浙江大学：《材料科学与人类文明》课程教学资源（PPT课件）第三章 材料性能基础

(4)热应力热应力温度变化引入的材料内部的应力，导致断裂或塑性变形约束热胀冷缩引起的热应力：α=Eα,(T。-T,)= Eα,AT加热时，T>To，<0，为压缩应力；冷却时，T,<To，α>0，为拉伸应力。材料内部温度梯度引入的热应力：急冷急热时，材料内部产生温度梯度，其大小取决于材料的形状尺寸、热导率和外界温度变化。温度梯度也产生热应力。例如，材料急冷时（假设不发生相变），外部冷得快，品点品-4车车因而尺寸收缩得较快，被内部阻碍而在外部产生拉应力，在内部产生压应力：加热时应力状态相反。实例：装热水的玻璃杯越厚越容易“烫破”！2026/1/11材料科学与人类文明--材料性能基础11

2026/1/11 材料科学与人类文明-材料性能基础 11 （4）热应力 热应力——温度变化引入的材料内部的应力，导致断裂或塑性变形 约束热胀冷缩引起的热应力： 加热时，Tf>T0，<0，为压缩应力；冷却时，Tf < T0， > 0，为拉伸应力。 材料内部温度梯度引入的热应力： 急冷急热时，材料内部产生温度梯度，其大小取决于 材料的形状尺寸、热导率和外界温度变化。温度梯度 也产生热应力。 例如，材料急冷时（假设不发生相变），外部冷得快， 因而尺寸收缩得较快，被内部阻碍而在外部产生拉应 力，在内部产生压应力；加热时应力状态相反。 实例：装热水的玻璃杯越厚越容易“烫破”！  = El (T0 −Tf ) = El T

抗热冲击性对塑性材料，热应力导致塑性变形：对陶瓷类脆性材料，热应力直接导致脆性断裂。20TSR=抗热冲击性(ThermalShockResistance，TSR）Eαi材料抵抗由于热冲击引起的脆性断裂的能力提高材料TSR值的最简单有效的方法是降低其热膨胀系数。例如,普通玻璃：α=9×10-6K-1耐热玻璃（石英玻璃，减少普通玻璃中的CaO、Na,O含量，添加一定量的B,03，α,=3x10-°K-1材料科学与人类文明--材料性能基础122026/1/11

2026/1/11 材料科学与人类文明-材料性能基础 12 抗热冲击性 对塑性材料，热应力导致塑性变形； 对陶瓷类脆性材料，热应力直接导致脆性断裂。 抗热冲击性(Thermal Shock Resistance, TSR) ——材料抵抗由于热冲击引起的脆性断裂的能力。 提高材料TSR值的最简单有效的方法是降低其热膨胀系数。 例如， 普通玻璃：l=910-6K-1 耐热玻璃（石英玻璃，减少普通玻璃中的CaO、Na2O含量，添加一 定量的B2O3，l=310-6K-1 l f E TSR   

电学性能&导电性能：欧姆定理、电导率、固体的能带结构、材料导电性X半导体：本征半导体、掺杂半导体超导X其它电性能：铁电、压电、介电X材料科学与人类文明--材料性能基础132026/1/11

2026/1/11 材料科学与人类文明-材料性能基础 13 电学性能 ❖ 导电性能：欧姆定理、电导率、固体的能带结构、材料导电性 ❖ 半导体：本征半导体、掺杂半导体 ❖ 超导 ❖ 其它电性能：铁电、压电、介电

(1)欧姆定理和电子导电1R=asS电导率：=1/p欧姆定理：U=IR电子在电场E作用下沿x方向作漂移运动（即电场+作用下电子的运动），则动量px=mvx。e+电子有效质量，V一电子平均漂移速率。mAx当电子之间或电子与其他粒子碰撞时失去动量。二者平AxVx衡时，电场力=碰撞作用力：△teEx=mv/tt为二次碰撞之间的时间，称为驰豫时间。因此，V=eExt/m=uExu—电子迁移率，u=et/m，反应电子迁移的难易程度。设电子密度为n，则电流密度J=nev=neuEo-J,/E,=nep-ne t/m2026/1/11材料科学与人类文明--材料性能基础14

2026/1/11 材料科学与人类文明-材料性能基础 14 （1）欧姆定理和电子导电 欧姆定理： S l s l R  =  = U = IR 电导率：  =1/  电子在电场E作用下沿x方向作漂移运动（即电场 作用下电子的运动），则动量px=mvx。 m——电子有效质量，vx——电子平均漂移速率。 当电子之间或电子与其他粒子碰撞时失去动量。二者平 衡时，电场力=碰撞作用力： eEx=mvx / 为二次碰撞之间的时间，称为驰豫时间。 因此，vx=eEx/m=Ex ——电子迁移率,  =e/m，反应电子迁移的难易程度。 设电子密度为n，则电流密度Jx=nevx=neEx , =Jx /Ex=ne=ne2 /m - - - - + + + + x   = x vx e -

电子迁移率和载流子密度Mobility (RT)(m) = MetalCarrierDensityNe (m*3)μ (m"v-'s")(s) = Semicon2.6 x 1028Na0.0053(m)5.9 x 10280.0057Ag(m)1.8 x 1029Al0.0013(m)1.5 x 10l0Si0.15(s)1.8 x 10°0.85GaAs(s)InSb(s)8.00NN>>metalsemiOmetal>VOsemiμmetal < μsemi材料科学与人类文明--材料性能基础152026/1/11

2026/1/11 材料科学与人类文明-材料性能基础 15 电子迁移率和载流子密度