緒論-《材料物理》課件

材料物理薩出仁桂2010-2011第一學期1材料物理是什么3材料物理學的研究范圍2材料物理學的特點4材料物理學的研究手段5材料的基本特性4材料物理合成方法材料物理是研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)、組織形式、運動狀態(tài)、物理性能、化學成分以及它們之間相互關系的學科。材料物理是物理學和材料學之間的交叉學科。1.1材料物理學的定義它旨在利用物理中的一些學科的成果來闡明材料中的種種規(guī)律和轉(zhuǎn)變過程。

材料性能物理學模型物理學概念、原理等物理

科學材料

科學材料物理1.1材料物理學的定義從物理學的一些基本概念、基本原理、基本定律出發(fā)，并建立相應的物理模型，力圖闡述材料本身的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和它們在各種外界條件下發(fā)生的變化及其變化規(guī)律，得出結(jié)論，進而指導材料的生產(chǎn)和科學研究。

能源材料金屬材料無機非金屬材料光電材料有機高分子材料智能材料生物材料生態(tài)環(huán)境材料復合材料單晶多晶非晶準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材料物理學的定義材料種類繁多傳感器件半導體芯片半導體技術液晶材料光學材料金屬材料磁性材料移動通訊數(shù)碼拍照拍照功能顯示功能金屬外殼信號接受對話功能電子線路照片存儲功能材料介電材料1.1材料物理學的定義材料無處不在“新材料”與“高技術”。

所謂“新材料”，就是那些新出現(xiàn)或已在發(fā)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。

所謂“高技術”，就是采用新材料、新工藝，產(chǎn)生更高效益，能促進人類社會更快進步的技術。

高技術引入大量新材料，二者相輔相成。其中一個最突出的例子是：半導體材料及大規(guī)模集成電路技術的不斷突破，使電子計算機的體積越來越小，能力卻成千上萬倍地提高。

1.1.1材料是社會進步的物質(zhì)基礎與先導。人類的歷史曾以使用的主要材料來加以劃分，如石器時代、青銅器時代、鐵器(鋼鐵)時代等等。目前人類正進人信息社會，材料、能源和信息技術是當前國際公認的新技術革命的二大支柱。1.1材料物理學的定義材料科學的形成是金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料各學科發(fā)展過程的殊途同歸。也就是說，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科基礎，這個學科就是材料科學。顯然，材料科學已成為一門獨立的學科以及各組成學科的聚集體。材料種類類型、材料加工工藝以及各種材料之間相互有機聯(lián)系而形成的材料科學，就廣義而言，三者構(gòu)成了材料學。1.1.2材料的分類材料可分為單晶、多晶、非晶、準晶和液晶

材料則可分為無機材料與有機材料。

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。材料可分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料。

按狀態(tài)分，從化學的角度，從應用來看，根據(jù)材料的用途，材料有共通性制備、使用過程中現(xiàn)象、概念、轉(zhuǎn)變相似。單晶多晶非晶準晶結(jié)構(gòu)、缺陷行為平衡熱力學擴散、界面結(jié)構(gòu)與行為材料相變機理電子遷移及電性能從物理學的角度，從微觀的角度來闡述材料中的種種規(guī)律是很重要的。高性能陶瓷高純金屬生物工程薄膜納米材料半導體超導體聚合物材料工程1.1.3什么是材料工程？材料工程更注重實際，主要論及材料的加工工藝。目前，它已變成一門極復雜的技藝材料物理和材料科學的關系3.材料物理的基本研究指導材料的生產(chǎn)應用。1.息息相關、相互促進和共同發(fā)展2.材料物理研究課題來源于材料、對象也是材料，都是生產(chǎn)、科研中提出來的新問題。一方面，材料物理所研究的一些主要課題往往是從生產(chǎn)實踐中提出來的

舉例1：金屬材料：強度、范性低維材料，薄膜材料（2維）、納米線（1維）納米點（0維），尺寸效應。陶瓷：燒結(jié)體，燒結(jié)技術，微結(jié)構(gòu)由于工藝上的突破并實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)的“金屬玻璃”，因而金屬玻璃的力學性質(zhì)、磁性、超導電性等實際問題的研究也就隨之提出；由于電子技術、激光、紅外技術的需要，研究電介質(zhì)材料就由研究絕緣體的四大參數(shù)逐步擴展到研究物質(zhì)的電極化過程；為了發(fā)展耐高溫的材料，推動了對于金屬或陶瓷的高溫強度、高溫蠕變、氧化及擴散的研究等等。舉例2：另一方面，將材料物理的基本研究成果應用到生產(chǎn)實踐中去，也會發(fā)揮很大的作用再結(jié)晶結(jié)構(gòu)的研究顯著地改進了硅鋼片的質(zhì)量利用非晶硒的光導特性的研究成果，發(fā)展了新的靜電復印技術；集成鐵電學的研究，促進了鐵電存儲器的實際應用開發(fā)。舉例：材料科學的研究導致新的物理學現(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、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。材料物理是物理和材料的交叉學科材料物理是介于物理學與材料學之間的一門邊緣學科，它的基礎牽涉到許多不同的學科，諸如晶體學、材料力學、物理化學、材料科學基礎、材料物理性能，以及物理學中的一些分支（熱力學、彈塑性理論、統(tǒng)計物理、量子力學、固體物理學）等。

就是說，它是利用了這些學科的成果，形成了以諸種材料為對象的一門獨立的綜合性的物理學科。

晶體學揭示材料的微觀組織結(jié)構(gòu)材料科學有助于研究材料的內(nèi)在聯(lián)系量子力學、統(tǒng)計物理及彈性力學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動規(guī)律和它們之間的交互作用；固體物理學提供了原子鍵合、原子振動、電子結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)等的基礎知識。熱力學、物理化學、材料力學、材料物理性能可以用來闡明材料一些宏觀的規(guī)律和材料特性。好的試驗結(jié)果要有好的理論來解釋。

一個試驗現(xiàn)象應該有一個相應的理論解釋才是完美的。為什么？是什么？材料學物理學金屬物理學，半導體物理學、電介質(zhì)物理學、鐵電物理學、磁學、非晶態(tài)物理學、高分子物理學、薄膜物理學等。材料物理的范圍每一個材料學的分支都相應的有相應的材料物理學分支材料物理是物理研究中的重要領域。比如超導體、半導體、永磁材料。也是物理中發(fā)展最快的領域。1.3材料物理學的研究范圍1.4材料物理和物理學的實驗測試技術X射線技術－XRD掃描電鏡－SEM透視電鏡－TEM高分辨率透視電鏡－HREM場離子顯微鏡－FIM遠紅外光譜－IR核磁共振－NMR電子順磁共振譜－ESRX光熒光譜－XPS拉曼光譜－Raman1.4材料物理學的研究手段掃描探針顯微鏡－SPM材料物理作為物理學的一個分支，其發(fā)展與物理學的實驗技術和基本理論的進展密切相關。物理學的新技術和新理論，將會極大地促進材料物理領域的發(fā)展。在實驗技術上，XRD、SEM、TEM、HREM、FIM、XPS、IR、Raman光譜、ESR、NMR等現(xiàn)代測試方法的應用，為材料研究開辟了新天地。在理論方面，量子力學在材料物理理論中所起的促進作用是人所共知的。回顧材料發(fā)展和材料研究的歷史，尤其是20世紀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、論文和材料會議報道即將問世的材料），以及材料科學研究成果，可以歸納、總結(jié)出材料學與物理學是有密切聯(lián)系的。因此，從物理學的角度說明材料，即形成材料物理學科，顯然是順理成章的。

材料物理作為一門學科，其中的一個基本任務是關注新材料、高技術的發(fā)展，以力圖從其中總結(jié)歸納出新的物理現(xiàn)象、效應、模型或圖像。同時，材料物理本身也在不斷發(fā)展中，如金屬物理、半導體物理、電介質(zhì)物理、非晶態(tài)物理、高分子物理、薄膜物理等等，其研究成果往往會揭示出一些新的物理概念和規(guī)律。上述這些意味著在應用、開發(fā)上蘊藏著巨大的潛力，如研制出新材料、新的元件或器件；或有可能開辟出新的技術領域。從這個意義上看，材料物理將為研制高技術材料打下牢固的物理基礎。

主要介紹金屬結(jié)構(gòu)理論、缺陷物理、材料強化、導電物理基礎、材料的介電行為、鐵電物理、磁性物理、材料的相變、非晶態(tài)物理、高分子物理和低維材料結(jié)構(gòu)。

材料物理課的主要內(nèi)容磁性材料的基本特性1.磁性材料的磁化曲線磁性材料是由鐵磁性物質(zhì)或亞鐵磁性物質(zhì)組成的，在外加磁場H作下，必有相應的磁化強度M或磁感應強度B，它們隨磁場強度H的變曲線稱為磁化曲線（M～H或B～H曲線）。磁化曲線一般來說是非線性的，具有2個特點磁飽和現(xiàn)象及磁滯現(xiàn)象。即當磁場強度H足夠大時，磁化強度M達到一個確定的飽和值Ms，繼續(xù)增大H，Ms保持不變；以及當材料的M值達到飽和后，外磁場H降低為零時，M并不恢復為零，而是沿MsMr曲線變化。材料的工作狀態(tài)相當于M～H曲線或B～H曲線上的某一點，該點常稱為工作點。軟磁材料的常用磁性能參數(shù)飽和磁感應強度Bs：其大小取決于材料的成分，它所對應的物理狀態(tài)是材料內(nèi)部的磁化矢量整齊排列。剩余磁感應強度Br：是磁滯回線上的特征參數(shù)，H回到0時的B值。矩形比：Br∕Bs矯頑力Hc：是表示材料磁化難易程度的量，取決于材料的成分及缺陷（雜質(zhì)、應力等）。磁導率μ：是磁滯回線上任何點所對應的B與H的比值，與器件工作狀態(tài)密切相關。初始磁導率μi、最大磁導率μm、微分磁導率μd、振幅磁導率μa、有效磁導率μe、脈沖磁導率μp。居里溫度Tc：鐵磁物質(zhì)的磁化強度隨溫度升高而下降，達到某一溫度時，自發(fā)磁化消失，轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判裕撆R界溫度為居里溫度。它確定了磁性器件工作的上限溫度。損耗P：磁滯損耗Ph及渦流損耗PeP=Ph+Pe=af+bf2+cPe∝f2t2/，ρ降低，磁滯損耗Ph的方法是降低矯頑力Hc；降低渦流損耗Pe的方法是減薄磁性材料的厚度t及提高材料的電阻率ρ。在自由靜止空氣中磁芯的損耗與磁芯的溫升關系為：總功率耗散（mW）/表面積（cm2）3.軟磁材料的磁性參數(shù)與器件的電氣參數(shù)之間的轉(zhuǎn)換在設計軟磁器件時，首先要根據(jù)電路的要求確定器件的電壓～電流特性。器件的電壓～電流特性與磁芯的幾何形狀及磁化狀態(tài)密切相關。設計者必須熟悉材料的磁化過程并拿握材料的磁性參數(shù)與器件電氣參數(shù)的轉(zhuǎn)換關系。設計軟磁器件通常包括三個步驟：正確選用磁性材料；合理確定磁芯的幾何形狀及尺寸；根據(jù)磁性參數(shù)要求，模擬磁芯的工作狀態(tài)得到相應的電氣參數(shù)。材料的種類和應用磁性合成材料的種類和應用磁性合成材料分為結(jié)構(gòu)型和復合型兩種。

其中，復合型磁性合成材料分為兩大類，熱塑性和熱固性。熱塑性磁性合成材料按照加工方法可分為兩類，一類為以氯化聚乙烯或丁腈橡膠等為基材，采用橡膠的加工工藝成型的磁性橡膠；另一類以尼龍、聚苯硫醚為基材的注射磁體。復合型磁性材料所填充的磁粉以鐵氧體為多，如BaO?6Fe2O3、SrO?6FeO等，此外還有另一類磁粉材料，如SmCo5、Nd-FeB和釤鐵氮類。前兩種在國內(nèi)外均已工業(yè)化生產(chǎn)，釤鐵氮類在日本已實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，在我國還處于研究開發(fā)階段。

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