❖ 电阻产生的本质
晶体点阵离子的热振动使电子波受到散射
晶体中的杂质原子、位错和点缺陷等使电子 波受到散射
对电子波产生了阻碍作用，降低了导电性， 这就是材料产生电阻的本质所在。
量子
n2em ffev2l
n2efm fe2t
n2efm fe2
电导率(-1m-1) 6.3107 6.0107 4.3107 3.8107 1.69107 1.38107 1.02107 1.4106 1.6107
材料 Ge SiC Si 耐火砖 滑石 云母 尼龙 石蜡 聚乙烯
电导率(-1m-1 ) 2.2 10
4.310-4 10-6 10-12 10-11
❖ 对于微观粒子的运动问题，需要利用量 子力学的概念来解决。
（二）量子自由电子理论
❖ 相同点：
金属中正离子形成的电场是均匀的，价电子与 离子间没有相互作用，且为整个金属所共有， 可以在整个金属中自由运动。
❖ 不同点：
金属中每个原子的内层电子基本保持着单个原 子时的能量状态，而所有价电子按量子化规律 具有不同的能量状态，即具有不同的能级。
二十一世纪世界各 国重点和优先发展
的技术是什么？
⑦环境保护技术等
已经成为影响人类进步的重要技术。其中材料技术
是重中之重的技术。其他任何技术的发展都离不
开材料的发展。没有高性能的材料作为基础，现 代社会的文明很难再上一层楼！
绪论
性能
用途
成分
性质
结构
金属铁 金属铜 铝合金 半导体Si AlN等无机
绪论
强度、硬度高 导电性能好 比强度高 半导体特性
压电性
结构件 电线、电缆
航空航天 大规模集成电路 超声波元件，滤波器
绪论
❖ 材料的性能
指在给定的外界环境中，材料受到某种作用时， 其状态所发生的变化。作用于材料上的作用因素 通常可以分为应力、温度、磁场、电场、化学介 质、辐照等。
❖ 材料的物理性能
指材料受到外部作用时，电、磁、光、热、声学 方面的物理状态量、以及一些特殊变化量所发生 的变化。作用因素通常也以这些相应的物理量为 主。
E
❖ 在自由电子做定向运动过程中，会不断与正离子 发生碰撞妨碍电子加速运动，形成电阻。
❖ 从这种认识出发，设电子两次碰撞之间运动的平 均距离（自由程）为 l，电子平均运动的速度 为͞v，单位体积内的自由电子数为 n，则电导率为
ne2l ne2 t
2mv 2m
❖ m:电子质量 ❖ e:电子电荷
第一章 电学性能
❖ 主要内容
材料的导电性 影响金属导电性的因素 电阻分析应用
第一节 材料的导电性
一、电阻率和电导率
欧姆定律： U RI R表示导体的电阻： R L
S
电导率： 1
单位： (m) (-1m-1, S/m)
一些材料室温下的电导率
材料 Ag Cu Au Al Zn Ni Fe 304 不锈钢 70Cu-30Zn
10-12~10-10 10-15 <10-14
二、金属导电理论
经典自由电子理论 量子自由电子理论
能带理论
（一）经典自由电子理论
❖ 经典自由电子理论认为，在金属晶体中，离子构成了晶 格点阵，并形成一个均匀电场，价电子是完全自由的， 可以在整个金属中自由运动，就像气体分子充满整个容
器一样，因此可以把价电子看成“电子气”。
❖ t :两次碰撞之间的平均时间
ne2l ne2 t
2mv 2m
❖ 经典自由电子理论的不足之处
不能解释二、三价金属的价电子虽然比一价 金属多，但导电性比一价金属差的原因
实际测量到的电子平均自由程比经典理论估 计的大很多
不能解释超导现象的产生
❖ 经典自由电子理论的问题根源
1. 忽略了电子之间的排斥作用 2. 忽略正离子点阵周期场的作用 3. 立足于牛顿力学的宏观运动
金属材料显微结构 与物理性能
——物理性能部分
金属材料显微结构与物理性能
❖ 总学时 48
金属材料显微结构 32 物理性能 16
❖ 考试所占比例
金属材料显微结构 ~67% 物理性能 ~33%
❖ 成绩构成
平时成绩 30% 考试成绩 70%
教材及参考资料
❖ 教材
陈騑騢，材料物理性能，机械工业出版社，2006
外电场使向着其正端 运动的电子能量降低， 反向运动的电子能量 升高
部分能量较高的电子 转向电场正向运动的 能级，从而使正反向 运动的电子数不等， 使金属导电
只有处于较高能态的 自由电子参与导电
❖ 电阻的形成
电子波在传播过程中被离子点阵散射，然后 相互干涉而形成电阻。
❖ 超导体
量子力学证明，当电子波在绝对零度下通过 一个理想的晶体点阵时，它将不会受到散射 而无阻碍地传播，此时的材料是一个理想的 导体，即所谓的超导体。
8 2m
E
h2
8 2m
K
2
自由电子的E-K曲线
❖ 粒子的观点
曲线表示自由电子的能 量与速度（或动量）之 间的关系
❖ 波动的观点
曲线表示电子的能量和 波数之间的关系。电子 的波数越大，则能量越 高。
❖ 费米能EF
0K时电子所具有的最高 能态，不同金属的费米 能不同
电场对E-K曲线的影响
❖ 外加电场的作用
材料性能的划分
复
化
力
物
杂
学
学
理
性
性
性
性
能
能
能
能
③②①化 性性性
⑤④③②①
摩刚韧延强
擦
磨 损
性
性
性
度
⑥⑤④③②① 辐磁电光声热 照学学学学学 性性性性性性 能能能能能能
本课程讲授内容
第一章、电学性能 第二章、磁学性能 第三章、光学性能 第四章、热学性质 第五章、弹性与滞弹性
+11
+11
❖ 电子具有波粒二象性，运动着的电子作为物质波 （德布罗意波），其波长与电子的运动速率或动 量之间的关系为
h h
mv p
2 2 mv h
❖ m:电子质量 ❖ v :电子速度 ❖ :波长 ❖ p:电子动量
E 1 mv2 2
E8h22m228h22mK2
❖ h:普朗克常量
h 2 常数 K 2 波数
❖ 参考书
吴雪梅，材料物理性能与检测，科学出版社，2012 宋学孟，金属物理性能分析，机械工业出版社，1981 刘强，材料物理性能，化学工业出版社，2009 陈登明，材料物理性能及表征，化学工业出版社，2013 郑冀，材料物理性能，天津大学出版社，2008
绪论
①材料技术
②信息技术
③能源技术 ④生物技术 ⑤先进制造技术 ⑥航空航天技术