材料科學(xué)及其發(fā)展現(xiàn)狀

第一章材料科學(xué)概述

材料科學(xué)及其發(fā)展現(xiàn)狀高分子材料基礎(chǔ)知識及發(fā)展現(xiàn)狀1材料科學(xué)及發(fā)展現(xiàn)狀材料基本知識及發(fā)展歷史材料結(jié)構(gòu)簡述材料的性能、工藝、結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系2材料與原料材料：經(jīng)過人類勞動獲得的、在進一步加工過程仍然保持原質(zhì)的勞動對象原料：經(jīng)過人類勞動取得的勞動對象如：開采出來的礦砂是冶煉金屬的原料種植出的小麥?zhǔn)侵圃烀娣鄣脑?材料與物質(zhì)材料:滿足指定工作條件下使用要求的形態(tài)和物理性狀的物質(zhì)材料：熱敏材料、壓電材料、激光材料物質(zhì)：SiO2、礬土（Al2O3）例：Al2O3---單晶，寶石或激光材料---多晶，集成電路的放熱基版材料---多孔多晶，催化劑的載體、敏感材料4材料化過程由化學(xué)物質(zhì)或原料轉(zhuǎn)變?yōu)橐欢ㄓ脠龅牟牧系倪^程例：從SiO2和Na2CO3制備玻璃的過程例:玻璃鋼的制備織玻璃布制膠（環(huán)氧樹脂、稀釋劑、固化劑）將布放入模具中，涂膠，固化5材料分類6材料分類中的概念復(fù)合材料：由兩種或兩種以上，物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)，用適當(dāng)?shù)墓に嚪椒ńM合起來，而得到的具有復(fù)合效應(yīng)的多相固體材料，分類如下：按原料在復(fù)合材料中的形態(tài)：基質(zhì)材料、分散材料按復(fù)合材料的形態(tài)和形狀：顆粒狀、纖維狀、層狀按復(fù)合性質(zhì)：物理復(fù)合，化學(xué)復(fù)合復(fù)合效果：結(jié)構(gòu)復(fù)合，功能復(fù)合72.結(jié)構(gòu)材料：使用其機械力學(xué)性能，用于機械制造、工程建筑、交通運輸?shù)?.功能材料：利用各種物理和化學(xué)性質(zhì)，用于電子、紅外、激光、通訊等方面材料分類中的概念8材料結(jié)構(gòu)概述宏觀組織結(jié)構(gòu)：用肉眼或放大鏡能觀察到的晶粒、相的集合狀態(tài)顯微組織結(jié)構(gòu)：借助光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡可觀察到的晶粒、相的集合狀態(tài)或材料內(nèi)部的微區(qū)結(jié)構(gòu)，尺寸為10-7~10-4m微觀結(jié)構(gòu)：原子及分子的結(jié)構(gòu)以及原子和分子的排列結(jié)構(gòu)9材料結(jié)構(gòu)概述—原子結(jié)構(gòu)原子由原子核和電子組成，電子質(zhì)量可以忽略，元素的原子序數(shù)等于原子中質(zhì)子的數(shù)目。根據(jù)量子力學(xué)原理，電子具有不連續(xù)能級，每個電子的能級和狀態(tài)由主量子數(shù)、角量子數(shù)、磁量子數(shù)、自旋量子數(shù)決定。電子分布遵從原理：泡利不相容原理，能量最低原理，洪特規(guī)則10原子或分子之間的結(jié)合鍵化學(xué)結(jié)合鍵離子鍵金屬鍵共價鍵物理結(jié)合鍵偶極之間的靜電力、誘導(dǎo)力、色散力氫鍵材料結(jié)構(gòu)概述—原子結(jié)構(gòu)11材料結(jié)構(gòu)概述—非晶態(tài)結(jié)構(gòu)非晶態(tài)結(jié)構(gòu)或無定形結(jié)構(gòu)的定義：原子排列近程有序而遠(yuǎn)程無序的結(jié)構(gòu)，也叫玻璃態(tài)結(jié)構(gòu)非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的特點：結(jié)構(gòu)長程無序，各向異性沒有固定的熔點

12材料結(jié)構(gòu)概述—晶態(tài)結(jié)構(gòu)晶體：原子在三維空間呈周期性的無限有序排列的結(jié)構(gòu)，也稱為點陣晶胞（晶格）：周期性排列的最小單位7大晶系，14種空間點陣晶面：晶體中由原子組成的任一平面成為晶面晶向：原子組成的任一直線單晶：有序性貫穿整塊晶體孿晶：晶體的長程有序性在某一確定的平面突然發(fā)生轉(zhuǎn)折并以這一平面為界的兩部分晶體有各自的長程有序性多晶：許多取向不同的晶粒組成的晶體13材料結(jié)構(gòu)概述—結(jié)構(gòu)缺陷定義：物質(zhì)中不均勻的部分。但結(jié)構(gòu)缺陷并不意味著材料有缺陷分類（從幾何學(xué)的角度）點缺陷（零維缺陷）線缺陷（位錯）面缺陷（二維缺陷）體缺陷（三維缺陷）這些缺陷對塑性變形、強度及斷裂等力學(xué)性能起決定性作用14結(jié)構(gòu)缺陷—點缺陷點缺陷定義：涉及一個或幾個原子范圍的點陣結(jié)構(gòu)局部擾亂，是熱運動引起的點缺陷對光電等性能有很大影響將間隙原子或置換原子有意加入材料結(jié)構(gòu)中是材料固溶強化的基礎(chǔ)15結(jié)構(gòu)缺陷—線缺陷線缺陷定義：以一條線為中心的結(jié)構(gòu)錯亂位錯在晶體內(nèi)形成應(yīng)力場，位錯線附近的原子平均能量高于其它區(qū)域，故這些原子穩(wěn)定性較差，容易被雜質(zhì)原子替代，因此位錯附近的區(qū)域易受腐蝕金屬材料的應(yīng)變強化是由于金屬在形變過程中會使其所含位錯數(shù)目增值，位錯密度提高，因此得到強化16結(jié)構(gòu)缺陷—面、體缺陷面缺陷定義：原子或分子在一個交界面的兩側(cè)出現(xiàn)不同排列而形成的缺陷界面與表面相和相接觸的面為界面表面原子或分子一般比內(nèi)部原子或分子具有過剩的能量，為表面能表面及界面的特性對材料及器件影響極大，如金屬氧化與腐蝕晶界不同取向晶粒之間的接觸面細(xì)晶強化：晶界可使位錯運動受阻，從而使材料強度提高體缺陷

指材料宏觀的結(jié)構(gòu)缺陷，如空洞、裂紋、沉淀相、包裹物等對材料的力學(xué)性能有很大的影響17材料的工藝、結(jié)構(gòu)和性能相互依賴、相互制約例：高壓聚乙烯和低壓聚乙烯例：銅棒：鑄造法和軋制成型工藝?yán)禾岣咚芰蠌姸?，可采用與橡膠共混的辦法來提高沖擊強度，采用加添加劑或增強劑來提高抗拉強度例：金屬強化主要是提高屈服強度，屈服強度指材料開始塑性流動的應(yīng)力。要么盡可能減少位錯，使其接近于完整晶體；要么盡可能設(shè)法阻止位錯運動，如冷變形強化、細(xì)晶強化等18材料在人類歷史進程中的巨大作用材料是人類賴以生活和生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)例：木材，玻璃，水泥，鋼鐵，陶瓷，塑料，橡膠，棉，麻，毛

材料是生產(chǎn)力發(fā)展的重要支柱1903，美國萊特兄弟發(fā)明了第一架飛機，材料為木材和帆布，航速只有16公里/小時1911年，制造出金屬結(jié)構(gòu)的飛機，材料為輕質(zhì)鋁合金（提高發(fā)動機的溫度）1939年，螺旋槳式代替活塞式，材料為耐700度高溫的鎳合金，航速為最初的47倍，755公里/小時40年代中期，可耐800度以上的高溫合金航天用聚合物：燒蝕材料（耐高溫的增強塑料，借本身熔化、升華或分解而消耗大量熱量結(jié)構(gòu)材料：玻璃纖維-環(huán)氧樹脂，可以減輕約1/3的重量膠結(jié)材料：結(jié)構(gòu)膠粘劑，環(huán)氧樹脂-丁腈橡膠涂層材料：耐高溫絕緣涂層，防潮濕、防霉菌涂層，耐磨涂層吸振材料，固體推進劑材料，密封材料19材料是劃分人類社會不同歷史時期的重要依據(jù)石器時代：石頭舊石器時期：比較粗糙打制石器中石器時期：局部磨光的石器、弓箭新石器時期：第一種人造材料-陶銅器時代：銅銅石并用時期：紅銅，自然銅，質(zhì)軟，不適于制作工具青銅器時期：銅錫合金，易于制造，硬度比紅銅高鐵器時代：鐵鐵在地殼中的含量為第四位