【正文】 天津大學(xué) 1）熱膨脹系數(shù)與熱容 熱膨脹是固體受熱后晶格振動(dòng)加劇而引起體積膨脹 ,熱運(yùn)動(dòng)能量增大。 ? 隨溫度的升高，振幅增大，不對(duì)稱性也增大。K 1， 熱容大 ? 不同的 運(yùn)動(dòng)單元 原子 、 基團(tuán) 、 鏈段 ? 分子鏈 柔順性 ? 溫度的升高是由于分子間內(nèi) 摩擦引起的 ， 柔性鏈 ， 運(yùn)動(dòng)單元小內(nèi)摩擦小 , T上 升慢 ， 熱容量大 ， 熱膨脹是當(dāng)溫度變化時(shí)，材料的長(zhǎng)度或體積發(fā) 生長(zhǎng)大。 ? 無機(jī)非金屬 ， CP 1 ， 熱容小 ， 更符合德拜模型 ? 高分子 ? CP ~ KJKg1 德拜特征溫度一般都是由它的熱容實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定的。 三、影響 材料的熱熔的因素 物質(zhì) /K 物質(zhì) /K Ag 225 BaO 1173 Ni 450 Al2O3 923 Si 645 G 1973 第七章：材料熱學(xué)性能 天津大學(xué) 不同材料其德拜溫度不同 它取決于材料的 化學(xué)鍵的強(qiáng)度、彈性常數(shù)和熔點(diǎn) 。 它與實(shí)驗(yàn)測(cè)定的比熱與溫度的關(guān)系一致。 BkTw hBkTh德拜假設(shè) : 1) 考慮晶體點(diǎn)陣間有相互作用； 2）原子振動(dòng)具有很寬的頻率范圍。 所以 (2) 式的熱容隨溫度下降比實(shí)驗(yàn)結(jié)果更快 。 而愛因斯坦模型忽略了頻率較低的聲學(xué)波對(duì)熱容的貢獻(xiàn) 。 在低溫下 ， 只有 的格波才能被激發(fā) ， 對(duì)熱容有貢獻(xiàn) ，頻率高于 的格波已經(jīng) ” 凍結(jié) ” ， 對(duì)熱容沒有貢獻(xiàn) 。 第七章：材料熱學(xué)性能 天津大學(xué) 說明： 這與很多固體在低溫下 CV ∝ T 3 的實(shí)驗(yàn)規(guī)律不符。 原因 愛因斯坦模型忽略了每個(gè)原子與它鄰近的原子之間的作用 ?？墒窃跇O低溫度下，由于比熱和 T3成正比，因此導(dǎo)致與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很大的偏差。 （ 747）式簡(jiǎn)化為 13??kTeNE ? ???223( 1 )kTvkTeC N kkTe?????? ???? ?(7－ 49) ???????? kTfNk e ??3(7－ 50) 式中， 22)1( ???????????????kTkTeeekTkTf ???????? 為愛因斯坦比熱函數(shù)。 ? 但在低溫時(shí)，熱容隨著溫度下降將明顯減小，與杜隆 —珀替定律就不一致。 E = ? (ni+1/2)??i 第七章：材料熱學(xué)性能 天津大學(xué) ( )V VC E T= 抖B3E Nk T=B3VC N k= 第七章：材料熱學(xué)性能 天津大學(xué) 根據(jù)熱的經(jīng)典動(dòng)力學(xué)理論，以點(diǎn)陣結(jié)點(diǎn)為中心作振動(dòng)的原子，在一個(gè)自由度所具有的： 平均動(dòng)能為 平均勢(shì)能為 由能量均分定律：一個(gè)具有 三個(gè)自由度 的原子，振動(dòng)時(shí)所具有的總的平均能量為 E = 3kT 一摩爾原子物質(zhì)內(nèi)的原子數(shù)為 N= 每摩爾原子物質(zhì)總的能量 E＝ 3NkT kT21kT21經(jīng)典理論 ? Cv = = E系統(tǒng)的平均能量 E= 3NKT N=?1023 R = NK= J/ 摩爾熱容為 Cv =3NK = 3R ? （ J/） 晶體的摩爾熱容是一個(gè)與溫度無關(guān)的常量 。 在熱力學(xué)中 ， 固體的定容比熱 。 3n ?3 支光學(xué)支 (?+) 第七章：材料熱學(xué)性能 天津大學(xué) 固體的熱容主要來自二部分： 1) 晶格振動(dòng)的貢獻(xiàn) ； 2) 電子熱運(yùn)動(dòng)的貢獻(xiàn) 。在此僅討論三維晶格振動(dòng)的主要結(jié)論 。 分析金屬、半導(dǎo)體、無機(jī)材料導(dǎo)電的機(jī)制，如何提高其導(dǎo)電性能？ 畫出摻雜半導(dǎo)體的能帶示意圖，說明 P、 N摻雜導(dǎo)電的機(jī)理。大多數(shù)合金及 Nb、 V、 Ru等元素屬于這類超導(dǎo)體。具有這一特性的超導(dǎo)材料稱為第二類超導(dǎo)材料。 第二類超導(dǎo)體 該類超導(dǎo)體 a) H Hc1），超導(dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度 B = 0，為完全超導(dǎo)態(tài)b) 當(dāng) H Hc1時(shí) , 有部分磁場(chǎng)穿入導(dǎo)體內(nèi)，此時(shí) 0 B μH c)當(dāng) H Hc2時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度 B = μH，磁場(chǎng)完全穿透，超導(dǎo)電性才消失。 超導(dǎo)體磁化曲線 a) 第一類超導(dǎo)體 b) 第二類超導(dǎo)體 ? 實(shí)驗(yàn)證明，第二類超導(dǎo)體的臨界轉(zhuǎn)變溫度 Tc、臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度 Hc和臨界電流密度 Jc要比第一類超導(dǎo)體高得多。 具有這一特性的超導(dǎo)材料稱為第一類超導(dǎo)材料。 1）第一類超導(dǎo)體 ? 這類超導(dǎo)體在磁場(chǎng)中有不同的規(guī)律，磁矩與外磁場(chǎng)的關(guān)系如圖 327（ a）所示。其中比較重要的有： YBa2Cu3O7(Tc=80K)、Bi2Sr2Ca2Cu3O10(Tc=110K)。 氧化物超導(dǎo)體 具有叫高的臨界溫度、臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度和臨界電流密度，又稱高溫超導(dǎo)體。 合金超導(dǎo)體 最早發(fā)現(xiàn)的 NbZr和 NbTi 二元合金，七十年代以后發(fā)現(xiàn)的三元超導(dǎo)合金 NbZr –Ti VZrH等，已作為磁流體發(fā)電機(jī)的大型磁體。 ? 隨溫度降低 ， Hc將增加； ? 當(dāng) T＜ Tc時(shí) , 臨界電流密度 Jc 保持超導(dǎo)狀態(tài)的最大輸入電流 (與 Hc相關(guān) ） 超導(dǎo)體材料種類 元素超導(dǎo)體 元素周期表中有 28種元素及合金（ Ti,V,Nb,Mo,W,Zn,Cd,Al,Pb,In,及合金 NbTi）。研究發(fā)現(xiàn)，臨界電流密度不僅是溫度的函數(shù)，而且與磁場(chǎng)有密切關(guān)系 。 第二個(gè)性能指標(biāo) ——臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度 Hc 當(dāng)溫度低于臨界轉(zhuǎn)變溫度時(shí)（ TTc），若磁場(chǎng)強(qiáng)度 H大于某一個(gè)臨界值 Hc時(shí)，磁場(chǎng)將破壞超導(dǎo)態(tài)，使材料從超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，此時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度稱為臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度 Hc。 超導(dǎo)體的臨界參數(shù) 實(shí)際使用的超導(dǎo)材料中，有三個(gè)臨界性能參數(shù)決定材料是否處于超導(dǎo)態(tài)。 （ 3）超導(dǎo)體具有通量量子化（約瑟夫遜效應(yīng)） 當(dāng)兩塊超導(dǎo)體之間的絕緣層薄至接近原子尺寸時(shí)，超導(dǎo)電子對(duì)可以穿過絕緣層產(chǎn)生隧道電流，即超導(dǎo)體 絕緣體 超導(dǎo)體（ SIS）具有超導(dǎo)電性。 超導(dǎo)體的基本特性 超導(dǎo)體有三個(gè)重要的特性： （ 1）超導(dǎo)體具有完全導(dǎo)電性（零電阻效應(yīng)） 對(duì)于超導(dǎo)體來說，當(dāng)溫度降至某一溫度以下，電阻突然消失的特征，稱為零電阻效應(yīng)。 隨著 缺陷中空位的增加，電導(dǎo)率提高 。 3．晶體缺陷 在離子晶體中，點(diǎn)缺陷是由于熱振動(dòng)產(chǎn)生的。因此，導(dǎo)致較低的電導(dǎo)率。高價(jià)正離子的價(jià)鍵強(qiáng)，活化能高，電導(dǎo)率就低。 ? 2)離子化合價(jià)：一價(jià)正離子的尺寸小，荷電小，相應(yīng)活化能也小。而晶體結(jié)合力受以下因素影響： ? 1)熔點(diǎn)：熔點(diǎn)高的晶體，原子間的結(jié)合力大，相應(yīng)的活化能也高。 離子性質(zhì)和晶體結(jié)構(gòu) 離子性質(zhì)和晶體結(jié)構(gòu)對(duì)離子電導(dǎo)的影響是通過改變 導(dǎo)電活化能 來實(shí)現(xiàn)的。 2—代表高溫區(qū)域是本征導(dǎo)電。隨著溫度由低溫到高溫， lnσ和 1/T的曲線出現(xiàn)拐點(diǎn) A，把曲線分為兩部分。由于雜質(zhì)離子與晶格聯(lián)系較弱，故在較低溫度下雜質(zhì)電導(dǎo)是作為離子電導(dǎo)的主要貢獻(xiàn)者。這些 熱 缺陷 （離子、空位）在電場(chǎng)的作用下成為 導(dǎo)電載流子 ，這種導(dǎo)電稱為 本征電導(dǎo)， 在高溫下本征電導(dǎo)起主要作用。 1）本征電導(dǎo)源于晶體點(diǎn)陣的基本 離子的熱運(yùn)動(dòng) 。參與電導(dǎo)的載流子為離子和雜質(zhì)。 3）本征載流子不斷由熱激發(fā)成對(duì)產(chǎn)生，不斷復(fù)合而成對(duì)消失， 載流子電子和空穴的濃度是相等。 影響金屬導(dǎo)電性的因素 溫度 : thermal vibration 雜質(zhì) : solid solution 塑性形變 : dislocation 缺陷 散射 本征 載流子濃度 1）在絕對(duì)零度時(shí)，半導(dǎo)體的價(jià)帶是被填滿，導(dǎo)帶是全空 ——材料的電導(dǎo)率為零 2）溫度的升高，價(jià)帶中的部分電子躍遷到導(dǎo)帶，并在價(jià)帶中留下等量的空穴。實(shí)際上對(duì)金屬的導(dǎo)電有貢獻(xiàn)的僅僅是費(fèi)米面附近的電子，只有它們可以在電場(chǎng)的作用下進(jìn)入能量較高的能級(jí)；能量比費(fèi)米能級(jí) Ef低得多的電子，其附近的狀態(tài)已被電子占據(jù)，沒有空的狀態(tài)而不能從電場(chǎng)中獲得能量來改變狀態(tài)，這種電子不參與導(dǎo)電。 RSLr =??1?3. 2 金屬的導(dǎo)電性 ? 金屬的導(dǎo)電 ——自由電子的定向運(yùn)動(dòng)。 國(guó)際上把標(biāo)準(zhǔn)軟銅在室溫 20。根據(jù) 導(dǎo)電性原理 ，可以用 載流子的數(shù)量、遷移率及所帶電量 來反映電流的大小。 ?不同材料的載流子 ?① 金屬 ——自由電子 （ 電導(dǎo)率高 導(dǎo)電性好 ） ?② 半導(dǎo)體 ——自由電子 、 空穴 ?③ 離子固體 ——自由電子 、 空穴 、 正負(fù)離子 ?（ 室溫絕緣體 T高 電導(dǎo)率大 ） （ 無機(jī)非金屬 ） ?④ 高分子材料 —— 正負(fù)離子 、 雜質(zhì) （ 導(dǎo)電性 ） 材料的電導(dǎo) 在一定溫度下，自由電子作無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，沒有定向的流動(dòng)。 載流子是具有電荷的自由粒子 ，在電場(chǎng)作用下可產(chǎn)生電流。 charge carrier ） 導(dǎo)電性源于載流子在電場(chǎng)作用下遷移運(yùn)動(dòng)。 thermal vibration （ 2）其它組元的加入及 晶格畸變 ,引起晶格周期性勢(shì)場(chǎng)的規(guī)律性和能帶結(jié)構(gòu)的改變等 . crystal lattice aberrance 167。 ? 理想完整的晶體在絕對(duì)零度時(shí)的電阻為零 . 電阻的產(chǎn)生總是伴隨著晶體的不完整性。 簡(jiǎn)述磁性材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域， 說明其應(yīng)用對(duì)磁性能的要求。 自發(fā)磁化的物理本質(zhì)是什么 ?物質(zhì)具有鐵磁性的充要條件是哪些？ 根據(jù)居里 外斯定律 ，說明磁化率與溫度的關(guān)系。 硬磁性材料如碳鋼、鋁鎳鈷合金和鋁鋼等。 磁性材料 (二 ) 硬磁材料 硬磁材料又稱永磁材料，難于磁化又難于退磁。 軟磁材料的特征 ?具有較高的磁導(dǎo)率和較高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度； ? 較小的矯頑力（矯頑力很小，即磁場(chǎng)的方向和大小發(fā)生變化時(shí)磁疇壁很容易運(yùn)動(dòng)）和較低磁滯損耗，磁滯回線很窄； ? 在磁場(chǎng)作用下非常容易磁化； ? 取消磁場(chǎng)后很容易退磁化 BHo 軟鐵、坡莫合金、硒鋼片、鐵鋁合金、鐵鎳合金等。 ?s＜ 0的則稱為負(fù)磁致伸縮 。 磁致伸縮的大小與外磁場(chǎng)的大小有關(guān) 飽和磁化狀態(tài)下的磁致伸縮系數(shù) ?s作為磁性材料的一個(gè)磁性參數(shù)。 TbFe2 —— 機(jī)器人、傳感器、驅(qū)動(dòng)器（ 103） 磁致伸縮與外磁場(chǎng)的關(guān)系 鐵磁體的磁致伸縮 ——隨外磁場(chǎng)的增加而變化，最終達(dá)到到飽和值 ?s——磁性材料的飽和磁致伸縮系數(shù)。 3）鐵磁體被磁化時(shí)其體積大小的相對(duì)變化稱為體積磁致伸縮。這種現(xiàn)象稱為 磁致伸縮 。 在易磁化軸方向上，磁晶