材料物理学的定义

材料物理主讲教师：唐一文，

纳米科技楼410室助教：曾世碧：

纳米科技楼301室*了解材料物理和凝聚态物理研究的根本轮廓*引导学生从书本走向实际的研究目的1除了一些具体知识以外，一个重要的目的是要学生把书本知识与实际的研究工作联系起来。2.课后阅读非常重要，可以帮助大家了解如何运用学得的东西去处理实际的问题。3.明确实际的研究工作大局部都是一些看起来非常小的事情。课程主要设想和思路第一讲绪论1.1材料物理学的定义1.3材料物理学的研究范围1.2材料物理学的特点1.4材料物理学的研究手段材料物理*涉及物质的微观结构、组织形式、运动状态、物理性能、化学成分及其相互关系的研究*物理学和材料学之间的交叉学科。1.1材料物理学的定义*利用物理学的一些学科成果，说明材料中的种种规律和转变过程。材料性能物理学模型物理学概念、原理等物理

科学材料

科学材料物理1.1材料物理学的定义从物理学的一些根本概念、根本原理、根本定律出发，并建立相应的物理模型，力图阐述材料本身的结构、性质和它们在各种外界条件下发生的变化及其变化规律，得出结论，进而指导材料的生产和科学研究。能源材料金属材料无机非金属材料光电材料有机高分子材料智能材料生物材料生态环境材料复合材料单晶多晶非晶准晶液晶建筑材料航空航天材料结构材料功能材料信息材料1.1材料物理学的定义材料种类繁多传感器件半导体芯片液晶材料光学材料金属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介电材料1.1材料物理学的定义材料无处不在2024/1/249Haveyoueverwondered?Whatmaterialisusedtoprotecttheshuttlefromhightemperaturesduringre-entry?CarbonbasedCompositesAdvancedCeramicTiles2024/1/2410陶瓷隔热瓦材料的意义2024/1/2411Haveyoueverwondered?

Whatmagneticstriponyourcreditcardismadefrom?FerriteMagneticMaterials2024/1/2412Whatceramicmaterialiscommonlyaddedtopaints?ColorfulDurableHaveyoueverwondered?TiO2SiO2,etal.2024/1/2413MagneticLevitationTrainElectricityTransmition-NoEnergyLost

YBCO/LBCO等高温超导陶瓷?Science?：100mYBCOHaveyoueverwondered?Whatceramicisfoundinmagneticlevitationtrain?2024/1/2414MILITARYUSE碳纤维、石墨纤维等复合材料铁氧体吸波材料吸波油漆纳米、超微粒子填充－吸波雷达反射截面乔巴姆装甲复合装甲的鼻祖陶瓷装甲2024/1/2415Long-rangemissileSUBMARINE:压电陶瓷－水声换能器潜艇的眼睛MILITARYUSEEyesofmissile-Windowsmaterials整流罩材料-透明陶瓷、红外陶瓷耐高温、透红外－根据目标红外源自动跟踪2024/1/2416半导体陶瓷电容器陶瓷空间转换器无引线芯片座陶瓷倒装片陶瓷管脚阵列射频晶体管氧化铝陶瓷用于集成电路陶瓷薄膜CERAMIC-IT2024/1/2417陶瓷牙桩永不磨损的陶瓷刀具陶瓷汽轮机光纤连接器用氧化锆陶瓷套筒电动推剪用陶瓷刀片琥珀纳米陶瓷隔热膜ZirconiaWatchComponentSTRUCTURALCERAMIC2024/1/2418消磁用PTC压敏电阻陶瓷电容器压电陶瓷超声传感器陶瓷压力传感器陶瓷压阻压力传感器晶体管ELECTRONICCERAMICS2024/1/2419BIOCERAMICSBonecementBonesubstitutetooth2024/1/2420Nano

Powders/CeramicsNANOTech0.4nm2024/1/2421国家大剧院顶部采用纳米材料制造纳米材料的广泛应用C纳米原子像纳米探针2024/1/2422全热解碳双叶瓣人工心脏瓣中间相炭微球炭纤维大型民航客机机轮刹车系统碳－碳刹车盘CARBONBASEDMATERIALS2024/1/24232024/1/2424碳纳米球巴基球碳纳米管储氢材料纳米存储器和DNA开关纳米碳管电子枪制作超薄电视碳纳米管纳米马达CARBONNANOTUBE/BALLBatteriesLubricantSemiconductor“新材料〞：新出现或已在开展中的，在成分、组织、结构、形态等方面不同于普通材料，具有传统材料所不具备的优异性能和特殊功能的材料。材料是社会进步的物质根底与先导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。1.1材料物理学的定义2024/1/2427StoneAge10万年DCBronzeAge3000年DCSteelAge1000年DCMaterialsandCivilizationEvolvingofHumanBeingCementAge0年2024/1/2428PolymerAdvanceCeramicINFORMATIONAGEMaterialsandCivilizationIronAge1800年NewMaterialsage1990年EvolvingofHumanBeingSiliconAge1950年2024/1/2429ElectronicMaterialsAge植入硅芯片的纳米碳管NanoTube硅芯片

SiliconTransistor

晶体管Transistor晶体管芯片TransistorChipMaterialsandCivilization电子器件ElectronicPartsINFORMATIONAGE材料科学的形成是金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料各学科开展过程的殊途同归。即构成工程材料的结构材料和功能材料有着共同的学科根底，这个学科就是材料科学。显然，材料科学已成为一门独立的学科以及各组成学科的聚集体。材料种类类型、材料加工工艺以及各种材料之间相互有机联系而形成的材料科学，就广义而言，三者构成了材料学。材料的分类单晶、多晶、非晶、准晶和液晶

无机材料与有机材料

信息材料、能源材料、生物材料、建筑材料、结构材料和功能材料

按状态分：化学的角度：应用：用途:1.1材料物理学的定义航空航天材料等材料有共通性：制备、使用过程中现象、概念、转变相似单晶多晶非晶准晶结构、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1.1材料物理学的定义阐述材料中的种种规律很重要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1.1.3什么是材料工程？1.1材料物理学的定义材料工程更注重实际，主要论及材料的加工工艺。目前，它已变成一门极复杂的技艺材料物理和材料科学的关系3.材料物理的根本研究指导材料的生产应用1.2材料物理学的特点1.息息相关、相互促进、共同开展2.研究课题来源于材料、对象也是材料，都是生产、科研中提出来的新问题。*主要课题来源于生产实践eg.1：

金属材料：强度、范性低维材料，薄膜材料〔2维〕、纳米线〔1维〕、1.2材料物理学的特点纳米点〔0维〕，尺寸效应。由于工艺上的突破并实现连续生产的“金属玻璃〞，因而金属玻璃的力学性质、磁性、超导电性等实际问题的研究也就随之提出；为了开展耐高温的材料，推动了对于金属或陶瓷的高温强度、高温蠕变、氧化及扩散的研究等等。eg.2：材料物理的根本研究成果在生产实践中发挥了很大作用再结晶结构的研究显著改进了硅钢片的质量利用非晶硒的光导特性的研究成果，开展了新的

集成铁电学的研究，促进了铁电存储器的实际应eg：用开发*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。发现了新的物理现象和效应、规律、形成了新的概念。比方铁电、热释电、压电、电致伸缩等效应。材料物理是物理和材料的交叉学科1.2材料物理学的特点材料物理是介于物理学与材料学之间的一门边缘学科，它的根底牵涉到许多不同的学科，诸如晶体学、材料力学、物理化学、材料科学根底、材料物理性能，以及物理学中的一些分支〔热力学、弹塑性理论、统计物理、量子力学、固体物理学〕等。利用众多学科成果，形成了以诸种材料为研究对象的一门独立的综合性的物理学科

*晶体学揭示材料的微观组织结构*材料科学有助于研究材料的内在联系1.2材料物理学的特点*量子力学、统计物理及弹性力学方法帮助我们理解材料中的电子、原子以及各种晶体缺陷的运动规律和它们之间的交互作用；

*固体物理学提供了原子键合、原子振动、电子结构、能带结构等的根底知识。1.2材料物理学的特点*热力学、物理化学、材料力学、材料物理性能可以用来说明材料一些宏观的规律和材料特性。好的试验结果要有好的理论来解释。

一个试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？材料学物理学金属物理学，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。材料物理的范围1.3材料物理学的研究范围每一材料学的分支都相应的有相应的材料物理学分支材料物理是物理研究中的重要领域。比方超导体、半导体、永磁材料。也是物理中开展最快的领域。1.3材料物理学的研究范围扫描电镜－SEM透射电镜－TEM高分辨透射电镜－HREM场离子显微镜－FIM红外光谱－FTIR核磁共振－NMR电子顺磁共振谱－ESRX光荧光谱－XPS拉曼光谱－Raman1.4材料物理学的研究手段扫描探针显微镜－SPM*在理论方面，量子力学在材料物理理论中所起的促进作用是人所共知的。回忆材料开展和材料研究的历史，尤其是20世纪乃至最近二三十年出现的材料〔市场已出现的材料，或通过专利、论文和材料会议报道即将问世的材料〕，以及材料科学研究成果，可以归纳、总结出材料学与物理学是有密切联系的。从物理学的角度说明材料，即形成材料物理学科，显然是顺理成章的2024/1/2450材料物理2024/1/2452EXAMPLE：物质的组成不同，那么性质不同物质的结构不同，性质也不同——微观结构——显微结构非均质材料〔陶瓷、复合材料〕性质强烈依赖于显微结构2024/1/2453例如：碳C(微观结构对性质的影响)

石墨：层状，易碎，层间易断裂，导电无定形碳：非晶态结构，高硬度，绝缘金刚石碳：立方晶体，自然界硬度最高，绝缘，高导热Sp3共价健Sp2共价健＋范德华健显微结构－纳米结构〔1~100nm)纳米碳管、巴基球等纳米碳：特殊效应特殊性质－催化、光吸收、磁介质等新材料领域2024/1/2454显微结构－结晶相、非晶相、气孔等2024/1/2455电子功能陶瓷、结构陶瓷－致密显微结构生物功能陶瓷－多孔显微结构材料物理课程理论框架2024/1/2456原子间相互作用－键合原子排列－晶体结构结构缺陷、固溶体非晶态固体纳米结构、显微结构1晶体结构2结构缺陷3外表与界面原子的迁移材料的千姿百态－状态的汇总图示材料