材料物理性能及表征(陈登明)

本书是高等教育材料类专业“十二五”规划教材。书中简要介绍无机材料的磁、电、光及热性能的物理本质，相关表征参数及其物理意义；介绍了各物理性能的影响因素；简要介绍材料物理性能的测试方法和原理。

本书可作为高等院校材料学、材料科学与工程、材料物理、材料化学、金属材料、无机非金属材料、功能材料等专业本科、高职高专的教材，也可供工程技术人员参考。

第1章概论

1?1量子力学基础

1?1?1波粒二象性

1?1?2波函数

1?1?3薛定谔方程

1?2电子排布规律及金属电子理论

1?2?1核外电子排布规律

1?2?2经典自由电子理论

1?2?3量子自由电子理论

1?3能带理论

1?3?1准自由电子近似

1?3?2准自由电子近似电子能级密度

1?3?3紧束缚电子近似和能带

1?3?4导体、绝缘体、半导体

复习题

第2章材料的磁学性能

2?1材料磁性概述

2?1?1磁学基本量

2?1?2物质磁性分类

2?2物质的磁性及其物理本质

2?2?1原子磁性

2?2?2抗磁性和顺磁性

2?3自发磁化理论

2?3?1铁磁质的自发磁化

2?3?2反铁磁性和亚铁磁性

2?4技术磁化

2?4?1铁磁体中的磁自由能

2?4?2磁畴

2?4?3技术磁化与反磁化

2?5磁性材料的动态特性

2?5?1交流磁化过程与交流回线

2?5?2复数磁导率

2?5?3交变磁场作用下的能量损耗

2?6磁性材料及其应用

2?6?1软磁材料

2?6?2硬磁材料

2?6?3磁记录材料

2?6?4磁性纳米材料

2?7铁磁特性磁特性测量

2?7?1冲击法测量磁性能

2?7?2振动样品磁强计（VSM）

2?7?3材料动态磁性测量

复习题

第3章材料的电学性能

3?1材料的导电性

3?1?1电导

3?1?2金属材料的导电性

3?1?3半导体材料的导电性

3?1?4超导电性

3?1?5导电性能测量

3?2材料的介电性

3?2?1介质的极化

3?2?2电介质在交变电场下的行为

3?2?3固体电介质的击穿

3?2?4电介质特性参数的测量

3?3材料的铁电性

3?3?1铁电体

3?3?2铁电性的起源

3?3?3铁电体的性能及其应用

3?3?4反铁电体

3?3?5铁电体基本参数的测定

3?4材料的压电性

3?4?1压电效应

3?4?2压电材料的主要参数

3?4?3压电陶瓷的驻极处理

3?4?4压电性测量

复习题

第4章材料的热学性能

4?1材料的比热容

4?1?1比热容的基本概念

4?1?2比热容相关定律

4?1?3影响材料比热容的因素

4?2材料的热膨胀

4?2?1热膨胀的概念及其表示方法

4?2?2固体材料的热膨胀机理

4?2?3热膨胀和其它性能的关系

4?2?4多晶体和复合材料的热膨胀

4?2?5陶瓷制品表面釉层的热膨胀系数

4?3材料的热传导

4?3?1固体材料热传导的宏观规律

4?3?2固体材料热传导的微观机理

4?3?3影响热导率的因素

4?3?4某些无机材料的实测热导率

4?4材料的热稳定性

4?4?1热稳定性的表示方法

4?4?2热应力（thermal stress）

4?4?3抗热冲击断裂性能

4?4?4抗热冲击损伤性能

4?4?5提高抗热震性的措施

4?5材料热学性能的测试表征

4?5?1材料比热容的测量

4?5?2材料热膨胀系数的测量

4?5?3材料热导率的测量

复习题

第5章材料的光学性能

5?1光与介质的相互作用

5?1?1光的反射与折射

5?1?2材料对光的吸收

5?1?3材料对光的散射

5?1?4弹性散射

5?1?5非弹性散射

5?1?6色散现象

5?2材料的受辐激射和激光

5?2?1共振吸收与自发辐射

5?2?2激活介质

5?2?3激光的产生

5?2?4激光的光谱分布

5?2?5激光材料

5?3非线性光学性能

5?3?1非线性光学概念

5?3?2电光效应及电光晶体

5?3?3光折变效应

5?4材料光学性能的测试表征

5?4?1光吸收

5?4?2拉曼光谱

5?4?3荧光分析法

复习题

参考文献

功能材料往往能实现功能相互转化，且常用于各类高科技领域中的功能元器件制造。在现代社会中，新材料是国民经济发展的三大支柱之一，而功能材料是新材料领域的核心，是国民经济、社会发展及国防建设的基础和先导，涉及航空航天、信息通讯、交通能源、生物工程、海洋工程等高新技术和产业。自近代以来，先进技术及科技的发展无一不和功能材料的发展有密切关系。材料物理性能由于理论性较强，一直是高等院校学生难于掌握的一门课程，尤其是应用型本科院校学生。为此，本书对材料物理性能进行了精简，配以了必要的复习题，并对材料物理性能常见的测试方法进行了讲解，使之能够满足应用型人才培养需求。

然而，作为材料工程专业学习者，不仅要熟悉各种功能材料及其性能，还要认识和了解各种性能产生的本质原因以及其影响因素，从而更深入了解和更好地应用各种功能材料。通常，材料的物理性能与原子内部的电子以及原子核间的相互作用有关。例如，材料的铁磁性决定于原子内部是否含有未满壳层以及原子间的交换作用；不同铁磁性材料由于晶体结构和微观结构不同又可区分为硬磁材料、软磁材料等。又如，材料之所以有导体、半导体、绝缘体之分，主要是由于材料的能带结构不同造成的。因此要了解材料物理性能本质，从原子分子量级进行材料设计，需要熟悉电子论等方面的知识。考虑到材料工程专业大多没有安排材料物理、量子力学及固体物理的学习，本书章简要介绍了与物理性能相关的波函数、金属电子论及能带理论的基本知识。除此之外，本书主要围绕金属材料及无机非金属材料的物理性能、影响因素、测试方法及相关应用等展开讨论，主要内容如下。

①　简要介绍无机材料的磁、电、光及热性能的物理本质，相关表征参数及其物理意义。

②　介绍了各物理性能的影响因素。材料的物理性能随材料成分、组织结构及外界使用环境变化而变化。不同的成分的材料，制备加工工艺不同，得到的组织结构不同，可具有不同的性能。了解这些规律有助于发掘材料的性能。通常都希望在使用环境中材料的性能能够稳定，这就有必要了解环境因素的影响。

③　简要介绍材料物理性能的测试方法和原理。随着科技的发展，目前各种物理性能都有相应的测试手段，而且精度日趋增高，自动化程度日趋提高，有的还有多种测试方法。如磁性材料的静态特性测量，有模拟冲击法（闭路）和振动样品磁强计（开路）等。

本书在阐述一些重要原理和微观机制时，尽量避免复杂的数学推导，侧重于帮助读者理清思路，同时配合大量插图和图表，结合实际让概念更清晰化。另外，为巩固所学及验证学习效果，每章都有一定量的复习题。本书可作为高等院校，尤其是应用型本科院校的金属材料、无机非金属材料、功能材料等专业的教材，也可供工程技术人员参考。

参加本书编写的人员有：重庆科技学院陈登明高工（第2章），重庆科技学院蔡苇教授（第3章），重庆科技学院马毅龙副教授（第1章），重庆科技学院孙建春副教授（第4、5章）。全书由陈登明高工统稿。

由于材料科技发展日新月异，各种新材料、新现象不断出现，为了适应这一情况，本书将在今后使用过程中不断改进和完善。加上作者水平有限，书中难免存在一些不妥之处，恳请广大师生和读者多提宝贵意见和建议。

编者

2013年4月