材料科学与工程1

1、材料科学基础材料科学基础材料各向异性与织构教育部重点实验室材料各向异性与织构教育部重点实验室p 新材料技术、信息技术、生物技术、能源技术并列为新材料技术、信息技术、生物技术、能源技术并列为新技术新技术革命的重要标志革命的重要标志，是，是21世纪科学技术的核心。世纪科学技术的核心。 p 先进材料是信息技术、生物技术、先进能源技术以及空天技先进材料是信息技术、生物技术、先进能源技术以及空天技术、海洋技术、先进制造技术等的术、海洋技术、先进制造技术等的物质基础物质基础，是新技术革命的，是新技术革命的先导先导，是人类进步的强大，是人类进步的强大“引擎引擎”。p 材料的研究、开发和应用，反映一个国家科学

2、技术与工业水材料的研究、开发和应用，反映一个国家科学技术与工业水平，悠关平，悠关综合国力与国家安全综合国力与国家安全。一、一、 材料的重要地位材料的重要地位材料领域发展指导原则：坚持满足当前需求与实施长远战材料领域发展指导原则：坚持满足当前需求与实施长远战略相结合，坚持新兴产业培育与传统结构调整相结合，坚略相结合，坚持新兴产业培育与传统结构调整相结合，坚持技术创新引领与市场需求带动相结合。持技术创新引领与市场需求带动相结合。p 材料科学材料科学研究研究“为什么为什么”，核心是，核心是结构与性能结构与性能关系材料科学关系材料科学的基础理论体系。如：强度、磁性、再结晶、相变等。的基础理论体系。如：

3、强度、磁性、再结晶、相变等。p 材料工程材料工程解决解决“怎样做怎样做”，根据结构性能关系，如何，根据结构性能关系，如何制备制备材材料的结构、性能和形状（判据：经济、质量、资源、环保、能源）。料的结构、性能和形状（判据：经济、质量、资源、环保、能源）。p 材料科学为材料工程提供设计依据，为选择材料、使用材料、发展材料科学为材料工程提供设计依据，为选择材料、使用材料、发展新材料提供理论基础。新材料提供理论基础。p 材料工程为材料科学提供丰富的研究课题。材料工程为材料科学提供丰富的研究课题。p 材料科学和材料工程紧密联系，没有明显界线。常将二者合称为材材料科学和材料工程紧密联系，没有明显界线。常将

4、二者合称为材料科学与工程。料科学与工程。材料科学与工程材料科学与工程材料材料结构结构性能性能制备制备二、二、材料科学与工程材料科学与工程内容内容宏观结构（宏观结构（Macroscopic structure）-借助借助naked eye和低倍放大镜观察到的组织结构和低倍放大镜观察到的组织结构电子结构电子结构（Electronic structure）-原子、分子、晶体中电子的排列（运动）方式原子、分子、晶体中电子的排列（运动）方式晶体结构（晶体结构（Crystal structure）-晶体中原子或分子的排列方式晶体中原子或分子的排列方式显微结构（显微结构（Microscopic struct

5、ure）-借助显微镜借助显微镜(microscope)观察到的组织结构观察到的组织结构n 结构结构（ Structure ）内部组元的排列方式内部组元的排列方式二、二、材料科学与工程材料科学与工程内容内容 力学性能力学性能（力的作用）（力的作用） 物理性能物理性能（电、热、磁、光的作用）（电、热、磁、光的作用） 化学性能化学性能（腐蚀环境的作用）（腐蚀环境的作用）n 性能（性能（properties）材料的特性材料的特性-材料对外部作用的反应（类型、程度）材料对外部作用的反应（类型、程度）n 制备（制备（processing） 冶炼冶炼 铸造铸造 加工与成形加工与成形 处理与改性处理与改性二、

6、二、材料科学与工程材料科学与工程内容内容晶体结构晶体结构力学性能力学性能“Crystals are like people, it is the defects in them whichtend to make them interesting!” Colin Humphreys.微观组织晶体缺陷微观组织晶体缺陷位错（位错（dislocation）材料科学基础材料科学基础( (上上)-1)-1电子结构电子结构 晶体结构晶体结构n 第一章：原子和分子的电子结构第一章：原子和分子的电子结构 波函数和薛定谔方程；单电子和多电子原子的电子结波函数和薛定谔方程；单电子和多电子原子的电子结构；原子轨道分

7、布图；分子轨道理论。构；原子轨道分布图；分子轨道理论。n 第二章：金属电子理论（能带理论）第二章：金属电子理论（能带理论） 布洛赫定理；费米分布函数；近自由电子近似；紧束布洛赫定理；费米分布函数；近自由电子近似；紧束缚近似；布里渊区；能带理论应用。缚近似；布里渊区；能带理论应用。n 第三章：晶体结构第三章：晶体结构 空间点阵；密勒指数；晶向和晶面族；晶带；典型的空间点阵；密勒指数；晶向和晶面族；晶带；典型的晶体结构（晶体结构（FCC/BCC/HCP）；晶体对称；合金相。）；晶体对称；合金相。掌握材料的电子结构和晶体结构的基础理论掌握材料的电子结构和晶体结构的基础理论电子的排列方式（运动状态）电

8、子的排列方式（运动状态）第一章第一章 原子和分子的电子结构原子和分子的电子结构粒子性粒子性具有集中、独立存在的性质具有集中、独立存在的性质 特征量：特征量： （E，p）波动性波动性在空间和时间上周期性变化的性质在空间和时间上周期性变化的性质特征量：特征量： （，）光光波粒二象性波粒二象性(Wave-particle duality) 微观粒子的基本特征微观粒子的基本特征光电效应光电效应E=h p=h/ 爱因斯坦爱因斯坦(1905) 1923年诺贝尔奖年诺贝尔奖 只有当光的频率大于某一定值时，才有光电子发射出来。 逸出电子能量只与光频率有关，与光强无关。 按电磁理论，光的能量决定于光波强度（振幅

9、）而与频率无关。只要强度足够，任何频率的光都能产生光电效应，电子动能随光强增加而增大。 光子波包1.1 微观粒子的运动规律微观粒子的运动规律德布罗意德布罗意关系式关系式E=h p=h/ 实物粒子实物粒子德布罗依的假设遭到导师反对，爱因斯坦关照才获博士学位德布罗依的假设遭到导师反对，爱因斯坦关照才获博士学位 34103166.626 107.28 109.1 1010hmvm电子：电子：m石头：石头：35123410626. 6101010626. 6mh1924年提出（24岁），1929年诺贝尔奖n 德布罗意德布罗意向巴黎大学理学院提交的博士论文中提出：在光向巴黎大学理学院提交的博士论文中提出

10、：在光学上，比起波动的研究，过于忽略粒子的一面；学上，比起波动的研究，过于忽略粒子的一面；在物质理论上，是否发生了相反的错误把粒子在物质理论上，是否发生了相反的错误把粒子的图象想得太多，而过于忽略波的图象。一切物的图象想得太多，而过于忽略波的图象。一切物质粒子都具有粒子性和波动性，在一定条件下，质粒子都具有粒子性和波动性，在一定条件下，表现出粒子性，在另一些条件下体现出波动性。表现出粒子性，在另一些条件下体现出波动性。证明电子波动性的衍射实验证明电子波动性的衍射实验n 戴维逊戴维逊- -革末革末电场加速的电子束电场加速的电子束 单晶镍（背反射）单晶镍（背反射） 1927年实验，年实验，1937

11、年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖 根据衍射电子束的角度和晶体常数可用根据衍射电子束的角度和晶体常数可用Bragg方程计方程计算出电子的物质波波长算出电子的物质波波长(2dsin =n )。从衍射数据中求。从衍射数据中求得的波长与从德布罗意关系式得的波长与从德布罗意关系式 =h/p计算的波长一致。计算的波长一致。 用底片拍摄的衍射图样是一系列同心圆，根据衍射圆环用底片拍摄的衍射图样是一系列同心圆，根据衍射圆环直径确定衍射角，计算得到的电子波波长（直径确定衍射角，计算得到的电子波波长（2dsin =n ），），与德布罗意关系式与德布罗意关系式 =h/p计算的波长一致。计算的波长一致。 n 汤姆逊汤

12、姆逊 电子束电子束 垂直穿透金、铝、铂的薄片垂直穿透金、铝、铂的薄片 1927年实验，年实验，1937年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖如何描述微观粒子的运动状态？如何描述微观粒子的运动状态？宏观粒子：宏观粒子：( (坐标，动量坐标，动量) )，运动规律服从牛顿力学方程，运动规律服从牛顿力学方程 微观粒子微观粒子? ?海森堡海森堡1927年提出（年提出（26岁）岁）1932年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖电子单缝衍射p p /2测不准原理：测不准原理：smxm/1025. 510101025. 52/294235子弹sm/103可用经典物理学处理可用经典物理学处理 smxm/1077. 5101

13、01 . 91025. 52/5103135sm/106分子中的电子应用量子力学处理应用量子力学处理 smxm/77. 510101 . 91025. 52/53135sm/106真空管中电子可用经典物理学处理可用经典物理学处理 微观粒子的运动状态不是在任何情况下都须用量子力学微观粒子的运动状态不是在任何情况下都须用量子力学来描述。但在原子或分子空间须用量子力学来处理。来描述。但在原子或分子空间须用量子力学来处理。 描述微观粒子状态的时间描述微观粒子状态的时间t和坐标和坐标r的函数的函数 波函数波函数 自由粒子单色平面波：自由粒子单色平面波： (r,t)=Aei/(pr-Et) 波函数如何体现

14、波粒二象性？（物理意义）波函数如何体现波粒二象性？（物理意义）慢速电子衍射实验慢速电子衍射实验 对于大量电子而言，衍射强度大的地方，电对于大量电子而言，衍射强度大的地方，电子出现的数目多；对于单个电子而言，衍射强度子出现的数目多；对于单个电子而言，衍射强度大的地方，电子出现的机会多。大的地方，电子出现的机会多。 t t时刻在时刻在r r处粒子出现的几率与处粒子出现的几率与t t时刻波函数在时刻波函数在r r处处的绝对值平方的绝对值平方(r,t)(r,t)2 2成正比，成正比，(r,t)(r,t)2 2代表粒子在时代表粒子在时空的空的几率密度分布几率密度分布。 按波动学理论，衍射强度用波函数绝对

15、值平方表示，按波动学理论，衍射强度用波函数绝对值平方表示，博恩博恩据此提出微观粒子波函数物理意义的解释：据此提出微观粒子波函数物理意义的解释：（单位体积中微观粒子出现的几率）（单位体积中微观粒子出现的几率） 单个电子就具有波动性，电子的波动性是单个电子就具有波动性，电子的波动性是和电子运动的统计规律性联系在一起；电子运和电子运动的统计规律性联系在一起；电子运动服从统计规律，统计性显示出波动性动服从统计规律，统计性显示出波动性。 物质波是几率波，物质波是几率波，几率几率波将微观粒子的波波将微观粒子的波动性和粒子性统一起来。动性和粒子性统一起来。俯仰微观粒子的波粒二象性：微观粒子的波粒二象性：q

16、波动性不同于经典的波动性，不是振动的传播，是波波动性不同于经典的波动性，不是振动的传播，是波强与电子出现几率成正比的几率波；强与电子出现几率成正比的几率波；q 粒子性不同于经典的粒子性，没有运动的轨道，只有粒子性不同于经典的粒子性，没有运动的轨道，只有在空间不同位置有规律的几率分布。在空间不同位置有规律的几率分布。2222)()(),(rertrtEi定态的微观粒子在空间各处出现的几率密度不随定态的微观粒子在空间各处出现的几率密度不随时间改变时间改变tEiertr)(),(如微观粒子所处的势场不随时间变化如微观粒子所处的势场不随时间变化定态波函数定态波函数),(tr)(r振幅波函数或简称振幅波

17、函数或简称波函数波函数能量能量E E具有确定值（不随位置、时间变化）具有确定值（不随位置、时间变化）波函数波函数能量能量微观粒子的运动状态微观粒子的运动状态如何求解波函数、能量？如何求解波函数、能量？（定态）（定态）薛定谔方程薛定谔方程)()()(222rErrVV(r):微观粒子的势能函数；微观粒子的势能函数； E:微观粒子的能量；微观粒子的能量； (r):微观粒子的波函数。微观粒子的波函数。1926年提出（年提出（39岁）岁）1933年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖（定态）薛定谔方程的物理意义（定态）薛定谔方程的物理意义一个质量为一个质量为 、在势能为、在势能为V(r)的场中运动的的场中运

18、动的微粒，有一个与稳定态对应的满足该方程微粒，有一个与稳定态对应的满足该方程的波函数的波函数 (r)和能量和能量E。)()()(222rErrV 薛定谔方程成功描述了薛定谔方程成功描述了 (r)的行为，但并没有解释的行为，但并没有解释 (r)的的意义。意义。1926年，在薛定谔第四篇论文发表之后，年，在薛定谔第四篇论文发表之后，马克斯马克斯玻恩玻恩提出提出概率幅概率幅的概念，成功地解释了的概念，成功地解释了 (r)的物理意义。但薛定谔的物理意义。但薛定谔一直不承认这种一直不承认这种统计统计或或概率概率的解释。的解释。电子的运动状态电子的运动状态 势能函数势能函数薛定谔方程薛定谔方程能量、波函数能量、波函数)()()(222rErrV能量为能量为E的电