材料物理性能干货.pptx

第五章第五章总结总结1、磁性的分类、磁性的分类2、铁磁性的微观本质、铁磁性的微观本质自发磁化、磁畴、自发磁化、磁畴、物质磁性的起源物质磁性的起源铁磁性产生的充要条件铁磁性产生的充要条件3、铁磁性材料的特性、铁磁性材料的特性自发磁化、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（具有一定晶体结构）具有一定晶体结构）为什么温度升高铁磁性转变为顺磁性？为什么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，热运动破坏了磁矩的同相排列（自发磁化）；）温度升高，热运动破坏了磁矩的同相排列（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。4、铁磁性物质的基本特征铁磁性物质的基本特征铁磁性物质的特性铁磁性物质的特性：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：通过物质内自身某种作用将磁矩排列为有、自发磁化：通过物质内自身某种作用将磁矩排列为有序取向的现象，称为自发磁化。序取向的现象，称为自发磁化。2、磁畴磁畴：磁性材料内部自发磁化的小区域。磁性材料内部自发磁化的小区域。3、磁致伸缩：铁磁性物质在磁场中磁化，伴随着磁化，、磁致伸缩：铁磁性物质在磁场中磁化，伴随着磁化，它的长度和体积同时发生变化。这种现象称为磁致伸缩。它的长度和体积同时发生变化。这种现象称为磁致伸缩。铁铁磁体的磁化曲线磁体的磁化曲线磁化曲线的三种形式磁化曲线的三种形式开始开始M的增加比较缓慢后来的增加比较缓慢后来增加较快增加较快最后达到最后达到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的磁感应的磁感应强度值称为饱和磁感应强度强度值称为饱和磁感应强度(Bs）磁导率磁导率随随H的变化的变化磁导率磁导率是是B-H曲线上的斜率曲线上的斜率在在B-H曲线上，当曲线上，当H0时的斜率时的斜率称为初（起）始磁导率称为初（起）始磁导率i初（起）始磁导率是磁性材料的初（起）始磁导率是磁性材料的重要性能指标之一重要性能指标之一M(B)与与H的变化关系的变化关系磁导率磁导率随随H的变化的变化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，介质中的磁场并不沿起始磁化曲线返回，而质中的磁场并不沿起始磁化曲线返回，而是滞后于外磁场变化，是滞后于外磁场变化，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，介质中的磁时，介质中的磁场并不为场并不为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，使介质内部的磁场为使介质内部的磁场为0，继续增加反向磁场，介质达到继续增加反向磁场，介质达到反向磁饱和状态；反向磁饱和状态；改变外磁场为正向磁场，不断改变外磁场为正向磁场，不断增加外场，介质又达到正向磁增加外场，介质又达到正向磁饱和状态。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。结论结论铁磁质的不是一个常数，它是的函数。B B的变化落后于的变化落后于H H，从而具有剩磁，即磁滞，从而具有剩磁，即磁滞效应。效应。铁磁体的磁化曲线铁磁体的磁化曲线铁磁体的磁化曲线铁磁体的磁化曲线磁滞回线与磁滞回线与磁畴的关系磁畴的关系磁滞现象的本质磁滞现象的本质磁畴的迁移运动磁畴的迁移运动受到阻力受到阻力磁性流体指的是吸附有表面活磁性流体指的是吸附有表面活性剂的磁性微粒在基载液中高性剂的磁性微粒在基载液中高度弥散分布而形成的稳定胶体度弥散分布而形成的稳定胶体体系。磁性流体不仅有强磁性，体系。磁性流体不仅有强磁性，还具有液体的流动性。它在重还具有液体的流动性。它在重力和电磁力的作用下能够长期力和电磁力的作用下能够长期保持稳定，不会出现沉淀或分保持稳定，不会出现沉淀或分层现象。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磁性液体的组成磁性液体的组成a）磁性流体磁性流体b)吸附表面活性剂的磁性微粒吸附表面活性剂的磁性微粒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能材料磁性微粒子功能材料5.4铁磁性物质的基本特征铁磁性物质的基本特征铁磁性物质的特性铁磁性物质的特性：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 铁磁性物质内的原子磁矩，通过某种作用，克服热运动铁磁性物质内的原子磁矩，通过某种作用，克服热运动的无序效应，都能有序地取向，按不同的小区域分布。的无序效应，都能有序地取向，按不同的小区域分布。通过物质内自身某种作用将磁矩排列为有序取向的现象，通过物质内自身某种作用将磁矩排列为有序取向的现象，称为自发磁化。称为自发磁化。铁磁性基本特征铁磁性基本特征磁性材料内部自发磁化的小区域。磁性材料内部自发磁化的小区域。每个区域内包含大量原子，这些原子的磁矩都象一个个小磁每个区域内包含大量原子，这些原子的磁矩都象一个个小磁铁那样整齐排列，但铁那样整齐排列，但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同。向不同。各个磁畴之间的交界面称为各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁磁畴壁。宏观物体一般总是具有很多磁畴，磁畴的磁矩方向各不相同，宏观物体一般总是具有很多磁畴，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，不对外结果相互抵消，矢量和为零，整个物体的磁矩为零，不对外显示出磁性。显示出磁性。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、磁畴对于所有的磁性材料来说，并不是在任何温度下都具有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。磁性。一般地，磁性材料具有一个一般地，磁性材料具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，由于高温下原子的剧烈热运动，原子磁矩的排列是混乱无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。在序的。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，产生温度以下，原子磁矩排列整齐，产生自发磁化，物体变成自发磁化，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的相变转变点，是铁磁体或亚铁磁体的相变转变点，铁磁态或亚铁磁态铁磁态或亚铁磁态顺磁态顺磁态Tc三、铁磁性材料的居里温度铁磁性材料的居里温度铁磁性基本特征铁磁性基本特征四、铁磁性自发磁化的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的静电交换相互作用电子间的静电交换相互作用。静电交。静电交换相互作用主要由电子自旋磁矩产生换相互作用主要由电子自旋磁矩产生1）铁磁性产生的必要条件：原子的电子壳层有未被电子填满）铁磁性产生的必要条件：原子的电子壳层有未被电子填满的状态。的状态。Fe3d4个未填满的状态个未填满的状态4Ni3d2个未填满的状态个未填满的状态2产生较大磁矩产生较大磁矩Co3d3个未填满的状态个未填满的状态3Mn3d5个未填满的状态个未填满的状态5不是铁磁性不是铁磁性原子中存在未被电子填满的状态只是必要条件。不是充分条件原子中存在未被电子填满的状态只是必要条件。不是充分条件2 1 0 -1 -22）铁磁性产生的充分条件根据键合理论，当原子相互接近形成分子时，根据键合理论，当原子相互接近形成分子时，电子云相互重叠，电子云相互重叠，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，电子云相互重叠时，将引起子云相互重叠时，将引起s、d状态的电子云状态的电子云重新分配。重新分配。交换相互作用交换相互作用铁磁性产生的充分条件铁磁性产生的充分条件铁磁性产生的条件铁磁性产生的条件1、原子内部要有未填满的电子壳层原子内部要有未填满的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（具有一定晶体结构）具有一定晶体结构）为什么温度升高铁磁性转变为顺磁性为什么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，热运动破坏了磁矩的同相排列（自发磁化）；）温度升高，热运动破坏了磁矩的同相排列（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。铁铁磁体的磁化曲线磁体的磁化曲线磁化曲线的三种形式磁化曲线的三种形式开始开始M的增加比较缓慢后来的增加比较缓慢后来增加较快增加较快最后达到最后达到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的磁感应的磁感应强度值称为饱和磁感应强度强度值称为饱和磁感应强度(Bs）磁导率磁导率随随H的变化的变化磁导率磁导率是是B-H曲线上的斜率曲线上的斜率在在B-H曲线上，当曲线上，当H0时的斜率时的斜率称为初（起）始磁导率称为初（起）始磁导率i初（起）始磁导率是磁性材料的初（起）始磁导率是磁性材料的重要性能指标之一重要性能指标之一M(B)与与H的变化关系的变化关系磁导率磁导率随随H的变化的变化常用技术磁化量常用技术磁化量B=0(H十M)=(1+x)=B/0H起始磁导率最大磁导率拐点K处的斜率剩磁剩余磁化强度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的现象。磁滞损耗：磁滞回线所包围的面积（磁化一周所消耗的功）三、三、磁各向异性与磁致伸缩磁各向异性与磁致伸缩 同一铁磁物质的单晶同一铁磁物质的单晶体，其磁化曲线随晶轴体，其磁化曲线随晶轴方向不同而有所差别，方向不同而有所差别，即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。沿铁磁体不同晶轴方向磁化的沿铁磁体不同晶轴方向磁化的难易程度不同，磁化曲线也不相难易程度不同，磁化曲线也不相同。同。铁磁单晶体在磁性上是各向异性的铁磁单晶体在磁性上是各向异性的1 1、磁各向异性、磁各向异性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轴之间所包围的面积等于磁化过程做的功轴之间所包围的面积等于磁化过程做的功（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同方向而饱和磁化强度矢量在铁磁体中取不同方向而改变的能量。改变的能量。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的取向有关。对晶轴的取向有关。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。2、磁致伸缩、磁致伸缩铁磁性物质在磁场中磁化，伴随着磁化，它的长度和体积同铁磁性物质在磁场中磁化，伴随着磁化，它的长度和体积同时发生变化。这种现象称为时发生变化。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的相对变化称为）沿着外磁场方向尺寸大小的相对变化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的相对变化称为）垂直于外磁场方向尺寸大小的相对变化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的相对变化称为）铁磁体被磁化时其体积大小的相对变化称为体积磁致伸缩体积磁致伸缩。由磁致伸缩导致的形变一般比较小，其范围在由磁致伸缩导致的形变一般比较小，其范围在10-510-6之间之间，虽然磁致伸缩引起的形变比较小，但它在控制，虽然磁致伸缩引起的形变比较小，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重要的因素。过程中是一个很重要的因素。TbFe2机器人、传感器、驱动器（机器人、传感器、驱动器（10-3）磁致伸缩与外磁场的关系铁磁体的磁致伸缩铁磁体的磁致伸缩随外磁场的增加而变化，随外磁场的增加而变化，最终达到到饱和值最终达到到饱和值 s磁性材料的饱和磁致伸缩磁性材料的饱和磁致伸缩系数。系数。磁致伸缩产生的原因磁致伸缩产生的原因：由于每个畴内的晶格沿磁畴的磁化强度方向自发由于每个畴内的晶格沿磁畴的磁化强度方向自发地形变，且应变轴随着磁畴磁化强度的转动而转地形变，且应变轴随着磁畴磁化强度的转动而转动，从而导致磁体整体有一形变。动，从而导致磁体整体有一形变。磁致伸缩的大小与外磁场的大小有关磁致伸缩的大小与外磁场的大小有关饱和磁化状态下的磁致伸缩系数饱和磁化状态下的磁致伸缩系数 s作为磁性材料的作为磁性材料的一个磁性参数。不同的材料的磁致伸缩系数一个磁性参数。不同的材料的磁致伸缩系数 s也也是不同的：是不同的：s0的称为正磁致伸缩的称为正磁致伸缩正磁致伸缩是指沿磁正磁致伸缩是指沿磁场方向伸长，而垂直于磁场方向缩短，例如铁就场方向伸长，而垂直于磁场方向缩短，例如铁就是属于这一类。是属于这一类。s0的则称为负磁致伸缩的则称为负磁致伸缩。负磁致伸缩则是沿场磁。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，镍属于这化方向缩短，在垂直于磁化方向伸长，镍属于这一类。一类。软磁材料的特征软磁材料的特征具有较高的磁导率和较高的饱和具有较高的磁导率和较高的饱和磁感应强度；磁感应强度；较小的矫顽力（矫顽力很小，较小的矫顽力（矫顽力很小，即磁场的方向和大小发生变化时即磁场的方向和大小发生变化时磁畴壁很容易运动）和较低磁滞磁畴壁很容易运动）和较低磁滞损耗，磁滞回线很窄；损耗，磁滞回线很窄；在磁场作用下非常容易磁化；在磁场作用下非常容易磁化；取消磁场后很容易退磁化取消磁场后很容易退磁化 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。由于软磁材料磁滞损耗小，由于软磁材料磁滞损耗小，适合用在交变磁场中，如变压适合用在交变磁场中，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(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。主要特点主要特点具有较大的矫顽力，典型值具有较大的矫顽力，典型值Hc104106A/m；磁滞回线较粗，具有较高的最大磁滞回线较粗，具有较高的最大磁能积磁能积(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。磁性材料磁性材料习题1 1、试述物质磁性的分类及其特点，并绘出磁化曲线。、试述物质磁性的分类及其特点，并绘出磁化曲线。2 2、自发磁化的物理本质是什么、自发磁化的物理本质是什么?物质具有铁磁性的充要条件物质具有铁磁性的充要条件是哪些？是哪些？3 3、根据居里、根据居里-外斯定律外斯定律 ，说明磁化率与温度，说明磁化率与温度的关系。并在磁化率的关系。并在磁化率 温度曲线上标出其代表的相应磁性。温度曲线上标出其代表的相应磁性。4 4、简述磁性材料的主要应用领域，、简述磁性材料的主要应用领域，说明其应用对磁性能的要求。说明其应用对磁性能的要求。材料的电性能的差别主要由其外层电子来决定，而外层电材料的电性能的差别主要由其外层电子来决定，而外层电子由于受原子核和周围势场的影响，使电子分布在不同能带子由于受原子核和周围势场的影响，使电子分布在不同能带上，从而导致了不同材料电性能的差别。上，从而导致了不同材料电性能的差别。理想完整的晶体在绝对零度时的电阻为零理想完整的晶体在绝对零度时的电阻为零.电阻的产生总是伴随着晶体的不完整性。电阻的产生总是伴随着晶体的不完整性。为什么产生电阻？为什么产生电阻？resistance（1）温度引起晶格的）温度引起晶格的热振动热振动加大，使晶格对自由电子的散加大，使晶格对自由电子的散射增大，产生电阻。射增大，产生电阻。thermalvibration（2）其它组元的加入及）其它组元的加入及晶格畸变晶格畸变,引起晶格周期性势场的规引起晶格周期性势场的规律性和能带结构的改变等律性和能带结构的改变等.crystallatticeaberrance3-1材料的导电材料的导电性性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。电荷的定向运导电性源于载流子在电场作用下迁移运动。电荷的定向运动产生了电流，电荷的载体称为动产生了电流，电荷的载体称为载流子载流子。载流子是具有电荷的自由粒子载流子是具有电荷的自由粒子，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。不同材料的载流子不同材料的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）1、材料的电导、材料的电导在一定温度下，自由电子作无规则的热运动，在一定温度下，自由电子作无规则的热运动，没有定向的流动。没有定向的流动。当有当有电场电场E的存在时，电子产生定向运动，形成的存在时，电子产生定向运动，形成电流，电流的大小用电流，电流的大小用电流强度电流强度I度量。根据度量。根据导电性导电性原理原理，可以用，可以用载流子的数量、迁移率及所带电量载流子的数量、迁移率及所带电量来反映电流的大小。电流强度来反映电流的大小。电流强度I或电流密度或电流密度J为为（3-1）（3-2）如何理解材料的电导现象如何理解材料的电导现象必须明确几个问题参与迁移的是哪种参与迁移的是哪种载流子载流子有关载流子类别类别的问题carriersort载流子载流子的数量有多大的数量有多大有关载流子浓度、载有关载流子浓度、载流子流子产生产生过程的问题过程的问题carrierdensity载流子载流子迁移速度的大小迁移速度的大小有关载流子输运输运过程的问题carriertransferspeed2、决定电导率的基本参数决定电导率的基本参数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的迁移速度物理意义为载流子在单位电场中的迁移速度)=/E电流密度电流密度单位时间（单位时间（1s）通过单位截面积的电荷量）通过单位截面积的电荷量）Jnq 电导率电导率=J/E=nq E=nq电导的宏观参数电导的宏观参数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%）工程中常用工程中常用表示导体材料的导电性能。表示导体材料的导电性能。国际上把标准软铜在室温国际上把标准软铜在室温20。C下的电阻率下的电阻率=0.01724mm2/m的电阻率作为的电阻率作为100%，其他材，其他材料的电导率与之相比的百分数为该材料的相对电料的电导率与之相比的百分数为该材料的相对电导率。导率。3.2金属的导电性金属的导电性金属的导电金属的导电自由电子的定向运动。自由电子的定向运动。金属的导体的载流子金属的导体的载流子自由电子自由电子1、金属的导电机制、金属的导电机制材料的导电性取决于材料的导电性取决于能带的结构和电子填充情况能带的结构和电子填充情况。实。实际上对金属的导电有贡献的仅仅是费米面附近的电子，只际上对金属的导电有贡献的仅仅是费米面附近的电子，只有它们可以在电场的作用下进入能量较高的能级；能量比有它们可以在电场的作用下进入能量较高的能级；能量比费米能级费米能级Ef低得多的电子，其附近的状态已被电子占据，低得多的电子，其附近的状态已被电子占据，没有空的状态而不能从电场中获得能量来改变状态，这种没有空的状态而不能从电场中获得能量来改变状态，这种电子不参与导电。因此，金属的电导与电子在费米面处的电子不参与导电。因此，金属的电导与电子在费米面处的能态密度和驰豫时间有密切关系。能态密度和驰豫时间有密切关系。影响金属导电性的因素影响金属导电性的因素温度温度:thermalvibration杂质杂质:solidsolution塑性形变塑性形变:dislocation缺陷缺陷散射散射3.2.2本征本征载流子浓度载流子浓度1）在绝对零度时，半导体的价带是被填满，导带是全空）在绝对零度时，半导体的价带是被填满，导带是全空材料的电导率为零材料的电导率为零2）温度的升高，价带中的部分电子跃迁到导带，并在价带）温度的升高，价带中的部分电子跃迁到导带，并在价带中留下等量的空穴。导带中的电子和价带中的空穴具有相中留下等量的空穴。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，这种反的电荷，在电场的作用下沿着相反的方向运动，这种由由本征热激发产生的载流子本征热激发产生的载流子本征载流子本征载流子。3）本征载流子不断由热激发成对产生，不断复合而成对消）本征载流子不断由热激发成对产生，不断复合而成对消失，失，载流子电子和空穴的浓度是相等。载流子电子和空穴的浓度是相等。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施主能级施主能级受主能级受主能级杂质能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量子态杂质能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量子态34离子电导离子电导离子导电是带电荷的离子导电是带电荷的离子载流子离子载流子在电场的作用下的定在电场的作用下的定向运动。参与电导的载流子为离子和杂质。向运动。参与电导的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的基本）本征电导源于晶体点阵的基本离子的热运动离子的热运动。离子自身。离子自身随着热振动离开晶格，形成热缺陷。这些随着热振动离开晶格，形成热缺陷。这些热热缺陷缺陷（离子、（离子、空位）在电场的作用下成为空位）在电场的作用下成为导电载流子导电载流子，这种导电称为，这种导电称为本本征电导，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）杂质电导参与电导的）杂质电导参与电导的载流子载流子主要是主要是杂质杂质。由于杂质离子。由于杂质离子与晶格联系较弱，故在较低温度下杂质电导是作为离子电与晶格联系较弱，故在较低温度下杂质电导是作为离子电导的主要贡献者。导的主要贡献者。344影响离子电导的因素影响离子电导的因素1温度温度离子电导随温度升高，电导率迅速增大，并呈离子电导随温度升高，电导率迅速增大，并呈指数关系。随着温度由低温到高温，指数关系。随着温度由低温到高温，ln和和1/T的的曲线出现拐点曲线出现拐点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的关系杂质离子电导与温度的关系例如：例如：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。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的影响是通过改变离子性质和晶体结构对离子电导的影响是通过改变导电导电活化能活化能来实现的。活化能大小又取决于晶体间各粒子结合来实现的。活化能大小又取决于晶体间各粒子结合力。而晶体结合力受以下因素影响：力。而晶体结合力受以下因素影响：1)熔点：熔点高的晶体，原子间的结合力大，相应的活化熔点：熔点高的晶体，原子间的结合力大，相应的活化能也高。因此，熔点高的晶体离子载流子的迁移率低，电能也高。因此，熔点高的晶体离子载流子的迁移率低，电导率也就低。导率也就低。2)离子化合价：一价正离子的尺寸小，荷电小，相应活化离子化合价：一价正离子的尺寸小，荷电小，相应活化能也小。因此，离子载流子的迁移率高，电导率也高。高能也小。因此，离子载流子的迁移率高，电导率也高。高价正离子的价键强，活化能高，电导率就低。价正离子的价键强，活化能高，电导率就低。3)晶体结构：晶体结构提供离子移动的通路，堆积越紧密，晶体结构：晶体结构提供离子移动的通路，堆积越紧密，结合能越高，可供移动的离子数目就越少，而且移动也困结合能越高，可供移动的离子数目就越少，而且移动也困难。因此，导致较低的电导率。难。因此，导致较低的电导率。体心立方结构的晶体比面心立方结构的晶体电导率要高。体心立方结构的晶体比面心立方结构的晶体电导率要高。3晶体缺陷晶体缺陷在离子晶体中，点缺陷是由于热振动产生的。在离子晶体中，点缺陷是由于热振动产生的。由于热的活化作用，是晶体产生肖特基缺陷和弗由于热的活化作用，是晶体产生肖特基缺陷和弗朗克尔缺陷。朗克尔缺陷。随着随着缺陷中空位的增加，电导率提高缺陷中空位的增加，电导率提高。因此，离子电导与金属电导相反，缺陷越多，电导因此，离子电导与金属电导相反，缺陷越多，电导率越高。率越高。1、超导体的基本特性超导体的基本特性超导体有三个重要的特性：超导体有三个重要的特性：（1）超导体具有完全导电性（零电阻效应）超导体具有完全导电性（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，电阻突然消失的特征，称为零电阻效应。然消失的特征，称为零电阻效应。（2）超导体具有完全抗磁性（迈斯纳效应）超导体具有完全抗磁性（迈斯纳效应）把处于超导状态的超导体置入磁场中，当磁场强度把处于超导状态的超导体置入磁场中，当磁场强度H不超过临界值不超过临界值Hc，磁力线就无法穿过试样，超导体中磁感，磁力线就无法穿过试样，超导体中磁感应强度应强度B始终为零，称为完全抗磁性。始终为零，称为完全抗磁性。（3）超导体具有通量量子化（约瑟夫逊效应）超导体具有通量量子化（约瑟夫逊效应）当两块超导体之间的绝缘层薄至接近原子尺寸时，超当两块超导体之间的绝缘层薄至接近原子尺寸时，超导电子对可以穿过绝缘层产生隧道电流，即超导体导电子对可以穿过绝缘层产生隧道电流，即超导体-绝缘绝缘体体-超导体（超导体（SIS）具有超导电性。这就是所谓通量量子化。）具有超导电性。这就是所谓通量量子化。2、超导体的临界参数、超导体的临界参数实际使用的超导材料中，有三个临界性能参数决定材料是否实际使用的超导材料中，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：处于超导态。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的临界转变温度超导体的临界转变温度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，此时的磁场强度称为临界磁场强度转变为正常态，此时的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的除磁场强度影响超导转变温度外，电流密度也影响超导的状态。研究发现，临界电流密度不仅是温度的函数，而且状态。研究发现，临界电流密度不仅是温度的函数，而且与磁场有密切关系与磁场有密切关系。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的现象电阻的现象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破坏超导态的最小磁场。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保持超导状态的最大输入电流(与Hc相关）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的临界温度最高，为的临界温度最高，为9.2K。2、合金超导体、合金超导体最早发现的最早发现的Nb-Zr和和Nb-Ti二元合金，七十年代以后发二元合金，七十年代以后发现的三元超导合金现的三元超导合金Nb-ZrTiV-Zr-H等，已作为磁流体发等，已作为磁流体发电机的大型磁体。合金超导材料具有强度高、应力应变小、电机的大型磁体。合金超导材料具有强度高、应力应变小、临界磁场强度高、成本低易于生产的优点。临界磁场强度高、成本低易于生产的优点。3、氧化物超导体、氧化物超导体具有叫高的临界温度、临界磁场强度和临界电流密度，具有叫高的临界温度、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。其中比较重加工困难。其中比较重要的有：要的有：YBa2Cu3O7(Tc=80K)、Bi2Sr2Ca2Cu3O10(Tc=110K)。超导材料的分类超导材料的分类超导材料按其在磁场中的超导材料按其在磁场中的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同的规律，磁矩与外磁场的关这类超导体在磁场中有不同的规律，磁矩与外磁场的关系如图系如图3-27（a）所示。）所示。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）,磁感应强度磁感应强度B=H，不具有超导电性。，不具有超导电性。具有这一特性的超导材料称为第一类超导材料。非金属元具有这一特性的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（除素和大部分过渡金属（除Nb、V、Ru外）都属于此类超外）都属于此类超导体。导体。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实验证明，第二类超导体的临界转变温度实验证明，第二类超导体的临界转变温度Tc、临界磁场强、临界磁场强度度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重要。第二类超导体在应用技术上更为重要。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。具有这一特性的超导材也不是正常态，此态称为混合态。具有这一特性的超导材料称为第二类超导材料。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）都属于此外）都属于此类超导体。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。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 陶瓷材料电阻率的因素。陶瓷材料电阻率的因素。2 2、分析金属、半导体、无机材料导电的机制，如何、分析金属、半导体、无机材料导电的机制，如何提高其导电性能？提高其导电性能？3 3、画出掺杂半导体的能带示意图，说明、画出掺杂半导体的能带示意图，说明P P、N N掺杂导掺杂导电的机理。电的机理。4 4、超导性的三个基本特性是什么、超导性的三个基本特性是什么？图示说明超？图示说明超导材料处于超导态应具备哪些条件？导材料处于超导态应具备哪些条件？一维双原子链模型反映了晶格振动的基本特征。在此仅讨论三维晶格振动的主要结论。一、三维晶格振动的主要结论单原子链 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、三维晶格的振动和性质三维晶格的振动和性质三维晶格的振动和性质三维晶格的振动和性质固体的热容主要来自二部分：1)晶格振动的贡献；2)电子热运动的贡献;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的贡献。在热力学中，固体的定容比热 。由经典统计力学总的振动能量固体的热容为 （杜隆-泊替定律）该定律在高温时与实验符合很好,但在低温下，能量均分经典理论不适用，须用晶格振动的量子理论。E=(ni+1/2)i第七章：材料热学性能天津大学固体固体的热容与晶格振动的热容与晶格振动第七章：材料热学性能天津大学 根据热的经典动力学理论，以点阵结点为中心作振动的原根据热的经典动力学理论，以点阵结点为中心作振动的原子，在一个自由度所具有的：子，在一个自由度所具有的：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：一个具有由能量均分定律：一个具有三个自由度三个自由度的原子，振动时所的原子，振动时所具有的总的平均能量为具有的总的平均能量为 E=E=3kT一摩尔原子物质内的原子数为一摩尔原子物质内的原子数为N=6.023X1023每摩尔原子物质总的能量每摩尔原子物质总的能量E3NkT 1 1、经典理论、经典理论Cv=E-系统的平均能量E=3NKTN=6.0221023R=NK=8.314J/mol.K摩尔热容为Cv=3NK=3R24.9（J/mol.K）晶体的摩尔热容是一个与温度无关的常量。杜隆-伯替定律它的前提条件是在足够高温（室温以上）时，与实验结果符合很好。但在低温时，热容随着温度下降将明显减小，与杜隆珀替定律就不一致。实验表明容随温度下降而减少，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）每个原子与它邻近的原子之间作相互无关的独立振动；每个原子与它邻近的原子之间作相互无关的独立振动；2 2）晶格中所有的原子都以相同的频率）晶格中所有的原子都以相同的频率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。实验结果表明，大多数固体物质在比热发生显著变化的宽广温度范围内，理论曲线值与实验数据能相当好地吻合。可是在极低温度下，由于比热和T3成正比，因此导致与实验数据很大的偏差。这正是爱因斯坦模型的局限。原因1、爱因斯坦模型忽略了每个原子与它邻近的原子之间的作用。2、爱因斯坦模型假定所有原子振动的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爱因斯坦模型说明：明：这与很多固体在低温下与很多固体在低温下 CV T 3的的实验规律不符。律不符。这是由于是由于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 的的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 的的格格波波已已经”冻结”，对热容容没没有有贡献献。爱因因斯斯坦坦模模型型的的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一一般般频宽很很窄窄(随随 q的的变化化很很