材料物理第一章.ppt

1、1,材 料 物 理,主讲教师：耿桂宏,2,前言： 材料物理是介于物理学和材料学之间的一门边缘学科。旨在利用物理学的成果阐明材料中的种种规律和转变过程。其涉及的内容很广，包括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。 材料是多种多样的，包括金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料，以及一些新出现或正在发展中的新材料，诸如复合材料、半导体材料、超导材料、电介质材料、铁电材料、非晶态,3,材料、低维材料、光电材料、生物材料、智能材料、能源材料、生态环境材料等等。 材料科学基础： 主要讲述了材料本身的性质与其成分和结构； 材料工程基础： 主要论及材料的加工工艺，更为注重实

2、际； 材料物理： 主要是以物理学为主干，从物理学的一些基,4,本概念、基本原理、基本定律出发，说明物质的微观结构、组织形貌、原子电子运动状况以及它们与材料性能和成分之间的关系。 通过本课程的学习，达到以下目标： （1）获得较广泛的材料物理基础知识； （2）初步掌握各种材料中的基本物理原理；,5,材料物理的学科特点： 材料物理：主要研究材料的物理性能与材料结构的关系。 金属学：主要研究相与相之间的变化规律。 金属物理：主要研究同一相中，缺陷，扩散等物理现象（位错）。 固体物理：主要研究电子结构对电，热，光等物理性能的影响。 所以，金属学的内容多是相变，所应用的研究手段为金相显微镜。金属物理研究位

3、错，要用电子显微镜。固体物理特别关注半导体性能。,6,1 概论 1.1课程内容： 共十二章，金属结构理论、缺陷物理、材料强化、导电物理基础、材料的介电行为、铁电物理、磁性物理、材料的相变、非晶态物理、高分子物理和低维材料结构。 1.2涉及的基础学科： 晶体学、材料力学、物理化学、材料科学基础、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、固体物理等）。,7,1.3材料分类： 从物理化学属性分：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、复合材料等； 从用途分：电子材料、航空航天材料、核材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。 最常见的两种分类方法是： （1）结构材料

4、：以力学性能为基础，以制造受力构件所 用材料。（如：铁、铝、铜等）。,8,功能材料：利用物质的独特物理、化学性质或生物功能等而形成的一类材料。（如：水泥用来盖房、玻璃用来封闭采光等）。 一种材料往往既是结构材料又是功能材料。（如：铁、铝、铜等）。 （2）传统材料：指那些已经成熟且在工业中已批量生产并大量应用的材料。（如：钢铁、水泥、塑料等）。 新型材料：指那些正在发展，且具有优异性能和应用前景的一类材料。（如：半导体材料,9,超导材料、电介质材料、铁电材料、非晶态材料、低维材料、光电材料、生物材料、智能材料、能源材料、生态环境材料等等）。 1.4应用的广泛性： 机械、运输、建筑、能源、医疗、通

5、信、计算机等。 1.5材料的外界条件： 力、热、光、气、电、磁、各种微粒子来的辐照等。外界条件对材料的影响非常大，可以引起材料的结构、化学成分、组织等的变化。,10,材料时代划分 石器时代铜器时代铁器时代硅器时代 石器时代又分为“旧石器时代”和“新石器时代”。在新石器时代，人们已经可以用上陶器了。由于陶器制作的需求，发明了高温窑。而高温窑技术的进步，则为后来金属的冶炼提供了可能性。,11,各种材料的性能差异： 石器：形状难以加工，脆性。但资源来源广，制作技术简单。 铜器：易于加工，可铸成鼎，钟等。韧性好，强度不够高。资源有限。 铁器：强度高，资源广。 硅：难以制造，需要现代技术。为什么不是“锗

6、”时代？锗也是半导体，在60年代，锗制作的半导体三极管运用很广，而当时硅的三极管反而更贵。进入到大规模集成电路时代后，硅的特性优势显示出来。,12,由于硅的半导体性能以及化学性质比锗优越，即禁带宽度比锗大，可以耐高压，器件的工作温度较高，可达150-200，而锗只能到75.9，所以硅器件的功率大。这就是为什么硅比锗应用的更广的原因。另外，硅可以制成二氧化硅薄膜，这在半导体器件中非常重要。另外，锗易提纯，但硅难提纯 。,13,问：为什么会先出现铜器时代而不是铁器时代？ 答：由于材料冶炼的难易程度所决定。铜的冶炼温度较低： Cu2O + H2 -(500)- 2Cu + H2O 炼铁需要1500的

7、设备，炼铜则仅需要900的设备。 问：为什么先得到应用的铜现在还是比后得到应用的铁的价格贵呢？ 答：主要由于资源的多少所决定。现在的冶炼手段已经不在乎铜与铁的冶炼温度的差别了，影响价格的因素主要是原料。,14,问：中国很早就发现并使用了铁器，为什么现代冶金工业却是在西方发展起来的？ 答：中国古代的炼钢技术主要是采用培烧方法，属于固体扩散的方法。效率低，产量小，对社会经济的影响有限。所以铁器主要用于制作兵器等不计成本的产品。而西方的炼钢技术，采用熔化后的液体反应方法，效率高，产量大， 可以大量应用于民用，如建筑等场合，故得到了迅速的发展。,15,铜中添加一些合金元素，黄铜（加入锌），青铜(加入锡

8、)等。 问：历史上，为什么先有青铜（公元前1000多年），后有黄铜（公元后1000多年），而不是相反？ 答：因为锌的冶炼是比较困难的。氧化锌的还原温度是904。而金属锌的沸点在906.97。由于还原温度与沸点非常接近，还原得到的金属锌以蒸气状态存在。在冷却时，反应逆转，锌蒸气,16,被二氧化碳再氧化而成氧化锌。要得到锌必须有特殊的冷凝装置。这是金属锌的使用要比铜、铅、锡、铁都要晚的原因。 铝的冶炼非常困难，因此一直到很晚人类才使用铝。不过，以前在考古领域中，曾有过将铝的应用时期大幅度提前的说法。据说在很早的墓里发现了铝制品。后来学术界争论得很厉害。基本上认为，这个墓里的铝制品可能是近代盗墓的人

9、带进去的，以前不可能有铝制品。此事现在基本已有定论，即是后来盗墓的人带进取的。,17,新材料： 是指那些正在发展，且具有优异性能和应用前景的一类材料。 与传统材料的关系： 传统材料通过采用新技术，提高技术含量，提高性能，大幅度增加附加值而成为新材料；新材料经过长期生产与应用之后也就成为传统材料。传统材料是发展新材料和新技术的基础，而新材料、新技术又往往能推动传统材料的进一步发展。,18,一、目前新材料的重点有以下几个方面： 1、信息功能材料 人类已进入信息时代，为了实现装置的小型化、低功耗、多功能化和智能化，信息功能材料受到了很高的重视。 所谓信息功能材料，就是指信息的产生、获取、存储、传输、

10、转换、处理、显示等所需的材料。主要用于计算机、通讯和控制，成为3C（Computer，Communication，Control）所需材料。其特点是要求高，发展快，种类繁多。,19,2、先进的结构材料 结构材料： 是以力学性能为基础，以制造受力构件所用的材料。 结构材料一般数量大，资源与能源消耗高，污染严重，对可持续发展有决定性作用。结构材料性能的提高，会减缓上述压力（因性能的提高，使用寿命的延长，可减少材料的用量）。耐高温、高比强度、高比刚度材料对提高机械性能十分重要；耐磨、耐蚀、抗疲劳、抗老化是延长,20,使用寿命的关键；先进陶瓷材料要进一步提高韧性，降低成本。有机材料以其再生资源的优势和

11、优异性能，且可实现分子设计而进一步得到发展。先进复合材料，有些已得到应用（如碳纤维增强树脂基复合材料）；有的因成本高，制作难度大需进一步发展新工艺（如金属基复合材料）；有些超高温材料（如碳碳复合材料）须解决抗氧化问题才能得到大范围的应用。,21,3、能源材料 目前化石燃料储备有限、污染严重，必须大力开发无污染、可再生能源。太阳能虽然密度低，又受气候影响，但辐射于地表的能量，一万倍于人类开发的能源。海水中氢的同位素氘（do）（热核材料）可谓取之不尽，用之不竭，认为是人类的最终能源。科学家已采用多种方法（如等离子、激光）点火，实现可控热核聚变，用聚变能发电，预测21世纪内可实现商业化，其中抗辐射、

12、耐高温、耐氢脆材料是关键。,22,除开发新能源外，节能也非常重要，如超导的应用。低温超导以金属（NbTi（钛铌）合金，Nb3Sn（锡铌）等）为主，但必须液氮冷却（4K），成本太高而难以普及。20世纪80年代发现可在液氮温度下出现超导现象的氧化物超导体，称为高温超导，但制成符合工业应用的线材和块体还存在差距，不能普遍应用。利用超导输电，可以减少线路损失；超导储电，可提高效率；超导电机及超导电池功率大、体积小、损耗低，十分诱人。目前正在探索室温超导，一旦有所突破，前途无量。,23,4、有机高分子材料 有机高分子材料以其可再生、资源丰富、性能优异，特别可实现分子设计，将会有更大发展。高分子聚合物不但

13、是重要的结构材料，而且正在发展成为重要的功能材料，从半导体到超导体都有发展前途，作为电导体，其电导率可与铜相比。高分子光学材料和高分子铁磁性材料等，都是21世纪要开发研究的重要领域。但高分子材料的某些缺点（如稳定性、抗老化性及阻燃性等）也是必须下大力气才能解决的。,24,5、生物材料 随着生物技术的发展及人类寿命的延长与生活质量的提高，生物医用材料已成为人们非常关注的领域，人的器官更换、药物缓释及组织工程的发展逐步深入。生物模拟是正在兴起的学科，使材料的功能进一步提高，并能达到自恢复、自修复或智能化。生物材料更长远的目标是使生物技术原理应用于工业化生产，改变高温、高压及耗能高的生产方式，催化剂

14、已迈出了第一步。光合作用使水和CO2合成碳水化合物，人类正在寻,25,寻求利用生物技术，通过像催化剂的效应一样以工厂方式合成粮食，可以解决世界粮食问题，也可以解决CO2过剩问题。当然，这会是一个很长的历史过程。 6、纳米材料 当物质到纳米尺度时，由于其尺寸效应、晶界效应和量子效应等，材料显示出奇特的物理、化学性能，或其生物功能有明显改变，利用这一效应可大幅度提高结构材料的强度，改善其脆性。对功能材料来说，应用方面更广，高效率的,26,催化作用，以及多变的光学性质、电学性质、磁学性质和热学性质等，将使目前的功能材料的性能明显提高。这些改变将影响到工业和国防的各个方面，所以有人认为纳米技术将如信息

15、技术或生物技术一样，将导致下一代工业革命。 应该指出，纳米科学技术仍处于基础研究阶段，特别是纳米电子学、纳米医学所需材料，尚处于探索阶段，但是纳米技术用于结构材料的改性及用作某些功能材料已显示出明显的优越性，有些已进入产业化。,27,专业简介 1.专业初识 高分子材料与工程属于理工科类，是研究有机及生物高分子材料的制备、结构、性能和加工应用的高新技术专业。高分子科学的形成可以追溯到19世纪30年代，但直到20世纪70年代，才得到全面的发展。80年代初，高分子的三大合成材料（塑料、橡胶、纤维）的总产量超过亿吨，高分子工业体系在整个经济中占有举足轻重的地位。目前高分子材料已被广泛应用于生活、生产、

16、科研和国防等各个领域，成为我国科学研究的一个重点领域。,28,2.学业导航 本专业学生主要学习高聚物化学与物理的基本理论和高分子材料的组成、结构与性能知识及高分子成型加工技术知识。 主要课程：有机化学、物理化学、高分子化学、高分子物理、聚合物流变学、聚合物成型工艺、聚合物加工原理、高分子材料研究方法等。,29,3.发展前景 近代科学技术与工业的进步，为高分子材料学科的发展开拓了更广泛的前景。高分子材料已由传统的有机材料向具有光、电、磁、生物和分离效应的功能材料延伸。高分子结构材料正朝着高强度、高韧性、耐高温、耐极端条件的高性能材料发展，为航天航空、近代通讯、电子工程、生物工程、医疗卫生和环境保

17、护等各个方面提供各种新型材料。,30,二 人才塑造 1.考生潜质 向往做一名高分子材料的研究人员，希望了解高分子的加工方法。对聚合物成型感兴趣，了解塑料的合成原理。能指出生活中常见的高分子产品等等。 2.学成之后 本专业培养具备高分子材料与工程等方面的知识，能在高分子材料的合成改性和加工成型等领域从事科学研究、技术开发、工艺和设备设计、生产及经营管理等方面工作的专门人才。,31,3.职场纵横 学生毕业后可以到高分子材料及高分子复合材料成型加工、高分子合成、化学纤维、新型建筑装饰材料、现代喷涂与包装材料、汽车、家用电器、电子电气、航天航空等企业从事设计、新产品开发、生产管理、市场经营及贸易部门工

18、作，也可以到高等学校、科研单位从事科学研究与教学工作，还可以到政府部门从事行政管理、质量监督等工作。就目前而言，就业形势还是不错的，因为此专业涉及塑料，橡胶，纤维，涂料，黏合剂，所以就业面还是比较宽的。不过基于本科生所掌握知识毕竟有限，还是鼓励考研继续深造，那样就业也更容易些。,32,中国大陆高分子科学发展现状及情况分析 1发展现状 中国大陆(以下简称”大陆”)高分子科研队伍约为1-15万人，其中副教授以上的高级研究人员约2000人，内含中国科学院院士13人，中国工程院院士6人。大陆高分子科学的研究领域包括基础研究和应用研究两个方面，即：高分子化学、高分子物理、高分子工程(含聚合物成型加工及聚

19、合反应工程)一基础研究和高分子材料(含功能材料及通用材料)应用研究方面。,33,基础研究和应用研究彼此互为依托、相辅相成。粗略划分，基础研究约占20-30，应用研究约占70-80。高分子科研队伍的学术专业构成大致为：高分子化学队伍占70，高分子物理队伍占20，高分子工程队伍占10。,34,大陆高分子科学的研究课题范围很广，几乎涉及到世界高分子科学的各个研究领域，例如：金属催化剂及烯烃聚合研究，超分子聚集体的组装及结构研究，活性自由基聚合研究，嵌段共聚物合成，超支化及树状高分子的合成，微生物合成，酶催化合成，高分子凝聚态研究，高分子亚稳态研究，聚合物复杂流体研究，以中分子为溶剂的高分子溶液性质研

20、究，聚合物在振动剪切力,35,用下的流体性质研究及振动式塑料成型新机械研究，聚合物在成型加工中的形态控制研究，光、电、磁聚合物及信息材料研究，聚合物电致发光，聚合物场效应管，聚合物医用材料，智能凝胶材料，耐高温树脂，复合材料，建筑用高分子材料，可环境降解高分子材料，高性能纤维，高综合性能橡胶，高耐腐蚀涂料等众多领域。,36,大陆高分子科研的经费来自于多渠道资助。国家科技部、国家自然科学基金委员会负责资助全国范围内的优选课题，科技部主要是资助应用开发研究，基金委主要是资助基础研究和少部分学术含量高的应用基础研究；中国科学院、教育部、各省及一些工业部门也资助一些本部门辖区内的研究课题。国家自然科学

21、基金委员会用于资助高分子科学的研究费用在2000年约为3,000万元人民币(这个数字大约占国家投入在高分子科学研究领域总经费的33)。,37,大陆的高分子研究，除了西藏、青海尚未见到有关高分子方面的研究工作外，其它各省、直辖市均有高分子方面的研究工作。其中高分子研究最集中的城市是：北京-天津地区、长春市、上海-杭州地区、成都市、广州市、武汉市、南京市等。代表性的研究机构如：中国科学院化学所、中国科学院化学长春应用化学所、北京大学、吉林大学、复旦大学、南开大学、南京大学、中山大学、浙江大学、四川大学、武汉大学和华南理工大学等。,38,在高分子研究领域，国家为了支持高分子科学的尽快发展，设立了一些

22、国家重点实验室、国家工程中心及一些部门开放实验室。如国家重点实验室有：“高分子物理与化学联合实验室”(设在中科院化学所和长春应化所)、“吸附和分离功能高分子材料实验室”(设在南开大学)、“工程塑料国家实验室”(设在中科院化学所)、“高分子材料科学与工程实验室”(设在四川大学)、“高分子纤维材料实验室”(设在东华大学，上海)。,39,部门开放实验室有：“聚合物分子工程重点实验室”(属教育部，设在复旦大学)、“高分子生物材料实验室”(属教育部，设在武汉大学)、“复合材料和高性能聚合物实验室”(属教育部，设在中山大学)、“超分子科学与材料实验室”(属教育部，设在吉林大学)、“纤维素开放实验室”(属中

23、国科学院，设在中国科学院广州化学所)、“有机固体实验室”(属中国科学院，设在中国科学院化学所)。国家工程中心有：“橡塑材料国家工程中心”(设在北京燕山石化研究所)、“聚合物成型与新装备国家工程中心”(设在华南理工大学，广州)、“制浆造纸国家工程中心”(设在华南理工大学)。,40,在大陆高分子科学领域，国家设立了一些“重大”或“重点”研究项目。例如：通用聚烯烃材料的高性能化研究，医用高分子材料研究，电子聚合物中的基本化学问题研究，高级有序结构分子聚集体研究，聚合物纳米材料研究，聚合物加工成型中的物理问题研究，聚烯烃主链型液晶高分子及材料研究，聚合物磁性材料研究，微生物合成高分子研究，CO2共聚物

24、及新材料研究，金属催化,41,剂及催化聚合反应研究，高粘物系聚合动力学与聚合反应工程研究，聚酰亚胺材料相关的物理和化学问题研究，有序结构导电聚合物层状复合材料研究，合金化聚丙烯微细纤维研究，聚合物层状硅酸盐纳米复合材料研究，新型膜分离材料及技术研究，高性能橡胶轮胎的基础研究，环境下聚合物亚稳态相结构的演变研究，多相高分子复杂流体的临界动力学研究，聚合物复杂流体的结构、序态及动力学研究等。,42,关于大陆在高分子液晶领域的研究，最初的工作开始于1973年，当时中科院化学所和上海市合成纤维研究所各自开展了主链型高分子溶致液晶-芳香聚酰胺(PPTA)的合成及成纤研究，之后在大陆又出现了主链型热致液品

25、芳香聚酯的研究，侧链型高分子液晶研究，甲壳型聚烯烃为主链的“主链型”高分子液晶，含金属配合物的高分子液晶，离聚体高分子液晶，天然高分子纤维素、甲壳素的液晶行为，溶致液晶的织构行为及形成原理研究等方面的研究工作。其中在国际上有影响的工作是“甲壳型聚烯烃为主链的主链型高分子液品研究”及“液晶织构形成原理研究”方面的工作。,43,2情况分析 大陆的高分子研究在基础研究方面，面广但不够深入。虽然近二十年来研究水平提高得很快，但和国际先进水平相比，仍存在一定的差距；应用研究虽和国际先进水平相比也有一定的差距，但我们也作出了一些具有创新性的工作。例如：振动式电磁塑料成型原理及设备研究，结构型磁性高分子的合

26、成及新磁性材料研究，杜仲树天然橡胶研究等。,44,影响到大陆高分子研究发展水平的主要因素有：(1)仪器设备相对不足，影响了研究工作的深入和水平的提高。现在通过科学院“创新工程”和教育部“211工程”的建设，这方面已有较大的改观。(2)从事高分子领域研究的学者学科交叉不够，导致视野较窄，影响了创新性研究工作的出现及研究工作的深入。(3)基础研究和应用研究相对脱节。,45,从事应用研究的科研人员不仅应集中精力致力于解决具体的应用性问题，还应注意从应用性问题中总结、发现新学术问题，关注相关领域的学科发展：从事基础研究的学者，不仅应全力以赴追踪国际上的学术发展，还应注意将基础研究的成果和高分子材料的应

27、用及相关新技术开发领域相结合，从而有利于基础研究创新思想的形成。,46,高分子学科的发展趋势 1、 通用高分子材料向高性能、多功能、低污染、低成本方向发展。 通用高分子材料主要是指塑料、橡胶、纤维三大类合成高分子材料及涂料、黏合剂等精细高分子材料。高性能、多功能、低成本、低污染（环境友好）是通用合成高分子材料显著的发展趋势。在聚烯烃树脂研究方面，如通过新型聚合催化剂的研究开发、反应器内聚烯烃共聚合金技术的研究等来实现聚烯烃树脂的高性能、低成本化。,47,高性能工程塑料的研究方向主要集中在研究开发高性能与加工性兼备的材料。通过分子设计和材料设计，深入、系统地研究芳杂环聚合物材料制备中的基本化学和

28、物理问题，研究其多层次结构及控制技术，认识结构与性能之间的本质联系，寻求在加工性能和高性能两方面都适合的材料。合成橡胶方面，如通过研究合成方法、化学改性技术、共混改性技术、动态硫化技术与增容技术、互穿网络技术、链端改性技术等来实现橡胶的高性能化。在合成纤维方面，特种高性能纤维、功能性、差别化、感性化纤维的研究开发仍然是重要的方向。,48,同时生物纤维、纳米纤维、新聚合物纤维德研究和开发也是纤维研究的重要领域。在涂料和黏合剂方面，环境友好及特殊条件下使用的高性能涂料和黏合剂是发展的两个主要方向。 2、功能高分子材料发展迅速，应用领域不断扩大，越来越多的功能高分子材料将从科学发明、发现走向实际应用

29、。,49,在有机/高分子光电信息功能材料领域，光、电、磁等功能高分子材料作为新一代信息技术的重要载体，在21世纪整个信息技术的发展中将占有极其重要的地位。非常值得关注并可能取得突破的重要方向是：有机/高分子显示材料特别是电致发光材料、超高密度高分子存储材料、高分子生物传感材料等。此外，还有新型功能高分子材料的设计、模拟与计算、合成与组装以及分子纳米结构的构筑。高分子的组装、自组装以及在分子电子器件上的应用研究等。,50,在生物医用材料领域，总的发展趋势是：从简单的植入发展到再生和重建有生命的组织和器官；从大面积的手术损伤发展到微创伤手术治疗；从暂时性的组织和器官修复发展到永久性的修复和替换；从

30、药物缓释发展到控释、靶向释放。生物医用材料研究的重点是：基于生物学原理，赋予材料和植入体生物结构和生物功能的设计；可靠地试验材料生物安全性和预测材料长期寿命的科学基础；先进的工艺制造方法学。,51,在吸附分离材料领域，分离膜的发展重点是在研究聚合物分离膜制备、成膜机理及其与聚合物结构关系基础上实现膜结构与膜分离性能的预测、调控与优化；通过分离膜与生化技术的集成，实现合成高分子膜材料的强度与可加工性能以及天然生物膜的特殊选择性与生物活性的有机组合。对于吸附分离树脂，不直接利用生物配体，而是通过模拟亲和作用及超分子化学的多重作用（分子识别）来设计合成具有分子识别特征的高选择性吸附树脂材料，具有重要的理论意义和实用价值。新型印迹聚合物材料的设计与制备及选择性分离功能的研究也是重要的发展方向。,52,3、高分子材料科学与资源、环境的协调发展越来越受到重视 基于石油资源的合成高分子材料已得到了大规模的应用，在带给我们方便的同时也带来了环境污染的问题，而且50年后将面临石油资源逐渐枯竭的威胁。因此，基于可再生的动物、植物和