχ表示，且

A是交换能积分常数，Sa、Sb是相邻原子间的电子自旋角动量。

根据能量最小原理，当交换能积分常数A为正时，为了使交换能最小，相邻原子间的电子自旋角动量Sa、Sb必须同向平行排列。

这样就导致了铁磁质内部相邻磁矩要同向平行排列，这就是自发磁化的起因。

磁畴：

未加磁场时铁磁体内部已经磁化到饱和状态的小区域。

磁畴的形状、尺寸、畴壁的类型与厚度总称为磁畴结构。

简述铁磁体形成磁畴结构的原因：

磁畴的形成是能量最小原则的必然结果。

形成磁畴是为了降低系统的能量（主要是降低退磁能和磁弹性能）。

因磁畴结构受交换能、磁晶能、磁弹性能、畴壁能和退磁能的影响，平衡状态时的磁畴结构，应使这些能量之和为最小值。