材料物理與性能學

前言

　　對于材料專業(yè)的學生來講，化學方面的基礎知識學習得較多，包括有機化學、無機化學、分析化學和物理化學等，但物理方面的基礎知識卻較少涉及，只有普通物理課程，而物理本身所包含的基礎知識比化學更多，例如光、電、磁、熱、力、輻照等。因此，給材料專業(yè)的學生補充更多的物理知識，尤其是材料物理方面的基礎知識就顯得很有必要。而當前材料物理教材的諸多版本多數(shù)偏重理論推導，要求學生對物理學分支的知識掌握太多，這不能完全適應現(xiàn)行本科生教育的需求，對研究生來說相對更適合一些。個別相對合適的材料物理教材因為有些內(nèi)容太深無法講透，而有些內(nèi)容又太淺，對本科生來說，作為參考書使用較為適合，這是一個方面的原因。另一方面，大多材料專業(yè)都開設了材料物理性能課程，此課程包含的材料物理的基本概念又都比較缺乏。編寫這本《材料物理與性能學》教材的目的就是一方面給材料專業(yè)本科生增加一些有關材料物理的基礎知識，另一方面將材料物理性能方面的內(nèi)容合并到一起，減少學生的課程數(shù)目?！　≡诒緯木帉戇^程中，注意突出了以下幾方面的特色。　?。?）注重以實際應用案例講解材料物理的一些基本概念和物理效應，使學生便于理解、掌握和記憶?！　。?）注重以實驗的方法講解各種材料的性能。　?。?）注重加入現(xiàn)代新材料的內(nèi)容，介紹其應用與發(fā)展前沿?！　。?）內(nèi)容豐富、實用，充分滿足少學時教學的要求?！　”緯杀狈矫褡宕髮W耿桂宏教授主編，燕山大學楊慶祥教授主審。編寫分工如下：第1章的第1～4節(jié)和第10章由東北大學王曉強博士編寫；第1章的第5～7節(jié)和第8章由鄭州輕工業(yè)學院桂陽海博士編寫；第2章的第1～2節(jié)和第4章由北方民族大學耿桂宏博士編寫；第2章的第3、4節(jié)和第5章由東北大學羅紹華博士編寫；第3章由北京工業(yè)大學李洪義博士編寫；第6章由太原科技大學宋仁旺博士編寫；第7章由太原科技大學郝維新博士編寫；第9章由北方民族大學杜江華博士編寫?！　”緯诰帉戇^程中參考了大量國內(nèi)外有關教材、科技著作和學術論文，在此特向有關作者表示深切的謝意?！　∮捎诰幷咚接邢蓿杪┖筒煌字幵谒y免，歡迎同行和讀者指正。

內(nèi)容概要

　　《材料物理與性能學》是將材料物理的一些基本概念與材料物理性能相結(jié)合編寫而成的，全書共分10章，內(nèi)容包括材料的熱學性能、缺陷物理與性能、材料的力學性能、導電物理與性能、材料的介電性能、鐵電物理與性能、磁性物理與性能、非晶態(tài)物理、高分子物理、薄膜物理。《材料物理與性能學》在注重介紹基本知識、基本概念的基礎上，著重介紹材料的各種物理性能及應用，并注重加入現(xiàn)代新材料的內(nèi)容。　　《材料物理與性能學》可作為材料專業(yè)本科生的專業(yè)基礎課教材或低年級碩士生的教材，也可作為材料科學與工程領域相關科技工作者的參考書。

書籍目錄

第1章 材料的熱學性能1.1 熱學性能的物理基礎1.1.1 熱力學第一定律1.1.2 熱力學第二定律1.1.3 系統(tǒng)的自由能1.1.4 熱性能的物理本質(zhì)1.2 材料的熱容1.2.1 熱容定義1.2.2 熱容的經(jīng)驗定律和經(jīng)典理論1.2.3 材料的熱容1.3 材料的熱膨脹1.3.1 熱膨脹系數(shù)1.3.2 熱膨脹的物理本質(zhì)1.3.3 熱膨脹與性能的關系1.3.4 熱膨脹系數(shù)測定1.4 材料的熱傳導1.4.1 熱傳導的宏觀規(guī)律1.4.2 熱傳導的微觀機理1.4.3 影響熱導率的因素1.4.4 材料的熱導率1.4.5 熱導率的測量1.5 材料的熱穩(wěn)定性1.5.1 熱穩(wěn)定性的表示方法1.5.2 熱應力1.5.3 抗熱沖擊斷裂性能1.5.4 抗熱沖擊損傷性1.5.5 材料熱穩(wěn)定性的測定1.6 熱分析技術及其在材料物理中的應用1.6.1 熱重測量法1.6.2 差熱分析1.6.3 差示掃描量熱法1.6.4 熱分析技術的應用1.7 拓展閱讀納米材料及其熱學性能本章小結(jié)習題第2章 缺陷物理與性能2.1 點缺陷2.1.1 點缺陷的主要類型2.1.2 熱平衡態(tài)的點缺陷2.1.3 點缺陷與材料物理性能2.2 位錯2.2.1 位錯的主要類型2.2.2 位錯的運動方式2.2.3 位錯的應力場、彈性能和線張力2.2.4 位錯與材料物理性2.3 面缺陷2.3.1 表面2.3.2 界面2.4 拓展閱讀內(nèi)耗的測量方法與應用2.4.1 內(nèi)耗的量度2.4.2 內(nèi)耗的測量方法2.4.3 內(nèi)耗分析的應用本章小結(jié)習題第3章 材料的力學性能3.1 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學性能3.1.1 力－伸長曲線和應力應變曲線3.1.2 彈性變形3.1.3 塑性變形3.1.4 金屬的斷裂3.2 力學試驗3.2.1 彎曲試驗3.2.2 硬度試驗3.2.3 沖擊試驗3.3 加工硬化性能3.3.1 應變硬化的意義3.3.2 應變硬化機理3.3.3 應變硬化指數(shù)3.4 蠕變 3.4.1 金屬的蠕變現(xiàn)象3.4.2 蠕變的形成機理3.4.3 蠕變斷裂機理3.5 疲勞 3.5.1 疲勞現(xiàn)象3.5.2 疲勞的特點3.6 磨損 3.7 聚合物及陶瓷材料的力學性能3.7.1 聚合物材料的力學性能3.7.2 陶瓷材料的力學性能3.8 拓展閱讀碳納米管力學性能的應用3.8.1 復合材料的增強材料3.8.2 微機械3.8.3 碳納米管針尖本章小結(jié)習題第4章 導電物理與性能4.1 電阻與導電的基本概念4.2 材料的導電機理4.2.1 金屬及半導體的導電機理4.2.2 無機非金屬的導電機理4.3 材料的導電性4.3.1 導電材料與電阻材料4.3.2 其他材料的導電性能4.4 超導電性4.4.1 超導電性的微觀解釋4.4.2 超導態(tài)特性與超導體的三個性能指標4.4.3 超導體的應用4.5 導電性的測量與應用 4.5.1 電阻測量方法4.5.2 電阻分析的應用4.6 半導體與p－n結(jié)4.6.1 本征半導體與非本征半導體4.6.2 p－n結(jié)4.7 半導體的物理效應4.7.1 半導體導電性的敏感效應4.7.2 光致發(fā)光效應4.7.3 電致發(fā)光效應4.7.4 光伏特效應4.8 拓展閱讀超導材料的發(fā)展、研究與應用4.8.1 超導材料發(fā)展歷史4.8.2 目前國內(nèi)外的研究狀況及發(fā)展趨勢4.8.3 超導科學研究4.8.4 磁體科學和技術本章小結(jié)習題第5章 材料的介電性能5.1 介質(zhì)極化和靜態(tài)介電常數(shù)5.1.1 電介質(zhì)極化及其表征5.1.2 電介質(zhì)極化的微觀機制5.1.3 宏觀極化強度與微觀極化率5.1.4 影響介電常數(shù)的因素5.2 交變電場中的電介質(zhì) 5.2.1 復介電常數(shù)5.2.2 介電弛豫的物理意義5.2.3 德拜弛豫方程5.2.4 諧振吸收和色散5.2.5 介質(zhì)損耗5.2.6 影響介質(zhì)損耗的因素5.2.7 材料的介質(zhì)損耗5.3 固體電介質(zhì)的電導與擊穿5.3.1 固體電介質(zhì)的電導5.3.2 固體電介質(zhì)的介電強度與擊穿5.4 電介質(zhì)的實驗測量研究5.4.1 介電常數(shù)和損耗的測量5.4.2 電介質(zhì)介電強度的測定5.4.3 電介質(zhì)的鐵電性和電滯回線的測量5.5 拓展閱讀可設計的高介電陶瓷材料本章小結(jié)習題第6章 鐵電物理與性能6.1 鐵電物理的基本概念6.1.1 鐵電體的定義6.1.2 鐵電體的特性6.1.3 鐵電體的種類6.2 鐵電相變6.2.1 無序-有序型相變鐵電體6.2.2 位移型相變鐵電體6.3 鐵電體的物理效應6.3.1 壓電效應6.3.2 熱釋電效應6.3.3 電致伸縮效應6.3.4 光學效應6.4 鐵電性基本參數(shù)和壓電系數(shù)的實驗研究6.4.1 鐵電性基本參數(shù)的實驗研究6.4.2 壓電系數(shù)的實驗研究6.5 拓展閱讀鐵電物理導讀本章小結(jié)習題第7章 磁性物理與性能7.1 磁學基礎7.1.1 磁學基本概念7.1.2 磁學基本量7.2 磁性的微觀解釋7.2.1 電子軌道磁矩7.2.2 電子自旋磁矩7.3 材料的磁化7.3.1 磁化的相關概念7.3.2 磁化曲線的基本特征7.3.3 磁性的分類7.4 抗磁性與順磁性7.4.1 抗磁性7.4.2 順磁性7.4.3 抗磁性與順磁性的物理本質(zhì)7.5 反鐵磁性7.5.1 反鐵磁性材料性質(zhì)7.5.2 反鐵磁性材料特征7.6 鐵磁性7.6.1 鐵磁性的基本特征 7.6.2 外斯“分子場”理論7.6.3 磁晶各向異性、磁致伸縮7.6.4 疇壁與磁疇結(jié)構7.6.5 磁化曲線與磁滯回線7.7 亞鐵磁性7.7.1 亞鐵磁性的基本特征7.7.2 尖晶石鐵氧體的晶體結(jié)構7.7.3 奈爾亞鐵磁性“分子場”理論7.8 磁性材料的應用7.9 拓展閱讀磁性材料本章小結(jié)習題第8章 非晶態(tài)物理8.1 非晶態(tài)物理概述8.2 準晶、液晶和非晶態(tài)的結(jié)構8.2.1 準晶8.2.2 液晶8.2.3 非晶態(tài)8.3 非晶態(tài)固體的形成8.3.1 結(jié)晶與非晶態(tài)的形成8.3.2 玻璃化轉(zhuǎn)變8.4 非晶態(tài)固體結(jié)構模型8.4.1 微晶模型8.4.2 無規(guī)則網(wǎng)絡結(jié)構模型8.4.3 無序密堆積硬球模型8.5 非晶態(tài)材料8.5.1 非晶態(tài)固體的結(jié)構特征8.5.2 非晶態(tài)合金8.5.3 非晶態(tài)半導體8.5.4 玻璃陶瓷8.6 拓展閱讀塊體非晶合金材料的研究本章小結(jié)習題第9章 高分子物理9.1 高分子的分子結(jié)構9.1.1 高分子鏈的結(jié)構9.1.2 高分子的聚集態(tài)結(jié)構9.2 高分子的力學性能9.2.1 聚合物的高彈性9.2.2 聚合物的黏彈性9.2.3 聚合物的力學強度9.3 高分子的電、光和熱性能9.3.1 高分子的電學性能9.3.2 高分子的光學性能9.3.3 高分子的熱學性能9.4 拓展閱讀高分子鏈的纏結(jié)研究本章小結(jié)習題第10章 薄膜物理10.1 薄膜的形成10.1 薄膜生長過程及其分類10.1.2 薄膜的形成理論10.1.3 薄膜的應用10.2 薄膜的結(jié)構與缺陷10.2.1 薄膜的組織結(jié)構10.2.2 薄膜的晶體結(jié)構10.2.3 表面結(jié)構 10.2.4 薄膜的缺陷10.3 薄膜的尺寸效應10.3.1 尺寸效應 10.3.2 金屬薄膜的尺寸效應10.3.3 薄膜中鐵電相變的尺寸效應 10.4 薄膜與基底的附著、附著機理與附著力10.4.1 附著10.4.2 附著機理與附著力10.5 薄膜的測試與表征10.5.1 紫外-可見光譜10.5.2 掃描隧道顯微鏡10.5.3 光聲光譜10.5.4 拉曼光譜10.5.5 其他表征手段10.6 拓展閱讀納米薄膜10.6.1 納米薄膜的分類10.6.2 納米薄膜的性能本章小結(jié)習題參考文獻

章節(jié)摘錄

　　1.4.2 熱傳導的微觀機理　　在固體中組成晶體的質(zhì)點牢固地處在一定的位置上，相互間有一恒定的距離，質(zhì)點只能在平衡位置附近做微小的振動，不能像氣體分子那樣雜亂無章地自由運動，也不能像氣體那樣依靠質(zhì)點間的直接碰撞來傳遞熱能。固體中的導熱主要是通過晶格振動的格波和自由運動來實現(xiàn)的。在金屬中由于有大量的自由電子，而且電子的質(zhì)量很輕，能夠迅速地實現(xiàn)熱量的傳遞。因此，金屬一般都具有較大的熱導率。雖然晶格振動對金屬導熱也有貢獻，但這是次要的。在非金屬晶體中，如一般離子晶體的品格中，自由電子是很少的。因此，品格振動是它們的主要導熱元素?！　〖僭O晶格中-質(zhì)點處于較高的溫度下，它的熱振動較強烈，平均振幅也較大，而其鄰近質(zhì)點所處的溫度較低，熱振動較弱。由于質(zhì)點間存在相互作用力，振動較弱的質(zhì)點在振動較強質(zhì)點的影響下，振動加劇，熱運動能量增加。這樣，熱量就能轉(zhuǎn)移和傳遞，使整個晶體中熱量從溫度較高處傳到溫度較低處，實現(xiàn)熱傳導。假如系統(tǒng)對周圍是絕熱的，振動較強的質(zhì)點受到鄰近振動較弱的質(zhì)點牽制，振動減弱下來，使整個晶體最終趨于一平衡狀態(tài)。所以，固體導熱是由晶格振動的格波來傳遞的，而格波又可分為聲頻支和光頻支兩類。　　1.聲子和聲子傳導　　根據(jù)量子理論，一個諧振子的能量是不連續(xù)的，能量的變化不能取任意值，而只能是最小能量單元-量子的整數(shù)倍。一個量子所具有的能量為kv。品格振動的能量同樣是量子化的?！　“崖曨l支格波看成一種彈性波，這類似于在固體中傳播的聲波。因此，就把聲頻波的量子稱為聲子。其具有的能量為hv=hw?！　　?/pre>








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