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简介
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本课程主要内容（Contents） 材料的电学性能 材料的磁学性能 材料的光学性能 材料的弹性与内耗 材料的热学性能 前言（Introduction) 物理性能是材料科学研究重要组成部分，材料科学包括：制备与合成、性能、应用 基础是：物理学、化学等学科，是这些学科在材料性能方面的应用 无机材料的不同领域 性能方面区别：电子材料、磁性材料、生物材料、水泥、玻璃、陶瓷材料、耐火材料等 第一章 材料的电学性能 概述 材料的电学性能大致上包含 导电性 超导电性 介电性 磁电性 热电性 接触电性 热释电性和压电性 光电性 导电性 导体、半导体、绝缘体 不同材料具有不同的导电性，根据材料导电性的好坏，即按ρ值的大小把材料进行分类。 的为导体材料，其中纯金属的ρ值为10-8～10-7，合金的ρ值为10-7～10-5； ρ值为10-3～109的为半导体材料； 的为绝缘体材料。 虽然物质都是由基本粒子构成的，但导电性的差异却非常显著。 究竟是什么原因造成材料导电性的如此明显的差别呢？ 与物质的能带结构及其被电子填充的性质有关 晶体的能带 晶体的能带中，物质的导电性反映为： (价带：valence band; 导带：conduction band; 禁带：band gap） 它的价带是否被填满 是否存在禁带 禁带宽度的大小 导体与非导体的区别 金属导体的能带分布 一是价带和导带重叠，而无禁带； 二是价带未被价电子填满，所以这种价带本身就是导带。这两种情况下的价电子就是自由电子，所以金属导体即使在温度较低的情况下仍有大量的自由电子，具有很强的导电能力。 非导体（包括半导体和绝缘体）在绝对零度时，其能带情况是满价带和空 导带且有禁带，故基本无 导电能力。 半导体和绝缘体的区别 半导体和绝缘体的能带图的区别仅是禁带宽度的大小。（绝缘体：3ev~6ev， 半导体: 0.1 ev~2ev) 禁带宽度的大小就影响到自由电子数量的多少，禁带宽度小，自由电子多，反之就少。 金属的导电性 金属的导电机制与马基申定则 当电子波在绝对零度下通过一个理想的晶体点阵时，它将不会受到散射而无阻碍地传播，这时ρ＝0，而σ为无穷大，即此时的材料是一个理想的导体。 只有在晶体点阵的完整性以及由于晶体点阵离子的热振动，晶体中的异类原子、位错和点缺陷等使晶体点阵的周期性遭到破坏的地方，电子波才会受到散射，从而产生了阻碍作用，降低了导电性，这就是材料产生电阻的本质所在。 散射系数μ和电阻率ρ成正比。对于金属而言，温度升高离子热振动的振幅愈大，电子就愈易受到散射，故可认为μ与温度成正比，则ρ也就与温度成正比，这就是金属的电阻随温度升高而增大的原因。 实际的晶体不但有杂质，而且还存在缺陷。传导电子的散射发生在电子－声子、电子－杂质原子以及与其他晶体点阵静态缺陷相碰撞的时候。理想金属的电阻对应着两种散射机制（声子散射和电子散射），可以看成为基本电阻。这个电阻在绝对零度时降为零。第三种机制（电子在杂质和缺陷上的散射）在有缺陷的晶体中，是绝对零度下金属的残余电阻。这个电阻反映了金属的纯度和完整性。 三种散射机制 声子散射 电子散射 电子在杂质和缺陷上的散射 马基申定律（马希森定则）Matthiessen's rule 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，即 （化学缺陷：偶然存在的杂质原子及人工加入的合金元素的原子；物理缺陷：指空位、间隙原子、位错以及它们的复合体。） 马基申定律成立的前提：忽略了电子各种散射机制间的交互作用 高温时金属的电阻率基本上取决于ρ(T)，而在低温时取决于ρ残。 ρ残的大小就可以用来评定金属的电学纯度。常常采用相对电阻率ρ(300K)/ρ(4.2K)的大小来评定金属的电学纯度。（晶体越纯、越完善，相对电阻率越大） 影响金属导电性的因素 温度 受力情况 冷加工 晶体缺陷 热处理 几何尺寸效应 温度对金属电阻的影响 加热时发生点阵热振动和振幅的变化，出现相变、回复、空位退火、再结晶以及合金相成分和组织的变化，这些现象往往对电阻的变化显示出重要的影响。 另一方面，测量电阻与温度的关系可以显示电子散射的不同机制，同样也显示超导现象和引起铁磁性反常的特殊性能。 金属的电阻随温度变化的一般规律： 绝对零度下，纯净又无缺陷的金属，其电阻率等于零。 随温度的升高金属的电阻率也增加。 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，电阻与温度的关系曲线将发生变化（注意三条曲线绝对0度时的电阻率） 低温下“电子－电子”散射对电阻的贡献可能是显著的，但除低温以外几乎所有温度下大多数金属的电阻都取决于“电子－声子”散射。点阵的热振动在不同温区存在差异。在各自的温区有各自的电阻变化规律（在T>θD和T<θD是不同的）。
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