我對材料科學(xué)四要素的認(rèn)識武曉博.doc

我對材料科學(xué)四要素的認(rèn)識武曉博材料科學(xué)是上世紀(jì)五十年代提出的，以研究和揭示固體材料性質(zhì)規(guī)律為主的一門科學(xué)，與能源、信息并列為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的三大支柱。隨著高技術(shù)的興起，又把新材料與信息技術(shù)、生物技術(shù)并列作為新技術(shù)革命的重要標(biāo)志。如今，材料已成為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防建設(shè)和人民群眾生活的重要組成部分。一般所說的材料,包括傳統(tǒng)材料和各種新型材料。材料科學(xué)的任務(wù)，就是研究材料的性質(zhì)、使用性能、結(jié)構(gòu)與成分、合成與加工這四者間的關(guān)系，因而將其稱為材料科學(xué)的四個基本要素。1、材料的性質(zhì)。材料的性質(zhì)是功能特性和效用的描述符，是材料對電、磁、光、熱、機(jī)械載荷的反應(yīng)，包括力學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)以及化學(xué)性質(zhì)。（1）力學(xué)性質(zhì)。包括強(qiáng)度、硬度、剛度、塑性、韌性等。強(qiáng)度：材料抵抗外應(yīng)力的能力；硬度：材料在表面上的小體積內(nèi)抵抗變形或破裂的能力；剛度：外應(yīng)力作用下材料抵抗彈性變形能力；塑性：外力作用下，材料發(fā)生不可逆的永久性變形而不破壞的能力；韌性：材料從塑性變形到斷裂全過程中吸收能量的能力。（2） 物理性質(zhì)。包括電學(xué)性質(zhì)、磁學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)及熱學(xué)性質(zhì)等。電學(xué)性質(zhì)：主要包括材料的導(dǎo)電性、絕緣性及介電性等；磁學(xué)性質(zhì)：主要包括材料的抗磁性、順磁性及鐵磁性等；光學(xué)性質(zhì)：主要包括材料的光反射、光折射、光學(xué)損耗及光透性等；熱學(xué)性質(zhì)：主要包括材料的導(dǎo)熱性、熱膨脹、熱容和熔化等。（3） 化學(xué)性質(zhì)包括催化性質(zhì)及防化性質(zhì)等。2、 材料的性能。在某種環(huán)境或條件作用下，為描述材料的行為或結(jié)果，按照特定的規(guī)范所獲得的表征參量，稱為材料的性能。包括力學(xué)性能、（1） 力學(xué)性能。彈性表征：包括彈性極限、屈服強(qiáng)度、比例極限等；塑性表征：包括延伸率、斷面收縮率、沖杯深度等；硬度表征：包括布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等；剛度表征：包括彈性模量、楊氏模量、剪切模量等；疲勞強(qiáng)度表征：包括疲勞極限和疲勞壽命等；抗蠕變性表征：包括蠕變極限和持久強(qiáng)度等；韌性表征：包括斷裂韌性和KIC和斷裂韌性JIC等。（2） 物理性能。電學(xué)性能表征：包括導(dǎo)電率、電阻率、介電常數(shù)等；磁學(xué)性能表征：包括磁導(dǎo)率、矯頑力、磁化率等；光學(xué)性能表征：包括光反射率、光折射率、光損耗率等；熱學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)：包括熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)、熔點、比熱等。所以，性能是包括材料在內(nèi)的整個系統(tǒng)特征的體現(xiàn)；性質(zhì)則是材料本身特征的體現(xiàn)。性能是隨著外因的變化而不斷變化，是個漸變過程，在這個過程中發(fā)生量變的積累，而性質(zhì)保持質(zhì)的相對穩(wěn)定性；當(dāng)量變達(dá)到一個“度”時，將發(fā)生質(zhì)變，材料的性質(zhì)發(fā)生根本的變化。因而，在材料科學(xué)研究及工程化應(yīng)用中，能針對不同的使用環(huán)境，提取出關(guān)鍵的材料性質(zhì)并選擇優(yōu)良性能的材料，是材料人員應(yīng)具備的一種能力。3、 成分與結(jié)構(gòu)。材料的結(jié)構(gòu)主要包括鍵合結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)和組織結(jié)構(gòu)。鍵合結(jié)構(gòu)包括化學(xué)鍵（離子鍵、共價鍵、金屬鍵）和物理鍵（氫鍵、分子鍵）；材料的晶體結(jié)構(gòu)包括晶體（原子排列長程有序，有周期）、非晶體（原子排列短程有序，無周期）、準(zhǔn)晶體（原子排列長程有序，無周期）；材料的組織結(jié)構(gòu)，指的是組成材料的不同物質(zhì)表示出的某種形態(tài)特征，包括相圖特征（勻晶型組織、共晶型組織、包晶型組織）、結(jié)構(gòu)特征（fcc結(jié)構(gòu)、bcc結(jié)構(gòu)、hcp結(jié)構(gòu)等）、組織特征（單向組織、兩相組織、多相組織）?，F(xiàn)代材料科學(xué)家對材料成分、結(jié)構(gòu)的認(rèn)識是由分析、檢測實現(xiàn)的。成分分析包括化學(xué)分析、物理分析和譜學(xué)分析。可以說，材料的成分與結(jié)構(gòu)是材料性質(zhì)的原因，也是合成與加工的結(jié)果。X衍射數(shù)據(jù)庫及相圖數(shù)據(jù)庫共同構(gòu)成了成分與結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫。前者建立了結(jié)構(gòu)與測定參數(shù)的關(guān)系，后者建立了成分與相的關(guān)系。這兩個數(shù)據(jù)庫對材料科學(xué)家的研究提供了極大的便利，幾乎所有材料合成的研究都是從了解這兩個對應(yīng)關(guān)系的研究開始的。特別的，隨著理論的不斷拓寬與完善，在成分與結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域中出現(xiàn)了許多新的機(jī)遇。如準(zhǔn)晶的結(jié)構(gòu)及潛在的應(yīng)用價值，碳納米管和足球烯，超導(dǎo)體與基體的界面結(jié)構(gòu)、功能復(fù)合材料的梯度界面、半導(dǎo)體材料與封裝材料的界面、纖維增強(qiáng)體與基體的結(jié)合界面等，這些為我們今后的學(xué)習(xí)與工作提供新的課題，吸引并激勵著我們不斷的研究與探索。4、 合成與加工。“合成”與“加工”是指建立原子、分子和分子團(tuán)的新排列，在所有尺度上（從原子尺寸到宏觀尺度）對結(jié)構(gòu)的控制，以及高效而有競爭力地制造材料與元件的演化過程。合成是指把各種原子或分子結(jié)合起來制成材料所采用的各種化學(xué)方法和物理方向；加工則指的是可以同樣的方式使用，還可以指較大尺度上的改變，包括材料制造。在材料科學(xué)與工程中，合成和加工之間的區(qū)別變得越來越模糊。合成是新技術(shù)開發(fā)和現(xiàn)有技術(shù)改進(jìn)的關(guān)鍵性要素，現(xiàn)代材料合成技術(shù)是人造材料的唯一實現(xiàn)途徑。材料的合成與加工主要包括材料制備、材料加工、表面工程和材料復(fù)合四個方面。（1） 材料的制備。不同的材料制備方法，分別具有不同的材料科學(xué)基礎(chǔ)內(nèi)容，即：冶金過程、熔煉與凝固、粉末燒結(jié)、高分子聚合。冶金過程又稱化學(xué)冶金，是從原料中提取出金屬，方法包括火法冶金、熔鹽電冶金、濕法冶金；熔煉與凝固又稱物理冶金，用于金屬的精煉及提純，材料的“合金化”和晶體的生長，具體內(nèi)容包括平衡凝固、區(qū)域熔煉、快速凝固、玻璃的熔煉、定向凝固和熔融法提拉單晶；粉末煅燒的目的是使粉末成形和粉末顆的結(jié)合，內(nèi)容包括粉末冶金技術(shù)和現(xiàn)代陶瓷材料的制備；高分子聚合是為了實現(xiàn)小分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，相互結(jié)合形成高分子。高分子聚合是人工合成三大類高分子材料：塑料、橡膠、合成纖維的基本過程，實施方法分為本體聚合、懸浮聚合、乳液聚合和溶液聚合。（2） 材料的加工。傳統(tǒng)意義上，材料的加工范疇包括四個方面：材料的切削（車、銑、刨、磨、切、鉆）、材料的成型（鑄造、拉、拔、擠、壓、鍛）、材料的改性（合金化、熱處理）、材料的聯(lián)接（焊接、粘接）。材料的成型：三大類材料的成型技術(shù)在材料工程中是內(nèi)容最為豐富的一部分。如果按材料的流變特性來分析，則材料的成型方法可分為三種；液態(tài)成型：包括金屬的鑄造、溶液紡絲；塑變成型：即金屬的壓力加工；流變成型：包括金屬、陶瓷、高分子成型。材料的改性：材料改性是通過改變材料的成分、組織與結(jié)構(gòu)以達(dá)到改變材料的性能的目的。包括材料的“合金化”和材料的熱處理。所謂材料的“合金化”，是指通過改變材料的成分，達(dá)到改變材料性能的方法。這種方法在金屬材料和現(xiàn)代高分子材料的改性方面有廣泛的應(yīng)用。材料的熱處理，是指通過一定的加熱、保溫、冷卻工藝過程，來改變材料的相組成情況，達(dá)到改變材料性能的方法。這種方法在金屬材料和現(xiàn)代陶瓷材料的改性方面有廣泛的應(yīng)用。典型熱處理工藝有淬火、退火、回火和正火。淬火工藝是指通過快速冷卻，獲得遠(yuǎn)離平衡態(tài)的不穩(wěn)定組織，達(dá)到強(qiáng)化材料的目的；正火工藝是指在奧氏體狀態(tài)下，空氣或保護(hù)氣體冷卻獲得珠光體均勻組織，提高強(qiáng)度，改善韌性；退火工藝是指通過緩慢冷卻，獲得接近平衡態(tài)的組織，達(dá)到均勻化、消除內(nèi)應(yīng)力的目的；回火工藝是指淬火或正火的材料重新加熱，目的在于松懈淬火應(yīng)力和使組織向穩(wěn)態(tài)過度，改善材料的延展性和韌性，并穩(wěn)定工件的尺寸。材料的聯(lián)接：是為了實現(xiàn)材料間的整體結(jié)合，內(nèi)容包括焊接、粘接、 鉚接和栓接。（3） 材料表面工程。包括表面改性、表面防護(hù)和薄膜技術(shù)三個方面。表面改性：即改變材料表面的性質(zhì)，從工藝機(jī)理上分析，表面改性同整體材料的改性是相同的，即：在表面實現(xiàn)材料的成分、組織與結(jié)構(gòu)的變化，達(dá)到改變材料表面性能的目的。不同點就是采用了特殊的能量輸入方式，使能量作用效果或成分變化僅發(fā)生在表面。主要包括三束表面改性、化學(xué)表面改性（化學(xué)熱處理）和表面淬火。表面防護(hù)：包括腐蝕防護(hù)和摩擦磨損防護(hù)。由腐蝕造成的材料失效量，占世界材料總產(chǎn)量的比例很高，腐蝕問題十分嚴(yán)重。因此，腐蝕防護(hù)非常重要。造成腐蝕的原因主要是化學(xué)反應(yīng)，包括大氣腐蝕、海水腐蝕及工業(yè)介質(zhì)腐蝕。防護(hù)的方法可以分為主動防護(hù)和被動防護(hù)，主動防護(hù)的方法有合金化、非晶化、高純度化和添加抗蝕材料；被動防護(hù)的方法有表面涂鍍、表面改性、表面鈍化和電化學(xué)保護(hù)。摩擦磨損防護(hù)的方法有增加抗磨損性和增加潤滑性。薄膜技術(shù)：有許多種薄膜技術(shù)能夠在基材表面覆蓋薄膜材料層，其中最重要的兩種方法是物理氣象沉積法（PVD）和化學(xué)氣象沉積法（CVD）。隨著材料科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，薄膜技術(shù)已不僅僅是材料改性的手段。更重要的是，現(xiàn)代薄膜技術(shù)在高新技術(shù)領(lǐng)域，如：微電子器件、納米結(jié)構(gòu)與組裝、光電子器件，等方面正發(fā)揮著越來越重要的作用。（4） 材料的復(fù)合。材料復(fù)合的主要目的就是依據(jù)不同材料性能的優(yōu)勢互補、協(xié)調(diào)作用的原則，進(jìn)行材料的設(shè)計與制備。因此材料復(fù)合的過程就是材料制備、改性、加工的統(tǒng)一過程。復(fù)合材料的制備過程融合了金屬、陶瓷、高分子材料制備的基本原理。目前材料科學(xué)的發(fā)展，復(fù)合的概念越來越重要，出現(xiàn)了許多新型的復(fù)合材料及制備方法。 從材料的產(chǎn)生到進(jìn)入使用過程，直至損耗，四大要素存在著邏輯上的因果順序：“性能”是目的，是材料科學(xué)發(fā)展的根本動力，“結(jié)構(gòu)”是獲得該性能的本質(zhì)，而“工藝”是獲得“結(jié)構(gòu)”的途徑與手段，可以歸結(jié)為“結(jié)構(gòu)”形成的內(nèi)容范疇，