材料物理性能干货省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第五章第五章总结总结1、磁性分类、磁性分类2、铁磁性微观本质、铁磁性微观本质自发磁化、磁畴、自发磁化、磁畴、物质磁性起源物质磁性起源铁磁性产生充要条件铁磁性产生充要条件3、铁磁性材料特征、铁磁性材料特征自发磁化、磁畴自发磁化、磁畴磁化曲线磁化曲线磁滞回线磁滞回线第1页1、材料磁性分类、材料磁性分类(1)抗磁性抗磁性1）磁化强度）磁化强度M与与H方向相反；方向相反；2）磁化率）磁化率0充分条件充分条件（含有一定晶体结构）含有一定晶体结构）为何温度升高铁磁性转变为顺磁性？为何温度升高铁磁性转变为顺磁性？1）温度升高，原子间距最大，交互作用降低；）温度升高，原子间距最大，交互作用降低；2）温度升高，热运动破坏了磁矩同相排列（自发磁化）；）温度升高，热运动破坏了磁矩同相排列（自发磁化）；3）当温度升高到）当温度升高到TTc，自发磁化不存在，铁磁性转变为，自发磁化不存在，铁磁性转变为顺磁性。顺磁性。第4页4、铁磁性物质基本特征铁磁性物质基本特征铁磁性物质特征铁磁性物质特征：自发磁化自发磁化磁畴磁畴居里温度居里温度磁滞回线磁滞回线1、自发磁化：经过物质内本身某种作用将磁矩排列为有、自发磁化：经过物质内本身某种作用将磁矩排列为有序取向现象，称为自发磁化。序取向现象，称为自发磁化。2、磁畴磁畴：磁性材料内部自发磁化小区域。磁性材料内部自发磁化小区域。3、磁致伸缩：铁磁性物质在磁场中磁化，伴伴随磁化，、磁致伸缩：铁磁性物质在磁场中磁化，伴伴随磁化，它长度和体积同时发生改变。这种现象称为磁致伸缩。它长度和体积同时发生改变。这种现象称为磁致伸缩。第5页铁磁体磁化曲线铁磁体磁化曲线磁化曲线三种形式磁化曲线三种形式开始开始M增加比较迟缓以后增增加比较迟缓以后增加较快加较快最终到达最终到达Ms(饱和磁化强度饱和磁化强度)纵坐标改为磁感应强度纵坐标改为磁感应强度B，对应于平衡值对应于平衡值Ms磁感应强磁感应强度值称为饱和磁感应强度度值称为饱和磁感应强度(Bs）磁导率磁导率随随H改变改变磁导率磁导率是是B-H曲线上斜率曲线上斜率在在B-H曲线上，当曲线上，当H0时斜率称时斜率称为初（起）始磁导率为初（起）始磁导率i初（起）始磁导率是磁性材料主初（起）始磁导率是磁性材料主要性能指标之一要性能指标之一M(B)与与H改变关系改变关系磁导率磁导率随随H改变改变第6页BHoc起始磁化曲线为起始磁化曲线为oc,当外磁场减小时，介当外磁场减小时，介质中磁场并不沿起始磁化曲线返回，而是质中磁场并不沿起始磁化曲线返回，而是滞后于外磁场改变，滞后于外磁场改变，磁滞现象磁滞现象磁滞现象磁滞现象。HcBrHc当外磁场为当外磁场为0时，介质中磁场时，介质中磁场并不为并不为0，有一剩磁，有一剩磁Br;矫顽力矫顽力加反向磁场加反向磁场Hc，使介质内部磁场为使介质内部磁场为0，继续增加反向磁场，介质到达继续增加反向磁场，介质到达反向磁饱和状态；反向磁饱和状态；改变外磁场为正向磁场，不停改变外磁场为正向磁场，不停增加外场，介质又到达正向磁增加外场，介质又到达正向磁饱和状态。饱和状态。磁化曲线形成一磁化曲线形成一条磁滞回线。条磁滞回线。结论结论铁磁质不是一个常数，它是函数。B B改变落后于改变落后于H H，从而含有剩磁，即磁滞效，从而含有剩磁，即磁滞效应。应。铁磁体磁化曲线铁磁体磁化曲线第7页铁磁体磁化曲线铁磁体磁化曲线磁滞回线与磁滞回线与磁畴关系磁畴关系磁滞现象本质磁滞现象本质磁畴迁移运动受磁畴迁移运动受到阻力到阻力第8页磁性流体指是吸附有表面活性磁性流体指是吸附有表面活性剂磁性微粒在基载液中高度弥剂磁性微粒在基载液中高度弥散分布而形成稳定胶体体系。散分布而形成稳定胶体体系。磁性流体不但有强磁性，还含磁性流体不但有强磁性，还含有液体流动性。它在重力和电有液体流动性。它在重力和电磁力作用下能够长久保持稳定，磁力作用下能够长久保持稳定，不会出现沉淀或分层现象。不会出现沉淀或分层现象。磁性流体由磁性微粒、表面磁性流体由磁性微粒、表面活性剂和基裁液组成。活性剂和基裁液组成。图图525磁性液体组成磁性液体组成a）磁性流体磁性流体b)吸附表面活性剂磁性微粒吸附表面活性剂磁性微粒1-基载液基载液2-表面活性剂表面活性剂3-磁性微粒磁性微粒磁性微粒子功效材料磁性微粒子功效材料第9页5.4铁磁性物质基本特征铁磁性物质基本特征铁磁性物质特征铁磁性物质特征：自发磁化自发磁化磁畴磁畴居里温度居里温度磁滞回线磁滞回线一、自发磁化一、自发磁化 铁磁性物质内原子磁矩，经过某种作用，克服热运动无铁磁性物质内原子磁矩，经过某种作用，克服热运动无序效应，都能有序地取向，按不一样小区域分布。序效应，都能有序地取向，按不一样小区域分布。经过物质内本身某种作用将磁矩排列为有序取向现象，称经过物质内本身某种作用将磁矩排列为有序取向现象，称为自发磁化。为自发磁化。第10页铁磁性基本特征铁磁性基本特征磁性材料内部自发磁化小区域。磁性材料内部自发磁化小区域。每个区域内包含大量原子，这些原子磁矩都象一个个小磁铁每个区域内包含大量原子，这些原子磁矩都象一个个小磁铁那样整齐排列，但那样整齐排列，但相邻不一样区域之间原子磁矩排列方向不相邻不一样区域之间原子磁矩排列方向不一样。一样。各个磁畴之间交界面称为各个磁畴之间交界面称为磁畴壁磁畴壁。宏观物体普通总是含有很多磁畴，磁畴磁矩方向各不相同，宏观物体普通总是含有很多磁畴，磁畴磁矩方向各不相同，结果相互抵消，矢量和为零，整个物体磁矩为零，不对外显结果相互抵消，矢量和为零，整个物体磁矩为零，不对外显示出磁性。示出磁性。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。被磁化以后，它才能对外显示出磁性。二、磁畴二、磁畴第11页对于全部磁性材料来说，并不是在任何温度下都含有磁对于全部磁性材料来说，并不是在任何温度下都含有磁性。性。普通地，磁性材料含有一个普通地，磁性材料含有一个临界温度临界温度临界温度临界温度TcTc，在这个温度以上，在这个温度以上，因为高温下原子猛烈热运动，原子磁矩排列是混乱无序。因为高温下原子猛烈热运动，原子磁矩排列是混乱无序。在在临界温度临界温度临界温度临界温度TcTc温度以下，原子磁矩排列整齐，产生自发磁温度以下，原子磁矩排列整齐，产生自发磁化，物体变成化，物体变成铁磁性或亚铁磁性铁磁性或亚铁磁性。所以，居里温度所以，居里温度是铁磁体或亚铁磁体相变转变点，是铁磁体或亚铁磁体相变转变点，铁磁态或亚铁磁态铁磁态或亚铁磁态顺磁态顺磁态Tc三、铁磁性材料居里温度铁磁性材料居里温度铁磁性基本特征铁磁性基本特征第12页四、铁磁性自发磁化起源铁磁性铁磁性自发磁化自发磁化起源于起源于电子间静电交换相互作用电子间静电交换相互作用。静电交换。静电交换相互作用主要由电子自旋磁矩产生相互作用主要由电子自旋磁矩产生1）铁磁性产生必要条件：原子电子壳层有未被电子填满状态。）铁磁性产生必要条件：原子电子壳层有未被电子填满状态。Fe3d4个未填满状态个未填满状态4Ni3d2个未填满状态个未填满状态2产生较大磁矩产生较大磁矩Co3d3个未填满状态个未填满状态3Mn3d5个未填满状态个未填满状态5不是铁磁性不是铁磁性原子中存在未被电子填满状态只是必要条件。不是充分条件原子中存在未被电子填满状态只是必要条件。不是充分条件2 1 0 -1 -2第13页2）铁磁性产生充分条件依据键合理论，当原子相互靠近形成份子时，依据键合理论，当原子相互靠近形成份子时，电子云相互重合，电子云相互重合，电子要相互交换位置电子要相互交换位置。对于过渡金属，对于过渡金属，3d状态与状态与s态能量相差不大，电态能量相差不大，电子云相互重合时，将引发子云相互重合时，将引发s、d状态电子云重状态电子云重新分配。新分配。交换相互作用交换相互作用铁磁性产生充分条件铁磁性产生充分条件第14页铁磁性产生条件铁磁性产生条件1、原子内部要有未填满电子壳层原子内部要有未填满电子壳层必要条件必要条件（原子固有磁矩（原子固有磁矩不为零）不为零）2、电子交换积分电子交换积分A0充分条件充分条件（含有一定晶体结构）含有一定晶体结构）为何温度升高铁磁性转变为顺磁性为何温度升高铁磁性转变为顺磁性？1）温度升高，原子间距最大，交互作用降低；）温度升高，原子间距最大，交互作用降低；2）温度升高，热运动破坏了磁矩同相排列（自发磁化）；）温度升高，热运动破坏了磁矩同相排列（自发磁化）；3）当温度升高到）当温度升高到TTc，自发磁化不存在，铁磁性转变为，自发磁化不存在，铁磁性转变为顺磁性。顺磁性。第15页铁磁体磁化曲线铁磁体磁化曲线磁化曲线三种形式磁化曲线三种形式开始开始M增加比较迟缓以后增增加比较迟缓以后增加较快加较快最终到达最终到达Ms(饱和磁化强度饱和磁化强度)纵坐标改为磁感应强度纵坐标改为磁感应强度B，对应于平衡值对应于平衡值Ms磁感应强磁感应强度值称为饱和磁感应强度度值称为饱和磁感应强度(Bs）磁导率磁导率随随H改变改变磁导率磁导率是是B-H曲线上斜率曲线上斜率在在B-H曲线上，当曲线上，当H0时斜率称时斜率称为初（起）始磁导率为初（起）始磁导率i初（起）始磁导率是磁性材料主初（起）始磁导率是磁性材料主要性能指标之一要性能指标之一M(B)与与H改变关系改变关系磁导率磁导率随随H改变改变第16页惯用技术磁化量惯用技术磁化量B=0(H十M)=(1+x)=B/0H起始磁导率最大磁导率拐点K处斜率剩磁剩下磁化强度Mr（磁感应强度Br）矫顽力Hc磁滞现象：在退磁过程中，磁化强度落后于磁场强度现象。磁滞损耗：磁滞回线所包围面积（磁化一周所消耗功）第17页三、三、磁各向异性与磁致伸缩磁各向异性与磁致伸缩 同一铁磁物质单晶体，同一铁磁物质单晶体，其磁化曲线随晶轴方向其磁化曲线随晶轴方向不一样而有所差异，即不一样而有所差异，即磁性随晶轴方向而异。磁性随晶轴方向而异。这种现象称为磁晶各向这种现象称为磁晶各向异性。异性。沿铁磁体不一样晶轴方向磁化沿铁磁体不一样晶轴方向磁化难易程度不一样，磁化曲线也不难易程度不一样，磁化曲线也不相同。相同。铁磁单晶体在磁性上是各向异性铁磁单晶体在磁性上是各向异性1 1、磁各向异性、磁各向异性第18页磁各向异性能磁各向异性能从能量角度，铁磁体从退磁状态磁化到饱和状态，从能量角度，铁磁体从退磁状态磁化到饱和状态，M-H曲线与曲线与M轴之间所包围面积等于磁化过程做功轴之间所包围面积等于磁化过程做功（537）磁各向异性能：磁各向异性能：饱和磁化强度矢量在铁磁体中取不一样方向饱和磁化强度矢量在铁磁体中取不一样方向而改变能量。而改变能量。磁晶各向异性能与磁化强度矢量在晶体中相磁晶各向异性能与磁化强度矢量在晶体中相对晶轴取向相关。对晶轴取向相关。在易磁化轴方向上，磁晶各向异性能最小，而在难磁化在易磁化轴方向上，磁晶各向异性能最小，而在难磁化轴方向上，磁晶各向异性能最大。轴方向上，磁晶各向异性能最大。第19页2、磁致伸缩、磁致伸缩铁磁性物质在磁场中磁化，伴伴随磁化，它长度和体积同时铁磁性物质在磁场中磁化，伴伴随磁化，它长度和体积同时发生改变。这种现象称为发生改变。这种现象称为磁致伸缩磁致伸缩。磁致伸缩现象有三种：磁致伸缩现象有三种：1）沿着外磁场方向尺寸大小相对改变称为）沿着外磁场方向尺寸大小相对改变称为纵向磁致伸缩纵向磁致伸缩；2）垂直于外磁场方向尺寸大小相对改变称为）垂直于外磁场方向尺寸大小相对改变称为横向磁致伸缩横向磁致伸缩。3）铁磁体被磁化时其体积大小相对改变称为）铁磁体被磁化时其体积大小相对改变称为体积磁致伸缩体积磁致伸缩。由磁致伸缩造成形变普通比较小，其范围在由磁致伸缩造成形变普通比较小，其范围在10-510-6之间之间，即使磁致伸缩引发形变比较小，但它在控制，即使磁致伸缩引发形变比较小，但它在控制畴结构畴结构和和技术磁化技术磁化过程中是一个很主要原因。过程中是一个很主要原因。TbFe2机器人、传感器、驱动器（机器人、传感器、驱动器（10-3）第20页磁致伸缩与外磁场关系铁磁体磁致伸缩铁磁体磁致伸缩随外磁场增加而改变，最终随外磁场增加而改变，最终到达到饱和值到达到饱和值 s磁性材料饱和磁致伸缩系数。磁性材料饱和磁致伸缩系数。磁致伸缩产生原因磁致伸缩产生原因：因为每个畴内晶格沿磁畴磁化强度方向自发地形因为每个畴内晶格沿磁畴磁化强度方向自发地形变，且应变轴伴随磁畴磁化强度转动而转动，从变，且应变轴伴随磁畴磁化强度转动而转动，从而造成磁体整体有一形变。而造成磁体整体有一形变。第21页磁致伸缩大小与外磁场大小相关磁致伸缩大小与外磁场大小相关饱和磁化状态下磁致伸缩系数饱和磁化状态下磁致伸缩系数 s作为磁性材料一个作为磁性材料一个磁性参数。不一样材料磁致伸缩系数磁性参数。不一样材料磁致伸缩系数 s也是不一也是不一样：样：s0称为正磁致伸缩称为正磁致伸缩正磁致伸缩是指沿磁场正磁致伸缩是指沿磁场方向伸长，而垂直于磁场方向缩短，比如铁就是方向伸长，而垂直于磁场方向缩短，比如铁就是属于这一类。属于这一类。s0则称为负磁致伸缩则称为负磁致伸缩。负磁致伸缩则是沿场磁化。负磁致伸缩则是沿场磁化方向缩短，在垂直于磁化方向伸长，镍属于这一方向缩短，在垂直于磁化方向伸长，镍属于这一类。类。第22页 软磁材料特征软磁材料特征含有较高磁导率和较高饱和磁感含有较高磁导率和较高饱和磁感应强度；应强度；较小矫顽力（矫顽力很小，即较小矫顽力（矫顽力很小，即磁场方向和大小发生改变时磁畴磁场方向和大小发生改变时磁畴壁很轻易运动）和较低磁滞损耗，壁很轻易运动）和较低磁滞损耗，磁滞回线很窄；磁滞回线很窄；在磁场作用下非常轻易磁化；在磁场作用下非常轻易磁化；取消磁场后很轻易退磁化取消磁场后很轻易退磁化 软铁、坡莫合金、硒钢片、铁软铁、坡莫合金、硒钢片、铁铝合金、铁镍合金等。铝合金、铁镍合金等。因为软磁材料磁滞损耗小，因为软磁材料磁滞损耗小，适适用在交变磁场中，如变压适适用在交变磁场中，如变压器铁芯、继电器、电动机转子、器铁芯、继电器、电动机转子、定子都是用软件磁性材料制成。定子都是用软件磁性材料制成。磁性材料磁性材料第23页(二二)硬磁材料硬磁材料硬磁材料又称永磁材料，硬磁材料又称永磁材料，难于磁化又难于退磁。难于磁化又难于退磁。主要特点主要特点含有较大矫顽力，经典值含有较大矫顽力，经典值Hc104106A/m；磁滞回线较粗，含有较高最大磁磁滞回线较粗，含有较高最大磁能积能积(BH)max；剩磁很大；剩磁很大；这种材料充磁后不易退磁，适合这种材料充磁后不易退磁，适合做永久磁铁。做永久磁铁。硬磁性材料如碳钢、铝镍钴合金硬磁性材料如碳钢、铝镍钴合金和铝钢等。和铝钢等。磁性材料磁性材料第24页习题1 1、试述物质磁性分类及其特点，并绘出磁化曲线。、试述物质磁性分类及其特点，并绘出磁化曲线。2 2、自发磁化物理本质是什么、自发磁化物理本质是什么?物质含有铁磁性充要条件是哪物质含有铁磁性充要条件是哪些？些？3 3、依据居里、依据居里-外斯定律外斯定律 ，说明磁化率与温度，说明磁化率与温度关系。并在磁化率关系。并在磁化率 温度曲线上标出其代表对应磁性。温度曲线上标出其代表对应磁性。4 4、简述磁性材料主要应用领域，、简述磁性材料主要应用领域，说明其应用对磁性能要求。说明其应用对磁性能要求。第25页材料电性能差异主要由其外层电子来决定，而外层电子因材料电性能差异主要由其外层电子来决定，而外层电子因为受原子核和周围势场影响，使电子分布在不一样能带上，为受原子核和周围势场影响，使电子分布在不一样能带上，从而造成了不一样材料电性能差异。从而造成了不一样材料电性能差异。理想完整晶体在绝对零度时电阻为零理想完整晶体在绝对零度时电阻为零.电阻产生总是伴伴随晶体不完整性。电阻产生总是伴伴随晶体不完整性。为何产生电阻？为何产生电阻？resistance（1）温度引发晶格）温度引发晶格热振动热振动加大，使晶格对自由电子散射增加大，使晶格对自由电子散射增大，产生电阻。大，产生电阻。thermalvibration（2）其它组元加入及）其它组元加入及晶格畸变晶格畸变,引发晶格周期性势场规律性引发晶格周期性势场规律性和能带结构改变等和能带结构改变等.crystallatticeaberrance第26页3-1材料导电材料导电性性1、载流子、载流子（carrier;chargecarrier）导电性源于载流子在电场作用下迁移运动。电荷定向运动导电性源于载流子在电场作用下迁移运动。电荷定向运动产生了电流，电荷载体称为产生了电流，电荷载体称为载流子载流子。载流子是含有电荷自由粒子载流子是含有电荷自由粒子，在电场作用下可产生电流。，在电场作用下可产生电流。载流子载流子:电子、空穴、正、负离子、杂质电子、空穴、正、负离子、杂质。不一样材料载流子不一样材料载流子金属金属自由电子自由电子（电导率高（电导率高导电性好）导电性好）半导体半导体自由电子、空穴自由电子、空穴离子固体离子固体自由电子、空穴、正负离子自由电子、空穴、正负离子（室温绝缘体（室温绝缘体T高高电导率大）电导率大）（无机非金属）（无机非金属）高分子材料高分子材料正负离子、杂质（导电性）正负离子、杂质（导电性）第27页1、材料电导、材料电导在一定温度下，自由电子作无规则热运动，没在一定温度下，自由电子作无规则热运动，没有定向流动。有定向流动。当有当有电场电场E存在时，电子产生定向运动，形成电存在时，电子产生定向运动，形成电流，电流大小用流，电流大小用电流强度电流强度I度量。依据度量。依据导电性原理导电性原理，能够用能够用载流子数量、迁移率及所带电量载流子数量、迁移率及所带电量来反应电来反应电流大小。电流强度流大小。电流强度I或电流密度或电流密度J为为（3-1）（3-2）第28页怎样了解材料电导现象怎样了解材料电导现象必须明确几个问题参加迁移是哪种参加迁移是哪种载流子载流子相关载流子类别类别问题carriersort载流子载流子数量有多大数量有多大相关载流子浓度、载流相关载流子浓度、载流子子产生产生过程问题过程问题carrierdensity载流子载流子迁移速度大小迁移速度大小相关载流子输运输运过程问题carriertransferspeed第29页2、决定电导率基本参数决定电导率基本参数conductanceparameters载流子电量载流子电量电子、空穴、正离子、负离子电子、空穴、正离子、负离子载流子数载流子数chargecarrierdensity-n,个个/m3载流子迁移率载流子迁移率electronmobility-(物理意义为载流子在单位电场中迁移速度物理意义为载流子在单位电场中迁移速度)=/E电流密度电流密度单位时间（单位时间（1s）经过单位截面积电荷量）经过单位截面积电荷量）Jnq 电导率电导率=J/E=nq E=nq第30页电导宏观参数电导宏观参数1、电阻率、电阻率2、电导率、电导率3、相对电导率（、相对电导率（IACS%）工程中惯用工程中惯用表示导体材料导电性能。表示导体材料导电性能。国际上把标准软铜在室温国际上把标准软铜在室温20。C下电阻率下电阻率=0.01724mm2/m电阻率作为电阻率作为100%，其它材料电，其它材料电导率与之相比百分数为该材料相对电导率。导率与之相比百分数为该材料相对电导率。第31页3.2金属导电性金属导电性金属导电金属导电自由电子定向运动。自由电子定向运动。金属导体载流子金属导体载流子自由电子自由电子1、金属导电机制、金属导电机制材料导电性取决于材料导电性取决于能带结构和电子填充情况能带结构和电子填充情况。实际上。实际上对金属导电有贡献仅仅是费米面附近电子，只有它们能够对金属导电有贡献仅仅是费米面附近电子，只有它们能够在电场作用下进入能量较高能级；能量比费米能级在电场作用下进入能量较高能级；能量比费米能级Ef低得低得多电子，其附近状态已被电子占据，没有空状态而不能从多电子，其附近状态已被电子占据，没有空状态而不能从电场中取得能量来改变状态，这种电子不参加导电。所以，电场中取得能量来改变状态，这种电子不参加导电。所以，金属电导与电子在费米面处能态密度和驰豫时间有亲密关金属电导与电子在费米面处能态密度和驰豫时间有亲密关系。系。第32页影响金属导电性原因影响金属导电性原因温度温度:thermalvibration杂质杂质:solidsolution塑性形变塑性形变:dislocation缺点缺点散射散射第33页3.2.2本征本征载流子浓度载流子浓度1）在绝对零度时，半导体价带是被填满，导带是全空）在绝对零度时，半导体价带是被填满，导带是全空材料电导率为零材料电导率为零2）温度升高，价带中部分电子跃迁到导带，并在价带中留）温度升高，价带中部分电子跃迁到导带，并在价带中留下等量空穴。导带中电子和价带中空穴含有相反电荷，在下等量空穴。导带中电子和价带中空穴含有相反电荷，在电场作用下沿着相反方向运动，这种电场作用下沿着相反方向运动，这种由本征热激发产生载由本征热激发产生载流子流子本征载流子本征载流子。3）本征载流子不停由热激发成对产生，不停复合而成对消）本征载流子不停由热激发成对产生，不停复合而成对消失，失，载流子电子和空穴浓度是相等。载流子电子和空穴浓度是相等。载流子浓度与温度呈指数关系载流子浓度与温度呈指数关系第34页施主能级施主能级受主能级受主能级杂质能级：杂质能够使电子在其周围运动形成量子态杂质能级：杂质能够使电子在其周围运动形成量子态第35页34离子电导离子电导离子导电是带电荷离子导电是带电荷离子载流子离子载流子在电场作用下定向运动。在电场作用下定向运动。参加电导载流子为离子和杂质。参加电导载流子为离子和杂质。离子导电可分为两类：本征电导和杂质电导。离子导电可分为两类：本征电导和杂质电导。1）本征电导源于晶体点阵基本）本征电导源于晶体点阵基本离子热运动离子热运动。离子本身伴随。离子本身伴随热振动离开晶格，形成热缺点。这些热振动离开晶格，形成热缺点。这些热热缺点缺点（离子、空位）（离子、空位）在电场作用下成为在电场作用下成为导电载流子导电载流子，这种导电称为，这种导电称为本征电导，本征电导，在高温下本征电导起主要作用。在高温下本征电导起主要作用。2）杂质电导参加电导）杂质电导参加电导载流子载流子主要是主要是杂质杂质。因为杂质离子与。因为杂质离子与晶格联络较弱，故在较低温度下杂质电导是作为离子电导晶格联络较弱，故在较低温度下杂质电导是作为离子电导主要贡献者。主要贡献者。第36页344影响离子电导原因影响离子电导原因1温度温度离子电导随温度升高，电导率快速增大，并呈离子电导随温度升高，电导率快速增大，并呈指数关系。伴随温度由低温到高温，指数关系。伴随温度由低温到高温，ln和和1/T曲曲线出现拐点线出现拐点A，把曲线分为两部分。，把曲线分为两部分。1代表低温区域是杂质导电。代表低温区域是杂质导电。2代表高温区域是本征导电。代表高温区域是本征导电。图图3-10杂质离子电导与温度关系杂质离子电导与温度关系比如：比如：NaCl在低温下，是杂质离子电导，在高温下在低温下，是杂质离子电导，在高温下主要为离子电导，也会出现转折点。主要为离子电导，也会出现转折点。第37页2、离子性质和晶体结构、离子性质和晶体结构离子性质和晶体结构对离子电导影响是经过改变离子性质和晶体结构对离子电导影响是经过改变导电活导电活化能化能来实现。活化能大小又取决于晶体间各粒子结协力。来实现。活化能大小又取决于晶体间各粒子结协力。而晶体结协力受以下原因影响：而晶体结协力受以下原因影响：1)熔点：熔点高晶体，原子间结协力大，对应活化能也高。熔点：熔点高晶体，原子间结协力大，对应活化能也高。所以，熔点高晶体离子载流子迁移率低，电导率也就低。所以，熔点高晶体离子载流子迁移率低，电导率也就低。2)离子化合价：一价正离子尺寸小，荷电小，对应活化能离子化合价：一价正离子尺寸小，荷电小，对应活化能也小。所以，离子载流子迁移率高，电导率也高。高价正也小。所以，离子载流子迁移率高，电导率也高。高价正离子价键强，活化能高，电导率就低。离子价键强，活化能高，电导率就低。3)晶体结构：晶体结构提供离子移动通路，堆积越紧密，晶体结构：晶体结构提供离子移动通路，堆积越紧密，结合能越高，可供移动离子数目就越少，而且移动也困难。结合能越高，可供移动离子数目就越少，而且移动也困难。所以，造成较低电导率。所以，造成较低电导率。体心立方结构晶体比面心立方结构晶体电导率要高。体心立方结构晶体比面心立方结构晶体电导率要高。第38页3晶体缺点晶体缺点在离子晶体中，点缺点是因为热振动产生。因在离子晶体中，点缺点是因为热振动产生。因为热活化作用，是晶体产生肖特基缺点和弗朗克为热活化作用，是晶体产生肖特基缺点和弗朗克尔缺点。尔缺点。伴随伴随缺点中空位增加，电导率提升缺点中空位增加，电导率提升。所以，离子电导与金属电导相反，缺点越多，电导所以，离子电导与金属电导相反，缺点越多，电导率越高。率越高。第39页1、超导体基本特征超导体基本特征超导体有三个主要特征：超导体有三个主要特征：（1）超导体含有完全导电性（零电阻效应）超导体含有完全导电性（零电阻效应）对于超导体来说，当温度降至某一温度以下，电阻突对于超导体来说，当温度降至某一温度以下，电阻突然消失特征，称为零电阻效应。然消失特征，称为零电阻效应。（2）超导体含有完全抗磁性（迈斯纳效应）超导体含有完全抗磁性（迈斯纳效应）把处于超导状态超导体置入磁场中，当磁场强度把处于超导状态超导体置入磁场中，当磁场强度H不不超出临界值超出临界值Hc，磁力线就无法穿过试样，超导体中磁感应，磁力线就无法穿过试样，超导体中磁感应强度强度B一直为零，称为完全抗磁性。一直为零，称为完全抗磁性。（3）超导体含有通量量子化（约瑟夫逊效应）超导体含有通量量子化（约瑟夫逊效应）当两块超导体之间绝缘层薄至靠近原子尺寸时，超导当两块超导体之间绝缘层薄至靠近原子尺寸时，超导电子对能够穿过绝缘层产生隧道电流，即超导体电子对能够穿过绝缘层产生隧道电流，即超导体-绝缘体绝缘体-超导体（超导体（SIS）含有超导电性。这就是所谓通量量子化。）含有超导电性。这就是所谓通量量子化。第40页2、超导体临界参数、超导体临界参数实际使用超导材料中，有三个临界性能参数决定材料是否处实际使用超导材料中，有三个临界性能参数决定材料是否处于超导态。这三个性能指标是：于超导态。这三个性能指标是：第一个性能指标第一个性能指标超导体临界转变温度超导体临界转变温度Tc当温度低于临界转变温度时，材料处于超导态，当温度当温度低于临界转变温度时，材料处于超导态，当温度高于临界转变温度时，它会恢复正常态。高于临界转变温度时，它会恢复正常态。第二个性能指标第二个性能指标临界磁场强度临界磁场强度Hc当温度低于临界转变温度时（当温度低于临界转变温度时（TTc），若磁场强度），若磁场强度H大于大于某一个临界值某一个临界值Hc时，磁场将破坏超导态，使材料从超导态时，磁场将破坏超导态，使材料从超导态转变为正常态，此时磁场强度称为临界磁场强度转变为正常态，此时磁场强度称为临界磁场强度Hc。第三个性能指标第三个性能指标临界电流密度临界电流密度Jc除磁场强度影响超导转变温度外，电流密度也影响超导状除磁场强度影响超导转变温度外，电流密度也影响超导状态。研究发觉，临界电流密度不但是温度函数，而且与磁态。研究发觉，临界电流密度不但是温度函数，而且与磁场有亲密关系场有亲密关系。第41页FIGURECriticaltemperature,currentdensity,andmagneticfieldboundaryseparatingsuperconductingandnormalconductingstates超导电性超导电性在一定在一定低温下材料突然失去低温下材料突然失去电阻现象电阻现象第42页三个性能指标三个性能指标三个性能指标三个性能指标超导转变温度超导转变温度Tc愈高愈好临界磁场临界磁场Hc破坏超导态最小磁场。随温度降低，Hc将增加；当TTc时,临临界界电电流流密密度度Jc保持超导状态最大输入电流(与Hc相关）第43页3、超导体材料种类、超导体材料种类1、元素超导体、元素超导体元素周期表中有元素周期表中有28种元素及合金种元素及合金（Ti,V,Nb,Mo,W,Zn,Cd,Al,Pb,In,及合金及合金NbTi）。其中）。其中Nb临界温度最高，为临界温度最高，为9.2K。2、合金超导体、合金超导体最早发觉最早发觉Nb-Zr和和Nb-Ti二元合金，七十年代以后发觉二元合金，七十年代以后发觉三元超导合金三元超导合金Nb-ZrTiV-Zr-H等，已作为磁流体发电机等，已作为磁流体发电机大型磁体。合金超导材料含有强度高、应力应变小、临界大型磁体。合金超导材料含有强度高、应力应变小、临界磁场强度高、成本低易于生产优点。磁场强度高、成本低易于生产优点。3、氧化物超导体、氧化物超导体含有叫高临界温度、临界磁场强度和临界电流密度，含有叫高临界温度、临界磁场强度和临界电流密度，又称高温超导体。但这类材料较脆又称高温超导体。但这类材料较脆,加工困难。其中比较加工困难。其中比较主要有：主要有：YBa2Cu3O7(Tc=80K)、Bi2Sr2Ca2Cu3O10(Tc=110K)。第44页超导材料分类超导材料分类超导材料按其在磁场中超导材料按其在磁场中磁化行为磁化行为分成两类。分成两类。1）第一类超导体）第一类超导体这类超导体在磁场中有不一样规律，磁矩与外磁场关系这类超导体在磁场中有不一样规律，磁矩与外磁场关系如图如图3-27（a）所表示。）所表示。a)当磁场强度低于临界磁场强度时（当磁场强度低于临界磁场强度时（HHc）,磁感应强磁感应强度度B=H，不含有超导电性。，不含有超导电性。含有这一特征超导材料称为第一类超导材料。非金属元素含有这一特征超导材料称为第一类超导材料。非金属元素和大部分过渡金属（除和大部分过渡金属（除Nb、V、Ru外）都属于这类超导外）都属于这类超导体。体。第45页超导体磁化曲线超导体磁化曲线a)第一类超导体第一类超导体b)第二类超导体第二类超导体试验证实，第二类超导体临界转变温度试验证实，第二类超导体临界转变温度Tc、临界磁场强度、临界磁场强度Hc和临界电流密度和临界电流密度Jc要比第一类超导体高得多。要比第一类超导体高得多。第二类超导体在应用技术上更为主要。第二类超导体在应用技术上更为主要。第46页第二类超导体第二类超导体该类超导体该类超导体a)HHc1时时,有部分磁场穿入导体内，此时有部分磁场穿入导体内，此时0BHc2时，磁感应强度时，磁感应强度B=H，磁场完全穿透，超，磁场完全穿透，超导电性才消失。导电性才消失。d)当磁场介于当磁场介于Hc1与与Hc2之间时，超导体既不是迈斯纳态，之间时，超导体既不是迈斯纳态，也不是正常态，此态称为混合态。含有这一特征超导材料也不是正常态，此态称为混合态。含有这一特征超导材料称为第二类超导材料。称为第二类超导材料。非金属元素和大部分过渡金属（除非金属元素和大部分过渡金属（除Nb、V、Ru外）都属于这外）都属于这类超导体。大多数合金及类超导体。大多数合金及Nb、V、Ru等元素属于这类超等元素属于这类超导体。导体。第47页习题1 1、试述影响金属、半导体、无机材料、高分子材料、试述影响金属、半导体、无机材料、高分子材料 和和 陶瓷材料电阻率原因。陶瓷材料电阻率原因。2 2、分析金属、半导体、无机材料导电机制，怎样提、分析金属、半导体、无机材料导电机制，怎样提升其导电性能？升其导电性能？3 3、画出掺杂半导体能带示意图，说明、画出掺杂半导体能带示意图，说明P P、N N掺杂导电掺杂导电机理。机理。4 4、超导性三个基本特征是什么、超导性三个基本特征是什么？图示说明超导？图示说明超导材料处于超导态应具备哪些条件？材料处于超导态应具备哪些条件？第48页一维双原子链模型反应了晶格振动基本特征。在此仅讨论三维晶格振动主要结论。一、三维晶格振动主要结论单原子链 只有一支声学波；双原子链 有一支声学波和一支光学波；三维晶格振动 三支声学支();3n 3 支光学支(+)第七章：材料热学性能天津大学3 3、三维晶格振动和性质三维晶格振动和性质三维晶格振动和性质三维晶格振动和性质第49页固体热容主要来自二部分：1)晶格振动贡献；2)电子热运动贡献;通常只考虑晶格振动，除非在很低温度下才考虑电子热运动贡献。在热力学中，固体定容比热 。由经典统计力学总振动能量固体热容为 （杜隆-泊替定律）该定律在高温时与试验符合很好,但在低温下，能量均分经典理论不适用，须用晶格振动量子理论。E=(ni+1/2)i第七章：材料热学性能天津大学固体固体热容与晶格振容与晶格振动第50页第七章：材料热学性能天津大学 依据热经典动力学理论，以点阵结点为中心作振动原子，依据热经典动力学理论，以点阵结点为中心作振动原子，在一个自由度所含有：在一个自由度所含有：平均动能为平均动能为 平均势能为平均势能为 由能量均分定律：一个含有由能量均分定律：一个含有三个自由度三个自由度原子，振动时所含原子，振动时所含有总平均能量为有总平均能量为 E=E=3kT一摩尔原子物质内原子数为一摩尔原子物质内原子数为N=6.023X1023每摩尔原子物质总能量每摩尔原子物质总能量E3NkT 1 1、经典理论、经典理论第51页Cv=E-系统平均能量E=3NKTN=6.0221023R=NK=8.314J/mol.K摩尔热容为Cv=3NK=3R24.9（J/mol.K）晶体摩尔热容是一个与温度无关常量。杜隆-伯替定律它前提条件是在足够高温（室温以上）时，与试验结果符合很好。但在低温时，热容伴随温度下降将显著减小，与杜隆珀替定律就不一致。试验表明容随温度下降而降低，当T0K，Cv0第七章：材料热学性能天津大学杜隆杜隆-伯替定律伯替定律第52页第七章：材料热学性能天津大学2、爱因斯坦热容理论、爱因斯坦热容理论假定假定1 1）每个原子与它邻近原子之间作相互无关独立振动；每个原子与它邻近原子之间作相互无关独立振动；2 2）晶格中全部原子都以相同频率）晶格中全部原子都以相同频率E振动。振动。（7-47）式简化为）式简化为(749)(750)式中，为爱因斯坦比热函数。为爱因斯坦比热函数。第53页试验结果表明，大多数固体物质在比热发生显著改变宽广温度范围内，理论曲线值与试验数据能相当好地吻合。可是在极低温度下，因为比热和T3成正比，所以造成与试验数据很大偏差。这正是爱因斯坦模型局限。原因1、爱因斯坦模型忽略了每个原子与它邻近原子之间作用。2、爱因斯坦模型假定全部原子振动频率相同是过于简化了。第七章：材料热学性能天津大学爱因斯坦模型因斯坦模型第54页 说明：明：这与很多固体在低温下与很多固体在低温下 C CVVTT33试验规律不符。律不符。这是因是因为爱因斯坦模型因斯坦模型对晶体振晶体振动作了作了过分分简化。化。在在低低温温下下，只只有有 格格波波才才能能被被激激发，对热容容有有贡献献，频率率高高于于 格格波波已已经”冻结”，对热容容没没有有贡献献。爱因因斯斯坦坦模模型型单一一频率率格格波波只只近近似似描描写写光光学学波波，因因为光光学学波波普普通通频宽很很窄窄(随随 q q 改改变很很小小)，能能够近近似似用用单一一频率率描描述述。而而爱因因斯斯坦坦模模型型忽忽略略了了频率率较低低声声学学波波对热容容贡献献。在在低低温温下下声声学学波波对热容容贡献献恰恰恰恰又又是是主主要要。所所以以(2)(2)式式热容容随随温温度度下下降降比比试验结果更加快。果更加快。爱因斯坦模型主要适合用于光学波，或者因斯坦模型主要适合用于光学波，或者说不适合用于低温。不适合用于低温。第55页德拜假设:1)考虑晶体点阵间有相互作用；2）原子振动含有很宽频率范围。把晶体振动看成在各向同性介质中传输弹性波第七章：材料热学性能天津大学3 3、德、德、德、德拜拜拜拜热热容理容理容理容理论论 得出德拜假设振动谱区间内全部振子数表示式含有频率为一个振子平均能量为频率分布函数第56页将（758）式简写成（759）1）当TD时，Cv3N