材料物理概論

前言

　　材料物理學(xué)是利用物理理論來(lái)闡明材料中的種種現(xiàn)象和轉(zhuǎn)變規(guī)律的學(xué)科，是介于物理學(xué)與材料學(xué)之間的一門(mén)邊緣學(xué)科。如果說(shuō)材料學(xué)是研究材料的結(jié)構(gòu)、性能及其應(yīng)用的一門(mén)學(xué)科，提出材料是什么的問(wèn)題，則材料物理回答的是為什么的問(wèn)題。材料物理從物理學(xué)的一些基本概念和理論出發(fā)，研究材料的微觀組織結(jié)構(gòu)和狀態(tài)、物理性能和化學(xué)成分及其相互關(guān)系，闡述材料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和它們?cè)诟鞣N外界條件下的變化規(guī)律，進(jìn)而指導(dǎo)材料科學(xué)研究和發(fā)展?！　」P者的教學(xué)實(shí)踐表明，讓學(xué)生充分了解材料物理的基礎(chǔ)理論，對(duì)他們迅速有效地掌握材料物理領(lǐng)域的知識(shí)結(jié)構(gòu)，并運(yùn)用基礎(chǔ)理論去分析問(wèn)題和解決問(wèn)題十分重要?！　∫虼?，介紹材料物理基本理論，闡述材料的結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系構(gòu)成了本書(shū)的基礎(chǔ)。　　本書(shū)首先介紹量子理論和固體物理基礎(chǔ)，晶體材料的結(jié)構(gòu)和性能、結(jié)構(gòu)缺陷、擴(kuò)散、合金相與相變等基本理論。這些內(nèi)容是準(zhǔn)確理解目前材料的性能和未來(lái)材料領(lǐng)域發(fā)展的重要理論，是近代物理知識(shí)欠缺的讀者很好的補(bǔ)充。對(duì)于抽象和不易理解的理論，本書(shū)省去了復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)過(guò)程。接著是關(guān)于材料的力學(xué)性能和組織結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系，強(qiáng)調(diào)從半定量上理解材料宏觀性能與微結(jié)構(gòu)關(guān)系及其物理本質(zhì)，包括材料的形變、斷裂、蠕變和疲勞特性等。后一部分介紹了材料物理領(lǐng)域的一些重要分支或現(xiàn)象，包括材料的表面和界面、半導(dǎo)體等內(nèi)容，敘述了相關(guān)的物理理論及其與微結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的物理本質(zhì)?！　”緯?shū)涵蓋內(nèi)容較多，在基礎(chǔ)理論的深度和涉及材料領(lǐng)域廣度上都有所拓展，同時(shí)注意介紹材料物理理論的新發(fā)展；語(yǔ)言表達(dá)通俗易懂，　　理論內(nèi)容敘述簡(jiǎn)潔明了，省略繁復(fù)的數(shù)學(xué)公式；內(nèi)容安排上，各章節(jié)內(nèi)容相對(duì)獨(dú)立，以便于不同讀者的需要。　　本書(shū)可作為大材料專(zhuān)業(yè)的高年級(jí)本科生或研究生專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課教材，也是材料領(lǐng)域科技工作者的常備參考書(shū)?！　”本┛萍即髮W(xué)材料物理系于廣華教授、廣西大學(xué)材料學(xué)院沈曉明教授分別審閱了本書(shū)的部分內(nèi)容。課題組研究生參與了部分內(nèi)容的文字和繪圖工作，在此一并表示感謝。　　本書(shū)嘗試了大跨度材料物理教材編寫(xiě)，由于認(rèn)知的局限性，難免存在不足之處，請(qǐng)讀者和相關(guān)專(zhuān)家學(xué)者提出寶貴意見(jiàn)。

內(nèi)容概要

本書(shū)系統(tǒng)地介紹了晶體材料的結(jié)構(gòu)和性能、結(jié)構(gòu)缺陷、擴(kuò)散、合金相與相變等基本理論，材料力學(xué)性能和組織結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系，相關(guān)的物理理論及其與微結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的物理本質(zhì)等內(nèi)容。本書(shū)涵蓋內(nèi)容全面，理論內(nèi)容敘述簡(jiǎn)潔明了，各章節(jié)內(nèi)容相對(duì)獨(dú)立。     本書(shū)可作為材料領(lǐng)域高年級(jí)學(xué)生或研究生的教材，也可供相關(guān)專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員參考。

書(shū)籍目錄

第1章　固體的晶體結(jié)構(gòu) 　1.1　晶體結(jié)構(gòu)及其特性 　　1.1.1　晶體的概念 　　1.1.2　晶體的特性 　1.2　晶體結(jié)構(gòu)的周期性 　　1.2.1　空間點(diǎn)陣 　　1.2.2　晶胞和原胞 　1.3　晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性 　　1.3.1　基本對(duì)稱(chēng)操作 　　1.3.2　晶系 　1.4　晶體結(jié)構(gòu)的表征 　　1.4.1　晶列和晶向指數(shù) 　　1.4.2　晶面指數(shù) 　　1.4.3　六方晶系的晶向指數(shù)和晶面指數(shù) 　1.5　常見(jiàn)晶體結(jié)構(gòu) 　1.6　實(shí)際晶體的結(jié)構(gòu)特征 　　1.6.1　晶體的各向異性 　　1.6.2　多晶型性 　1.7　倒易點(diǎn)陣 　　1.7.1　倒格子基矢定義 　　　1.7.2　倒格子的性質(zhì) 　　1.7.3　晶面間距、晶面和晶向夾角 第2章　量子理論的建立 　2.1　量子觀點(diǎn)的形成——量子化概念 　　2.1.1　普朗克量子論 　　2.1.2　愛(ài)因斯坦的光量子論 　　2.1.3　玻爾的量子論 　2.2　波粒二相性——物質(zhì)波及其物理意義 　　2.2.1　德布羅意物質(zhì)波 　　2.2.2　波函數(shù)及其性質(zhì) 　　2.2.3　量子力學(xué)建立 　2.3　測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系 　2.4　薛定諤方程 　　2.4.1　薛定諤方程及力學(xué)量 　　2.4.2　薛定諤方程物理意義討論 　2.5　薛定諤方程應(yīng)用舉例 　2.6　經(jīng)典價(jià)鍵理論及其意義 　　2.6.1　元素周期表和原子軌道理論的合理性 　　2.6.2　經(jīng)典晶體結(jié)合的基本價(jià)鍵理論 第3章　固體能帶理論基礎(chǔ) 　3.1　固體中的電子狀態(tài)和能帶的形成 　3.2　周期勢(shì)場(chǎng)中的電子狀態(tài)和能帶結(jié)構(gòu) 　3.3　布里淵區(qū)和能帶理論 　3.4　導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體 　3.5　能帶理論意義及其局限性 第4章　晶體的結(jié)構(gòu)缺陷及其運(yùn)動(dòng) 　4.1　點(diǎn)缺陷 　　4.1.1　點(diǎn)缺陷結(jié)構(gòu) 　　4.1.2　點(diǎn)缺陷的能量和運(yùn)動(dòng) 　　4.1.3　點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng) 　　4.1.4　熱平衡點(diǎn)缺陷 　　4.1.5　熱力學(xué)非平衡條件下的點(diǎn)缺陷 　4.2　位錯(cuò) 　　4.2.1　位錯(cuò)結(jié)構(gòu) 　　4.2.2　位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)特征 　　4.2.3　位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng) 　　4.2.4　位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng) 　4.3　位錯(cuò)和缺陷相互作用 　　4.3.1　位錯(cuò)和點(diǎn)缺陷間相互作用 　　4.3.2　位錯(cuò)和位錯(cuò)的相互作用 　4.4　晶體中位錯(cuò)的產(chǎn)生及其觀察 　　4.4.1　位錯(cuò)的產(chǎn)生和消失 　　4.4.2　位錯(cuò)的增殖 　4.5　常見(jiàn)晶體中的特殊位錯(cuò)結(jié)構(gòu) 　　4.5.1　面心立方晶體中的位錯(cuò) 　　4.5.2　體心立方體晶體中的位錯(cuò) 　　4.5.3　密排六方結(jié)構(gòu)晶體中的位錯(cuò) 　4.6　晶界和相界 　　4.6.1　晶界 　　4.6.2　相界 第5章　固體表面和界面結(jié)構(gòu)與特性 　5.1　固體表面和界面結(jié)構(gòu) 　　5.1.1　固體表面結(jié)構(gòu) 　　5.1.2　理想表面結(jié)構(gòu) 　　5.1.3　清潔表面結(jié)構(gòu) 　　5.1.4　實(shí)際表面結(jié)構(gòu) 　5.2　吸附和偏析 　　5.2.1　吸附 　　5.2.2　偏析 第6章　合金熱力學(xué)基礎(chǔ) 　6.1　熱力學(xué)的基本概念 　　……第7章　合金相與相圖 第8章　固體中的擴(kuò)散 第9章　相變 第10章　晶體的塑性形變和再結(jié)晶 第11章　材料的強(qiáng)化 第12章　斷裂 第13章　疲勞 第14章　蠕變 第15章　晶格振動(dòng)和材料的熱學(xué)性質(zhì)第16章　固體材料的電學(xué)性質(zhì) 第17章　材料的磁學(xué)特性 第18章　半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)及其界面特性第19章　納米材料與非晶 思考與習(xí)題 參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　（1）固定熔點(diǎn)　　晶體具有固定的熔點(diǎn)。當(dāng)加熱晶體到某一特定的溫度時(shí)，晶體開(kāi)始熔化，且在熔化過(guò)程中保持溫度不變，直至晶體全部熔化后，溫度才又開(kāi)始上升。如硅單晶的熔點(diǎn)是1420℃，而玻璃等非晶體在加熱過(guò)程中，隨著溫度升高，首先變軟，然后逐漸熔化為液體。也就是說(shuō)，非晶體沒(méi)有固定的熔點(diǎn)，只是在某一溫度范圍內(nèi)發(fā)生軟化，這個(gè)范圍稱(chēng)為軟化區(qū)，開(kāi)始軟化的溫度叫軟化點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明：從晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)要吸熱，所以晶體的內(nèi)能最小。即具有相同化學(xué)成分的晶體與非晶體相比，在相同的熱力學(xué)條件下，晶體是穩(wěn)定的，非晶體是不穩(wěn)定的，非晶體具有向晶體自發(fā)轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)?！　。?）各向異性　　晶體的力學(xué)和物理性質(zhì)隨觀測(cè)方向而變化的現(xiàn)象稱(chēng)為各向異性。晶體的很多宏觀性質(zhì)表現(xiàn)為各向異性，包括電導(dǎo)率、磁化率、熱傳導(dǎo)、折射率等物理性質(zhì)，以及強(qiáng)度、硬度等力學(xué)性能差異?！　。?）對(duì)稱(chēng)性晶體的宏觀特性在一些特定的方向可以是異向同性的，這種相同的宏觀性能在不同方向上有規(guī)律重復(fù)出現(xiàn)的現(xiàn)象稱(chēng)為晶體的對(duì)稱(chēng)性。晶體的對(duì)稱(chēng)性表現(xiàn)在晶體的幾何對(duì)稱(chēng)性和物理性質(zhì)兩個(gè)方面。

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