材料科學(xué)基礎(chǔ)(上海交大)緒論

1、緒論緒論 INTRODUCTION n什么是材料什么是材料? ?p材料與人類(lèi)文明材料與人類(lèi)文明p什么是材料科學(xué)？什么是材料科學(xué)？n0.1 0.1 材料分類(lèi)材料分類(lèi) n0.2 0.2 組成組成- -結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)- -性質(zhì)性質(zhì)- -工藝過(guò)程之間的關(guān)系工藝過(guò)程之間的關(guān)系什么是材料? 世界萬(wàn)物，凡于我有用者，皆謂之材料。世界萬(wàn)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(lái)制作器件、材料是具有一定性能，可以用來(lái)制作器件、構(gòu)件、工具、裝置等物品的物質(zhì)。材料存構(gòu)件、工具、裝置等物品的物質(zhì)。材料存在于我們的周?chē)c我們的生活、我們的在于我們的周?chē)?，與我們的生活、我們的生命息息相關(guān)。材料是人類(lèi)文明、社會(huì)

2、進(jìn)生命息息相關(guān)。材料是人類(lèi)文明、社會(huì)進(jìn)步、科技發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。步、科技發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。材料與人類(lèi)文明 材料是人類(lèi)文明、社會(huì)進(jìn)步、科學(xué)技術(shù)發(fā)展的物材料是人類(lèi)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、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(chēng)其為石器鐵器等當(dāng)時(shí)的主導(dǎo)材料作為時(shí)代的標(biāo)志，稱(chēng)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(lèi)時(shí)代、青銅器時(shí)代和鐵器時(shí)代。在近代，材料的種類(lèi)及其繁多，各種新材料不斷涌現(xiàn)，很難用一種材料來(lái)及其繁多，各種新材料不斷涌現(xiàn)，很難用一種材料來(lái)代表當(dāng)今時(shí)代的特征。代表當(dāng)今時(shí)代的特征。

3、第一次產(chǎn)業(yè)革命的突破口是推廣應(yīng)用蒸汽第一次產(chǎn)業(yè)革命的突破口是推廣應(yīng)用蒸汽機(jī)機(jī) ，但只有在開(kāi)發(fā)了鐵和銅等新材料以后，但只有在開(kāi)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。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)到第二次產(chǎn)業(yè)革命一直延續(xù)到2020世紀(jì)中葉，世紀(jì)中葉，以石油開(kāi)發(fā)和新能源廣泛使用為突破口，大力以石油開(kāi)發(fā)和新能源廣泛使用為突破口，大力發(fā)展飛機(jī)、汽車(chē)和其他工業(yè)，支持這個(gè)時(shí)期產(chǎn)發(fā)展飛機(jī)、汽車(chē)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(kāi)發(fā)。如合金鋼、鋁合業(yè)革命的仍然是新材料開(kāi)發(fā)。如合金鋼、鋁合金以及各種非金屬材料的發(fā)展。金以及各種非金屬材料的發(fā)展。 n 材料是當(dāng)代文明的

4、三大支柱之一材料是當(dāng)代文明的三大支柱之一 材料、能源、信息材料、能源、信息是當(dāng)代社會(huì)文明和國(guó)是當(dāng)代社會(huì)文明和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的三大支柱，是人類(lèi)社會(huì)進(jìn)步和科民經(jīng)濟(jì)的三大支柱，是人類(lèi)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)。學(xué)技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)先導(dǎo)。n 材料是全球新技術(shù)革命的材料是全球新技術(shù)革命的四大標(biāo)志四大標(biāo)志之一之一（新材料技術(shù)、新能源技術(shù)、信息技術(shù)、新材料技術(shù)、新能源技術(shù)、信息技術(shù)、生物技術(shù)生物技術(shù)）。）。什么是材料科學(xué)？什么是材料科學(xué)？ 材料科學(xué)是一門(mén)以固體材料為研究對(duì)象，以固體物理、材料科學(xué)是一門(mén)以固體材料為研究對(duì)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)的邊熱力學(xué)、

5、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、緣交叉基礎(chǔ)應(yīng)用學(xué)科，它運(yùn)用電子顯微鏡、X-X-射線(xiàn)衍射、射線(xiàn)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(guò)程與其機(jī)械、物理、組成、結(jié)構(gòu)、制備工藝和加工使用過(guò)程與其機(jī)械、物理、化學(xué)性能之間的規(guī)律的一門(mén)基礎(chǔ)應(yīng)用學(xué)科，是研究材料共化學(xué)性能之間的規(guī)律的一門(mén)基礎(chǔ)應(yīng)用學(xué)科，是研究材料共性的一門(mén)學(xué)科。性的一門(mén)學(xué)科。 材料科學(xué)基礎(chǔ)課程的教學(xué)內(nèi)容材料科學(xué)基礎(chǔ)課程的教學(xué)內(nèi)容 材料科學(xué)基礎(chǔ)課程是材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的重要材料科學(xué)基礎(chǔ)課程是材料科學(xué)與

6、工程專(zhuān)業(yè)的重要的學(xué)科基礎(chǔ)課之一，主要介紹材料科學(xué)中的共性規(guī)律，的學(xué)科基礎(chǔ)課之一，主要介紹材料科學(xué)中的共性規(guī)律，即材料的組成即材料的組成- -形成（工藝）條件形成（工藝）條件- -結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)- -性能性能- -材料用材料用途之間相互關(guān)系及制約規(guī)律。內(nèi)容主要包括：材料種途之間相互關(guān)系及制約規(guī)律。內(nèi)容主要包括：材料種類(lèi)、晶體結(jié)構(gòu)、缺陷化學(xué)、非晶體結(jié)構(gòu)、材料的表面類(lèi)、晶體結(jié)構(gòu)、缺陷化學(xué)、非晶體結(jié)構(gòu)、材料的表面與界面、相圖、擴(kuò)散、相變、固相反應(yīng)及燒結(jié)等基礎(chǔ)與界面、相圖、擴(kuò)散、相變、固相反應(yīng)及燒結(jié)等基礎(chǔ)知識(shí)。知識(shí)。 0.1 0.1 材料分類(lèi)材料分類(lèi)n0.1.10.1.1 材料按化學(xué)組成（或基本組成）分類(lèi)材料

7、按化學(xué)組成（或基本組成）分類(lèi)n0.1.2 0.1.2 根據(jù)材料的性能分類(lèi)根據(jù)材料的性能分類(lèi) n0.1.3 0.1.3 材料按服役的領(lǐng)域來(lái)分類(lèi)材料按服役的領(lǐng)域來(lái)分類(lèi) n0.1.4 0.1.4 材料按結(jié)晶狀態(tài)分類(lèi)材料按結(jié)晶狀態(tài)分類(lèi)n0.1.5 0.1.5 材料按材料的尺寸分類(lèi)材料按材料的尺寸分類(lèi) n 按按物理性質(zhì)物理性質(zhì)可分為：導(dǎo)電材料、絕緣材料、半可分為：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、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。高溫材料、超硬材料等。n 按按物理效應(yīng)物理效應(yīng)分為：壓電材料、熱電材料、鐵電分為：壓電材料、熱電材料、鐵電材料、非線(xiàn)

8、性光學(xué)材料、磁光材料、電光材料、材料、非線(xiàn)性光學(xué)材料、磁光材料、電光材料、聲光材料、激光材料等。聲光材料、激光材料等。n 按按用途用途分為：電子材料、電工材料、光學(xué)材料、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。筑材料、結(jié)構(gòu)材料、包裝材料等。 0.1.1 按化學(xué)組成（或基本組成）分類(lèi)1. 1. 金屬材料金屬材料2. 2. 無(wú)機(jī)非金屬材料無(wú)機(jī)非金屬材料3. 3. 高分子材料（聚合物）高分子材料（聚合物）4. 4. 復(fù)合材料復(fù)合材料1.1.金屬材料金屬材料 金屬材料是由化學(xué)元素金屬材料是由化

9、學(xué)元素周期表中的金屬元素組成的周期表中的金屬元素組成的材料?？煞譃橛梢环N金屬元材料?？煞譃橛梢环N金屬元素構(gòu)成的單質(zhì)（純金屬）；素構(gòu)成的單質(zhì)（純金屬）；由兩種或兩種以上的金屬元由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素構(gòu)成素或金屬與非金屬元素構(gòu)成的合金。合金又可分為固溶的合金。合金又可分為固溶體和金屬間化合物。體和金屬間化合物。2. 2. 無(wú)機(jī)非金屬材料無(wú)機(jī)非金屬材料 無(wú)機(jī)非金屬材料是由硅酸鹽、鋁酸鹽、硼酸鹽、磷酸無(wú)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)

10、一定的工藝制備化物、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(chēng)。它與廣義的陶瓷材料有等同的含義。無(wú)機(jī)非金屬材總稱(chēng)。它與廣義的陶瓷材料有等同的含義。無(wú)機(jī)非金屬材料種類(lèi)繁多，用途各異，目前還沒(méi)有統(tǒng)一完善的分類(lèi)方法。料種類(lèi)繁多，用途各異，目前還沒(méi)有統(tǒng)一完善的分類(lèi)方法。一般將其分為傳統(tǒng)的（普通的）和新型的（先進(jìn)的）無(wú)機(jī)一般將其分為傳統(tǒng)的（普通的）和新型的（先進(jìn)的）無(wú)機(jī)非金屬材料兩大類(lèi)。非金屬材料兩大類(lèi)。 傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)非金屬材料傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)非金屬材料主主要是指由要是指由SiOSiO2 2及其硅酸鹽化合及

11、其硅酸鹽化合物為主要成分制成的材料，包物為主要成分制成的材料，包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。此外，搪瓷、磨料、鑄料等。此外，搪瓷、磨料、鑄石（輝綠巖、玄武巖等）、碳石（輝綠巖、玄武巖等）、碳素材料、非金屬礦（石棉、云素材料、非金屬礦（石棉、云母、大理石等）也屬于傳統(tǒng)的母、大理石等）也屬于傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)非金屬材料。無(wú)機(jī)非金屬材料。 先進(jìn)（或新型）無(wú)機(jī)非金屬材料先進(jìn)（或新型）無(wú)機(jī)非金屬材料是用氧化物、是用氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以及各種無(wú)機(jī)非金屬化合物經(jīng)特殊的先進(jìn)工藝制及各種無(wú)機(jī)非金屬化合物經(jīng)特殊的先進(jìn)工藝制成

12、的材料。主要包括先進(jìn)陶瓷、非晶態(tài)材料、成的材料。主要包括先進(jìn)陶瓷、非晶態(tài)材料、人工晶體、無(wú)機(jī)涂層、無(wú)機(jī)纖維等。人工晶體、無(wú)機(jī)涂層、無(wú)機(jī)纖維等。傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)非金屬材料之一：陶瓷傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)非金屬材料之一：陶瓷 陶瓷按其概念和用途不陶瓷按其概念和用途不同，可分為兩大類(lèi)，即同，可分為兩大類(lèi)，即普通普通陶瓷陶瓷和和特種陶瓷特種陶瓷。 根據(jù)陶瓷坯體結(jié)構(gòu)及其基根據(jù)陶瓷坯體結(jié)構(gòu)及其基本物理性能的差異，陶瓷制本物理性能的差異，陶瓷制品可分為品可分為陶器陶器和和瓷器瓷器。 n 普通陶瓷普通陶瓷即傳統(tǒng)陶瓷，是指以粘土為主要即傳統(tǒng)陶瓷，是指以粘土為主要原料與其它天然礦物原料經(jīng)過(guò)粉碎混練、原料與其它天然礦物原料經(jīng)過(guò)粉碎混

13、練、成型、煅燒等過(guò)程而制成的各種制品。包成型、煅燒等過(guò)程而制成的各種制品。包括日用陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、建筑陶瓷、化工括日用陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、電瓷以及其它工業(yè)用陶瓷。陶瓷、電瓷以及其它工業(yè)用陶瓷。n特種陶瓷特種陶瓷是用于各種現(xiàn)代工業(yè)及尖端科學(xué)技術(shù)是用于各種現(xiàn)代工業(yè)及尖端科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的陶瓷制品。包括結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷。領(lǐng)域的陶瓷制品。包括結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷。結(jié)構(gòu)陶瓷主要用于耐磨損、高強(qiáng)度、耐高溫、結(jié)構(gòu)陶瓷主要用于耐磨損、高強(qiáng)度、耐高溫、耐熱沖擊、硬質(zhì)、高剛性、低膨脹、隔熱等場(chǎng)耐熱沖擊、硬質(zhì)、高剛性、低膨脹、隔熱等場(chǎng)所。功能陶瓷主要包括電磁功能、光學(xué)功能、所。功能陶瓷主要包括電磁功能、

14、光學(xué)功能、生物功能、核功能及其它功能的陶瓷材料。生物功能、核功能及其它功能的陶瓷材料。 常見(jiàn)高溫結(jié)構(gòu)陶瓷包括：高熔點(diǎn)氧化物、碳常見(jiàn)高溫結(jié)構(gòu)陶瓷包括：高熔點(diǎn)氧化物、碳化物、硼化物、氮化物、硅化物?；?、硼化物、氮化物、硅化物。 功能陶瓷包括功能陶瓷包括: :裝置瓷（即電絕緣瓷）、電容裝置瓷（即電絕緣瓷）、電容器陶瓷、壓電陶瓷、磁性陶瓷（又稱(chēng)為鐵氧體）、器陶瓷、壓電陶瓷、磁性陶瓷（又稱(chēng)為鐵氧體）、導(dǎo)電陶瓷、超導(dǎo)陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷（又稱(chēng)為敏感導(dǎo)電陶瓷、超導(dǎo)陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷（又稱(chēng)為敏感陶瓷）、熱學(xué)功能陶瓷（熱釋電陶瓷、導(dǎo)熱陶瓷、陶瓷）、熱學(xué)功能陶瓷（熱釋電陶瓷、導(dǎo)熱陶瓷、低膨脹陶瓷、紅外輻射陶瓷等）、化

15、學(xué)功能陶瓷低膨脹陶瓷、紅外輻射陶瓷等）、化學(xué)功能陶瓷（多孔陶瓷載體等）、生物功能陶瓷等。（多孔陶瓷載體等）、生物功能陶瓷等。n根據(jù)陶瓷坯體結(jié)構(gòu)及其基本物理性能的差異，根據(jù)陶瓷坯體結(jié)構(gòu)及其基本物理性能的差異，陶瓷制品可分為陶瓷制品可分為陶器陶器和和瓷器瓷器。陶器包括粗陶。陶器包括粗陶器、普陶器和細(xì)陶器。陶器的坯體結(jié)構(gòu)較疏器、普陶器和細(xì)陶器。陶器的坯體結(jié)構(gòu)較疏松，致密度較低，有一定吸水率，斷口粗糙松，致密度較低，有一定吸水率，斷口粗糙無(wú)光，沒(méi)有半透明性，斷面成面狀或貝殼狀。無(wú)光，沒(méi)有半透明性，斷面成面狀或貝殼狀。傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)非金屬材料之二：玻璃傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)非金屬材料之二：玻璃 玻璃是由熔體過(guò)冷所制得的

16、非晶態(tài)材料。根據(jù)其形成玻璃是由熔體過(guò)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)形成劑分為玻璃等，其網(wǎng)絡(luò)形成劑分為SiOSiO2 2、B B2 2O O3 3和和P P2 2O O5 5。習(xí)慣上玻璃。習(xí)慣上玻璃態(tài)材料可分為態(tài)材料可分為普通玻璃普通玻璃和和特種玻璃特種玻璃兩大類(lèi)。兩大類(lèi)。 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。

17、和玻璃纖維等。 特種玻璃（亦稱(chēng)為新型玻璃）是指采用精制、高純或特種玻璃（亦稱(chēng)為新型玻璃）是指采用精制、高純或新型原料，通過(guò)新工藝在特殊條件新型原料，通過(guò)新工藝在特殊條件下或嚴(yán)格控制形成過(guò)程下或嚴(yán)格控制形成過(guò)程制成的一些具有特殊功能或特殊用途的玻璃。制成的一些具有特殊功能或特殊用途的玻璃。 特種玻璃包括特種玻璃包括SiOSiO2 2含量在含量在85%85%以上或以上或55%55%以下的硅酸鹽以下的硅酸鹽玻璃、非硅酸鹽氧化物玻璃（硼酸鹽、磷酸鹽、鍺酸鹽、玻璃、非硅酸鹽氧化物玻璃（硼酸鹽、磷酸鹽、鍺酸鹽、碲酸鹽、鋁酸鹽及氧氮玻璃、氧碳玻璃等）、非氧化物玻碲酸鹽、鋁酸鹽及氧氮玻璃、氧碳玻璃等）、非氧化

18、物玻璃（鹵化物、氮化物、硫化物、硫鹵化物、金屬玻璃等）璃（鹵化物、氮化物、硫化物、硫鹵化物、金屬玻璃等）以及光學(xué)纖維等。以及光學(xué)纖維等。 根據(jù)用途不同，特種玻璃分為防輻射玻璃、激光玻璃、根據(jù)用途不同，特種玻璃分為防輻射玻璃、激光玻璃、生物玻璃、多孔玻璃、非線(xiàn)性光學(xué)玻璃和光纖玻璃等。生物玻璃、多孔玻璃、非線(xiàn)性光學(xué)玻璃和光纖玻璃等。傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)非金屬材料之三：水泥傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)非金屬材料之三：水泥 水泥是指加入適量水泥是指加入適量水后可成塑性漿體，既能水后可成塑性漿體，既能在空氣中硬化又能在水中在空氣中硬化又能在水中硬化，并能夠?qū)⑸?、石等硬化，并能夠?qū)⑸?、石等材料牢固地膠結(jié)在一起的材料牢固地膠結(jié)在一起的

19、細(xì)粉狀水硬性材料。細(xì)粉狀水硬性材料。 水泥的種類(lèi)很多，按其用途和性能可分為：水泥的種類(lèi)很多，按其用途和性能可分為：通用水泥、專(zhuān)用水泥和特性水泥三大類(lèi)；按其通用水泥、專(zhuān)用水泥和特性水泥三大類(lèi)；按其所含的主要水硬性礦物，水泥又可分為硅酸鹽所含的主要水硬性礦物，水泥又可分為硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、氟鋁酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、氟鋁酸鹽水泥以及以工業(yè)廢渣和地方材料為主要組分的水泥以及以工業(yè)廢渣和地方材料為主要組分的水泥。目前水泥品種已達(dá)一百多種。水泥。目前水泥品種已達(dá)一百多種。n通用水泥通用水泥為大量土木工程所使用的一般用途的水為大量土木工程所使用的一般用途的水泥，如硅酸鹽水泥

20、、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸泥，如硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥和復(fù)合硅酸鹽水泥等。泥和復(fù)合硅酸鹽水泥等。n專(zhuān)用水泥專(zhuān)用水泥指有專(zhuān)門(mén)用途的水泥，如油井水泥、砌指有專(zhuān)門(mén)用途的水泥，如油井水泥、砌筑水泥等。筑水泥等。n特性水泥特性水泥則是某種性能比較突出的一類(lèi)水泥，如則是某種性能比較突出的一類(lèi)水泥，如快硬硅酸鹽水泥、抗硫酸鹽硅酸鹽水泥、中熱硅快硬硅酸鹽水泥、抗硫酸鹽硅酸鹽水泥、中熱硅酸鹽水泥、膨脹硫鋁酸鹽水泥、自應(yīng)力鋁酸鹽水酸鹽水泥、膨脹硫鋁酸鹽水泥、自應(yīng)力鋁酸鹽水泥等。泥等。 傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)非金屬材料之四：耐火

21、材料傳統(tǒng)的無(wú)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耐火材料是指耐火度不低于15801580的無(wú)機(jī)非金屬的無(wú)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(guó)對(duì)材料。它是為高溫技術(shù)服務(wù)的基礎(chǔ)材料。盡管各國(guó)對(duì)其定義不同，但基本含義是相同的，即耐火材料是用其定義不同，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、

22、菱鎂礦、白云母等）為原料制造的。粘土、硅石、菱鎂礦、白云母等）為原料制造的。 3. 3. 有機(jī)高分子材料（高聚物）有機(jī)高分子材料（高聚物） 高聚物是由一種或幾種簡(jiǎn)單低高聚物是由一種或幾種簡(jiǎn)單低分子化合物經(jīng)聚合而組成的分子量分子化合物經(jīng)聚合而組成的分子量很大的化合物。高聚物的種類(lèi)繁多，很大的化合物。高聚物的種類(lèi)繁多，性能各異，其分類(lèi)的方法多種多樣。性能各異，其分類(lèi)的方法多種多樣。按高分子材料按高分子材料來(lái)源來(lái)源分為天然高分子分為天然高分子材料和合成高分子材料；按材料的材料和合成高分子材料；按材料的性能和用途性能和用途可將高聚物分為橡膠、可將高聚物分為橡膠、纖維、塑料和膠粘劑等。纖維、塑料和膠粘劑

23、等。 4. 4. 復(fù)合材料復(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。基體相是一種連續(xù)相材料，它把改善性能的相和增強(qiáng)相。基體相是一種連續(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）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，又通的作用。復(fù)合材料既能保

24、持原組成材料的重要特色，又通過(guò)復(fù)合效應(yīng)使各組分的性能互相補(bǔ)充，獲得原組分不具備過(guò)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。的許多優(yōu)良性能。 復(fù)合材料的種類(lèi)繁多，目前還沒(méi)有統(tǒng)一的分復(fù)合材料的種類(lèi)繁多，目前還沒(méi)有統(tǒng)一的分類(lèi)方法，下面根據(jù)復(fù)合材料的三要素來(lái)分類(lèi)。按類(lèi)方法，下面根據(jù)復(fù)合材料的三要素來(lái)分類(lèi)。按基體材料基體材料分類(lèi)，有金屬基復(fù)合材料，陶瓷基復(fù)合分類(lèi)，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；按料，橡膠基復(fù)合材料等；按增強(qiáng)劑形狀增強(qiáng)劑形狀可分為?？煞譃榱Ｗ?、纖維及層狀復(fù)合材料；依

25、據(jù)復(fù)合材料的性能子、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?？煞譃榻Y(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料。0.1.2 0.1.2 根據(jù)材料的性能分類(lèi)根據(jù)材料的性能分類(lèi) 根據(jù)材料在外場(chǎng)作用下其性質(zhì)或性能根據(jù)材料在外場(chǎng)作用下其性質(zhì)或性能對(duì)外場(chǎng)的響應(yīng)不同，材料可分為對(duì)外場(chǎng)的響應(yīng)不同，材料可分為結(jié)構(gòu)材結(jié)構(gòu)材料料和和功能材料功能材料。 n結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料是指具有抵抗外場(chǎng)作用而保持自己是指具有抵抗外場(chǎng)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。這種材料韌性等），用于結(jié)構(gòu)目的的材料。這種材料通常用來(lái)制造工具、機(jī)械

26、、車(chē)輛和修建房屋、通常用來(lái)制造工具、機(jī)械、車(chē)輛和修建房屋、橋梁、鐵路等。是人們熟悉的機(jī)械制造材料、橋梁、鐵路等。是人們熟悉的機(jī)械制造材料、建筑材料，包括結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、鑄鐵、普建筑材料，包括結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、鑄鐵、普通陶瓷、耐火材料、工程塑料等傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)通陶瓷、耐火材料、工程塑料等傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料（一般結(jié)構(gòu)材料）以及高溫合金、結(jié)構(gòu)材料（一般結(jié)構(gòu)材料）以及高溫合金、結(jié)構(gòu)陶瓷等高級(jí)結(jié)構(gòu)材料。陶瓷等高級(jí)結(jié)構(gòu)材料。n功能材料功能材料是具有優(yōu)良的電學(xué)、磁學(xué)、光是具有優(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)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)功能及其相互轉(zhuǎn)化的功能

27、，被用于非結(jié)構(gòu)目的的高技術(shù)材料。構(gòu)目的的高技術(shù)材料。0.1.3 材料按服役的領(lǐng)域來(lái)分類(lèi) 根據(jù)材料服役的技術(shù)領(lǐng)域可分為根據(jù)材料服役的技術(shù)領(lǐng)域可分為信息信息材料材料、航空航天材料航空航天材料、能源材料能源材料、生物生物醫(yī)用材料醫(yī)用材料等。等。0.1.4 材料按結(jié)晶狀態(tài)分類(lèi)p單晶材料單晶材料是由一個(gè)比較完整的晶粒構(gòu)成的材是由一個(gè)比較完整的晶粒構(gòu)成的材料，如單晶纖維、單晶硅；料，如單晶纖維、單晶硅；p多晶材料多晶材料是由許多晶粒組成的材料，其性能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。與晶粒大小、晶界的性質(zhì)有密切的關(guān)系。p非晶態(tài)材料非晶態(tài)材料是由原子或分子排列無(wú)明顯規(guī)律是由原

28、子或分子排列無(wú)明顯規(guī)律的固體材料，如玻璃、高分子材料。的固體材料，如玻璃、高分子材料。 0.1.5 按材料的尺寸分類(lèi) 材料按材料的尺寸可分為零維材料、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。一維材料、二維材料、三維材料。 n零維材料零維材料即超微粒子，通過(guò)即超微粒子，通過(guò)Sol-gelSol-gel法、多相沉法、多相沉積或激光等方法，可以制備出亞微米級(jí)的陶瓷積或激光等方法，可以制備出亞微米級(jí)的陶瓷或金屬粉末，大小或金屬粉末，大小1 1100nm100nm的超微粒比表面積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)大（可作為高效催化劑）、比表面能高、熔點(diǎn)低、燒結(jié)

29、溫度下降、擴(kuò)散速度快、強(qiáng)度高而塑低、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吸收也發(fā)生異?，F(xiàn)象（可以成為高效微波吸收材料）。材料）。 n一維材料一維材料，如光導(dǎo)纖維由于其信息傳輸量遠(yuǎn)比，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(lái)增強(qiáng)其它的成細(xì)絲后便增加了韌性，可以用來(lái)增強(qiáng)其它的塊狀。實(shí)用纖維為碳纖維、硼纖

30、維、陶瓷纖維。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。纖維中強(qiáng)度和剛度最高的要算晶須。 n二維材料（薄膜），二維材料（薄膜），如金剛石薄膜、高溫超導(dǎo)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)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(xiàn)性體或半導(dǎo)體等，從而有可能作為光學(xué)薄膜用于非線(xiàn)性光學(xué)、光開(kāi)關(guān)、放

31、大或調(diào)幅、敏感與傳感元件，用于光學(xué)、光開(kāi)關(guān)、放大或調(diào)幅、敏感與傳感元件，用于顯示或探測(cè)器，用于環(huán)?；虮砻娓男缘谋Ｗo(hù)膜。顯示或探測(cè)器，用于環(huán)?；虮砻娓男缘谋Ｗo(hù)膜。n三維材料三維材料即塊狀材料。即塊狀材料。 合成與制備過(guò)程合成與制備過(guò)程使用效能使用效能性質(zhì)性質(zhì)組組成成與與結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)（化學(xué)化學(xué)）（工程工程）（物理學(xué)物理學(xué)） 組成組成- -結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)- -性質(zhì)性質(zhì)- -工藝過(guò)程之間關(guān)系示意圖工藝過(guò)程之間關(guān)系示意圖0.2 0.2 組成組成- -結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)- -性質(zhì)性質(zhì)- -工藝過(guò)程之間的工藝過(guò)程之間的關(guān)系關(guān)系 材料的材料的性質(zhì)性質(zhì)是指材料對(duì)電、磁、光、熱、機(jī)械載荷的是指材料對(duì)電、磁、光、熱、機(jī)械載荷的反應(yīng)，主

32、要決定于材料的組成與結(jié)構(gòu)。反應(yīng)，主要決定于材料的組成與結(jié)構(gòu)。 使用效能使用效能是材料在使用狀態(tài)下表現(xiàn)的行為，它與材料是材料在使用狀態(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、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(cè)及延壽措施等。壽命預(yù)測(cè)及延壽措施等。 合成與制備合成與制備過(guò)程包括傳統(tǒng)的冶煉、鑄錠、制粉、壓力過(guò)程包括傳統(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。工藝，使人工合成材料如超晶格、薄膜材料成為可能。材料科學(xué)

33、與工程材料科學(xué)與工程科學(xué)方面科學(xué)方面 偏重于研究材料的合成與制備、組成與結(jié)構(gòu)、性能與使用效能各組員本身及其相互間關(guān)系的規(guī)律；工程方面工程方面 著重與研究如何利用這些規(guī)律性的研究成果以新的或更有效的方式開(kāi)發(fā)并生產(chǎn)出材料，提高材料的使用效能，以滿(mǎn)足社會(huì)的需要。工程研究中還應(yīng)包括工程研究中還應(yīng)包括 材料制備與表征所需的儀器、設(shè)備的設(shè)計(jì)與制造。 在材料科學(xué)與工程的發(fā)展中，科學(xué)與工程彼此密切結(jié)合，構(gòu)成一個(gè)學(xué)科整體。1.1.合成與制備合成與制備合成合成指促使原子、分子結(jié)合而構(gòu)成材料的化學(xué)與物理過(guò)程。合成的研究既包括有關(guān)尋找新合成方法尋找新合成方法的科學(xué)問(wèn)題，也包括以適當(dāng)?shù)臄?shù)量和形態(tài)合成材料的技術(shù)問(wèn)題合成材料的技術(shù)問(wèn)題；既包括新材料的合成新材料的合成，也應(yīng)包括已有材料有材料的新合成方法的新合成方法（如溶膠-凝膠法）及其新新形態(tài)形態(tài)（如纖維、薄膜）的合成。制備制備研究如何控制原子與分子使之構(gòu)成有用的材料。這一點(diǎn)是與合成相同的，但制備還包括在更為宏觀的尺度宏觀的尺度上或以更大的規(guī)模控制材料的結(jié)構(gòu)，使之具備所需的性能和適用效能， 即包括材料的加工、處理、裝配和制造。簡(jiǎn)而言之，合成與制備就是將原子、分子聚簡(jiǎn)而言之，合成與制備就是將原子、分子聚合起來(lái)并最終轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏卯a(chǎn)品的一系列連續(xù)合起來(lái)并最終轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏卯a(chǎn)品的一系列連續(xù)過(guò)程。過(guò)程。 把合成制備簡(jiǎn)單的與工藝等同起來(lái)而忽略其基把合成制備簡(jiǎn)單的與工藝等同起來(lái)而