第一章-材料與材料科學(xué)

第一章-材料與材料科學(xué)第一頁，共55頁。材料與人類文明

材料是人類文明、社會進步、科學(xué)技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)先導(dǎo)。在歷史上，人們將石器、青銅器、鐵器等當(dāng)時的主導(dǎo)材料作為時代的標(biāo)志，稱其為石器時代、青銅器時代和鐵器時代。在近代，材料的種類及其繁多，各種新材料不斷涌現(xiàn)，很難用一種材料來代表當(dāng)今時代的特征。第一頁第二頁，共55頁。

第一次技術(shù)革命18世紀后期蒸汽機的發(fā)明及廣泛的應(yīng)用，但只有在開發(fā)了鐵和銅等新材料以后，蒸汽機才得以使用并逐步推廣。使人類從手工工藝進入機器工業(yè)時代，開創(chuàng)了工業(yè)社會的文明。第二次技術(shù)革命始于19世紀未，以電的發(fā)明和廣泛應(yīng)用為標(biāo)志，實現(xiàn)了電氣化。以石油開發(fā)和新能源廣泛使用為突破口，大力發(fā)展飛機、汽車和其他工業(yè)，支持這個時期產(chǎn)業(yè)革命的仍然是新材料開發(fā)。如合金鋼、鋁合金以及各種非金屬材料的發(fā)展。

第二頁第三頁，共55頁。第三次技術(shù)革命始于20世紀中期，以原子能應(yīng)用為主要標(biāo)志。1942年在美國建立第一個核反應(yīng)堆，實現(xiàn)了核能的利用；實現(xiàn)了合成材料、半導(dǎo)體材料等大規(guī)模工業(yè)化，把工業(yè)文明推到了頂點，開啟了信息社會文明的大門。第四次技術(shù)革命開始于20世紀70年代，以計算機，特別是微電子技術(shù)、生物工程技術(shù)和空間技術(shù)為主要標(biāo)志。這是人類歷史上規(guī)模最大和最深刻的一次革命。第三頁第四頁，共55頁。材料是當(dāng)代文明的三大支柱之一材料、能源、信息是當(dāng)代社會文明和國民經(jīng)濟的三大支柱，是人類社會進步和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)先導(dǎo)。

材料是全球新技術(shù)革命的四大標(biāo)志之一（新材料技術(shù)、新能源技術(shù)、信息技術(shù)、生物技術(shù)）。第四頁第五頁，共55頁。什么是材料科學(xué)？

材料科學(xué)是一門以固體材料為研究對象，以固體物理、熱力學(xué)、動力學(xué)、量子力學(xué)、冶金、化工為理論基礎(chǔ)的邊緣交叉基礎(chǔ)應(yīng)用學(xué)科，它運用電子顯微鏡、X-射線衍射、熱譜、電子離子探針等各種精密儀器和技術(shù)，探討材料的組成、結(jié)構(gòu)、制備工藝和加工使用過程與其機械、物理、化學(xué)性能之間的規(guī)律的一門基礎(chǔ)應(yīng)用學(xué)科，是研究材料共性的一門學(xué)科。

第五頁第六頁，共55頁。0.1.1材料按化學(xué)組成（或基本組成）分類0.1.2根據(jù)材料的性能分類0.1.3材料按服役的領(lǐng)域來分類0.1.4材料按結(jié)晶狀態(tài)分類0.1.5材料按材料的尺寸分類

0.1材料分類

第六頁第七頁，共55頁。0.1.1

按化學(xué)組成（或基本組成）分類：1.金屬材料2.無機非金屬材料3.高分子材料（聚合物）4.復(fù)合材料第七頁第八頁，共55頁。1.金屬材料

金屬材料是由化學(xué)元素周期表中的金屬元素組成的材料。可分為由一種金屬元素構(gòu)成的單質(zhì)（純金屬）；由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素構(gòu)成的合金。合金又可分為固溶體和金屬間化合物。第八頁第九頁，共55頁。

在103種元素中，除He,Ne,Ar等6種惰性元素和C、Si、N等16種非金屬元素外，其余81種為金屬元素。除Hg之外，單質(zhì)金屬在常溫下呈現(xiàn)固體形態(tài)，外觀不透明，具有特殊的金屬光澤及良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。在力學(xué)性質(zhì)方面，具有較高的強度、剛度、延展性及耐沖擊性。合金是由兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬元素與非金屬元素熔合在一起形成的具有金屬特性的新物質(zhì)。合金的性質(zhì)與組成合金的各個相的性質(zhì)有關(guān)，同時也與這些相在合金中的數(shù)量、形狀及分布有關(guān)。第九頁第十頁，共55頁。2.

無機非金屬材料

無機非金屬材料是由硅酸鹽、鋁酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽、鍺酸鹽等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、鹵化物等原料經(jīng)一定的工藝制備而成的材料。是除金屬材料、高分子材料以外所有材料的總稱。它與廣義的陶瓷材料有等同的含義。無機非金屬材料種類繁多，用途各異，目前還沒有統(tǒng)一完善的分類方法。一般將其分為傳統(tǒng)的（普通的）和新型的（先進的）無機非金屬材料兩大類。

第十頁第十一頁，共55頁。

傳統(tǒng)的無機非金屬材料主要是指由SiO2及其硅酸鹽化合物為主要成分制成的材料，包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。此外，搪瓷、磨料、鑄石（輝綠巖、玄武巖等）、碳素材料、非金屬礦（石棉、云母、大理石等）也屬于傳統(tǒng)的無機非金屬材料。第十一頁第十二頁，共55頁。普通陶瓷即傳統(tǒng)陶瓷，是指以粘土為主要原料與其它天然礦物原料經(jīng)過粉碎混練、成型、煅燒等過程而制成的各種制品。包括日用陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、電瓷以及其它工業(yè)用陶瓷。。第十二頁第十三頁，共55頁。表0-1普通陶瓷的分類方法

第十三頁第十四頁，共55頁。先進（或新型）無機非金屬材料是用氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以及各種無機非金屬化合物經(jīng)特殊的先進工藝制成的材料。主要包括先進陶瓷、非晶態(tài)材料、人工晶體、無機涂層、無機纖維等。第十四頁第十五頁，共55頁。特種陶瓷是用于各種現(xiàn)代工業(yè)及尖端科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的陶瓷制品。包括結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷。結(jié)構(gòu)陶瓷主要用于耐磨損、高強度、耐高溫、耐熱沖擊、硬質(zhì)、高剛性、低膨脹、隔熱等場所。功能陶瓷主要包括電磁功能、光學(xué)功能、生物功能、核功能及其它功能的陶瓷材料。第十五頁第十六頁，共55頁。常見高溫結(jié)構(gòu)陶瓷包括：高熔點氧化物、碳化物、硼化物、氮化物、硅化物。功能陶瓷包括:裝置瓷（即電絕緣瓷）、電容器陶瓷、壓電陶瓷、磁性陶瓷（又稱為鐵氧體）、導(dǎo)電陶瓷、超導(dǎo)陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷（又稱為敏感陶瓷）、熱學(xué)功能陶瓷（熱釋電陶瓷、導(dǎo)熱陶瓷、低膨脹陶瓷、紅外輻射陶瓷等）、化學(xué)功能陶瓷（多孔陶瓷載體等）、生物功能陶瓷等。第十六頁第十七頁，共55頁。傳統(tǒng)的無機非金屬材料之二：玻璃玻璃是由熔體過冷所制得的非晶態(tài)材料。根據(jù)其形成網(wǎng)絡(luò)的組分不同可分為硅酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃等，其網(wǎng)絡(luò)形成劑分為SiO2、B2O3和P2O5。習(xí)慣上玻璃態(tài)材料可分為普通玻璃和特種玻璃兩大類。普通玻璃是指采用天然原料，能夠大規(guī)模生產(chǎn)的玻璃。普通玻璃包括日用玻璃、建筑玻璃、微晶玻璃、光學(xué)玻璃和玻璃纖維等。

第十七頁第十八頁，共55頁。特種玻璃（亦稱為新型玻璃）是指采用精制、高純或新型原料，通過新工藝在特殊條件下或嚴格控制形成過程制成的一些具有特殊功能或特殊用途的玻璃。特種玻璃包括SiO2含量在85%以上或55%以下的硅酸鹽玻璃、非硅酸鹽氧化物玻璃（硼酸鹽、磷酸鹽、鍺酸鹽、碲酸鹽、鋁酸鹽及氧氮玻璃、氧碳玻璃等）、非氧化物玻璃（鹵化物、氮化物、硫化物、硫鹵化物、金屬玻璃等）以及光學(xué)纖維等。根據(jù)用途不同，特種玻璃分為防輻射玻璃、激光玻璃、生物玻璃、多孔玻璃、非線性光學(xué)玻璃和光纖玻璃等。第十八頁第十九頁，共55頁。傳統(tǒng)的無機非金屬材料之三：水泥水泥是指加入適量水后可成塑性漿體，既能在空氣中硬化又能在水中硬化，并能夠?qū)⑸啊⑹炔牧侠喂痰啬z結(jié)在一起的細粉狀水硬性材料。第十九頁第二十頁，共55頁。水泥的種類很多，按其用途和性能可分為：通用水泥、專用水泥和特性水泥三大類；按其所含的主要水硬性礦物，水泥又可分為硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、氟鋁酸鹽水泥以及以工業(yè)廢渣和地方材料為主要組分的水泥。目前水泥品種已達一百多種。第二十頁第二十一頁，共55頁。傳統(tǒng)的無機非金屬材料之四：耐火材料耐火材料是指耐火度不低于1580℃的無機非金屬材料。它是為高溫技術(shù)服務(wù)的基礎(chǔ)材料。盡管各國對其定義不同，但基本含義是相同的，即耐火材料是用作高溫窯爐等熱工設(shè)備的結(jié)構(gòu)材料，以及用作工業(yè)高溫容器和部件的材料，并能承受相應(yīng)的物理化學(xué)變化及機械作用。大部分耐火材料是以天然礦石（如耐火粘土、硅石、菱鎂礦、白云母等）為原料制造的。第二十一頁第二十二頁，共55頁。3.有機高分子材料（高聚物）高聚物是由一種或幾種簡單低分子化合物經(jīng)聚合而組成的分子量很大的化合物。高聚物的種類繁多，性能各異，其分類的方法多種多樣。按高分子材料來源分為天然高分子材料和合成高分子材料；按材料的性能和用途可將高聚物分為橡膠、纖維、塑料和膠粘劑等。第二十二頁第二十三頁，共55頁。橡膠的特點是室溫彈性高，即使在很小的外力作用下，也能產(chǎn)生很大的形變（可達1000%），外力去除后，能迅速恢復(fù)原狀。其彈性模量小，約105~104Pa。常用的橡膠有天然橡膠（異戊橡膠）、丁苯橡膠、順丁橡膠（聚丁二烯）、乙丙橡膠和硅橡膠等。第二十三頁第二十四頁，共55頁。纖維的彈性模量較大，約109~1010Pa。受力時，形變不超過百分之二十。纖維大分子沿軸向作規(guī)則排列，其長徑比較大，在較廣的溫度范圍（-50~150℃）內(nèi)，機械性能變化不大。常用的合成纖維有尼龍、滌綸、晴綸和維尼綸等。第二十四頁第二十五頁，共55頁。塑料的彈性模量介于橡膠和纖維之間，約107~108Pa。溫度稍高些，受力形變可達百分之幾至幾百。有些塑料的形變是可逆的，有些塑料的形變是永久的。

根據(jù)塑料受熱時行為的不同，分為熱塑性和熱固性塑料兩類。前者受熱時可以塑化和軟化，冷卻時則凝固成形，再加熱又可塑化軟化。聚乙烯、聚氯乙烯和聚碳酸酯等都屬于此類；后者在受熱時可塑化和軟化，并通過化學(xué)反應(yīng)，使之固定成型，但冷卻后不能再加熱軟化，酚醛塑料和脲醛塑料就屬此類。第二十五頁第二十六頁，共55頁。膠粘劑是指在常溫下處于粘流態(tài)，當(dāng)受到外力作用時，會產(chǎn)生永久變形，外力撤去后又不能恢復(fù)原狀的高聚物。有時把聚合后未加工成型的高聚物稱為樹脂，以區(qū)分加工后的塑料或纖維制品，如電木未固化前稱酚醛樹脂，滌綸纖維未紡織前稱滌綸樹脂。第二十六頁第二十七頁，共55頁。4.復(fù)合材料復(fù)合材料是由兩種或兩種以上化學(xué)性質(zhì)或組織結(jié)構(gòu)不同的材料組合而成。復(fù)合材料是多相材料，主要包括基本相和增強相?；w相是一種連續(xù)相材料，它把改善性能的增強相材料固結(jié)成一體，并起傳遞應(yīng)力的作用；增強相起承受應(yīng)力（結(jié)構(gòu)復(fù)合材料）和顯示功能（功能復(fù)合材料）的作用。復(fù)合材料既能保持原組成材料的重要特色，又通過復(fù)合效應(yīng)使各組分的性能互相補充，獲得原組分不具備的許多優(yōu)良性能。第二十七頁第二十八頁，共55頁。復(fù)合材料的種類繁多，目前還沒有統(tǒng)一的分類方法，下面根據(jù)復(fù)合材料的三要素來分類。按基體材料分類，有金屬基復(fù)合材料，陶瓷基復(fù)合材料，水泥、混凝土基復(fù)合材料，塑料基復(fù)合材料，橡膠基復(fù)合材料等；按增強劑形狀可分為粒子、纖維及層狀復(fù)合材料；依據(jù)復(fù)合材料的性能可分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料。第二十八頁第二十九頁，共55頁。0.1.2根據(jù)材料的性能分類

根據(jù)材料在外場作用下其性質(zhì)或性能對外場的響應(yīng)不同，材料可分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料。第二十九頁第三十頁，共55頁。結(jié)構(gòu)材料是指具有抵抗外場作用而保持自己的形狀、結(jié)構(gòu)不變的優(yōu)良力學(xué)性能（強度和韌性等），用于結(jié)構(gòu)目的的材料。這種材料通常用來制造工具、機械、車輛和修建房屋、橋梁、鐵路等。是人們熟悉的機械制造材料、建筑材料，包括結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、鑄鐵、普通陶瓷、耐火材料、工程塑料等傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料（一般結(jié)構(gòu)材料）以及高溫合金、結(jié)構(gòu)陶瓷等高級結(jié)構(gòu)材料。第三十頁第三十一頁，共55頁。功能材料是具有優(yōu)良的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)功能及其相互轉(zhuǎn)化的功能，被用于非結(jié)構(gòu)目的的高技術(shù)材料。第三十一頁第三十二頁，共55頁。0.1.3

材料按服役的領(lǐng)域來分類

根據(jù)材料服役的技術(shù)領(lǐng)域可分為信息材料、航空航天材料、能源材料、生物醫(yī)用材料等。第三十二頁第三十三頁，共55頁。信息材料是指用于信息的探測、傳輸、顯示、運算和處理的光電信息材料。信息材料主要包括信息的監(jiān)測和傳感（獲?。┎牧稀⑿畔⒌膫鬏敳牧?、信息的存儲材料、信息的運算和處理材料。第三十三頁第三十四頁，共55頁。航空航天材料主要包括新型金屬材料（如先進鋁合金、超高強度鋼、高溫合金、高熔點合金、鈹及其合金）、燒蝕防熱材料和新型復(fù)合材料。此外，還包括一些功能材料，如涂層材料、隔熱材料、透明材料、阻尼材料、密封材料、潤滑材料、粘合劑材料等。這些材料大部分屬于高分子材料和陶瓷材料，也有少量是阻尼合金等金屬材料。第三十四頁第三十五頁，共55頁。能源材料是指能源工業(yè)和能源技術(shù)所使用的材料，按使用目的不同分為新能源材料、節(jié)能材料和儲氫材料等。新能源材料包括增值堆用核材料、聚變堆材料、太陽能電池（單晶硅、多晶硅、非晶硅等）；節(jié)能材料包括非晶體金屬磁性材料（用作變壓器鐵芯的Fe-Mn-B-Si合金）和超導(dǎo)材料（Nb-Ti、Nb-Sn巨型磁體用材料）；儲氫材料，以及高比能電池（如鈉硫電池）等。目前鈉硫電池的比能量達137W.h/Kg，而鉛蓄電池的比能量只有30W.h/Kg。第三十五頁第三十六頁，共55頁。

生物醫(yī)用材料是一類合成物質(zhì)或天然物質(zhì)或這些物質(zhì)的復(fù)合，它能作用一個系統(tǒng)的整體或部分，在一定時期內(nèi)治療、增強或替換機體的組織、器官或功能。醫(yī)用金屬及合金醫(yī)用高分子材料包括合成和天然高分子，已被廣泛用于韌帶、肌腱、皮膚、血管、角膜、人工臟器、骨和牙等人體軟、硬組織及器官的修復(fù)和制造。

醫(yī)用生物陶瓷包括惰性和活性生物陶瓷、生物玻璃等，如氧化鋁瓷、氧化鋯瓷、生物碳等以及羥基磷灰石、磷酸三鈣陶瓷等。

醫(yī)用復(fù)合材料:表面涂層生物活性人工牙根、人工心臟瓣膜人造血管等。第三十六頁第三十七頁，共55頁。0.1.4材料按結(jié)晶狀態(tài)分類

單晶材料多晶材料非晶態(tài)材料準晶材料第三十七頁第三十八頁，共55頁。單晶材料是由一個比較完整的晶粒構(gòu)成的材料，如單晶纖維、單晶硅；多晶材料是由許多晶粒組成的材料，其性能與晶粒大小、晶界的性質(zhì)有密切的關(guān)系。非晶態(tài)材料是由原子或分子排列無明顯規(guī)律的固體材料，如玻璃、高分子材料。第三十八頁第三十九頁，共55頁。準晶材料是指準周期性晶體材料的簡稱，準晶仍然是晶體，準晶中的原子分布有嚴格的位置序，但位置序無周期性，即沒有周期性平移對稱關(guān)系，在準晶材料中存在不符合傳統(tǒng)晶體學(xué)的五次、八次、十二次對稱軸。準晶從結(jié)構(gòu)角度看是一種新的物質(zhì)形態(tài)，但實際上它們僅在特定的金屬合金中形成，是成分范圍較窄的金屬間化合物。第三十九頁第四十頁，共55頁。0.1.5按材料的尺寸分類

材料按材料的尺寸可分為零維材料、一維材料、二維材料、三維材料。第四十頁第四十一頁，共55頁。零維材料即超微粒子，通過Sol-gel法、多相沉積或激光等方法，可以制備出亞微米級的陶瓷或金屬粉末，大小1—100nm的超微粒比表面積大（可作為高效催化劑）、比表面能高、熔點低、燒結(jié)溫度下降、擴散速度快、強度高而塑性下降慢、電子態(tài)由連續(xù)能帶變?yōu)椴贿B續(xù)、光吸收也發(fā)生異?，F(xiàn)象（可以成為高效微波吸收材料）。第四十一頁第四十二頁，共55頁。一維材料，如光導(dǎo)纖維由于其信息傳輸量遠比銅、鉛的同軸電纜大，而且光纖有很強的保密性，所以發(fā)展很快。再比如脆性塊狀材料在變成細絲后便增加了韌性，可以用來增強其它的塊狀。實用纖維為碳纖維、硼纖維、陶瓷纖維。纖維中強度和剛度最高的要算晶須。第四十二頁第四十三頁，共55頁。二維材料（薄膜），如金剛石薄膜、高溫超導(dǎo)薄膜、半導(dǎo)體薄膜。由于薄膜的電子所處狀態(tài)和外界環(huán)境的影響，可表現(xiàn)出不同的電子遷移規(guī)律，完成特定的電學(xué)、光學(xué)或電子學(xué)功能，如成為絕緣體、鐵電體、導(dǎo)體或半導(dǎo)體等，從而有可能作為光學(xué)薄膜用于非線性光學(xué)、光開關(guān)、放大或調(diào)幅、敏感與傳感元件，用于顯示或探測器，用于環(huán)保或表面改性的保護膜。三維材料即塊狀材料。第四十三頁第四十四頁，共55頁。0.2組成-結(jié)構(gòu)-性質(zhì)-工藝過程之間的關(guān)系

材料科學(xué)與工程的四個基本要素：組成與結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、使用性能、合成與加工。探索這四個要素之間的關(guān)系(圖0.2)，覆蓋從基礎(chǔ)學(xué)科到工程的全部內(nèi)容。四個要素之間的密切關(guān)系確定了材料科學(xué)與工程這一領(lǐng)域，確定了材料科學(xué)基礎(chǔ)課程的教學(xué)線索。第四十四頁第四十五頁，共55頁。圖0.2組成-結(jié)構(gòu)-性質(zhì)-工藝過程之間

關(guān)系示意圖合成與加工使用性能性質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)（化學(xué)）（工程）（物理學(xué)）第四十五頁第四十六頁，共55頁。性質(zhì)

材料功能特性和效用（如電、磁、光、熱、力學(xué)等性質(zhì)）的定量度量和描述材料對外界刺激（如電場、磁場、溫度場、力場等）的整體響應(yīng)是合成或加工后材料結(jié)構(gòu)和成分所產(chǎn)生的結(jié)果第四十六頁第四十七頁，共55頁。使用性能包括可靠性、有效壽命、速度、能量利用率、安全性和壽命期費用等材料在最終使用狀態(tài)時的行為材料固有性質(zhì)與產(chǎn)品設(shè)計、工程能力和人類需要相融合在一起的一個要素取決于材料的基本性能，也應(yīng)注意加工工藝技術(shù)的影響第四十七頁第四十八頁，共55頁。結(jié)構(gòu)與成分每個特定的材料都含有一個以原子和電子尺度到宏觀尺度的結(jié)構(gòu)體系大多數(shù)材料結(jié)構(gòu)尺度上的化學(xué)成分和分布是立體變化的結(jié)構(gòu)上幾乎無限的變化同樣會引起與此相應(yīng)的一系列復(fù)雜的材料性質(zhì)第四十八頁第四十九頁，共55頁。合成和加工是指建立原子、分子和分子聚集體的新排列，在從原子尺度到宏觀尺度的所有尺度上對結(jié)構(gòu)進行控制以及高效而有競爭力地制造材料和零件的演變過程合成指原子和分子組合在一起制造新材料的物理和化學(xué)方法，包括合成新材料、用新技術(shù)合成已知的材料或?qū)⒁阎牧虾铣蔀樾碌男问?、將已知材料按特殊用途的要求來合成加工除了上述三個方面外，還包括在較大尺度上的改變，有時也包括材料制造等工程問題。合成和加工的區(qū)別已變得模糊第四十九頁第五十頁，共55頁。兩個關(guān)鍵儀器設(shè)備

表1－5