江大材料物理性能复习资料

第一章 材料的热学性能

1.热容的概念(P42)：热容是分子或原子热运动的能量随温度变化而变化的物理量，其定义

是物体温度升高1K所需增加的能量。温度不同，物体的热容不一定相同，温度T时物体热容为：CT?(?Q?Q)T(J/K)（简单点就直接用这个吧：C?）

?T?TPS：物理意义：吸收热量提高点阵振动能量，对外做功，加剧电子运动

比热容（单位质量）：C??Q

m??T2.晶体热容的经验定律(P42)：

杜隆—珀替定律：恒压下元素的原子热容为25J/(K·mol)

奈曼—柯普定律：化合物热容等于构成此化合物各元素原子热容之和

3.从材料结构比较金属、无机非金属、高聚物的热容大小(P46)：

A金属：a纯金属：热容由点阵振动和自由电子运动两部分组成：

LeCV?CV?CV??T3??T

b合金金属：符合奈曼—柯普定律Cm?x1C1m?x2C2m???xnCnm??xCii?1nim

B无机非金属：a符合热容理论，一般都是从低温时的一个低数值增加到1273K左右近似于

25J/(K·mol)的数值；b无机材料热容与材料结构关系不大，但单位体积热容与气孔率有关，多孔质轻热容小；c当材料发生相变：一级相变：体积突变，有相变潜热，温度Tc热容无穷大，不连续变化；二级相变：无体积突变，无相变潜热，在转变点热容达到有限极大值(P47

图2-5 热焓、热容与加热温度的关系)。

C高聚物：多为部分结晶或无定型结构，热容不一定符合理论式，热容相对较大，且由化学结构决定，温度升高链段振动加剧，改变链运动状态（主链、支链（链节、侧基））。

4.从材料结构比较金属、无机非金属、高聚物的热传导机制(P53)：

A金属：有大量自由电子，且电子质轻，实现热量迅速传递，热导率一般较大。纯金属温度升高使自由程减小作用超过温度直接作用，热导率随温度上升而下降；合金热传导以自由电子和声子为主，因异类原子存在，温度本身起主导作用，热导率随温度上升增大。 B无机非金属：晶格振动为主要传导机制，即声子热导为主，约为金属热传导的三十分之一。 C高聚物：热导率与温度关系比较复杂，但总体来说热导率随温度的增加而增加。高聚物主要依靠链段运动传热为主，而高分子链段运动比较困难，热导能力比较差。

5.材料热膨胀物理本质：热膨胀是指物体体积或长度随温度升高而增大的现象。膨胀是原子

间距（晶格结点原子振动的平衡位置间的距离）增大的结果，温度升高，原子平衡位置移动，原子间距增大，导致膨胀。双原子模型：P49 图2-6.

6.热膨胀系数和熔点之间的关系(P49)：温度升高至熔点，原子热运动突破原子间结合力，

破坏原固态晶体结构变为液态，所以固态晶体膨胀有极限值。

VTm?V0?C (C为常数，约在0.06-0.076之间，) V0线膨胀系数与熔点：?lTm?0.022

格律乃森定律：Tm?V?固态晶体熔点越高，膨胀系数越低，间接反映晶体原子间结合力大小。（增大）

7.热分析法概念：测量材料在加热或冷却过程中热效应所产生的温度和时间的关系。但材料

固态相变时，产生的热效应小，普通热分析测量精度不高。

8.差热分析法概念：在程序控温下，将被测物与参比物在相同条件下加热或冷却，测量试样

与参比物之间的温差随温度、时间的变化关系。

对参比物的要求：应为热惰性物质，在测试温度范围内本身不发生分解、相变、破坏，也不与被测物质发生化学反应，且比热容、热传导系数应尽量与试样接近。（如硅酸盐采用Al2O3、MgO；钢铁采用镍。）

9.热应力(P63)：由于材料热膨胀或收缩引起的内应力称为热应力。

?l材料内应力：??E(?)??E?(T??T0)

l产生原因：杆件材料两端完全刚性约束，热膨胀无法实现，则杆件与支撑体间产生很大应力；多相组成材料，不同相膨胀系数不同，温度变化时各相膨胀收缩量不同而相互牵制产生热应力；各相同性材料，存在温度梯度时也会产生热应力。

10.抗热冲击断裂(P64)：发生瞬时断裂，抵抗这类破坏的性能。

?f(1??)??Tmax 第一热应力断裂抵抗因子：R??E最大热应力?max不超过强度极限?f，则材料安全。材料可承受温度变化范围越大，热稳定性约好。

第二热应力断裂抵抗因子：R????(1??)1，?Tmax?R?S?

E?0.31rmhfR?越大，热稳定性约好。（散热）

第三热应力断裂抵抗因子：R???R??Ra（冷却速率） Cp?抗热冲击损伤(P62)：在热冲击循环作用下，材料表面开裂、剥落，并不断发展，最终碎裂或变质，抵抗这种破坏的性能称为抗热冲击损伤性能。 抗热应力损伤因子R???和R????，二者值越高抗热损伤性能越好。 11.提高抗热冲击断裂措施(P69)： 1)提高材料强度?，减小弹性模量E，使

?提高（同种材料若晶粒细小、晶界缺陷小、气E孔少且分散均匀，往往强度高，抗热冲击性能好）。

2)提高材料的热导率?，提高R?（?大的材料传递热量快，材料内外温差较快得到缓解、平衡，降低短期热应力的聚集）。

3）减小材料的热膨胀系数?，热膨胀系数小的材料，在同样温差下产生热应力小。 4）减小表面热传递系数h，保持缓慢散热降温。 5）减小产品的有效厚度rm。

第二章 材料的导电性能

1.超导电性(P115)：一定低温条件下，材料突然失去电阻的现象。（超导态电子对运动不耗

能）

超导体的两个基本特性：A完全导电性：电阻为零，超导体为等电位，内部没有电场。 B完全抗磁性（迈斯纳效应）：屏蔽磁场和排除磁通的性能。

2.固溶体的导电性：

1）固溶体组元浓度影响：形成固溶体合金导电率降低，原因A溶质原子引起溶剂点阵畸变，破坏晶格势场周期性，增加电子散射概率，增大电阻率；B组元间化学相互作用增强，有效电子数减少，电阻率增大。

2）有序固溶体：A组元间化学相互作用加强，电子结合比无序固溶体强，电子数减少，电阻率增强；B晶体的离子电场有序化后更对称，减少电子散射，电阻降低，这一因素占优势。总体合金电阻降低。

3）不均匀固溶体：冷加工变形使电阻减小。形成不均匀固溶体时，点阵形成原子偏聚，偏聚区成分与固溶体成分不同，原子聚集区域的集合尺寸与电子波波长相当（1nm），可强烈散射电子波，提高合金电阻率。聚集区域的原子为有序排列，冷加工能有效地破坏固溶体中的这种近程有序状态，是不均匀组织变成无序的均匀组织，因此合金电阻率明显降低。 温度、压力、形变对于导电性质的影响

温度：金属电阻率随温度升高而增大，温度升高会使离子振动加剧，热振动振幅加大，原子的无序度增加，周期势场的涨落也加大。这些因素都使电子运动的自由程减小，散射概率增加而导致电阻率增大。大多数金属在熔化成液态时，其电阻率会突然增大约1.5~2倍，这是由于原子排列的长程有序被破坏，从而加强了对电子的散射，引起电阻增加。

应力的影响：弹性应力范围内的单向拉应力，使原子间的距离增大，点阵的畸变增大，导致金属的电阻增大。高的压力往往能导致物质的金属化。引起导电类型的变化，而且有助于从绝缘休—半导体—金属—超导体的转变。 冷加工变形的影响：引起金属电阻率增大，是由于冷加工变形使晶体点阵畸变和晶体缺陷增加，特别是空位浓度的增加，造成点阵电场的不均匀而加剧对电子散射的结果。若对冷加工变形的金属进行退火，使它产生回复和再结晶，则电阻下降。再结晶生成的新晶粒的晶界增多，对电子运动的阻碍作用增强所造成的，晶粒越细，电阻越大。（回复退火可以显著降低点缺陷浓度，因此使电阻率有明显的降低。再结晶过程可以消除形变时造成的点阵畸变和晶体缺陷，所以再结晶可使电阻率恢复到冷变形前的水平。）

3.金属化合物导电性：合金导电率比纯组元低，因原子间一部分金属键转化成共价键或离子

键，有效电子数减少，电阻率增高。

4.多相合金的导电性：与组成相的导电性、相对量、合金的组织形态有关。 5.影响金属导电性的因素(P119)：

1）温度：温度升高，热振动振幅加大，原子无序度增加，电子运动自由程减小，散射概率增大，电阻率增大。?T??0(1??T)

2）应力：拉应力使原子间距增大，点阵畸变增大，电阻增大。电阻率???0(1???)。 3）冷加工变形(塑性变形)：使晶体点阵畸变，晶体缺陷增加，空位浓度增加 ，造成离子场不均匀，对电子波散射率增大，导致电阻增加。回复退火再结晶降低缺陷浓度，降低电阻率。

6.三个热电效应概念及物理本质：热电效应指热与电的转换效应

1)第一热电效应（塞贝克效应P141）：两种不同导体组成一个闭合回路，若两接头处存在温差，回路中将有电势及电流产生。回路中产生的电势、电流称为热电势、热电流；该回路

称为热电偶或温差电池。 产生机理：

A接触电位差：原因a两种金属的电子逸出功（电子从金属表面逸出所需的最小能量，与金属表面势垒E0和费米能级EF有关）不同，电位差V?12?自由电子密度不同，电位差V??12?1(?b??a)?V2?V1；b两种金属ekTnaln。 enbB温差电位差：指金属两端温度不同引起热流，造成自由电子流动，从而引起的电位差。热

端高能电子向冷端扩散，热端带正电，冷端带负电，金属内部产生阻止电子扩散的温差电场，稳定后为Va（T1，T2）、Vb(T1，T2)。 总电位差：

?12?V12(T1)?V12(T2)?V2(T1,T2)?V1(T1,T2)?(T1?T2)lnken1?V2(T1,T2)?V1(T1,T2)n2塞贝克效应应用：测量温度、温差发电、材料成分组织分析。

中间金属定律：一系列金属串联的接触电势，只要中间金属两端温度相同，不论其性质如何都与中间金属无关，只与两端金属有关。

2）第二热电效应（波尔帖效应P148）：指电流通过两个不同金属接触点，除电流产生焦耳热，还额外产生放热吸热的现象。焦耳热与电流方向无关，波尔贴热与电流方向有关且热力学可逆。正反通电，两次的热量差为2Q（两倍波尔帖热）。

产生机理：用接触电位差解释（P149图4-53），A接头处两金属接头有接触电位差V12，阻碍电流电子运动，电子反抗电场力做功eV12，电子动能减小；减速电子与金属原子相碰，从金属原子获得动能，则该处温度降低，需从外界吸收能量。B接头处接触电位差使电子运动加速，电子动能增加eV12，碰撞将动能传递给原子，温度升高释放热量。

3）第三热电效应（汤姆逊效应P149）：指当电流通过有温差的导体时，会有一横向热流流入或流出导体（横向吸热或放热），其方向视电流或温度梯度方向而定的现象：dQdT??I。 dtdx产生机理：（P149 图4-54）金属存在温差时，高温端电子扩散快为正电，低温端为负电，

形成高温端指向低温端的电位差，当外加电流与V(T1，T2)同向时，电子被温差电场加速获得能量，与晶格碰撞传给晶格，金属能量升高并放热。外加电流反向则吸热。

? 一个由两种导体组成的回路，接触端温度不同，三种热效应会同时产生：塞贝克热效应

产生热电势、热电流，热电流通过接触点要吸收或放出波尔帖热，通过导体时要吸收或放出汤姆逊热。

第三章 材料的介电性能

1.电介质（P154）：放在平板电容器中增加电容的材料称为介电材料。电介质即在电场作用

下能建立极化的物质。

2.束缚（感应）电荷：在真空平板电容中嵌入一块电介质，外加电场时，正极板附近的介质

表面感应出负电荷，负极板介质表面感应出正电荷，这种感应出的表面电荷称为束缚电荷。

3.电介质极化：电介质在电场作用下产生束缚电荷的现象，可使电容器增加电荷的存储能力。 4.电介质的压电性、热释电性、铁电性的产生条件：

1）压电性（P181）：在晶体的一些特定方向上加力，在力的垂直方向的平面出现正、负束缚电荷的现象。产生条件：A必须是电介质；B结构必须带有正、负电荷的质点，有离子或离子团的存在，即必须为离子晶体或由离子团组成的分子晶体；C结构没有对称中心。 2）热释电性(P182)：晶体由于温度作用使电极化强度变化。条件：A具有自发极化（固有