材料物理性能

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1、序论序论1.1.材料的性能问题回顾材料的性能问题回顾 研究材料和生产材料的研究材料和生产材料的目的目的应用应用材料材料 材料材料能否达到要求能否达到要求和和优劣优劣、性能价格比（科技发展对材料的性能要求越来越高）。性能价格比（科技发展对材料的性能要求越来越高）。 对于每一实际应用的材料对于每一实际应用的材料要求其具有要求其具有一种一种或或多种（综合）多种（综合）性能。性能。 有些场合要求材料某方面的指标越高越好，如超导材料：在努力有些场合要求材料某方面的指标越高越好，如超导材料：在努力提高其临界温度提高其临界温度TcTc，扩大其应用领域；有些场合要考虑其，扩大其应用领域；有些场合要考虑其“性能

2、价性能价格格比比”，即达到使用要求即可。，即达到使用要求即可。 那么，性能如何表征和测试、性能的物理本质、影响性能的因素、那么，性能如何表征和测试、性能的物理本质、影响性能的因素、如何正确选择材料和提高材料的性能是材料科学的基础知识。如何正确选择材料和提高材料的性能是材料科学的基础知识。 总之，我们使用和研究材料，必须首先对其性能要有充分的了解。总之，我们使用和研究材料，必须首先对其性能要有充分的了解。 材料性能分类、概况？材料性能分类、概况？材料物理性能材料物理性能2021/6/161力学性能力学性能 在外力作用下所表现出的行为：在外力作用下所表现出的行为： 弹性变形、塑性变形、断裂弹性变形

3、、塑性变形、断裂弹性模量、硬度、强度、塑性、韧性、弹性模量、硬度、强度、塑性、韧性、疲劳等等。作为疲劳等等。作为结构材料结构材料最重要的性能指标。最重要的性能指标。物理性能物理性能 由材料的物理本质所决定的性能，如电子能带结构的不同决定材料由材料的物理本质所决定的性能，如电子能带结构的不同决定材料导电性的不同等。是材料导电性的不同等。是材料在热、电、磁、光等作用下通过材料的物理在热、电、磁、光等作用下通过材料的物理本质所表现出的不同性能本质所表现出的不同性能。如密度、热膨胀性、导电性、磁性、导热。如密度、热膨胀性、导电性、磁性、导热性、熔点等。作为性、熔点等。作为功能材料功能材料最重要的性能指

4、标。最重要的性能指标。 化学性能化学性能 材料在一定环境条件下抵抗各种介质化学作用的能力。如耐腐蚀性材料在一定环境条件下抵抗各种介质化学作用的能力。如耐腐蚀性能、抗氧化性能等。能、抗氧化性能等。工艺性能工艺性能 材料在不同制造工艺条件下所表现出来的承受加工的能力，是物理、材料在不同制造工艺条件下所表现出来的承受加工的能力，是物理、化学性能的综合。如铸造性能、塑性加工性能、焊接性能、切削加工化学性能的综合。如铸造性能、塑性加工性能、焊接性能、切削加工性能等。直接影响材料使用的方式、成本、生产效率等。性能等。直接影响材料使用的方式、成本、生产效率等。材料的性能（使用性能和工艺性能）材料的性能（使用

5、性能和工艺性能）2021/6/162 材料性能学是材科科学与工程材料性能学是材科科学与工程一级一级学科专业基础课。学科专业基础课。因为因为材料科材料科学的学的根本任务根本任务是：材料制备、提高材料性能、开发性能优异的新材料、是：材料制备、提高材料性能、开发性能优异的新材料、研究材料的应用，以满足各行业对材料性能要求日益提高的需要。最终研究材料的应用，以满足各行业对材料性能要求日益提高的需要。最终归结到材料性能上。归结到材料性能上。 通过材料通过材料性能性能的学习，可以掌握材料性能的基本概念、物理本质、的学习，可以掌握材料性能的基本概念、物理本质、变化规律及性能指标的工程意义，了解影响材料性能的

6、各种因素及材料变化规律及性能指标的工程意义，了解影响材料性能的各种因素及材料性能与其化学成分、组织结构间的关系，掌握改善和提高材料性能、充性能与其化学成分、组织结构间的关系，掌握改善和提高材料性能、充分发挥材料性能潜力的主要途径，同时了解材料性能的测试原理、方法分发挥材料性能潜力的主要途径，同时了解材料性能的测试原理、方法及相关仪器设备。及相关仪器设备。 只有这样才能在合理选用材料、提高材料性能和开发新材料过程中只有这样才能在合理选用材料、提高材料性能和开发新材料过程中具有必须的基本知识、基本技能和明确的思路。具有必须的基本知识、基本技能和明确的思路。2.2.为什么要学习和研究材料的性能为什么

7、要学习和研究材料的性能2021/6/163工程材料按照其用途可分为：工程材料按照其用途可分为：结构材料结构材料和和功能材料功能材料 在以在以机械工业机械工业为主导的为主导的时代时代：主要使用：主要使用结构材料结构材料，主要追求材料高强，主要追求材料高强度、高韧性、耐高温等，即材料度、高韧性、耐高温等，即材料力学性能力学性能。 当今人类进入了当今人类进入了信息时代信息时代：功能材料功能材料越来越重要，发展迅速。如信越来越重要，发展迅速。如信息技术、电子计算机、机器人领域，太空、海洋等领域要求材料具有很息技术、电子计算机、机器人领域，太空、海洋等领域要求材料具有很高的功能性。高的功能性。材料物理材

8、料物理性能是功能材料的基础，如音像技术与材料的磁性能是功能材料的基础，如音像技术与材料的磁学性能有关、超导材料与材料的电性能相关、隔热材料与材料的热学性学性能有关、超导材料与材料的电性能相关、隔热材料与材料的热学性能相关、光导纤维与材料的光学性能有关等。能相关、光导纤维与材料的光学性能有关等。 学习材料学习材料物理性能物理性能主要是为主要是为功能材料功能材料的研究和使用打基础。的研究和使用打基础。3.3.本课程的学习本课程的学习目的目的、内容内容2021/6/164 学习热学性能、电学性能、磁学性能和光学性能。学习热学性能、电学性能、磁学性能和光学性能。 掌握基本概念：掌握基本概念： 有关概念

9、与现象及表征，如热导率、磁畴、硬磁与软磁材料、热电效有关概念与现象及表征，如热导率、磁畴、硬磁与软磁材料、热电效应、半导体的热敏、光敏现象等等。应、半导体的热敏、光敏现象等等。物理本质：物理本质： 如热膨胀是怎么产生的，不同材料为什么有不同的磁性等。从材料原如热膨胀是怎么产生的，不同材料为什么有不同的磁性等。从材料原子结构、电子层、晶格运动等内部因素认识材料物理性能的本质和机理。子结构、电子层、晶格运动等内部因素认识材料物理性能的本质和机理。影响因素、与化学成分及组织结构之间的关系：影响因素、与化学成分及组织结构之间的关系： 如为什么合金热导率较纯金属低？为什么陶瓷材料较金属材料热膨胀系如为什

10、么合金热导率较纯金属低？为什么陶瓷材料较金属材料热膨胀系数小？石墨与金刚石哪个热膨胀系数大？为什么？等等。数小？石墨与金刚石哪个热膨胀系数大？为什么？等等。物理性能指标的工程意义物理性能指标的工程意义： 物理性能指标在实际工程上有何应用。物理性能指标在实际工程上有何应用。了解物理性能指标的了解物理性能指标的测试测试方法和原理，相关仪器，试样准备。方法和原理，相关仪器，试样准备。注意：注意：金属材料、无机非金属材料、高分子材料表现出不同的物理性能，金属材料、无机非金属材料、高分子材料表现出不同的物理性能，如材料热稳定性（耐热震性）只对无机非金属材料有意义，导电热敏效如材料热稳定性（耐热震性）只对

11、无机非金属材料有意义，导电热敏效应只对半导体材料有意义等等。学习时将三大类材料物理性能的共性融应只对半导体材料有意义等等。学习时将三大类材料物理性能的共性融合在一起，同时兼顾其个性。合在一起，同时兼顾其个性。本课程学习的内容和要求本课程学习的内容和要求2021/6/165材料物理性能材料物理性能 哈尔滨工业大学出版社哈尔滨工业大学出版社 邱成军等邱成军等 TB303/Q712 TB303/Q712材料物理性能材料物理性能 机械工业出版社，陈騑騢机械工业出版社，陈騑騢 TB303/C417 TB303/C417 金属材料物理性能金属材料物理性能 冶金工业出版社冶金工业出版社 王润王润 75.21

12、1 W35 75.211 W35无机材料物理性能无机材料物理性能 清华大学出版社清华大学出版社 关振铎等关振铎等 71.2241/460 71.2241/460工程材料的性能、设计与选材工程材料的性能、设计与选材 机械工业出版社，柴惠芬机械工业出版社，柴惠芬, ,石德珂编石德珂编 71.22/501 71.22/501材料物理性能材料物理性能 中南大学出版社中南大学出版社 龙毅，李庆奎，强文江龙毅，李庆奎，强文江参考书：参考书：2021/6/166 热学性能热学性能：各种材料及其制品都是在一定温度环境下使用的，在使各种材料及其制品都是在一定温度环境下使用的，在使用过程中将对不同的温度做出反映，

13、所表现出的不同热物理性能。用过程中将对不同的温度做出反映，所表现出的不同热物理性能。 如环境温度变化材料膨胀或收缩，同时吸收或放出热量，但不同材如环境温度变化材料膨胀或收缩，同时吸收或放出热量，但不同材料表现不同的值；材料各部分温度不同时料表现不同的值；材料各部分温度不同时。 包括热容、热膨胀、热传导、热稳定性等等。本章学习这些热学性包括热容、热膨胀、热传导、热稳定性等等。本章学习这些热学性能的有关概念、物理本质、影响因素、测量方法和工程意义。能的有关概念、物理本质、影响因素、测量方法和工程意义。第一章第一章 材料的热学性能材料的热学性能第第1节节 热学性能的物理基础热学性能的物理基础1、各种

14、热学性能的物理本质、各种热学性能的物理本质 材料各种热学性能的物理本质，均与材料各种热学性能的物理本质，均与晶格热振动晶格热振动有关。有关。晶格热振动晶格热振动：固体材料（包括晶体和非晶体），点阵中的质点（原子、离固体材料（包括晶体和非晶体），点阵中的质点（原子、离子）实际上并不是固定不动的，而总是围绕其平衡位置作微小振动。如金子）实际上并不是固定不动的，而总是围绕其平衡位置作微小振动。如金属铝、属铝、NaCl(面心立方面心立方)中离子中离子。 热振动的剧烈程度与温度有关热振动的剧烈程度与温度有关。温度不太高时各质点在其平衡位置作微。温度不太高时各质点在其平衡位置作微小振动，温度升高振动加剧，

15、甚至产生扩散（非均质材料），温度升至一小振动，温度升高振动加剧，甚至产生扩散（非均质材料），温度升至一定程度，振动周期破坏，材料熔化，晶体材料表现出固定熔点。定程度，振动周期破坏，材料熔化，晶体材料表现出固定熔点。 只讨论温度不太高时材料的热学性能。温度变化，质点热振动变化，导致只讨论温度不太高时材料的热学性能。温度变化，质点热振动变化，导致。2021/6/167第第1节节 热学性能的物理基础热学性能的物理基础2、质点的简谐振动方程、质点的简谐振动方程 可将晶格热振动分解成三个方向的线性振动。设每个质点的质量为可将晶格热振动分解成三个方向的线性振动。设每个质点的质量为m，在任一瞬间该质点在，在

16、任一瞬间该质点在x方向的位移为方向的位移为xn。其相邻质点的位移为。其相邻质点的位移为xn-1 xn+1 。该质点的运动方程为：。该质点的运动方程为： Em为微观弹为微观弹性模量。性模量。 相邻质点振动位移间的关系。相邻质点振动位移间的关系。临近质点的振动存在一定的相位差，即各质点的热振动不是孤临近质点的振动存在一定的相位差，即各质点的热振动不是孤立的，与临近质点存在相互作用。立的，与临近质点存在相互作用。描述描述：说明说明：3 3、质点的热振动与物体热量、质点的热振动与物体热量 构成物体各质点热运动动能的总和即为构成物体各质点热运动动能的总和即为物体的热量物体的热量。温度升高，质点。温度升高

17、，质点振动振动频率频率和和振幅振幅增加，热量增加。与增加，热量增加。与热容热容有关。有关。2021/6/1684 4、声频支振动和光频支振动、声频支振动和光频支振动 材料中质点间存在很强的相互作用力，一个质点的振动会影响其临近材料中质点间存在很强的相互作用力，一个质点的振动会影响其临近质点的振动，进而影响到其它区域质点的振动。相邻质点间的振动存在质点的振动，进而影响到其它区域质点的振动。相邻质点间的振动存在一定相位相差，即晶格振动以弹性波的形式在整个材料内传播，这种弹一定相位相差，即晶格振动以弹性波的形式在整个材料内传播，这种弹性波称为性波称为格波格波。弹性波是多频率振动的组合波，频率高者传播

18、较快。弹性波是多频率振动的组合波，频率高者传播较快。 声频支振动声频支振动：振动质点中频率甚低的格波，质点彼此之间位相差不大，：振动质点中频率甚低的格波，质点彼此之间位相差不大，则格波类似于弹性体中的应变波（与声音频率相当）。则格波类似于弹性体中的应变波（与声音频率相当）。 光频支振动光频支振动：格波中频率甚高的振动波，质点间位相差很大，邻近质格波中频率甚高的振动波，质点间位相差很大，邻近质点的运动几乎相反，频率住往在红外点的运动几乎相反，频率住往在红外光光区。区。 声频支振动声频支振动可看成相邻质点具有可看成相邻质点具有相同的振动方向相同的振动方向；光频支振动光频支振动可看成可看成相邻质点相

19、邻质点振动方向相反。振动方向相反。 对于对于离子型晶体离子型晶体，正、负离子间存在相对振动，对于光频支振动，异，正、负离子间存在相对振动，对于光频支振动，异号离子间有反向位移，便构成了一个偶极子，在振动过程中此偶极子的号离子间有反向位移，便构成了一个偶极子，在振动过程中此偶极子的偶极矩周期性变化，根据电动力学，它会发射偶极矩周期性变化，根据电动力学，它会发射电磁波电磁波，其强度决定于振，其强度决定于振幅大小。在室温下，所发射的这种电磁波是微弱的，如果从外界发射相幅大小。在室温下，所发射的这种电磁波是微弱的，如果从外界发射相应频率的红外光，则会被晶体强烈吸收，从而激发总体振动。这就是应频率的红外

20、光，则会被晶体强烈吸收，从而激发总体振动。这就是离离子晶体具有很强的红外光吸收特性的原因子晶体具有很强的红外光吸收特性的原因。第第1节节 热学性能的物理基础热学性能的物理基础2021/6/169第第2 2节节 材料的热容材料的热容1.1.热容热容： 在没有相变、化学反应的条件下，材料温度升高在没有相变、化学反应的条件下，材料温度升高1K所所吸收的热量吸收的热量。 单位单位J/K （在（在T温度时）温度时）。 为什么温度升高材料吸收热量哪？（即热容的物理本质是什么？）为什么温度升高材料吸收热量哪？（即热容的物理本质是什么？）温度升高，晶格热振动加剧，材料内能增加，若发生膨胀，还对外做功。温度升高

21、，晶格热振动加剧，材料内能增加，若发生膨胀，还对外做功。影响物质热容的因素：影响物质热容的因素：物质的性质、温度、是否发生体积变化、电子。物质的性质、温度、是否发生体积变化、电子。2. 2. 比热容比热容（质量热容）：单位质量材料的热容，单位（质量热容）：单位质量材料的热容，单位J/(Kg K)。 一、热容的基本概念及其与温度的关系一、热容的基本概念及其与温度的关系（一）热容的基本概念和物理本质（一）热容的基本概念和物理本质2021/6/16103.3.摩尔热容摩尔热容：1mol1mol材料的热容。单位：材料的热容。单位：4.4.平均比热容平均比热容： 同种材料在不同温度比热容不同，工程上往往

22、用单位质量的材料从温同种材料在不同温度比热容不同，工程上往往用单位质量的材料从温度度T T1 1升高到升高到T T2 2所吸收热量的平均值表示其热容，称平均比热容所吸收热量的平均值表示其热容，称平均比热容 。较粗略，但工程上常用，使用时注意：较粗略，但工程上常用，使用时注意：温度范围温度范围。一、热容的基本概念一、热容的基本概念5.5.比定压热容和比定容热容比定压热容和比定容热容 比定压热容比定压热容：材料温度升高时，压强恒定，所测得的比热容。：材料温度升高时，压强恒定，所测得的比热容。P内能内能焓焓 比定容热容比定容热容：材料温度升高时，体积恒定，所测得的比热容。：材料温度升高时，体积恒定，

23、所测得的比热容。c cp p与与c cv v哪个大？哪个大？c cp pc cv v 原因？原因？c cp p测量方便，测量方便，c cv v更具理论意义。对于固体材料二者差别很小，可忽更具理论意义。对于固体材料二者差别很小，可忽略，但高温下差别增大。略，但高温下差别增大。c cp p、c cv v与温度之间的关系（三个阶段）。与温度之间的关系（三个阶段）。2021/6/1611 (1)经典热容理论：固体中每一个自由度的振动（共经典热容理论：固体中每一个自由度的振动（共3个）用谐振子表个）用谐振子表示，每个振动自由度平均动能和平均位能都为示，每个振动自由度平均动能和平均位能都为1/2kT(k为

24、玻尔茨曼常数为玻尔茨曼常数 1.3810-23，则，则每个原子每个原子平均动能和位能之和为：平均动能和位能之和为：3 2 1/2kT3kT, 1mol原子的原子个数为原子的原子个数为N（阿佛加德罗常数（阿佛加德罗常数 6.02 1023），），1mol原子原子的总能量为：的总能量为： E3NkT3RT 3R3 8.31425J/Kmol 二、晶态固体热容的经验定律与经典理论二、晶态固体热容的经验定律与经典理论1919世纪提出，认为热容与温度和材料种类无关。世纪提出，认为热容与温度和材料种类无关。 1.1.元素的热容定律元素的热容定律杜隆伯替定律杜隆伯替定律 恒压下元素的原子热容等于恒压下元素的

25、原子热容等于25J/molK25J/molK，即晶态固体材料每含，即晶态固体材料每含1mol1mol原原子，热容为子，热容为25J/molK25J/molK。（举例）。（举例） (2) (2) 实际上大部分元素的在实际上大部分元素的在常温以上常温以上原子热容接近该值，但对于原子热容接近该值，但对于轻元素轻元素与实际值差别较大。与实际值差别较大。2021/6/16122. 2. 化合物的热容定律化合物的热容定律奈曼柯普定律奈曼柯普定律 化合物的分子热容等于构成此化合物各原子热容之和。化合物的分子热容等于构成此化合物各原子热容之和。 双原子固体：如双原子固体：如NaClNaCl、TiC TiC 摩

26、尔热容？摩尔热容？ 多原子固体：如多原子固体：如H H2 2O O、 SiO SiO2 2、CaSiOCaSiO3 3 摩尔热容？摩尔热容？ 其来由是根据杜隆伯替定律，也是基于经典热容理论。其来由是根据杜隆伯替定律，也是基于经典热容理论。二、晶态固体热容的经验定律与经典理论二、晶态固体热容的经验定律与经典理论 （1 1）认为热容与温度无关，与事实不符。）认为热容与温度无关，与事实不符。实际上？实际上？ （2 2）低温时、轻元素与事实差别很大。）低温时、轻元素与事实差别很大。 （3 3）认为所有元素热容相同，构成化合物时，分子热容等于各原子热）认为所有元素热容相同，构成化合物时，分子热容等于各原

27、子热 容之和，与事实不完全相符。容之和，与事实不完全相符。 （4 4）未考虑体积是否变化及电子的影响。）未考虑体积是否变化及电子的影响。 （5 5）除轻元素外大部分元素与固体物质在非低温时与事实十分接近。）除轻元素外大部分元素与固体物质在非低温时与事实十分接近。3.3.热容经验定律评价热容经验定律评价原因：原因：假设与前提问题，原子（各种元素）假设与前提问题，原子（各种元素） 在相同温度下，平均动能、在相同温度下，平均动能、位能相等，模型过于简化。位能相等，模型过于简化。 经验定律和经典理论在解释实际问题时不能与事实完全相符，因此出现经验定律和经典理论在解释实际问题时不能与事实完全相符，因此出

28、现了固体热容的量子理论。了固体热容的量子理论。2021/6/16133.3.热容经验定律评价热容经验定律评价三、晶态固体热容的三、晶态固体热容的量子理论量子理论 晶态固体热容的经典理论过于简化，存在较多的问题。晶态固体热容的经典理论过于简化，存在较多的问题。2020世纪初期世纪初期提出了晶态固体量子理论，能够更好地解释热容现象。提出了晶态固体量子理论，能够更好地解释热容现象。 普朗克首先提出了质点振动普朗克首先提出了质点振动能量能量的的“量子化量子化”理论。认为在一物体理论。认为在一物体内，即使温度相同，不同质点热振动的频率（内，即使温度相同，不同质点热振动的频率（）也不尽相同，即使同）也不尽

29、相同，即使同一质点能量也时大时小。但它们的能量都是量子化的，都以一质点能量也时大时小。但它们的能量都是量子化的，都以hh为最小单为最小单位，称量子能阶。质点的能量都是这一最小单位的位，称量子能阶。质点的能量都是这一最小单位的整数倍整数倍。 在此基础上，经过简化和推导，得到了一些热容的数学模型，其中在此基础上，经过简化和推导，得到了一些热容的数学模型，其中有代表性的为爱因斯坦模型和德拜模型。有代表性的为爱因斯坦模型和德拜模型。1.1.爱因斯坦模型爱因斯坦模型 1906 1906年爱因斯坦根据普朗克质点振动量子化的观点，并年爱因斯坦根据普朗克质点振动量子化的观点，并假设假设每个质每个质点都在独立振

30、动，原子间彼此无关，每个质点振动频率相同点都在独立振动，原子间彼此无关，每个质点振动频率相同，简化、推简化、推导而得。导而得。 推导过程：略推导过程：略 注意爱因斯坦温度注意爱因斯坦温度E E 进步：能量量子化、考虑到温度因素。进步：能量量子化、考虑到温度因素。 2021/6/1614讨论：讨论：（1 1）当高温时（）当高温时（T TE E ），），Cv3RCv3R 即为杜隆伯替定律的形式，实际上杜隆伯替定律在较高温度即为杜隆伯替定律的形式，实际上杜隆伯替定律在较高温度 时与事实符合较好。时与事实符合较好。 爱因斯坦模型中考虑到了频率随温度和元素的变化，较杜隆伯爱因斯坦模型中考虑到了频率随温度

31、和元素的变化，较杜隆伯 替定律精确。替定律精确。 1.1.爱因斯坦模型爱因斯坦模型（2 2）低温时（）低温时（T TE E ），）， 热容以指数规律随热容以指数规律随T T减小而减小，但减小而减小，但不是不是按按T T的三次方的三次方变化，计算值变化，计算值 较实际值小，但较经验定律有明显进步。较实际值小，但较经验定律有明显进步。（3 3）T0T0时，热容为时，热容为0 0，与事实相符。，与事实相符。 评价评价： 三个方面的进步：考虑到的温度、低温、温度趋于三个方面的进步：考虑到的温度、低温、温度趋于0 0时。时。 不足：在不足：在T TE E温区理论值较实验值下降得过快。温区理论值较实验值下

32、降得过快。 原因：前提、没有考虑低频率振动对热容的贡献。德拜模型在这一方面原因：前提、没有考虑低频率振动对热容的贡献。德拜模型在这一方面作了改进，故能得到更好结果。作了改进，故能得到更好结果。2021/6/1615 前提：前提：考虑了晶体中各质点的相互作用；考虑了晶体中各质点的相互作用；对热容的贡献主要是频率对热容的贡献主要是频率较低的声频支振动（较低的声频支振动（0 0maxmax），光频支振动对热容的贡献很小，忽略；），光频支振动对热容的贡献很小，忽略；把晶体看作连续介质；把晶体看作连续介质； max max由分子密度和声速决定。由分子密度和声速决定。 推导过程推导过程：略略 注意德拜特征

33、温度注意德拜特征温度D D 进步进步：考虑到了晶体中各质点的相互作用。考虑到了晶体中各质点的相互作用。2. 2. 德拜模型德拜模型 讨论：讨论：（1 1）高温时（）高温时（T TD D ），），Cv3RCv3R，即杜隆伯替定律形式。同时考虑，即杜隆伯替定律形式。同时考虑到了频率随温度和元素的变化，一般温度下，较杜隆伯替定律精确。到了频率随温度和元素的变化，一般温度下，较杜隆伯替定律精确。（2 2）低温时（）低温时（T TD D ），）， 表明表明T T趋于趋于0 0时，热容与时，热容与T T的的3 3次方成比例地趋于次方成比例地趋于0 0，与事实十分符合，与事实十分符合，较爱因斯坦模型进步。较

34、爱因斯坦模型进步。 评价：评价： 一般场合已足够精确。但随着测量技术的进步，发现其在低温下还不一般场合已足够精确。但随着测量技术的进步，发现其在低温下还不能与实际完全相符；不能解释超导现象；不完全适用于复杂化合物。能与实际完全相符；不能解释超导现象；不完全适用于复杂化合物。 原因：晶体毕竟不是一个连续体（如晶界、杂质等缺陷）。对于金属原因：晶体毕竟不是一个连续体（如晶界、杂质等缺陷）。对于金属晶体，没有考虑自由电子的贡献等。晶体，没有考虑自由电子的贡献等。2021/6/1616四、无机材料的热容四、无机材料的热容 1. 材料都有材料都有D （0.20.5T熔熔），），D以上热容逐渐趋于以上热容

35、逐渐趋于25J/molK，绝，绝大多数氧化物、碳化物，至大多数氧化物、碳化物，至1273K附近热容近似于附近热容近似于25J/molK，温度进一，温度进一步增加热容基本不变。步增加热容基本不变。 2.热容与材料组织结构关系不大，如热容与材料组织结构关系不大，如CaO和和SiO2mol比为比为1：1的混合物的混合物与与CaSiO3的热容的热容T曲线基本重合。但单位体积的热容与气孔率有关，多曲线基本重合。但单位体积的热容与气孔率有关，多孔材料质轻，体积热容小。因此周期加热炉，用孔材料质轻，体积热容小。因此周期加热炉，用多孔的多孔的硅藻上砖、泡沫硅藻上砖、泡沫刚玉等，减少热量损耗，加快升降温速度。刚

36、玉等，减少热量损耗，加快升降温速度。 3. 在相变、多晶转化、铁电转变、有序无序转变等点上，热容突变。在相变、多晶转化、铁电转变、有序无序转变等点上，热容突变。同样金属材料熔化与凝固、过饱和固溶体时效，马氏体与残余奥氏体回同样金属材料熔化与凝固、过饱和固溶体时效，马氏体与残余奥氏体回火转变，形变金属的回复、再结晶等温度也存在这一现象。火转变，形变金属的回复、再结晶等温度也存在这一现象。原因？原因？ 4.材料热容与温度关系的经验公式材料热容与温度关系的经验公式 根据实验结果加以整理，可得经验公式：根据实验结果加以整理，可得经验公式： Cp abTcT2 一些无机材料在一些无机材料在不同温度范围不

37、同温度范围的的 a、b、c可通过相关资料（如物理性可通过相关资料（如物理性能手册）查出。能手册）查出。工程上一般采用工程上一般采用。 较高温度下，若某物质的数据不能查得，工程上也常用查得的构成该较高温度下，若某物质的数据不能查得，工程上也常用查得的构成该化合物的元素或简单化合物的热容总和作为其热容（如化合物的元素或简单化合物的热容总和作为其热容（如CaSiO3）。）。2021/6/1617五、金属材料的热容五、金属材料的热容 1.1.自由电子对热容的贡献自由电子对热容的贡献 金属的特征是内部有大量的自由电子。经典电子论估计自由电于对热金属的特征是内部有大量的自由电子。经典电子论估计自由电于对热

38、容的贡献在容的贡献在3 32k2k（玻尔茨曼常数）数量级，且与温度无关，金属化合物、（玻尔茨曼常数）数量级，且与温度无关，金属化合物、固溶体和中间相的热容由点阵振动和自由电子两部分组成。固溶体和中间相的热容由点阵振动和自由电子两部分组成。常温下常温下电子电子对热容的贡献只占对热容的贡献只占1 1100100；但在；但在极高温度和极低温度极高温度和极低温度下，对热容的贡献下，对热容的贡献不可忽视。这是因为高温下电子像金属晶体离子那样显著地参加到热运不可忽视。这是因为高温下电子像金属晶体离子那样显著地参加到热运动中，因此，动中，因此，高温区高温区随温度升高热容继续上升。随温度升高热容继续上升。极低

39、温极低温下，电子热容不下，电子热容不像离子热容那样急剧减小，因而在极低温度下起着主导作用。像离子热容那样急剧减小，因而在极低温度下起着主导作用。 2.2.合金成分对热容的影响合金成分对热容的影响 合金的热容是每个组成元素热容与其质量百分比的乘积之和。温度高合金的热容是每个组成元素热容与其质量百分比的乘积之和。温度高于于D D时，计算出的热容值与实测结果相差不超过时，计算出的热容值与实测结果相差不超过4 4。该定律具有一定的。该定律具有一定的普遍性，它不仅适用于金属化合物、金属与非金属的化合物，并能准确普遍性，它不仅适用于金属化合物、金属与非金属的化合物，并能准确地适用于中间相和固溶体及它们所组

40、成的多相合金，但地适用于中间相和固溶体及它们所组成的多相合金，但对铁磁合金不适对铁磁合金不适用用。热处理热处理虽能改变合金组织，但对合金高温下的热容无明显影响。虽能改变合金组织，但对合金高温下的热容无明显影响。 3.3.相变时热容变化（自学）相变时热容变化（自学）P P9 9六、热容的测量（自学）六、热容的测量（自学）七、热分析及其工程应用（自学）七、热分析及其工程应用（自学）2021/6/1618第第3 3节节 材料的热膨胀材料的热膨胀一、热膨胀的概念及热膨胀系数一、热膨胀的概念及热膨胀系数1.1.热膨胀热膨胀：物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象。也就是所谓的物体的体积或长度随温度的升

41、高而增大的现象。也就是所谓的 热胀冷缩热胀冷缩现象。现象。 不同物质的热膨胀特性不同。不同物质的热膨胀特性不同。有的物质随温度变化有较大的体积变化，有的物质随温度变化有较大的体积变化，而另一些物质则相反。即使是同一种物质，而另一些物质则相反。即使是同一种物质，晶体结构不同晶体结构不同（如如石英玻璃石英玻璃与与SiOSiO2 2晶体晶体），也将有），也将有不同的热膨胀性能不同的热膨胀性能，等等。，等等。 意义：意义：集成电路、特灯等基体材料与金属间的封接，复合材料，精密仪集成电路、特灯等基体材料与金属间的封接，复合材料，精密仪器等。器等。选择、设计膨胀性能满足使用要求的材料。选择、设计膨胀性能满

42、足使用要求的材料。2.热膨胀系数：热膨胀系数：1）线膨胀系数）线膨胀系数（1）物体温度升高自）物体温度升高自T1T2，其长度增加自，其长度增加自L1L2，则，则 即为即为T1T2温度区间的温度区间的平均线膨胀系数平均线膨胀系数,单位：单位：K 。表示物体在。表示物体在该温度范围内，温度每平均升高该温度范围内，温度每平均升高1个单位，长度的个单位，长度的相对相对变化量。是材料在变化量。是材料在一一个温度范围内个温度范围内的的平均平均膨胀特性。工业上通常使用。膨胀特性。工业上通常使用。12021/6/1619一、热膨胀的概念及热膨胀系数一、热膨胀的概念及热膨胀系数（2）当）当T和和L0时，得时，得

43、 即即T温度下温度下的的真线膨胀系数真线膨胀系数，或微分线膨胀系数。或微分线膨胀系数。（3） 一般随温度的升高而升高。一般随温度的升高而升高。 （4）手册上查到的都是平均线膨胀系数，工程上一般使用，但一定注意其）手册上查到的都是平均线膨胀系数，工程上一般使用，但一定注意其使用温度范围。使用温度范围。（5）一般无机非金属）一般无机非金属 较小，金属材料较大。大多在较小，金属材料较大。大多在105106K 1 数量级。如（数量级。如（106K 1）：）：Al:23.8（303273K）；）；钢钢: 1020（273373K）；）；Cu:17.18（373K）Si:6.95（ 273373K）；）；

44、SiC:4.7 （2731273K）；）；Si3N4:2.7 （2731273K）；）；石英玻璃石英玻璃:0.5 （2731273K）。）。2 2）体积膨胀系数（体膨胀系数）体积膨胀系数（体膨胀系数） 物体的体积随温度升高而增大，表示为：物体的体积随温度升高而增大，表示为：V VT T=V=V0 0(1+(1+V V T)T)， V V即为即为平均体积膨胀系数平均体积膨胀系数。 表示物体温度升高表示物体温度升高1K1K，体积的，体积的相对相对增大量。增大量。真体积膨胀系数？真体积膨胀系数？（1 1）各项同性立方体材料：）各项同性立方体材料：V V 3 3L L 推导略。推导略。（2 2）各项异

45、性立方体材料：）各项异性立方体材料： 各晶轴方向的线性膨胀系数不同，分别为表示为：各晶轴方向的线性膨胀系数不同，分别为表示为：a a、b b、c c 可得：可得：V V a ab b c c 推导略。推导略。2021/6/1620二、热膨胀的机理二、热膨胀的机理 重点、难点重点、难点 1.1.简谐振动问题简谐振动问题 前面将质点热振动前面将质点热振动近似近似看作简谐振动。即质点只看作简谐振动。即质点只围绕其平衡位置围绕其平衡位置做热振动，温度做热振动，温度升高不改变其平衡位置，只影响振幅、频率，质点间平均距离不因温度升高而改变，升高不改变其平衡位置，只影响振幅、频率，质点间平均距离不因温度升高

46、而改变，这样不会有热膨胀，显然与实际不符，即简谐振动不能解释热膨胀现象，只能揭示这样不会有热膨胀，显然与实际不符，即简谐振动不能解释热膨胀现象，只能揭示热容的本质。那么热膨胀是怎样通过热容的本质。那么热膨胀是怎样通过质点的热振动质点的热振动产生的哪？（前面讲过，材料各产生的哪？（前面讲过，材料各种热学性能的物理本质，均与晶格热振动有关）。种热学性能的物理本质，均与晶格热振动有关）。 2.2.热膨胀的物理本质（机理）热膨胀的物理本质（机理） 实际上物体温度升高，由于质点振动的加剧，将引起质点平均距离增大，实际上物体温度升高，由于质点振动的加剧，将引起质点平均距离增大，从而导致物体热膨胀。从而导致

47、物体热膨胀。(1)(1)双原子模型（从临近质点间的相互作用力解释）双原子模型（从临近质点间的相互作用力解释）P18 P18 图图1.161.16、1.171.17 先讨论先讨论相邻两质点，以左质点为参照位置。两质点间存在着相互作用力：相邻两质点，以左质点为参照位置。两质点间存在着相互作用力： 引力引力异性电荷之间的库仑吸引力。异性电荷之间的库仑吸引力。 斥力斥力同性电荷之间的库仑排斥力同性电荷之间的库仑排斥力泡利不相容原理引起的斥力。泡利不相容原理引起的斥力。 引力与斥力都与质点间距有关：引力与斥力都随质点间离减小而增大，但引力与斥力都与质点间距有关：引力与斥力都随质点间离减小而增大，但两力不

48、简单地与位移成正比。随间距减小增大速度不同，两力不简单地与位移成正比。随间距减小增大速度不同，斥力增加快斥力增加快，合力，合力曲线斜率不等（曲线斜率不等（平衡平衡位置位置左侧大左侧大，右侧小右侧小），所以质点振动时其），所以质点振动时其平均平均位置位置不不在振动的在振动的平衡平衡位置位置，而，而靠右靠右。温度升高，振幅增大，其。温度升高，振幅增大，其平均平均位置位置偏离偏离平衡平衡位位置置靠右靠右的距离越大，两质点间的距离增大，晶胞参数增大，物体膨胀。的距离越大，两质点间的距离增大，晶胞参数增大，物体膨胀。2021/6/1621(2)(2)用势能曲线解释用势能曲线解释 P19 P19 图图1.

49、181.18 图图1.181.18为质点相作用的位能曲线（图中虚线），图中平行的横线代表为质点相作用的位能曲线（图中虚线），图中平行的横线代表不同的温度。任一温度下，质点在其不同的温度。任一温度下，质点在其平衡平衡位置动能最大，势能为零；在位置动能最大，势能为零；在左右左右最远距离最远距离势能最大，动能为零。随势能最大，动能为零。随温度升高温度升高，质点振幅增大，左右，质点振幅增大，左右侧最大势能都增加，但由于侧最大势能都增加，但由于斥力增加的快斥力增加的快，左侧势能增加较右侧快，形，左侧势能增加较右侧快，形成了势能曲线的不对称。因此，随温度的升高，质点的中心位置右移，成了势能曲线的不对称。因

50、此，随温度的升高，质点的中心位置右移，质点间的距离增大，物体膨胀。质点间的距离增大，物体膨胀。2.2.热膨胀的物理本质（机理）热膨胀的物理本质（机理）2021/6/16221.1.与热容之间的关系与热容之间的关系 格律乃森定律：格律乃森定律：物体的膨胀系数与定容热容成正比（表达式见式物体的膨胀系数与定容热容成正比（表达式见式1.401.40、1.411.41）。它们有）。它们有相似温度依赖关系相似温度依赖关系，在低温下随温度升高急剧增大，而到高，在低温下随温度升高急剧增大，而到高温则趋于平缓。图温则趋于平缓。图1.191.19是铝根据其理论关系所得的曲线与实测结果的对比，是铝根据其理论关系所得

51、的曲线与实测结果的对比，基本一致。基本一致。 原因：原因：固体的热膨胀实质上是由于材料温度升高晶格热振动加剧引起的。固体的热膨胀实质上是由于材料温度升高晶格热振动加剧引起的。振幅增加越大，热膨胀越大，同时振动能量越大。而晶格热振动加剧，质点振幅增加越大，热膨胀越大，同时振动能量越大。而晶格热振动加剧，质点振动能量增加，升高单位温度能量的增加值正是热容的定义。振动能量增加，升高单位温度能量的增加值正是热容的定义。2.2.与原子结合能、熔点之间的关系与原子结合能、熔点之间的关系 热膨胀系数与熔点、原子间结合能、德拜温度的平方成反比。热膨胀系数与熔点、原子间结合能、德拜温度的平方成反比。 原因：原因

52、：固体材料的热膨胀与晶体点阵中质点的位能性质有关，质点的位能固体材料的热膨胀与晶体点阵中质点的位能性质有关，质点的位能性质又由质点间的结合力特性决定。原子间结合力越强的材料，其性质又由质点间的结合力特性决定。原子间结合力越强的材料，其位阱位阱越深越深而狭（位能随质点位移变化陡峭），升高同样温度，振幅增加越小，因此热而狭（位能随质点位移变化陡峭），升高同样温度，振幅增加越小，因此热膨胀系数小。膨胀系数小。 一般，晶体结构类型相同时，结合能大的物质熔点高，所以熔点高的物质一般，晶体结构类型相同时，结合能大的物质熔点高，所以熔点高的物质膨胀系数小。单质的熔点与元素周期表存在一定规律，所以膨胀系数与周

53、期膨胀系数小。单质的熔点与元素周期表存在一定规律，所以膨胀系数与周期表也有相应关系。如：表也有相应关系。如：三、热膨胀与其它物理性能之间的关系三、热膨胀与其它物理性能之间的关系2021/6/16231.键强：键强： 键强越大的材料膨胀系数越小，如陶瓷为共价或离子键，膨胀系数小。键强越大的材料膨胀系数越小，如陶瓷为共价或离子键，膨胀系数小。2.晶体结构：晶体结构： 化学组成同，但晶体结构不同，如石英玻璃与多晶石英。化学组成同，但晶体结构不同，如石英玻璃与多晶石英。哪个哪个大？大？ 结构紧密的晶体结构紧密的晶体大，类似非晶态玻璃那样结构松散的材料大，类似非晶态玻璃那样结构松散的材料小。因结构小。因

54、结构疏松的材料内部空隙较多，温度升高，质点振幅增大，质点间距离的增大疏松的材料内部空隙较多，温度升高，质点振幅增大，质点间距离的增大部分被结构内的空隙所容纳，整个材料宏观上部分被结构内的空隙所容纳，整个材料宏观上小。小。 多晶石英多晶石英：12106K 1； 石英玻璃石英玻璃：0.5106K 13.非等轴晶系的晶体非等轴晶系的晶体 单晶体各晶轴方向单晶体各晶轴方向不同不同，最显著的是层状结构材料。如，最显著的是层状结构材料。如石墨石墨层内结合层内结合力强，力强，小，小，1106K 1，层间结合力弱得多，层间结合力弱得多，大，大，27106K 1 。 多晶金属材料多晶金属材料，往往存在微晶的择优

55、取向，在一定程度上表现出单晶的，往往存在微晶的择优取向，在一定程度上表现出单晶的各相异性；一般结构上高度各相异性的材料，各相异性；一般结构上高度各相异性的材料， V都很小，因此作为优良都很小，因此作为优良耐热震材料被广泛使用。耐热震材料被广泛使用。4.4.相变相变 材料发生相变，膨胀特性也发生明显变化，不同相变变化特征不同。材料发生相变，膨胀特性也发生明显变化，不同相变变化特征不同。 原因：原因：材料晶型、晶体结构、结合键等都可能发生明显变化。材料晶型、晶体结构、结合键等都可能发生明显变化。四、影响热膨胀性能的因素四、影响热膨胀性能的因素2021/6/16245. 5. 合金合金 单相均匀固溶

56、体合金单相均匀固溶体合金 溶质元素膨胀系数高于溶剂基体时膨胀系数增加；溶质元素膨胀系数溶质元素膨胀系数高于溶剂基体时膨胀系数增加；溶质元素膨胀系数低于溶剂基体时膨胀系数降低。含量越高影响越大。因此其膨胀系数介于低于溶剂基体时膨胀系数降低。含量越高影响越大。因此其膨胀系数介于两组元之间，随溶质原子浓度变化两组元之间，随溶质原子浓度变化近似呈直线近似呈直线变化，一般略低于直线值。变化，一般略低于直线值。 溶质元素的膨胀系数高于基体：如溶质元素的膨胀系数高于基体：如Cu-ZnCu-Zn、SnSn；Fe-MnFe-Mn、SnSn等。等。 溶质元素的膨胀系数低于基体：如溶质元素的膨胀系数低于基体：如Ag

57、-AuAg-Au；Bi-SbBi-Sb； Fe-Cr Fe-Cr、V V；Cu-PdCu-Pd、NiNi、AuAu；Al-CuAl-Cu、SiSi、NiNi、FeFe等。等。 注意：注意：Cu-SbCu-Sb例外，例外， Sb Sb膨胀系数低于膨胀系数低于CuCu，但使，但使CuCu膨胀系数增大，可能膨胀系数增大，可能与其半金属性有关。与其半金属性有关。 多相合金多相合金 介于各组成相的膨胀系数之间，可近似按体积百分数以混合定则粗略介于各组成相的膨胀系数之间，可近似按体积百分数以混合定则粗略估算。估算。6.6.钢钢 取决于组成相特性：奥氏体取决于组成相特性：奥氏体最高。最高。 钢中合金元素影响

58、：形成碳化物钢中合金元素影响：形成碳化物升高，固溶于铁素体升高，固溶于铁素体降低。降低。四、影响热膨胀性能的因素四、影响热膨胀性能的因素2021/6/1625 热膨胀系数是材料的一项重要热学性能指标，在实际工程应用中具有热膨胀系数是材料的一项重要热学性能指标，在实际工程应用中具有重要意义。重要意义。1.1.是决定材料抗热震性的主要因素。是决定材料抗热震性的主要因素。2.2.陶瓷坯上釉，陶瓷坯上釉， 二者二者应匹配。釉应匹配。釉适当小于坯，烧结冷却过程中，釉适当小于坯，烧结冷却过程中，釉 层收缩小，使釉层中存在压应力，提高釉层强度，防止裂纹产生。小层收缩小，使釉层中存在压应力，提高釉层强度，防止

59、裂纹产生。小 的太多也不行，会使釉层脱落。的太多也不行，会使釉层脱落。3.3.集成电路、电子管、特灯生产中。集成电路、电子管、特灯生产中。4.4.复合材料制备。复合材料制备。5.5.精密仪器仪表。精密仪器仪表。六、热膨胀系数的测量（自学）六、热膨胀系数的测量（自学）七、膨胀分析的应用（自学）七、膨胀分析的应用（自学）五、热膨胀在工程中的意义五、热膨胀在工程中的意义2021/6/1626一、热传导与热导率的基本概念与定律一、热传导与热导率的基本概念与定律1.1.热传导：热传导： 不同温度的物体具有不同的内能；同一物体在不同的区域温度不等，含不同温度的物体具有不同的内能；同一物体在不同的区域温度不

60、等，含有的有的内能内能不同。这些不同温度的物体或区域相互靠近或接触时，就会以热不同。这些不同温度的物体或区域相互靠近或接触时，就会以热量的形式量的形式交换能量交换能量。 当材料相邻部分间存在温度差时，热量从温度高的区域自动流向温度低当材料相邻部分间存在温度差时，热量从温度高的区域自动流向温度低的区域，这种现象叫的区域，这种现象叫热传导热传导。 不同的材料导热性能不同不同的材料导热性能不同。工程应用上，有时希望材料的导热性越差。工程应用上，有时希望材料的导热性越差越好，如隔热材料、保温材料等；有时希望材料的导热性越良越好，如散越好，如隔热材料、保温材料等；有时希望材料的导热性越良越好，如散热器材

61、料、电子信息材料等。在热能工程、制冷技术、工业炉设计等诸多热器材料、电子信息材料等。在热能工程、制冷技术、工业炉设计等诸多技术领域，材料的导热性都是非常重要的问题。技术领域，材料的导热性都是非常重要的问题。 那么，材料的导热性能好坏如何定量地比较、衡量哪？需引入那么，材料的导热性能好坏如何定量地比较、衡量哪？需引入“热导热导率率”的概念。的概念。第第4 4节节 材料的热传导材料的热传导2021/6/16272.2.傅里叶定律和热导率傅里叶定律和热导率 先分析一下在某一特定材料中的传热量与哪些因素有关：先分析一下在某一特定材料中的传热量与哪些因素有关： 温度梯度温度梯度：沿热流方向每单位长度的温

62、度变化量，：沿热流方向每单位长度的温度变化量， 。矢量，。矢量，规定其方规定其方向向指向温度升高的方向。指向温度升高的方向。 热流密度热流密度：单位时间内通过与热流垂直的单位面积的热量，以：单位时间内通过与热流垂直的单位面积的热量，以“q”“q”表示。表示。 傅里叶定律傅里叶定律：在固体内任何一点，热流密度与温度梯度成正比，但方向：在固体内任何一点，热流密度与温度梯度成正比，但方向相反，即相反，即 即为即为热导率热导率，表示，表示单位温度梯度下，单位时间内通过单位截面积的热单位温度梯度下，单位时间内通过单位截面积的热量。量。 则，流过的与热流垂直的某一截面的热量（注意则，流过的与热流垂直的某一

63、截面的热量（注意“”的意义）：的意义）： 导热率导热率也称为也称为导热系数导热系数，标志材料，标志材料本质的本质的导热能力。单位：导热能力。单位：( (根据其物理根据其物理意义记）。意义记）。 注意：利用傅里叶定律计算传热量时，注意：利用傅里叶定律计算传热量时，只适用于稳定传热过程，即只适用于稳定传热过程，即x x方方向各处温度恒定；向各处温度恒定；只适用于各向同性材料，各向异性材料只适用于各向同性材料，各向异性材料 不是定数。不是定数。 金属比非金属导热性能好，气体是热的绝缘体。金属比非金属导热性能好，气体是热的绝缘体。 热阻率（热阻率（ ）：热导率的倒数。：热导率的倒数。2021/6/16

64、283.3.热扩散率热扩散率 前面讨论的是前面讨论的是稳定传热过程稳定传热过程，即传热过程中各处温度不变。但比如工件，即传热过程中各处温度不变。但比如工件在加热炉内加热时，各部分温度不断发生变化，即为在加热炉内加热时，各部分温度不断发生变化，即为不稳定传热过程不稳定传热过程。加。加热过程中，自工件表面逐渐向内部传热，这个工件温度热过程中，自工件表面逐渐向内部传热，这个工件温度逐渐逐渐达到一致。达到一致。那么那么温度（热焓）变化并达到一致的时间与哪些因素有关温度（热焓）变化并达到一致的时间与哪些因素有关哪？哪？导热率、热容与密度（储热能力）、体积形状。导热率、热容与密度（储热能力）、体积形状。

65、因此，引入因此，引入导温系数或热扩散率导温系数或热扩散率（）的概念：表征材料随温度场的变）的概念：表征材料随温度场的变化其温度变化的速率，化其温度变化的速率， 。 为材料的密度，为材料的密度，c c为比热容。在加热或冷却相同的条件下，为比热容。在加热或冷却相同的条件下， 越大越大的材料各处温度变化越快，温差越小，达到温度一致的时间越短。要计算的材料各处温度变化越快，温差越小，达到温度一致的时间越短。要计算出经多长时间才能使工件达到某一预定的均匀温度，就需知道热扩散率。出经多长时间才能使工件达到某一预定的均匀温度，就需知道热扩散率。2021/6/1629 气体导热回忆：气体导热回忆：依靠分子间的

66、碰撞传递能量来实现。即气体中温度高的依靠分子间的碰撞传递能量来实现。即气体中温度高的分子运动激烈，能量大；温度低的分子能量小。通过碰撞，低能量分子能分子运动激烈，能量大；温度低的分子能量小。通过碰撞，低能量分子能量升高温度上升，高能量的分子能量降低温度下降，从而实现传热。量升高温度上升，高能量的分子能量降低温度下降，从而实现传热。 固体固体中质点只能在其平衡位置附近做微小振动，不能象气体一样依靠质中质点只能在其平衡位置附近做微小振动，不能象气体一样依靠质点间的直接碰撞来传热。依靠什么哪？点间的直接碰撞来传热。依靠什么哪？主要依靠主要依靠晶格振动的格波晶格振动的格波和和自自由电子由电子。回忆格波

67、的概念回忆格波的概念。 二、热传导的物理机制（微观机理）二、热传导的物理机制（微观机理）1.1.金属材料金属材料 有大量的自由电子，可迅速实现传热，故有大量的自由电子，可迅速实现传热，故一般很大。晶格振动对金属一般很大。晶格振动对金属导热的贡献很次要。导热的贡献很次要。2.2.非金属材料非金属材料 自由电子极少，导热自由电子极少，导热主要依靠晶格振动的格波主要依靠晶格振动的格波。材料内存在温度差时，。材料内存在温度差时，晶格中处于较高温度的质点热振动较强烈，其临近温度较低的质点热振动晶格中处于较高温度的质点热振动较强烈，其临近温度较低的质点热振动较弱。由于质点间存在相互作用力，振动较弱的质点在

68、振动较强的质点的较弱。由于质点间存在相互作用力，振动较弱的质点在振动较强的质点的影响下振动加剧，能量增加；振动较强的振动能量降低，使热量发生转移。影响下振动加剧，能量增加；振动较强的振动能量降低，使热量发生转移。这样能量传递在整个材料内进行，从而实现传热。这样能量传递在整个材料内进行，从而实现传热。 2021/6/1630 温度不太高时温度不太高时，质点振动微弱，频率较低，相邻质点间相位差小，格，质点振动微弱，频率较低，相邻质点间相位差小，格波频率低，即主要是声频支振动，光频支的能量很微弱，固体非金属材料波频率低，即主要是声频支振动，光频支的能量很微弱，固体非金属材料导热光频支的贡献可以忽略。

69、导热光频支的贡献可以忽略。 为了研究方便，引入为了研究方便，引入“声子声子”的概念，即将晶格振动中的能量量子化，的概念，即将晶格振动中的能量量子化，声频波中的量子称为声子。一个声子的能量为声频波中的量子称为声子。一个声子的能量为hh，这样就可将声频支振，这样就可将声频支振动的格波理解为声子的运动。把格波与物质的相互作用动的格波理解为声子的运动。把格波与物质的相互作用声子与物质的碰声子与物质的碰撞；把格波传播遇到的散射撞；把格波传播遇到的散射声子与缺陷的碰撞；把理想晶体中热阻的来声子与缺陷的碰撞；把理想晶体中热阻的来源源声子与声子的碰撞。声子与声子的碰撞。1 1）声子和声子传热）声子和声子传热2

70、.2.非金属材料非金属材料 就是说热传导可理解为声子运动的结果，就像气体热传导中分子之间的就是说热传导可理解为声子运动的结果，就像气体热传导中分子之间的碰撞一样。它们的热导率应具有同样形式的数学表达式。碰撞一样。它们的热导率应具有同样形式的数学表达式。 理想气体热导率公式理想气体热导率公式： 。 c:c:单位气体比热容，单位气体比热容， : :气体分子平均速度，气体分子平均速度， l: l:气体分子平均自由程。气体分子平均自由程。 2021/6/16311 1）声子和声子传热）声子和声子传热 引申到晶体材料中引申到晶体材料中： c c：声子比热容，：声子比热容， ：声子平均速度，：声子平均速度

71、， ：声子平均自由程。：声子平均自由程。 仅与晶体密度、弹性力学性质有关，与频率无关。仅与晶体密度、弹性力学性质有关，与频率无关。 c c与与 是频率的函数，即与温度有关。是频率的函数，即与温度有关。 c c：与温度的关系即物体热容与温度的关系。：与温度的关系即物体热容与温度的关系。 l 的影响因素的影响因素： 格波中耦合作用（振动中的非线性）越强，不同频率格波传播中相格波中耦合作用（振动中的非线性）越强，不同频率格波传播中相 互干扰越严重，声子间碰撞越严重，互干扰越严重，声子间碰撞越严重，l l减小，热导率降低。减小，热导率降低。 晶体中缺陷、杂质即晶界都会引起声子散射，晶体中缺陷、杂质即晶

72、界都会引起声子散射， l l减小，热导率降低。减小，热导率降低。 频率越低，波长越大，传播越易绕过缺陷，频率越低，波长越大，传播越易绕过缺陷， l l大，热导率降高。大，热导率降高。 温度升高，声子碰撞机会增多，温度升高，声子碰撞机会增多， l l减小。减小。但减小有限度，高温下但减小有限度，高温下l l最最 小值为几个晶格间距；反之，低温时最大为一个晶粒尺寸小值为几个晶格间距；反之，低温时最大为一个晶粒尺寸。2021/6/16322 2）光子传热）光子传热 光子光子： 固体中分子、原子和电子的振动、转动等运动状态的改变，会辐射固体中分子、原子和电子的振动、转动等运动状态的改变，会辐射出较高频

73、率的电磁波。波长出较高频率的电磁波。波长0.40.440m40m（可见光与部分近红外光区）。（可见光与部分近红外光区）。 此辐射线称热射线，热射线的传递过程称热辐射。由于它们都在光频此辐射线称热射线，热射线的传递过程称热辐射。由于它们都在光频范围，其传播过程和光在介质中传播现象类似，也有散射、衍射、吸收、范围，其传播过程和光在介质中传播现象类似，也有散射、衍射、吸收、反射和折射，所以可把它们的导热看做光子在介质中传播。反射和折射，所以可把它们的导热看做光子在介质中传播。 温度温度不太高时，热辐射很微弱，但随温度升高，热辐射急剧增大，与不太高时，热辐射很微弱，但随温度升高，热辐射急剧增大，与T

74、T的四次方成正比。光子导热就不可忽视。的四次方成正比。光子导热就不可忽视。 光子导热光子导热仍以仍以 作基本形式。作基本形式。 宏观解释宏观解释：材料中存在温度梯度时，两相邻体积单元间温度高的辐：材料中存在温度梯度时，两相邻体积单元间温度高的辐射能量大，吸收的能量小；温度低的体积单元相反，这样在整个材料中射能量大，吸收的能量小；温度低的体积单元相反，这样在整个材料中温度从高温区向低温区传递。温度从高温区向低温区传递。 对于光子导热，辐射透明的介质光子对于光子导热，辐射透明的介质光子l l大，反之光子大，反之光子l l小。完全不透明小。完全不透明的介质，光子的介质，光子l l为零，辐射导热可忽略

75、。即为零，辐射导热可忽略。即还取决于材料光学性能还取决于材料光学性能。 2021/6/16332 2）光子传热）光子传热 可见，材料依靠晶格热振动的导热有两种机制，即声子导热与光子可见，材料依靠晶格热振动的导热有两种机制，即声子导热与光子 导热，温度不太高时光子导热可忽略，高温时光子导热不可忽视。导热，温度不太高时光子导热可忽略，高温时光子导热不可忽视。2021/6/1634三、热导率的一般规律三、热导率的一般规律魏得曼魏得曼- -弗兰兹定律弗兰兹定律内容：内容： 室温下的许多金属材料室温下的许多金属材料 几乎相同；几乎相同； 与温度与温度T T成正比成正比 L L：称为洛仑兹数，：称为洛仑兹

76、数，2.45 2.45 108W K2 意义：意义： 热导率的测定既困难又不准确，根据此公式可通过测定电导率来确热导率的测定既困难又不准确，根据此公式可通过测定电导率来确 定金属热导率。定金属热导率。2021/6/1635四、影响材料四、影响材料的因素的因素 1.1.温度温度: : 1) 1)金属与合金：（自学）金属与合金：（自学） 2)2)非金属材料：非金属材料： 温度不太高时，声子导热占主导，根据公式温度不太高时，声子导热占主导，根据公式 ：基本不随温度变化，不考虑。：基本不随温度变化，不考虑。 l l：温度极低时（：温度极低时（0 020K20K左右左右) )为上限，一个晶粒大小；随温度

77、升高为上限，一个晶粒大小；随温度升高l l降降 低；较高温度时趋于下限，几个晶格间距。低；较高温度时趋于下限，几个晶格间距。 c c：为固体材料热容随温度的变化规律。：为固体材料热容随温度的变化规律。因此：因此： 0 020K20K左右：左右：l l为上限，为上限， c c正比于正比于T T的的3 3次方，故次方，故正比于正比于T T的的3 3次方。次方。 约约202040K40K：温度升高，：温度升高， l l降，降， c c正比于正比于T T的的3 3次方，故次方，故随随T T升高而升升高而升 高，但不是正比于高，但不是正比于T T的的3 3次方。次方。约约4040800K800K： c

78、c基本恒定，基本恒定， l l降，降， 随随T T升高而降低。升高而降低。大于大于800K800K： c c基本恒定，基本恒定， l l为下限，为下限， 随随T T变化平缓。变化平缓。很高温度：光子导热作用强，很高温度：光子导热作用强， 随随T T升高而升高。升高而升高。 画出画出随温度变化曲线：随温度变化曲线： 可见，对于一般的非金属晶体材料，在常用温度区间，可见，对于一般的非金属晶体材料，在常用温度区间，随温度升而降。随温度升而降。2021/6/16362.2.晶体结构影响晶体结构影响复杂性：复杂性： 晶体晶体结构越复杂结构越复杂，对于声子传热格波受到的散射越严重，传播阻力越大，对于声子传

79、热格波受到的散射越严重，传播阻力越大，l l降，降，减小减小。如。如MgAl2O4MgAl2O4较较Al2O4Al2O4、MgOMgO的的小。小。非等轴晶系：非等轴晶系： 有各向异性有各向异性，如石墨，层内，如石墨，层内大。随温度升高，各向大。随温度升高，各向差减小，因温度差减小，因温度升高，结构趋于对称。升高，结构趋于对称。多晶与单晶多晶与单晶 同种材料同种材料多晶比单晶多晶比单晶小小。因多晶中晶界、缺陷多，声子易散射，自由。因多晶中晶界、缺陷多，声子易散射，自由程减小。随温度升高，差值增大，因晶界、缺陷等对声子阻碍作用增强，程减小。随温度升高，差值增大，因晶界、缺陷等对声子阻碍作用增强，但

80、单晶在温度升高后光子导热较多晶明显。但单晶在温度升高后光子导热较多晶明显。非晶材料非晶材料 较晶体材料小几个数量级。较晶体材料小几个数量级。因非晶近程有序，可看成晶粒极小的晶体因非晶近程有序，可看成晶粒极小的晶体（几个晶格间距），为声子自由程在极低温度下的下限。即自由程实际不（几个晶格间距），为声子自由程在极低温度下的下限。即自由程实际不随温度变化，是晶体材料的下限，随温度变化，是晶体材料的下限，l l小。小。四、影响材料四、影响材料的因素的因素2021/6/16373.3.化学组成的影响化学组成的影响 1 1）构成晶体的元素）构成晶体的元素 一般组成元素的原子质量越小，晶体密度越小，弹性模量

81、越大，德拜温一般组成元素的原子质量越小，晶体密度越小，弹性模量越大，德拜温度越高，度越高，越大。故轻元素固体和结合能越大的固体越大。故轻元素固体和结合能越大的固体较大。如：较大。如： 2 2）固溶体：）固溶体： 固溶体形成，固溶体形成， 减小。减小。 原因：原因： 趋势图：趋势图：“U”“U”形。形。 金属：金属：4.4.复合材料复合材料 “S” “S”形。形。5.5.气孔的影响（自学）气孔的影响（自学）6.6.金属与合金：金属与合金： 冷加工、固溶强化、多相合金较无缺陷金属冷加工、固溶强化、多相合金较无缺陷金属小。小。四、热导率的测量（自学）四、热导率的测量（自学）四、影响材料四、影响材料的

82、因素的因素2021/6/1638第第5 5节节 材料的热稳定性材料的热稳定性一、概念与表示方法一、概念与表示方法1.1.热稳定性热稳定性材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力（又称材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力（又称抗热震性抗热震性）。）。不同材料种类材料的热稳定性？不同材料种类材料的热稳定性？无机材料及其它脆性材料：无机材料及其它脆性材料： 热稳定性较差，制备、加工和使用过程中经常会受到环境温度起伏的热稳定性较差，制备、加工和使用过程中经常会受到环境温度起伏的热冲击，热冲击，热稳定性是无机材料的一个重要性能。热稳定性是无机材料的一个重要性能。（工程意义？）（工程意义？） 材料受热冲击

83、时的损坏有两种类型：材料受热冲击时的损坏有两种类型： 抗热冲击断裂性抗热冲击断裂性：抵抗热冲击时发生瞬时断裂的能力（抵抗热冲击时发生瞬时断裂的能力（玻璃、陶瓷玻璃、陶瓷等）；等）； 抗热冲击损伤性抗热冲击损伤性：热冲击循环作用下，材料表面开裂、剥落，并不断发展，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（最终碎裂或变质（含微孔的材料、非均质金属陶瓷含微孔的材料、非均质金属陶瓷等）。等）。注意注意与高温性能和化学稳定性的区别与高温性能和化学稳定性的区别2021/6/16392.2.表示方法表示方法对于一具体材料，其热稳定性好坏如何衡量哪？对于一具体材料，其热稳定性好坏如何

84、衡量哪？工程上，不同材料采用不同的工程上，不同材料采用不同的直观直观、简便简便的热稳定性评定方法：的热稳定性评定方法：日用瓷：日用瓷：一定规格的试样一定规格的试样加热到一定温度加热到一定温度立即置于流动的室温水中立即置于流动的室温水中 急冷。逐次提高温度和重复急冷，直至观测到试样发生龟裂，急冷。逐次提高温度和重复急冷，直至观测到试样发生龟裂， 以产生龟裂的前一次的温度来表征其热稳定性。以产生龟裂的前一次的温度来表征其热稳定性。普通耐火材料普通耐火材料: :试样试样加热到加热到1123K并保温并保温40 min 置于置于283293K的流的流 动水中动水中3min或空气中或空气中510min 重

85、复这样的操作，直至重复这样的操作，直至 试件失重试件失重20。以操作次数以操作次数来表征其热稳定性。来表征其热稳定性。高温陶瓷材料高温陶瓷材料: :以加热到一定温度后，在水中急冷，然后测其以加热到一定温度后，在水中急冷，然后测其抗折强度抗折强度 的损失率来评定它的热稳定性。的损失率来评定它的热稳定性。 如制品形状较复杂，则在可能的情况下，直接用制品进行测定，以免如制品形状较复杂，则在可能的情况下，直接用制品进行测定，以免除形状和尺寸带来的影响。如高压电瓷的悬式绝缘子等。除形状和尺寸带来的影响。如高压电瓷的悬式绝缘子等。 对于无机材料尤其是制品的热稳定性，尚需提出一些评定的因子，以对于无机材料尤

86、其是制品的热稳定性，尚需提出一些评定的因子，以便从理论上分析其机理和影响因素。便从理论上分析其机理和影响因素。2021/6/1640二、热应力二、热应力 无机非金属材料为什么在热冲击条件下会发生开裂、损伤哪？无机非金属材料为什么在热冲击条件下会发生开裂、损伤哪？ 其根本原因是材料在受到热冲击时产生热膨胀或收缩引起的内应力其根本原因是材料在受到热冲击时产生热膨胀或收缩引起的内应力（即（即热应力热应力）超过了材料力学极限而引起的。超过了材料力学极限而引起的。1.1.热应力的产生热应力的产生LLL 对于长度为对于长度为L L的杆件，温度自的杆件，温度自T T0 0 T T1 1，膨胀，膨胀LL，若杆

87、件自由膨胀，杆件内无膨胀而产生的应力；若两端若杆件自由膨胀，杆件内无膨胀而产生的应力；若两端刚性约束使其不能伸长，杆件所受压应力相当于把样品刚性约束使其不能伸长，杆件所受压应力相当于把样品自由膨胀后长度自由膨胀后长度(L+L)(L+L)压缩到压缩到L L所需力。所需力。若若T0T0T1,T1,即冷却过程即冷却过程, ,材料内应力为拉应力。材料内应力为拉应力。2.2.具体材料中热应力的存在具体材料中热应力的存在 实际材料中并不是在以上所述两端固定机械力的作用下才产生热应力。实际材料中并不是在以上所述两端固定机械力的作用下才产生热应力。 多相复合材料多相复合材料: :各相热膨胀系数不同各相热膨胀系

88、数不同, ,各相膨胀、收缩不一致；各相膨胀、收缩不一致； 材料内存在温度梯度：相邻各部分膨胀、收缩不一致产生热应力。如热材料内存在温度梯度：相邻各部分膨胀、收缩不一致产生热应力。如热 玻璃板投入冷水，表面层收缩大产生张应力；内层收缩小产生压应力。玻璃板投入冷水，表面层收缩大产生张应力；内层收缩小产生压应力。2021/6/1641三、抗热冲击断裂性能三、抗热冲击断裂性能1.1.第一热应力断裂抵抗第一热应力断裂抵抗因子因子R 玻璃、陶瓷脆性材料玻璃、陶瓷脆性材料为什么在热冲击条件下会发生瞬时断裂哪？为什么在热冲击条件下会发生瞬时断裂哪？ 根据前面的分析，是由于在热冲击时材料内部产生的热应力超过了材

89、根据前面的分析，是由于在热冲击时材料内部产生的热应力超过了材料强度极限引起的。即料强度极限引起的。即只要材料表面和中心间最大热应力不超过只要材料表面和中心间最大热应力不超过f f，材材料就不会损坏料就不会损坏。 （以（以热应力热应力f f为判据）为判据） 材料表面和中心的温差越大，内应力越大。显然材料所能承受不致断材料表面和中心的温差越大，内应力越大。显然材料所能承受不致断裂的最大温差裂的最大温差TmaxTmax值愈大，热稳定性越好。值愈大，热稳定性越好。可以用可以用TmaxTmax表征材料热表征材料热稳定性。稳定性。 理论计算得出：理论计算得出： 定义定义R R为第一热应力断裂抵抗因子或第一

90、热应力因子。单位：为第一热应力断裂抵抗因子或第一热应力因子。单位：。 f f极限抗拉强度，极限抗拉强度，泊松比，泊松比，E E弹性模量，弹性模量，线膨胀系数。线膨胀系数。2021/6/16422.2.第二热应力断裂抵抗因子第二热应力断裂抵抗因子RR 第一热应力因子只考虑到材料第一热应力因子只考虑到材料f f、E E。但材料是否出现热应力断。但材料是否出现热应力断裂，还与材料中应力的分布、产生的速率和持续时间，材料的特性（例裂，还与材料中应力的分布、产生的速率和持续时间，材料的特性（例如塑性、均匀性、驰豫性）以及原先存在的裂纹、缺陷等有关。因此，如塑性、均匀性、驰豫性）以及原先存在的裂纹、缺陷等

91、有关。因此，R R虽然在一定程度上反映了材料抗热冲击性的优劣，但并不全面。虽然在一定程度上反映了材料抗热冲击性的优劣，但并不全面。 第二热应力第二热应力因子又考虑到如下因素：因子又考虑到如下因素：（l l）热导率）热导率：愈大，传热愈快，热应力很快缓解，对热稳定有利。愈大，传热愈快，热应力很快缓解，对热稳定有利。（2 2）材料或制品的厚薄：薄的传热通道短，容易很快使温度均匀。材料）材料或制品的厚薄：薄的传热通道短，容易很快使温度均匀。材料 半厚以半厚以r rm m表示。表示。（3 3）表面散热速率（表面热传递系数）表面散热速率（表面热传递系数）h h：材料表面温度比周围环境温度：材料表面温度比

92、周围环境温度 高高1K1K，在单位表面积、单位时间带走的热量。，在单位表面积、单位时间带走的热量。h h大，散热快，内外温大，散热快，内外温 差大，热应力大。如窑内进风，降温快，会使制品炸裂。差大，热应力大。如窑内进风，降温快，会使制品炸裂。2021/6/16432.2.第二热应力断裂抵抗因子第二热应力断裂抵抗因子RR 考虑以上三因素，引入考虑以上三因素，引入毕奥模量：毕奥模量：h hr rm m/。可见，。可见，越大，对越大，对热稳定性越不利。热稳定性越不利。 实际骤冷时，由于驰豫等因素，材料内部产生的最大热应力是实际骤冷时，由于驰豫等因素，材料内部产生的最大热应力是滞后滞后的。的。 即热应

93、力并不是马上达最大值，且随即热应力并不是马上达最大值，且随的不同，热应力会有不同程度的不同，热应力会有不同程度的的折减折减。越小，滞后越多，折减越多。越小，滞后越多，折减越多。考虑到应力折减可导出：考虑到应力折减可导出：定义定义为为第二热应力断裂抵抗因子第二热应力断裂抵抗因子。最大温差最大温差 S S为形状系数，无限平板为形状系数，无限平板S S1 1。2021/6/16443.3.材料最大冷却速率与第三热应力材料最大冷却速率与第三热应力因子因子R 实际应用中，用材料允许的最大冷却或加热速率实际应用中，用材料允许的最大冷却或加热速率 表征其热稳定性表征其热稳定性更直接实用。更直接实用。 对于无

94、限平板可导出：对于无限平板可导出： 其中其中 称为称为第三热应力因子第三热应力因子。 为密度，为密度，c cp p为热容。为热容。2021/6/1645四、四、抗热冲击损伤性抗热冲击损伤性 抗热冲击断裂，以抗热冲击断裂，以强度应力强度应力为判据为判据，认为材料中热应力达到抗张强度，认为材料中热应力达到抗张强度极限后就产生开裂。一旦有裂纹成核就会导致材料的完全破坏。这样导出极限后就产生开裂。一旦有裂纹成核就会导致材料的完全破坏。这样导出的结果只适用于一般的的结果只适用于一般的玻璃、陶瓷和电子陶瓷玻璃、陶瓷和电子陶瓷等。等。 但对于但对于含微孔的材料（如粘士质耐火制品、建筑砖等）和非均质的金含微孔

95、的材料（如粘士质耐火制品、建筑砖等）和非均质的金属陶瓷属陶瓷等却不适用。等却不适用。 这些材料在热冲击下产生裂纹时，在裂纹瞬时扩张过程中可能被微孔、这些材料在热冲击下产生裂纹时，在裂纹瞬时扩张过程中可能被微孔、晶界或金属相所阻止，如果裂纹的扩展、蔓延能抑制在一个很小的范围内，晶界或金属相所阻止，如果裂纹的扩展、蔓延能抑制在一个很小的范围内，可能不致引起材料的完全断裂。如一些筑炉用的耐火砖中，含可能不致引起材料的完全断裂。如一些筑炉用的耐火砖中，含10102020气孔率时反而具有最好的抗热冲击损伤性。而气孔的存在会降低材料的强气孔率时反而具有最好的抗热冲击损伤性。而气孔的存在会降低材料的强度和热

96、导率，而度和热导率，而R R和和RR值都要减小。这一现象按强度应力理论就不能解值都要减小。这一现象按强度应力理论就不能解释。凡是以热冲击损伤为主的热冲击破坏都是如此。释。凡是以热冲击损伤为主的热冲击破坏都是如此。 因此，对抗热震性问题就发展了因此，对抗热震性问题就发展了第二种第二种处理方式，从断裂力学观点出处理方式，从断裂力学观点出发，以发，以弹性应变能断裂能弹性应变能断裂能为判据的理论。为判据的理论。 即即含微孔材料、非均质金属陶瓷含微孔材料、非均质金属陶瓷热冲击情况下，裂纹的产生、扩展以热冲击情况下，裂纹的产生、扩展以及蔓延程度与材料积存的及蔓延程度与材料积存的弹性应变能弹性应变能和裂纹扩

97、展的和裂纹扩展的断裂表面能断裂表面能有关。有关。2021/6/1646四、四、抗热冲击损伤性抗热冲击损伤性 裂纹产生的裂纹产生的动力动力：裂纹产生与扩展将释放弹性应变能，：裂纹产生与扩展将释放弹性应变能，减小减小体系体系能量能量； 阻力阻力：裂纹产生与扩展将新增断裂表面能，：裂纹产生与扩展将新增断裂表面能，增大增大体系体系能量能量。 材料内积存的材料内积存的弹性应变能越小弹性应变能越小，原裂纹扩展可能性越小，原裂纹扩展可能性越小，抗热应力损伤性越抗热应力损伤性越好好；裂纹扩展所需；裂纹扩展所需断裂表面能越大断裂表面能越大，裂纹蔓延程度越小，裂纹蔓延程度越小，抗热应力损伤性越好抗热应力损伤性越好

98、。 用弹性应变能释放率倒数：用弹性应变能释放率倒数： 比较具有相同断裂表面能的比较具有相同断裂表面能的材料的抗热冲击损伤性。材料的抗热冲击损伤性。 用用 比较具有不同断裂表面能的材料的抗热冲击损伤性比较具有不同断裂表面能的材料的抗热冲击损伤性 、 高的材料抗热冲击损伤性能好，它们与高的材料抗热冲击损伤性能好，它们与E E成正比，与成正比，与成反比。成反比。这与这与 、 、 相反。相反。原因原因：二者判据不同。在抗热应力损伤性中，认为强度高的材料，原有裂纹在二者判据不同。在抗热应力损伤性中，认为强度高的材料，原有裂纹在热应力的作用下容易扩展蔓延，对热稳定性不利，尤其在一些晶粒较大的样品热应力的作

99、用下容易扩展蔓延，对热稳定性不利，尤其在一些晶粒较大的样品中经常会遇到这样的情况。中经常会遇到这样的情况。断裂表面能断裂表面能2021/6/1647五、五、提高抗热冲击断裂性能的措施提高抗热冲击断裂性能的措施 主要根据抗热冲击断裂因子所涉及到的各性能参数对热稳定性的影响。主要根据抗热冲击断裂因子所涉及到的各性能参数对热稳定性的影响。 1.1.提高提高，降低，降低E E，使，使/E /E 提高提高 实际无机材料实际无机材料不低，但不低，但E E很大，尤其是普通玻璃更是如此；金属材料很大，尤其是普通玻璃更是如此；金属材料大大E E小，例如钨的断裂强度比陶瓷高几十倍。小，例如钨的断裂强度比陶瓷高几十

100、倍。 同种材料晶粒细，晶界缺陷少，气孔少而均匀则强度高，抗热冲击性好。同种材料晶粒细，晶界缺陷少，气孔少而均匀则强度高，抗热冲击性好。 2.提高提高，使，使 提高提高 大，内外温差较快得到缓解平衡，减小热应力聚集时间。金属材料大，内外温差较快得到缓解平衡，减小热应力聚集时间。金属材料大，只有大，只有BeO可与金属类比。可与金属类比。 3.减小材料热膨胀系数减小材料热膨胀系数 相同温差，热应力小。如石英玻璃，相同温差，热应力小。如石英玻璃，很小，可作炉管等。很小，可作炉管等。 4.减小材料表面散热系数减小材料表面散热系数h 周围环境散热条件特别重要，如烧成冷却阶段，维持降温速度，表面不周围环境散

101、热条件特别重要，如烧成冷却阶段，维持降温速度，表面不吹风。吹风。 5.减小材料有效厚度减小材料有效厚度2021/6/1648五、五、提高抗热冲击断裂性能的措施提高抗热冲击断裂性能的措施 以上措施是针对密实性陶瓷材料、玻璃等，提高以上措施是针对密实性陶瓷材料、玻璃等，提高抗热冲击断裂性能抗热冲击断裂性能而而言。言。 但对多孔、粗粒、干压和部分烧结的制品，要从但对多孔、粗粒、干压和部分烧结的制品，要从抗热冲击损伤性抗热冲击损伤性来考来考虑。虑。如耐火砖的热稳定不够，表现为层层剥落，这是表面裂纹、微裂纹如耐火砖的热稳定不够，表现为层层剥落，这是表面裂纹、微裂纹扩展所致。扩展所致。材料具有材料具有高高

102、E和低的和低的极限强度，材料具有更低的弹性应变能释极限强度，材料具有更低的弹性应变能释放率；另一方面，提高材料的断裂表面能。放率；另一方面，提高材料的断裂表面能。2021/6/1649小结小结 1.1.材料的热稳定性（抗热震性能）材料的热稳定性（抗热震性能） 为什么说它是无机非金属材料的一项重要性能？为什么说它是无机非金属材料的一项重要性能？ 2. 材料受热冲击损坏的两种类型材料受热冲击损坏的两种类型 分别适用于哪些材料？分别适用于哪些材料？ 3. 工程上评定工程上评定“日用瓷日用瓷”、“普通耐火材料普通耐火材料”、“高温陶瓷材料高温陶瓷材料”热稳热稳定性好定性好 坏通常分别采用的方法坏通常分

103、别采用的方法 4. 4.材料受热冲击损坏的根本原因材料受热冲击损坏的根本原因 5. 热应力及其产生热应力及其产生 6. 材料抗热冲击断裂的判据，材料抗热冲击断裂的判据，第一、二、三热应力断裂抵抗第一、二、三热应力断裂抵抗因子。因子。 毕奥模量的概念。毕奥模量的概念。 7. 7.材料抗热冲击损伤的判据，两个抗热应力损伤因子。材料抗热冲击损伤的判据，两个抗热应力损伤因子。 8. 提高抗热冲击断裂性能的措施提高抗热冲击断裂性能的措施2021/6/16501.1.解释名词：格波、热导率、热应力解释名词：格波、热导率、热应力2.2.为什么说材料热学性能的物理本质都与晶格热振动有关为什么说材料热学性能的物

104、理本质都与晶格热振动有关? ?3.3.为什么玻璃的热导率常低于晶态固体几个数量级？为什么玻璃的热导率常低于晶态固体几个数量级？4.4.什么是材料的热稳定性？如何提高材料的热稳定性？什么是材料的热稳定性？如何提高材料的热稳定性？第一章第一章 作业作业2021/6/1651第二章第二章 材料的电学性能材料的电学性能第第1 1节节 材料的导电性材料的导电性一、电阻与电导基本概念一、电阻与电导基本概念 欧姆定律：欧姆定律： 材料的电阻：材料的电阻： 即材料的电阻与材料本性、尺寸有关。与长度成正比，与截面积成反比。即材料的电阻与材料本性、尺寸有关。与长度成正比，与截面积成反比。 其中其中称称电阻率电阻率

105、或或比电阻比电阻，材料单位截面积、单位长度的电阻材料单位截面积、单位长度的电阻。 国际单位：国际单位： ，只与材料本性有关，与其尺寸无关，用来，只与材料本性有关，与其尺寸无关，用来评价不同材评价不同材料的导电性能好坏。料的导电性能好坏。 电导率电导率：电阻率的倒数，电导率越大，材料导电性越好。：电阻率的倒数，电导率越大，材料导电性越好。2021/6/1652二、二、不同材料的导电性不同材料的导电性为什么不同材料之间导电性具有如此巨大的区别哪？为什么不同材料之间导电性具有如此巨大的区别哪？可用能带理论解释。可用能带理论解释。 导导 体体： 10 10 。 其中其中 纯金属纯金属：10 10 10

106、 10 合金合金：10 10 10 10 。 半导体半导体：在在10 10 10 10 。 绝缘体绝缘体：10 10 。 元素周期表中：元素周期表中： A A、B B族内壳层轨道填满电子，最外层有族内壳层轨道填满电子，最外层有1 1个个s s电子，具有最小的电子，具有最小的； 过渡金属：过渡金属：大得多；大得多； B B族：族： 范围很宽。范围很宽。5 58 87 77 75 53 39 99 92021/6/1653第第2 2节节 晶体的能带晶体的能带一、能带理论及有关概念：一、能带理论及有关概念： 能带理论认为，晶体中价电子是公有化的，其能量是能带理论认为，晶体中价电子是公有化的，其能量是

107、量子化的，每个能级只能容纳两个自旋方向相反的电子。量子化的，每个能级只能容纳两个自旋方向相反的电子。由于晶体中电子能级间的间隙很小，可以把能级分布看成由于晶体中电子能级间的间隙很小，可以把能级分布看成是准连续的，称为是准连续的，称为能带能带。 但离子点阵所造成的势场是不均匀的，电子在周期势但离子点阵所造成的势场是不均匀的，电子在周期势场中运动，随位置变化其能量也呈周期性变化，接近正离场中运动，随位置变化其能量也呈周期性变化，接近正离子时势能减小，离开时能量增大。这样价电子在晶体中的子时势能减小，离开时能量增大。这样价电子在晶体中的运动就不是完全自由的，而受周期场的作用，并运动就不是完全自由的，

108、而受周期场的作用，并可能可能使价使价电子以不同能态分布的电子以不同能态分布的能带发生分裂能带发生分裂，即某些能态电子不即某些能态电子不能取值。能取值。 能带分裂的宽度叫能带分裂的宽度叫能隙能隙； 能带对应的能隙叫能带对应的能隙叫禁带禁带； 相应地将电子可以取值的能级所组成的能带称为相应地将电子可以取值的能级所组成的能带称为价带价带； 价带中未被填充电子的能级叫价带中未被填充电子的能级叫空能级空能级； 具有空能级价带中的电子是自由的，在外电场的作用下具有空能级价带中的电子是自由的，在外电场的作用下参与导电，这样的价带叫参与导电，这样的价带叫导带导带。被填满电子的价带叫被填满电子的价带叫满带满带，

109、满带中的电子无活动余地，不能参与导电。满带中的电子无活动余地，不能参与导电。2021/6/1654二、二、能带理论解释导体、半导体、绝缘体间导电性的区别能带理论解释导体、半导体、绝缘体间导电性的区别：导体导体：价带与导带重叠，无禁带。：价带与导带重叠，无禁带。 或价带未被电子填满，这种价带本身即为导带。或价带未被电子填满，这种价带本身即为导带。 这两种情况下价电子都是自由的，就像金属具有大量的这两种情况下价电子都是自由的，就像金属具有大量的 这样的自由电子，所以具有很强的导电能力。这样的自由电子，所以具有很强的导电能力。导带价带价带（导带）半导体和绝缘体半导体和绝缘体：满价带和空导带之间具有禁

110、带满价带和空导带之间具有禁带。半导体：半导体：禁带宽度小，在热、光等作用下，满带中的部分电子禁带宽度小，在热、光等作用下，满带中的部分电子有可能获得足够的能量而越过禁带到达其上面的空带形成导带，有可能获得足够的能量而越过禁带到达其上面的空带形成导带，且满带中出现了电子留下的空穴。导带中的电子和价带中的空穴且满带中出现了电子留下的空穴。导带中的电子和价带中的空穴在电场作用下定向移动产生电流。参加导电的电子和空穴浓度相在电场作用下定向移动产生电流。参加导电的电子和空穴浓度相等，称等，称本征导电本征导电，这种半导体称为，这种半导体称为本征半导体本征半导体。 杂质对半导体的导电性影响很大杂质对半导体的

111、导电性影响很大，如，如SiSi中掺入十万分之一的中掺入十万分之一的B B，其导电性提高，其导电性提高1414倍。倍。绝缘体：绝缘体：禁带宽度很大，电子很难越过禁带到达其上面的空带，禁带宽度很大，电子很难越过禁带到达其上面的空带，外电场的作用下几乎不产生电流。外电场的作用下几乎不产生电流。价带禁带导带价带禁带导带2021/6/1655第第3 3节节 金属的导电性金属的导电性一、金属的导电机制与马基申定则一、金属的导电机制与马基申定则 用量子理论和能带理论可导出用量子理论和能带理论可导出所有材料所有材料的电导率：的电导率： 此式完整地反应了晶体导电的物理本质。此式完整地反应了晶体导电的物理本质。

112、量子力学可以证明，当电子波在量子力学可以证明，当电子波在绝对零度绝对零度下通过一个下通过一个理想的晶体点阵理想的晶体点阵时，时，它将不会受到散射而无阻碍地传播，即它将不会受到散射而无阻碍地传播，即 无穷大，这时无穷大，这时0 0，而，而为无穷为无穷大，即此时的材料是一个理想的导体。大，即此时的材料是一个理想的导体。 材料电阻产生的本质：材料电阻产生的本质：晶体点阵离子的晶体点阵离子的热振动热振动及晶体点阵的及晶体点阵的不完整性不完整性（晶（晶体中体中异类原子、位错和点缺陷等异类原子、位错和点缺陷等）使晶体点阵的）使晶体点阵的周期性遭到破坏周期性遭到破坏，晶体中的，晶体中的电子波就会受到散射，电

113、子波就会受到散射， 减小，导电性降低。减小，导电性降低。 令令 为散射系数，可导出：为散射系数，可导出： 即材料的电阻与散射系数成正比。即材料的电阻与散射系数成正比。 金属电阻随温度升高而升高原因：金属电阻随温度升高而升高原因： 金属材料随温度升高，离子热振动的振幅增大，电子就愈易受到散射，可金属材料随温度升高，离子热振动的振幅增大，电子就愈易受到散射，可认为认为与温度成正比，则与温度成正比，则也与温度成正比。也与温度成正比。2021/6/1656 金属电阻包括：金属电阻包括： （1）基本电阻）基本电阻(T) ：对：对应声子散射和电子散射应声子散射和电子散射两机制，由两机制，由热热 振动产生振

114、动产生，与温度有关，与温度有关，0K时为时为0。 （2）残余电阻）残余电阻残残 ：对应电子在：对应电子在杂质和缺陷杂质和缺陷上的散射机制，上的散射机制， 0K 时金属的电阻。反应了金属纯度和完整性。时金属的电阻。反应了金属纯度和完整性。 马基申定律马基申定律 马基申等人把固溶体电阻率看成由金属基本电阻率马基申等人把固溶体电阻率看成由金属基本电阻率(T)和残余和残余电阻电阻残残组成。组成。 即即（T）残残 称为称为马基申定律马基申定律。 马基申定律忽略了电子各种散射机制间的交互作用，但简明描马基申定律忽略了电子各种散射机制间的交互作用，但简明描述了合金的导电性，述了合金的导电性，低浓度固溶体与实

115、验事实符合的很好低浓度固溶体与实验事实符合的很好。 根据马基申定律根据马基申定律，在高温时金属的电阻率基本上取决于，在高温时金属的电阻率基本上取决于(T) ，而在低温时取决于而在低温时取决于残残。既然。既然残残是电子在杂质和缺陷上的散射引起是电子在杂质和缺陷上的散射引起的，的，那么那么残残的大小就可以用来评定金属的电学纯度。的大小就可以用来评定金属的电学纯度。 考虑到考虑到残残测量困难，实际上常采用测量困难，实际上常采用相对电阻率相对电阻率(300K)/ (4.2K)的大小来评定金属的的大小来评定金属的电学纯度电学纯度。晶体越纯、越完善，相对电阻率晶体越纯、越完善，相对电阻率越大越大。许多完整

116、的金属单晶相对电阻率可高达。许多完整的金属单晶相对电阻率可高达20000。 一、金属的导电机制与马基申定则一、金属的导电机制与马基申定则2021/6/1657二、影响金属导电性的因素二、影响金属导电性的因素 1. 1. 温度温度 加热时出现相变、回复、空位、再结晶以及合金相成分和组织的变化，这加热时出现相变、回复、空位、再结晶以及合金相成分和组织的变化，这些都对金属材料的电阻产生重要影响。些都对金属材料的电阻产生重要影响。 测量测量电阻与温度电阻与温度的关系是研究这些现象和过程的一个重要方法。的关系是研究这些现象和过程的一个重要方法。 (1)(1)一般规律一般规律 绝对零度下纯净又无缺陷的金属

117、电阻率等于零，随温度升高金属电阻率增绝对零度下纯净又无缺陷的金属电阻率等于零，随温度升高金属电阻率增加。理想晶体的电阻率是温度的单值函数，若晶体中存在杂质和结构缺陷，加。理想晶体的电阻率是温度的单值函数，若晶体中存在杂质和结构缺陷，电阻率与温度的关系曲线将发生变化。电阻率与温度的关系曲线将发生变化。 (T)(T)与与D D 之间的关系之间的关系 (T)(T)在在D D 以上和以下与温度有不同的函数关系：以上和以下与温度有不同的函数关系： T T D D 时：时： T T D D时：时： 因此，当研制具有一定电阻值和电阻温度系数值的材料时，知道金属在哪因此，当研制具有一定电阻值和电阻温度系数值的

118、材料时，知道金属在哪个温区工作，怎样控制和发挥其性能非常重要。个温区工作，怎样控制和发挥其性能非常重要。 2021/6/16581. 1. 温度对纯金属导电性影响（温度对纯金属导电性影响（1 1） 电阻温度线性关系及电阻温度线性关系及电阻温度系数电阻温度系数 室温和更高温度下室温和更高温度下(T 2/3D ）：）： 过渡族以外的金属过渡族以外的金属 4103 过渡族金属特别是磁性金属过渡族金属特别是磁性金属较大，如铁的较大，如铁的6103 真电阻温度系数真电阻温度系数 极低温时（约极低温时（约2K以下）以下） 电阻与温度的平方成正比。电阻与温度的平方成正比。 普通非过渡族金属的电阻与温度的普通

119、非过渡族金属的电阻与温度的 关系见右图。关系见右图。 2021/6/1659 (2)(2)过渡族金属和多晶型转变过渡族金属和多晶型转变 过渡族金属电阻与温度间有着复杂的关系。过渡族金属电阻与温度间有着复杂的关系。 原因：在过渡族金属中存在着不同的载体，传导电子有可能从原因：在过渡族金属中存在着不同的载体，传导电子有可能从s-壳层向壳层向d-壳层过渡，可能对电阻带来明显的影响。壳层过渡，可能对电阻带来明显的影响。 另外，在另外，在T D 时，时，s态电子在态电子在d态电子上的散射将变得很可观。态电子上的散射将变得很可观。 金属多晶型转变金属多晶型转变 由于不同结构，电阻温度系数变化显著，由于不同

120、结构，电阻温度系数变化显著，T曲线发生转折。曲线发生转折。 (3)(3)铁磁金属的电阻温度关系反常铁磁金属的电阻温度关系反常 铁磁性金属的电阻温度系数，在居里点附近出现极大值。居里点温度铁磁性金属的电阻温度系数，在居里点附近出现极大值。居里点温度 以下，随着温度的升高以下，随着温度的升高增大，居里点温度以上，随着温度的升高增大，居里点温度以上，随着温度的升高急剧急剧 减小。减小。 此现象在许多仪器制造中被用来获得电阻温度系数很高的合金。此现象在许多仪器制造中被用来获得电阻温度系数很高的合金。1. 1. 温度对金属导电性的影响（温度对金属导电性的影响（2 2）、（）、（3 3）2021/6/16

121、602. 受力情况受力情况（1 1）拉力拉力 弹性范围内单向拉伸或扭转应力弹性范围内单向拉伸或扭转应力提高金属提高金属，并有，并有（2 2）压力压力 对大多数金属，受压力情况下对大多数金属，受压力情况下降低降低，并有，并有 原因：原因：金属在压力作用下原子间距缩小，内部缺陷的形态、电子结构、金属在压力作用下原子间距缩小，内部缺陷的形态、电子结构、费米面和能带结构以及电子散射机制等都将生变化，引起金属的导电性能费米面和能带结构以及电子散射机制等都将生变化，引起金属的导电性能变化。尤其对过渡族金属，由于其内部存在着具有能量差别不大的未填满变化。尤其对过渡族金属，由于其内部存在着具有能量差别不大的未

122、填满电子的壳层，在压力的作用下，有可能使外壳层电子转移到未填满的内壳电子的壳层，在压力的作用下，有可能使外壳层电子转移到未填满的内壳层，这就必然会表现出性能的变化。层，这就必然会表现出性能的变化。 几乎所有纯元素随温度的变化电阻压力系数几乎不变。几乎所有纯元素随温度的变化电阻压力系数几乎不变。 正常金属元素正常金属元素随压力增大而下降；反常金属元素：碱金属、碱土金属、随压力增大而下降；反常金属元素：碱金属、碱土金属、稀土金属和第稀土金属和第V V族的半金属，它们有正的电阻压力系数，但随压力升高一族的半金属，它们有正的电阻压力系数，但随压力升高一定值后系数变号，研究表明，这种反常现象和压力作用下

123、的相变有关。定值后系数变号，研究表明，这种反常现象和压力作用下的相变有关。 高压力还能导致物质的金属化，引起导电类型的变化，而且有助于从绝高压力还能导致物质的金属化，引起导电类型的变化，而且有助于从绝缘体缘体- -半导体半导体- -金属金属- -超导体的某种转变。超导体的某种转变。2021/6/16613. 冷加工冷加工 一般一般冷加工变形使金属（如冷加工变形使金属（如 Fe Fe、CuCu、AgAg、AlAl等）的电阻率增等）的电阻率增加加2 2-6-6；只有；只有W W、MOMO、SnSn等等可分别增加为可分别增加为30305050、15152020、9090 ；一般单相固溶体一般单相固溶

124、体经冷加工后，电阻可增加经冷加工后，电阻可增加10102020，而有序固溶体则增加，而有序固溶体则增加100100甚至更高。甚至更高。 也有相反的情况也有相反的情况，如镍，如镍- -铬、镍铬、镍- -铜铜- -锌、铁锌、铁- -铬铬- -铝等合金则铝等合金则冷加工变形将使电阻降低。（形成冷加工变形将使电阻降低。（形成K K状态状态不均匀固溶体）不均匀固溶体） 金属经塑性形变金属经塑性形变的的原因原因：冷加工使晶体点阵发生畸变和：冷加工使晶体点阵发生畸变和缺陷，从而增加了电子散射的几率；同时冷加工也会引起金属缺陷，从而增加了电子散射的几率；同时冷加工也会引起金属原子间结合键的变化，导致原子间距的

125、改变。原子间结合键的变化，导致原子间距的改变。 在在0K0K时，冷加工的金属仍保留有某极限电阻率，称之为残余时，冷加工的金属仍保留有某极限电阻率，称之为残余电阻率。实验证明，此部分电阻率与温度无关。电阻率。实验证明，此部分电阻率与温度无关。2021/6/16624. 晶体缺陷晶体缺陷 空位、位错、间隙原子及它们的组合等晶体缺陷使金属电阻率增加。空位、位错、间隙原子及它们的组合等晶体缺陷使金属电阻率增加。 根据马基申定律，研究晶体缺陷对电阻率的影响，对于估价单晶体结构根据马基申定律，研究晶体缺陷对电阻率的影响，对于估价单晶体结构完整性有重要意义。掌握这些缺陷对电阻的影响，可以研制具有一定电阻完整

126、性有重要意义。掌握这些缺陷对电阻的影响，可以研制具有一定电阻值的金属。半导体单晶体的电阻值就是根据这个原则进行人为控制的。值的金属。半导体单晶体的电阻值就是根据这个原则进行人为控制的。 不同类型的晶体缺陷对金属电阻的影响程度不同。通常，分别用不同类型的晶体缺陷对金属电阻的影响程度不同。通常，分别用 1 1原原子空位浓度或子空位浓度或1 1原子间隙原子、单位体积中位错线的单位长度、单位体积原子间隙原子、单位体积中位错线的单位长度、单位体积中晶界的单位面积所引起的电阻率变化来表征点缺陷、线缺陷、面缺陷对中晶界的单位面积所引起的电阻率变化来表征点缺陷、线缺陷、面缺陷对金属电阻的影响。金属电阻的影响。

127、 塑性形变和高能粒子辐射可使金属内部产生大量缺陷。高温淬火和急冷塑性形变和高能粒子辐射可使金属内部产生大量缺陷。高温淬火和急冷也会使金属内部形成远超平衡状态浓度的缺陷。也会使金属内部形成远超平衡状态浓度的缺陷。 点缺陷引起的残余电阻率变化远比线缺陷的影响大。点缺陷引起的残余电阻率变化远比线缺陷的影响大。 对多数金属当形变量不大时，位错引起的电阻率变化与位错密度变化之对多数金属当形变量不大时，位错引起的电阻率变化与位错密度变化之间呈线牲关系。间呈线牲关系。2021/6/16635. 5. 热处理热处理 金属冷加工形变后再进行金属冷加工形变后再进行退火退火，可，可使电阻降低使电阻降低，尤其当退，尤

128、其当退火温度接近再结晶温度时，电阻可恢复到接近冷加工前的水火温度接近再结晶温度时，电阻可恢复到接近冷加工前的水平；但当平；但当退火温度高过再结晶温度退火温度高过再结晶温度时，时，电阻反又增大电阻反又增大，原因，原因是再结晶后新晶粒的晶界阻碍了电子运动。是再结晶后新晶粒的晶界阻碍了电子运动。 淬火淬火能够固定金属在高温时空位的浓度，从而产生残余电能够固定金属在高温时空位的浓度，从而产生残余电阻。淬火温度愈高空位浓度愈高，则残余电阻率就越大。阻。淬火温度愈高空位浓度愈高，则残余电阻率就越大。6. 6. 几何尺寸效应几何尺寸效应 据电阻率的含义，其与几何尺寸无关。据电阻率的含义，其与几何尺寸无关。

129、但当电子自由程但当电子自由程同试样尺寸是同一数量级时，将产生显著的同试样尺寸是同一数量级时，将产生显著的“尺寸效应尺寸效应”，电阻率随试样尺寸减小而显著增大。这一现象对研究和测试电阻率随试样尺寸减小而显著增大。这一现象对研究和测试金属薄膜和细丝材料（厚度金属薄膜和细丝材料（厚度 l l10nm10nm）的电阻非常重要。）的电阻非常重要。 在低温下，随金属纯度的提高，样品尺寸对电阻的影响更在低温下，随金属纯度的提高，样品尺寸对电阻的影响更加明显。因此时电子自由程超过了原子间距（加明显。因此时电子自由程超过了原子间距（42K42K时纯金属电时纯金属电子自由程达几毫米），这样电于在试样表面的散射就构

130、成了子自由程达几毫米），这样电于在试样表面的散射就构成了新的附加电阻。新的附加电阻。 2021/6/1664第第4 4节节 合金的导电性合金的导电性 1 1、固溶体的导电性、固溶体的导电性（1 1）固溶体电阻与组元浓度的关系）固溶体电阻与组元浓度的关系 固溶体固溶体与纯组元相比与纯组元相比导电性降低导电性降低。即使在低导电性金属中溶入高导电性即使在低导电性金属中溶入高导电性金属溶质也是如此金属溶质也是如此。 但但电阻电阻随成分连续变化而随成分连续变化而无突变无突变，对于连续固溶体，当组元，对于连续固溶体，当组元A A溶入组元溶入组元B B时，电阻由时，电阻由B B组元的电阻逐渐增大至极大值后再

131、逐渐减小到组元的电阻逐渐增大至极大值后再逐渐减小到A A组元的电阻。组元的电阻。因为因为： 引起晶体点阵畸变，增加电子散射。原子半径差越大固溶体电阻越大；引起晶体点阵畸变，增加电子散射。原子半径差越大固溶体电阻越大； 杂质对理想晶体产生局部破坏；杂质对理想晶体产生局部破坏； 合金化引起能带结构变化，移动合金化引起能带结构变化，移动费米面费米面（0K0K时电子最高能级）并改变时电子最高能级）并改变 了电子能态的密度和有效导电电子数；了电子能态的密度和有效导电电子数； 合金化影响弹性常数，使点阵振动的声子谱改变。合金化影响弹性常数，使点阵振动的声子谱改变。 一般合金一般合金中最大电阻率通常在中最大

132、电阻率通常在5050浓度处浓度处，而且比组元电阻高几倍。而且比组元电阻高几倍。 但但铁磁性和强顺磁性金属组成的固溶体铁磁性和强顺磁性金属组成的固溶体电阻极大值一般在较高浓度处。电阻极大值一般在较高浓度处。 贵金属与过渡金属组成的固溶体贵金属与过渡金属组成的固溶体不仅极大值出现在较高浓度处，且电阻不仅极大值出现在较高浓度处，且电阻异常高。因它们的价电子可转移到过渡金属未填满的异常高。因它们的价电子可转移到过渡金属未填满的d d或或f f层中，减少有效层中，减少有效电子数。电子数。2021/6/1665（2 2）固溶体的电阻与温度的关系）固溶体的电阻与温度的关系 温度升高固溶体电阻增大，但其电阻温

133、度系数较纯金属低，且随成分温度升高固溶体电阻增大，但其电阻温度系数较纯金属低，且随成分变化，变化，为什么？为什么？根据马基申定律，低浓度固溶体的电阻率为：根据马基申定律，低浓度固溶体的电阻率为： 在常温以上，在常温以上，d/dTd/dT为常数，根据为常数，根据 固溶体固溶体T T大，所以工业大，所以工业上使用的上使用的电阻合金电阻合金的温度系数普遍比导体小的温度系数普遍比导体小l l2 2个数量级。个数量级。 实验证明，除过渡族金属外，同一溶剂基体中溶解实验证明，除过渡族金属外，同一溶剂基体中溶解x xl l的各种金属所的各种金属所引起的引起的增加还取决于溶剂和溶质金属增加还取决于溶剂和溶质金

134、属价差价差，价差愈大附加电阻率，价差愈大附加电阻率也愈大。也愈大。这就是诺波利这就是诺波利- -林德法则其表示式为林德法则其表示式为注意：当溶解过渡族元素并固溶体顺磁性随温度变化很大时，注意：当溶解过渡族元素并固溶体顺磁性随温度变化很大时，为负值，为负值，因而对因而对dddTdT影响很大，甚至使其成为负值。这种现象可被用来获得电阻影响很大，甚至使其成为负值。这种现象可被用来获得电阻温度系数很低的电阻合金，以满足仪器仪表工业的需要。温度系数很低的电阻合金，以满足仪器仪表工业的需要。2021/6/1666（3 3）有序固溶体的电阻）有序固溶体的电阻 固溶体有序化后电阻大幅度降低：固溶体有序化后电阻

135、大幅度降低：因为因为有序化对电阻的影响有两个方面：有序化对电阻的影响有两个方面：一是一是有序化后，合金组元的化学作用加强，其电子结合更强，使导电电子有序化后，合金组元的化学作用加强，其电子结合更强，使导电电子数减少，残余电阻增大。数减少，残余电阻增大。二是二是晶体的离子势场在有序化后更为对称，使电晶体的离子势场在有序化后更为对称，使电子的散射几率大大降低，使有序合金的残余电阻减小。通常在上述两种相子的散射几率大大降低，使有序合金的残余电阻减小。通常在上述两种相反作用中，第二个因素占主导作用。反作用中，第二个因素占主导作用。 有序化不仅存在于以组元为基的固溶体中，与组元具有不同空间点阵的有序化不

136、仅存在于以组元为基的固溶体中，与组元具有不同空间点阵的中间相中间相也可能存在有序化。也可能存在有序化。（4 4）不均匀固溶体（）不均匀固溶体（K K状态状态) )的电阻的电阻 一般与纯金属一样，冷加工使固溶体电阻升高，退火则降低。一般与纯金属一样，冷加工使固溶体电阻升高，退火则降低。 但对但对某些含过渡族金属的合金某些含过渡族金属的合金，尽管金相分析和，尽管金相分析和X X射线分析的结果认为其射线分析的结果认为其组织仍是单相的，但在组织仍是单相的，但在回火中发现合金电阻有反常升高回火中发现合金电阻有反常升高，而在，而在冷加工时合冷加工时合金电阻明显降低金电阻明显降低，这种合金组织出现的反常状态

137、称为，这种合金组织出现的反常状态称为K K状态状态。X X射线分析发射线分析发现，组元原子在晶体中现，组元原子在晶体中不均匀分布不均匀分布，使原子间距的大小显著波动，所以也，使原子间距的大小显著波动，所以也把把K K状态称为状态称为“不均匀固溶体不均匀固溶体”；在这些固溶体中有着；在这些固溶体中有着特殊的相变及特殊的特殊的相变及特殊的结构状态结构状态。 原因：原因：回火产生不均组织，冷加工使不均匀组织破坏。回火产生不均组织，冷加工使不均匀组织破坏。2021/6/1667 两种金属形成化合物时，电阻率比各组元的电阻率高得多。两种金属形成化合物时，电阻率比各组元的电阻率高得多。 原因原因：原子键合

138、方式发生了质的变化，其中至少一部分由原原子键合方式发生了质的变化，其中至少一部分由原金属键变为共价键或离子键，使导电电子数减少。此外晶体结金属键变为共价键或离子键，使导电电子数减少。此外晶体结构变化也有一定作用。构变化也有一定作用。 金属化合物的电阻与组元间的电离势之差有关。金属化合物的电阻与组元间的电离势之差有关。 若两组元给出价电子的能力相同，则所形成的化合物电阻低，若两组元给出价电子的能力相同，则所形成的化合物电阻低，具有金属的性质。相反，则化合物的电阻就大，接近半导体的具有金属的性质。相反，则化合物的电阻就大，接近半导体的性质。性质。 金属化合物的电学性能可在很宽的范围内变化，从低温下

139、的金属化合物的电学性能可在很宽的范围内变化，从低温下的超导电性到常温的半导体。超导电性到常温的半导体。 与离子型和共价型化合物不同，金属化合物异类原子间的金与离子型和共价型化合物不同，金属化合物异类原子间的金属键占优势，因而具有光泽、导电性和正电阻温度系数等金属属键占优势，因而具有光泽、导电性和正电阻温度系数等金属性能。性能。2、金属化合物的导电性、金属化合物的导电性2021/6/1668 多相合金的电阻除像单相区中要考虑晶粒的大小、点阵的畸多相合金的电阻除像单相区中要考虑晶粒的大小、点阵的畸变以及晶粒内部异类原子的偏聚对电阻的影响外，变以及晶粒内部异类原子的偏聚对电阻的影响外，还必须考虑还必

140、须考虑界面、第二相的形状、大小及分布状况等对电阻的影响界面、第二相的形状、大小及分布状况等对电阻的影响。尤其。尤其当一种相的晶粒大小或当一种相的晶粒大小或GPGP区（与基体共格、有序、富溶质的原区（与基体共格、有序、富溶质的原子团簇子团簇, ,常常在一个或几个原子面上形成）与电子波长属同一常常在一个或几个原子面上形成）与电子波长属同一数量级时由于电子发生附加散射，对电阻的影响增大。数量级时由于电子发生附加散射，对电阻的影响增大。 总之，电阻率很难确定，通常可近似的取各组成相的加权平总之，电阻率很难确定，通常可近似的取各组成相的加权平均值。均值。第第5 5节节 导电性的测量（自学）导电性的测量（

141、自学）第第6 6节节 电阻分析的应用（自学）电阻分析的应用（自学）3、多相合金的导电性、多相合金的导电性2021/6/1669第第7 7节节 半导体的电学性能半导体的电学性能一、概述一、概述1.1.半导体的概念：半导体的概念： 能带结构和电阻率。能带结构和电阻率。 2.2.分类：分类： 非晶半导体和有机半导体的研究尚不深入，我们只学习晶体半导体。非晶半导体和有机半导体的研究尚不深入，我们只学习晶体半导体。 单质半导体中，硅和锗是目前应用最广泛的半导体材料，由于它们易于实现单质半导体中，硅和锗是目前应用最广泛的半导体材料，由于它们易于实现高纯度，如锗杂质含量可控制到高纯度，如锗杂质含量可控制到1

142、0101010分之一。分之一。 化合物半导体具有更广阔的应用前景，因其各项性能参数较单质半导体具有化合物半导体具有更广阔的应用前景，因其各项性能参数较单质半导体具有更大的选择余地。更大的选择余地。2021/6/1670本征半导体：本征半导体： 在纯净无缺陷的半导体单晶中，参加导电的电子和空穴浓度相等。在纯净无缺陷的半导体单晶中，参加导电的电子和空穴浓度相等。 导电机理：导电机理： 在热、光等外界条件的影响下，满带上的价电子获得足够的能量，跃在热、光等外界条件的影响下，满带上的价电子获得足够的能量，跃过禁带跃迁至空带而成为自由电子，同时在满带中留下电子空穴，自由过禁带跃迁至空带而成为自由电子，同

143、时在满带中留下电子空穴，自由电子和电子空穴在外加电场的作用下定向移动形成电流。电子和电子空穴在外加电场的作用下定向移动形成电流。载流子：载流子： 在电场作用下定向移动形成电流的带电体，如电子、空穴。在电场作用下定向移动形成电流的带电体，如电子、空穴。二、本征半导体的电学性能二、本征半导体的电学性能1.1.本征载流子的浓度本征载流子的浓度 分析影响因素，特别是与温度和禁带宽度的关系。分析影响因素，特别是与温度和禁带宽度的关系。 为什么半导体会产生导电敏感效应？为什么半导体会产生导电敏感效应？ 为什么金属导电性一般随温度升高而降低，而半导体导电性随温度升高为什么金属导电性一般随温度升高而降低，而半

144、导体导电性随温度升高而升高？而升高？2.2.本征半导体的迁移率和电阻率本征半导体的迁移率和电阻率 迁移率的概念迁移率的概念 自由电子和空穴的迁移率、电流密度是否相同，为什么？自由电子和空穴的迁移率、电流密度是否相同，为什么？ 本征半导体的电学特性本征半导体的电学特性2021/6/1671 通常制造半导体器件的材料是杂质半导体。在本征半导体中人为地掺通常制造半导体器件的材料是杂质半导体。在本征半导体中人为地掺入入5价元素或价元素或3价元素将分别获得价元素将分别获得N型（电子型）杂质半导体和型（电子型）杂质半导体和P型（空穴型（空穴型）杂质半导体。型）杂质半导体。三、杂质半导体的电学性能三、杂质半

145、导体的电学性能1. N型半导体（电子型半导体）型半导体（电子型半导体） 本征半导体中掺入本征半导体中掺入5价元素（磷，砷，锑）就可使晶体中的自由电子的浓价元素（磷，砷，锑）就可使晶体中的自由电子的浓度极大地增加。因为度极大地增加。因为5价元素的原子有价元素的原子有5个价电子，当它顶替晶格中的一个个价电子，当它顶替晶格中的一个4价元素的原子时，余下了价元素的原子时，余下了1个价电子变成多余的，此电子的能级非常靠近导个价电子变成多余的，此电子的能级非常靠近导带底，非常容易进入导带成为自由电子，因而导带中的自由电子较本征半带底，非常容易进入导带成为自由电子，因而导带中的自由电子较本征半导体显著增多，

146、导电性能大幅度提高。导体显著增多，导电性能大幅度提高。 施主杂质（施主杂质（N N型杂质）、施主能级、施主电离能的概念。型杂质）、施主能级、施主电离能的概念。 多数载流子、少数载流子。多数载流子、少数载流子。2021/6/1672 在本征半导体中，掺入在本征半导体中，掺入3价元素的杂质（硼，铝，镓，铟），就可以使价元素的杂质（硼，铝，镓，铟），就可以使晶体中空穴浓度大大增加。因为晶体中空穴浓度大大增加。因为3价元素的原子只有价元素的原子只有3个价电子，当它顶替个价电子，当它顶替晶格中的一个晶格中的一个4价元素原子，并与周围的价元素原子，并与周围的4个硅（或锗）原子组成个硅（或锗）原子组成4个共

147、价键个共价键时，缺少一个价电子，形成一个空位置。时，缺少一个价电子，形成一个空位置。 3价元素形成的空位能级非常靠近价带顶的能量，在价电子共有化运动中，价元素形成的空位能级非常靠近价带顶的能量，在价电子共有化运动中，相邻的原子上的价电子就很容易来填补这个空位（较跃迁至禁带以上的空相邻的原子上的价电子就很容易来填补这个空位（较跃迁至禁带以上的空带容易的多），从而产生一个空穴。所以每一个三价杂质元素的原子都能带容易的多），从而产生一个空穴。所以每一个三价杂质元素的原子都能接受一个价电子，而在价带中产生一个空穴。接受一个价电子，而在价带中产生一个空穴。 受主杂质、受主能级，其中的电离能、多数载流子、

148、少数载流子。受主杂质、受主能级，其中的电离能、多数载流子、少数载流子。2. P型半导体（空穴型半导体）型半导体（空穴型半导体）杂质半导体与本征半导体相比的特性：杂质半导体与本征半导体相比的特性：2021/6/1673四、四、 PN结的形成及特性结的形成及特性 PN结结：同一块半导体单晶中：同一块半导体单晶中P型掺杂区与型掺杂区与N型掺杂区的交界面附近的型掺杂区的交界面附近的区域。区域。 PN结是构成半导体电子器件的基本单元。半导体二极管就是一个结是构成半导体电子器件的基本单元。半导体二极管就是一个PN结，半导体三极管结，半导体三极管(或晶体管或晶体管)和结型场效应晶体管由两个和结型场效应晶体管

149、由两个PN结构成。将结构成。将诸多二极、三极管与其它电子元件做在同一块半导体晶片上就成了诸多二极、三极管与其它电子元件做在同一块半导体晶片上就成了半导半导体集成电路体集成电路。1. PN结制造工艺的实质是杂质补偿结制造工艺的实质是杂质补偿 施主杂质可释放出施主杂质可释放出1个自由电子，受主杂质则需接受个自由电子，受主杂质则需接受1个价电子（即产个价电子（即产生生1个空穴）。当两者同处于一块半导体中时，半导体的性质是个空穴）。当两者同处于一块半导体中时，半导体的性质是P型还是型还是N型由两种杂质浓度大小而定。型由两种杂质浓度大小而定。（l）当施主杂质浓度）当施主杂质浓度ND比受主杂质浓度比受主杂

150、质浓度NA大时，半导体是大时，半导体是N型。这时从型。这时从施主原子释放出来的电子将优先填补受主原子，单位体积中余下的施主原子释放出来的电子将优先填补受主原子，单位体积中余下的( ND NA)个施主原子再各自释放出个施主原子再各自释放出1个电子，个电子， N型半导体的自由电子浓度为型半导体的自由电子浓度为(ND NA)。（2）当施主杂质浓度）当施主杂质浓度ND比受主杂质浓度比受主杂质浓度NA小时，半导体是小时，半导体是P型。单位体型。单位体积内产生积内产生(NA ND)个空穴，个空穴， P型半导体的空穴浓度为型半导体的空穴浓度为(NA ND) 。2021/6/1674（1）载流子的浓度差引起）

151、载流子的浓度差引起载流子的扩散运动载流子的扩散运动 PN结中，结中，P区中的空穴（多子）浓度远大于区中的空穴（多子）浓度远大于N区中空穴（少子）浓度；区中空穴（少子）浓度；N区区中自由电子（多子）浓度远大于中自由电子（多子）浓度远大于P区中自由电子（少子）浓度。即在区中自由电子（少子）浓度。即在PN结两结两边，由于存在着载流子分布的浓度差，必然引起载流子的扩散运动。边，由于存在着载流子分布的浓度差，必然引起载流子的扩散运动。P区中区中的空穴向的空穴向N区扩散，区扩散，N区中的电子向区中的电子向P区扩散。区扩散。（2）扩散运动形成空间电荷区）扩散运动形成空间电荷区（阻档层阻档层） 扩散运动进行前

152、，晶体中的任何一部分都是中性，但随着载流子的扩散，扩散运动进行前，晶体中的任何一部分都是中性，但随着载流子的扩散，在交界面附近的在交界面附近的P区和区和N区不再是电中性。区不再是电中性。P区中的空穴扩散到了区中的空穴扩散到了N区，只留区，只留下了带负电荷的受主杂质离子；同样，在交接面附近的下了带负电荷的受主杂质离子；同样，在交接面附近的N区中就只留下了带区中就只留下了带正电荷的施主杂质离子。这些离子不能自由移动，于是在交界面处形成了一正电荷的施主杂质离子。这些离子不能自由移动，于是在交界面处形成了一层很薄的空间电荷区。层很薄的空间电荷区。（3）内电场使扩散与漂移）内电场使扩散与漂移达动态平衡达

153、动态平衡 由扩散运动形成的空间电荷区使交界面附近形成一由由扩散运动形成的空间电荷区使交界面附近形成一由N区指向区指向P区的区的内内电场电场和和内建电位差内建电位差VD，这时虽在中性区仍存在电子和空穴浓度差，继续存，这时虽在中性区仍存在电子和空穴浓度差，继续存在载流子扩散，但空间电荷区产生的在载流子扩散，但空间电荷区产生的将阻止载流子进一步扩散。起初扩散运将阻止载流子进一步扩散。起初扩散运动占优势，但随着扩散的进行，空间电荷区逐浙增宽，动占优势，但随着扩散的进行，空间电荷区逐浙增宽， 逐渐增大，对载流逐渐增大，对载流子的漂移作用加强，最后达子的漂移作用加强，最后达动态平衡动态平衡。2. PN结阻

154、挡层的形成结阻挡层的形成2021/6/1675 主要特性是其主要特性是其单向导电性单向导电性，即当外加电压极性不同时其表现出的导电性截，即当外加电压极性不同时其表现出的导电性截然不同。然不同。（1）外加正向电压（）外加正向电压（P区区N区）区） 这时这时外加电压与内建电位差方向相反外加电压与内建电位差方向相反，因而使阻挡层两端的电位差由，因而使阻挡层两端的电位差由VD 减小到（减小到（ VDU），使阻挡层变窄，内电场减小，载流子的扩散与漂移的平），使阻挡层变窄，内电场减小，载流子的扩散与漂移的平衡被破坏，结果产生了从衡被破坏，结果产生了从P区流向区流向N区的正向电流。由于该电流是由多子扩散区的

155、正向电流。由于该电流是由多子扩散形成的，电流较大，且随形成的，电流较大，且随U的增大而迅速增大。的增大而迅速增大。（2）外加反向电压（）外加反向电压（ N区区 P区）区） 这时这时外加电压与内建电位差方向相同外加电压与内建电位差方向相同，阻挡层两端的电位差由，阻挡层两端的电位差由VD 增大到增大到（ VDU），阻挡层加宽，内电场增强。），阻挡层加宽，内电场增强。 这样，一方面多子的扩散运动完全这样，一方面多子的扩散运动完全被阻止；另一方面由少子的扩散形成了从被阻止；另一方面由少子的扩散形成了从N区流向区流向P区的反向电流。由于该电区的反向电流。由于该电流是由于少子漂移形成的，电流很微弱，且几乎

156、不随流是由于少子漂移形成的，电流很微弱，且几乎不随U的增大而变化。的增大而变化。 3. PN结的特性结的特性2021/6/1676第第8 8节节 绝缘体的电学性能绝缘体的电学性能一、电介质的极化一、电介质的极化1. 极化极化 介质在电场作用下，其内部的束缚电荷发生介质在电场作用下，其内部的束缚电荷发生弹性位移和偶极子定向取向，从而产生表面感应弹性位移和偶极子定向取向，从而产生表面感应电荷的现象。电荷的现象。2. 电介质电介质 在电场中可产生极化的材料。多是优良的绝在电场中可产生极化的材料。多是优良的绝缘材料，故二者常通用。缘材料，故二者常通用。主要性能指标主要性能指标：介电常数、耐电强度、损耗

157、因数、：介电常数、耐电强度、损耗因数、 体积或表面电阻率体积或表面电阻率+-+-+2021/6/1677一、电介质的极化一、电介质的极化3. 电介质的分类电介质的分类1 1）中性电介质（非极性电介质）：）中性电介质（非极性电介质）： 由结构对称的中性分子组成，正负电荷中心重合，由结构对称的中性分子组成，正负电荷中心重合， 电偶极矩电偶极矩 P=qd=0。2 2）偶极电介质：）偶极电介质： 由结构不对称的极性分子组成，正负电荷中心由结构不对称的极性分子组成，正负电荷中心 不重合，电偶极矩不重合，电偶极矩 P=qd。3）离子型电介质：）离子型电介质： 由正负离子组成，对任何一对电荷极性相反的离由正

158、负离子组成，对任何一对电荷极性相反的离 子可看成一偶极子。子可看成一偶极子。qqd=0qq2021/6/1678一、电介质的极化一、电介质的极化4.4.介质极化的基本形式介质极化的基本形式1 1）电子式极化（电子位移极化）电子式极化（电子位移极化）： 在在E E作用下，原子外围的电子云中心相对于原子核发作用下，原子外围的电子云中心相对于原子核发生位移，形成感应电矩而使介质极化的现象。生位移，形成感应电矩而使介质极化的现象。 形成形成很快很快（1010-14-141010-16-16s), s), 弹性弹性可逆，极化过程可逆，极化过程不消不消耗能量耗能量。所有电介质中都存在，但。所有电介质中都存

159、在，但只存在此种极化的只存在此种极化的电电介质只有中性的气体、液体和少数非极性固体。介质只有中性的气体、液体和少数非极性固体。2 2）离子式极化离子式极化( (离子位移极化）离子位移极化）: : 离子晶体中，除离子中的电子产生位移极化外，正负离子也在离子晶体中，除离子中的电子产生位移极化外，正负离子也在E E作作用下发生相对位移而引起的极化。又分为：用下发生相对位移而引起的极化。又分为： a a. .离子弹性位移极化离子弹性位移极化：离子键构成的晶体中，离子间约束力很强，：离子键构成的晶体中，离子间约束力很强，离子离子位移有限位移有限，极化过程，极化过程很快很快（1010-12-121010-

160、13-13s s），），不消耗能量不消耗能量，可逆可逆。 b b. .热离子极化（离子松弛式位移极化）热离子极化（离子松弛式位移极化）：有些离子晶体和无定形体：有些离子晶体和无定形体中有一些弱联系离子，无中有一些弱联系离子，无E E时作无规则热运动，宏观无电矩；有时作无规则热运动，宏观无电矩；有E E时正时正负离子反向迁移，形成正负离子分离而产生极化。极化建立负离子反向迁移，形成正负离子分离而产生极化。极化建立时间较长时间较长（1010-2-21010-5-5s s），有），有极化滞后极化滞后现象，现象，消耗消耗一定一定能量能量，不可逆不可逆。 qqd02021/6/16794.4.介质极化的

161、基本形式介质极化的基本形式3 3）偶极子极化偶极子极化( (固有电矩的转向极化）固有电矩的转向极化）: : 有有E E时，偶极子有沿电场方向排列的趋势，而形成宏观电矩，形成的时，偶极子有沿电场方向排列的趋势，而形成宏观电矩，形成的极化。极化。 所需所需时间较长时间较长（10102 210101010s s），），不可逆不可逆，需，需消耗能量消耗能量。4 4）空间电荷极化空间电荷极化： 有些电介质中，存在可移动的离子，在有些电介质中，存在可移动的离子，在E E作用下，正负离子分离所形作用下，正负离子分离所形成的极化。所需成的极化。所需时间最长时间最长（10102 2s s）。）。 以上：电子极化

162、、离子极化、空间电荷极化都是正、负电荷在以上：电子极化、离子极化、空间电荷极化都是正、负电荷在E E作作用下发生相对位移产生的，通称用下发生相对位移产生的，通称位移极化位移极化；偶极子极化是偶极子在；偶极子极化是偶极子在E E作作用下发生转向形成的，称用下发生转向形成的，称转向极化转向极化。 只有位移极化的电介质称为只有位移极化的电介质称为非极性材料非极性材料；有转向极化的电介质称为；有转向极化的电介质称为极性材料极性材料。2021/6/1680二、电介质的二、电介质的介电常数介电常数平板电容器的电容量：平板电容器的电容量： 称静态介电常数称静态介电常数极板间为真空时的电容：极板间为真空时的电

163、容：0 0为真空介电常数为真空介电常数 当两极板间放入电介质，相同电位差时由于电当两极板间放入电介质，相同电位差时由于电介质极化产生的表面感应电荷部分屏蔽了极板产生介质极化产生的表面感应电荷部分屏蔽了极板产生的静电场，使极板上的电荷增多，电容增大（根据的静电场，使极板上的电荷增多，电容增大（根据C=Q/U)。 r r称称相对介电常数相对介电常数 +-+-+r r表示电容器（两极板间）有电介质时的电容较在真空状态时的电容表示电容器（两极板间）有电介质时的电容较在真空状态时的电容的增加倍数。是一综合反应电介质材料极化行为的宏观物理量。的增加倍数。是一综合反应电介质材料极化行为的宏观物理量。电容器储

164、存的能量电容器储存的能量即介电常数又可理解为即介电常数又可理解为单位电场强度下单位体积中所存储的能量单位电场强度下单位体积中所存储的能量。2021/6/1681三、电介质的三、电介质的介电损耗介电损耗1.1.电介质损耗的基本概念电介质损耗的基本概念 任何电介质在任何电介质在E E作用下，总会或多或少地把部分电能转换为热能使作用下，总会或多或少地把部分电能转换为热能使介质发热。电介质在介质发热。电介质在E E作用下，单位时间内因发热而消耗的能量称电作用下，单位时间内因发热而消耗的能量称电介质的损耗功率，简称介质的损耗功率，简称介质损耗介质损耗。 电介质在电工和电子工业中，用于电介质在电工和电子工

165、业中，用于隔直流或储能隔直流或储能，介质损耗不仅耗，介质损耗不仅耗能，而且使元件温度升高，影响正常工作。特别是应用于能，而且使元件温度升高，影响正常工作。特别是应用于交流电场交流电场中中是电介质重要的品质之一。介质损耗通常越小越好。是电介质重要的品质之一。介质损耗通常越小越好。2021/6/16821 1）电导（或漏导）损耗）电导（或漏导）损耗 实际使用的电介质都不是理想的绝缘体，都或多或少地存在一些弱实际使用的电介质都不是理想的绝缘体，都或多或少地存在一些弱联系带电离子或空穴，在联系带电离子或空穴，在E E作用下产生漏导电流，发热，产生损耗。作用下产生漏导电流，发热，产生损耗。2）极化）极化

166、损耗损耗 介质极化时介质极化时, ,有些极化形式可引起损耗。如松弛极化造成损耗较大：有些极化形式可引起损耗。如松弛极化造成损耗较大： 一方面：极化时离子在一方面：极化时离子在E E作用下克服热运动消耗能量，引起损耗；作用下克服热运动消耗能量，引起损耗； 另一方面：松弛极化建立时间较长，极化跟不上外另一方面：松弛极化建立时间较长，极化跟不上外E E的变化（特别是的变化（特别是交流频率较高时），造成的电矩滞后于交流频率较高时），造成的电矩滞后于E E，当，当E E开始减小时，极化仍继续开始减小时，极化仍继续增至最大值后才开始减小，当增至最大值后才开始减小，当E E为为0 0时极化尚未完全消除，当外

167、时极化尚未完全消除，当外E E反向时，反向时，极板上遗留的部分电荷中和了电源对极板充电的部分电荷，并以热的形极板上遗留的部分电荷中和了电源对极板充电的部分电荷，并以热的形式散发，产生损耗。式散发，产生损耗。3）电离损耗）电离损耗 又称游离损耗，是气体引起的，含气孔的固体电介质，外又称游离损耗，是气体引起的，含气孔的固体电介质，外E E大于气体大于气体电离所需的电离所需的E E时，气体发生电离吸收能量，造成损耗。时，气体发生电离吸收能量，造成损耗。 电离损耗可使电介质膨胀，可导致介质热破坏和促使化学破坏，因电离损耗可使电介质膨胀，可导致介质热破坏和促使化学破坏，因此必须降低电介质中的气孔。此必须

168、降低电介质中的气孔。2.介质损耗形式介质损耗形式2021/6/1683四、电介质的四、电介质的耐电强度耐电强度1.1.电介质的击穿与介电强度电介质的击穿与介电强度 施加于电介质上的电场强度或电压增大到某一定值时，介电施加于电介质上的电场强度或电压增大到某一定值时，介电质就由介电状态变为导电状态，这一突变现象称电介质的击穿。质就由介电状态变为导电状态，这一突变现象称电介质的击穿。 发生击穿时的电场强度称发生击穿时的电场强度称击穿电场强度击穿电场强度EbEb，此时所加电压称，此时所加电压称击穿电压击穿电压UbUb即即耐电耐电强度强度或或介电强度介电强度。 Eb=Ub/d d:Eb=Ub/d d:击

169、穿处材料厚度。击穿处材料厚度。 故用故用EbEb表示电介质材料的耐击穿能力。表示电介质材料的耐击穿能力。 固体电介质被击穿后，材料被破坏（报废）。（气体、液体固体电介质被击穿后，材料被破坏（报废）。（气体、液体材料击穿后，材料击穿后，E E撤消后，性能恢复）。撤消后，性能恢复）。 Eb Eb除与材料的本性有关外，还与外界因素（如媒质、温度、除与材料的本性有关外，还与外界因素（如媒质、温度、压力）有关。压力）有关。 介质在电场中击穿有多种形式，但往往有一种是主要的。介质在电场中击穿有多种形式，但往往有一种是主要的。 2021/6/1684四、电介质的四、电介质的耐电强度耐电强度2.击穿形式击穿形

170、式1 1）电击穿）电击穿 强电场下少数高能量强电场下少数高能量 “ “自由电子自由电子” ” 定向运动形成电流（漏电流），其定向运动形成电流（漏电流），其运动中碰撞介质内离子并传递其部分能量。当外运动中碰撞介质内离子并传递其部分能量。当外E E足够高足够高 “ “自由电子自由电子”速速度超过某一临界值时，使度超过某一临界值时，使被撞击离子电离出新电子，称被撞击离子电离出新电子，称 “次级电子次级电子”，原，原自由电子与次级电子又从自由电子与次级电子又从E中获得能量而加速撞击出三级电子，这样连锁中获得能量而加速撞击出三级电子，这样连锁反应，造成大量自由电子形成反应，造成大量自由电子形成“电子潮电

171、子潮”，使介质电流迅速增大，导致介，使介质电流迅速增大，导致介质击穿。质击穿。 这一过程仅需这一过程仅需107108s，因此电击穿往往是瞬间的。是一电，因此电击穿往往是瞬间的。是一电过程，仅有电子参与。过程，仅有电子参与。2）热击穿）热击穿 电介质在电介质在E作用下出现各种消耗，部分电能转换为热能，外作用下出现各种消耗，部分电能转换为热能，外E足够高时产足够高时产生的热量大于散发热量，温度升高，产生热量进一步增加，这样恶性循环生的热量大于散发热量，温度升高，产生热量进一步增加，这样恶性循环使材料不断升温，超过一定限度介质被烧裂，熔融等，丧失绝缘能力，称使材料不断升温，超过一定限度介质被烧裂，熔

172、融等，丧失绝缘能力，称介质的介质的“热击穿热击穿”。3）化学击穿）化学击穿 长期运行在高温、潮湿、高压或腐蚀性气体环境中的绝缘材料，内部发长期运行在高温、潮湿、高压或腐蚀性气体环境中的绝缘材料，内部发生电解、腐蚀、氧化、还原、气孔中气体电离等不可逆的化学过程，经一生电解、腐蚀、氧化、还原、气孔中气体电离等不可逆的化学过程，经一定时间，材料老化，丧失绝缘性能，导致击穿。如氧化物还原出金属离子。定时间，材料老化，丧失绝缘性能，导致击穿。如氧化物还原出金属离子。2021/6/1685第第9 9节节 超导电性超导电性1. 1. 超导电性超导电性 一定条件下（温度、磁场、压力），材料的电阻突然消失的现象

173、。一定条件下（温度、磁场、压力），材料的电阻突然消失的现象。 材料失去电阻的状态称为材料失去电阻的状态称为超导态超导态，存在电阻的状态称为正常态，具有超导，存在电阻的状态称为正常态，具有超导态的材料称为态的材料称为超导体超导体。材料由正常态转变为超导态的温度称为。材料由正常态转变为超导态的温度称为临界温度临界温度（TcTc）2. 2. 两个基本特性两个基本特性1 1）完全导电性）完全导电性：即电阻为：即电阻为0 0 将超导体在室温下做成园环放入磁场中后，温度降至将超导体在室温下做成园环放入磁场中后，温度降至TcTc以下使之转入超以下使之转入超导态，突然去掉导态，突然去掉H H，则环中产生感应电

174、流，电流永不衰竭，称，则环中产生感应电流，电流永不衰竭，称永久电流永久电流，电，电流不变，使环内磁通不变，称流不变，使环内磁通不变，称冻结磁通冻结磁通。2 2）完全抗磁性（迈斯纳效应）完全抗磁性（迈斯纳效应） 先将超导体冷却至超导态，然后加磁场，发现磁场不能进入超导体内。若先将超导体冷却至超导态，然后加磁场，发现磁场不能进入超导体内。若在常温下将超导体先放入磁场内，则有磁力线穿过超导体，然后再将超导体在常温下将超导体先放入磁场内，则有磁力线穿过超导体，然后再将超导体冷却至冷却至TcTc以下，发规磁场从超导体内被排出，即超导体内无磁场，磁感应强以下，发规磁场从超导体内被排出，即超导体内无磁场，磁

175、感应强度度B B为零。这一现象说明了超导体具有完全的抗磁性。为零。这一现象说明了超导体具有完全的抗磁性。2021/6/16863.三个重要指标及影响因素三个重要指标及影响因素1 1）临界转变温度）临界转变温度TcTc： 希望其越高越好，有利于应用。高分辨显微镜中，希望其越高越好，有利于应用。高分辨显微镜中， Tc Tc从原来的从原来的35K35K升高升高至至100K100K以上，就可以上，就可 液氦液氦液氮液氮2）临界磁场强度）临界磁场强度Hc 当当TTc时，将超导体放入磁场，若时，将超导体放入磁场，若HHc，磁力线穿过超导体，超导，磁力线穿过超导体，超导体被破坏至正常态。体被破坏至正常态。H

176、c即使超导体被破坏为正常态的最小磁场强度。即使超导体被破坏为正常态的最小磁场强度。 Hc与温度有关，温度越低，与温度有关，温度越低，Hc越高。越高。3）临界电流密度）临界电流密度Jc 超导体内输入电流时，产生磁场，当此磁场与外磁场之和超过超导体内输入电流时，产生磁场，当此磁场与外磁场之和超过Hc时，超时，超导态被破坏，这时的输入电流为临界电流导态被破坏，这时的输入电流为临界电流Ic，相应的电流密度为临界电流，相应的电流密度为临界电流密度。即使超导体保持超导态的最大电流密度。密度。即使超导体保持超导态的最大电流密度。 2021/6/16874.4.两类超导体两类超导体第一类超导体第一类超导体 大

177、多数纯金属超导体，在超导态下磁通从超导体中全部逐出，具有完全的大多数纯金属超导体，在超导态下磁通从超导体中全部逐出，具有完全的迈斯纳效应（完全的抗磁性）。迈斯纳效应（完全的抗磁性）。第二类超导体第二类超导体 铌、钒及其合金中，允许部分磁通透入，仍保留超导电性。存在两个临界铌、钒及其合金中，允许部分磁通透入，仍保留超导电性。存在两个临界磁场，较低的磁场，较低的Hc1和较高的和较高的Hc2。 在低于在低于Hc1的外磁场中：同第一类超导体；的外磁场中：同第一类超导体； 在高于在高于Hc1的外磁场中：磁通开始部分地透入到超导体内，当外磁场继续增的外磁场中：磁通开始部分地透入到超导体内，当外磁场继续增加

178、时，进入超导体内的磁通线也增加。磁通线能进入超导体内说明超导体内加时，进入超导体内的磁通线也增加。磁通线能进入超导体内说明超导体内已有部分区域转变为正常态（但仍保持已有部分区域转变为正常态（但仍保持0电阻特性），这时的超导体处干混合电阻特性），这时的超导体处干混合态（涡漩态）。态（涡漩态）。 当外磁场增大到当外磁场增大到Hc2时：超导体由混合态完全转变为正常态。时：超导体由混合态完全转变为正常态。 第一类超导体的临界磁场第一类超导体的临界磁场Hc小；小； 第二类超导体的第二类超导体的Hc可达很高。由于在相当高的磁场下仍有超导电性，仍能可达很高。由于在相当高的磁场下仍有超导电性，仍能负载无损耗电

179、流，故第二类超导体在建造强磁场电磁铁方面有重要实际意义。负载无损耗电流，故第二类超导体在建造强磁场电磁铁方面有重要实际意义。2021/6/16885.5.超导现象的物理本质超导现象的物理本质 超导的微观物理本质终于在超导现象发现后的超导的微观物理本质终于在超导现象发现后的4646年，即年，即19571957年由巴丁、年由巴丁、库柏和施瑞弗等人揭示，简称为库柏和施瑞弗等人揭示，简称为BCSBCS理论理论。 认为认为，超导现象产生的原因是超导体中的电子在超导态时，电子间存在，超导现象产生的原因是超导体中的电子在超导态时，电子间存在着着特殊的吸引力特殊的吸引力，而而不是不是正常态时的正常态时的静电斥

180、力静电斥力。这种吸引力使动量和自旋。这种吸引力使动量和自旋方向相反的两个电子方向相反的两个电子e el l、e e2 2结成结成电子对电子对，它是超导态电子与晶格点阵间相互，它是超导态电子与晶格点阵间相互作用产生的结果，称为作用产生的结果，称为库柏电子对库柏电子对。 在超导态，由于电子结成库柏对在超导态，由于电子结成库柏对使能量降低使能量降低。电于对能量比形成它的单。电于对能量比形成它的单独的两个正常态电子能量低独的两个正常态电子能量低22，22称为称为超导体的能隙超导体的能隙，而正常态电子处，而正常态电子处于能隙以上的高状态。于能隙以上的高状态。 超导态的电子对有一基本特性，即超导态的电子对

181、有一基本特性，即每个电子对在运动中的总动量保持不每个电子对在运动中的总动量保持不变变，故在通以直流电时，超导体中的，故在通以直流电时，超导体中的电子对将无阻力地通过晶格运动电子对将无阻力地通过晶格运动。因因为为任何时候，晶格（缺陷）散射电子对中的一个电子并改变它的动量时，任何时候，晶格（缺陷）散射电子对中的一个电子并改变它的动量时，它也将散射电子对中的另一个电子，在相反方向引起动量的等量变化。因它也将散射电子对中的另一个电子，在相反方向引起动量的等量变化。因此，成对电子的平均运动不减慢也不加快，这就说明超导态的电子对运动此，成对电子的平均运动不减慢也不加快，这就说明超导态的电子对运动时不消耗能

182、量，因而表现出零电阻的特性。时不消耗能量，因而表现出零电阻的特性。2021/6/1689第第1010节节 热电性能热电性能一、第一热电效应一、第一热电效应塞贝克效应塞贝克效应 两种导体组成一闭合回路时，若两接头处存在温度差，则回路中将产两种导体组成一闭合回路时，若两接头处存在温度差，则回路中将产生电势及电流，这种现象称生电势及电流，这种现象称塞贝克效应塞贝克效应，产生的电势称，产生的电势称温差电势温差电势或或热电势热电势，电流称电流称热电流热电流，上述回路称为，上述回路称为热电偶或温差电池热电偶或温差电池。 热电效应：热电效应：材料中存在电位差时会产生电流，材料中存在温度差时会产材料中存在电位

183、差时会产生电流，材料中存在温度差时会产 生热流，电位差、温度差、电流、热流存在着交叉联系。生热流，电位差、温度差、电流、热流存在着交叉联系。 因为电流和热流都与电子的运动有关。因为电流和热流都与电子的运动有关。三个基本热电效应三个基本热电效应: :赛贝克效应、玻尔帖效应、汤姆逊效应。赛贝克效应、玻尔帖效应、汤姆逊效应。 热电势热电势1212的大小的大小：与两接头的：与两接头的温度温度、材料的材料的成分、组织成分、组织有关。有关。 与材料性质的关系：与材料性质的关系：用单位温差产生的热电势用单位温差产生的热电势即即热电势率热电势率来描述，来描述，dd1212/ /dt dt 不同材料间不同材料间

184、构成的热电偶构成的热电偶不同。不同。 1212与温度的关系与温度的关系（对于两种确定的材料）（对于两种确定的材料）： 在一定温度范围内可在一定温度范围内可省去高次项。省去高次项。2021/6/1690一、第一热电效应一、第一热电效应塞贝克效应塞贝克效应 除金属外，除金属外，两半导体构成的回路两半导体构成的回路也同样有塞也同样有塞贝克效应，且效应显著得多。为什么会产生塞贝克效应，且效应显著得多。为什么会产生塞贝克效应哪贝克效应哪? ?从从接触电位差接触电位差和和温差电位差理解温差电位差理解。12i12T1T2T1T2 V12(T1)V12(T2) 1.1.接触电位差接触电位差 电子逸出功电子逸出

185、功：自由电子逃逸出金属表面所需要的最小能量。：自由电子逃逸出金属表面所需要的最小能量。 逸出功小的金属逸出功小的金属1 1内电子能量大，占有高能态的电子数多；反之，逸出内电子能量大，占有高能态的电子数多；反之，逸出功大的金属功大的金属2 2内电子能量小，占有高能态的电子数少。内电子能量小，占有高能态的电子数少。 电子逸出功不同的两电子逸出功不同的两金属金属1 1与与2 2接触接触后，电子主要从金属后，电子主要从金属1 1迁移到金属迁移到金属2 2，使两金属间产生一使两金属间产生一接触电位差接触电位差。 此外，造成接触电位差还有一重要原因此外，造成接触电位差还有一重要原因两种金属的两种金属的自由

186、电子密度自由电子密度（浓度）差（浓度）差。 此时在其接触面两侧存在自由电子浓度差，引起自由电子从高浓度区向此时在其接触面两侧存在自由电子浓度差，引起自由电子从高浓度区向低浓度区域扩散，进而在接触面附近两侧形成低浓度区域扩散，进而在接触面附近两侧形成一空间电荷区一空间电荷区，产生，产生结内电结内电场场，结内电场的形成阻止自由电子的继续扩散，当电场力增大到与扩散力，结内电场的形成阻止自由电子的继续扩散，当电场力增大到与扩散力相等时，扩散与漂移运动达到动态平衡，此时建立起一定厚度的空间电荷相等时，扩散与漂移运动达到动态平衡，此时建立起一定厚度的空间电荷区，产生一区，产生一接触电位差接触电位差。 20

187、21/6/1691一、第一热电效应一、第一热电效应塞贝克效应塞贝克效应显然，实际接触电位差是上述显然，实际接触电位差是上述两个两个原因产生的原因产生的接触电位差之和接触电位差之和。 物理学已证明，两种不同金属紧密接触时产生的接触电位差为：物理学已证明，两种不同金属紧密接触时产生的接触电位差为： 就是说，接触电位差除与逸出功、自由电子密度有关就是说，接触电位差除与逸出功、自由电子密度有关外，还与温度成正比。外，还与温度成正比。两接点处温度不同，还产生两接点处温度不同，还产生温差电位差。温差电位差。2.温差电位差温差电位差 一种一种金属两端温度不同存在温度梯度时，在造成热流的同时，金属两端温度不同

188、存在温度梯度时，在造成热流的同时，也造成自由电子流动，这种流动引起的电位差称也造成自由电子流动，这种流动引起的电位差称温差电位差温差电位差。 金属金属1高温高温T1端高能电子较多，冷端端高能电子较多，冷端T2低能电子较多。于是热低能电子较多。于是热端高能电子向冷端扩散，端高能电子向冷端扩散，电子在冷端堆积带负电电子在冷端堆积带负电；热端因缺少电热端因缺少电子带正电子带正电，金属内产生一阻止电子进一步扩散的，金属内产生一阻止电子进一步扩散的温差电场温差电场。当该。当该电场对电子的电场力等于热扩散力时金属两端建立一稳定的电场对电子的电场力等于热扩散力时金属两端建立一稳定的温差温差电位差电位差V1(

189、T1,T2)；同样；同样金属金属2两端也会建立起两端也会建立起V2(T1,T2)。 对于金属对于金属l、2组成的回路，温差电位差反向，但因材料不同，组成的回路，温差电位差反向，但因材料不同，即使温差相同，二者也不会完全抵消。即使温差相同，二者也不会完全抵消。 - - -T1T2V1 (T1、T2)V12(T1)V12(T2)12T1T2因此热电偶因此热电偶回路产生的回路产生的热电势热电势：2021/6/1692 1 1）压力）压力 高压可使热电偶输出的热电势发生了变化。高压可使热电偶输出的热电势发生了变化。 原因原因：原子大小及间距变化，提高了费米面，改变了能带结构，影响：原子大小及间距变化，

190、提高了费米面，改变了能带结构，影响扩散热电势率。且高压改变声速、声子极化以及电子与声子的交互作用。扩散热电势率。且高压改变声速、声子极化以及电子与声子的交互作用。只是在高压系统中才需考虑，一般情况下可忽略。只是在高压系统中才需考虑，一般情况下可忽略。 2 2）磁场）磁场 在液氦温区的低温下，磁场对金属热电势的影响相当明显。在液氦温区的低温下，磁场对金属热电势的影响相当明显。 原因原因：磁场改变了与费米能级有关的能态密度从而引起电导率和热电：磁场改变了与费米能级有关的能态密度从而引起电导率和热电势率的变化势率的变化 3 3）相变）相变 有序化、合金形成化合物、磁性转变（如铁磁顺磁转变）、同素异有

191、序化、合金形成化合物、磁性转变（如铁磁顺磁转变）、同素异构转变、固液转变。构转变、固液转变。3.3.影响热电势的其它因素影响热电势的其它因素2021/6/1693 半导体中的塞贝克效应比金属中显著得多半导体中的塞贝克效应比金属中显著得多: 金属金属中热电势率为几中热电势率为几V/-主要用于主要用于测温度测温度； 半导体半导体中热电势率为几中热电势率为几mV/ -主要用于主要用于温差发电温差发电。 1）温度测量）温度测量 虽虽金属金属比半导体热电势率小，但金属比半导体热电势率小，但金属价低价低、易制成丝易制成丝，特别是在较大温度范围可保，特别是在较大温度范围可保持热电势持热电势与温差的线性关系与

192、温差的线性关系，故常用于温度测量。，故常用于温度测量。 通过多个热电偶串联通过多个热电偶串联,可获得高灵敏度，探测微弱温差。可获得高灵敏度，探测微弱温差。 常用热电偶：常用热电偶： 铂铑铂：高温热电偶，铂铑铂：高温热电偶，至至1700 ，价高；，价高； 镍铬镍铬镍硅镍硅:灵敏度更高灵敏度更高, 热电势与温度成正比性好，室温至热电势与温度成正比性好，室温至1200 ； 铜康铜：在高于铜康铜：在高于室温直至室温直至15K的温度范围仍具有高灵敏度；的温度范围仍具有高灵敏度； 金钴铜或金铁镍铬：金钴铜或金铁镍铬：低于低于4K。2 2）温差发电）温差发电 半导体温差发电机半导体温差发电机体积小、重量轻、

193、结构简单、工作安静、无干扰并可利用多种体积小、重量轻、结构简单、工作安静、无干扰并可利用多种热源（如煤热、油热、地热、海洋温差），且可在恶劣条件下工作，故适于做空间热源（如煤热、油热、地热、海洋温差），且可在恶劣条件下工作，故适于做空间飞行器、海底电缆系统、海上灯塔、石油井台及无人岛屿上观测站的辅助电源，还飞行器、海底电缆系统、海上灯塔、石油井台及无人岛屿上观测站的辅助电源，还可以用于心脏起博器中。可以用于心脏起博器中。 另外，热电性与材料成分、组织有关，故可用其分析合金成分、组织变化。另外，热电性与材料成分、组织有关，故可用其分析合金成分、组织变化。4. 4. 塞贝克效应的应用塞贝克效应的应

194、用2021/6/1694 当有电流通过两个不同导体组成的回路时，除产生焦耳热外，在两接头当有电流通过两个不同导体组成的回路时，除产生焦耳热外，在两接头处还分别出现吸收或放出热量处还分别出现吸收或放出热量Q Q的现象，的现象， Q Q称为称为玻尔帖热玻尔帖热，此现象称为，此现象称为玻尔玻尔帖效应帖效应，被认为是，被认为是塞贝克效应的逆效应塞贝克效应的逆效应，是由玻尔帖，是由玻尔帖18341834年发现的。年发现的。 过程可逆，电流方向改变，吸热的接头放热，放热的接头吸热。过程可逆，电流方向改变，吸热的接头放热，放热的接头吸热。 热量热量：dQ12Idt 12玻尔贴系数，取决于两金属性质、温度。玻

195、尔贴系数，取决于两金属性质、温度。 吸热还是放热？为什么会产生此效应？吸热还是放热？为什么会产生此效应？（思考：热量如何测量出？）（思考：热量如何测量出？） 电流方向与接触电势电流方向与接触电势方向相同方向相同放热放热： 接触电位差的电场使电子加速，电子越过时动能增加，与接头附近的原接触电位差的电场使电子加速，电子越过时动能增加，与接头附近的原子碰撞，把获得的动能传给金属原子使该处温度升高，而释放出热量。子碰撞，把获得的动能传给金属原子使该处温度升高，而释放出热量。 电流方向与接触电势电流方向与接触电势方向相反方向相反吸热吸热： 接触电位差的电场阻碍电子运动，电子要反抗电场力做功，动能减小，接

196、触电位差的电场阻碍电子运动，电子要反抗电场力做功，动能减小，与金属原子相碰时从金属原子取得动能，使该处温度降低，吸热。与金属原子相碰时从金属原子取得动能，使该处温度降低，吸热。 金属热电偶的玻尔帖效应小金属热电偶的玻尔帖效应小, ,半导体热电偶的玻尔帖效应大。半导体热电偶的玻尔帖效应大。 应用应用：玻尔帖效应主要用来：玻尔帖效应主要用来温差制冷温差制冷，温差可达，温差可达150150。尤其对小容量制。尤其对小容量制冷相当优越，适用于做各种小型恒温器及要求无声、无干扰、无污染等特冷相当优越，适用于做各种小型恒温器及要求无声、无干扰、无污染等特殊场合，因此可用在宇宙飞行器和人造卫星、真空冷却阱、红

197、外线探测器殊场合，因此可用在宇宙飞行器和人造卫星、真空冷却阱、红外线探测器等冷却装置上。等冷却装置上。二、第二热电效应二、第二热电效应玻尔贴效应玻尔贴效应2021/6/1695三、第三个热电效应三、第三个热电效应汤姆逊效应汤姆逊效应1.1.概念概念：当电流通过具有一定温度梯度的导体时，除产生焦：当电流通过具有一定温度梯度的导体时，除产生焦耳热外，另有一横向热流流入或流出导体（即吸热或放热），耳热外，另有一横向热流流入或流出导体（即吸热或放热），此热电现象称此热电现象称汤姆逊效应汤姆逊效应。 其其吸热还是放热吸热还是放热视视电流方向电流方向和和温度梯度方向温度梯度方向而定。而定。2.2.吸热还是

198、放热及其机理吸热还是放热及其机理： 温度梯度温度梯度( (指向温度升高方向指向温度升高方向) )与电流方向与电流方向相反相反即电流从热端即电流从热端流向冷端流向冷端放热放热( (沿横向流出沿横向流出) )。高温端自由电子平均速度大。高温端自由电子平均速度大于低温端，故由高温端向低温端扩散的电子比低端向高端扩于低温端，故由高温端向低温端扩散的电子比低端向高端扩散的电子多，形成一温差电位差散的电子多，形成一温差电位差V(TV(T1 1,T,T2 2），方向由高温端），方向由高温端指向低温端。外电流与指向低温端。外电流与V(TV(T1 1,T,T2 2）方向相同，电子被温差电）方向相同，电子被温差电

199、场加速，获得能量，除一部分用于电子达高温端所需的动能场加速，获得能量，除一部分用于电子达高温端所需的动能增加外，剩余的能量通过电子与晶格的碰撞传给晶格，使整增加外，剩余的能量通过电子与晶格的碰撞传给晶格，使整个金属温度升高放出热量。个金属温度升高放出热量。 温度梯度方向与电流方向温度梯度方向与电流方向相同相同吸热吸热（沿横向流入）（沿横向流入） 电子被温差电场减速，与晶格碰撞时从金属原子取得能量，电子被温差电场减速，与晶格碰撞时从金属原子取得能量，使晶格能量降低，整个金属温度降低从外界吸收热量。使晶格能量降低，整个金属温度降低从外界吸收热量。高温端T1V1 (T1、T2)-低温端T2T1V1

200、(T1、T2)-T2IT1V1 (T1、T2)-T2I热 流热 流热 流2021/6/1696三、第三个热电效应三、第三个热电效应汤姆逊效应汤姆逊效应 3.3.吸放热量的大小吸放热量的大小： 单位时间内吸收或放出的热量单位时间内吸收或放出的热量dQ/dtdQ/dt与电流与电流I I和温度梯度和温度梯度dT/ddT/d成正比：成正比： 汤姆逊系数汤姆逊系数，取决于材料的性质。，取决于材料的性质。 分析两种导体组成回路，两接触端温度不同时，会产生哪些热电效分析两种导体组成回路，两接触端温度不同时，会产生哪些热电效 应？应？ 同时产生三种热电效应：塞贝克效应产生热电势和热电流，而热电同时产生三种热电

201、效应：塞贝克效应产生热电势和热电流，而热电流通过接触点时要吸收或放出玻尔帖热，通过导体时吸收或放出汤姆流通过接触点时要吸收或放出玻尔帖热，通过导体时吸收或放出汤姆逊热。逊热。 三种热效应之间的关系三种热效应之间的关系开尔芬（汤姆逊）关系式：开尔芬（汤姆逊）关系式：2021/6/1697 固体受热后，出现大量电子逸出固体进入真空，形成热电子发射的现象固体受热后，出现大量电子逸出固体进入真空，形成热电子发射的现象称称热电子效应热电子效应。它是电子管、射线管的物理基础。它是电子管、射线管的物理基础。 热电子发射原理：热电子发射原理：给阴极灯丝给阴极灯丝( (热电子发射材料热电子发射材料) )提供加热

202、电流，阴极就提供加热电流，阴极就会产生热电子发射，再在阳极上加足够高的正电压，则阴极发射出的电子会产生热电子发射，再在阳极上加足够高的正电压，则阴极发射出的电子将被阳极收集并加速，形成电子管电流（热发射电流）。将被阳极收集并加速，形成电子管电流（热发射电流）。 热电子发射体分为四类：热电子发射体分为四类：纯金属纯金属( (钨、铼、钽、钼、铌钨、铼、钽、钼、铌) )、薄膜薄膜、厚涂层厚涂层和和金属陶瓷金属陶瓷。在钨阴极中加入不易蒸发的氧化物制成薄膜阴极可得比纯钨。在钨阴极中加入不易蒸发的氧化物制成薄膜阴极可得比纯钨大几个数量级的热电子发射；厚涂层氧化物阴极是目前应用最广的阴极；大几个数量级的热电

203、子发射；厚涂层氧化物阴极是目前应用最广的阴极；金属陶瓷阴极用于发射电流大、寿命长的器件中。金属陶瓷阴极用于发射电流大、寿命长的器件中。 在现代科技、工业生产甚至生活的很多方面都需用到在现代科技、工业生产甚至生活的很多方面都需用到电子束电子束，因此热，因此热电子发射的应用很广。电子发射的应用很广。 热电子效应的典型应用是制作各种热电子效应的典型应用是制作各种电子管电子管、X X射线管射线管、阴极射线管阴极射线管和和电电子显微镜子显微镜。 四、热电子效应四、热电子效应2021/6/1698四、热电子效应四、热电子效应 电子管电子管包括真空管和充气管，真空管由能发射电子的阴极、收集电子包括真空管和充

204、气管，真空管由能发射电子的阴极、收集电子的阳极控制电子运动的栅极等组成。充气管利用热电子冲击低压汞蒸气的阳极控制电子运动的栅极等组成。充气管利用热电子冲击低压汞蒸气或惰性气体使其电离，发生辉光放电和弧光放电，如日光灯、氖灯，闸或惰性气体使其电离，发生辉光放电和弧光放电，如日光灯、氖灯，闸流管等。流管等。 X X射线管射线管利用高压电场将热阴极发射的电子加速，撞击靶面产生利用高压电场将热阴极发射的电子加速，撞击靶面产生X X射线，射线，广泛用于医学、工业探伤、无损检测和科学实验。广泛用于医学、工业探伤、无损检测和科学实验。 阴极射线管阴极射线管可把电子束聚焦，改变位置和强度，轰击光屏，使其发光，

205、可把电子束聚焦，改变位置和强度，轰击光屏，使其发光，得到光学图像输出（如电视机的显像管）。得到光学图像输出（如电视机的显像管）。 电子显微镜电子显微镜是一种利用电子束使物体形成具有极高放大倍数和分辨本是一种利用电子束使物体形成具有极高放大倍数和分辨本领的图像装置，可以分辨出极精细的结构，在生物学、冶金、化工和材领的图像装置，可以分辨出极精细的结构，在生物学、冶金、化工和材料科学中成为主要的研究分析工具。料科学中成为主要的研究分析工具。第二章作业：第二章作业：1.1.从导体、半导体、绝缘体材料能带结构分析其导电性能不同的原因。从导体、半导体、绝缘体材料能带结构分析其导电性能不同的原因。2.2.超

206、导体的两个基本特征和三个重要指标是什么？并加以解释。超导体的两个基本特征和三个重要指标是什么？并加以解释。3.3.电介质为什么会产生损耗和击穿？电介质为什么会产生损耗和击穿？4.4.画图分析两种导体组成回路中产生的热电效应画图分析两种导体组成回路中产生的热电效应( (设两接触端温度不同设两接触端温度不同) )。2021/6/16991.1.磁化现象与磁化强度磁化现象与磁化强度 磁化磁化：物质在磁场中受磁场的作用呈现一定磁性的现象。：物质在磁场中受磁场的作用呈现一定磁性的现象。 物质在磁场中被磁化，它所占据的空间磁场强度是否变化（为什么？）物质在磁场中被磁化，它所占据的空间磁场强度是否变化（为什

207、么？） 第三章第三章 材料的磁学性能材料的磁学性能 不同的物质所引起的磁场变化不同不同的物质所引起的磁场变化不同，如空气会使磁场略有增强，而铁会，如空气会使磁场略有增强，而铁会使磁场强烈增强（磁铁吸引铁块），铜则会使磁场减弱（微弱排斥）。使磁场强烈增强（磁铁吸引铁块），铜则会使磁场减弱（微弱排斥）。 第第1 1节节 材料的磁化及有关参数材料的磁化及有关参数 磁介质（或磁质）磁介质（或磁质）：能被磁场磁化的物质。：能被磁场磁化的物质。 实际上，所有的物质都是磁介质。实际上，所有的物质都是磁介质。 物质磁化理论有物质磁化理论有两种观点：分子电流观点两种观点：分子电流观点和和等效磁荷观点等效磁荷观点

208、。 2021/6/161001.1.磁化现象与磁化强度磁化现象与磁化强度分子电流观点：分子电流观点： 物质中的每个分子中都存在环形电流（分子中原子、离子核外电子循物质中的每个分子中都存在环形电流（分子中原子、离子核外电子循规、自旋运动，核子自旋运动规、自旋运动，核子自旋运动) )，每个环形电流都将产生磁场。，每个环形电流都将产生磁场。 无外磁场时，各分子环流取向杂乱无章，作用抵消，不显磁性；无外磁场时，各分子环流取向杂乱无章，作用抵消，不显磁性； 施加外磁场后，分子电流的磁矩在磁场场作用下趋于定向排列，而呈施加外磁场后，分子电流的磁矩在磁场场作用下趋于定向排列，而呈现出宏观磁性。现出宏观磁性。

209、 磁化强度磁化强度( (M M) )：磁介质磁化单位体积产生的磁介质磁化单位体积产生的总磁矩总磁矩（单位体积内环电流（单位体积内环电流磁矩磁矩矢量和矢量和Pm/VPm/V）。衡量物质的磁化强弱和状态（强度和方向）。）。衡量物质的磁化强弱和状态（强度和方向）。等效磁荷观点：等效磁荷观点： 把材料的磁分子看成磁偶极子，末磁化时各磁偶极子取向呈无序状态，把材料的磁分子看成磁偶极子，末磁化时各磁偶极子取向呈无序状态，其偶极矩的矢量和为其偶极矩的矢量和为0，不显磁性；当施加外磁场后，偶极子受外磁场作，不显磁性；当施加外磁场后，偶极子受外磁场作用而转向外场方向，使材料呈现宏观磁性。用而转向外场方向，使材料

210、呈现宏观磁性。 磁极化强度（磁极化强度（J）：单位体积的：单位体积的磁偶极矩磁偶极矩的矢量和（的矢量和（jm/V）。）。 材料内一个磁矩为材料内一个磁矩为PmPm的电流环可看成是一个偶极矩为的电流环可看成是一个偶极矩为j jm m0 0PmPm的磁偶的磁偶极子，故有：极子，故有：J0M 0真空磁导率真空磁导率（ ）。）。2021/6/16101 研究材料磁性的最基本的任务是确定材料的研究材料磁性的最基本的任务是确定材料的磁化强度磁化强度M与外磁场强度与外磁场强度H和温度和温度T的关系，在一定温度下，定义：的关系，在一定温度下，定义：MH 称为物质的称为物质的磁化率磁化率，即单位外磁场强度下材料

211、的磁化强度。它的大小，即单位外磁场强度下材料的磁化强度。它的大小反映了物质磁化的难易程度，是材料的一个重要的磁参数。同时，它也是反映了物质磁化的难易程度，是材料的一个重要的磁参数。同时，它也是物质磁性分类的主要依据。物质磁性分类的主要依据。 基本磁化曲线：基本磁化曲线：不同磁介质其磁化曲线不同，曲线上任意一点都对应着不同磁介质其磁化曲线不同，曲线上任意一点都对应着材料的某种磁化状态，材料的某种磁化状态，它与坐标原点连线的斜率即表示材料在该磁场下的它与坐标原点连线的斜率即表示材料在该磁场下的磁化率。磁化率。 磁化率三种表示形式：磁化率三种表示形式： V表示单位体积的磁化率，表示单位体积的磁化率，

212、 A表示每摩尔的磁表示每摩尔的磁化率，化率，g表示单位质量（每克）的磁化率。表示单位质量（每克）的磁化率。 根据磁化率符号和大小，可把磁介质分为五类。根据磁化率符号和大小，可把磁介质分为五类。2. 磁化率与物质磁性的分类磁化率与物质磁性的分类M铁磁性材料亚铁磁性材料顺磁性材料反铁磁性材料抗磁性材料H02021/6/161022. 磁化率与物质磁性的分类磁化率与物质磁性的分类1 1）抗磁体）抗磁体 为甚小负常数，约在为甚小负常数，约在10-6数量级，即数量级，即M与与H方向相反，在磁场中使磁场稍减弱，方向相反，在磁场中使磁场稍减弱，受微弱斥力，约有一半的简单金属是抗磁体。分为：受微弱斥力，约有一

213、半的简单金属是抗磁体。分为： (1)(1)“经典经典”抗磁体，抗磁体，不随不随T T变化，如铜、银、金、汞、锌等。变化，如铜、银、金、汞、锌等。 (2)(2)反常反常抗磁体，抗磁体，随随T T变化，为前者变化，为前者1010100100倍，如铋、镓、锑、锡等。倍，如铋、镓、锑、锡等。2 2）顺磁体）顺磁体 为正常数，约为为正常数，约为103106数量级，即数量级，即M与与H方向相同，在磁场中使磁场稍增强，方向相同，在磁场中使磁场稍增强，受微弱引力，分为：受微弱引力，分为： （l）正常正常顺磁体，顺磁体， 随随T变化，且符合与变化，且符合与T反比关系，如铂、钯、奥氏体不锈钢、反比关系，如铂、钯、

214、奥氏体不锈钢、稀土金属等。稀土金属等。 （2） 与与T无关的顺磁体，如锂、钠、钾、铷等。无关的顺磁体，如锂、钠、钾、铷等。3）反铁磁体）反铁磁体 是甚小的正常数，当是甚小的正常数，当T高于某个温度时（尼尔温度高于某个温度时（尼尔温度TN），转换为顺磁体，图示），转换为顺磁体，图示其其T 曲线，如曲线，如Mn、铬、氧化镍、氧化锰等。、铬、氧化镍、氧化锰等。4）铁磁体）铁磁体 为很大的正变数，约在为很大的正变数，约在10106数量级，且不大的数量级，且不大的H就能产生很大的就能产生很大的M，在磁场，在磁场中被强烈磁化，受强大的吸力，如铁、钴、镍等。图示其中被强烈磁化，受强大的吸力，如铁、钴、镍等。

215、图示其H、MH曲线。曲线。5）亚铁磁体）亚铁磁体 类似铁磁体，但类似铁磁体，但值没有铁磁体大，如磁铁矿（值没有铁磁体大，如磁铁矿（Fe3O4）等。）等。2021/6/161033. 磁导率磁导率 磁感应强度磁感应强度（B）：通过磁场中某点，垂直于磁场方向单位面积的磁）：通过磁场中某点，垂直于磁场方向单位面积的磁力线数。单位：特斯拉。力线数。单位：特斯拉。 在真空中：在真空中： 真空磁导率真空磁导率。 磁场中有磁介质时（非真空）：磁介质被磁化，使该处的磁场发生变磁场中有磁介质时（非真空）：磁介质被磁化，使该处的磁场发生变化，则，总磁感应强度：化，则，总磁感应强度： 称为附加磁场强度，其值等于磁化

216、强度称为附加磁场强度，其值等于磁化强度M。 令令 称为称为相对磁导率相对磁导率，无纲量。，无纲量。 称为介质的称为介质的磁导率磁导率（绝对磁导率绝对磁导率），反应磁感应强度随），反应磁感应强度随外磁场的变化速率，单位与外磁场的变化速率，单位与 相同，为亨相同，为亨/米米 。其大小与磁介质和外加。其大小与磁介质和外加磁场强度有关。磁场强度有关。 2021/6/16104 1）磁化曲线）磁化曲线 对原先不存在宏观磁性的材料，施加一由对原先不存在宏观磁性的材料，施加一由0逐渐增大的磁场，所得到的逐渐增大的磁场，所得到的M-H曲线，即材料磁化强度随外磁场变化的曲线。曲线，即材料磁化强度随外磁场变化的曲

217、线。 铁磁性材料铁磁性材料的磁化曲线的磁化曲线： M、 B、 随随 H变化曲线。变化曲线。 微弱微弱H阶段阶段：B、M随随H的增大缓慢增加，的增大缓慢增加，M与与H近似呈直线关系，磁化近似呈直线关系，磁化可逆。可逆。 H继续增大继续增大： B、M随随H急剧增加，急剧增加，增加很快并出现极大值，即达到增加很快并出现极大值，即达到最最大磁导率大磁导率max ，过程不可逆（去掉，过程不可逆（去掉H后，仍保持部分磁化）。后，仍保持部分磁化）。 H再进一步增大再进一步增大： B、M随随H增加变缓，磁化进行越来越困难，增加变缓，磁化进行越来越困难， 当当H达达到到Hs时，时， 逐渐趋近于逐渐趋近于0，M达

218、到饱和值达到饱和值Ms。Ms称为称为饱和磁化强度饱和磁化强度，对对应的磁感应强度称为应的磁感应强度称为饱和磁感应强度饱和磁感应强度Bs。 H Hs时，时，M不变，不变，B继续缓慢继续缓慢增大。增大。 所有铁磁性材料的磁化曲线都有以上规律，只是各阶段区间、所有铁磁性材料的磁化曲线都有以上规律，只是各阶段区间、Ms大小大小及上升的陡度不同。及上升的陡度不同。 铁磁性材料从完全退磁状态到饱和之前的磁化过程称为铁磁性材料从完全退磁状态到饱和之前的磁化过程称为技术磁化技术磁化。 起始磁导率起始磁导率i ： H=0时的磁导率。时的磁导率。 4. 4. 铁磁性材料的磁化曲线和磁滞回线铁磁性材料的磁化曲线和磁

219、滞回线2021/6/161054. 4. 铁磁性材料的磁化曲线和磁滞回线铁磁性材料的磁化曲线和磁滞回线 2）铁磁性材料的磁滞回线：）铁磁性材料的磁滞回线： 铁磁性材料从饱和磁化状态逐渐降低铁磁性材料从饱和磁化状态逐渐降低H时，时，M不再沿原来的基本磁化曲不再沿原来的基本磁化曲线降低，而是降低的慢得多，当线降低，而是降低的慢得多，当H降至降至0时，时，M0，而保留一定的值，而保留一定的值Mr， Mr称为称为剩余磁化强度剩余磁化强度，这种现象称为，这种现象称为剩磁现象剩磁现象。要使。要使M降至降至0，必须施加，必须施加一反向磁场一反向磁场Hc， Hc称为称为磁矫顽力磁矫顽力。继续增加反向磁场至。继

220、续增加反向磁场至Hs，磁化强，磁化强度达到度达到Ms。从。从 Ms改为正向磁场，随改为正向磁场，随H的增加，的增加，M沿另一曲线逐渐增沿另一曲线逐渐增大至大至Ms。 可见，整个过程中可见，整个过程中M的变化总是落后于的变化总是落后于H的变化，这种现象称为的变化，这种现象称为磁滞效磁滞效应应。 由于磁滞效应的存在，磁化一周，得到一关于原点对称的闭合曲线，称由于磁滞效应的存在，磁化一周，得到一关于原点对称的闭合曲线，称为为磁滞回线磁滞回线。是铁磁性材料的重要特征之一。是铁磁性材料的重要特征之一。 磁滞现象表明，铁磁性材料的磁化过程存在着不可逆过程，磁化过程要磁滞现象表明，铁磁性材料的磁化过程存在着

221、不可逆过程，磁化过程要消耗能量。磁滞回线包围的面积相当于磁化一周所产生的损耗，称为消耗能量。磁滞回线包围的面积相当于磁化一周所产生的损耗，称为磁滞磁滞损耗损耗。2021/6/16106 3）铁磁性材料的退磁：）铁磁性材料的退磁： 磁滞回线的起点不是饱和点，而在饱和点以下时，磁滞回线的起点不是饱和点，而在饱和点以下时，H减小时，减小时，Mr和和Hc减小，即磁滞回线变得短而窄，若施加的交变磁场幅值减小，即磁滞回线变得短而窄，若施加的交变磁场幅值H趋于趋于0时，则回线时，则回线将成为趋于坐标原点的螺线，直至交变磁场的将成为趋于坐标原点的螺线，直至交变磁场的H 0，铁磁体将完全退磁。，铁磁体将完全退磁

222、。 4）铁磁性参数、软磁材料与硬磁材料）铁磁性参数、软磁材料与硬磁材料 铁磁性参数主要包括铁磁性参数主要包括、Mr、Hc、Ms， 它们的大小决定了其磁滞回线它们的大小决定了其磁滞回线的形状，主要取决于材料的化学组成与相组成，同时与材料的组织结构有的形状，主要取决于材料的化学组成与相组成，同时与材料的组织结构有关，即与制备工艺有关。不同铁磁性材料，磁滞回线的形状不同，据此将关，即与制备工艺有关。不同铁磁性材料，磁滞回线的形状不同，据此将铁磁性材料分为软磁材料和硬磁（永磁）材料。铁磁性材料分为软磁材料和硬磁（永磁）材料。 软磁材料软磁材料：磁滞回线瘦长，：磁滞回线瘦长， 高、高、 Ms高、高、 H

223、c小、小、 Mr低，如变压器铁低，如变压器铁芯，芯， 常用材料如工业纯铁、硅铁、铁镍合金、铁钴合金等。常用材料如工业纯铁、硅铁、铁镍合金、铁钴合金等。 硬磁（永磁）材料硬磁（永磁）材料：磁滞回线短粗，：磁滞回线短粗，低、低、 Hc与与 Mr高，常用材料如铁高，常用材料如铁氧体、铝镍、稀土钴、稀土镍合金等，氧体、铝镍、稀土钴、稀土镍合金等，80年代发展的年代发展的Nd-Fe-B系合金。系合金。 Mr/Ms接近于接近于1的矩形回线材料即矩磁材料是理想的磁记录材料。的矩形回线材料即矩磁材料是理想的磁记录材料。4.4.铁磁性材料的磁化曲线和磁滞回线铁磁性材料的磁化曲线和磁滞回线2021/6/16107

224、1.1.原子的磁性原子的磁性1 1）材料磁性产生的本源）材料磁性产生的本源 任何物质由原子组成，原子又有带正电的原子核（核子）和带负电的电任何物质由原子组成，原子又有带正电的原子核（核子）和带负电的电子构成。核子和电子本身都在做自旋运动，电子又沿一定轨道绕核子做循子构成。核子和电子本身都在做自旋运动，电子又沿一定轨道绕核子做循规运动。它们的这些运动形成闭合电流，从而产生磁矩。规运动。它们的这些运动形成闭合电流，从而产生磁矩。 材料磁性的本源材料磁性的本源是：材料内部电子的循轨运动和自旋运动。是：材料内部电子的循轨运动和自旋运动。 核子自旋运动哪？（约为电子磁矩的核子自旋运动哪？（约为电子磁矩的

225、1/20001/2000） 2 2）电子磁矩）电子磁矩 轨道磁矩轨道磁矩：电子循规运动（绕核子在：电子循规运动（绕核子在s s、p p、d d、f f等轨道运动）产生的磁等轨道运动）产生的磁矩。矩。 大小：大小： I I与闭合环面积与闭合环面积S S的乘积。的乘积。 方向方向: :垂直于电子运动的轨迹平面，符合右手定则。垂直于电子运动的轨迹平面，符合右手定则。 自旋磁矩自旋磁矩：电子自旋运动产生的磁矩，方向平行于自旋轴。：电子自旋运动产生的磁矩，方向平行于自旋轴。 电子磁矩电子磁矩：轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和。：轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和。 原子核自旋产生的磁矩很小原子核自旋产生的磁矩很小（重

226、，速度很低）（重，速度很低），约为电子磁矩的，约为电子磁矩的1/20001/2000，一般可忽略。一般可忽略。第第2 2节节 物质的磁性及其物理本质物质的磁性及其物理本质2021/6/161081.1.原子的磁性原子的磁性3）原子、分子磁矩）原子、分子磁矩 理论证明，原子中电子层被排满的壳层中总磁矩为理论证明，原子中电子层被排满的壳层中总磁矩为0，只有原子中存在只有原子中存在未被排满的电子层时未被排满的电子层时，未排满的电子层中总磁矩不为，未排满的电子层中总磁矩不为0，原子才有磁矩原子才有磁矩，叫叫固有磁矩固有磁矩。原因原因：因：因排满时排满时，在每一亚轨道上都有一对电子，它们自旋和循规运动的

227、，在每一亚轨道上都有一对电子，它们自旋和循规运动的方向相反，成对电子的磁矩抵消；电子层方向相反，成对电子的磁矩抵消；电子层未被填满时未被填满时，根据洪特法则，电，根据洪特法则，电子尽量占据不同的亚轨道，且单电子间自旋、循规方向相同，电子磁矩不子尽量占据不同的亚轨道，且单电子间自旋、循规方向相同，电子磁矩不被抵消。被抵消。 如如Fe：在：在3d轨道上未排满，只有轨道上未排满，只有6个电子（个电子（ ），），3d的的5个亚轨道上，有个亚轨道上，有4个只有一个电子，故个只有一个电子，故Fe原子的固有磁矩是这原子的固有磁矩是这4个电子个电子磁矩的总和。磁矩的总和。 原子结合成分子时，外层电子磁矩发生变

228、化，故原子结合成分子时，外层电子磁矩发生变化，故分子磁矩不等于单个原分子磁矩不等于单个原子磁矩之和子磁矩之和。2021/6/161092. 物质的抗磁性物质的抗磁性 如前所述，电子壳层已填满的原子总磁矩为如前所述，电子壳层已填满的原子总磁矩为0，但这只是在无外，但这只是在无外H的情的情况下，在外况下，在外H作用下，即使对于总磁矩为作用下，即使对于总磁矩为0的原子，也会产生磁矩。这是由的原子，也会产生磁矩。这是由于于电子的循规运动在外电子的循规运动在外H作用下都会产生抗磁矩作用下都会产生抗磁矩(不管循规运动的方向是绕不管循规运动的方向是绕H轴向顺时针还是逆时针轴向顺时针还是逆时针),即产生的附加

229、磁矩总是与外即产生的附加磁矩总是与外H方向相反。方向相反。为什为什么？么？ 取两个轨道平面与取两个轨道平面与H方向垂直而循规方向相反的电子为例：图示方向垂直而循规方向相反的电子为例：图示 电子循规运动所产生的电子循规运动所产生的轨道磁矩轨道磁矩： ，同时必然受一同时必然受一向心力向心力 ，在磁场中运动，磁场还要对其产生一，在磁场中运动，磁场还要对其产生一附加力附加力K（方向符合（方向符合左手定则）。左手定则）。 电流方向顺时针（电子逆时针）时电流方向顺时针（电子逆时针）时：K与与K方向相同，等于向心力增方向相同，等于向心力增加，根据加，根据 ，m和和r不变，故不变，故增大，使增大，使Pl增大，

230、即产生的附加磁矩增大，即产生的附加磁矩P的方向与外的方向与外H方向相反。方向相反。 电流方向顺时针（电子逆时针）时电流方向顺时针（电子逆时针）时：K与与K方向相反，等于向心力减方向相反，等于向心力减小，根据小，根据 ，m和和r不变，故不变，故减小，使减小，使Pl减小，也等于产生的附加减小，也等于产生的附加磁矩磁矩P的方向与外的方向与外H方向相反。方向相反。 即不管电子循轨运动方向是顺时针还是逆时针，在外即不管电子循轨运动方向是顺时针还是逆时针，在外H中产生的附加磁中产生的附加磁矩方向总是与矩方向总是与H方向相反，这就是物质产生抗磁性的原因方向相反，这就是物质产生抗磁性的原因。 2021/6/1

231、6110 显然，物质的抗磁性不是电子循轨、自旋本身产生的，而是在外显然，物质的抗磁性不是电子循轨、自旋本身产生的，而是在外H中电中电子循规运动产生的附加磁矩产生的，所以子循规运动产生的附加磁矩产生的，所以抗磁磁化是可逆的抗磁磁化是可逆的，且，且P与与H成正比成正比。但抗磁体的磁化率很小。但抗磁体的磁化率很小。 对于一个原子，有多个电子，具有不同的轨道半径，且轨道平面不一对于一个原子，有多个电子，具有不同的轨道半径，且轨道平面不一定与定与H方向垂直。产生的抗磁磁矩：方向垂直。产生的抗磁磁矩： 思考思考：为什么说所有的物质都是磁介质？为什么说所有的物质都是磁介质？ 物质中为什么会产生抗磁性？物质中

232、为什么会产生抗磁性？ 为什么说任何物质在磁场中都要产生抗磁性？（不是说任何物质为什么说任何物质在磁场中都要产生抗磁性？（不是说任何物质 都是抗磁体，电子壳层未被填满的物质不是抗磁体）。都是抗磁体，电子壳层未被填满的物质不是抗磁体）。2. 物质的抗磁性物质的抗磁性2021/6/161113. 物质的顺磁性物质的顺磁性 来源来源：原子（离子）的固有磁矩。：原子（离子）的固有磁矩。 无外无外H时时：由于热运动的影响，固有磁矩取向无序，宏观上无磁性。由于热运动的影响，固有磁矩取向无序，宏观上无磁性。 外外H作用下作用下：固有磁矩与：固有磁矩与H作用，有较高的静磁能，为降低静磁能，固作用，有较高的静磁能

233、，为降低静磁能，固有磁矩改变与有磁矩改变与H的夹角，趋于排向外的夹角，趋于排向外H方向，表现为正向磁化。在常温和方向，表现为正向磁化。在常温和H不是很高的情况下，不是很高的情况下，M与与H成正比，磁化要克服热运动的干扰，磁矩难成正比，磁化要克服热运动的干扰，磁矩难以有序排列，故顺磁化进行十分困难，磁化率较小。以有序排列，故顺磁化进行十分困难，磁化率较小。 常温下顺磁体达到饱和磁化所需的常温下顺磁体达到饱和磁化所需的H非常大，技术上难以达到，但温度非常大，技术上难以达到，但温度降至接近降至接近0K时，就容易了。时，就容易了。 根据顺磁磁化率与温度的关系，可把顺磁体分为三类根据顺磁磁化率与温度的关

234、系，可把顺磁体分为三类： 正常顺磁体正常顺磁体：磁化率随温度升高而降低的顺磁体。：磁化率随温度升高而降低的顺磁体。 符合符合居里定律居里定律： 或或居里外斯定律居里外斯定律： 磁化率与温度无关的顺磁体磁化率与温度无关的顺磁体：如碱金属，其顺磁性是由价电子产生的。：如碱金属，其顺磁性是由价电子产生的。 存在反铁磁体转变的顺磁体存在反铁磁体转变的顺磁体：在居里点或称尼尔点：在居里点或称尼尔点TN以上，与正常顺磁以上，与正常顺磁体一样符合居里外斯定律；在体一样符合居里外斯定律；在TN以下呈反铁磁性，随温度降低，磁化率以下呈反铁磁性，随温度降低，磁化率降低，降低，T0时，磁化率趋近于一常数，在时，磁化

235、率趋近于一常数，在TN 温度磁化率最大。温度磁化率最大。2021/6/161124. 金属的抗磁性与顺磁性金属的抗磁性与顺磁性 金属由点阵离子和自由电子构成，其磁性取决于：金属由点阵离子和自由电子构成，其磁性取决于： 正离子的抗磁性：正离子的抗磁性： 源于其电子的循规运动源于其电子的循规运动 正离子的顺磁性：正离子的顺磁性： 源于原子的固有磁矩源于原子的固有磁矩 自由电子的抗磁性：源于自由电子的运动自由电子的抗磁性：源于自由电子的运动 自由电子的顺磁性：源于电子的自旋磁矩自由电子的顺磁性：源于电子的自旋磁矩 自由电子自由电子的顺磁性大于其抗磁性，所以表现为顺磁性。的顺磁性大于其抗磁性，所以表现

236、为顺磁性。 金属的磁性是离子磁性和自由电子磁性的综合结果。金属的磁性是离子磁性和自由电子磁性的综合结果。2021/6/161135. 抗磁性、顺磁性的影响因素抗磁性、顺磁性的影响因素 1 1）原子结构）原子结构 （会解释不同物质具有不同磁性的原因。）会解释不同物质具有不同磁性的原因。） 材料内部既存在产生抗磁性的因素，也存在产生顺磁性的因素，属哪种磁性的材材料内部既存在产生抗磁性的因素，也存在产生顺磁性的因素，属哪种磁性的材料取决于哪种因素占主导地位料取决于哪种因素占主导地位。 惰性气体：固有磁矩为惰性气体：固有磁矩为0 0，只有电子循规运动产生抗磁性的本源，所以是典型的，只有电子循规运动产生

237、抗磁性的本源，所以是典型的抗磁性物质。抗磁性物质。 非金属：虽有固有磁矩，但由于它们形成分子时，基本上以共价键结合，共价电非金属：虽有固有磁矩，但由于它们形成分子时，基本上以共价键结合，共价电子对的磁矩相互抵消，所以它们是抗磁性物质；只有氧和石墨是顺磁性物质。子对的磁矩相互抵消，所以它们是抗磁性物质；只有氧和石墨是顺磁性物质。 金属：只有内层电子未被填满时，才产生较强的顺磁性（自由电子对顺磁性的贡金属：只有内层电子未被填满时，才产生较强的顺磁性（自由电子对顺磁性的贡献较小献较小) )。 a.a.Cu、Ag、Au、Zn、Cd、Hg等，离子产生的抗磁性大于自由电子产生的等，离子产生的抗磁性大于自由

238、电子产生的顺磁性，属抗磁体。顺磁性，属抗磁体。 b. 碱金属、碱土金属（除碱金属、碱土金属（除Be外）：自由电子产生的顺磁性强，占主导地位，外）：自由电子产生的顺磁性强，占主导地位，表现为顺磁性。表现为顺磁性。 c. 稀土金属：表现为较强的顺磁性（磁化率较大稀土金属：表现为较强的顺磁性（磁化率较大)，且遵从居里外斯定律。，且遵从居里外斯定律。因它们因它们4f、5d电子壳层未被填满，存在固有磁矩。电子壳层未被填满，存在固有磁矩。 d. d.过渡族元素：具有强烈的顺磁性，因它们存在未填满电子的过渡族元素：具有强烈的顺磁性，因它们存在未填满电子的d、f层，形层，形成了晶体离子的固有磁矩。且其中有些存

239、在成了晶体离子的固有磁矩。且其中有些存在铁磁转变铁磁转变（如（如Fe、Co、Ni），），有些存在有些存在反铁磁转变反铁磁转变（如（如Cr）。）。2021/6/16114 2）温度）温度 对抗磁性基本无影响，对顺磁性影响很大。对抗磁性基本无影响，对顺磁性影响很大。因为：因为：温度升高，质点热振温度升高，质点热振动加剧，对磁矩排向的干扰增大，使磁矩的定向排向动加剧，对磁矩排向的干扰增大，使磁矩的定向排向H方向困难，使磁化方向困难，使磁化率降低。率降低。 3）相变及组织转变）相变及组织转变 熔化凝固、塑性变形、晶粒细化和同素异构转变熔化凝固、塑性变形、晶粒细化和同素异构转变：电子轨道和原子密度电子轨

240、道和原子密度变化，将变化，将使抗磁磁化率变化使抗磁磁化率变化。 熔化：熔化：一般使抗磁磁化率减小，但一般使抗磁磁化率减小，但Ge、Au、Ag相反。相反。 金属加工硬化：金属加工硬化：使抗磁性减弱，如使抗磁性减弱，如Cu高度加工硬化可使其由抗磁性转化高度加工硬化可使其由抗磁性转化为顺磁性，退火后又恢复至抗磁性。为顺磁性，退火后又恢复至抗磁性。 晶粒细化：晶粒细化：一般使抗磁性减弱，如一般使抗磁性减弱，如Bi、Sb、Se、Te在晶粒高度细化时可在晶粒高度细化时可由抗磁性转化为顺磁性。由抗磁性转化为顺磁性。 熔化、加工硬化、晶粒细化都使晶体趋于非晶化，且都使原子间距趋于熔化、加工硬化、晶粒细化都使晶

241、体趋于非晶化，且都使原子间距趋于增大，密度减小，故影响效果类似。增大，密度减小，故影响效果类似。 同素异构转变同素异构转变：使磁化率突变。因：往往引起原子间距和自由电子数的使磁化率突变。因：往往引起原子间距和自由电子数的变化。变化。5. 抗磁性、顺磁性的影响因素抗磁性、顺磁性的影响因素2021/6/16115 4）合金成分与组织的影响）合金成分与组织的影响 形成固溶体形成固溶体 低磁化率金属间：低磁化率金属间：磁化率与成分间呈平滑曲线关系。磁化率与成分间呈平滑曲线关系。 抗磁性金属中溶入过渡族的强顺磁性金属：抗磁性金属中溶入过渡族的强顺磁性金属：情况复杂，视具体体系而情况复杂，视具体体系而定，

242、不一定朝顺磁性转化。定，不一定朝顺磁性转化。 抗磁性金属中溶入铁磁性金属（抗磁性金属中溶入铁磁性金属（Fe、Co、Ni）：）：磁化率剧增，甚至在磁化率剧增，甚至在低浓度时，就可转变为顺磁体。低浓度时，就可转变为顺磁体。 固溶体有序化：固溶体有序化：磁化率明显变化，有的抗磁性减弱，有的增强。磁化率明显变化，有的抗磁性减弱，有的增强。 合金形成中间相合金形成中间相 磁化率突变，磁化率与成分关系曲线出现极大或极小值。磁化率突变，磁化率与成分关系曲线出现极大或极小值。 两相合金两相合金 磁化率随成分呈直线变化。磁化率随成分呈直线变化。5. 抗磁性、顺磁性的影响因素抗磁性、顺磁性的影响因素2021/6/

243、16116 磁化特点与抗、顺磁质不同，其磁化特点与抗、顺磁质不同，其M与与H呈呈复杂曲线关系，存在磁饱和与复杂曲线关系，存在磁饱和与磁滞；磁化不可逆，交变磁场中形成磁滞回线；磁化率大，磁化容易。磁滞；磁化不可逆，交变磁场中形成磁滞回线；磁化率大，磁化容易。 为什么有这些特点，其磁化本质如何？怎么解释其在外为什么有这些特点，其磁化本质如何？怎么解释其在外H H中的特殊行为？中的特殊行为？第第3 3节节 物质的铁磁性及其物理本质物质的铁磁性及其物理本质一、铁磁质的自发磁化一、铁磁质的自发磁化1.1.自发磁化自发磁化与与磁畴磁畴： 自发磁化：自发磁化：铁磁性材料铁磁性材料在没有外加在没有外加H H时

244、，原子磁矩趋于同向排列，而发生时，原子磁矩趋于同向排列，而发生的磁化。铁磁质的磁性是自发产生的，磁化过程只不过是把铁磁质本身的的磁化。铁磁质的磁性是自发产生的，磁化过程只不过是把铁磁质本身的磁性显示了出来，而不是由外界向铁磁质提供磁性。磁性显示了出来，而不是由外界向铁磁质提供磁性。 磁畴磁畴：铁磁质自发磁化成的若干个小区域。由于各个区域的磁化方向各：铁磁质自发磁化成的若干个小区域。由于各个区域的磁化方向各不相同，故其磁性彼此相消，所以大块铁磁体对外并不显示磁性。不相同，故其磁性彼此相消，所以大块铁磁体对外并不显示磁性。2.2.铁磁性铁磁性产生产生的两个的两个条件条件：原子有未被抵消的自旋磁矩、

245、可发生自发磁化原子有未被抵消的自旋磁矩、可发生自发磁化。 铁磁质自发磁化的铁磁质自发磁化的起因是源于起因是源于原子未披抵消的自旋磁矩，而轨道磁矩对原子未披抵消的自旋磁矩，而轨道磁矩对铁磁性几乎无贡献。过渡族铁磁性几乎无贡献。过渡族金属的金属的3d壳层都未填满，都有未被抵消的自旋壳层都未填满，都有未被抵消的自旋磁矩（磁矩（固有磁矩固有磁矩），如），如Fe、Co、Ni是铁磁性的；但是铁磁性的；但Mn虽有剩余自旋磁矩，虽有剩余自旋磁矩，却不是铁磁质，说明原子具有未抵消的自旋磁矩仅是产生铁磁性的必要条却不是铁磁质，说明原子具有未抵消的自旋磁矩仅是产生铁磁性的必要条件，不是充分条件。金属要具有铁磁性，关

246、键还件，不是充分条件。金属要具有铁磁性，关键还在于它的自旋磁矩能自发在于它的自旋磁矩能自发同向排列，亦即能产生同向排列，亦即能产生自发磁化自发磁化。2021/6/16117一、铁磁质的自发磁化一、铁磁质的自发磁化3.3.自发磁化的产生机理与条件自发磁化的产生机理与条件 铁磁质的铁磁质的自发磁化自发磁化，是由于，是由于电子间的静电相互作用电子间的静电相互作用而产生的。而产生的。 据键合理论，原子相互接近形成分子时，电子云要相互重叠，电子要相据键合理论，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。对过渡族金属，原子的互交换位置。对过渡族金属，原子的3d3d与与4S4S态能量接近，

247、它们电子云重叠态能量接近，它们电子云重叠时引起了时引起了3d3d、4S4S态电子的交换。交换所产生的静电作用力称为态电子的交换。交换所产生的静电作用力称为交换力交换力，交交换力的作用迫使相邻原子的自旋磁矩产生有序的排列。换力的作用迫使相邻原子的自旋磁矩产生有序的排列。因交换作用而产生因交换作用而产生的附加能量称为的附加能量称为交换能：交换能： A A为为交换能积分常数交换能积分常数， 为两相邻原子的两个电子自旋磁矩间夹角。可为两相邻原子的两个电子自旋磁矩间夹角。可见，交换能的正负取决于见，交换能的正负取决于A A和和 。 A A0 0， 0 0时时， 具有最大负值，即自旋磁矩同向排列时才具备能

248、量具有最大负值，即自旋磁矩同向排列时才具备能量最低条件，就是说最低条件，就是说A A0 0时可产生时可产生自发磁化，自发磁化，产生产生铁磁性铁磁性。 A A0 0， 180180时，时， 具有最大负值，即自旋磁矩反向排列时才具备能具有最大负值，即自旋磁矩反向排列时才具备能量最低条件，就是说量最低条件，就是说A A 0 0时时不能产生自发磁化不能产生自发磁化，这种排列产生，这种排列产生反铁磁性反铁磁性。 理论表明，理论表明，A不仅与电子运动状态的波函数有关，且强烈依赖于原子间不仅与电子运动状态的波函数有关，且强烈依赖于原子间距和未填满壳层半径。即距和未填满壳层半径。即A A与原子电子结构和晶体的

249、点阵结构有关与原子电子结构和晶体的点阵结构有关。 2021/6/161183.3.自发磁化的产生机理与条件自发磁化的产生机理与条件 实际上，实际上，FeFe、CoCo、NiNi及及某些某些稀土元素稀土元素A A为较大正值，满足自发磁化的条为较大正值，满足自发磁化的条件，为件，为铁磁性金属铁磁性金属。大部分大部分稀土元素稀土元素虽虽A A0 0，但因，但因原子间距原子间距/ /未填满壳层未填满壳层半径半径太大，电子云重叠很少或不重叠，电子间的静电交换作用很弱（太大，电子云重叠很少或不重叠，电子间的静电交换作用很弱（A A较较小），对电子自旋磁矩的取向影响甚小，故在常温下为小），对电子自旋磁矩的取

250、向影响甚小，故在常温下为顺磁性顺磁性；过渡族过渡族CrCr、MnMn，A A 0 0，原子磁矩反平行排列，为，原子磁矩反平行排列，为反铁磁性反铁磁性金属。金属。 可见，可见，铁磁性产生的充分条件铁磁性产生的充分条件：原子内部要有未填满的电子壳层（或说原子内部要有未填满的电子壳层（或说存在固有磁矩）存在固有磁矩），且且A具有具有较大较大的正值（或说可发生自发磁化）的正值（或说可发生自发磁化）。前者是。前者是指原子的本征磁矩，后者指的是要有一定的晶体点阵结构。指原子的本征磁矩，后者指的是要有一定的晶体点阵结构。 根据自发磁化的过程和理论，可解释许多铁磁特性。如根据自发磁化的过程和理论，可解释许多铁

251、磁特性。如温度对铁磁性的温度对铁磁性的影响影响，每一铁磁体都有一完全确定的温度（称磁性转变点或，每一铁磁体都有一完全确定的温度（称磁性转变点或居里点居里点），在），在此此温度以上铁磁性转变为顺磁性温度以上铁磁性转变为顺磁性。这是由于这是由于温度升高，原子间距加大，交温度升高，原子间距加大，交换作用降低，同时热运动也破坏了原子磁矩的规则取向，故自发磁化强度换作用降低，同时热运动也破坏了原子磁矩的规则取向，故自发磁化强度降低，直至居里点，已完全破坏了原子磁矩的规则取向，自发磁化不能发降低，直至居里点，已完全破坏了原子磁矩的规则取向，自发磁化不能发生，材料即由铁磁性变为顺磁性。生，材料即由铁磁性变为

252、顺磁性。2021/6/161191. 反铁磁性反铁磁性 如前所述，当交换能积分常数如前所述，当交换能积分常数A为负值时，原子磁矩反向平行排列；为负值时，原子磁矩反向平行排列；若相邻原子的磁矩相等，则相互抵消，使自发磁化强度趋于零。这种特若相邻原子的磁矩相等，则相互抵消，使自发磁化强度趋于零。这种特性称为性称为反铁磁性反铁磁性。除。除Mn、Cr外，某些金属氧化物如外，某些金属氧化物如MnO、Cr2O3、CuO、NiO等也属反铁磁体，目前发现有等也属反铁磁体，目前发现有40余种反铁磁性物质。余种反铁磁性物质。 其磁化率其磁化率在在尼尔点（尼尔点（TN）出现极大值，出现极大值，T TN 时呈反铁磁性

253、，时呈反铁磁性， 随随温度的升高而增大；温度的升高而增大； T TN 时呈强顺磁性磁性，时呈强顺磁性磁性， 随温度的升高而降随温度的升高而降低，符合居里外斯定律。尼尔点附近存在电阻、热膨胀、比热、弹性低，符合居里外斯定律。尼尔点附近存在电阻、热膨胀、比热、弹性等反常现象，据此，反铁磁物质可能成为有实用意义的材料。如近几年等反常现象，据此，反铁磁物质可能成为有实用意义的材料。如近几年正在研究具有反铁磁性的正在研究具有反铁磁性的FeMn合金作为恒弹性材料。合金作为恒弹性材料。二、反铁磁性和亚铁磁性二、反铁磁性和亚铁磁性TnT2021/6/16120 由两种离子组成，两亚点阵磁矩的方向相反，但大小不

254、等，自发磁矩由两种离子组成，两亚点阵磁矩的方向相反，但大小不等，自发磁矩部分抵消，自发磁化强度不为部分抵消，自发磁化强度不为0，称，称亚铁磁性亚铁磁性。 具有亚铁磁性的物质大部分是金属氧化物。目前发现的一般是具有亚铁磁性的物质大部分是金属氧化物。目前发现的一般是Fe2O3与与二价金属氧化物组成的复合氧化物，称二价金属氧化物组成的复合氧化物，称 “铁氧体铁氧体”，即，即以氧化铁为主要以氧化铁为主要成分的磁性氧化物成分的磁性氧化物。 铁氧体中磁性离子都被较大的氧离子所隔离，故磁性离子间不存在直铁氧体中磁性离子都被较大的氧离子所隔离，故磁性离子间不存在直接交换作用。事实上铁氧体内部存在着很强的自发磁

255、化，是通过夹在磁接交换作用。事实上铁氧体内部存在着很强的自发磁化，是通过夹在磁性离子间的氧离子而形成的间接交换，称性离子间的氧离子而形成的间接交换，称超交换作用超交换作用，使每个亚点阵内，使每个亚点阵内离子磁矩反向平行排列，大小不等，剩余部分即表现为自发磁化。离子磁矩反向平行排列，大小不等，剩余部分即表现为自发磁化。 从已知的反铁磁结构出发，利用元素代换可能制成一种保持原来磁结从已知的反铁磁结构出发，利用元素代换可能制成一种保持原来磁结构的反平行排列但磁矩不等的亚铁磁晶体。利用这一原理，已创造出一构的反平行排列但磁矩不等的亚铁磁晶体。利用这一原理，已创造出一些新的亚铁磁体。些新的亚铁磁体。 同

256、铁磁体一样，在铁氧体内也存在交换作用与热运动的矛盾，随温度同铁磁体一样，在铁氧体内也存在交换作用与热运动的矛盾，随温度升高铁氧体的饱和磁化强度降低，达某一足够温度时自发磁化消失，变升高铁氧体的饱和磁化强度降低，达某一足够温度时自发磁化消失，变为顺磁体，这一温度即为为顺磁体，这一温度即为铁氧体的居里温度铁氧体的居里温度。 亚铁磁体属半导体，其高亚铁磁体属半导体，其高电阻率的特点使它可以应用于电阻率的特点使它可以应用于高频磁化高频磁化。 2.2.亚铁磁性亚铁磁性三种磁性质的三种磁性质的T关系图和原子（离子）磁矩排列示意图关系图和原子（离子）磁矩排列示意图。2021/6/161211. 磁晶各向异性

257、磁晶各向异性 铁磁单晶体铁磁单晶体磁化时沿不同晶向的磁化曲线不同，如沿铁的磁化时沿不同晶向的磁化曲线不同，如沿铁的100、镍的、镍的111和钴的和钴的0001方向极易磁化，在很小的方向极易磁化，在很小的H下即可达到磁饱和，故它下即可达到磁饱和，故它们是们是易磁化方向易磁化方向。而沿铁的。而沿铁的111、镍的、镍的100和钴的和钴的1010方向磁化时，方向磁化时，则需非常强的则需非常强的H才能达磁饱和，它们是才能达磁饱和，它们是难磁化方向难磁化方向。像这种。像这种在在铁磁单晶体铁磁单晶体的不同晶向上磁性能不同的性质的不同晶向上磁性能不同的性质称为称为磁性的各向异性磁性的各向异性。2. 磁各向异性

258、的机理磁各向异性的机理 在晶体原子中，电子由于受自旋轨道相互作用，电荷分布为椭球形，在晶体原子中，电子由于受自旋轨道相互作用，电荷分布为椭球形，而不是球形，使得不同磁化方向上相邻原子电子云重叠程度不同，交换而不是球形，使得不同磁化方向上相邻原子电子云重叠程度不同，交换能的大小不同，磁化性质不同。能的大小不同，磁化性质不同。3. 磁晶各向异性能磁晶各向异性能 为使铁磁体磁化需消耗的能量称为为使铁磁体磁化需消耗的能量称为磁化功磁化功。数量上等于。数量上等于M轴与磁化曲线轴与磁化曲线围成的面积。围成的面积。易、难磁化方向上磁化功不同易、难磁化方向上磁化功不同。 磁化强度分量沿不同晶轴方向的能量差称磁

259、化强度分量沿不同晶轴方向的能量差称磁晶各向异性能磁晶各向异性能，简称，简称磁晶能磁晶能（即不同磁化方向的磁化曲线所围的面积）。（即不同磁化方向的磁化曲线所围的面积）。 软磁材料要求具有小磁晶能，而大矫顽力的硬磁材料却要求较大的磁晶软磁材料要求具有小磁晶能，而大矫顽力的硬磁材料却要求较大的磁晶能，研究磁各向异性将为寻求新磁性材料提供线索。能，研究磁各向异性将为寻求新磁性材料提供线索。第第4 4节节 磁晶各向异性和各向异性能磁晶各向异性和各向异性能2021/6/16122第第5 5节节 磁致伸缩与磁弹性能磁致伸缩与磁弹性能1. 磁致伸缩与磁致伸缩系数磁致伸缩与磁致伸缩系数 铁磁体铁磁体在磁场中被磁

260、化时，其形状和尺寸都会发生变化的现象称在磁场中被磁化时，其形状和尺寸都会发生变化的现象称磁致伸缩效应磁致伸缩效应。此效应在技术上已得到应用，如具有高磁致伸缩系数的材料已被用来做超声波换能此效应在技术上已得到应用，如具有高磁致伸缩系数的材料已被用来做超声波换能器、延迟线与存储器等。器、延迟线与存储器等。 磁致伸缩的大小可用磁致伸缩的大小可用磁致伸缩系数磁致伸缩系数表示，表示，L/L 0，表示沿磁场方向的尺寸伸长，为，表示沿磁场方向的尺寸伸长，为正磁致伸缩正磁致伸缩； 0，表示沿磁场方向的尺寸缩短，为，表示沿磁场方向的尺寸缩短，为负磁致伸缩负磁致伸缩。 所有铁磁体均有磁致伸缩特性，但不同铁磁体其磁

261、致伸缩系数不同所有铁磁体均有磁致伸缩特性，但不同铁磁体其磁致伸缩系数不同。 随随H提高提高M和和 增加，当增加，当H增至增至Hs时时M达达Ms， 也达最大值（达饱和），此时也达最大值（达饱和），此时的磁致伸缩系数的磁致伸缩系数s称称饱和磁致伸缩系数饱和磁致伸缩系数，对于一定的铁磁材料它是一常数。，对于一定的铁磁材料它是一常数。 机理：原子磁矩有序排列时，电子间的相互作用导致机理：原子磁矩有序排列时，电子间的相互作用导致原子间距的自发调整原子间距的自发调整而引起而引起的。也可认为是其内部各的。也可认为是其内部各磁畴形变磁畴形变的外观表现。的外观表现。 单晶铁磁体单晶铁磁体磁致伸缩有各向异性，多晶

262、铁磁体磁致伸缩无各向异性。磁致伸缩有各向异性，多晶铁磁体磁致伸缩无各向异性。 对于对于s0的材料，沿的材料，沿H方向施加拉应力有利于磁化，施加压应力阻碍磁化；方向施加拉应力有利于磁化，施加压应力阻碍磁化； 对于对于s 0的材料相反，这就是铁磁性材料磁化的的材料相反，这就是铁磁性材料磁化的应力各向异性应力各向异性。 2. 磁弹性能磁弹性能 由于磁致伸缩，在材料内部产生拉（或压）应力，引起的弹性能，称由于磁致伸缩，在材料内部产生拉（或压）应力，引起的弹性能，称磁弹性能磁弹性能。物体内部缺陷、杂质等都可能增加其磁弹性能。物体内部缺陷、杂质等都可能增加其磁弹性能。 2021/6/161231.磁畴观察

263、与磁畴壁磁畴观察与磁畴壁 磁畴磁畴：在未加磁场时铁磁体内部已经磁化到饱和状态的小区域。各磁畴的：在未加磁场时铁磁体内部已经磁化到饱和状态的小区域。各磁畴的磁化方向不同，所以大块铁磁体对外不显示磁性。磁化方向不同，所以大块铁磁体对外不显示磁性。 磁畴的存在已为实验观察所证实，采用磁畴的存在已为实验观察所证实，采用“粉纹法粉纹法”，即将待察试样表面适，即将待察试样表面适当处理后敷一层含铁磁粉末的悬胶，铁磁粉末受试样表面磁畴磁极的作用，当处理后敷一层含铁磁粉末的悬胶，铁磁粉末受试样表面磁畴磁极的作用，聚集在磁畴边界，在显微镜下可观察到铁磁粉末排列的图像，看出磁畴的形聚集在磁畴边界，在显微镜下可观察到

264、铁磁粉末排列的图像，看出磁畴的形状和结构。有的磁畴大而长，称状和结构。有的磁畴大而长，称主畴主畴，其自发磁化方向沿晶体易磁化方向；，其自发磁化方向沿晶体易磁化方向；小而短的磁畴叫小而短的磁畴叫副畴副畴，其磁化方向不定。其磁化方向不定。 相邻磁畴的界限称相邻磁畴的界限称磁畴壁磁畴壁，是磁畴结构的重要部分，对磁畴的大小、形状，是磁畴结构的重要部分，对磁畴的大小、形状及相邻磁畴都有重要影响。畴壁有两种，一是及相邻磁畴都有重要影响。畴壁有两种，一是180壁，另一种是壁，另一种是90 壁。畴壁。畴壁是一过渡区，有一定厚度，在这过渡区中原子磁矩逐步改变方向。若在整壁是一过渡区，有一定厚度，在这过渡区中原子

265、磁矩逐步改变方向。若在整个过渡区中原子磁矩都平行于畴壁平面，这种畴壁叫个过渡区中原子磁矩都平行于畴壁平面，这种畴壁叫布洛赫壁布洛赫壁。 因畴壁内磁矩逐渐转向，故畴壁越厚因畴壁内磁矩逐渐转向，故畴壁越厚交换能交换能越低，但仍比磁矩同向排列的越低，但仍比磁矩同向排列的交换能大；磁矩逐渐转向使其偏离易磁化方向，故使交换能大；磁矩逐渐转向使其偏离易磁化方向，故使磁晶能磁晶能增加，即畴壁越增加，即畴壁越厚，磁晶能越大。综合考虑此二因素，畴壁能的最小值所对应的壁厚厚，磁晶能越大。综合考虑此二因素，畴壁能的最小值所对应的壁厚No便是便是平衡状态时的壁厚。因原子磁矩逐渐转向，各个方向伸缩难易不同，还产生平衡状

266、态时的壁厚。因原子磁矩逐渐转向，各个方向伸缩难易不同，还产生磁弹性能磁弹性能。即畴壁内的能量总比磁畴内的能量高，。即畴壁内的能量总比磁畴内的能量高，畴壁具有一定能量畴壁具有一定能量。第第6节节 磁畴的形成与磁畴结构磁畴的形成与磁畴结构2021/6/16124 磁畴的形状、尺寸、畴壁的类型与厚度构成磁畴的形状、尺寸、畴壁的类型与厚度构成磁畴结构磁畴结构。磁畴结构对磁。磁畴结构对磁化行为有直接影响，不同磁畴结构是铁磁质磁性千差万别的原因之一。化行为有直接影响，不同磁畴结构是铁磁质磁性千差万别的原因之一。 铁磁材料的自发磁化为什么要分成很多的小区域（磁畴）呢？铁磁材料的自发磁化为什么要分成很多的小区

267、域（磁畴）呢？ 能量最小原则能量最小原则的必然结果。因磁畴结构受交换能、磁晶能、磁弹性能、的必然结果。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，使这些能量之和最小。畴壁能和退磁能的影响，平衡状态时的磁畴结构，使这些能量之和最小。 交换能作用，趋于使整个晶体沿易磁化方向自发磁化至饱和，这样交换能作用，趋于使整个晶体沿易磁化方向自发磁化至饱和，这样交换能交换能和和磁晶能磁晶能都处于最小值；都处于最小值； 但会产生很大的但会产生很大的退磁能退磁能（铁磁体产生的外磁场与内磁场方（铁磁体产生的外磁场与内磁场方向相反，使其磁性减弱，继续自发磁化受阻），若把晶体分成若

268、干个平行反向的向相反，使其磁性减弱，继续自发磁化受阻），若把晶体分成若干个平行反向的自发区域，则可以大大地降低退磁能。这两个矛盾相互作用的结果将自发区域，则可以大大地降低退磁能。这两个矛盾相互作用的结果将使大磁畴分使大磁畴分割为小磁畴割为小磁畴。 分畴后，虽退磁能减少，但却增加了分畴后，虽退磁能减少，但却增加了畴壁能畴壁能。随磁畴数目的增加，。随磁畴数目的增加，退磁能退磁能减减少而畴壁能增加，当二者之和为最小值时，分畴停止。少而畴壁能增加，当二者之和为最小值时，分畴停止。 若能形成若能形成封闭磁畴封闭磁畴结构（出现三角形封闭畴），由于其具有封闭磁通的作用，结构（出现三角形封闭畴），由于其具有封

269、闭磁通的作用，可以使可以使退磁能降为零退磁能降为零。 但由于但由于封闭畴封闭畴（副畴）与主磁畴的磁化方向不同，会产生一定的（副畴）与主磁畴的磁化方向不同，会产生一定的磁晶能和磁弹磁晶能和磁弹性能性能，磁畴的尺寸愈大，磁畴的尺寸愈大，磁晶能和磁弹性能磁晶能和磁弹性能愈高，使封闭磁畴趋于减小。但封闭愈高，使封闭磁畴趋于减小。但封闭畴减小，使畴壁能增大，使封闭磁畴趋于增大。畴减小，使畴壁能增大，使封闭磁畴趋于增大。 最后，铁磁晶体的各种能量之和具有最小值时，磁畴结构达到平衡，形成一定最后，铁磁晶体的各种能量之和具有最小值时，磁畴结构达到平衡，形成一定大小的三角形封闭畴。大小的三角形封闭畴。2. 磁畴

270、的形成与结构磁畴的形成与结构2021/6/161251. 1. 技术磁化机制技术磁化机制 技术磁化技术磁化：H作用下，铁磁体从完全退磁状态磁化至饱和的作用下，铁磁体从完全退磁状态磁化至饱和的内部变化内部变化过过程程。实质上是。实质上是H把各磁畴的磁矩方向转到把各磁畴的磁矩方向转到H方向（或接近）的过程。方向（或接近）的过程。 已知已知铁磁质铁磁质的基本的基本磁化曲线磁化曲线大体分为大体分为三个阶段三个阶段。 原始退磁状态铁磁体为封闭结构的磁畴，原始退磁状态铁磁体为封闭结构的磁畴，宏观上不显示磁性宏观上不显示磁性。 磁化起始阶段磁化起始阶段：H较弱，通过磁畴壁的迁移使自发磁化方向与较弱，通过磁畴

271、壁的迁移使自发磁化方向与H成锐角成锐角的磁畴静磁能低而扩大，成钝角的磁畴缩小，宏观上表现出微弱磁化。可的磁畴静磁能低而扩大，成钝角的磁畴缩小，宏观上表现出微弱磁化。可逆逆(因原位能态最低因原位能态最低)，称，称畴壁可逆迁移区畴壁可逆迁移区，磁化曲线平坦，磁导率不高。，磁化曲线平坦，磁导率不高。 中等中等H不可逆阶段不可逆阶段：畴壁快速移动：畴壁快速移动(巴克豪森跳跃巴克豪森跳跃)。大量大量与与H成钝角磁畴成钝角磁畴瞬时瞬时转向与转向与H成锐角的易磁化方向成锐角的易磁化方向。磁化强烈，磁化曲线急剧上升，磁导。磁化强烈，磁化曲线急剧上升，磁导率很高。取消外率很高。取消外H畴壁不会自动迁回原位，即所

272、谓的畴壁畴壁不会自动迁回原位，即所谓的畴壁不可逆不可逆迁移区。迁移区。最后使畴内所有的原子磁矩都转向与最后使畴内所有的原子磁矩都转向与H成锐角的易磁化方向，成为单畴。成锐角的易磁化方向，成为单畴。 较强较强H中磁化缓慢增加阶段中磁化缓慢增加阶段：易轴通常与：易轴通常与H方向不一致，故当方向不一致，故当H继续增大继续增大时，锐角磁畴从易磁化方向逐渐时，锐角磁畴从易磁化方向逐渐转向与转向与H方向一致的非易磁化方向方向一致的非易磁化方向。称。称磁磁畴旋转区畴旋转区，转动需相当大的能量，转动需相当大的能量，磁化非常缓慢磁化非常缓慢。当。当H增至一定值，所有增至一定值，所有锐角磁畴转向与锐角磁畴转向与H

273、一致（或基本一致）方向，一致（或基本一致）方向，M不再增加，达磁饱和状态。不再增加，达磁饱和状态。此时减小此时减小H，磁畴会转向锐角易磁化方向（磁畴的，磁畴会转向锐角易磁化方向（磁畴的可逆转动可逆转动）。）。第第7节节 技术磁化和反磁化过程技术磁化和反磁化过程2021/6/16126壁移磁化壁移磁化：畴壁的移动并不是原子移动了位置，只：畴壁的移动并不是原子移动了位置，只 是通过原子磁矩方向是通过原子磁矩方向 的改变来实现的。的改变来实现的。畴转磁化畴转磁化：实际上是静磁能和磁晶能共同作用的结：实际上是静磁能和磁晶能共同作用的结 果，使果，使Ms稳定在总能量最小的方向。稳定在总能量最小的方向。技

274、术磁化两种机制技术磁化两种机制：畴壁迁移磁化畴壁迁移磁化(壁移磁化壁移磁化)磁畴旋转磁化磁畴旋转磁化(畴转磁化畴转磁化)。2021/6/16127（1）应力理论）应力理论 晶体缺陷、磁致伸缩等产生晶体缺陷、磁致伸缩等产生内应力内应力且且分布不均。分布不均。 未磁化时未磁化时：畴壁处于低应力区的：畴壁处于低应力区的a点，畴壁能最低，状态稳定。点，畴壁能最低，状态稳定。 H很小时很小时：（壁移在：（壁移在b点前），可逆。（设点前），可逆。（设b点为拐点）点为拐点） 随随H增大增大：壁移超过：壁移超过b点，就很易跃过点，就很易跃过f点，而至点，而至c点，除去点，除去H后，壁移至后，壁移至新的低谷新的

275、低谷d点，而不能回到原来的点，而不能回到原来的a点，点，不可逆不可逆，导致，导致剩磁剩磁，欲使畴壁回到，欲使畴壁回到a点，需加一反向磁场，这就是点，需加一反向磁场，这就是矫顽力矫顽力的产生。的产生。 （2）杂质理论）杂质理论 无外无外H时时：畴壁在杂质处畴壁在杂质处被穿孔而其面积减小，畴壁能降低，状态稳定；被穿孔而其面积减小，畴壁能降低，状态稳定； 外外H作用下作用下：畴壁脱离杂质，畴壁能升高。：畴壁脱离杂质，畴壁能升高。H小（磁化初始阶段）时，畴小（磁化初始阶段）时，畴壁受壁受H作用而移动弓出但未完全脱离杂质，可逆；作用而移动弓出但未完全脱离杂质，可逆；H足够大时，畴壁完全脱足够大时，畴壁完全脱离杂质而至新的稳定位置，不可逆，导致离杂质而至新的稳定位置，不可逆，导致剩磁剩磁和和矫顽力矫顽力的产生。的产生。2. 磁畴壁移动的阻力磁畴壁移动的阻力2021/6/16128 结束语结束语若有不当之处，请指正，谢谢！若有不当之处，请指正，谢谢！