半導體半導體:本征半導體和非本征半導體（參雜半導體）四族元素半導體和化合物半導體（一）本征半導體本征半導體：沒有雜質和缺陷、理想半導體禁帶價帶導帶ECEV本征半導體能帶特徵：價帶全滿、導帶全空、禁帶中無能級分類：四族元素半導體：化合物半導體：IV-IV族：III-V族：（銻化銦）II-VI族：（硫化鎘），（碲化鋅）寬禁帶、大功率半導體材料

物性3C-SiC4H-SiC6H-SiCSi

熔點2839270028001420

禁帶寬2.22.93.21.1

擊穿場強熱導率4.94.95.01.5SiC與Si的物性比較把一對Si原子和C原子看作一個小球若把第一層作為A層，

第2層有B和C兩種可能，B上的層有C和A兩種可能，C上的層有A和B兩種可能，3C-SiC

の積層順序4H-SiCの積層順序6H-SiCの積層順序本征Si原子鍵合與導電機制：電場Si每當一個電子從價帶被激發到導帶，便在價帶中留下一個電子空位，空穴導帶電子和價帶空穴成對出現:導帶電子:準自由電子、可在電場的作用下定向運動、形成電流導帶電子價帶空穴:電場Si等效載流子其導電過程實質上是電場的作用下價電子向空穴的跳躍過程等效於帶正電的空穴沿與價電子相反方向的運動空穴帶正電量：本征半導體導電：導帶電子和價帶空穴的共同貢獻電導率：導帶電子和價帶空穴的數密度。導帶電子導帶電子和價帶空穴的遷移率。通常：本征半導體:材料SiGeGaPGaAsInSbCdSZnTe本征半導體基本參數一、歐姆定律三、金屬的電阻第三章材料的物性第一節材料的電性質二、固體電子能帶結構四、半導體（一）本征半導體（二）非本征半導體—雜質半導體（二）非本征半導體—雜質半導體實際使用的半導體都是雜質半導體雜質半導體：對本征半導體摻雜、實現改變其電性或獲得某種功能雜質半導體分類：N型半導體和P型半導體（摻雜種類不同）1、N型半導體5價P原子束縛電子5價原子以替位式參入本征Si或Ge中摻雜原子：P,As,Sb未鍵合電子受雜質原子的束縛很弱結合能：Si單晶SbPAsN型半導體能帶結構5價雜質原子摻入相當在導帶底引入施主雜質能級雜質能級上的束縛電子很易被（熱和電）激發到導帶5價雜質原子嚮導帶提供電子5價雜質原子：施主雜質室溫下施主激發產生的電子數遠大於本征激發的電子或空穴數N型半導體：電子是多數載流子；空穴是少數載流子2、P型半導體3價原子以替位式參入本征Si或Ge中摻雜原子：Al,B,Ga3價原子的周圍共價鍵缺一個電子、周圍價電子很容易被激發到這個電子空缺上結合能：3價B原子空位缺電子的位置可看作與雜質原子結合微弱的空位。價電子向空位跳躍的過程等效於空位向價帶的運動3價雜質原子：受主雜質接受來自價帶的電子P型半導體能帶結構3價雜質原子摻入相當在價帶頂引入受主雜質能級價帶電子很易被（熱和電）激發到受主能級上Si單晶BAlGa室溫下受主激發在價帶中產生的空穴數遠大於本征激發的電子或空穴數P型半導體：電子使少數載流子；空穴是多數載流子等效於空位被激發到價帶中、成為空穴3、半導體摻雜工藝摻雜：將微量的施主或受主雜質加入本征半導體中、使之成為N或P型半導體的過程摻雜物：被摻入的物質摻雜工藝方法：擴散法和離子注入法（1）擴散法：氣相法和預沉積、高溫熱處理法

a、氣相法：置矽片於1000—1100oC的擴散爐中，擴散爐中充滿摻雜原子氣體。控制雜質濃度和摻雜深度的工藝參數：溫度、時間、氣相中摻雜原子濃度（2）離子注入法：b、預沉積、高溫熱處理法：Si基板預沉積雜質層熱處理Si基板擴散層比氣相法更易精確控制摻雜控制雜質濃度和摻雜深度的工藝參數：摻雜濃度和深度由溫度和時間決定50~100kV電壓加速雜質離子轟擊Si基板轟擊深度：取決於雜質原子的品質、基板的晶格損傷可在適當的溫度下退火處理消除可在室溫下進行、能精確控制摻雜濃度和深度、適於積體電路製作加速電壓、及基板的表面狀態雜質量由預沉積層厚度決定五、絕緣體禁帶寬度大、常溫下價電子不能被激發到導帶、電導率低絕緣材料的主要性能指標：電阻率、介電係數、介質損失和介電強度（一）體電阻率和麵電阻率體電阻率：表徵載流子在材料體內輸運時的能耗特徵面電阻率：表徵載流子在材料表面或介面輸運時的能耗特徵測量方法：歐姆定律1、體電阻率A電極試樣試樣厚度電極面積電極被蒸鍍在試樣上2、面電阻率A電極試樣（1）平行電極電極間距，電極長度（2）對環狀電極A芯電極環電極試樣芯電極直徑環電極內徑絕緣材料：陶瓷、高分子聚合物製作或合成過程引入的雜質會降低材料電阻率影響聚合物電阻率的因素：未反應的單體、殘留的引發劑、輔助劑及吸附的水分等潮濕空氣中吸附的表面水分會使表面電阻率大幅度降低（二）電介質隔斷或減弱電場的性質介電性：金屬能完全隔斷電場、金屬的介電性最強：絕緣體只能減弱體內的電場：電介質：用於把帶電體隔離、並能長期經受強電場作用的絕緣材料電介質介電性的起因：電介質在外電場中的極化電介質極化機制：（1）、分子的極化；（3)、空間電荷極化。（2）、弛豫極化（電子、離子弛豫極化）；1、電介質極化(1)、分子的極化電介質由分子組成、在外電場的作用下分子中電荷分佈發生變化，—極化分子極化包括：電子位移極化、離子位移極化，及有極分子（具有電偶極矩）的取向極化。A、電子位移極化外電場的作用下、原子中的電子相對原子核發生位移：||電子軌道位移原子正、負電中心不再重合電子軌道位移：原子中的所有電子都發生、但價電子顯著、內層電子不顯著電子品質小、對電場反應快電子位移極化建立時間：可以跟隨光頻變化電場原子玻爾模型電子平均極化率：原子或離子半徑B、離子位移極化離子在外電場的作用下偏離平衡位置、相當於一感生偶極矩結合鍵被拉長據經典彈性振動理論離子位移極化率：晶格常數；電子層斥力指數離子晶體C、有極分子的取向極化離子品質遠大於電子品質，離子極化建立時間比電子的長離子極化建立時間：有極分子電介質在電場的作用下除電子、離子的位移極化外，有極分子將沿電場方向有序化。取向極化：有極分子電介質主要極化方式+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-無電場無電場時有極分子的取向雜亂無章，宏觀上電介質對外不顯電性+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-E0有電場有外電場時在外電場力矩作用下，偶極子（有極分子）轉向電場的方向，場強越強偶極子的取向與電場越一致。分子的熱運動會破壞分子排列有序化溫度不太高、外電場不太強時，平衡狀態下有極分子的取向極化率：分子的固有偶極矩，Boltzman常數取向極化的建立時間：較長D、分子極化總結非（無）極性分子（可能存在對稱的離子性結構）極化率：極化率：（誘導）偶極矩：有極分子（可能存在對稱的離子性結構）偶極矩：

材料的熱膨脹1、熱膨脹係數所有材料都有熱脹冷縮性平均線熱膨脹係數：熱膨脹係數溫度T1

時的試樣長度；溫度T2

時的試樣長度平均體熱膨脹係數：溫度T1

時的試樣體積；溫度T2

時的試樣體積熱膨脹係數一般是溫度的函數線熱膨脹係數和體熱膨脹係數2、熱膨脹的起因溫度T時的線熱膨脹係數：溫度T時的體熱膨脹係數：熱膨脹係數是工程上重要的物理參數之一：許多材料的線熱膨脹係數是各相異性各向同性材料（立方系）：材料間的封接，真空系統中要求材料的熱膨脹係數相近、否則易漏氣；多晶、多相的複雜結構的材料中，各相、各方向膨脹係數的不同會引起熱應力熱膨脹的本質：原子平均距離隨溫度的增大起因於：原子間作用力隨距離非線性變化、原子的振動是非簡諧振動距離力引力斥力合力平衡位置(合力為零)的兩側合力曲線的斜率不等0原子相互作用勢能曲線勢能曲線關於處的虛線不對稱原子間作用力作用力和勢能曲線的斜率較大；作用力和勢能曲線的斜率較小；03、影響熱膨脹因素0原子振動時的平均距離：溫度越高、振幅越大，原子在平衡位置兩側受力的不對稱越顯著，新平衡位置右移越多、越大，晶體膨脹越大。溫度T、平均位置原子振動能量原子平均間距隨溫度的變化：熱膨脹與結構有關：非晶材料屬液相結構，材料的熱膨脹除起因於原子間距的增大外、還與材料中的自由體積（未被原子佔據的空位）的膨脹有關材料的結構和化學鍵熱膨脹與原子結合鍵有關：結合鍵強、熱膨脹小離子鍵、共價鍵結合的材料：熱膨脹小；以共價鍵和範德瓦爾斯結合的聚合物：熱膨脹係數最大金屬鍵：具有中等的熱膨脹係數；

材料陶瓷金屬聚合物三、材料的導熱性1、傅裏葉導熱定律材料溫度不均勻時，或兩溫度不同的物體相接觸時，熱量自動從高溫區向低溫區傳遞熱傳導：均勻金屬棒的兩端分別與兩恒溫熱源接觸熱平衡時各處的溫度不隨時間變化穩態熱流密度：單位時間內通過與熱傳導方向垂直的單位面積的熱能通過金屬棒的熱流密度：負號：熱能從高溫向低溫傳遞熱導率，單位：熱導率反映材料的導熱能力、不同材料的導熱能力差異很大絕緣材料：金屬：合金：非金屬：2、熱傳導機理（微觀機制）固體的組成質點只能在平衡位置附近作微小振動，不能像氣體依靠分子碰撞傳遞熱量固體導熱機制：聲子（晶格振動的晶格波）和自由電子固體熱導率：聲子熱導率電子熱導率非金屬和絕緣材料：以聲子導熱為主純金屬：以電子導熱為主合金：電子和聲子共同起作用a、金屬的熱導率金屬主要熱載流子

—自由電子（電載流子）熱導率和電導率間的聯繫：不太低的溫度下（Wiedemann–Franz首先發現）金屬熱導率與電導率之比正比於溫度洛侖茲係數(Lorentznumber)理論值：b、合金的熱導率如同合金的電導率比純金屬的電導率，合金金屬原因：合金中的自由電子受合金晶格、雜質、非均勻相的散射強烈10203040組成，熱導率Cu–Zn合金熱導率隨Zn含量的變化Zn含量增加、熱導率下降c、非金屬（陶瓷）、聚合物的熱導率傳遞熱量的熱載流子主要是聲子陶瓷的組成和結構遠比金屬複雜：除晶相、還包括玻璃相及一定的空隙聲子在傳播時受原子排列高度無序的不均勻相的強烈地散射熱的不良導體、熱導率遠小於金屬陶瓷中的空隙對熱導率影響最大，空隙率高、導熱率低多孔陶瓷、多孔聚合物絕熱材料四、材料的熱應力材料熱脹或冷縮引起的內應力熱應力：引起材料塑性變形、特性變化、甚至斷裂熱應力主要來源下列三個方面：1、熱脹冷縮受到限制產生的熱應力均質、各向同性的棒，受到均勻加熱或冷卻、棒內不存在溫度梯度若棒兩端未被夾持：棒能自由膨脹或收縮、內部無熱應力若棒兩端被剛性固定：溫度：熱應力：彈性模量；應變、線性相對變化量加熱時棒受壓縮應力作用；冷卻時棒受拉伸應力作用2、溫度梯度產生的熱應力材料受熱或冷卻時，內部溫度分佈與其形狀、大小及熱導率，和溫度變化率有關3、多相複合材料中各相膨脹係數不同引起的熱應力材料中若有溫度梯度，引起熱應力例：材料被從外部迅速加熱或冷卻：加熱：表面比內部溫度高、表面膨脹比內部大，相鄰的內部限制表面的自由膨脹，冷卻：表面受拉應力、相鄰內部受壓應力與情況2類似不是機械力的約束、而是各相間膨脹、收縮的相互制約引起表面受到壓應力、相鄰內部受到拉應力第四節材料的光學性質光在高科技的地位不斷提高，電子器件和光子器件融合

－

光集成器件是重要的研究方向一、光的屬性、光與物質的作用1、光的屬性回顧光的波動性與粒子性有些情況波動性占主導地位；有些情況粒子性占主導地位波動性與粒子性的聯繫方程：光子能量通常意義的光—可見光：電磁破光（電磁）波—橫波，兩個振動向量：電場強度傳播方向磁場強度電磁波在真空中傳播速度：電磁波在介質中傳播速度：介質的相對介電常數和相對磁導率2、光與物質的作用從一種介質（空氣）入射另一種介質的光成為四部分：反射、透射、散射、吸收部分入射光束強度，反射強度，透射強度，散射強度，吸收強度反射率、透射率、散射率、吸收率金屬對可見光不透明入射光反射吸收b、電子能態轉變光與物質間作用的實質光子與物質中的原子、離子、電子間的相互作用兩種主要作用：電子極化和電子能態變化a、電子極化光波中電場分量對物質的作用遠大於磁場分量的作用光波的交變電場引起的電子位移極化電子極化:電子極化吸收部分光能、引起光速減小、導致光的折射光子的吸收或散射一般涉及電子能態的轉變光子因被吸收或被散射而消失或改變方向和能量；電子因吸收光子的能量而被激發到高能態孤立原子吸收光子的情況：頻率為的入射光子能量E2

能級上的電子只有吸收能量為的光子，才能到達E4

能級孤立原子能級是分立能級，電子對吸收光子的能量有嚴格的要求電子能級晶體吸收光子的情況：晶體中、原來孤立原子的分立能級被準連續的能帶所取代孤立原子晶體易於實現躍遷條件躍遷輻射：激發的逆過程電子在激發態停留時間很短，由激發態回到基態、產生電磁輻射，過程可是直接、也可是間接二、金屬的光學特性入射光子能量費米能級滿態空態金屬的光學性質與金屬的能帶密切有關費米能級以上為準連續的空能級；以下為充滿電子的準連續的能級（絕對零度下）除高頻電磁輻射—射線、射線外，幾乎所有的低頻輻射光子（無線電波—紫外），都能被吸收

金屬對可見光不透明：入射光反射吸收第四節材料的光學性質一、光的屬性、光與物質的作用任意光子總能找到一個空能級E、滿足躍遷條件：以下的佔有電子能級金屬不透明，厚的金箔幾乎可吸收全部入射光子滿態空態發射光子反射光：光激發的電子的躍遷輻射光大多數金屬的反射係數：入射光中僅一小部分在金屬表面層內以熱的形式損耗掉金屬的顏色：不是由吸收光的波長決定、而是由反射光的波長決定日光照射下大多金屬呈現銀灰色有色金屬：反射光中該顏色波長的可見光成分多三、非金屬的光學性質1、折射對可見光可能透明或不透明；存在反射、折射、吸收、散射折射：光從一種介質進入另一種介質時方向改變的現象折射率：光在介質中的傳播速度與光波波長有關：棱鏡的色散介質中的光速度：組成原子或離子越大，電子極化愈高、折射率越大大多數非金屬測折射率相對介電常數：光電場（高頻）下:介質極化由電子位移極化決定，離子極化、偶極取向極化幾乎不起作用介質的介電性、光速在介質中的減小主要由電子位移極化引起介質折射率與組成原子或離子的大小有關：普通玻璃：摻Ba或Pb離子玻璃:材料結構的各相異性導致光學性質的各相異性，立方晶體各向同性反射率：反射強度與入射強度之比2、反射光從一種介質入射到折射率不同的另一種介質時，兩介質的介面上產生反射反射定律、能量守恆定律垂直入射、反射率真空或空氣：反射率與波長有關折射率與波長有關3、吸收（1）電子位移極化對所有材料都存在、只有在色散區非金屬材料光吸收三種機理：才有顯著的吸收—共振吸收

材料概論第三章材料物性：電、磁、熱性質及光學和力學本章內容：陶瓷材料、聚合物材料、複合材料第一節功能材料的特點和分類1、功能材料概念出處材料按作用：結構材料、功能材料1965、美國貝爾所的Morton提出、日本學術機構的討論、提倡、引起國際材料界的重視2、功能材料的定義具有優良的電、磁、光、熱、聲、力、化學和生物學功能及其相互功能轉化的、被用作非結構目的的高技術材料（2）智能部分機器、裝置、產品可分為：（1）力能部分由結構材料構成巨大的機構，如人體的骨骼、承受力量、保持構造穩定由功能材料構成纖細、敏感的結構、如人體的神經系統、保持整體的功能正常材料系統(原子、離子、電子等)外部作用（輸入）材料系統性能變化（輸出）材料與外界的作用3、功能材料的特點常以材料形式為最終產品，並對材料本身進行性能評價結構材料：以元件形式對其物理性能評價、材料和元件“一體化”功能材料：具有多功能、高效能、多品種、產量少、附加值高、市場規模小、產品更新快等功能材料對產品或系統的功能起決定性的作用特點：4、功能材料的分類功能材料範圍尚無嚴格的定義、尚無統一的分類法幾種常見分類法單晶、多晶、非晶材料（1）按功能材料的化學鍵金屬、無機非金屬、有機和複合功能材料有機：包括聚合物複合：有機—有機；有機—無機；有機—金屬無機非金屬：陶瓷（2）按功能材料的物化性質電性、磁性、光學、熱學、聲學、力學、化學和生物學功能材料（3）按功能材料的應用領域電子、軍工、核、資訊工業、能源、醫療材料等（4）按功能材料的結晶性第二節陶瓷材料一、陶瓷材料概述陶瓷材料屬於無機非金屬材料、不含碳氫氧結合的化合物，主要是金屬氧化物和金屬非氧化物傳統陶瓷的原料：地殼中儲量最多的矽酸鹽礦物製作：高溫燒結玻璃、水泥、耐火材料也是典型的矽酸鹽陶瓷矽酸鹽陶瓷陶瓷材料是人類應用最早的材料。它堅硬，穩定，可以製造多種器件、工具或用具；在一些特殊的情況下也可以用作結構材料按照成分和用途、工業陶瓷材料可分為：（1）普通陶瓷（或傳統陶瓷）：主要為矽、鋁氧化物的矽酸鹽材料（2）特種陶瓷（或新型陶瓷、高技術陶瓷、精細陶瓷、先進陶瓷）主要為高熔點的氧化物、碳化物、氮化物、矽化物等燒結材料（3）金屬陶瓷

主要指用陶瓷生產方法制取的金屬與碳化物或其他化合物的粉末製品陶瓷的耐熱性、機械強度、電磁特性、耐腐特性、尺寸穩定性二戰後電子工業、核能利用工程、空間技術的興起與發展要求高性能的陶瓷天然陶瓷的原料成分複雜難滿足要求新型陶瓷原料：化學純原料或純度可控的人造原料（4）產品形態上新型（功能）陶瓷與傳統的矽酸鹽陶瓷的區別：（1）材料的組成上除矽酸鹽（氧化物和含氧酸鹽）外,C,N,B,Si等的單質、化合物及金屬（2）應用上由材料固有的靜態物性物理效應和微觀機能（3）製備工藝上突破傳統工藝、採用新工藝技術除傳統的燒結體或粉體外，還有薄膜和纖維等功能陶瓷在資訊工程、微電子技術等高新技術的應用單功能或多功能感測器：電、光、熱、聲、磁、氣氛等功能陶瓷產品：電子陶瓷是最大一類，其次是工具和結構陶瓷高溫結構陶瓷：如渦輪機轉子、發動機部件，甚至將來整個陶瓷發動機功能陶瓷在許多領域有取代和部分取代金屬的趨勢如切削工具、熱機部件、積體電路封裝、極板、及磁性材料等高溫超導陶瓷材料：使超導材料的研究進入新的階段二、陶瓷加工工藝陶瓷加工工藝包括：制粉、成型、燒結陶瓷的微結構：多晶、多相體，宏觀上通常表現為各性同性陶瓷性能不僅取決其成分、還與其加工工藝（微結構）有關新配方、新工藝、新結構的開發是提高陶瓷材料及其器件性能的途徑（一）制粉—陶瓷粉料的製備功能陶瓷制粉方法：固相反應、液相（溶液）反應、溶膠—凝膠法固相反應成熟、普遍採用1、固相反應法制粉主要步驟：配料、粉碎、混合、預燒（1）配料根據陶瓷配方選原料原料：礦物原料和化工產品原料明確：原料的化學成分、粒度特性、結構和化學活性等純度要求高的原料：採用煆燒、酸洗等方法提純化學成分：純度、雜質的種類和含量、化學計量比等粒度特性：粒度分佈、顆粒形狀適宜的粒度範圍：粒度越細、化學活性越高、有利於固相反應原料的結構：結晶形態、緻密度、裂紋、氣孔性等不同晶型的原料有不同的燒結特性：和和成分相同，熔點、燒結特性不同化學活性：化學反應的難易程度物理上表現：原料的原子、離子或離子團擺脫晶格新生成物具有較大的活性原料原料稱取前要脫水、稱取時應扣除尚存雜質結構束縛而擴散或揮發的難易度（2）粉碎、混合目的：使配料充分接觸、均勻混合，預燒時固相反應充分粉碎、混合在粉碎機中完成粉碎過程既是粉碎過程又是混合過程常用的粉碎機：球磨、棒磨、礫磨、振磨和氣流磨普遍採用：球磨、棒磨和振磨圓筒磨罐傳動機構及電機斷面球磨、棒磨、礫磨結構外形幾乎相同球磨、棒磨、礫磨磨碎介質分別為球磨機磨碎介質：鋼球或其他質地堅硬的球，如、瑪瑙球、氧化鋁球棒磨機磨碎介質:

鋼棒等棒狀物礫磨機磨碎介質：形狀不規則的砂礫球磨、棒磨、礫磨的磨碎原理適中，拋落式磨碎介質在離心力和摩擦力的作用下、被帶到一定高度而下落，介質下落的衝擊作用擊碎原料顆粒，介質、滾筒、原料的相互研磨進一步磨細和混合原料振磨機電機支承豎彈簧偏心塊偏心軸橫彈簧外界提供振動，在振動過程仲介質與原料及介質相互間研磨、混合氣流磨機原料被高速氣流夾帶和輸運，高速運動的顆粒與彎曲的路徑（磨機壁）強烈碰撞、粉碎影響磨機磨碎效率的因素D、破碎方式（幹磨、濕磨）A、原料的特性（硬度、粒度、比重）；B、磨機結構參數（尺寸）、運轉參數C、磨碎介質的材質、填充量、尺寸配比小瀉落式過大離心式（轉速或振頻、振幅等）；（如大球和小球的比例），原料填充量如、濕式球磨，球、水、粉料的最佳重量比：球、水、粉料占磨罐的最佳容積：磨碎介質的磨損可能會引起原料的污染磨碎過的細料需經粒度分級、粗粒部分應返回磨機、重新磨細粒度分級方法a、篩分b、空氣分級c、淘析（使用細篩）豎直氣流式：細粒被氣流帶走、收集；粗粒下沉空氣離心機：借離心力分離、效率高顆粒粒度不同在液體中沉降速度不同有水準式和豎直式（3）預燒制粉—固相反應粉碎、混合後的原料顆粒，預燒、固相反應，形成陶瓷顆粒固相反應：顆粒在熔點溫度以下、固相狀態下的反應適當加壓有助反應迅速、充分地進行P加壓顆粒接觸面積增加預燒溫度和預燒時間：保證反應充分進行、2、溶液反應法制粉通過液相反應制得較為均勻的陶瓷顆粒製作步驟生成的陶瓷顆粒間無明顯燒結製作步驟（3）固液分離、低溫煆燒後、生成陶瓷粉料（1）製備所需金屬鹽的水溶液；（2）按配比混合原料液，液相反應生成複鹽溶液；例：功能陶瓷的制粉過程(1)按混合溶液混合液在下與草酸反應生成凝膠狀四水草酸鍶鋇：(2)固液分離（蒸發或噴霧乾燥）；煆燒熱分解凝膠狀四水草酸鍶鋇(3)進一步升溫，生成碳酸鍶鋇、二氧化鈦(4)進一步升溫，生成鬆散、多孔的鈦酸鍶鋇固溶體

材料科學概述第一節材料科學的發展背景什麼是材料和材料科學？是人類賴依生存和發展的物質基礎，是國民經濟的物質基礎。（人的衣、食、住、行、通訊等）材料：廣義的材料包括人們的思想意識之外的所有物質(substance)，材料無處不在，無處不有。以材料的性能、結構及相關應用為研究對象，介於基礎科學與應用科學之間的基礎應用科學。集物理學、化學和冶金學等於一體的一門的綜合性或交叉性學科。材料科學：生命科學（生物科學）也已滲入並將更為深刻地滲入以材料的發展劃分人類歷史:舊石器時代:（B.C.10～1萬年）以天然石塊鑿成棱邊鋒利的新石器時代:（B.C.6000～4000年）出現磨光的工具。工具或武器。

石器時代：

石斧、鑿、刀、鏟、箭頭、紡輪、缽等（西安半坡遺址）

石斧人類文明史與材料的發展階段密切相關的陶瓷時代：（B.C.6000～4000年）出現了燒爐。青銅器時代：（B.C.8000～1500年）B.C.8000年，純銅的發現和加工；B.C.2000～1500年銅礦石的開採和冶煉。鐵器時代：（B.C.1400～1200年）B.C.1000年之後歐洲進入“鐵器時代”。湖南長沙砂子塘戰國凹形鐵鋤中國古代鐵器的金相組織理論上：量子理論、統計物理、固體電子論、晶體結構近代物理使材料科學進入一個嶄新的階段：實驗上：勞厄X射線法窺探晶體結構。可在超高真空、等理論的建立和發展使深入、正確地描述晶體內微觀粒子運動成為可能。超低溫或超高壓下借助各類電子顯微鏡觀察、甚至操縱、安排原子分子的排列。近代：玻璃、瓷器、及鋁工業；現代：高分子聚合物材料、超導材料、納米材料等第二節材料科學的任務及材料的分類按狀態：氣態、液態、固態 材料科學的任務：以物理學、化學、冶金學等為理論基礎，應用各種測試和實驗手段從微觀上來研究材料的各種性能及其在製造和應用中的行為，以提高材料的性能、探索和開發新型材料。材料科學研究的對象甚多，世界上已註冊的材料有幾十萬種。材料分類方法：有多種金屬材料（MetallicMaterials)：鋼鐵、鋁、銅、鈦合金陶瓷材料（Ceramics）：Al2O3、SiC、Si3N4、SiO2、TiN如，電工電子陶瓷、玻璃、水泥及耐火材料等高分子材料（HighPolymers)：聚乙烯、聚丙烯、纖維、蛋白質等複合材料（Composites)：Matel-MatrixorPolymer-Matrix按特性：金屬、無機非金屬（如陶瓷）、有機高分子材料和複合材料

兩種或兩種以上的材料按一定的比例通過特殊方法結合起來而構成按作用:

結構材料和功能材料按使用領域：建築、電子、醫用、儀錶及能源材料等結構材料：是機械製造、建築工程、交通運輸、能源利用工程等的物質基礎。具有抵抗外力作用、保持自身形狀和結構不變的力學特性及對外界環境良好的適應性。高強的機械性能、耐高溫、耐磨、耐腐蝕、耐輻照。新型結構材料：新型陶瓷結構材料、複合材料及高分子材料的開發利用正在受到重視。功能材料：具有優良的電、磁、聲、熱、光、力、化學、用途：可用於研製具有傳遞、存儲或記憶資訊、轉化或變換能量的功能性元件。包括：金屬、半導體、有機高分子、複合材料等。有多種分類，按性能可分為：或生物學等性能的材料。力學、聲學、電學、磁學、光學、化學、生物醫學、核功能材料。第二節材料科學的重要性材料科學發展對國民經濟、國防建設具有重要意義先進材料與製造技術是未來國民經濟與國防力量發展的基礎,是各種高、新技術成果轉化為實用產品與商品的關鍵。當前各種新材料市場規模已超過4000億美元材料與製造技術是新時代企業的物質基礎。各種高新技術(如電子資訊、能源、製造業以及航空、航太、海洋、軍事技術等)將都對材料及工藝提出更新、更高的要求美國曾在“國家關鍵技術報告”認為:材料領域的進展可以顯著改進國民經濟所有部門的產品性能,提高它們的競爭能力;材料被列為六大關鍵技術的首位3、現代的高科技兵器戰爭時代：按武器裝備的演變、戰爭分為三個時代：1、經典的冷兵器戰爭時代：2、近代的熱兵器戰爭時代：以大刀、長矛、弓箭等借士兵體能為其基本特徵。陸、水兩維戰爭。以飛機、槍、炮、彈藥、原子彈等的鋼鐵、炸藥的較量。陸、海、空三維戰爭。以精密制導、電子戰、航太、鐳射、隱形、人工智慧武器為其特徵。高科技密集形戰爭。國防科技及武器裝備的發展在很大程度上也要依賴新材料和先進製造工藝第三節21世紀材料科學的發展前景21世紀將是在方方面面，發生重大變革的時期，是一個各學科交織發展，以至逐步消失它們之間的明確界線的時期。新材料與材料科學將無疑有著持續、高速發展的勢頭。各類新技術的誕生與發展無一不需要新材料，要求材料能與之同步或領先發展資訊技術方面已從電子技術到光電子技術，進而將到光子技術是自然的發展趨勢新材料必然需要相應地發展以適應這種趨勢如、與光子技術相應的傳輸、調製、存儲等材料需要深入、有效的研究與開發，巨大的產業前景提高熱機效率方面氮化物及碳化物以及它們的複合材料受到廣泛的重視需要能夠承受更高溫度的材料以提高熱機效率、減少燃料消耗、改善環境污染當前熱機材料能承受的溫度：1050～1100℃，希望提高到1400℃、1600℃或更高能源方面燃料電池、特別是固體燃料電池：能量轉換效率高已達到80％以上，大型電池組預計可達到65％相應的材料研究包括電解質、陽極、陰極以及相關材料最核心的問題仍然是材料，如何能夠得到高效、大面積、低成本的相應材料太陽能：取之不盡的低密度能源納米技術：具有廣泛應用前景，預期21世紀將是其開花、結果的時代納米材料與納米技術納米材料：在光、電、磁、熱、力等方面的新現象、新性能，許多現象尚是未知數或尚無妥善的解釋生物材料牙齒的基本組成－羥基磷灰石，具有納米結構、定向性很好、具有較好的韌性為什麼人體能夠在十分溫和的環境下合成這類牙齒或骨胳？十分有興趣的新領域——仿生合成（BiomimeticSynthesis）富勒球（C60）、富勒管（Fullerene-tubes）新發現常常是人們所未估計到的，需要善於抓住科學上的偶然性如：類鈣鈦礦結構的高溫超導陶瓷、第二章原子結構與鍵合原子、原子排列、微觀結構和宏觀組織。材料的結構層次：原子：材料的基本單元。原子結構：直接影響材料中原子的結合方式形成不同的結合鍵及不同性質的材料：金屬、半導體、絕緣體（高分子聚合物）第一節原子結構盧瑟福粒子散射實驗：原子的核式結構模型原子：原子核、電子原子核：質子和中子核內質子數:等於核外電子數質子電量：等於電子電量原子半徑：原子核半徑：原子量（M）定義：？原子量有兩個單位：1個原子的品質：1個C12原子的品質：（原子品質單位）1原子品質單位原子量的另一單位:原子品質單位碳同位素中的C12原子的原子量：1個原子的品質：（原子品質單位）1mol原子的品質原子量的單位:第二節原子的電子殼層結構一、量子數元素的性能決定於原子中電子所處的狀態描述電子狀態的四個量子數：1、主量子數n取值：1、2、3、4、……是決定電子能量的主要參數，表徵電子所處的殼層及電子運動軌道的大小234KLMN主量子數名稱

1殼層…………2、軌道角動量量子數取值：是決定電子能量的另一個參數,表徵軌道的形狀和軌道角動量的大小。S軌道P軌道12spd

軌道名稱

0…………3f軌道代表電子自旋的取向和自旋角動量在特殊方向的分量3、軌道方向量子數取值：表徵軌道角動量在特殊方向（如磁場方向）上的可能分量或軌道在空間的可能取向。如時，3個可能的取向4、自旋方向量子數取值：泡利不相容原理：原子中不可能有兩個電子處於同一狀態不可能有兩個電子具有完全相同的上述四個量子數原子次殼層和殼層中可容納的電子數：殼層：次殼層：次殼層有個，每一個有兩個殼層n中包含n個次殼層

二、原子的電子結構基態：原子最低能態；電子從最低能級填充原子能級。決定電子能量的量子數：主量子數、次量子數越大、電子能量越大。

決定電子能量的主要量子數、實際上通常：電子填滿各能級次序通常為:5f7s6s5s4s3s2s1s7p6p5p4p3p2p4f6d5d4d3d但不能保證：

過渡族金屬的電子結構而不是三、原子價及原子的電負性原子依靠外層電子與其它原子化合原子外層電子決定其化學活性外殼層8電子結構是穩定結構，原子在結合時傾向於或填滿外層s,p能級，或使s,p能級完全空著非金屬元素傾向於接受電子成為8電子結構，具有電負性。金屬元素傾向於失去價電子成為8電子結構，顯正價。氯的電子結構：強電負性鋁的電子結構：顯正3價鈉的電子結構：更易失去1個價電子，正電性更強。第三節原子的鍵合四種基本的原子鍵：金屬鍵、共價鍵、離子鍵和範德瓦爾鍵一、金屬鍵金屬鍵本質：離子、電子間的庫倫相互作用價電子是sp電子的低價金屬（Na,Ca,Al等）－金屬鍵金屬原子失去價電子成為正離子、價電子成為自由電子，離子骨架浸泡在電子的海洋。金屬特性：（1）延展性；（2）良好的導電性。金屬鍵特性：無方向性、不易被破壞。金屬是良導體二、共價鍵不易失去價電子的原子傾向於與鄰近原子共有價電子、成為8電子穩定結構。共價鍵：拉手結合IV元素半導體（C,Si,Ge）是共價鍵。一個原子與周圍4個原子形成電子對——共價鍵共價鍵之間的夾角：109oSi正四面體結構：共價鍵具有方向性價電子位於共價鍵附近的幾率高於其他處（2）性脆，延展性很差。原子具有相近的電負性、價電子數之和為8共價鍵形成的條件：III-V及II－VI化合物半導體也主要是共價鍵III-V半導體：InSb,GaAs等銻(ti)化銦共價鍵材料特性：（1）高硬度、高熔點、導電性差、低膨脹係數；（共價鍵是強化合鍵）陶瓷和聚合物：或完全、或部分是共價鍵（共價鍵的方向性）SiO2

主要是共價鍵SiO

高分子聚合物材料一、聚合物的分子結構與分子聚集態結構（一）高分子（二）聚合物的合成（三）聚合物分子鏈的化學結構1、鏈接方式2、支鏈和交聯3、高分子鏈的立體構型3、高分子的立體構型因排列不同、形成不同的構型：旋光異構體和幾何異構體立體構型:

高分子中的原子或基團在空間的排列（1）旋光異構體對映異構原子在空間排列、形成的兩種異構體互為實物和鏡象左、右手關係、但不能重迭COOHC*CH3HOHCOOHC*CH3OHH乳酸分子的旋光異構不同點：一種使偏振光左旋；另一種使偏振光右旋旋光異構？兩種對映異構體的物理和化學性能基本相同左旋體（L構型）右旋體（D構型）不對稱碳原子或手性碳原子：與4個不相同的原子或基團相連的碳原子COOHC*CH3HOH手性碳原子由旋光異構性結構單元構成的高分子，存在三種構型：CRHCHHCRHCHHCRHCHHCRHCHHCRHCRHCHHCRHCHHCRHCHHCRHCHHCRHCRHCHHCRHCHHCRHCHHCRHCHHCRH①全同立構②間同立構③無規立構分子鏈全部由一種旋光異構單元組成：分子鏈被拉直時所有的取代基都位於主鏈的同一側分子鏈由兩種旋光異構單元交替構成：取代基交替出現在主鏈平面的兩側兩種旋光異構單元無規地鏈接：取代基無規地分佈在主鏈平面的兩側（2）幾何異構烯烴中的雙鍵不能自由旋轉，當雙鍵上兩個碳原子分別連有兩個不同的原子或基團時，原子或基團在空間不同的排列方式產生兩種異構體：順反異構烯烴具有的一種異構現象CC=HHCH3CH3CC=HHCH3CH3例：2—丁烯的順、反異構：順式反式順式：相同原子或基團處於雙鍵同側；反式：處於雙鍵兩側例：聚丁二烯（1、4）:丁二烯單體1、4加聚形成雙丁烯1、4分子：聚丁二烯（1、4）構型：全順式、全反式、順反兼有式CC=HHCH2CH2CC=HHCH2CH2全順式CC=HHCH2CH2CH2CC=HHCH2兩種表示法等價完全規整困難有規立構的百分比、幾何異構：全順、全反，規整度：旋光異構：全同、間同表徵高分子立構的規整程度高分子鏈的重複結構單元的空間立構規整有規立構高分子：CC=HHCH2CH2CC=HHCH2CH2全反式規整度對聚合物的結晶能力影響大4、共聚物的鏈結構共聚物：兩種或兩種以上單體的聚合物例：丁苯橡膠：丁二烯和苯乙烯的二元共聚物ABS塑膠：丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三元聚合物氟化乙丙烯共聚物(FEP)：四氟乙烯和六氟丙烯的二元共聚物四氟乙烯(TFE)六氟丙烯(HFP)二元共聚物可形成四類基本的共聚物：無規交替嵌段接枝聚合條件和單體比例的不同共聚對聚合物性能影響顯著第二種單體的引入，改變了結構單元間及分子間的相互作用、共聚物的性能可能與均聚物有很大差別聚乙烯聚丙烯塑膠二元共聚物橡膠性能差別較大的兩種單體的接枝共聚物和嵌段共聚物：往往是非均相體系，各相基本保持單體均聚物的特點，整個體系可能具有良好的綜合性能一、聚合物的分子結構與分子聚集態結構（一）高分子（二）聚合物的合成（三）聚合物分子鏈的化學結構（四）聚合物分子大小與形狀（四）聚合物分子大小與形狀1、聚合物分子量結構單元高分子不意味所有高分子的聚合度相同聚合物中的高分子是一系列分子量不同的高分子，聚合物分子的分子量是分散的聚合物分子量的表徵：（1）分子量的分佈；（2）平均分子量聚合物的總品質：；聚合物的總分子數：；分子量的分品質：分子量的分子數:分子量的分佈品質分佈：數量分佈：兩種表示法平均分子量聚合物的數量平均分子量：聚合物的品質平均分子量：分子量：2、高分子的形狀（1）形狀：通常細長鏈狀，直徑：幾?、長度：

?分子鏈的始、末端間的距離遠小於分子鏈的長度：未受力拉伸時，如纖細的鋼絲、易捲曲成團（2）高分子柔性的根源高分子中的化學鍵：單鍵和雙鍵單鍵：雙鍵：

鍵

鍵和鍵

鍵:Sp雜化軌道S態：1個軌道P態：3個軌道Sp雜化（sp3,sp2,sp）軌道間形成的對頭鍵鍵：鍵未與S雜化的P軌道間形成的鍵如：C—C,C—O,C—N等特點：電子雲分佈軸對稱、相連的原子或基團間可繞鍵軸相對旋轉烷烴中的碳與碳間鍵單鍵可旋轉分別沿x,y,z方向鍵特點：

不可旋轉炔烴的三鍵：1個鍵、2個鍵雙鍵不可旋轉柔性高分子的主鏈主要由單鍵構成C1C2C3C4C5C6高分子主鏈：N個C—C構成主鏈C—C鍵的鍵角：相對可處的位置：頂角為的圓錐面鍵軸在錐面上的準穩態位置數：（取決於非鍵合原子間的作用）分子的熱運動引起高分子鏈的構象不停變化主鏈由N個單鍵組成的高分子可能呈現的幾何構象:N:非常大更大分子鏈呈直鋸齒狀構象的幾率：高分子柔性、易彎曲（3）高分子柔性與結構的關係①主鏈結構A、主鏈完全由C—C單鍵組成的高分子、柔性較大聚乙烯:聚丙烯：(PP)(PE)B、雙鍵不能旋轉，與雙鍵相鄰的單鍵更易旋轉，具有的柔性聚丁二烯：聚異戊丁二烯：C、主鏈有共軛雙鍵或苯環，分子的剛性較大；若整個高分子鏈是一個大共軛雙鍵、分子鏈猶鋼棒苯環苯環上下形成環狀共軛共軛雙鍵不是局域在一個位置如、聚乙炔：聚對苯：雙鍵並非局域在這些位置、而是在整個分子鏈上形成共軛D、雜鏈分子中C—O、C—N單鏈及元素高分子中Si—O單鏈，比C—C單鍵更易旋轉聚酯：聚醯胺：聚二甲基矽氧烷：良好的柔性②取代基的影響取代基：極性取代基和非極性取代基

極性取代基的引入：使分子內及分子間的相互作用增加、剛性增強；取代基極性越強、密度越高，分子鏈的柔性越差聚乙烯（PE）聚丙烯（PP）聚氯乙烯（PVC）聚丙烯腈取代基極性增加柔性減小（3）高分子柔性與結構的關係①主鏈結構聚偏氯乙烯柔性較好：對稱分佈的極性取代基高分子的柔性比非對稱分佈的極性取代基高聚氯乙烯聚偏氯乙烯非極性取代基的引入：一方面：增大主鏈單鍵旋轉的空間位阻、使高分子柔性下降另一方面：有利高分子材料柔性的提高兩種競爭效應增加分子鏈間的距離、削弱聚合物中分子間的相互作用、取代基本身剛性較大：體積增大、柔性減小聚乙烯（PE）聚丙烯（PP）聚苯乙烯聚乙烯基哢唑柔性減小取代基具有柔性：隨其長度增加、分子的柔性增加柔性增大③氫鍵的影響②取代基的影響（3）高分子柔性與結構的關係①主鏈結構

纖維素：H鍵的作用呈剛性高分子內或分子間形成的H鍵，會使分子鏈或形成的聚合物剛性提高OHOCH2OHOOHOHOCH2HOOHOOHOCH2OHOOHO④交鏈高分子鏈間存在化學交聯時，交聯點附近單鍵的旋轉受阻、高分子聚合物的剛性上升；交聯密度的增加、剛性迅速增大橡膠未硫化前柔性好、硫化後剛性增加

高分子壓電材料（一）聚偏氟乙烯（Poly(vinylideneFluoride),PVDForPVF2）1944年：美國杜邦公司研製1960年：美國龐沃特（Pennwalt）公司首先實現商品化和PTFE相比，PVDF更類似於乙烯—四氟乙烯共聚物E—TFE

和乙烯三氟氯乙烯共聚物E—CTFE綜合特性：良好的機械強度、韌性、耐磨性和抗蠕變能力，長期使用溫度－40℃～150℃，突出的抗輻照、抗腐蝕及耐氣候能力化學惰性、介電性能及高溫性能比PTFE和FEP差加工成型工藝：利用通常的熱塑工藝應用：電子、電氣工業中的電線包皮、印刷電路板、電容器介質、各種換能器（感測器）的晶片、兵器工業中的壓電引信、推進劑和燃料密封裝置等1、PVDF的晶相偏氟乙烯單體的聚合物：聚合度：，分子量：25～100萬透明或半透明性的半晶態聚合物：結晶度：50～70%晶相由層晶（片晶）組成：晶片厚：，晶片長：層晶被鑲嵌在非晶相內、非晶相具有過冷液體性質，玻璃相變溫度：室溫下是高彈性態、具有相當的玻璃相PVDF的五種晶型：晶型Ⅳ（Ⅱp,型）、晶型（型）晶型Ⅰ（型）、晶型Ⅱ（型）、晶型Ⅲ（型）、F原子C原子H原子忽略PVDF的四種主要晶型投影到垂直於分子軸平面上的示意圖分子具有全反式構象(all-trans,tt)、平面鋸齒形結構晶型晶胞中分子偶極子同向排列、形成非中心對稱體，具有沿b軸方向的自發偶極矩全反式構象：分子中相繼的CF2的2自發偶極矩方向可被外電場轉向，具有鐵電性、是鐵電性最強的一種晶型個F原子位於b軸的兩側晶型C原子H原子忽略F原子由熔融聚合物冷卻形成，室溫下是PVDF的最穩定相分子構象近似是反式—偏轉—反式—偏轉反式—偏轉：鏈節相對偏轉了單元胞中分子鏈的排列中心對稱、導致彼此間的極性相互抵消、對外不顯極性C原子F原子H原子忽略仍是極性分子晶體的反式構象晶型

型單元晶胞中的一個碳鏈繞其軸轉動180°而得，形成非中心對稱的單元胞，具有自發極化和鐵電性瞭解甚少、也是一種非中心對稱的具有自發極化的鐵電性晶型F原子C原子H原子忽略晶型分子具有構象，類似型、含tt構象分子鏈以非中心對稱立構彼此平行地排列，具有自發極化和鐵電性晶型2、PVDF的晶型間的轉變及PVDF的極化（1）晶型間的轉變各晶型間可通過拉伸、退火、極化等處理實現轉化晶型室溫下最穩定、PVDF商品膜通常都是型I()型拉伸高溫退火III()型溶液熔體緩冷高壓淬火II()型在丙酮內鑄塑IIP型極化極化拉伸退火高溫退火DMA澆注六甲基磷酸三醯胺澆注PVDF各晶型間相互轉化示意圖型拉伸、退火可轉化為型；控制熔體的冷卻或成型條件等直接生產出型等型極化、轉化為型；（2）PVDF的極化型薄膜極化前的處理為使商品膜具有強壓電性，首先應將其由型轉化為鐵電性最強的型傳統的工藝：

膜在60～65℃下沿單軸拉伸到原長的3～5倍，樣品在120℃下夾住退火、釋放內應力樣品的極化目的：使型膜中各電疇的自發極化方向沿電場方向取向一致，使非晶相中的極性分子的偶極矩沿電場取向極化方法：A、熱極化型樣品雙面鍍電極，極化溫度：90～110℃下，極化場強：50～80MV/m，強電場持續作用時間：～1小時電暈充電使電荷沉積於樣品內，空間電荷的自身電場使樣品內的在一定溫度下已鬆動的偶極子沿自身場方向排列，從而實現極化極化過程中鬆動的偶極子沿電場方向取向，維持電場下冷卻試樣到室溫，取向偶極子“凍結”，實現永久極化B、電暈極化3、PVDF的基本性能PVDF的最大極化強度可達：拉伸、極化後的幾種高分子聚合物中PVDF具有最大壓電應變常數尼龍-11聚偏氟乙烯聚氟乙烯聚氯乙烯聚合物聚合物聚丙烯腈聚碳酸酯d31/C.N-1d31/C.N-1室溫下高分子駐極體的壓電常數二、高分子壓電材料（一）聚偏氟乙烯（Poly(vinylideneFluoride),PVDForPVF2）1、PVDF的晶相2、PVDF的晶型間的轉變及PVDF的極化K%材料名稱PVDF鋯鈦酸鉛鈦酸鋇硫酸三甘肽密度介電常數壓電常數10-12C/N10-3Vm/N熱釋電係數10–9C/cm2kg/cm3d31g31P耦合係數PVDF和無機壓電材料性能比較PVDF壓電應變常數和熱釋電常數較小介電常數也較小很高的壓電電壓常數密度：為無機材料的1/4、彈性柔順係數：比陶瓷大30倍較大的機電耦合係數柔韌性、耐衝擊、易加工、可彎曲、低成本等與壓電陶瓷材料形成鮮明的對比可製作超大面積換能器4、PVDF的壓電和熱釋電的根源不僅引起鐵電疇及偶極分子的取向，同時還引起電荷的注入及材料內原有空間電荷的分離、極化，注入的電荷及體內原有空間電荷、在非晶相中運動並被陷阱俘獲在片晶表面上具有鐵電疇、具有偶極分子PVDF具有壓電效應的結構根源：晶區與非晶區的介電常數對應變具有不同的依賴關係因彈性常數不同、晶區與非晶區的應變不同晶區與非晶區—具有不同的力學性能（彈性）和介電性能PVDF具有壓電效應的電性根源：極化過程：具有與水相匹配的低聲阻抗、特別適用於水下換能器的應用缺點：電穩定性較差、使用溫度較低：壓電應變常數與熱釋電常數的比值：應力作用於極化了的PVDF時、引起其極化狀態的變化、從而產生壓電效應PVDF的熱釋電性與壓電性具有相同的根源熱釋電性：由溫度變化引起壓電性：由應變引起5、PVDF的鐵電性晶型轉型後的PVDF中有鐵電疇，在緩慢性變化的交變電場作用下存在電滯現象4080120-40-80-120Em

較小時：極化隨E的變化的相應滯後很小、回應準線性Em增加：電滯回線隨之增大剩餘極化幾乎與飽和極化相等紅外報警、火警感測器、入侵探測、人流監測系統的晶片、熱敏開關等6、PVDF的應用最重要的有：壓電換能器、熱釋電和非線性光學器件主要應用分為：①聲頻換能器：如話筒、電話、耳機、揚聲器等②超聲水下換能器：超聲發送器和接收器、脈衝形狀儀、體波換能器、血液粒子檢測、血栓沉積檢測、水下聲攝象、無損探傷等③機、電換能器件：電話、打字機、電腦的鍵盤、壓力分佈感測器等④熱釋電的光學器件：（二）偏氟乙烯與三氟乙烯共聚物(CopolymerofVinylideneFluorideTrifluoroethylene)P(VDF/TrFE)1、結構及其相關性質所有聚合物中、共聚物P(VDF/TrFE)具有最大的熱釋電係數和機電耦合係數及明顯的居裏溫度1979年日本的八木(yagi)首次報導：P(VDF/TrFE)受到材料科學、高分子化學和感測器工程界的廣泛關注P(VDF/TrFE)的形成：偏氟乙烯單體和三氟乙烯單體的共聚共聚物P(VDF/TrFE)中的F原子較PVDF中多：鐵電性、熱釋電性及壓電性隨兩種單體的不同配比而有所變化F原子的增多阻礙了相的形成、可直接形成類似於型PVDF的平面鋸齒形構象、使原膜（商品膜）表現出鐵電性結構分析結果：

P(VDF/TrFE)主要由三種晶相組成①呈全反構象的鐵電相（類似於PVDF的相）②無序反式分子構象③具有結構、形成與PVDF的和相相關的順電和鐵電相VDF和TrFE的摩爾含量比及結晶條件決定P(VDF/TrFE)中各晶相的含量：VDF的摩爾含量：時，呈現明顯的鐵電效應、具有強壓電性、機電耦合子數達0.3實驗指出：居裏溫度以上的退火是提高機電耦合子數的最有效工藝途徑，在退火過程中共聚物的結晶度激烈增加VDF與四氟乙烯（ETE）或三氟氯乙烯（CTFE）單體也可共聚、直接形成含有相結構的鐵電性共聚物VDF的其他共聚物：這些共聚物除原膜就有鐵電性和表現出明顯的居裏溫度外，其他物化性質與PVDF大體相似主要晶型習性與型PVDF存在許多差別：存在雙重電滯回線、在居裏點附近明顯的壓電效應等2、P(VDF/TrFE)的幾點重要性質①開關特性時間（秒）對數摩爾比為65/35時：共聚物在階躍電場作用下電位移隨時間急劇上升、表現出開關特性場強越強、電位量的上升時間（開關時間）越短②鐵電相與順電相的轉變溫度（居裏溫度)可調節轉換溫度低於熔點溫度、改變的摩爾比可調節轉換溫度VDF/TrFE摩爾比為60/40：居裏溫度：90℃；摩爾比為70/30時：除90℃附近存在鐵電相與順電相的轉變外，另一低溫附近還存在兩鐵電相的轉變；摩爾比為50/50時：鐵電相與順電相的轉變溫度為60℃③非線性特性在垂直於分子鏈方向上施力時，共聚物表現出非線性特徵應用：在紅外探測和超聲感測器的研製方面顯示重要的應用前景良好的動態熱電回應及柔韌性（大面積薄膜），可製成寬溫區、高性能的單元或多元熱釋電器件；聲阻抗與水、人體非常接近，可製成具有寬回應頻率的超聲換能器（三）其他高分子壓電材料1、偏氰乙烯和醋酸乙烯酯的非晶態共聚物P(VDCN/VAC)（VinylideneCyanide,VDCN）（Vinylacetate,VAC）偏氰乙烯(VDCN)分子式：醋酸乙烯酯(VAC)分子式：P(VDCN/VAC)的化學結構：1980年：Miyata等首次報導有良好透明度的非晶態鐵電性共聚物①具有良好的熱穩定性、但在潮濕環境中易降解，特點：具有高的玻璃相變溫度：170～180℃氰基乙烯CH2CHCN丙烯腈具有良好應用前景的新型有機電介質功能材料、可作為超聲探傷檢測器的晶片用材②基團的偶極矩大，呈現與PVDF相媲美的壓電性③在玻璃相變溫度以上的介電弛豫強度異常高：使它具有良好的開關特性光頻相對電容率靜態相對電容率應用：2、聚偏氟乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯的複合物（PVDF/PMMA）聚甲基丙烯酸甲酯結構式：甲基丙烯酸甲酯分子式：（PVDF）（PMMA）將一比例的PVDF和PMMA溶於二甲基氯仿中後成膜170℃下拉伸4倍、形成和的共混型在成膜時加入一定量的摻雜劑，會導致複合物熱釋電係數的明顯上升：摻雜劑的濃度為0.4w%時，熱釋電係數最大PVDF和PMMA的配比變化影響其鐵電性:PMMA的含量為4～5%時：鐵電性好PMMA的配比提高到7～10%：介電損耗銳增複合物的鐵電性由其中的PVDF晶相決定、非晶相的PMMA影響複合物的介電性能極性的PMMA可因PVDF內的偶極矩的感應而取向排列，從而影響複合體的壓電性能複合物的製備方法：3、聚脲(Polyurea)1990年：Fukada（深田）首次報導芳香族聚脲和脂肪族聚脲具有壓電性聚脲7的化學結構：壓電性起因於取向的脲鍵：具有強偶極矩製備方法：二異氰酸酯和二元胺單體經真空蒸發、加成聚合而成可製成各種形狀、任意面積、一定厚度的單層或多層交替膜聚脲膜特性：具有良好的壓電性和柔性，尤其具有優異的熱釋電性和寬溫區性能（p在－150～200℃內保持穩定）室溫、10Hz下測得參量：極化強度：壓電應變常數：彈性常數：熱釋電係數：介電常數：介電損耗：綜合了聚合物的優異力學性能和鐵電陶瓷的良好的溫度特性，是一種有潛在應用前景的重要新型有機壓電材料4、奇數尼龍1981年：Newman等首次報導經70～90℃下極化的尼龍11具有壓電性奇數尼龍的構成：鏈段由偶數個亞甲基及一個醯胺基團構成尼龍7：尼龍7：醯胺基團：具有強偶極矩，醯胺基團的取向排列隨著亞甲基數目的減少、聚合物中偶極子密度增加、尼龍的剩餘極化增強產生垂直於分子鏈方向的強電偶極矩如、尼龍11的剩餘極化：尼龍5：分子鏈間氫鍵數目的增加引起尼龍熔點增高：尼龍11的熔點：180℃尼龍5的熔點：250℃奇數尼龍適於在高溫（～200℃）下的壓電應用室溫下極化的奇數尼龍呈現較弱的壓電性；在Tg(70℃)以上極化，壓電係數增加至可與PVDF相比，加熱至熔點、壓電性不衰減（四）複合材料壓電陶瓷：壓電、熱釋電係數極高，質脆易碎、加工難、成本高有機聚合物：質輕、柔韌性、易加工、成本低二者的結合能揚長避短、成為一種既具有優異的鐵電性又具有柔韌性的複合材料1、硫酸三甘肽和聚偏氟乙烯複合材料TGSPVDF（TGS/PVDF）克服了TGS低劣的機械性能和高成本,使共混膜具有優異的綜合性能，該共混膜已用來製作紅外感測器TGS:

具有高熱釋電係數、是重要的紅外探測器的晶片材料TGS：PVDF共混膜:2、鋯鈦酸鉛（PZT）和聚偏氟乙烯（PVDF）複合材料該共混膜的極化強度隨極化溫度的提高而增加，極化溫度越高，極化效果越好PZT/PVDF複合材料：壓電應變常數和介電常數比PZT低，壓電電壓常數(g)大幅度提高，重要的是使複合膜具有柔韌性可製成具有優異熱釋電性能的、可彎曲的、大面積紅外傳感膜3、鈦酸鋇和PVDF複合材料BaTiO3（10～90%）精細粉末加入，導致PVDF中的晶相減少、相和相明顯增加，PVDF本身的的熱釋電性加強紅外譜分析結果表明：複合材料的矯頑電場比PVDF下降了2～3倍複合體中BaTiO3含量為30%時，改性最明顯PVDFBaTiO3PZTPZT:PVDFBaTiO3:PVDF材料介電常數拉伸未拉伸壓電常數10-12C/N10-3Vm/Nd31g31極化溫度極化電場剩餘極化10-6C/cm2E0kV/cmTc

oCPr

PVDF和BaTiO3,PZT及其複合材料的鐵電和壓電特性參數複合膜具有PVDF的可彎曲等力學特性、且呈現高介電和壓電常數，在駐極體感測器領域成為具有實用價值的新型功能材料壓電陶瓷PCM具有極高的介電常數和壓電常數:（但質脆易碎）PVDF的100倍壓電應變常數:PVDF的40～50倍四、共混物

功能材料第一節絕緣陶瓷積體電路基片陶瓷和封裝陶瓷：一、概述半導體、導體甚至超導體大多數陶瓷絕緣體少數早期的絕緣子長石瓷後來的絕緣子：微電子、通訊技術高頻微波領域的絕緣材料：滑石瓷、鎂橄欖石瓷、莫來石瓷、及剛玉瓷等要求絕緣性好、而且氣密性、導熱性等也要優良目的：電氣（電氣）絕緣高鋁瓷（絕緣性較好）高頻下具有低的介電常數、介電損耗小二、絕緣陶瓷的絕緣性陶瓷的載流子：主要是離子、可能存在少量弱束縛電子脫阱導電絕緣陶瓷的禁帶寬，常溫下價電子幾乎不能被熱激發到導帶、參與導電絕緣陶瓷的導電形式：主要是離子擴散導電荷電量小、體積小的雜質弱束縛離子，啟動能小、易於擴散應避免此類離子的存在降低陶瓷絕緣性的主要原因鹼金屬離子：等離子電導率：離子數密度離子電荷離子遷移率與擴散係數的關係：頻率常數擴散活化能離子電導率隨溫度升高幾乎呈指數增加陶瓷絕緣性主要取決於晶界相陶瓷絕緣性除與本身的基本組成有關外，還與其顯微結構有關：顯微結構：晶相、晶界（非晶相）和氣孔組成晶界相：通常連續貫通、雜質濃度高的玻璃相絕緣性差晶粒和氣孔：絕緣性好提高絕緣性：晶界相應儘量由Si,B,Al氧化物的玻璃相組成、避免鹼金屬離子的存在；減少表面氣孔（吸附水或被污染、降低表面絕緣性）絕緣陶瓷的電導：三、常用的絕緣陶瓷材料長石瓷、高鋁瓷、滑石瓷、鎂橄欖石瓷、堇青石瓷絕緣材料的分類按用途：工頻用、高頻用、耐熱用等按化學組成：氧化物和非氧化物常用的氧化物絕緣陶瓷：（一）雲母長石瓷1、雲母瓷配方：天然瓷石粘土（適當的比例）+高溫燒結生成天然瓷石中的絹雲母是一種含水的鉀雲母熔劑分子式：單斜晶系：鉀雲母：安徽熔點？粘土：含水鋁矽酸鹽的混合體，有高嶺石類和蒙脫石類高嶺石分子式：通常組成：蒙脫石分子式：結晶水2、長石瓷配料：長石（20%～30%）

石英（20%～30%）粘土（40%～50%）++長石：鹼金屬或鹼土金屬的鋁矽酸鹽高溫燒結時長石起熔劑作用長石礦物由簡單長石組成：鈉長石：鉀長石：鈣長石：鋇長石：石英：結晶狀二氧化矽的通稱、石英原料中SiO2含量在95%以上雲母瓷和長石瓷組織（組員）相近：由莫來石和石英晶相、玻璃相及少量氣孔組成莫來石：斜方晶系普通電瓷、耐壓較低、用於低壓絕緣器件雲母瓷、長石瓷如、絕緣子、絕緣管、電阻瓷等製作簡單、成本低（二）滑石瓷、鎂橄欖石瓷和堇青石瓷1、滑石瓷配料：天然滑石（主要原料）粘土碳酸鋇等++天然滑石：輔助成型塑性原料量少、改善燒結溫度頑輝石：高溫燒結生成頑輝石主晶相和玻璃相控制頑輝石晶粒粒度；形成足夠玻璃相將其包裹起來；