1、材料物理性能張 娜目錄 材料科學介紹 能帶理論基礎知識現代材料發展的特點：1.明顯地超出了傳統組成和工藝范圍；2. 創造出具有各種性能的新材料；3. 在現代工業和科學技術上獲得廣泛的應用。現代材料科學的重要研究內容：在嚴格控制材料組成和結構的基礎上，深入了解和研究各項物理化學性能。也是發展材料的主要途徑。工程學看材料：首先注意材料的物性，然后考慮它與外界條件相互作用出現的各種現象，最后聯系到用途，作為制品出售。 材料科學介紹材料與物性、現象、用途間的關系：具體化具體化現象現象經濟性經濟性材料材料作用作用改善改善原料原料工藝工藝條件條件物性物性用途用途以以材料為中心，從物性 現象 用途周轉循環，

2、巧妙地應用此表征方法能容易做到逐步地改進材料，不斷創造出性能更好、更穩定的工業產品。材料科學介紹 需了解以下內容：一、材料的特性與應用二、材料的性能本質三、材料的制備過程四、材料設計的工作思路五、材料物理性能課程研究的內容六、相關課程七、本課程的理論與知識體系材料科學介紹一、材料的特性與應用 不同的化學組成和材料結構決定其具有不同的特殊性質和功能。 例如：如高強，高硬，耐溫，耐腐，絕緣和各種電，磁，光及生物相容性等，材料的這些性能，可以廣泛應用于機械，電子，宇航，醫學工程等各個方面，成為近代尖端科學技術的重要組成部分。 材料的結構包括：原子結構、原子間的結合狀態、鍵型或電子結構、晶體結構、相的

3、體系及其結合，它們尺寸 因素各類缺陷的存在及分布等。材料科學介紹材料的不斷發展與進步一直是人類社會前進的重要基礎之一；它是人類賴以生存和發展、征服自然的物質基礎，從人類的發展史看，當社會發展向材料提出更新更高的要求時，可以促進新材料的發展；而一種重要的新材料的發現與應用，能使人類支配自然的能力向前跨一大步。 材料是社會進步的物質基礎與先導。正是因為這種原因，人類的歷史曾以使用的主要材料來加以劃分，如石器時代、青銅器時代、鐵器(鋼鐵)時代等等。 目前人類正進人信息社會，材料、能源和信息技術是當前國際公認的新技術革命的三大支柱。一個國家的材料的品種、數量和質量，已成為衡量該國科學技術、內民經濟水平

4、和國防力量的重要標志。 1.材料科學的重要性材料科學介紹信息社會對材料科學提出了更高的要求。材料科學是信息社會的基石。傳感器件傳感器件半導體芯片半導體芯片半導體技術半導體技術液晶材料液晶材料光學材料光學材料金屬材料金屬材料磁性材料磁性材料移動通訊數碼拍照拍照功能顯示功能金屬外殼信號接受對話功能電子線路照片存儲功能材料功能材料介電材料介電材料2.材料的多樣性能源材料能源材料金屬材料金屬材料無機非金屬材料無機非金屬材料光電材料光電材料有機高分子材料有機高分子材料智能材料智能材料生物材料生物材料生態環境材料生態環境材料復合材料復合材料你知道那些材料？單晶單晶多晶多晶非晶非晶準晶準晶液晶液晶建筑材料建

5、筑材料航空航天材料航空航天材料結構材料結構材料功能材料功能材料信息材料信息材料還有哪些材料？請補充！3.材料的分類按狀態分，材料可分為單晶、多晶、非晶、準晶和液晶。 從化學的角度，材料則可分為無機材料與有機材料。 從應用來看，材料可分為信息材料、能源材料、生物材料、建筑材料、航空航天材料等。 根據材料的用途，將材料分為結構材料和功能材料兩大類。 結構材料主要利用其力學性質，這類材料是機械制造、工程建筑、交通運輸、航空航天等各種工業的物質基礎。 功能材料是指除強度外還有其他功能的材料。它們對外界環境具有靈敏的反應能力，即對外界的光、熱、電、磁、壓力、氣氛等各種刺激，可以有選擇性地作出反應，從而有

6、許多特定的用途。電子、激光、能源、通訊、生物等許多新技術的發展都必須有相應的功能材料。可以認為，沒有許多功能材料的出現，就不可能有現代科學技術的發展。 智能材料：具有環境判斷、自我修復等功能的功能材料傳統材料 先進材料 注重實際主要論及材料的加工工藝。它是一門及復雜的技藝高性能陶瓷高純金屬生物工程薄膜納米材料半導體超導體聚合物材料工程材料工程4.什么是材料工程？5.材料有共通性制備、使用過程中的現象、概念、轉變相似。單晶單晶多晶多晶非晶非晶準晶準晶結構、缺陷行為平衡熱力學擴散、界面結構與行為材料相變機理電子遷移及電性能從物理學的角度，從微觀的角度來闡述材料中的種種規律是很重要的。材料物理是物理

7、學和材料學之間的邊緣學科。目的：利用物理中的成果來闡明材料中的種種規律和轉變過程。內容：材料的微觀組織結構、運動狀態、物理性質、化學成分以及它們之間的相互關系。材料性能物理學模型物理學概念、原理物理科學材料科學材料物理6.材料物理的定義材料物理是研究物質的微觀結構、組織形式、運動狀態、物理性能、化學成分以及它們之間相互關系的學科。突出物理學的主干，從物理學的一些基本概念、基本原理、基本定律出發，建立相應的物理模型、力圖闡述材料本身結構、性質和它們在各種外界條件下變化及其變化規律，得出結論，進而指導材料的生產和科學研究。7.材料物理和材料科學的關系息息相關、相互促進和共同發展材料物理研究課題來源

8、于材料、對象也是材料，都是生產、科研中提出來的新問題。材料物理的基本研究指導材料的生產應用。例子 金屬材料：結構材料，研究強度、范性很重要，微結構的問題。陶瓷：燒結體，燒結技術，微結構的問題。低維材料，薄膜材料（2維）、納米線（1維）納米點（0維）的研究，尺寸效應。利用非晶硒的研究，發展了新的靜電復印技術。集成鐵電學的研究，促進了鐵電存儲器的實際開發。8.材料科學的研究導致新的物理學現象研究材料的性質在各種外界條件（力、熱、光、氣、電、磁、輻照、極端條件等）下發生的變化。發現到新的物理現象和效應、規律、形成新的概念。比如鐵電、熱釋電、壓電、電致伸縮等效應。好的試驗結果要有好的理論來解釋。一個試

9、驗現象應該有一個相應的理論解釋才是完美的。為什么？是什么？材料科學物理學這需要長期的、逐步、系統的科學研究。金屬物理學，半導體物理學、電介質物理學、鐵電物理學、磁學、非晶態物理學、高分子物理學、薄膜物理學等。每一個材料學的分支都相應的有相應的材料物理學分支9.材料物理的范圍材料物理是物理研究中的重要領域。比如超導體、半導體、永磁材料。也是物理中發展最快的領域。它涉及面很廣。基礎包括：晶體學、材料力學、物理化學、材料科學基礎、材料物理性能和物理學中的分支，包括熱力學、彈塑性理論、統計物理、量子力學、固體物理學。材料物理是利用這些學科的成果，形成了以各種材料為對象的一門獨立的綜合性的物理學科。晶體

10、學揭示材料的微觀組織結構材料科學有助于材料的內在聯系量子力學、統計物理、彈性力學幫助我們理解材料中的電子、原子以及晶體缺陷的運動規律和它們的相互作用。固體物理學提供了原子鍵合、原子振動、電子結構、能帶結構等的基礎知識。熱力學、物理化學、材料力學、材料物理性能可以用來闡明材料一些宏觀的規律和材料特性。10.材料物理是物理和材料的交叉學科。作為物理學的一個分支，其發展與物理學的實驗技術和基礎理論的進展密切相關。11.材料物理和物理學的實驗技術X射線技術XRD掃描電鏡SEM透視電鏡TEM高分辨率透視電鏡HREM原子力顯微鏡AFM遠紅外光譜IR核磁共振NMR電子順磁共振譜 ESRX光熒光譜XPS拉曼光

11、譜Raman 領域 特 性 應 用 光、 電、磁學功能領域電子材料高絕緣性 集成電路基片,封裝材料,高頻絕緣材料鐵電,介電性 圖像存儲元件，電光偏振光元件，電容器壓電性 點火元件，電子鐘表，超聲 波元件，濾波器熱電性 紅外檢測元件，探測器，溫度計，武器電子放射性 陰極射線管電子槍熱陰極，電子顯微鏡半導,傳感性 電子發熱體，濕度傳感器，熱敏電阻，壓力傳感器，穩壓電源，自控系統電阻發熱元件（恒溫器），氣體傳感器離子導電性 氧量傳感器，高爐的控制，鈉硫電池 12.無機材料的特性與應用光、電、磁學功能領域光電陶瓷 熒光性熒光體，彩色電視顯象管材料 偏振光性電光偏振光元件 光電性光電變換元件光陶瓷 透光

12、性耐高溫耐蝕透光性，窯爐觀察窗，半導性透可 見光性 光反射性耐高溫金屬特性反射紅外性透過可見光，反射紅外線特性（節能型窗玻璃） 導光性通信用光纖，光通信光纜，胃攝象機磁性陶瓷軟，硬磁性電腦存儲元件，變壓器磁芯，磁帶，磁盤，磁頭，信用卡，冷 藏庫氣密磁門熱學功能領域傳熱性集成電路絕緣（散熱）基板絕熱性耐熱絕熱體，輕質絕熱體，節能型爐耐高溫性耐高溫結構材料，高溫爐，原子能反應堆材料生物化學功能領域骨親和性人工骨，人造牙根，人造關節載體性固定酶載體，催化劑載體，生物化學反應控制器耐蝕性理化儀器，化工材料，化工裝置內襯，原子能有關材料催化性水煤氣反應催化劑，耐熱催化劑，化學用催化劑 機 械 功 能 領

13、 域高強度，耐磨性，非膨脹收縮性超高精度全陶瓷車床，機床，測量機械，拉絲模高強度，耐高溫性高性能高效汽車發動機，燃氣輪機葉片高比強度性汽車零件，人造衛星機體，火箭機體，飛機機體高模量高爾夫球棒，網球拍，撐桿跳高撐桿，釣魚桿，各種彈簧材料超硬性研磨材料，切削工具，磨削材料潤滑性軸承材料，高溫潤滑材料性能本質：感應物理量與作用物理量呈一定的關系，其中有一與材料本質有關的常數材料的性能。 二、材料的性能本質作用作用物理物理量量 感應感應 物理量物理量公式公式材料內部的材料內部的 變化變化 材料材料 性性 能能性能的性能的 種類種類應力應力 形變形變 =S 原子發生相原子發生相對位移對位移柔性系數柔性

14、系數 力學性能力學性能表面電表面電荷密度荷密度DD=C 原子發生相原子發生相對位移引起對位移引起偶極矩的變偶極矩的變化化壓電常數壓電常數 壓電性能壓電性能溫差溫差t形變形變 = t原子發生位原子發生位移移熱膨脹系熱膨脹系數數熱學性能熱學性能熱量熱量QQ=Ct原子振動加原子振動加強強熱容熱容熱學性能熱學性能溫差電溫差電動勢動勢V= t載流子的定載流子的定向運動向運動溫差電動溫差電動勢系數勢系數導電性能導電性能溫度溫度梯度梯度dt/dx熱流密熱流密度度qq= kdt/dx原子熱振動原子熱振動的相互作用的相互作用熱導率熱導率熱學熱學性能性能 電電 場場 E電流電流密度密度JJ= E荷電離子遠荷電離子

15、遠距離的移動距離的移動電導率電導率導電導電性能性能極化強極化強度度PP= 0E宏觀電場宏觀電場荷電離子短荷電離子短距離的移動距離的移動介質電介質電極化率極化率介電介電性能性能離子的離子的偶極矩偶極矩 = E局部電場局部電場原子核與周原子核與周圍電子發生圍電子發生短距離的移短距離的移動動離子的離子的極化率極化率介電介電性能性能材料的材料的形變形變 =d E偶極矩的變偶極矩的變化化壓電常壓電常數數壓電壓電性能性能預燒預燒不預燒不預燒原料分析原料分析 回轉窯回轉窯配料配料造粒造粒氧化物氧化物 法法化學共沉淀化學共沉淀 法法電解共沉淀電解共沉淀 法法鹽類分解鹽類分解 法法噴霧煅燒噴霧煅燒 法法低溫化學

16、低溫化學 法法烘干烘干預燒預燒預壓預壓球磨球磨三、材料的制備過程鐵鐵氧氧體體生生產產工工藝藝流流程程干壓成型干壓成型熱壓鑄熱壓鑄 成型成型沖壓成型沖壓成型擠壓成型擠壓成型 注漿成型注漿成型和蠟和蠟加熱加熱熔化熔化注漿注漿成型成型脫蠟脫蠟粘合劑粘合劑軋片軋片切割切割沖壓沖壓粘合劑粘合劑練泥練泥擠壓擠壓切割切割磨加工磨加工制粉制粉加解膠劑加解膠劑成懸浮液成懸浮液 注入注入石膏模石膏模 成型成型脫模脫模噴噴霧霧造造粒粒烘干烘干過篩過篩粘合劑粘合劑造粒造粒壓型壓型干燥干燥檢驗包裝檢驗包裝生坯加工生坯加工燒結燒結熱壓燒結熱壓燒結機械加工機械加工四、材料設計的工作思路改變結構改變結構制備制備觀測觀測測試測

17、試 實際使用實際使用微觀組織結構設計微觀組織結構設計制備方法設計制備方法設計系統設計系統設計結構設計結構設計原料原料材料試樣材料試樣組織結構組織結構 特性特性可否可否評價評價五、材料物理性能課程研究的內容 1 . 研究的對象金屬、陶瓷、高分子、復合材料等的各種物理性能不涉及化學性能。2 . 研究的物理性能力學性能、熱學性能、電學性能、介電性能、壓電性能、磁學性能、光學性能等。3 . 學習的內容研究的性能基本上都是各個領域在研究和應用材料中，對它們提出來的一系列技術要求，即材料的本征參數。需了解以下內容： 首先，掌握上述各類參數的物理意義和單位以及這些參數在實際問題中所處的地位。其次，要搞懂這些性能參數的影響因素，即性能和材料組成、結構的關系，性能參數的物理本質，物理模型、變化規律、以及基本的性能測試方法，為判斷材料優劣，正確選擇和使用材料，改變材料性能，探索新材料、新性能、新工藝打下理論