大学物理:材料科学.ppt
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1、材料科学讲座,一、材料及其发展简史,二、物理学材料科学的基础,三、材料简介,前言,材料科学物理、化学、冶金学、金属学、陶瓷学、医学、生物学及计算科学等多学科交叉融合的结果,同时也是一个正在蓬勃发展中的学科。材料技术的基本原理根植于凝聚态物理学、物理化学与合成化学。物理学及物理技术为材料科学提供了强有力的理论和实验研究手段,材料的组织、结构及性能的研究都离不开物理学。简要介绍有关材料的基本知识及物理学在材料科学中的应用,并着重介绍几种重要材料。,一、材料及材料发展简史,1、材料与材料科学,材料是人类赖以生存和国民经济发展的物质基础。材料、信息、能源被公认为现代文明的三大支柱。80年代:新材料、信
2、息技术和生物技术并列为新技术的重要标志。什么是材料?,材料由一定配比的若干相互作用的元素组成的、具有一定结构层次和确定性质,并能用于制造器件、设备、工具和建筑物等的物质系统。,材料科学研究材料的组织结构、性质、生产流程和使用效能,以及它们之间相互关系的科学。是多学科交叉与结合的结晶,是一门与工程技术密不可分的应用科学,材料技术:材料的制备技术;结构、性能分析技术;材料应用技术。,当代每一项重大技术的出现都依赖于新材料的发展。例如:,半导体材料的发现和发展导致了微电子工业、大规模集成电路、高速运算计算机等的出现;高温材料及高性能结构材料的出现使航空航天技术快速发展;低损耗光导纤维使当今你蓬勃发展
3、的光纤通信得以实现;等等。,2、材料的发展史,人类发展的历史证明,材料的发展导致时代变迁。人类的历史曾以使用的主要材料来划分,如石器时代、铜器时代和铁器时代等。,100万年前,人类开始使用石头做工具,人类进入旧石器时代,大约1万年前,人类能对石头进行加工,使石头成为精制的器皿和工具,从而进入新石器时代。在新石器时代,人类开始用毛皮遮身。,8000年前,中国开始用蚕丝做衣服。4500年前,印度人开始种植棉花。此外,人类还使用竹、木、骨等原始天然材料,不经或稍许加工而制成工具或用具。这是材料发展的初始阶段,其特点是人类单纯选用天然材料。,人类还处于新石器时代,就已经发明了粘土成型,在火烧固化而得到
4、陶器,用作器皿或装饰品。陶器的出现,是对人类文明的一大促进。,在烧制陶器的过程中,又偶然发现了铜和锡,实际上是铜和锡的氧化物在高温下被碳还原的产物,进而生产出色泽鲜艳且能浇铸的青铜,使人类进入青铜时代。这是人类较大量使用金属的开始。希腊、印度、埃及和中国都在公元前3000年左右进入青铜时代。中国在商周处于青铜时代的鼎盛时期,湖北隋县出土的编钟、西安青铜马车都反映当时中国冶金技术水平和高超的制造工艺。,公元前13-14世纪,人类开始使用铁。3000年前的铁器比青铜器更为普遍,人类开始进入铁器时代。,到春秋末期,中国的生铁技术遥遥领先于其他国家。如生铁退火而制成的韧性铸铁以及生铁炼钢技术发明,促进
5、了当时生产力的大发展,对农业、水利和军事的发展起到了极大的作用,推动了世界的文明与进步。,18、19世纪蒸汽机、电动机的发明对金属材料提出了更高的要求,同时对钢铁冶金技术产生了更大的推动作用。炼钢技术大大促进了机械制造、交通铁路及纺织业的发展。,随之,各种特殊钢如高速钢、硅钢及不锈钢相继问世,铜、铝业得到大量应用,其他金属和合金也都出现,从而使金属材料在20世纪占据了主导地位。铜、铁和其他合金的发现与应用是材料发展的第二阶段。在这一阶段,金属(主要是铁和钢)确立了工业材料的绝对权威。这个阶段的特点是人类从自然界提取有用的材料。,20世纪70年代,材料与能源、信息并列为现代文明的三大支柱。80年
6、代,人们又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的主要标志。可见,一个国家的材料的品种、数量和质量,已成为衡量其科学技术、国民经济水平和国防力量的重要指标之一。,3、材料分类,材料品种繁多、用途广泛,其分类也就十分复杂,以致目前还没有统一的标准。(1)从材料来源上看,材料可分为天然材料和合成材料。天然材料选择天然有形物质直接或进行简单加工改造的材料,如沙石、木材、石材、天然纤维、天然橡胶等等。合成材料通过化学或物理手段,利用化学原料制取不能从自然界直接得到的新型材料。如合金、玻璃、陶瓷、合成高分子等。,(2)从功能上看,材料可以分为结构材料和功能材料。,结构材料通常指具有力学承载功能、以
7、制造受力构件为应用目的的材料(也要考虑物理化学性能如光泽、导热性、抗腐蚀、抗氧化等)。常被称为第一代材料。如建筑材料、机械制造材料,航天航空材料,用于制造工具、机器、车辆,修建房屋、桥梁、铁路、飞机、航天器等。,功能材料指具有光、电、磁、声、热、化学、生物等特定功能和性质的材料。用于非承载目的,涉及面很广。,如电阻及导电材料、磁性材料、介电材料、发光材料、光电材料、电极材料、压电材料、热电材料、声光材料、电光材料、磁光材料、激光材料、超导材料、智能材料、仿生材料等。利用他们可以制造具有记录、储存、信息传输等功能元器件,在电子、激光、光电、通信、生物医学等许多新技术领域有广泛应用。,现代高新技术
8、的发展如微电子、激光、光电、能源、计算机、信息等技术的兴起,强烈地刺激着现代功能材料的发展。,结构材料特点:常以材料形式为最终产品,如钢材、塑料、玻璃等;功能材料特点:一般用于非结构目的,常常以元件形式为最终产品,如传感器件、电子器件等。现代社会对研制新一代材料提出了结构与功能相结合的要求,即材料不仅能作为结构材料使用,而且具有特殊功能。即功能-结构一体化(同一种构件、设备或器件可能是结构材料和功能材料的结合),例如航天航空器既有特殊的结构材料,又有特殊的功能材料。,(3)从化学组成与结构来分,有金属材料、无机非金属材料(陶瓷材料)、有机高分子材料,或者分为无机材料和有机材料。或单组分材料、复
9、合材料,(4)从用途上,可分为电子材料、能源材料、建筑材料、生物材料、核材料、航空航天材料、研磨材料 耐火材料、耐酸材料、电工材料、光学材料、包装材料等,(5)按物理性质分,有高强度材料、耐高温材料、超硬材料、导电材料、绝缘材料、半导体材料、磁性材料、铁电材料、透光材料、感光材料等。,(6)按状态分类,单晶材料、多晶质材料;晶态材料、非晶态材料、准晶态材料、液晶材料等。,(7)按技术含量分,传统材料和先进(或新型)材料。传统材料已经成熟且大批量生产与应用、价格相对较低、已有长期使用经验和数据的材料,如钢铁、水泥、塑料等。这类材料是很多支柱产业的基础,故又称为基础材料。先进材料(新型材料)正在发
10、展、具有优异性能和应用前景、正在努力商业化或处于研制中的材料。传统材料与先进材料没有明显的界限,传统材料通过采用新技术、提高技术含量和性能、大幅度增加附加值,就成为了先进材料,先进材料经过长期应用、大批量生产以后就成为了传统材料。,材料工程技术,陶瓷冶金粉末冶金薄膜生长技术表面处理技术:表面改性技术、表面涂覆技术 热处理,包括材料的制备、材料成型加工,材料加工:热加工、压力加工、机械加工,二、物理学材料科学与技术的基础1、凝聚态物理材料科学的理论基础,材料物质形态一般是固体和液体。固体和液体是由大量的物质分子构成的紧密聚集态,统称为凝聚态。材料科学的基础是物理与化学,化学侧重于材料的合成与制备
11、方法,而物理则侧重于对材料的基本理论机制的研究。,凝聚态物理学就是从微观角度出发,研究凝聚态物质的结构和动力学过程及其与宏观物理性质之间的关系的学科。,影响凝聚态物质宏观性质的根本因素:系统内组成粒子(原子、分子)中电子的运动规律、粒子间的相互作用以及系统与外界相互作用的微观过程。这些是凝聚态物理要解决的基本问题。只有深入研究凝聚态物质系统内部的微观运动规律,才能了解材料的各种性能,从而为发展新材料开辟新的途径。,凝聚态物理学的一些基本理论,如固体能带理论、点阵动力学理论、对称破缺的相变理论、元激发理论、缺陷理论和临界现象理论等都是为解释材料各种物理现象的发生及其表现而建立的。,物理学的新成就
12、大大推动了材料科学的发展。例如,晶体管的发明是物理学与材料科学结合的典型范例,它直接基于晶体中电子的量子理论。在晶体管基础上,半导体器件不断小型化、集成化,不仅对材料加工技术提出了更高的要求,而且使物理学家面临建立新理论体系的挑战,如表面、界面的结构,表面态的分布等成为了研究热点。几乎每一种新材料的发现和改进,都离不开凝聚态物理。总之,没有凝聚态物理的研究成果,就不会有新材料。,2、现代物理技术材料结构表征与性能检测的基本手段,材料性能的各种测试技术、材料组织(从宏观到微观不同层次)的表征技术构成了材料科学与工程的重要组成部分。而材料的结构表征与性能检测又依赖于现代物理技术手段。,材料的性能是
13、指其在给定的条件下或在条件发生变化时所产生的响应,如材料的弹性模量、比热、热导率、电导率、磁性、极化率、扩散系数、耐高温性、抗腐蚀性、抗震性等。这些性质又与材料的组织形态、微观结构及成分有关。,无论是性能检测,还是组织结构与成分分析,都需要各种各样的物理测量仪器。几乎每一种材料性能检测技术都与物理学密切相关。,例如:基于材料与声波的相互作用的有超声波检测仪;基于材料与电磁波相互作用的分析仪器有光学金相显微镜、x射线衍射分析仪、核磁共振仪、电子顺磁共振仪、光电子能谱仪、穆斯堡尔谱仪、光谱仪(红外光谱仪、拉曼光谱仪、激光光谱仪等)等;基于材料与电子相互作用的有扫描电子显微镜、透射电子显微镜、正电子
14、湮没装置等;基于材料与离子相互作用的有离子束分析仪;,基于材料与中子相互作用的有中子衍射仪;,但是,场离子显微镜、扫描隧道显微镜和原子力显微镜等的基本原理却是直接利用探针检测材料的表面微观形貌。几种常用的材料分析表征手段:,(1)x射线分析技术,X射线与物质的相互作用将产生吸收和散射现象。X射线吸收X射线透过物质后将变弱即发生能量损耗。,X射线吸收的产生原因:(a)光电效应 即原子吸收X射线光子发生电离而发出光电子。该效应能获得光电子谱信息,可用于测定原子和分子轨道的结合能。(b)荧光效应 X光子打出一个原子内层电子后,激发态原子中高能量轨道上的电子将填补内层空位,同时产生X射线,称为X射线荧
15、光。可利用荧光光谱分析材料中所含的元素及成分。,(c)俄歇效应 原子内层电子被X光子打出而出现空位,较高能量电子将填充该空位,产生X射线荧光向外辐射。也可能使另一个核外电子脱离原子逸出,逸出的电子叫做俄歇电子。俄歇能谱是材料表面成分分析的一种重要方法。,散射的主要机制是波长改变的康普顿散射和波长不变的相干散射,还有晶格振动引起的热漫散射和晶体点缺陷引起的漫散射(叫黄昆散射)。康普顿散射是非相干性的,强度很弱,可不予考虑。相干散射是X射线在样品中产生衍射现象的基础。利用X射线衍射可以测定晶体结构常数,利用黄昆散射可以研究晶体缺陷。,X射线散射射入物质后,产生不同方向的子波线,X射线分析技术在材料
16、科学中应用十分广泛,主要用于物相鉴定、物质成分分析、晶体点阵参数测定、晶体取向确定、晶体点阵畸变测定、缺陷分析、非晶态结构测定等。,(2)、电子显微分析技术,人眼能够分辨清楚的最小细节是0.10.2mm。如果要观察更微小的细节,必须借助于显微镜。光学显微镜放大倍数有限。提高分辨本领的办法是增大孔径和减小光波长,但增大孔径困难且可见光波长范围有限。要想改善显微镜分辨率,只有减小波长,于是就出现了电子束照明的电子显微镜。,电子具有波动性,经100伏左右的电压加速后的电子的波长约1,加速电压更高时,波长更短。显然用电子束作光源,显微镜的分辨率将更高。,然而,电子和光子毕竟不同,电子是带电粒子且有静止
17、质量,因此不能用光学透镜会聚成像。但可以用电场和磁场使电子会聚和发散,起到类似于光学透镜的作用,这就是电子透镜。电子显微镜就是用电子束照明的放大仪器。,电子显微镜是洞察微观世界的有力工具,目前世界上的大型电子显微镜的分辨本领能达到23,放大倍数高达120万倍。电子显微镜类型很多,细致分类困难。一般以电子束和样品相互作用来分类:利用样品透射电子的透射电镜;利用样品反射电子的扫描电镜;利用样品发射电子的发射电镜;利用样品吸收电子的电子探针。,入射电子与物质作用能产生各种信息,将这些信息加以收集、整理、分析即可得知材料的微观结构和成分。散射是电子与物质作用的主要过程。入射电子束与物质中原子核和核外电
18、子发生作用时,入射电子的方向和能量可能改变,有时甚至“消失”或产生别的粒子,这些现象统称为电子散射。如果电子与物质作用后基本无能量改变,称为弹性散射。反之,电子不但改变方向,而且改变能量,则称为非弹性散射。,电子弹性散射是电子衍射的基础,布拉格方程同样是电子衍射的重要方程,利用它可以表征晶体参数。还可以测定非晶态结构。电子非弹性散射同样可以得到很多重要信息。所以,电子显微分析技术是研究材料的的重要手段。,(3)、扫描隧道显微镜(STM)与原子力显微镜(AFM),20世纪80年代以后,显微技术出现了新的革命,产生了以扫描隧道显微镜(STM)为代表的新一代显微镜。STM能直接观测到物质表面单个原子
19、的立体形貌,把人们带到了原子级的微观世界。,扫描隧道显微镜不同于电子显微镜。电子显微镜是利用高速电子穿进物质内部研究物质的微观结构。扫描隧道显微镜不用光源也不用透镜,其显微部件是一枚非常细而尖的探针。,在物质的表面有一层阻止内部电子向外运动的势垒屏障。量子力学告诉我们,表面电子能够穿过这个屏障,到达表面外形成一层电子云,这就是所谓的隧道效应。这层电子云的纵向和横向分布与样品表面的微观结构有关。所以,STM通过探针探测出这层电子云的分布,就可以观察到物体表面的微观结构。,探针在表面做x、y方向扫描的同时,针尖将依表面原子的起伏而在z方向移动。这种移动经电信号放大并由计算机进行图像处理,可以得到表
20、面原子分布的三维图象。这个图像和实际尺寸相比可以放大一亿倍,人们能清楚地看到物体表面的三维立体微观情况。,STM 使人类第一次能够立体显示单个原子在物体表面的排列状况。STM的出现也为纳米科技注入了活力,使人们能够实现在纳米尺度甚至原子尺度上对物质进行微加工和对单个原子、分子的操纵。1990年美国IBM公司研究人员首先用STM在金属镍表面用35个氙原子排出了“IBM”字样。1994年,中国科学院研究人员利用STM在硅单晶表面直接取走硅原子,形成了硅原子晶格背景下的书写文字。,操纵原子,48个Fe原子的Cu表面扫描隧道显微镜照片。,硅表面,由于隧道电流的产生需要两个电极,因此STM对绝缘体表面不
21、能直接测量。为了解决这一问题,1986年宾尼格(Gerd Binnig,1947-)等人在STM基础上又发明了原子力显微镜(AFM),利用针尖与样品之间的原子力(引力、斥力)随距离的变化测量样品表面微观形貌、弹性、硬度等。原子力显微镜对各种材料均可获得原子级分辨图像。此外,基于扫描探针近场技术的显微镜还有:研究磁性样品表面磁畴和磁场分布的磁力显微镜、观察微电路上电特性的静电力显微镜、光子扫描隧道显微镜等等。,三、各种材料简介,(一)金属材料,金属材料是指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。包括纯金属、合金、金属材料金属间化合物和特种金属材料等。(注:金属氧化物(如氧化铝)不
22、属于金属材料),人类文明的发展和社会的进步同金属材料密切相关。继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代,均以金属材料的应用为时代标志。现代,种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。,黑色金属又称钢铁材料,包括含铁90以上的工业纯铁,含碳 24的铸铁,含碳小于 2的碳钢,以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、精密合金等。广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。,金属材料种类:黑色金属、有色金属和特种金属材料。,有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金,通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。有色合金的强度和硬度一般比纯金属高,并且电阻大、电阻温度系数小
23、。,特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料,以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等;还有隐身、储氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金,以及金属基复合材料等,特殊功能合金 金属与合金多用做结构材料,但也可用做功能材料,如电阻器用的各种低阻、中阻、高阻精密合金以及导电材料、热电偶合金(制作高温测量装置)、膨胀合金(制作温控自动保护装置、启动装置等)、形状记忆合金、储氢合金等。这里介绍一下储氢合金和形状记忆合金,储氢合金 氢是一种重要的二次能源,其优点是无污染(燃烧生成水)、资源丰富(可用太阳能到海水中取氢)、发热值高。但是氢能源的开发
24、却遇到了两个难题:制氢和储存氢。用一般的钢瓶储氢非常危险,解决储氢的重要手段是储氢合金,其原理是用金属吸收氢气生成金属氢化物,需要时加热放出氢,该过程是可逆的。储氢合金是储存氢的容器,其氢密度是市售氢气瓶密度的10倍、标准状态气态氢密度的1000倍,比固态氢密度略高。例如,-269oC下,固态氢密度为5.31022(原子/cm2),而LaNi6H6.7的氢密度为7.61022(原子/cm2)。现已研制成功的储氢合金有镧-镍合金、铁-镍合金等。,形状记忆合金 一些合金在高于某转变温度时被制成某一形状,把温度降到转变温度以下后改变其形状,当温度回升到转变温度以上时,它会按记忆恢复原状,这种现象叫做
25、形状记忆效应。例如,用某些金属制的头饰花蕾,在阳光下开放,回到室内花蕾闭合;某些金属雕塑造型能随季节变化,表现出春夏秋冬四季主题。,有的形状记忆合金的形状在高低温只能恢复一次,叫单程记忆合金。有的形状记忆合金,在高低温下能反复恢复形状,叫做双程记忆合金。目前已发现许多种形状记忆合金,还发现了一些聚合物和陶瓷形状记忆材料。形状记忆合金在工程上有重要应用,例如用形状记忆合金做套管,低温下扩径装配后升至室温而恢复原状,便结合紧密。像飞机液压系统接头、航船管道、海底输油管道、铆钉、连接件都需要形状记忆合金,用记忆合金制作的眼镜架,如果不小心被碰弯曲了,只要将其放在热水中加热,就可以恢复原状。不久的将来
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