材料物理性能 1.基礎(chǔ)

材料物理性能張娜目錄

材料科學(xué)介紹

能帶理論基礎(chǔ)知識(shí)現(xiàn)代材料發(fā)展的特點(diǎn)：1.明顯地超出了傳統(tǒng)組成和工藝范圍；2.創(chuàng)造出具有各種性能的新材料；3.在現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)上獲得廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)代材料科學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容：在嚴(yán)格控制材料組成和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，深入了解和研究各項(xiàng)物理化學(xué)性能。也是發(fā)展材料的主要途徑。工程學(xué)看材料：首先注意材料的物性，然后考慮它與外界條件相互作用出現(xiàn)的各種現(xiàn)象，最后聯(lián)系到用途，作為制品出售。材料科學(xué)介紹材料與物性、現(xiàn)象、用途間的關(guān)系：具體化現(xiàn)象經(jīng)濟(jì)性材料作用改善原料工藝條件物性用途以材料為中心，從物性現(xiàn)象用途周轉(zhuǎn)循環(huán)，巧妙地應(yīng)用此表征方法能容易做到逐步地改進(jìn)材料，不斷創(chuàng)造出性能更好、更穩(wěn)定的工業(yè)產(chǎn)品。材料科學(xué)介紹

需了解以下內(nèi)容：一、材料的特性與應(yīng)用二、材料的性能本質(zhì)三、材料的制備過(guò)程四、材料設(shè)計(jì)的工作思路五、材料物理性能課程研究的內(nèi)容六、相關(guān)課程七、本課程的理論與知識(shí)體系材料科學(xué)介紹一、材料的特性與應(yīng)用

不同的化學(xué)組成和材料結(jié)構(gòu)決定其具有不同的特殊性質(zhì)和功能。例如：如高強(qiáng)，高硬，耐溫，耐腐，絕緣和各種電，磁，光及生物相容性等，材料的這些性能，可以廣泛應(yīng)用于機(jī)械，電子，宇航，醫(yī)學(xué)工程等各個(gè)方面，成為近代尖端科學(xué)技術(shù)的重要組成部分。材料的結(jié)構(gòu)包括：原子結(jié)構(gòu)、原子間的結(jié)合狀態(tài)、鍵型或電子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、相的體系及其結(jié)合，它們尺寸因素各類(lèi)缺陷的存在及分布等。材料科學(xué)介紹材料的不斷發(fā)展與進(jìn)步一直是人類(lèi)社會(huì)前進(jìn)的重要基礎(chǔ)之一；它是人類(lèi)賴以生存和發(fā)展、征服自然的物質(zhì)基礎(chǔ)，從人類(lèi)的發(fā)展史看，當(dāng)社會(huì)發(fā)展向材料提出更新更高的要求時(shí)，可以促進(jìn)新材料的發(fā)展；而一種重要的新材料的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用，能使人類(lèi)支配自然的能力向前跨一大步。材料是社會(huì)進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)與先導(dǎo)。正是因?yàn)檫@種原因，人類(lèi)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(鋼鐵)時(shí)代等等。目前人類(lèi)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。一個(gè)國(guó)家的材料的品種、數(shù)量和質(zhì)量，已成為衡量該國(guó)科學(xué)技術(shù)、內(nèi)民經(jīng)濟(jì)水平和國(guó)防力量的重要標(biāo)志。1.材料科學(xué)的重要性材料科學(xué)介紹信息社會(huì)對(duì)材料科學(xué)提出了更高的要求。材料科學(xué)是信息社會(huì)的基石。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2.材料的多樣性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)合材料你知道那些材料？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還有哪些材料？請(qǐng)補(bǔ)充！3.材料的分類(lèi)按狀態(tài)分，材料可分為單晶、多晶、非晶、準(zhǔn)晶和液晶。從化學(xué)的角度，材料則可分為無(wú)機(jī)材料與有機(jī)材料。從應(yīng)用來(lái)看，材料可分為信息材料、能源材料、生物材料、建筑材料、航空航天材料等。根據(jù)材料的用途，將材料分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩大類(lèi)。結(jié)構(gòu)材料主要利用其力學(xué)性質(zhì)，這類(lèi)材料是機(jī)械制造、工程建筑、交通運(yùn)輸、航空航天等各種工業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)。功能材料是指除強(qiáng)度外還有其他功能的材料。它們對(duì)外界環(huán)境具有靈敏的反應(yīng)能力，即對(duì)外界的光、熱、電、磁、壓力、氣氛等各種刺激，可以有選擇性地作出反應(yīng)，從而有許多特定的用途。電子、激光、能源、通訊、生物等許多新技術(shù)的發(fā)展都必須有相應(yīng)的功能材料。可以認(rèn)為，沒(méi)有許多功能材料的出現(xiàn)，就不可能有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。智能材料：具有環(huán)境判斷、自我修復(fù)等功能的功能材料傳統(tǒng)材料先進(jìn)材料注重實(shí)際主要論及材料的加工工藝。它是一門(mén)及復(fù)雜的技藝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4.什么是材料工程？5.材料有共通性制備、使用過(guò)程中的現(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，從微觀的角度來(lái)闡述材料中的種種規(guī)律是很重要的。材料物理是物理學(xué)和材料學(xué)之間的邊緣學(xué)科。目的：利用物理中的成果來(lái)闡明材料中的種種規(guī)律和轉(zhuǎn)變過(guò)程。內(nèi)容：材料的微觀組織結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、物理性質(zhì)、化學(xué)成分以及它們之間的相互關(guān)系。材料性能物理學(xué)模型物理學(xué)概念、原理物理科學(xué)材料科學(xué)材料物理6.材料物理的定義材料物理是研究物質(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)成分以及它們之間相互關(guān)系的學(xué)科。突出物理學(xué)的主干，從物理學(xué)的一些基本概念、基本原理、基本定律出發(fā)，建立相應(yīng)的物理模型、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。7.材料物理和材料科學(xué)的關(guān)系息息相關(guān)、相互促進(jìn)和共同發(fā)展材料物理研究課題來(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。材料物理的基本研究指導(dǎo)材料的生產(chǎn)應(yīng)用。例子金屬材料：結(jié)構(gòu)材料，研究強(qiáng)度、范性很重要，微結(jié)構(gòu)的問(wèn)題。陶瓷：燒結(jié)體，燒結(jié)技術(shù)，微結(jié)構(gòu)的問(wèn)題。低維材料，薄膜材料（2維）、納米線（1維）納米點(diǎn)（0維）的研究，尺寸效應(yīng)。利用非晶硒的研究，發(fā)展了新的靜電復(fù)印技術(shù)。集成鐵電學(xué)的研究，促進(jìn)了鐵電存儲(chǔ)器的實(shí)際開(kāi)發(fā)。8.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)到新的物理現(xiàn)象和效應(yīng)、規(guī)律、形成新的概念。比如鐵電、熱釋電、壓電、電致伸縮等效應(yīng)。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？材料科學(xué)物理學(xué)這需要長(zhǎng)期的、逐步、系統(tǒng)的科學(xué)研究。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。每一個(gè)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9.材料物理的范圍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。它涉及面很廣。基礎(chǔ)包括：晶體學(xué)、材料力學(xué)、物理化學(xué)、材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料物理性能和物理學(xué)中的分支，包括熱力學(xué)、彈塑性理論、統(tǒng)計(jì)物理、量子力學(xué)、固體物理學(xué)。材料物理是利用這些學(xué)科的成果，形成了以各種材料為對(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)有助于材料的內(nèi)在聯(lián)系量子力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理、彈性力學(xué)幫助我們理解材料中的電子、原子以及晶體缺陷的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和它們的相互作用。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)等的基礎(chǔ)知識(shí)。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。10.材料物理是物理和材料的交叉學(xué)科。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)和基礎(chǔ)理論的進(jìn)展密切相關(guān)。11.材料物理和物理學(xué)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)X射線技術(shù)－XRD掃描電鏡－SEM透視電鏡－TEM高分辨率透視電鏡－HREM原子力顯微鏡－AFM遠(yuǎn)紅外光譜－IR核磁共振－NMR電子順磁共振譜－ESRX光熒光譜－XPS拉曼光譜－Raman

領(lǐng)域

特性

應(yīng)用

光、電、磁學(xué)功能領(lǐng)域電子材料高絕緣性集成電路基片,封裝材料,高頻絕緣材料鐵電,介電性

圖像存儲(chǔ)元件，電光偏振光元件，電容器壓電性點(diǎn)火元件，電子鐘表，超聲波元件，濾波器熱電性紅外檢測(cè)元件，探測(cè)器，溫度計(jì)，武器電子放射性陰極射線管電子槍熱陰極，電子顯微鏡半導(dǎo),傳感性電子發(fā)熱體，濕度傳感器，熱敏電阻，壓力傳感器，穩(wěn)壓電源，自控系統(tǒng)電阻發(fā)熱元件（恒溫器），氣體傳感器離子導(dǎo)電性氧量傳感器，高爐的控制，鈉硫電池

12.無(wú)機(jī)材料的特性與應(yīng)用光、電、磁學(xué)功能領(lǐng)域光電陶瓷

熒光性熒光體，彩色電視顯象管材料

偏振光性電光偏振光元件

光電性光電變換元件光陶瓷

透光性耐高溫耐蝕透光性，窯爐觀察窗，半導(dǎo)性透可見(jiàn)光性

光反射性耐高溫金屬特性反射紅外性透過(guò)可見(jiàn)光，反射紅外線特性（節(jié)能型窗玻璃）

導(dǎo)光性通信用光纖，光通信光纜，胃攝象機(jī)磁性陶瓷軟，硬磁性電腦存儲(chǔ)元件，變壓器磁芯，磁帶，磁盤(pán)，磁頭，信用卡，冷藏庫(kù)氣密磁門(mén)熱學(xué)功能領(lǐng)域傳熱性集成電路絕緣（散熱）基板絕熱性耐熱絕熱體，輕質(zhì)絕熱體，節(jié)能型爐耐高溫性耐高溫結(jié)構(gòu)材料，高溫爐，原子能反應(yīng)堆材料生物化學(xué)功能領(lǐng)域骨親和性人工骨，人造牙根，人造關(guān)節(jié)載體性固定酶載體，催化劑載體，生物化學(xué)反應(yīng)控制器耐蝕性理化儀器，化工材料，化工裝置內(nèi)襯，原子能有關(guān)材料催化性水煤氣反應(yīng)催化劑，耐熱催化劑，化學(xué)用催化劑

機(jī)械功能領(lǐng)域高強(qiáng)度，耐磨性，非膨脹收縮性超高精度全陶瓷車(chē)床，機(jī)床，測(cè)量機(jī)械，拉絲模高強(qiáng)度，耐高溫性高性能高效汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)葉片高比強(qiáng)度性汽車(chē)零件，人造衛(wèi)星機(jī)體，火箭機(jī)體，飛機(jī)機(jī)體高模量高爾夫球棒，網(wǎng)球拍，撐桿跳高撐桿，釣魚(yú)桿，各種彈簧材料超硬性研磨材料，切削工具，磨削材料潤(rùn)滑性軸承材料，高溫潤(rùn)滑材料性能本質(zhì)：外界因素（作用物理量）作用于某一物體，如：外力、溫度梯度、外加電場(chǎng)磁場(chǎng)、光照等，引起原子、分子或離子及電子的微觀運(yùn)動(dòng)，在宏觀上表現(xiàn)為感應(yīng)物理量，感應(yīng)物理量與作用物理量呈一定的關(guān)系，其中有一與材料本質(zhì)有關(guān)的常數(shù)——材料的性能。

二、材料的性能本質(zhì)作用物理量

感應(yīng)物理量公式材料內(nèi)部的變化

材料性能性能的種類(lèi)應(yīng)力

形變=S原子發(fā)生相對(duì)位移柔性系數(shù)力學(xué)性能表面電荷密度DD=C

原子發(fā)生相對(duì)位移引起偶極矩的變化壓電常數(shù)壓電性能溫差t形變=

t原子發(fā)生位移熱膨脹系數(shù)熱學(xué)性能熱量QQ=Ct原子振動(dòng)加強(qiáng)熱容熱學(xué)性能溫差電動(dòng)勢(shì)V=t載流子的定向運(yùn)動(dòng)溫差電動(dòng)勢(shì)系數(shù)導(dǎo)電性能溫度梯度dt/dx熱流密度qq=

kdt/dx原子熱振動(dòng)的相互作用熱導(dǎo)率熱學(xué)性能

電

場(chǎng)

E電流密度JJ=E荷電離子遠(yuǎn)距離的移動(dòng)電導(dǎo)率導(dǎo)電性能極化強(qiáng)度PP=0E宏觀電場(chǎng)荷電離子短距離的移動(dòng)介質(zhì)電極化率介電性能離子的偶極矩=E局部電場(chǎng)原子核與周?chē)娮影l(fā)生短距離的移動(dòng)離子的極化率介電性能材料的形變=dE偶極矩的變化壓電常數(shù)壓電性能預(yù)燒不預(yù)燒原料分析

回轉(zhuǎn)窯配料造粒氧化物法化學(xué)共沉淀法電解共沉淀法鹽類(lèi)分解法噴霧煅燒法低溫化學(xué)法烘干預(yù)燒預(yù)壓球磨三、材料的制備過(guò)程鐵氧體生產(chǎn)工藝流程干壓成型熱壓鑄成型沖壓成型擠壓成型

注漿成型和蠟加熱熔化注漿成型脫蠟粘合劑軋片切割沖壓粘合劑練泥擠壓切割磨加工制粉加解膠劑成懸浮液

注入石膏模成型脫模噴霧造粒烘干過(guò)篩粘合劑造粒壓型干燥檢驗(yàn)包裝生坯加工燒結(jié)熱壓燒結(jié)機(jī)械加工四、材料設(shè)計(jì)的工作思路改變結(jié)構(gòu)制備觀測(cè)測(cè)試實(shí)際使用微觀組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制備方法設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原料材料試樣組織結(jié)構(gòu)

特性可否評(píng)價(jià)五、材料物理性能課程研究的內(nèi)容

1.研究的對(duì)象金屬、陶瓷、高分子、復(fù)合材料等的各種物理性能不涉及化學(xué)性能。2.研究的物理性能力學(xué)性能、熱學(xué)性能、電學(xué)性能、介電性能、壓電性能、磁學(xué)性能、光學(xué)性能等。3.學(xué)習(xí)的內(nèi)容研究的性能基本上都是各個(gè)領(lǐng)域在研究和應(yīng)用材料中，對(duì)它們提出來(lái)的一系列技術(shù)要求，即材料的本征參數(shù)。需了解以下內(nèi)容：首先，掌握上述各類(lèi)參數(shù)的物理意義和單位以及這些參數(shù)在實(shí)際問(wèn)題中所處的地位。其次，要搞懂這些性能參數(shù)的影響因素，即性能和材料組成、結(jié)構(gòu)的關(guān)系，性能參數(shù)的物理本質(zhì)，物理模型、變化規(guī)律、以及基本的性能測(cè)試方法，為判斷材料優(yōu)劣，正確選擇和使用材料，改變材料性能，探索新材料、新性能、新工藝打下理論基礎(chǔ)。六、相關(guān)課程數(shù)學(xué)、物理、無(wú)機(jī)化學(xué)、材料力學(xué)、斷裂力學(xué)、物理化學(xué)、量子力學(xué)