工程材料科學(xué)與設(shè)計(jì)全冊配套完整課件

工程材料科學(xué)與設(shè)計(jì)全冊配套完整課件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)賽的泳衣說起5從世界錦標(biāo)賽的泳衣說起據(jù)悉，Jaked兜售的新款泳衣確實(shí)有過人之處，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(“鯊魚皮四代”)正是擁有聚氨酯的尖端技術(shù)。Speedo中國網(wǎng)站曾分析說，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，讓這次同場競技的一些運(yùn)動員猜測這些驚人的世界紀(jì)錄與泳衣的作用不無關(guān)系。6伊辛巴耶娃的撐桿7伊辛巴耶娃的撐桿1930年代，各國運(yùn)動員使用的撐桿是日本產(chǎn)的竹子，跳躍高度不超過4米。第二次世界大戰(zhàn)后，出現(xiàn)了鋁合金金屬桿，成績提高到4.77米。1960年代，撐桿跳高發(fā)生了劃時代的變化，運(yùn)動員改用尼龍撐桿，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)_力時能產(chǎn)生大幅度的形變，這種形變可將接受的動能迅速轉(zhuǎn)化為勢能，而當(dāng)撐桿恢復(fù)原來的形狀時，其勢能又以彈力的形式作用于運(yùn)動員，將人體“彈”起。另外，由于撐桿受力后能迅速彎曲，桿繞插頭向前轉(zhuǎn)動的半徑減小，這樣就加大了轉(zhuǎn)動角速度，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)社會中的作用-2集成電路integratedcircuit

集成電路是采用專門的設(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)社會中的作用-2CPU45納米工藝

英特爾、德州儀器、AMD、中芯國際CPU32納米工藝

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

臺灣半導(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)社會中的作用-3殲1015材料在技術(shù)發(fā)達(dá)社會中的作用-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:

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

例如EAST，ITER國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（InternationalThermonuclearExperimentalReactor，縮寫為ITER）是規(guī)劃建設(shè)中的一個為驗(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”，因此這個實(shí)驗(yàn)的縮寫“ITER”也意味著和平利用核聚變能源之路。

19III材料的主要類別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、不吸收外來物質(zhì)脆性、良好的絕緣體陶瓷材料的重要影響：汽車工業(yè)陶瓷發(fā)動機(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

22材料的主要類別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)度提高兩個量級；（2）100萬個硅原子中加入2個磷原子，電導(dǎo)率提高500萬倍;（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個數(shù)量級，防止降落傘打不開這樣嚴(yán)重的靜態(tài)放電問題。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)變動力學(xué)不同類別材料的工程性質(zhì)各類材料的加工方法、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:

原子的類型原子鍵的類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鍵的類型

一次鍵(Primarybonding):都涉及到電子從一個原子向另外一個原子轉(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？配體原子中孤對電子配位于金屬空軌道（AB）Ref：游效曾《分子材料》上?？茖W(xué)技術(shù)出版社2001年

42?2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning?電子氣、無方向性、高配位數(shù)Themetallicbondformswhenatomsgiveuptheirvalenceelectrons,whichthenformanelectronsea.Thepositivelychargedatomcoresarebondedbymutualattractiontothenegativelychargedelectrons.金屬鍵43?2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning?Covalentbondingrequiresthatelectronsbesharedbetweenatomsinsuchawaythateachatomhasitsoutersporbitalfilled.Insilicon,withavalenceoffour,fourcovalentbondsmustbeformed.共價鍵具有方向性、低配位數(shù)44?2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning?Covalentbondsaredirectional.Insilicon,atetrahedralstructureisformed,withanglesof109.5°requiredbetweeneachcovalentbond45?2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning?Anionicbondiscreatedbetweentwounlikeatomswithdifferentelectronegativities.Whensodiumdonatesitsvalenceelectrontochlorine,eachbecomesanion;attractionoccurs,andtheionicbondisformed.離子鍵無方向性、高配位數(shù)462.3鍵的類型對材料性能的影響（1）鍵的類型對力學(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，滑移較難進(jìn)行，材料以斷裂做出響應(yīng)（2）鍵的類型對電學(xué)性質(zhì)的影響導(dǎo)電性47金屬和離子固體對外應(yīng)力作出的原子尺度響應(yīng)的差異對比（a）外應(yīng)力作用前，離子固體中每個離子都是由帶相反電荷的離子所包圍，（b）在外力作用下，離子試圖相互滑過時產(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來，因此不產(chǎn)生排斥力48材料的電導(dǎo)率取決于三個因素：載流子的類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：能量勢阱的兩壁越陡，將原子從其平衡位置移動所需的能量越大。58

（2）原子系統(tǒng)對溫度的響應(yīng)

鍵能曲線不對稱性增加，熱膨脹系數(shù)增加高鍵能的材料會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):固體中每個原子周圍的最近鄰的原子數(shù)目602.6二次鍵（1）暫時電偶極子不斷運(yùn)動的電子臨時排列形成非對稱電荷分布

范德華鍵也存在于CH4，CCl4這樣的對稱分子，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)算其他元素的相對電負(fù)性。

（2）R.S.密立根從電離勢和電子親合能計(jì)算的絕對電負(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，必須是同一套數(shù)值進(jìn)行比較。

65（2）金屬

過渡族元素的原子中會出現(xiàn)一些共價鍵，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鍵結(jié)合，分子凝聚依靠范德華鍵聚合物長鏈內(nèi)部共價鍵結(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)獎該圖系單層(石墨烯)AFM圖象.箭頭處的臺階高度為0.8nm.67SiO2可用于制造光纖。面臨兩個問題：1.由于Si-O是離子/共價混合鍵，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.

沒有生而知之者。Nopleasurewithoutpain.

沒有苦就沒有樂。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成為第一個能夠?qū)蝹€原子表面進(jìn)行操作的人，通過用一臺“掃描隧道顯微鏡”操控35個氙原子的位置，拼寫出了“I-B-M”3個字母。

IBM蘇黎世研究實(shí)驗(yàn)室工作的兩位諾貝爾獎得主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

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(沈陽金屬所)90短程有序和長程有序短程有序(Short-rangeorder)

在一個中心原子周圍最鄰近原子的局部排列長程有序(Long-rangeorder)

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

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），即可得到一個由無數(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：每個陣點(diǎn)在空間分布必須具有完全相同的周圍環(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，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稱性。習(xí)慣上常選擇能反映晶體對稱性的重復(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

簡單三斜簡單單斜底心單斜簡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

簡單六方簡單菱方簡單四方體心四方簡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)