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研究分析材料物理及材料化学的内容重点
材料是人类文明的里程碑，是人类赖以生存的重要物质基础。正是材料的使用，发现，发明，才是人类在与自然界的斗争中，走出混沌蒙昧的时代，发展到科学技术高度发达的今天。在材料学家看来，人类的文明史就是材料的发展史，并往往以不同特征的材料划分人类不同的历史时期，如石器时代，青铜器时代，铁器时代，高分子材料时代，硅材料时代……
材料，信息和能源使人们公认的现代人类文明的三大支柱，材料的品种，质量和产量已经成为衡量一个国家现代化程度的直接标志。人们普遍认为，一场以信息科学，材料科学，生物科学魏前沿的新产业必将到来。在今天，我们已经开始从各个方面研究各种材料的结构，组成，性能以及应用。作为材料的专业的学生，学院现在对我们大三的学生开了材料物理和材料化学，两门很基础的专业课。也是刚刚接触专业课，就简单的以我个人的角度来总结一下材料物理和材料化学的学习重点及研究重点。
材料物理是介于物理学和材料学之间的一门边缘学科，它旨在利用物理学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，材料的发展日新月异，材料学，材料工程与材料可蹙额的内容也在不断深入和更新，随着材料研究方法，测试技术的进步吗，一些问题诸如：材料中的物理模型，材料在各种外界条件下发生的变化，出现各种各样的物理现象和效应，材料的微观组织结构，运动状态，物理性质，化学成分以及它们之间的相互关系等也正在不断的凸现出来，因
此，突出物理学的主干，从物理学的一些基本概念，基本定律出发，较为系统的总结和介绍上述这些重要问题是很有必要的。材料物理是继材料学，材料工程基础，材料科学基础发展起来的。
材料物理以材料的晶态结构，晶体缺陷，材料固态相变，材料固态相变，材料电学性能，力学性能，磁学性能，热学性能，光学性能为重点学习。
材料的晶态结构，我们都知道材料中的原子或分子在三维空间的排列可能是又规则的，也可能是无规则的。对材料中的原子（分子）是否有规则，是何种排列的描述即材料的晶态结构。按原子（分子）空间排列方式可以将材料分为三类：原子（分子）在三维空间做有规则的周期性重复排列的材料称为晶体，即其中的排列是长程有序。如果材料中的原子（分子）不规则的排列则称为非晶体。准晶体是介于晶体和非晶体之间的有序结构。
人们对晶态结构的认识始于1912年索末菲等用X射线照射晶体发现了衍射现象和和布拉格父子提出的布拉格定律。我们今天对晶体的描述用到点阵（晶格），晶胞，晶系这样的名词。我们将排列中周围环境相同，彼此等同的原子，分子或原子群，分子群的中心抽象魏规则排列于空间的无数个几何点，这种几何点的空间排列称为空间点阵，简称点阵。而为了说明点阵排列的规律和特点，在点阵中取出一个具体的代表性的基本单元作为点阵的组成单元，称为晶胞。晶胞是我们研究晶体的基础，它的六个参数为三个棱边长a,b,c和晶轴x,y,z之间的夹角A,B,C限定，这三个参数不仅确定了晶胞的形状和大小，而且完全可以确定空间点阵。对于晶系，我们常按晶系把晶体分成七类：三斜，单斜，正交，六方，菱形，四方以及立方。
晶体的各向异性特性，使得其在不同方向上有不同的性能（如电导率，热导率，热膨胀系数，弹性模量，强度，光学性能，表面化学性能），为了描述这种差异，将晶体中连接特定的阵点列的直线称为晶向；将特定取向的平面，一般是阵点所构成的平面陈为晶面。晶向指数表示为【uvw】，晶体中因对称而等同的各组晶向课归并为一个晶向族，用〈uvw〉表示。晶面指数：以晶胞的晶轴x，y，z，以点阵矢量a，b，c为坐标轴的长度单位。取该晶面在坐标轴的截距的倒数，化为最小的简单整数加以圆括号，（hkl）。
非晶体中的原子（分子）排列不规则。我们熟知的如玻璃，石英玻璃等。用X射线照射，晶体得到的是在特定角度出现数个尖锐的衍射峰，而非晶体的衍射峰明显宽化，出现馒头峰。对其结构可定性的描述：长程无序，短程有序。
准晶体则介于晶体和非晶体之间的长程有序结构，是不同的单胞按一定的规则周期性重复堆垛而成。我们对于准晶体还在进一步的研究之中，2011年诺贝尔化学奖揭晓，以色列科学家达尼埃尔·谢赫特曼Daniel Shechtman获奖，获奖理由是“发现准晶体”。对于准晶体从1984年以来在晶体学界，物理学界都很受重视。现在国内也在进一步研究。
金属材料的晶态结构。
纯金属多为具有高度对称的简单结构典型的有：面心立方（A1，fcc）如Al，Cu，Ni，Ag，Au。晶胞中原子数4个，致密度约为74%。体心立方（A2，bcc）如Cr，Nb，W。晶胞中原子数为2个，致密度约为68%；密排六方（A3，hcp）如Be，Mg，Zn晶胞中的原子数为6个，致密度约为74%。其中面心立方与密排六方都是最密排结构。
陶瓷材料的晶体结构
陶瓷材料的晶态结构。陶瓷为金属与非金属形成的离子型或共价性的化合物及其混合物构成的材料。传统的陶瓷包括水泥，玻璃，陶瓷，耐火材料。还有先进陶瓷，指用人工合成的原料采用普通陶瓷工艺得到的新材料，如氧化物，碳化物，氮化物，硼化物，硅化物等。陶瓷结构可以是晶态的，如大部分特种材料是晶态的。陶瓷也可以是非晶态的，如玻璃。许多情况下是晶相和非晶相的混合。
以上两种材料是我们在材料物理中学习的重点，此外呢，还有低碳材料的结构，讲到薄膜的形成和结构，不做深入学习了。上面谈到晶体，均属于理想晶体，即阵点在三维空间周期地重复排列构成的，点阵中的每一个阵点的周围环境相同且彼此等同。但是理想晶体是不存在，是存在缺陷的。按形成晶体缺陷的原子种类，可将晶体缺陷分为化学缺陷和点阵缺陷。其中点阵缺陷是指原子排列处于集合上混乱状态。可将点阵缺陷分为点缺陷，线缺陷（位错）和面缺陷。点缺陷分为肖脱基缺陷和弗兰克尔缺陷。
点缺陷对性能的影响：1引起电子在传输过程中的额外散射，增加电子在电场中移动阻力，所以随空位浓度的升高，导体电阻升高。
2导致扩散加快。3导致体积增加，密度减小。4辐射损伤。上述的点缺陷是针对平衡态，即热力学上的自由能最低状态，但实际上材料常常处于非平衡态，其点缺陷浓度高于其平衡浓度，即成为过饱和点缺陷。产生原因有：1高温淬火2冷加工3高温辐射。线缺陷（位错），指晶体中某一列或数列原子发生有规律的错排形成的。为了表征位错引起的点阵畸变程度，我们利用由柏格斯提出的柏氏矢量。位错分为刃型位错，螺型位错和混合位错。其中柏氏矢量与位错线垂直的是刃型位错；柏氏矢量与位错线平行的是螺型位错；柏氏矢量与位错线既不垂直又不平行的是混合位错。
面缺陷中我们学到晶界，晶界是取向不同的两个晶体之间的界面。其中相邻晶粒取向差小于15°的晶界为小角度晶界；大于15°晶界称为大角度晶界。两部分晶体沿一定的晶面成镜面对称关系，称这两部分晶体为孪晶，孪晶之间的界面称为孪晶界。晶体的外表面是指固体与气体，液体或真空的界面。表面存在悬键，所以形成了表面能，使原子的排列发生了调整，原子的排列方式和晶格常数会发生变化来降低表面能，这种调整有表面重构和表面弛豫。
上述谈到晶体和非理想晶体，材料中还有晶体结构为改变而磁性，导电性等性能发生改变的现象，涉及到相变问题。工程上常利用相变前后的性能差控制材料的性能。材料物理中主要研究的是固态相变以及相变对材料性能的影响。
相变是材料从旧的相存在方式向新的相存在方式转变。固态相变的新相是在母相中形成的，根据相变前后热力学函数变化分为一级相
变和二级相变。常见的固态相变分为：同素异构转变，固溶体的多晶型性转变，脱溶，共析转变，包析转变，条幅转变，马氏体转变，块状转变，贝氏体转变，有序化转变，磁性转变和超导转变。课程中我们主要研究和学习共析转变，马氏体转变以及贝氏体转变。共析转变是形核-长大的过程，属于扩散型相变，是热激活固态相变，其生长速度与转变温度有关，如铁素体向渗碳体转变的过程。马氏体转变一级相变，非扩散型。马氏体相变的特点是：1切变共格和表面浮凸。2具有一定的为相关系和惯习面。3无扩散性。4有大量晶体缺陷。5可逆性。6不完全性。马氏体转变的动力学的三种形式是变温转变，爆发转变以及等温转变。马氏体的组织形态因合金不同而不同主要形成板条状马氏体和片状马氏体。在研究过程中不断地提出了不同的马氏体转变机制，有Bain模型，K-S模型和G-T模型。
贝氏体转变属于一级转变，半扩散型。将奥氏体的钢冷却到550摄氏度至Ms温度等温，将产生贝氏体，也成为中温转变。它是介于扩散型珠光体转变和非扩散性马氏体转变之间的一种中间转变。贝氏体的组织形态是在Bs-350摄氏度之间等温，形成上贝氏体；在350摄氏度-Ms之间等温形成的是下贝氏体。其中上贝氏体id强度低，范性，韧性低于屈氏体。下贝氏体强度高，韧性好。我们以等温净火是方法得到下贝氏体。
材料的固体扩散也是材料物理中的一个很重要的部分，对材料的性能有一定影响。在固体扩散这部分，主要是扩散动力学和扩散机制，以及影响扩散因素。
扩散动力学有扩散第一定律及扩散第二定律及其公式推导过程。其中第一定律适用于稳态扩散，第二定律用于非稳态扩撒。由扩散第一定律知，扩散的快慢取决于浓度梯度和扩散系数。在浓度分布确定的情况下，其速度主要取决于扩散系数，表达式： CJD
x按不同的机制进行扩散，所需的激活能不同，因此扩散系数不同，扩散快慢不同。
我们也学习和分析了间隙扩散及置换扩散的机制。
影响扩散的因素，我们已经知道扩散的快慢是取决于扩散系数D而D是由扩散常数，激活能和温度决定的，因此温度，固溶体类型，晶体结构，溶质浓度，第三组元，晶体缺陷等均是影响固体扩散的因素。
我们都知道材料的成分和结构决定材料的性能，上述我们谈到了材料的结构中的一些概念，变化，正是因为晶体的缺陷，材料相变，及扩散这些因素决定材料的性能及其用途。接下来分析材料物理中材料的一些性能。
材料的电学性能。主要是金属的导电性，半导体的导电性，离子晶体的导电性，超导电性，热电效应和材料的介电性能。
就金属的导电性能，我们可以用电阻率准确的描述导电能力，用欧姆定律来反映:J=E/b（其中J是电流密度，E是电场强度，b是电阻率，1/b是电导率）。温度对导电性的影响很主要，温度升高，电
子散射显著，导体的电阻增大。广义的电导功能材料有导电材料（主要用以输送电流），电阻材料（提供特定阻值的电阻），电触点材料（开关，继电器等原件）。
半导体的导电性。半导体分为本征半导体（指导电性由其固有的传导性能决定的纯半导体），杂志半导体（是极稀的置换式固溶体），n型半导体（其中多数载流子是带负电的电子），p型半导体（其中的载流子是带正点的空穴）。对于导体和半导体在磁场中会产生霍尔效应。
离子晶体的导电可以分为两类：一是形成晶体的点阵的基体离子或溶剂的离子由于热振动脱离周围离子的束缚而形成热缺陷，称为本征导电。二是参与导电的载流子主要是杂志或溶质。低温下杂志导电是主要的导电机制，高温时本征导电是主要机制。
超导电性，超导是因为导体在温度低于某特定温度时，电阻降为零的现象。当今的超导材料应用也比较广泛。主要用于产生强磁场。材料的磁学性能。主要是材料磁学性能的表征参数和材料磁化分类，孤立原子的磁矩，抗磁性和顺磁性，铁磁性和强磁材料。磁学性能的参数主要有磁感应强度B，磁场强度H，磁化强度M。材料磁化的分类是由磁化率x与0大小，以及数量级来分类，分为抗磁体，顺磁体，铁磁体，亚铁磁体，反铁磁体。
原子的磁矩不考虑原子核的贡献，原子的总角动量和总磁矩由其中电子的轨道和自旋角动量耦合而成，根据红特规则和保利不相容原理。
材料的热学性能主要是材料的热容，热传导，热膨胀，以及热稳定性。材料的热容我们接触了毒隆-珀替定律，热容的量子理论，爱因斯坦热容模型，以及徳拜热容模型，模型有进步，但有些对于有些化合物热熔计算与实际不符所以就是徳拜的模型也是有局限性的。材料的热传导在宏观上看来是热量自动从热端传向冷端的现象，其机理高温处的质子的热振动强烈，振幅大，通过质点间的作用力使其临近的质点振动加剧热运动能量增大，此时发生了热量的传递和转移。材料的热膨胀是指材料在常压下长度和体积随温度升高而增大的现象，其微观机理是温度升高晶格振动向两个方向的振幅都增大，但原子相互远离的振幅增大更大，所以原子平均距离增大。
材料的力学性能主要是材料的力学性能指标如材料应力和应变，载力学性能指标，及材料硬度。材料的变形如材料的弹性变形，塑性变形，蠕变及黏性流动和粘弹性。材料的断裂如材料的礼物呢断裂强度，格里菲斯断裂强度理论，以及材料断裂过程。材料的疲劳如疲劳现象和疲劳极限，疲劳破坏的微观机制。
材料的光学性能主要是光与材料的作用，材料的发光和激光以及光学材料。光与材料的一般规律：一是光从一种介质传到另一种介质是，一部分被反射，一部分继续传播；二是引起材料中电子能态的改变。分别介绍了金属和非金属对光的吸收，以及非金属材料对光的折射，反射和散射。光学材料中有发光材料，固体激光工作物质，和光导纤维。
对材料物理的内容重点总结如上，在学习的过程中发现材料物理
和材料化学的相通的地方很多，下面是对材料化学内容的简单总结。材料化学是研究材料的制备，组成，结构和性能的学科。是推进材料科学发展的重要的内容。
材料化学这门学科，它的主要内容是晶体学基础，非整比化合物材料与亚稳态材料，金属材料，无机非金属材料，有机高分子材料，纳米材料以及新功能材料。晶体学基础在材料物理中提炼过，就不在再做总结了，材料化学中主要提到晶体的X射线衍射对晶体确定，我们知道X射线的波长很短，穿透物质的能力很强，大部分射线将穿透晶体，极少部分发生反射，其余部分被吸收散射，可以形成尖锐的衍射峰。晶体的特征有均匀性，各向异性，自范性，融化时有固定熔程，很好的对称性等。
非整比材料化合物的成分可以改变，出现变价原子，混合物价态化合物一般导电性比单纯价态化合物强，颜色深，磁学性质改变等。主要应用有半导体材料，磁性材料，光功能材料，高活性固体材料，复合功能材料，充电电池材料和储氢材料。亚稳态材料包括纳米晶体材料，非晶态材料，准晶态材料。这些材料的亚稳态也是取决于晶体的不理想性。
在材料化学的讲到的金属材料中，主要以金属键和金属特性，金属单质结构，金属材料，新型合金材料，及稀土材料为主展开。我们高中就学过，金属具有不透明性，有光泽，导电传热，具有延展性。一方面是因为金属晶体的堆积方式决定，另一方面是因为金属之间特殊的键合力----金属键。金属键也有一些解释，如自由电子理论，能
带理论。
谈到金属就一定要提到合金，合金是指两种或两种以上的金属或和某些非金属经熔合形成的宏观均匀结构体系。合金一般分为金属固溶体和金属化合物。所谓金属固溶体是两种或两种以上金属或金属化合物相互溶解组成的均匀物相其中组成比例可以改变而不破坏其均匀性。用X射线确定，存在置换固溶体，间隙固溶体，缺位固溶体。金属化合物是由于原子半径，电负性和价电子层结构及单质结构型式见差别增大，易形成。金属化合物物相有组成确定的正常价化合物，组成可变的电子化合物。
金属材料领域是当代的很领域，金属分为黑色金属和有色金属。在我们今天的发展中起到了非常之重要的作用，在应用中有轻质金属材料，铝合金，镁合金，钛合金，钢铁等，应用覆盖面非常广。除了以上的一些常见的合金外，现今我们已经研发了很多的新型合金材料，也很好的应用于生产和发展过程中，如储氢合金，形状记忆合金，高性能合金（超塑性合金，减振合金，硬币合金等）。无机非金属材料是金属以外的一大材料系。五金非金属材料包括水，玻，陶，耐以及新型无机材料，这在材料物理中总结过。在材料化学中很详细的介绍了碳素材料中金刚石，石墨，球碳，无定形碳的结构。单晶硅中单晶硅，多晶硅及太阳能电池的结构及应用。还重点讲解了组成无机非金属材料的基础---硅酸盐的基本特征，结构特征（有限硅氧骨架，无限硅氧骨架）以及这样的结构的好处及应用。材料的第三大家族---高分子材料。高分子材料是以高分子化合物
为基本组成，加入适当助剂，经过一定加工制成的材料。相对分子质量在一万以上饿化合物。根据高分子材料来源分为天然高分子材料，半天然高分子材料，合成高分子材料三大类。根据高分子材料的使用性质可以分为塑料，橡胶，纤维，粘合剂和密封材料和涂料五大类。根据高分子的热性质课分为热塑性高分子和热固性高分子。根据组成高分子的主链结构可分为碳链高分子，杂链高分子和元素高分子。高分子化合物的结构特征，高分子的结构通常又分为链结构和聚集态结构，其中是指单个高分子链的结构和形态，包括近程结构（一级结构）和远程结构（二级结构），一级结构包括高分子链中原子的种类，排列，取代基和端基种类，结构单元的排列顺序和，支链类型和长度。二级结构指分子的尺寸，形态，链的柔顺性一级分子在环境中的构象。而聚集态结构是指高分子材料的整体内部结构，包括晶态结构，非晶态结构，取向态结构，液晶态结构等有关高分子材料中高分子中链间堆积结构。
高分子性能特征。高分子化合物与小分子化合物的区别:1相对分子质量不同2高分子化合物的相对质量和分子链尺寸存在分散性，而小分子结构确定。3分子间作用力不同。4高分子化合物具有线链状和交联结构。我们主要从力学性能，电学性能，光学性能，热学性能及化学稳定性来学习高分子化合物的性能及因地适宜的应用。高分子化合物的合成方法。我们现在用的高分子化合物主要来源于天然动植物；聚合反应合成；以及通过化学反应对天然高分子和合成高分子进行改性。在合成高分子和对其改性，我们有以下方法：自
由基聚合，离子聚合（阳离子聚合和阴离子聚合），配位聚合，可控/活性聚合，缩合聚合，加成缩合聚合，逐步加成聚合，氧化偶联聚合，高分子化学反应。以及聚合反应实施方法，其中包括本体聚合，溶液聚合，乳液聚合，悬浮聚合，熔融聚合，溶液缩聚界面缩聚好人固相缩聚。
我们说五大高分子材料是塑料，橡胶，纤维，黏合剂和涂料。塑料是其中产量最大的高分子，约占70%-75%。分为热塑性塑料，热固性塑料，通用塑料，特种塑料和工程塑料。塑料这块我们主要了解和学习其应用及组成。橡胶是一种具有高弹性的高分子化合物，包括天然橡胶，合成橡胶。在橡胶中我们主要学习丁苯橡胶，顺丁橡胶，异戊橡胶，乙丙橡胶，氯丁橡胶和丁腈橡胶饿组成和应用。纤维是保持长度比本身直径打100倍的均匀条状或丝状的高分子材料。有天然和化学纤维两种。在应用方面我们研究聚酯纤维，尼龙（锦纶或耐纶）和聚丙烯腈纤维的应用和组成。涂料是一种涂布于物体表面能结成坚韧保护膜的物质，可是被涂的物体的表面和大气隔离，起到保护作用。分为有机涂料和无机涂料，以有机涂料为主进行学习。涂料的应用我们从醇酸树脂涂料，氨基树脂涂料，丙烯酸树脂涂料，环氧树脂涂料方面了解学习。对于黏合剂和密封材料我们从氯丁橡胶系列黏合剂聚氨酯系列黏合剂等作为了解。
在人类不如21世纪之际，科学技术更进一步的发展，我们开始了解纳米材料。1nm=10-9m=10-10A。纳米是一个非常小的单位，所以就不同于我们平时见到的其他材料，它存在小尺寸效应，使得材
料的声，光，磁，热，力学等特性表现出新的特性。我们也分别从这几个方面研究了纳米材料的性质。纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相当大的比例，会产生表面效应。纳米材料还存在宏观量子隧道效应。纳米材料是尺寸在1-100nm范围内的材料，分为碳纳米管，纳米棒，纳米丝碳纳米网和同轴纳米电缆，我们学习这几种纳米材料的微观结构及组成和优缺点。材料化学中主要研究纳米材料的制备，我们学习纳米粉体的合成纳米复合材料的制备及碳纳米管的制备。无论什么材料，其性能和制备都离不开先研究其组成和结构。纳米材料的结构包含纳米微粒（线度处于1-100纳米的离子的聚合体），纳米固体（纳米微粒聚集而成的凝集体）和纳米组装体系（人工组装合成的纳米结构材料体系）。对于纳米材料的性质我们从光学性质，催化性质，光催化性质，化学反应性质，化学反应动力学性质展开研究和学习。
纳米的应用领域很广，主要应用于信息能源方面如纳米磁记录材料。化学化工方面，如纳米粒子的化学催化。应用于光学方面。以及医学方面等等。
材料化学和材料物理的研究领域有很多相交的领域，还有待我们、更进一步的研究和学习。
