同济大学复试材料科学导论总结2

第二篇 材料的物性 8.理解物性的基本概念

1.波粒二象性：波粒二象性（wave-particle duality ）指的是所有的基本粒子或量子不仅可以部分地以粒子的术语来描述，也可以部分地用波的术语来描述。

2.常规情况下，有两类决定材料物性的主导因素：

一类是原子系统，通常作为经典粒子处理，反映了位置序或粒子序(性)的效应；另一类是电子系统，通常表现出明显的量子力学特征，反映了动量序或德布罗意波序(性)的效应。 3.经典电导理论和量子力学理论的区别

1. 经典电导理论认为在外电场的作用下所有的自由电子都对电流有贡献；而量子力学理论认为只有费米能级附近的电子才对电流有贡献。

2. 根据量子力学理论，在理想周期性排列的晶格对能带中，电子的能量状态形成能带，能带之间是禁带，能带中的电子可以在晶格中自由运动，因此理想周期性排列的晶格对能带中电子没有散射作用，这是与经典电导理论不相同的。 4.金属自由电子理论：

金属的高导电性是由于那些处于紧靠费米能的半占有状态上的电子漂移形成(外加电压对大多数电子不产生净效应，因为它们可能跃迁到的较高能态均已被填满)。金属的功函数是从高的占有能级上取出一个电子所需的能量，在绝对零度时，即为费米能。在室温，只有很少的一些电子被激发到高于费米能，因此功函数在一个宽的温度范围内几乎是恒定的。

自由电子理论能满意地解释绝大多数金属的导电性，但不能正确解释绝缘体。 5.能带的概念：

能带理论就是认为晶体中的电子是在整个晶体内运动的共有化电子，并且共有化电子是在晶体周期性的势场中运动；结果得到：共有化电子的本征态波函数是Bloch 函数形式，能量是由准连续能级构成的许多能带。

固体的导电性能由其能带结构决定。对一价金属，价带是未满带，故能导电。对二价金属，价带是满带，但禁带宽度为零，价带与较高的空带相交叠，满带中的电子能占据空带，因而也能导电，绝缘体和半导体的能带结构相似，价带为满带，价带与空带间存在禁带。半导体的禁带宽度从0.1～4电子伏，绝缘体的禁带宽度从4～7电子伏。在任何温度下，由于热运动，满带中的电子总会有一些具有足够的能量激发到空带中，使之成为导带。由于绝缘体的禁带宽度较大，常温下从满带激发到空带的电子数微不足道，宏观上表现为导电性能差。半导体的禁带宽度较小，满带中的电子只需较小能量就能激发到空带中，宏观上表现为有较大的电导率。

根据电子能带结构，说明导体、半导体和绝缘体之间电导率差异的原因。 85u

1.导体中含有未满带，在外场作用下，未满带上的电子分布发生偏移，从而改变了原来的中心堆成的形态，占据不同状态的电子所形成的运动电流不能完全抵消，未抵消的部分就形成了电流。

2.从能带结构模型来看，在绝缘体和半导体中，能量较低的、被价电子所充满的价带与能量较高的未填充电子的导带之间，在原子平衡间距处没有交叠，即价带与导带之间被能量为Eg 的禁带所隔开。绝缘体的禁带宽度较宽而半导体的比较窄。由于绝缘体的电子能带结构特征在常温下几乎很少有电子可能被激发越过禁带，因此电导率很低。

3.半导体的能带结构与绝缘体相同，所不同的是它的禁带比较窄，电子跳过禁带不像绝缘体那样困难。如果存在外界作用（比如热、光辐射等），介带中的电子就有可能跃迁到导带中去。纯半导体的导电过程是依靠电子从充满价带激发到空的导带中实现的，价带失去电子同时形成电子空穴，因此导带中的电子浓度与价带中的空穴浓度相等，在室温下，半导体材料的导电性是由于晶体点阵中原子的振动使电子受到了激发进入导带中而引起的，这种空带中的电子导电和价带的空穴导电同时存在而引起的。 6.宏观和介观不均匀

宏观不均匀性：这类材料如不同相的混合物，也包括一部分人工复合材料。

介观不均匀性：在大于晶格常数的尺度内，晶粒生长、失衡分解和共析现象常造成这类静态的不均匀性，多晶陶瓷、玻璃陶瓷等复合材料常具有结构不均匀性，这类不均匀性也常被称为微结构、超微结构和纳米结构。

7.复相不均匀研究结构包括哪几方面？

确定材料中所有存在的相，以及每相的含量和性质特征 。 确定各相的结构形貌特征，如尺寸、形状、晶粒取向和分布。 确定材料中晶界和其他结构缺陷如位错、微裂纹和包裹物的特征。

8.费米子和玻色子

费米子：粒子遵从泡利不相容原理，因而不能有2个粒子处于同一量子态Ei ，系统的波函数必然是反对称的，满足这些要求的粒

子称为费米子。（电子、质子、中子等）费米狄拉克分布： 玻色子：粒子不受泡利不相容原理的约束，因此系统对于能够处于相同量子态Ei 的粒子数目没有限制，描写粒子系统的波函数必然是对称的，满足这些要求的粒子称为玻色子。（光子）波色－爱因斯坦分布：

10.声子：能量为h ω/π的晶格震动的简正模能量量子，称为声子。

9.运输性质

1.热电效应及应用

是当受热物体中的电子，因随着温度梯度由高温区往低温区移动时，所产生电流或电荷堆积的一种现象。包括塞贝克效应和珀尔帖效应。

应用利用半导体的热电效应可以测定半导体材料的导电类型。热电制冷又称作温差电制冷，或半导体制冷，它是利用热电效应（帕尔帖效应）的一种制冷方法。

2.载流子

导带中的电子和价带中的空穴具有相反的电荷，在电场的作用下沿着相反的方向运动，它们都能导电，称为载流子。

载流子迁移率

载流子在单位电场作用下的漂移速度称为载流子的迁移率μ，只取正值，他描述了载流子的导电能力μ=|v/E|.

温度愈高，晶格振动愈激烈，晶格散射愈强。因此，温度愈高．载流子迁移率愈低。

3.霍尔效应及应用

将一半导体放在磁场中，磁场沿Z方向，磁感应强度为BZ,如在半导体中沿x方向通以电流，电流密度为Jx，则沿y方向将产生一电厂，这称为霍尔效应。

制成磁场计，测量磁感应强度。霍尔器件：非接触开关和传感器。通过霍尔效应的测量，由霍尔系数的符号判断半导体的导电类型，由霍尔系数的绝对值确定载流子浓度n或p。

4.P-n节

当p型半导体和n型半导体接触在一起是便形成了p-n结。

P-n结是电子器件和电路的重要基本单元，例如，利用p-n结的整流效应可以制成整流管；利用p-n结的反向击穿特性可以制成稳压管；利用p-n结的光电效应可以制成光电管和太阳能电池；

5.光伏效应

当光子能量大于禁带宽度的光照射到p-n结时，同样也会产生光生电子空穴。由于p-n结空间电荷层有自建电场存在，在该电场的作用下，光生电子被扫向n型区一边，光生空穴被扫向p型区一边，如此便产生光生电动势，这被称为光伏效应。

6.n型半导体、p型半导体

N型半导体：掺有施主杂质的半导体为n型半导体。

P型半导体:掺有受主杂质的半导体为p型半导体。

7.半导体能带

对半导体来说，电子填满了一些能量较低的能带，称为满带，最上面的满带称为价带；价带上面有一系列空带。最下面的空带称为导带。价带和导带有带隙，带隙宽度用Eg表示它代表价带顶和导带低的能量间隙。

对于本证半导体在绝对零度没有激发的情况下，价带被电子填满，导带没有电子。在一般温度，由于热激发，有少量电子从价带跃迁到导带，使导带有少量电子，而在价带留下少量空穴。这种激发我们称之为本征激发。半导体的导电性就是依靠导带低的少量电子和价带顶的少量空穴。

8.导电聚合物：聚合物的电导率在半导体电导率的范围内称为聚合物半导体。

9.离子晶体的电导情况：

离子晶体的禁带宽度很宽，本征激发产生的电子空穴浓度极小，由此引起的导电作用完全可忽略。离子晶体中的载流子主要是正负离子。可是由于正负离于间有很强的静电束缚，因此在室温下，离子晶体的电导率要比典型金属的电导率低很多(约低22个量级)。像氯化纳这样的离子晶体．有两种荷电相反的离子．但往往只有一种离子在电导中起主导作用。

10.磁学性质

1.【磁性来源】物理学原理：任何带电体的运动都必然在周围的空间产生磁场。电动力学定律：一个环形电流还应该具有一定的磁矩，即它在磁场中行为像个磁性偶极子。

2.【磁性分类】物质的磁性大体可分为五类：抗磁性、顺磁性、反铁磁性、铁磁性和亚铁磁性。前三种为弱磁性、后两种为强磁性。

抗磁性：由于外磁场使电子的轨道运动发生变化而引起的、方向与外磁场相反的一种磁性。它是一种很弱的、非永久性的磁性，只有在外磁场存在时才能维持。

原子的本征磁矩为零，没有固有原子磁矩，所有材料都有抗磁性。因为它很弱，只有当其他类型的磁性完全消失时才能被观察。顺磁性：受外磁场作用时，原子磁矩能通过旋转而沿外场方向择优取向，表现出宏观磁性，这种磁性称为顺磁性。有固有磁矩，没有相互作用。

材料中的原子磁矩无序排列，材料表现不出宏观磁性。抗磁体和顺磁体对于磁性材料应用来说都视为无磁性。

铁磁性：在较弱的磁场作用下就能产生很强的磁化强度，在外磁场除去后仍保持相当大的永久磁性，具有磁滞现象。铁磁体在温度高于居里温度后变成顺磁体。

具有铁磁性的金属有铁、钴、镍等，铁磁性的应用最广泛，特别是在信息的记录和存储方面。

材料是否具有铁磁性取决于两个因素：

原子是否具有未成对电子，即自旋磁矩贡献的净磁矩（本征磁矩）；

原子在晶格中的排列方式。

亚铁磁性：是在无外加磁场的情况下，磁畴内由于相邻原子间电子的交换作用或其他相互作用。使它们的磁矩在克服热运动的影响后，处于部分抵消的有序排列状态，以致还有一个合磁矩的现象。

反铁磁性在原子自旋（磁矩）受交换作用而呈现有序排列的磁性材料中,如果相邻原子自旋间是受负的交换作用,自旋为反平行排

列，则磁矩虽处于有序状态(称为序磁性)，但总的净磁矩在不受外场作用时仍为零。这种磁有序状态称为反铁磁性

3.【铁磁性转变】铁磁性材料和亚铁磁性材料都有磁有序相变点，称为居里点T c。当温度高于T c时，呈顺磁性，当温度低于T c时呈铁磁性或亚铁磁性，均为强磁性。

【居里点】对于所有的磁性材料来说，并不是在任何温度下都具有磁性，一般地，磁性材料具有一个临界温度T c,，在这个温度以上，由于高温下原子的剧烈热运动，原子磁矩的排列是混乱无序的。在此温度以下，原子磁矩排列整齐，产生自发磁化，物体变成铁磁性或亚铁磁性。所以，居里温度是铁磁体或亚铁磁体的相变转变点。

4.【磁化率】磁化强度与磁场强度的比值定义为磁化率：χ=M/H 【饱和磁化强度】在强磁性物质中，原子间的交换作用使得原子磁矩保持有秩序地排列，即产生谓自发磁化。原子磁矩方向排列规律一致的自发磁化区域叫做磁畴。该区域的磁化强度称为自发磁化强度，它也是宏观物质的极限磁化强度，即饱和磁化强度，通常用符号Ms表示。

5.磁畴

是指铁磁体材料在自发磁化的过程中为降低静磁能而产生分化的方向各异的小型磁化区域，每个区域内部包含大量原子，这些原子的磁矩都像一个个小磁铁那样整齐排列，但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同。各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。宏观物体一般总是具有很多磁畴，这样，磁畴的磁矩方向各不相同，结果相互抵消，矢量和为零，整个物体的磁矩为零，它也就不能吸引其它磁性材料。也就是说磁性材料在正常情况下并不对外显示磁性。只有当磁性材料被磁化以后，它才能对外显示出磁性。

磁畴结构

大块材料常具有多畴结构，其首要原因是因为多畴有利于降低退磁场能。多畴结构的特点通常是内部为粗大整齐的磁畴，磁化在易磁化方向，表面或晶粒间界处有细小的表面磁畴花样以降低退磁场。

7.影响磁畴结构的能量：

交换能：强磁体在Tc以下的自发磁化来源于交换作用。它是形成磁畴的首要原因。

磁各向异性能：磁畴中自发磁化在易磁化方向。晶体中原子排列的各向异性能导致磁晶各向异性能。自发磁化M s沿晶体不同方向时能量密度不同，称为磁晶各向异性能。

磁致伸缩与磁弹性能：

磁致伸缩。铁磁物质(磁性材料）由于磁化状态的改变，其尺寸在各方向发生变化。大家知道物质有热胀冷缩的现象。除了加热外，磁场和电场也会导致物体尺寸的伸长或缩短。铁磁性物质在外磁场作用下，其尺寸伸长（或缩短），去掉外磁场后，其又恢复原来的长度，这种现象称为磁致伸缩现象（或效应）。磁弹性能：磁弹性能。磁弹性能为磁致伸缩的逆效应——应力及应变对磁化的影响，导致附加的磁各向异性，又称应力磁各向异性。

8.单畴：当强磁体的尺寸很小时，多畴结构中畴壁能的提高大于退磁能的降低，因而使单畴成为能量低的状态。这种单畴状态的单畴颗粒常具有高矫顽力。

9.退磁场：铁磁性材料被磁化时产生的反向附加磁场称退磁场，也叫反磁场。它对外加磁场有削弱作用。

10.强磁材料的本征性能：强磁材料的本征性能包括居里温度、饱和磁化强度和饱和磁化强度的温度依赖关系。

11.【弱磁体】自发磁化强度为零。但在外磁场作用下仍具有相当于强顺磁性物质的磁化率的磁材料。

【永(硬)磁材料】矫顽力较大，磁滞回线胖而大，剩磁也大的材料（单畴型永磁“AlNiCo“、永磁铁氧体、稀土永磁、碳钢、钨钢等）

硬磁材料提高矫顽力H c途径：

高成核场Hn和壁移的临界移Ho，或钉扎场；

制备高磁各异向性的单畴微粒的集合体，使其反磁化过程为磁化矢量的转动。

【软磁材料】高磁导率、矫顽力很小，磁滞回线比较瘦小，磁滞损耗较小的材料（硅钢、坡莫合金、纯铁、铁钴合金、非晶软磁合金、软磁铁氧体等）。

矩磁铁氧体：具有矩形磁滞回线、剩余磁感强度Br和工作时最大磁感应强度Bm的比值，即Br/Bm接近于1和矫顽力较小的铁氧体材料。

12.【铁磁有序】铁磁材料均有一相变温度，即居里点T c。当温度高于T c时．铁磁材料中的原于或电子磁矩常为无序状态，材料呈顺磁性。当T＜T c时，出现磁有序．呈铁磁性。

【磁滞回线】铁磁体在反复磁化的过程中，它的磁感应强度的变化总是滞后于它的磁场强度。这种现象叫磁滞。（磁滞(hysteresis) 现象是由于掺杂和内应力等的作用，当撤掉外磁场时磁畴的畴壁很难恢复到原来的形状，而表现出来。）

在磁场中，铁磁体的磁感应强度与磁场强度的关系可用曲线来表示，当磁化磁场作周期的变化时，铁磁体中的磁感应强度与磁场强度的关系是一条闭合线，这条闭合线叫做磁滞回线。

11.铁电性质

1.孤子、极化子及分类

反式聚乙炔有两个能量最低的二聚化状态A相和B相，这2个状态的结构对称，能量相同，如果A相和B相在同一反式聚乙炔分子链上共存，2者之间就会形成畴壁，畴壁处蛋、双键交替的结构被破坏，此畴壁被称为孤子。正电孤子，中性孤子和负点孤子

极化子：束缚在一起的孤子。

2.电介质及极化、分类

1.导电材料与介电材料

导电材料：电荷迁移

电介质：材料在电场作用下，产生电偶极矩或者电偶极矩的改变。这类材料称为电介质，这种现象称为电介质的极化。

2.电介质分类：

非极性电介质：正负电荷中心重合，不具有电偶极矩

极性电介质：正负电荷不重和。

3.极化的基本过程：

电子极化：材料中原子核外电子云畸变产生的电子极化

离子极化：分子中正、负离子相对位移造成的离子极化

转向极化：分子固有电矩在外电场作用下转到导致的转向极化自发极化：这种极化状态并非由外电场引起，而是由晶体的内部结构引起。在这类晶体中，每一个晶胞内存在有固有电矩，通常将这类晶体称为极性晶体。

3.铁电、压电、热释电

铁电体：在一定温度范围内具有自发极化，在外电场作用下，自发极化能重新取向，电位移矢量与电场强度间的关系呈电滞回线特征。（具有自发极化的晶体）该类材料具有压电、热释电特性。

压电效应：正压电效应：在极性晶体上施加压力、张力、切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷。

逆压电效应：在极性晶体上施加电场引起极化，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力。

热释电性：电介质的电极化随温度变化。

热释电传感器与其他红外传感器相比具有以下优点：波长响应范围宽．可在室温环境下使用，响应快，造价低廉。热释电红外成像系统的最大优点是不需要低温条件，可在室温下工作．因而可大大降低重量和成本、可以制成用于轻武器的夜间瞄准器等夜视器件。

12.超导电性质

1.超导现象：物质从特定的温度开始会转变为完全没有电阻的状态，这就是所谓的超导(电)现象。把超导体从正常态变为超导态的温度称为超导转变温度或临界温度。

2.迈斯纳效应：处在超导态的物体完全排斥磁场，即磁力线不能进入超导体内部，这一特征叫完全抗磁性．通常也叫做迈斯纳效应。

3.超导电性的基本特征：零电阻效应和迈斯纳效应。

4.超导体的热力学性质：

因为正常态没有磁性，外磁场变化时不对系统做功，超导体正常态自由能不随外磁场变化。

超导态比正常想更有序，超导态不仅是低能态．而且是有序态，由正常态转变为超导态是一种由无序的高能态向有序的低能态的“凝聚”过程。所以超导态是一种凝聚态。由正常态向超导态的转变(凝聚)伴有潜热放出．是一级相变。但是，无磁场存在的凝聚是高级相变。

5.第二类超导体：界面能小于零的超导体。

根据超导体在磁场中磁化曲线的差异，超导体可分为第一类和第二类两类。在已发现的超导元素中，只有钒、铌和钽属于第二类，其他元素均属第一类。然而大多数超导合金和化合物则属于第二类：它们的区分在于：第一类超导体的京茨堡-朗道参量（见超导电性）,超导-正常相的界面能为正；而第二类超导体，界面能为负。

6.超导隧道效应：两超导体中间的绝缘(真空，正常)层也能让超导电流通过的现象叫超导隧道效应。

7.为什么说超导态是物质的一种新相？

迈斯纳态的军电阻性和完全逆磁性是可逆性质。从正常相转变到超导相是一种相变．在磁场中超导—正常的转变过程有潜热，人们用量热法和磁化法测出了潜热的大小，是一级相变；如果没有磁场．则超导—正常相变时没有潜热，但有比热容跳跃，是二级相变。所以．超导态是物质的一种新相。

一个电子从正常态凝聚到超导态时其能量降低到仅仅是它原有能量的万分之一。超导态的出现是正常态中的一部分电子凝聚成超流电子引起的。超导态的形成是能隙的形成、超导电子的出现和增加、有序度的增加和能量的障低。

8.超导材料：是指具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。现已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。

合金材料：超导元素加入某些其他元素作合金成分，可以使超导材料的全部性能提高。如最先应用的铌锆合金(Nb-75Zr)，其Tc 为10.8K，Hc为8.7特。继后发展了铌钛合金，虽然Tc稍低了些，但Hc高得多，在给定磁场能承载更大电流。

化合物：超导元素与其他元素化合常有很好的超导性能。如已大量使用的Nb3Sn，其Tc=18.1K，Hc=24.5特。比如超导陶瓷。1986年在镧－钡－铜－氧化物中发现了Tc=35K的超导电性。1987年，中国、美国、日本等国科学家在钡－钇－铜氧化物中发现Tc处于液氮温区有超导电性，使超导陶瓷成为极有发展前景的超导材料。

13.光学性质

1.光纤分类和原理

1.光纤:低损耗材料制成的结构类似于同轴电缆的圆柱介质波导，内芯是高折射率的材料，周围是另一种较低折射率的材料。光纤传光依赖的物理基础是内全反射，在光纤中，若某一光线的传播路径位于同一平面内，此光线称为子午光线，包含子午光线的平面称为子午面。数值孔径.N.A.＝（n12－n22）1/2

2. 分类

按结构：阶跃型折射率光纤和梯度型折射率光纤

按材料：石英光纤、玻璃光纤、塑料光纤、红外光纤、紫外光纤和有源光纤

2.色散和损耗及原因

色散：影响光通信系统的传播容量和误码率

材料色散：材料本身的折射率随频率变化

波导色散：依赖光纤直径与波长的比值

模色散：光程的不同导致不同的导模到达输出端的时间不同。损耗：光波在传播过程中的衰减，影响传播距离。

吸收损耗：本征和杂质吸收，本征吸收是由于介质的原子或离子的电子跃迁所致的光吸收和分子振动所致的红外吸收；杂质吸收是由于某些杂质的存在所致的选择性吸收。散射损耗：包括瑞利散射和缺陷对光的散射所致的损耗。

3.光子晶体

光子晶体：介电常数被调制的人工微结构材料。其最根本的特征是具有光子禁带：光子带隙，频率位于禁带中的光波在光子晶体中不能传播，因此，光子晶体被称为光子带隙材料，为光信息技术提供一种全新的控制和操纵光的途径。

4.通讯方面光子与电子对比有何优点光子与电子相比优点：1）在介电材料中，光的传播速度远高于电子；

2）光可以携带更多信息；

3）光子间无相互作用。

5.自发辐射和受激辐射？二者区别（P377）

自发辐射：处于激发态的原子中，电子在激发态能级上只能停留一段很短的时间，就自发地跃迁到较低能级中去，同时辐射出一个光子，这种辐射叫做自发辐射。自发辐射是不受外界辐射场影响的自发过程，各个原子在自发跃迁过程中是彼此无关的，不同原子产生的自发辐射光在频率、相位、偏振方向及传播方向都有一定的任意性。

受激辐射：当原子处于激发态E2时，如果恰好有能量（这里E2 ）E1）的光子射来，在入射光子的影响下，原子会发出一个同样的光子而跃迂到低能级E1上去，这种辐射叫做受激辐射。区别：

1.从|2〉→|1〉和|1>→|2>的受激跃迁几率相等，而|1>→2>的自发跃迁几率为零；

2.受激跃迁几率与外辐射场成正比，而自发跃迁与此无关。6.激光产生的原理

将已处于布居反转的物质系统（将可以实现布居反转的物质系统称为激光增益介质）置于由两个平行反射镜构成的谐振腔内，增益介质所发出的传播方向平行于两个反射镜轴线的自发辐射光在谐振腔内来回反射多次往返穿过激光增益介质时会被不断放大，如果放大超过了所有损耗，谐振腔内存储的能量将随时而增加，直至单程饱和增益恰好等于损耗时，达到稳态自振荡，产生激光。

7.氮化物半导体的优缺点：与其他高带隙半导体相比，氮化物的主要优点是具有强的化学稳定性，使得材料即使在高电流和强光照射下仍然非常稳定。氮化物也存在明显的缺点，因其强的化学键要求高的生长温度而限韧衬底的选择，映少生长薄膜所需的合适衬底。

8.极化作用：在光波场的作用下，电介质的价电子偏离平衡位置形成偶极子，此现象称为极化作用。

9.超晶格的设计：超晶格的设计是以满足所要求光频变换过程为前提，尽可能选择结构简单、易于制备、效率高为原则。

10.光学超晶格的优点：

几乎在非线性材料的整个透明波段均可实现四QPM；

可以在弱双折射材料或各向同性的材料中实现QPM；

可以随意选择相互作用光波的偏振方向；

利用材料的最大非线性系数张量元；

可以同时实现多个期堕的光招变换过程；

根据实际需要设计光学超晶格的微结构；无走离效应。

14.力学性质

1.【弹性】金属材料受外力作用时产生变形,当外力去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能。

【弹性极限】弹性极限指金属材料受外力（拉力）到某一限度时，若除去外力，其变形（伸长）即消失而恢复原状，弹性极限即指金属材料抵抗这一限度的外力的能力,如果继续使用拉力扩大，就会使这个物体产生塑性变形，直至断裂。

【弹性模量】单向应力状态下应力除以该方向的应变。原子半径和离子半径越小，原于价越高的物质，其弹性模量和硬度就越大。通常，强性模量大小的顺序是碳化物(400—700GPa)＞硼化物>氮化物＞氧化物(150一300GPa)。

势能最小但越低，则势阱越深，改变原子之间的相对距离所作的功越大，弹性模量越大。

2.金属材料弹性限度低的原因：

因为金属中总有大量的位错存在，由于金属键使得位错滑移

很容易发生，从而大大降低了其理论强度。

3.陶瓷材料硬而脆，弹性模量高的原因：

这是因为陶瓷通常的键合是离子链或共价健，原子之间的相互作用力很强，相互之间健角十分固定，以至于很难变形．另一方面，材料内部的微观缺陷(如位错，空位，晶界和微裂纹)也显著地降低了理论强度，而由于键合的特点，使得陶瓷的应力释放以裂纹的扩展为主，而不伤金属那样依靠位错的滑移而进行。

4.【高弹性】高弹性指物体可以伸长很多倍的性质，人们非常熟悉的橡皮筋就属于这类特别的弹性体。它们具有两个特点，一是宏观变形量特别大，很容易发生大的弹性交形，形变量甚至可以达到百分之几百，相对于金属和陶瓷而盲，它可谓是巨弹性体；二是弹性模量很小。

高弹性产生的根本原因：

根据自由能的表达式我们知道．系统自由能是由系统的内能和熵两部分组成的，因此增加内能或者减少熵都可以使系统的自由能增大。系统内能的增加带来自由能的增加导致了常规弹性的产

生，而系统熵的减小所引起的自由能的增加则是高弹性产生的根本原因。

5.材料的弹性行为：区分材料弹性特征的参数包括两个方面：一是弹性横量，二是相对变形的量。陶瓷材料具有很高的硬度，但相对变形量很小；橡胶具有很小的弹性模量，但相对变形量很大；金属则介于陶瓷和高分子橡胶之间。

弹性体和粘性体的区别主要是：在外力作用下的形变的时间依赖关系不同。理想弹性体的形变与应力作用时间无关，而理想粘性体的形变与应力作用时间呈线性关系，高分子材料则处于二者之间具有粘弹性。

蠕变：应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。

蠕变包括起始的瞬态蠕变；中间的稳态蠕变和最终导致的断裂。蠕变的主要机制在于位错的攀移，这需要位错在晶格中的扩撤，只有在高温区(T＞0．4Tm)才能实现。

应力松弛：在维持恒定变形的材料中，应力会随时间的增长而减小。

6.脆性材料的试祥断裂时断面通常与拉伸方向垂直的原因：

这是因为材料的切应力在达到抗切变强度之前，正应力已经超过材料的抗张强度．试样来不及发生屈服就断裂了。

7.滑移系：一个滑移面和其上的一个滑移方向所构成的一个体系滑移带：滑移线的集合构成滑移带，滑移带是由更细的滑移线所组成。

滑移的意义：是晶体的一部分相对于另一部分沿着晶面做相对移动。

临界切应力：是指晶体在应力作用下开始产生滑移时，该应力在滑移面和滑移方向上的分量。实验证明不同取向的单晶体在不同的拉伸应力作用下开始滑移．但这些应力在滑移画和滑移方向上的分量是完全相同的，即具有相同的临界切应力。

8.影响高聚物熔体切变粘度的因素：

粘度随着温度的增加而降低。

随着切变速率的增加而诚小，高切变速率下的粘度可比低切变速率下的粘度小好几个数量级。

若高聚物分子量大．则流动性差，粘度高，熔体指数小。

分子量一定时，分子量分布宽的熔体出现非牛顿流动的切变速率要低得多；分子量分布宽的高聚物熔体在低应力时比分布窄的更呈现出假塑性。

支化对高聚物熔体粘度的影响。主要来自支链的缠结作用，因此对高聚物熔体粘度影响大的是长支链。

9.缠结态：是指高分子链彼此间发生某种程度的相互贯穿的现象。缠结态只有在具有一定浓度的高聚物浓溶液或熔体中才会产生。

10.什么是高分子材料的玻璃化转变，简述高分子材料的三种力学状态及特征，并结合实例说明具体材料使用时处于哪种力学状态。对于聚合物来说是非晶聚合物的玻璃态与高弹态之间的转变。其分子运动本质是链段运动发生“冻结”与“自由”的转变。

玻璃态：

由于温度较低时，分子动能较小，整个分子链和链段不能发生运动，分子处于“冻结”状态，只有比链段更小的结构部分（链节、侧基、原子等）在其平衡位置附近作小范围的振动，受外力作用时，链段进行瞬时的微量伸缩和微小的键角变化，外力一经去除，变形旋即消失，高分子材料保持为不定形的玻璃态。室温下处于玻璃态的高分子材料一般为塑料，它们的刚度、强度等力学性能较好，能够承受一定的载荷，保持要求的几何尺寸，可以作为结构材料，制造某些机器与仪表的零件。

高弹态：

因为温度较高时，分子的动能增大，足以使大分子链段运动，但还不能使整个分子链运动，但分子链的柔性已大大增加，此时分子链呈卷曲状态这就是高弹态，它是高分子材料所独有的状态。高弹态高分子材料受力时，卷曲链沿外力方向逐渐舒展拉直，产生很大的弹性变形，其宏观弹性变形量可达100%到1000%，外力的去除后，分子链又逐渐回缩到原来的卷曲状态，弹性变形逐渐消失。由于大分子链的舒展和卷曲需要时间，所以这种高弹性变形的产生和回复不是瞬时完成的，而是随时间逐渐变化的。室温下处于高弹态的高分子材料一般为橡胶，它们是良好的弹性材料，适合制造各种弹性物体或构件。

黏流态

温度高于黏流温度 Tf后，高分子材料分子链在外力作用下不仅链段运动，而且整个分子链运动，因此受力时极易发生分子链间的相对滑动，产生很大的不可逆的流动变形。通常把无屈服应力出现的流动变形称为粘性，而将黏流态下的永久变形称为粘性变形，所以黏流态主要与大分子链的运动有关。

室温下处于黏流态的高分子材料叫做流动树脂，可做胶黏剂，胶连各种金属和非金属部件。

11.【延性断裂】延性断裂是在断裂前试祥已经历了大量的塑性形变。

【脆性断裂】提高屈服强度，机件不易产生塑性变形；但过高，又不利于某些应力集中部位的应力重新分布，这种断裂为脆性断裂。

（1）断裂特点：断裂前基本不发生塑性变形，无明显前兆；断口与正应力垂直。

（2）断口特征：平齐光亮，常呈放射状或结晶状；人字纹花样的放射方向与裂纹扩展方向平行。

12.金属韧性好而陶瓷、玻璃韧性差的原因：

如果材料的屈服强度高，断裂韧性就低，它的断裂就是脆断，即裂纹一发展材料就迅速断裂。这样的材料包括陶瓷、玻璃等。因为在这些材料里由裂纹所形成的应力集中区无法产生大量的位错，不能像金属一样通过塑性形变把集中的应力释放掉，裂纹发展的很迅速就显得很脆。这就是为什么金属有较好的韧性，而陶

瓷和玻璃韧性很差的原因。在低温下．高分子材料与陶瓷材科有完全类似的断裂性质。

13.分析材料强化的常用方法、机制及适用条件。

1.形变强化

形变强化：随变形程度的增加，材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降的现象叫形变强化或加工硬化。

机理：随塑性变形的进行，位错密度不断增加，因此位错在运动时的相互交割加剧，结果即产生固定的割阶、位错缠结等障碍，使位错运动的阻力增大，引起变形抗力增加，给继续塑性变形造成困难，从而提高金属的强度。

方法：冷变形（挤压、滚压、喷丸等）。

形对一些不能用热处理强化的材料可以用形变强化的方法提高材料的强度，可使强度成倍的增加；是某些工件或半成品加工成形的重要因素，使金属均匀变形，使工件或半成品的成形成为可能，如冷拔钢丝、零件的冲压成形等；形变强化还可提高零件或构件在使用过程中的安全性，零件的某些部位出现应力集中或过载现象时，使该处产生塑性变形，因加工硬化使过载部位的变形停止从而提高了安全性。

2.固溶强化

随溶质原子含量的增加，固溶体的强度硬度升高，塑性韧性下降的现象称为固溶强化。

强化机理：一是溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，对滑移面上运动的位错有阻碍作用；二是位错线上偏聚的溶质原子形成的柯氏气团对位错起钉扎作用，增加了位错运动的阻力；三是溶质原子在层错区的偏聚阻碍扩展位错的运动。所有阻止位错运动，增加位错移动阻力的因素都可使强度提高。

方法：合金化，即加入合金元素。

3、第二相强化

钢中第二相的形态主要有三种，即网状、片状和粒状。

①网状特别是沿晶界析出的连续网状Fe3C，降低的钢机械性能，塑性、韧性急剧下降，强度也随之下降；

②第二相为片状分布时，片层间距越小，强度越高，塑性、韧性也越好。

③第二相为粒状分布时，颗粒越细小，分布越均匀，合金的强度越高，第二相的数量越多，对塑性的危害越大；

④片状与粒状相比，片状强度高，塑性、韧性差；

⑤沿晶界析出时，不论什么形态都降低晶界强度，使钢的机械性能下降。第二相无论是片状还是粒状都阻止位错的移动。

方法：合金化，即加入合金元素，通过热处理或变形改变第二相的形态及分布。

4、细晶强化

细晶强化：随晶粒尺寸的减小，材料的强度硬度升高，塑性、韧性也得到改善的现象称为细晶强化。细化晶粒不但可以提高强度又可改善钢的塑性和韧性，是一种较好的强化材料的方法。机理：晶粒越细小，应力集中越小，所以材料的强度越高。细晶强化的强化规律：晶界越多，晶粒越细，晶粒的平均直（d）越小，材料的屈服强度（σs）越高。

细化晶粒的方法：结晶过程中可以通过增加过冷度，变质处理，振动及搅拌的方法增加形核率细化晶粒。对于冷变形的金属可以通过控制变形度、退火温度来细化晶粒。可以通过正火、退火的热处理方法细化晶粒；在钢中加入强碳化物物形成元素。

14.陶瓷材料的增韧：

消除缺陷，提高晶体的完整性，使材料细、密、匀、纯是强韧化材料的最有效的办法，比如陶瓷材料和晶粒的超细化和纳米化可有效减少陶瓷烧结体的气孔、裂纹和不均匀性。

消除表面缺陷，比如对于非氧化物陶瓷，可通过控制表面氧化技术来消除表面缺陷；

在陶瓷表面引入压应力层，可以部分抵消外界拉应力，钢化玻璃是成功应用这一方法的典例。

细化晶粒，在无孔隙陶瓷中，纯陶瓷材料的强度与韧性取决于其晶粒的大小，晶粒越细，韧性越好。

复合增韧、相变增韧以及通过热处理试晶界玻璃相部分转变为晶相等方式都可以提高韧性。

15.【塑性】材料受力，应力超过屈服点后，仍能继续变形而不发生断裂的性质。

【韧性】材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。

【脆性】脆性是指材料在外力作用下(如拉伸、冲击等)仅产生很小的变形即断裂破坏的性质。

16.试述影响复合材料性能的因素：

基体和增强材料（增强体或功能体）的性能；

复合材料的结构和成型技术；

复合材料中增强材料与基体的结合状态（物理的和化学的）及由此产生的复合效应。

17.什么是复合材料？复合材料的设计因素有哪些？复合材料的显著特征是什么？

复合材料：用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的组分，通过人工复合而成的具有特殊性能的多相固体材料。

物理相容、化学相容、界面以及界面相

复合材料的基本特点：比强度，比模量大；可设计性强；各向异性复合材料的缺点：制备工艺复杂，性能离散性较大；增强体、基体可供选择的种类有限；断裂伸长较小，抗冲击能力较低；成本较高。