材料物理 第一章 緒論

1材料物理

前言：

材料物理是介于物理學(xué)和材料學(xué)之間的一門邊緣學(xué)科。旨在利用物理學(xué)的成果闡明材料中的種種規(guī)律和轉(zhuǎn)變過程。其涉及的內(nèi)容很廣，包括材料的微觀組織結(jié)構(gòu)、運動狀態(tài)、物理性質(zhì)、化學(xué)成分以及它們之間的相互關(guān)系。材料是多種多樣的，包括金屬材料、無機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料，以及一些新出現(xiàn)或正在發(fā)展中的新材料，諸如復(fù)合材料、半導(dǎo)體材料、超導(dǎo)材料、電介質(zhì)材料、鐵電材料、非晶態(tài)2

材料、低維材料、光電材料、生物材料、智能材料、能源材料、生態(tài)環(huán)境材料等等。材料科學(xué)基礎(chǔ)：

主要講述了材料本身的性質(zhì)與其成分和結(jié)構(gòu)；

材料工程基礎(chǔ)：

主要論及材料的加工工藝，更為注重實際；

材料物理：

主要是以物理學(xué)為主干，從物理學(xué)的一些基3

本概念、基本原理、基本定律出發(fā)，說明物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)、組織形貌、原子電子運動狀況以及它們與材料性能和成分之間的關(guān)系。

通過本課程的學(xué)習(xí)，達(dá)到以下目標(biāo)：

（1）獲得較廣泛的材料物理基礎(chǔ)知識；

（2）初步掌握各種材料中的基本物理原理；

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材料物理的學(xué)科特點：

材料物理：主要研究材料的物理性能與材料結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

金屬學(xué)：主要研究相與相之間的變化規(guī)律。

金屬物理：主要研究同一相中，缺陷，擴(kuò)散等物理現(xiàn)象（位錯）。

固體物理：主要研究電子結(jié)構(gòu)對電，熱，光等物理性能的影響。所以，金屬學(xué)的內(nèi)容多是相變，所應(yīng)用的研究手段為金相顯微鏡。金屬物理研究位錯，要用電子顯微鏡。固體物理特別關(guān)注半導(dǎo)體性能。5

1概論

1.1課程內(nèi)容：共十二章，金屬結(jié)構(gòu)理論、缺陷物理、材料強(qiáng)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)。

1.2涉及的基礎(chǔ)學(xué)科：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)、固體物理等）。6

1.3材料分類：

從物理化學(xué)屬性分：金屬材料、無機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料、復(fù)合材料等；從用途分：電子材料、航空航天材料、核材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。

最常見的兩種分類方法是：

（1）結(jié)構(gòu)材料：以力學(xué)性能為基礎(chǔ)，以制造受力構(gòu)件所用材料。（如：鐵、鋁、銅等）。7

功能材料：利用物質(zhì)的獨特物理、化學(xué)性質(zhì)或生物功能等而形成的一類材料。（如：水泥用來蓋房、玻璃用來封閉采光等）。一種材料往往既是結(jié)構(gòu)材料又是功能材料。（如：鐵、鋁、銅等）。（2）傳統(tǒng)材料：指那些已經(jīng)成熟且在工業(yè)中已批量生產(chǎn)并大量應(yīng)用的材料。（如：鋼鐵、水泥、塑料等）。

新型材料：指那些正在發(fā)展，且具有優(yōu)異性能和應(yīng)用前景的一類材料。（如：半導(dǎo)體材料8

超導(dǎo)材料、電介質(zhì)材料、鐵電材料、非晶態(tài)材料、低維材料、光電材料、生物材料、智能材料、能源材料、生態(tài)環(huán)境材料等等）。

1.4應(yīng)用的廣泛性：

機(jī)械、運輸、建筑、能源、醫(yī)療、通信、計算機(jī)等。

1.5材料的外界條件：力、熱、光、氣、電、磁、各種微粒子來的輻照等。外界條件對材料的影響非常大，可以引起材料的結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、組織等的變化。9

材料時代劃分

石器時代—銅器時代—鐵器時代—硅器時代

石器時代又分為“舊石器時代”和“新石器時代”。在新石器時代，人們已經(jīng)可以用上陶器了。由于陶器制作的需求，發(fā)明了高溫窯。而高溫窯技術(shù)的進(jìn)步，則為后來金屬的冶煉提供了可能性。10

各種材料的性能差異：

石器：形狀難以加工，脆性。但資源來源廣，制作技術(shù)簡單。銅器：易于加工，可鑄成鼎，鐘等。韌性好，強(qiáng)度不夠高。資源有限。

鐵器：強(qiáng)度高，資源廣。硅：難以制造，需要現(xiàn)代技術(shù)。為什么不是“鍺”時代？鍺也是半導(dǎo)體，在60年代，鍺制作的半導(dǎo)體三極管運用很廣，而當(dāng)時硅的三極管反而更貴。進(jìn)入到大規(guī)模集成電路時代后，硅的特性優(yōu)勢顯示出來。11

由于硅的半導(dǎo)體性能以及化學(xué)性質(zhì)比鍺優(yōu)越，即禁帶寬度比鍺大，可以耐高壓，器件的工作溫度較高，可達(dá)150-200℃，而鍺只能到75.9℃，所以硅器件的功率大。這就是為什么硅比鍺應(yīng)用的更廣的原因。另外，硅可以制成二氧化硅薄膜，這在半導(dǎo)體器件中非常重要。另外，鍺易提純，但硅難提純。12

問：為什么會先出現(xiàn)銅器時代而不是鐵器時代？答：由于材料冶煉的難易程度所決定。銅的冶煉溫度較低：

Cu2O+H2------(>500℃)-----2Cu+H2O

煉鐵需要1500℃的設(shè)備，煉銅則僅需要900℃的設(shè)備。

問：為什么先得到應(yīng)用的銅現(xiàn)在還是比后得到應(yīng)用的鐵的價格貴呢？

答：主要由于資源的多少所決定?，F(xiàn)在的冶煉手段已經(jīng)不在乎銅與鐵的冶煉溫度的差別了，影響價格的因素主要是原料。13

問：中國很早就發(fā)現(xiàn)并使用了鐵器，為什么現(xiàn)代冶金工業(yè)卻是在西方發(fā)展起來的？

答：中國古代的煉鋼技術(shù)主要是采用培燒方法，屬于固體擴(kuò)散的方法。效率低，產(chǎn)量小，對社會經(jīng)濟(jì)的影響有限。所以鐵器主要用于制作兵器等不計成本的產(chǎn)品。而西方的煉鋼技術(shù)，采用熔化后的液體反應(yīng)方法，效率高，產(chǎn)量大，可以大量應(yīng)用于民用，如建筑等場合，故得到了迅速的發(fā)展。14

銅中添加一些合金元素，黃銅（加入鋅），青銅(加入錫)等。問：歷史上，為什么先有青銅（公元前1000多年），后有黃銅（公元后1000多年），而不是相反？

答：因為鋅的冶煉是比較困難的。氧化鋅的還原溫度是904℃。而金屬鋅的沸點在906.97℃。由于還原溫度與沸點非常接近，還原得到的金屬鋅以蒸氣狀態(tài)存在。在冷卻時，反應(yīng)逆轉(zhuǎn)，鋅蒸氣15

被二氧化碳再氧化而成氧化鋅。要得到鋅必須有特殊的冷凝裝置。這是金屬鋅的使用要比銅、鉛、錫、鐵都要晚的原因。鋁的冶煉非常困難，因此一直到很晚人類才使用鋁。不過，以前在考古領(lǐng)域中，曾有過將鋁的應(yīng)用時期大幅度提前的說法。據(jù)說在很早的墓里發(fā)現(xiàn)了鋁制品。后來學(xué)術(shù)界爭論得很厲害?；旧险J(rèn)為，這個墓里的鋁制品可能是近代盜墓的人帶進(jìn)去的，以前不可能有鋁制品。此事現(xiàn)在基本已有定論，即是后來盜墓的人帶進(jìn)取的。16

新材料：是指那些正在發(fā)展，且具有優(yōu)異性能和應(yīng)用前景的一類材料。

與傳統(tǒng)材料的關(guān)系：傳統(tǒng)材料通過采用新技術(shù)，提高技術(shù)含量，提高性能，大幅度增加附加值而成為新材料；新材料經(jīng)過長期生產(chǎn)與應(yīng)用之后也就成為傳統(tǒng)材料。傳統(tǒng)材料是發(fā)展新材料和新技術(shù)的基礎(chǔ)，而新材料、新技術(shù)又往往能推動傳統(tǒng)材料的進(jìn)一步發(fā)展。17

一、目前新材料的重點有以下幾個方面：

1、信息功能材料人類已進(jìn)入信息時代，為了實現(xiàn)裝置的小型化、低功耗、多功能化和智能化，信息功能材料受到了很高的重視。所謂信息功能材料，就是指信息的產(chǎn)生、獲取、存儲、傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等所需的材料。主要用于計算機(jī)、通訊和控制，成為3C（Computer，Communication，Control）所需材料。其特點是要求高，發(fā)展快，種類繁多。18

2、先進(jìn)的結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料：是以力學(xué)性能為基礎(chǔ)，以制造受力構(gòu)件所用的材料。結(jié)構(gòu)材料一般數(shù)量大，資源與能源消耗高，污染嚴(yán)重，對可持續(xù)發(fā)展有決定性作用。結(jié)構(gòu)材料性能的提高，會減緩上述壓力（因性能的提高，使用壽命的延長，可減少材料的用量）。耐高溫、高比強(qiáng)度、高比剛度材料對提高機(jī)械性能十分重要；耐磨、耐蝕、抗疲勞、抗老化是延長19

使用壽命的關(guān)鍵；先進(jìn)陶瓷材料要進(jìn)一步提高韌性，降低成本。有機(jī)材料以其再生資源的優(yōu)勢和優(yōu)異性能，且可實現(xiàn)分子設(shè)計而進(jìn)一步得到發(fā)展。先進(jìn)復(fù)合材料，有些已得到應(yīng)用（如碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料）；有的因成本高，制作難度大需進(jìn)一步發(fā)展新工藝（如金屬基復(fù)合材料）；有些超高溫材料（如碳—碳復(fù)合材料）須解決抗氧化問題才能得到大范圍的應(yīng)用。20

3、能源材料目前化石燃料儲備有限、污染嚴(yán)重，必須大力開發(fā)無污染、可再生能源。太陽能雖然密度低，又受氣候影響，但輻射于地表的能量，一萬倍于人類開發(fā)的能源。海水中氫的同位素氘（dāo）（熱核材料）可謂取之不盡，用之不竭，認(rèn)為是人類的最終能源?？茖W(xué)家已采用多種方法（如等離子、激光）點火，實現(xiàn)可控?zé)岷司圩?，用聚變能發(fā)電，預(yù)測21世紀(jì)內(nèi)可實現(xiàn)商業(yè)化，其中抗輻射、耐高溫、耐氫脆材料是關(guān)鍵。21

除開發(fā)新能源外，節(jié)能也非常重要，如超導(dǎo)的應(yīng)用。低溫超導(dǎo)以金屬（NbTi（鈦鈮）合金，Nb3Sn（錫鈮）等）為主，但必須液氮冷卻（4K），成本太高而難以普及。20世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)可在液氮溫度下出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的氧化物超導(dǎo)體，稱為高溫超導(dǎo)，但制成符合工業(yè)應(yīng)用的線材和塊體還存在差距，不能普遍應(yīng)用。利用超導(dǎo)輸電，可以減少線路損失；超導(dǎo)儲電，可提高效率；超導(dǎo)電機(jī)及超導(dǎo)電池功率大、體積小、損耗低，十分誘人。目前正在探索室溫超導(dǎo)，一旦有所突破，前途無量。22

4、有機(jī)高分子材料有機(jī)高分子材料以其可再生、資源豐富、性能優(yōu)異，特別可實現(xiàn)分子設(shè)計，將會有更大發(fā)展。高分子聚合物不但是重要的結(jié)構(gòu)材料，而且正在發(fā)展成為重要的功能材料，從半導(dǎo)體到超導(dǎo)體都有發(fā)展前途，作為電導(dǎo)體，其電導(dǎo)率可與銅相比。高分子光學(xué)材料和高分子鐵磁性材料等，都是21世紀(jì)要開發(fā)研究的重要領(lǐng)域。但高分子材料的某些缺點（如穩(wěn)定性、抗老化性及阻燃性等）也是必須下大力氣才能解決的。23

5、生物材料隨著生物技術(shù)的發(fā)展及人類壽命的延長與生活質(zhì)量的提高，生物醫(yī)用材料已成為人們非常關(guān)注的領(lǐng)域，人的器官更換、藥物緩釋及組織工程的發(fā)展逐步深入。生物模擬是正在興起的學(xué)科，使材料的功能進(jìn)一步提高，并能達(dá)到自恢復(fù)、自修復(fù)或智能化。生物材料更長遠(yuǎn)的目標(biāo)是使生物技術(shù)原理應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)，改變高溫、高壓及耗能高的生產(chǎn)方式，催化劑已邁出了第一步。光合作用使水和CO2合成碳水化合物，人類正在尋24

尋求利用生物技術(shù)，通過像催化劑的效應(yīng)一樣以工廠方式合成糧食，可以解決世界糧食問題，也可以解決CO2過剩問題。當(dāng)然，這會是一個很長的歷史過程。

6、納米材料當(dāng)物質(zhì)到納米尺度時，由于其尺寸效應(yīng)、晶界效應(yīng)和量子效應(yīng)等，材料顯示出奇特的物理、化學(xué)性能，或其生物功能有明顯改變，利用這一效應(yīng)可大幅度提高結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度，改善其脆性。對功能材料來說，應(yīng)用方面更廣，高效率的25

催化作用，以及多變的光學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)、磁學(xué)性質(zhì)和熱學(xué)性質(zhì)等，將使目前的功能材料的性能明顯提高。這些改變將影響到工業(yè)和國防的各個方面，所以有人認(rèn)為納米技術(shù)將如信息技術(shù)或生物技術(shù)一樣，將導(dǎo)致下一代工業(yè)革命。應(yīng)該指出，納米科學(xué)技術(shù)仍處于基礎(chǔ)研究階段，特別是納米電子學(xué)、納米醫(yī)學(xué)所需材料，尚處于探索階段，但是納米技術(shù)用于結(jié)構(gòu)材料的改性及用作某些功能材料已顯示出明顯的優(yōu)越性，有些已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化。26

專業(yè)簡介

1.專業(yè)初識

高分子材料與工程屬于理工科類，是研究有機(jī)及生物高分子材料的制備、結(jié)構(gòu)、性能和加工應(yīng)用的高新技術(shù)專業(yè)。高分子科學(xué)的形成可以追溯到19世紀(jì)30年代，但直到20世紀(jì)70年代，才得到全面的發(fā)展。80年代初，高分子的三大合成材料（塑料、橡膠、纖維）的總產(chǎn)量超過億噸，高分子工業(yè)體系在整個經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的地位。目前高分子材料已被廣泛應(yīng)用于生活、生產(chǎn)、科研和國防等各個領(lǐng)域，成為我國科學(xué)研究的一個重點領(lǐng)域。272.學(xué)業(yè)導(dǎo)航

本專業(yè)學(xué)生主要學(xué)習(xí)高聚物化學(xué)與物理的基本理論和高分子材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能知識及高分子成型加工技術(shù)知識。

主要課程：有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、高分子化學(xué)、高分子物理、聚合物流變學(xué)、聚合物成型工藝、聚合物加工原理、高分子材料研究方法等。28

3.發(fā)展前景

近代科學(xué)技術(shù)與工業(yè)的進(jìn)步，為高分子材料學(xué)科的發(fā)展開拓了更廣泛的前景。高分子材料已由傳統(tǒng)的有機(jī)材料向具有光、電、磁、生物和分離效應(yīng)的功能材料延伸。高分子結(jié)構(gòu)材料正朝著高強(qiáng)度、高韌性、耐高溫、耐極端條件的高性能材料發(fā)展，為航天航空、近代通訊、電子工程、生物工程、醫(yī)療衛(wèi)生和環(huán)境保護(hù)等各個方面提供各種新型材料。29

二人才塑造

1.考生潛質(zhì)

向往做一名高分子材料的研究人員，希望了解高分子的加工方法。對聚合物成型感興趣，了解塑料的合成原理。能指出生活中常見的高分子產(chǎn)品等等。

2.學(xué)成之后

本專業(yè)培養(yǎng)具備高分子材料與工程等方面的知識，能在高分子材料的合成改性和加工成型等領(lǐng)域從事科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)、工藝和設(shè)備設(shè)計、生產(chǎn)及經(jīng)營管理等方面工作的專門人才。30

3.職場縱橫

學(xué)生畢業(yè)后可以到高分子材料及高分子復(fù)合材料成型加工、高分子合成、化學(xué)纖維、新型建筑裝飾材料、現(xiàn)代噴涂與包裝材料、汽車、家用電器、電子電氣、航天航空等企業(yè)從事設(shè)計、新產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)管理、市場經(jīng)營及貿(mào)易部門工作，也可以到高等學(xué)校、科研單位從事科學(xué)研究與教學(xué)工作，還可以到政府部門從事行政管理、質(zhì)量監(jiān)督等工作。就目前而言，就業(yè)形勢還是不錯的，因為此專業(yè)涉及塑料，橡膠，纖維，涂料，黏合劑，所以就業(yè)面還是比較寬的。不過基于本科生所掌握知識畢竟有限，還是鼓勵考研繼續(xù)深造，那樣就業(yè)也更容易些。31中國大陸高分子科學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀及情況分析

1．發(fā)展現(xiàn)狀

中國大陸(以下簡稱”大陸”)高分子科研隊伍約為1-1．5萬人，其中副教授以上的高級研究人員約2000人，內(nèi)含中國科學(xué)院院士13人，中國工程院院士6人。大陸高分子科學(xué)的研究領(lǐng)域包括基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究兩個方面，即：高分子化學(xué)、高分子物理、高分子工程(含聚合物成型加工及聚合反應(yīng)工程)一基礎(chǔ)研究和高分子材料(含功能材料及通用材料)—應(yīng)用研究方面。32

基