材料物理性能 田莳编著 北京航空航天大学出版社
材料物理性能 田 莳 编著 北京航空航天大学出版社
内容简介 本书共分7章。第1章简明地论述了固体中的电子能量结构和状态，为没有学过固体物 理的读者提供一些基础知识。其余各章集中介绍了材料的电、介电、光、热、磁、弹性和内耗（阻 尼)性能及其发展，阐述了各种性能的重要原理及微观机制、各种材料成分、组织结构与性能关 系及主要制约规律。介绍了表征物理性能主要参量的重要测试方法及其在材料科学与工程中 的应用。列举了与各种物理性能相关的重要功能材料。本书每章都有复习题（含计算题）和小 结。其特色是把金属材料、陶瓷材料与高聚物材料的物理性能做了扼要的对比，以利于读者掌 握材料物理性能的一般规律和特殊性。本书最后以附录形式概述了核技术中的材料原子环境 的三种研究方法。 本书可供大学材料科学与工程专业本科生或低年级硕士生选作教材或参考书，也可作为 材料科学与工程领域的大专院校教师和科技工作者的参考资料。 图书在版编目(CP)数据 材料物理性能田莳编著.一北京：北京航空航天大 学出版社，20018 ISBN7-81077-068-3 I材.Ⅱ田.Ⅲ材料物理性能 IV .TB303 中国版本图书馆CIP数据核字(2001)第047041号 材料物理性能 田莳编著 贵任编辑刘宝俊 责任校对陈坤 北京航空航天大学出版社出版发行 北京市海淀区学院路37号(100083)发行部电话：82317024传直：82328026 http//www buaapress com.cn E-mail:pressell@publica bj cninfo net 北京宏文印刷厂印装各地书店经销 开本：787×1092V16印张：24字数：641千字 2001年8月第1版2001年8月第1次印刷印数：2000册 15BN7-8107-068-TB·002定价：280元
内容简介 本书共分 7 章。第 1 章简明地论述了固体中的电子能量结构和状态, 为没有学过固体物 理的读者提供一些基础知识。其余各章集中介绍了材料的电、介电、光、热、磁、弹性和内耗( 阻 尼)性能及其发展, 阐述了各种性能的重要原理及微观机制、各种材料成分、组织结构与性能关 系及主要制约规律。介绍了表征物理性能主要参量的重要测试方法及其在材料科学与工程中 的应用。列举了与各种物理性能相关的重要功能材料。本书每章都有复习题(含计算题) 和小 结。其特色是把金属材料、陶瓷材料与高聚物材料的物理性能做了扼要的对比, 以利于读者掌 握材料物理性能的一般规律和特殊性。本书最后以附录形式概述了核技术中的材料原子环境 的三种研究方法。 本书可供大学材料科学与工程专业本科生或低年级硕士生选作教材或参考书,也可作为 材料科学与工程领域的大专院校教师和科技工作者的参考资料。 图书在版编目(CIP )数据 材料物理性能/ 田莳编著 .—北京:北京航空航天大 学出版社, 2001 .8 ISBN 7 81077 068 3 Ⅰ .材. Ⅱ .田. Ⅲ .材料 物理性能 Ⅳ .TB303 中国版本图书馆 CIP 数据核字(2001 ) 第 047041 号 材料物理性能 田 莳 编著 责任编辑 刘宝俊 责任校对 陈 坤 * 北京航空航天大学出版社出版发行 北京市海淀区学院路 3 7 号 ( 10 0 08 3 ) 发行部电话 : 82 3 17 0 24 传真: 8 23 2 80 2 6 htt p :/ / www .b ua ap r es s .com .cn E mail: p res sell@ p u blica .bj .cni n fo .ne t 北京宏文印刷厂印装 各地书店经销 * 开本: 787×1 09 2 1/ 1 6 印张 : 24 字数: 641 千字 2 00 1 年 8 月第 1 版 2 00 1 年 8 月第 1 次印刷 印数: 2 00 0 册 ISBN 7 81 0 77 0 68 3/ TB·00 2 定价 : 2 8 .00 元
编者的话 根据高等教育要适应社会主义市场经济发展的需要和扩大专业面向的精神 以及执行北京航空航天大学2000年版教学计划的需要，作者编写了《材料物理性 能》教材。这本书是在原《金属物理性能》教材基础上改编而成的。除把相应物理 性能的载体扩大到无机非金属材料、个别聚合物外，还增加了两部分新内容：第3 章材料的介电性能和第4章材料的光学性能。这些内容在高技术领域，特别是信 息工程方面是绝对需要的，具有重要地位。 作为教材，除每章附有复习题外，本书各章增加了小结，意在指出本章主要内 容，学习应注意的要点，特别是在小结中指出相应物理性能在高聚物材料中所具 有的特殊性，以便为读者提供对金属材料、无机非金属材料、高聚物材料进行比较 的空间，增加对物理性能规律普遍性和特殊性的认识。 书中带有*的节次可不讲授，视学生接受水平和学时数而定。 本书经王润教授认真审阅，提出不少宝贵意见；在编写过程中参考了已经出 版的教材、参考书和论文，在此编者向王润教授和被引用参考文献的作者表示衷 心感谢。 由于本人学识所限，加之赶时间，内容方面定有不妥，甚至错误之处，敬请读 者批评指正。 田莳 2000年12月18日
编者的话 根据高等教育要适应社会主义市场经济发展的需要和扩大专业面向的精神 , 以及执行北京航空航天大学 2000 年版教学计划的需要 , 作者编写了《材料物理性 能》教材。这本书是在原《金属物理性能》教材基础上改编而成的。除把相应物理 性能的载体扩大到无机非金属材料、个别聚合物外 , 还增加了两部分新内容 : 第 3 章材料的介电性能和第 4 章材料的光学性能。这些内容在高技术领域 , 特别是信 息工程方面是绝对需要的 , 具有重要地位。 作为教材 , 除每章附有复习题外 ,本书各章增加了小结 , 意在指出本章主要内 容 , 学习应注意的要点 , 特别是在小结中指出相应物理性能在高聚物材料中所具 有的特殊性 ,以便为读者提供对金属材料、无机非金属材料、高聚物材料进行比较 的空间 , 增加对物理性能规律普遍性和特殊性的认识。 书中带有 * 的节次可不讲授 ,视学生接受水平和学时数而定。 本书经王润教授认真审阅 , 提出不少宝贵意见 ; 在编写过程中参考了已经出 版的教材、参考书和论文 , 在此编者向王润教授和被引用参考文献的作者表示衷 心感谢。 由于本人学识所限 , 加之赶时间 , 内容方面定有不妥 , 甚至错误之处 , 敬请读 者批评指正。 田 莳 2000 年 12 月 18 日
目 录 绪言 第1章固体中电子能量结构和状态 11电子的波动性.(4) 1】微观粒子的波粒二象性.(4) 112波函数 .(5) 1】3薛定谔(Schr0 dinger)方程.(6) 114霍尔效应.(8) 12金属的费密(Fermi)索末菲(Sommerfel)电子理论.(9) 12】金属中自由电子的能级.(9) 122自由电子的能级密度.(12) 123自由电子按能级分布.（们4） 3晶体能带理论基本知识概述.(5) 13】周期势场中的传导电子.(16) 132K空间的等能线和等能面.(18) 133准自由电子近似电子能级密度.(21) 134能带和原子能级. (21) 14晶体能带理论应用举例.(22) 141导体、绝缘体、半导体的能带结构.(22) 142能带理论对金属一些性质差异的解释.(24) *143理解正霍尔系数的意义. (25) *15非晶态金属、半导体的电子状态.(27) 151非晶态金属、半导体及其特点.(27) 152电子状态. (27) 本章小结.(29 复习题.(29) 第2章材料的电性能 21引言.(30) 22电子类载流子导电.(32) 221金属导电机制.(32) 222电阻率与温度的关系. (33) 223 电阻率与压力的关系. (34) 224冷加工和缺陷对电阻率的影响.(35) *225电阻率的尺寸效应.(38) *226电阻率的各向异性. 39) 227固溶体的电阻率· (39) *228化合物、中间相、多相合金的电阻率.(42)
目 录 绪 言 第 1 章 固体中电子能量结构和状态 1 .1 电子的波动性 . (4) 1 .1 .1 微观粒子的波粒二象性 . (4) 1 .1 .2 波函数 . (5) 1 .1 .3 薛定谔( Sch r o·· dinger )方程 . (6) 1 .1 .4 霍尔效应 . (8) 1 .2 金属的费密( Fe rmi )-索末菲( Sommerfel )电子理论. (9) 1 .2 .1 金属中自由电子的能级 . (9) 1 .2 .2 自由电子的能级密度. (12) 1 .2 .3 自由电子按能级分布. (14) 1 .3 晶体能带理论基本知识概述. (15) 1 .3 .1 周期势场中的传导电子. (16) 1 .3 .2 K 空间的等能线和等能面 . (18) 1 .3 .3 准自由电子近似电子能级密度. (21) 1 .3 .4 能带和原子能级. (21) 1 .4 晶体能带理论应用举例. (22) 1 .4 .1 导体、绝缘体、半导体的能带结构. (22) 1 .4 .2 能带理论对金属一些性质差异的解释. (24) * 1 .4 .3 理解正霍尔系数的意义. (25) * 1 .5 非晶态金属、半导体的电子状态 . (27) 1 .5 .1 非晶态金属、半导体及其特点 . (27) 1 .5 .2 电子状态. (27) 本章小结 . (29) 复习题 . (29) 第 2 章 材料的电性能 2 .1 引 言. (30) 2 .2 电子类载流子导电. (32) 2 .2 .1 金属导电机制. (32) 2 .2 .2 电阻率与温度的关系. (33) 2 .2 .3 电阻率与压力的关系. (34) 2 .2 .4 冷加工和缺陷对电阻率的影响. (35) * 2 .2 .5 电阻率的尺寸效应. (38) * 2 .2 .6 电阻率的各向异性. (39) 2 .2 .7 固溶体的电阻率. (39) * 2 .2 .8 化合物、中间相、多相合金的电阻率. (42)
2 材料物理性能 23离子类载流子导电.(43) 231离子电导理论.(43) 232离子电导与扩散. (46 233离子导电的影响因素 (47 234快离子导体. (48) 24半导体 (51) 24】本征半导体 (51 242质半导体. (54) 243 导电性和载流子迁移率. (57) *244 少数载流子的行为· (58 米245半导体接触. (60) (64) 251概述 (64) 252超导态特性和超导体的三个性能指标. (66) 253绍导体的应用. (69) *26电导功能材料. (70) 261导电材料. (70) 262电阻材料. (71) 263电触点材料. (74) 27电性能测量及其应用举例. (75 271双电桥和电位差计测量方法. (75) 272直流四探针法. (76) 273电阻法分析应用举例. (78) 本章小结. (80) 复习题. (81) 第3章材料的介电性能 (83) 3.1.1 平板电容器及其电介质. (83) 312极化相关物理量 (84 313由介质极化的机制. (85) 314宏观极化强度与微观极化率的关系.。 (89 32交变电场下的电介质 (90) 321复介电常数和介质损耗.(90) 322电介质驰豫和频率响应.(92) 323介电损耗分析. (94) 33电介质在电场中的破坏 (95) 331介电强度（介电击穿强度）. (95) *332本征击穿机制.(96) *333热击穿机制.(97)
2 .3 离子类载流子导电. (43) 2 .3 .1 离子电导理论. (43) 2 .3 .2 离子电导与扩散. (46) 2 .3 .3 离子导电的影响因素. (47) 2 .3 .4 快离子导体. (48) 2 .4 半导体. (51) 2 .4 .1 本征半导体. (51) 2 .4 .2 杂质半导体. (54) 2 .4 .3 导电性和载流子迁移率. (57) * 2 .4 .4 少数载流子的行为. (58) * 2 .4 .5 半导体接触. (60) 2 .5 超导体. (64) 2 .5 .1 概 述. (64) 2 .5 .2 超导态特性和超导体的三个性能指标. (66) 2 .5 .3 超导体的应用. (69) * 2 .6 电导功能材料. (70) 2 .6 .1 导电材料. (70) 2 .6 .2 电阻材料. (71) 2 .6 .3 电触点材料. (74) 2 .7 电性能测量及其应用举例. (75) 2 .7 .1 双电桥和电位差计测量方法. (75) 2 .7 .2 直流四探针法. (76) 2 .7 .3 电阻法分析应用举例. (78) 本章小结 . (80) 复习题 . (81) 第 3 章 材料的介电性能 3 .1 电介质及其极化. (83) 3 .1 .1 平板电容器及其电介质. (83) 3 .1 .2 极化相关物理量. (84) 3 .1 .3 电介质极化的机制. (85) 3 .1 .4 宏观极化强度与微观极化率的关系. (89) 3 .2 交变电场下的电介质 . (90) 3 .2 .1 复介电常数和介质损耗. (90) 3 .2 .2 电介质弛豫和频率响应. (92) 3 .2 .3 介电损耗分析. (94) 3 .3 电介质在电场中的破坏 . (95) 3 .3 .1 介电强度( 介电击穿强度) (95) . * 3 .3 .2 本征击穿机制. (96) * 3 .3 .3 热击穿机制 . (97) 2 材料物理性能