材料物理课件2第二章 超材料物理(2)
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材料物理学第2章-2PPT课件
2021/3/29
13
三、纳米表面工程
1.纳米表面工程的内涵
纳米表面工程是以纳米材料和其它低维非平衡 材料为基础，通过特定的加工技术、加工手段, 对固体表面进行强化、改性、超精细加工,或赋 予表面新功能的系统工程。 纳米表面工程是在纳米科技产生和发展的背景 下，对固体表面性能、功能和加工精度要求越 来越高的条件下产生的。
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9
3.离子束技术
（1）离子注入材料表面改性 （2）等离子体源离子注入 （3）离子束沉积
一次离子束沉积
二次离子束沉积，或叫离子束溅射沉积
（4）离子束增强沉积
将离子注入和薄膜沉积两者融合为一体的材料表面改 性新技术。
离子束增强沉积技术可以提高膜与基体间的附着力， 改善膜的耐蚀性和耐用磨性，并能改变膜的应力提高 光学磁学性质。
2021/3/29
10
4.激光表面改性
激光表面改性始于20世纪80年代，其技术决定 于3个因素：激光类型、激光应用方式及所处 理材料的种类。 （1）激光表面热处理 激光使表面升温，达到退火和回火的目的。 （2）激光熔化处理 熔化后快速冷却，会产生非晶层或纳米结构
2021/3/29
11
激光辐照后将材料表面加热到熔点以上，并在 表面形成熔区（熔池）在光束停止辐照后，熔 体快速凝固导致材料表面组织和性能发生改变 的种工艺。 （1）激光熔凝 （2）激光非晶化 （3）激光熔覆 （4）激光表面合金化
2021/3/29
3
4.界面在复合材料中的作用
表面当淀积材料后就成为界面。
在复合材料中， 材料的复合是通过界面直接接 触实现的 ；
因此界面的微观结构和性质将直接影响其结合 力性质、粘合强度和复合材料的力学性能以及 物理功能；
材料物理性能第二章 材料的热学性能
原因：忽略振子之间的频率差别 忽略振子之间的相互作用 忽略低频的作用
2．德拜比热模型
德拜考虑了晶体中原子的相互作用，把晶体中原 子振动看成各向同性连续介质的弹性波，振动能量 量子化并假定原子振动频率不同，在0~ωD之间连续 分布。 式中，
＝德拜特征温度
＝德拜比热函数，
其中,
由上式可以得到如下的结论： • （1）当温度较高时，即， 即杜隆—珀替定律。 • （2）当温度很低时，即
度θD时，
低于θD时，CV~T3成正比，不同材
料θD也不同。例如，石墨θD=1973K，BeO 的θD =1173K，
Al2O3的θD=923K。
不同温度下某些陶瓷材料的热容
上图是几种材料的热容-温度曲线。这些材料的θD 约为熔点（热力学温度）的0.2-0.5倍。对于绝大多数 氧化物、碳化物，热容都是从低温时的一个低的数值 增加到1273K左右的近似于25J/K·mol的数值。温度进 一步增加，热容基本上没有什么变化。图中几条曲线 不仅形状相似，而且数值也很接近。
， ，计算得
这表明当T→0时，CV与T3成正
比并趋于0，这就是德拜T3定律，
它与实验结果十分吻合，温度越低，近似越好。说明低温时固体温度升高 吸收能量主要用于原子振动加剧。但T趋于ok时，热容和实验不符。原因： 忽略晶体的各向异性，忽略高频对热容的贡献。
四、材料的热容
1、无机材料的热容：根据德拜热容理论，在高于德拜温
P
－T
S T
V
V
＝T
S V
T
V T
P
＝T
P T
V
V T
P＝－T
材料物理课件2第二章超材料物理
和μ（ω）趋于1。 c) 但在中间频率阶段， Re[ε]和Re[μ]可取负值。如金属材料
在等离子频率以下具有负的ε（ω）值，铁磁体在铁磁共 振附近具有负的μ（ω）值。
由于电磁波能流的方向取决于玻印廷矢量S的方
向，而 SEH ， 即 、 、E H始终S 构成右手螺旋关
系。因此在左手材料中，（它的k 方向代表电磁波相
• 70年代初，诺贝尔奖获得 者江崎等提出的半导体超 晶格，则是基于通过半导 体能带的周期结构调制其 中电子运动的调控。因此 广义的讲，半导体超晶格 也可以看成上一种“超材 料”。
超材料设计的关键
• “超设计”与材料中的“关键物理尺度”密切相关。 材料中所呈现的一些物理性质往往和材料结构中的关键
左手材料特性之一： 电磁波传播方向与能量传播方向相反
• 即波矢的方向与能量的传播方向相反，E、H、K之间满足 左手定律。
在经典电动力学中，介质的电磁性质可以用介电常数ε 和磁导率μ两个宏观参数来描述。正弦时变电磁场的波 动方程（Helmholtz方程）为：
▽ 2 E k 2 E 0 ▽ 2 B k 2 B 0
由于光子带隙的存在，人们可以通过设计带隙实现对各种波 长光的调控，获得各种各样的新型光学器件。 •基于光子晶体的低阈值激光振荡器和各类低阈值的光逻辑器 件 •基于光子晶体的全光开关和光学非线性器件 •光子晶体波导 •光子晶体高性能反射镜 •光子晶体超棱镜
左手材料的提出
• 1967年，前苏联科学家维克托·韦谢拉戈 （Victor Veselago）提出： 如果有一种材料同时具有负的介电常数和负的 磁导率，这种物质将能够颠覆光学世界，它表现 出反常的折射行为，能够使光波看起来如同倒流 一般，并且在许多方面表现得有违常理的行为。
在等离子频率以下具有负的ε（ω）值，铁磁体在铁磁共 振附近具有负的μ（ω）值。
由于电磁波能流的方向取决于玻印廷矢量S的方
向，而 SEH ， 即 、 、E H始终S 构成右手螺旋关
系。因此在左手材料中，（它的k 方向代表电磁波相
• 70年代初，诺贝尔奖获得 者江崎等提出的半导体超 晶格，则是基于通过半导 体能带的周期结构调制其 中电子运动的调控。因此 广义的讲，半导体超晶格 也可以看成上一种“超材 料”。
超材料设计的关键
• “超设计”与材料中的“关键物理尺度”密切相关。 材料中所呈现的一些物理性质往往和材料结构中的关键
左手材料特性之一： 电磁波传播方向与能量传播方向相反
• 即波矢的方向与能量的传播方向相反，E、H、K之间满足 左手定律。
在经典电动力学中，介质的电磁性质可以用介电常数ε 和磁导率μ两个宏观参数来描述。正弦时变电磁场的波 动方程（Helmholtz方程）为：
▽ 2 E k 2 E 0 ▽ 2 B k 2 B 0
由于光子带隙的存在，人们可以通过设计带隙实现对各种波 长光的调控，获得各种各样的新型光学器件。 •基于光子晶体的低阈值激光振荡器和各类低阈值的光逻辑器 件 •基于光子晶体的全光开关和光学非线性器件 •光子晶体波导 •光子晶体高性能反射镜 •光子晶体超棱镜
左手材料的提出
• 1967年，前苏联科学家维克托·韦谢拉戈 （Victor Veselago）提出： 如果有一种材料同时具有负的介电常数和负的 磁导率，这种物质将能够颠覆光学世界，它表现 出反常的折射行为，能够使光波看起来如同倒流 一般，并且在许多方面表现得有违常理的行为。
材料物理学PPT课件
表面是指基片（衬底）的表面状态 。 基片的作用：承载薄膜材料与作为外延衬底。 淀积物在表面形成薄膜的过程是：吸附→成核→
长大（二维或三维）。 表面的缺陷与形貌会延伸到薄膜中。 表面存在的应力也会影响薄膜的生长。 表面的状态对薄膜的性质影响非常大。
§2.2材料的界面
2.2.1界面的定义和种类
2.2.3 相界
1. 非共格相界 两相结构不同或晶格常数差别很大时，交界区
称非共格相界。 2. 共格相界
当两相结构一样，晶格常数差别较小，通过晶 格常数扩张与收缩，使得晶界两侧的原子排列按 原晶格结构连贯地结合。
3. 准共格相界:晶格结构相同，但晶格常数差
别较大，过渡区主要由失配位错组成
2.2.4 分界面
高技术新材料如金属间化合物，超晶格、多层膜和各
种薄膜材料，纳米固体材料以及颗粒、晶须、纤维等增强
金属基或增韧的陶瓷基复合材料中，由于界面的原子结构、
化学成分不同于界面两侧体材料，而且在界面上很容易发
生化学反应。
所以界面的性质与界面两侧的体材料有很大差别，界
面对材料的性能起着重要的作用，甚至有时能起控制作用。
1.表面的范围
根据研究内容而定，是一个过渡区（若干Å 至数 m）。
2.理想表面与实际表面
（1）理想表面表面原子排列除上部无原子外与 体内一样。
（2）实际表面 未清洁过的表面（ Uncleaned surface）； 清洁表面（Cleaned surface）； 真空清洁表面 。
1.1.2清洁表面的的原子排布
相与相的交界面称界面（Boundary ， Interface）。 晶粒与晶粒间的交界区称晶粒间界（Grain Boundary
GB），又称晶界或粒界。 对多相凝聚体系统，各相间的界面称相界（Phase
长大（二维或三维）。 表面的缺陷与形貌会延伸到薄膜中。 表面存在的应力也会影响薄膜的生长。 表面的状态对薄膜的性质影响非常大。
§2.2材料的界面
2.2.1界面的定义和种类
2.2.3 相界
1. 非共格相界 两相结构不同或晶格常数差别很大时，交界区
称非共格相界。 2. 共格相界
当两相结构一样，晶格常数差别较小，通过晶 格常数扩张与收缩，使得晶界两侧的原子排列按 原晶格结构连贯地结合。
3. 准共格相界:晶格结构相同，但晶格常数差
别较大，过渡区主要由失配位错组成
2.2.4 分界面
高技术新材料如金属间化合物，超晶格、多层膜和各
种薄膜材料，纳米固体材料以及颗粒、晶须、纤维等增强
金属基或增韧的陶瓷基复合材料中，由于界面的原子结构、
化学成分不同于界面两侧体材料，而且在界面上很容易发
生化学反应。
所以界面的性质与界面两侧的体材料有很大差别，界
面对材料的性能起着重要的作用，甚至有时能起控制作用。
1.表面的范围
根据研究内容而定，是一个过渡区（若干Å 至数 m）。
2.理想表面与实际表面
（1）理想表面表面原子排列除上部无原子外与 体内一样。
（2）实际表面 未清洁过的表面（ Uncleaned surface）； 清洁表面（Cleaned surface）； 真空清洁表面 。
1.1.2清洁表面的的原子排布
相与相的交界面称界面（Boundary ， Interface）。 晶粒与晶粒间的交界区称晶粒间界（Grain Boundary
GB），又称晶界或粒界。 对多相凝聚体系统，各相间的界面称相界（Phase
材料物理性能(第二章材料的脆
泊松比的大小反映了材料在单向受力时横向变形 的特点，泊松比越大，横向变形越大。
热膨胀系数
01
热膨胀系数：材料在温度升高时，单位长度的材料会沿温度升高方向 膨胀的长度。
02
热膨胀系数是材料常数之一，与材料的化学成分、晶体结构、微观组 织等有关，不同的脆性材料具有不同的热膨胀系数。
03
热膨胀系数的大小反映了材料受温度变化时尺寸稳定性的好坏，热膨 胀系数越小，尺寸稳定性越好。
脆性材料的热导率一般较小，这是因为脆性材料的晶格结构较为紧密 ，不易传递热量。
电导率
01
电导率：材料中电导电流密度与电场强度之比，反映了材料的 导电性能。
02
电导率的大小与材料的导电性能有关，电导率越大，材料的导
电性能越好。
脆性材料的电导率一般较小，这是因为脆性材料的晶格结构较
03
为紧密，不易传导电子。
脆性材料的弹性模量一般较大 ，这是因为脆性材料在受到外 力作用时不易发生塑性变形。
泊松比
泊松比是材料常数之一，与材料的化学成分、 晶体结构、微观组织等有关，不同的脆性材料
具有不同的泊松比。
脆性材料的泊松比一般较小，这是因为脆性材料在受 到外力作用时不易发生横向变形。
泊松比：材料在单向拉伸或压缩时，横向应变 与轴向应变之比的负值，反映了材料横向变形 的特性。
硬度
总结词
脆性材料的硬度较高，这是因为脆性材料中的原子间相互作用力较强。
详细描述
由于脆性材料中的原子间相互作用力较强，使得其表面硬度较高，不易被划伤 或磨损。
耐磨性
总结词
脆性材料的耐磨性较差，这是因为脆性 材料在摩擦过程中容易发生脆性断裂。
VS
详细描述
脆性材料在摩擦过程中，由于其内部的原 子间相互作用力较弱，容易在摩擦力的作 用下材料的力学性能
热膨胀系数
01
热膨胀系数：材料在温度升高时，单位长度的材料会沿温度升高方向 膨胀的长度。
02
热膨胀系数是材料常数之一，与材料的化学成分、晶体结构、微观组 织等有关，不同的脆性材料具有不同的热膨胀系数。
03
热膨胀系数的大小反映了材料受温度变化时尺寸稳定性的好坏，热膨 胀系数越小，尺寸稳定性越好。
脆性材料的热导率一般较小，这是因为脆性材料的晶格结构较为紧密 ，不易传递热量。
电导率
01
电导率：材料中电导电流密度与电场强度之比，反映了材料的 导电性能。
02
电导率的大小与材料的导电性能有关，电导率越大，材料的导
电性能越好。
脆性材料的电导率一般较小，这是因为脆性材料的晶格结构较
03
为紧密，不易传导电子。
脆性材料的弹性模量一般较大 ，这是因为脆性材料在受到外 力作用时不易发生塑性变形。
泊松比
泊松比是材料常数之一，与材料的化学成分、 晶体结构、微观组织等有关，不同的脆性材料
具有不同的泊松比。
脆性材料的泊松比一般较小，这是因为脆性材料在受 到外力作用时不易发生横向变形。
泊松比：材料在单向拉伸或压缩时，横向应变 与轴向应变之比的负值，反映了材料横向变形 的特性。
硬度
总结词
脆性材料的硬度较高，这是因为脆性材料中的原子间相互作用力较强。
详细描述
由于脆性材料中的原子间相互作用力较强，使得其表面硬度较高，不易被划伤 或磨损。
耐磨性
总结词
脆性材料的耐磨性较差，这是因为脆性 材料在摩擦过程中容易发生脆性断裂。
VS
详细描述
脆性材料在摩擦过程中，由于其内部的原 子间相互作用力较弱，容易在摩擦力的作 用下材料的力学性能
材料物理性能课件-第2章3节
主讲:袁朝圣
物理与电子工程学院
郑州轻工业大学
3 .4 快离子导体
2、立方稳定的氧化锆(CSZ)（自学）
主讲:袁朝圣
物理与电子工程学院
郑州轻工业大学
作业
习题一(A) (P25)： 一、填空题: 1，2，3 二、选择题: 1，2
加上电场后, 沿电场方向, 位垒降低而反电场方向将提高 向右的势能将降低½zeEb=½Fb，向右边运动的几率
主讲:袁朝圣
物理与电子工程学院
郑州轻工业大学
1、离子电导理论
电场方向上存在一平均漂移速度 v
电场强度足够低: V
足够强大电场存在: V 当电场强度为10 V/ cm 以上时, bF 才可与kT 相比较 由于电流密度j = nzeV,
主讲:袁朝圣
物理与电子工程学院
郑州轻工业大学
3 .4 快离子导体
有些固体电解质的电导率比正常离子化合物的电导率高出几个数量级, 故 通常称它们为快离子导体( FIC) 、最佳离子导体( optimized ionic conductor )或超离子导体( superionic conductor)
令
主讲:袁朝圣
则
物理与电子工程学院
郑州轻工业大学
1、离子电导理论
电阻率
多种载流子总电导率
主讲:袁朝圣
物理与电子工程学院
郑州轻工业大学
3.2 离子电导与扩散
离子导电是离子在电场作用下的扩散现象。其扩散路径畅通, 离子扩 散系数就高, 因此导电率也就高。
能斯特-爱因斯坦( Nernst-Einstein)方程
材料物理性能-电学性能
讲授者 袁朝圣
QQ: 38987726 E_mail: zzyuancs@
材料物理性能(第二章 材料的脆性
时间过了若干年之后，我才慢慢发现：原来，我们一同走进教室，听了一节《无机材料物理性能》课，是个美丽的回忆！第二章z第一节 z第二节 z第三节 z第四节 z第五节 z第六节 z第七节 z第八节材料的脆性断裂与强度脆性断裂现象 理论结合强度 Griffith微裂纹理论 应力场强度因子和平面应变断裂韧性 裂纹的起源与快速扩展 材料中裂纹的亚临界生长 显微结构对材料脆性断裂的影响 提高无机材料强度改进材料韧性的途径第一节脆性断裂现象一． 弹、粘、塑性形变 ¾弹性形变：剪应力下弹性畸变―――可以恢复的形变 ¾塑性形变：晶粒内部的位错滑移―――不可恢复的 永久形变 ¾粘性形变：―――不可恢复永久形变 ¾蠕 变：―――随时间而发生变形二． 脆性断裂行为 在外力作用下，在高度应力集中点（内部和表面 的缺陷和裂纹）附近单元。
所受拉应力为平均应力的 数倍。
如果超过材料的临界拉应力值时，将会产生裂 纹或缺陷的扩展，导致脆性断裂。
因此，断裂源往往出现在材料中应力集中度很高 的地方，并选择这种地方的某一缺陷（或裂纹、伤痕） 而开裂。
三． 突发性断裂与裂纹缓慢生长 裂纹的存在及其扩展行为决定了材料抵抗断裂的 能力。
z 在临界状态下，断裂源处裂纹尖端的横向拉应力＝ 结合强度→裂纹扩展→引起周围应力再分配→裂纹 的加速扩展→突发性断裂。
z当裂纹尖端处的横向拉应力尚不足以引起扩展，但在 长期受力情况下，会出现裂纹的缓慢生长。
第二节 理论结合强度要推导材料的理论强度，应从原子间的结合力入 手，只有克服了原子间的结合力，材料才能断裂。
Orowan提出了以正弦曲线来近似原子间约束力随 原子间的距离X的变化曲线（见图2.1）。
得出：σ =σth× sin2 πχλ式中， σ th 为理论结合强度， λ 为正弦曲线的波长。
设分开单位面积原子平面所作的功为 V ，则V =∫λ20σ th × sin2π xλdxλλσ th = 2π λσ th = π2π x ⎤ 2 ⎡ − cos ⎢ ⎥ λ ⎣ ⎦0设材料形成新表面的表面能为 γ（这里是断裂表面 能，不是自由表面能），则 V = 2γ ， 即λσ th = 2γ π 2πγ σ th = λ在接近平衡位置 O的区域，曲线可以用直线代替，服 从虎克定律： x σ = Eε = E aa 为原子间距, x 很小时, sin因此，得：2πxλ≈2πxλσth=Eγ a可见，理论结合强度只与弹性模量，表面能和晶 格距离等材料常数有关。
超材料物理第二部分课件
超材料物理第二部分
超材料物理第二部分
超材料物理第二部分
超材料物理第二部分
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Watching your back !!
7/24/2009
超材料物理第二部分
超材料物理第二部分
超材料物理第二部分
超材料物理第二部分
• D. Schurig等在实验中用到的“隐 形斗篷”，是由铜圈和超颖物质制 造的同心圆装置，它成功的将一个 放在中心的铜圆柱“隐藏”了起来。 该装置采用了周期排列SRRs，由三 层单位元构成的十个同心圆组成， 但是， 每一个同心圆的相关SRR参 数根据设计的要求是不同的。
超材料物理第二部分
超材料物理第二部分
超材料物理第二部分
• 试验结果和计算机的模拟结果符合的很好(圆环是隐形斗篷 的位置):
（A）为理想情况下波的传播 （B）为尽量的接近实验实际情况下的模拟结果 （D）则是实验的实际结果
超材料物理第二部分
• 超颖材料甚至可以帮助我们实现罕见的天体物理现象。我 们知道，在爱因斯坦引力理论中，引力场可以用弯曲的时 空代替，光线在引力场中弯曲因为时间和空间是弯曲的。 在一个不随时间变化的时空中，电磁场感受到的弯曲时间 和空间可以用6个有效的函数描述，这六个函数恰好是介电 材料中的6个介电常数，另外6个函数即磁化率分别等于6 个介电常数。所以，电磁波在静态引力场的传播完全可以 用材料来模拟。
小窗户对于电磁波（光）的通超材透料性物理质第与二部大分窗户是完全一样的
Opening the door to Hogwarts (穿墙术)
超材料物理第二部分
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超材料物理第二部分
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• 试验结果和计算机的模拟结果符合的很好(圆环是隐形斗篷 的位置):
（A）为理想情况下波的传播 （B）为尽量的接近实验实际情况下的模拟结果 （D）则是实验的实际结果
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• 超颖材料甚至可以帮助我们实现罕见的天体物理现象。我 们知道，在爱因斯坦引力理论中，引力场可以用弯曲的时 空代替，光线在引力场中弯曲因为时间和空间是弯曲的。 在一个不随时间变化的时空中，电磁场感受到的弯曲时间 和空间可以用6个有效的函数描述，这六个函数恰好是介电 材料中的6个介电常数，另外6个函数即磁化率分别等于6 个介电常数。所以，电磁波在静态引力场的传播完全可以 用材料来模拟。
小窗户对于电磁波（光）的通超材透料性物理质第与二部大分窗户是完全一样的
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材料物理2
张萌
材料物理导论
第一章 7 /77
2、力学性能的指标 强度σ、硬度HB、塑性δ、韧性ak、断裂韧 度KIC 等。 3、影响材料力学性能的主要因素 内因：晶体学特性；化学成分、显微组织、 内部缺陷；残余应力 等。 外因：温度 、周围介质；加载方式、加载速 率等。 不同外因（即服役工况）时，材料的力学性 能的数值将发生改变。
9/30/2019
张萌
材料物理导论
第一章 20 /77
1.1.2应变
应变（Strain）： 材料受力时内部各质点之间的相对位移
对于各向同性的材料，有三种基本应变 类型：
拉伸应变 ， 剪切应变 压缩应变 △
9/30/2019
张萌
材料物理导论
第一章 21 /77
拉伸应变
拉伸应变是指材料受到垂直于截面积的大小相等、方向 相反并作用在同一条直线上 的两个拉伸应力时材料发生的形变
9/30/2019
张萌
材料物理导论
三、材料的力学性能
第一章 6 /77
1、定义 材料在外加载荷作用下，或者在载荷、加载 速率和环境因素的联合作用下表现出的行为， 称为材料的力学行为。 材料的力学性能指：材料在力的作用下，所 显示出的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力 应变关系的性能。
9/30/2019
9/30/2019
张萌
材料物理导论
第一章 17 /77
体积元单位面积上的力可分解为法向 应力和剪切应力，见图:
9/30/2019
张萌
材料物理导论
1.1.1应力
第一章 18 /77
若材料受力前的面积为A0, 则0=F/A0称为名义应力；
若材料受力后面积为A, 则T=F/A0称为真实应力。
材料物理性能2章
冷加工在很大程度上消除了这种不均匀状态
2.2.5 固溶体的电阻率
小结： 缺陷，杂质，第二组元可以考虑为“缺陷”， 一般而言，均匀分布的 缺陷比其呈原子团方式分布时，迁移率降低更多，电阻率上升更多。 问题： 许多工程应用中，要求金属导线具有高强度和高导电率的综合性能， 假设足够高的强度可以通过冷加工获得，也可以由固溶强化获得，从电 导角度看，采用哪种方式？为什么？
2.2.5 固溶体的电阻率
有序合金的电阻率： 组元的化学作用加强---导电电子数下降---电阻率增加 晶体离子势场更对称---电子散射的几率下降---电阻率下降
综合作用：电阻率下降（一般）
2.2.5 固溶体的电阻率
不均匀固溶体的电阻率： K状态：在合金元素中含有过渡金属的， Ni-Cr, Ni-Cu-Zn, Fe-CrAl等为单相合金，但回火时，电阻有反常升高，加工时电阻率下降。 组元原子在晶体内不均匀分布-----内部原子的聚集---增加原子的散 射几率----电阻升高
M
、
pM表示与温度有关的退火金属的电阻率， p`剩余电阻率，与温度无关
2.2.4 冷加工和缺陷对电阻率的影响
冷加工金属退火，可以回复到冷加 工前金属的电阻值。 晶格畸变，晶体缺陷导致电阻率增加 值为
空位 位错
、
C n
或
A n B m
电阻的本质
在绝对零度，在具有严格周期性电场的理想晶 体中的电子和空穴的运动像理想气体分子在真空中的 运动一样，电子运动时不受阻力，迁移率为无限大。 理想晶体中晶体点阵的周期性受到破坏时，才产 生阻碍电子运动的条件。 晶格热振动（温度引起的离子运动振幅的变化）
令：1/l=μ为散射系数
材料物理性能(第二章材料的脆)
脆性材料的破坏形式
脆性破坏
脆性材料的破坏往往是发生在一 个瞬间，伴随着明显的断裂，并 且很难修复。
劈裂破坏
劈裂破坏是指在压力或拉力作用 下，脆性材料沿着晶体极易劈开 的方向产生断裂。
穿晶破坏
穿晶破坏是指在脆性材料中，断 裂面穿过晶粒，在晶界或晶粒内 发生断裂。
脆性材料的改进技术
材料改性
通过ห้องสมุดไป่ตู้加合适的添加剂，改变 材料的化学成分，以提高其塑 性和韧性。
材料物理性能(第二章材 料的脆)
本章将介绍材料的物理性能，特别是与脆性相关的方面。我们将了解脆性材 料的定义、特点以及破坏形式，以及如何改进脆性材料的技术。
材料的物理性能
1 导热性
材料的导热性能是指它传导热量的能力，对 于热传导和热稳定性的要求很高的应用非常 重要。
2 电导性
材料的电导性能是指它传导电流的能力，对 于电子器件和电气设备而言非常重要。
热处理
通过控制材料的加热和冷却过 程，改变晶体结构，从而提高 材料的强度和延展性。
加工工艺
采用适当的加工方法，如压延、 拉伸等，使材料的晶界发生滑 移，从而提高其塑性。
材料延展性和韧性
延展性和韧性是与材料的塑性密切相关的性能指标，延展性通常指材料的线 性塑性变形能力，韧性则是指材料在断裂前能吸收的能量。
3 机械性能
材料的机械性能包括强度、硬度、延展性等 指标，决定了材料在力学应用中的表现。
4 热性能
材料的热性能涉及热膨胀系数、热传导率等 参数，对于热应用和热循环要求高的场合至 关重要。
脆性材料的定义和特点
1 定义
脆性材料是指在受到外力作用下容易发生断 裂，而不发生明显的塑性变形的材料。
超表面与超材料介绍ppt课件
1
x 2k0d
，系统的反射相位满足线性分布。
• 当 ξ<k0时，垂直入射的电磁波会 被超表面斜反射，梯度超表面实现的 奇异反射现象 • ξ>k0时，入射的传播波被完美地 转化为表面波
UБайду номын сангаасSTC
4.2、梯度超表面实现高效表面波耦合 2、要实现线性反射相位分布 可以选择[εM(x) = const ，μM(x) ]或 [εM(x)，μM(x) = const ]的梯度超表面 ，结 构 单 元 由“H”型金属/介质层/金属平板 组 成
3.2几何光学理论 几何光学是研究电磁理论在波长趋近于零时情况的一门科学，是一
种波动光学的近似理论。 直线传播定律、独立传播定律、反射和折射定律
UESTC
3.3、费马原理
具体内容为：光在任意介质中从一点传播到另一点时，沿所需时间最短 的路径传播。又称最小时间原理或极短光程原理。
传播方向是沿着光程
取极值的方向。
UESTC
相邻天线之间相差π/4相位
三、新型电磁器件设计的基本理论 3.1变换光学理论 光学变换：就是一个广义的坐标变换或者称为空间变换。变换前的空间 称之为虚拟空间，一般假设为真空，而变换后的空间叫做物理空间，通 常就是我们设计的器件放置的空间。只要选择合适的变换函数，就可以 将虚拟空间中的部分区域变换为物理空间中对应的区域。
改变金属的臂长来控制超表面局域位置对电磁波的反射相位响应
UESTC
高透射率波束偏转
UESTC
带有线偏振效应的 完美反常反射
一种基于广义斯涅尔定律，通过控制波前相位、振幅以及偏振进行 电磁/光学波束调控的新结构。
是一种超薄二维阵列平面，由超材料结构单元组成，它可以灵活有 效的操纵电磁波的相位、极化方式、传播模式等特性。
材料物理课件Supercond-2
B
⎧ Ba sinh( x / λL ) cosh(d / λL ) ⎪− j s = ⎨ μ 0 λL ⎪0 ⎩
−d ≤ x ≤ d x < −d , x > d
这说明，超导电流只能在 λL 厚的薄层内流动，体内无电流。若要在体 内流动，则要产生一磁场，从而不存在 Meissner 态，这是不可能的。 从表层电流的方向可见，正是它使超导体内部受到屏蔽而不存在磁 场。
d
根据超导平板 B(x) 的表达式，M = ( B − H ) / 4π ，得
1 λL d⎤ 2⎡ g s (T , H a ) = g s (T ,0) + μ 0 H a ⎢1 − tanh ⎥ 2 λL ⎦ ⎣ d
2 因为 g s (T , H c ) = g s (T ,0) + μ0 H c / 2，而 Ha = Hfc 时，薄膜变为正常态。此 时 ⎡ λ d⎤ H c2 = H 2 ⎢1 − L tanh ⎥ fc λL ⎦ ⎣ d
B=0 Ha 1− n H M =− a 1− n Hi =
当 Hc(1−n) ≤ Ha ≤ Hc 时，椭球在赤道面上达到或超过临界磁场 Hc，因 此在赤道面上要回复到正常态，磁力线可以透入超导体内，致使椭球 中出现一个超导芯子。 由于芯子外面可穿入磁场，显然磁力线密度在此处降低，正常区不再 向内部扩张。 但是存在矛盾之处：因为超导芯子界面磁场必然是 Hc，那么离开芯子 处的磁场将小于 Hc，超导芯子外部的正常区又将变为超导态。
js = ns evs
因此，电场产生一个持续增加的电流，增加速率为
∂js ns e 2 = E ∂t m
由 Maxwell 方程，磁场、电场和电流关系是
∇× E = − ∂B ∂t ∂D ∇× H = j + ∂t
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•
D. Schurig等在实验中用到的“隐 形斗篷”，是由铜圈和超颖物质制 造的同心圆装置，它成功的将一个 放在中心的铜圆柱“隐藏”了起来。 该装置采用了周期排列SRRs，由 三层单位元构成的十个同心圆组成， 但是， 每一个同心圆的相关SRR 参数根据设计的要求是不同的。
• 试验结果和计算机的模拟结果符合的很好(圆环是隐形斗 篷的位置): （A）为理想情况下波的传播 （B）为尽量的接近实验实际情况下的模拟结果 （D）则是实验的实际结果
向.
• 利用材料科学的原理，把各种功能材料引入“超材料”系 统，有可能获得具有新功能的超材料或器件。
7/24/2009
Shiv Ashish Kumar
7/24/2009
Shiv Ashish Kumar
The famous people in the world of meta material
微带天线是小型化、集成化天线主角，但微带天线介质基板 中激励起的表面波限制了它的性能。 传统微带天线通过贴片的谐振同时向空间和介质基板辐 射电磁波，入射到基板中的电磁波，将被基板底部的金属地 板反射，重新辐射到空气中，或在介质基板与空气接触面成 Z字形不断发生全反射到达基板边沿，一部分电磁波被反射， 另一部分发生边沿散射，这些电磁波的存在将导致天线方向 性和工作效率降低，天线增益减小，还会引起天线阵阵元间 的相互干扰，形成寄生辐射。 利用负折射率材料与正常材料复合作为天线基板，基板 中激励起的表面波在两种材料的分界面发生负折射， 折射 波被金属接地板反射后在分界面处再次发生负折射， 使表 面波在天线基板中的传播形成闭合路径。因此该基板的应用 可抑制天线边沿辐射，减少天线阵元问的干扰，提高天线方 向性
7/24/2009
Shiv Ashish Kumar
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• “隐身斗篷”的基本原理是，通过在物体表面包覆一层具 有特殊设计的、具有一定介电常数和磁导率分布的材料， 使入射光或电磁波将被弯曲，并且绕过包覆层，从而出现 隐身的结果。
• 2006年10月，Smith等展示了这种隐身斗篷的雏形。
Science 314(5801): 977-980
7/24/2009ຫໍສະໝຸດ Shiv Ashish Kumar
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Shiv Ashish Kumar
7/24/2009
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Shiv Ashish Kumar
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Shiv Ashish Kumar
最新的几篇超材料文献
Applications
Watching your back !!
7/24/2009
7/24/2009
Shiv Ashish Kumar
Shiv Ashish Kumar
61
Silicon nanostructure cloak operating at optical frequencies Nature Photonics 3, 461 - 463 (2009)
Time Reversal and Negative Refraction，Science 322 (5898) 71 - 73
超材料参考文献
Veselago V.G. , Sov. Phys. Usp. ,1968,10,509 Pendry J.B. ,et al. , Phys. Rev. Lett. ,1996,76,4773 Pendry J.B. ,et al. , IEEE Trans. Microwave Theo. and Tech. ,1999,47,2075 Smith D.R. ,Willie J. ,et al. , Phys. Rev. Lett. ,2000,84,4184 Shelby R. ,Smith D.R. ,et al ,Science ,2001,292,77 Parazzoli C. G. ,Greegor R. B. ,et al , Phys. Rev. Lett. ,2003,90,107401
•负折射率材料在军事隐身技术领域中的应用 隐身技术是通过控制武器系统或作战平台的信号特征，使其 难以被发现、识别和跟踪打击的技术。目前各国的隐身技术， 主要是利用各种吸波、透波材料实现对雷达的隐形。采用红 外遮挡与衰减装置、涂敷材料等降低红外辐射强度，实现对 红外探测器的隐身；在可见光隐形上，只是靠涂抹迷彩或歪 曲兵器的外形等初级的方法。 利用负折射率材料制造的武器系统或作战平台可以将光 线或雷达波反向散射出去，使得从正面接收不到反射的光线 或电磁波，从而在技术上实现武器系统或作战平台真正意义 上的隐身。 负折射率材料在电磁隐身、可见光隐身和声隐身方面将 具有广泛的应用前景，并有可能替代现有的各种隐身技术， 广泛应用于航天器、军用飞机、海军舰艇、地面战车以及重 要军事设施和士兵隐身等领域， 导致一场军事隐身技术领域 的革命
•
• Transformation media that turn a • narrow slit into a large window • Optics Express, 16(16): 11764-11768 (2008)
小窗户对于电磁波（光）的通透性质与大窗户是完全一样的
Opening the door to Hogwarts (穿墙术)
•负折射率材料在军事超灵敏探测仪器中的应用
利用负折射率材料的理想透镜特点，制作微型分光仪、 超 灵敏单分子探测器、磁共振成像设备及新型的光学器件，可用 于进行具有危险性的生物化学药剂探测、微量污染探测、生物 安全成像、生物分子指纹识别，以及遥感、恶劣天气条件下的 导航等。另外利用负折射率材料负折射和倏逝波放大特性，可 以制作集成光路里的光引导元件，有望制作出分辨率比常规光 学透镜高几百倍的扁平光学透镜。负折射率材料还有望解决高 密度近场光存储遇到的光学分辨率极限问题，制作出存储容量 比现有DVD高几个数量级的新型光学存储系统。
左手材料的应用
• 高指向性的天线——通讯系统，如手机。
• 完美透镜——超分辨，资料储存媒介。 • 电磁波隐身——国防。
•负折射率材料在军用雷达天线、 通信器件中的应用 选用负折射率材料应用于天线覆层，负折射特性将使穿过其 中的电磁波受其散射特性的束缚，只能够在垂直方向附近的 小角度内传播，其他方向的传播将被限制，实现对天线辐射 电磁波波束的汇聚，减小天线的半波瓣宽度，提高天线的方 向性。
• • • • • V.G Veselago Sir John Brian Pendry , imperial college ,London. Professor David R. Smith ,Duke University Vladimir M. Shalaev , Perdue university. Xiang Zhang , University of California ,Berkeley.
超颖材料面临的挑战
• 由于超颖材料的负折射性只是在一定的频率范围内有效， 在利用超颖材料的特性时受到波频率的限制，该隐形斗篷 同样也不例外，在该实验中利用了微波，也只是对微波起
到了隐身的作用.
• 通常光波是由多种频段的波混合而成的，要想让一个物体 在人眼中“消失”，就需要隐身设备能够抵御所有波长的 光波，这是一个大难题，要求超颖材料能够在较宽的频段 内体现它的负折射性能，给超颖材料的研究提出了新的方
•负折射率材料制备新型谐振器 开放式谐振腔的基本原理如图所示，左手材料位于 1 ， 3象 限，折射率 n＝－1 。2，4象限为空气。一线源位于 A点， 电磁波经左手材料的折射又回到A点，形成谐振腔。用时域有 限差分法对这种结构进行了数值仿真，结果表明，虽然整个 区域是没有边界的，但电磁波的能量主要被限制在中心区域， 形成一个开放式谐振结构.
超材料制作的人工黑洞
• 一个静态黑洞产生一个静态引力场，所以原则上可以用超 颖材料来模拟黑洞。 今年10月份，《科学》杂志报道，东南大学的崔铁军 和程强等人就制造出这样的人工黑洞。他们在铜上刻出结 构，这样微波就可以感到类似引力场的介电结构。这个人 工黑洞由60层印刷电路板组成，是柱状的。 这不同于自然界中的黑洞，在太空中，一个不转动的 黑洞具有球对称性，而不是柱对称性。但这仅仅是技术上 的限制。
• 超颖材料甚至可以帮助我们实现罕见的天体物理现象。我 们知道，在爱因斯坦引力理论中，引力场可以用弯曲的时 空代替，光线在引力场中弯曲因为时间和空间是弯曲的。 在一个不随时间变化的时空中，电磁场感受到的弯曲时间 和空间可以用6个有效的函数描述，这六个函数恰好是介 电材料中的6个介电常数，另外6个函数即磁化率分别等于 6个介电常数。所以，电磁波在静态引力场的传播完全可 以用材料来模拟。
日本“隐身衣”
各向异性：即介电常数和磁化率不是常数，是位置的函数 在电磁理论中，介电常数可以不只是一个参数，更一 般的情况有6个常数。磁化率也是如此，这样一共有12个常 数。如果介质不均匀，这12个常数就变成了12个位置的函数， 这样，通过人工控制这些函数，我们几乎可以随心所欲地在 介质中弯曲光线。
Negative Refractive index in optics
7/24/2009
Shiv Ashish Kumar
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Fig 12 (a) Experimental setup (not to scale). (b) Propagation vectors for positive and negative refraction. (c) –(f ) Microwave electric field maps in the far field region. (c) Negative and (e) positive refraction by the metallic PC prism for the incident beam along Γ→K (incident angle 30 ). WF(wave front) with respect to refracting surface. (d) Negative refraction for the incident beam along Γ→ M (incidence angle 60). (f ) Positive refraction by a polystyrene prism. In all the field maps, approximate area of each field map is 43 × 40 cm2. Parimi P., Lu W., et al. ,Phy. Rev. Lett. ,2004,92,127401