材料科學(xué)緒論

材料科學(xué)基礎(chǔ)

第一章緒論

●現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的三大支柱－－能源、材料、信

息，其中材料是基礎(chǔ)。

●材料的研究、開發(fā)與應(yīng)用反映著一個(gè)國家的科

學(xué)技術(shù)與工業(yè)水平，關(guān)系著國家的綜合國力與

安全。

●世界各國把材料放在重要地位來發(fā)展。

我國在1978年的科學(xué)大會(huì)上將材料科學(xué)技術(shù)列為

8大科技領(lǐng)域之一，此后各個(gè)五年計(jì)劃，一直作

為重點(diǎn)發(fā)展的領(lǐng)域。

材料是人類文明進(jìn)步的里程碑

●早期歷史按石器、陶器、青銅器、鐵器時(shí)代來劃分，材料

代表著當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)能力和生活水平。

●現(xiàn)代的核和信息時(shí)代是與元素U和Si的開發(fā)緊密聯(lián)系。

●人類物質(zhì)文明的發(fā)展史是利用和挖掘材料資源的歷史。

使用石器做工具。

使用石片、龜甲、竹板作信息紀(jì)錄。

公元前5000年，制陶中發(fā)現(xiàn)銅和錫的還原，創(chuàng)造了煉銅術(shù)。

6000年前用稻草和泥作墻體是具有制備意義的復(fù)合材料。

越王劍的金屬包層結(jié)構(gòu)具有復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特征。

●人類通過使用新的材料去改進(jìn)生產(chǎn)工具、生活用具以及

武器，并伴隨著科技革命的不斷發(fā)展。

§1.1材料科學(xué)與工程概述

材料科學(xué)的內(nèi)涵

●材料科學(xué)是從事對材料本質(zhì)的發(fā)現(xiàn)、分析、認(rèn)識、

設(shè)計(jì)及控制方面的理論體系。其目的在于揭示材

料的行為，給予材料屬性的描述或建立模型，以

及解釋組成結(jié)構(gòu)與性能間的聯(lián)系。

●材料科學(xué)的內(nèi)涵是由五個(gè)要素組成，他們之間的

關(guān)聯(lián)可用一個(gè)多面體來描繪。

圖1-1材料科學(xué)與工程的內(nèi)涵

材料科學(xué)的核心

●

通過過程現(xiàn)象揭示材料組成-工藝-結(jié)構(gòu)-性能的

關(guān)聯(lián)。

●過程是理解結(jié)構(gòu)和性能的重要環(huán)節(jié)。

●結(jié)構(gòu)決定性能，組成與工藝決定結(jié)構(gòu)的形成。

●

結(jié)構(gòu)因素包括：組成基元、排列、結(jié)合類型和

運(yùn)動(dòng)方式。

●

結(jié)構(gòu)的層次：原子結(jié)構(gòu)、原子排列、相結(jié)

構(gòu)、顯微組織、結(jié)構(gòu)缺陷等。

●

材料聚集態(tài)：一維、二維、三維方向上小尺寸

的材料稱低維材料，低維材料具有體材料所不

具備的性質(zhì)。

材料科學(xué)的提出

●

“材料科學(xué)”的提出要追朔到20世紀(jì)50年代末。

●

57年10月4日和11月3日蘇聯(lián)發(fā)射兩顆人造衛(wèi)星，

分別重80千克和500千克。

58年1月31日美國發(fā)射“探測者1號”人造衛(wèi)星僅8

千克。

●

對此美國有關(guān)部門聯(lián)合向總統(tǒng)提出報(bào)告，認(rèn)為美

國在先進(jìn)材料的研究方面落后于蘇聯(lián)是關(guān)鍵。

●

58年3月18日總統(tǒng)通過科學(xué)顧問委員會(huì)發(fā)布“全國

材料規(guī)劃”，決定12所大學(xué)成立材料研究實(shí)驗(yàn)室。

●

從此出現(xiàn)了“材料科學(xué)與工程”學(xué)科的提法。

材料科學(xué)的歷史基礎(chǔ)

●

18世紀(jì)蒸汽機(jī)的發(fā)明和19世紀(jì)電動(dòng)機(jī)的發(fā)明，使材料在新品種開發(fā)和規(guī)模生產(chǎn)等方面發(fā)生了飛躍。

●

金屬材料：1856年-轉(zhuǎn)爐鋼；1864年-平爐鋼；1887年-高錳

鋼、1903年-硅鋼；1910年-鎳鉻不銹鋼。銅、鉛、鋅、鋁、

鎂、鈦和稀有金屬相繼問世，世界鋼產(chǎn)量從1850年的6萬噸

突增到1900年的2800萬噸，使人類進(jìn)人了輝煌的鋼鐵時(shí)代。

●

無機(jī)非金屬材料：主要包括晶體、陶瓷、水泥、玻璃、耐

火材料等，資源豐富，性能價(jià)格比高。20世紀(jì)中后期，通

過合成原料和新的制備技術(shù)，出現(xiàn)了一系列特殊功能的先

進(jìn)陶瓷。

●

高分子材料：20世紀(jì)初，人工合成高分子材料問世，1909

年-酚醛樹脂(膠木)；1925年-聚苯乙烯；1931年-聚氯乙烯；

1941年-尼龍，如今世界年產(chǎn)量在1億噸以上。

基礎(chǔ)學(xué)科發(fā)展奠定材料科學(xué)的基礎(chǔ)

●

量子力學(xué)、固體物理、無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、

物理化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展為材料科學(xué)奠定了

重要基礎(chǔ)。

●

現(xiàn)代分析技術(shù)和設(shè)備的更新，加深了對物質(zhì)結(jié)

構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)的理解。

●

冶金學(xué)、金屬學(xué)、陶瓷學(xué)、高分子科學(xué)等自身

的發(fā)展也使對材料的本質(zhì)認(rèn)識大大系統(tǒng)化（組

成-制備-結(jié)構(gòu)-性能的關(guān)系），為學(xué)科發(fā)展打下

了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

材料科學(xué)范疇下不同材料應(yīng)用理論的交叉融合

●

作為鋼熱處理的馬氏體相變理論由金屬學(xué)科建立，后來

氧化鋯增韌陶瓷中同樣發(fā)現(xiàn)了馬氏體相變現(xiàn)象，并用來

解釋相變增韌機(jī)理。

●

缺陷行為、平衡熱力學(xué)、擴(kuò)散、塑性變形和斷裂機(jī)理、

界面的精細(xì)結(jié)構(gòu)與行為、晶體和玻璃的結(jié)構(gòu)以及它們之

間的關(guān)系、材料中電子的遷移與約束、原子聚集體的統(tǒng)

計(jì)力學(xué)等概念，在各類材料中得到應(yīng)用。

材料測試技術(shù)及工藝技術(shù)的交叉融合

●

材料結(jié)構(gòu)與性能的表征參數(shù)相通，如顯微鏡、

電子顯微鏡、表面測試及物理性能測試等。

●

材料制備與加工中，許多工藝相通，如擠壓對

金屬材料用于成型或冷加工硬化；對高分子材

料，通過擠壓成絲可使有機(jī)纖維的比強(qiáng)度和比

剛度大幅度提高。

●

粉末冶金和現(xiàn)代陶瓷制造已經(jīng)很難找出明顯的

區(qū)別。

●

溶膠—凝膠法應(yīng)用于各種材料的制備，這是利

用金屬有機(jī)化合物的水解而得到納米高純氧化

物粒子的方法。

現(xiàn)代材料技術(shù)從多樣化、單一化走向一體化、復(fù)合化

●

打破了單一材料間的界限，許多不同類型材料

相互代替和補(bǔ)充，充分發(fā)揮各種材料的優(yōu)越性。

●

復(fù)合材料在多數(shù)情況下是不同類型材料的組合。

●

如果對不同類型材料沒有一個(gè)較全面的認(rèn)識，

對復(fù)合材料的設(shè)計(jì)及性質(zhì)的理解必然受到影響。

材料科學(xué)的歷史作用：比強(qiáng)度的進(jìn)步改進(jìn)了交通工具年圖1-2

材料比強(qiáng)度方面的發(fā)展變化木材石頭青銅

鋼鑄鐵

鋁

鈦

復(fù)合材料

尼龍纖維碳纖維強(qiáng)度/密度（×106）刀具材料的發(fā)展：切速增長100倍導(dǎo)致高效加工和低成本。

碳工具鋼

硬質(zhì)合金

金屬陶瓷

燒結(jié)碳化鎢高速鋼（HSS）

陶瓷

多晶金剛石立方BN碳化鈦氮化鈦年圖1-3

刀具材料切削速度的變化趨勢集成電路：器件縮小100萬倍，單價(jià)下降100萬倍。圖1-4集成電路發(fā)展歷程

材料科學(xué)的發(fā)展

應(yīng)用需求牽引的推動(dòng)力

●

信息技術(shù):從電子信息處理到光電子信息處理，以至

于光子信息處理，需要電子材料、光電子材料、非線

性光學(xué)材料、波導(dǎo)纖維、薄膜與器件等。

●

能源工程技術(shù):要求耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、高可

靠以及壽命可預(yù)測的結(jié)構(gòu)材料。

多學(xué)科交叉的推動(dòng)力

●

材料科學(xué)具有多學(xué)科交叉滲透的特征，包含著豐富的

內(nèi)涵。

●

材料的組分設(shè)計(jì)與合成，涉及化學(xué)學(xué)科的各分支－高

溫過程的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)以至在溫和條件下的仿生合

成等。

基礎(chǔ)學(xué)科發(fā)展的推動(dòng)力

●

研究微觀結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，涉及物理學(xué)、凝聚態(tài)物

理及非連續(xù)介質(zhì)微觀力學(xué)等。

科技與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的推動(dòng)力

●信息功能材料、高溫結(jié)構(gòu)材料、復(fù)合材料、生物材料、

智能材料和納米材料等是新技術(shù)革命的先導(dǎo)材料。

●毫米時(shí)代發(fā)明了拖拉機(jī)，微米時(shí)代發(fā)明了計(jì)算機(jī)，納米

時(shí)代，人類將會(huì)創(chuàng)造出更大的輝煌。

●21世紀(jì)的科技發(fā)展，將以先進(jìn)材料技術(shù)、先進(jìn)能源技術(shù)、

信息技術(shù)和生物技術(shù)等四大學(xué)科為中心，通過其相互交叉

發(fā)展，為人類創(chuàng)造出完全不同的生態(tài)環(huán)境。

●新型材料將是與生物和自然具有更好的適應(yīng)性、相容性和

環(huán)境友好的材料。

材料科學(xué)與材料工程的關(guān)系●

材料科學(xué)具有“研究為什么”的性質(zhì)。核心是建立結(jié)構(gòu)－

性能的關(guān)系?！?/p>

材料工程具有“解決怎樣做”的性質(zhì)。是能為社會(huì)所接受

地獲得材料的結(jié)構(gòu)、性能和形狀。（要考慮5個(gè)判據(jù)：

經(jīng)濟(jì)、質(zhì)量、資源、環(huán)保、能源）●

材料科學(xué)為材料工程提供設(shè)計(jì)依據(jù)，為更好地選擇材料、

使用材料、發(fā)展新材料提供理論基礎(chǔ)。

●

材料工程為材料科學(xué)提供豐富的研究課題和物質(zhì)基礎(chǔ)。

●

材料科學(xué)和材料工程緊密聯(lián)系，它們之間沒有明顯的界線。在解決實(shí)際問題中，不能將科學(xué)因素和工程因素獨(dú)立考慮。因此，人們常將二者合稱為材料科學(xué)與工程。

§１.2材料的分類

●

按物態(tài)劃分：氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)。

●

按組成和結(jié)合健性質(zhì)：金屬材料、無機(jī)非金屬

材料、高分子材料以及半導(dǎo)體材料。

●

按材料的功能：結(jié)構(gòu)材料、功能材料。

●

按使用領(lǐng)域：建筑材料、電子材料、醫(yī)用材料、

儀表材料、能源材料等。

圖1-5

價(jià)鍵四面體

金屬材料

黑色金屬（鋼和鑄鐵）

鋼：碳素鋼和合金鋼（按成分）；普通鋼、優(yōu)質(zhì)鋼和高級優(yōu)質(zhì)鋼（按品質(zhì)）；平爐鋼、轉(zhuǎn)爐鋼、電爐鋼和奧氏體鋼（按冶煉法）；結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊鋼及專用鋼（按用途）。

鑄鐵：灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵和特殊性能鑄鐵等。

有色金屬(非鐵材料)

輕金屬(密度﹤5)、重金屬(密度﹥5)、貴金屬、類金屬和稀有金屬，如A1、Cu、Zn、Sn、Pb、Mg、Ni、Ti及其合金。在工程上占有重要地位。

金屬材料的基本屬性

●

結(jié)合健為金屬?。?/p>

●

熔點(diǎn)較高；

●

具有金屬光澤；

●范性、展性、延性大；

●強(qiáng)度較高；

●

結(jié)構(gòu)中存在自由電子，導(dǎo)熱和導(dǎo)電性好；

●

在空氣中易被氧化。

無機(jī)非金屬材料

●

主要包括晶體、陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。

●

按性能和用途：傳統(tǒng)陶瓷和特種陶瓷。

特種陶瓷也稱精細(xì)陶瓷（FineCeramics）

高技術(shù)陶瓷（High

TechnicalCeramics）

先進(jìn)陶瓷（Advanced

Ceramics）

●

特種陶瓷是以人工合成化合物為原料制備，用于技術(shù)和

工程領(lǐng)域，如電子信息、能源、機(jī)械、化工、動(dòng)力、生

物、航天航空和其它高新技術(shù)領(lǐng)域。

無機(jī)非金屬材料的基本屬性

●

化學(xué)健主要是離于鍵、共價(jià)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；

●

熔點(diǎn)高，具有優(yōu)良的耐高溫和化學(xué)穩(wěn)定性；

●

一般自由電子數(shù)目少、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性較??；

●

耐化學(xué)腐蝕性好；

●

耐磨損。

高分子材料

●

以C、H、N、O元素為基礎(chǔ)，由大量結(jié)構(gòu)相同的小單元聚合組成，

分子量大，并在某一范圍內(nèi)變化。

●

一般分為天然和合成的兩類；

●

按使用性質(zhì)：塑料、橡膠、纖維、粘合劑、涂料等；

●

按鏈結(jié)構(gòu)：碳鏈、雜鏈、元素高聚物；

●

按熱性質(zhì)：熱塑性、熱固性及熱穩(wěn)定性高聚物；

●

按用途：結(jié)構(gòu)材料、電絕緣材料、耐高溫材料、導(dǎo)電高分子、

高分子建筑材料、生物醫(yī)用高分子材料、高分子催化劑、包裝

材料等。

●

塑料是重要的高分子材料，分為通用塑料和工程塑料。

通用塑料包括：聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛

塑料和氨基塑料。

工程塑料（高強(qiáng)、高模、耐高溫）：ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙

烯)、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、聚砜、聚苯硫醚、聚酰亞胺