工程材料科學(xué)與設(shè)計(jì)全冊(cè)配套完整課件

工程材料科學(xué)與設(shè)計(jì)全冊(cè)配套完整課件2Thestudycertainlyisnotthelifecomplete.But,sincecontinuallylifepartof–studiesalsoisunabletoconquer,whatbutalsocanmake?學(xué)習(xí)并不是人生的全部。但，既然連人生的一部分——學(xué)習(xí)也無(wú)法征服，還能做什么呢？3Advancematerialsandadvancedprocessingofmaterialsarecriticaltothenation’squalityoflife,security,andeconomicstrength.Advancedmaterialsarethebuildingblocksofadvancetechnologies.

ReprintedfromMaterialsScienceandEngineeringforthe1990s:MaintainingCompetitiveneseintheAgeofMaterials

4I從世界錦標(biāo)賽的泳衣說(shuō)起5從世界錦標(biāo)賽的泳衣說(shuō)起據(jù)悉，Jaked兜售的新款泳衣確實(shí)有過(guò)人之處，該款泳衣表面布滿非滲透性材料之一的聚氨酯，其具有良好的伸縮性，在專(zhuān)業(yè)泳衣中普遍使用。在去年幫助選手創(chuàng)造了73項(xiàng)世界紀(jì)錄的SpeedoLZRRacer(“鯊魚(yú)皮四代”)正是擁有聚氨酯的尖端技術(shù)。Speedo中國(guó)網(wǎng)站曾分析說(shuō)，SpeedoLZRRacer表面多加一層聚氨酯，能夠有效將水阻力降低10%，減少5%的耗氧量，泳裝整體吃水量得以減少約69%，菲爾普斯曾形容自己穿上它后就“感覺(jué)自己像一支被發(fā)射的火箭”。正因?yàn)镴aked的聚氨酯分布，讓這次同場(chǎng)競(jìng)技的一些運(yùn)動(dòng)員猜測(cè)這些驚人的世界紀(jì)錄與泳衣的作用不無(wú)關(guān)系。6伊辛巴耶娃的撐桿7伊辛巴耶娃的撐桿1930年代，各國(guó)運(yùn)動(dòng)員使用的撐桿是日本產(chǎn)的竹子，跳躍高度不超過(guò)4米。第二次世界大戰(zhàn)后，出現(xiàn)了鋁合金金屬桿，成績(jī)提高到4.77米。1960年代，撐桿跳高發(fā)生了劃時(shí)代的變化，運(yùn)動(dòng)員改用尼龍撐桿，不久又換為碳纖維桿。從此，世界紀(jì)錄屢屢被刷新。8

成績(jī)提高的原因就在于撐桿的力學(xué)特性。與竹竿和鋁合金桿相比，玻璃纖維桿和碳纖維桿在受到?jīng)_力時(shí)能產(chǎn)生大幅度的形變，這種形變可將接受的動(dòng)能迅速轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，而當(dāng)撐桿恢復(fù)原來(lái)的形狀時(shí)，其勢(shì)能又以彈力的形式作用于運(yùn)動(dòng)員，將人體“彈”起。另外，由于撐桿受力后能迅速?gòu)澢?，桿繞插頭向前轉(zhuǎn)動(dòng)的半徑減小，這樣就加大了轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，而使撐桿能較快地豎直。9II材料在技術(shù)發(fā)達(dá)社會(huì)中的作用-1光纖通訊

1880年，貝爾發(fā)明了一種利用光波作載體的光電話，但是由于找不到理想的光源和傳輸媒介，因此光纖通訊長(zhǎng)期得不到發(fā)展。1966年高錕博士發(fā)現(xiàn)提高SiO2的純度可以減少光傳播過(guò)程中的損耗。1970年康寧公司用高純石英玻璃制造出光導(dǎo)纖維。1975年，美國(guó)亞特蘭大實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的光纖通訊實(shí)驗(yàn)成功。10材料在技術(shù)發(fā)達(dá)社會(huì)中的作用-2集成電路integratedcircuit

集成電路是采用專(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)技術(shù)和特殊的集成工藝，把構(gòu)成半導(dǎo)體電路的晶體管、二極管、電阻、電容等基本元器件，制作在一塊半導(dǎo)體單晶片（例如硅或砷化鎵）或絕緣基片上，能完成特定功能或者系統(tǒng)功能的電路集合。11材料在技術(shù)發(fā)達(dá)社會(huì)中的作用-2CPU45納米工藝

英特爾、德州儀器、AMD、中芯國(guó)際CPU32納米工藝

英特爾完成32納米工藝開(kāi)發(fā)計(jì)劃第四季度投產(chǎn)CPU28納米工藝

臺(tái)灣半導(dǎo)體制造公司（TSMC）應(yīng)用金屬柵極解決方案的

28納米節(jié)點(diǎn)可能已經(jīng)準(zhǔn)備就緒12材料在技術(shù)發(fā)達(dá)社會(huì)中的作用-3F22猛禽戰(zhàn)斗機(jī)13材料在技術(shù)發(fā)達(dá)社會(huì)中的作用-3航天工業(yè)

質(zhì)量輕、高強(qiáng)度的鋁，鈦合金——機(jī)架鎳基高溫合金——強(qiáng)力高效的噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料和陶瓷材料隱身材料14材料在技術(shù)發(fā)達(dá)社會(huì)中的作用-3殲1015材料在技術(shù)發(fā)達(dá)社會(huì)中的作用-4超導(dǎo)材料（例如超導(dǎo)Nb-Ti導(dǎo)線）

全超導(dǎo)的托克馬克裝置

如何克服巨大的靜電斥力將原子核聚到一起，還要將它們的密度維持在一定水平以防不安全的能量爆發(fā)(如氫彈就是不可控的核聚變)？前蘇聯(lián)科學(xué)家在20世紀(jì)50年代初率先提出磁約束的概念，并在1954年建成了第一個(gè)磁約束裝置—形如中空面包圈的環(huán)形容器“托克馬克(Tokamak)”，又稱環(huán)流器。

16材料在技術(shù)發(fā)達(dá)社會(huì)中的作用-4全超導(dǎo)的托克馬克裝置EAST

17材料在技術(shù)發(fā)達(dá)社會(huì)中的作用-4等離子體在托卡馬克裝置中的狀態(tài)

18材料在技術(shù)發(fā)達(dá)社會(huì)中的作用-4可控核聚變：(1)超聲波核聚變(2)激光約束（慣性約束）核聚變:

例如美國(guó)的國(guó)家點(diǎn)火裝置（NationalIgnitionFacility）(3)磁約束核聚變（托卡馬克）

例如EAST，ITER國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（InternationalThermonuclearExperimentalReactor，縮寫(xiě)為ITER）是規(guī)劃建設(shè)中的一個(gè)為驗(yàn)證全尺寸可控核聚變技術(shù)的可行性而設(shè)計(jì)的國(guó)際托卡馬克試驗(yàn)。它建立在由TFTR、JET、JT-60和T-15等裝置所引導(dǎo)的研究之上，并將顯著的超越所有前者。此項(xiàng)目預(yù)期將持續(xù)30年：10年用于建設(shè)，20年用于操作，總花費(fèi)大約100億歐元?！癷ter”在拉丁文中意為“道路”，因此這個(gè)實(shí)驗(yàn)的縮寫(xiě)“ITER”也意味著和平利用核聚變能源之路。

19III材料的主要類(lèi)別1金屬參考上海交大MetalsandAlloys.pps

金屬通常是電的良好導(dǎo)體，強(qiáng)度高，較致密應(yīng)用：結(jié)構(gòu)材料導(dǎo)電材料

研究實(shí)例超級(jí)鋼計(jì)劃定向凝固技術(shù)粉末冶金技術(shù)

20材料的主要類(lèi)別2陶瓷參考上海交大ceramics.pps

高溫穩(wěn)定性、抗化學(xué)侵蝕性、不吸收外來(lái)物質(zhì)脆性、良好的絕緣體陶瓷材料的重要影響：汽車(chē)工業(yè)陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)超導(dǎo)材料YBa2Cu3O7

下一代計(jì)算機(jī)將采用陶瓷光-電元件21材料的主要類(lèi)別3聚合物參考上海交大Polymers.pps

強(qiáng)度低、易于加工、密度低潛在應(yīng)用：可生物降解的聚合物液晶聚合物技術(shù)有助開(kāi)發(fā)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料導(dǎo)電聚合物(聚乙炔)1977年白川英樹(shù)

22材料的主要類(lèi)別4復(fù)合材料參考上海交大Composites.pps

碳纖維金屬基復(fù)合材料高溫陶瓷基復(fù)合材料重大挑戰(zhàn):與傳統(tǒng)材料完全不同的實(shí)效模式

23材料的主要類(lèi)別5半導(dǎo)體參考上海交大SemiconductorMaterials.pps

主要挑戰(zhàn)：器件微型化并且被制造出來(lái)研究實(shí)例能源材料

24材料的性能與材料工程材料的性能是指材料對(duì)光、電、磁、熱、機(jī)械載荷的反應(yīng)，而這些性能主要取決于材料的組成與結(jié)構(gòu)，而組成結(jié)構(gòu)又取決于材料的成分和制備與加工工藝。實(shí)例：（1）在鐵中加入0.4%的碳可以使得材料的強(qiáng)度提高兩個(gè)量級(jí)；（2）100萬(wàn)個(gè)硅原子中加入2個(gè)磷原子，電導(dǎo)率提高500萬(wàn)倍;（3）應(yīng)用抗靜電涂層或在大塊聚合物中加入離子，可使得紡織纖維電導(dǎo)率提高5個(gè)數(shù)量級(jí)，防止降落傘打不開(kāi)這樣嚴(yán)重的靜態(tài)放電問(wèn)題。25IV本課程的主干材料的結(jié)構(gòu)

原子鍵合、熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)、晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷、晶體強(qiáng)度和非晶態(tài)結(jié)構(gòu)顯微組織的演變

相圖和轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)不同類(lèi)別材料的工程性質(zhì)各類(lèi)材料的加工方法、材料的設(shè)計(jì)和選擇工序

26?2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning?WhatisMaterialsScienceandEngineering?Ref:D.R.AskelandandP.P.PhuleTheScienceandEngineeringofMaterials(FourthEdition)27Applicationofthetetrahedronofmaterialsscienceandengineeringtoceramicsuperconductors.Notethatthemicrostructure-synthesisandprocessing-compositionareallinterconnectedandaffecttheperformance-to-costratio?2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning?28Applicationofthetetrahedronofmaterialsscienceandengineeringtosheetsteelsforautomotivechassis.?2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning?29?2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning?Applicationofthetetrahedronofmaterialsscienceandengineeringtosemiconductingpolymersformicroelectronics30ThankYou!第二章原子尺度的結(jié)構(gòu)JamesP.SchafferTheScienceandDesignofEngineeringMaterials(SecondEdition)D.R.AskelandandP.P.Phule

TheScienceandEngineeringofMaterials(FourthEdition)

32Thismomentnap,youwillhaveadream;butthismomentstudy,youwillinterpretadream.33LevelofStructureExampleofTechnologies1.AtomicStructure

Diamond–edgeof cuttingtoolsAtomicArrangements:Lead-zirconium-titanateLong-RangeOrder[Pb(Zrx

Ti1-x)O3]orPZT(LRO) gasignitersAtomicArrangements:Amorphoussilica-fiberShort-RangeOrderopticalcommunications(SRO) industryLevelsofStructure不同層次的結(jié)構(gòu)34LevelofStructureExampleofTechnologies2.Nanostructure

Nano-sizedparticlesof~(1-100nm) ironoxide–ferrofluids3.Microstructure

Mechanicalstrengthof~(10-1000nm) metalsandalloys4.Macrostructure

Paintsforautomobiles~(>1000nm) forcorrosionresistance352.1原子尺度的結(jié)構(gòu)原子尺度的結(jié)構(gòu)包括:

原子的類(lèi)型原子鍵的類(lèi)型原子的堆垛方式材料的性能取決于各種尺度的結(jié)構(gòu)形式,但是也有僅決定于原子尺度的結(jié)構(gòu)36Scientistsareconsideringusingnano-particlesofsuchmagneticmaterialsasiron-platinum(Fe-Pt)asamediumforultrahighdensitydatastorage.Arraysofsuchparticlespotentiallycanleadtostorageoftrillionsofbitsofdatapersquareinch—acapacitythatwillbe10to100timeshigherthananyotherdevicessuchascomputerharddisks.Ifthesescientistsconsiderediron(Fe)particlesthatare3nmindiameter,whatwillbethenumberofatomsinonesuchparticle?例題

Fe-Pt納米顆粒用于信息存儲(chǔ)37Theradiusofaparticleis1.5nm.Volumeofeachironmagneticnano-particle=(4/3)

(1.5

10-7cm)3=1.4137

10-20cm3Densityofiron=7.8g/cm3.Atomicmassofironis56g/mol.Massofeachironnano-particle=7.8g/cm3

1.4137

10-20cm3=1.102

10-19g.Onemoleor56gofFecontains6.023

1023atoms,therefore,thenumberofatomsinoneFenano-particlewillbe1186.SOLUTION38例題單晶硅中的摻雜濃度

DopantConcentrationInSiliconCrystals

Siliconsinglecrystalsareusedextensivelytomakecomputerchips.Calculatetheconcentrationofsiliconatomsinsilicon,orthenumberofsiliconatomsperunitvolumeofsilicon.Duringthegrowthofsiliconsinglecrystalsitisoftendesirabletodeliberatelyintroduceatomsofotherelements(knownasdopants)tocontrolandchangetheelectricalconductivityandotherelectricalpropertiesofsilicon.Phosphorus(P)isonesuchdopantthatisaddedtomakesiliconcrystalsn-typesemiconductors.AssumethattheconcentrationofPatomsrequiredinasiliconcrystalis1017atoms/cm3.ComparetheconcentrationsofatomsinsiliconandtheconcentrationofPatoms.Whatisthesignificanceofthesenumbersfromatechnologicalviewpoint?Assumethatdensityofsiliconis2.33g/cm3.39Atomicmassofsilicon=28.09g/mol.So,28.09gofsiliconcontain6.023

1023atoms.Therefore,2.33gofsiliconwillcontain(2.33

6.023

1023/28.09)atoms=4.99

1022atoms.Massofonecm3ofSiis2.33g.Therefore,theconcentrationofsiliconatomsinpuresiliconis

5

1022atoms/cm3.SOLUTION40SignificanceofcomparingdopantandSiatomconcentrations:Ifweweretoaddphosphorus(P)intothiscrystal,suchthattheconcentrationofPis1017atoms/cm3,theratioofconcentrationofatomsinsilicontothatofPwillbe(5

1022)/(1017)=5

105.Thissaysthatonly1outof500,000atomsofthedopedcrystalwillbethatofphosphorus(P)!Thisisequivalenttooneapplein500,000oranges!Thisexplainswhythesinglecrystalsofsiliconmusthaveexceptionalpurityandatthesametimeverysmallanduniformlevelsofdopants.412.2鍵的類(lèi)型

一次鍵(Primarybonding):都涉及到電子從一個(gè)原子向另外一個(gè)原子轉(zhuǎn)移（A+B-），或者電子在原子間的共用（A:B）

離子鍵共價(jià)鍵金屬鍵二次鍵(Secondarybonding):不涉及電子的轉(zhuǎn)移和共用

氫鍵范德華鍵思考：配位鍵呢？配體原子中孤對(duì)電子配位于金屬空軌道（AB）Ref：游效曾《分子材料》上海科學(xué)技術(shù)出版社2001年

42?2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning?電子氣、無(wú)方向性、高配位數(shù)Themetallicbondformswhenatomsgiveuptheirvalenceelectrons,whichthenformanelectronsea.Thepositivelychargedatomcoresarebondedbymutualattractiontothenegativelychargedelectrons.金屬鍵43?2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning?Covalentbondingrequiresthatelectronsbesharedbetweenatomsinsuchawaythateachatomhasitsoutersporbitalfilled.Insilicon,withavalenceoffour,fourcovalentbondsmustbeformed.共價(jià)鍵具有方向性、低配位數(shù)44?2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning?Covalentbondsaredirectional.Insilicon,atetrahedralstructureisformed,withanglesof109.5°requiredbetweeneachcovalentbond45?2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning?Anionicbondiscreatedbetweentwounlikeatomswithdifferentelectronegativities.Whensodiumdonatesitsvalenceelectrontochlorine,eachbecomesanion;attractionoccurs,andtheionicbondisformed.離子鍵無(wú)方向性、高配位數(shù)462.3鍵的類(lèi)型對(duì)材料性能的影響（1）鍵的類(lèi)型對(duì)力學(xué)性能的影響塑性：能夠吸收沖擊能量而不發(fā)生斷裂脆性：受到外力作用時(shí)，滑移較難進(jìn)行，材料以斷裂做出響應(yīng)（2）鍵的類(lèi)型對(duì)電學(xué)性質(zhì)的影響導(dǎo)電性47金屬和離子固體對(duì)外應(yīng)力作出的原子尺度響應(yīng)的差異對(duì)比（a）外應(yīng)力作用前，離子固體中每個(gè)離子都是由帶相反電荷的離子所包圍，（b）在外力作用下，離子試圖相互滑過(guò)時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)的排斥力，導(dǎo)致斷裂，（c）相反在金屬中電子云將帶正電荷的原子核相互屏蔽開(kāi)來(lái)，因此不產(chǎn)生排斥力48材料的電導(dǎo)率取決于三個(gè)因素：載流子的類(lèi)型載流子的密度載流子的遷移率金屬

載流子的高遷移率，高濃度——導(dǎo)電性好離子固體

載流子的低遷移率，低濃度——絕緣性好49?2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning?Whenvoltageisappliedtoametal,theelectronsintheelectronseacaneasilymoveandcarryacurrent.50?2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning?Whenvoltageisappliedtoanionicmaterial,entireionsmustmovetocauseacurrenttoflow.Ionmovementisslowandtheelectricalconductivityispoor.51例題熱敏電阻的設(shè)計(jì)

DesignofaThermistorAthermistorisadeviceusedtomeasuretemperaturebytakingadvantageofthechangeinelectricalconductivitywhenthetemperaturechanges.Selectamaterialthatmightserveasathermistorinthe500to1000oCtemperaturerange.Photographofacommerciallyavailablethermistor.(CourtesyofVishayIntertechnology,Inc.)52

熱敏電阻包括：正溫度系數(shù)熱敏電阻（

positivetemperaturecoefficientofresistance，PTC）負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（negativetemperaturecoefficientofresistance，NTC）臨界溫度熱敏電阻（CriticalTemperatureResistor，CTR）負(fù)電阻突變特性Twodesignrequirementsmustbesatisfied.First,amaterialwithahighmeltingpointmustbeselected.Second,theelectricalconductivityofthematerialmustshowasystematicandreproduciblechangeasafunctionoftemperature.

SOLUTION53

Covalentlybondedmaterialsmightbesuitable.Theyoftenhavehighmeltingtemperatures,and,asmorecovalentbondsarebrokenwhenthetemperatureincreases,increasingnumbersofelectronsbecomeavailabletotransferelectricalcharge.

半導(dǎo)體Si是可行的

Thesemiconductorsiliconisonechoice:Siliconmeltsat1410oCandiscovalentlybonded.Anumberofceramicmaterialsalsohavehighmeltingpointsandbehaveassemiconductingmaterials.Siliconwillhavetobeprotectedagainstoxidation.54Wewillhavetomakesurethechangesinconductivityinthetemperaturerangeareactuallyacceptable.Somethermistorsthatshowapredictabledecreaseintheresistancewithincreasingtemperaturearemadefromsemiconductingmaterials.聚合物不可行

Polymerswouldnotbesuitable,eventhoughthemajorbondingiscovalent,becauseoftheirrelativelylowmelting,ordecomposition,temperatures.55Manythermistorsthatcanbeusedforswitchingapplicationsmakeuseofbariumtitanate(BaTiO3)basedformulations.

ManyusefulNTCmaterialsarebasedonFe3O4-ZnCr2O4,Fe3O4-MgCr2O4,orMn3O4,dopedwithNi,Co,orCu.在性能滿足的前提下，當(dāng)然我們還要考慮原材料的費(fèi)用、加工制造成本、壽命、對(duì)環(huán)境的影響等等。562.4鍵—力曲線與鍵—能曲線鍵能曲線上的最小值對(duì)應(yīng)于平衡間距

從鍵能曲線上能夠直接獲取一些重要的宏觀材料性質(zhì)：

鍵能平均鍵長(zhǎng)彈性模量熱膨脹系數(shù)57鍵—能曲線的應(yīng)用（1）原子系統(tǒng)對(duì)外載荷的響應(yīng)鍵能曲線在平衡位置的曲率正比于彈性模量，（曲率半徑越小，彈性模量越大）物理解釋?zhuān)耗芰縿?shì)阱的兩壁越陡，將原子從其平衡位置移動(dòng)所需的能量越大。58

（2）原子系統(tǒng)對(duì)溫度的響應(yīng)

鍵能曲線不對(duì)稱性增加，熱膨脹系數(shù)增加高鍵能的材料會(huì)具有低的熱膨脹系數(shù)592.5原子的堆垛和配位數(shù)

諸如密度一類(lèi)的性質(zhì)主要取決于原子在固體中的排列。配位數(shù):固體中每個(gè)原子周?chē)淖罱彽脑訑?shù)目602.6二次鍵（1）暫時(shí)電偶極子不斷運(yùn)動(dòng)的電子臨時(shí)排列形成非對(duì)稱電荷分布

范德華鍵也存在于CH4，CCl4這樣的對(duì)稱分子，隨分子量增大而增大鍵能（10KJ/mol）6162（2）永久偶極子

正電荷的中心始終與負(fù)電荷的中心不同實(shí)例：H2O，H2S，NH3

氫鍵是最強(qiáng)的二次鍵（51KJ/mol）紙張632.7混合鍵（1）許多陶瓷包含混合離子/共價(jià)特性的一次鍵

組成元素的電負(fù)性差別越大，化合物離子鍵占的份額越大。共價(jià)鍵占的份額可用下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

例如：SiO2f=exp[-0.25(3.5-1.8)2]=exp(-0.72)=0.486SiO2

用途：玻璃、光纖、制造高純Si、納米SiO2作為添加物增強(qiáng)橡膠的強(qiáng)度64三種有代表性的電負(fù)性計(jì)算方法（補(bǔ)充）電負(fù)性的計(jì)算方法有多種，每一種方法的電負(fù)性數(shù)值都不同，比較有代表性：

（1）L.C.鮑林提出的標(biāo)度。根據(jù)熱化學(xué)數(shù)據(jù)和分子的鍵能，指定氟的電負(fù)性為3.98，計(jì)算其他元素的相對(duì)電負(fù)性。

（2）R.S.密立根從電離勢(shì)和電子親合能計(jì)算的絕對(duì)電負(fù)性。

（3）A.L.阿萊提出的建立在核和成鍵原子的電子靜電作用基礎(chǔ)上的電負(fù)性。利用電負(fù)性值時(shí)，必須是同一套數(shù)值進(jìn)行比較。

65（2）金屬

過(guò)渡族元素的原子中會(huì)出現(xiàn)一些共價(jià)鍵，熔點(diǎn)高金屬間化合物如Ni3Al，Ti3Al（3）一次鍵和二次鍵混合氣體分子以共價(jià)鍵結(jié)合，分子凝聚依靠范德華鍵聚合物長(zhǎng)鏈內(nèi)部共價(jià)鍵結(jié)合，鏈與鏈之間可以以范德華鍵和氫鍵結(jié)合層狀石墨（其中單層石墨Graphene是目前的研究熱點(diǎn)?。。?6Graphene2004年曼徹斯特大學(xué)研究員AndreGeim小組發(fā)現(xiàn)；2010年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)該圖系單層(石墨烯)AFM圖象.箭頭處的臺(tái)階高度為0.8nm.67SiO2可用于制造光纖。面臨兩個(gè)問(wèn)題：1.由于Si-O是離子/共價(jià)混合鍵，強(qiáng)度很高（很脆）；2.其表面容易與水蒸汽反應(yīng)產(chǎn)生裂紋。如何設(shè)計(jì)制造彎曲性能較好的光纖？Silicaisusedformakinglonglengthsofopticalfibers.Beingacovalentlyandionicallybondedmaterial,thestrengthofSi-Obondsisexpectedtobehigh.Otherfactorssuchassusceptibilityofsilicasurfacestoreactwithwatervaporinatmospherehaveadeleteriouseffectonthestrengthofsilicafibers.Giventhis,whatdesignstrategiescanyouthinkofsuchthatsilicafiberscouldstillbebenttoaconsiderabledegreewithoutbreaking?例題

SiO2光纖的設(shè)計(jì)策略

DesignStrategiesforSilicaOpticalFibers68BasedonthemixedionicandcovalentbondinginsilicaweknowthattheSi-Obondsareverystrong.Wealsoknowthatcovalentbondswillbedirectionalandhencewecananticipatesilicatoexhibitlimitedductility.Therefore,ourchoicestoenhanceductilityofopticalfibersareratherlimitedsincethecompositionisessentiallyfixed.Mostotherglassesarealsobrittle.Wecanmakeanargumentthatsilicafiberswillexhibitbetterductilityathighertemperatures.However,wehavetousethemformakinglonglengthsofopticalfibers(mostofwhicharetobeburiedundergroundorunderthesea)andhencekeepingthematanelevatedtemperatureisnotapracticaloption.

SOLUTION69Therefore,weneedtounderstand,beyondwhatthenatureofbondingconsiderationcanofferus,whyglassfibersexhibitlimitedductility.Isthisapropertythatisintrinsictotheglassorarethereexternalvariablesthatarecausingachangeinthechemistryandstructureoftheglass?Materialsscientistsandengineershaverecognizedthatthelackofductilityinopticalglassfibersislinkedtotheabilityofthesilicasurfacetoreactwithwatervaporintheatmosphere.Theyhavefoundthatwatervaporintheatmospherereactswiththesurfaceofsilicaleadingtomicro-cracksonthesurface.70Whensubjectedtostressthesecracksgrowrapidlyandthefibersbreakquiteeasily!Theyhavealsotestedsilicafibersinavacuumandfoundthatthelevelstowhichonecanbendfibersaremuchhigher.Sowhataboutprotectingthesurfaceofsilicafibers,justlikewepaintcarsandbridgestopreventthemfromrusting?ThisiswhatisdonebymanufacturersofopticalfiberssuchasCorningandLucent.Whentheopticalfibersaremanufactured,theyareimmediatelycoatedwithapolymericfilm.Later,bundlesofsuchfibersareencasedinmetalliccablesandusedinthefiberopticsnetwork.712.8聚合物分子的結(jié)構(gòu)72?2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning?聚氯乙烯的結(jié)構(gòu)Inpolyvinylchloride(PVC),thechlorineatomsattachedtothepolymerchainhaveanegativechargeandthehydrogenatomsarepositivelycharged.ThechainsareweaklybondedbyvanderWaalsbonds.ThisadditionalbondingmakesPVCstiffer,(b)Whenaforceisappliedtothepolymer,thevanderWaalsbondsarebrokenandthechainsslidepastoneanother7374熱塑性（thermoplastic）共價(jià)鍵聚合鏈間具有弱的二次鍵熱固性（thermoset）三維的一次鍵網(wǎng)絡(luò)75例題宇宙飛行器的機(jī)械手材料設(shè)計(jì)Designof

aSpaceShuttleArmNASA’sspaceshuttleshavealongmanipulatorrobotarm,alsoknownastheShuttleRemoteManipulatorSystemorSRMS,thatpermitsastronautstolaunchandretrievesatellites.Itisalsousedtoviewandmonitortheoutsideofthespaceshuttleusingamountedvideocamera.Selectasuitablematerialforthisdevice.NASA’sShuttleRemoteManipulatorSystem:SRMSCourtesyofGettyImages)76Let’slookattwoofthemanymaterialchoices.1所選的材料必須具有高強(qiáng)度高彈性模量First,thematerialshouldbestiffsothatlittlebendingoccurswhenaloadisapplied;thisfeaturehelpstheoperatormaneuverthemanipulatorarmprecisely.Generally,materialswithstrongbondingandhighmeltingpointsalsohaveahighmodulusofelasticity,orstiffness.2所選材料密度盡可能低Second,thematerialshouldbelightinweighttopermitmaximumpayloadstobecarriedintoorbit;alowdensityisthusdesired.ItisestimatedthatitcostsaboutUS$100,000totaketheweightofabeveragecanintospace!Thus,thedensitymustbeaslowaspossible.SOLUTION77要滿足第一條，候選材料有高熔點(diǎn)的金屬材料，陶瓷材料，碳纖維等Goodstiffnessisobtainedfromhigh-melting-pointmetals(suchasberylliumandtungsten),fromceramics,andfromcertainfibers(suchascarbon).問(wèn)題是鎢密度太大，陶瓷太脆，鈹金屬及其化合物的蒸氣太毒Tungsten,however,hasaveryhighdensity,whileceramicsareverybrittle.Beryllium,whichhasamodulusofelasticitythatisgreaterthanthatofsteelandadensitythatislessthanthatofaluminum,mightbeanexcellentcandidate.However,toxicityofBeanditscompoundsmustbeconsidered.78碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料成為首選。Thecarbonfibershaveanexceptionallyhighmodulusofelasticity,whilethecombinationofcarbonandepoxyprovidesaverylow-densitymaterial.Otherfactorssuchasexposuretolowandhightemperaturesinspaceandonearthmustalsobeconsidered.Thecurrentshuttlerobotarmisabout45feetlong(13.7m),15inches(38.1cm)indiameterandweighsabout900pounds(408Kg).Wheninspaceitcanmanipulateweightsupto260tons.79ThankYou!第三章晶體結(jié)構(gòu)

《工程材料科學(xué)與設(shè)計(jì)》（JamesP.Schaffer等著）余永寧等翻譯機(jī)械工業(yè)出版社81Nomanisbornwiseorlearned.

沒(méi)有生而知之者。Nopleasurewithoutpain.

沒(méi)有苦就沒(méi)有樂(lè)。Nosweetwithoutsweat.

先苦后甜。

82

雪花的形狀§3.1引言83Haüy

從理論推斷晶體具有規(guī)則的幾何外形，是原子分子規(guī)則排列的結(jié)果；20世紀(jì)30年代，Laue等提出X射線衍射方法1981年，Binning和Rohrer發(fā)明了隧道掃描電鏡STM，直接觀察晶體表面的原子(離子或分子)的規(guī)則排列/wiki/Scanning_tunneling_microscope84

Ni(110)surface，IBMImageofreconstructiononaclean

Gold(100)surface85STM1989年（IBMFellow）DonEigler成為第一個(gè)能夠?qū)蝹€(gè)原子表面進(jìn)行操作的人，通過(guò)用一臺(tái)“掃描隧道顯微鏡”操控35個(gè)氙原子的位置，拼寫(xiě)出了“I-B-M”3個(gè)字母。

IBM蘇黎世研究實(shí)驗(yàn)室工作的兩位諾貝爾獎(jiǎng)得主HeinrichRohrer(左)和GerdBinning(右)與第一代掃描隧道顯微鏡（STM）。86

ErnestRuskaGerdBinningHeinrichRohrer1931年發(fā)明電子顯微鏡

1981年發(fā)明STMSTM1986年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

87ErnestRuska，1986.12.10瑞典斯德哥爾摩city-hall(市政廳）

88NanoparticlescharacterizationLow-vacuumBSELow-vacuumBSEHighcontrastimagesofcatalystparticles(platinum,size5nm)usingbackscatteredimaginginlowvacuum89BShearBandaroundtheindentationnanoindentationNano-crystal

ACDCrackalonggrainboundaryofnc-Cu

高分辨掃描電鏡應(yīng)用(沈陽(yáng)金屬所)90短程有序和長(zhǎng)程有序短程有序(Short-rangeorder)

在一個(gè)中心原子周?chē)钹徑拥木植颗帕虚L(zhǎng)程有序(Long-rangeorder)

材料在比鍵長(zhǎng)大得多的距離呈現(xiàn)有序時(shí)91(c)2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning?Levelsofatomicarrangementsinmaterials:Inertmonoatomicgaseshavenoregularorderingofatoms.(a)Somematerials,includingwatervapor,nitrogengas,amorphoussiliconandsilicateglasshaveshort-rangeorder.(b)(c)Metals,alloys,manyceramicsandsomepolymershaveregularorderingofatoms/ionsthatextendsthroughthematerial.(d)92晶體長(zhǎng)程有序,短程有序非晶體只有短程有序準(zhǔn)晶長(zhǎng)程有序,短程有序(沒(méi)有周期性平移)液晶液體與非晶體相似惰性氣體沒(méi)有長(zhǎng)程有序,也沒(méi)有短程有序

93Liquidcrystaldisplay.Thesematerialsareamorphousinonestateandundergolocalizedcrystallizationinresponsetoanexternalelectricfieldandarewidelyusedinliquidcrystaldisplays.(CourtesyofNickKoudis/PhotoDisc/GettyImages.)94§3.2空間點(diǎn)陣和單胞1空間點(diǎn)陣(簡(jiǎn)稱點(diǎn)陣或者晶格)的概念將晶體中原子或原子團(tuán)抽象為純幾何點(diǎn)（陣點(diǎn)latticepoint），即可得到一個(gè)由無(wú)數(shù)幾何點(diǎn)在三維空間排列成規(guī)則的陣列—空間點(diǎn)陣（spacelattice）2特征：每個(gè)陣點(diǎn)在空間分布必須具有完全相同的周?chē)h(huán)境(surrounding)95

晶體結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣

96晶體結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣

97選取晶胞（單胞）的原則Ⅰ)選取的平行六面體應(yīng)與宏觀晶體具有同樣的對(duì)稱性；Ⅱ）平行六面體內(nèi)的棱和角相等的數(shù)目應(yīng)最多；Ⅲ）當(dāng)平行六面體的棱角存在直角時(shí)，直角的數(shù)目應(yīng)最多；Ⅳ）在滿足上條件，晶胞應(yīng)具有最小的體積。98原胞與晶胞由一組基矢圍起來(lái)的最小重復(fù)單元就叫原胞(或初基單胞)。原胞往往不能反映晶體的對(duì)稱性。習(xí)慣上常選擇能反映晶體對(duì)稱性的重復(fù)單元,這種重復(fù)單元就叫晶胞(或非初基單胞)。晶胞一般不是最小的重復(fù)單元。其體積（面積）可以是原胞的數(shù)倍。99立方晶系中的原胞與晶胞原胞與晶胞100(c)2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning?Definitionofthelatticeparametersandtheiruseincubic,orthorhombic,andhexagonalcrystalsystems.晶胞參數(shù)的定義101晶系布拉菲點(diǎn)陣晶系布拉菲點(diǎn)陣三斜Triclinica≠b≠c，α≠β≠γ單斜Monoclinica≠b≠c，α=γ=90o≠β正交Orthorhombica≠b≠c，α=β=γ＝90o

簡(jiǎn)單三斜簡(jiǎn)單單斜底心單斜簡(jiǎn)單正交底心正交體心正交面心正交六方Hexagonala1=a2＝a3≠c，α=β＝90o

，γ=120o菱方Rhombohedrala=b=c,α=β=γ≠90o

四方（正方）Tetragonala=b≠c,α=β=γ＝90o

立方Cubica=b=c，α=β=γ＝90o

簡(jiǎn)單六方簡(jiǎn)單菱方簡(jiǎn)單四方體心四方簡(jiǎn)單立方體心立方面心立方晶系和布拉維點(diǎn)陣102(c)2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning?ThefourteentypesofBravaislatticesgroupedinsevencrystalsystems.晶系和布拉維點(diǎn)陣103fcc:face-centeredcubic

bcc:body-centeredcubic

hcp:hexagonalclose-packed（a）面心立方（FCC型）（b）體心立方（BCC型）（c）密排六方（HCP型）§3.3常見(jiàn)的晶體結(jié)構(gòu)104(c)2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning?Figure(a)Illustrationshowingsharingoffaceandcorneratoms.(b)Themodelsforsimplecubic(SC),bodycenteredcubic(BCC),andface-centeredcubic(FCC)unitcells,assumingonlyoneatomperlatticepoint.105IntheSCunitcell:

latticepoint/unitcell=(8corners)1/8=1InBCCunitcells:

latticepoint/unitcell=(8corners)1/8+(1center)(1)=2InFCCunitcells:

latticepoint/unitcell=(8corners)1/8+(6faces)(1/2)=4Thenumberofatomsperunitcellwouldbe1,2,and4,forthesimplecubic,body-centeredcubic,andface-centeredcubic,unitcells,respectively.

立方晶系中每個(gè)晶胞中的原子數(shù)106DeterminetherelationshipbetweentheatomicradiusandthelatticeparameterinSC,BCC,andFCCstructureswhenoneatomislocatedateachlatticepoint.立方晶系中晶胞參數(shù)與原子半徑的關(guān)系(c)