材料科學基礎 顧宜版 第一章緒論

1、材料科學基礎材料科學基礎XX學院XX班主講教師：XXXTel: XXXE-mail: XXX緒緒 論論n0.1 什么是材料？什么是材料？q 材料與人類文明材料與人類文明材料的重要性材料的重要性q 什么是材料科學與工程？什么是材料科學與工程？n0.2 材料的分類材料的分類 n0.3 組成組成-結構結構-工藝過程工藝過程-性質之間的關系性質之間的關系 教學目標教學目標n了解材料的定義、分類與發(fā)展簡史（現(xiàn)狀與趨勢）。n掌握材料科學與工程的四要素及其相互之間的邏輯關系。n了解本課程及其學習方法。0.1 什么是材料？什么是材料？世界萬物，凡于我有世界萬物，凡于我有用用者，皆謂之材料者，皆謂之材料(Mat

2、erials)。材料是具有一定。材料是具有一定性能性能，可以用來，可以用來制作制作器件、構件、工具、裝置等物品的物質。材料存器件、構件、工具、裝置等物品的物質。材料存在于我們的周圍，與我們的生活、我們的生命息在于我們的周圍，與我們的生活、我們的生命息息相關。息相關。原料原料（Raw Materials）與材料與材料n原料一般不是為獲得產品，而是生產材料，由原料到材料的過程往往伴隨化學變化。n材料的特點往往是為獲得產品，一般從材料到產品的轉變過程不發(fā)生化學變化。材料與物質材料與物質（Matter）n材料可由一種或多種物質組成。n同一物質由于制備方法或加工方法不同可以得到用途各異、類型不同的材料。

3、n材料科學側重于工程學（工科），物質科學側重于基礎科學（理科）。概念區(qū)別概念區(qū)別材料與人類文明材料與人類文明材料是科學技術發(fā)展和社會進步的物質基礎，是材料是科學技術發(fā)展和社會進步的物質基礎，是人類文明進步的標志。人類文明進步的標志。在歷史上，人們將石器、青銅器、鐵器等當時的在歷史上，人們將石器、青銅器、鐵器等當時的主導材料作為標志，稱當時所處的時代分別為主導材料作為標志，稱當時所處的時代分別為石器石器時代時代、青銅器時代青銅器時代和和鐵器時代鐵器時代。在近代，材料的種類及其繁多，各種在近代，材料的種類及其繁多，各種新材料新材料不斷不斷涌現(xiàn)，很難用一種材料來代表當今時代的特征。涌現(xiàn)，很難用一種材

4、料來代表當今時代的特征。中國古代許多寶刀、寶劍都是采用獨特的加工方法制成的。三國時中國古代許多寶刀、寶劍都是采用獨特的加工方法制成的。三國時期曹操有期曹操有“百煉利器百煉利器”五把。孫權有三把寶刀，其中有一把也命名五把。孫權有三把寶刀，其中有一把也命名為為“百煉百煉”。劉備令蒲元造寶刀五千把，上刻有劉備令蒲元造寶刀五千把，上刻有“七十二煉七十二煉”。 第一次工業(yè)革命（蒸汽時代）第一次工業(yè)革命（蒸汽時代）的突破口是推廣的突破口是推廣應用蒸汽機應用蒸汽機 ，但只有在開發(fā)了，但只有在開發(fā)了鐵鐵和和銅銅等新材料以后，等新材料以后，蒸汽機才得以使用并逐步推廣。蒸汽機才得以使用并逐步推廣。 第二次工業(yè)革命

5、（電氣時代）第二次工業(yè)革命（電氣時代）一直延續(xù)到一直延續(xù)到20世世紀中葉，以石油開發(fā)和新能源廣泛使用為突破口，紀中葉，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、汽車和其他工業(yè)，支持這個時期產大力發(fā)展飛機、汽車和其他工業(yè)，支持這個時期產業(yè)革命的仍然是新材料開發(fā)。如業(yè)革命的仍然是新材料開發(fā)。如合金鋼、鋁合金以合金鋼、鋁合金以及各種非金屬材料及各種非金屬材料的發(fā)展。的發(fā)展。 n材料是當代文明的材料是當代文明的三大支柱三大支柱之一之一材料材料、能源、信息、能源、信息是當代社會文明和國民經是當代社會文明和國民經濟的三大支柱，是人類社會進步和科學技術發(fā)展?jié)娜笾е?，是人類社會進步和科學技術發(fā)展的

6、物質基礎和技術先導。的物質基礎和技術先導。n 材料是全球新技術革命的材料是全球新技術革命的四大標志四大標志之一（之一（新新材料技術材料技術、新能源技術、信息技術、新能源技術、信息技術、生物技生物技術術）。）。第三次工業(yè)革命第三次工業(yè)革命1、石墨烯、石墨烯 n突破性：突破性：非同尋常的導電性能、極低的電阻率極低和極快的電子遷移的速度、超出鋼鐵數(shù)十倍的強度和極好的透光性。 n發(fā)展趨勢：發(fā)展趨勢：2010年諾貝爾物理學獎造就近年技術和資本市場石墨烯炙手可熱，未來5年將在光電顯示、半導體、觸摸屏、電子器件、儲能電池、顯示器、傳感器、半導體、航天、軍工、復合材料、生物醫(yī)藥等領域將爆發(fā)式增長。 未來最具潛

7、力的新材料未來最具潛力的新材料 英國曼徹斯特大學科學家安德烈海姆2、碳納米管、碳納米管 n突破性突破性：高電導率、高熱導率、高彈性模量、高抗拉強度等。發(fā)展趨勢發(fā)展趨勢：功能器件的電極、催化劑載體、傳感器等。 3、3D打印材料打印材料 n突破性：突破性：改變傳統(tǒng)工業(yè)的加工方法，可快速實現(xiàn)復雜結構的成型等。 n發(fā)展趨勢：發(fā)展趨勢：革命性成型方法，在復雜結構成型和快速加工成型領域，有很大前景。 n主要研究機構（公司）：主要研究機構（公司）：Object公司，3DSystems公司，Stratasys公司，華曙高科等。 4、氣凝膠、氣凝膠 n突破性：突破性：高孔隙率、質輕、低熱導率，隔熱保溫特性優(yōu)異。

8、發(fā)展趨勢：發(fā)展趨勢：極具潛力的新材料，在節(jié)能環(huán)保、保溫隔熱電子電器、建筑等領域有巨大潛力。 5、非晶合金、非晶合金 n突破性：突破性：高強韌性、優(yōu)良的導磁性和低的磁損耗、優(yōu)異的液態(tài)流動性。 n發(fā)展趨勢：發(fā)展趨勢：在高頻低損耗變壓器、移動終端設備的結構件等。 6、泡沫金屬、泡沫金屬 n突破性：突破性： 重量輕、密度低、孔隙率高、比表面積大。 n發(fā)展趨勢：發(fā)展趨勢： 具有導電性，可替代無機非金屬材料不能導電的應用領域；在隔音降噪領域具有巨大潛力。 7、離子液體、離子液體 n突破性：突破性：具有高熱穩(wěn)定性，寬液態(tài)溫度范圍，可調的酸堿性、極性、配位能力（“可設性”），易于與其他物質分離（循環(huán)利用率高）

9、，良好的導電性等。 n發(fā)展趨勢：發(fā)展趨勢：在綠色化工領域，以及生物和催化領域具有廣闊的應用前景。 8、超材料、超材料 n突破性：突破性：具有常規(guī)材料不具有的物理特性，如負磁導率、負介電常數(shù)等。 n發(fā)展趨勢：發(fā)展趨勢： 改變傳統(tǒng)根據(jù)材料的性質進行加工的理念，未來可根據(jù)需要來設計材料的特性，潛力無限、革命性。 9、超導材料、超導材料 n突破性：突破性：超導狀態(tài)下，材料零電阻，電流不損耗，材料在磁場中表現(xiàn)抗磁性等。 n發(fā)展趨勢：發(fā)展趨勢：未來如突破高溫超導技術，有望解決電力傳輸損耗、電子器件發(fā)熱等難題，以及綠色新型傳輸磁懸技術。 10、形狀記憶合金、形狀記憶合金 n突破性：突破性：預成型后，在受外界

10、條件強制變形后，再經一定條件處理，恢復為原來形狀，實現(xiàn)材料的變形可逆性設計和應用。 n發(fā)展趨勢：發(fā)展趨勢： 在空間技術、醫(yī)療器械、機械電子設備等領域潛力巨大。 什么是材料科學與工程？什么是材料科學與工程？ 材料科學與工程是一門以固體材料為研究對象，以固體材料科學與工程是一門以固體材料為研究對象，以固體物理、熱力學、動力學、量子力學、冶金、化學化工為理論物理、熱力學、動力學、量子力學、冶金、化學化工為理論基礎的邊緣交叉的應用基礎學科，它運用電子顯微鏡、基礎的邊緣交叉的應用基礎學科，它運用電子顯微鏡、X-射射線衍射、熱譜、電子離子探針等各種精密儀器和技術，探討線衍射、熱譜、電子離子探針等各種精密儀

11、器和技術，探討材料的組成、結構、制備工藝和加工使用過程與其機械、物材料的組成、結構、制備工藝和加工使用過程與其機械、物理、化學性能之間的規(guī)律，是研究材料共性的一門學科。理、化學性能之間的規(guī)律，是研究材料共性的一門學科。 概念區(qū)別概念區(qū)別n科學是研究科學是研究“為什么為什么”的學問，而工程是解決的學問，而工程是解決“怎么做怎么做”的學問。材料科學的基礎理論，為材料的學問。材料科學的基礎理論，為材料工程指明方向，為更好地選擇、使用材料，發(fā)揮工程指明方向，為更好地選擇、使用材料，發(fā)揮材料的潛力、發(fā)展新材料提供理論基礎。材料的潛力、發(fā)展新材料提供理論基礎。 n材料科學和材料工程之間的區(qū)別主要在于材料科

12、學和材料工程之間的區(qū)別主要在于著眼點著眼點的不同或者說各自強調的中心不同，它們之間并的不同或者說各自強調的中心不同，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，采用一個復合名詞材料科學與工者放在一起，采用一個復合名詞材料科學與工程（程（Materials Science and EngineeringMaterials Science and Engineering）材料科學與材料工程材料科學與材料工程n0.2.1 按化學組成分類（重點）按化學組成分類（重點）n0.2.2 根據(jù)材料的性能分類根據(jù)材料的性能分類 n0.2.3 按服役的

13、領域來分類按服役的領域來分類 n0.2.4 按結晶狀態(tài)分類按結晶狀態(tài)分類n0.2.5 按材料的維度分類按材料的維度分類 0.2 材料的分類材料的分類 0.2.1 按化學組成分類（重點）按化學組成分類（重點）1. 金屬材料金屬材料2. 高分子材料（聚合物）高分子材料（聚合物）3. 無機非金屬材料無機非金屬材料4. 復合材料復合材料1. 金屬材料金屬材料 金屬材料是由化學元素周期金屬材料是由化學元素周期表中的表中的金屬元素金屬元素組成的材料?？山M成的材料。可分為由一種金屬元素構成的分為由一種金屬元素構成的單質單質（純金屬）；由兩種或兩種以上（純金屬）；由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素的

14、金屬元素或金屬與非金屬元素構成的構成的合金合金。合金又可分為固溶。合金又可分為固溶體和金屬間化合物體和金屬間化合物。 在在103種元素中，除種元素中，除He、Ne、Ar等等6種惰性元素和種惰性元素和C、Si、N等等16種非金屬元素外，其余種非金屬元素外，其余81種為金屬元素。除種為金屬元素。除Hg之外，單質金之外，單質金屬在屬在常溫下呈現(xiàn)固體形態(tài)，外觀不透明，具有特殊的金屬光澤及常溫下呈現(xiàn)固體形態(tài)，外觀不透明，具有特殊的金屬光澤及良好的導電性和導熱性。在力學性質方面，具有較高的強度、剛良好的導電性和導熱性。在力學性質方面，具有較高的強度、剛度、延展性及耐沖擊性。度、延展性及耐沖擊性。 合金是由

15、兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬元素與非金屬合金是由兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬元素與非金屬元素熔合在一起形成的具有金屬特性的新物質。合金的性質與組元素熔合在一起形成的具有金屬特性的新物質。合金的性質與組成合金的各個相的性質有關，同時也與這些相在合金中的數(shù)量、成合金的各個相的性質有關，同時也與這些相在合金中的數(shù)量、形狀及分布有關。形狀及分布有關。2. 2. 有機高分子材料（高聚物）有機高分子材料（高聚物） 高聚物是由一種或幾種簡單高聚物是由一種或幾種簡單低分子化合物經聚合而組成的分低分子化合物經聚合而組成的分子量很大的化合物。高聚物的種子量很大的化合物。高聚物的種類繁多，性能各異，其分類的

16、方類繁多，性能各異，其分類的方法多種多樣。按高分子材料法多種多樣。按高分子材料來源來源分為分為天然高分子材料天然高分子材料和和合成高分合成高分子材料子材料；按材料的；按材料的性能和用途性能和用途可可將高聚物分為將高聚物分為橡膠橡膠、纖維纖維、塑料塑料和和膠粘劑膠粘劑等。等。 n室溫彈性高，即使在很小的外力作用下，也能室溫彈性高，即使在很小的外力作用下，也能產生很大的形變（可達產生很大的形變（可達1000%），外力去除后，），外力去除后，能迅速恢復原狀。能迅速恢復原狀。n其彈性模量小，約其彈性模量小，約105104 Pa。n常用的橡膠有天然橡膠（異戊橡膠）、丁苯橡常用的橡膠有天然橡膠（異戊橡膠）

17、、丁苯橡膠、順丁橡膠（聚丁二烯）、乙丙橡膠和硅橡膠、順丁橡膠（聚丁二烯）、乙丙橡膠和硅橡膠等。膠等。橡膠橡膠n彈性模量較大，約彈性模量較大，約1091010 Pa。n受力時，形變不超過百分之二十。受力時，形變不超過百分之二十。n纖維大分子沿軸向作規(guī)則排列，其長徑比較大，纖維大分子沿軸向作規(guī)則排列，其長徑比較大，在較廣的溫度范圍（在較廣的溫度范圍（-50150）內，機械性能變）內，機械性能變化不大?；淮?。n常用的合成纖維有尼龍、滌綸、晴綸和維尼綸等。常用的合成纖維有尼龍、滌綸、晴綸和維尼綸等。 纖維纖維n彈性模量介于橡膠和纖維之間，約彈性模量介于橡膠和纖維之間，約107108 Pa。n受力形變

18、可從百分之幾至百分之幾百。受力形變可從百分之幾至百分之幾百。n有些塑料的形變是可逆的，有些塑料的形變是永久的。根有些塑料的形變是可逆的，有些塑料的形變是永久的。根據(jù)塑料受熱時行為的不同，分為據(jù)塑料受熱時行為的不同，分為熱塑性熱塑性和和熱固性熱固性塑料兩類。塑料兩類。n熱塑性塑料熱塑性塑料：受熱時可以軟化和塑化，冷卻時則凝固成形，：受熱時可以軟化和塑化，冷卻時則凝固成形，再加熱又可軟化塑化，如聚乙烯、聚氯乙烯和聚碳酸酯等。再加熱又可軟化塑化，如聚乙烯、聚氯乙烯和聚碳酸酯等。n熱固性塑料熱固性塑料：受熱時軟化和塑化，發(fā)生化學反應，并固化：受熱時軟化和塑化，發(fā)生化學反應，并固化成型，冷卻后不能再加熱

19、軟化塑化，如環(huán)氧塑料、酚醛塑成型，冷卻后不能再加熱軟化塑化，如環(huán)氧塑料、酚醛塑料（電木）和脲醛塑料等。料（電木）和脲醛塑料等。 塑料塑料n常溫下處于粘流態(tài)，當受到外力作用時，會產生永久常溫下處于粘流態(tài)，當受到外力作用時，會產生永久變形，外力撤去后又不能恢復原狀的高聚物。變形，外力撤去后又不能恢復原狀的高聚物。n有時把聚合后未加工成型的高聚物稱為有時把聚合后未加工成型的高聚物稱為樹脂樹脂，以區(qū)分，以區(qū)分加工后的塑料或纖維制品，如電木固化前稱酚醛樹脂，加工后的塑料或纖維制品，如電木固化前稱酚醛樹脂，滌綸纖維未紡織前稱滌綸樹脂。滌綸纖維未紡織前稱滌綸樹脂。膠粘劑膠粘劑3. 無機非金屬材料無機非金屬材

20、料 無機非金屬材料是由硅酸鹽、鋁酸鹽、硼酸鹽、磷酸無機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、鹵化物等原料經一定的工藝制備化物、硫化物、硅化物、鹵化物等原料經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，與總稱，與廣義的陶瓷材料廣義的陶瓷材料有等同的含義。有等同的含義。 無機非金屬材料種類繁多，用途各異，目前還沒有統(tǒng)無機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。一般將其分為一完善的

21、分類方法。一般將其分為傳統(tǒng)的（普通的）傳統(tǒng)的（普通的）和和新新型的（先進的）型的（先進的）無機非金屬材料兩大類。無機非金屬材料兩大類。 傳統(tǒng)的無機非金屬材料傳統(tǒng)的無機非金屬材料n主要是指由主要是指由SiO2及其硅酸鹽化合及其硅酸鹽化合物為主要成分制成的材料。物為主要成分制成的材料。n包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。料等。n此外，搪瓷、磨料、鑄石（輝綠此外，搪瓷、磨料、鑄石（輝綠巖、玄武巖等）、碳素材料、非巖、玄武巖等）、碳素材料、非金屬礦（石棉、云母、大理石等）金屬礦（石棉、云母、大理石等）也屬于傳統(tǒng)的無機非金屬材料。也屬于傳統(tǒng)的無機非金屬材料。新型（或先進）無機

22、非金屬材料新型（或先進）無機非金屬材料n用氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅用氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以及各種無機非金屬化合物經特殊的先進工藝化物以及各種無機非金屬化合物經特殊的先進工藝制成的材料。制成的材料。n主要包括先進陶瓷、非晶態(tài)材料、人工晶體、無機主要包括先進陶瓷、非晶態(tài)材料、人工晶體、無機涂層、無機纖維等。涂層、無機纖維等。4. 復合材料復合材料 n復合材料是由兩種或兩種以上化學成分或組織結構不同的材復合材料是由兩種或兩種以上化學成分或組織結構不同的材料組合而成。料組合而成。n復合材料是多相材料，主要包括復合材料是多相材料，主要包括基體基體相相和和增強相

23、增強相?；w相是?；w相是一種連續(xù)相材料，它把改善性能的增強相材料固結成一體，一種連續(xù)相材料，它把改善性能的增強相材料固結成一體，并起傳遞應力的作用；增強相起承受應力（結構復合材料）并起傳遞應力的作用；增強相起承受應力（結構復合材料）和顯示功能（功能復合材料）的作用。（和顯示功能（功能復合材料）的作用。（教材表教材表1-1）n復合材料既能保持原組成材料的重要特色，又通過復合效應復合材料既能保持原組成材料的重要特色，又通過復合效應使各組分的性能互相補充，獲得原組分不具備的許多優(yōu)良性使各組分的性能互相補充，獲得原組分不具備的許多優(yōu)良性能。能。 n按按基體材料基體材料分類：金屬基復合材料，陶瓷基復合

24、材分類：金屬基復合材料，陶瓷基復合材料，水泥、混凝土基復合材料，塑料基復合材料，料，水泥、混凝土基復合材料，塑料基復合材料，橡膠基復合材料等；橡膠基復合材料等；n按按增強增強體體的維度的維度可分為粒子、纖維及層狀復合材料；可分為粒子、纖維及層狀復合材料；復合材料的分類復合材料的分類0.2.2 按材料的性能分類按材料的性能分類 根據(jù)材料在外場作用下其性質或性能對外場根據(jù)材料在外場作用下其性質或性能對外場的響應的不同，材料可分為的響應的不同，材料可分為結構材料結構材料和和功能材料功能材料兩大類。兩大類。 n指具有抵抗外場作用而保持自己的形狀、結構不變的優(yōu)良指具有抵抗外場作用而保持自己的形狀、結構不

25、變的優(yōu)良力學性能（強度和韌性等），用于力學性能（強度和韌性等），用于結構目的結構目的的材料。的材料。n這種材料通常用來制造工具、機械、車輛和修建房屋、橋這種材料通常用來制造工具、機械、車輛和修建房屋、橋梁、鐵路等。梁、鐵路等。n主要包括：機械制造材料、建筑材料，包括結構鋼、工具主要包括：機械制造材料、建筑材料，包括結構鋼、工具鋼、鑄鐵、普通陶瓷、耐火材料、工程塑料等鋼、鑄鐵、普通陶瓷、耐火材料、工程塑料等傳統(tǒng)結構材傳統(tǒng)結構材料料，以及高溫合金、結構陶瓷等，以及高溫合金、結構陶瓷等先進結構材料先進結構材料。結構材料結構材料n指具有優(yōu)良的電學、磁學、光學、熱學、聲指具有優(yōu)良的電學、磁學、光學、熱學

26、、聲學、力學、化學和生物學等功能及其相互轉學、力學、化學和生物學等功能及其相互轉化的功能，用于化的功能，用于非結構目的非結構目的的高技術材料。的高技術材料。功能材料功能材料0.2.3 按服役的領域來分類按服役的領域來分類 根據(jù)材料服役的技術領域可分為根據(jù)材料服役的技術領域可分為信信息材料息材料、航空航天材料航空航天材料、能源材料能源材料、生生物醫(yī)用材料物醫(yī)用材料等。等。 n信息材料信息材料是指用于信息的探測、傳輸、顯示、運算和處理的是指用于信息的探測、傳輸、顯示、運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?。┕怆娦畔⒉牧?。信息材料主要包括信息的監(jiān)測和傳感（獲?。┎牧稀⑿畔⒌?/p>

27、傳輸材料、信息的存儲材料、信息的運算和處材料、信息的傳輸材料、信息的存儲材料、信息的運算和處理材料。理材料。 n航空航天材料航空航天材料主要包括主要包括新型金屬材料新型金屬材料（如先進鋁合金、（如先進鋁合金、超高強度鋼、高溫合金等）、超高強度鋼、高溫合金等）、燒蝕防熱材料燒蝕防熱材料和和新型復合新型復合材料材料。此外，還包括一些功能材料，如涂層材料、隔熱。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、粘材料、透明材料、阻尼材料、密封材料、潤滑材料、粘合劑材料等。合劑材料等。n能源材料能源材料是指能源工業(yè)和能源技術所使用的材料，按使用是指能源工業(yè)和能源技

28、術所使用的材料，按使用目的不同分為新能源材料、節(jié)能材料和儲氫材料等。新能目的不同分為新能源材料、節(jié)能材料和儲氫材料等。新能源材料包括核反應堆材料、源材料包括核反應堆材料、太陽能電池太陽能電池；節(jié)能材料包括非；節(jié)能材料包括非晶體金屬磁性材料（用作變壓器鐵芯的晶體金屬磁性材料（用作變壓器鐵芯的Fe-Mn-B-Si合金）合金）和和超導材料超導材料（Nb-Ti、Nb-Sn巨型磁體用材料）；儲氫材料，巨型磁體用材料）；儲氫材料，以及以及高比能電池高比能電池（如鈉硫電池、鋰離子電池）等。（如鈉硫電池、鋰離子電池）等。n生物醫(yī)用材料生物醫(yī)用材料是一類合成物質或天然物質或這些物質的復合，它能作是一類合成物質或

29、天然物質或這些物質的復合，它能作用一個系統(tǒng)的整體或部分，在一定時期內治療、增強或替換機體的組用一個系統(tǒng)的整體或部分，在一定時期內治療、增強或替換機體的組織、器官或功能。織、器官或功能。 醫(yī)用金屬及合金醫(yī)用金屬及合金 醫(yī)用高分子材料：醫(yī)用高分子材料：合成和天然高分子，已被廣泛用于韌帶、肌腱、皮膚、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和制血管、角膜、人工臟器、骨和牙等人體軟、硬組織及器官的修復和制造。造。 醫(yī)用生物陶瓷：醫(yī)用生物陶瓷：惰性和活性生物陶瓷、生物玻璃等，如氧化鋁瓷、氧化惰性和活性生物陶瓷、生物玻璃等，如氧化鋁瓷、氧化鋯

30、瓷、生物碳等以及羥基磷灰石、磷酸三鈣陶瓷等。鋯瓷、生物碳等以及羥基磷灰石、磷酸三鈣陶瓷等。 醫(yī)用復合材料：醫(yī)用復合材料：表面涂層生物活性人工牙根、人工心臟瓣膜人造血管等。表面涂層生物活性人工牙根、人工心臟瓣膜人造血管等。0.2.4 材料按結晶狀態(tài)分類材料按結晶狀態(tài)分類 q單晶材料單晶材料是由一個比較完整的晶粒構成的材料，如單晶是由一個比較完整的晶粒構成的材料，如單晶纖維、單晶硅等；纖維、單晶硅等；q多晶材料多晶材料是由許多晶粒組成的材料，如多晶硅等，其性是由許多晶粒組成的材料，如多晶硅等，其性能與晶粒大小、晶界的性質有密切的關系。能與晶粒大小、晶界的性質有密切的關系。q非晶態(tài)材料非晶態(tài)材料是由

31、原子或分子排列無明顯規(guī)律的固體材料，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。如玻璃、高分子材料。 q準晶材料準晶材料是指準周期性晶體材料的簡稱，準晶中的原子是指準周期性晶體材料的簡稱，準晶中的原子分布有嚴格的位置序，但不具備晶體的平移周期性，是分布有嚴格的位置序，但不具備晶體的平移周期性，是處于晶體與非晶體之間的一種材料。處于晶體與非晶體之間的一種材料。準晶晶體與非晶單晶多晶0.2.5 按材料的維度分類按材料的維度分類 材料按材料的維度可分為零維材料、材料按材料的維度可分為零維材料、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、

32、納米粒子，通過溶膠即超微粒子、納米粒子，通過溶膠-凝膠凝膠(sol-gel)法、多相沉積或激光等方法，可以制備出法、多相沉積或激光等方法，可以制備出亞微米級亞微米級(1100nm)的陶瓷或金屬粉末，它們具有比表面積巨大的陶瓷或金屬粉末，它們具有比表面積巨大（可作為高效催化劑）、比表面能超高、熔點低、燒結（可作為高效催化劑）、比表面能超高、熔點低、燒結溫度下降、擴散速度快、強度高而塑性下降慢、電子態(tài)溫度下降、擴散速度快、強度高而塑性下降慢、電子態(tài)由連續(xù)能帶變?yōu)椴贿B續(xù)、光吸收出現(xiàn)異?，F(xiàn)象（可以成由連續(xù)能帶變?yōu)椴贿B續(xù)、光吸收出現(xiàn)異?，F(xiàn)象（可以成為高效微波吸收材料）等特性。為高效微波吸收材料）等特性。

33、 n一維材料一維材料，如光導纖維由于其信息傳輸量遠比銅、鉛，如光導纖維由于其信息傳輸量遠比銅、鉛的同軸電纜大，而且光纖有很強的保密性，所以發(fā)展的同軸電纜大，而且光纖有很強的保密性，所以發(fā)展很快。再比如脆性塊狀材料在變成細絲后便增加了韌很快。再比如脆性塊狀材料在變成細絲后便增加了韌性。實用纖維為碳纖維、硼纖維、陶瓷纖維，它們都性。實用纖維為碳纖維、硼纖維、陶瓷纖維，它們都可以在復合材料中作為增強體，來優(yōu)化復合材料的性可以在復合材料中作為增強體，來優(yōu)化復合材料的性能。能。n二維材料（薄膜），二維材料（薄膜），如金剛石薄膜、高溫超導薄膜、半如金剛石薄膜、高溫超導薄膜、半導體薄膜。由于薄膜的電子所處狀

34、態(tài)和外界環(huán)境的影響，導體薄膜。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、光學可表現(xiàn)出不同的電子遷移規(guī)律，完成特定的電學、光學或電子學功能，如成為絕緣體、鐵電體、導體或半導體或電子學功能，如成為絕緣體、鐵電體、導體或半導體等，從而有可能作為光學薄膜用于非線性光學、光開關、等，從而有可能作為光學薄膜用于非線性光學、光開關、放大或調幅、敏感與傳感元件，用于顯示或探測器，用放大或調幅、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膜。于環(huán)?；虮砻娓男缘谋Ｗo膜。n三維材料三維材料即塊狀材料。即塊狀材料。 0.3 組成組成-結構結構-工藝過程工藝過程-性質之間的關系性質之間的關系 材料的材料的合成與制備過程合成與制備過程、組成與結構組成與結構、性質性質、使用性能使用性能，被稱為被稱為材料科學與工程的四要素材料科學與工程的四要素。使用性能使用性能性質性質合合成成與與制制備備過過程程（化學）（化學）（工程）（工程）（物理學）（物理學）組成與結構組成與結構材料的材料的合成與制備過程合成與制備過程包括傳統(tǒng)的冶煉、鑄錠、制