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1、会计学1材料材料(cilio)的微结构与性能的微结构与性能第一页，共386页。课堂课堂(ktng)要求要求n n不迟到，不早退n n请将手机暂时(znsh)关闭第1页/共386页第二页，共386页。课程课程(kchng)结构结构n n材料的微结构与物理性质（材料的微结构与物理性质（材料的微结构与物理性质（材料的微结构与物理性质（1616学时）学时）学时）学时）n n徐晖徐晖徐晖徐晖n n材料的微结构与力学性质（材料的微结构与力学性质（材料的微结构与力学性质（材料的微结构与力学性质（1616学时）学时）学时）学时）n n程晓英程晓英程晓英程晓英n n复习复习复习复习(fx)(fx)（4 4学时）
2、学时）学时）学时）n n考试（考试（考试（考试（4 4学时）学时）学时）学时）第2页/共386页第三页，共386页。本科目本科目(km)成绩成绩n n平时成绩（30）n n考试成绩（70）第3页/共386页第四页，共386页。材料材料(cilio)的微结构与物理的微结构与物理性质性质徐晖第4页/共386页第五页，共386页。参考书目参考书目n n材料物理性能陈騑騢材料物理性能陈騑騢 编著，机械工业编著，机械工业(gngy)(gngy)出版社出版社n n非均质材料物理非均质材料物理-显微结构显微结构-性能关联性能关联(精精)南策文南策文 编著编著 科学出版社科学出版社n n材料的结构与性能吴月华
3、材料的结构与性能吴月华 杨杰杨杰 编著编著 中国科学技术大学出版社中国科学技术大学出版社n n材料的应用与发展肖纪美材料的应用与发展肖纪美 著著 宇航出版社宇航出版社第5页/共386页第六页，共386页。课程的基本课程的基本(jbn)框架框架n n绪论-材料(cilio)的性能与显微结构n n材料(cilio)的结构n n材料(cilio)的电学性质n n材料(cilio)的磁学性质n n材料(cilio)的光学性质n n材料(cilio)的热学性质第6页/共386页第七页，共386页。第一章第一章 绪论绪论(xln)材料的性能与显微结构材料的性能与显微结构n n1.1 本课程的目的(md)和
4、内容n n1.2 复合效应、显微结构与性能第7页/共386页第八页，共386页。1.1 本课程的目的本课程的目的(md)和内容和内容n n本课程的目的n n材料(cilio)的结构与性能的研究n n复合材料(cilio)”第8页/共386页第九页，共386页。本课程本课程(kchng)的目的的目的n n材料显微结构物理是研究材料在显微结构层次上发生(fshng)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页第十页，共386页。本课程本课程(kchng)的目的的目的n n显微结构是指在纳米至微米。甚至达到毫米级的宽广显微结构是指在纳米至
5、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。度上的微观结构。n n显然，它比构成固体显然，它比构成固体(gt(gt)物理学基础的晶体结构要物理学基础的晶体结构要大得多。大得多。n n材料的许多宏观性能不仅取决于原子层次上的微观结材料的许多宏观性能不仅取决于原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，而且更大程度上取决于更宽尺度范围内的显微结构。构。第10页/共386页第十一页，共386页。本课程本课程(kchng)的目的的目的n n本课程的目的是本课程的目的是:n n希望架设从在原
6、子希望架设从在原子(yunz(yunz)尺度上尺度上,对材料微观结构对材料微观结构性质关系的凝聚态物理学理论描述性质关系的凝聚态物理学理论描述,到工程材料宏到工程材料宏观实验研究的一座桥梁。观实验研究的一座桥梁。n n把理性、定量的物理基础引入实际材料显微结构性把理性、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。能关系的经验、定性研究中。第11页/共386页第十二页，共386页。材料科学与工程系统的关联材料科学与工程系统的关联材料科学与工程系统的关联材料科学与工程系统的关联(gunlin)(gunlin)链组成链组成链组成链组成n n过程过程/工艺工艺(gngy)(gngy)
7、结结构关联（即结构关联（即结构的形成过程）构的形成过程）n n结构性质结构性质/性能关联性能关联n n性质性质/性能性能效能关联效能关联第12页/共386页第十三页，共386页。材料的结构材料的结构(jigu)与性能的研与性能的研究究n n许多材料（如各类复合材料和多晶材料）结构具有从许多材料（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料的结构与性质(xngzh)/(xngzh)/性能关系十分复杂、难以性能关系十分复杂、难以预见。预见。n n根据材料结构的不同尺度特征，通常从两个不同尺度根据材料
8、结构的不同尺度特征，通常从两个不同尺度层次上对结构与性质层次上对结构与性质(xngzh)/(xngzh)/性能关联进行研究。性能关联进行研究。第13页/共386页第十四页，共386页。两个两个(lin)尺度层次尺度层次n n第一个尺度层次是微观原子尺度，在这个尺度水平上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）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，阐明性质关系，解释材料的各种特性，阐明(ch(ch nmng)nmng)其规律性，这是固体物理（凝聚态物理）、量子化学其规律性，这是固体物理（凝聚态物理）、量子化
9、学等基础学科的基本任务。等基础学科的基本任务。n n近来，国际上主要把这个领域的研究称之为近来，国际上主要把这个领域的研究称之为“计算材计算材料科学料科学”(computational materials science)”(computational materials science)第14页/共386页第十五页，共386页。两个两个(lin)尺度层次尺度层次n n第二个尺度层次第二个尺度层次(cngc)(cngc)是较为是较为“宏观宏观”的的显微结构显微结构(microstructure)(microstructure)尺度，显微结构尺度，显微结构是指约在几个纳米以上，甚至达到毫米级的是
10、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，它有别于在晶胞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。尺度、原子尺度上的微观结构。n n显然，它比构成固体物理学基础的晶体结构显然，它比构成固体物理学基础的晶体结构要粗。要粗。第15页/共386页第十六页，共386页。两个两个(lin)尺度层次尺度层次n n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(nirng)。n n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页第十七页，共386页。材料材料(cilio)的显微结
11、构与性的显微结构与性能能n n除理想除理想(l(l xi xi ng)ng)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是非均匀(inhomogeneous)(inhomogeneous)或非均质的或非均质的(heterogeneous)(heterogeneous)，如各类复合材料、，如各类复合材料、多晶材料多晶材料(如陶瓷、多晶金属和合金如陶瓷、多晶金属和合金)、多孔介质、纳米材料、非均质无序体、多孔介质、纳米材料、非均质无序体系、多层材料、软材料系、多层材料、软材料(如电流变体与磁流变体如电流变体与磁流变体)等。等。n
12、n与均匀均质材料相比，这些材料具有复杂的多层次结构。与均匀均质材料相比，这些材料具有复杂的多层次结构。第17页/共386页第十八页，共386页。材料材料(cilio)的显微结构与性的显微结构与性能能n n很自然的一个焦点问题是这些复杂显微结构对材料很自然的一个焦点问题是这些复杂显微结构对材料(cilio)(cilio)宏观性能又起到何种作用？宏观性能又起到何种作用？n n现在已普遍认识到，材料现在已普遍认识到，材料(cilio)(cilio)的宏观性能不仅的宏观性能不仅取决于材料取决于材料(cilio)(cilio)的显微结构，即具有同一短程的显微结构，即具有同一短程有序性的微域有序性的微域(
13、或称之为组元，如相、颗粒、畴等或称之为组元，如相、颗粒、畴等)的的含量、取向、尺寸、形状、不同组元之间的界面、相含量、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。扑两方面因素。第18页/共386页第十九页，共386页。材料材料(cilio)的显微结构与性的显微结构与性能能n n因此，材料的各种有效性能实际上是由这些许许多多因此，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。的组元的各种特性的某种集成在宏观上的反映。n n如果材料中非均匀性变化了，亦即它的显微
14、结构详情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，材料发生了变化，则这种集成结果也随着发生变化，材料宏观性能出现宏观性能出现(chxin)(chxin)差异。差异。第19页/共386页第二十页，共386页。复合材料复合材料(f h ci lio)”n n广义上讲，也可把这种具有一定显微结构特征的非均广义上讲，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匀或非均质材料统称为“复合材料复合材料(f h ci lio)”(f h ci lio)”，例如多晶体是复合材料例如多晶体是复合材料(f h ci lio)(f h ci lio)的一个特
15、例，它的一个特例，它可看成是晶粒相异的单相颗粒组成的复合材料可看成是晶粒相异的单相颗粒组成的复合材料(f h(f h ci lio)ci lio)。n n本课程论述的对象即是广义上的本课程论述的对象即是广义上的“复合材料复合材料(f h ci(f h ci lio)”lio)”。它们的重要意义在于其可调节性和可设计性。它们的重要意义在于其可调节性和可设计性。第20页/共386页第二十一页，共386页。复合材料复合材料(f h ci lio)”n n它们的宏观性能不是由结构中不同组元它们的宏观性能不是由结构中不同组元(相、颗相、颗粒、畴等粒、畴等)性能的简单加和平均，有时其宏观性性能的简单加和平
16、均，有时其宏观性能完全不同于组元的性能。能完全不同于组元的性能。n n更为重要的是，材料宏观性能可以根据要求更为重要的是，材料宏观性能可以根据要求(通通过改变组分、显微结构的几何和拓扑过改变组分、显微结构的几何和拓扑)加以调节，加以调节，即可通过改变组成物质的种类和组合即可通过改变组成物质的种类和组合(z(z h)h)方方式式(显微结构显微结构)，来改变所产生材料的性能，由，来改变所产生材料的性能，由此可利用已有的物质来发现和设计新材料。此可利用已有的物质来发现和设计新材料。第21页/共386页第二十二页，共386页。1.2 复合复合(fh)效应、显微结构与效应、显微结构与性能性能n n复合(
17、fh)效应n n12”复合(fh)效应n n00”复合(fh)效应第22页/共386页第二十三页，共386页。复合复合(fh)效应效应n n在显微结构层次上，利用已有的物质来发现和在显微结构层次上，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。径即是从非常规复合效应产生新型材料。n n以通常以通常(tngchng)(tngchng)的两相复合材料来讲，我们的两相复合材料来讲，我们定义、区分两种非常规复合效应。定义、区分两种非常规复合效应。第23页/共386页第二十四页，共386页。“112”复合复合(f
18、h)效应效应n n这个效应意味着这个效应意味着两种不同常规两种不同常规(chnggu)(chnggu)物质物质的组成的组成/复合可复合可导致其复合材料导致其复合材料性能的显著增强，性能的显著增强，远远大于原常规远远大于原常规(chnggu)(chnggu)物质物质的性能。其性能的性能。其性能得到了数量级上得到了数量级上的提高，使材料的提高，使材料“旧貌换新颜旧貌换新颜”。第24页/共386页第二十五页，共386页。“000”复合复合(fh)效应效应n n指两种不同指两种不同常规物质的常规物质的组合组合(z(z h)/h)/复合可导致复合可导致全新的、原全新的、原常规物质所常规物质所不具有的性不
19、具有的性能，使材料能，使材料的某种性能的某种性能“无中生有无中生有”。第25页/共386页第二十六页，共386页。产生产生“1+12”复合效应复合效应(xioyng)的途径的途径n n合理选择组成(z chn)物质及设计组成(z chn)方式n n利用组成(z chn)物质之间的相互作用(如界面)n n纳米尺度的结构组成(z chn)第26页/共386页第二十七页，共386页。产生产生“0+00”复合效应复合效应(xioyng)的途径的途径n n利用耦合作用(zuyng)n n纳米尺度结构组成n n周期结构组成n n这些机制可能单独起作用(zuyng)、或并存。第27页/共386页第二十八页，
20、共386页。12”复合复合(fh)效应效应n n通过已有物质的组合通过已有物质的组合/复合来增强复合来增强(zngqing)(zngqing)材料的性能已是常见的一种方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。法，如金属的弥散强化、陶瓷的弥散增韧。n n但这里要讨论的不是简单的但这里要讨论的不是简单的”1+12”1+12”效果，而是产生显著的复合效应：旧貌效果，而是产生显著的复合效应：旧貌换新颜。换新颜。n n下面分别以几个实例来说明产生下面分别以几个实例来说明产生1+121+12复合效应的三种途径。复合效应的三种途径。第28页/共386页第二十九页，共386页。通过合理
21、选择物质及组合方式获得显著通过合理选择物质及组合方式获得显著(xinzh)增增强的介电性能强的介电性能n n高介电材料作为用于制备高介电材料作为用于制备(zhbi)(zhbi)重要的电容器、存重要的电容器、存储器等的材料，在微电子器件中扮演着重要的角色。储器等的材料，在微电子器件中扮演着重要的角色。n n钙钛矿结构材料（如弛豫铁电氧化物钙钛矿结构材料（如弛豫铁电氧化物PbMg1/3Nb2/3O3)PbMg1/3Nb2/3O3)具有高的介电常数，是目前的主流具有高的介电常数，是目前的主流高介电材料。高介电材料。第29页/共386页第三十页，共386页。通过合理选择物质通过合理选择物质(wzh)及
22、组合方式获得显著及组合方式获得显著增强的介电性能增强的介电性能n n随着微电子元器件的微型化，进一步增强介电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，其常数是非常重要的，其1+121+12复合效应是获得显复合效应是获得显著著(xi(xi nzh)nzh)增强介电常数的有效途径。增强介电常数的有效途径。n n利用已有的介电材料获得更大的介电性，可以利用已有的介电材料获得更大的介电性，可以通过金属通过金属(导体导体)介电体介电体(绝缘体绝缘体)的合理组合的合理组合产生的产生的1+121+12复合效应来实现。复合效应来实现。第30页/共386页第三十一页，共386页。独石多层电容器独
23、石多层电容器(MLC)n n是一种由陶瓷介电层和金属内电极是一种由陶瓷介电层和金属内电极(dinj)(dinj)层交替的层交替的叠层组合。叠层组合。第31页/共386页第三十二页，共386页。独石多层电容器独石多层电容器(MLC)n n对对MLCMLC，宏观介电常数，宏观介电常数 可表示为：可表示为：n n其中其中(qzhng)L(qzhng)L是是MLCMLC的厚度；的厚度；c c、t t和和NN分别是分别是陶瓷层的介电常数、单层厚度和层数。陶瓷层的介电常数、单层厚度和层数。n n现在，可以制备包含现在，可以制备包含N100N100的陶瓷层的的陶瓷层的MLCMLC，因，因此，同单纯的陶瓷相比
24、，此，同单纯的陶瓷相比，MLCMLC的介电性可被增强的介电性可被增强102102数量级以上。数量级以上。第32页/共386页第三十三页，共386页。独石多层电容器独石多层电容器(MLC)n n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，已成为目前这类显著的介电增强，已成为目前这类MLCMLC的一个重要发展趋势。的一个重要发展趋势。n n但随着电介质厚度的降低，其他问题但随着电介质厚度的降低，其他问题(如机械强度，包括制备技如机械强度，包括制备技术问题术问题)变得尤为突出，故不可能变得尤为突出，故不可能(knng
25、)(knng)使其做得太薄。使其做得太薄。n n另一个比较切实可行的办法就是尽可能另一个比较切实可行的办法就是尽可能(knng)(knng)提高介电层材料提高介电层材料的介电常数。的介电常数。第33页/共386页第三十四页，共386页。介电常数介电常数(ji din chn sh)的的提高提高n n可以进一步利用金属可以进一步利用金属(导体导体)介电体介电体(绝缘体绝缘体)的其他的其他结合形式来达到，如下结合形式来达到，如下(rxi)(rxi)图，即把导体颗粒弥图，即把导体颗粒弥散在电介质中。散在电介质中。第34页/共386页第三十五页，共386页。介电常数介电常数(ji din chn sh
26、)的提高的提高n n这种组合方式导致一个重要的金属绝缘体转变，即这种组合方式导致一个重要的金属绝缘体转变，即随着金属颗粒随着金属颗粒(kl)(kl)含量的增加，在一临界体积分数含量的增加，在一临界体积分数(渗流阀值渗流阀值)处发生渗流转变。处发生渗流转变。n n这种渗流转变的一个特别有意义的特征是复合材料的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介电常数在渗流阀值fc fc处处“发散发散”，即，即n n其中其中f f是金属颗粒是金属颗粒(kl)(kl)的体积分数，的体积分数，s s 1 1是介电指数。是介电指数。第35页/共386页第三十六页，共386页。介电常数介电常
27、数(ji din chn sh)的的提高提高n n许多实验表明，在许多实验表明，在fc fc附近，这种复合材料的介电常数异常大，远远大于介附近，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电基体的介电常数 c c。n n这种非常规复合效应是由于在这种非常规复合效应是由于在fc fc附近许许多多金属颗粒被薄的介电层所隔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，从而离，形成了许多微电容，从而(cng r)(cng r)导致了材料在宏观上的高介电性。导致了材料在宏观上的高介电性。n n因而，在因而，在fc 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附近的金属
28、绝缘体组合可以成为具有优异电荷储存功能的电容器。容器。第36页/共386页第三十七页，共386页。介电常数介电常数(ji din chn sh)的的提高提高n n进一步，当导体进一步，当导体(d(d otot)颗粒的体积分数趋进于颗粒的体积分数趋进于1 1，但每，但每个颗粒仍被一层非常薄的介电层所隔离个颗粒仍被一层非常薄的介电层所隔离,如下图所示。这如下图所示。这样便形成了像样便形成了像BaTiO3BaTiO3基陶瓷电容器那样的边界层电容器。基陶瓷电容器那样的边界层电容器。第37页/共386页第三十八页，共386页。介电常数介电常数(ji din chn sh)的提高的提高n n在这种情况下，
29、有效介电常数为在这种情况下，有效介电常数为:n n其中其中d d为颗粒尺寸，为颗粒尺寸，t t是边界层厚度，通常，是边界层厚度，通常，d/t1d/t1。n n例如例如(lr)(lr)，当，当d=10d=10 m,t=10nm,m,t=10nm,则则d/t=1000d/t=1000，这意味着，这意味着介电常数增强了介电常数增强了10001000倍。倍。第38页/共386页第三十九页，共386页。介电常数介电常数(ji din chn sh)的的提高提高n n根据根据(gnj)(gnj)这个这个1+121+12非常规复合效应，新近发现的一种新型高介电非常规复合效应，新近发现的一种新型高介电NiON
30、iO基陶瓷，与目前已知的最好的高介电钙钛矿结构陶瓷相比，基陶瓷，与目前已知的最好的高介电钙钛矿结构陶瓷相比，NiONiO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。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。n n在这种新型高介电在这种新型高介电NiONiO陶瓷中，陶瓷中，LiLi掺杂的掺杂的NiONiO颗粒内核是半导体，而边颗粒内核是半导体，而边界层是介电层，它们构成界层是介电层，它们构成BLCBLC组合结构，赋予了这种材料宏观上高介组合结构，赋予了这种材料宏观上高介电特性。电特性。第39页/共386页第四十页，共386页。n n仔细选择组成物质，以及设计它们组成的几
31、何显微结构已成为获得显著仔细选择组成物质，以及设计它们组成的几何显微结构已成为获得显著1+121+12复合效应的有效途径。复合效应的有效途径。n n例如例如(lr)(lr)，近来，近来SolinSolin等人在等人在AuAu和和InSbInSb的一个简单复合结构中观察到非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，在常高的室温磁阻，这个显著增强的磁阻源于，在Au/InSbAu/InSb简单组合中，简单组合中，AuAu在磁场中产生的电流偏转；在零磁场时，在磁场中产生的电流偏转；在零磁场时，AuAu是短路的，但在高场时，它是短路的，但在高场时，它是断路的。是断路的。第40页
32、/共386页第四十一页，共386页。利用组成物质之间相互作用获得显著利用组成物质之间相互作用获得显著利用组成物质之间相互作用获得显著利用组成物质之间相互作用获得显著(xi(xi nzh)nzh)增强的离子增强的离子增强的离子增强的离子电导率电导率电导率电导率n n利用复合中组成物相之间的相互作用利用复合中组成物相之间的相互作用(如界面如界面)也可显著提高材料也可显著提高材料(cilio)(cilio)的性能，一个典型的性能，一个典型实例是复合固态电解质。实例是复合固态电解质。n n最早的复合固态电解质是由无机离子导体最早的复合固态电解质是由无机离子导体(如锂如锂盐盐)基体和外加的惰性颗粒相基体
33、和外加的惰性颗粒相(如非活性、绝缘如非活性、绝缘的的Al2O3Al2O3、SiO2SiO2颗粒颗粒)组成的。组成的。第41页/共386页第四十二页，共386页。利用组成物质之间相互作用获得显著增强利用组成物质之间相互作用获得显著增强利用组成物质之间相互作用获得显著增强利用组成物质之间相互作用获得显著增强(zngqing)(zngqing)的的的的离子电导率离子电导率离子电导率离子电导率n n这些纯的、单相离子导体通常只具有低的这些纯的、单相离子导体通常只具有低的(室温室温)离子电导率，如离子电导率，如10-510-5 10-10(10-10(cm)-1cm)-1。n n在它们中引入非活性的异相
34、颗粒形成复合介质后，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性颗粒之间形成了一个活性界面(jimin)(jimin)层层(缺缺陷富集、空间电荷层、和陷富集、空间电荷层、和/或无序层或无序层)，它是锂离，它是锂离子传导的快速通道，从而导致离子电导率发生异子传导的快速通道，从而导致离子电导率发生异常增加，最大增幅可达近常增加，最大增幅可达近104104倍。倍。第42页/共386页第四十三页，共386页。利用利用(lyng)组成物质之间相互作用获得显著增强的组成物质之间相互作用获得显著
35、增强的离子电导率离子电导率n n近来，聚合物电解质近来，聚合物电解质(如聚氧乙烯如聚氧乙烯PEO/PEO/锂盐锂盐)由于具有质轻、黏弹性好以及成由于具有质轻、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PEOPEO与锂盐形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(10-7(21+12复合复合(fh)(fh)效应的另一个有效途径。效应的另一个有效途径。n n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以热电材料为例。衡量材料
36、热电性能优劣的指标是它的热电优值(品质因子品质因子)即即ZT(=ZT(=2 2 T/T/，其中，其中 是是SeebeckSeebeck系数、是系数、是 电导率、是电导率、是 热导率、热导率、T T是绝对温度是绝对温度)。n n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。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页第四十六页，共386页。通过纳米结构复合获得通过纳米结构复合获得通过纳米结构复合获得通过纳米结构复合获得(hud)(hud)显著增强显著增强显著增强显著增强的热电优值的热电优值的热电优值的热电优值n n尽管人们对热电材料进行了长期不懈的努力，但不
37、幸的是，在近四十多年来，尽管人们对热电材料进行了长期不懈的努力，但不幸的是，在近四十多年来，ZTZT约为约为1 1的记录一直未被显著突破。的记录一直未被显著突破。n n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。重新出现生机。n n其中，最引人注目的是通过其中，最引人注目的是通过(tnggu)(tnggu)形成纳米复合结构形成纳米复合结构(如量子阱、量子线、量子点如量子阱、量子线、量子点结构结构)，利用其中，利用其中“量子限制量子限制”来获得具有显著增强的来获得具有显著增强的Z
38、TZT的新型热电材料。的新型热电材料。第46页/共386页第四十七页，共386页。通过纳米结构复合获得通过纳米结构复合获得(hud)显著增强显著增强的热电优值的热电优值n n在由热电半导体在由热电半导体(Bi2Te3)(Bi2Te3)纳米层纳米层(量子阱量子阱)和间隔物质和间隔物质(量子势量子势)组合的多重量子阱纳米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结构中，当量子阱和量子势的宽度足够小(几个纳米几个纳米)时，使用调制掺杂可导致单位体时，使用调制掺杂可导致单位体积内电子积内电子(dinz(dinz)态密度的增加，因而导致态密度的增加，因而导致SeebeckSeebeck系数
39、载流子迁移率的增加，引起热系数载流子迁移率的增加，引起热电功率因子电功率因子 2 2 的增强。的增强。n n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。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。n n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ZTZT。第47页/共386页第四十八页，共386页。通过纳米通过纳米通过纳米通过纳米(n m(n m)结构复合获得显著增强结构复合获得显著增强结构复合获得显著增强结构复合获得显著增强的热电优值的热电优值的热电优值的热电优值第48页/共386页第四十九页，共386页
40、。n n近年相继近年相继(xingj)(xingj)在铁磁在铁磁/非铁磁非铁磁(如如Fe/CuFe/Cu等等)多层复合材料、纳米颗粒铁磁多层复合材料、纳米颗粒铁磁复合材料复合材料(如如Fe/AgFe/Ag等等)中发现巨磁阻中发现巨磁阻(GMR)(GMR)效应，使得效应，使得GMRGMR复合材料成为近些复合材料成为近些年来最激动人心的新材料领域之一。年来最激动人心的新材料领域之一。n n这种这种GMRGMR效应是由纳米尺度非均质性和磁耦合作用所导致的效应是由纳米尺度非均质性和磁耦合作用所导致的“1+12”“1+12”复合复合效应。效应。通过纳米结构复合(fh)获得显著增强的热电优值第49页/共3
41、86页第五十页，共386页。复合复合复合复合(fh)(fh)效应无中生有：效应无中生有：效应无中生有：效应无中生有：产生新功能产生新功能产生新功能产生新功能n n“0+00”“0+00”复合效应比复合效应比“1+12”“1+12”复合效应更富创意，因为通复合效应更富创意，因为通过过“0+00”“0+00”复合效应可使复合材料呈现出两个组成所没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。有的新性能，着在一定意义上意味着发展出新材料。n n通过产生通过产生“0+00”“0+00”复合效应，可获得组成物质所不具备复合效应，可获得组成物质所不具备的、全新的功能，
42、即的、全新的功能，即“无中生有无中生有”。n n因此因此(ync(ync)，“0+00”“0+00”复合效应是利用已有物质发现新型复合效应是利用已有物质发现新型材料的独特方法。材料的独特方法。第50页/共386页第五十一页，共386页。通过耦合作用通过耦合作用(zuyng)产生巨磁电效应产生巨磁电效应n n结合结合(jih)2(jih)2种种(或多种或多种)具有不同耦合性质的物质，通过它们之间的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。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。n n一个令人注目的实例是在由磁致伸缩压电材料组合的
43、多重铁性复合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。磁电性的。第51页/共386页第五十二页，共386页。通过通过(tnggu)耦合作用产生巨磁电效应耦合作用产生巨磁电效应n n这种新的磁电响应来源于组合中的两种物质之间的弹性耦合作用，即这种新的磁电响应来源于组合中的两种物质之间的弹性耦合作用，即n n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
44、导致导致(d(d ozh)ozh)电极化。甚至产生远远大于传统的、已知的磁电材料电极化。甚至产生远远大于传统的、已知的磁电材料(如如Cr2O3Cr2O3和复杂钙和复杂钙钛矿氧化物钛矿氧化物)的巨磁电的巨磁电(GME)(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。潜力。第52页/共386页第五十三页，共386页。通过通过(tnggu)纳米结构复合获得新功能纳米结构复合获得新功能n n0+000+00复合效应也可以由纳米结构复合中的纳米复合效应也可以由纳米结构复合中的纳米尺寸效应产生。尺寸效应产生。n n一个经典一个经典(jng
45、di(jngdi n)n)的实例是玻璃着色。普通玻璃的实例是玻璃着色。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作微晶化热处理，使得在玻璃中产生纳米金属胶粒。胶粒。第53页/共386页第五十四页，共386页。通过纳米结构复合获得通过纳米结构复合获得(hud)新功能新功能n n例如，当纳米金粒子例如，当纳米金粒子(黄色的黄色的Au)Au)或纳米银粒子或纳米银粒子(白白色色Ag)Ag)引入玻璃中，玻璃即分别被着色成为红色玻引入玻璃中，玻璃即分别被着色成为红色玻璃或黄色玻璃，因此，在璃或黄色玻璃，因此，在Au/Au
46、/玻璃复合中发生玻璃复合中发生(fshng)(fshng)了了“黄色黄色+无色无色 红色红色”转变，而对转变，而对Ag/Ag/玻璃复合，发生玻璃复合，发生(fshng)(fshng)了了“白色白色+无色无色 黄色黄色”转变。转变。n n这种这种0+000+00复合效应，是由于复合中的纳米尺寸效复合效应，是由于复合中的纳米尺寸效应导致了金属光吸收峰应导致了金属光吸收峰“红移红移”所致。所致。第54页/共386页第五十五页，共386页。通过周期复合结构通过周期复合结构(jigu)产生新材料产生新材料n n与纳米结构复合相类似，周期与纳米结构复合相类似，周期(zhuq)(zhuq)结构结构复合也已成
47、为获得复合也已成为获得0+000+00复合效应的有效途径。复合效应的有效途径。n n周期周期(zhuq)(zhuq)介电复合结构，即介电复合结构，即“光子晶体光子晶体”，是近年来最引人注目的发现之一，它是，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米尺度上的周期(zhuq)(zhuq)复合结构。复合结构。第55页/共386页第五十六页，共386页。SiO2微球自组装而成的周期微球自组装而成的周期(zhuq)结构结构n n由由SiO2SiO2纳米微球自组装而成的蛋白石纳米微球自组装而成的蛋白石(opal)(opal
48、)结结构构(jigu)(jigu)，形成三维，形成三维SiO2-SiO2-气孔周期纳米复合气孔周期纳米复合结构结构(jigu)(jigu)。第56页/共386页第五十七页，共386页。SiO2微球自组装而成的周期微球自组装而成的周期(zhuq)结构结构n n相应地，该复合结构相应地，该复合结构(jigu)(jigu)的介电函数也呈现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，导致出周期性变化，形成周期变化的介电势场，导致复合结构复合结构(jigu)(jigu)的光波色散带在的光波色散带在BrillouinBrillouin区产生区产生光带隙光带隙(photonic band gap,
49、PBG)(photonic band gap,PBG)，即对应于光带隙，即对应于光带隙频率区的光波在材料中是被禁止的，完全被材料频率区的光波在材料中是被禁止的，完全被材料反射。反射。n n这类似于半导体中周期原子势产生电子能隙。这类似于半导体中周期原子势产生电子能隙。第57页/共386页第五十八页，共386页。SiO2微球自组装而成的周期微球自组装而成的周期(zhuq)结构结构n nPBGPBG是一个由常规物质的周期复合所产生的全是一个由常规物质的周期复合所产生的全新的行为新的行为(xngwi)(xngwi)，它依赖于周期复合结构。，它依赖于周期复合结构。n n例如，纳米微球面心立方结构光子晶
50、体具有例如，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；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。而钻石型结构光子晶体则具有宽的带隙。第58页/共386页第五十九页，共386页。显微结构性能显微结构性能(xngnng)关联关联n n上述上述“1+12”(“1+12”(“旧貌换新颜旧貌换新颜”)”)和和“0+00”“0+00”（“无中生有无中生有”)”)复合效应显示了对许多复合效应显示了对许多(x(x du)du)实际的具有一定显微结构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。特征的材料，原子结构与宏观性