材料物理学导论
材料物理专业本科课程设置
材料物理专业本科课程设置一、导语材料物理专业是现代材料科学与工程的重要分支之一，旨在培养具备扎实的物理学和材料学基础知识、具备材料物理实验和理论研究能力的高级专门人才。
本文将介绍材料物理专业本科课程设置的主要内容。
二、核心课程1.基础物理学：包括力学、电磁学、热学、光学等基本物理学原理和知识，为后续专业课程打下坚实的基础。
2.材料科学与工程导论：介绍材料科学与工程的学科特点、发展历程、基本概念和基本理论，使学生对材料学有一个整体的认识。
3.材料结构与性质：研究材料的晶体结构、非晶结构、相变、缺陷等相关知识，掌握不同结构对材料性能的影响，为材料设计与制备提供理论支持。
4.材料物理实验：通过实验课程，培养学生的实验操作技能、数据处理与分析能力，使学生能够独立进行材料物理实验研究。
5.固体物理学：研究材料中的电子结构、导电性、磁性、光学性质等方面的基本理论和现代研究方法，为材料性能优化与应用开发提供理论指导。
6.材料表征技术：介绍材料表征的基本原理和常用技术手段，包括电子显微镜、X射线衍射、拉曼光谱等，培养学生的临床观察和分析能力。
三、选修课程1.新材料导论：介绍新型材料的发展趋势和应用领域，包括纳米材料、薄膜材料、生物材料等，引导学生关注材料科学领域的前沿问题。
2.光电材料与器件：研究光电材料的物理性质和器件应用，包括太阳能电池、光电子器件等，培养学生在光电领域的应用能力。
3.材料加工与制备技术：介绍材料加工与制备的基本原理和工艺方法，包括烧结、电化学沉积等，为学生将理论运用到实践提供支持。
4.材料模拟与计算：介绍材料模拟与计算的基本理论和应用方法，包括分子动力学模拟、量子力学计算等，培养学生的科学计算能力。
5.材料科学与工程实践：开设材料实验、科技创新实践等实践课程，培养学生的实践能力和合作精神。
四、实习与实训为了提高学生的实际操作能力和解决实际问题的能力，材料物理专业本科课程设置还包括实习和实训环节。
材料物理专业课程
材料物理专业的课程通常涵盖基础物理学、材料科学和工程学的知识，旨在培养学生对材料性能和行为的理解以及相关应用技能。
以下是一些常见的材料物理专业课程：1. 材料科学与工程导论：介绍材料科学与工程学科的基本概念、原理和应用领域，为后续课程打下基础。
2. 固体物理学：研究物质的结构、晶体学、电子结构、晶格振动等方面的知识，以及材料的电磁、热力学和力学性质。
3. 材料加工与制备技术：包括材料的合成、处理和改性技术，例如薄膜沉积、固态合金化、高温处理等。
4. 材料表征与测试方法：介绍材料性能的测试和表征方法，如X射线衍射、扫描电子显微镜、红外光谱等。
5. 材料物理学：深入研究材料的电、磁、光、声、力学等性质，以及这些性质与材料结构之间的关系。
6. 材料力学：探索材料的力学行为，包括弹性、塑性、断裂和疲劳等方面的知识。
7. 材料化学与催化：介绍材料的化学反应和催化过程，以及材料在能源转换、环境保护等方面的应用。
8. 光电子材料与器件：讨论光电子材料的基本原理，以及光电传感器、太阳能电池、液晶显示器等器件的工作原理与应用。
9. 新材料与纳米材料：了解新兴材料和纳米材料的发展趋势、制备方法和特性，以及其在能源、生物医学和电子等领域的应用。
10. 材料设计与模拟：学习材料的计算模拟方法，包括分子动力学、量子力学等，用于模拟材料的结构、性能和相互作用。
这些课程涵盖了材料物理专业的核心知识和技能。
具体课程设置可能会因学校和课程设置而有所不同。
学生还可以根据自己的兴趣和发展方向选择一些选修课程，如材料电子学、材料化学等，以进一步深入特定领域的研究。
材料物理绪论
Magnetic Levitation Train
YBCO/LBCO等高温超导 陶瓷
2019/11/25
Electricity Transmition No Energy Lost
《Science》：100m YBCO
12
MILITARY USE
碳纤维、石墨纤维等复合材料 铁氧体吸波材料 吸波油漆 纳米、超微粒子填充－吸波 雷达反射截面
间 相
炭
微
球
大型民航客机机轮刹车系统碳－碳刹车盘
2019/11/25
21
2005年度，国家科技大会上,仅有的两项国家科 技发明一等奖（连续空缺6年）,都分别颁发给了 两项无机复合材料及其应用技术。
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 高性能炭/炭航空制动材料的制备技术 中南大学 黄伯云院士
14
陶瓷空间转换器
半导体陶瓷电容器
CERAMIC- IT
无引线芯片座
陶瓷倒装片 陶瓷管脚阵列
2019/11/25
射频晶体管 氧化铝陶瓷
用于集成电路 陶瓷薄膜
15
陶瓷牙桩
陶瓷汽轮机
永不磨损的陶瓷刀具
STRUCTURAL CERAMIC
光纤连接器用氧化锆陶瓷套筒
Zirconia Watch Component
利用众多学科成果，形成了以诸种材料为研 究对象的一门独立的综合性的物理学科
1.2材料物理学的特点
* 晶体学揭示材料的微观组织结构
* 材料科学有助于研究材料的内在联系
*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
材料导论第二章
材料设计
宏观设计
尺
度
微观设计
增
原子设计
加
量子设计
2.1 材料科学与工程的形成与发展
材料科学与工程的发展重点
科学仪器与检测装置
扫
光
学
显
显
微
微 镜
扫 描 电 镜
描 透 射 电 镜
扫 描 探 针 显 微 镜
原 子 力 显 微 镜
技
电
高
扫
术
子
分
描
显
辨
隧
微
电
道
镜
镜
显
微
镜
etc.
2.2 材料科学与工程基本概念
2.5 材料力学性能
2.5 材料力学性能
2.5 材料力学性能
2.5.1 应力-应变曲线
工程应力： ε = l − l0
l0
工程应变：
其中： A—样品的初始截面积；
l0—初始有效长度； l—外力为F时样品有效长度。
σ= F
A0
2.5 材料力学性能
2.5.1 应力-应变曲线
测试样品：
测试仪器：
2.5 材料力学性能
--《材料科学与工程大百科全书》
2.1 材料科学与工程的形成与发展
材料科学与材料工程的关系
科学是研究“为什么”的学问，而工程是解决“怎 么做”的学问。 材料科学的基础理论，为材料工程指明方向，为 更好地选择、使用材料，发挥现有材料的潜力、 发展新材料提供理论基础。 材料科学和材料工程之间的区别主要在于着眼点 的不同或者说各自强调的中心不同，它们之间并 没有一条
特点：除高分子外，键的结合不如化学键牢固，无饱和性，无 方向性。 2. 氢键(hydrogen bond) 分子间特殊作用力 表达为：X—H—Y 特点：具有饱和性和方向性，可存在于分子内或分子间。氢键 主要存在于高分子材料内。
材料物理_固体物理导论 教学课件 CHAPT-第六章 金属电子论 6
经典力学对金属中电子的处理
特鲁特—洛伦兹金属电子论：金属体中的电子和分子气体 一样，在一定温度下达到热平衡，电子气体可以用确定的 平均速度和平均自由程来描述。这样不考虑电子与电子之 间、电子与离子之间的相互作用，由此建立起来的是自由 电子模型。
应用经典力学和电子气体服从经典麦克斯韦一玻尔兹曼统 计分布规律，对金属中的电子进行计算。得到了关于金属 的直流电导、金属电子的弛豫时间、平均自由程和金属电 子的热容的结果。
将积分的下限由0改为∞，而并不会影响积分值。 将N改写为I
将Q(E)在E=EF附近展开成Taylor级数：
奇函数 偶函数
利用Taylor展开式：
将Q(EF)按泰勒级数展开，只保留到第二项
，
得
而
,所以
对于近自由电子：
如果
－温度升高，费米能级下降
定性解释
不随时间变化，当温度，T=TK，
：
的状态中，电子填充的几率增大，
f (E) exp[ E EF ] exp( EF ) exp[ E ]
kBT
kBT
kBT
Fermi－Dirac分布过渡到经典的Boltzmann分布
E， f(E)迅速趋于零
E－EF >几个kBT的能态基本上是没有电子占据的空态
EF－ E >几个kBT时， exp{(E－EF)/ kBT} << 1 ，f(E) 1。 这表明， EF－ E >几个kBT的能态基本上是满态。
能量为E的球体中，电子能态总数为
Z E 2
k
4k3
3
2
V
8 3
4
3
材料导论总结
第一章材料是宇宙间可用于制造有用物品的物质，是人类赖以生存的物质基础材料是人类文明的里程碑。
历史学家往往把制造工具的原材料作为社会发展的标志。
石器陶瓷青铜铁水泥钢硅高分子材料复合材料信息功能工程结构能源纳米生物智能化生态新材料技术是工业革命和产业发展的先导材料的发展史就是科学技术的发展史材料的可持续发展战略与生态环境材料材料按物理、化学性质分：金属无机非金属有机高分子复合材料科学与工程（MSE）材料成分-结构-合成与加工-性能-使用效能第二章材料性能：工艺性能是指制造工艺过程种材料适应加工的性能。
使用性能是指材料制成零件或产品后，在使用过程中能适应或抵抗外界对它的力、化学、电池、温度等作用而必须具有的能力。
载荷类型：静载荷、动载荷、变载荷载荷F（力）伸长量ΔL拉伸曲线应力σ应变ε应力-应变曲线名义工程试样能恢复到原状称为弹性形变卸去载荷后，试样不能恢复到原状，即有残余形变试样产生永久残余形变而不断裂的变形为塑性形变弹性极限：材料产生完全弹性形变时所承受的最大应力值弹性模量：金属材料在弹性状态下的应力与应变比值 E=σ/ε Mpa塑性：断裂前材料发生不可逆永久变形的能力断后伸长率：试样拉断后标距的伸长与原始标距之比δ=（L1-L0）/L0 mm断面收缩率：试样拉断后缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比ψ=(S0-S1)/S0 mm2屈服强度：载荷不增加而材料还继续伸长的现象为屈服，材料开始屈服时对应的应力σs 抗拉强度：材料在试样拉断前所承受的最大应力σb硬度是衡量金属材料软硬程度的指标布氏硬度HB（S，W）：试应力F 直径D淬火钢球或硬质合金球压入被测金属表面，保持规定时间后卸除试应力，测量压痕直径d，计算出压痕球缺表面积S所承受的平均应力值洛氏硬度HR：工厂中应用最广泛的测试方法。
锥顶角为120的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的淬火钢球为压头，在规定载荷作用下压入被测金属表面，测定压痕深度疲劳极限：循环应力应变局部永久性累积损伤突然发生完全断裂蠕变：金属材料在较高温度和应力作用下产生缓慢塑性形变蠕变极限：在T下和规定试验时间t内，使试样产生一定蠕变伸长量的应力冲击吸收功最常用冲击试验方法：摆锤式一次性冲击试验摩擦：两个相互接触的物体或物体与介质间相对运动时出现的阻碍作用磨损：由于摩擦而导致材料表面逐渐损失以致表面损伤的现象电阻率:阻碍电流流动的度量数值上等于单位长度和单位面积的导电体电阻值只与材料性质有关Ωm电导率:电阻率倒数σ=S/m 其值越大，材料导电性能越好超导电性：一定的低温条件下材料突然失去电阻的现象性能指标：临界转变温度Tc 临界磁场Hc 临界电流密度Jc影响材料导电性的因素温度化学成分晶体结构杂质金属电阻率随温度升高而增大锑铋镓反例冷塑性变形是金属电阻率增大合金化对导电性有显著影响磁化：材料中磁矩排列时取向趋于一致而呈现出一定的磁性磁化率：M/H=χ磁导率：B/H=μ抗磁性：材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相反顺磁性：………相同磁化曲线：磁感应强度或磁化强度与外加磁场强度的关系曲线磁滞回线：磁化一周得到一个闭合回线磁滞效应：磁感应强度的变化总落后与磁场强度的变化磁滞损耗：回线所包围的面积相当于磁化一周所产生的能量损耗软磁回线：瘦小高磁导率高饱和磁感强度较小矫顽力小磁滞损失硬磁回线：肥大较大矫顽力和剩磁硬磁由称永磁材料热容:在没有相变和化学反应下，材料温度升高1K时所吸收的热量J/K比（质量）热容：单位质量材料的热容J/(kgK) 摩尔热容J/(molK)热膨胀：物体的体积或长度随温度升高而增大的现象线膨胀系数：α温度上升1K，单位长度的伸长量，单位K-1 随温度升高而加大热传导：当固体材料一端的温度比另一端高时，热量就会从热端自动地传向冷端热导率：一定温度梯度下，单位时间通过单位垂直面积的热量J/(mKs)腐蚀是物质的表面因发生化学或电化学反应而受到破坏的现象材料的腐蚀是一种自发进行的过程，是物质由高能态向低能态的转变形式化学腐蚀：金属表面与非电解质直接发生化学反应而引起的破坏电化学腐蚀：金属表面与电解质溶液发生电化学反应引起的破坏老化：外观变化物理性能变化力学性能变化第三章材料结构组成材料原子（或离子，分子）的结构组成材料原子（或离子、分子）间的结合金属离子共价分子组成材料原子（或离子、分子）的排列晶体非晶体混合材料结构内存在缺陷面缺陷线缺陷点缺陷质子数Z决定元素本性核内质子和中子总数决定原子量原子直径埃A为单位A=10-10m 量子力学：微观粒子的波粒两象性海森堡测不准原理薛定谔方程根据结合键的不同状态，可把凝聚态分成五大类：液体液晶橡胶态玻璃态晶态结合键：原子间吸引力和排斥力合力结果离子键：正离子和负离子由于静电引力相互吸引，当它们充分接近时会产生排斥，引力，斥力相等即形成稳定的离子键。
材料物理导论-Chapter 2-3 Solid structure and basic crystal theory
C=7/4 ε HPC C=21/13 γ complex cubic C=3/2 β BBC
c). Size-factor compound-A
Size-factor compound is related to the difference of atomic size of its elements. it forms the interstitial phase and interstitial compound when the difference is large and forms a topologically close-packed phase (TCP) phase when the difference is moderate . Interstitial phase and interstitial compound are composed by transition mental elements and nonmetal elements with very small radius (C, H, N, B, etc).
Classification of interphase： Valence compound, electron compound, size-factor compound (interstitial phase, interstitial compound, TCP phase), superstructure.
When the size of the atom △r<15% or r(solute)/r(solvent)>0.85, the
大学材料导论知识点总结
大学材料导论知识点总结一、材料的基本概念1、材料的定义：材料是人类使用的各种原始、半成品和成品物质的统称。
它们通常包括金属、陶瓷、高分子材料、复合材料等，并且广泛应用于工业、建筑、医疗、航天航空等领域。
2、材料的分类：可以根据不同的属性将材料划分为金属材料、非金属材料和复合材料三大类。
金属材料包括铁、铜、铝等金属元素及其合金；非金属材料包括陶瓷、高分子材料等；复合材料是由两种或两种以上不同种类的材料组成的混合材料。
3、材料的性能：材料的性能包括力学性能、物理性能、热学性能、电学性能、化学性能等。
在材料导论中，学生将学习如何通过实验或者理论计算等方法来评价和分析材料的各种性能。
二、材料的结构和性质1、金属材料的结构和性质：金属材料通常以金属原子通过金属键连接而成的结晶结构，具有良好的导电、导热、可塑性和韧性等性质。
在材料导论课程中，学生将学习如何通过晶体学和相变等知识来理解和分析金属材料的结构和性质。
2、非金属材料的结构和性质：非金属材料通常以共价键或者离子键连接而成的分子、离子或原子结构，具有较好的绝缘、耐热、耐腐蚀等性质。
学生将学习如何通过结构化学等知识来理解和分析非金属材料的结构和性质。
3、复合材料的结构和性质：复合材料由两种或两种以上不同种类的材料组成，它具有各种不同种类材料的优点，并且能够弥补各种不同种类材料的缺点。
在材料导论中，学生将学习复合材料的组成、制备方法、结构和性质等知识。
三、材料的应用和研究方法1、材料的应用：材料广泛应用于工业、建筑、医疗、航天航空等领域。
在材料导论课程中，学生将学习各种材料的应用领域、特点以及相关的工程实例。
2、材料的研究方法：为了解释和分析材料的结构与性质，学者们提出了许多研究材料性质的方法。
例如，X射线衍射、透射电镜、扫描电镜等方法可以用来研究材料的结构；拉伸实验、冲击实验、硬度实验等方法可以用来研究材料的力学性能。
在材料导论中，学生将学习这些研究方法的原理、应用和操作技巧。
材料物理导论名词解释 南理工
光电效应：是指在光的作用下从物体表面释放电子的现象康普顿效应：x-ray 被物质散射时，测到了波长改变的现象。
量子围栏：蒸发到铜(111)晶面的铁原子用扫描隧道显微镜的探针排列成的园环。
几率密度：代表电子出现在 (x,y,z) 点附近单位体积中被测到的几率的大小量子力学的基本原理：Born 提出的波函数的几率解释本征方程、本征值、本征函数:算符作用于函数u 上等于常数f 与u 的乘积 u = f u 量子隧道效应：粒子在能量E 小于势垒高度时仍能贯穿势垒的现象电阻率（电导率）：是物质的本征参数，用来表征材料导电性表征材料导电性的微观物理量：载流子浓度和迁移率自由电子气模型：金属中电子共有化，好比理想气体，彼此之间没什么相互作用，各自独立地在势能等于平均势能的场中运动，因而不受外力作用，只是到金属表面时才受到突然升高的势能的阻挡马蒂森定则：金属的电阻率可表为0()()e T T ρρρ=+。
()e T ρ由于声子对电子的散射所引起的，称为本征电阻率。
0ρ杂质或缺陷对电子的散射产生的，与温度无关，称剩余电阻率。
能带理论：预言固体中电子能量会落在某些限定范围或“带”中布洛赫定理：周期性势场中的波函数()()ikx k x e u x ψ=⋅禁带：在诸能量断开的间隔内不存在允许的电子能级（原因：是在布区边界上存在布拉格反射.）能带: 包括允带和禁带。
❖ 允带（allowed band ）：允许电子能量存在的能量范围。
❖ 禁带（forbidden band ）：不允许电子存在的能量范围。
布里渊区：将标志电子状态的波矢k 分割成许多区域，这些区域满带：被电子填满的能带导带：被电子部分填充的能带空带：没有电子填充的能带价带: 被价电子占据的允带（低温下通常被价电子占满）。
或最上面的一个满带Wilson 转变：对于绝缘体,若满带与空带重叠,即成为不满带,则成为了导体。
这种与能带是否交叠相对应的金属--绝缘体的转变称为Wilson 转变。
材料导论 (6)
Module 2 Crystal SystemsThere are seven fundamentally different kinds of unit cells. They differ in the lengths of the edges and the angles between them. We call them seven crystal systems. The names of the seven crystal systems are listed here. They are Cubic, Tetragonal, Orthorhombic, Trigonal, Hexagonal, Monoclinic, and Triclinic.The lattice parameters of these seven crystal systems are shown in this picture. We will learn three of them: Cubic, Tetragonal and Hexagonal, in a few minutes.译文：晶胞一共有七种不同的基本类型。
这些晶胞因边的长度和两边之间的夹角不同而不同。
我们称其为七种晶系。
七种晶系的名字如下所示：立方、四方、斜方、三方、六方、单斜和三斜。
七种晶系的晶格常数如图所示，我们会在下面学习其中的三个：立方、四方和六方By combining the 7 crystal systems and the 4 lattice types, we get fourteen Bravais lattices. As shown here, the four lattice types are: Primitive (sometimes called simple, represented by letter P), means lattice points on the cell corners only; Body-centered (B or I): refers to one additional point at the center of the cell; Face-centered (F): refers to one additional point at the center of each of the faces of the cell; Side-centered (C): refers to one additional point at the center of each face of one pair of parallel faces of the cell.译文：7种晶系和4种点阵类型相组合，我们可以得到14种布拉维点阵。
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材料物理学导论
材料物理学是一门研究材料的性质、结构和行为的学科，它旨在了
解材料的基本原理，并为材料的开发和应用提供理论和实验依据。
本
文将介绍材料物理学的基本概念、研究方法和应用领域，以及与其他
学科的交叉研究。
一、材料物理学的基本概念
材料物理学是研究材料的物理性质和行为的学科。
它关注材料结构
和性质之间的关系，以及材料制备和性能优化的方法。
材料的物理性
质包括力学性质、光学性质、磁性和电性等。
材料物理学着眼于揭示
物质的微观结构和宏观性质之间的联系，以及各种条件下材料的行为。
二、材料物理学的研究方法
1. 实验研究：材料物理学借助实验手段，对材料的结构和性质进行
定量分析。
通过调整材料成分、制备工艺和外部条件等因素，研究材
料性能的变化规律，为材料的设计和应用提供依据。
2. 理论模拟：材料物理学采用理论模型和计算方法，揭示物质的微
观结构和性质之间的关系。
通过求解方程、模拟材料的运动和相互作
用等，预测材料的性质和行为。
理论模拟为材料设计和性能优化提供
了重要的理论指导。
三、材料物理学的应用领域
1. 新材料开发：材料物理学为新材料的研发提供了基础和理论指导。
通过对材料的定量分析和设计，可以开发出具有特殊性能和应用价值
的新材料，如高强度材料、超导材料和半导体材料等。
2. 能源领域：材料物理学在能源领域的应用十分广泛。
例如，通过
研究材料的电学性质和光学性质，可以开发出高效的太阳能电池和光
催化材料，用于能源转换和储存。
3. 电子器件：材料物理学为电子器件的设计和制造提供了理论指导。
通过研究材料的导电性和磁性等性质，可以开发出更小型、更高性能
的电子器件，如集成电路和磁存储芯片等。
4. 生物医学：材料物理学在生物医学领域有着重要的应用。
例如，
通过研究生物材料的相容性和生物学特性，可以制备出用于组织工程
和药物传递的新型材料。
四、材料物理学的交叉学科研究
材料物理学与其他学科之间存在紧密的交叉研究。
例如，材料物理
学与化学、工程学和生物学等学科的交叉研究，推动了新材料的开发
和创新。
同时，材料物理学的研究方法和理论模型也为其他学科提供
了重要的工具和参考。
结论
材料物理学作为一门重要的学科，研究材料的物理性质和行为，为
材料的开发和应用提供理论和实验基础。
通过实验研究和理论模拟，
揭示了材料的微观结构和宏观性质之间的关系。
材料物理学在新材料
开发、能源领域、电子器件和生物医学等应用领域发挥着重要作用，并与化学、工程学和生物学等学科进行深入的交叉研究。
随着科学技术的不断发展，材料物理学将在更多领域实现突破和应用。