材料物理學(xué)的定義

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*了解材料物理和凝聚態(tài)物理研究的根本輪廓*引導(dǎo)學(xué)生從書本走向?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)生把書本知識(shí)與實(shí)際的研究工作聯(lián)系起來。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)際的問題。3.明確實(shí)際的研究工作大局部都是一些看起來非常小的事情。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。1.1材料物理學(xué)的定義*利用物理學(xué)的一些學(xué)科成果，說明材料中的種種規(guī)律和轉(zhuǎn)變過程。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1.1材料物理學(xué)的定義從物理學(xué)的一些根本概念、根本原理、根本定律出發(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1.1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1.1材料物理學(xué)的定義材料無處不在2024/1/249Haveyoueverwondered?Whatmaterialisusedtoprotecttheshuttlefromhightemperaturesduringre-entry?CarbonbasedCompositesAdvancedCeramicTiles2024/1/2410陶瓷隔熱瓦材料的意義2024/1/2411Haveyoueverwondered?

Whatmagneticstriponyourcreditcardismadefrom?FerriteMagneticMaterials2024/1/2412Whatceramicmaterialiscommonlyaddedtopaints?ColorfulDurableHaveyoueverwondered?TiO2SiO2,etal.2024/1/2413MagneticLevitationTrainElectricityTransmition-NoEnergyLost

YBCO/LBCO等高溫超導(dǎo)陶瓷?Science?：100mYBCOHaveyoueverwondered?Whatceramicisfoundinmagneticlevitationtrain?2024/1/2414MILITARYUSE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2024/1/2415Long-rangemissileSUBMARINE:壓電陶瓷－水聲換能器潛艇的眼睛MILITARYUSEEyesofmissile-Windowsmaterials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2024/1/2416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-IT2024/1/2417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ZirconiaWatchComponentSTRUCTURALCERAMIC2024/1/2418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ELECTRONICCERAMICS2024/1/2419BIOCERAMICSBonecementBonesubstitutetooth2024/1/2420Nano

Powders/CeramicsNANOTech0.4nm2024/1/2421國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2024/1/2422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CARBONBASEDMATERIALS2024/1/24232024/1/2424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)CARBONNANOTUBE/BALLBatteriesLubricantSemiconductor“新材料〞：新出現(xiàn)或已在開展中的，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。材料是社會(huì)進(jìn)步的物質(zhì)根底與先導(dǎo)人類的歷史曾以使用的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。1.1材料物理學(xué)的定義2024/1/2427StoneAge10萬年DCBronzeAge3000年DCSteelAge1000年DCMaterialsandCivilizationEvolvingofHumanBeingCementAge0年2024/1/2428PolymerAdvanceCeramicINFORMATIONAGEMaterialsandCivilizationIronAge1800年NewMaterialsage1990年EvolvingofHumanBeingSiliconAge1950年2024/1/2429ElectronicMaterialsAge植入硅芯片的納米碳管NanoTube硅芯片

SiliconTransistor

晶體管Transistor晶體管芯片TransistorChipMaterialsandCivilization電子器件ElectronicPartsINFORMATIONAGE材料科學(xué)的形成是金屬材料、無機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料各學(xué)科開展過程的殊途同歸。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)科根底，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)立的學(xué)科以及各組成學(xué)科的聚集體。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:1.1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1.1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？1.1材料物理學(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.材料物理的根本研究指導(dǎo)材料的生產(chǎn)應(yīng)用1.2材料物理學(xué)的特點(diǎn)1.息息相關(guān)、相互促進(jìn)、共同開展2.研究課題來源于材料、對(duì)象也是材料，都是生產(chǎn)、科研中提出來的新問題。*主要課題來源于生產(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〕、1.2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)際問題的研究也就隨之提出；為了開展耐高溫的材料，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：材料物理的根本研究成果在生產(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，開展了新的

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：用開發(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。比方鐵電、熱釋電、壓電、電致伸縮等效應(yīng)。材料物理是物理和材料的交叉學(xué)科1.2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)之間的一門邊緣學(xué)科，它的根底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)根底、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1.2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)、能帶結(jié)構(gòu)等的根底知識(shí)。1.2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說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1.3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。比方超導(dǎo)體、半導(dǎo)體、永磁材料。也是物理中開展最快的領(lǐng)域。1.3材料物理學(xué)的研究范圍掃描電鏡－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－ESRX光熒光譜－XPS拉曼光譜－Raman1.4材料物理學(xué)的研究手段掃描探針顯微鏡－SPM*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?；貞洸牧祥_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)的材料〔市場已出現(xiàn)的材料，或通過專利、論文和材料會(huì)議報(bào)道即將問世的材料〕，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)的角度說明材料，即形成材料物理學(xué)科，顯然是順理成章的2024/1/2450材料物理2024/1/2452EXAMPLE：物質(zhì)的組成不同，那么性質(zhì)不同物質(zhì)的結(jié)構(gòu)不同，性質(zhì)也不同——微觀結(jié)構(gòu)——顯微結(jié)構(gòu)非均質(zhì)材料〔陶瓷、復(fù)合材料〕性質(zhì)強(qiáng)烈依賴于顯微結(jié)構(gòu)2024/1/2453例如：碳C(微觀結(jié)構(gòu)對(duì)性質(zhì)的影響)

石墨：層狀，易碎，層間易斷裂，導(dǎo)電無定形碳：非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，高硬度，絕緣金剛石碳：立方晶體，自然界硬度最高，絕緣，高導(dǎo)熱Sp3共價(jià)健Sp2共價(jià)健＋范德華健顯微結(jié)構(gòu)－納米結(jié)構(gòu)〔1~100nm)納米碳管、巴基球等納米碳：特殊效應(yīng)特殊性質(zhì)－催化、光吸收、磁介質(zhì)等新材料領(lǐng)域2024/1/2454顯微結(jié)構(gòu)－結(jié)晶相、非晶相、氣孔等2024/1/2455電子功能陶瓷、結(jié)構(gòu)陶瓷－致密顯微結(jié)構(gòu)生物功能陶瓷－多孔顯微結(jié)構(gòu)材料物理課程理論框架2024/1/2456原子間相互作用－鍵合原子排列－晶體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)缺陷、固溶體非晶態(tài)固體納米結(jié)構(gòu)、顯微結(jié)構(gòu)1晶體結(jié)構(gòu)2結(jié)構(gòu)缺陷3外表與界面原子的遷移材料的千姿百態(tài)－狀態(tài)的匯總圖示材料