無機(jī)材料物理性能

1、 拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)成讓樣品以恒定的速度伸長變形，連續(xù)和同時測定施加的負(fù)荷（負(fù)荷計(jì)）和引起的長度變化（用伸長計(jì)）。應(yīng)力應(yīng)變一般經(jīng)歷幾分鐘直到樣品破壞，即測試樣品發(fā)生永久變形通常是斷裂。 Modulus of elasticity The initial slope of the curve, related directly to the strength of the atomic bonds. Yield strength Usually defined as the point at which a consistent and measurable amount of permanent

2、strain remains in the specimen. Modulus of resilience The area under the linear part of the curve measuring the stored elastic energy. Tensile strength The maximum stress applied to the specimen. Failure stress The stress applied to the specimen at failure (usually less than the maximum tensile stre

3、ngth because necking reduces the cross-sectional area). Ductility The total elongation of the specimen due to plastic deformation, neglecting the elastic stretching (the broken ends snap back and separate after failure). Toughness The total area under the curve which measures the energy absorbed by

4、the specimen in the process of breaking.彈性模量彈性模量E實(shí)際上和實(shí)際上和原子間結(jié)合力曲線上原子間結(jié)合力曲線上任一受力點(diǎn)的任一受力點(diǎn)的曲線斜曲線斜率有關(guān)。率有關(guān)。在不變外力在不變外力的情況下，的情況下，tg就反映就反映了彈性模量了彈性模量E的大小。的大小。原子間結(jié)合力弱，如原子間結(jié)合力弱，如圖中曲線圖中曲線1，1較小，較小，tg1較小，較小，E1也就??；也就??；原子問結(jié)合力強(qiáng)，如原子問結(jié)合力強(qiáng)，如圖中曲線圖中曲線2，2和和tg2都較大，都較大，E2也就大。也就大。dxdvdtd一般比理論結(jié)合強(qiáng)度低幾個數(shù)量級，一般比理論結(jié)合強(qiáng)度低幾個數(shù)量級，僅晶須或纖維材

5、料具有接近于理論強(qiáng)僅晶須或纖維材料具有接近于理論強(qiáng)度的實(shí)際強(qiáng)度。度的實(shí)際強(qiáng)度。xth2sinththdxx2sin220axEExx22sin2/1)(aEth2/1)(aEth2121)/(2)/(2)/(21 aCRCRCA(12)AC2AC2ACa2CEaa4cEC2cEC22(1)cECCEf)1 (22CEpf)( ICIKCYK2AC2IxxyyKrplane strain fracture toughness KIc ; 991.95 101.51.30 10ysn991.56 101.21.30 10ysn91.95 10ysPa91.30 10Pa91.56 10ysPa71

6、/24.5 10ICKPam71/27.5 10ICKPam7934.5 101.0 10 ()1.51 10ICcKPaY C7937.5 101.67 10 ()1.51 10ICcKPaY C定義定義Residual stress is defined as “the stress re si d e nt i n s i d e a component or structure after all applied forces have been removed”. Compressive residual stress acts by pushing the material tog

7、ether, while tensile residual stress pulls the material pressive residual tends to increase fatigue strength and fatigue life, slow crack propagation, and increase resistance to environmentally assisted cracking. Tensile residual stress in the surface of the component is generally undesirable as it

8、decreases fatigue strength and fatigue life, increases crack propagation and lowers resistance to environmentally assisted cracking. In the toughening process, the surfaces of the glass are heated in a furnace. Recommended temperatures vary but the glass reaches temperatures of over 600C. The hot gl

9、ass is then cooled rapidly by a blast of air over a period of between 3 and 10 seconds. the surfaces shrink, and (at first) tensile stresses develop on the surfaces. As the bulk of the glass begins to cool, it contracts. The already solidified surfaces of the glass are then forced to contract, and c

10、onsequently, they develop residual compressive surface stresses, while the interior zone develops compensating tensile stresses. The tension zone in the core of the glass takes up about 60% of the cross-sectional area of the glass. 增強(qiáng)機(jī)制課堂練習(xí)課堂練習(xí)n1.為什么陶瓷材料的實(shí)際強(qiáng)度比理論強(qiáng)度低？n2. 無機(jī)材料有哪些表征力學(xué)性能的物理量？如何進(jìn)行測試？n3. 無

11、機(jī)材料提高強(qiáng)度的措施有哪些？n4. 無機(jī)材料增加韌性的機(jī)制有哪些？ n無機(jī)材料有哪些表征力學(xué)性能無機(jī)材料有哪些表征力學(xué)性能的物理量？如何進(jìn)行測試？的物理量？如何進(jìn)行測試？同一能量值同一能量值a點(diǎn)處斜率大，斥力大；b點(diǎn)處斜率小，引力小。非對稱性非對稱性P123：3.27式式V(r)= V(r0)+1/22-1/3 3 + 4,5 只考慮前兩項(xiàng)：簡諧只考慮前兩項(xiàng)：簡諧振動振動考慮前三項(xiàng)：非簡諧考慮前三項(xiàng)：非簡諧振動振動考慮前四、五項(xiàng)：熱考慮前四、五項(xiàng)：熱膨脹系數(shù)與溫度有關(guān)膨脹系數(shù)與溫度有關(guān)光的現(xiàn)象光的微粒說光的波動說光的電磁說光的波粒二象性光的直線傳播光的傳播速度光的反射光的折射光的干涉光的衍射電

12、磁波譜光譜?1414108 . 4109 . 31414100 . 5108 . 41414104 . 5100 . 51414101 . 6104 . 51414104 . 6101 . 61414106 . 6104 . 61414105 . 7106 . 6可見光七彩顏色的波長和頻率范圍可見光七彩顏色的波長和頻率范圍人眼最為敏感的光是黃綠光，即人眼最為敏感的光是黃綠光，即nm555附近。附近。 在真空中，光以恒定的速度傳播，與光的頻率無關(guān)。在真空中，光以恒定的速度傳播，與光的頻率無關(guān)。然而，在通過任何物質(zhì)時，光的傳播速度要發(fā)生變化，然而，在通過任何物質(zhì)時，光的傳播速度要發(fā)生變化，而且而且

13、不同頻率的光不同頻率的光在同物質(zhì)中的傳播速度也不同；在同物質(zhì)中的傳播速度也不同； 這一事實(shí)在折射現(xiàn)象中最明顯地反映了了出來，即物質(zhì)的折射率與光的頻率有關(guān)，折射率n取決于真空中光速c和物質(zhì)中光速u之比，即 這種光在介質(zhì)中的這種光在介質(zhì)中的傳播速度傳播速度（或介質(zhì)的折射率）隨其頻率（或介質(zhì)的折射率）隨其頻率（或波長）而變化的現(xiàn)象，稱為（或波長）而變化的現(xiàn)象，稱為光的色散現(xiàn)象光的色散現(xiàn)象。vcn 1672年牛頓首先利用棱鏡的色散現(xiàn)象，把日光分解成了彩色光帶。 棱鏡的折射率為 在棱鏡頂角A已知的條件下，通過最小偏向角m的測量，利用上式可以得到棱鏡材料對該波長的光的折射率n。用各種波長的光入射，即可得到

14、m和n隨波長的變化關(guān)系。 2/sin2/sinsinsin21AmAn 測量不同波長光線通過棱鏡的最小偏向角，就可以測量不同波長光線通過棱鏡的最小偏向角，就可以算出棱鏡材料的算出棱鏡材料的折射率折射率n與波長與波長之間的關(guān)系曲線，之間的關(guān)系曲線，即色散曲線。即色散曲線。 實(shí)驗(yàn)表明，凡在可見光范圍內(nèi)無色透明的物質(zhì)，它實(shí)驗(yàn)表明，凡在可見光范圍內(nèi)無色透明的物質(zhì)，它們的色散曲線在形式上很相似，這些曲線的共同特們的色散曲線在形式上很相似，這些曲線的共同特點(diǎn)是，點(diǎn)是，折射率折射率n以及色散率以及色散率dn/d的數(shù)值都隨著波長的數(shù)值都隨著波長的增加而單調(diào)下降，在波長很長時折射率趨于定值，的增加而單調(diào)下降，在

15、波長很長時折射率趨于定值，這種色散稱為這種色散稱為（normal dispersion）。）。一、定義一、定義 實(shí)驗(yàn)表明，在發(fā)生強(qiáng)烈吸收的波段，色散曲線發(fā)生能量明顯的不連續(xù)，折射率n隨著波長的增加而增大，即dn/d 0，這種在吸收帶附近不符合科希公式，與正常色散曲線大不相同的特征稱之為（anomalous dispersion） 盡管通常把這種色散稱為反常色散，但實(shí)際上它反映了物質(zhì)在吸收區(qū)域內(nèi)所普遍遵從的色散規(guī)律。 大多數(shù)材料在遇到吸收帶時，色散曲線都有這種不連續(xù)的性質(zhì)。在吸收區(qū)域以外，物質(zhì)的色散曲線仍屬于正常曲線。212122212122)()11(nnnnnnvvRir)()sin(211

16、2nnnnc當(dāng)大量原子或分子聚集形成固體時，由于原子或分子之間的相互作用，各個不同能量孤立能級不可能完全重合而是擴(kuò)展成帶狀，能帶中電子能量是準(zhǔn)連續(xù)的，若固體中含有N個原子或分子，則每個能帶含有N個準(zhǔn)連續(xù)分布的能級。能帶（能帶（Energy band）成為表征固體中電子能量的物理概念。固體中電子能量既不象自由電子連續(xù)分布，也不象孤立原子是分立能級。充滿電子的能帶稱為滿帶（filled band），空的能帶稱為空帶（empty band），滿帶與空帶之間電子不能存在稱為禁帶(forbidden band)。特別是沒有充滿電子或完全空的更高能帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶(Conduction band)，導(dǎo)帶中的電子

17、幾乎可以自由地在固體中運(yùn)動。充滿了電子的最高能帶稱為價帶價帶(Valence band)。價帶中的電子是定域的，不能在晶體中自由運(yùn)動。導(dǎo)帶與價帶價帶之間的禁帶寬度稱為能帶間隙(band gap)，用Eg來表示,等于導(dǎo)帶底和價帶頂?shù)哪芰坎?，即Eg=Ec-Ev,從能帶概念很容易區(qū)分導(dǎo)體、半導(dǎo)體與絕緣體。金屬中即使電子進(jìn)入最高能量的能帶，也不能完全填滿，大量存在作為載流子的自由電子，所以導(dǎo)電性高，一般為導(dǎo)體（conductor）。絕緣體(insulator)與本征半導(dǎo)體(intrinsic semiconductor)僅區(qū)別于能帶間隙的大小不同。在絕對零度時能帶僅僅由全部滿帶和空帶構(gòu)成，載流子不存在

18、，不顯示導(dǎo)電性。但是，能帶間隙小的本征半導(dǎo)體，如果溫度上升，產(chǎn)生自由電子和空穴，而且，不管成為哪種載流子，本征半導(dǎo)體隨著溫度升高，導(dǎo)電性增加。n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體(電子型半導(dǎo)體電子型半導(dǎo)體)(n-type semiconductor)是是依靠電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體，它是導(dǎo)電電子密度超過空穴密度的雜質(zhì)半導(dǎo)體。例如在四價元素硅或鍺中加入五價磷、砷或銻，雜質(zhì)原子作為替位式原子占據(jù)硅或鍺原子的位置，與其它硅或鍺原子形成共價鍵，但雜質(zhì)原子多出一個電子，成為可自由移動的導(dǎo)電電子。加入半導(dǎo)體可產(chǎn)生n型半導(dǎo)體的雜質(zhì)稱為施主施主(施主雜質(zhì)施主雜質(zhì))(Donor)。它是帶正電荷而束縛電子的雜質(zhì)或者說為導(dǎo)帶提供電子而不伴隨

19、空穴產(chǎn)生的雜質(zhì)。它釋放電子后成為正電中心。被施主束縛的雜質(zhì)只有在獲得一定能量后成為導(dǎo)電電子，它的能級必然靠近導(dǎo)帶底，稱為施主能級。如果施主雜質(zhì)數(shù)量有限，隨溫度升高，電子受激全部進(jìn)入半導(dǎo)體導(dǎo)帶，繼續(xù)升溫，再無電子進(jìn)入導(dǎo)帶，形成施主施主耗竭耗竭(Donor exhaustion)此時半導(dǎo)體電導(dǎo)率將保持不變。只有溫度升高到本征激發(fā)開始時，電導(dǎo)率才會變化。施主耗盡導(dǎo)致非本征條件下電導(dǎo)率的最大值。p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體(空穴型半導(dǎo)體空穴型半導(dǎo)體)(p-type semiconductor)是是依靠空穴荷載電流的半導(dǎo)體，它是空穴密度超過導(dǎo)電電子密度的雜質(zhì)半導(dǎo)體。例如在四價元素硅或鍺中加入三價硼、鋁或銦等，雜質(zhì)

20、原子作為替位式原子占據(jù)硅或鍺原子的位置，與其它硅或鍺原子形成共價鍵，但雜質(zhì)原子缺一個電子，四價原子的價電子很容易轉(zhuǎn)移到雜質(zhì)原子，在硅或鍺中留下空穴。加入半導(dǎo)體可產(chǎn)生p型半導(dǎo)體的雜質(zhì)稱為受主受主(受受主雜質(zhì)主雜質(zhì))(Acceptor)。它。它為半導(dǎo)體的價帶提供空穴的雜質(zhì)，接受價帶電子成為帶負(fù)電的離子。只有被束縛的空穴吸收外界能量才可躍入價帶，它的能級必然位于價帶頂之上，稱為受主能級。如果受主雜質(zhì)數(shù)量有限，隨溫度升高，受主全部都接受了從價帶激發(fā)來的電子，再不可能接受，形成受主飽和受主飽和(Acceptor saturation)，此時半導(dǎo)體電導(dǎo)率將保持不變。只有溫度升高到本征激發(fā)開始時，電導(dǎo)率才會

21、變化。受主飽和導(dǎo)致非本征條件下電導(dǎo)率的最大值。 半導(dǎo)體中的空位、間隙原子、位錯和各種復(fù)合體等缺陷，同雜質(zhì)一樣，也可在禁帶中引入孤立能級稱為缺陷能級缺陷能級(Defect level)。如果如果施主能級離導(dǎo)帶底很近，或受主能級離價帶頂很近，這樣的雜質(zhì)稱為淺能級雜質(zhì)淺能級雜質(zhì)(Low level impurity)。例如硅中的硼或磷，砷或銻等，離化能只有百分之幾電子伏。如果如果施主能級離導(dǎo)帶底較遠(yuǎn)，或受主能級離價帶頂較遠(yuǎn)這樣的的雜質(zhì)稱為深能級雜質(zhì)深能級雜質(zhì)(Deep level impurity)。它們大多能產(chǎn)生多重能級，形成多重電中心。例如硅、鍺中的非III、V族元素，如金、銀、銅等。x+dxl

22、dxxII+dI光的吸收規(guī)律光的吸收規(guī)律式中a是與光強(qiáng)無關(guān)的比例系數(shù)，稱為該物質(zhì)的吸收系數(shù)（absorption coefficient）。于是，上式是光強(qiáng)的線性微分方程，表征了光的吸收的線性規(guī)律。 為了求出光束穿過厚度為l的物質(zhì)后光強(qiáng)的改變，可將上式改寫為然后對x積分，即可得 換言之，若入射光強(qiáng)為I0，則通過l的物質(zhì)后的光強(qiáng)為稱為布格定律（Bouguer law）或朗伯定律。 該定律是布格（P.Bouguer，16981758）在1729年發(fā)現(xiàn)的，后來朗伯（J.H.Lambert，17281777）在1760年又重新作了表述。6-2laeII0lIIa0lnlndxIdIa/ACeII0eV

23、hCeVhC8 . 1E m,0.7E1 . 3E m,0.4Emaxmingminminmaxgmax 又例如，普通玻璃對可見光是透明的，但是對紅又例如，普通玻璃對可見光是透明的，但是對紅外線主紫外線都有強(qiáng)烈的吸收，是不透明的。外線主紫外線都有強(qiáng)烈的吸收，是不透明的。 因此在紅外光譜儀中，棱鏡常用對紅外線透明的因此在紅外光譜儀中，棱鏡常用對紅外線透明的氯化鈉晶體和氟化鈣晶體制作；而紫外光譜儀中，氯化鈉晶體和氟化鈣晶體制作；而紫外光譜儀中，棱鏡常用對紫外線透明的石英制作。棱鏡常用對紫外線透明的石英制作。 實(shí)際上，任何光學(xué)材料，在紫外和紅外端都有一實(shí)際上，任何光學(xué)材料，在紫外和紅外端都有一定的透

24、光極限。定的透光極限。 任何物質(zhì)都有這兩種形式的吸收只是出現(xiàn)的波長任何物質(zhì)都有這兩種形式的吸收只是出現(xiàn)的波長范圍不同而已。范圍不同而已。 6-3lseII0lsaeII041sIGlobal早晨中午太陽光氣孔和雜質(zhì)造成的散射 晶界處的散射 晶界處的反射和折射光源光源 - - 能夠發(fā)光的物體能夠發(fā)光的物體 = (E2-E1) / hE1E2 原子光波列原子光波列 (wave train) cL c 一般光源的發(fā)光特點(diǎn)：一般光源的發(fā)光特點(diǎn)： 1 間歇性；間歇性； 2 隨機(jī)性。隨機(jī)性。 （1）熱輻射）熱輻射 （2）電致發(fā)光）電致發(fā)光 （3）光致發(fā)光）光致發(fā)光 （4）化學(xué)發(fā)光）化學(xué)發(fā)光 自發(fā)自發(fā)輻射輻

25、射（5）同步輻射光源）同步輻射光源 （6）激光光源）激光光源 受激受激輻射輻射激發(fā)態(tài)原子或分子的自發(fā)輻射激發(fā)態(tài)原子或分子的自發(fā)輻射 = (E2-E1) / hE1E2激發(fā)態(tài)原子或激發(fā)態(tài)原子或分子分子的受激輻射的受激輻射 材料發(fā)光前可以有多種方式向其注入能量材料發(fā)光前可以有多種方式向其注入能量一、光激勵（光致發(fā)光）光激勵（光致發(fā)光） 通過光的輻照將材料中的電子激發(fā)到高能態(tài)通過光的輻照將材料中的電子激發(fā)到高能態(tài)從而導(dǎo)致發(fā)光。從而導(dǎo)致發(fā)光。 激勵光源激勵光源可以采用光頻波段、可以采用光頻波段、x-射線波段、射線波段、-射線波段。射線波段。 如熒光燈：通過紫外線激發(fā)涂布于燈管內(nèi)壁如熒光燈：通過紫外線激

26、發(fā)涂布于燈管內(nèi)壁的熒光粉而發(fā)光。的熒光粉而發(fā)光。二、陰極射線發(fā)光 利用高能量的電子來轟擊材料，通過電子在材料內(nèi)部的多次散射碰撞，使材料中多種發(fā)光中心被激發(fā)或電離而發(fā)光的過程。 如彩電的顏色：采用電子束掃描，激發(fā)顯象管內(nèi)表面上不同成分的熒光粉，使它們發(fā)射紅、綠、藍(lán)三種基本光波而實(shí)現(xiàn)發(fā)光。三、電激勵（電致發(fā)光） 通過對絕緣發(fā)光體施加強(qiáng)電場而導(dǎo)致發(fā)光，通過對絕緣發(fā)光體施加強(qiáng)電場而導(dǎo)致發(fā)光，或者從外電路將電子（或空穴）注入到半導(dǎo)或者從外電路將電子（或空穴）注入到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶（或價帶），導(dǎo)致載流子復(fù)合而發(fā)體的導(dǎo)帶（或價帶），導(dǎo)致載流子復(fù)合而發(fā)光。光。 如儀器指示燈的發(fā)光二極管：半導(dǎo)體復(fù)合如儀器指示燈的發(fā)光二極管：半導(dǎo)體復(fù)合發(fā)光。發(fā)光。ttIIenn00n - 初始激發(fā)態(tài)的電子數(shù)- 電子在單位時間內(nèi)躍遷到基態(tài)的概率=1/ 發(fā)光壽命inoutqnninoutqPPinlPL DdIdIql002. 復(fù)合發(fā)光復(fù)合發(fā)光 源于固體本征態(tài)的輻射躍遷源于固體本征態(tài)的輻射躍遷 固體能帶模型描述（限于最高能隙固體能帶模型描述（限于最高能隙Eg內(nèi)）內(nèi)）如如II-V