功能材料

2.1.导电基本理论

1. 原子的电子运动轨道由哪些因素确定？

轨道由四个量子数所确定：主量子数n、次量子数l、磁量子数m以及自旋量子数ms。 2. 原子核外电子分布服从那些基本原理？并简要解释。

根据量子力学，原子核外电子的分布与4个量子数有关，且服从下属三个基本原理： （1) 泡利不相容原理：一个原子中不可能存在四个量子数完全相同的两个电子。 （2）最低能量原理：电子总是优先占据能量低的轨道，使系统处于最低能量状态。

（3）最多轨道规则（洪特规则）：相同能量的轨道分布的电子将尽可能分占不同轨道，且自旋方向相同。

3. 简要解释能带导电理论？

认为晶体中的电子是在整个晶体内运动的共有化电子，共有化电子是在晶体周期性的势场中运动；共有化电子的本征态波函数是Bloch函数形式，能量是由准连续能级构成的许多能带。 4. 用能带理论解释导体、半导体、绝缘体的导电性能差异？

对于导体，它的价带是满带，满带是不会产生电流的，金属的导带是半满带，就会产生电流了。对于绝缘体它的价带是满带，而导带是空带，由于禁带宽度太大了，以至于价带电子不能够激发到导带上。绝缘体不能导电。半导体，他在绝对零度时，价带是满带，而导带是空带，不能导电，当外界条件改变时，半导体的禁带宽度较小，可以把价带顶的电子激发到导带底，于是在导带底有了电子，价带顶有了空穴，就可以导电了。 5. 常用导电能力的表示方法是什么？

样品的长度为L，横截面积为S，测出电阻为R，施加在样品上的电场强度E，金属中的电流密度i 。

电阻率为 ρ= RS/L 单位Ω·m 电导率为 σ= 1/ρ S/m 西门子/米

2.2.导体材料

1. 分析影响导体材料电阻率的主要因素？

电阻率随着温度升高而增大，这是导体的基本特征 a、温度的影响 高温时 ρ∝AT

较低温度时 ρ∝ BT5 (5次方） b、压力的影响

ρ= ρ0(1+αP) α为电阻压力系数 c、缺陷的影响

2. 简述常用的导体材料及其特性？

铜及铜合金：（1）铜（紫铜）用于导线和电路板制备等，导电性和导热性好，耐腐蚀、塑性高，强度低，易硫化。（2）铜合金：黄铜 白铜 青铜（铍青铜） 导电性和导热性好，塑性高，机械强度好，易加工和焊接，易提炼。 铝及铝合金：资源丰富，价格便宜，质量小 金及金合金：良好的导电性，极强的抗蚀能力 银及银合金：具有最高的电导率

3. 什么叫电阻材料？电阻材料有哪些用途？ 指电阻率较高的一类导电材料，包括精密电阻材料和电阻敏感材料。主要用来制作标准电阻器、变阻器和敏感电阻器件（应变、热敏、光敏、气敏电阻等）。通常为高电阻率的合金。

4. 常用的电阻材料有哪些？ (1) 精密电阻材料：Cu-Mn系合金 Cu-Ni系（康铜）和新康铜（铝取代锰铜中的镍） Ni-Cr系合金 Fe-Cr-Al系合金 贵金属电阻合金

(2) 敏感电阻材料：1）应变电阻材料 2）热敏电阻材料 5. 对应变电阻材料有那些要求？试说明电阻应变计的原理。

要求：(a) 具有高的、稳定的电阻率。(b) 在拉伸或压缩时，K值相向或相差很小，不氧化，线膨胀系数等于或略高于被测件的线膨胀系数；(c) 有良好的机械性能，强度高，蠕变小，容易加工和焊接等

原理：应变-电阻效应，经受外力作用（拉伸或压缩）的金属材料将会发生变形而使其电阻也发生相应的变化，其电阻值变化量与所受外力引起的变形量是成比例的，这种现象称为应变-电阻效应。

6. Cu-Mn系合金精密电阻材料有什么优缺点，如何改善其缺点？

铜锰合金属于铜、锰、镍西精密电阻合金，密度为8.4~8.7g/cm3。有锰铜合金制造的电阻合金线的电阻系数小，稳定性好，对铜热电势小，且具有良好的机械加工和焊接性能，是良好的精密电阻材料，适用于制造各种标准电阻器、分流器、精密或普通的电阻原件。但由于他的使用范围窄，只宜做室温范围的中、低阻值电阻器使用。 适当调节合金比例，选择有效的热处理。

2.3.半导体材料

1. 简述半导体材料的特性？

1）负的电阻率温度系数，电阻是随着温度的上升而降低。电阻率：10 -3≤ ρ ≤10 9 室温纯硅温度每增加8℃，电阻率降低50%左右。 （2）一般具有较强的热电效应

（3）整流效应，至少呈现非欧姆接触

（4）光敏特性，产生光伏效应或光电导效应

（5）霍尔效应，沿Z方向加以磁场 ，沿X方向通以工作电流I，则在Y方向产生出电动势 （6）掺杂特性：电阻率对杂质和外界条件影响很大。如纯硅中每100万个硅原子掺如一个磷原子，室温电阻率由214000Ω?cm降至0.2Ω?cm以下。 2. 什么是本证半导体？什么是杂质半导体？说明其导电机理？

1）本证半导体：非常纯且缺陷极少的半导体。本证半导体中导电的电子-空穴对是由共价键破裂产生的。在0 K是，价带被电子全部充满，而导带又全空，此时不存在任何自由载流子，故绝缘。一旦温度升高，由于热激发便会使价带中的电子越过禁带进入导带，产生一定导电性。可见本征半导体中，导电是由热激活产生的，所以它也与空位密度和温度有关。利用半导体对温度的敏感性而制作热敏电阻。 2）杂质半导体

掺入高一价的元素，如Si、Ge中加入P、Sb、Bi、As等，造成半导体的载流子是电子，这样的半导体叫n型半导体。

掺入少一价电子的元素，如Si、Ge中加入B、Al、In、Ga等，造成半导体的载流子是空穴，这样的半导体叫p型半导体。

3. 用能带结构解释半导体材料的半导特性？ 4. 简述半导体材料的种类？

（1）元素半导体，元素半导体划分为本证半导体和杂质半导体。（2）无机化合物半导体，如Ⅱ-Ⅵ族的CdS、CdSe等，Ⅲ-Ⅴ族的GaAs、InP、GaP等，Ⅳ-Ⅳ族的SiC等。 5. 简述半导体材料的应用？

利用半导体对温度的敏感性而制作热敏电阻。

在GaAs、AlSb、GaSb、InAs中，曾发现有明显的光电效应。

在激光器、发光二极管、荧光管和场致发光器件等方面有广阔的应用前景。 制作优质器件和延长器件的使用寿命。

提高半导体纯度及晶体完整性；生长异质结生长特殊结构；制造三维电路。

2.4.超导体材料

1. 简述超导体的基本物理特征？

零电阻现象，完全抗磁性（迈斯纳效应），超导态并非仅取决于温度(临界电流和临界磁场) 2. 第一类超导体和第二类超导体有何区别？ 第一类超导体：

◇ 只有一个临界磁场Hc，Hc以下呈现零电阻现象和有完全的迈纳斯效应。 ◇ 除Nb、V以外的所有超导金属元素和少数稀有合金都属于该类超导体。 第二类超导体：

有两个临界磁场 Hc1和Hc2

Hc1是磁场开始穿透的临界磁场，称为下临界磁场或第一临界磁场 Hc2是电阻恢复的临界磁场，称为上临界磁场或第二临界磁场 Hc1和Hc2与温度的关系遵守抛物线方程 3. 何为低温超导材料和高温超导材料？

4. 什么是临界温度、临界磁场、临界电流？它们与超导态之间存在怎样的关系，并画图说明。

5. 超导的微观机制有哪些？

1、同位素效应2、电子－声子相互作用3、库柏（Cooper)电子对4、超导能隙5、BCS超导微观理论

6. 举例简述主要高温超导材料及其制备？

高温氧化物超导材料：(1) 高温氧化物超导材料的合成技术 气相法 液相法 固相法 高温氧化物超导材料的加工技术 a. 陶瓷成形，临界电流密度在10 3A/cm2以内 b.带铸和增塑挤压，临界电流密度在10 2A/cm2以内c.金属包覆加工 7. 超导材料有哪些应用？

能源领域的应用：（1）核聚变反应堆“磁封闭体”（2）超导磁流体发电 节能方面：（1）超导输电（2）超导发电机和电动机（3）超导变压器 交通领域的应用：用超导材料制造的磁悬浮列车

3.1.材料磁性基本物理概念

1. 简述物质磁性产生根源？ 磁性的根源：电流或电子的运动

2. 解释磁化、磁化强度、磁场强度、磁化率、磁导率、磁感应强度、磁晶各向异性、磁致伸缩、磁畴、磁损耗? （1）磁化强度 M

物质单位体积中的磁矩大小。衡量物质有无磁性或磁性大小的物理量。 单位：A/m 或高斯（Gs），矢量，由S极指向N极。 （2）磁场强度 H

指外界磁场的大小。H一般是由导体中的电流或者永磁体产生。

单位：A/m 或高斯（Gs），矢量，由S极指向N极。 （3）磁化率

表征物质磁化的难易程度。磁化强度M与磁场强度H比值：χ＝M/H （4）磁感应强度 （附加磁场） B = μ0(H+M)

单位：特斯拉（T）或(Wb/m2）

μ0是真空磁导率，μ0 =4π*10-7H/m

在真空中（M=0），当磁场强度H为（10 7/4π）A/m时，相应的磁感应强度为1T。 （5）相对磁导率（磁导率） μ=B/μ0H

取决于物质的本性及磁场强度的大小。 B与H的比值称为绝对磁导率 μ绝对=B/H=μ0μ （6）磁矩 m

表征磁性大小的物理量。磁矩愈大，磁性愈强，即物体在磁场中所受的力大。磁矩只与物体本身有关，与外磁场无关。 单位为A·m2 。 （7）磁偶极矩 pm

尺寸小到原子大小的小磁体称为磁偶极子。

pm：真空中每单位外加磁场作用在磁偶极子上的最大力矩。 磁偶极子磁矩m和磁偶极矩pm有如下关系：m= pm/μ0 （8）磁通量 ?

磁感应强度B与垂直面积?S的乘积 ?=Bn?S=Bcos??S 单位韦伯（Wb）

3. 示意画出工程技术上的磁滞回线图，并说明图上主要特征参量？

饱和磁感应强度Bs指用足够大的磁场磁化时，磁化曲线接近水平不再随外磁场的加大而增加时的相应B值，单位T或Gs。

矫顽力Hc指当磁性物质磁化到饱和后，由于有磁滞现象，故要使B减为零需有一定的负磁场，单位为A/m或Oe。

剩余磁感应强度Br指当以足够大磁场使磁性物质达到饱和后，又将磁场减小到零时相应的磁感应强度。

矩形比Br/Bm 指剩余磁感Br与规定磁场强度所对应的磁感强度Bm的比值。一般以Br/Bs

之比为标准。

磁导率μ是B-H曲线上任意一点的B和H的比值，单位H/m或Gs/Oe。 初始磁导率μ0指当H=0时的磁导率。

最大磁导率μm指以原点作直线与B-H曲线相切，切线的斜率。

4、简述顺磁性、抗磁性、铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性物质的特点和区别？ （1）抗磁性或逆磁性。

?x＜0，M与H方向相反 ；? 很小，-10-5 ～-10-6 ，且不随温度变化。 （2）顺磁性

物质原子具有恒定的与外磁场无关的磁矩 。? x＞0， M与H方向相同；?在 10-3～10-5 。 （3）铁磁性

x＞＞0，?可达104数量级。 （4）反铁磁性 x＞0

?在10-5～10-3， M与H方向相同。原子之间的磁矩反平行排列，磁矩相互抵消，总磁矩为零。

（5）亚铁磁性 x＞＞0

原子磁矩之间也存在反铁磁性相互作用，只是反平行排列的磁矩大小不等，不能完全抵消。从而也引起一定程度的自发磁化。

3.2.软磁材料

1. 简述软磁材料的磁性能特点？

特点：磁滞回线细长，磁导率高，矫顽力低，铁 芯损耗低，易磁化，也易去磁。 2. 常用的软磁材料有哪些?并简述其主要应用？

（1）电工用纯铁：电磁铁的铁芯和磁极，继电器的磁路和各种零件，感应式和电磁式测量仪表的各种零件，扬声器的磁路，电话中的振动膜，磁屏蔽等。

（2）电工用硅钢片（Fe-Si合金）:各种形式的电机、发电机和变压器中；在扼流线圈、继电器和测量仪表中也大量使用

（3）铁镍合金、铁钴合金、铁铝合金:它可以部分取代铁镍系坡莫合金在电子变压器、磁头以及磁致伸缩换能器等处使用。

（4）非晶态合金：适合于做传递小功率能量及传递电压信号的磁性元件；具有的零磁致伸缩的特性，在磁头应用方面有较好的发展前景。用于传递中等功率及中等强度电压信号的变压器。

（5）纳米晶软磁合金：主要用于制作各类高品质圈绕铁心，可广泛应用于计算机、网络、通讯和自动化控制等电子信息领域。

3. 简述铁镍、铁钴、铁铝合金软磁材料的优缺点？ 1）铁镍合金(坡莫合金Permalloy)

性能特点：在较弱磁场下，具有较高磁导率，高饱和磁感应强度，低矫顽力和磁损耗，加工成型性也比较好。 2）铁钴合金

具有高饱和磁感应强度、高初始和最大磁导率，很高居里温度和很高饱和磁致伸缩系数。电阻率低，加工性差，易氧化，价格昂贵。通常称为坡明德(Permendur)合金。 3）铁铝合金

（a）随着Al含量的变化，可以获得各种较好的软磁特性（b）有较高的电阻率（c）有较高的硬度、强度和耐磨性

4. 什么叫软磁材料？其磁化曲线有何特点？