材料科學(xué)基礎(chǔ) 顧宜版 第一章緒論

1、材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ)XX學(xué)院XX班主講教師：XXXTel: XXXE-mail: XXX緒緒 論論n0.1 什么是材料？什么是材料？q 材料與人類(lèi)文明材料與人類(lèi)文明材料的重要性材料的重要性q 什么是材料科學(xué)與工程？什么是材料科學(xué)與工程？n0.2 材料的分類(lèi)材料的分類(lèi) n0.3 組成組成-結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)-工藝過(guò)程工藝過(guò)程-性質(zhì)之間的關(guān)系性質(zhì)之間的關(guān)系 教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo)n了解材料的定義、分類(lèi)與發(fā)展簡(jiǎn)史（現(xiàn)狀與趨勢(shì)）。n掌握材料科學(xué)與工程的四要素及其相互之間的邏輯關(guān)系。n了解本課程及其學(xué)習(xí)方法。0.1 什么是材料？什么是材料？世界萬(wàn)物，凡于我有世界萬(wàn)物，凡于我有用用者，皆謂之材料者，皆謂之材料(Mat

2、erials)。材料是具有一定。材料是具有一定性能性能，可以用來(lái)，可以用來(lái)制作制作器件、構(gòu)件、工具、裝置等物品的物質(zhì)。材料存器件、構(gòu)件、工具、裝置等物品的物質(zhì)。材料存在于我們的周?chē)?，與我們的生活、我們的生命息在于我們的周?chē)c我們的生活、我們的生命息息相關(guān)。息相關(guān)。原料原料（Raw Materials）與材料與材料n原料一般不是為獲得產(chǎn)品，而是生產(chǎn)材料，由原料到材料的過(guò)程往往伴隨化學(xué)變化。n材料的特點(diǎn)往往是為獲得產(chǎn)品，一般從材料到產(chǎn)品的轉(zhuǎn)變過(guò)程不發(fā)生化學(xué)變化。材料與物質(zhì)材料與物質(zhì)（Matter）n材料可由一種或多種物質(zhì)組成。n同一物質(zhì)由于制備方法或加工方法不同可以得到用途各異、類(lèi)型不同的材料。

3、n材料科學(xué)側(cè)重于工程學(xué)（工科），物質(zhì)科學(xué)側(cè)重于基礎(chǔ)科學(xué)（理科）。概念區(qū)別概念區(qū)別材料與人類(lèi)文明材料與人類(lèi)文明材料是科學(xué)技術(shù)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)，是材料是科學(xué)技術(shù)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)，是人類(lèi)文明進(jìn)步的標(biāo)志。人類(lèi)文明進(jìn)步的標(biāo)志。在歷史上，人們將石器、青銅器、鐵器等當(dāng)時(shí)的在歷史上，人們將石器、青銅器、鐵器等當(dāng)時(shí)的主導(dǎo)材料作為標(biāo)志，稱當(dāng)時(shí)所處的時(shí)代分別為主導(dǎo)材料作為標(biāo)志，稱當(dāng)時(shí)所處的時(shí)代分別為石器石器時(shí)代時(shí)代、青銅器時(shí)代青銅器時(shí)代和和鐵器時(shí)代鐵器時(shí)代。在近代，材料的種類(lèi)及其繁多，各種在近代，材料的種類(lèi)及其繁多，各種新材料新材料不斷不斷涌現(xiàn)，很難用一種材料來(lái)代表當(dāng)今時(shí)代的特征。涌現(xiàn)，很難用一種材

4、料來(lái)代表當(dāng)今時(shí)代的特征。中國(guó)古代許多寶刀、寶劍都是采用獨(dú)特的加工方法制成的。三國(guó)時(shí)中國(guó)古代許多寶刀、寶劍都是采用獨(dú)特的加工方法制成的。三國(guó)時(shí)期曹操有期曹操有“百煉利器百煉利器”五把。孫權(quán)有三把寶刀，其中有一把也命名五把。孫權(quán)有三把寶刀，其中有一把也命名為為“百煉百煉”。劉備令蒲元造寶刀五千把，上刻有劉備令蒲元造寶刀五千把，上刻有“七十二煉七十二煉”。 第一次工業(yè)革命（蒸汽時(shí)代）第一次工業(yè)革命（蒸汽時(shí)代）的突破口是推廣的突破口是推廣應(yīng)用蒸汽機(jī)應(yīng)用蒸汽機(jī) ，但只有在開(kāi)發(fā)了，但只有在開(kāi)發(fā)了鐵鐵和和銅銅等新材料以后，等新材料以后，蒸汽機(jī)才得以使用并逐步推廣。蒸汽機(jī)才得以使用并逐步推廣。 第二次工業(yè)革命

5、（電氣時(shí)代）第二次工業(yè)革命（電氣時(shí)代）一直延續(xù)到一直延續(xù)到20世世紀(jì)中葉，以石油開(kāi)發(fā)和新能源廣泛使用為突破口，紀(jì)中葉，以石油開(kāi)發(fā)和新能源廣泛使用為突破口，大力發(fā)展飛機(jī)、汽車(chē)和其他工業(yè)，支持這個(gè)時(shí)期產(chǎn)大力發(fā)展飛機(jī)、汽車(chē)和其他工業(yè)，支持這個(gè)時(shí)期產(chǎn)業(yè)革命的仍然是新材料開(kāi)發(fā)。如業(yè)革命的仍然是新材料開(kāi)發(fā)。如合金鋼、鋁合金以合金鋼、鋁合金以及各種非金屬材料及各種非金屬材料的發(fā)展。的發(fā)展。 n材料是當(dāng)代文明的材料是當(dāng)代文明的三大支柱三大支柱之一之一材料材料、能源、信息、能源、信息是當(dāng)代社會(huì)文明和國(guó)民經(jīng)是當(dāng)代社會(huì)文明和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的三大支柱，是人類(lèi)社會(huì)進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)發(fā)展?jié)娜笾е?，是人?lèi)社會(huì)進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的

6、物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)先導(dǎo)。的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)先導(dǎo)。n 材料是全球新技術(shù)革命的材料是全球新技術(shù)革命的四大標(biāo)志四大標(biāo)志之一（之一（新新材料技術(shù)材料技術(shù)、新能源技術(shù)、信息技術(shù)、新能源技術(shù)、信息技術(shù)、生物技生物技術(shù)術(shù)）。）。第三次工業(yè)革命第三次工業(yè)革命1、石墨烯、石墨烯 n突破性：突破性：非同尋常的導(dǎo)電性能、極低的電阻率極低和極快的電子遷移的速度、超出鋼鐵數(shù)十倍的強(qiáng)度和極好的透光性。 n發(fā)展趨勢(shì)：發(fā)展趨勢(shì)：2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)造就近年技術(shù)和資本市場(chǎng)石墨烯炙手可熱，未來(lái)5年將在光電顯示、半導(dǎo)體、觸摸屏、電子器件、儲(chǔ)能電池、顯示器、傳感器、半導(dǎo)體、航天、軍工、復(fù)合材料、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域?qū)⒈l(fā)式增長(zhǎng)。 未來(lái)最具潛

7、力的新材料未來(lái)最具潛力的新材料 英國(guó)曼徹斯特大學(xué)科學(xué)家安德烈海姆2、碳納米管、碳納米管 n突破性突破性：高電導(dǎo)率、高熱導(dǎo)率、高彈性模量、高抗拉強(qiáng)度等。發(fā)展趨勢(shì)發(fā)展趨勢(shì)：功能器件的電極、催化劑載體、傳感器等。 3、3D打印材料打印材料 n突破性：突破性：改變傳統(tǒng)工業(yè)的加工方法，可快速實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成型等。 n發(fā)展趨勢(shì)：發(fā)展趨勢(shì)：革命性成型方法，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)成型和快速加工成型領(lǐng)域，有很大前景。 n主要研究機(jī)構(gòu)（公司）：主要研究機(jī)構(gòu)（公司）：Object公司，3DSystems公司，Stratasys公司，華曙高科等。 4、氣凝膠、氣凝膠 n突破性：突破性：高孔隙率、質(zhì)輕、低熱導(dǎo)率，隔熱保溫特性優(yōu)異。

8、發(fā)展趨勢(shì)：發(fā)展趨勢(shì)：極具潛力的新材料，在節(jié)能環(huán)保、保溫隔熱電子電器、建筑等領(lǐng)域有巨大潛力。 5、非晶合金、非晶合金 n突破性：突破性：高強(qiáng)韌性、優(yōu)良的導(dǎo)磁性和低的磁損耗、優(yōu)異的液態(tài)流動(dòng)性。 n發(fā)展趨勢(shì)：發(fā)展趨勢(shì)：在高頻低損耗變壓器、移動(dòng)終端設(shè)備的結(jié)構(gòu)件等。 6、泡沫金屬、泡沫金屬 n突破性：突破性： 重量輕、密度低、孔隙率高、比表面積大。 n發(fā)展趨勢(shì)：發(fā)展趨勢(shì)： 具有導(dǎo)電性，可替代無(wú)機(jī)非金屬材料不能導(dǎo)電的應(yīng)用領(lǐng)域；在隔音降噪領(lǐng)域具有巨大潛力。 7、離子液體、離子液體 n突破性：突破性：具有高熱穩(wěn)定性，寬液態(tài)溫度范圍，可調(diào)的酸堿性、極性、配位能力（“可設(shè)性”），易于與其他物質(zhì)分離（循環(huán)利用率高）

9、，良好的導(dǎo)電性等。 n發(fā)展趨勢(shì)：發(fā)展趨勢(shì)：在綠色化工領(lǐng)域，以及生物和催化領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。 8、超材料、超材料 n突破性：突破性：具有常規(guī)材料不具有的物理特性，如負(fù)磁導(dǎo)率、負(fù)介電常數(shù)等。 n發(fā)展趨勢(shì)：發(fā)展趨勢(shì)： 改變傳統(tǒng)根據(jù)材料的性質(zhì)進(jìn)行加工的理念，未來(lái)可根據(jù)需要來(lái)設(shè)計(jì)材料的特性，潛力無(wú)限、革命性。 9、超導(dǎo)材料、超導(dǎo)材料 n突破性：突破性：超導(dǎo)狀態(tài)下，材料零電阻，電流不損耗，材料在磁場(chǎng)中表現(xiàn)抗磁性等。 n發(fā)展趨勢(shì)：發(fā)展趨勢(shì)：未來(lái)如突破高溫超導(dǎo)技術(shù)，有望解決電力傳輸損耗、電子器件發(fā)熱等難題，以及綠色新型傳輸磁懸技術(shù)。 10、形狀記憶合金、形狀記憶合金 n突破性：突破性：預(yù)成型后，在受外界

10、條件強(qiáng)制變形后，再經(jīng)一定條件處理，恢復(fù)為原來(lái)形狀，實(shí)現(xiàn)材料的變形可逆性設(shè)計(jì)和應(yīng)用。 n發(fā)展趨勢(shì)：發(fā)展趨勢(shì)： 在空間技術(shù)、醫(yī)療器械、機(jī)械電子設(shè)備等領(lǐng)域潛力巨大。 什么是材料科學(xué)與工程？什么是材料科學(xué)與工程？ 材料科學(xué)與工程是一門(mén)以固體材料為研究對(duì)象，以固體材料科學(xué)與工程是一門(mén)以固體材料為研究對(duì)象，以固體物理、熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、量子力學(xué)、冶金、化學(xué)化工為理論物理、熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、量子力學(xué)、冶金、化學(xué)化工為理論基礎(chǔ)的邊緣交叉的應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)科，它運(yùn)用電子顯微鏡、基礎(chǔ)的邊緣交叉的應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)科，它運(yùn)用電子顯微鏡、X-射射線衍射、熱譜、電子離子探針等各種精密儀器和技術(shù)，探討線衍射、熱譜、電子離子探針等各種精密儀

11、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(guò)程與其機(jī)械、物材料的組成、結(jié)構(gòu)、制備工藝和加工使用過(guò)程與其機(jī)械、物理、化學(xué)性能之間的規(guī)律，是研究材料共性的一門(mén)學(xué)科。理、化學(xué)性能之間的規(guī)律，是研究材料共性的一門(mén)學(xué)科。 概念區(qū)別概念區(qū)別n科學(xué)是研究科學(xué)是研究“為什么為什么”的學(xué)問(wèn)，而工程是解決的學(xué)問(wèn)，而工程是解決“怎么做怎么做”的學(xué)問(wèn)。材料科學(xué)的基礎(chǔ)理論，為材料的學(xué)問(wèn)。材料科學(xué)的基礎(chǔ)理論，為材料工程指明方向，為更好地選擇、使用材料，發(fā)揮工程指明方向，為更好地選擇、使用材料，發(fā)揮材料的潛力、發(fā)展新材料提供理論基礎(chǔ)。材料的潛力、發(fā)展新材料提供理論基礎(chǔ)。 n材料科學(xué)和材料工程之間的區(qū)別主要在于材料科

12、學(xué)和材料工程之間的區(qū)別主要在于著眼點(diǎn)著眼點(diǎn)的不同或者說(shuō)各自強(qiáng)調(diào)的中心不同，它們之間并的不同或者說(shuō)各自強(qiáng)調(diào)的中心不同，它們之間并沒(méi)有一條明確的界線，因此，后來(lái)人們常常將二沒(méi)有一條明確的界線，因此，后來(lái)人們常常將二者放在一起，采用一個(gè)復(fù)合名詞材料科學(xué)與工者放在一起，采用一個(gè)復(fù)合名詞材料科學(xué)與工程（程（Materials Science and EngineeringMaterials Science and Engineering）材料科學(xué)與材料工程材料科學(xué)與材料工程n0.2.1 按化學(xué)組成分類(lèi)（重點(diǎn)）按化學(xué)組成分類(lèi)（重點(diǎn)）n0.2.2 根據(jù)材料的性能分類(lèi)根據(jù)材料的性能分類(lèi) n0.2.3 按服役的

13、領(lǐng)域來(lái)分類(lèi)按服役的領(lǐng)域來(lái)分類(lèi) n0.2.4 按結(jié)晶狀態(tài)分類(lèi)按結(jié)晶狀態(tài)分類(lèi)n0.2.5 按材料的維度分類(lèi)按材料的維度分類(lèi) 0.2 材料的分類(lèi)材料的分類(lèi) 0.2.1 按化學(xué)組成分類(lèi)（重點(diǎn)）按化學(xué)組成分類(lèi)（重點(diǎn)）1. 金屬材料金屬材料2. 高分子材料（聚合物）高分子材料（聚合物）3. 無(wú)機(jī)非金屬材料無(wú)機(jī)非金屬材料4. 復(fù)合材料復(fù)合材料1. 金屬材料金屬材料 金屬材料是由化學(xué)元素周期金屬材料是由化學(xué)元素周期表中的表中的金屬元素金屬元素組成的材料?？山M成的材料?？煞譃橛梢环N金屬元素構(gòu)成的分為由一種金屬元素構(gòu)成的單質(zhì)單質(zhì)（純金屬）；由兩種或兩種以上（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的

14、金屬元素或金屬與非金屬元素構(gòu)成的構(gòu)成的合金合金。合金又可分為固溶。合金又可分為固溶體和金屬間化合物體和金屬間化合物。 在在103種元素中，除種元素中，除He、Ne、Ar等等6種惰性元素和種惰性元素和C、Si、N等等16種非金屬元素外，其余種非金屬元素外，其余81種為金屬元素。除種為金屬元素。除Hg之外，單質(zhì)金之外，單質(zhì)金屬在屬在常溫下呈現(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(qiáng)度、剛良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。在力學(xué)性質(zhì)方面，具有較高的強(qiáng)度、剛度、延展性及耐沖擊性。度、延展性及耐沖擊性。 合金是由

15、兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬元素與非金屬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(gè)相的性質(zhì)有關(guān)，同時(shí)也與這些相在合金中的數(shù)量、成合金的各個(gè)相的性質(zhì)有關(guān)，同時(shí)也與這些相在合金中的數(shù)量、形狀及分布有關(guān)。形狀及分布有關(guān)。2. 2. 有機(jī)高分子材料（高聚物）有機(jī)高分子材料（高聚物） 高聚物是由一種或幾種簡(jiǎn)單高聚物是由一種或幾種簡(jiǎn)單低分子化合物經(jīng)聚合而組成的分低分子化合物經(jīng)聚合而組成的分子量很大的化合物。高聚物的種子量很大的化合物。高聚物的種類(lèi)繁多，性能各異，其分類(lèi)的

16、方類(lèi)繁多，性能各異，其分類(lèi)的方法多種多樣。按高分子材料法多種多樣。按高分子材料來(lái)源來(lái)源分為分為天然高分子材料天然高分子材料和和合成高分合成高分子材料子材料；按材料的；按材料的性能和用途性能和用途可可將高聚物分為將高聚物分為橡膠橡膠、纖維纖維、塑料塑料和和膠粘劑膠粘劑等。等。 n室溫彈性高，即使在很小的外力作用下，也能室溫彈性高，即使在很小的外力作用下，也能產(chǎn)生很大的形變（可達(dá)產(chǎn)生很大的形變（可達(dá)1000%），外力去除后，），外力去除后，能迅速恢復(fù)原狀。能迅速恢復(fù)原狀。n其彈性模量小，約其彈性模量小，約105104 Pa。n常用的橡膠有天然橡膠（異戊橡膠）、丁苯橡常用的橡膠有天然橡膠（異戊橡膠）

17、、丁苯橡膠、順丁橡膠（聚丁二烯）、乙丙橡膠和硅橡膠、順丁橡膠（聚丁二烯）、乙丙橡膠和硅橡膠等。膠等。橡膠橡膠n彈性模量較大，約彈性模量較大，約1091010 Pa。n受力時(shí)，形變不超過(guò)百分之二十。受力時(shí)，形變不超過(guò)百分之二十。n纖維大分子沿軸向作規(guī)則排列，其長(zhǎng)徑比較大，纖維大分子沿軸向作規(guī)則排列，其長(zhǎng)徑比較大，在較廣的溫度范圍（在較廣的溫度范圍（-50150）內(nèi)，機(jī)械性能變）內(nèi)，機(jī)械性能變化不大?；淮?。n常用的合成纖維有尼龍、滌綸、晴綸和維尼綸等。常用的合成纖維有尼龍、滌綸、晴綸和維尼綸等。 纖維纖維n彈性模量介于橡膠和纖維之間，約彈性模量介于橡膠和纖維之間，約107108 Pa。n受力形變

18、可從百分之幾至百分之幾百。受力形變可從百分之幾至百分之幾百。n有些塑料的形變是可逆的，有些塑料的形變是永久的。根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(shí)行為的不同，分為據(jù)塑料受熱時(shí)行為的不同，分為熱塑性熱塑性和和熱固性熱固性塑料兩類(lèi)。塑料兩類(lèi)。n熱塑性塑料熱塑性塑料：受熱時(shí)可以軟化和塑化，冷卻時(shí)則凝固成形，：受熱時(shí)可以軟化和塑化，冷卻時(shí)則凝固成形，再加熱又可軟化塑化，如聚乙烯、聚氯乙烯和聚碳酸酯等。再加熱又可軟化塑化，如聚乙烯、聚氯乙烯和聚碳酸酯等。n熱固性塑料熱固性塑料：受熱時(shí)軟化和塑化，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并固化：受熱時(shí)軟化和塑化，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并固化成型，冷卻后不能再加熱

19、軟化塑化，如環(huán)氧塑料、酚醛塑成型，冷卻后不能再加熱軟化塑化，如環(huán)氧塑料、酚醛塑料（電木）和脲醛塑料等。料（電木）和脲醛塑料等。 塑料塑料n常溫下處于粘流態(tài)，當(dāng)受到外力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生永久常溫下處于粘流態(tài)，當(dāng)受到外力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生永久變形，外力撤去后又不能恢復(fù)原狀的高聚物。變形，外力撤去后又不能恢復(fù)原狀的高聚物。n有時(shí)把聚合后未加工成型的高聚物稱為有時(shí)把聚合后未加工成型的高聚物稱為樹(shù)脂樹(shù)脂，以區(qū)分，以區(qū)分加工后的塑料或纖維制品，如電木固化前稱酚醛樹(shù)脂，加工后的塑料或纖維制品，如電木固化前稱酚醛樹(shù)脂，滌綸纖維未紡織前稱滌綸樹(shù)脂。滌綸纖維未紡織前稱滌綸樹(shù)脂。膠粘劑膠粘劑3. 無(wú)機(jī)非金屬材料無(wú)機(jī)非金屬材

20、料 無(wú)機(jī)非金屬材料是由硅酸鹽、鋁酸鹽、硼酸鹽、磷酸無(wú)機(jī)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，與總稱，與廣義的陶瓷材料廣義的陶瓷材料有等同的含義。有等同的含義。 無(wú)機(jī)非金屬材料種類(lèi)繁多，用途各異，目前還沒(méi)有統(tǒng)無(wú)機(jī)非金屬材料種類(lèi)繁多，用途各異，目前還沒(méi)有統(tǒng)一完善的分類(lèi)方法。一般將其分為一完善的

21、分類(lèi)方法。一般將其分為傳統(tǒng)的（普通的）傳統(tǒng)的（普通的）和和新新型的（先進(jìn)的）型的（先進(jìn)的）無(wú)機(jī)非金屬材料兩大類(lèi)。無(wú)機(jī)非金屬材料兩大類(lèi)。 傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)非金屬材料傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)非金屬材料n主要是指由主要是指由SiO2及其硅酸鹽化合及其硅酸鹽化合物為主要成分制成的材料。物為主要成分制成的材料。n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。料等。n此外，搪瓷、磨料、鑄石（輝綠此外，搪瓷、磨料、鑄石（輝綠巖、玄武巖等）、碳素材料、非巖、玄武巖等）、碳素材料、非金屬礦（石棉、云母、大理石等）金屬礦（石棉、云母、大理石等）也屬于傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)非金屬材料。也屬于傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)非金屬材料。新型（或先進(jìn)）無(wú)機(jī)

22、非金屬材料新型（或先進(jìn)）無(wú)機(jī)非金屬材料n用氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅用氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以及各種無(wú)機(jī)非金屬化合物經(jīng)特殊的先進(jìn)工藝化物以及各種無(wú)機(jī)非金屬化合物經(jīng)特殊的先進(jìn)工藝制成的材料。制成的材料。n主要包括先進(jìn)陶瓷、非晶態(tài)材料、人工晶體、無(wú)機(jī)主要包括先進(jìn)陶瓷、非晶態(tài)材料、人工晶體、無(wú)機(jī)涂層、無(wú)機(jī)纖維等。涂層、無(wú)機(jī)纖維等。4. 復(fù)合材料復(fù)合材料 n復(fù)合材料是由兩種或兩種以上化學(xué)成分或組織結(jié)構(gòu)不同的材復(fù)合材料是由兩種或兩種以上化學(xué)成分或組織結(jié)構(gòu)不同的材料組合而成。料組合而成。n復(fù)合材料是多相材料，主要包括復(fù)合材料是多相材料，主要包括基體基體相相和和增強(qiáng)相

23、增強(qiáng)相?；w相是。基體相是一種連續(xù)相材料，它把改善性能的增強(qiáng)相材料固結(jié)成一體，一種連續(xù)相材料，它把改善性能的增強(qiáng)相材料固結(jié)成一體，并起傳遞應(yīng)力的作用；增強(qiáng)相起承受應(yīng)力（結(jié)構(gòu)復(fù)合材料）并起傳遞應(yīng)力的作用；增強(qiáng)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。（和顯示功能（功能復(fù)合材料）的作用。（教材表教材表1-1）n復(fù)合材料既能保持原組成材料的重要特色，又通過(guò)復(fù)合效應(yīng)復(fù)合材料既能保持原組成材料的重要特色，又通過(guò)復(fù)合效應(yīng)使各組分的性能互相補(bǔ)充，獲得原組分不具備的許多優(yōu)良性使各組分的性能互相補(bǔ)充，獲得原組分不具備的許多優(yōu)良性能。能。 n按按基體材料基體材料分類(lèi)：金屬基復(fù)合材料，陶瓷基復(fù)合

24、材分類(lèi)：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，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；橡膠基復(fù)合材料等；n按按增強(qiáng)增強(qiáng)體體的維度的維度可分為粒子、纖維及層狀復(fù)合材料；可分為粒子、纖維及層狀復(fù)合材料；復(fù)合材料的分類(lèi)復(fù)合材料的分類(lèi)0.2.2 按材料的性能分類(lèi)按材料的性能分類(lèi) 根據(jù)材料在外場(chǎng)作用下其性質(zhì)或性能對(duì)外場(chǎng)根據(jù)材料在外場(chǎng)作用下其性質(zhì)或性能對(duì)外場(chǎng)的響應(yīng)的不同，材料可分為的響應(yīng)的不同，材料可分為結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料和和功能材料功能材料兩大類(lèi)。兩大類(lèi)。 n指具有抵抗外場(chǎng)作用而保持自己的形狀、結(jié)構(gòu)不變的優(yōu)良指具有抵抗外場(chǎng)作用而保持自己的形狀、結(jié)構(gòu)不

25、變的優(yōu)良力學(xué)性能（強(qiáng)度和韌性等），用于力學(xué)性能（強(qiáng)度和韌性等），用于結(jié)構(gòu)目的結(jié)構(gòu)目的的材料。的材料。n這種材料通常用來(lái)制造工具、機(jī)械、車(chē)輛和修建房屋、橋這種材料通常用來(lái)制造工具、機(jī)械、車(chē)輛和修建房屋、橋梁、鐵路等。梁、鐵路等。n主要包括：機(jī)械制造材料、建筑材料，包括結(jié)構(gòu)鋼、工具主要包括：機(jī)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、工程塑料等鋼、鑄鐵、普通陶瓷、耐火材料、工程塑料等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料料，以及高溫合金、結(jié)構(gòu)陶瓷等，以及高溫合金、結(jié)構(gòu)陶瓷等先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料。結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料n指具有優(yōu)良的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲指具有優(yōu)良的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)

26、、聲學(xué)、力學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)等功能及其相互轉(zhuǎn)學(xué)、力學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)等功能及其相互轉(zhuǎn)化的功能，用于化的功能，用于非結(jié)構(gòu)目的非結(jié)構(gòu)目的的高技術(shù)材料。的高技術(shù)材料。功能材料功能材料0.2.3 按服役的領(lǐng)域來(lái)分類(lèi)按服役的領(lǐng)域來(lái)分類(lèi) 根據(jù)材料服役的技術(shù)領(lǐng)域可分為根據(jù)材料服役的技術(shù)領(lǐng)域可分為信信息材料息材料、航空航天材料航空航天材料、能源材料能源材料、生生物醫(yī)用材料物醫(yī)用材料等。等。 n信息材料信息材料是指用于信息的探測(cè)、傳輸、顯示、運(yùn)算和處理的是指用于信息的探測(cè)、傳輸、顯示、運(yùn)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(cè)和傳感（獲取）光電信息材料。信息材料主要包括信息的監(jiān)測(cè)和傳感（獲取）材料、信息的

27、傳輸材料、信息的存儲(chǔ)材料、信息的運(yùn)算和處材料、信息的傳輸材料、信息的存儲(chǔ)材料、信息的運(yùn)算和處理材料。理材料。 n航空航天材料航空航天材料主要包括主要包括新型金屬材料新型金屬材料（如先進(jìn)鋁合金、（如先進(jìn)鋁合金、超高強(qiáng)度鋼、高溫合金等）、超高強(qiáng)度鋼、高溫合金等）、燒蝕防熱材料燒蝕防熱材料和和新型復(fù)合新型復(fù)合材料材料。此外，還包括一些功能材料，如涂層材料、隔熱。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(rùn)滑材料、粘材料、透明材料、阻尼材料、密封材料、潤(rùn)滑材料、粘合劑材料等。合劑材料等。n能源材料能源材料是指能源工業(yè)和能源技術(shù)所使用的材料，按使用是指能源工業(yè)和能源技

28、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(chǔ)氫材料等。新能目的不同分為新能源材料、節(jié)能材料和儲(chǔ)氫材料等。新能源材料包括核反應(yīng)堆材料、源材料包括核反應(yīng)堆材料、太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池；節(jié)能材料包括非；節(jié)能材料包括非晶體金屬磁性材料（用作變壓器鐵芯的晶體金屬磁性材料（用作變壓器鐵芯的Fe-Mn-B-Si合金）合金）和和超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料（Nb-Ti、Nb-Sn巨型磁體用材料）；儲(chǔ)氫材料，巨型磁體用材料）；儲(chǔ)氫材料，以及以及高比能電池高比能電池（如鈉硫電池、鋰離子電池）等。（如鈉硫電池、鋰離子電池）等。n生物醫(yī)用材料生物醫(yī)用材料是一類(lèi)合成物質(zhì)或天然物質(zhì)或這些物質(zhì)的復(fù)合，它能作是一類(lèi)合成物質(zhì)或

29、天然物質(zhì)或這些物質(zhì)的復(fù)合，它能作用一個(gè)系統(tǒng)的整體或部分，在一定時(shí)期內(nèi)治療、增強(qiáng)或替換機(jī)體的組用一個(gè)系統(tǒng)的整體或部分，在一定時(shí)期內(nèi)治療、增強(qiáng)或替換機(jī)體的組織、器官或功能?？?、器官或功能。 醫(yī)用金屬及合金醫(yī)用金屬及合金 醫(yī)用高分子材料：醫(yī)用高分子材料：合成和天然高分子，已被廣泛用于韌帶、肌腱、皮膚、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。造。 醫(yī)用生物陶瓷：醫(yī)用生物陶瓷：惰性和活性生物陶瓷、生物玻璃等，如氧化鋁瓷、氧化惰性和活性生物陶瓷、生物玻璃等，如氧化鋁瓷、氧化鋯

30、瓷、生物碳等以及羥基磷灰石、磷酸三鈣陶瓷等。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：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。表面涂層生物活性人工牙根、人工心臟瓣膜人造血管等。0.2.4 材料按結(jié)晶狀態(tài)分類(lèi)材料按結(jié)晶狀態(tài)分類(lèi) q單晶材料單晶材料是由一個(gè)比較完整的晶粒構(gòu)成的材料，如單晶是由一個(gè)比較完整的晶粒構(gòu)成的材料，如單晶纖維、單晶硅等；纖維、單晶硅等；q多晶材料多晶材料是由許多晶粒組成的材料，如多晶硅等，其性是由許多晶粒組成的材料，如多晶硅等，其性能與晶粒大小、晶界的性質(zhì)有密切的關(guān)系。能與晶粒大小、晶界的性質(zhì)有密切的關(guān)系。q非晶態(tài)材料非晶態(tài)材料是由

31、原子或分子排列無(wú)明顯規(guī)律的固體材料，是由原子或分子排列無(wú)明顯規(guī)律的固體材料，如玻璃、高分子材料。如玻璃、高分子材料。 q準(zhǔn)晶材料準(zhǔn)晶材料是指準(zhǔn)周期性晶體材料的簡(jiǎn)稱，準(zhǔn)晶中的原子是指準(zhǔn)周期性晶體材料的簡(jiǎn)稱，準(zhǔn)晶中的原子分布有嚴(yán)格的位置序，但不具備晶體的平移周期性，是分布有嚴(yán)格的位置序，但不具備晶體的平移周期性，是處于晶體與非晶體之間的一種材料。處于晶體與非晶體之間的一種材料。準(zhǔn)晶晶體與非晶單晶多晶0.2.5 按材料的維度分類(lèi)按材料的維度分類(lèi) 材料按材料的維度可分為零維材料、材料按材料的維度可分為零維材料、一維材料、二維材料、三維材料。一維材料、二維材料、三維材料。 n零維材料零維材料即超微粒子、

32、納米粒子，通過(guò)溶膠即超微粒子、納米粒子，通過(guò)溶膠-凝膠凝膠(sol-gel)法、多相沉積或激光等方法，可以制備出法、多相沉積或激光等方法，可以制備出亞微米級(jí)亞微米級(jí)(1100nm)的陶瓷或金屬粉末，它們具有比表面積巨大的陶瓷或金屬粉末，它們具有比表面積巨大（可作為高效催化劑）、比表面能超高、熔點(diǎn)低、燒結(jié)（可作為高效催化劑）、比表面能超高、熔點(diǎn)低、燒結(jié)溫度下降、擴(kuò)散速度快、強(qiáng)度高而塑性下降慢、電子態(tài)溫度下降、擴(kuò)散速度快、強(qiáng)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)、光吸收出現(xiàn)異?，F(xiàn)象（可以成由連續(xù)能帶變?yōu)椴贿B續(xù)、光吸收出現(xiàn)異?，F(xiàn)象（可以成為高效微波吸收材料）等特性。為高效微波吸收材料）等特性。

33、 n一維材料一維材料，如光導(dǎo)纖維由于其信息傳輸量遠(yuǎn)比銅、鉛，如光導(dǎo)纖維由于其信息傳輸量遠(yuǎn)比銅、鉛的同軸電纜大，而且光纖有很強(qiáng)的保密性，所以發(fā)展的同軸電纜大，而且光纖有很強(qiáng)的保密性，所以發(fā)展很快。再比如脆性塊狀材料在變成細(xì)絲后便增加了韌很快。再比如脆性塊狀材料在變成細(xì)絲后便增加了韌性。實(shí)用纖維為碳纖維、硼纖維、陶瓷纖維，它們都性。實(shí)用纖維為碳纖維、硼纖維、陶瓷纖維，它們都可以在復(fù)合材料中作為增強(qiáng)體，來(lái)優(yōu)化復(fù)合材料的性可以在復(fù)合材料中作為增強(qiáng)體，來(lái)優(yōu)化復(fù)合材料的性能。能。n二維材料（薄膜），二維材料（薄膜），如金剛石薄膜、高溫超導(dǎo)薄膜、半如金剛石薄膜、高溫超導(dǎo)薄膜、半導(dǎo)體薄膜。由于薄膜的電子所處狀

34、態(tài)和外界環(huán)境的影響，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)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(kāi)關(guān)、等，從而有可能作為光學(xué)薄膜用于非線性光學(xué)、光開(kāi)關(guān)、放大或調(diào)幅、敏感與傳感元件，用于顯示或探測(cè)器，用放大或調(diào)幅、敏感與傳感元件，用于顯示或探測(cè)器，用于環(huán)?；虮砻娓男缘谋Ｗo(hù)膜。于環(huán)?；虮砻娓男缘谋Ｗo(hù)膜。n三維材料三維材料即塊狀材料。即塊狀材料。 0.3 組成組成-結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)-工藝過(guò)程工藝過(guò)程-性質(zhì)之間的關(guān)系性質(zhì)之間的關(guān)系 材料的材料的合成與制備過(guò)程合成與制備過(guò)程、組成與結(jié)構(gòu)組成與結(jié)構(gòu)、性質(zhì)性質(zhì)、使用性能使用性能，被稱為被稱為材料科學(xué)與工程的四要素材料科學(xué)與工程的四要素。使用性能使用性能性質(zhì)性質(zhì)合合成成與與制制備備過(guò)過(guò)程程（化學(xué)）（化學(xué)）（工程）（工程）（物理學(xué)）（物理學(xué)）組成與結(jié)構(gòu)組成與結(jié)構(gòu)材料的材料的合成與制備過(guò)程合成與制備過(guò)程包括傳統(tǒng)的冶煉、鑄錠、制