材料基礎(chǔ)-第一章材料科學(xué)概論

1、1.1 材料與物質(zhì)材料與物質(zhì) 物質(zhì)物質(zhì)是指任何有質(zhì)量并占據(jù)空間的東西。 材料材料是通過適當(dāng)?shù)姆椒ò盐镔|(zhì)變成有用的器件和工具，是人類用于制造物品、器件、構(gòu)件、工具及其它產(chǎn)品的物質(zhì)。 材料是物質(zhì)，但強(qiáng)調(diào)的是有形的、具有某些功效的物質(zhì)。因而，并非所有的物質(zhì)都可以稱為材料，如燃料、化學(xué)原料、藥物等，一般都不算是材料。 二者區(qū)別：材料強(qiáng)調(diào)效能 (performance)， 物質(zhì)強(qiáng)調(diào)性質(zhì) (property)。 第一章 材料科學(xué)概論 1.2 材料的分類材料的分類 材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是社會(huì)進(jìn)步文明程度的標(biāo)志，是一切科學(xué)技術(shù)與工程技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ)。它與世界科技發(fā)展、國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和日常生活密切相

2、關(guān)。 在20世紀(jì)70年代，人們已把信息、材料和能信息、材料和能源源列為現(xiàn)代文明的三大支柱；20世紀(jì)80年代以高新技術(shù)為代表的新技術(shù)革命，把新材料、信息技新材料、信息技術(shù)和生物技術(shù)術(shù)和生物技術(shù)列為重要標(biāo)志；21世紀(jì)，美國把與材料密切相關(guān)的四大技術(shù)：納米技術(shù)、生物技術(shù)、信息技術(shù)和認(rèn)知技術(shù)列為發(fā)展的重中之重。 材料不僅非常重要，而且種類繁多，目前主要有如下幾種分類方法： 化學(xué)鍵合化學(xué)鍵合(1) 金屬材料金屬材料(金屬鍵) 金屬材料占整個(gè)結(jié)構(gòu)材料的80, 主要有：a. 黑色金屬： 鐵、錳、鉻及其合金。有色金屬： 輕金屬(Al、Mg)、重金屬(Pb)、貴金屬(Au)和稀有金屬(稀土材料: La、Eu等)

3、。 (2) 無機(jī)非金屬材料(離子鍵)普通陶瓷普通陶瓷(porcelain, china): 天然存在的陶瓷材料，如 粘土、玻璃、水泥。先進(jìn)陶瓷先進(jìn)陶瓷(ceramic): 按化學(xué)配比人工合成的陶瓷材料如、 Al2O3 、ZrO2 SiC等。(3) 高分子材料高分子材料(共價(jià)鍵) 一類人工合成的有機(jī)化合物材料。a. 塑料塑料：熱固性塑料和熱塑性塑料 。 熱固性塑料熱固性塑料: 環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯、酚醛; 熱塑性塑料熱塑性塑料: 通用塑料(PE、PP etc)、工程 塑料 (PA、PC etc)、特種塑料(PEEK、PES)b. 橡膠橡膠：天然橡膠、丁氰橡膠c. 纖維纖維：有機(jī)纖維(PA、PET

4、、 PP、 PAN)等(4) 復(fù)合材料復(fù)合材料(混合鍵) 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)合材料: 連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(玻璃鋼)、短纖維增強(qiáng)塑料、紡織布增強(qiáng)復(fù)合材料等。 功能復(fù)合材料功能復(fù)合材料：顆粒填充復(fù)合材料、混雜增強(qiáng) 復(fù)合材料等。 2. 材料形態(tài)材料形態(tài)(1) 晶態(tài)材料: 單晶材料(Si)、多晶材料(Fe-C)(2) 非晶態(tài)材料: 普通玻璃、金屬玻璃、半導(dǎo)體 玻璃、高分子材料(3) 準(zhǔn)晶態(tài)材料：液晶高分子 3物理效應(yīng)物理效應(yīng) 壓電材料、熱釋電材材、聲光材料、電光材料、導(dǎo)電材料、結(jié)構(gòu)材料 . 4. 使用用途使用用途 電子材料、能源材料、建筑材料、耐磨材料、核能材料、生物材料 簡(jiǎn)言之，材料大致可分為二大

5、類： 結(jié)構(gòu)材料和功能材料 或傳統(tǒng)材料和新材料。1.3 材料發(fā)展歷程材料發(fā)展歷程 材料是人類用來制造有用物體的物質(zhì)，也是社會(huì)文明進(jìn)步程度的標(biāo)志。 因此，材料的發(fā)展與人類文明程度可歸為四個(gè)標(biāo)志性階段：石器時(shí)代、青銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代和信息時(shí)代。1. 第一代天然材料（原始社會(huì)）第一代天然材料（原始社會(huì)） 石塊、獸皮、樹木、泥土等2. 第二代材料為燒煉材料第二代材料為燒煉材料 用天然礦土和粘土燒制磚、陶瓷和水泥； 從天然礦石中提煉出銅、鐵等金屬，即冶煉材料；青銅時(shí)代大約起始于公元前5000年，是銅、錫、鋁的合金材料。 3. 第三代材料為合成材料第三代材料為合成材料 合成塑料、合成橡膠、合成纖維 1907

6、年：合成高分子材料工業(yè)開始出現(xiàn)，第一個(gè)制品是熱固性樹脂酚醛塑料。1927年：熱塑性樹脂出現(xiàn)，第一個(gè)制品是聚氯 乙烯（PVC)，30年代：聚合物概念正式創(chuàng)立(德國 H. Staudinger) 之后用該理論來指導(dǎo)生產(chǎn)合成橡膠和合成纖維。1940-50年：合成橡膠、合成纖維1950-70年：工程塑料、聚合物合金、功能塑料1970-80年：聚合物的工業(yè)化及其應(yīng)用1980年起 ：分子設(shè)計(jì)、高性能、高功能聚合物4 4第第四代材料為可設(shè)計(jì)材料四代材料為可設(shè)計(jì)材料 采用新的物理和化學(xué)方法，制備結(jié)構(gòu)和功能兼具、性能優(yōu)異的各種功能材料和復(fù)合材料。 5第五代為智能材料第五代為智能材料 這類材料隨著環(huán)境、時(shí)間、溫度

7、和外力的變化，能改變材料本身的性能或恢復(fù)原有的形狀，具有智能性。例如：形狀記憶合金（Ti-Ni合金）、聚氨酯塑料以及其它功能材料。1.4 材料科學(xué)材料科學(xué)1.4.1 材料科學(xué)的形成材料科學(xué)的形成 材料是早已存在的名詞，但材料科學(xué)材料科學(xué)這一學(xué)科的出現(xiàn)，卻是直到20世紀(jì)60年代才提出和建立的。在此以前，材料的制備和加工通常被認(rèn)為是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，是憑經(jīng)驗(yàn)制造出來的。 起因是，1957年蘇聯(lián)人造衛(wèi)星首先飛上天，美國朝野上下為之震驚，認(rèn)為材料落后是其重要的原因之一。于是，在美國MIT等大學(xué)相繼成立了材料研究中心或材料科學(xué)系或材料科學(xué)與工程系。 “材料科學(xué)學(xué)報(bào)”（Journal of Materials

8、 Science）”在1966年創(chuàng)刊。從此, 材料科學(xué)這個(gè)專有名詞便作為一門學(xué)科為公眾所接受和關(guān)注。 第一部材料科學(xué)與工程百科全書是由美國MIT科學(xué)家主編，由英國Pergamon出版社從1986年起出版。 材料科學(xué)的形成實(shí)際上是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果。 應(yīng)該說，四個(gè)方面的因素直接促進(jìn)了材料科學(xué)學(xué)科的形成、建立和發(fā)展。 首先，基礎(chǔ)學(xué)科如固體物理、無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，以及現(xiàn)代分析技術(shù)與儀器的發(fā)展，對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)有了深入系統(tǒng)的研究，推動(dòng)了對(duì)材料本質(zhì)的了解。 同時(shí)，專業(yè)基礎(chǔ)學(xué)科如冶金學(xué)、金屬學(xué)、陶瓷學(xué)、高分子科學(xué)等學(xué)科的進(jìn)一步發(fā)展也對(duì)材料本身的研究和發(fā)展大大加強(qiáng)，從而對(duì)材料的組

9、成、制備、結(jié)構(gòu)與性能，以及它們之間的相互關(guān)系的研究愈來愈深入，為材料科學(xué)的形成奠定了扎實(shí)比較的基礎(chǔ)。 其次，在材料科學(xué)名詞出現(xiàn)之前，金屬材料、高分子材料和陶瓷材料都已自成體系，而且它們之間有許多共性的東西，存在許多相似之處；更重要的是，三種材料之間的組合構(gòu)成的復(fù)合材料更是以其優(yōu)越的性能獲得了廣泛應(yīng)用，不同類型材料的研究可以相互借鑒，從而促進(jìn)科學(xué)的發(fā)展。 例如，馬氏體相變是由金屬學(xué)家提出的，是鋼鐵熱處理工藝的基礎(chǔ)理論，但是在氧化鋯陶瓷中也存在馬氏體相變現(xiàn)象，并成為陶瓷材料增韌的一種有效手段。 又如，材料制備方法中的溶膠-凝膠法，是利用金屬有機(jī)化合物的分解而得到納米級(jí)氧化陶瓷粒子，成為改進(jìn)陶瓷材料

10、的有效手段之一。 第三，各種材料的表征儀器和設(shè)備以及材料的制備和生產(chǎn)手段也有許多共同之處。 例如，光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡、透射電鏡、表面分析以及材料的力學(xué)性能與物理性能的測(cè)試基本是相同的。 在材料制品的成型和制造中，許多設(shè)備可以通用的，原理是相似的。例如，擠壓機(jī)，對(duì)金屬材料可以用來成型及冷加工來提高強(qiáng)度；而某些高分子材料，用擠壓工藝成絲后，其有機(jī)纖維的比強(qiáng)度、比剛度大幅度得到提高，同時(shí)也能制造管型制品及其復(fù)合材料。 第 四，不同類型的材料是可以相互替代和補(bǔ)充，充分發(fā)揮各種材料特有的優(yōu)異性能。 例如，通過對(duì)不同材料之間的復(fù)合，可以獲得結(jié)構(gòu)與性能明顯優(yōu)于原組分材料的性能。 此外，金屬材料、高分子材

11、料和 陶瓷材料 如果一直自成體系，缺乏溝通，互不了解，就不利于學(xué)科的協(xié)調(diào)發(fā)展和創(chuàng)新，更不利于集各個(gè)單一材料的優(yōu)異性能于一體，研制出性能更為優(yōu)越的新型復(fù)合材料。 正是在這樣的背景下，一門新的綜合性學(xué)科材料科學(xué)誕生了。 1.4. 2 材料科學(xué)與工程材料科學(xué)與工程1. 材料科學(xué)材料科學(xué) 材料科學(xué)是研究材料的組成、結(jié)構(gòu)與材料性質(zhì)之間關(guān)系的一門學(xué)科。 簡(jiǎn)言之，材料科學(xué)是研究材料的組織、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的相互關(guān)系。 它是從化學(xué)的角度，研究材料的化學(xué)組成、原子結(jié)構(gòu)、原子結(jié)合鍵、物相及合成方法； 從晶體學(xué)和固體物理學(xué)的角度，分析和討論材料的形態(tài)、結(jié)構(gòu)及其性能。 但材料的研究應(yīng)是面向?qū)嶋H、面向工程的, 研究的目的在于

12、工程實(shí)際應(yīng)用。 材料還必須從工程的角度，研究材料的制備工藝、加工工藝、性能改進(jìn)技術(shù)及其工程使用問題，通過合理的工藝制備出有實(shí)用價(jià)值、可批量生產(chǎn)并滿足工程實(shí)際的可用材料。 材料科學(xué)與工程技術(shù)材料科學(xué)與工程技術(shù)密不可分，控制材料的微觀結(jié)構(gòu)涉及工程問題。所以，材料科學(xué)名詞出現(xiàn)后不久，又提出了材料科學(xué)與工程材料科學(xué)與工程名詞。 許多大學(xué)的冶金系、材料系多數(shù)改名為材料科學(xué)與工程系；側(cè)重于基礎(chǔ)研究的叫材料科學(xué)系，偏重于工藝的叫材料工程系。 2. 材料科學(xué)與工程材料科學(xué)與工程 材料科學(xué)與工程是研究有關(guān)材料的組成、結(jié)構(gòu)、制備工藝與其性能及使用效能以及它們之間相互關(guān)系的技術(shù)開發(fā)及其應(yīng)用的科學(xué)。 材料科學(xué)與工程的

13、研究?jī)?nèi)容可用四面體圖來表示（圖1-1）, 即材料科學(xué)與工程四要素的相互關(guān)系： 合成與制備（synthesis-preparation）、 組成與結(jié)構(gòu)（composition - structure）、 性質(zhì)（property） 性能（performance）以及它們之間的關(guān)系。 圖 1-1 材料的合成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和性能 的相互關(guān)系示意圖 組成（成分）與組織結(jié)構(gòu)包含材料的四級(jí)層次結(jié)構(gòu)：原子結(jié)構(gòu)、結(jié)合鍵、原子排列以及顯微組織，其中，前三個(gè)微觀組織結(jié)構(gòu)影響材料的固有性質(zhì)：如密度、熔點(diǎn)、模量及其它物理性能；材料的顯微組織結(jié)構(gòu)，如圖1-2所示，主要影響材料的強(qiáng)度和塑性。 制備與加工工藝影響材料的微觀結(jié)構(gòu)

14、和顯微組織，其中加工工藝主要影響顯微組織結(jié)構(gòu)。 性質(zhì)，尤其是物理性質(zhì)，是由一定成分組成的材料本身所決定的。 性能(效能)是材料加工成制品后在環(huán)境條件下的服役性能，是材料的實(shí)際性能。 圖 1-2 低碳鋼的顯微組織結(jié)構(gòu) 歸納起來，材料科學(xué)有三個(gè)基本特點(diǎn)和屬性： 學(xué)科交叉 它是物理、化學(xué)、金屬學(xué)、陶瓷學(xué)、高分子化學(xué)、計(jì)算科學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科相互交叉、融合和復(fù)合的結(jié)果。 (2) 應(yīng)用性強(qiáng) 它是與工程應(yīng)用非常密切的學(xué)科。發(fā)展材料科學(xué)的目的在于研制新材料，滿足工程實(shí)際中的使用要求。 (1)(3) 不斷發(fā)展它是一門正在發(fā)展中的學(xué)科，并隨各個(gè)學(xué)科的本身的發(fā)展而不斷地完善和充實(shí)。1.5 材料科學(xué)在工程中的作用材料科學(xué)

15、在工程中的作用 材料科學(xué)在機(jī)電、能源、生物、信息、通訊、航天、航海、環(huán)保等技術(shù)科學(xué)與工程領(lǐng)域獲得了一系列的應(yīng)用。 人們?cè)诹私獠牧系膬?nèi)部結(jié)構(gòu)后，就可以將這些規(guī)律運(yùn)用到設(shè)計(jì)中，獲得許多有用的結(jié)果。例如，半導(dǎo)體材料的電阻值對(duì)溫度很敏感，可以用作精密的溫度計(jì)或溫度控制元件等。 工程設(shè)計(jì)人員和制造人員有了一定的材料科學(xué)知識(shí)后，就能更好地提出實(shí)際問題，通過探討和分析，加速研制出新型的材料。 技術(shù)人員懂得了材料的基本力學(xué)性能和物理性質(zhì)后，能合理地選擇材料；根據(jù)材料的使用功效，針對(duì)性地合理選擇好具有一定性價(jià)比的材料。 總之，新材料的開發(fā)將主宰一系列重要工程技術(shù)成就的取得。 同時(shí)，對(duì)現(xiàn)有材料進(jìn)行深入研究，不斷提

16、高質(zhì)量、增加品種、降低成本，也是具有很大的工程實(shí)際意義。這必將促進(jìn)材料科學(xué)與工程這門學(xué)科的迅速發(fā)展。 1.6 材料科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn) 1制備工藝與技術(shù)的開發(fā) 任何一種新材料從設(shè)計(jì)到應(yīng)用于實(shí)際，必須經(jīng)過合理的制備方法才能成為工程材料。 例如，超導(dǎo)材料是1986年發(fā)現(xiàn)的，目前還不能應(yīng)用于電力工業(yè)，沒有找到廉價(jià)而穩(wěn)定的生產(chǎn)線材的加工工藝。 C60即球碳元素的布基球材料，盡管發(fā)現(xiàn)之初認(rèn)為用途十分廣泛，但直到現(xiàn)在，仍處于科研階段，主要是沒有適宜的制備工藝能批量生產(chǎn)能。 納米碳管每克為500美元，因價(jià)格太高，目前難于工業(yè)應(yīng)用。另外，能批量制備出性能穩(wěn)定一致的碳納米管也存在很大問題。 再比如，傳統(tǒng)材料也是有

17、待改進(jìn)工藝，以便降低材料成本。 最常見的是易拉罐，每年需量600多億只，若每只成本僅降低一分，即可省6億元。 還有薄膜雙向拉伸等加工工藝等。 2材料的應(yīng)用開發(fā) 開發(fā)和使用材料的能力是衡量社會(huì)技術(shù)進(jìn)步及其未來發(fā)展的尺度。 僅僅研制出性能優(yōu)異的材料是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有當(dāng)新材料被廣泛應(yīng)用，才能真正發(fā)揮其應(yīng)有的作用。 材料的應(yīng)用開發(fā)，需要考慮四個(gè)因素： (1) 性能； (2) 壽命； (3) 價(jià)格； (4) 環(huán)境。 3開發(fā)先進(jìn)材料 當(dāng)今社會(huì)是知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代和信息時(shí)代。信息技術(shù)是社會(huì)發(fā)展必要的基礎(chǔ)。信息功能材料(1) 信息技術(shù)(IT)的核心是3C 。電子器件和設(shè)備需要信息材料，在信息的產(chǎn)生、獲取、存儲(chǔ)、傳輸

18、、轉(zhuǎn)換、處理及顯示等需要這些材料，同時(shí)要求這些元器件小型化、低功耗、多功能化和智能化。因此，信息功能材料將受到更高的重視。 (2) 先進(jìn)復(fù)合材料 結(jié)構(gòu)材料數(shù)量大，資源與能源消耗高、污染嚴(yán)重，對(duì)可持續(xù)發(fā)展有決定性作用。 金屬材料的耐磨損、耐腐蝕、耐高溫、抗疲勞性能的提高是延長(zhǎng)設(shè)備壽命的關(guān)鍵。 陶瓷材料的韌性提高和成本降低，將進(jìn)一步擴(kuò)大材料的使用范圍。 高分子材料的抗老化性能的提高，可以延長(zhǎng)材料的使用壽命，降低更新費(fèi)用。 材料之間的復(fù)合是性能提高的必然途徑。 開發(fā)新型復(fù)合材料是新材料研發(fā)的重點(diǎn)，也是當(dāng)今材料研究的關(guān)鍵領(lǐng)域。 (3) 能源材料的開發(fā) 目前，可開采的石油資源僅能維持30年左右。新型能源

19、材料的開發(fā)已刻不容緩。 除了目前使用的電能、核能、水能、風(fēng)能外，太陽能電池、燃料電池、天然氣將是未來使用的、新的替代能源。 煤炭制油通過液化或汽化技術(shù)成為石油或汽油，也是其中的一項(xiàng)選擇。(4) 生物材料的重視 隨著生物技術(shù)的發(fā)展，人類壽命的延壽以及生活質(zhì)量的提高，生物醫(yī)用材料是人們非常關(guān)注的領(lǐng)域。人類器官的移植、替換及其藥物緩釋等，需要加大力度研制出新的生物材料。 (5) 高分子材料要大力發(fā)展 高分子材料是可再生和可循環(huán)利用的。解決其老化劣化及功能化問題是面臨的一大任務(wù)。 另外，各種功能高分子材料如有機(jī)發(fā)光材料、導(dǎo)電材料、生物降解材料、功能薄膜材料等將是現(xiàn)在和未來發(fā)展的熱點(diǎn)。(6)納米材料 納

20、米是指尺寸為10億分之一米大小的粒子。 通常把粒子尺寸小于 0.1um（100nm）的顆粒，稱為納米材料(nano materials)、或納米粉 (nanopowders)或超細(xì)粒子(ultra fine particle)。 超細(xì)粒子，是指粒子尺寸介于普通微粉（powder）和原子團(tuán)(cluster)之間的一種中間物質(zhì)態(tài)。而通常的微米級(jí)粉體材料統(tǒng)稱為超細(xì)粉體(superfine powder)。 當(dāng)顆粒尺寸小到納米尺度時(shí)，由于尺寸效應(yīng)、晶界效應(yīng)和量子效應(yīng)等即體積效應(yīng)和表面效應(yīng)，納米材料顯示出獨(dú)特的物理、化學(xué)性能。 利用納米材料的這些功能，改進(jìn)結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度和韌性，并改進(jìn)材料的某些物理功能，

21、如磁性、光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)及其力學(xué)等性質(zhì)。（1）小尺寸效應(yīng) 納米粒子小到與光波波長(zhǎng)或更小時(shí)，晶體周期性的邊界被破壞，表面原子密度變小，使材料的聲、光、電、磁、熱等特性改變，叫小尺寸效應(yīng)。 此時(shí)，金屬的熔點(diǎn)大大降低。例如,2nm的Au 、Ag微粒，其熔點(diǎn)分別僅為3300C和1000C； 非導(dǎo)電材料變成導(dǎo)電材料。例如， 納米無機(jī)微粒SiO2 從絕緣體材料變成導(dǎo)電材料。 脆性材料會(huì)變成韌性材料。例如，用納米級(jí)TiO2燒結(jié)的陶瓷材料，在801800C之間可以彎曲。 磁有序態(tài)轉(zhuǎn)向非有序態(tài)。例如純Fe。 還有，光吸收明顯增大，并產(chǎn)生吸收峰的等離子共振頻移。用納米粒子做成的薄膜，其微波和光的反射隨粒徑的變小而顯著降低，利用此特性，可將納米粒子用作隱形飛機(jī)的涂層材料。(2) 表面效應(yīng) 一個(gè)粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比或表面積與體積之比，隨粒徑變小而驟然增大，引起種種性質(zhì)上的變化如熔點(diǎn)降低、比熱容異常等，稱為表面效應(yīng)表面效應(yīng)。