材料物理課程課件日期：目錄CATALOGUE材料物理導(dǎo)論材料的微觀結(jié)構(gòu)與性質(zhì)材料的力學(xué)性能材料的熱學(xué)性能材料的電學(xué)性能目錄CATALOGUE材料的磁學(xué)性能材料的光學(xué)性能材料的表面與界面材料物理的前沿與挑戰(zhàn)材料物理導(dǎo)論01材料物理的定義與范疇材料物理定義材料物理是介于物理學(xué)和材料科學(xué)之間的交叉學(xué)科，主要研究材料的結(jié)構(gòu)、性能及其相互關(guān)系。范疇概述重要性闡述涵蓋從原子、分子層次到宏觀性能表現(xiàn)的所有尺度，涉及材料的制備、表征、性能和應(yīng)用等方面。是材料科學(xué)的基礎(chǔ)，對(duì)于新材料的開發(fā)、應(yīng)用以及性能優(yōu)化具有重要意義。123材料物理的研究方法實(shí)驗(yàn)方法通過制備樣品，進(jìn)行力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等性能測(cè)試，探究材料的物理特性。030201力學(xué)性能測(cè)試如硬度、強(qiáng)度、韌性等。熱學(xué)性能測(cè)試如熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)等。如導(dǎo)電性、介電常數(shù)等。材料物理的研究方法電學(xué)性能測(cè)試如折射率、吸收率等。光學(xué)性能測(cè)試運(yùn)用量子力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理等理論方法，計(jì)算材料的結(jié)構(gòu)和性能。理論方法第一性原理計(jì)算基于量子力學(xué)原理，從電子結(jié)構(gòu)出發(fā)計(jì)算材料的性能。分子動(dòng)力學(xué)模擬通過模擬原子和分子的運(yùn)動(dòng)，研究材料的熱力學(xué)性質(zhì)和動(dòng)力學(xué)行為。材料物理的研究方法材料物理的應(yīng)用領(lǐng)域信息技術(shù)領(lǐng)域半導(dǎo)體材料、磁性材料、光電子材料等是信息技術(shù)的關(guān)鍵材料。半導(dǎo)體材料磁性材料用于集成電路、太陽(yáng)能電池等。用于磁記錄、磁傳感器等。123材料物理的應(yīng)用領(lǐng)域用于光電探測(cè)器、光存儲(chǔ)器等。光電子材料太陽(yáng)能電池、熱電材料、儲(chǔ)氫材料等是能源環(huán)境領(lǐng)域的重要研究方向。能源環(huán)境領(lǐng)域?qū)⑻?yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，是可再生能源的重要來源。太陽(yáng)能電池能實(shí)現(xiàn)熱能與電能的相互轉(zhuǎn)換，具有廣泛的應(yīng)用前景。材料物理的應(yīng)用領(lǐng)域熱電材料用于儲(chǔ)存氫氣，是氫能利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。儲(chǔ)氫材料生物醫(yī)用材料、藥物傳輸材料等是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重要應(yīng)用。生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域生物醫(yī)用材料用于人工器官、醫(yī)療器械等，需具備良好的生物相容性和穩(wěn)定性。藥物傳輸材料用于控制藥物的釋放速度和路徑，提高藥物的療效和降低副作用。材料物理的應(yīng)用領(lǐng)域材料的微觀結(jié)構(gòu)與性質(zhì)02晶體結(jié)構(gòu)類型包括點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷等，及其對(duì)材料性能的影響。晶體缺陷晶體缺陷的表征運(yùn)用X射線衍射、電子顯微鏡等技術(shù)手段研究晶體缺陷。介紹立方、六方、四方等晶體結(jié)構(gòu)，以及晶胞、晶格等概念。晶體結(jié)構(gòu)與缺陷相變與相圖相變的基本概念包括氣-固、液-固等相變形式，以及相變溫度、相變潛熱等參數(shù)。030201相圖解讀重點(diǎn)介紹鐵碳合金相圖，包括各相區(qū)、相變線及其物理意義。相變對(duì)材料性能的影響如鋼的熱處理工藝中的相變過程及其對(duì)產(chǎn)品性能的影響。材料的電子結(jié)構(gòu)與能帶理論電子在材料中的排布介紹自由電子、價(jià)電子等概念，以及電子在原子中的排布規(guī)律。能帶理論電子結(jié)構(gòu)與材料性能的關(guān)系闡述能帶、能隙等概念，以及導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的電子結(jié)構(gòu)特征。如導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、光學(xué)性能等與電子結(jié)構(gòu)的關(guān)系。123材料的力學(xué)性能03彈性指材料在受力后能恢復(fù)到原來形狀和尺寸的能力，是物理特性之一。塑性指材料在受力后發(fā)生形變，當(dāng)外力撤去后不能恢復(fù)原狀而保持形變后形狀的性質(zhì)。彈性模量是描述材料彈性性質(zhì)的物理量，它表示應(yīng)力與應(yīng)變之間的比例關(guān)系。塑性變形塑性變形是材料在受到超過彈性極限的應(yīng)力作用后發(fā)生的永久形變。彈性與塑性斷裂與疲勞斷裂指材料在應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象，分為韌性斷裂和脆性斷裂。韌性斷裂在斷裂前發(fā)生明顯的塑性變形，斷裂面常呈現(xiàn)纖維狀。脆性斷裂在斷裂前不發(fā)生或很少發(fā)生塑性變形，斷裂面較平滑。疲勞指材料在反復(fù)應(yīng)力或變形作用下，性能逐漸降低，最終導(dǎo)致斷裂的現(xiàn)象。通過細(xì)化晶粒，增加晶界數(shù)量，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而提高材料強(qiáng)度。通過向材料內(nèi)部彌散細(xì)小的第二相顆粒，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到強(qiáng)化的目的。材料在塑性變形過程中，位錯(cuò)密度增加，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，導(dǎo)致材料強(qiáng)化。溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格中，引起晶格畸變，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而提高材料強(qiáng)度。材料的強(qiáng)化機(jī)制晶界強(qiáng)化彌散強(qiáng)化加工硬化固溶強(qiáng)化材料的熱學(xué)性能04熱容=質(zhì)量×比熱容，比熱容是單位質(zhì)量物質(zhì)的熱容。熱容的計(jì)算材料在溫度升高時(shí)會(huì)發(fā)生熱膨脹，溫度降低時(shí)會(huì)發(fā)生熱收縮。熱膨脹現(xiàn)象01020304熱容是材料吸收或放出熱量時(shí)溫度的變化量。熱容定義線性膨脹系數(shù)和體積膨脹系數(shù)，用于描述材料熱膨脹的程度。熱膨脹系數(shù)熱容與熱膨脹熱傳導(dǎo)與熱輻射熱傳導(dǎo)定義熱傳導(dǎo)是物體內(nèi)部溫度差異引起的熱能傳遞過程。熱傳導(dǎo)的機(jī)理通過原子、分子之間的碰撞和傳遞來實(shí)現(xiàn)熱能的傳遞。熱輻射定義熱輻射是物體通過電磁波傳遞熱能的過程。熱輻射的規(guī)律斯蒂芬-玻爾茲曼定律描述了黑體輻射的功率與溫度之間的關(guān)系。材料的熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性定義材料在溫度變化時(shí)保持其原有性能的能力。熱穩(wěn)定性的評(píng)估熱穩(wěn)定性對(duì)應(yīng)用的影響通過測(cè)量材料在高溫或低溫下的機(jī)械性能、化學(xué)穩(wěn)定性等指標(biāo)來評(píng)估其熱穩(wěn)定性。在高溫或低溫環(huán)境下，材料的熱穩(wěn)定性對(duì)其使用壽命和可靠性具有至關(guān)重要的影響。123材料的電學(xué)性能05材料傳導(dǎo)電流的能力，與其內(nèi)部自由電子數(shù)量及移動(dòng)速度相關(guān)。導(dǎo)電性定義導(dǎo)電性與電阻率衡量材料導(dǎo)電性能好壞的指標(biāo)，電阻率越大，導(dǎo)電性越差。電阻率概念金屬內(nèi)部自由電子多，導(dǎo)電性好，電阻率較低。金屬導(dǎo)電性絕緣體內(nèi)部自由電子極少，導(dǎo)電性差，電阻率高。絕緣體特性半導(dǎo)體性質(zhì)導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間，受外界條件影響顯著。半導(dǎo)體類型主要分為N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體，通過摻雜改變導(dǎo)電性能。超導(dǎo)體特性在特定條件下，電阻降為零，電流可無限大且無損耗。超導(dǎo)應(yīng)用超導(dǎo)材料在磁懸浮、電力輸送等領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景。半導(dǎo)體與超導(dǎo)體介電常數(shù)與介電損耗描述材料在電場(chǎng)中的極化行為及能量損耗的指標(biāo)。介電與鐵電材料01介電材料應(yīng)用電容器、絕緣層等領(lǐng)域廣泛使用，要求介電常數(shù)高、損耗小。02鐵電性定義材料在一定溫度下具有自發(fā)極化，且極化方向可隨電場(chǎng)改變。03鐵電材料應(yīng)用鐵電存儲(chǔ)器、傳感器等，利用鐵電性實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換。04材料的磁學(xué)性能06指磁性材料在外磁場(chǎng)作用下，磁矩按磁場(chǎng)方向有序排列，使材料表現(xiàn)出宏觀磁性的過程。描述磁性材料磁化程度的物理量，單位為安培/米（A/m）。磁性材料內(nèi)部自發(fā)形成的、磁化方向相同的微小區(qū)域，是磁性材料的基本組成單元。指磁性材料在磁場(chǎng)中失去磁性的溫度，超過此溫度，材料的磁性將完全消失。磁性材料的基本概念磁化磁化強(qiáng)度磁疇居里溫度反鐵磁性指磁性材料內(nèi)部磁矩相互抵消，宏觀表現(xiàn)為磁化強(qiáng)度為零的特性，但磁化率仍為負(fù)值。鐵磁性的起源鐵磁性材料的磁性來源于電子自旋磁矩的相互作用，而反鐵磁性則來源于電子自旋磁矩與軌道磁矩的相互抵消。鐵磁性與反鐵磁性的區(qū)別鐵磁性材料在磁場(chǎng)中容易磁化，且磁化強(qiáng)度較大；反鐵磁性材料在磁場(chǎng)中磁化強(qiáng)度幾乎為零。鐵磁性指磁性材料在外磁場(chǎng)作用下，磁化強(qiáng)度與外磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比的特性，即磁化率大于零。鐵磁性與反鐵磁性磁性材料的應(yīng)用磁記錄材料利用磁性材料的磁化特性，實(shí)現(xiàn)信息的磁記錄與存儲(chǔ)，如磁帶、磁盤等。02040301磁性傳感器利用磁性材料對(duì)磁場(chǎng)的敏感特性，制作各種磁傳感器，如磁力計(jì)、磁通計(jì)等。磁性液體將磁性顆粒分散在液體中，形成具有磁性的液體，可用于密封、潤(rùn)滑、選礦等領(lǐng)域。磁制冷材料利用磁性材料在磁場(chǎng)中的磁熱效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)制冷與制熱的功能，具有環(huán)保、高效的特點(diǎn)。材料的光學(xué)性能07光的吸收與反射吸收光譜介紹材料對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸收特性，以及吸收系數(shù)、吸收率等參數(shù)。反射特性包括鏡面反射和漫反射，以及反射率、反射比等參數(shù)的計(jì)算與測(cè)量。光學(xué)常數(shù)折射率、消光系數(shù)等，用于描述材料對(duì)光的吸收和反射特性。發(fā)光原理激光的諧振腔、增益介質(zhì)、泵浦源等組成部分及作用。激光的產(chǎn)生激光的特性單色性、相干性、方向性等，以及激光束的傳輸與聚焦。介紹自發(fā)輻射、受激輻射等發(fā)光現(xiàn)象及原理。材料的發(fā)光與激光光學(xué)材料的應(yīng)用光學(xué)玻璃介紹光學(xué)玻璃的種類、特性及其在透鏡、棱鏡等光學(xué)元件中的應(yīng)用。光學(xué)薄膜增透膜、反射膜、濾光片等光學(xué)薄膜的制備、特性及應(yīng)用。光纖通信光纖的傳輸原理、性能參數(shù)以及光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成與優(yōu)勢(shì)。液晶顯示液晶材料的特性、分類以及在顯示技術(shù)中的應(yīng)用，包括液晶顯示器的工作原理。材料的表面與界面08表面能與表面張力表面能是指存在于物質(zhì)表面層的能量，表面張力是表面能的一種表現(xiàn)形式。表面能的概念及表面張力表面能的大小與物質(zhì)的性質(zhì)、表面狀態(tài)以及溫度等因素有關(guān)。表面張力對(duì)材料的潤(rùn)濕、吸附、分散等性質(zhì)有重要影響。表面能的影響因素常用的測(cè)量方法包括毛細(xì)管上升法、滴重法、環(huán)法、氣泡壓力法等。表面張力的測(cè)量方法01020403表面張力對(duì)材料的影響包括化學(xué)反應(yīng)、物理吸附、化學(xué)吸附等。界面反應(yīng)的類型溫度、壓力、介質(zhì)、表面性質(zhì)等因素都會(huì)影響界面反應(yīng)。界面反應(yīng)的影響因素01020304包括粘附、浸潤(rùn)、鋪展、凝聚等現(xiàn)象。界面現(xiàn)象的種類界面反應(yīng)在材料制備、改性、加工等方面都有廣泛的應(yīng)用。界面反應(yīng)的應(yīng)用界面現(xiàn)象與界面反應(yīng)表面處理與改性技術(shù)表面處理技術(shù)01包括清洗、除油、除銹等預(yù)處理技術(shù)，以及電鍍、化學(xué)鍍、熱噴涂等表面處理技術(shù)。表面改性技術(shù)02包括激光表面改性、離子注入、表面擴(kuò)散等表面改性技術(shù)。表面處理與改性技術(shù)的應(yīng)用03表面處理和改性技術(shù)在提高材料耐腐蝕性、耐磨損性、潤(rùn)滑性等方面有重要作用。表面處理與改性技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)04向高效、環(huán)保、低成本的方向發(fā)展，同時(shí)與其他技術(shù)相結(jié)合，提高材料的綜合性能。材料物理的前沿與挑戰(zhàn)09納米材料與納米技術(shù)納米材料的特性納米材料具有獨(dú)特的物理、化學(xué)和生物性能，如表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等納米技術(shù)的應(yīng)用納米材料的制備與表征納米技術(shù)在電子、信息、能源、環(huán)境、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，如納米電子器件、納米傳感器和納米藥物載體等納米材料的制備方法包括物理法、化學(xué)法和生物法，表征手段則包括透射電鏡、掃描電鏡、X射線衍射和光譜分析等123具有特殊磁學(xué)性能的材料，如軟磁材料、硬磁材料、磁記錄材料和磁制冷材料等具有特殊光學(xué)性能的材料，如光吸收材料、光反射材料、光傳輸材料和非線性光學(xué)材料等具有特殊電學(xué)性能的材料，如超導(dǎo)材料、半導(dǎo)體材料、電介質(zhì)材料和熱電材料等能夠響應(yīng)外界刺激而產(chǎn)生智能行為的材料，如形狀記憶合金、壓電陶瓷和光致變形材料等新型功