材料與人類文明以及材料工程關系

1、材料與人類文明以及材料工程關系1.1 引言( Introduction)什么是材料? 材料與人類文明 什么是材料科學？ 材料科學的形成 材料科學與材料工程的關系什么是材料?世界萬物，凡于我有用者，皆謂之材料。材料是具有一定性能，可以用來制作器件、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、我們的生命息息相關。材料是人類文明、社會進步、科技發(fā)展的物質基礎。材料與人類文明 材料是人類文明、社會進步、科學技術發(fā)展的物質基礎和技術先導。在歷史上，人們將石器、青銅器、鐵器等當時的主導材料作為時代的標志，稱其為石器時代、青銅器時代和鐵器時代。在近代，材料的種類及其繁多，各種新材料不斷

2、涌現(xiàn)，很難用一種材料來代表當今時代的特征。 第一次產(chǎn)業(yè)革命的突破口是推廣應用蒸汽機 ，但只有在開發(fā)了鐵和銅等新材料以后，蒸汽機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20世紀中葉，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(chǎn)業(yè)革命的仍然是新材料開發(fā)。如合金鋼、鋁合金以及各種非金屬材料的發(fā)展。 材料是當代文明的三大支柱之一材料、能源、信息是當代社會文明和國民經(jīng)濟的三大支柱，是人類社會進步和科學技術發(fā)展的物質基礎和技術先導。 材料是全球新技術革命的四大標志之一（新材料技術、新能源技術、信息技術、生物技術）。什么是材料科學？材料科學是自然科學的一個分支。材

3、料科學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、化工為理論基礎的邊緣交叉基礎應用學科，它運用電子顯微鏡、X-射線衍射、熱譜、電子離子探針等各種精密儀器和技術，探討材料的組成、結構、制備工藝和加工使用過程與其機械、物理、化學性能之間的規(guī)律的一門基礎應用學科，是研究材料共性的一門學科。 材料科學的核問題是結構和性能的關系。 材料的性能是由材料的內(nèi)部結構決定的。 材料的結構有三個層次：即原子及電子結構；原子的空間排列；組織結構或相結構。每個層次的結構都以不同的方式?jīng)Q定著材料的性能。 另外尺寸的影響：體材料、低維材料、0維材料。材料科學的形成 材料科學的形成是科學技術發(fā)展

4、的結果。 首先，固體物理、無機化學、有機化學、物理化學等學科的發(fā)展，對物質結構和物性的深入研究，推動了對材料本質的了解；同時，冶金學、金屬學、陶瓷學、高分子科學等的發(fā)展，也使對材料本身的研究大大加強，從而對材料的制備、結構和性能以及它們之間的相互關系的研究也越來越深入，為材料科學的形成打下了比較堅實的基礎。 其次，各材料之間的相互有機聯(lián)系。 另外，各類材料的研究設備與生產(chǎn)手段由相同之處。材料科學與材料工程的關系 材料工程是工程的一個領域，其目的在于經(jīng)濟地而又能為社會所能接受地控制材料的結構、性能和形狀。 材料科學的核問題是結構和性能的關系。研究“為什么”的學問。 材料工程則要全面考慮材料的5個

5、判據(jù)：經(jīng)濟判據(jù)、資源判據(jù)、環(huán)保判據(jù)、能源判據(jù)和質量判據(jù)。解決“怎么做”的問題的學問。 材料科學的基礎理論為材料工程指明方向，為更好的選擇材料、使用材料、發(fā)揮現(xiàn)有材料的潛力、發(fā)展新材料提供了理論基礎，可以節(jié)省時間、少走彎路、提高質量、降低成本和能源、減少對環(huán)境的污染。材料科學基礎課程的教學內(nèi)容 無機材料科學基礎課程是無機非金屬材料工程專業(yè)的重要的學科基礎課之一，主要介紹無機材料科學中的共性規(guī)律，即材料的組成-形成（工藝）條件-結構-性能-材料用途之間相互關系及制約規(guī)律。內(nèi)容主要包括：材料種類、晶體結構、缺陷化學、非晶體結構、材料的表面與界面、相圖、擴散、相變、固相反應、燒結和材料的環(huán)境效應等基礎

6、知識。 1.2 組成-結構-性質-工藝過程之間的關系 材料科學與工程的四個基本要素： 合成與加工、組成與結構、性質、使用性能。探索這四個要素之間的關系(圖1)，覆蓋從基礎學科到工程的全部內(nèi)容。四個要素之間的密切關系確定了材料科學與工程這一領域，確定了材料科學基礎課程的教學線索。圖1組成-結構-性質-工藝過程之間關系示意圖合成與制備過程使用性能性質組成與結構（化學）（工程）（物理學）材料的性質是指材料對電、磁、光、熱、機械載荷的反應，主要決定于材料的組成與結構。使用性能是材料在使用狀態(tài)下表現(xiàn)的行為，它與材料設計、工程環(huán)境密切相關。實用性能包括可靠性、耐用性、壽命預測及延壽措施等。合成與制備過程包

7、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、氣相沉積等新工藝，使人工合成材料如超晶格、薄膜材料成為可能。 1.3.1 材料按化學組成（或基本組成）分類1.3.2 根據(jù)材料的性能分類 1.3.3 材料按服役的領域來分類 1.3.4 材料按結晶狀態(tài)分類1.3.5 材料按材料的尺寸分類 1.3 材料分類（Classes of Materials）按物理性質可分為：導電材料、絕緣材料、半導體材料、磁性材料、透光材料、高強度材料、高溫材料、超硬材料等。按物理效應分為：壓電材料、熱電材料、鐵電材料、非線性光學材料、磁光材料、電光材料、聲光材料、激光材料等。按用途分為：電子材料、電工

8、材料、光學材料、感光材料、耐酸材料、研磨材料、耐火材料、建筑材料、結構材料、包裝材料等。 按化學組成（或基本組成）分類：1. 金屬材料2. 無機非金屬材料3. 高分子材料（聚合物）4. 復合材料1.金屬材料 金屬材料是由化學元素周期表中的金屬元素組成的材料?？煞譃橛梢环N金屬元素構成的單質（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構成的合金。合金又可分為固溶體和金屬間化合物。 在103種元素中，除He,Ne,Ar等6種惰性元素和C、Si、N等16種非金屬元素外，其余81種為金屬元素。除Hg之外，單質金屬在常溫下呈現(xiàn)固體形態(tài)，外觀不透明，具有特殊的金屬光澤及良好的導電性和導熱性。在力

9、學性質方面，具有較高的強度、剛度、延展性及耐沖擊性。 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。 合金又分為固溶體和金屬間化合物。 當金屬的晶體結構保持溶劑組元的晶體結構時，這種合金稱為一次固溶體或端際固溶體，簡稱為固溶體。 金屬元素與其它金屬元素或非金屬元素之間形成合金時，除固溶體外，還可能形成金屬間化合物。 合金中的固溶體： 根據(jù)溶質原子在溶劑晶體結構中的位置，固溶體可分為置換固溶體和間隙固溶體。 在置換固溶體中，溶質原子位于溶劑晶體結構的晶格格點上；在

10、間隙固溶體中，溶質原子位于溶劑晶體結構的晶格間隙。溶質原子在固溶體中的分布可以是隨機的，即呈統(tǒng)計分布；也可以是部分有序或完全有序，在完全有序固溶體中，異類原子趨于相鄰，這種結構亦稱為超點陣或超結構。 此外，合金中溶質原子還可能形成叢聚，即同類原子趨于相鄰。叢聚可以呈隨機彌散分布。事實上，實驗中還沒有見到溶質原子呈完全隨機分布的固溶體。因此，只能在宏觀尺度上認為處于熱力學平衡態(tài)的固溶體是真正均勻的，而原子尺度上并不要求它也是均勻的。不同類型固溶體中原子排列情況示于圖2。圖2 不同類型固溶體中原子排列示意圖 （a）隨機置換固溶體（b）有序置換固溶體（c）隨機間隙固溶體（d）固溶體中的溶質叢聚合金中

11、的金屬間化合物： 金屬間化合物可分為三類，即由負電性決定的原子價化合物（簡稱價化合物）、由電子濃度決定的電子化合物（亦稱為電子相）以及由原子尺寸決定的尺寸因素化合物。除了這三類由單一元素決定的典型金屬間化合物外，還有許多金屬間化合物，其結構由兩個或多個因素決定，稱之為復雜化合物。2. 無機非金屬材料 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總稱。它與廣義的陶瓷材料有等同的含義。無機非金屬材料種類繁多，用途各異，目前還沒有統(tǒng)一完善的分類方法。

12、一般將其分為傳統(tǒng)的（普通的）和新型的（先進的）無機非金屬材料兩大類。 傳統(tǒng)的無機非金屬材料主要是指由SiO2及其硅酸鹽化合物為主要成分制成的材料，包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。此外，搪瓷、磨料、鑄石（輝綠巖、玄武巖等）、碳素材料、非金屬礦（石棉、云母、大理石等）也屬于傳統(tǒng)的無機非金屬材料。先進（或新型）無機非金屬材料是用氧化物、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(jīng)特殊的先進工藝制成的材料。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。陶瓷按其概念和用途不同，可分為兩大類，即普通陶瓷和特種陶瓷。根據(jù)陶瓷坯體結構及其基本物理性能的差異，陶瓷制品可分為

13、陶器和瓷器。 傳統(tǒng)的無機非金屬材料 之一：陶瓷普通陶瓷即傳統(tǒng)陶瓷，是指以粘土為主要原料與其它天然礦物原料經(jīng)過粉碎混練、成型、煅燒等過程而制成的各種制品。包括日用陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、電瓷以及其它工業(yè)用陶瓷。 見表1。表1 普通陶瓷的分類方法 特種陶瓷是用于各種現(xiàn)代工業(yè)及尖端科學技術領域的陶瓷制品。包括結構陶瓷和功能陶瓷。結構陶瓷主要用于耐磨損、高強度、耐高溫、耐熱沖擊、硬質、高剛性、低膨脹、隔熱等場所。功能陶瓷主要包括電磁功能、光學功能、生物功能、核功能及其它功能的陶瓷材料。常見高溫結構陶瓷包括：高熔點氧化物、碳化物、硼化物、氮化物、硅化物。功能陶瓷包括:裝置瓷（即電絕緣瓷）、電

14、容器陶瓷、壓電陶瓷、磁性陶瓷（又稱為鐵氧體）、導電陶瓷、超導陶瓷、半導體陶瓷（又稱為敏感陶瓷）、熱學功能陶瓷（熱釋電陶瓷、導熱陶瓷、低膨脹陶瓷、紅外輻射陶瓷等）、化學功能陶瓷（多孔陶瓷載體等）、生物功能陶瓷等。根據(jù)陶瓷坯體結構及其基本物理性能的差異，陶瓷制品可分為陶器和瓷器，見表2 。陶器包括粗陶器、普陶器和細陶器。陶器的坯體結構較疏松，致密度較低，有一定吸水率，斷口粗糙無光，沒有半透明性，斷面成面狀或貝殼狀。 吸水率（%）特征陶器粗陶器15不時施釉，制作粗糙普通陶器12斷面顆粒較粗，氣孔較大，表面施釉，制作不夠精細細陶器15斷面顆粒較細，氣孔較小，施釉或不施釉，制作不夠精細瓷器炻瓷器3透光性

15、差，通常胎體較厚，呈色，斷口呈石狀，制作精細普通瓷器1有一定透光性，斷而呈石狀或貝殼狀，制作精細細瓷器0.5透光性好，斷面細膩，呈貝殼狀，制作精細性質及特征類別表 2 中國日用瓷分類標準傳統(tǒng)的無機非金屬材料 之二：玻璃玻璃是由熔體過冷所制得的非晶態(tài)材料。根據(jù)其形成網(wǎng)絡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)絡形成劑分為SiO2、B2O3和P2O5。習慣上玻璃態(tài)材料可分為普通玻璃和特種玻璃兩大類。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、光學玻璃和玻璃纖維等。 特種玻璃（亦稱為新型玻璃）是指采用精制、高純或新型原料，通過新工藝在特

16、殊條件下或嚴格控制形成過程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SiO2含量在85%以上或55%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、碲酸鹽、鋁酸鹽及氧氮玻璃、氧碳玻璃等）、非氧化物玻璃（鹵化物、氮化物、硫化物、硫鹵化物、金屬玻璃等）以及光學纖維等。根據(jù)用途不同，特種玻璃分為防輻射玻璃、激光玻璃、生物玻璃、多孔玻璃、非線性光學玻璃和光纖玻璃等。傳統(tǒng)的無機非金屬材料 之三：水泥水泥是指加入適量水后可成塑性漿體，既能在空氣中硬化又能在水中硬化，并能夠將砂、石等材料牢固地膠結在一起的細粉狀水硬性材料。水泥的種類很多，按其用途和性能可分為：通用水泥、專用水泥和特性

17、水泥三大類；按其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。目前水泥品種已達一百多種。通用水泥為大量土木工程所使用的一般用途的水泥，如硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥和復合硅酸鹽水泥等。專用水泥指有專門用途的水泥，如油井水泥、砌筑水泥等。特性水泥則是某種性能比較突出的一類水泥，如快硬硅酸鹽水泥、抗硫酸鹽硅酸鹽水泥、中熱硅酸鹽水泥、膨脹硫鋁酸鹽水泥、自應力鋁酸鹽水泥等。 傳統(tǒng)的無機非金屬材料 之四：耐火材料耐火材料是指耐火度不低于1580的無機非金屬材料。它是為高溫技

18、術服務的基礎材料。盡管各國對其定義不同，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備的結構材料，以及用作工業(yè)高溫容器和部件的材料，并能承受相應的物理化學變化及機械作用。大部分耐火材料是以天然礦石（如耐火粘土、硅石、菱鎂礦、白云母等）為原料制造的。 按礦物組成分為氧化硅質、硅酸鋁質、鎂質、白云石質、橄欖石質、尖晶石質、含碳質、含鋯質耐火材料及特殊耐火材料；按制造方法分為天然礦石和人造制品；按形狀分為塊狀制品和不定形耐火材料；按熱處理方式分為不燒制品、燒成制品和熔鑄制品；按耐火度分為普通、高級及特級耐火制品；按化學性質分為酸性、中性及堿性耐火材料；按密度分為輕質及重質耐火材料。按制品的形

19、狀和尺寸可分為標準磚、異型磚、特異型磚、管和耐火器皿等。按應用分為高爐用、水泥窯用、玻璃窯用、陶瓷窯用耐火材料等等。3. 有機高分子材料（高聚物） 高聚物是由一種或幾種簡單低分子化合物經(jīng)聚合而組成的分子量很大的化合物。高聚物的種類繁多，性能各異，其分類的方法多種多樣。按高分子材料來源分為天然高分子材料和合成高分子材料；按材料的性能和用途可將高聚物分為橡膠、纖維、塑料和膠粘劑等。 橡膠的特點是室溫彈性高，即使在很小的外力作用下，也能產(chǎn)生很大的形變（可達1000%），外力去除后，能迅速恢復原狀。其彈性模量小，約105104Pa。常用的橡膠有天然橡膠（異戊橡膠）、丁苯橡膠、順丁橡膠（聚丁二烯）、乙丙

20、橡膠和硅橡膠等。纖維的彈性模量較大，約1091010Pa。受力時，形變不超過百分之二十。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（-50150）內(nèi)，機械性能變化不大。常用的合成纖維有尼龍、滌綸、晴綸和維尼綸等。 塑料的彈性模量介于橡膠和纖維之間，約107108Pa。溫度稍高些，受力形變可達百分之幾至幾百。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，分為熱塑性和熱固性塑料兩類。前者受熱時可以塑化和軟化，冷卻時則凝固成形，再加熱又可塑化軟化。聚乙烯、聚氯乙烯和聚碳酸酯等都屬于此類；后者在受熱時可塑化和軟化，并通過化學反應，使之固定成型，但冷卻后不能再

21、加熱軟化，酚醛塑料和脲醛塑料就屬此類。 膠粘劑是指在常溫下處于粘流態(tài)，當受到外力作用時，會產(chǎn)生永久變形，外力撤去后又不能恢復原狀的高聚物。有時把聚合后未加工成型的高聚物稱為樹脂，以區(qū)分加工后的塑料或纖維制品，如電木未固化前稱酚醛樹脂，滌綸纖維未紡織前稱滌綸樹脂。4. 復合材料 復合材料是由兩種或兩種以上化學性質或組織結構不同的材料組合而成。復合材料是多相材料，主要包括基本相和增強相?；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，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。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

22、相補充，獲得原組分不具備的許多優(yōu)良性能。 復合材料的種類繁多，目前還沒有統(tǒng)一的分類方法，下面根據(jù)復合材料的三要素來分類。按基體材料分類，有金屬基復合材料，陶瓷基復合材料，水泥、混凝土基復合材料，塑料基復合材料，橡膠基復合材料等；按增強劑形狀可分為粒子、纖維及層狀復合材料；依據(jù)復合材料的性能可分為結構復合材料和功能復合材料。1.3.2 根據(jù)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的響應不同，材料可分為結構材料和功能材料。 結構材料是指具有抵抗外場作用而保持自己的形狀、結構不變的優(yōu)良力學性能（強度和韌性等），用于結構目的的材料。這種材料通常用來制造工具、機械、車輛和修建房屋、橋梁、鐵

23、路等。是人們熟悉的機械制造材料、建筑材料，包括結構鋼、工具鋼、鑄鐵、普通陶瓷、耐火材料、工程塑料等傳統(tǒng)的結構材料（一般結構材料）以及高溫合金、結構陶瓷等高級結構材料。 功能材料是具有優(yōu)良的電學、磁學、光學、熱學、聲學、力學、化學和生物學功能及其相互轉化的功能，被用于非結構目的的高技術材料。 材料按服役的領域來分類 根據(jù)材料服役的技術領域可分為信息材料、航空航天材料、能源材料、生物醫(yī)用材料等。 信息材料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（獲取）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。 航空航天材料主要包括新型金屬材料（如

24、先進鋁合金、超高強度鋼、高溫合金、高熔點合金、鈹及其合金）、燒蝕防熱材料和新型復合材料。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、粘合劑材料等。這些材料大部分屬于高分子材料和陶瓷材料，也有少量是阻尼合金等金屬材料。 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。新能源材料包括增值堆用核材料、聚變堆材料、太陽能電池（單晶硅、多晶硅、非晶硅等）；節(jié)能材料包括非晶體金屬磁性材料（用作變壓器鐵芯的Fe-Mn-B-Si合金）和超導材料（Nb-Ti、Nb-Sn巨型磁體用材料）；儲氫材料，以及高比能電池（如鈉硫電池）等。目前鈉硫電池的比能量達，而鉛蓄電池的比能量只有。 生物醫(yī)用材料是一類合成物質或天然物質或