材料物理绪论省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

材材 料料 物物 理理主讲教师：唐一文，主讲教师：唐一文，1390716360013907163600 纳米科技楼纳米科技楼 410410室室助教：曾世碧：助教：曾世碧：15377045835 15377045835 纳米科技楼纳米科技楼 301301室室 l第1页*了解材料物理和凝聚态物理研究 基本轮廓 *引导学生从书本走向实际研究l目l第2页1 除了一些详细知识以外，一个主要目标 是要学生把书本知识与实际研究工作联 系起来。2.课后阅读非常主要，能够帮助大家了解如 何利用学得东西去处理实际问题。3.明确实际研究工作大部分都是一些看起 来非常小事情。l课程主要构想和思绪l第3页第一讲第一讲 绪绪 论论1.1 材料物理学定义材料物理学定义1.3 材料物理学研究范围材料物理学研究范围1.2 材料物理学特点材料物理学特点1.4 材料物理学研究伎俩材料物理学研究伎俩材料物理材料物理l第4页*包括物质包括物质微观结构、组织形式、运动微观结构、组织形式、运动 状态、物理性能、化学成份状态、物理性能、化学成份及其相互关及其相互关 系研究系研究*物理学和材料学之间交叉学科。物理学和材料学之间交叉学科。1.1材料物理学定义材料物理学定义*利用物理学一些学科结果，说明材料中利用物理学一些学科结果，说明材料中 种种规律和转变过程。种种规律和转变过程。l第5页材料性能物理学模型物理学概念、原理等物理物理科学科学材料材料科学科学材料材料物理物理1.1材料物理学定义材料物理学定义从物理学一些基本概念、基本原理、基本定律出发，从物理学一些基本概念、基本原理、基本定律出发，并建立对应物理模型，力图阐述材料本身结构、性并建立对应物理模型，力图阐述材料本身结构、性质和它们在各种外界条件下发生改变及其改变规律，质和它们在各种外界条件下发生改变及其改变规律，得出结论，进而指导材料生产和科学研究。得出结论，进而指导材料生产和科学研究。l第6页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效材料功效材料信息材料信息材料1.1材料物理学定义材料物理学定义材料种类繁多材料种类繁多l第7页传感器件传感器件半导体芯片半导体芯片半导体技术半导体技术液晶材料液晶材料光学材料光学材料金属材料金属材料磁性材料磁性材料移动通讯移动通讯数码拍照数码拍照拍照功效拍照功效显示功效显示功效金属外壳金属外壳信号接收信号接收对话功效对话功效电子线路电子线路照片存放照片存放功效材料功效材料介电材料介电材料1.1材料物理学定义材料物理学定义材料无处不在材料无处不在l第8页/10/109 9lHave you ever wondered?lWhat material is used to protect the shuttle from high temperatures during re-entry?Carbon based CompositesAdvanced Ceramic Tilesl第9页/10/101010l陶瓷隔热瓦材料意义l第10页/10/101111Have you ever wondered?lWhat magnetic strip on your credit card is made from?Ferrite Magnetic Materialsl第11页/10/101212lWhat ceramic material is commonly added to paints?lColorfullDurableHave you ever wondered?TiO2SiO2,et al.l第12页/10/101313Magnetic Levitation TrainMagnetic Levitation TrainElectricity Transmition-Electricity Transmition-No Energy LostNo Energy Lost YBCO/LBCOYBCO/LBCO等高温超导等高温超导陶瓷陶瓷ScienceScience：100m YBCO 100m YBCO Have you ever wondered?lWhat ceramic is found in magnetic levitation train?l第13页/10/101414MILITARY USE碳纤维、石墨纤维等复合材料碳纤维、石墨纤维等复合材料碳纤维、石墨纤维等复合材料碳纤维、石墨纤维等复合材料铁氧体吸波材料铁氧体吸波材料铁氧体吸波材料铁氧体吸波材料吸波油漆吸波油漆吸波油漆吸波油漆纳米、超微粒子填充吸波纳米、超微粒子填充吸波纳米、超微粒子填充吸波纳米、超微粒子填充吸波雷达反射截面雷达反射截面雷达反射截面雷达反射截面乔巴姆装甲乔巴姆装甲乔巴姆装甲乔巴姆装甲 复合装甲鼻祖复合装甲鼻祖复合装甲鼻祖复合装甲鼻祖陶瓷装甲陶瓷装甲陶瓷装甲陶瓷装甲l第14页/10/101515Long-range missileSUBMARINESUBMARINE:压电陶瓷水声换能器压电陶瓷水声换能器压电陶瓷水声换能器压电陶瓷水声换能器潜艇眼睛潜艇眼睛潜艇眼睛潜艇眼睛MILITARY USEEyes of missile-Windows materials整流罩材料整流罩材料-透明陶瓷、红外陶瓷透明陶瓷、红外陶瓷耐高温、透红外依据目标红外源自动跟踪耐高温、透红外依据目标红外源自动跟踪l第15页/10/101616半导体陶瓷电容器半导体陶瓷电容器陶瓷空间转换器陶瓷空间转换器 无引线芯片座无引线芯片座陶瓷倒装片陶瓷倒装片陶瓷管脚阵列陶瓷管脚阵列射频晶体管射频晶体管氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷用于集成电路用于集成电路 陶瓷薄膜陶瓷薄膜CERAMIC-ITl第16页/10/101717陶瓷牙桩陶瓷牙桩陶瓷牙桩陶瓷牙桩永不磨损陶瓷刀具永不磨损陶瓷刀具永不磨损陶瓷刀具永不磨损陶瓷刀具陶瓷汽轮机陶瓷汽轮机陶瓷汽轮机陶瓷汽轮机光纤连接器用氧化锆陶瓷套筒光纤连接器用氧化锆陶瓷套筒光纤连接器用氧化锆陶瓷套筒光纤连接器用氧化锆陶瓷套筒电动推剪用陶瓷刀片电动推剪用陶瓷刀片电动推剪用陶瓷刀片电动推剪用陶瓷刀片琥珀纳米陶瓷隔热膜琥珀纳米陶瓷隔热膜琥珀纳米陶瓷隔热膜琥珀纳米陶瓷隔热膜Zirconia Watch ComponentZirconia Watch ComponentSTRUCTURAL CERAMICl第17页/10/101818消磁用消磁用PTCPTC压敏电阻压敏电阻陶瓷电容器陶瓷电容器陶瓷电容器陶瓷电容器压电陶瓷超声传感器压电陶瓷超声传感器压电陶瓷超声传感器压电陶瓷超声传感器陶瓷压力传感器陶瓷压力传感器陶瓷压力传感器陶瓷压力传感器陶瓷压阻压力传感器陶瓷压阻压力传感器陶瓷压阻压力传感器陶瓷压阻压力传感器晶体管晶体管晶体管晶体管ELECTRONIC CERAMICSl第18页/10/101919BIOCERAMICSBone cementBone substitutetoothl第19页/10/102020NanoNano Powders/Powders/CeramicsCeramicsNANO Tech0.4nml第20页/10/102121国家大剧院国家大剧院国家大剧院国家大剧院 顶部采取纳米材料制造顶部采取纳米材料制造顶部采取纳米材料制造顶部采取纳米材料制造纳米材料广泛应用纳米材料广泛应用C C纳米原子像纳米原子像纳米原子像纳米原子像纳米探针纳米探针纳米探针纳米探针l第21页/10/102222全热解碳双叶瓣全热解碳双叶瓣人工心脏瓣人工心脏瓣中中间间相相炭炭微微球球炭炭纤纤维维大型民航客机机轮刹车系统碳碳刹车盘大型民航客机机轮刹车系统碳碳刹车盘大型民航客机机轮刹车系统碳碳刹车盘大型民航客机机轮刹车系统碳碳刹车盘CARBON BASED MATERIALSl第22页/10/102323l，国家科技大会上，国家科技大会上,仅有两项国家科技创造一等仅有两项国家科技创造一等奖（连续空缺奖（连续空缺6年）年）,都分别颁发给了两项无机复都分别颁发给了两项无机复合材料及其应用技术。合材料及其应用技术。l耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料及其应用技术西北工业大学 张立同院士l高性能炭/炭航空制动材料制备技术中南大学 黄伯云院士l第23页/10/102424碳纳米球碳纳米球碳纳米球碳纳米球 巴基球巴基球巴基球巴基球 碳纳米管碳纳米管碳纳米管碳纳米管 储氢材料储氢材料储氢材料储氢材料纳米存放器和纳米存放器和纳米存放器和纳米存放器和DNADNADNADNA开关开关开关开关纳米碳管纳米碳管纳米碳管纳米碳管 电子枪电子枪电子枪电子枪 制作超薄电视制作超薄电视制作超薄电视制作超薄电视碳纳米管碳纳米管碳纳米管碳纳米管 纳米马达纳米马达纳米马达纳米马达 CARBON NANO TUBE/BALLBatteriesBatteriesLubricantLubricantSemiconductor Semiconductor l第24页“新材料新材料”与与“高技术高技术”“新材料新材料”：新出现或已在发展中，在成份、组：新出现或已在发展中，在成份、组 织、结构、形态等方面不一样于普通材织、结构、形态等方面不一样于普通材 料，含有传统材料所不具备优异性能料，含有传统材料所不具备优异性能 和特殊功效材料。和特殊功效材料。“高技术高技术”：采取新材料、新工艺，产生更高效益，：采取新材料、新工艺，产生更高效益，能促进人类社会更加快进步技术。能促进人类社会更加快进步技术。高技术引入大量新材料，二者相辅相成：高技术引入大量新材料，二者相辅相成：eg：半导体材料及大规模集成电路技术不停突：半导体材料及大规模集成电路技术不停突破，使电子计算机体积越来越小，能力却成千破，使电子计算机体积越来越小，能力却成千上万倍地提升。上万倍地提升。l第25页1.1.1材料是社会进步物质基础与先导材料是社会进步物质基础与先导人类历史曾以使用主要材料来加以划分人类历史曾以使用主要材料来加以划分如如石器时代石器时代、青铜器时代青铜器时代、铁器铁器(钢铁钢铁)时代时代等等等等。当前人类正进人信息社会，材料、能源和信息技当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新技术革命三大支柱。术是当前国际公认新技术革命三大支柱。1.1材料物理学定义材料物理学定义l第26页/10/102727Stone Age10万年万年DClBronze Agel30DClSteel Agel10DCMaterials and CivilizationEvolving of Human BeingCement Age0年年l第27页/10/102828PolymerAdvance CeramicINFORMATION AGEMaterials and CivilizationlIron Agel18New Materials age 1990年年Evolving of Human BeingSilicon Age1950年年l第28页/10/102929Electronic Materials Age植入硅芯片纳米碳管Nano Tube硅芯片 Silicon Transistor 晶体管Transistor晶体管芯片Transistor ChipMaterials and Civilization电子器件Electronic PartsINFORMATION AGEl第29页材料科学形成是金属材料、无机非金属材料、有材料科学形成是金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料各学科发展过程殊途同归。机高分子材料各学科发展过程殊途同归。即组成工程材料结构材料和功效材料有着共同学即组成工程材料结构材料和功效材料有着共同学科基础，这个学科就是材料科学。显然，材料科科基础，这个学科就是材料科学。显然，材料科学已成为一门独立学科以及各组成学科聚集体。学已成为一门独立学科以及各组成学科聚集体。材料种类类型、材料加工工艺以及各种材材料种类类型、材料加工工艺以及各种材料之间相互有机联络而形成材料科学，就料之间相互有机联络而形成材料科学，就广义而言，三者组成了材料学。广义而言，三者组成了材料学。l第30页1.1.2材料分类材料分类单晶、多晶、非晶、准晶和液晶单晶、多晶、非晶、准晶和液晶 无机材料与有机材料无机材料与有机材料 信息材料、能源材料、生物材料、建筑材料、信息材料、能源材料、生物材料、建筑材料、结构材料和功效材料结构材料和功效材料 按状态分：按状态分：化学角度：化学角度：应用：应用：用途用途:1.1材料物理学定义材料物理学定义航空航天材料航空航天材料等等l第31页材料有共通性：材料有共通性：制备、使用过程中现象、概念、转变相同制备、使用过程中现象、概念、转变相同单晶单晶多晶多晶非晶非晶准晶准晶结构、缺点行为结构、缺点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角度，从微观角度从物理学角度，从微观角度1.1材料物理学定义材料物理学定义阐述材料中种种规律很主要阐述材料中种种规律很主要l第32页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工程材料工程1.1.3 什么是材料工程？什么是材料工程？1.1材料物理学定义材料物理学定义材料工程更重视实际，主要论及材料加工工艺。当材料工程更重视实际，主要论及材料加工工艺。当前，它已变成一门极复杂技艺前，它已变成一门极复杂技艺 l第33页材料物理和材料科学关系材料物理和材料科学关系3.材料物理基本研究指导材料生产应用材料物理基本研究指导材料生产应用1.2材料物理学特点材料物理学特点1.息息相关、相互促进、共同发展息息相关、相互促进、共同发展2.研究课题起源于材料、对象也是材料，研究课题起源于材料、对象也是材料，都是生产、科研中提出来新问题。都是生产、科研中提出来新问题。l第34页*主要课题起源于生产实践主要课题起源于生产实践eg.1：l 金属材料：强度、范性金属材料：强度、范性l 低维材料，薄膜材料（低维材料，薄膜材料（2维）、纳米线（维）、纳米线（1维）、维）、l 陶瓷：烧结体，烧结技术，微结构陶瓷：烧结体，烧结技术，微结构1.2材料物理学特点材料物理学特点纳米点（纳米点（0维），尺寸效应。维），尺寸效应。l第35页l因为工艺上突破并实现连续生产因为工艺上突破并实现连续生产“金属玻璃金属玻璃”，因而金属玻璃力学性质、磁性、超导电性等实际因而金属玻璃力学性质、磁性、超导电性等实际 问题研究也就随之提出；问题研究也就随之提出；l因为电子技术、激光、红外技术需要，研究因为电子技术、激光、红外技术需要，研究 电介质材料就由研究绝缘体四大参数逐步扩电介质材料就由研究绝缘体四大参数逐步扩 展到研究物质电极化过程；展到研究物质电极化过程；l 为了发展耐高温材料，推进了对于金属或陶为了发展耐高温材料，推进了对于金属或陶 瓷高温强度、高温蠕变、氧化及扩散研究瓷高温强度、高温蠕变、氧化及扩散研究 等等。等等。eg.2：l第36页l材料物理基本研究结果在生产实材料物理基本研究结果在生产实 践践 中发挥了很大作用中发挥了很大作用 l 再结晶结构研究显著改进了硅钢片质量再结晶结构研究显著改进了硅钢片质量l 利用非晶硒光导特征研究结果，发展了新利用非晶硒光导特征研究结果，发展了新l 集成铁电学研究，促进了铁电存放器实际应集成铁电学研究，促进了铁电存放器实际应eg：静电复印技术；静电复印技术；用开发用开发l第37页*材料科学研究造成新物理学现象材料科学研究造成新物理学现象研究材料性质在各种外界条件（研究材料性质在各种外界条件（力、热、力、热、光、气、电、磁、辐照、极端条件等光、气、电、磁、辐照、极端条件等）下发生改变。发觉了新物理现象和效应、规下发生改变。发觉了新物理现象和效应、规律、形成了新概念。比如铁电、热释电、压律、形成了新概念。比如铁电、热释电、压电、电致伸缩等效应。电、电致伸缩等效应。l第38页材料物理是物理和材料交叉学科材料物理是物理和材料交叉学科1.2材料物理学特点材料物理学特点材料物理是介于物理学与材料学之间一门边缘学科，材料物理是介于物理学与材料学之间一门边缘学科，它基础牵涉到许多不一样学科，诸如它基础牵涉到许多不一样学科，诸如晶体学、材料力晶体学、材料力学、物理化学、材料科学基础、材料物理性能学、物理化学、材料科学基础、材料物理性能，以及，以及物理学中一些分支（物理学中一些分支（热力学、弹塑性理论、统计物理、热力学、弹塑性理论、统计物理、量子力学、固体物理学量子力学、固体物理学）等。）等。利用众多学科结果，形成了以诸种材料为研利用众多学科结果，形成了以诸种材料为研究对象一门独立综合性物理学科究对象一门独立综合性物理学科 l第39页*晶体学揭示材料微观组织结构晶体学揭示材料微观组织结构*材料科学有利于研究材料内在联络材料科学有利于研究材料内在联络1.2材料物理学特点材料物理学特点*量子力学、统计物理及弹性力学方法帮助我量子力学、统计物理及弹性力学方法帮助我 们了解材料中电子、原子以及各种晶体缺们了解材料中电子、原子以及各种晶体缺 陷运动规律和它们之间交互作用；陷运动规律和它们之间交互作用；l第40页*固体物理学提供了原子键合、原子振动、固体物理学提供了原子键合、原子振动、电子结构、能带结构等基础知识。电子结构、能带结构等基础知识。1.2材料物理学特点材料物理学特点*热力学、物理化学、材料力学、材料物理热力学、物理化学、材料力学、材料物理 性能能够用来说明材料一些宏观规律和材性能能够用来说明材料一些宏观规律和材 料特征。料特征。l第41页好试验结果要有好理论来解释。好试验结果要有好理论来解释。一个试验现象应该有一个对应理论解一个试验现象应该有一个对应理论解释才是完美。释才是完美。为何？为何？是什么？是什么？材料学材料学物理学物理学l第42页金属物理学，半导体物理学、电介质物理学、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、高分子物铁电物理学、磁学、非晶态物理学、高分子物理学、薄膜物理学等。理学、薄膜物理学等。材料物理范围1.3材料物理学研究范围材料物理学研究范围每一材料学分支都对应有对应每一材料学分支都对应有对应材料物理学分支材料物理学分支l第43页材料物理是物理研究中主要领域。比材料物理是物理研究中主要领域。比如超导体、半导体、永磁材料。也是如超导体、半导体、永磁材料。也是物理中发展最快领域。物理中发展最快领域。1.3材料物理学研究范围材料物理学研究范围l第44页1.4 材料物理和物理学试验测试技术X射线技术射线技术XRD扫描电镜扫描电镜SEM透射电镜透射电镜TEM高分辨透射电镜高分辨透射电镜HREM场离子显微镜场离子显微镜FIM红外光谱红外光谱FTIR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Raman1.4材料物理学研究伎俩材料物理学研究伎俩扫描探针显微镜扫描探针显微镜SPMl第45页*材料物理作为物理学一个分支，其发展与物材料物理作为物理学一个分支，其发展与物 理理学试验技术和基本理论进展亲密相关。物理学新学试验技术和基本理论进展亲密相关。物理学新技术和新理论，将会极大地促进材料物理领域发技术和新理论，将会极大地促进材料物理领域发展。展。*在试验技术上，在试验技术上，XRD、SEM、TEM、HREM、FIM、XPS、IR、Raman光谱、光谱、ESR、NMR等当等当代测试方法应用，为材料研究开辟了新天地。代测试方法应用，为材料研究开辟了新天地。*在理论方面，量子力学在材料物理理论中所起促在理论方面，量子力学在材料物理理论中所起促进作用是人所共知。进作用是人所共知。l第46页回顾材料发展和材料研究历史，尤其是回顾材料发展和材料研究历史，尤其是20世纪乃世纪乃至最近二三十年出现材料（市场已出现材料，或至最近二三十年出现材料（市场已出现材料，或经过专利、论文和材料会议报道即将问世材料），经过专利、论文和材料会议报道即将问世材料），以及材料科学研究结果，能够归纳、总结出材料以及材料科学研究结果，能够归纳、总结出材料学与物理学是有亲密联络。学与物理学是有亲密联络。从物理学角度说明材料，即形成材料物理学从物理学角度说明材料，即形成材料物理学科，显然是顺理成章科，显然是顺理成章 l第47页材料物理作为一门学科基本任务就是关注新材料、材料物理作为一门学科基本任务就是关注新材料、高技术发展，力图从中总结、归纳新物理现象、高技术发展，力图从中总结、归纳新物理现象、效应、模型或图像。同时，材料物理本身也在不效应、模型或图像。同时，材料物理本身也在不停发展中，如金属物理、半导体物理、电介质物停发展中，如金属物理、半导体物理、电介质物理、非晶态物理、高分子物理、薄膜物理等等，理、非晶态物理、高分子物理、薄膜物理等等，其研究结果往往会揭示出一些新物理概念和规律。其研究结果往往会揭示出一些新物理概念和规律。l第48页*在应用、开发上蕴藏着巨大潜力在应用、开发上蕴藏着巨大潜力:如研制出新如研制出新材料、新元件或器件；或有可能开辟出新技术材料、新元件或器件；或有可能开辟出新技术领域。从这个意义上看，材料物理将为研制高领域。从这个意义上看，材料物理将为研制高技术材料打下牢靠物理基础。技术材料打下牢靠物理基础。l第49页/10/105050材料物理材料物理l第50页l第51页/10/105252EXAMPLE：物质组成不一样，则性质不一样 物质结构不一样，性质也不一样 微观结构 显微结构 非均质材料（陶瓷、复合材料）性质强烈依赖于显微结构l第52页/10/105353比如：碳 C (微观结构对性质影响)石 墨：层状，易 碎，层间易断裂，导电无定形碳：非晶态结构，高硬度，绝缘金刚石碳：立方晶体，自然界硬度最高，绝 缘，高导热Sp3Sp3共价健共价健Sp2共价健范德华健l第53页l显微结构纳米结构（1100nm)纳米碳管、巴基球等纳米碳：特殊效应特殊性质催化、光吸收、磁介质等新材料领域/10/105454l第54页l显微结构l结晶相、非晶相、气孔等/10/105555l电子功效陶瓷、电子功效陶瓷、结构陶瓷致密结构陶瓷致密显微结构显微结构l生物功效陶瓷多孔生物功效陶瓷多孔显微结构显微结构l第55页材料物理材料物理 课程理论框架课程理论框架/10/105656原子间相互作用键合原子排列晶体结构结构缺点、固溶体非晶态固体纳米结构、显微结构1晶体结构2结构缺点3表面与界面原子迁移材料千姿百态 状态汇总图示材料状态转变无机材料4合金相与相图5扩散6相变7物理性质8纳米材料l第56页参考书：参考书：*材料物理材料物理 主主 编：王国梅编：王国梅 *走进材料科学走进材料科学 Robert W.Cahn Robert W.Cahn 著著*材料物理导论材料物理导论 主主 编：杨尚林编：杨尚林*无机材料物理性能无机材料物理性能主主 编：吴振铎编：吴振铎 *材料物理与化学材料物理与化学 主主 编：编：张志杰张志杰*半导体物理基础半导体物理基础 主主 编：编：黄昆、韩汝琦黄昆、韩汝琦*金属物理学金属物理学 主主 编：冯瑞编：冯瑞l第57页