材料物理性能1基础

1、材料物理性能张 娜目录 材料科学介绍 能带理论基础知识现代材料发展的特点：1.明显地超出了传统组成和工艺范围；2. 创造出具有各种性能的新材料；3. 在现代工业和科学技术上获得广泛的应用。现代材料科学的重要研究内容：在严格控制材料组成和结构的基础上，深入了解和研究各项物理化学性能。也是发展材料的主要途径。工程学看材料：首先注意材料的物性，然后考虑它与外界条件相互作用出现的各种现象，最后联系到用途，作为制品出售。 材料科学介绍材料与物性、现象、用途间的关系：具体化具体化现象现象经济性经济性材料材料作用作用改善改善原料原料工艺工艺条件条件物性物性用途用途以以材料为中心，从物性 现象 用途周转循环，

2、巧妙地应用此表征方法能容易做到逐步地改进材料，不断创造出性能更好、更稳定的工业产品。材料科学介绍 需了解以下内容：一、材料的特性与应用二、材料的性能本质三、材料的制备过程四、材料设计的工作思路五、材料物理性能课程研究的内容六、相关课程七、本课程的理论与知识体系材料科学介绍一、材料的特性与应用 不同的化学组成和材料结构决定其具有不同的特殊性质和功能。 例如：如高强，高硬，耐温，耐腐，绝缘和各种电，磁，光及生物相容性等，材料的这些性能，可以广泛应用于机械，电子，宇航，医学工程等各个方面，成为近代尖端科学技术的重要组成部分。 材料的结构包括：原子结构、原子间的结合状态、键型或电子结构、晶体结构、相的

3、体系及其结合，它们尺寸 因素各类缺陷的存在及分布等。材料科学介绍材料的不断发展与进步一直是人类社会前进的重要基础之一；它是人类赖以生存和发展、征服自然的物质基础，从人类的发展史看，当社会发展向材料提出更新更高的要求时，可以促进新材料的发展；而一种重要的新材料的发现与应用，能使人类支配自然的能力向前跨一大步。 材料是社会进步的物质基础与先导。正是因为这种原因，人类的历史曾以使用的主要材料来加以划分，如石器时代、青铜器时代、铁器(钢铁)时代等等。 目前人类正进人信息社会，材料、能源和信息技术是当前国际公认的新技术革命的三大支柱。一个国家的材料的品种、数量和质量，已成为衡量该国科学技术、内民经济水平

4、和国防力量的重要标志。 1.材料科学的重要性材料科学介绍信息社会对材料科学提出了更高的要求。材料科学是信息社会的基石。传感器件传感器件半导体芯片半导体芯片半导体技术半导体技术液晶材料液晶材料光学材料光学材料金属材料金属材料磁性材料磁性材料移动通讯数码拍照拍照功能显示功能金属外壳信号接受对话功能电子线路照片存储功能材料功能材料介电材料介电材料2.材料的多样性能源材料能源材料金属材料金属材料无机非金属材料无机非金属材料光电材料光电材料有机高分子材料有机高分子材料智能材料智能材料生物材料生物材料生态环境材料生态环境材料复合材料复合材料你知道那些材料？单晶单晶多晶多晶非晶非晶准晶准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结构材料结构材料功能材料功能材料信息材料信息材料还有哪些材料？请补充！3.材料的分类按状态分，材料可分为单晶、多晶、非晶、准晶和液晶。 从化学的角度，材料则可分为无机材料与有机材料。 从应用来看，材料可分为信息材料、能源材料、生物材料、建筑材料、航空航天材料等。 根据材料的用途，将材料分为结构材料和功能材料两大类。 结构材料主要利用其力学性质，这类材料是机械制造、工程建筑、交通运输、航空航天等各种工业的物质基础。 功能材料是指除强度外还有其他功能的材料。它们对外界环境具有灵敏的反应能力，即对外界的光、热、电、磁、压力、气氛等各种刺激，可以有选择性地作出反应，从而有

6、许多特定的用途。电子、激光、能源、通讯、生物等许多新技术的发展都必须有相应的功能材料。可以认为，没有许多功能材料的出现，就不可能有现代科学技术的发展。 智能材料：具有环境判断、自我修复等功能的功能材料传统材料 先进材料 注重实际主要论及材料的加工工艺。它是一门及复杂的技艺高性能陶瓷高纯金属生物工程薄膜纳米材料半导体超导体聚合物材料工程材料工程4.什么是材料工程？5.材料有共通性制备、使用过程中的现象、概念、转变相似。单晶单晶多晶多晶非晶非晶准晶准晶结构、缺陷行为平衡热力学扩散、界面结构与行为材料相变机理电子迁移及电性能从物理学的角度，从微观的角度来阐述材料中的种种规律是很重要的。材料物理是物理

7、学和材料学之间的边缘学科。目的：利用物理中的成果来阐明材料中的种种规律和转变过程。内容：材料的微观组织结构、运动状态、物理性质、化学成分以及它们之间的相互关系。材料性能物理学模型物理学概念、原理物理科学材料科学材料物理6.材料物理的定义材料物理是研究物质的微观结构、组织形式、运动状态、物理性能、化学成分以及它们之间相互关系的学科。突出物理学的主干，从物理学的一些基本概念、基本原理、基本定律出发，建立相应的物理模型、力图阐述材料本身结构、性质和它们在各种外界条件下变化及其变化规律，得出结论，进而指导材料的生产和科学研究。7.材料物理和材料科学的关系息息相关、相互促进和共同发展材料物理研究课题来源

8、于材料、对象也是材料，都是生产、科研中提出来的新问题。材料物理的基本研究指导材料的生产应用。例子 金属材料：结构材料，研究强度、范性很重要，微结构的问题。陶瓷：烧结体，烧结技术，微结构的问题。低维材料，薄膜材料（2维）、纳米线（1维）纳米点（0维）的研究，尺寸效应。利用非晶硒的研究，发展了新的静电复印技术。集成铁电学的研究，促进了铁电存储器的实际开发。8.材料科学的研究导致新的物理学现象研究材料的性质在各种外界条件（力、热、光、气、电、磁、辐照、极端条件等）下发生的变化。发现到新的物理现象和效应、规律、形成新的概念。比如铁电、热释电、压电、电致伸缩等效应。好的试验结果要有好的理论来解释。一个试

9、验现象应该有一个相应的理论解释才是完美的。为什么？是什么？材料科学物理学这需要长期的、逐步、系统的科学研究。金属物理学，半导体物理学、电介质物理学、铁电物理学、磁学、非晶态物理学、高分子物理学、薄膜物理学等。每一个材料学的分支都相应的有相应的材料物理学分支9.材料物理的范围材料物理是物理研究中的重要领域。比如超导体、半导体、永磁材料。也是物理中发展最快的领域。它涉及面很广。基础包括：晶体学、材料力学、物理化学、材料科学基础、材料物理性能和物理学中的分支，包括热力学、弹塑性理论、统计物理、量子力学、固体物理学。材料物理是利用这些学科的成果，形成了以各种材料为对象的一门独立的综合性的物理学科。晶体

10、学揭示材料的微观组织结构材料科学有助于材料的内在联系量子力学、统计物理、弹性力学帮助我们理解材料中的电子、原子以及晶体缺陷的运动规律和它们的相互作用。固体物理学提供了原子键合、原子振动、电子结构、能带结构等的基础知识。热力学、物理化学、材料力学、材料物理性能可以用来阐明材料一些宏观的规律和材料特性。10.材料物理是物理和材料的交叉学科。作为物理学的一个分支，其发展与物理学的实验技术和基础理论的进展密切相关。11.材料物理和物理学的实验技术X射线技术XRD扫描电镜SEM透视电镜TEM高分辨率透视电镜HREM原子力显微镜AFM远红外光谱IR核磁共振NMR电子顺磁共振谱 ESRX光荧光谱XPS拉曼光

11、谱Raman 领域 特 性 应 用 光、 电、磁学功能领域电子材料高绝缘性 集成电路基片,封装材料,高频绝缘材料铁电,介电性 图像存储元件，电光偏振光元件，电容器压电性 点火元件，电子钟表，超声 波元件，滤波器热电性 红外检测元件，探测器，温度计，武器电子放射性 阴极射线管电子枪热阴极，电子显微镜半导,传感性 电子发热体，湿度传感器，热敏电阻，压力传感器，稳压电源，自控系统电阻发热元件（恒温器），气体传感器离子导电性 氧量传感器，高炉的控制，钠硫电池 12.无机材料的特性与应用光、电、磁学功能领域光电陶瓷 荧光性荧光体，彩色电视显象管材料 偏振光性电光偏振光元件 光电性光电变换元件光陶瓷 透光

12、性耐高温耐蚀透光性，窑炉观察窗，半导性透可 见光性 光反射性耐高温金属特性反射红外性透过可见光，反射红外线特性（节能型窗玻璃） 导光性通信用光纤，光通信光缆，胃摄象机磁性陶瓷软，硬磁性电脑存储元件，变压器磁芯，磁带，磁盘，磁头，信用卡，冷 藏库气密磁门热学功能领域传热性集成电路绝缘（散热）基板绝热性耐热绝热体，轻质绝热体，节能型炉耐高温性耐高温结构材料，高温炉，原子能反应堆材料生物化学功能领域骨亲和性人工骨，人造牙根，人造关节载体性固定酶载体，催化剂载体，生物化学反应控制器耐蚀性理化仪器，化工材料，化工装置内衬，原子能有关材料催化性水煤气反应催化剂，耐热催化剂，化学用催化剂 机 械 功 能 领

13、 域高强度，耐磨性，非膨胀收缩性超高精度全陶瓷车床，机床，测量机械，拉丝模高强度，耐高温性高性能高效汽车发动机，燃气轮机叶片高比强度性汽车零件，人造卫星机体，火箭机体，飞机机体高模量高尔夫球棒，网球拍，撑杆跳高撑杆，钓鱼杆，各种弹簧材料超硬性研磨材料，切削工具，磨削材料润滑性轴承材料，高温润滑材料性能本质：感应物理量与作用物理量呈一定的关系，其中有一与材料本质有关的常数材料的性能。 二、材料的性能本质作用作用物理物理量量 感应感应 物理量物理量公式公式材料内部的材料内部的 变化变化 材料材料 性性 能能性能的性能的 种类种类应力应力 形变形变 =S 原子发生相原子发生相对位移对位移柔性系数柔性

14、系数 力学性能力学性能表面电表面电荷密度荷密度DD=C 原子发生相原子发生相对位移引起对位移引起偶极矩的变偶极矩的变化化压电常数压电常数 压电性能压电性能温差温差t形变形变 = t原子发生位原子发生位移移热膨胀系热膨胀系数数热学性能热学性能热量热量QQ=Ct原子振动加原子振动加强强热容热容热学性能热学性能温差电温差电动势动势V= t载流子的定载流子的定向运动向运动温差电动温差电动势系数势系数导电性能导电性能温度温度梯度梯度dt/dx热流密热流密度度qq= kdt/dx原子热振动原子热振动的相互作用的相互作用热导率热导率热学热学性能性能 电电 场场 E电流电流密度密度JJ= E荷电离子远荷电离子

15、远距离的移动距离的移动电导率电导率导电导电性能性能极化强极化强度度PP= 0E宏观电场宏观电场荷电离子短荷电离子短距离的移动距离的移动介质电介质电极化率极化率介电介电性能性能离子的离子的偶极矩偶极矩 = E局部电场局部电场原子核与周原子核与周围电子发生围电子发生短距离的移短距离的移动动离子的离子的极化率极化率介电介电性能性能材料的材料的形变形变 =d E偶极矩的变偶极矩的变化化压电常压电常数数压电压电性能性能预烧预烧不预烧不预烧原料分析原料分析 回转窑回转窑配料配料造粒造粒氧化物氧化物 法法化学共沉淀化学共沉淀 法法电解共沉淀电解共沉淀 法法盐类分解盐类分解 法法喷雾煅烧喷雾煅烧 法法低温化学

16、低温化学 法法烘干烘干预烧预烧预压预压球磨球磨三、材料的制备过程铁铁氧氧体体生生产产工工艺艺流流程程干压成型干压成型热压铸热压铸 成型成型冲压成型冲压成型挤压成型挤压成型 注浆成型注浆成型和蜡和蜡加热加热熔化熔化注浆注浆成型成型脱蜡脱蜡粘合剂粘合剂轧片轧片切割切割冲压冲压粘合剂粘合剂练泥练泥挤压挤压切割切割磨加工磨加工制粉制粉加解胶剂加解胶剂成悬浮液成悬浮液 注入注入石膏模石膏模 成型成型脱模脱模喷喷雾雾造造粒粒烘干烘干过筛过筛粘合剂粘合剂造粒造粒压型压型干燥干燥检验包装检验包装生坯加工生坯加工烧结烧结热压烧结热压烧结机械加工机械加工四、材料设计的工作思路改变结构改变结构制备制备观测观测测试测

17、试 实际使用实际使用微观组织结构设计微观组织结构设计制备方法设计制备方法设计系统设计系统设计结构设计结构设计原料原料材料试样材料试样组织结构组织结构 特性特性可否可否评价评价五、材料物理性能课程研究的内容 1 . 研究的对象金属、陶瓷、高分子、复合材料等的各种物理性能不涉及化学性能。2 . 研究的物理性能力学性能、热学性能、电学性能、介电性能、压电性能、磁学性能、光学性能等。3 . 学习的内容研究的性能基本上都是各个领域在研究和应用材料中，对它们提出来的一系列技术要求，即材料的本征参数。需了解以下内容： 首先，掌握上述各类参数的物理意义和单位以及这些参数在实际问题中所处的地位。其次，要搞懂这些性能参数的影响因素，即性能和材料组成、结构的关系，性能参数的物理本质，物理模型、变化规律、以及基本的性能测试方法，为判断材料优劣，正确选择和使用材料，改变材料性能，探索新材料、新性能、新工艺打下理论