浙大材料物理性能-光学性能第一节

材料物理性能第一章：概论本节主要内容(一)材料及其性能研究的重要性(二)知识体系1、材料的概念2、材料的分类3、材料科学与工程专业(三)课程简介(四)第一章：材料物理性能概论材料及其性能研究：贯穿于整个人类的文明史。

人类使用的材料，决定了人类的文明程度。

实质上——主要取决于材料的性能如何。

材料的重要性Michael Faraday 电气时代:电磁材料超级计算机个人电脑材料是信息社会的基石！传感器件半导体芯片半导体技术液晶材料光学材料金属、高分子材料磁性材料移动通讯数码拍照拍照功能显示功能外壳信号接受对话功能电子线路照片存储介电材料移动网络语音、视频本节主要内容(一)材料及其性能研究的重要性(二)知识体系1、材料的概念2、材料的分类3、材料科学与工程专业(三)课程简介(四)第一章：材料物理性能概论◼材料(materials)的概念：➢材料是人类社会所能接受的、可经济地制造有用物品的物质。

➢材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的物质的统称。

材料是人类赖以生存和发展的物质基础,与国民经济建设、国防建设和人民生活密切相关。

20世纪70年代，把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱。

80年代，以高技术群为代表的新技术革命，又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。

◼材料的分类：➢按照人为加工程度区分：✓天然材料：自然界原来就有未经加工或基本不加工可直接使用•如棉花、沙子、石材、蚕丝、煤矿、石油、铁矿、羊毛✓合成材料：人为把不同物质经化学方法或聚合作用加工而成•如塑料、合成纤维和合成橡胶天然材料材料合成材料◼材料的分类：➢按照物理化学属性区分：✓金属材料✓无机非金属材料✓有机高分子材料✓复合材料➢按照用途区分：✓建筑材料、电子材料✓航空航天材料、核材料✓生物材料、能源材料✓。

金条铜阀玻璃水泥高分子材料碳纤维复合材料◼材料的分类：➢按照结晶状态区分：✓晶体(单晶、多晶)：短程有序，长程有序✓非晶：短程有序，长程无序✓准晶：介于晶体和非晶之间，长程有序，但无平移对称性(如：5次旋转对称性)✓液晶：由固态向液态转化过程中存在的取向有序流体非晶玻璃NaCl 晶体2011诺贝尔化学奖“发现准晶体”[铝锰合金]达尼埃尔·谢赫特曼◼材料的分类：➢按照使用性能区分：◼复杂性能◼化学性能◼物理性能◼力学性能③使用性能②工艺性能①复合性能③抗渗入性②耐腐蚀性①抗氧化性④刚性③延性②韧性①强度⑥辐照性能⑤声学性能④光学性能③磁学性能②电学性能①热学性能结构材料功能材料新材料？知识体系◼材料科学与工程：是关于材料的➢组成与结构（composition and structure ）➢合成与加工（synthesis and processing ）➢基本性质（proporties ）➢与服役性能（performance ）这四个要素➢以及它们两两之间的互相联系的学科。

1．1.晶格振动热容，热膨胀，热传导等热学性能都与晶格振动相关。

相邻原子的相位差：ak. a 为晶格常数，K 为相位差常数（波数/波矢）。

热激发时，每个原子在平衡位置附近振动，会通过邻近原子以行波的形式在晶体内传播，这种波称为格波格波: λ=2π/K ，v=w/KK ∈（-π/a, π/a ）——>布里渊区——>保证Xn 单值性①波矢K 取值的有限性格波的特性 ②存在色散关系：当λ>>a ，晶格可看成连续介质，格波可看成弹性波 K 很大时，波长很短，介质不能看成连续③波矢取值的分立性周期性边界条件：边界对内部原子振动状态的影响。

声子：把量子化的格波看成的某种微粒。

晶格振动能量=∑各声子的能量一维复式格子与一维单式格子的不同点是一个波矢对应两个独立的频率，存在两种色散关系。

波矢K 的取值需要限制在[-π/2a ，π/2a]之间，这个范围就是一维双原子链的布里渊区 w1:K=+π/2a w1max=1/2m β；K=0，w1min=0.w2:K=+π/2a w2min=2/2m β；K=0，w2max=)21/()212m m m m +（β.=u /2β u 为折合质量ω2：处于光频范围(红外区)，光频支或光频波ω1：以声波形式出现的驻波，声频支或声频波声学波与光学波的区别。

前者是相邻原子的振动方向相同，波长很长时，格波为晶胞中心在振动，可以看作连续介质的弹性波；后者是相邻原子的振动方向相反，波长很长时，晶胞中心不动，晶胞中的原子作相对振动(ω1)max 和(ω2)min 之间的频率区间不存在格波，故称为“禁止”频率（或能量）区。

质量比（M/m ）愈大，两支波之间频率间隙Δω愈宽一维单原子晶格： N 个原子组成，晶胞数为N ，波矢K 可取N 个不同值，自由度共有N 个(每个原子的自由度是1 )有N 个晶格振动频率（1个波矢K 对应1个振动频率）一维双原子晶格： 2N 个原子组成，晶胞数为N ，波矢K 可取N 个不同值，自由度共有2N 个(每个晶胞的自由度是2 )有2N 个晶格振动频率（1个波矢K 对应2个振动频率）因此有：晶格振动波矢数= 晶体所包含的原胞数晶格振动频率数= 晶体自由度数在恒压加热过程中，物体除温度升高外，还要对外界做功，所以温度每提高1K需要吸收更多的热量，即CP > CV,固体热容与晶格振动有关。

材料光学性能unit4-浙江大学材料物理性能笔记4.1.基本概论1）光介质材料能使光产生折射、反射或透射效应，以改变光线的方向、强度和位相，使光线按预定要求在材料中传播，简之，光介质材料就是传输光线的材料光功能材料：在电、声、磁、热、压力等外场作用下，材料的光学性能会发生变化，或者在光的作用下其结构和性能会发生变化，如发光材料、激光材料、光导材料、磁光材料、非线性光学材料等光波是一种波长很短的电磁波，由电场分量和磁场分量组成，两个分量彼此互相垂直并都垂直于波的传播方向波动学说：c=1/00με 0ε=8.85x1012-F/m 0μ=4πx107-H/m微粒学说：E=hv2）光和固体的相互作用0 =?T +? A +? R 光辐射能流率（单位为W/m2）：表示单位时间内通过单位面积的能量τ+ α+ρ = 1 τ为透射率（?T/ ?0）；α为吸收率（?A/ ?0）；ρ为反射率（?R/ ?0）3）光和原子、电子的相互作用固体材料中出现的光学现象是电磁辐射与固体材料中原子、离子或电子之间相互作用的结果。

其中最重要的两种作用是电子极化和电子跃迁电子极化：随着电场分量方向的改变，诱导电子云和原子核的电荷中心发生相对位移电子跃迁：电磁波的吸收和发射包含电子从一种能态跃迁到另一种能态的过程4）金属对可见光是不透明的：肉眼看到的金属颜色不是由吸收光的波长决定的，而是由反射光的波长决定的。

非金属材料对于可见光可能是透明的，也可能不透明。

折射：n= c/υ v=1/με n=1/00με大多数材料是非磁性的或磁性很弱r μ=1 n= r ε 透明介质的折射率是和材料的相对介电常数有关。

光和介质的相互作用主要就是介质中的电子在光波电场作用下作强迫振动。

绝缘体：σ->0 n->ε2/1r α->0 材料是透明的。

半导体：α=(1/ε2/1r )[σ/2w 0ε] 存在吸收，不透明。

金属材料：α= [σ/2w 0ε]，对光有强烈的吸收，不透明，反射比接近1，，光主要被表面反射，产生金属光泽。

材料物理性能（专业基础课）材料科学与工程学系材料与化学工程学院1钱国栋办公室：曹光彪大楼429房间电话：879523342关于本课程¾从学习中知道具体的真正的研究工作如何去做¾不难学，但是要认真听课¾考试不难，平时认真听课即可通过3绪论¾本课程的主要内容4材料的分类材料是有用的固体两大类：结构材料：利用材料的力学性能功能材料：利用材料的热、光、电、磁、化学等性能其它分类：晶态和非晶态；有机和无机；导电方式分类（金属、绝缘体、半导体）……5本课程的主要内容：功能材料的物理性能，即材料的热学性能、光学性能、电学性能、磁学性能课程学习的主线：材料的组成、结构决定了它的性能。

可以说，材料的各种性能均可在其不同层次的结构和组成上找到答案。

有的性能由组成所决定，有的取决于晶体结构，有的取决于缺陷结构，有的则取决于电子结构学习主线：物性与组成、结构之间的关系如何？或者说如何找出组成、结构是怎样支配材料的物性？6¾本课程任务及设置的目的掌握：材料物理性能与材料组成、结构、构造的关系回答：材料物理性能的物理本质或起源为什么不同的材料会表现出如此大的物理性能的区别：¾陶瓷或塑料的隔热性能要比金属好的多？¾金属的导电性能要优于陶瓷、玻璃或塑料？¾玻璃或塑料可以透明，而金属、陶瓷往往不透明？¾材料热性能与电性能有何关联？¾材料磁性能与质点种类、排列结构及电性能关联如何？¾……7课程目的：¾判断材料优劣¾改变材料性能¾正确选择和使用材料¾研究和开发新材料、新性能、新工艺8¾材料物性研究的方法或特点材料物性研究的方法可以分成两种：9从实验数据出发，建立经验方程，发展理论⎯归纳9从机理着手，即从反映物理本质的基本关系出发，建立物理模型，得到理论⎯推理通过以上两种方法的相互验证促进了材料科学的发展材料物性的研究：9阐明材料物性与材料宏观构造和微观结构的关系9取得材料结构和成分的宏观及亚微观方面的直接验证9¾本课程特点既对材料物性的普遍规律（共性）作简单介绍又兼顾不同材料特点，分别给以介绍物性的变化规律和具体材料结合起来学习10第一章材料热学性能热学性能：热容（Thermal content）热膨胀（Thermal expansion）热传导（Heat conductivity）等本章目的就是探讨热性能与材料宏观、微观本质关系，为研究新材料、探索新工艺打下理论基础1113固体气凝胶⎯俗称“冷冻烟雾”：人类已知产品的最小密度⎯多孔远离1300 o C 以上喷灯的高温可以经受住1公斤炸药的爆炸威力14应用之一：宇航员所穿的超级隔热太空服美国宇航局正在研制将固体气凝胶作为人类首次登陆火星时所穿的太空服的保温隔热衬里（预计于2018年派宇航员登陆火星）。