材料的微结构与性能.pptx
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1、课堂要求不迟到,不早退请将手机暂时关闭第1页/共386页课程结构材料的微结构与物理性质(16学时)徐晖材料的微结构与力学性质(16学时)程晓英复习(4学时)考试(4学时)第2页/共386页本科目成绩平时成绩(30)考试成绩(70)第3页/共386页材料的微结构与物理性质徐晖第4页/共386页参考书目材料物理性能陈騑騢 编著,机械工业出版社非均质材料物理-显微结构-性能关联(精)南策文 编著 科学出版社材料的结构与性能吴月华 杨杰 编著 中国科学技术大学出版社材料的应用与发展肖纪美 著 宇航出版社第5页/共386页课程的基本框架绪论-材料的性能与显微结构材料的结构材料的电学性质材料的磁学性质材料
2、的光学性质材料的热学性质第6页/共386页第一章 绪论材料的性能与显微结构1.1 本课程的目的和内容1.2 复合效应、显微结构与性能第7页/共386页1.1 本课程的目的和内容本课程的目的材料的结构与性能的研究复合材料”第8页/共386页本课程的目的材料显微结构物理是研究材料在显微结构层次上发生的现象,包括显微结构的形成与表征、显微结构与性能之间的关系,及进一步的材料显微结构设计。第9页/共386页本课程的目的显微结构是指在纳米至微米。甚至达到毫米级的宽广尺度范围的材料结构,它有别于在晶胞尺度、原子尺度上的微观结构。显然,它比构成固体物理学基础的晶体结构要大得多。材料的许多宏观性能不仅取决于原
3、子层次上的微观结构,而且更大程度上取决于更宽尺度范围内的显微结构。第10页/共386页本课程的目的本课程的目的是:希望架设从在原子尺度上,对材料微观结构性质关系的凝聚态物理学理论描述,到工程材料宏观实验研究的一座桥梁。把理性、定量的物理基础引入实际材料显微结构性能关系的经验、定性研究中。第11页/共386页材料科学与工程系统的关联链组成过程/工艺结构关联(即结构的形成过程)结构性质/性能关联性质/性能效能关联第12页/共386页材料的结构与性能的研究许多材料(如各类复合材料和多晶材料)结构具有从原子尺度到宏观尺度的多尺度、多层次特征,这些材料的结构与性质/性能关系十分复杂、难以预见。根据材料结
4、构的不同尺度特征,通常从两个不同尺度层次上对结构与性质/性能关联进行研究。第13页/共386页两个尺度层次第一个尺度层次是微观原子尺度,在这个尺度水平上研究材料的组成微观结构(电子、原子、分子结构)性质关系,解释材料的各种特性,阐明其规律性,这是固体物理(凝聚态物理)、量子化学等基础学科的基本任务。近来,国际上主要把这个领域的研究称之为“计算材料科学”(computational materials science)第14页/共386页两个尺度层次第二个尺度层次是较为“宏观”的显微结构(microstructure)尺度,显微结构是指约在几个纳米以上,甚至达到毫米级的宽广尺度范围的材料结构,它
5、有别于在晶胞尺度、原子尺度上的微观结构。显然,它比构成固体物理学基础的晶体结构要粗。第15页/共386页两个尺度层次材料在这个显微结构层次上发生的现象即是材料材料显微结构物理学的研究内容。它主要包括显微结构的形成与演变及表征、显微结构与性能之间的关系及进一步的材料显微结构的设计。第16页/共386页材料的显微结构与性能除理想单晶和均质无序体系外,几乎所有材料中形成的显微结构都是非均匀(inhomogeneous)或非均质的(heterogeneous),如各类复合材料、多晶材料(如陶瓷、多晶金属和合金)、多孔介质、纳米材料、非均质无序体系、多层材料、软材料(如电流变体与磁流变体)等。与均匀均质
6、材料相比,这些材料具有复杂的多层次结构。第17页/共386页材料的显微结构与性能很自然的一个焦点问题是这些复杂显微结构对材料宏观性能又起到何种作用?现在已普遍认识到,材料的宏观性能不仅取决于材料的显微结构,即具有同一短程有序性的微域(或称之为组元,如相、颗粒、畴等)的含量、取向、尺寸、形状、不同组元之间的界面、相邻组元之间的相关、连接度、拓扑排列这些几何和拓扑两方面因素。第18页/共386页材料的显微结构与性能因此,材料的各种有效性能实际上是由这些许许多多的组元的各种特性的某种集成在宏观上的反映。如果材料中非均匀性变化了,亦即它的显微结构详情发生了变化,则这种集成结果也随着发生变化,材料宏观性
7、能出现差异。第19页/共386页复合材料”广义上讲,也可把这种具有一定显微结构特征的非均匀或非均质材料统称为“复合材料”,例如多晶体是复合材料的一个特例,它可看成是晶粒相异的单相颗粒组成的复合材料。本课程论述的对象即是广义上的“复合材料”。它们的重要意义在于其可调节性和可设计性。第20页/共386页复合材料”它们的宏观性能不是由结构中不同组元(相、颗粒、畴等)性能的简单加和平均,有时其宏观性能完全不同于组元的性能。更为重要的是,材料宏观性能可以根据要求(通过改变组分、显微结构的几何和拓扑)加以调节,即可通过改变组成物质的种类和组合方式(显微结构),来改变所产生材料的性能,由此可利用已有的物质来
8、发现和设计新材料。第21页/共386页1.2 复合效应、显微结构与性能复合效应12”复合效应00”复合效应第22页/共386页复合效应在显微结构层次上,利用已有的物质来发现和设计新材料的途径有多种,其中重要的一条途径即是从非常规复合效应产生新型材料。以通常的两相复合材料来讲,我们定义、区分两种非常规复合效应。第23页/共386页“112”复合效应这个效应意味着两种不同常规物质的组成/复合可导致其复合材料性能的显著增强,远远大于原常规物质的性能。其性能得到了数量级上的提高,使材料“旧貌换新颜”。第24页/共386页“000”复合效应指两种不同常规物质的组合/复合可导致全新的、原常规物质所不具有的
9、性能,使材料的某种性能“无中生有”。第25页/共386页产生“1+12”复合效应的途径合理选择组成物质及设计组成方式利用组成物质之间的相互作用(如界面)纳米尺度的结构组成第26页/共386页产生“0+00”复合效应的途径利用耦合作用纳米尺度结构组成周期结构组成这些机制可能单独起作用、或并存。第27页/共386页12”复合效应通过已有物质的组合/复合来增强材料的性能已是常见的一种方法,如金属的弥散强化、陶瓷的弥散增韧。但这里要讨论的不是简单的”1+12”效果,而是产生显著的复合效应:旧貌换新颜。下面分别以几个实例来说明产生1+12复合效应的三种途径。第28页/共386页通过合理选择物质及组合方式
10、获得显著增强的介电性能高介电材料作为用于制备重要的电容器、存储器等的材料,在微电子器件中扮演着重要的角色。钙钛矿结构材料(如弛豫铁电氧化物PbMg1/3Nb2/3O3)具有高的介电常数,是目前的主流高介电材料。第29页/共386页通过合理选择物质及组合方式获得显著增强的介电性能随着微电子元器件的微型化,进一步增强介电常数是非常重要的,其1+12复合效应是获得显著增强介电常数的有效途径。利用已有的介电材料获得更大的介电性,可以通过金属(导体)介电体(绝缘体)的合理组合产生的1+12复合效应来实现。第30页/共386页独石多层电容器(MLC)是一种由陶瓷介电层和金属内电极层交替的叠层组合。第31页
11、/共386页独石多层电容器(MLC)对MLC,宏观介电常数可表示为:其中L是MLC的厚度;c、t和N分别是陶瓷层的介电常数、单层厚度和层数。现在,可以制备包含N100的陶瓷层的MLC,因此,同单纯的陶瓷相比,MLC的介电性可被增强102数量级以上。第32页/共386页独石多层电容器(MLC)根据这个简洁关系,通过减小陶瓷介电层厚度、增加层数来获得显著的介电增强,已成为目前这类MLC的一个重要发展趋势。但随着电介质厚度的降低,其他问题(如机械强度,包括制备技术问题)变得尤为突出,故不可能使其做得太薄。另一个比较切实可行的办法就是尽可能提高介电层材料的介电常数。第33页/共386页介电常数的提高可
12、以进一步利用金属(导体)介电体(绝缘体)的其他结合形式来达到,如下图,即把导体颗粒弥散在电介质中。第34页/共386页介电常数的提高这种组合方式导致一个重要的金属绝缘体转变,即随着金属颗粒含量的增加,在一临界体积分数(渗流阀值)处发生渗流转变。这种渗流转变的一个特别有意义的特征是复合材料的介电常数在渗流阀值fc处“发散”,即其中f是金属颗粒的体积分数,s1是介电指数。第35页/共386页介电常数的提高许多实验表明,在fc附近,这种复合材料的介电常数异常大,远远大于介电基体的介电常数c。这种非常规复合效应是由于在fc附近许许多多金属颗粒被薄的介电层所隔离,形成了许多微电容,从而导致了材料在宏观上
13、的高介电性。因而,在fc附近的金属绝缘体组合可以成为具有优异电荷储存功能的电容器。第36页/共386页介电常数的提高进一步,当导体颗粒的体积分数趋进于1,但每个颗粒仍被一层非常薄的介电层所隔离,如下图所示。这样便形成了像BaTiO3基陶瓷电容器那样的边界层电容器。第37页/共386页介电常数的提高在这种情况下,有效介电常数为:其中d为颗粒尺寸,t是边界层厚度,通常,d/t1。例如,当d=10m,t=10nm,则d/t=1000,这意味着介电常数增强了1000倍。第38页/共386页介电常数的提高根据这个1+12非常规复合效应,新近发现的一种新型高介电NiO基陶瓷,与目前已知的最好的高介电钙钛矿
14、结构陶瓷相比,NiO基陶瓷是非钙钛矿的、非铁电的、无铅的具有简单结构的陶瓷。在这种新型高介电NiO陶瓷中,Li掺杂的NiO颗粒内核是半导体,而边界层是介电层,它们构成BLC组合结构,赋予了这种材料宏观上高介电特性。第39页/共386页仔细选择组成物质,以及设计它们组成的几何显微结构已成为获得显著1+12复合效应的有效途径。例如,近来Solin等人在Au和InSb的一个简单复合结构中观察到非常高的室温磁阻,这个显著增强的磁阻源于,在Au/InSb简单组合中,Au在磁场中产生的电流偏转;在零磁场时,Au是短路的,但在高场时,它是断路的。第40页/共386页利用组成物质之间相互作用获得显著增强的离子
15、电导率利用复合中组成物相之间的相互作用(如界面)也可显著提高材料的性能,一个典型实例是复合固态电解质。最早的复合固态电解质是由无机离子导体(如锂盐)基体和外加的惰性颗粒相(如非活性、绝缘的Al2O3、SiO2颗粒)组成的。第41页/共386页利用组成物质之间相互作用获得显著增强的离子电导率这些纯的、单相离子导体通常只具有低的(室温)离子电导率,如10-510-10(cm)-1。在它们中引入非活性的异相颗粒形成复合介质后,两种组成物质之间相互作用导致在离子导体与活性颗粒之间形成了一个活性界面层(缺陷富集、空间电荷层、和/或无序层),它是锂离子传导的快速通道,从而导致离子电导率发生异常增加,最大增
16、幅可达近104倍。第42页/共386页利用组成物质之间相互作用获得显著增强的离子电导率近来,聚合物电解质(如聚氧乙烯PEO/锂盐)由于具有质轻、黏弹性好以及成膜性好等优点,尤其适合于作为全固态锂电池的电解质。但是PEO与锂盐形成的聚合物电解质在室温时有较高的结晶相,具有低的离子电导率(2复合效应的另一个有效途径。以热电材料为例。衡量材料热电性能优劣的指标是它的热电优值(品质因子)即ZT(=2T/,其中是Seebeck系数、是电导率、是热导率、T是绝对温度)。最大限度地提高材料的热电优值是热电材料研究的最终目标。第45页/共386页通过纳米结构复合获得显著增强的热电优值尽管人们对热电材料进行了长
17、期不懈的努力,但不幸的是,在近四十多年来,ZT约为1的记录一直未被显著突破。近来,围绕这个目标在国际上掀起了一股强劲的热电材料研究热潮,使老的热电问题重新出现生机。其中,最引人注目的是通过形成纳米复合结构(如量子阱、量子线、量子点结构),利用其中“量子限制”来获得具有显著增强的ZT的新型热电材料。第46页/共386页通过纳米结构复合获得显著增强的热电优值在由热电半导体(Bi2Te3)纳米层(量子阱)和间隔物质(量子势)组合的多重量子阱纳米结构中,当量子阱和量子势的宽度足够小(几个纳米)时,使用调制掺杂可导致单位体积内电子态密度的增加,因而导致Seebeck系数载流子迁移率的增加,引起热电功率因
18、子2的增强。另一方面,大量的界面导致强的界面散射,使热导率显著降低。因而最终可以在合适的多重量子阱纳米结构中获得显著增强的ZT。第47页/共386页通过纳米结构复合获得显著增强的热电优值第48页/共386页近年相继在铁磁/非铁磁(如Fe/Cu等)多层复合材料、纳米颗粒铁磁复合材料(如Fe/Ag等)中发现巨磁阻(GMR)效应,使得GMR复合材料成为近些年来最激动人心的新材料领域之一。这种GMR效应是由纳米尺度非均质性和磁耦合作用所导致的“1+12”复合效应。通过纳米结构复合获得显著增强的热电优值第49页/共386页复合效应无中生有:产生新功能“0+00”复合效应比“1+12”复合效应更富创意,因
19、为通过“0+00”复合效应可使复合材料呈现出两个组成所没有的新性能,着在一定意义上意味着发展出新材料。通过产生“0+00”复合效应,可获得组成物质所不具备的、全新的功能,即“无中生有”。因此,“0+00”复合效应是利用已有物质发现新型材料的独特方法。第50页/共386页通过耦合作用产生巨磁电效应结合2种(或多种)具有不同耦合性质的物质,通过它们之间的耦合作用可产生非常大的、而组成物质完全不具备的乘积效应。一个令人注目的实例是在由磁致伸缩压电材料组合的多重铁性复合材料种产生的新型磁电性,而单纯的磁致伸缩、或压电材料是不具备磁电性的。第51页/共386页通过耦合作用产生巨磁电效应这种新的磁电响应来
20、源于组合中的两种物质之间的弹性耦合作用,即对该复合材料施加磁场,磁致伸缩相产生磁致应变,这个应变传递到压电材料,从而导致电极化。甚至产生远远大于传统的、已知的磁电材料(如Cr2O3和复杂钙钛矿氧化物)的巨磁电(GME)效应,使得这种新型多重铁性复合材料特别具有技术应用潜力。第52页/共386页通过纳米结构复合获得新功能0+00复合效应也可以由纳米结构复合中的纳米尺寸效应产生。一个经典的实例是玻璃着色。普通玻璃是无色透明的,为了使玻璃着色,通常把玻璃作微晶化热处理,使得在玻璃中产生纳米金属胶粒。第53页/共386页通过纳米结构复合获得新功能例如,当纳米金粒子(黄色的Au)或纳米银粒子(白色Ag)
21、引入玻璃中,玻璃即分别被着色成为红色玻璃或黄色玻璃,因此,在Au/玻璃复合中发生了“黄色+无色红色”转变,而对Ag/玻璃复合,发生了“白色+无色黄色”转变。这种0+00复合效应,是由于复合中的纳米尺寸效应导致了金属光吸收峰“红移”所致。第54页/共386页通过周期复合结构产生新材料与纳米结构复合相类似,周期结构复合也已成为获得0+00复合效应的有效途径。周期介电复合结构,即“光子晶体”,是近年来最引人注目的发现之一,它是利用两种不同介电常数材料形成的一种在纳米尺度上的周期复合结构。第55页/共386页SiO2微球自组装而成的周期结构由SiO2纳米微球自组装而成的蛋白石(opal)结构,形成三维
22、SiO2-气孔周期纳米复合结构。第56页/共386页SiO2微球自组装而成的周期结构相应地,该复合结构的介电函数也呈现出周期性变化,形成周期变化的介电势场,导致复合结构的光波色散带在Brillouin区产生光带隙(photonic band gap,PBG),即对应于光带隙频率区的光波在材料中是被禁止的,完全被材料反射。这类似于半导体中周期原子势产生电子能隙。第57页/共386页SiO2微球自组装而成的周期结构PBG是一个由常规物质的周期复合所产生的全新的行为,它依赖于周期复合结构。例如,纳米微球面心立方结构光子晶体具有相当弱的带隙,它要求大的介电常数反差;而钻石型结构光子晶体则具有宽的带隙。
23、第58页/共386页显微结构性能关联上述“1+12”(“旧貌换新颜”)和“0+00”(“无中生有”)复合效应显示了对许多实际的具有一定显微结构特征的材料,原子结构与宏观性能之间的关联性并非很直接。相反,它们的大部分性能是由其显微结构层次上的特征所决定。因此,实际材料显微结构宏观性能之间关系也具有特别重要的意义。第59页/共386页第二章 材料的结构2.1 单相材料的结构2.2 多相材料的结构2.3 典型材料的显微结构第60页/共386页2.1 单相材料的结构原子原子的结合结晶晶格缺陷第61页/共386页原子所有的物质均由原子组成,原子是由带正电荷的原子核和包围在原子核周围的电子云所组成,原子核
24、的直径约为105 nm,电子距原子核为0.10.5 nm,原子核占据了原子的绝大部分质量,其质量体积比仅是原子的1010。第62页/共386页原子材料的性能几乎均取决于原子核周围的电子行为,特别是外层电子的影响非常大,诸如材料化学反应性能、机械强度、电导率、磁性能、光学性能等均由电子与原子核的结合方式决定。第63页/共386页原子元素周期表总结了元素的原子价和性能随原子序数的增加而表现出周期性变化的规律,这种周期性变化规律又与原子的电子结构有关。第64页/共386页原子从周期表中可以发现,原子序号较大的元素中存在着许多内层电子未被填满时却已开始填充外层的现象,这一类元素被称为过渡族元素。如26
25、Fe:1s22s22p63s23p63d64s2由于过渡族元素电子结构的特殊性,表现出许多特殊的性能,例如强磁性、不规则的熔融温度,弹性系数,化学结合能力等。第65页/共386页原子的结合固体材料是由同种或异种原子结合而成,结合时各原子外壳中的电子会相互作用而产生原子之间的作用力,电子之间相互作用存在若干种不同的方式,这种方式决定了原子之间结合的强度,也决定了结合而成的材料的一些宏观性能,如机械性能、电性能、化学性能等。第66页/共386页原子的结合电子间的相互作用可以分成两类,即吸引作用和排斥作用。吸引作用源于异性电荷之间的库仑引力,这个力是长程的,也就是异性电荷的距离比原子间距大得多的情况
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