材料科學基礎1

1、一、什么是材料一、什么是材料? 材料材料是具有一定性能，可以用來制作器件、構件、工是具有一定性能，可以用來制作器件、構件、工具、裝置等物品的物質。材料存在于我們的周圍，與我們具、裝置等物品的物質。材料存在于我們的周圍，與我們的生活息息相關。的生活息息相關。 材料是人類文明、社會進步、科技發(fā)展的物質基礎。材料是人類文明、社會進步、科技發(fā)展的物質基礎。材料是全球新技術革命的四大標志之一（材料是全球新技術革命的四大標志之一（新材新材料技術、新能源技術、信息技術、生物技術料技術、新能源技術、信息技術、生物技術）。）。材料的重要性材料的重要性？ 1.1 材料科學概論材料科學概論二、材料與人類文明二、材料

2、與人類文明青青 銅銅 器器 時時 代代鐵鐵 器器 時時 代代三、什么是材料科學？三、什么是材料科學？材料科學材料科學主要是指從事對材料本質規(guī)律的主要是指從事對材料本質規(guī)律的發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)、分析、分析、認識、設計及控制認識、設計及控制等方面研究的一門科學。其目的在于揭示等方面研究的一門科學。其目的在于揭示材料的行為，給予材料結構、性質等的統(tǒng)一描繪或建立模型，材料的行為，給予材料結構、性質等的統(tǒng)一描繪或建立模型，以及解釋結構與性能之間的基本關系。以及解釋結構與性能之間的基本關系。 材料科學的提出材料科學的提出: 美國認為在發(fā)射人造衛(wèi)星的先進材料的研究方面落后于蘇聯(lián)，于美國認為在發(fā)射人造衛(wèi)星的先進材料的研

3、究方面落后于蘇聯(lián)，于58年年3月月18日總統(tǒng)通過科學顧問委員會發(fā)布日總統(tǒng)通過科學顧問委員會發(fā)布“全國材料規(guī)劃全國材料規(guī)劃”，決定，決定12所所大學成立材料研究實驗室，從此出現(xiàn)了大學成立材料研究實驗室，從此出現(xiàn)了“材料科學與工程材料科學與工程”學科的提法。學科的提法?；A學科與材料科學的關系基礎學科與材料科學的關系 量子力學、固體物理、無機化學、有機化學、物理化學等基礎量子力學、固體物理、無機化學、有機化學、物理化學等基礎學科的發(fā)展為材料科學奠定了重要基礎。學科的發(fā)展為材料科學奠定了重要基礎。 現(xiàn)代分析技術和設備的更新，加深了對物質結構和物理化學性現(xiàn)代分析技術和設備的更新，加深了對物質結構和物理

4、化學性質的理解。質的理解。 冶金學、金屬學、陶瓷學、高分子科學等自身的發(fā)展也使對材冶金學、金屬學、陶瓷學、高分子科學等自身的發(fā)展也使對材料的本質認識大大系統(tǒng)化（組成料的本質認識大大系統(tǒng)化（組成- -制備制備- -結構結構- -性能的關系），為學科性能的關系），為學科發(fā)展打下了堅實的基礎。發(fā)展打下了堅實的基礎。 材料科學范疇下不同材料應用理論的交叉融合。材料科學范疇下不同材料應用理論的交叉融合。 現(xiàn)代材料技術從現(xiàn)代材料技術從多樣化、單一化走向一體化、復合化多樣化、單一化走向一體化、復合化。1.2 材料的分類材料的分類 一、材料的化學組成分類一、材料的化學組成分類二、材料的性能分類二、材料的性能分

5、類 三、材料服役的領域來分類三、材料服役的領域來分類四、材料的結晶狀態(tài)分類四、材料的結晶狀態(tài)分類五、材料的尺寸分類五、材料的尺寸分類一、一、按化學組成分類：按化學組成分類：1. 金屬材料金屬材料2. 無機非金屬材料無機非金屬材料3. 高分子材料（聚合物）高分子材料（聚合物）4. 復合材料復合材料1、金屬材料、金屬材料 金屬材料是由元素周期表中金屬材料是由元素周期表中的金屬元素組成的材料。可分為的金屬元素組成的材料?？煞譃橛梢环N金屬元素構成的單質（純由一種金屬元素構成的單質（純金屬）；由兩種或兩種以上的金金屬）；由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素構成屬元素或金屬與非金屬元素構成的的合金

6、合金。合金又可分為。合金又可分為固溶體固溶體和和金屬間化合物金屬間化合物。 當金屬的晶體結構保持溶劑組元的晶體結構時，這種合當金屬的晶體結構保持溶劑組元的晶體結構時，這種合金稱為一次固溶體或端際固溶體，簡稱為金稱為一次固溶體或端際固溶體，簡稱為固溶體固溶體。根據(jù)溶質。根據(jù)溶質原子在溶劑晶體結構中的位置，固溶體可分為原子在溶劑晶體結構中的位置，固溶體可分為置換固溶體置換固溶體和和間隙固溶體間隙固溶體。 金屬元素與其它金屬元素或非金屬元素之間形成合金時，金屬元素與其它金屬元素或非金屬元素之間形成合金時，除固溶體外，還可能形成除固溶體外，還可能形成金屬間化合物金屬間化合物。金屬間化合物可分。金屬間化

7、合物可分為三類，即由負電性決定的為三類，即由負電性決定的原子價化合物原子價化合物（簡稱價化合物）、（簡稱價化合物）、由電子濃度決定的由電子濃度決定的電子化合物電子化合物（亦稱為電子相）以及由原子（亦稱為電子相）以及由原子尺寸決定的尺寸決定的尺寸因素化合物尺寸因素化合物。除了這三類由單一元素決定的。除了這三類由單一元素決定的典型金屬間化合物外，還有許多金屬間化合物，其結構由兩典型金屬間化合物外，還有許多金屬間化合物，其結構由兩個或多個因素決定，稱之為個或多個因素決定，稱之為復雜化合物復雜化合物。 結合健為金屬健；結合健為金屬?。?熔點較高；熔點較高； 具有金屬光澤；具有金屬光澤； 范性、展性、延

8、性大；范性、展性、延性大； 強度較高；強度較高； 結構中存在自由電子，導熱和導電性好；結構中存在自由電子，導熱和導電性好； 在空氣中易被氧化。在空氣中易被氧化。2、 無機非金屬材料無機非金屬材料 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、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。無機非金屬材

9、料種類繁多，用途各異，一材料的總稱。無機非金屬材料種類繁多，用途各異，一般將其分為般將其分為傳統(tǒng)的（普通的）傳統(tǒng)的（普通的）和和新型的（先進的）新型的（先進的）無機無機非金屬材料兩大類。非金屬材料兩大類。 主要是指由主要是指由SiO2及其硅酸鹽及其硅酸鹽化合物為主要成分制成的材料，化合物為主要成分制成的材料，包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。此外，搪瓷、磨料、鑄石料等。此外，搪瓷、磨料、鑄石（輝綠巖、玄武巖等）、碳素材（輝綠巖、玄武巖等）、碳素材料、非金屬礦（石棉、云母、大料、非金屬礦（石棉、云母、大理石等）也屬于傳統(tǒng)的無機非金理石等）也屬于傳統(tǒng)的無機非金屬材料。屬

10、材料。 傳統(tǒng)無機非金屬材料傳統(tǒng)無機非金屬材料是用氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、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。機涂層、無機纖維等。先進（或新型）無機非金屬材料先進（或新型）無機非金屬材料陶瓷按其概念和用途不同，陶瓷按其概念和用途不同，可分為兩大類，即可分為兩大類，即普通陶瓷普通陶瓷和和特種陶瓷特種陶瓷。根據(jù)陶瓷坯體結構及其基根據(jù)陶瓷坯體結構及其基本物理性能

11、的差異，陶瓷制品本物理性能的差異，陶瓷制品可分為可分為陶器和瓷器陶器和瓷器。 陶瓷陶瓷 普通陶瓷：普通陶瓷：即傳統(tǒng)陶瓷，是指以粘土為主要原料與其它天即傳統(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。瓷、化工陶瓷、電瓷以及其它工業(yè)用陶瓷。 見見表表0-1。表表0-1 普通陶瓷的分類方法普通陶瓷的分類方法 類 別 主 要 種 類 用 途 中餐具（盤、碗、碟、羹、壺、杯等） 餐具 西餐具（碗、盤、碟

12、、糖缸、奶盅、壺、杯等） 茶具、咖啡具 茶盤、水果盤、點心盤、杯、壺、碟等 酒具 酒壺、酒杯、杯托、托盤 文具 筆筒、筆洗、水盂、EP 色盒、筆架 日用陶瓷 陳設瓷（美術瓷） 花瓶、燈具、雕塑瓶、薄胎碗等 建筑陶瓷 ?；u（滲花或非滲花） 、彩釉磚、錦磚（馬賽克） 、內墻磚、外墻磚、腰線磚、廣場磚、劈裂磚、園林陶瓷等 建筑衛(wèi)生陶瓷 衛(wèi)生瓷磚 洗面器、大便器、小便器、洗滌器、水箱、水槽、存水彎、肥皂盒、手紙盒、淋浴盒 低壓電瓷 用于 1kV 以下的電瓷 高壓電瓷 用于 1kV 以上的電瓷、如普通高壓瓷、鋁質高強度瓷 電瓷 超高壓電瓷 用于 500kV 以上的電瓷 耐酸磚 耐酸磚、耐酸耐溫磚 耐酸

13、容器 儲酸缸、酸洗槽、電解槽、耐酸塔等 耐酸機械（部件） 耐酸離心泵、風機、球磨機等 化工瓷 化學瓷 瓷坩堝、蒸發(fā)皿、研缽、漏斗、過濾板、燃燒舟等 特種陶瓷：特種陶瓷：是用于各種現(xiàn)代工業(yè)及尖端科學技術領域的陶瓷是用于各種現(xiàn)代工業(yè)及尖端科學技術領域的陶瓷制品。包括制品。包括結構陶瓷結構陶瓷和和功能陶瓷功能陶瓷。結構陶瓷主要用于耐。結構陶瓷主要用于耐磨損、高強度、耐高溫、耐熱沖擊、硬質、高剛性、低磨損、高強度、耐高溫、耐熱沖擊、硬質、高剛性、低膨脹、隔熱等場所。功能陶瓷主要包括電磁功能、光學膨脹、隔熱等場所。功能陶瓷主要包括電磁功能、光學功能、生物功能、核功能及其它功能的陶瓷材料。功能、生物功能、

14、核功能及其它功能的陶瓷材料。常見常見高溫結構陶瓷高溫結構陶瓷包括：高熔點氧化物、碳化包括：高熔點氧化物、碳化物、硼化物、氮化物、硅化物。物、硼化物、氮化物、硅化物。功能陶瓷功能陶瓷包括包括:裝置瓷（即電絕緣瓷）、電容器裝置瓷（即電絕緣瓷）、電容器陶瓷、壓電陶瓷、磁性陶瓷（又稱為鐵氧體）、導陶瓷、壓電陶瓷、磁性陶瓷（又稱為鐵氧體）、導電陶瓷、超導陶瓷、半導體陶瓷（又稱為敏感陶電陶瓷、超導陶瓷、半導體陶瓷（又稱為敏感陶瓷）、熱學功能陶瓷（熱釋電陶瓷、導熱陶瓷、低瓷）、熱學功能陶瓷（熱釋電陶瓷、導熱陶瓷、低膨脹陶瓷、紅外輻射陶瓷等）、化學功能陶瓷（多膨脹陶瓷、紅外輻射陶瓷等）、化學功能陶瓷（多孔陶瓷

15、載體等）、生物功能陶瓷等。孔陶瓷載體等）、生物功能陶瓷等。玻璃玻璃玻璃玻璃是由熔體過冷所制得的非晶態(tài)材料。根據(jù)其是由熔體過冷所制得的非晶態(tài)材料。根據(jù)其形成網(wǎng)絡的組分不同可分為硅酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃、形成網(wǎng)絡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)絡形成劑分為磷酸鹽玻璃等，其網(wǎng)絡形成劑分為SiO2、B2O3和和P2O5。習慣上玻璃態(tài)材料可分為習慣上玻璃態(tài)材料可分為普通玻璃普通玻璃和和特種玻璃特種玻璃兩大類。兩大類。普通玻璃普通玻璃是指采用天然原料，能夠大規(guī)模生產(chǎn)的玻是指采用天然原料，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、光學璃。普通玻璃包括日用玻璃、建

16、筑玻璃、微晶玻璃、光學玻璃和玻璃纖維等。玻璃和玻璃纖維等。 特種玻璃（亦稱為新型玻璃）特種玻璃（亦稱為新型玻璃）是指采用精制、高純是指采用精制、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程制成的一些具有特殊功能或特殊用途的玻璃。特種玻璃。特種玻璃分為防輻射玻璃、激光玻璃、生物玻璃、多孔玻璃、非分為防輻射玻璃、激光玻璃、生物玻璃、多孔玻璃、非線性光學玻璃和光纖玻璃等。線性光學玻璃和光纖玻璃等。水泥水泥指加入適量水后可成塑性漿體，既能在空氣中硬化又能指加入適量水后可成塑性漿體，既能在空氣中硬化又能

17、在水中硬化，并能將砂、石等材料牢固地膠結在一起的水硬性膠在水中硬化，并能將砂、石等材料牢固地膠結在一起的水硬性膠凝材料。凝材料。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。一百多種。水泥水泥耐火

18、材料耐火材料耐火材料耐火材料是指耐火度不低于是指耐火度不低于1580的無機非金屬材的無機非金屬材料。它是為高溫技術服務的基礎材料。耐火材料是用作料。它是為高溫技術服務的基礎材料。耐火材料是用作高溫窯爐等熱工設備的結構材料，以及用作工業(yè)高溫容高溫窯爐等熱工設備的結構材料，以及用作工業(yè)高溫容器和部件的材料，并能承受相應的物理化學變化及機械器和部件的材料，并能承受相應的物理化學變化及機械作用。作用。大部分耐火材料是以天然礦石（如耐火粘土、硅石、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。菱鎂礦、白云母等）為原料制造的。 無機非金屬材料的基本屬性無機非金屬材料的基本屬

19、性 化學健主要是離于鍵、共價健以及它們的混合鍵；化學健主要是離于鍵、共價健以及它們的混合鍵； 硬而脆、韌性低、抗壓不抗拉、對缺陷敏感；硬而脆、韌性低、抗壓不抗拉、對缺陷敏感； 熔點高，具有優(yōu)良的耐高溫和化學穩(wěn)定性；熔點高，具有優(yōu)良的耐高溫和化學穩(wěn)定性； 一般自由電子數(shù)目少、導熱性和導電性較小；一般自由電子數(shù)目少、導熱性和導電性較?。?耐化學腐蝕性好；耐化學腐蝕性好； 耐磨損。耐磨損。3. 有機高分子材料（高聚物）有機高分子材料（高聚物） 高聚物是由一種或幾種簡單低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，很大的化合物。

20、高聚物的種類繁多，性能各異，其分類的方法多種多樣。性能各異，其分類的方法多種多樣。按高分子材料按高分子材料來源來源分為天然高分子分為天然高分子材料和合成高分子材料；按材料的材料和合成高分子材料；按材料的性能和用途性能和用途可將高聚物分為可將高聚物分為橡膠、橡膠、纖維、塑料和膠粘劑纖維、塑料和膠粘劑等。等。 4. 復合材料復合材料 復合材料復合材料是由兩種或兩種以上化學性質或組織結構不同是由兩種或兩種以上化學性質或組織結構不同的材料組合而成。復合材料是多相材料，主要包括的材料組合而成。復合材料是多相材料，主要包括基本相基本相和和增增強相強相。復合材料的種類繁多按復合材料的種類繁多按基體材料基體材

21、料分類，有金屬基復分類，有金屬基復合材料，陶瓷基復合材料，水泥、混凝土基復合材料，塑合材料，陶瓷基復合材料，水泥、混凝土基復合材料，塑料基復合材料，橡膠基復合材料等；按料基復合材料，橡膠基復合材料等；按增強劑形狀增強劑形狀可分為可分為粒子、纖維及層狀復合材料；依據(jù)復合材料的性能可分為粒子、纖維及層狀復合材料；依據(jù)復合材料的性能可分為結構復合材料和功能復合材料。結構復合材料和功能復合材料。二、材料的性能分類二、材料的性能分類根據(jù)材料在外場作用下其性質或性能對外場的響應不同，根據(jù)材料在外場作用下其性質或性能對外場的響應不同，材料可分為材料可分為結構材料結構材料和和功能材料功能材料。結構材料結構材料

22、是指具有抵抗外場作用而保持自己的形狀、結是指具有抵抗外場作用而保持自己的形狀、結構不變的優(yōu)良力學性能（強度和韌性等），用于結構目的的構不變的優(yōu)良力學性能（強度和韌性等），用于結構目的的材料。材料。功能材料功能材料是具有優(yōu)良的電學、磁學、光學、熱學、聲學、是具有優(yōu)良的電學、磁學、光學、熱學、聲學、力學、化學和生物學功能及其相互轉化的功能，被用于非結力學、化學和生物學功能及其相互轉化的功能，被用于非結構目的的高技術材料。構目的的高技術材料。三、材料服役的領域來分類三、材料服役的領域來分類根據(jù)材料服役的技術領域可分為：根據(jù)材料服役的技術領域可分為：信息材料、航空航天材料、能源材料、信息材料、航空航天

23、材料、能源材料、生物醫(yī)用材料生物醫(yī)用材料等。等。 信息材料信息材料是指用于信息的探測、傳輸、顯示、運算和處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?、信息的傳輸材料、信息的存儲材傳感（獲?。┎牧?、信息的傳輸材料、信息的存儲材料、信息的運算和處理材料。料、信息的運算和處理材料。 航空航天材料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）、燒蝕防熱材鋼、高溫合金、高熔點合金、鈹及其合金）、燒蝕防熱材料和

24、新型復合材料。此外，還包括一些功能材料，如涂層料和新型復合材料。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、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。陶瓷材料，也有少量是阻尼合金等金屬材料。 能源材料能源材料是指能源工業(yè)和能源技術所使用的材料，按使用目是指能源工業(yè)和能源技術所使用的材料，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

25、料源材料包括增值堆用核材料、聚變堆材料、太陽能電池；聚變堆材料、太陽能電池；節(jié)能材料包括非晶體金屬磁性材料（用作變壓器鐵芯的節(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）和超導材料；儲氫材料如鈉硫電池的合金）和超導材料；儲氫材料如鈉硫電池的比能量達比能量達137W.h/Kg，而鉛蓄電池的比能量只有而鉛蓄電池的比能量只有30W.h/Kg。 生物醫(yī)用材料生物醫(yī)用材料是一類合成物質或天然物質或這些物質的復合，它是一類合成物質或天然物質或這些物質的復合，它能作用一個系統(tǒng)的整體或部分，在一定時期內治療、增強能作用一個系統(tǒng)的整體或部分，在一定時期內治療、增強或替換機體的組織、器官或功能?；蛱鎿Q機體的組織、器官或功能。 包括醫(yī)用金屬及合金、醫(yī)用高分子材料、醫(yī)用生物陶包括醫(yī)用金屬及合金、醫(yī)用高分子材料、醫(yī)用生物陶瓷、醫(yī)用復合材料等。瓷、醫(yī)用復合材料等。四、四、材料按結晶狀態(tài)分類材料按結晶狀態(tài)分類 n單晶材料單晶材料是由一個比較完整的晶粒構成的材料，如單晶纖是由一個比較完整的晶粒