材料物理緒論市公開課獲獎(jiǎng)?wù)n件

1、材 料 物 理主講教師：唐一文納米科技樓 410室助教：曾世碧納米科技樓 301室 第1頁第1頁* 理解材料物理和凝聚態(tài)物理研究 基本輪廓 * 引導(dǎo)學(xué)生從書本走向?qū)嶋H研究目第2頁第2頁1 除了一些詳細(xì)知識(shí)以外，一個(gè)主要目的 是要學(xué)生把書本知識(shí)與實(shí)際研究工作聯(lián) 系起來。2.課后閱讀非常主要，能夠幫助大家理解如 何利用學(xué)得東西去處理實(shí)際問題。3.明確實(shí)際研究工作大部分都是一些看起 來非常小事情。課程主要設(shè)想和思緒第3頁第3頁第一講 緒 論1.1 材料物理學(xué)定義1.3 材料物理學(xué)研究范圍1.2 材料物理學(xué)特點(diǎn)1.4 材料物理學(xué)研究手段材料物理第4頁

2、第4頁* 涉及物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)、組織形式、運(yùn)動(dòng) 狀態(tài)、物理性能、化學(xué)成份及其互相關(guān) 系研究* 物理學(xué)和材料學(xué)之間交叉學(xué)科。1.1材料物理學(xué)定義*利用物理學(xué)一些學(xué)科結(jié)果，闡明材料中 種種規(guī)律和轉(zhuǎn)變過程。 第5頁第5頁材料性能物理學(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1.1材料物理學(xué)定義從物理學(xué)一些基本概念、基本原理、基本定律出發(fā)，并建立相應(yīng)物理模型，力圖闡述材料本身結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和它們?cè)诟鞣N外界條件下發(fā)生改變及其改變規(guī)律，得出結(jié)論，進(jìn)而指導(dǎo)材料生產(chǎn)和科學(xué)研究。 第6頁第6頁能源材料金屬材料無機(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

3、天材料結(jié)構(gòu)材料功效材料信息材料1.1材料物理學(xué)定義材料種類繁多第7頁第7頁傳感器件半導(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)碼拍照拍照功效顯示功效金屬外殼信號(hào)接受對(duì)話功效電子線路照片存儲(chǔ)功效材料介電材料1.1材料物理學(xué)定義材料無處不在第8頁第8頁/10/109Have you ever wondered?What material is used to protect the shuttle from high temperatures during re-entry?Carbon based CompositesAdvanced Ceramic Tiles第9頁第9頁/1

4、0/1010陶瓷隔熱瓦材料意義第10頁第10頁/10/1011Have you ever wondered?What magnetic strip on your credit card is made from?Ferrite Magnetic Materials第11頁第11頁/10/1012What ceramic material is commonly added to paints?ColorfulDurableHave you ever wondered?TiO2SiO2, et al.第12頁第12頁/10/1013Magnetic Levitation TrainElectr

5、icity Transmition -No Energy Lost YBCO/LBCO等高溫超導(dǎo)陶瓷Science：100m YBCO Have you ever wondered?What ceramic is found in magnetic levitation train?第13頁第13頁/10/1014MILITARY 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)合裝甲鼻祖陶瓷裝甲第14頁第14頁/10/1015Long-range missileSUBMARINE: 壓電陶瓷水聲換能器潛艇眼睛MILITARY USEEye

6、s of missile-Windows materials整流罩材料-透明陶瓷、紅外陶瓷耐高溫、透紅外依據(jù)目的紅外源自動(dòng)跟蹤第15頁第15頁/10/1016半導(dǎo)體陶瓷電容器陶瓷空間轉(zhuǎn)換器 無引線芯片座陶瓷倒裝片陶瓷管腳陣列射頻晶體管氧化鋁陶瓷用于集成電路 陶瓷薄膜CERAMIC- IT第16頁第16頁/10/1017陶瓷牙樁永不磨損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 CERAMIC第17頁第17頁/10/1018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

7、阻壓力傳感器晶體管ELECTRONIC CERAMICS第18頁第18頁/10/1019BIOCERAMICSBone cementBone substitutetooth第19頁第19頁/10/1020Nano Powders/CeramicsNANO Tech0.4nm第20頁第20頁/10/1021國家大劇院 頂部采用納米材料制造納米材料廣泛應(yīng)用C納米原子像納米探針第21頁第21頁/10/1022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CARBON BASED MATERIALS第22頁第22頁/10/1023，國家科技大會(huì)上,僅有兩項(xiàng)國家科技創(chuàng)造一等

8、獎(jiǎng)（連續(xù)空缺6年）,都分別頒發(fā)給了兩項(xiàng)無機(jī)復(fù)合材料及其應(yīng)用技術(shù)。耐高溫長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)材料制備技術(shù)中南大學(xué) 黃伯云院士第23頁第23頁/10/1024碳納米球 巴基球 碳納米管 儲(chǔ)氫材料納米存儲(chǔ)器和DNA開關(guān)納米碳管 電子槍 制作超薄電視碳納米管 納米馬達(dá) CARBON NANO TUBE/BALLBatteriesLubricantSemiconductor 第24頁第24頁“新材料”與“高技術(shù)” “新材料”：新出現(xiàn)或已在發(fā)展中，在成份、組 織、結(jié)構(gòu)、形態(tài)等方面不同于普通材 料，含有傳統(tǒng)材料所不具備優(yōu)秀性能 和特殊功效材料。

9、“高技術(shù)”：采用新材料、新工藝，產(chǎn)生更高效益， 能增進(jìn)人類社會(huì)更快進(jìn)步技術(shù)。 高技術(shù)引入大量新材料，兩者相輔相成：eg：半導(dǎo)體材料及大規(guī)模集成電路技術(shù)不斷突破，使電子計(jì)算機(jī)體積越來越小，能力卻成千上萬倍地提升。 第25頁第25頁1.1.1材料是社會(huì)進(jìn)步物質(zhì)基礎(chǔ)與先導(dǎo)人類歷史曾以使用主要材料來加以劃分如石器時(shí)代、青銅器時(shí)代、鐵器(鋼鐵)時(shí)代等等。當(dāng)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)前國際公認(rèn)新技術(shù)革命三大支柱。1.1材料物理學(xué)定義第26頁第26頁/10/1027Stone Age10萬年DCBronze Age30DCSteel Age10DCMaterials and Civili

10、zationEvolving of Human BeingCement Age0年第27頁第27頁/10/1028PolymerAdvance CeramicINFORMATION AGEMaterials and CivilizationIron Age18New Materials age 1990年Evolving of Human BeingSilicon Age1950年第28頁第28頁/10/1029Electronic Materials Age植入硅芯片納米碳管Nano Tube硅芯片 Silicon Transistor 晶體管Transistor晶體管芯片Transisto

11、r ChipMaterials and Civilization電子器件Electronic PartsINFORMATION AGE第29頁第29頁材料科學(xué)形成是金屬材料、無機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料各學(xué)科發(fā)展過程殊途同歸。即構(gòu)成工程材料結(jié)構(gòu)材料和功效材料有著共同窗科基礎(chǔ)，這個(gè)學(xué)科就是材料科學(xué)。顯然，材料科學(xué)已成為一門獨(dú)立學(xué)科以及各構(gòu)成學(xué)科匯集體。材料種類類型、材料加工工藝以及各種材料之間互相有機(jī)聯(lián)系而形成材料科學(xué)，就廣義而言，三者構(gòu)成了材料學(xué)。第30頁第30頁1.1.2材料分類單晶、多晶、非晶、準(zhǔn)晶和液晶 無機(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)材料和功效材料 按

12、狀態(tài)分：化學(xué)角度：應(yīng)用：用途:1.1材料物理學(xué)定義航空航天材料等第31頁第31頁材料有共通性：制備、使用過程中現(xiàn)象、概念、轉(zhuǎn)變相同單晶多晶非晶準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)、缺點(diǎn)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)角度，從微觀角度1.1材料物理學(xué)定義闡述材料中種種規(guī)律很主要第32頁第32頁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？1.1材料物理學(xué)定義材料工程更注重實(shí)際，主要論及材料加工工藝。當(dāng)前，它已變成一門極復(fù)雜技藝 第33頁第33頁材料物理和材料科學(xué)關(guān)系3.材料物理基本研究指導(dǎo)材料生產(chǎn)應(yīng)用1.2材料物理學(xué)特點(diǎn)1.息息相關(guān)、互相增

13、進(jìn)、共同發(fā)展2. 研究課題起源于材料、對(duì)象也是材料， 都是生產(chǎn)、科研中提出來新問題。第34頁第34頁* 主要課題起源于生產(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)1.2材料物理學(xué)特點(diǎn)納米點(diǎn)（0維），尺寸效應(yīng)。第35頁第35頁由于工藝上突破并實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)“金屬玻璃”， 因而金屬玻璃力學(xué)性質(zhì)、磁性、超導(dǎo)電性等實(shí)際 問題研究也就隨之提出； 由于電子技術(shù)、激光、紅外技術(shù)需要，研究 電介質(zhì)材料就由研究絕緣體四大參數(shù)逐步擴(kuò) 展到研究物質(zhì)電極化過程； 為了發(fā)展耐高溫材料，推動(dòng)了對(duì)于金屬或陶 瓷高溫強(qiáng)度、高溫蠕變、氧化及擴(kuò)散研究 等等

14、。 eg. 2：第36頁第36頁材料物理基本研究結(jié)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)研究明顯改進(jìn)了硅鋼片質(zhì)量 利用非晶硒光導(dǎo)特性研究結(jié)果，發(fā)展了新 集成鐵電學(xué)研究，增進(jìn)了鐵電存儲(chǔ)器實(shí)際應(yīng)eg： 靜電復(fù)印技術(shù)； 用開發(fā)第37頁第37頁*材料科學(xué)研究造成新物理學(xué)現(xiàn)象研究材料性質(zhì)在各種外界條件（力、熱、光、氣、電、磁、輻照、極端條件等）下發(fā)生改變。發(fā)覺了新物理現(xiàn)象和效應(yīng)、規(guī)律、形成了新概念。比如鐵電、熱釋電、壓電、電致伸縮等效應(yīng)。第38頁第38頁材料物理是物理和材料交叉學(xué)科1.2材料物理學(xué)特點(diǎn)材料物理是介于物理學(xué)與材料學(xué)之間一門邊緣學(xué)科，它基礎(chǔ)牽涉到許多不同學(xué)科，諸如晶體學(xué)、材料力學(xué)、物理

15、化學(xué)、材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料物理性能，以及物理學(xué)中一些分支（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)科結(jié)果，形成了以諸種材料為研究對(duì)象一門獨(dú)立綜合性物理學(xué)科 第39頁第39頁* 晶體學(xué)揭示材料微觀組織結(jié)構(gòu)* 材料科學(xué)有助于研究材料內(nèi)在聯(lián)系1.2材料物理學(xué)特點(diǎn)*量子力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理及彈性力學(xué)辦法幫助我 們理解材料中電子、原子以及各種晶體缺 陷運(yùn)動(dòng)規(guī)律和它們之間交互作用； 第40頁第40頁* 固體物理學(xué)提供了原子鍵合、原子振動(dòng)、 電子結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)知識(shí)。1.2材料物理學(xué)特點(diǎn)*熱力學(xué)、物理化學(xué)、材料力學(xué)、材料物理 性能能夠用來闡明材料一些宏觀規(guī)律和材 料特性。 第41頁第

16、41頁好試驗(yàn)結(jié)果要有好理論來解釋。一個(gè)試驗(yàn)現(xiàn)象應(yīng)當(dāng)有一個(gè)相應(yīng)理論解釋才是完美。為何？是什么？材料學(xué)物理學(xué)第42頁第42頁金屬物理學(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。材料物理范圍1.3材料物理學(xué)研究范圍每一材料學(xué)分支都相應(yīng)有相應(yīng)材料物理學(xué)分支第43頁第43頁材料物理是物理研究中主要領(lǐng)域。比如超導(dǎo)體、半導(dǎo)體、永磁材料。也是物理中發(fā)展最快領(lǐng)域。1.3材料物理學(xué)研究范圍第44頁第44頁1.4 材料物理和物理學(xué)試驗(yàn)測試技術(shù)X射線技術(shù)XRD掃描電鏡SEM透射電鏡TEM高分辨透射電鏡HREM場離子顯微鏡FIM紅外光譜FTIR核磁共振NMR電子順磁共振譜

17、 ESRX光熒光譜XPS拉曼光譜Raman1.4材料物理學(xué)研究手段掃描探針顯微鏡SPM第45頁第45頁* 材料物理作為物理學(xué)一個(gè)分支，其發(fā)展與物 理學(xué)試驗(yàn)技術(shù)和基本理論進(jìn)展密切相關(guān)。物理學(xué)新技術(shù)和新理論，將會(huì)極大地增進(jìn)材料物理領(lǐng)域發(fā)展。 * 在試驗(yàn)技術(shù)上，XRD、SEM、TEM、HREM、FIM、XPS、IR、Raman光譜、ESR、NMR等當(dāng)代測試辦法應(yīng)用，為材料研究開辟了新天地。* 在理論方面，量子力學(xué)在材料物理理論中所起增進(jìn)作用是人所共知。第46頁第46頁回顧材料發(fā)展和材料研究歷史，尤其是20世紀(jì)乃至最近二三十年出現(xiàn)材料（市場已出現(xiàn)材料，或通過專利、論文和材料會(huì)議報(bào)道即將問世材料），以及

18、材料科學(xué)研究結(jié)果，能夠歸納、總結(jié)出材料學(xué)與物理學(xué)是有密切聯(lián)系。從物理學(xué)角度闡明材料，即形成材料物理學(xué)科，顯然是順理成章 第47頁第47頁材料物理作為一門學(xué)科基本任務(wù)就是關(guān)注新材料、高技術(shù)發(fā)展，力圖從中總結(jié)、歸納新物理現(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，其研究結(jié)果往往會(huì)揭示出一些新物理概念和規(guī)律。第48頁第48頁* 在應(yīng)用、開發(fā)上蘊(yùn)藏著巨大潛力:如研制出新材料、新元件或器件；或有也許開辟出新技術(shù)領(lǐng)域。從這個(gè)意義上看，材料物理將為研制高技術(shù)材料打下牢固物理基礎(chǔ)。 第49頁第49頁/10/1050材料物理第50頁第50