材料物理性能1.基础讲解

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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：,以材料为中心，从物性 现象 用途周转循环，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

2、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、相的体系及其结合，它们尺寸 因素各类缺陷的存在及分布等。,

3、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、内民经济水平和国防力量的重要标志。,1.材料科学的重要性

4、,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,半导体芯片,半导体技术,液晶材料,光学材料,金属材料,磁性材料,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,2.材料的多样性,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,你知道那些材料？,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,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

5、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

6、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,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,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，从微观的角度来阐述材料中的种种规律 是很重要的。,材料物理是物理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

7、料性能,物理学模型,物理学概念、原理,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

8、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

9、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

10、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 ESR,X光荧光谱XPS,拉曼光谱Raman,12.无机材料的特性与应用,性能本质： 外界因素（作用物理量）作用于某一物体，如

11、：外力、温度梯度、外加电场磁场、光照等，引起原子、分子或离子及电子的微观运动，在宏观上表现为感应物理量，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,预烧,不预烧,原料分析,回转窑,配料,造粒,氧化物 法,化学共沉淀 法,电解共沉淀 法,盐类分解 法,喷雾煅烧 法,低温化学 法,烘干,预烧,预压,球磨,三、材料的制备过程,铁氧体生产工艺流程,干压成型,热压铸 成型,冲压成型,挤压成型,注浆成型,和蜡,加热 熔化,注浆 成型,脱蜡,粘合剂,轧片,切割,冲压,粘合剂,练泥,挤压,切割,磨加工,制粉,加解胶剂 成悬浮液,注入 石膏模 成型,脱模,喷

12、 雾 造 粒,烘干,过筛,粘合剂,造粒,压型,干燥,检验包装,生坯加工,烧结,热压烧结,机械加工,四、材料设计的工作思路,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

13、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、新工艺打下理论基础。,六、相关课程,数学、物理、无机化学、材料力学、断裂力学、物理化学、量子力学、固体物理、电路、半导体物理、介电质物理、光学原理、材料化学、材料工艺等课程。,第一章 材料的力学性能 第二章 材料的电学性能 第三章 材料的光学性能 第四章 材料的热学性能 第五章 材料的磁学性能 第六章 材料的声学性能 所用教材：武汉理工大学 陈文 主编,七、本课程的理论与知识体系,要在科研工作中有所作为，真正做出点有价值的研究成果，要做到三个“善于”： 善于发现和提出问题。尤其是要提出在科学研究上有意义的问题。 善于提出模型或方法去解决问题。 善于做出最重要、最有意义的结论。 黄昆,无机材料物理性能，关振铎等著，清华大学 出版社，2004.11 材料物理性能，陈树川等著，上海交通大学 出版社 陶瓷材料物理性能，华南工学院、南京化工 学院、清华大学合著 Introduction to Ceramics, W.D.Kingery,说 明：,本课程对很多公式（方程）和结论的推导过程 不着重讲解，着重点放在讲述各种参数的来源、 物理意义和作用。,参考文献：,Thank you!,