材料物理学第1章-4PPT课件
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材料物理性能 第一章 (2)
在能源科学技术中的应用
i) 保温材料的优选和保温材料结构的优化设计。
ii) 远红外加热技术，以获得最佳的能量利用率。 iii) 太阳能的利用：要求尽可能多地吸收太阳辐射，
并且要最大限度地抑制集热器本身的热损。
在电子技术和计算机技术中的应用
i) 在超大规模集成电路（容量和密集度迅速增大）中， 要求集成块的基底材料导热性能优良。
自由电子的贡献
CV CVl CVe T 3 T
点阵振动热容 自由电子热容
常温下，自由电子热容微不足道 高温和低温时，电子热容不能够忽略
合金成分的影响
合金的热容是每个组成元素热容与其质量百分比的 乘积之和。
n
C X1C1 X 2C2 X nCn X iCi
无机材料的热容
高于D 时，趋于常数；低于D 时，与 T 3成正比 与材料结构的关系不大 相变时，热容出现了突变 单位体积的热容与气孔率有关
Cp a bT cT 2
不同温度下某些陶瓷材料的热容
相变时，热容出现了突变。
金属材料的热容
➢ 自由电子对热容的贡献 ➢ 合金成分对热容的影响 ➢ 相变时的热容变化
电学、热学、磁学性能 电学、光学性能 电学、热学性能 光学、热学、电学性能
课程内容
➢ 材料的热学、电学、磁学、光学等性能； ➢ 热学、电学、磁学、光学等现象的物理本质； ➢ 热学、电学、磁学、光学等性能的测量； ➢ 材料物理性能的工程意义及从理论上设计材料。
第一章 材料的热学性能
热容 热膨胀 热传导 热稳定性
3N
2
kT
e kT
2
1计算材料物理-第一章
MM力场
Norman L. Allinger (University of Georgia) /wiki/Norman_Allinger /people/faculty/allinger director of UGA's Computational Center for Molecular Structure and Design and professor emeritus of chemistry, has won the Benjamin Franklin Medal, a major international career achievement award that is often referred to as the "American Nobel.“ /doi/abs/10.1021/ja00205a001 主要用于有机物
势能面与能量最小化
势能函数可以用势能面来表示 Potential energy surface (PES) 势能面上的每个点对应一个可能的结构 寻找稳定的结构即为寻找势能面上的极小值点
/wiki/Potential_energy_surface
势能函数（势能面）的维数
对于含有N个原子的分子，有3N个笛卡尔坐标，因 此势能可以看作3N个坐标变量的函数 U(x1, y1, z1; x2, y2, z2; …; xN, yN, zN) 如果考虑内坐标，只有3N-6个内坐标，因此势能可 以看作3N-6个坐标变量的函数？
Why
势能面
势能面
1 2 U O k O 0 2
此项并非总是必须的
力场的势函数形式
材料物理基础第一节课
量子力学、统计物理及弹性力学方法帮助我们理解材料中的电子、原子以及各种晶体缺陷的运动规律和它们之间的交互作用；
1.2材料物理学的特点
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。
01
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和材料特性。
02
材料学
材料物理课的主要内容
主要介绍金属结构理论、缺陷物理、材料强化、导电物理基础、材料的介电行为、铁电物理、磁性物理、材料的相变、非晶态物理、高分子物理和低维材料结构。
推荐教材
参考书
作业
1。选一种日常用的电器、通讯设备等，指出它包括那几种材料以及这些电器今后的前景。
2。联系以前学习和遇到过的材料，讨论一下它可能遇到的物理问题。
材料科学的形成是金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料各学科发展过程的殊途同归。也就是说，构成工程材料的结构材料和功能材料有着共同的学科基础，这个学科就是材料科学。显然，材料科学已成为一门独立的学科以及各组成学科的聚集体。
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系而形成的材料科学，就广义而言，三者构成了材料学。
单击此处添加小标题
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、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、热释电、压电、电致伸缩等效应。
晶体学揭示材料的微观组织结构
2材料物理学的特点
材料科学有助于研究材料的内在联系
材料的分类
材料有共通性
制备、使用过程中现象、概念、转变相似。
单晶
多晶
非晶
准晶
结构、缺陷行为
1.2材料物理学的特点
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。
01
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和材料特性。
02
材料学
材料物理课的主要内容
主要介绍金属结构理论、缺陷物理、材料强化、导电物理基础、材料的介电行为、铁电物理、磁性物理、材料的相变、非晶态物理、高分子物理和低维材料结构。
推荐教材
参考书
作业
1。选一种日常用的电器、通讯设备等，指出它包括那几种材料以及这些电器今后的前景。
2。联系以前学习和遇到过的材料，讨论一下它可能遇到的物理问题。
材料科学的形成是金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料各学科发展过程的殊途同归。也就是说，构成工程材料的结构材料和功能材料有着共同的学科基础，这个学科就是材料科学。显然，材料科学已成为一门独立的学科以及各组成学科的聚集体。
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系而形成的材料科学，就广义而言，三者构成了材料学。
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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、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、热释电、压电、电致伸缩等效应。
晶体学揭示材料的微观组织结构
2材料物理学的特点
材料科学有助于研究材料的内在联系
材料的分类
材料有共通性
制备、使用过程中现象、概念、转变相似。
单晶
多晶
非晶
准晶
结构、缺陷行为
材料物理第一章1.2材料的蠕变-new详解
C1和C2为常数。
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1.2.3 材料的粘弹性
玻尔兹曼(Boltzmann)叠加原理
玻尔兹曼叠加原理： 粘弹性材料的力学松弛行为是其整个过程 中各个应力贡献的线性加和的结果。
据此原理可以用有限的实验数据， 去预测很宽范围内材料的力学性质。
21
1.2.3 材料的粘弹性
理想力学元件模型
采用理想弹簧和理想粘壶，以不同方式组合 起来，可以模拟粘弹性材料的力学松弛过程。 理想弹簧代表理想弹性体，其力学性质服从
➢橡胶采用硫化交联的办法，是为了防止因分子间滑移 的粘性形变而引起的蠕变；
➢塑料加工时会产生内应力，常需要升温退火的办法来 消除，以防止产品弯曲或开裂。
14
1.2.3 材料的粘弹性
滞后
定义：在交变应力作用下，形变落后于应 力变化的现象。
原因：在外力作用和去除的过程中，大分子的形 变是大分子链段发生重排的过程，这个过程需要 时间，导致应变滞后于应力。 若应力表达式为：
???????1为普弹应变内部键长键角变化2为高弹应变3为粘性应变e1为普弹应变模量e2为高弹应变模量3为材料粘度为松弛时间分子链段形变不同分子链段相对滑移12123材料的粘弹性应力松弛在恒定的应变时材料内部的应力随时间的增长而减小的现象
1.2 材料的塑性、蠕变与粘弹性
1.2.1 材料的塑性
塑性(Plasticity)：
17
1.2.3 材料的粘弹性
力损耗与频率的关系
高分子材料在应力变化的频率较低时，分子链段运 动基本能跟上应力的变化，tanδ很小； 频率较高时，分子链段运动完全跟不上应力的变 化，tanδ也很小； 频率中等时，分子链段运动跟不上应力的变化，使 tanδ出现极大值。
材料物理学第1章-凝聚态材料
准晶有一種特殊的原子运动模式称為 phason。
从结构上看，准晶至少是由几种基本結构的組合 后，以填滿整個空間 。
准晶內的原子振動，可使得這幾種基本結构之間 來回变換，而不會破坏准晶 的存在。
迄今为止，发现的准晶已有100多种。
2019/10/6
材料物理学第1章
7
2 .准晶的力学性质
材料物理学 第1章 凝聚态材料
本章讨论凝聚态材料基本结构与性质。
§1.1 晶体、非晶体、准晶体与液晶 §1.2 纳米材料 §1.3 超晶格材料与低维材料 §1.4 复合材料与梯度功能材料
2019/10/6
材料物理学第1章
1
什么是凝聚态？
通过分子原子间的相互作用而结合在一起，有固 定的体积的物质称凝聚体（Condensed System）。
（1） 高强度、高硬度
Al-Cu-Fe二十面体准晶和其类似相合金（包括添加少量 其它元素的合金）压缩强度可达700Mpa以上，硬度为Hv600900。
（2）脆性大，室温下变形难。
准晶压缩率小于1％，但在高温时则呈超塑性。这是因 准晶中的位错是固定，位错不易发生滑移而对形变作出贡献。
（3） 表面能低
准晶的低表面能与它的低表面电子态密度有关，所以它 有极低的磨擦系数；其次，有损伤自恢复功能，由于磨擦引 起的裂纹，会在随后的磨擦过程中消失，因而显示出一定的 韧性；准晶与食品的不粘性也很好。
虽然局部來看，准晶的结构也有一定的規則与 某些規律，但是准晶却不存在可以填滿整个空 间的最小单位“单胞”(unit cell) 。此外准 晶还具有一般晶体沒有的如五边形的对称性等 等。
准晶是短程有序，长程取向有序 ，具有准周期性。
2019/10/6
从结构上看，准晶至少是由几种基本結构的組合 后，以填滿整個空間 。
准晶內的原子振動，可使得這幾種基本結构之間 來回变換，而不會破坏准晶 的存在。
迄今为止，发现的准晶已有100多种。
2019/10/6
材料物理学第1章
7
2 .准晶的力学性质
材料物理学 第1章 凝聚态材料
本章讨论凝聚态材料基本结构与性质。
§1.1 晶体、非晶体、准晶体与液晶 §1.2 纳米材料 §1.3 超晶格材料与低维材料 §1.4 复合材料与梯度功能材料
2019/10/6
材料物理学第1章
1
什么是凝聚态？
通过分子原子间的相互作用而结合在一起，有固 定的体积的物质称凝聚体（Condensed System）。
（1） 高强度、高硬度
Al-Cu-Fe二十面体准晶和其类似相合金（包括添加少量 其它元素的合金）压缩强度可达700Mpa以上，硬度为Hv600900。
（2）脆性大，室温下变形难。
准晶压缩率小于1％，但在高温时则呈超塑性。这是因 准晶中的位错是固定，位错不易发生滑移而对形变作出贡献。
（3） 表面能低
准晶的低表面能与它的低表面电子态密度有关，所以它 有极低的磨擦系数；其次，有损伤自恢复功能，由于磨擦引 起的裂纹，会在随后的磨擦过程中消失，因而显示出一定的 韧性；准晶与食品的不粘性也很好。
虽然局部來看，准晶的结构也有一定的規則与 某些規律，但是准晶却不存在可以填滿整个空 间的最小单位“单胞”(unit cell) 。此外准 晶还具有一般晶体沒有的如五边形的对称性等 等。
准晶是短程有序，长程取向有序 ，具有准周期性。
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第一章原子的结构与键合ppt课件
（1）共价键的定义 ➢ 有些同类原子，例如周期表IVA，VA，VIA族中大多数元
素或电负性相差不大的原子互相接近时，原子之间不产生 电子的转移，此时借共用电子对所产生的力结合。
（2）共价键的特点 ➢ 共价键键合的基本特点是核外电子云达到最大的重叠，形
成“共用电子对”，有确定的方位，且配位数较小。
由于金属键即无饱和性又无方向 性，因而每个原子有可能同更多 的原子结合，并趋于形成低能量 的密堆结构，当金属受力变形而 改变原子之间的相互位置时不至 于破坏金属键，这就使金属具有 良好的延展性。
金属变形时，由金属键结 合的原子可变换相对位置
（3）金属键型晶体的特征 良好的导电、导热性：
自由电子定向运动（在电场作用下）导电、（在热场作 用下）导热。
金属键模型
电子气 金属离子
图 金属键与金属晶体
© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™
图 金属键与金属晶体
图 金属键、金属的导电性和金属的变形
问题1：金属具有良好导电、导热性能的原因？ （自由电子的存在）
问题2：金属具有良好延展性的原因？
Pauli不相容原理(Pauli principle) 在一个原子中，不可能存在四个量子数 完全相同的两个电子。
Hund规则(Hund ’s rule) 在同一亚层中的各个能级中， 电子的排布尽可能分占不同 的能级，而且自旋方向相同
IA
1 H IIA 2 Li Be
碱金属
碱土金属 过渡元素
主族金属
第一节 原子结构
1.1.1 物质的组成
一切物质都是由无数微粒按一定 的方式聚集而成的。这些微粒可能 是分子、原子或离子。
半导体物理与器件-课件-教学PPT-作者-裴素华-第1章-半导体材料的基本性质
简化为
J = pqv p
1.6.4 半导体的电阻率ρ
电阻率是半导体材料的一个重要参数，其值为电导率
的倒数。 1
1
ρ= =
σ nqμn + pqμ p
对于强P型和强N型半导体业有相应的简化。
从上面的公式可以看出，半导体电阻率的大小决定于 n, p, μn ,μp的具体数值，而这些参数又与温度有关， 所以电阻率灵敏的依赖于温度，这是半导体的重要 特点之一。
b) P型硅中电子和空穴 的迁移率
载流子的迁移率还要随温度而变化。
硅中载流子迁移率随温度变化的曲线 a) μn b) μp
1.6.3 半导体样品中的漂移电流密度
设一个晶体样品如图所示， 以单位面积为底，以平 均漂移速度v为长度的矩 形体积。先求出电子电 流密度，设电场E为x方 向，在电场的作用下， 电子应沿着-x方向运动。
不论半导体中的杂质激发还是本征激发，都是依靠吸收 晶格热振动能量而发生的。由于晶格的热振动能量是随 温度变化的，因而载流子的激发也要随温度而变化。
载流子激发随温度的变化 a）温度很低 b）室温临近 c）温度较高 d）温度很高
伴随着温度的升高，半导体的费米能级也相应地发 生变化
杂质半导体费米能级随温度的变化 a）N型半导体 b）P型半导体
a)随机热运动 b) 随机热运动和外加电场作用下的运动合成
随机热运动的结果是没有电荷迁移，不能形成电流。
引入两个概念：
1. 大量载流子碰撞间存在一个路程的平均值，称为平 均自由程，用λ表示，其典型值为10-5cm；
2. 两次碰撞间的平均时间称为平均自由时间，用τ表示, 约为1ps；
建立了上述随机热运动的图像后，就可以比较实际地去 分析载流子在外加电场作用下的运动了。
材料物理学ppt课件
Vx12kx2 22m02x2
式中k， 4202m；k弹性系数 0固 ；有频率
代入薛定谔方程， 得到谐振子的运动微分方程：
2 2 V E
2m
2 2m
d 2
dx2
2
2m02 x2
E
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
的几率 ），波函数是空间和时间的函数，并且是复数，
即Φ = Φ(x，y，z，t)
自由粒子(动量、能量不随时间或位置改变）的波函数：
2 i ( px Et )
0e h
r,t
Ae
i
( Et
pr )
0 、 A 常数
（描述自由粒子的波是平面波）
波函数的性质：波函数乘上一个常数后，所描写的粒子状态不变（粒子在 空间各点出现的几率总和等于1，所以粒子在空间各点出现的几率只决定于 波函数在各点强度的比例，而不决定于强度的绝对大小）。
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
量子力学的应用
⑴一维势阱问题 势阱—在某一定区域内，势能有固定的值。 设一粒子处于势能为V的势场中，沿x方向做一维运动，势能满足下列边界条件：
V
0xa，Vx0
x0和xa，Vx
t
(1.6)
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
③定态薛定谔方程 由于势能与时间无关，薛定谔方程可进行简化．设方程的一种特解为：
x ,y ,z .t. x ,y ,z ft
式中k， 4202m；k弹性系数 0固 ；有频率
代入薛定谔方程， 得到谐振子的运动微分方程：
2 2 V E
2m
2 2m
d 2
dx2
2
2m02 x2
E
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
的几率 ），波函数是空间和时间的函数，并且是复数，
即Φ = Φ(x，y，z，t)
自由粒子(动量、能量不随时间或位置改变）的波函数：
2 i ( px Et )
0e h
r,t
Ae
i
( Et
pr )
0 、 A 常数
（描述自由粒子的波是平面波）
波函数的性质：波函数乘上一个常数后，所描写的粒子状态不变（粒子在 空间各点出现的几率总和等于1，所以粒子在空间各点出现的几率只决定于 波函数在各点强度的比例，而不决定于强度的绝对大小）。
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
量子力学的应用
⑴一维势阱问题 势阱—在某一定区域内，势能有固定的值。 设一粒子处于势能为V的势场中，沿x方向做一维运动，势能满足下列边界条件：
V
0xa，Vx0
x0和xa，Vx
t
(1.6)
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
③定态薛定谔方程 由于势能与时间无关，薛定谔方程可进行简化．设方程的一种特解为：
x ,y ,z .t. x ,y ,z ft
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04.04.2021
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10
2. 梯度功能第一壁材料
面向等离子体护墙材料（Plasma Flaxma Facting， PFM）是决定聚变能能否开发成功的关键。
PFM表面要承受来自等离子体、高能中子、α粒
子及电磁辐射等的冲刷,而它的另一面必须强制冷却。
因此,ＰＦＭ必须具有很高的熔点,同时应具有很好的
用途：结构复合材料，功能复合材料。
按材料不同基体：聚合物，金属，陶瓷，碳 基。
按增强体（功能体）形状：纤维，颗粒，片， 层叠式等。
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2
1.4.2复合材料中的复合效应
1.线性效应
线性效应是指复合材料的性质与增强组元 （功能组元）的含量有线性关系。线性效应的内 容有：平均效应、平行效应、相补效应、相抵效 应等。
复合材料的对称性是材料各组元内部结构及其在空 间几何配位上的对称特征。
4.标度（scale）
复合材料的标度是指功能组分的大小，这对功能复 合材料尤为重要。
5.周期性（periodicity）
周期性是指复合材料中组元分布的周期特征。当需 要利用复合材料中的谐振和干涉所产生的效应时， 就必需在结构上严格控制复合材料在结构上的周期 特征。
通过对以上参数的设计，可以有效的控制材料的性 能，获得良好的优值。
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5
1.4.5 梯度功能材料
梯度功能材料是“由一种功能在空间和 时间上连续变化的材料”，梯度功能材 料（Functionally Gradient Materials， 简称FGM）又称倾斜功能材料。
设计思想：在材料制备过程中，连续地 控制材料的微观要素（包含组成、组织、 亚结构和空隙等），使材料内部不存在 明显的界面。
2.非线性效应
非线性效应指的是复合材料的性质与增强组 元的含量无直接关系；复合后可能产生一些新的 性质。如乘积效应、诱导效应、共振效应和系统 效应等。
掌握和运用这些非线性效应，在复合材料
（特别是功能复合材料）的设计时，具有较多的
自由度，得到新材料。
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1.4.3 复合材料的主要参数
§1.4 复合材料
复合材料是由两种以上物理和化学上不同的 物质组合起来的一种多相体。 一般由基体组元与增强体（功能体）组成。 复合材料优良性能的获得必需通过其复合效 应的作用，要涉及材料设计与工艺制作两个 方面。 需要进行材料设计与工艺优化才能得到优良 的复合材料
1.4.1 复合材料的分类
性能高低：常用复合材料，先进复合材料。
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1.4.6 梯度功能材料的分类
1.从材料组合方式：
金属-金属，金属-陶瓷，陶瓷-陶瓷，玻璃-金 属，玻璃-玻璃等多种组合方式。
2.成份变化方式：
梯度功能涂覆型材料（在材料表面形成组成的 涂层）；梯度功能连接型（粘接在两个基体间 的连接组成或梯度变化）和梯度功能材料本身 （组成一侧到另一侧的结构材料）。
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1.4.7 梯度材料的主要制备方法
原位法（in-situ）材料中的第二相生成于 材料形成过程。
自蔓延法（self-progation synthesis） 梯度组合
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1.4.8 梯度功能材料研究的主要内容
梯度材料设计；成分的连续变化对材料 热性能、强度硬度、耐磨性能和复合原 则和表达公式。
1.复合度 （compositivity） 复合度是复合材料中各级组元所占的体积或
重量百分数。改变复合度是调整复合材料性能 是最为有效的手段之一。
2.联结类型（connectivity） 联结型是指在复合结构中，各组元在三维空 间自身相互联结的方式。
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3.对称性（symmetry）
抗热冲击性。碳复合材料具有高导热率,是PFM重要的
候选材料之一.但碳材料在高温下易于氧化,其表面必
须覆盖保护层进行保护。
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3.梯度结构的生物医学材料
羟（基）磷灰石（Hydroxyaptite，HA）材料 具有良好的生物活性，是当前普遍采用的骨替换 材料，但由于本身的机械强度低以及脆性大而使 其应用受到限制。
研究表明，具有梯度孔隙结构的HA可兼顾生
物性能与力学性能的需要,他们制备了孔隙大小和
体积分数从表层至内层呈梯度变化的HA材料,其外
层为大孔隙结构可使细胞和血管易于依附从而促
进骨生长,而内层为致密结构可提高骨植入材料的
机械稳定性。该梯度孔隙HA的弯曲强度比相同。
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梯度材料制备新工艺；低价大面积重复 性能好的材料。
梯度材料的特性评价。热学、力学、耐 辐射等性能的全面评价。
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Hale Waihona Puke 91.4.9 梯度功能材料的主要应用
1. 梯度功能热障涂层
等离子喷涂热障涂层（Thermal Barrier Coatings，TBC）作为热保护材料广泛用于汽轮机叶 片、航天飞机燃烧室内壁等受热金属部件上。在服 役条件下, TBC材料需要承受巨大的温度落差、热冲 击以及高温氧化等的考验。传统的热障涂层通常包 括用于增强抗氧化性和涂层附着力的MCrAlY底层和 用于热绝缘的Zr2O面层。