材料科学与工程基础 教学课件 作者 杨庆祥 第三章 材料的物理性能.pptVIP

材料的电行为是由杂质决定的，存在微量的杂质，将导致过多的电子和空穴。 以天然半导体硅为例，来说明半导体中杂质是如何传输的。一个Si原子外层有4个电子，其中每一个与邻近周围四个Si原子中的一个电子以共价键相连。现在，假定加入一个化合价为5的杂原子为杂质，这个原子可能是周期表中第VA族的元素（如P，As，Sb）。在这些杂原子中，5个价电子中只有四个电子能够参与成键，这是因为在周围的原子仅有四个可能的化学键。而剩下的一个非成键电子则通过静电吸引以极弱的力结合在杂质原子周围的区域，这个电子的结合能是相对较小的（0.01 eV）。因此，这个电子很容易从杂质原子上离开，从而变成一个自由或导电的电子。这种类型的材料就称为n型杂质半导体。由于电子的密度或浓度较高，它们成为多数载流子；另一方面，空穴则是少数载流子。 在四价硅（Si）或锗（Ge）中，添加位于第三主族元素如铝（Al），硼（B）和镓（Ga）杂质后，产生了与n型相反的作用。在每个原子的周围，其中一个共价键是不饱和的，这样的缺陷可被视为一个弱键键合到其它杂原子上的空穴。这个空穴可以从杂原子上释放，其过程是通过从邻近化学键上电子的转移实现，电子和空穴交换位置。这种空穴的数目多于电子（或p＞＞n）的材料就称为p型杂质半导体，这是因为带正电荷的微粒（空穴）主要负责电子传导。当然，空穴是主要的载流子，电子只是少量的出现。） 杂质型半导体（包括n型和p型）都是产生于具有高纯度的材料，这些材料总的杂质含量在10-7％数量级。控制施主杂质和受主杂质的数量，然后再利用各种技术加进去。这种在半导体材料中加入杂质以控制电导率的过程叫做掺杂。 第三节 磁学性能 * * 第一节 热学性能 一、热容 固体物质被加热时，特别是吸收一些能量后，温度会上升。热容是反映物质从外部环境吸收热量的能力性质。物体在温度升高1K时所吸收的热量称作该物体的热容，所以在温度t时物体的热容可以表达为： 1. 热容的定义 是温度变化， 所需要的能量， 工程上所用的平均热容是指物体从温度T1到T2所吸收的热量的平均值： 假如加热过程是恒压条件下进行的，所测定助热容称为恒压热容(Cp)。假如加热过程是在保持物体容积不变的条件下进行的，则所测定的热容称为恒容热容(Cv)。 由于恒压加热过程中，物体除温度升高外，还要对外界做功(膨胀功)，所以每提高1K温度需要吸收更多的热量，即Cp ＞ Cv 。 2. 热容随温度的变化规律 图3-1 金属铜热容随温度的变化曲线 曲线可分为为三个区域： I区(温度接近0K区)，Cv,m ；II区(低温区)，Cv,m ；III区(高温区)，Cv,m变化很平缓，约为3R的与温度无关的值，R是气体常数。这是材料不发生相变时，Cv,m –T曲线的共性规律。若在升温过程中内部组织结构发生变化，因而有热效应产生，使Cv,m –T曲线变化。 热容 线膨胀系数 热导率 2.68 10 0.72 500 超级英瓦合金63Fe-32Ni-5Co合金 2.75 10 1.6 500 不胀钢64Fe-36Ni 2.80 17 5.1 460 铁镍钴合金54Fe-29Ni-17Co — 120 20.0 375 黄铜（70Cu-30Zn） — 15.9 16.0 502 316不锈钢 — 51.5 12.0 486 1025钢 3.20 178 4.5 138 钨 2.13 428 19.7 235 银 2.08 90 13.3 443 镍 2.71 80 11.8 448 铁 2.50 315 14.2 128 金 2.25 398 17.0 386 铜 2.20 247 23.6 900 铝 金 属 [Ω-W/(K)2×10-8] (W/m-K)e [(℃)-1×10-6]b (J/kg-K)a 材料 0.14 220 聚异戊二烯 0.24 144 尼龙 0.15 122 酚醛塑料 0.25 126-216 聚四氟乙烯 0.13 90-150 聚苯乙烯 0.12 145-180 聚丙烯 0.46-0.50 106-198 聚乙烯 聚 合 物 1.4 3.3 850 硼硅酸盐玻璃 1.7 9.0 840 钠钙玻璃 1.4 0.4 740 熔融石英(SiO4) 15.0e 7.6d 790 尖晶石(MgAl2O4) 37.7 13.5d 940 氧化镁(MgO) 39 7.6 775 氧化铝(Al2O3) 陶 瓷 材 料 (W/m-K)e [(℃)-1×10-6]b (J/kg-K)a 材料 表3-1 各种材料的热学性能参数 二、热膨胀 1. 热膨胀系数 大多数固体物质受热膨胀，遇冷收缩。固体物质的长度随温度的变化可表示如下： 或 l