第一章固体中电子能量结构和状态

本章通过大学普通物理的量子物理基础: 微观粒子的波粒二象性、德布罗意波、波函数等概念和描述微观粒子运动规律的薛定谔方程,介绍了认识晶体中电子运动状态的三个阶段。金属费密索未菲自由电子理论与经典自由电子理论的根本区别是前者认识了固体中电子运动规律服从费密狄拉克分布函数; 而能带理论是在量子自由电子学说的基础上充分考虑了晶体周期势场的结果。正是采用了准自由电子近似, 利用K 空间和晶体倒易点阵, 建立了布里渊区理论。利用紧束缚近似简单地阐明了能带与原子能级的关系。应当从物理本质上理解晶体中电子能量结构的导带、价带和禁带(能隙)产生的原因, 并利用能带理论的初步知识说明材料的一些物理性质。

●1.1金属的费密（Fermi）-索末（Sommerfeld）菲电子理论

金属中自由电子的能级 把量子力学的理论引入对金属电子状态的认识,称之为量子自由电子学说，该理论利用薛定谔方程求解自由电子的运动波函数,计算自由电子的能量，得到金属中电子能量结构和状态。 自由电子的能级密度 为了计算金属中自由电子的能量分布, 或者计算某能量范围内的自由电子数, 需要了解自由电子的能级密度Z( E)，本节通过划分k空间方便地求出能级密度。 自由电子按能级分布 金属中自由电子的能量是量子化的, 构成准连续谱。金属中大量的自由电子占据这些能级服从费密-狄拉克统计规律。

●1.2晶体能带理论基础知识

周期势场中的传导电子 能带理论和量子自由电子学说一样, 把电子的运动看做基本上是独立的, 它们的运动遵守量子力学统计规律-费密狄拉克统计规律; 但是二者有一根本区别, 就是能带理论考虑了晶体原子的周期势场对电子运动的影响。应用量子力学数学解法, 按准自由电子近似条件对薛定谔方程求解, 得到了结论:在准连续的能谱上出现能隙, 即出现了允带和禁带。 k空间的等能线和等能面 采用了准自由电子近似, 利用K 空间和晶体倒易点阵, 建立了布里渊区理论。介绍简单立方晶格、体心立方晶格及面心立方晶格的第一布氏区。在三维K 空间中, 把能量相同的K 值连接起来形成等能面。 准自由电子近似能级密度 准自由电子近似电子能级密度和自由电子不同，周期势场的影响导致能隙, 使电子E - K 曲线发生变化, 同样也使能级密度Z(E)曲线发生变化。测定长波长(100A左右) 的软X 射线谱可以确定费密面以下的能级密度曲线。 能带理论应用举例 利用晶体能带理论解释导体、绝缘体、半导体导电性的巨大差别。

第二章材料的电性能

根据导电载流子种类的区分, 介绍了金属、半导体、离子晶体的导电机制以及影响电导率的主要因素。不但要注意各电导机制内部, 而且应注意不同导电机制间, 由于机制不同, 同一影响因素却有不同的结果。如同是温度升高, 金属电导机制是使电导率下降, 半导体则电导率上升; 而对于离子晶体则可能使电导率与温度倒数的关系发生改变, 而且离子电导对温度的依赖性更强, 离子电导与离子扩散的能斯特-爱因斯坦方程便是明证。运用费密狄拉克分布函数和半导体的特点介绍了载流子数量的计算、电子和空穴运动规律以及复合过程等。超导体的超导转变机制十分复杂, 人们并没完全掌握。我们只是简单提及了BCS 理论, 介绍了超导研究的进展, 主要集中在描述超导态的量子特性以及评价超导体三个指标的关系。上述四方面（金属、离子晶体、半导体、超导体）表现的特殊物理性能的应用, 诸如, 高温和常温导电材料; 快离子导体; 超导及半导体器件: 晶体管、SQUID 等。小电阻的测试方法及其在材料科学和工程中的应用, 要注意选择测试方法的准确性及原因, 注意电阻法的特点。

●2.1电导的物理现象

电导的物理现象 了解电导的宏观参数电导率与电阻率（electrical conductivity and resistivity），电导的微观机制，电子电导的特征霍尔效应，离子电导的特征电解效应，以及迁移率和电导率的一般表达式。

●2.2离子电导

离子电导率 离子电导的载流子浓度、迁移率的求算，根据σ=nqμ求算离子电导率。 离子扩散机制 离子扩散机构有三种，即空位扩散、间隙扩散和亚间隙扩散。讲述扩散和离子电导的关系。 影响离子电导率的因素 影响离子电导率的因素，包括温度、离子性质及晶体结构、晶格缺陷。 快离子导体1 有些固体电解质的电导率比正常离子化合物的电导率高出几个数量级, 故通常称它们为快离子导体(FIC)。讲述快离子导体的活化能、结构特征，介绍AgI快离子导体。 快离子导体2 负离子作为传导离子的快离子导体有许多种，但传导离子主要为O2-和F-离子。介绍已研究的负离子快离子导体、氧敏元件原理、固体氧化物燃料电池原理。

●2.3电子电导

电子迁移率 计算电子迁移率，电子有效质量以及晶格散射和电离杂质散射对电子迁移率的影响。 载流子浓度 计算本征半导体和杂质半导体的载流子浓度、费密能级。 电子电导率 根据公式σ=nqμ计算电子电导率，给出例题计算本征半导体和杂质半导体的载流子浓度、电导率、费密能级。 影响电子电导的因素 介绍影响电子电导的因素，包括温度、杂质缺陷、组分缺陷（非化学计量）的影响。 晶格缺陷与电子电导 根据Kroger-Vink图探讨氧分压、杂质和温度对缺陷的种类和浓度的影响，给出例题计算非化学计量化合物的缺陷浓度。

●2.4金属材料的电导

温度和压力对金属电阻率的影响 电阻率与温度的关系，金属的温度愈高，电阻率也愈大。电阻率与压力的关系，大多数金属的电阻率随压力增加下降。 冷加工和缺陷对金属电阻率的影响 冷加工引起金属晶格畸变也像原子热振动一样，增加电子散射几率，导致电阻增加。缺陷对电阻率的影响：空位、间隙原子以及它们的组合、位错等晶体缺陷使金属电阻率增加。 固溶体的电阻率 金属之间形成固溶体时，电导率降低。这是因为溶质原子溶入到溶剂晶格时，溶剂的晶格发生扭曲畸变，破坏了晶格势场的周期性，电子受到散射的几率增加，因而电阻率增高。介绍了化合物、中间相、多相合金的电阻率。·

●2.5无机材料电导

玻璃态电导 介绍玻璃材料的电导特性，双碱效应、压碱效应、介绍质子导电玻璃、电子导电玻璃、和电磁功能玻璃材料。 多晶多相材料的电导 陶瓷材料通常为多晶多相材料，其显微结构主要由晶相、玻璃相和气孔相三部分构成，三者的量的大小及其相互间的关系，决定了陶瓷材料电导率的大小。陶瓷材料电导的空间电荷效应和电化学老化现象，无机材料电导混合法则。

●2.6半导体陶瓷的物理效应

晶界效应 介绍半导体陶瓷的晶界效应包括压敏效应和PTC效应及其机理、ZnO压敏电阻和PTC电阻。 表面效应 介绍半导体陶瓷的表面效应，陶瓷气敏元件主要是利用半导体表面的气体吸附反应，利用表面电导率变化的信号来检测各种气体的存在和浓度。 西贝克（seebeck）效应和PN结 半导体材料的两端如果有温度差，那么在较高的温度区有更多的电子被激发到导带中去，多数载流子扩散到冷端，结果在半导体两端就产生温差电动势，这种现象称为温差电动势效应。p-n结是许多重要半导体器件的核心，介绍了p-n结势垒的形成。

●2.7超导体

超导体1 超导体（superconductor）是在液氦甚至液氮的低温下，具有零阻导电现象的物质。超导体的研究与发现开始于金属及其化合物，继而的研究在氧化物中发现了超导体，高临界陶瓷超导材料及其超导薄膜、超导线材相继问世。介绍超导体的三个性能指标和超导体的分类。 超导体2 介绍超导体的约瑟夫逊效应和超导体的应用。

●2.8电导功能材料

电导功能材料 介绍电导功能材料包括导电材料、电阻材料(含高温加热元件及电极)和电触点材料。

●2.9电性能测量及应用举例

电性能测量及其应用举例 介绍电阻的测量方法，包括双电桥法、电位差计、直流四探针法，以及电性能测试应用举例。

第三章材料的介电性能

通过比较真空平板电容器和填充电介质的平板电容器的电容变化, 引入介电常数和极化的概念,注意与极化相关的物理量; 分析极化的微观机制。克劳修斯-莫索堤方程把微观的极化率和宏观的极化强度联系起来,指出了提高介电常数的途径。同样通过理想平板电容器和填充电介质的平板电容器的电流、电压矢量图的比较, 引入电介质在交变电场下性能表征参量:复介电常数、介电损耗以及对外电场响应的极化德拜方程。介质击穿强度是绝缘材料和介电材料的重要指标之一，实际击穿原因十分复杂,在研究提高材料的击穿强度的同时,还应注意电场作用下的构建和电极设计的合理性。压电性、热释电性和铁电性是具有特殊晶体结构的电介质的特性, 要注意掌握它们的特殊性质的表征参量以及可能的应用。

●3.1介质的极化

介绍克劳修斯-莫索蒂方程。当寻找宏观的电极化强度与微观极化率的关系时, 要明确的问题是外加电场强度是否完全作用到每个分子或原子。现已证明, 作用在分子、原子上的有效电场与外加电场E0、电介质极化形成的退极化场E1以及分子或原子与周围的荷电质点的相互作用有关。克劳修斯莫索蒂方程表述了宏观电极化强度与微观分子(原子) 极化率的关系。 介质的极化类型1 电介质在外加电场作用下产生宏观的电极化强度，实际上是电介质微观上各种极化机制贡献的结果，它包括电子极化、离子极化(又可分为位移极化和松弛极化) 、偶极子转向极化、空间电荷极化和自发极化。极化的基本形式又分为两种，本节介绍电子位移极化的经典理论模型和电子极化率的量子理论。 介质的极化类型2 本节介绍离子位移极化和松弛极化。离子位移极化是离子在电场作用下偏移平衡位置的移动，相当于形成一个感生偶极矩; 也可以理解为离子晶体在电场作用下离子间的键合被拉长。松弛极化也是由外加电场造成的，但与带电质点的热运动状态密切相关。当材料中存在着弱联系的电子、离子和偶极子等松弛质点时, 温度造成的热运动使这些质点分布混乱，而电场使它们有序分布, 平衡时建立了极化状态。这种极化具有统计性质,称为热松弛极化。 介质的极化类型3 本节介绍电子松弛极化、转向极化、空间电荷极化和自发极化。电子松弛极化是由弱束缚电子引起的极化。转向极化主要发生在极性分子介质中。空间电荷极化常常发生在不均匀介质中。这些混乱分布的空间电荷，在外电场作用下, 趋向于有序化。没有外加电场时，还有一种极化叫自发极化，这种极化状态并非由外电场引起，而是晶体的内部结构造成的。 高介晶体的极化 这一节我们介绍高介晶体的极化。有少数晶体，其相对介电常数 和 都相当高，随着电子技术的发展，这些介电常数大的物质是有着广阔发展前景的电子材料。为了说明这类晶体介电常数大的原因，提出了这一类晶体的晶体结构比较特殊，在外电场作用下,由于离子之间的相互作用，引起了极其强烈的局部内电场。在此内电场的作用下,离子的电子壳层发生了强烈的变形，离子本身也发生了强烈的位移，这就使材料具有很高的介电系数。 多晶多相无机材料的极化 随着电子技术的发展,需要一列具有不同介电常数和介电常数的温度系数也不同的材料。因此，由由结构和化学组成不同的两种晶体所制成的多晶材料，或介电常数小的有机材料和介电常数大的无机固体细碎材料所

●3.2介质损耗

介质损耗的表示方法 本节介绍介质损耗及复介电常数。电介质在电场作用下，单位时间内消耗的电能叫介质损耗。电介质在恒定电场作用下所损耗的能量与通过其内部的电流有关。加上电场后通过介质的全部电流包括电容电流、极化损耗和电导损耗。极化损耗主要与极化的驰豫过程有关，电子位移极化和离子位移极化称为无惯性极化或瞬时位移极化，不产生能量损耗。偶极子转向极化和空间电荷极化称为有惯性极化或驰豫极化，损耗能量。 介质驰豫和德拜方程 本节介绍介质驰豫和德拜方程。介质在交变电场中通常发生驰豫现象，在一个实际介质的样品上突然加上一电场（阶跃电场），所产生的极化过程不是瞬时的，在外电场施加或移去后，系统逐渐达到平衡状态的过程叫介质驰豫。研究介电常数与频率的关系，主要是研究电介质材料的极化机制, 从而了解材料引起损耗的原因。介质损耗不仅与自由电荷的电导有关，还与松弛极化过程有关，工程应用中常用损耗角来表示介质损耗。 介质损耗和频率温度的关系 本节介绍介质损耗和频率温度的关系。介质材料使用的频率范围对其极化机制有显著影响，主要是对材料随交流电场反转的极化“弛豫”过程或时间延迟而言。瞬时极化过程弛豫时间短，延时极化过程弛豫时间长。当弛豫时间与外电场周期相差很大时损耗则很小。温度对弛豫极化同样存在影响，温度升高, 弛豫极化增加, 而且离子间易发生移动,所以极化的弛豫时间τ减小。 无机介质的损耗 本节介绍除电导损耗和松弛极化损耗外的另外两种损耗形式：电离损耗和结构损耗,以及离子晶体与玻璃和陶瓷的损耗情况。玻璃结构就愈疏松，离子就有可能发生移动，造成电导损耗和松弛损耗。各种离子晶体根据其内部结构的紧密程度，可以分为两类：一类是结构紧密的晶体，无极化损耗，仅有的一点损耗是由漏导引起；另一类是结构不紧密的离子晶体，损耗较大。陶瓷材料的损耗主要来源于电导损耗、松弛质点的极化损耗及结构损耗。

●3.3介电强度

热击穿 本节介绍介质在电场中的破坏。当电场强度超过某一临界值时，介质由介电状态变为导电状态。这种现象称介电强度的破坏，或叫介质的击穿。其中,热击穿的本质是：处于电场中的介质，由于其中的介质损耗而受热，当外加电压足够高时，可能从散热与发热的热平衡状态转人不平衡状态，若发出的热量比散去的多,介质温度将愈来愈高，直至出现永久性损坏，这就是热击穿。 电击穿 固体介质电击穿理论是在气体放电的碰撞电离理论基础上建立的。本征电击穿理论与介质中的自由电子有关,室温下即可发生，发生时间很短。本征电击穿理论只考虑电子的非稳定态，不考虑晶格的破坏过程。引起非稳定态(即平衡方程的破坏)的起始场强定义为介质的电击穿场强。“雪崩”电击穿理论则以碰撞电离后自由电子数倍增到一定数值(足以破坏介质绝缘状态)作为电击穿判据。 无机材料的击穿 本节介绍无机材料的击穿。无机材料常常为不均匀介质，有晶相、玻璃相和气孔存在，这使无机材料的击穿性质与均匀材料不同。材料中含有气泡时大量的气泡放电，一方面导致介电-机械-热击穿；另一方面介质内引起不可逆的物理化学变化，使介质击穿电压下降。这种现象称为电压老化或化学击穿。固体介质的表面放电属于气体放电。固体介质常处于周围气体媒质中，击穿时常发现介质本身并未击穿，但有火花掠过它的表面，这就是表面放电。

●3.4晶体的介电性质

晶体的压电性 本节介绍晶体的压电性。压电性，就是某些晶体材料按所施加的机械应力成比例地产生电荷的能力。1880年J.Curie和P.Curie在石英晶体上最先发现了压电效应。具有压电效应的物体称为压电体。获得压电性所需要的极性,可以通过暂时施加强电场的方法，使原来各向同性的多晶陶瓷发生“极化”，这种极化可以在铁电陶瓷中发生类似于永久磁铁的磁化过程。近年来,压电陶瓷发展较快，在不少场合已经取代了压电单晶，它在电、磁、声、光、热和力等交互效应的功能转换器件中得到了广泛的应用。 晶体对称性与压电性 本节介绍晶体的对称性与压电性的关系。压电晶体物理性质的特点是，形变能使晶体产生极化（或者说能改变晶体的极化状态），而极化现象直接与电偶极矩的分布有关。因此可以通过晶体内部的电偶极矩分布与晶体对称性之间的关系来讨论晶体的压电性。凡具有对称中心的晶体，肯定是非压电晶体。 压电陶瓷材料 本节介绍压电陶瓷材料的获得及应用。若将铁电陶瓷预先经强直流电场作用，使各晶粒的自发极化方向都择优取向成为有规则的排列(这一过程称为人工极化)，当直流电场除去后，陶瓷内仍能保留相当的剩余极比强度，则陶瓷材料宏观具有极性，也就具有了压电性能。近年来，压电陶瓷得到了广泛的应用。 热释电性 本节介绍热释电性。含有固有电偶极矩的晶体叫极性晶体,在21种无对称中心的晶体中，有10种是极性晶体。极性晶体除了由于应力产生电荷以外，由于温度变化也可以引起电极化状态的改变。因此当均匀加热时，这类晶体能够产生电荷。这种产生偶极子的效应称为热电性,具有热电性的物体叫热电体。 晶体的铁电性质 本节介绍铁电性。有一类介质,其极化强度和外加电压的关系是非线性的，叫非线性介质。铁电体就是一种典型的非线性介质。在铁电体中存在另外一种极化机构自发极化。所谓自发极化，即这种极化状态并非由外加电场所造成，而是由晶体的内部结构特点造成的，晶体中每一个晶胞里存在固有电偶极矩。在铁电态下，晶体的极化与电场的关系称为电滞回线，它是铁电态的一个标志。 铁电畴 本节介绍铁电畴及电滞回线。通常，一个铁电体并不是在一个方向上单一地产生自发极化。在一个小区域内，各晶胞的自发极化方向都相同。这个小区域称为铁电畴。两畴之间的界壁称为畴壁。电畴结构与晶体结构有关，电畴运动是通过在外电场作用下下新畴的出现、发展以及畴壁的移动来实现的。

第四章材料的光学性能

以光子与固体相互作用为基础,全面理解材料的透射率、 反射率和折射率, 即理解材料的透明、半透明、 乳浊、不透明以及材料颜色的物理意义, 并分析表征这些光性质的物理参数的影响因素。热辐射和荧光是二种不同类型的光源发光。注意冷光源荧光(或磷光) 发光机理和应用领域。激光工作物质是激光产生的物质基础,应掌握典型激光器工作物质工作的原理和新型激光工作物质的特点。半导体激光器以及相伴的量子阱激光器是一种小型激光器, 它又可以做为其他固体激光器的泵浦光源,值得注意。对于红外光, 应首先弄清红外光的物理意义, 红外光学材料的特点,特别是作为红外光学透过材料的最佳代表—金刚石的特性。应掌握红外探测器,以及红外探测材料的代表 MC T 的物理特性。注意热释电探测材料和光子型探测材料的区别。电光效应、磁光效应、 光折变效应、 非线性光学效应是光学材料做成器件应用的基础。前二种效应已较成熟,要掌握其机理; 后面二种效应正在深入探讨和开发之中, 应初步理解。要掌握光纤的工作原理、结构以及表征性能的主要参量。

●4.1光通过介质的现象

折射和色散 本节讲述光和固体的相互作用，着重讲述材料的折射和色散。 反射和透射 本节讲述光的反射和投射现象。 散射 本节讲述光的散射现象，包括瑞利散射和拉曼散射。

●4.2材料的不透明性与半透明性

不透明性 本节讲述材料的不透明性。

●4.3透明材料的颜色和着色原理

透明材料的颜色和着色原理 本节讲述透明材料的颜色和着色原理。

●4.4材料的发光

发光和热辐射 本节讲述物体的发光和热辐射。 激光 本节讲述激光的相关知识

●4.5无机材料的红外光学性能

半导体激光器 本节讲述半导体激光器的相关知识。

●4.6电光效应和非线性光学效应

红外透过材料 本节讲述红外透过材料的相关知识。 红外探测材料 本节讲述红外探测材料的相关知识。 偏振光、布儒斯特角和双折射 本节讲述偏振光、布儒斯特角和双折射现象的相关知识，为学习电光效应和非线性光学效应打下基础。 电光效应 本节讲述电光效应的相关知识，并介绍一些电光材料的应用实例。 非线性光学效应 本节讲述非线性光学效应的相关知识，并介绍一些重要的相关材料。

●4.7光导纤维

光导纤维1 本节讲述光导纤维的相关知识，着重介绍光纤的构成和损耗。 光导纤维2 本节讲述光导纤维的相关知识，着重介绍光纤的色散。

第五章材料的热性能

对于材料热性能应首先定性理解材料热容、 热膨胀、 热传导的物理本质; 掌握表征上述性能的物理参量:摩尔热容、 线膨胀和体膨胀系数、热导率和热扩散率的物理意义, 它们的影响因素和变化规律,以及造成金属和无机非金属材料热性能差别的原因。三种热物理参量都介绍了主要测试方法,其中由于直接测试热容在绝热技术上较困难, 导致工程上热分析———DTA和 DSC 方法的广泛应用。最后介绍了材料热稳定性评价因子。本章结合物性介绍的功能材料是膨胀合金。

●5.1材料的热容

固体热容理论简介 第五章开始学习无机材料的热性能，这一讲内容为固体热容理论简介。根据原子热振动的特点,从理论上阐明了热容的物理本质, 并建立了热容随温度变化的定量关系,其发展过程是从经典热容理论—杜隆-珀替定律经爱因斯坦的量子热容理论到较为完善的德拜量子热容理论,以及其后对德拜热容理论的完善发展。 金属和合金的热容 这一讲的学习内容为金属和合金的热容。可以用量子自由电子理论可以算出自由电子对热容的贡 献。在合金中还应考虑合金相的热容及合金相形成热等。 陶瓷材料的热容、相变对热容的影响 这一讲的学习内容为陶瓷材料的热容、相变对热容的影响。由于陶瓷材料主要由离子键和共价键组成,室温下几乎无自由电子, 因此热容与温度关系更符合德拜模型。尽管热容对材料晶体结构不敏感,但是相变仍然对热容大小起作用。陶瓷材料一般是多晶多相系统，材料中的气孔率对单位体积的热容有影响。

●5.2材料的热膨胀

热膨胀的微观机制 第二节主要讲述热膨胀。这一讲的学习内容为膨胀系数、固体材料热膨胀的本质及膨胀系数与其他物理量的关系。膨胀系数是材料的重要物理参数，固体材料热膨胀的本质归结为点阵结构中的质点间平均距离随温度升高而增大。 影响热膨胀的因素 这一讲的学习内容为影响热膨胀的因素。膨胀系数除随温度变化外,还受许多其他因素，如合金成分和相变、晶体缺陷、晶体各向异性、铁磁性转变等条件的影响。

●5.3材料的导热性

热传导的宏观规律及微观机制 这一讲的学习内容为热传导的宏观规律及微观机制，并介绍金属材料的热传导。热导率λ(亦称导热系数)是反映材料的导热能力的物理量，不同材料的导热能力有很大差异。固体中的导热主要是靠晶格振动的格波(也就是声子)和自由电子的运动来实现的。对于纯金属,导热主要靠自由电子, 而合金导热就要同时考虑声子导热的贡献。 声子导热和光子导热 这一讲的学习内容为无机非金属材料的热传导。无机非金属材料导热的主要机制是声子导热。晶格波可以分为声频支和光频支两类，对声子导热和光子导热分别讨论。 无机非金属材料的热传导 这一讲的学习内容为影响无机非金属材料热导率的因素。无机非金属材料热导率的影响因素比较复杂，温度、晶体结构、化学组成、晶粒大小和各向异性、非晶体的热导率等条件均会产生影响。对于复相陶瓷，分散相和气孔率也会对热导率有影响。

●5.4材料的热电性

热电性 这一讲的学习内容为热电性。温度测量中广泛使用的热电偶,是根据Seebeck发现的热电效应制造的。热电偶能进行温度测量正是由于热电偶材料具有热电性的结果。这一讲将进一步对热电性进行介绍。

●5.5材料的热稳定性

热稳定性和热应力 这一讲的学习内容为热稳定性和热应力。热稳定性是指材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力, 也称抗热震性。仅由于材料热膨胀或收缩引起的内应力称为热应力。这种应力可导致材料的断裂破坏或者发生不希望的塑性变形。 抗热冲击性能 这一讲的学习内容为抗热冲击性能，抗热冲击性能对于不同类别的无机材料是不同的性能指标：抗热冲击断裂性能、抗热冲击损伤性。

第六章材料的磁学性能

本章概括介绍了固体的五大磁性:抗磁性、 顺磁性、铁磁性、 亚铁磁性和反铁磁性。应定性了解抗磁性、顺磁性和反铁磁性产生的机理和在磁场中的表现。着重了解铁磁性和亚铁磁性产生的条件,并结合磁性材料掌握表征铁磁性和亚铁磁性材料的物性特点。信息存贮磁性材料是当代发展最快的领域之一, 包括感应磁记录材料、磁光记录材料以及旋磁材料。它们虽然以硬磁或软磁材料条件应用, 但其应用形式多是以粒子或薄膜形式,要注意其特殊的性能要求及其实现的途径。磁性材料当前仍以金属和陶瓷铁氧体材料为主。

●6.1磁现象及其物理量

磁现象及其物理量 本章介绍磁性材料的一般磁性能，着重讨论铁氧体材料的磁性能及其应用。物质的磁性来源于电子的运动以及原子、电子内部的永久磁矩，因而了解电子磁矩和原子磁矩的产生及其特性，是研究物质磁性的基础。 磁性的本质 磁现象和电现象在者本质的联系。物质的磁性来源于原子的磁性，和原子、电子结构有着密切的关系。原子的磁矩包括三个部分，①电子自旋磁矩②电子轨道磁矩③原子核磁矩。因为原子核比电子质量大1000多倍，运动速度仅为电子速度的几千分之一，所以原子核的自旋磁矩仅为电子自旋磁矩的千分之几，因而可以忽略不计。在晶体中，电子的轨道磁矩受晶格场的作用，其方向是变化的，不能形成一个联合磁矩，对外没有磁性作用。因此，物质的磁性不是由电子的轨道磁矩引起，而是主要由自旋磁矩引起。 磁性的分类 根据磁性行为，可以将磁性的机制分为五类：抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性。其中铁磁性和亚铁磁性是磁性材料应用的物理基础，其主要特点是具有自发磁化、畴结构和磁滞行为。

●6.2磁畴与磁滞回线

磁畴与磁滞回线 未经外磁场磁化的（或处于退磁状态的）铁磁体在宏观上并不显示磁性，这说明物质内部各部分的自发磁化强度的取向是杂乱的，因而物质的磁畴决不会是单畴，面是由许多小磁畴组成的。磁滞回线则是指将一未经磁化的或退磁状态的铁磁体，放入外磁场H中，其磁体内部的B随外磁场H的变化是非线性的。 铁磁体的磁性 铁磁体具有磁晶各向异性和各向异性能。在单晶体的不同晶向上，磁性能是不同的，称为磁性各向异性。为了使铁磁体磁化，要消耗一定的能量，称为磁化功。铁磁体在磁场中的能量为静磁能。它包括铁磁体与外磁场的相互作用能和铁磁体在自身退磁场中的能量。后一种静磁能常称为退磁能。铁磁体在磁场中磁化，其形状和尺寸都会发生变化，这种现象称为磁致伸缩，单晶体的磁致伸缩也具有各向异性。 铁磁体的磁畴 自发磁化是以小区域磁畴存在的，各个磁畴的磁化方向不同，所以大块磁铁对外不显示磁性。磁畴已为实验观察所证实，从对磁畴组织的观察中，可以看到有的磁畴大而长，称为主畴，其自发磁化方向必定沿晶体的易磁化方向；小而短的磁畴叫副畴，其磁化方向就不一定是晶体的易磁化方向。

●6.3铁氧体的磁性与结构

铁氧体的磁性与结构 铁氧体是含铁酸盐的陶瓷磁性材料。铁氧体磁性与铁磁性相同之处在于有自发磁化强度和磁畴，因此有时也被统称为铁磁性物质。其和铁磁物质不同点在于，铁氧体一般都是多种金属的氧化物复合而成，因此铁氧体磁性来自两种不同的磁矩。一种磁矩在一个方向相互排列整齐，另一种磁矩在相反的方向排列。这两种磁矩方向相反，大小不等，两个磁矩之差，就产生了自发磁化现象。因此铁氧体磁性又称亚铁磁性。

●6.4磁性材料

铁氧体磁性材料 软磁材料具有其典型的磁滞回线（图6.30）。这类材料要求磁导率高，饱和磁感应强度大，电阻高，损耗低，稳定性好等。其中尤以高磁导率和低损耗最重要。 硬磁材料同样具有其典型的磁滞回线（图6.31）。硬磁材料也称为永磁材料，其主要特点是剩磁Br大，这样保存的磁能就多，而且矫顽力Hc也大，不容易退磁。 磁性材料的旋磁性是指在两个互相垂直的直流磁场和电磁波磁场的作用下，平面偏振的电磁波在材料内部按一定方向的传播过程中，其偏振面会不断绕传播方向旋转的现象，这种具有旋磁特性的材料就称为旋磁材料。 有些磁性材料的磁滞回线近似矩形，成为矩磁材料。并且有很好的矩形度，比较典型的矩形磁滞回线见图6.32。可用剩磁比Br/Bm来表征回线的矩形。除少数几种石榴石型以外，有矩形磁滞回线的铁氧体材料都是尖晶石结构。 压磁材料，以磁致伸缩效应为应用原理的铁氧体称为压磁铁氧体。优点是电阻率高、频率响应好、电声效率高。

第七章材料的受力形变

由固体内小体积元的平衡的应力-应变状态,写出广义胡克定律,进而导出材料弹性的表征参量:弹性模量、切变模量、体积模量和泊松比。描述了弹性模量的微观本质、影响因素、与其他物理量的关系,以及铁磁状态的弹性反常。介绍了多孔陶瓷和双相陶瓷的弹性模量, 以及动态法测材料弹性模量的基本方法。

●7.1应力与应变

应力与应变 这一讲学习了应力与应变，分析材料变形行为时通常使用应力和应变这两个基本概念，包括正应力和剪应力、正应变和剪切应变。

●7.2无机材料的弹性形变

弹性形变 这一讲介绍了无机材料的弹性形变，学习了弹性形变的广义虎克定律，包括材料的弹性模量和体积模量。 弹性形变的微观机理 这一讲介绍了弹性形变的微观机理，从微观上研究原子间相互作用力、弹性系数及弹性模量间的关系。 弹性模量的影响因素 这一讲介绍了弹性模量的影响因素，内因有键合方式和原子结构，晶体结构，化学成分和微观组织。外因有温度，加载条件和负荷持续时间。包括弹性模量的测定。

●7.3无机材料中晶相的塑性形变

晶格滑移 这一讲介绍了晶体中塑性形变的两种基本方式：滑移和孪晶。介绍了金属和无机非金属材料的滑移系统，金属由一种离子组成，金属键无方向性，结构简单滑移系统多。非金属组成复杂，共价键或离子键有方向，结构复杂滑移系统少。 塑性形变的位错运动理论 这一讲介绍了塑性形变的位错运动理论。实际晶体中存在有大量的位错缺陷，由于使位错产生运动所需的力比使晶体两部分整体产生相互滑移所需的力要小得多，事实上，实际晶体的滑移在绝大多数情况下都是位错运动的结果。 塑性形变速率 这一讲介绍了塑性形变速率与位错运动和屈服强度的关系。由于滑移反映出来的宏观上的塑性形变是位错运动的结果，因此宏观测得的形变速率也与位错运动有关，而滑移系统的临界剪应力随宏观形变速率的增大而增大。

●7.4高温下玻璃相的粘性流动

高温下玻璃相的粘性流动 这一讲介绍了高温下玻璃相的粘性流动，黏性流动的特点是剪应力与速度梯度成正比。符合牛顿定律的流体叫做牛顿液体,其特点为应力应变率之间呈直线比例关系。

●7.5无机材料的高温蠕变

粘弹性与滞弹性 这一讲介绍了无机材料的粘弹性与滞弹性。在一些特定的情况下，一些非晶体和多晶体在受到比较小的应力作用时可以同时表现出弹性和黏性，这种现象称为黏弹性。无机固体和金属表现出的与时间有关的弹性称为滞弹性。聚合物的黏弹性可以认为仅仅是严重发展的滞弹性。 高温蠕变理论 这一讲介绍了高温蠕变理论。无机材料的蠕变行为受环境温度的影响很大，同时也强烈地依赖于材料的显微结构，包括晶格蠕变和晶界蠕变。 影响蠕变的因素 这一讲介绍了影响蠕变的因素，包括温度、应力、显微结构的影响。学习无机材料的超塑性和导致超塑性形变的机制。

第八章无机材料的断裂力学

在本章中介绍断裂力学中的一些基本概念，而后借助于断裂力学这一理论工具，对无机材料中裂纹扩展以及脆性断裂的一些基本规律进行讨论。

●8.1断裂现象

理论断裂强度 随着外加作用应力的持续增大或应力作用时间的延续，材料在形变达到一定程度之后将发生断裂。评价材料断裂行为的一个最为主要的参数是断裂强度。强度的测试及评价是无机材料断裂力学研究的重要基础。本章将对无机材料断裂强度的定义、测试方法及其影响因素等问题进行较为详尽的讨论。 Griffith微裂纹理论 Griffith微裂纹理论指出:实际材料中总是存在许多细小的裂纹或缺陷；在外力作用下,这些裂纹和缺陷附近产生应力集中现象；当应力到达一定程度时，裂纹的扩展导致了材料断裂。 无机材料中微裂纹的起源 导致无机材料产生微裂纹的原因是多方面的。根据裂纹形成机制不同，可以把无机材料中的微裂纹大致分为本征裂纹和非本征裂纹两大类。其中，本征裂纹指的是那些在材料制作过程中引进的缺陷；非本征裂纹则是由于外力及环境作用而产生的缺陷。

●8.2理论结合强度

无机材料断裂强度测试方法 无机材料的断裂强度通常只能采用弯曲方法测定，因为无机材料通常脆性较大，在进行拉伸试验时,试样容易在夹持部位发生断裂，加之夹具与试样轴心的不一致所产生的附加弯矩的影响，在实际拉伸试验中往往难以测得可靠的抗拉强度值。 显微结构对断裂强度的影响 借助Griffith微裂纹理论,可以就显微结构对断裂强度的影响问题作一些初步的讨论。一般描述陶瓷材料显微结构的两个重要的特征参数是晶粒尺寸和气孔率。对于多晶材料,大量实验证明:晶粒尺寸越小，材料的强度就越高。对于大多数无机材料而言，弹性模量随材料气孔率的增大而降低。

●8.3断裂理论

裂纹尖端处的应力场强度 对于含裂纹体的断裂问题，可以采用应力分析的方法进行研究，这是因为裂纹在外界因素作用下是否发生扩展与裂纹尖端附近区域的应力分布情况有着直接的关系。同时对于比较复杂的裂纹系统，确定其裂纹尖端应力场分布情况是十分困难的,通常需要引进一些近似条件。 断裂韧性 断裂力学理论认为，任何构件的断裂破坏都是由裂纹的失稳扩展导致的。当裂纹尖端的应力场强度达到或超过了一个临界水平时，构件将发生断裂，该临界水平通常称为材料的断裂韧性。 显微结构对断裂韧性的影响 低的断裂韧性对于无机材料的工程应用是极为不利的。因此，“增韧”设计已经成为了无机材料研究的中心问题之一。无机材料的增韧设计，实质上就是通过调整材料的显微结构,以进一步提高材料的裂纹扩展阻力。因此，从断裂力学角度对显微结构与裂纹扩展阻力之间的关系进行研究，是无机材料增韧设计的理论基础。 无机材料中裂纹的缓慢扩展 无机材料中的裂纹在受到外力作用时，除了发生快速失稳扩展和稳态扩展之外，在一定条件下还会发生一种扩展速率相对较低的缓慢扩展。裂纹缓慢扩展的结果是裂纹尺寸逐渐加大，直至达到临界尺寸转变为失稳而导致材料的断裂。在低于材料断裂韧性的外加应力场强度作用下所发生的裂纹缓慢扩展一般称为亚临界裂纹生长。 无机材料断裂寿命预测 无机材料制品在经受长期应力的作用时，制品典型受力区处的最危险裂纹将会发生亚临界裂纹缓慢扩展,最后导致断裂。裂纹从初始尺寸经亚临界扩展发育到临界尺寸最终导致制品断裂所需的时间即为制品的断裂寿命。根据前面给出的裂纹缓慢扩展理论,可以对制品的断裂寿命进行预测。