材料的许多物理性能是属于材料整体的，难于将表面与内部截然分开，但是这些整体物理性能往往与表面技术有着密切的关系。

1.热学性能

（1）热容量 它是描述物质热运动的能量随温度变化的一个物理量。其含义是：在不发生相变和化学反应时，材料温度升高1K时所需要的热量（Q），常以C标记。但是在低温时材料热容量并非恒量，而是随着温度的降低而逐渐减小。

（2）热传导 材料两端存在温度差时，热量自动地从热端传向冷端，这种现象称为热传导。例如，一个与外界无热交换而本身存在温度梯度的物体，随着时间的推移，热端温度不断降低，冷端温度不断升高，最终达到一致的平衡温度。

（3）热膨胀 表征物体受热时长度或体积增大程度的热胀系数，也是材料的重要热学性能之一。如果固体受热时不能自由膨胀，则在物体内会产生很大的内应力，这种内应力往往有很大的危害性，故在技术上要采取相应的措施，如在铁轨接头处留有空隙等。对许多精密仪器，要使用线胀系数小的材料，如石英、殷钢（一种铁镍合金）等制造。

（4）热稳定性 热稳定性是指材料承受温度的剧烈变化而不致破坏的能力。一般情况下，热应力会影响到热稳定性。热应力会引起材料热冲击破坏、热疲劳破坏以及材料性能的变化等。例如，对于一些高延性材料，由热应力引起的热疲劳是主要的问题，虽然温度的变化不如热冲击时剧烈，但其热应力可能接近材料的屈服强度，在温度反复变化时，最终导致疲劳破坏。

2.电学性能

（1）材料的电学性能及特征

1）导电性。材料的导电性能因材料内部组成和结构的不同而有巨大的差异。导电性最强的物质（银和铜）与导电性最差的物质（聚苯乙烯）之间，电阻率相差23个数量级。导电性主要由电导率、电阻率和薄膜电阻来描述。

①电导率。电导率σ的大小反映物质输送电流的能力。

②电阻率。它是电导率的倒数。在所有的缺陷中，外来原子（杂质或合金元素）的影响最显著。例如金和银都有良好的导电性，但它们组成合金后电阻增大。又如在铜中含有质量分数为0.05%左右的杂质时，其电导率下降12%。冷加工、沉淀硬化、高能粒子辐照等都会使电阻增大。导体的电阻率ρ＜10^-2Ω·m，而绝缘体的电阻率ρ＞10¹⁰Ω·m，半导体的电阻率ρ=10^-2～10¹⁰Ω·m。

③薄膜电阻。薄膜技术在表面工程中占有重要地位，在研究和使用薄膜时经常测量薄膜的电阻。

2）超导性。金属的电阻通常随温度降低而连续下降，但某些金属在超低温度下，电阻会突然下降到零，表现出异常大的超导性，这种性质称为超导性。超导性首先由奥涅斯（H.K.Onnes）于1900年在汞中观察到。在4.1K汞环中所感生的电流能维持数值不衰减，这证实了此时汞的电阻已降为零。

3）半导体。半导体的特点不仅表现在电阻率在数值上与导体和绝缘体的差别，而且表现在它的电阻率的变化受杂质含量的影响极大，受热、光等外界条件的影响也很大。半导体材料的种类很多，按其化学成分可分为元素半导体和化合物半导体；按其是否含有杂质，可以分为本征半导体和杂质半导体；按其导电类型，可分为n型半导体和p型半导体等。

4）绝缘体。绝缘体的基本特点是传导电子数目甚少，电阻率很大。在结构上，它们大多是离子键和共价键结合，其中包括氧化物、碳化物、氮化物和一些有机聚合物等。某些绝缘体特别适于作为电介质而用于电容器。

5）离子导电。电子电导和离子电导具有不同的物理效应。离子电导有两种类型：一是本征电导，它以离子、空位的热缺陷作为载流子，在高温下十分显著；二是杂质电导，它以杂质离子等固定较弱的离子作为载流子，在较低温度下电导已很显著。

（2）材料电学性能在表面技术中的重要意义 表面技术涉及材料电学性能的领域广泛，意义重大，现举例如下：

1）导电薄膜。用一定的方法在材料表面获得具有优良导电性能的薄膜称为导电薄膜。

2）导电涂层。用一定方法在绝缘体上涂覆具有一定导电能力、可代替金属传导体的涂层称为导电涂层。电导率为10^-13～10^-12Ω/cm。

3）电阻器用薄膜。薄膜电阻已成为电阻器种类中最重要的一种。薄膜电阻是用热分解、真空蒸镀、磁控溅射、电镀、化学镀、涂覆等方法，将有一定电阻率的材料镀覆在绝缘体表面，形成一定厚度的导电薄膜。

4）超导薄膜。由于超导体是完全反磁性的，超导电流只能在与磁场浸入深度30～300nm相应的表层范围内流动，因此薄膜处于最适合的利用状态。超导体的薄膜化，对于制作开关元件、磁传感器、光传感器等约瑟夫逊效应电子器件来说，是必不可少的基础元件。

5）半导体薄膜。薄膜技术对于半导体元件的微细化是不可缺少的，并且，薄膜可以大面积且均匀地制作，其优势更显突出。半导体薄膜按其结构可分为三种类型：单晶薄膜、多晶薄膜和无定形半导体薄膜。

6）介电薄膜。它是以电极化为基本电学特性的功能薄膜。介电薄膜通常可用射频磁控溅射、离子束溅射、溶胶-凝胶、金属有机物化学相沉积（MOCVD）、紫外激光熔覆等方法制作。

7）固体电解质。最早发现的固体电解质是一些银的盐类，如碘化银、硫化银等。后来又陆续发现一些金属氧化物等在高温下也具有很好的离子导电特性。按离子传导的性质，固体电解质可以分为阴离子导体、阳离子导体和混合离子导体。

3.磁学性能

（1）磁性 物质按其磁性可分为顺磁性、抗磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性等。其中铁磁性和亚铁磁性属于强磁性，通常说的磁性材料是指具有这两种磁性的物质。磁性材料主要有软磁材料、硬磁材料和磁储存材料三类。

（2）磁学基本量 一个磁体的两端具有极性相反而强度相等的两个磁极，它表现为磁体外部磁力线的出发点和汇集点。当磁体无限小时就成为一个磁偶极子。

（3）物质的磁性分类 物质的磁性大致可分为抗磁体、顺磁体、铁磁体、反铁磁体和亚铁磁体五类。

（4）铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性 Fe、Co、Ni、Gd、Tb、Dy、Ho、Tm以及一些合金和化合物是铁磁性物质；在反铁磁性材料中，由于电子之间的相互作用而使得相邻偶极子排列成相反方向；亚铁磁性材料内部互为反向磁矩的大小并不完全相同，即彼此没有完全抵消。

4.光学性能(www.daowen.com)

（1）电磁波 电磁波是以波的形式传播的电场与磁场的交替变化，在真空中其位移方向与传播方向垂直（即为一种横波）。这种波动在传播过程中不需要任何介质，在真空中行进的速度大约为3×10⁸m/s（通常称为光速）。光波也是一种电磁波。

（2）反射、折射、吸收和透射 光波由某种介质（例如空气）进入另一种介质（例如固体或液体）时，在不同介质的界面上会有一部分被反射，其余部分经折射而进入该介质，如果没有全被吸收，则剩下的部分就透过介质。

（3）色心 19世纪人们发现某些无色透明的天然矿石在一定条件下呈现一定的颜色，而在另一条件下这些颜色又被“漂白”。20世纪20年代玻尔（Pohl）发现碱卤晶体在碱金属蒸气中加热后聚冷到室温就会有颜色，如氯化钠呈黄色，氯化钾呈红色，这一过程称为着色。他认为着色是因晶体中产生了能吸收某一波段可见光的晶体缺陷，并首先提出颜色中心（或色心）这个词来命名这些缺陷。从此色心一词就沿用下来。色心有其一定的应用。1965年人们已发现了色心的激射功能。20世纪70年代以后随着激光技术的发展，特别是光纤通信技术等对激光波长的要求（1～3μm），色心应用受到重视。

（4）发光 物质的原子或分子从外部接受能量，成为激发态，当它们从激发态回到基态时，就会发出一定频率的光，这种辐射现象称为发光。发光又可根据吸收与发射之间的时间间隔而分成两类：如果滞后时间少于10^-8s，则这种现象称为荧光；如果衰减时间长些，则称为磷光。

（5）激光 1917年，爱因斯坦在用统计平衡观点研究黑体辐射的工作中，得到一个重要的结论：自然界存在两种不同的发光形式，一种称为自发辐射，另一种称为受激辐射。激光是一种新型光源，它与以自发辐射为主的普通光源相比，有亮度高、单色性好、方向性好、相干性好等特点。

5.声学性能

（1）声波 声波是一种机械波，即在媒界中通过的弹性波，表现为振动的形式。

（2）声频和水声 噪声是目前污染环境的三大公害（水、废气和噪声）之一。在海水中传播的声波（水声）可为国防建设和国民经济解决很多重大课题。

（3）次声频段 次声是频率极低的声波，故人耳听不到。

（4）超声频段 超声在许多技术中有着重要的应用。超声还有一种重要用途，就是提供信息，包括提供一些用其他方法不能得到的信息。

（5）特超声频段 特超声频段已同电磁波的微波相对应，故又称为微声。

6.功能转换

（1）材料的功能转换

1）热-电转换。许多物质都有热电现象，可进行热-电转换。

2）光-热转换。光-热转换的一个重要用途就是太阳辐射的利用。

3）光-电转换。有些物质受光照射时其电阻就会发生变化，有的会产生电动势或向外部溢出电子。

4）力-电转换。有些材料可以进行机械能与电能的相互转换。具有压电效应的压电材料是应用潜力很大的功能材料。

5）磁-光转换。在磁场作用下，材料的电磁特性会发生变化，从而使光的传输特性发生变化，这种现象称为磁-光效应。利用材料的磁-光效应，做成各种磁光器件，可对激光束的强度、相位、频率、偏振方向及传输方向进行控制。

6）电-光转换。晶体以及某些液体和气体，在外加电场的作用下折射率会发生变化，这种现象称为电-光效应。

7）声-光转换。声波形成的介质密度（或折射率）的周期疏密变化可看成是一种条纹光栅，其间隔等于声波波长。这种声光栅对光的衍射现象称为声光效应。近年来，由于高频声学和激光的发展，使声光技术水平有了迅速提高。例如：利用光束来考察许多物质的声学性质；利用超声波来控制光束的频率、强度和方向，进行信息和显示处理等。常用的声光材料有α-碘酸、钼酸铅、铌酸锂、二氧化锑等，主要用于制造调制器、偏转器、滤波器等。

（2）材料功能转换在表面技术中的重要意义 表面技术中有许多重要项目都涉及材料的功能转换，可通过涂装、黏结、气相沉积、等离子喷涂等方法来制备选择性涂层、热释电装置、薄膜加热器、电容式压力传感器、磁光存储器、电致发光器件、薄膜太阳能电池等。

1）热电材料。这是一种将热能与电能进行转换的材料。一般来说，许多物质都有热电现象，但半导体材料的热电性能明显高于金属材料，最具使用意义的热电材料是掺杂的半导体材料。例如，Bi₂Ti₃是具有高ZT值的半导体热电材料，掺杂Pb、Cd、Sn等可形成p型材料，而有过剩的Te或掺杂I、Br、Al、Se、Li等元素及卤化物的AgI、CuI、CuBr等，则形成n型材料。例如，Si-Ge系是目前较为成熟的一种高温热电材料，美国1977年发射的旅行者号飞船中安装了用Si-Ge系材料制造的1200多个热电发电器。目前，电子晶体-声子玻璃（PGEC）热电材料，正在深入研究中。

2）选择性涂层。太阳能辐射谱在0.35～2.5μm间隔范围内，波长在2μm以下的辐射占太阳辐射量的90%。对于光-热转换系统，需要认真考虑材料对波长的选择特性。实际上，具有明显太阳光谱选择特性的材料为数不多，通常需要采用真空镀膜、阳极氧化、热喷涂分解、化学转化、电解着色等方法来制备。

3）磁光光盘存储材料。为了提高运行速度，计算机中的存储器越来越多地采用多层立体结构。对于要求高速度动作的主存储器及视频存储器，多采用半导体存储器；而对于软件及信息存储器的记录装置，多采用磁盘和光盘。

4）光电转换器件。光电转换器件主要包括下面三个部分：

①光电导材料，俗称感光材料。半导体是最简单的光电导材料。光电导材料是复印机、打印机、扫描仪和数字照相机的核心材料。例如，早期使用的静电复印机，是用非晶硒涂覆在鼓形板的表面，后来用聚乙烯咔唑、三硝基芴酮、苯二甲蓝颜料、氮色素、二萘嵌苯等有机光电导材料制造新的打印机。

②光敏二极管。它是将光信号变成电信号的半导体器件。

③光伏器件。它是直接把太阳光变成电能的器件，常称太阳能电池。现代的硅太阳能电池在20世纪50年代由贝尔实验室制成，其结构是在p-n结上制备导线网络，可以在光照时收集电流。