材料物理绪论课件

1、第一章第一章 材料科学概述材料科学概述第一节第一节 材料科学的发展背景材料科学的发展背景 什么是材料和材料科学什么是材料和材料科学？是人类赖依生存和发展的物质基础，是人类赖依生存和发展的物质基础，是国民经济的物质基础。是国民经济的物质基础。（人的衣、食、住、行、通讯等）（人的衣、食、住、行、通讯等）材料：材料：广义的材料包括人们的思想意识之外的所有物广义的材料包括人们的思想意识之外的所有物质质(substance)，材料无处不在，无处不有。，材料无处不在，无处不有。以材料的性能、结构及相关应用为研究对象，介于以材料的性能、结构及相关应用为研究对象，介于基础科学与应用科学之间的基础应用科学。集物

2、理基础科学与应用科学之间的基础应用科学。集物理学、化学和冶金学等于一体的一门的综合性或交叉学、化学和冶金学等于一体的一门的综合性或交叉性学科。性学科。材料科学：材料科学：工工农农业业生生产产国国防防科科学学技技术术人人民民生生活活材料材料能源 现代技术的三大支柱能源 现代技术的三大支柱信息信息材料品种材料品种数量国家现代化程度标志之一数量国家现代化程度标志之一质量质量生命科学（生物科学）也已渗入并将更为深刻地渗入生命科学（生物科学）也已渗入并将更为深刻地渗入以材料的发展划分人类历史以材料的发展划分人类历史:旧石器时代旧石器时代:（B.C. 101万年）以天然石块凿成棱边锋利的万年）以天然石块凿

3、成棱边锋利的新石器时代新石器时代:（B.C. 60004000年）出现磨光的工具。年）出现磨光的工具。工具或武器。工具或武器。 石器时代石器时代： 石斧、凿、刀、铲石斧、凿、刀、铲、箭头、箭头、纺纺轮、钵等（西安半坡遗址）轮、钵等（西安半坡遗址） 石斧石斧人类文明史与材料的发展阶段密切相关的人类文明史与材料的发展阶段密切相关的陶瓷时代：陶瓷时代：（B.C. 60004000年）出现了烧炉。年）出现了烧炉。 青铜器时代：青铜器时代：（B.C. 80001500年）年）B.C. 8000年，纯铜的发现年，纯铜的发现和加工；和加工；B.C. 20001500年铜矿石的开采和冶炼。年铜矿石的开采和冶炼

4、。铁器时代：铁器时代：（B.C. 14001200年）年）B.C. 1000年之后欧洲进入年之后欧洲进入“铁器时代铁器时代”。湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄中国古代铁器的金相组织中国古代铁器的金相组织理论上：理论上：量子理论、统计物理、固体电子论、晶体结构量子理论、统计物理、固体电子论、晶体结构近代物理使材料科学进入一个崭新的阶段：近代物理使材料科学进入一个崭新的阶段：实验上：实验上：劳厄劳厄 X 射线法窥探晶体结构。可在超高真空、射线法窥探晶体结构。可在超高真空、等理论的建立和发展使深入、正确地描述晶体等理论的建立和发展使深入、正确地描述晶体内微观粒子运动成为可能。内微

5、观粒子运动成为可能。超低温或超高压下借助各类电子显微镜观察、超低温或超高压下借助各类电子显微镜观察、甚至操纵、安排原子分子的排列。甚至操纵、安排原子分子的排列。近代：近代：玻璃、瓷器、及铝工业；玻璃、瓷器、及铝工业；现代：现代：高分子聚合物材料、超导材料、纳米材料等高分子聚合物材料、超导材料、纳米材料等第二节第二节 材料科学的任务及材料的分类材料科学的任务及材料的分类按状态：按状态：气态、液态、固态气态、液态、固态材料科学的任务：材料科学的任务：以物理学、化学、冶金学等为理论基础，应用各种测试和以物理学、化学、冶金学等为理论基础，应用各种测试和实验手段从微观上来研究材料的各种性能及其在制造和应

6、实验手段从微观上来研究材料的各种性能及其在制造和应用中的行为，以提高材料的性能、探索和开发新型材料。用中的行为，以提高材料的性能、探索和开发新型材料。材料科学研究的对象甚多，世界上已注册的材料有几十万种。材料科学研究的对象甚多，世界上已注册的材料有几十万种。材料分类方法：材料分类方法： 有多种有多种金属材料金属材料 （Metallic Materials)：钢铁、铝、铜、钛合金钢铁、铝、铜、钛合金陶瓷材料（陶瓷材料（Ceramics）：）：Al2O3、SiC、Si3N4、SiO2、TiN如，电工电子陶瓷、玻璃、水泥及耐火材料等如，电工电子陶瓷、玻璃、水泥及耐火材料等高分子材料（高分子材料（Hi

7、gh Polymers)：聚乙烯聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯、纤维纤维、 蛋白质蛋白质等等复合材料（复合材料（Composites)：Matel-Matrix or Polymer-Matrix按特性：按特性：金属、无机非金属（如陶瓷）、有机高分子材料和金属、无机非金属（如陶瓷）、有机高分子材料和复合材料复合材料 两种或两种以上的材料按一定的比两种或两种以上的材料按一定的比例通过特殊方法结合起来而构成例通过特殊方法结合起来而构成按作用按作用: 结构材料和功能材料结构材料和功能材料按使用领域：按使用领域：建筑、电子、医用、仪表及能源材料等建筑、电子、医用、仪表及能源材料等结构材料：结构材料：是机械制造

8、、建筑工程、交通运输、能源利用是机械制造、建筑工程、交通运输、能源利用工程等的物质基础。具有抵抗外力作用、保持工程等的物质基础。具有抵抗外力作用、保持自身形状和结构不变的力学特性及对外界环境自身形状和结构不变的力学特性及对外界环境良好的适应性。良好的适应性。高强的机械性能、耐高温、高强的机械性能、耐高温、耐磨、耐腐蚀、耐辐照。耐磨、耐腐蚀、耐辐照。新型结构材料新型结构材料：新型陶瓷结构材料、复合材料及高分新型陶瓷结构材料、复合材料及高分子材料的开发利用正在受到重视。子材料的开发利用正在受到重视。功能材料：功能材料：具有优良的电、磁、声、热、光、力、化学、具有优良的电、磁、声、热、光、力、化学、

9、用途：用途：可用于研制具有传递、存储或记忆信息、可用于研制具有传递、存储或记忆信息、转化或变换能量的功能性元件。转化或变换能量的功能性元件。包括：包括：金属、半导体、有机高分子、复合材料等。金属、半导体、有机高分子、复合材料等。有多种分类，按性能可分为：有多种分类，按性能可分为：或生物学等性能的材料。或生物学等性能的材料。力学、声学、电学、磁学、光学、力学、声学、电学、磁学、光学、化学、生物医学、核功能材料。化学、生物医学、核功能材料。 一般无机非金属材料具有耐高温、高硬度和抗一般无机非金属材料具有耐高温、高硬度和抗腐蚀等优良工程性能，其主要缺点是抗拉强度低、韧腐蚀等优良工程性能，其主要缺点是

10、抗拉强度低、韧性差。性差。 现代科学技术的发展，要求材料具有强度高、耐现代科学技术的发展，要求材料具有强度高、耐腐蚀、耐高温和其他一些特殊性能，这大大促进了无腐蚀、耐高温和其他一些特殊性能，这大大促进了无机非金属材料的发展，使无机非金属材料领域除使用机非金属材料的发展，使无机非金属材料领域除使用传统的硅酸盐材料外，出现了氧化物陶瓷、氮化物陶传统的硅酸盐材料外，出现了氧化物陶瓷、氮化物陶瓷和碳化物陶瓷等许多具有特殊性能的新型材料，广瓷和碳化物陶瓷等许多具有特殊性能的新型材料，广泛应用于建筑、冶金、机械及尖端科技领域。泛应用于建筑、冶金、机械及尖端科技领域。 精陶瓷精陶瓷粗陶瓷粗陶瓷普陶建筑瓷普陶

11、建筑瓷建筑陶瓷建筑陶瓷以粘土为主要原料而制得的以粘土为主要原料而制得的用于建筑物的陶瓷用于建筑物的陶瓷以以难熔粘土难熔粘土为主要原料，包括为主要原料，包括砖、瓦、盆罐砖、瓦、盆罐等等以以瓷土或高岭土瓷土或高岭土为主要原料，包括釉面砖、为主要原料，包括釉面砖、建卫器皿等建卫器皿等炻瓷炻瓷以以陶土或粘土陶土或粘土为主要原料，包括地砖、外墙砖、为主要原料，包括地砖、外墙砖、耐酸陶瓷等耐酸陶瓷等 又称电瓷，是作为隔电、机械支撑又称电瓷，是作为隔电、机械支撑及连接用的瓷质及连接用的瓷质绝缘器件绝缘器件。 分为分为低压电瓷低压电瓷、高压电瓷高压电瓷和和超高压超高压电瓷电瓷。电器绝缘陶瓷电器绝缘陶瓷分为分为

12、低压电瓷低压电瓷、高压电瓷高压电瓷和和超高压电瓷超高压电瓷。 结构陶瓷结构陶瓷 作为工程结构材料使用的陶瓷材料，作为工程结构材料使用的陶瓷材料，主要利用陶瓷材料所具有的主要利用陶瓷材料所具有的高强度、高硬高强度、高硬度、耐高温、耐摩擦、耐腐蚀等力学和热度、耐高温、耐摩擦、耐腐蚀等力学和热学方面的优异性能学方面的优异性能。定 义 结构陶瓷结构陶瓷 结构陶瓷的种类结构陶瓷的种类氧化物结构陶瓷氧化物结构陶瓷Al2O3ZrO2BeOMgO碳化物结构陶瓷碳化物结构陶瓷SiC氮化物结构陶瓷氮化物结构陶瓷Si3N4结构陶瓷结构陶瓷特点：特点：化学稳定性好、抗氧化性强、熔融化学稳定性好、抗氧化性强、熔融 温度

13、高、高温强度高。温度高、高温强度高。Al2O3陶瓷陶瓷ZrO2陶瓷陶瓷BeO陶瓷陶瓷MgO陶瓷陶瓷韧性韧性氧化物结构陶瓷氧化物结构陶瓷结构陶瓷结构陶瓷主要性能主要性能机械强度机械强度 断裂韧性断裂韧性影响因素影响因素组成组成 结构结构 制造工艺制造工艺结构陶瓷陶瓷轴承陶瓷餐刀陶瓷螺丝刀陶瓷锉刀陶瓷轧辊氧化锆凡尔陶瓷柱塞陶瓷磨具钢水过滤用SiC泡沫陶瓷Si3N4密封圈B4C/TiB2复相陶瓷防弹片及喷嘴耐磨陶瓷阀门芯片纳米陶瓷轴心风扇 纳米陶瓷弹簧陶瓷发动机陶瓷火花塞SiC发热体功能陶瓷功能陶瓷 具有电、光、磁以及部分化学功能的具有电、光、磁以及部分化学功能的多晶无机固体材料多晶无机固体材料.功

14、功 能能具有特定的电绝缘性、半导体性、具有特定的电绝缘性、半导体性、 导电性、压电性、铁电性、磁性、导电性、压电性、铁电性、磁性、 生物适应性等生物适应性等. 定 义功能陶瓷功能陶瓷功能陶瓷的种类功能陶瓷的种类电子陶瓷电子陶瓷超导陶瓷超导陶瓷磁性陶瓷磁性陶瓷光学陶瓷光学陶瓷生物陶瓷生物陶瓷敏感陶瓷敏感陶瓷功能陶瓷功能陶瓷压电陶瓷的种类压电陶瓷的种类钛酸钡、钛酸铅、钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅（锆钛酸铅（PZT）等。等。 压电陶瓷的应用压电陶瓷的应用超声换能器、声转换器、滤波器、超声换能器、声转换器、滤波器、 谐振器、点火器等。谐振器、点火器等。压电电机压电电机驱动电路驱动电路超声用压电陶瓷换能器超

15、声用压电陶瓷换能器超高精度超高精度 扫描仪扫描仪动态动态压电传感压电传感技术技术 最小间距达最小间距达5050微米微米。扫描实物扫描实物：工业材质、粘土、玻璃、水晶、色彩：工业材质、粘土、玻璃、水晶、色彩 丰富的物件，还包括鲜果和鲜鱼。丰富的物件，还包括鲜果和鲜鱼。压电陶瓷点火器压电陶瓷点火器 功能陶瓷功能陶瓷光电陶瓷光电陶瓷光电导现象光电导现象陶瓷受到光照射时，陶瓷受到光照射时，能带间能带间、能带能带与与 能级间的迁移能级间的迁移引起的引起的光吸收时光吸收时，能带内，能带内 产生产生自由载流子自由载流子，使电导率增加。，使电导率增加。具有光电导效应的陶瓷具有光电导效应的陶瓷光敏元件光敏元件利

16、用光电导效应检测光强度。利用光电导效应检测光强度。 主要是主要是GdS多晶：检测从波长多晶：检测从波长XRay紫外线紫外线。 添加添加Cu杂质，可检测杂质，可检测可见光可见光。硅在太阳能电池硅在太阳能电池上的应用上的应用 单晶硅单晶硅 多晶硅多晶硅 非晶硅非晶硅光电陶瓷光电陶瓷功能陶瓷功能陶瓷超导陶瓷超导陶瓷1986年超导陶瓷出现。年超导陶瓷出现。由钙钛矿结构演变而来由钙钛矿结构演变而来La2CuO3YBa2Cu2OyTI-Ba-Ca-Cu-OBi-Sr-Cu-Ol 镧系镧系 l 钇系钇系 l 铋系铋系 l 铊系铊系主要体系主要体系：功能陶瓷功能陶瓷超导陶瓷的应用超导陶瓷的应用在信息领域：在信

17、息领域：用作高速转换元件、通信元件和连接电路。用作高速转换元件、通信元件和连接电路。在生物医学领域：在生物医学领域：用于核磁共振断层摄像仪、量子干涉仪、用于核磁共振断层摄像仪、量子干涉仪、 粒子线治疗装置等。粒子线治疗装置等。在交通运输领域：在交通运输领域：完全抗磁体制造的磁悬浮列车、电磁推进完全抗磁体制造的磁悬浮列车、电磁推进 器、飞机航天飞机发射台等。器、飞机航天飞机发射台等。在电子能源领域：在电子能源领域：用于超导磁体发电、超导输电、超导储能等用于超导磁体发电、超导输电、超导储能等在宇宙开发、军事领域：在宇宙开发、军事领域：潜艇的无螺旋浆无噪声电磁推进器、潜艇的无螺旋浆无噪声电磁推进器、

18、 超导磁炮等。超导磁炮等。磁悬浮列车磁悬浮列车核磁共振仪核磁共振仪功能陶瓷功能陶瓷磁性陶瓷磁性陶瓷铁氧体铁氧体铁和其他金属的复合氧化物，具有亚铁磁性铁和其他金属的复合氧化物，具有亚铁磁性 MOFe2O3，M：一、二价金属和三价稀土金属。：一、二价金属和三价稀土金属。主要指铁氧体主要指铁氧体铁氧体的晶体结构类型铁氧体的晶体结构类型尖晶石型：尖晶石型：MeFe2O4，等轴晶系，等轴晶系， Mn-Zn铁氧体、铁氧体、Ni-Zn铁氧体铁氧体磁铅石型：磁铅石型：MeFe12O19，六方晶系六方晶系， BaFe12O19石榴石型：石榴石型：3Me2O35Fe2O3或或2Me3Fe5O12，等轴晶系等轴晶系

19、， Me：三价稀土金属三价稀土金属， 3Y2O35Fe2O3功能陶瓷功能陶瓷铁氧体铁氧体的分类及应用的分类及应用铁氧体铁氧体软磁软磁铁氧体铁氧体硬磁硬磁铁氧体铁氧体电感线圈、天线、变压器和滤波器的电感线圈、天线、变压器和滤波器的磁芯磁芯以及录音和录像的以及录音和录像的磁头磁头等。等。永磁体永磁体，用作恒稳磁场源。，用作恒稳磁场源。 旋磁旋磁铁氧体铁氧体矩磁矩磁铁氧体铁氧体64K FRAM功能陶瓷功能陶瓷光学陶瓷光学陶瓷透光、滤光、发光功能透光、滤光、发光功能要求要求：具有优良的耐热性、耐风化性、耐膨胀性；：具有优良的耐热性、耐风化性、耐膨胀性； 光损耗低；光损耗低； 经光的照射，其性质发生可逆

20、或不可逆显著变化。经光的照射，其性质发生可逆或不可逆显著变化。 功能陶瓷功能陶瓷光学陶瓷的种类光学陶瓷的种类透明陶瓷透明陶瓷红外光学陶瓷红外光学陶瓷激光陶瓷激光陶瓷氧化物透明陶瓷氧化物透明陶瓷非氧化物透明陶瓷非氧化物透明陶瓷氧化钇氧化钇(Y2O3)基质晶体基质晶体+ 掺杂离子掺杂离子Al2O3、 Gd2O3、 CaO LiAl5O8、MgO、BeOGaAs、ZnS、ZnSeMgF2、CaF2红宝石红宝石 -Al2O3 + Cr+掺钕的钇铝石榴石晶体掺钕的钇铝石榴石晶体 Nd3+:YAG滤光、红外接受和红外探测材料滤光、红外接受和红外探测材料陶瓷光学透镜 防穿甲弹的透明陶瓷透明氧化铝高压钠灯灯管探测材料探测材料应用应用红外导弹的窗口和红外导弹的窗口和整体罩、天线罩、微波基整体罩、天线罩、微波基板绝缘支架、红外发生管板绝缘支架、红外发生