材料物理性能0

材料物理性能PhysicalPropertiesofMaterials主讲：胡木林E-Mail:[e-mail]2016年09月绪言•背景•本课程的特点：•本课程的内容：•教学安排：•学习本课程的要求：•教材及参考文献：材料、信息和能源——当今世界的三大支柱。背景材料是社会进步的物质基础与先导人类的历史曾以使用的主要材料来加以划分，如石器时代、青铜器时代、铁器(钢铁)时代、......材料：概念广泛而抽象，在实际生活中则是具体而生动的，往往体现在每一应用典范上，以某一特定性能呈现在人们面前。材料无处不在传感器件半导体芯片半导体技术液晶材料光学材料金属材料磁性材料移动通讯数码拍照拍照功能显示功能金属外壳信号接受对话功能电子线路照片存储功能材料介电材料材料种类繁多能源材料金属材料无机非金属材料光电材料有机高分子材料智能材料生物材料生态环境材料复合材料单晶多晶非晶液晶建筑材料航空航天材料结构材料功能材料信息材料准晶材料的分类按状态分，材料可分为单晶、多晶、非晶、准晶和液晶从成分的角度，材料则可分为无机材料与有机材料从应用来看，材料可分为信息材料、能源材料、生物材料、建筑材料、航空航天材料等。根据材料的用途，材料可分为结构材料和功能材料根据材料的用途，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、缺陷行为平衡热力学扩散、界面结构与行为材料相变机理电子迁移及电性能从物理学的角度，从微观的角度来阐述材料中的种种规律是很重要的。学科体系◆材料物理与化学凝聚态物理、基础化学与材料学的交叉，研究材料的合成路径、微观结构和宏观性质的形成机理；[正确理解]◆材料学采用科学的方法，观察材料的组织、结构，检测材料的力学、物理和化学性能，合理评价材料的使用性能；在金相尺度上，初步探讨结构－性能的关系；[科学评价]◆材料加工制定合适的方法和工艺，合成、制备具有期望性能的材料；[高效制备]《材料物理性能》课程特点材料物理性能涉及到材料科学和工程两个部分。性能的物理本质部分告诉我们“为什么”，工艺—结构、性能及其测试分析技术告诉我们“如何做”，其载体和桥梁就是具体的功能材料。物理本质材料科学工程是什么？为什么？如何做？功能材料物理科学材料科学材料物理物理学概念、原理等物理学模型材料性能从物理学的一些基本概念、基本原理、基本定律出发，并建立相应的物理模型，力图阐述材料本身的结构、性质和它们在各种外界条件下发生的变化及其变化规律，得出结论，进而指导材料的生产和科学研究。材料物理学的定义材料物理是物理学和材料学之间的交叉学科。材料物理学的特点.它旨在利用物理中的一些学科的成果来阐明材料中的种种规律和转变过程。材料物理是研究物质的微观结构、组织形式、运动状态、物理性能、化学成分以及它们之间相互关系的学科。1.2材料物理学的特点材料物理和材料科学的关系3.材料物理的基本研究指导材料的生产应用。1.息息相关、相互促进和共同发展2.材料物理研究课题来源于材料、对象也是材料，都是生产、科研中提出来的新问题。一方面，材料物理所研究的一些主要课题往往是从生产实践中提出来的举例1：金属材料：强度、范性•低维材料，薄膜材料（2维）、纳米线（1维）纳米点（0维），尺寸效应。•陶瓷：烧结体，烧结技术，微结构•举例2：•由于工艺上的突破并实现连续生产的“金属玻璃”，因而金属玻璃的力学性质、磁性、超导电性等实际问题的研究也就随之提出；•由于电子技术、激光、红外技术的需要，研究电介质材料就由研究绝缘体的四大参数逐步扩展到研究物质的电极化过程；•为了发展耐高温的材料，推动了对于金属或陶瓷的高温强度、高温蠕变、氧化及扩散的研究等等。另一方面，将材料物理的基本研究成果应用到生产实践中去，也会发挥很大的作用•再结晶结构的研究显著地改进了硅钢片的质量•利用非晶硒的光导特性的研究成果，发展了新的静电复印技术；•集成铁电学的研究，促进了铁电存储器的实际应用开发。举例：材料的性能本质•性能本质：外界因素（作用物理量）作用于某一物体，如：外力、温度梯度、外加电场磁场、光照等，引起原子、分子或离子及电子的微观运动，在宏观上表现为感应物理量，感应物理量与作用物理量呈一定的关系，其中有一与材料本质有关的常数——材料的性能。作用物理量感应物理量公式材料内部的变化材料性能性能的种类应力形变=S原子发生相对位移柔性系数力学性能表面电荷密度DD=C原子发生相对位移引起偶极矩的变化压电常数压电性能温差t形变=t原子发生位移热膨胀系数热学性能热量QQ=Ct原子振动加强热容热学性能温差电动势V=t载流子的定向运动温差电动势系数导电性能温度梯度dt/dx热流密度qq=kdt/dx原子热振动的相互作用热导率热学性能电场E电流密度JJ=E荷电离子远距离的移动电导率导电性能极化强度PP=0E宏观电场荷电离子短距离的移动介质电极化率介电性能离子的偶极矩=E局部电场原子核与周围电子发生短距离的移动离子的极化率介电性能材料的形变=dE偶极矩的变化压电常数压电性能研究内容——物理性能与材料的成分、结构、工艺过程的关系及其变化规律。“物性”还随材料的使用（或实验）环境变化的。这些环境包括温度、压力、电场、磁场、辐照、化学介质、力场等等。热学性能电学性能光学性能材料物理性能磁学性能声学性能•前景高技术发展对材料的性能要求不断提高；材料设计技术正在兴起——智能材料；材料研究的一种方法…——揭示材料物理性能的物理本质，物理性能与材料成分、结构工艺过程的关系及环境稳定性。“新材料”与“高技术”所谓“新材料”，就是那些新出现或已在发展中的，在成分、组织、结构、形态等方面不同于普通材料，具有传统材料所不具备的优异性能和特殊功能的材料。所谓“高技术”，就是采用新材料、新工艺，产生更高效益，能促进人类社会更快进步的技术。高技术引入大量新材料，二者相辅相成。其中一个最突出的例子是：半导体材料及大规模集成电路技术的不断突破，使电子计算机的体积越来越小，能力却成千上万倍地提高。《材料物理性能》课程内容•初步介绍材料的电学、磁学、光学、热学及弹性和内耗性能的物理本质；•描述这些性能与材料的成分、组织结构、工艺过程的关系及变化规律；•介绍与物理性能相关的特殊材料；•介绍与这些物理性能相关的测试技术与分析方法。本课程的内容庞杂，每章都自成体系。从四个方面进行学习：基本概念、物理本质、影响因素和分析应用。学习要求：1、掌握基本概念2、定性了解各种物理性能的物理本质3、会分析实验结果•建议先修课程：普通物理、物理化学、固体物理(或材料物理)及相关数学知识（张量、矩阵）•本课程：掌握材料物理性能的基本参数的物理意义及其本质；熟练掌握材料物理参数与成分、结构的关系及影响因素，为设计新材料和材料改性打下一定基础；熟练掌握材料物理性能的测量方法及其分析方法。《材料物理性能》教材及参考资料•教材及参考资料：[1]《材料物理性能》，田莳主编，北京：北京航空航天大学出版社，2004年[2]无机材料物理性能，关振铎，张中太，焦金生，清华大学出版社[3]晶体的物理性质，J.F.Nye，孟中岩等译，西安交通大学出版社，1994年[3]PropertiesofMaterials,MaryAnneWhite,OxfordUniversityPress[4]功能材料学，周馨娥，北京理工大学出版社[5]半导体物理学，李名復等，科学出版社[6]电介质物理学，殷之文，科学出版社[7]铁电体物理学，钟维烈，科学出版社[8]铁电与压电材料，许煜寰，科学出版社[9]铁磁学，戴道生，钱昆明，科学出版社杜克大学教授戴维·史密斯等人说，要制造这种扭曲光波的材料，关键是材料的晶格结构特性，而不是其物质构成。他们从麦克斯韦方程出发，推导出了决定材料结构的一套方程式，人们可以按这套方程式来制造隐身材料。视觉隐身材料可以用于军事领域，让军事设施、部队等从敌人眼前“彻底消失”。由于光波属于电磁波的一种，按他们的方程式也可以设计出能让其他波段电磁波“扭曲”的材料。比如，能让微波扭曲的材料如果用于无线电通信，就可以减少某些物体对通信的阻碍。其他科学家在同一期杂志上评论说，所谓“隐身”，实际上躲不过多波段电磁波的探测，能扭曲一种波的材料，对其他波长的电磁波就无效了。但通过一些改进，可以将视觉隐身的效果提高。设计简单，12层结构，5种材料：空气、铝、聚乙烯(PE)、PMMA有机玻璃和聚偏氟乙烯(PVDF)，TM高斯波入射WanliLu,JunFengJin,HuanyangChen,andZhifangLin,(2010)JApplPhys,108,064517COMSOLMultiphysics人造光学黑洞airairε,μ0ε,μ0COMSOLMultiphysics仿真负折射率COMSOLMultiphysics在隐形材料上的应用COMSOL模型建立COMSOL模拟结果隐形材料的结构应用COMSOL软件，成功模拟出B-2隐形轰炸机对可见光的隐形能力COMSOLMultiphysics在隐形材料上的应用D.R.SmithJ.B.PendryCOMSOLMultiphysics在隐形材料上的应用ParticleTracingModule光隐身光聚焦ParticleTracingModule光隐身光聚焦COMSOL的太赫兹隐身应用10µ-sec1ms100ms1sec局部温度折射率透镜变形透镜变形的时间演化COMSOL的棱镜热变形效应•COMSOL中的MEMS–电-结构•静电•压电效应•电容计算–电-热•焦耳热•温度、材料电气性能–热-结构•热膨胀•热-弹性阻尼–电-热-结构-流体•对MEMS建模就是对多物理场建模COMSOL在MEMS中的仿真•执行器—静电驱动空气多晶硅悬臂梁接地V=Vin静电力驱使悬臂梁变形3D悬臂梁应用模式–Electrostatics–structuralmechanics–movingmesh悬臂梁上施加电势差，移动网格应用模式控制结构变形COMSOLMultiphysics的执行器仿真RFMEMS：静电激励悬臂梁使其变形，优化开关时间COMSOL的光开关仿真•传感器—加速度计狭窄空隙之间的电极电容-加速度狭窄空隙间中的气隙阻尼现象COMSOLMultiphysics的传感器仿真From:UniversityofManitobaCOMSOL的梳妆驱动器仿真•传感器—梳状驱动器静电、结构微米钳子（顶部）和梳状驱动机制(底部)•微型平面电机散热及温度控制COMSOL的微系统散热仿真该平面电机的功率为600W工作在强磁场环境中要求表面温升不超过1℃且散热空间只有306*306*14mm的范围导体中的缺陷•控制方程：•涉及到：电学传热学材料学模型简图导体缺陷电压接地电绝缘/热绝缘相变模拟•相区分•模型简化，没有考虑液化潜热，以及相变对电场的影响dT))(T_m(TdT)))-(T_m(TdT))(T_m((TdT)dT)/(2T_m-(T逻辑表达式：仿真结果时温度分布电流分布仿真结果相变黄铜棒连铸目的：模拟黄铜棒连铸过程中温度分布以及相变情况•传热分析•流速分析•组份变化问题分析温度变化描述：相变前：考虑相变：δ为高斯曲线δ曲线流场分析式中F为源项：组份模拟控制方程：结果分析速度分布图热通量曲线流场分布图自适应网格电学相关仿真高斯定理高斯定理库仑定律电场强度叠加原理在真空中静电场，穿过任一闭合曲面的电场强度通量，等于该曲面所包围的所有电荷的代数和除以.0εniSiqεSEΦ1in0e1d高斯定理20π4RεqESSEΦde0εqSSRεqdπ420Sd+R有电介质时的高斯定理电介质q0qq内q0内′SEq00EqEEE0SSqq内)(1d00SE电介质：通常说要的绝缘体，电子被原子核束缚麦克斯韦方程组电场强度E，电位移矢量（电通量密度，或电感应强度）D，磁场强度H，磁通量密度