《材料物理性能》-文档资料

1、1材料物理性能材料物理性能重庆科技学院.冶金与材料工程学院授课对象:功能材料 2012-1、2012-22一、课程概况一、课程概况1 1、课程名称：材料物理性能、课程名称：材料物理性能2 2、课程性质：功能材料本科专业的一门、课程性质：功能材料本科专业的一门专业平专业平台课台课. .3 3、研究内容：、研究内容：主要围绕金属材料和无机非金属主要围绕金属材料和无机非金属材料的物理性能、影响因素、测试方法、原理材料的物理性能、影响因素、测试方法、原理及相关应用等展开讨论及相关应用等展开讨论。主要内容：主要内容：材料的电学性能（重点）材料的电学性能（重点）、材料的磁学性材料的磁学性能（重点）能（重点

2、）、材料的光学性能材料的光学性能、材料的弹性与内耗材料的弹性与内耗34 4、课程教学目的与要求：、课程教学目的与要求：以材料物理性能为主以材料物理性能为主题，将涉及到性能、方法和原理的内容统一起题，将涉及到性能、方法和原理的内容统一起来，使学生不仅熟悉各种功能材料及其性能，来，使学生不仅熟悉各种功能材料及其性能，还要认识和了解各种性能产生的本质原因及影还要认识和了解各种性能产生的本质原因及影响因素。响因素。5 5、课程教学内容：、课程教学内容：( (48学时学时) )4二、课程的特点和学习方法二、课程的特点和学习方法1 1、课程特点：、课程特点： 理论性比较强理论性比较强; ;概念多概念多,

3、,内容多，公式多内容多，公式多. .需需要掌握、记忆和理解的知识多要掌握、记忆和理解的知识多. .2 2、学习方法：、学习方法：课前预习课前预习, ,包括一些普通物理知识包括一些普通物理知识，对上课内容提前了解，对上课内容提前了解; ;上课认真听讲上课认真听讲, ,掌握每堂课的重点内容掌握每堂课的重点内容; ;要认真作笔记这也是一要认真作笔记这也是一种能力；种能力；课后课后及时及时认真复习认真复习, ,注重归纳总结注重归纳总结, ,做好学习笔记做好学习笔记，掌握科学真谛；，掌握科学真谛；重视例题和习题重视例题和习题, ,加深对课堂知识的理解加深对课堂知识的理解. .对基本概念、基本原理应注重理

4、解，辅助记忆。对基本概念、基本原理应注重理解，辅助记忆。自己完成作业，检自己完成作业，检验学习的效果。注意复习，温故而知新。验学习的效果。注意复习，温故而知新。53 3、学习研究方法：、学习研究方法：经验方法在大量占有实验数据的基础上，对数经验方法在大量占有实验数据的基础上，对数据的分析处理，整理为经验方程，用以表示它们据的分析处理，整理为经验方程，用以表示它们的函数关系。的函数关系。; ;理论方法从机理着手，即从反映本质的理论方法从机理着手，即从反映本质的 基本基本关系出发，按照性能的有关规律、建立物理模型，关系出发，按照性能的有关规律、建立物理模型，用数学方法求解，得到有关理论方程式。用数

5、学方法求解，得到有关理论方程式。本科生学习：本科生学习：一方面是知识学习，另外一方面是方法的学一方面是知识学习，另外一方面是方法的学习（学会自学）。习（学会自学）。 6三、教材与参考资料三、教材与参考资料1 1、教材：、教材： 11邱成军、王元化、曲伟编材料物理性能邱成军、王元化、曲伟编材料物理性能. .哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学出版社出版社2009.2009. 2 2王振廷、李长青、曲伟编材料物理性能王振廷、李长青、曲伟编材料物理性能. .哈尔滨工业大学出哈尔滨工业大学出版社版社2011.2011. 2 2耿桂宏耿桂宏编材料物理与性能学编材料物理与性能学. .北京大学出版社北京大学出版社2

6、010.2010.2 2、参考书：、参考书：1 1 肖国庆、张军战肖国庆、张军战. .材料物理性能中国建材工业出版社材料物理性能中国建材工业出版社.2005.2005.2 2 吴其胜吴其胜. .材料物理性能华东理工大学出版社材料物理性能华东理工大学出版社.2006.2006.3 3 陈树川、陈凌冰陈树川、陈凌冰. .材料物理性能上海交通大学出版社材料物理性能上海交通大学出版社.1999.1999.4 4 郑冀郑冀. .材料物理性能天津大学出版社材料物理性能天津大学出版社.2008.2008.5 5 龙翼龙翼. .材料物理性能中南大学出版社材料物理性能中南大学出版社.2009.2009.6 6

7、田莳田莳. .材料物理性能北京航空航天大学出版社材料物理性能北京航空航天大学出版社.2004.2004.7 7 连发增连发增. .材料物理性能东北大学出版社材料物理性能东北大学出版社.2005.2005.7四、课程考核方式四、课程考核方式考试考试( (闭卷闭卷) ) 按时上课，不许旷课；按时上课，不许旷课； 独立完成并上交作业。独立完成并上交作业。 成绩评定方法：成绩评定方法：平时：平时：20%实验实验: 20%(4次次)期末考试：期末考试：6 60%五、其它要求五、其它要求8第一章第一章 概论概论本章主要内容包括：本章主要内容包括：1.1 材料物理性能材料物理性能引论引论1.2 固体物理基础

8、固体物理基础1.2量子力学基础量子力学基础1.3 电子排布规律及金属电子论电子排布规律及金属电子论1.4 能带理论能带理论91.1 材料物理性能引论材料物理性能引论1.1.1 材料材料 (概念、分类、特征与应用、重要性概念、分类、特征与应用、重要性)1.1.2 物理（概念、研究方法、分类）物理（概念、研究方法、分类）1.1.3 材料科学与工程材料科学与工程1.1.4 材料物理（定义、研究目的、范围、实验技术）材料物理（定义、研究目的、范围、实验技术）1.1.5 材料性能（定义、本质、分类、目的、重要性、材料性能（定义、本质、分类、目的、重要性、研究内容）研究内容）1010111.1 引论引论材

9、料、物理、性能材料、物理、性能1.1.1 材料材料(1) 材料的材料的概念概念 是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质的统称。品的那些物质的统称。 材料是人类赖以生存和发展的物质基础。材料是人类赖以生存和发展的物质基础。20世纪世纪70年年代人们把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱。代人们把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱。80年代代文明的三大支柱。年代代文明的三大支柱。80年代以高技术群为代表的新技年代以高技术群为代表的新技术革命，又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术术革命，又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技

10、术革命的重要标志。这主要是因为材料与国民经济建设、国革命的重要标志。这主要是因为材料与国民经济建设、国防建设和人民生活密切相关。防建设和人民生活密切相关。12(2) 材料的分类材料的分类 按材料性能按材料性能来来分分：机械性能机械性能：高强材料、超硬材料、耐磨材料、韧性材料、高强材料、超硬材料、耐磨材料、韧性材料、摩擦材料等摩擦材料等。 热学性能热学性能：耐火材料、绝热材料（保温材料）、传热材料、耐火材料、绝热材料（保温材料）、传热材料、防火材料等防火材料等。 化学性能化学性能：耐腐蚀材料、防水材料、吸附材料、离子交换耐腐蚀材料、防水材料、吸附材料、离子交换材料、催化剂载体、胶凝材料等材料、催

11、化剂载体、胶凝材料等。 光学性能光学性能：电光材料、导光材料、透光材料、荧光材料、电光材料、导光材料、透光材料、荧光材料、发光材料、感光材料、分光材料等发光材料、感光材料、分光材料等。 电学性能电学性能：绝缘材料、导电材料、压电材料、铁电材料、绝缘材料、导电材料、压电材料、铁电材料、超导材料、半导体材料等超导材料、半导体材料等。 磁学性能磁学性能：磁性材料磁性材料、非磁性材料。、非磁性材料。 声学性能声学性能：隔声材料、吸音材料等隔声材料、吸音材料等。 核物理性能核物理性能：放射性材料、反应材料等放射性材料、反应材料等。 生物性能生物性能：骨科材料、齿科材料、生物陶瓷等骨科材料、齿科材料、生物

12、陶瓷等。 复合性能复合性能：智能材料、梯度功能材料等智能材料、梯度功能材料等。 13按状态分按状态分，材料可分为单晶、多晶、非晶、准晶和液晶。，材料可分为单晶、多晶、非晶、准晶和液晶。 从从物理化学属性来分物理化学属性来分，材料可分为无机物材料（金属材，材料可分为无机物材料（金属材料、无机非金属材料）、有机物材料和不同类型材料所料、无机非金属材料）、有机物材料和不同类型材料所组成的复合材料。组成的复合材料。 从应用来看从应用来看，材料可分为信息材料、能源材料、生物材料、，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。建筑材料、航空航天材料等。 目前常根据材料的目前常根据材料

13、的用途用途，将材料分为结构材料和功能材，将材料分为结构材料和功能材料两大类。料两大类。 结构材料结构材料主要利用其力学性质，这类材料是机械制造、工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。程建筑、交通运输、航空航天等各种工业的物质基础。14 功能材料功能材料是指除强度外还有其他功能的材料。它们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、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，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

14、途。电子、激光、能源、通讯、生物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相应的功能材料。可以认为，等许多新技术的发展都必须有相应的功能材料。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。展。 智能材料：具有环境判断、自我修复等功能的功能材料智能材料：具有环境判断、自我修复等功能的功能材料传统材料传统材料 先进材料先进材料 其它其它分类分类。15材料的多样性材料的多样性能源材料能源材料金属材料金属材料无机非金属材料无机非金属材料光电材料光电材料有机高分子材料有机高分子材料智能材料智能材料生物材

15、料生物材料生态环境材料生态环境材料复合材料复合材料单晶单晶多晶多晶非晶非晶准晶准晶液晶液晶建筑材料建筑材料航空航天材料航空航天材料结构材料结构材料功能材料功能材料信息材料信息材料还有哪些材料？请补充！还有哪些材料？请补充！16材料有共通性材料有共通性：制备、使用过程中现象、概念、转变相似。制备、使用过程中现象、概念、转变相似。单晶单晶多晶多晶非晶非晶准晶准晶结构、缺陷行为结构、缺陷行为平衡热力学平衡热力学扩散、界面结构与行为扩散、界面结构与行为材料相变机理材料相变机理电子迁移及电性能电子迁移及电性能 从物理学的角度，从微观的角度来阐述材料中的种种从物理学的角度，从微观的角度来阐述材料中的种种规

16、律是很重要的。规律是很重要的。(3) 材料的特征与应用材料的特征与应用 17 不同的化学组成和材料结构决定其具有不同的特殊性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。质和功能。 例如：如高强，高硬，耐温，耐腐，绝缘和各种电，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。代尖端科学技术的重要组成部分。1819202122可以说，可以说，材料是信息社会的基石材料是信

17、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23 材料的不断发展与进步一直是人类社会前进的重要基础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，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

18、一大步。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。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、铁器来加以划分，如石器时代、青铜器时代、铁器( (钢铁钢铁) )时代时代等等。等等。 目前人类正进人信息社会，材料、能源和信息技术是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二大支柱。一个国家的材料当前国际公认的新技术革命的二大支柱。一个国家的材料的品种、数量和质量，已成为衡量该国科学技术、内民经的品种、数量和质量

19、，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。济水平和国防力量的重要标志。 24明显地超出了传统组成和工艺范围；明显地超出了传统组成和工艺范围；创造出具有各种性能的新材料；创造出具有各种性能的新材料；在现代工业和科学技术上获得广泛的应用。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：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。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：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

20、作用出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。现的各种现象，最后联系到用途，作为制品出售。 现代材料发展的特点：现代材料发展的特点：25 1.1.2 物理物理 概念概念 格物致知，推物及理，自然哲学；格物致知，推物及理，自然哲学； 物理学物理学(Physics)，是研究物质世界最基本的是研究物质世界最基本的结构、最普遍的相互作用、最一般的运动规律及所结构、最普遍的相互作用、最一般的运动规律及所使用的实验手段和思维方法的自然科学。使用的实验手段和思维方法的自然科学。 研究方法研究方法 观测，实验，理论观测，实验，理论, , 计算。计算。26

21、分类：分类： 古典力学古典力学 (Mechanics)研究物体机械运动的基研究物体机械运动的基本规律及关于时空相对性的规律，本规律及关于时空相对性的规律，分析力学分析力学； 电动力学电动力学 (Electrodynamics)研究电磁现象，物研究电磁现象，物质的电磁运动规律及电磁辐射等规律；质的电磁运动规律及电磁辐射等规律； 统计力学统计力学 (Statistical mechanics)研究物质热运研究物质热运动的统计规律及其宏观表现；动的统计规律及其宏观表现； 量子力学量子力学 (Quantum mechanics)研究微观粒子研究微观粒子运动及相互作用的规律。运动及相互作用的规律。 此外

22、，粒子物理学、核物理学、原子分子物理此外，粒子物理学、核物理学、原子分子物理学、学、凝聚态物理学凝聚态物理学、激光物理学、等离子体物理学、激光物理学、等离子体物理学、地球物理学、生物物理学、天体物理学。地球物理学、生物物理学、天体物理学。27材料与物性、现象、用途间的关系：材料与物性、现象、用途间的关系：具体化具体化现象现象经济性经济性材料材料作用作用改善改善原料原料工艺工艺条件条件物性物性用途用途以材料为中心，从以材料为中心，从物性物性 现象现象 用用途周转循环，巧妙途周转循环，巧妙地应用此表征方法地应用此表征方法能容易做到逐步地能容易做到逐步地改进材料，不断创改进材料，不断创造出性能更好、

23、更造出性能更好、更稳定的制品稳定的制品。28注重实际注重实际主要论及材料的加工工艺。主要论及材料的加工工艺。它是一门及复杂的技艺它是一门及复杂的技艺高性能陶瓷高性能陶瓷高纯金属高纯金属生物工程生物工程薄膜薄膜纳米材料纳米材料半导体半导体超导体超导体聚合物聚合物材料材料科学与科学与工程工程1.1.3 材料材料科学与科学与工程工程( (材料工程材料工程) )29l材料科学与工程是关于l材料的成分与结构（composition and structure）、l合成与加工（synthesis and processing）、l性质（proporties）l与服役性能（performance）这四个要素

24、、l以及它们两两之间的互相联系的学科。 30材料科学与工程：四要素材料科学与工程：四要素组成与结构组成与结构使用性能使用性能基本性能基本性能( (工程工程) )( (物理物理) )( (化学化学) )制备加工制备加工( (材料学材料学) )本课程中，材本课程中，材料的性能是指料的性能是指“材料性质材料性质”。它是材料科学它是材料科学与工程学科的与工程学科的四个基本要素四个基本要素之一。之一。31 1.1.4 材料物理材料物理 凝聚态物理学凝聚态物理学是从微观角度出发，研究凝聚状态物质是从微观角度出发，研究凝聚状态物质（固体、液体、液晶等）固体、液体、液晶等）的原子之间的结构、电子态结构的原子之

25、间的结构、电子态结构以及相关的各种物理性质的一门学科。以及相关的各种物理性质的一门学科。 包括固体物理（晶体包括固体物理（晶体/ /非晶、金属、半导体、电介质、非晶、金属、半导体、电介质、磁性）、液晶与高分子、液体物理、介观物理（包括团簇、磁性）、液晶与高分子、液体物理、介观物理（包括团簇、纳米）、低温物理（超导与超流）、相变等等。纳米）、低温物理（超导与超流）、相变等等。 材料物理材料物理，研究作为材料的凝聚态物质的物理，是凝研究作为材料的凝聚态物质的物理，是凝聚态物理的分支，聚态物理的分支，主要研究材料主要研究材料微观结构微观结构、物理性能物理性能（电（电/ /磁磁/ /光光/ /热热/

26、/力等）的微观起源及其力等）的微观起源及其相互联系相互联系，涉及量子力学、，涉及量子力学、晶体学、电磁学等学科的交叉，以及实验（观察和鉴别）晶体学、电磁学等学科的交叉，以及实验（观察和鉴别）手段。手段。32 材料物理材料物理是研究物质的微观结构、组织形式、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，互关系的学科。突出物理学的主干，从物理学从物理学的的一些基本概念、基本原理、基本定律一些基本概念、基本原理、基本定律出发出发，建立，建立相应的物理模型、力图阐述材料本身结构、性质相应的物理模型、力

27、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，进而出结论，进而指导材料指导材料的生产和科学研究。的生产和科学研究。(1) 材料物理的定义材料物理的定义33 1 1）理解）理解 采用实验技术和理论方法，理解和解释已发现的材料现采用实验技术和理论方法，理解和解释已发现的材料现象、结构、性能、结构象、结构、性能、结构- -性能。性能。 -超导现象超导现象 2 2）预测）预测 运用理论和计算手段，对未知的材料结构或性能，进行运用理论和计算手段，对未知的材料结构或性能，进行理论预测。理论预测。-PRL: -PRL: 计算机模拟显示石墨

28、炔性能胜过石墨烯计算机模拟显示石墨炔性能胜过石墨烯 3 3）设计）设计 基于基于1 1）、）、2 2）积累的经验和知识，进行新材料设计，开）积累的经验和知识，进行新材料设计，开发先进材料。发先进材料。(2) (2) 材料物理研究的目的材料物理研究的目的34 材料物理主要研究：材料物理主要研究：金属物理学，半导体物理学、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。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每一个材料学的分支都相应的有相应的材料物理学分支。 材料物

29、理是物理研究中的重要领域。比如超导体、半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。导体、永磁材料。也是物理中发展最快的领域。(3) 材料物理的研究范围材料物理的研究范围35 材料物理是物理和材料的交叉学科它涉及面很广。基材料物理是物理和材料的交叉学科它涉及面很广。基础包括：晶体学、材料力学、物理化学、材料科学基础、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。材料物理是利用论、统计物理、量子力学、固体物理学。材

30、料物理是利用这些学科的成果，形成了以各种材料为对象的一门独立的这些学科的成果，形成了以各种材料为对象的一门独立的综合性的物理学科。综合性的物理学科。36 晶体学揭示材料的微观组织结构晶体学揭示材料的微观组织结构，材料科学有助于材料科学有助于揭示揭示材料的内在联系材料的内在联系。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。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、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。能带结构等

31、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合材料特性。来阐明材料一些宏观的规律合材料特性。37材料的研究方法有：经验方法、机理（反映本质材料的研究方法有：经验方法、机理（反映本质的基本关系出发，建立物理模型等）的基本关系出发，建立物理模型等）材料设计、计算材料学材料设计、计算材料学现代材料科学在较大程度上依赖于现代材料科学在较大程度上依赖于与其与其及及之间的关系。之间的关系。 成分与结构有从宏观到微观的各个不同层次，测成分与结构有从宏观到微观的各个不同层次，测试技术和表征技术是联系它们的工具。试技术和表征技

32、术是联系它们的工具。38 作为物理学的一个分支，其发展与物理学的实验技术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。和基础理论的进展密切相关。X射线技术射线技术XRD扫描电镜扫描电镜SEM透透射射电镜电镜TEM高分辨率透视电镜高分辨率透视电镜HREM场离子显微镜场离子显微镜FIM远红外光谱远红外光谱IR核磁共振核磁共振NMR电子顺磁共振谱电子顺磁共振谱 ESRX光荧光谱光荧光谱XPS拉曼光谱拉曼光谱Raman(4) 材料物理材料物理和物理学的实验技术和物理学的实验技术原子力原子力电镜电镜AFM能谱仪能谱仪EDX39材料物理是物理学和材料学之间的边缘学科。材料物理是物

33、理学和材料学之间的边缘学科。目的：利用物理中的成果来阐明材料中的种种规律和转变目的：利用物理中的成果来阐明材料中的种种规律和转变过程。过程。内容：材料的微观组织结构、运动状态、物理性质、化学内容：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。成分以及它们之间的相互关系。材料性能材料性能物理学模型物理学模型物理学概念、原理等物理学概念、原理等物理科学物理科学 材料科学材料科学材料材料物理物理40材料科学的研究导致新的物理学现象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、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

34、件等）下发生的变化。发现到新的电、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。电、压电、电致伸缩等效应。好的试验结果要有好的理论来解释。好的试验结果要有好的理论来解释。一个试验现象应该有一个相应的理论解释才是完美的。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？为什么？是什么是什么？材料科学材料科学物理学物理学这需要长期的、逐步、系统的科学研究。这需要长期的、逐步、系统的科学研究。41材料物理材料物理和和材料科学的关系材料科学的关系息息相关、相互促进和共同发

35、展息息相关、相互促进和共同发展材料物理研究课题来源于材料、对象也是材料，都是生材料物理研究课题来源于材料、对象也是材料，都是生产、科研中提出来的新问题。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。材料物理的基本研究指导材料的生产应用。例子例子：金属材料：结构材料，研究强度、范性很重要，微结构的金属材料：结构材料，研究强度、范性很重要，微结构的问题。问题。陶瓷：烧结体，烧结技术，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（低维材料，薄膜材料（2 2维）、纳米线（维）、纳米线（1 1维）纳米点（维）纳米点（0 0维）维）的研究，尺寸效应。的研究，尺寸

36、效应。在结晶结构的研究改变了硅钢片的质量。在结晶结构的研究改变了硅钢片的质量。利用非晶硒的研究，发展了新的静电复印技术。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。集成铁电学的研究，促进了铁电存储器的实际开发。42 1.1.5 材料物理性能材料物理性能性能本质：性能本质：感应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有关的常数材料的性能。材料的性能。 作用因素通常也以这些相应的物理量为主。作用因素通常也以这些相应的物理量为主。材料性能材料性能是一种用于表征材料在给定的外界条件下的

37、行为的参量。是一种用于表征材料在给定的外界条件下的行为的参量。 (1)材料的性能本质材料的性能本质43 1.1.5 材料物理性能材料物理性能(2)定义定义 所谓的材料性能，是指在给定的外界环境中，材料受到所谓的材料性能，是指在给定的外界环境中，材料受到某种作用时，其状态所发生的变化。作用于材料上的作用某种作用时，其状态所发生的变化。作用于材料上的作用因素通常可以分为应力、温度、磁场、电场、化学介质、因素通常可以分为应力、温度、磁场、电场、化学介质、辐照等。受到这些因素作用时，材料内部会产生一系列的辐照等。受到这些因素作用时，材料内部会产生一系列的变化，伴随之产生一些外在表现，也就是所谓的状态的

38、变变化，伴随之产生一些外在表现，也就是所谓的状态的变化。化。从定义可以看出：从定义可以看出： 有多少行为，就对应地有多少性能。有多少行为，就对应地有多少性能。 外界条件不同，相同的材料也会有不同的性能。外界条件不同，相同的材料也会有不同的性能。 性能必须量化，多数的性能都有量纲。性能必须量化，多数的性能都有量纲。4444454546 物理性能是材料科学研究重要组成部分，材料科学物理性能是材料科学研究重要组成部分，材料科学包括：制备与合成、性能、应用包括：制备与合成、性能、应用。 基础是：物理学、化学等学科，是这些学科在材料性基础是：物理学、化学等学科，是这些学科在材料性能方面的应用能方面的应用

39、。 无机材料的不同领域无机材料的不同领域 ：电子材料、磁性：电子材料、磁性材料、生物材料、水泥、玻璃、陶瓷材料、耐火材料等材料、生物材料、水泥、玻璃、陶瓷材料、耐火材料等。 47n物理性能物理性能n力学性能力学性能n化学性能化学性能 n复杂性能复杂性能 复合性能复合性能工艺性能工艺性能使用性能使用性能 抗氧化性抗氧化性耐腐蚀性耐腐蚀性抗渗入性抗渗入性 强强 度度 延延 性性 韧韧 性性 刚刚 性性热学性能热学性能声学性能声学性能光学性能光学性能电学性能电学性能磁学性能磁学性能辐照性能辐照性能(3)48 材料的物理性能可以大致划分分材料的物理性能可以大致划分分电学性能电学性能、磁学性能磁学性能、

40、介电性能介电性能、光学性能光学性能、热学性能、声学性能。此外，在一热学性能、声学性能。此外，在一些书籍中，材料的物理性能还涉及到材料的形状记忆效应些书籍中，材料的物理性能还涉及到材料的形状记忆效应(shape memory effect)、储氢特性、生理功能性、储氢特性、生理功能性(Bio-functionality)与生物相容性与生物相容性(compatibility)等。等。49材料使用中表现有多少行为，就对应有多少性能。材料使用中表现有多少行为，就对应有多少性能。（结构材料和功能材料的划分）（结构材料和功能材料的划分） 外界条件不同，相同的材料也会有不同的性能。外界条件不同，相同的材料也

41、会有不同的性能。多数的性能都有量纲。为了便于学习、测试和研多数的性能都有量纲。为了便于学习、测试和研究，常采用不同的标准来划分性能。究，常采用不同的标准来划分性能。化学性能：（化学性能：（1 1）抗氧化性能）抗氧化性能 （2 2）耐腐蚀性能）耐腐蚀性能 （3 3）抗渣、抗碱性能）抗渣、抗碱性能 复杂性能（复杂性能（1 1）复合性能：高温抗折强度、高温蠕）复合性能：高温抗折强度、高温蠕变强度等变强度等 （2 2）工艺性能：可塑性、流动性等）工艺性能：可塑性、流动性等 （3 3）使用性能：耐磨性等）使用性能：耐磨性等50(3)材料性能的研究，既是材料开发的出发点，也是其重材料性能的研究，既是材料开

42、发的出发点，也是其重要归属要归属 材料性能的研究，有助于研究材料的内部结构材料性能的研究，有助于研究材料的内部结构 对材料性能的要求，决定了材料生产工艺对材料性能的要求，决定了材料生产工艺意义意义51(4)材料性能研究的重要性材料性能研究的重要性 材料性能的研究，贯穿于整个人类的文明史材料性能的研究，贯穿于整个人类的文明史. . 此图片说明人类使用的材料，决定了人类的文明此图片说明人类使用的材料，决定了人类的文明程序，实质上，这里谈的主要是材料的性能。程序，实质上，这里谈的主要是材料的性能。52材料性能决定了材料用途材料性能决定了材料用途（形式上使用材料，实质上使形式上使用材料，实质上使用性能

43、）用性能）如如：绝缘基板材料，首先必须要具有一定的强度，以便能：绝缘基板材料，首先必须要具有一定的强度，以便能够承载起安装在其上的集成电路元件及布在其上的电够承载起安装在其上的集成电路元件及布在其上的电路线，要有均匀而平滑的表面，以便进行穿孔、开槽路线，要有均匀而平滑的表面，以便进行穿孔、开槽等精密加工，从而能够构成细微而精密的图形，应有等精密加工，从而能够构成细微而精密的图形，应有优良的绝缘性能优良的绝缘性能( (尤其是在高频下尤其是在高频下) )，要有充分的导热，要有充分的导热性，以迅速散发电路上因电流产生的热，硅与基片的性，以迅速散发电路上因电流产生的热，硅与基片的热膨胀系数之差应较小，

44、从而保证基片与电路间良好热膨胀系数之差应较小，从而保证基片与电路间良好的匹配性，电路与基片就不会剥离的匹配性，电路与基片就不会剥离. . 53材料性能的研究，有助于研究材料的内部结构材料性能的研究，有助于研究材料的内部结构. . 如：如：根据根据n=2dsin，利用晶体对，利用晶体对X-ray的衍射图象，就可的衍射图象，就可以推知晶体中面网间距以推知晶体中面网间距d，进而就可以分析晶体的结，进而就可以分析晶体的结构。结构决定了性能，而性能则是内部结构某些方构。结构决定了性能，而性能则是内部结构某些方面的体现。面的体现。 54材料性能研究的重要性材料性能研究的重要性 对陶瓷材料性能的要求，决定了

45、陶瓷材料生产的工艺过对陶瓷材料性能的要求，决定了陶瓷材料生产的工艺过程程. . 如：如：石器：坚硬，但难成型石器：坚硬，但难成型陶器：容易成型，但很陶器：容易成型，但很不坚硬不坚硬目标是：既要容易成型，又要具有坚硬的特征目标是：既要容易成型，又要具有坚硬的特征 提高质量，这就是矛盾的统一体。解决改进的途径，提高质量，这就是矛盾的统一体。解决改进的途径，由所要求的性能来决定。由所要求的性能来决定。 55(4)材料性能研究的材料性能研究的内容内容 研究的对象研究的对象金属、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。化学性能。研究的物理性

46、能研究的物理性能机械性能、热学性能、电学性能、力学性能、介电性能、机械性能、热学性能、电学性能、力学性能、介电性能、压电性能、磁学性能、光学性能压电性能、磁学性能、光学性能学习的内容学习的内容研究的性能基本上都是各个领域在研究和应用材料中，对研究的性能基本上都是各个领域在研究和应用材料中，对它们提出来的一系列技术要求，即材料的本征参数。需了它们提出来的一系列技术要求，即材料的本征参数。需了解以下内容：解以下内容： 首先，掌握上述各类参数的物理意义和单位以及这些参数在实际问题中所首先，掌握上述各类参数的物理意义和单位以及这些参数在实际问题中所处的地位。其次，要搞懂这些性能参数的影响因素，即性能和

47、材料组成、结构处的地位。其次，要搞懂这些性能参数的影响因素，即性能和材料组成、结构的关系，性能参数的物理本质，物理模型、变化规律、以及基本的性能测试方的关系，性能参数的物理本质，物理模型、变化规律、以及基本的性能测试方法，为判断材料优劣，正确选择和使用材料，改变材料性能，探索新材料、新法，为判断材料优劣，正确选择和使用材料，改变材料性能，探索新材料、新性能、新工艺打下理论基础。性能、新工艺打下理论基础。56现象与本质现象与本质：同一材料不同性能只是相同的内部结构，同一材料不同性能只是相同的内部结构，在不同的外界条件下所表现出的不同行为。在不同的外界条件下所表现出的不同行为。这也说明，不同的外界

48、条件下，材料的性能是不同的，这也说明，不同的外界条件下，材料的性能是不同的，即一种材料有多种性能。即一种材料有多种性能。 材料性能的划分只是为了材料性能的划分只是为了学习和研究的方便。学习和研究的方便。要注意材料间的各种性能既有区别，又有联系。要注意材料间的各种性能既有区别，又有联系。 材料性能研究注意问题材料性能研究注意问题 57 材料物理性能材料物理性能强烈地依赖强烈地依赖晶体结构、原子键合、电晶体结构、原子键合、电子能量结构和状态子能量结构和状态。归根结底，对于单一纯物质材料，。归根结底，对于单一纯物质材料，其结构和性质的根源来自其结构和性质的根源来自电子的相互作用电子的相互作用。 这就

49、必须回溯量子力学、固体物理的基本概念和这就必须回溯量子力学、固体物理的基本概念和理论，量子力学、统计物理、晶体学的结合能更好地理论，量子力学、统计物理、晶体学的结合能更好地理解固体物理，从而理解材料物理。理解固体物理，从而理解材料物理。1.2 物理物理基础知识基础知识58晶体结构：晶体结构：原子规则排列，主要体现是原子排列具有周期性，原子规则排列，主要体现是原子排列具有周期性，或者称长程有序。有此排列结构的材料为晶体。或者称长程有序。有此排列结构的材料为晶体。晶体中原子、分子规则排列的结果使晶体具有规则的几何外晶体中原子、分子规则排列的结果使晶体具有规则的几何外形，形，X X射线衍射已证实这一

50、结论。射线衍射已证实这一结论。非晶体结构：非晶体结构：不具有长程有序。有此排列结构的材料为非晶不具有长程有序。有此排列结构的材料为非晶体。体。了解固体结构的意义：了解固体结构的意义： 固体中原子排列形式是研究固体材固体中原子排列形式是研究固体材料宏观性质和各种微观过程的基础。料宏观性质和各种微观过程的基础。 晶体结构晶体结构 固体的结构分为：固体的结构分为： 非晶体结构非晶体结构 多晶体结构多晶体结构 1.2.1 晶体结构晶体结构59晶体内部结构概括为是由一些相同点子在空间有规则作晶体内部结构概括为是由一些相同点子在空间有规则作周期性无限分布，这些点子的总体称为点阵。周期性无限分布，这些点子的

51、总体称为点阵。（该学说正确地反映了晶体内部结构长程有序特征，后（该学说正确地反映了晶体内部结构长程有序特征，后来被空间群理论充实发展为空间点阵学说，形成近代关来被空间群理论充实发展为空间点阵学说，形成近代关于晶体几何结构的完备理论。）于晶体几何结构的完备理论。）1.2.2 空空 间间 点点 阵阵 一、布喇菲的空间点阵学说一、布喇菲的空间点阵学说60关于结点的说明：关于结点的说明： 当晶体是由完全相同的一种原子组成，结点可以是原子本当晶体是由完全相同的一种原子组成，结点可以是原子本身位置。身位置。 当晶体中含有数种原子，这数种原子构成基本结构单元当晶体中含有数种原子，这数种原子构成基本结构单元（

52、基元），结点可以代表基元重心，原因是所有基元的重（基元），结点可以代表基元重心，原因是所有基元的重心都是结构中相同位置，也可以代表基元中任意点子心都是结构中相同位置，也可以代表基元中任意点子。 结点示例图结点示例图1 1、点点阵阵空间点阵学说中所称的空间点阵学说中所称的点点阵阵，代表着结构中相同的位置，代表着结构中相同的位置，也为也为结点结点，也可以代表原子周围相应点的位置。，也可以代表原子周围相应点的位置。61晶体由基元沿空间三个不同方向，各按一定的距离晶体由基元沿空间三个不同方向，各按一定的距离周期性周期性地地平移而构成，平移而构成，基元基元每一平移距离称为每一平移距离称为周期周期。在一定

53、方向有着一定在一定方向有着一定周期周期，不同方向上，不同方向上周期周期一一 般不相同。般不相同。基元基元平移结果：平移结果：点阵点阵中每个结点周围情况都一样。中每个结点周围情况都一样。2 . 2 . 点阵学说概括了晶体点阵学说概括了晶体结构的周期性结构的周期性623 . 3 . 晶格的形成晶格的形成通过点阵中的结点，可以作许多平行的直线族和平行通过点阵中的结点，可以作许多平行的直线族和平行的晶面族，点阵成为一些网格的晶面族，点阵成为一些网格-晶格。晶格。63 平行六面体平行六面体 原胞概念的引出：原胞概念的引出： 由于晶格晶格周期性，可取一个以结点结点为顶点，边长等于该方向上的周期周期的平行六

54、面体作为重复单元，来概括晶格的特征。即每个方向不能是一个结点（或原子）本身，而是一个即每个方向不能是一个结点（或原子）本身，而是一个结点结点（或原子）加上周期长度为原子）加上周期长度为a a的区域，其中的区域，其中a a叫做基叫做基矢矢 。这样的重复单元重复单元称为原胞原胞。64 原胞（重复单元）的选取规则原胞（重复单元）的选取规则 反映周期性特征：只需概括空间三个方向上的周期大小，反映周期性特征：只需概括空间三个方向上的周期大小，原胞可以取最小重复单元（物理学原胞），结点只在顶角原胞可以取最小重复单元（物理学原胞），结点只在顶角上。上。反映对称性特征：反映对称性特征：晶体都具有自己特殊对称性

55、。晶体都具有自己特殊对称性。结晶学上所取原胞体积不一定最小，结点不一定只在顶角结晶学上所取原胞体积不一定最小，结点不一定只在顶角上，可以在体心或面心上（晶体学原胞）；上，可以在体心或面心上（晶体学原胞）；原胞边长总是一个周期，并各沿三个晶轴方向；原胞边长总是一个周期，并各沿三个晶轴方向；原胞体积为物理学原胞体积的整数倍数。原胞体积为物理学原胞体积的整数倍数。 65引出物理学原胞的意义：引出物理学原胞的意义：三维格子的周期性可用数学的形式表示如下：三维格子的周期性可用数学的形式表示如下： T(r)=T(r+lT(r)=T(r+l1 1a a1 1+l+l2 2a a2 2+l+l2 2a a3

56、3) )r r为重复单元中任意处的矢量；为重复单元中任意处的矢量；T T为晶格中任意物理量；为晶格中任意物理量；l l1 1、l l2 2、l l3 3是整数，是整数，a a1 1、a a2 2、a a3 3是重复单元的边长矢量。是重复单元的边长矢量。为进行固体物理学中的计算带来很大的方便。为进行固体物理学中的计算带来很大的方便。位矢位矢R Rr rR+rR+r66不喇菲点阵的特点：不喇菲点阵的特点： 每点周围情况都一样。是由一个结点沿三维空间周期性每点周围情况都一样。是由一个结点沿三维空间周期性平移形成，为了直观，可以取一些特殊的重复单元（结平移形成，为了直观，可以取一些特殊的重复单元（结晶

57、学原胞）。晶学原胞）。 完全由相同的一种原子组成，则这种原子组成的网格完全由相同的一种原子组成，则这种原子组成的网格为不喇菲格子，和结点所组成的网格相同。为不喇菲格子，和结点所组成的网格相同。 晶体的基元中包含两种或两种以上原子，每个基元中，晶体的基元中包含两种或两种以上原子，每个基元中，相应的同种原子各构成和结点相同网格相应的同种原子各构成和结点相同网格-子晶格（或子晶格（或亚晶格）。亚晶格）。 复式格子（或晶体格子）是由所有相同结构子晶格相复式格子（或晶体格子）是由所有相同结构子晶格相互位移套构形成。互位移套构形成。4 .4 .结点的总体结点的总体-不喇菲点阵或不喇菲格子不喇菲点阵或不喇菲

58、格子67晶体格子（简称晶格）：晶体中原子排列的具体形式。晶体格子（简称晶格）：晶体中原子排列的具体形式。原子规则堆积的意义：把晶格设想成为原子规则堆积，原子规则堆积的意义：把晶格设想成为原子规则堆积，有助于理解晶格组成，晶体结构及与其有关的性能等。有助于理解晶格组成，晶体结构及与其有关的性能等。二二 、 晶晶 格格 的的 实实 例例1. 1. 简单立方晶格简单立方晶格2. 2. 体心立方晶格体心立方晶格3. 3. 原子球最紧密排列的两原子球最紧密排列的两种方式种方式68特点：特点：层内为正方排列，是原子球规则排列的最简单形式；层内为正方排列，是原子球规则排列的最简单形式；原子层叠起来，各层球完

59、全对应，形成简单立方晶格；原子层叠起来，各层球完全对应，形成简单立方晶格；这种晶格在实际晶体中不存在，但是一些更复杂的晶格这种晶格在实际晶体中不存在，但是一些更复杂的晶格可以在简单立方晶格基础上加以分析。可以在简单立方晶格基础上加以分析。 原子球的正方排列原子球的正方排列简单立方晶格典型单元简单立方晶格典型单元1. 1. 简单立方晶格简单立方晶格69简单立方晶格的原子球心形成一个三维立方格子结构，简单立方晶格的原子球心形成一个三维立方格子结构，整个晶格可以看作是这样一个典型单元沿着三个方向整个晶格可以看作是这样一个典型单元沿着三个方向重复排列构成的结果。重复排列构成的结果。 简单立方晶格单元沿

60、着三个方向重复排列构成的图形简单立方晶格单元沿着三个方向重复排列构成的图形702. 2. 体心立方晶格体心立方晶格 体心立方晶格的典型单元体心立方晶格的典型单元排列规则排列规则：层与层堆积方式是上面一层原子球心对准下层与层堆积方式是上面一层原子球心对准下面一层球隙，下层球心的排列位置用面一层球隙，下层球心的排列位置用A A标记，上面一层标记，上面一层球心的排列位置用球心的排列位置用B B标记，体心立方晶格中正方排列原标记，体心立方晶格中正方排列原子层之间的堆积方式可以表示为子层之间的堆积方式可以表示为 ： AB AB AB ABAB AB AB AB体心立方晶格的堆积方式体心立方晶格的堆积方式