材料物理化学讲解
材料物理与化学
0
e 1 d
2
在很低和较低的温度时，热容与绝对 温度的三次方成正比。在德拜温度以上， 热容基本不变。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2.3.2 声子平均速度与温度的关系
声子速度与弹性模量和密度有关，温度 对它们有影响，但影响不大。可以近似认 为与温度无关。
2.3.3 声子平均自由程与温度的关系
2.4 光子导热机理 较高频率的电磁辐射所产生的导热过程 称为光子导热。 1 pt Cv pt V pt l pt 3
速度和平均自由程不变。热容与温度三 次方成正比，但只有到温度足够时才比较 显著。
3. 各类材料的导热性能
各类材料的导热性能是该种材料中各 种微观粒子导热——分子导热、电子导热、 声子导热和光子导热的总和。所以所有材 料导热系数的通式可表示为：
T>>T*时
3 * 2 3 1 T Cve 1 R 2 6 2 T
其中，T*为自由电子的特性温度
2.2.2 电子平均速度与温度的关系
电子的平均速度依赖于电子的动能。电 子的动能Ee为：
1 2 RT 2 Ee 1 4
2.2.4 电子导热与温度的关系
（1）很低温度 平均速度与温度无关，平均自由程与温 度无关，热容与温度成正比。所以导热系 数与温度成正比。 （2）中等温度 电子运动的平均速度仍为常数，热容也 仍与温度成正，平均自由程与温度成反比。 所以中等温度时导热系数不随温度变化， 接近一常数。
（3）很高温度 电子运动平均速度与温度的平方根成正 比，平均自由程与温度成反比，热容接近一 常数。所以导热系数随着温度增加而略有减 小。
材料物理化学
材料物理化学材料物理化学是研究材料的结构、性质和变化规律的一门学科，它涉及了物理学和化学两个领域的知识。
在材料科学领域中，物理化学的研究对于材料的设计、制备和性能优化具有重要意义。
本文将从材料物理化学的基本概念、研究方法和应用领域等方面进行介绍。
材料物理化学的基本概念。
材料物理化学是研究材料表面、界面及内部结构的物理化学过程的学科。
它主要包括材料的结构与性能、材料的相变规律、材料的表面与界面现象等内容。
材料的结构与性能研究了材料的晶体结构、缺陷结构、晶体生长机理等与材料性能之间的关系；材料的相变规律研究了材料在不同条件下的相变行为和相变动力学规律；材料的表面与界面现象研究了材料的表面活性、表面能、界面扩散等现象对材料性能的影响。
材料物理化学的研究方法。
材料物理化学的研究方法主要包括实验研究和理论计算两种。
实验研究是通过对材料进行各种物理化学性质的测试和分析，来揭示材料的结构与性能之间的关系。
常用的实验手段包括X射线衍射、电子显微镜、原子力显微镜等。
理论计算则是通过建立材料的物理化学模型，利用量子力学、分子动力学等方法，计算材料的结构、能量、振动等性质。
这两种方法相辅相成，共同推动了材料物理化学的发展。
材料物理化学的应用领域。
材料物理化学的研究成果在许多领域都有着重要的应用价值。
在材料制备方面，材料物理化学的研究可以指导材料的合成方法和工艺参数的选择，提高材料的制备效率和性能。
在材料性能优化方面，材料物理化学的研究可以帮助人们理解材料的性能来源，为材料的性能改进提供科学依据。
在材料应用领域，材料物理化学的研究可以拓展材料的应用范围，提高材料的使用寿命和稳定性。
总结。
材料物理化学作为一个重要的交叉学科，对于材料科学的发展和应用具有重要意义。
通过对材料的结构、性能和变化规律的研究，可以为材料的设计、制备和应用提供科学依据，推动材料领域的发展。
希望本文的介绍能够帮助读者更好地了解材料物理化学这一学科，并对材料科学有更深入的认识。
材料物理与化学
材料物理与化学：揭示微观奥秘，推动人类进步导言是一门融合科学，涉及了多个领域的知识，从小到大的颗粒运动到宏观物质的特性变化。
它为人类社会的进步做出了重大贡献，不仅改善了生活品质，也推动了科技发展。
本文将重点探讨的相关概念、应用以及未来的发展趋势。
第一部分：微观世界的奥秘的核心是对微观世界的研究。
在这个级别上，材料的基本组成单元——原子和分子成为了研究的对象。
物理学通过描述和解释原子结构以及其相互作用的规律，揭示了物质的基本性质。
化学则研究了分子结构，反应过程以及新物质的合成。
原子结构的研究首先得益于物理学家J.J.汤姆森和R.A.密立根的发现，他们通过实验证明原子是由带正电荷的原子核和围绕其旋转的电子构成。
这个理论被进一步发展和完善，最终形成了今天我们所熟知的原子模型。
随着技术的进步，科学家们还发现了更多微观粒子的存在，如中子和质子等。
这些发现不仅拓展了我们对物质构成的认知，也为我们理解材料性质的变化提供了更深入的理论基础。
第二部分：材料物理的应用的研究成果在很多领域都有广泛的应用。
顺应时代潮流，我们可以将其中几个研究方向进行简要介绍。
1. 显示技术在现代社会中，我们无处不见各种各样的显示技术。
LED、液晶、OLED等屏幕都依赖于材料物理的研究成果。
通过精确控制材料的物理特性，我们可以制造出高清晰度、高反应速度和节能的显示器件，为人们提供更好的视觉体验。
2. 能源领域随着能源危机的日益严重，寻找替代能源的研究变得尤为重要。
的研究为太阳能电池、燃料电池、光催化剂等领域的发展提供了新的机遇。
通过研究光电材料的性能和光催化反应的机理，我们尝试着开发更高效、更可持续的能源来源。
3. 生物医学的研究也为生物医学的发展做出了巨大贡献。
例如，人工晶体材料的制作让患者重见光明；生物陶瓷、生物医用金属等材料的研究为骨科手术和牙科修复提供了可行的解决方案。
这些应用不仅提高了治疗效果，也改善了患者的生活质量。
第三部分：未来的发展领域仍然有巨大的发展潜力。
《材料物理化学》PPT课件
什么是材料科学？
材料科学是一门以固体材料为研究对象，以固体物理、 热力学、动力学、量子力学、冶金、化工为理论基础的边 缘交叉基础应用学科，它运用电子显微镜、X-射线衍射、 热谱、电子离子探针等各种精密仪器和技术，探讨材料的 组成、结构、制备工艺和加工使用过程与其机械、物理、 化学性能之间的规律的一门基础应用学科，是研究材料共 性的一门学科。
大部分耐火材料是以天然矿石（如耐火粘土、 硅石、菱镁矿、白云母等）为原料制造的。
3. 有机高分子材料（高聚物）
高聚物是由一种或几种简单低 分子化合物经聚合而组成的分子量 很大的化合物。高聚物的种类繁多， 性能各异，其分类的方法多种多样。 按高分子材料来源分为天然高分子 材料和合成高分子材料；按材料的 性能和用途可将高聚物分为橡胶、 纤维、塑料和胶粘剂等。
特种玻璃（亦称为新型玻璃）是指采用精制、高 纯或新型原料，通过新工艺在特殊条件下或严格控制 形成过程制成的一些具有特殊功能或特殊用途的玻璃。
特种玻璃包括SiO2含量在85%以上或55%以下的硅 酸盐玻璃、非硅酸盐氧化物玻璃（硼酸盐、磷酸盐、 锗酸盐、碲酸盐、铝酸盐及氧氮玻璃、氧碳玻璃等）、 非氧化物玻璃（卤化物、氮化物、硫化物、硫卤化物、 金属玻璃等）以及光学纤维等。
复合材料的种类繁多，目前还没有统 一的分类方法，下面根据复合材料的三要素 来分类。按基体材料分类，有金属基复合材 料，陶瓷基复合材料，水泥、混凝土基复合 材料，塑料基复合材料，橡胶基复合材料等； 按增强剂形状可分为粒子、纤维及层状复合 材料；依据复合材料的性能可分为结构复合 材料和功能复合材料。
0.1.2 根据材料的性能分类
功能材料是具有优良的电学、磁学、光 学、热学、声学、力学、化学和生物学 功能及其相互转化的功能，被用于非结 构目的的高技术材料。
材料物理化学
材料物理化学材料物理化学是研究材料的结构、性质和变化规律的科学。
它涉及了材料的组成、结构、性能和应用等方面，是材料科学的重要分支之一。
在材料物理化学领域，我们可以深入了解材料的微观结构与宏观性能之间的关系，从而为材料的设计、制备和应用提供理论指导和技术支持。
首先，材料的物理化学性质是指材料在特定条件下的物理状态和化学反应特性。
材料的物理性质包括热学性质、光学性质、电学性质、磁学性质等，而化学性质则包括材料的化学稳定性、化学反应活性等。
通过对材料的物理化学性质进行研究，我们可以了解材料的基本特性，为材料的选取和设计提供依据。
其次，材料的结构与性能之间存在着密切的关联。
材料的结构包括原子、分子、晶格等微观结构和晶体形貌、晶界、位错等宏观结构。
不同的结构对材料的性能具有重要影响，比如晶体结构的稳定性决定了材料的热学性能，晶界的存在对材料的力学性能产生影响等。
因此，通过对材料结构与性能的研究，我们可以揭示材料性能形成的机制，为材料的改性和优化提供理论依据。
最后，材料物理化学的研究对材料的应用具有重要意义。
通过对材料的物理化学性质、结构与性能的研究，我们可以实现对材料性能的精确调控和优化，从而提高材料的工程应用性能。
比如，在材料的设计和制备过程中，可以根据材料的物理化学性质选择合适的原料和工艺条件，以实现对材料性能的精确控制。
此外，在材料的应用过程中，可以根据材料的结构与性能特点，选择合适的使用条件和环境，以延长材料的使用寿命和提高材料的性能稳定性。
综上所述，材料物理化学是一个重要的交叉学科领域，它不仅关注材料的基本性质和结构特征，还关注材料的应用性能和工程应用。
通过对材料物理化学的研究，我们可以深入了解材料的本质规律，为材料的设计、制备和应用提供理论指导和技术支持，促进材料科学的发展和应用。
物理性能化学性能
• 1.1.1物理性能
• 定义：材料在各种物理条件下表现出来的 性能，包括密度、熔点、导热性、热膨胀 性、磁性等。
1.1.1物理性能• 1Biblioteka 密度。材料单位体积的质量称为密度。
• 2）熔点。金属由固态转变为液态时的温度称 为熔点。
• 3）导热性。导热性是材料传导热量的能力， 用热导率λ来表征。 • 4）导电性。材料传导电流的能力称为导电 性。 • 5）热膨胀性。热膨胀性是指材料在温度变 化时，体积发生膨胀或收缩的性能。
1.2材料的力学性能
• 材料的力学性能是指材料在承受各种外加载 荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变 应力等）时所表现出的力学特征。
• 常用的金属材料力学性能包括强度、硬度、 塑性、刚度、冲击韧性、疲劳强度等。
力－伸长曲线
• 1）弹性形变阶段（oe）。弹性变形是指外 力去除后能恢复的变形。
• 2）微量塑性变形和屈服阶段(es和ss’)。试 样继续发生变形，但除去外力后，只能有 部分变形恢复，而另一部分变形不能消失。 • 3）均匀塑性变形阶段(s’b)。此阶段整个试 样均匀变形，直到b点载荷达到最大值。 • 4）局部塑性变形阶段(bk).b点以后，塑性变 形开始集中在试样某一局部进行，发生颈 缩现象，直至k点断裂。
• 6）磁性。材料能导磁的性能称为磁性。
• 1铁磁性材料 2弱磁性材料 3抗磁性材料。
1.1.2化学性能
• 材料的化学性能是指材料在室温或高温下， 抵抗各种介质化学作用的能力。 • 1）耐腐蚀性。耐腐蚀性是指材料抵抗各种 介质腐蚀破坏的能力。 • 2）抗氧化性。抗氧化性是指材料抵抗高温 氧化的能力。
材料物理与化学
材料物理与化学材料物理与化学是一门研究材料结构、性能和制备过程的学科，通过理论和实验研究，探索材料的物理和化学特性以及其在各个领域中的应用。
材料科学的发展促进了现代工业的进步和科技的发展，对人类社会做出了重要贡献。
1. 材料物理材料物理是研究材料的物理性质和性能的学科。
它主要关注材料的结构、形态、成分以及其在外界条件下的物理行为特性。
例如，材料的导电性、磁性、光学性质等都是材料物理学研究的内容。
材料物理学的发展不仅丰富了我们对材料的认识，还为材料的设计与应用提供了重要的理论依据。
2. 材料化学材料化学是研究材料的化学性质和性能的学科。
它主要关注材料的组成、结构以及其在化学反应中的行为特性。
例如，材料在不同环境下的稳定性、降解性等都是材料化学研究的内容。
材料化学学科的发展使得人们能够通过合成和改性材料来满足不同领域的需求，如电子、医药、能源等。
3. 材料物理与化学的交叉研究材料物理与化学的研究相辅相成，相互交叉。
材料物理学的发展需要材料化学提供各种合成方法，而材料化学的研究也需要材料物理学的支持来解释其中的原理。
通过材料物理与化学的交叉研究，我们可以更加深入地了解材料的性质和行为，为开发新材料以及改进现有材料的性能提供理论指导。
4. 材料物理与化学的应用材料物理与化学的研究成果在各个领域中都有着广泛的应用。
例如，材料物理与化学在电子器件制造中的应用可以改善和提高电子材料的导电性能和稳定性，从而促进电子产品的发展。
在能源领域，材料物理与化学的研究可以用于开发高效的太阳能材料、储能材料等，以解决全球能源紧缺问题。
总结：材料物理与化学作为一门交叉学科，研究材料的结构、性能和制备过程，对现代工业和科技的发展起到了重要的推动作用。
通过深入研究材料的物理和化学特性，可以不断改进材料的性能，满足不同领域对材料的需求，并为人类社会的进步做出贡献。
在未来，材料物理与化学的研究将继续深入，并为各个领域的发展提供新的理论基础和实践应用。
材料物理与化学
材料物理与化学材料物理与化学是物理学和化学的交叉领域，研究的对象是材料的物理和化学性质，并通过探究材料的原子结构、晶体结构、电学、磁学、光学和力学等方面的特性，来探究材料的性能、功能和应用。
材料物理与化学具有重要的理论和实验意义，是新材料研究的基础和核心。
第一章：材料物理概述材料物理研究的是材料的物理性质。
物理学是先进基础学科，通过物理学的研究，我们可以深入了解材料的特性和性质，这些性质包括光学、电子、磁学、热学等。
物理学对新材料的研究非常重要，因为它可以对材料的微观结构和宏观性质进行刻画，为新材料的研究和开发提供基础。
第二章：材料化学概述材料化学研究的是材料的化学性质。
化学是研究物质的结构、性质和变化规律的科学，它提供了材料的组成和化学特性的信息。
化学结构对材料的性质和性能产生很大的影响，并且它也是制备出新材料的重要基础。
第三章：材料的基本性质材料的基本性质是温度、压力、密度、热容、热导率、导电率、热膨胀系数、抗磨性等物理化学性质，这些性质是材料在使用中必须了解的性质。
针对这些性质的研究可以进一步探究材料的应用范围和性能。
第四章：材料的物理性质材料的物理性质包括结构、相变、光学、磁学、声学、电学、力学等方面的性质。
这些性质对材料的应用和开发具有重要的意义。
第五章：材料的化学性质材料的化学性质包括化学反应、催化性质、化学表面反应、化学吸附、氧化还原等方面的性质。
这些性质在材料制备、改性和应用中起着重要的作用。
第六章：材料的组织结构材料的组织结构是材料多种性能的基础，它包括晶体结构、非晶固态和化学组成等方面。
通过分析材料的组织结构可以为其后续的应用和开发提供基础。
第七章：新材料的研究和应用新材料是材料科学的重要方向，也是经济社会发展的关键领域。
新材料通常具有独特的物理和化学性质，被广泛应用于先进制造和科技领域。
常见的新型材料有纳米材料、超导材料、生物材料、钙钛矿材料等。
综上所述，材料物理与化学是一个复杂而重要的学科，对于新材料的研究和应用具有重要的意义。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
3.1 钢液洁净度与过冷度的关系
过冷度/K
55
45 35
25
15 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030
氧含量/%
氧化铝 氧化硅
图1 氧含量与过冷度的关系
本实验所用原料为电解
纯铁，除氧外其它元素均为 恒量，脱氧后铁液中的杂质 主要为氧化物夹杂。因此， 氧含量可以代表其洁净度。 可见：随氧含量的增加，铁 液洁净度下降，过冷度亦下 降 。洁净度越高 ， 过冷度就 越大。
3.4 钢液洁净度与临界晶核半径的关系
临界晶核半径是指在凝 固过程中恰好能形成稳定晶 核的晶核半径。结果根据图4 可 见 ： 随着洁净度的提高 ， 临界晶核半径减小。在其它 条件相同时 ， 临 界 晶 核 半 径 减小使可长大的晶胚增多， 凝固组织中晶粒数量增加， 晶粒细化。从而使金属的强 度和韧性都得到提高。
3 结果与讨论
试样 1# 2# 3# 4# 5# 6# 7# 8# 9# 10# 11#
表2 试样的氧含量与过冷度
脱氧剂
氧含量/%
0.020 0.022 0.029 Al 0.025 0.015 0.010
0.0081
0.010
Si
0.013
0.014
0.012
T / K
46.1 37.8 19.7 24.6 44.5 51.1 57.8 47.2 46.1 30.2 49.1
3.3 钢液洁净度与形核功的关系
形核功是指形成一个晶核 体系所需要克服的能量。形核 功越小，凝固越容易。由图3 可 见 ， 铁液凝固时洁净度越低 ， 其形核功就越大。这是因为洁 净度低时，过冷度小，所需要 的形核功增大。反之，洁净度 越高 ， 形核功就越小 ， 就越容 易形成晶核。
图3 氧含量与形核功的关系
图4 氧含量与临界晶核半径的关系
4 结论
1.随着氧含量的减小，铁液的洁净度增加，其过冷度和 所需形核驱动力随之增大，也就是在相同冷却速度下， 氧含量越低，铁液开始凝固的温度越低。 2.铁液洁净度越高，形核功越小，临界晶核半径亦越小 越容易形成晶核。
3.2 钢液洁净度与形核驱动力的关系
图2 氧含量与形核驱动力的关系
在本实验条件下，铁液中的夹
杂物主要是铝、硅的脱氧产物氧化 铝和氧化硅。从图2可以看出，随 着洁净度的提高，铁液凝固形核的 驱动力逐渐增加。这是因为洁净度 的提高使得过冷度增大，从而使得 形核驱动力增加。在相同的洁净度 条件下，夹杂物类型不同时凝固所 需的形核驱动力也不同。初生晶核 与形核质点之间的润湿角越小，铁 液越容易凝固，它所需要的形核驱 动力也就越小。
1.1 形核半径与形核功
系统总的自由能变化
ΔG ΔGV ΔGs ΔGm V A （1）
球形晶核自由能
G
Gm
4r 3
3
4r 2
（2）
临界晶核半径
均质最大形核功
r* 2
ΔGm
G*
16 3
3Gm2
（3） （4）
非均质最大形核功
G*
16 3
3Gm2
f
其中
f 1 2 3cos cos3 4
（5） （6）
1.2 凝固热力学驱动力
单位体积自由能计算公式
ΔGm H m TSm
当T TGm
Hm Tm
T
（7）
（8） （9）
表1 铁的各项物性参数
金属 熔点Tm（K） 凝固潜热 H m (kJ mol 1) 熔化熵Sm /(J mol 1 K 1) 固、液面张力 /(J m2 )
洁净度对钢液形核影响的热力学研究
热力学
过冷度
热力学驱动力
形核功
临界晶核半径
研究目的
探究钢液形核过程中洁净度与形核半径、形核功 以及热力学驱动力的联系，为高洁净钢连铸细晶技术 提供相关理论依据，
研究过程
理论分析
实验
结果与讨论
结论
1 理论分析
对于钢铁材料，洁净度主要是指钢铁材料 中杂质含量的多少。杂质含量越低, 钢铁材料的 洁净度就越高。钢铁材料中的杂质主要包括氮、 氢、氧、硫、磷、碳及其化合物和各种夹杂物 等。实际生产过程中，钢液以非均质形核方式 凝固，钢中的异质质点作为形核核心，其数量、 性质等会对凝固过程的热力学参数如过冷度、 形核率等产生影响。
2.2 差热分析
通过超高温DTA测定试验样品的熔化温度 和凝固温度，测定条件为99.999%的氩气氛， 升温速度2℃/min，降温速度20℃/min。采用 测定的熔化终了的温度和凝固的开始温度之差 作为试样的过冷度。
差热分析仪的结构如上图所示。一般的差热分析装置由加热系统、温度控 制系统、信号放大系统、差热系统和记录系统等组成。有些型号的产品也 包括气氛控制系统和压力控制系统。
Fe
1809
15.2
8.4
0.254
2实 验
2.1 高温熔化实验
使用电解纯铁作为实验原料，利用连续高温钼 丝炉进行加热，将装有电解纯铁的Al2O3坩埚放入钼 丝炉内加热，通氩气保护。并通过Pt-PtRh10热电偶 配合温度控制仪控制钼丝炉的温度，将铁料加热至 1600℃熔化后，加脱氧剂铝，硅进行脱氧。保温 10min，然后随炉冷却，熔炼后得到试样。经过加 工清洗，最后利用红外吸收法分析氧含量。