材料物理定義和研究方法

1、材料物理定義和研究方法* 了解材料物理和凝聚態(tài)物理研究 的基本輪廓 * 引導(dǎo)學(xué)生從書(shū)本走向?qū)嶋H的研究目的1 除了一些具體知識(shí)以外，一個(gè)重要的目的 是要學(xué)生把書(shū)本知識(shí)與實(shí)際的研究工作聯(lián) 系起來(lái)。2.課后閱讀非常重要，可以幫助大家了解如 何運(yùn)用學(xué)得的東西去處理實(shí)際的問(wèn)題。3.明確實(shí)際的研究工作大部分都是一些看起 來(lái)非常小的事情。課程主要設(shè)想和思路第一講 緒 論1.1 材料物理學(xué)的定義1.3 材料物理學(xué)的研究范圍1.2 材料物理學(xué)的特點(diǎn)1.4 材料物理學(xué)的研究手段材料物理* 涉及物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)、組織形式、運(yùn)動(dòng) 狀態(tài)、物理性能、化學(xué)成分及其相互關(guān) 系的研究* 物理學(xué)和材料學(xué)之間的交叉學(xué)科材料物理學(xué)的定

2、義*利用物理學(xué)的一些學(xué)科成果，闡明材料中 的種種規(guī)律和轉(zhuǎn)變過(guò)程 材料性能物理學(xué)模型物理學(xué)概念、原理等物理科學(xué)材料科學(xué)材料物理材料物理學(xué)的定義從物理學(xué)的一些基本概念、基本原理、基本定律出發(fā)，并建立相應(yīng)的物理模型，力圖闡述材料本身的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和它們?cè)诟鞣N外界條件下發(fā)生的變化及其變化規(guī)律，得出結(jié)論，進(jìn)而指導(dǎo)材料的生產(chǎn)和科學(xué)研究。 能源材料金屬材料無(wú)機(jī)非金屬材料光電材料有機(jī)高分子材料智能材料生物材料生態(tài)環(huán)境材料復(fù)合材料單晶多晶非晶準(zhǔn)晶液晶建筑材料航空航天材料結(jié)構(gòu)材料功能材料信息材料材料物理學(xué)的定義材料種類繁多傳感器件半導(dǎo)體芯片半導(dǎo)體技術(shù)液晶材料光學(xué)材料金屬材料磁性材料移動(dòng)通訊數(shù)碼拍照拍照功能顯示功能金

3、屬外殼信號(hào)接受對(duì)話功能電子線路照片存儲(chǔ)功能材料介電材料材料物理學(xué)的定義材料無(wú)處不在2022/7/189Have you ever wondered?What material is used to protect the shuttle from high temperatures during re-entry?Carbon based CompositesAdvanced Ceramic Tiles2022/7/1810陶瓷隔熱瓦材料的意義2022/7/1811Have you ever wondered?What magnetic strip on your credit card is

4、 made from?Ferrite Magnetic Materials2022/7/1812What ceramic material is commonly added to paints?ColorfulDurableHave you ever wondered?TiO2SiO2, et al.2022/7/1813Magnetic Levitation TrainElectricity Transmition -No Energy Lost YBCO/LBCO等高溫超導(dǎo)陶瓷Science：100m YBCO Have you ever wondered?What ceramic is

5、 found in magnetic levitation train?2022/7/1814MILITARY USE碳纖維、石墨纖維等復(fù)合材料鐵氧體吸波材料吸波油漆納米、超微粒子填充吸波雷達(dá)反射截面喬巴姆裝甲 復(fù)合裝甲的鼻祖陶瓷裝甲2022/7/1815Long-range missileSUBMARINE: 壓電陶瓷水聲換能器潛艇的眼睛MILITARY USEEyes of missile-Windows materials整流罩材料-透明陶瓷、紅外陶瓷耐高溫、透紅外根據(jù)目標(biāo)紅外源自動(dòng)跟蹤2022/7/1816半導(dǎo)體陶瓷電容器陶瓷空間轉(zhuǎn)換器 無(wú)引線芯片座陶瓷倒裝片陶瓷管腳陣列射頻晶體管氧化

6、鋁陶瓷用于集成電路 陶瓷薄膜CERAMIC- IT2022/7/1817陶瓷牙樁永不磨損的陶瓷刀具陶瓷汽輪機(jī)光纖連接器用氧化鋯陶瓷套筒電動(dòng)推剪用陶瓷刀片琥珀納米陶瓷隔熱膜Zirconia Watch ComponentSTRUCTURAL CERAMIC2022/7/1818消磁用PTC壓敏電阻陶瓷電容器壓電陶瓷超聲傳感器陶瓷壓力傳感器陶瓷壓阻壓力傳感器晶體管ELECTRONIC CERAMICS2022/7/1819BIOCERAMICSBone cementBone substitutetooth2022/7/1820Nano Powders/CeramicsNANO Tech2022/7

7、/1821國(guó)家大劇院 頂部采用納米材料制造納米材料的廣泛應(yīng)用C納米原子像納米探針2022/7/1822全熱解碳雙葉瓣人工心臟瓣中間相炭微球炭纖維大型民航客機(jī)機(jī)輪剎車系統(tǒng)碳碳剎車盤(pán)CARBON BASED MATERIALS2022/7/18232005年度，國(guó)家科技大會(huì)上,僅有的兩項(xiàng)國(guó)家科技發(fā)明一等獎(jiǎng)（連續(xù)空缺6年）,都分別頒發(fā)給了兩項(xiàng)無(wú)機(jī)復(fù)合材料及其應(yīng)用技術(shù)。耐高溫長(zhǎng)壽命抗氧化陶瓷基復(fù)合材料及其應(yīng)用技術(shù)西北工業(yè)大學(xué) 張立同院士高性能炭/炭航空制動(dòng)材料的制備技術(shù)中南大學(xué) 黃伯云院士2022/7/1824碳納米球 巴基球 碳納米管 儲(chǔ)氫材料納米存儲(chǔ)器和DNA開(kāi)關(guān)納米碳管 電子槍 制作超薄電視碳納

8、米管 納米馬達(dá) CARBON NANO TUBE/BALLBatteriesLubricantSemiconductor “新材料”與“高技術(shù)” “新材料”：新出現(xiàn)或已在發(fā)展中的，在成分、組 織、結(jié)構(gòu)、形態(tài)等方面不同于普通材 料，具有傳統(tǒng)材料所不具備的優(yōu)異性能 和特殊功能的材料。 “高技術(shù)”：采用新材料、新工藝，產(chǎn)生更高效益， 能促進(jìn)人類社會(huì)更快進(jìn)步的技術(shù)。 高技術(shù)引入大量新材料，二者相輔相成：eg：半導(dǎo)體材料及大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷突破，使電子計(jì)算機(jī)的體積越來(lái)越小，能力卻成千上萬(wàn)倍地提高。 材料是社會(huì)進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)與先導(dǎo)人類的歷史曾以使用的主要材料來(lái)加以劃分如石器時(shí)代、青銅器時(shí)代、鐵器(鋼

9、鐵)時(shí)代等等。目前人類正進(jìn)人信息社會(huì)，材料、能源和信息技術(shù)是當(dāng)前國(guó)際公認(rèn)的新技術(shù)革命的三大支柱。材料物理學(xué)的定義2022/7/1827Stone Age10萬(wàn)年DCBronze Age3000年DCSteel Age1000年DCMaterials and CivilizationEvolving of Human BeingCement Age0年2022/7/1828PolymerAdvance CeramicINFORMATION AGEMaterials and CivilizationIron Age1800年New Materials age 1990年Evolving of Hu

10、man BeingSilicon Age1950年2022/7/1829Electronic Materials Age植入硅芯片的納米碳管Nano Tube硅芯片 Silicon Transistor 晶體管Transistor晶體管芯片Transistor ChipMaterials and Civilization電子器件Electronic PartsINFORMATION AGE材料科學(xué)的形成是金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料各學(xué)科發(fā)展過(guò)程的殊途同歸。即構(gòu)成工程材料的結(jié)構(gòu)材料和功能材料有著共同的學(xué)科基礎(chǔ)，這個(gè)學(xué)科就是材料科學(xué)。顯然，材料科學(xué)已成為一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科以及各組成學(xué)科的

11、聚集體。材料種類類型、材料加工工藝以及各種材料之間相互有機(jī)聯(lián)系而形成的材料科學(xué)，就廣義而言，三者構(gòu)成了材料學(xué)。材料的分類單晶、多晶、非晶、準(zhǔn)晶和液晶 無(wú)機(jī)材料與有機(jī)材料 信息材料、能源材料、生物材料、建筑材料、結(jié)構(gòu)材料和功能材料 按狀態(tài)分：化學(xué)的角度：應(yīng)用：用途:材料物理學(xué)的定義航空航天材料等材料有共通性：制備、使用過(guò)程中現(xiàn)象、概念、轉(zhuǎn)變相似單晶多晶非晶準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)、缺陷行為平衡熱力學(xué)擴(kuò)散、界面結(jié)構(gòu)與行為材料相變機(jī)理電子遷移及電性能從物理學(xué)的角度，從微觀的角度材料物理學(xué)的定義闡述材料中的種種規(guī)律很重要高性能陶瓷高純金屬生物工程薄膜納米材料半導(dǎo)體超導(dǎo)體聚合物材料工程1.1.3 什么是材料工程？材料物

12、理學(xué)的定義材料工程更注重實(shí)際，主要論及材料的加工工藝。目前，它已變成一門(mén)極復(fù)雜的技藝 材料物理和材料科學(xué)的關(guān)系3.材料物理的基本研究指導(dǎo)材料的生產(chǎn)應(yīng)用材料物理學(xué)的特點(diǎn)1.息息相關(guān)、相互促進(jìn)、共同發(fā)展2. 研究課題來(lái)源于材料、對(duì)象也是材料， 都是生產(chǎn)、科研中提出來(lái)的新問(wèn)題。* 主要課題來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)踐eg. 1： 金屬材料：強(qiáng)度、范性 低維材料，薄膜材料（2維）、納米線（1維）、 陶瓷：燒結(jié)體，燒結(jié)技術(shù)，微結(jié)構(gòu)材料物理學(xué)的特點(diǎn)納米點(diǎn)（0維），尺寸效應(yīng)。由于工藝上的突破并實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)的“金屬玻璃”， 因而金屬玻璃的力學(xué)性質(zhì)、磁性、超導(dǎo)電性等實(shí)際 問(wèn)題的研究也就隨之提出； 由于電子技術(shù)、激光、紅外技術(shù)

13、的需要，研究 電介質(zhì)材料就由研究絕緣體的四大參數(shù)逐步擴(kuò) 展到研究物質(zhì)的電極化過(guò)程； 為了發(fā)展耐高溫的材料，推動(dòng)了對(duì)于金屬或陶 瓷的高溫強(qiáng)度、高溫蠕變、氧化及擴(kuò)散的研究 等等。 eg. 2：材料物理的基本研究成果在生產(chǎn)實(shí) 踐 中發(fā)揮了很大作用 再結(jié)晶結(jié)構(gòu)的研究顯著改進(jìn)了硅鋼片的質(zhì)量 利用非晶硒的光導(dǎo)特性的研究成果，發(fā)展了新的 集成鐵電學(xué)的研究，促進(jìn)了鐵電存儲(chǔ)器的實(shí)際應(yīng)eg： 靜電復(fù)印技術(shù)； 用開(kāi)發(fā)*材料科學(xué)的研究導(dǎo)致新的物理學(xué)現(xiàn)象研究材料的性質(zhì)在各種外界條件（力、熱、光、氣、電、磁、輻照、極端條件等）下發(fā)生的變化。發(fā)現(xiàn)了新的物理現(xiàn)象和效應(yīng)、規(guī)律、形成了新的概念。比如鐵電、熱釋電、壓電、電致伸縮等

14、效應(yīng)。材料物理是物理和材料的交叉學(xué)科材料物理學(xué)的特點(diǎn)材料物理是介于物理學(xué)與材料學(xué)之間的一門(mén)邊緣學(xué)科，它的基礎(chǔ)牽涉到許多不同的學(xué)科，諸如晶體學(xué)、材料力學(xué)、物理化學(xué)、材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料物理性能，以及物理學(xué)中的一些分支（熱力學(xué)、彈塑性理論、統(tǒng)計(jì)物理、量子力學(xué)、固體物理學(xué)）等。 利用眾多學(xué)科成果，形成了以諸種材料為研究對(duì)象的一門(mén)獨(dú)立的綜合性的物理學(xué)科 * 晶體學(xué)揭示材料的微觀組織結(jié)構(gòu)* 材料科學(xué)有助于研究材料的內(nèi)在聯(lián)系材料物理學(xué)的特點(diǎn)*量子力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理及彈性力學(xué)方法幫助我 們理解材料中的電子、原子以及各種晶體缺 陷的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和它們之間的交互作用 * 固體物理學(xué)提供了原子鍵合、原子振動(dòng)、 電子結(jié)構(gòu)、能

15、帶結(jié)構(gòu)等的基礎(chǔ)知識(shí)。材料物理學(xué)的特點(diǎn)*熱力學(xué)、物理化學(xué)、材料力學(xué)、材料物理 性能可以用來(lái)闡明材料一些宏觀的規(guī)律和材 料特性。 好的試驗(yàn)結(jié)果要有好的理論來(lái)解釋。一個(gè)試驗(yàn)現(xiàn)象應(yīng)該有一個(gè)相應(yīng)的理論解釋才是完美的。為什么？是什么？材料學(xué)物理學(xué)金屬物理學(xué)，半導(dǎo)體物理學(xué)、電介質(zhì)物理學(xué)、鐵電物理學(xué)、磁學(xué)、非晶態(tài)物理學(xué)、高分子物理學(xué)、薄膜物理學(xué)等。材料物理的范圍材料物理學(xué)的研究范圍每一材料學(xué)的分支都相應(yīng)的有相應(yīng)的材料物理學(xué)分支材料物理是物理研究中的重要領(lǐng)域。比如超導(dǎo)體、半導(dǎo)體、永磁材料。也是物理中發(fā)展最快的領(lǐng)域。材料物理學(xué)的研究范圍1.4 材料物理和物理學(xué)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)X射線技術(shù)XRD掃描電鏡SEM透射電鏡T

16、EM高分辨透射電鏡HREM場(chǎng)離子顯微鏡FIM紅外光譜FTIR核磁共振NMR電子順磁共振譜 ESRX光熒光譜XPS拉曼光譜Raman材料物理學(xué)的研究手段掃描探針顯微鏡SPM* 材料物理作為物理學(xué)的一個(gè)分支，其發(fā)展與物 理學(xué)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和基本理論的進(jìn)展密切相關(guān)。物理學(xué)的新技術(shù)和新理論，將會(huì)極大地促進(jìn)材料物理領(lǐng)域的發(fā)展。 * 在實(shí)驗(yàn)技術(shù)上，XRD、SEM、TEM、HREM、FIM、XPS、IR、Raman光譜、ESR、NMR等現(xiàn)代測(cè)試方法的應(yīng)用，為材料研究開(kāi)辟了新天地。* 在理論方面，量子力學(xué)在材料物理理論中所起的促進(jìn)作用是人所共知的?；仡櫜牧习l(fā)展和材料研究的歷史，尤其是20世紀(jì)乃至最近二三十年出現(xiàn)的

17、材料（市場(chǎng)已出現(xiàn)的材料，或通過(guò)專利、論文和材料會(huì)議報(bào)道即將問(wèn)世的材料），以及材料科學(xué)研究成果，可以歸納、總結(jié)出材料學(xué)與物理學(xué)是有密切聯(lián)系的。從物理學(xué)的角度說(shuō)明材料，即形成材料物理學(xué)科，顯然是順理成章的 材料物理作為一門(mén)學(xué)科的基本任務(wù)就是關(guān)注新材料、高技術(shù)的發(fā)展，力圖從中總結(jié)、歸納新的物理現(xiàn)象、效應(yīng)、模型或圖像。同時(shí)，材料物理本身也在不斷發(fā)展中，如金屬物理、半導(dǎo)體物理、電介質(zhì)物理、非晶態(tài)物理、高分子物理、薄膜物理等等，其研究成果往往會(huì)揭示出一些新的物理概念和規(guī)律。* 在應(yīng)用、開(kāi)發(fā)上蘊(yùn)藏著巨大的潛力:如研制出新材料、新的元件或器件；或有可能開(kāi)辟出新的技術(shù)領(lǐng)域。從這個(gè)意義上看，材料物理將為研制高技術(shù)材料打下牢固的物理基礎(chǔ)。 2022/7/1850材料物理2022/7/1852EXAMPLE：物質(zhì)的組成不同，則性質(zhì)不同 物質(zhì)的結(jié)構(gòu)