材料物理基礎(chǔ)第一節(jié)課

第一講緒論1.1材料物理學(xué)的定義1.3材料物理學(xué)的探討范圍1.2材料物理學(xué)的特點1.4材料物理學(xué)的探討手段材料物理材料物理是探討物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)、組織形式、運動狀態(tài)、物理性能、化學(xué)成分以及它們之間相互關(guān)系的學(xué)科。材料物理是物理學(xué)和材料學(xué)之間的交叉學(xué)科。1.1材料物理學(xué)的定義它旨在利用物理中的一些學(xué)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(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)的一些基本概念、基本原理、基本定律動身，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)和它們在各種外界條件下發(fā)生的變更及其變更規(guī)律，得出結(jié)論，進而指導(dǎo)材料的生產(chǎn)和科學(xué)探討。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(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(xué)的定義材料無處不在“新材料”與“高技術(shù)”。

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)等方面不同于一般材料，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(shù)”，就是接受新材料、新工藝，產(chǎn)生更高效益，能促進人類社會更快進步的技術(shù)。高技術(shù)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(dǎo)體材料及大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷突破，使電子計算機的體積越來越小，實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(chǔ)與先導(dǎo)。人類的歷史曾以運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(shù)是當(dāng)前國際公認(rèn)的新技術(shù)革命的二大支柱。1.1材料物理學(xué)的定義材料科學(xué)的形成是金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料各學(xué)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(xué)科基礎(chǔ)，這個學(xué)科就是材料科學(xué)。明顯，材料科學(xué)已成為一門獨立的學(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)。1.1.2材料的分類材料可分為單晶、多晶、非晶、準(zhǔn)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(xué)的角度，從應(yīng)用來看，依據(jù)材料的用途，1.1材料物理學(xué)的定義材料有共通性制備、運用過程中現(xiàn)象、概念、轉(zhuǎn)變相像。單晶多晶非晶準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)、缺陷行為平衡熱力學(xué)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(xué)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。1.1材料物理學(xué)的定義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)的定義材料工程更留意實際，主要論及材料的加工工藝。目前，它已變成一門極困難的技藝材料物理和材料科學(xué)的關(guān)系3.材料物理的基本探討指導(dǎo)材料的生產(chǎn)應(yīng)用。1.2材料物理學(xué)的特點1.休戚相關(guān)、相互促進和共同發(fā)展2.材料物理探討課題來源于材料、對象也是材料，都是生產(chǎn)、科研中提出來的新問題。一方面，材料物理所探討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(yīng)。陶瓷：燒結(jié)體，燒結(jié)技術(shù)，微結(jié)構(gòu)1.2材料物理學(xué)的特點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(xué)性質(zhì)、磁性、超導(dǎo)電性等實際問題的探討也就隨之提出；由于電子技術(shù)、激光、紅外技術(shù)的須要，探討電介質(zhì)材料就由探討絕緣體的四大參數(shù)逐步擴展到探討物質(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、氧化及擴散的探討等等。舉例2：另一方面，將材料物理的基本探討成果應(yīng)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)的探討顯著地改進了硅鋼片的質(zhì)量利用非晶硒的光導(dǎo)特性的探討成果，發(fā)展了新的靜電復(fù)印技術(shù)；集成鐵電學(xué)的探討，促進了鐵電存儲器的實際應(yīng)用開發(fā)。舉例：材料科學(xué)的探討導(dǎo)致新的物理學(xué)現(xiàn)象探討材料的性質(zhì)在各種外界條件（力、熱、光、氣、電、磁、輻照、極端條件等）下發(fā)生的變更。發(fā)覺到新的物理現(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)。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，它的基礎(chǔ)牽涉到很多不同的學(xué)科，諸如晶體學(xué)、材料力學(xué)、物理化學(xué)、材料科學(xué)基礎(chǔ)、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)計物理、量子力學(xué)、固體物理學(xué)）等。就是說，它是利用了這些學(xué)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(xué)科。

晶體學(xué)揭示材料的微觀組織結(jié)構(gòu)材料科學(xué)有助于探討材料的內(nèi)在聯(lián)系1.2材料物理學(xué)的特點量子力學(xué)、統(tǒng)計物理及彈性力學(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動規(guī)律和它們之間的交互作用；固體物理學(xué)供應(yīng)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(chǔ)學(xué)問。1.2材料物理學(xué)的特點熱力學(xué)、物理化學(xué)、材料力學(xué)、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)果要有好的理論來說明。

一個試驗現(xiàn)象應(yīng)當(dāng)有一個相應(yīng)的理論說明才是完備的。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)的探討范圍每一個材料學(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探討中的重要領(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。1.3材料物理學(xué)的探討范圍1.4材料物理和物理學(xué)的試驗測試技術(shù)X射線技術(shù)－XRD掃描電鏡－SEM透視電鏡－TEM高辨別率透視電鏡－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(xué)的探討手段掃描探針顯微鏡－SPM材料物理作為物理學(xué)的一個分支，其發(fā)展與物理學(xué)的試驗技術(shù)和基本理論的進展親密相關(guān)。物理學(xué)的新技術(shù)和新理論，將會極大地促進材料物理領(lǐng)域的發(fā)展。在試驗技術(shù)上，XRD、SEM、TEM、HREM、FIM、XPS、IR、Raman光譜、ESR、NMR等現(xiàn)代測試方法的應(yīng)用，為材料探討開拓了新天地。在理論方面，量子力學(xué)在材料物理理論中所起的促進作用是人所共知的?；仡櫜牧习l(fā)展和材料探討的歷史，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、論文和材料會議報道即將問世的材料），以及材料科學(xué)探討成果，可以歸納、總結(jié)出材料學(xué)與物理學(xué)是有親密聯(lián)系的。因此，從物理學(xué)的角度說明材料，即形成材料物理學(xué)科，明顯是順理成章的。材料物理作為一門學(xué)科，其中的一個基本任務(wù)是關(guān)注新材料、高技術(shù)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(yīng)、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(dǎo)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，其探討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(yīng)用、開發(fā)上隱藏著巨大的潛力，如研制出新材料、新的元件或器件；或有可能開拓出新的技術(shù)領(lǐng)域。從這個意義上看，材料物理將為研制高技術(shù)材料打下堅實的物理基礎(chǔ)。主要介紹金屬結(jié)構(gòu)理論、缺陷物理、材料強化、導(dǎo)電物理基礎(chǔ)、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)容舉薦教材《固體物理》主編：黃昆、韓汝琦

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