材料物理性能1.基础解析

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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： 具体化现象 经济性作用 改善 原料 工艺 条件 物性 用途 以材料为中心，从物 性 现象 用途周转 循环，巧妙地

2、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、

3、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。 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

4、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 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 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 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

5、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

6、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 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

7、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于材料、对

8、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

9、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

10、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

11、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 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 1

12、2.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

13、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 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： 外界因素（作用物理量）作用于某一物体，如：外力

14、、温度外界因素（作用物理量）作用于某一物体，如：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，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 作用 物理 量 感应 物理量 公式材料内部的 变化 材料 性 能 性能的 种类 应力 形变=S 原子发生相 对位移 柔性系数 力学性能 表面电 荷密度 D D=C 原子发生相 对位移引起 偶极矩的变 化 压电常数 压电性能 温差 t 形变 = t原子发

15、生位 移 热膨胀系 数 热学性能 热量 Q Q=Ct原子振动加 强 热容热学性能 温差电 动势 V= t载流子的定 向运动 温差电动 势系数 导电性能 温度 梯度 dt/dx 热流密 度q q= kdt/dx 原子热振动的 相互作用 热导率热学 性能 电 场 E 电流 密度 J J=E 荷电离子远距 离的移动 电导率导电 性能 极化强 度P P= 0E 宏观电场 荷电离子短距 离的移动 介质电 极化率 介电 性能 离子的 偶极矩 =E 局部电场 原子核与周围 电子发生短距 离的移动 离子的 极化率 介电 性能 材料的 形变 =d E 偶极矩的变化 压电常 数 压电 性能 预烧不预烧 原料分析

16、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 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 改变结构 制备 观测 测试 实际使用 微观组织结构设计 制备方法设计 系统设计 结构设计 原料 材料试样 组织结构 特性 可否 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