材料科學(xué)導(dǎo)論緒論

《材料科學(xué)導(dǎo)論》

《IntroductionofMaterialsScience》主講：青島科技大學(xué)配位化學(xué)研究所

緒論有關(guān)材料的一些話題有關(guān)構(gòu)建材料科學(xué)體系的一些話題學(xué)習(xí)《材料科學(xué)導(dǎo)論》的目的與意義本期《材料科學(xué)導(dǎo)論》的基本內(nèi)容如何學(xué)好《材料科學(xué)導(dǎo)論》

一、有關(guān)材料的一些話題(1)材料是指人類社會(huì)能接受地，經(jīng)濟(jì)地的制造有用物品的物質(zhì)。

(2)材料所具有的基本要素（一定的組成和配比、成型加工性能、形狀保持性、回收和再生性）(3)材料是人類文明進(jìn)步的里程碑（材料的地位與作用）

人類社會(huì)發(fā)展的歷史階段常常用當(dāng)時(shí)主要使用的材料來劃分。從古代到現(xiàn)在人類使用材料的歷史共經(jīng)歷了七個(gè)時(shí)代，各時(shí)代的開始時(shí)間：

材料發(fā)展的古代史：石器時(shí)代（舊石器時(shí)代、新石器時(shí)代）

青銅器時(shí)代

鐵器時(shí)代材料發(fā)展的現(xiàn)代史：金屬材料無機(jī)非金屬材料傳統(tǒng)材料高分子材料新材料時(shí)代（1990年）

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。

第一次產(chǎn)業(yè)革命的突破口是推廣應(yīng)用蒸汽機(jī)，但只有在開發(fā)了鐵和銅等新材料以后，蒸汽機(jī)才得以使用并逐步推廣。第二次產(chǎn)業(yè)革命一直延續(xù)到20世紀(jì)中葉，以石油開發(fā)和新能源廣泛使用為突破口，大力發(fā)展飛機(jī)、汽車和其他工業(yè)，支持這個(gè)時(shí)期產(chǎn)業(yè)革命的仍然是新材料開發(fā)。如合金鋼、鋁合金以及各種非金屬材料的發(fā)展。

二、有關(guān)構(gòu)建材料體系的話題背景知識(shí)：早期的材料制造業(yè)都是建立在手工作坊的基礎(chǔ)上的，經(jīng)驗(yàn)性的權(quán)重很大，限制了新材料的發(fā)展；1957年前蘇聯(lián)人造衛(wèi)星首先上天，震驚美國，把落后的主要原因歸于材料研究落后；于是在一些大學(xué)相繼成立了十余個(gè)材料研究中心，采用先進(jìn)的科學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)方法對材料進(jìn)行深入的研究，取得重要成果。從此，“材料科學(xué)”這個(gè)概念開始為人所用。材料科學(xué)學(xué)科形成的

深層次原因分析（1）固體物理、無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理學(xué)等相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科對物質(zhì)結(jié)構(gòu)和物性的深入研究，促進(jìn)了對材料本質(zhì)的了解；冶金學(xué)、金屬學(xué)、陶瓷學(xué)、高分子科學(xué)等相關(guān)應(yīng)用學(xué)科的發(fā)展也對材料本身的研究大大加強(qiáng)，從而對材料制備、結(jié)構(gòu)與性能以及它們之間的相互關(guān)系的研究也越來越深入。材料科學(xué)學(xué)科形成的

深層次原因分析（2）在材料科學(xué)這個(gè)名詞出現(xiàn)以前，金屬材料、高分子材料與陶瓷材料以及復(fù)合材料都已自成體系，但它們之間存在著頗為相似之處，不同類型的材料可以相互借鑒，從而促進(jìn)本學(xué)科的發(fā)展。材料科學(xué)學(xué)科形成的

深層次原因分析（3）各類材料的研究設(shè)備與生產(chǎn)手段有頗多共同之處材料科學(xué)學(xué)科形成的

深層次原因分析（4）許多不同類型的材料可以相互代替和補(bǔ)充，能更充分發(fā)揮各種材料的優(yōu)越性，達(dá)到物盡其用的目的。（復(fù)合材料的原理問題的提出）材料科學(xué)學(xué)科形成的

深層次原因分析（5）最后，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)全面的了解，作為新材料發(fā)展之一的復(fù)合材料的研究開發(fā)必然受到影響。對各類材料有一個(gè)深入的了解是復(fù)合材料發(fā)展的基礎(chǔ)。正是這樣的背景條件促使了材料學(xué)科——一門新的綜合性學(xué)科的誕生。什么是材料科學(xué)材料科學(xué)是一門以材料為研究對象，介于基礎(chǔ)科學(xué)與應(yīng)用科學(xué)之間的稱之為應(yīng)用基礎(chǔ)科學(xué)的學(xué)科?；緝?nèi)容：（1）從化學(xué)的角度出發(fā)，研究材料的化學(xué)組成、鍵性、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系及其規(guī)律（2）從物理的角度出發(fā)，研究材料的組成原子、分子及其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與各種物性之間的關(guān)系（3）在此基礎(chǔ)上為材料的合成、加工工藝及應(yīng)用提出科學(xué)的依據(jù)。？

歸納：材料科學(xué)是研究材料的成分、組織結(jié)構(gòu)、制備工藝、加工工藝、材料的性能與材料應(yīng)用之間的相互關(guān)系的科學(xué)。材料科學(xué)是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)、工業(yè)生產(chǎn)的支柱，是當(dāng)今世界的帶頭學(xué)科之一。納米材料科學(xué)與技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的新興學(xué)科，成為21世紀(jì)新技術(shù)的主導(dǎo)中心。材料科學(xué)導(dǎo)論是進(jìn)行材料科學(xué)研究的基礎(chǔ)理論，它將各種材料（包括金屬、陶瓷、高分子材料）的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)規(guī)律建立在共同的理論基礎(chǔ)上，用于指導(dǎo)材料的研究、生產(chǎn)、應(yīng)用和發(fā)展。它涵蓋了材料科學(xué)和材料工程的基礎(chǔ)理論。

三、學(xué)習(xí)《材料科學(xué)導(dǎo)論》

的目的和意義（1）材料科學(xué)的內(nèi)函材料科學(xué)是一個(gè)跨物理、化學(xué)等的學(xué)科。材料科學(xué)的核心問題是材料的組織結(jié)構(gòu)（Structure）和性能（Property）以及它們之間的關(guān)系。右圖為材料科學(xué)與工程四要素。其中結(jié)構(gòu)是最重要的因素。所以，先要了解材料的結(jié)構(gòu)是什么這一基本問題。

材料結(jié)構(gòu)關(guān)系

材料的結(jié)構(gòu)包括不同晶體結(jié)構(gòu)和非晶體，以及顯微鏡下的微觀結(jié)構(gòu)，哪些主要因素能夠影響和改變結(jié)構(gòu)？只有了解了這些才能實(shí)現(xiàn)控制結(jié)構(gòu)的目的。材料的性能包括物理性能、化學(xué)性能、力學(xué)性能。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括四個(gè)層次：①原子結(jié)構(gòu)；②結(jié)合鍵；③原子的排列方式；④顯微組織（A）組織結(jié)構(gòu)：包含著決定材料性質(zhì)和使用性能的原子、離子或分子等的排列形式或方式。（B）性質(zhì)：賦予材料的價(jià)值和應(yīng)用性.指材料對電、磁、光、熱、機(jī)械載荷的反應(yīng)，主要決定于材料的組成與結(jié)構(gòu)。（C）使用性能：是材料在使用條件下應(yīng)用性能的度量.

也指在使用狀態(tài)下表現(xiàn)的行為，它與材料設(shè)計(jì)、工程環(huán)境密切相關(guān)。實(shí)用性能包括可靠性、耐用性、壽命預(yù)測及延壽措施等。（D）合成和加工（制備）包括傳統(tǒng)的冶煉、鑄錠、制粉、壓力加工、焊接等，也包括新發(fā)展的真空濺射、氣相沉積等新工藝，使人工合成材料如超晶格、薄膜材料成為可能。（2）材料科學(xué)與材料工程的關(guān)系

一般來講，科學(xué)是研究“為什么”的學(xué)問，而工程是解決“怎么做”的學(xué)問。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)揮現(xiàn)有材料的潛力、發(fā)展新材料提供理論基礎(chǔ)。材料科學(xué)和材料工程之間的區(qū)別主要在于著眼點(diǎn)的不同或者說各自強(qiáng)調(diào)的中心不同，它們之間并沒有一條明確的界線，因此，后來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)與工程（MSE，MaterialScienceandEngineering）材料科學(xué)：是一門科學(xué)，它從事與材料本質(zhì)的發(fā)現(xiàn)、分析和了解方面的研究，其目的在于提供材料結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一描繪或模型，以及解釋這種結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。它包括三個(gè)環(huán)節(jié)，核心是結(jié)構(gòu)和性能。材料工程：是工程的一個(gè)領(lǐng)域，其目的在于經(jīng)濟(jì)地，而又為社會(huì)所能接受地控制材料的結(jié)構(gòu)、性能和形狀。它包括五個(gè)環(huán)節(jié)。（3）材料的分類（P1－2）材料按化學(xué)組成（或基本組成）分類根據(jù)材料的性能分類材料按服役的領(lǐng)域來分類材料按結(jié)晶狀態(tài)分類材料按材料的尺寸分類

按物理性質(zhì)可分為：導(dǎo)電材料、絕緣材料、半導(dǎo)體材料、磁性材料、透光材料、高強(qiáng)度材料、高溫材料、超硬材料等。按物理效應(yīng)分為：壓電材料、熱電材料、鐵電材料、非線性光學(xué)材料、磁光材料、電光材料、聲光材料、激光材料等。按用途分為：電子材料、電工材料、光學(xué)材料、感光材料、耐酸材料、研磨材料、耐火材料、建筑材料、結(jié)構(gòu)材料、包裝材料等。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。

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。傳統(tǒng)的無機(jī)非金屬材料之二：玻璃玻璃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(luò)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(luò)形成劑分為SiO2、B2O3和P2O5。習(xí)慣上玻璃態(tài)材料可分為普通玻璃和特種玻璃兩大類。普通玻璃是指采用天然原料，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(xué)玻璃和玻璃纖維等。

傳統(tǒng)的無機(jī)非金屬材料之四：

耐火材料耐火材料是指耐火度不低于1580℃的無機(jī)非金屬材料。它是為高溫技術(shù)服務(wù)的基礎(chǔ)材料。盡管各國對其定義不同，但基本含義是相同的，即耐火材料是用作高溫窯爐等熱工設(shè)備的結(jié)構(gòu)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(yīng)的物理化學(xué)變化及機(jī)械作用。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。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，主要包括基本相和增強(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。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)材料是以強(qiáng)度，剛度，韌性，耐勞性，硬度，疲勞強(qiáng)度等力學(xué)性能為特征的材料。功能材料是以聲，光，電，磁，熱等物理性能為特征的材料。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)用材料等。生物醫(yī)用材料是一類合成物質(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。信息材料是指用于信息的探測、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?。┎牧稀⑿畔⒌膫鬏敳牧?、信息的存儲(chǔ)材料、信息的運(yùn)算和處理材料。航空航天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。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。材料按結(jié)晶狀態(tài)分類單晶材料是由一個(gè)比較完整的晶粒構(gòu)成的材料，如單晶纖維、單晶硅；多晶材料是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。非晶態(tài)材料是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)晶材料是指準(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。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。零維材料即超微粒子，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)生異常現(xiàn)象（可以成為高效微波吸收材料）。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。二維材料（薄膜），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)?；虮砻娓男缘谋Ｗo(hù)膜。三維材料即塊狀材料。（4）材料的應(yīng)用

讓我們回顧幾項(xiàng)有影響的事例，以便加深理解材料的發(fā)展在人類社會(huì)發(fā)展中起了舉足輕重的作用。計(jì)算機(jī)與材料1、計(jì)算機(jī)經(jīng)歷：電子管→晶體管→集成電路時(shí)代

2、個(gè)人電腦移動(dòng)存儲(chǔ)器的比較材料科學(xué)的發(fā)展是計(jì)算機(jī)飛速發(fā)展的基礎(chǔ)。種類使用的材料存儲(chǔ)容量特點(diǎn)軟盤氧化鐵1.44Mb容量小，文本文件存儲(chǔ)CD－RW以ZnS等為主的陶瓷材料650MbCD光盤，價(jià)低，用量大MO(磁光盤)TbFeCo合金磁光材料650Mb，1.3G需專用驅(qū)動(dòng)器，價(jià)格高，局限在廣告圖形用戶DVD－RWZnS等為主的陶瓷材料單面單層為4.7GbCD－RW和CD光盤，用量大飛機(jī)和材料從萊特兄弟實(shí)現(xiàn)飛行的夢想以來，航空和航天器發(fā)生了巨變。為了飛得快和遠(yuǎn)，就要采用強(qiáng)度高和比重小的材料，重視材料的比強(qiáng)度，即強(qiáng)度/比重之比。