緒論材料科學(xué)基礎(chǔ)

材料科學(xué)基礎(chǔ)FoundationsofMaterialsScience浙江大學(xué)南京工業(yè)大學(xué)陸佩文西安交大南航天大武漢理工大學(xué)南京工業(yè)大學(xué)張其土緒論北工大上海交大北科大中南大學(xué)西北工大清華大連理工課程性質(zhì)：技術(shù)基礎(chǔ)課教學(xué)目的與要求：1掌握材料科學(xué)研究的內(nèi)容及其要素之間的邏輯關(guān)系.2了解材料發(fā)展的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢.3了解本課程的學(xué)習(xí)方法.0.0材料的含義世界萬物，凡于我有用者，皆謂之材料。材料是具有一定性能，可以用來制作器件、構(gòu)件、工具、裝置等物品的物質(zhì)。材料存在于我們的周圍，與我們的生活、我們的生命息息相關(guān)。材料是人類文明、社會(huì)進(jìn)步、科技發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。

材料科學(xué)就是研究各種材料的成分、工藝、組織和性能之間相互關(guān)系的科學(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(dòng)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(yùn)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(jī)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。

Properties:MechanicalAndFunctionalProcessing,Synthesis,AndphasetransformationStructureandcharacterizationTheoryandModeling材料科學(xué)與工程及其與其他學(xué)科的關(guān)系SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.HILL.3/E0.1材料利用的發(fā)展歷史

材料是人類文明、社會(huì)進(jìn)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(shí)的主導(dǎo)材料作為時(shí)代的標(biāo)志，稱其為石器時(shí)代、青銅器時(shí)代和鐵器時(shí)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(shí)代的特征。舊石器時(shí)代（1萬年前）石斧12藍(lán)田人的尖狀器元謀人的刮削器新石器時(shí)代（距今1萬～4000年）金壇三星村新石器磨制石器仰韶文化時(shí)期陶器堆積，多為彩陶青銅器時(shí)代（距今4000年～1200年）四羊方尊商后期湖北江陵楚墓出土越王勾踐寶劍鐵器時(shí)代1990甘肅三門峽出土玉柄鐵劍，西周1957甘肅靈臺(tái)縣出土鐵劍，春秋早期1957年河南陜縣出土鐵劍，春秋早期公元前1200年左右，人類進(jìn)入了鐵器時(shí)代鋼鐵材料時(shí)代

總結(jié)新材料時(shí)代硅芯片集成電路板電子管→晶體管→集成電路

發(fā)現(xiàn)與使用自然材料→合成與設(shè)計(jì)材料→賦予材料生命體功能材料是當(dāng)代文明的三大支柱之一

材料、能源、信息是當(dāng)代社會(huì)文明和國民經(jīng)濟(jì)的三大支柱，是人類社會(huì)進(jìn)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)）新材料在高技術(shù)中的作用新材料既是當(dāng)代高新技術(shù)的重要組成部分，又是發(fā)展高新技術(shù)的重要支柱和突破口。正是因?yàn)橛辛烁邚?qiáng)度的合金，新的能源材料及各種非金屬材料，才會(huì)有航空和汽車工業(yè)；正是因?yàn)橛辛斯饫w，才會(huì)有今天的光纖通訊；正是因?yàn)橛辛税雽?dǎo)體工業(yè)化生產(chǎn)，才有今天高速發(fā)展計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)。當(dāng)今世界各國在高技術(shù)領(lǐng)域的競爭，在很大程度上是新材料水平的較量。圖航天飛機(jī)新材料在高技術(shù)中的作用圖磁懸浮列車新材料在高技術(shù)中的作用圖復(fù)合材料新材料在高技術(shù)中的作用國家大劇院設(shè)計(jì)圖（頂部采用納米材料制造）具有廣泛應(yīng)用的納米材料納米原子像具有廣泛應(yīng)用的納米材料納米泵具有廣泛應(yīng)用的納米材料納米紅血球納米直升機(jī)納米探針材料科學(xué)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展由于材料科學(xué)的發(fā)展水平與高新技術(shù)的發(fā)展是相互依存的，因此新材料發(fā)展與應(yīng)用水平直接決定著經(jīng)濟(jì)發(fā)展的水平。有人曾作過粗略計(jì)算，以每公斤產(chǎn)品的出廠價(jià)格計(jì)算，把原材料比作1，那么小轎車為5，家電為30，飛機(jī)為200，計(jì)算機(jī)為1000，集成電路芯片則為10000。1980年，美國的電子工業(yè)產(chǎn)值已經(jīng)超過了鋼鐵和紡織工業(yè)，僅次于化工和汽車工業(yè)。日本通過冶煉等技術(shù)的改進(jìn)來大幅度提高傳統(tǒng)金屬材料性能，如超級(jí)鋼計(jì)劃就是要在本世紀(jì)末將鋼的性能提高一倍，實(shí)質(zhì)上就是節(jié)約了一倍的資源，使得產(chǎn)品更具競爭力，保持日本經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展。材料科學(xué)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展建造中的Titanic號(hào)，可以看到船身上長長的焊縫Titanic的沉沒是必然還是偶然？Titanic號(hào)鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗(yàn)結(jié)果Titanic的沉沒是必然還是偶然？0.2.1材料按化學(xué)組成（或基本組成）分類0.2.2根據(jù)材料的性能分類0.2.3材料按服役的領(lǐng)域來分類0.2.4材料按結(jié)晶狀態(tài)分類0.2.5材料按材料的尺寸分類

0.2材料分類

0.2.1

按化學(xué)組成（或基本組成）分類：1.金屬材料2.無機(jī)非金屬材料3.高分子材料（聚合物）4.復(fù)合材料建筑衛(wèi)生陶瓷陶瓷藝術(shù)陶瓷“發(fā)現(xiàn)號(hào)”航天飛機(jī)腹部的絕熱瓦高溫結(jié)構(gòu)陶瓷零部件耐高溫陶瓷刀具陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)水泥新型耐火材料生物陶瓷先進(jìn)陶瓷壓電陶瓷單晶硅太陽能電池板

多晶硅太陽能電池板非晶硅太陽能電池非晶態(tài)材料Er:YAG激光晶體美國機(jī)載激光武器攻擊地面目標(biāo)示意圖

人工晶體單晶硅片——半導(dǎo)體材料具有自清潔功能和防霧的氧化鈦薄膜無機(jī)薄膜無機(jī)纖維無機(jī)環(huán)保阻燃絕熱絕緣保溫毯（硅酸鋁纖維）

高分子聚四氟乙烯(ETFE)立面裝配系統(tǒng)高分子材料耐溫

250℃--196℃、耐腐蝕、耐氣候、高潤滑

高分子材料在機(jī)械、電氣、紡織、汽車、飛機(jī)、輪船等制造工業(yè)和化學(xué)、交通運(yùn)輸、航空航天等工業(yè)中被廣泛應(yīng)用。

電致變色玻璃液晶玻璃鋼門窗復(fù)合材料飛機(jī)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?？煞譃橛梢环N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。

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(qiáng)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(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)。Q460高強(qiáng)鋼板，具有良好的抗震性、抗低溫性、可焊性金屬材料高級(jí)手錘銼刀簡單工具機(jī)械零件Q460高強(qiáng)鋼板，具有良好的抗震性、抗低溫性、可焊性金屬材料高級(jí)手錘銼刀簡單工具機(jī)械零件2.

無機(jī)非金屬材料

無機(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(jī)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(jìn)的）無機(jī)非金屬材料兩大類。

傳統(tǒng)的無機(jī)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5959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(jī)非金屬材料。先進(jìn)（或新型）無機(jī)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(jī)非金屬化合物經(jīng)特殊的先進(jìn)工藝制成的材料。主要包括先進(jìn)陶瓷、非晶態(tài)材料、人工晶體、無機(jī)涂層、無機(jī)纖維等。3.有機(jī)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。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，主要包括基體相和增強(qiáng)相?；w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，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。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(bǔ)充，獲得原組分不具備的許多優(yōu)良性能。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(qiáng)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。0.2.2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。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(qiáng)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(jī)械、車輛和修建房屋、橋梁、鐵路等。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。0.2.3

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……指用于信息的探測、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)測和傳感（獲?。┎牧?、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。主要包括新型金屬材料（如先進(jìn)鋁合金、超高強(qiáng)度鋼、高溫合金、高熔點(diǎn)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。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(chǔ)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(chǔ)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(dá)137W.h/Kg，而鉛蓄電池的比能量只有30W.h/Kg。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(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。

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0.2.4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(zhǔn)晶材料由一個(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、高分子材料準(zhǔn)周期性晶體材料的簡稱，準(zhǔn)晶仍然是晶體，準(zhǔn)晶中的原子分布有嚴(yán)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(zhǔn)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(zhǔn)晶從結(jié)構(gòu)角度看是一種新的物質(zhì)形態(tài)，但實(shí)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。0.2.5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(jí)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(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)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）。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)展很快。再比如脆性塊狀材料在變成細(xì)絲后便增加了韌性，可以用來增強(qiáng)其它的塊狀。實(shí)用纖維為碳纖維、硼纖維、陶瓷纖維。纖維中強(qiáng)度和剛度最高的要算晶須。

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(hù)膜。即塊狀材料磁懸浮列車－超導(dǎo)合金無機(jī)非0.4性能與內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定性能0.5制備加工工藝—性能決定性作用兩種