材料物理性能 -中南大学出版社

材料物理性能

【作者】：龙毅
【出版时间】：2009-06
【字数】：365（千字）
【定价】：￥32.00（元）
【出版社】：中南大学出版社
【ISBN】：978-7-81105-691-4
【页码】：257（页）
【开本】：32开

本书为教育部高等学校材料科学与工程教学指导委员会规划教材,根据教育部高等学校材料科学与工程教学指导委员会本课程“教学基本要求”编写。全书系统地介绍了材料的热学、电学、磁学、介电、光学等方面的性能,阐述了各种性能的重要原理和微观机制,材料的成分、组织结构与性能的关系,并且简述了相关的测试方法。本书的特点是简单明了地阐述了材料物理性能相关的基本概念,尽量避免复杂的数学推导。为了使概念清晰,使用了大量插图。另外,简单地介绍了目前广泛应用的记忆合金的基础知识———材料的记忆性能。本书中每章有一定习题,其中的计算题给出了答案,学生可以自己验证学习效果。本书最后以附录的形式给出了材料的物理性能所需要的相关电子理论基础知识。

本书可供材料科学与工程专业的本科生或低年级硕士研究生选作教材或者参考书,也可以作为材料科学领域的大专院校教师和科技工作者的参考资料。

第1章材料的热学性能………………………………………………………………… (1)
1.1 晶格热振动………………………………………………………………………… (1)
1.2 材料的热容………………………………………………………………………… (3)
1.2.1 材料的热容及其与温度的关系………………………………………………… (3)
1.2.2 晶态固体热容的经典理论和经验定律…………………………………………… (5)
1.2.3 晶态固体热容的量子理论……………………………………………………… (6)
1.2.4 影响材料热容的因素…………………………………………………………… (9)
1.2.5 热容的测量…………………………………………………………………… (13)
1.2.6 热分析及其工程应用………………………………………………………… (14)
1.3 材料的热膨胀…………………………………………………………………… (17)
1.3.1 材料的热膨胀及热膨胀系数…………………………………………………… (17)
1.3.2 热膨胀的物理本质…………………………………………………………… (18)
1.3.3 热膨胀与其他物理性能的关系………………………………………………… (20)
1.3.4 影响热膨胀性能的因素……………………………………………………… (21)
1.3.5 热膨胀系数的测量…………………………………………………………… (23)
1.3.6 热膨胀的工程应用…………………………………………………………… (24)
1.4 材料的导热性…………………………………………………………………… (26)
1.4.1 材料的导热性及热导率……………………………………………………… (26)
1.4.2 热传导的物理机制…………………………………………………………… (27)
1.4.3 影响材料导热性能的因素…………………………………………………… (29)
1.4.4 热导率的测量及应用………………………………………………………… (33)
1.5 材料的热稳定性………………………………………………………………… (34)
1.5.1 材料的热稳定性及其表示方法………………………………………………… (34)
1.5.2 热应力……………………………………………………………………… (35)
1.5.3 抗热冲击断裂性能…………………………………………………………… (37)
1.5.4 抗热冲击损伤性能…………………………………………………………… (39)
1.5.5 提高抗热冲击断裂性能的措施………………………………………………… (42)
思考练习题……………………………………………………………………………… (43)
第2章材料的电学性能……………………………………………………………… (44)
2.1 材料的导电性概述……………………………………………………………… (44)
2.1.1 各类材料的导电性概况……………………………………………………… (44)
2.1.2 材料导电性的微观机理……………………………………………………… (46)
2.1.3 材料导电性理论……………………………………………………………… (48)
2.2 金属材料的导电性……………………………………………………………… (54)
2.2.1 金属材料导电性的典型实验规律……………………………………………… (54)
2.2.2 金属材料的导电性控制因素…………………………………………………… (56)
2.2.3 温度对金属导电性的影响…………………………………………………… (57)
2.2.4 合金元素与晶体缺陷对金属导电性的影响…………………………………… (58)
2.2.5 合金电阻率检测的应用……………………………………………………… (65)
2.3 半导体材料的导电性…………………………………………………………… (65)
2.3.1 半导体材料及其特征………………………………………………………… (65)
2.3.2 半导体材料的导电性………………………………………………………… (67)
2.3.3 半导体材料导电性的光效应…………………………………………………… (76)
2.3.4 半导体器件及导电特性……………………………………………………… (78)
2.4 离子导电性及超导性简介……………………………………………………… (81)
2.4.1 离子导电性………………………………………………………………… (81)
2.4.2 超导性……………………………………………………………………… (86)
思考练习题……………………………………………………………………………… (91)
第3章材料的磁性能………………………………………………………………… (92)
3.1 材料磁性概述…………………………………………………………………… (92)
3.1.1 基本磁学量…………………………………………………………………… (92)
3.1.2 磁性系统的单位……………………………………………………………… (95)
3.1.3 材料按磁性分类……………………………………………………………… (96)
3.2 磁性起源和原子磁矩…………………………………………………………… (100)
3.2.1 自由原子的磁矩…………………………………………………………… (100)
3.2.2 材料中的原子磁矩………………………………………………………… (103)
3.3 自发磁化理论…………………………………………………………………… (106)
3.3.1 铁磁材料的自发磁化理论…………………………………………………… (106)
3.3.2 亚铁磁性自发磁化理论……………………………………………………… (108)
3.3.3 亚铁磁性材料……………………………………………………………… (110)
3.4 磁各向异性,磁致伸缩和退磁场……………………………………………… (112)
3.4.1 磁晶各向异性能…………………………………………………………… (112)
3.4.2 磁致伸缩…………………………………………………………………… (114)
3.4.3 退磁场能…………………………………………………………………… (116)
3.5 磁畴……………………………………………………………………………… (118)
3.5.1 磁畴壁……………………………………………………………………… (119)
3.5.2 磁畴………………………………………………………………………… (120)
3.5.3 不均匀和多晶体磁畴结构…………………………………………………… (122)
3.5.4 单畴结构…………………………………………………………………… (122)
3.6 磁性材料的技术磁化…………………………………………………………… (123)
3.6.1 技术磁化和反磁化过程……………………………………………………… (123)
3.6.2 磁化曲线上的磁导率………………………………………………………… (128)
3.6.3 磁滞回线上的矫顽力………………………………………………………… (130)
3.6.4 剩余磁化强度……………………………………………………………… (132)
3.6.5 趋近饱和定律……………………………………………………………… (133)
3.6.6 永磁性和永磁体…………………………………………………………… (134)
3.7 铁磁性材料在交变磁场中的磁化……………………………………………… (137)
3.7.1 动态磁化过程的特点和复数磁导率………………………………………… (137)
3.7.2 磁谱和截止频率…………………………………………………………… (138)
3.7.3 铁磁体的交流损耗………………………………………………………… (138)
3.8 磁性测量方法…………………………………………………………………… (145)
3.8.1 磁性材料直流特性测量……………………………………………………… (145)
3.8.2 材料的交流(动态)磁性测量………………………………………………… (147)
3.9 磁电阻效应……………………………………………………………………… (149)
思考练习题…………………………………………………………………………… (152)
第4章材料的介电性能……………………………………………………………… (154)
4.1 介质的极化……………………………………………………………………… (154)
4.1.1 极化现象和相关物理量……………………………………………………… (154)
4.1.2 介质的极化类型…………………………………………………………… (158)
4.1.3 无机材料介质的极化………………………………………………………… (162)
4.1.4 有效电场和克劳修斯-莫索蒂方程………………………………………… (162)
4.2 电介质在交变电场下的行为…………………………………………………… (165)
4.2.1 电介质的极化建立过程和吸收电流………………………………………… (165)
4.2.2 在交变电场下的介质损耗和复数介电常数…………………………………… (166)
4.2.3 无机电介质的介质损耗……………………………………………………… (169)
4.3 击穿电场强度…………………………………………………………………… (173)
4.3.1 固体电介质的击穿………………………………………………………… (173)
4.3.2 无机材料的击穿…………………………………………………………… (175)
4.4 铁电性…………………………………………………………………………… (176)
4.4.1 铁电性的概念……………………………………………………………… (176)
4.4.2 铁电体的性能及其应用……………………………………………………… (178)
4.5 压电性…………………………………………………………………………… (181)
4.5.1 压电效应及其形成原因……………………………………………………… (181)
4.5.2 机-电耦合………………………………………………………………… (183)
4.5.3 压电振子及其参数………………………………………………………… (184)
4.5.4 压电陶瓷的极化处理及其性能稳定性………………………………………… (185)
4.5.5 压电材料及其应用………………………………………………………… (186)
4.6 介电性能的测试………………………………………………………………… (188)
4.6.1 绝缘电阻率测试…………………………………………………………… (188)
4.6.2 相对介电常数(εr)测试…………………………………………………… (189)
4.6.3 介质损耗角正切(tanδ)的测定……………………………………………… (190)
4.6.4 击穿电场强度测定………………………………………………………… (191)
思考练习题…………………………………………………………………………… (191)
第5章材料的光学性能……………………………………………………………… (193)
5.1 概述……………………………………………………………………………… (193)
5.2 光传播的基本理论……………………………………………………………… (193)
5.2.1 波粒二象性………………………………………………………………… (193)
5.2.2 光的电磁性………………………………………………………………… (194)
5.2.3 光和物质的相互作用………………………………………………………… (195)
5.3 光的折射、反射、吸收和散射特性…………………………………………… (196)
5.3.1 折射率……………………………………………………………………… (196)
5.3.2 反射率和透射率…………………………………………………………… (197)
5.3.3 光的吸收…………………………………………………………………… (199)
5.3.4 材料的光散射……………………………………………………………… (204)
5.4 材料的光发射…………………………………………………………………… (207)
5.4.1 激励方式…………………………………………………………………… (207)
5.4.2 材料发光的基本性质………………………………………………………… (208)
5.4.3 发光的物理机制…………………………………………………………… (209)
5.5 材料的受激辐射和激光………………………………………………………… (210)
5.5.1 共振吸收与自发辐射………………………………………………………… (210)
5.5.2 激活介质…………………………………………………………………… (211)
5.5.3 激光的产生………………………………………………………………… (212)
5.5.4 激光的光谱分布…………………………………………………………… (213)
5.5.5 激光材料…………………………………………………………………… (214)
5.6 光纤、磁光、光电和非线性光学效应………………………………………… (215)
5.6.1 光导纤维…………………………………………………………………… (215)
5.6.2 磁光效应与磁光盘………………………………………………………… (217)
5.6.3 光电效应与太阳能电池……………………………………………………… (220)
5.6.4 非线性晶体………………………………………………………………… (223)
5.7 常用的光学测量方法…………………………………………………………… (225)
5.7.1 光吸收……………………………………………………………………… (225)
5.7.2 拉曼光谱…………………………………………………………………… (227)
5.7.3 荧光分析法………………………………………………………………… (229)
思考练习题…………………………………………………………………………… (230)
第6章材料的记忆性能……………………………………………………………… (231)
6.1 热弹性马氏体相变……………………………………………………………… (231)
6.1.1 马氏体相变的一般特征……………………………………………………… (232)
6.1.2 热弹性马氏体相变的一般特征……………………………………………… (232)
6.2 形状记忆效应的分类及其微观形成机制……………………………………… (234)
6.2.1 形状记忆效应的分类………………………………………………………… (234)
6.2.2 形状记忆合金记忆效应机理………………………………………………… (235)
6.2.3 形状记忆合金热弹性马氏体的消长………………………………………… (236)
6.3 应力诱发马氏体相变与伪弹性………………………………………………… (238)
6.3.1 相变伪弹性………………………………………………………………… (238)
6.3.2 多阶相变伪弹性…………………………………………………………… (239)
6.4 形状记忆合金的阻尼特性……………………………………………………… (240)
6.5 形状记忆合金种类和工程应用………………………………………………… (242)
思考练习题…………………………………………………………………………… (244)
部分习题答案…………………………………………………………………………… (245)
附录固体材料中电子运动状态的基础知识概述……………………………… (247)
参考文献…………………………………………………………………………………… (257)

《材料物理性能》是经2006—2010教育部高等学校材料科学与工程教学指导委员会审批通过的全国本科生教育教材。由北京科技大学、中南大学、郑州大学合作编写。《材料物理性能》属于材料科学与工程学科领域的专业基础教材,该课程是材料专业本科生的必修课。《材料物理性能》参编单位和编写人员在本科生培养方面有丰富的经验和成果,本书是根据编写人员多年来的教学经验编写。

《材料物理性能》较为系统地介绍了材料的热学、电学、磁学、介电、光学等方面的性能。本书在编写上注重简单明了地阐述材料物理性能的基本概念,尽量避免复杂的数学推导,为了使概念清晰,使用了大量插图。考虑到教育部拓宽本科生知识面的要求,在本书中增加了属于无机材料性能的介电性能和光学性能部分。另外,还增加了材料的记忆性能,因为记忆合金作为金属功能材料,目前已经广泛应用。在书中也简单介绍了物理性能的测试方法,如果有条件可以安排这些性能测试的实验,有利于加强学习效果。本书中每章有一定习题,其中的部分计算题给出了答案,学生可以自己验证学习效果。对于以物理性能改善为基础的新功能材料,考虑到材料发展日新月异,本书没有过多介绍,在教学中可以根据当前新材料发展,将新材料作为应用举例在相应的物理性能教学中给出。

目前,多数学校的材料科学与工程学科本科专业开设了诸如“固体物理基础”之类的必修基础课程,或者将有关固体材料中电子理论的知识纳入了先期的必修课程之中,因此在本书中将固体物理基础作为基础知识来处理,没有在书的正式内容中详细介绍。但是考虑到还有些学校没有相关内容的课程安排,为了解决该问题,我们将各有关固体材料中电子态的基础知识,作为附录列于书末。

本书的第1章由郑州大学李庆奎教授编写,第2章由北京科技大学强文江教授编写,第3章由北京科技大学龙毅教授编写,第4章由中南大学宋练鹏教授编写,第5章由北京科技大学常永勤副教授编写,第6章由中南大学李周教授编写。全书由龙毅主持编写,由北京航空航天大学的田莳老师主审。作者在此感谢田莳老师不辞辛苦,对本书进行了仔细的审稿,提出了许多修改意见。也感谢2006—2010教育部高等学校材料科学与工程教学指导委员会对本书的指导和帮助,感谢中南大学出版社对本书编写工作的资助。希望本书能对我国材料科学与工程专业本科生教学以及科研有一定的帮助和推动作用。由于作者的认识水平有限,书中谬误在所难免,恳请读者给予指正。

编者
2009年6月

材料是国民经济、社会进步和国家安全的物质基础与先导,材料技术已成为现代工业、国防和高技术发展的共性基础技术,是当前最重要、发展最快的科学技术领域之一。发展材料技术将促进包括新材料产业在内的我国高新技术产业的形成和发展,同时又将带动传统产业和支柱产业的改造和产品的升级换代。

“十五”期间,我国材料领域在光电子材料、特种功能材料和高性能结构材料等方面取得了较大的突破,在一些重点方向迈入了国际先进行列。依据国家“十一五”规划,材料领域将立足国家重大需求,自主创新、提高核心竞争力、增强材料领域持续创新能力将成为战略重心。纳米材料与器件、信息功能材料与器件、高新能源转换与储能材料、生物医用与仿生材料、环境友好材料、重大工程及装备用关键材料、基础材料高性能化与绿色制备技术、材料设计与先进制备技术将成为材料领域研究与发展的主导方向。不难看出,这些主导方向体现了材料学科一个重要发展趋势,即材料学科正在由单纯的材料科学与工程向与众多高新科学技术领域交叉融合的方向发展。材料领域科学技术的快速进步,对担负材料科学与工程高等教育和科学研究双重任务的高等学校提出了严峻的挑战,为迎接这一挑战,高等学校不但要担负起材料科学与工程前沿领域的科学研究、知识创新任务,而且要担负起培养能适应材料科学与工程领域高速发展需求的、具有新知识结构的创新型高素质人才的重任。

为适应材料领域高等教育的新形势,2006—2010年教育部高等学校材料科学与工程教学指导委员会积极组织了材料类高等学校教材的建设规划工作,成立了规划教材编审委员会,编审委员会由相关学科的分教学指导委员会主任委员、委员以及全国30余所有影响力和代表性的高校材料学院院长组成。编审委员会分别于2006年10月和2007年5月在湖南张家界和中南大学召开了教材建设研讨会和教材提纲审定会。经教学指导委员会和编审委员会推荐和遴选,逾百名来自全国几十所高校的具有丰富教学与科研经验的专家、学者参加了这套教材的编写工作。历经几年的努力,这套教材终于与读者见面了,它凝结了全体编写者与组织者的心血,充分体现了广大编写者对教育部“质量工程”精神的深刻体会,对当代材料领域知识结构的牢固掌握和对高等教育规律的熟练把握,是我国材料领域高等教育工作者集体智慧的结晶。

这套教材基本涵盖了金属材料工程专业的主要课程,同时还包含了材料物理专业和材料化学专业部分专业基础课程,以及金属、无机非金属和高分子三大类材料学科的实验课程。整体看来,这套教材具有如下特色:①根据教育部高等学校教学指导委员会相关课程的“教学大纲”及“基本要求”编写;②统一规划,结构严谨,整套教材具有完整性、系统性,基础课与专业课之间的内容有机衔接;③注重基础,强调实践,体现了科学性、实用性;④编委会及作者由材料领域的院士、知名教授及专家组成,确保了教材的高质量及权威性;⑤注重创新,反映了材料科学领域的新知识、新技术、新工艺、新方法;⑥深入浅出,说理透彻,便于老师教学及学生自学。

教材的生命力在于质量,而提高质量是永恒的主题。希望教材的编审委员会及出版社能做到与时俱进,根据高等教育改革和发展的形势及材料专业技术发展的趋势,不断对教材进行修订、改进、完善,精益求精,使之更好地适应高等教育人才培养的需要,也希望他们能够一如既往地依靠业内专家,与科研、教学、产业第一线人员紧密结合,加强合作,不断开拓,出版更多的精品教材,为高等教育提供优质的教学资源和服务。

衷心希望这套教材能在我国材料高等教育中充分发挥它的作用,也期待着在这套教材的哺育下,新一代材料学子能茁壮成长,脱颖而出。

黄伯云
2008年9月