材料導(dǎo)論第二章材料科學(xué)與工程的四個(gè)基本要素課件

1、第二章 材料科學(xué)與工程的四個(gè)基本要素2.1 材料科學(xué)與工程的形成與內(nèi)涵2.1.1 材料科學(xué)的形成衛(wèi)星上天引發(fā)的震動(dòng) “材料科學(xué)”概念的提出只是20世紀(jì)50年代末到60年代初的事情。 1957年，前蘇聯(lián)人造衛(wèi)星首先上天，對(duì)美國(guó)人觸動(dòng)很大。1957年10月和11月，蘇聯(lián)先后發(fā)射了兩顆重量分別為80kg和500kg的人造衛(wèi)星。直到第二年的1月底，美國(guó)才發(fā)射了一個(gè)重量?jī)H8kg的人造衛(wèi)星。1 由于當(dāng)時(shí)正是蘇美兩國(guó)爭(zhēng)奪世界霸權(quán)的冷戰(zhàn)時(shí)代，這件事在美國(guó)朝野引起很大震動(dòng)。各有關(guān)部門聯(lián)合向總統(tǒng)提出報(bào)告，認(rèn)為美國(guó)落后于蘇聯(lián)的原因主要在于先進(jìn)材料的研究開發(fā)方面。 1958年3月，美國(guó)總統(tǒng)發(fā)布了“全國(guó)材料規(guī)劃”，決定

2、由12所大學(xué)成立材料科學(xué)研究中心，采用先進(jìn)的科學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)方法對(duì)材料進(jìn)行深入研究，從此出現(xiàn)了“材料科學(xué)”一詞。 1966年，美國(guó)麻省理工學(xué)院將“冶金系”改為“冶金與材料科學(xué)系”，1975年又將其更名為“材料科學(xué)與工程系”。這標(biāo)志著人們開始把材料的研究作為自然科學(xué)的一個(gè)分支，從此“材料科學(xué)”學(xué)科開始興起。2.1 材料科學(xué)與工程的形成與內(nèi)涵2科技發(fā)展的必然結(jié)果1） 20世紀(jì)上半葉基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展奠定了材料科學(xué)的基礎(chǔ) 量子力學(xué)、固體物理、無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展為材料科學(xué)的形成奠定了重要的理論基礎(chǔ)；而各種現(xiàn)代分析技術(shù)的進(jìn)步，加深了人們對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)和材料的物理化學(xué)性質(zhì)的理解；同時(shí)，冶金

3、學(xué)、金屬學(xué)、陶瓷學(xué)、高分子科學(xué)等應(yīng)用科學(xué)的發(fā)展也使人們對(duì)材料本身的研究大大加強(qiáng)。這使人們對(duì)材料的制備、結(jié)構(gòu)、性能以及它們之間的相互關(guān)系的研究也越來越深入。2）不同材料應(yīng)用理論的交叉融合促進(jìn)了材料科學(xué)的形成 在“材料科學(xué)”概念出現(xiàn)以前，金屬、陶瓷和高分子都已自成體系，但它們之間存在頗多相似之處，不同材料之間可以相互借鑒，促使了該學(xué)科的發(fā)展。2.1 材料科學(xué)與工程的形成與內(nèi)涵33）不同材料測(cè)試技術(shù)及工藝技術(shù)的交叉融合也促進(jìn)了材料科學(xué)的形成 雖然不同類型的材料各有其專用的生產(chǎn)設(shè)備和測(cè)試手段，但它們?cè)谠S多方面是相同或相近的。 一方面，不同材料的結(jié)構(gòu)與性能表征方法大體上是相通的。 例如，光學(xué)顯微鏡、電子

4、顯微鏡、表面測(cè)試設(shè)備、力學(xué)性能及其他物理性能測(cè)試設(shè)備等，對(duì)不同類型的材料而言是通用的。 另一方面，在材料的制備與加工中，有許多工藝也是通用的。 例如，擠壓工藝常用于金屬材料的成形加工以提高強(qiáng)度，而某些高分子材料通過擠壓法形成纖維同樣能使其比強(qiáng)度和比剛度大幅度提高。 2.1 材料科學(xué)與工程的形成與內(nèi)涵4 材料科學(xué)的提出20世紀(jì)60年代初 “材料”早以存在 1957年蘇聯(lián)衛(wèi)星上天，美國(guó)震動(dòng)很大，在大學(xué)相繼建立十余個(gè)材料科學(xué)研究中心。自此，“材料科學(xué)”一詞廣泛應(yīng)用。 材料科學(xué)的形成是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結(jié)果 材料科學(xué)是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)、工業(yè)生產(chǎn)的支柱，是當(dāng)今世界的帶頭學(xué)科之一材料科學(xué)的形成 材料學(xué)的

5、三個(gè)重要特性 多學(xué)科交叉 密切結(jié)合實(shí)際應(yīng)用 發(fā)展中的學(xué)科2.1 材料科學(xué)與工程的形成與內(nèi)涵52.1.2 材料科學(xué)與工程的形成 材料科學(xué)的核心內(nèi)容，在于研究材料的成分、組織結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，具有科學(xué)的性質(zhì)，其目的是解決“為什么”。 材料工程的核心內(nèi)容，在于研究材料在制備、成形、處理和加工過程中的工藝技術(shù)問題，其目的是解決“怎樣做”。 把“材料科學(xué)”與“材料工程”兩者有機(jī)結(jié)合起來，就形成了“材料科學(xué)與工程”。 材料科學(xué)為材料工程提供設(shè)計(jì)依據(jù)，為更好地選擇、使用和發(fā)展新材料提供理論基礎(chǔ)；材料工程又為材料科學(xué)提供豐富的研究課題和物質(zhì)基礎(chǔ)?？梢?，材料科學(xué)與材料工程是緊密聯(lián)系的。2.1 材料科學(xué)與工程的形

6、成與內(nèi)涵62.1.3 材料科學(xué)與工程的特點(diǎn)1）材料科學(xué)與工程具有鮮明的工程性 材料科學(xué)與工程具有物理學(xué)、化學(xué)、冶金學(xué)、陶瓷學(xué)、高分子學(xué)等多學(xué)科相互融合、相互交叉的特點(diǎn)，并且與實(shí)際應(yīng)用的關(guān)系非常密切，具有鮮明的工程性。 實(shí)驗(yàn)室的研究成果必須經(jīng)過工程研究與開發(fā)，以確定合理的工藝流程，并通過中試試驗(yàn)后才能生產(chǎn)出符合要求的材料；此外，各種材料在使用中，還會(huì)暴露出一些問題，需要反饋到研究與開發(fā)環(huán)節(jié)，進(jìn)行改進(jìn)后再回到應(yīng)用領(lǐng)域。 只有經(jīng)過多次反復(fù)的應(yīng)用與改進(jìn)，才能成為成熟的材料。即便是成熟的材料，隨著科技的發(fā)展與需求的推動(dòng)，還要不斷加以改進(jìn)。因此，在材料研究中，將會(huì)涉及到材料研究、工藝改進(jìn)、試驗(yàn)測(cè)試、中試試

7、驗(yàn)、推廣應(yīng)用和完善改進(jìn)等各階段的研究工作。2.1 材料科學(xué)與工程的形成與內(nèi)涵72）材料科學(xué)與工程有明確的應(yīng)用背景和應(yīng)用目的 發(fā)展材料科學(xué)與工程的目的是開發(fā)新材料，并為之提供新技術(shù)、新方法和新工藝；或者提高已有材料的性能和質(zhì)量，降低成本和減少污染，以更好地使用已有材料，充分發(fā)揮其作用。材料科學(xué)與工程在這一點(diǎn)上與材料物理、材料化學(xué)有重要區(qū)別。3）材料科學(xué)與材料工程是相輔相成、密不可分的 在材料科學(xué)與工程中，材料科學(xué)側(cè)重于發(fā)現(xiàn)和揭示材料四要素之間的關(guān)系，以提出新概念和新理論；材料工程則側(cè)重于尋求新手段以實(shí)現(xiàn)新材料的設(shè)計(jì)思想并使之投入應(yīng)用。兩者是相輔相成、密不可分的。2.1 材料科學(xué)與工程的形成與內(nèi)涵

8、82.1.4 材料科學(xué)與工程的四要素 材料的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)是影響其各種性質(zhì)的直接因素，加工過程通過改變材料的組織結(jié)構(gòu)而影響其性質(zhì)。另一方面，改變化學(xué)成分會(huì)改變材料的組織結(jié)構(gòu)，從而影響其性質(zhì)。 組織結(jié)構(gòu)是核心，性能是研究工作的落腳點(diǎn)。2.1 材料科學(xué)與工程的形成與內(nèi)涵(性質(zhì)）9 材料的品種及其應(yīng)用多種多樣，材料的問題涉及到許多科學(xué)與工程學(xué)科，因此，人們一直關(guān)心各種材料的統(tǒng)一性和相關(guān)性。 材料科學(xué)與工程四個(gè)基本要素的提出，才使得在貌似不相關(guān)的材料之間找到了共同點(diǎn)，即無論哪種材料都包括以下四個(gè)基本要素：成分與結(jié)構(gòu)合成與加工性能（性質(zhì)或固有屬性）使用性能2.1 材料科學(xué)與工程的形成與內(nèi)涵 把四大要

9、素連接在一起，就形成一個(gè)四面體。該四面體模型較好地描述了作為一個(gè)整體的材料科學(xué)與工程的內(nèi)涵和特點(diǎn)，反映了材料科學(xué)與工程研究中的共性問題。因此，抓住了材料科學(xué)與工程的四個(gè)要素，就抓住了材料科學(xué)與工程的本質(zhì)。101）材料的結(jié)構(gòu)與成分 每個(gè)特定的材料都具有一個(gè)從原子、電子尺度到宏觀尺度的結(jié)構(gòu)。在各種尺度上，對(duì)材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究是材料科學(xué)與工程學(xué)科的重要方面。 材料的結(jié)構(gòu)一般包含幾個(gè)層次：電子層次；原子或分子排列層次；（納米層次）顯微層次；宏觀層次 當(dāng)前，由于材料的性質(zhì)和使用性能愈來愈多地取決于材料的納米結(jié)構(gòu)，對(duì)介于宏觀尺度和微觀尺度之間的納米尺度的探究已成為材料科學(xué)與工程的新重點(diǎn)。2.1 材料科學(xué)與

10、工程的形成與內(nèi)涵11材料的結(jié)構(gòu)層次宏觀結(jié)構(gòu)Macroscopic Structure微觀結(jié)構(gòu)Microscopic Structure原子尺度Atomic Level亞原子尺度Subatomic Level2.1 材料科學(xué)與工程的形成與內(nèi)涵12材料的不同層次的結(jié)構(gòu)：原子結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)是研究材料特性的兩個(gè)最基本的物質(zhì)層次;鍵合結(jié)構(gòu): 描述原子/離子間的化學(xué)鍵性質(zhì)納米結(jié)構(gòu): 納米尺度上的結(jié)構(gòu)顯微組織（顯微結(jié)構(gòu), Microstructure）指多晶材料的微觀形貌、晶體學(xué)結(jié)構(gòu)和取向、晶界、相界、界面相、亞晶界、位錯(cuò)、層錯(cuò)、孿晶、固溶和析出、偏析和夾雜、有序化等。宏觀組織（Macrostructure

11、）如材料的孔隙、巖石的層理、木材的紋理（纖維狀）等。材料的顯微結(jié)構(gòu)對(duì)材料的性能具有相當(dāng)大的影響。2.1 材料科學(xué)與工程的形成與內(nèi)涵132）材料的合成與加工 材料的合成與加工過程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)建立原子、分子的新排列，從原子尺度到宏觀尺度上對(duì)材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制的過程。合成通常是指把原子和分子組合在一起來制造新材料時(shí)所采用的物理和化學(xué)方法。加工除了為生產(chǎn)有用材料而對(duì)原子、分子進(jìn)行控制外，還包括材料形狀在較大尺度上的改變。2.1 材料科學(xué)與工程的形成與內(nèi)涵 研究表明，材料的性質(zhì)和使用性能取決于材料的組成及結(jié)構(gòu)，后者又取決于合成與加工工藝。143）材料的性能（性質(zhì)或固有屬性） 每一種材料都有其固有的性質(zhì)，因

12、而材料在各種外部作用的刺激下就會(huì)有特定的響應(yīng)，材料的性能就是材料這種固有屬性的定量描述。 材料的任何性能，都源于材料特定的結(jié)構(gòu)，都是材料經(jīng)合成或加工后由其結(jié)構(gòu)與成分的變化而產(chǎn)生的結(jié)果。2.1 材料科學(xué)與工程的形成與內(nèi)涵材料的性能物理性能化學(xué)性能力學(xué)性能如導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、折射率、磁化率等如抗氧化性、抗腐蝕性等如強(qiáng)度、塑性、韌性等154）材料的使用性能（服役性能）2.1 材料科學(xué)與工程的形成與內(nèi)涵 材料的使用性能：指材料在服役條件下所表現(xiàn)的特性，它是材料性質(zhì)與服役條件、產(chǎn)品設(shè)計(jì)及加工融合在一起所決定的要素，其度量指標(biāo)有可靠性、有效壽命、安全性和成本等綜合因素。 材料的物理、化學(xué)、力學(xué)性質(zhì)都是成分和

13、結(jié)構(gòu)的體現(xiàn)，它們決定著材料的使用范圍。使用性能取決于材料的基本性能。16 材料四要素之間的相互關(guān)系是材料科學(xué)與工程所關(guān)心的基本問題，而材料的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系正是這一問題的核心。 無論金屬材料、高分子材料還是無機(jī)非金屬材料，其宏觀性能都是由其化學(xué)組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。材料的使用依賴于材料的性能，而其性能都是由其化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)決定的。只有從微觀上了解材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，才能有效地選擇制備和使用材料。2.2 材料的結(jié)構(gòu)與性能17定義: 組成材料的原子或分子之間的空間分布。 材料的結(jié)構(gòu)決定材料的性能。內(nèi)涵：包含化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)和缺陷、相組成、形貌等。鍵合結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu) 材料的結(jié)構(gòu)2.2

14、 材料的結(jié)構(gòu)與性能18核心關(guān)系“材料貫穿于機(jī)械工程的始終?！?而其核心是圍繞: “結(jié)構(gòu)與性能”的相互辯證關(guān)系。2.2 材料的結(jié)構(gòu)與性能192.2.1 材料結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)1. 成分與結(jié)構(gòu)材料的成分是指組成材料的元素種類及其含量，通常用質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w)表示，有時(shí)也用粒子數(shù)分?jǐn)?shù)(x)表示及原子分?jǐn)?shù)（at%）。材料的結(jié)構(gòu)主要是指材料中原子(離子或分子等。為了敘述簡(jiǎn)便，以下統(tǒng)一由原子代表)的排列方式。2.組元、相和組織組元：組元是組成材料最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)。 組元可以是純?cè)?，也可以是能穩(wěn)定存在的化合物。金屬材料的組元多為純?cè)?，陶瓷材料的組元多為化合物。高分子材料則是以高分子化合物為主要組元的材料。2

15、.2 材料的結(jié)構(gòu)與性能20相：材料中具有同一化學(xué)成分并且結(jié)構(gòu)和性質(zhì)相同的均勻連續(xù)部分稱為相。 相與相之間有明顯的界面，材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)在相界面上會(huì)發(fā)生突變，但有界面分開的不一定都是兩相，例如，如果材料是由成分、結(jié)構(gòu)均相同的同種晶粒構(gòu)成的，盡管各晶粒之間有晶界隔開，但它們?nèi)詫儆谕环N相。2.2 材料的結(jié)構(gòu)與性能21組織：材料內(nèi)部的微觀形貌稱為材料的組織。 在光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡下可觀察到，能反映各組成相形態(tài)、尺寸及分布的圖像。白口鑄鐵 球墨鑄鐵 2.2 材料的結(jié)構(gòu)與性能223.材料中的化學(xué)鍵合 單個(gè)原子通過化學(xué)鍵結(jié)合在一起組成材料，各類材料在結(jié)構(gòu)和特性上的差異本質(zhì)上是由不同元素以特定的鍵合方式

16、結(jié)合造成的?；瘜W(xué)鍵物理鍵離子鍵金屬鍵范德華鍵氫鍵共價(jià)鍵 結(jié)合鍵 原子、分子間的結(jié)合力：是原子、分子之間吸引力和排斥力的合力。 金屬離子與自由電子相互吸引所形成的結(jié)合力。2.2 材料的結(jié)構(gòu)與性能23電負(fù)性：不同元素的原子在分子中吸引電子的能力 , 與原子的親合能和第一電離能之和成正比。 2.2 材料的結(jié)構(gòu)與性能24 電負(fù)性與鍵性的關(guān)系 電負(fù)性小的原子結(jié)合形成金屬鍵； 電負(fù)性大的原子結(jié)合形成共價(jià)鍵； 電負(fù)性相差大的不同原子結(jié)合形成離子鍵； 電負(fù)性相差小的不同原子結(jié)合形成共價(jià)鍵和離子鍵的混合鍵。2.2 材料的結(jié)構(gòu)與性能254.晶體結(jié)構(gòu)和空間點(diǎn)陣晶體結(jié)構(gòu)：晶體結(jié)構(gòu)是指晶體中，原子（離子、分子）在三維空

17、間的排列方式?？臻g點(diǎn)陣（晶格）：為了研究方便，通常把在空間中排列的原子（離子、分子）抽象成幾何上的點(diǎn)，然后用直線把它們連接起來，就構(gòu)成了一個(gè)有規(guī)則的幾何格架，即所謂的空間點(diǎn)陣（或晶格）。2.2 材料的結(jié)構(gòu)與性能26晶胞2.2 材料的結(jié)構(gòu)與性能晶胞：能夠充分反映整個(gè)晶體結(jié)構(gòu)特征的最小構(gòu)造單位。27布拉菲點(diǎn)陣：可以用晶胞棱邊長(zhǎng)度a、b、c及棱邊之間的夾角、來描述晶胞的大小和形狀。 1948年，布拉菲利首先用數(shù)學(xué)分析方法證明，自然界可能存在的空間點(diǎn)陣只有14種，分屬7個(gè)不同的晶系，如下圖。 2.2 材料的結(jié)構(gòu)與性能28晶體的7種晶系和14種布拉菲點(diǎn)陣晶系布拉菲點(diǎn)陣和符號(hào)晶胞參數(shù)關(guān)系立方晶系簡(jiǎn)單（P）

18、a = b = c, = = = 90體心（I）面心（F）六方晶系簡(jiǎn)單（P）a = b c, = = 90, = 120正方晶系（四方）簡(jiǎn)單（P）a = b c, = = = 90體心（I）菱方晶系（三方）簡(jiǎn)單（R）a b c, = = 90正交晶系（斜方）簡(jiǎn)單（P）a = b c, = = = 90體心（I）底心（C）單斜晶系面心（F）a = b c, = = 90簡(jiǎn)單（P）三斜晶系底心（C）a = b c, 90簡(jiǎn)單（P）2.2 材料的結(jié)構(gòu)與性能29十四種布拉菲點(diǎn)陣示意圖 2.2 材料的結(jié)構(gòu)與性能30非晶單晶多晶晶體：原子以周期性重復(fù)方式在三維空間有規(guī)則排列的固體，否則稱為非晶體。非晶體：

19、原子排列短程有序，無周期晶體金剛石、NaCl、冰 等。液體非晶體 ： 蜂蠟、玻璃 等。2.2 材料的結(jié)構(gòu)與性能 非晶 多晶 單晶 312.2.2 材料的結(jié)構(gòu) 1.金屬材料的結(jié)構(gòu) 金屬材料一般都是晶體，在常溫下，純金屬的晶體結(jié)構(gòu)大部分屬于下面3種。面心立方結(jié)構(gòu)；體心立方結(jié)構(gòu)；密排六方結(jié)構(gòu)。 溫度發(fā)生變化時(shí)，同一種金屬可能會(huì)發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。常溫下的鎳、鋁、銅、鉛、銀等金屬屬于面心立方結(jié)構(gòu)；常溫下的鐵、鉬、鎢、鈮等屬于體心立方結(jié)構(gòu)；常溫下的鈦、鎂、鋅等屬于密排六方結(jié)構(gòu)。面心立方結(jié)構(gòu)體心立方結(jié)構(gòu)密排六方結(jié)構(gòu)2.2 材料的結(jié)構(gòu)與性能32置換型固溶體：溶質(zhì)原子占據(jù)陣點(diǎn)的固溶體間隙型固溶體：溶質(zhì)原子占據(jù)基

20、本組元原子 間隙的固溶體固溶體間隙式固溶體 置換式固溶體 當(dāng)金屬與其他元素形成合金時(shí)，在合金中會(huì)形成一定的相。從結(jié)構(gòu)上可以將合金中的相分為固溶體和化合物兩類。2.2 材料的結(jié)構(gòu)與性能合金(Alloy)以一種金屬元素為基礎(chǔ)，加入其它金屬或非金屬而組成的具有金屬特性的材料。33金屬間化合物 把金屬與金屬或金屬與非金屬元素之間形成的化合物稱為金屬間化合物。 金屬間化合物的晶體結(jié)構(gòu)一般都比較復(fù)雜，其結(jié)合鍵中含有較多的離子鍵和共價(jià)鍵成分，因此金屬間化合物通常具有熔點(diǎn)高、硬度高、脆性大等特點(diǎn)。 金屬間化合物在合金中一般作為強(qiáng)化相存在，能明顯提高合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性。幾種金屬間化合物的晶胞（a）CaF2

21、結(jié)構(gòu);（b）閃鋅礦結(jié)構(gòu);（c）VC結(jié)構(gòu);（d）Fe3C結(jié)構(gòu)2.2 材料的結(jié)構(gòu)與性能342.無機(jī)非金屬材料的結(jié)構(gòu) 無機(jī)非金屬材料中的相組成較為復(fù)雜，其典型組織由晶體相、玻璃相和氣相三者組成，其中的晶體相是主要的組成相。晶體相常見的結(jié)構(gòu)有氧化物結(jié)構(gòu)、非氧化物結(jié)構(gòu)和硅酸鹽結(jié)構(gòu)。氧化物結(jié)構(gòu)幾種典型氧化物的結(jié)構(gòu)（a）MgO；（b）ThO2；（c）A12O32.2 材料的結(jié)構(gòu)與性能 在-A12O3中，O2-占據(jù)密排六方晶格的結(jié)點(diǎn)位置，而Al3+對(duì)稱地填充在其八面體間隙中。35非氧化合物結(jié)構(gòu) 非氧化合物是指金屬碳化物、氮化物、硅化物和硼化物等，其結(jié)合鍵主要是離子鍵，也有一定成分的金屬鍵和共價(jià)鍵。幾種非氧化合

22、物的結(jié)構(gòu)（a）碳化物；（b）氮化物；（c）硼化物；（d）硅化物2.2 材料的結(jié)構(gòu)與性能36硅酸鹽結(jié)構(gòu) 硅酸鹽的結(jié)合鍵為離子鍵和共價(jià)鍵的混合鍵，其主要結(jié)構(gòu)特征是Si4+總是位于由4個(gè)O2-離子組成的四面體中心，以此構(gòu)成硅酸鹽的基本單元硅氧四面體SiO44-，如下圖（a）所示。部分硅酸鹽結(jié)構(gòu)示意圖（a）SiO44-；（b）Si2O76-；（c）Si3O96-；（d）Si6O1812-；（e）SiO32 2.2 材料的結(jié)構(gòu)與性能373.高分子材料的結(jié)構(gòu) 高分子材料的結(jié)構(gòu)包括高分子鏈結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)兩個(gè)層次。高分子鏈結(jié)構(gòu)高分子鏈形狀示意圖a）線型分子鏈；b）支鏈型分子鏈；c）體型分子鏈線型分子鏈支鏈型

23、分子鏈體型分子鏈由大量重復(fù)的結(jié)構(gòu)單元連接成。（網(wǎng)型分子鏈）2.2 材料的結(jié)構(gòu)與性能38 由線型和支鏈型分子鏈構(gòu)成的聚合物的性能特點(diǎn)是彈性高，塑性好，硬度低，可以通過加熱和冷卻的方法使其重新軟化（或熔化）和硬化（或固化），故又稱為熱塑性聚合物。例如，滌綸、尼龍、生橡膠等。 體型分子鏈構(gòu)成的聚合物，由于網(wǎng)狀分子鏈的形成，使聚合物分子之間不易相互流動(dòng)，從而提高了聚合物的強(qiáng)度、耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性。這類聚合物具有較高的強(qiáng)度和熱固性，加熱加壓成形固化后，不能再加熱熔化或軟化，故又稱為熱固性聚合物。例如，酚醛塑料、環(huán)氧樹脂、硫化橡膠等。2.2 材料的結(jié)構(gòu)與性能39高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu) 高分子材料的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)是

24、指其內(nèi)部高分子鏈的幾何排列和堆砌結(jié)構(gòu)。一般可分為晶態(tài)（分子鏈規(guī)則排列）、部分晶態(tài)（分子鏈部分規(guī)則排列）和非晶態(tài)（分子鏈無規(guī)則排列）三類。 由線型分子鏈構(gòu)成的聚合物在一定條件下可以形成晶態(tài)或部分晶態(tài)，而由體型分子鏈構(gòu)成的聚合物均為非晶態(tài)。高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖（a）晶態(tài);（b）部分晶態(tài);（c）非晶態(tài)2.2 材料的結(jié)構(gòu)與性能404.晶體結(jié)構(gòu)的不完整性晶體結(jié)構(gòu)缺陷:晶體中原子排列的周期性受到破壞的區(qū)域。分點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷。點(diǎn)缺陷：是指原子應(yīng)占而未占的空位或間隙中不該存在存在的間隙原子。形成原因- 熱缺陷、雜質(zhì)缺陷、非化學(xué)計(jì)量缺陷等。晶體中存在的各種點(diǎn)缺陷示意圖（a）空位;（b）間隙原子；（c

25、）小置換原子；（d）大置換原子2.2 材料的結(jié)構(gòu)與性能 點(diǎn)缺陷使周圍晶格發(fā)生畸變，提高晶體內(nèi)能，降低導(dǎo)電率，提高強(qiáng)度。41 線缺陷：線缺陷是對(duì)材料性能有重大影響的一維缺陷，稱為位錯(cuò)（刃型位錯(cuò)和螺位錯(cuò)）。刃型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)2.2 材料的結(jié)構(gòu)與性能由晶體中原子平面的錯(cuò)動(dòng)引起。 產(chǎn)生原因：點(diǎn)缺陷坍塌；應(yīng)力作用下的塑性變形。 位錯(cuò)越多，其運(yùn)動(dòng)越困難，材料的強(qiáng)度、硬度越高，脆性越大。42 面缺陷：面缺陷是指多相材料組成相間的界面和單相材料晶粒間的界面，它們?cè)诠鈱W(xué)顯微鏡下即可被看到。 晶界與亞晶界示意圖（a）晶界;（b）亞晶界 2.2 材料的結(jié)構(gòu)與性能顯微鏡照片 面缺陷包括晶界、亞晶界、相界面、表面等。43

26、體缺陷體缺陷是三維缺陷，包括：孔洞(Pores)影響材料的力學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)性能；裂紋(Cracks)影響材料的力學(xué)性能；夾雜(Inclusions)影響材料的力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)性能。2.2 材料的結(jié)構(gòu)與性能442.2.3 材料的性能 材料性能是用于表征材料在給定外在條件下行為的參量。 力學(xué)性質(zhì) 物理性質(zhì) 化學(xué)性質(zhì) 硬度 磁學(xué) 催化 剛度 光學(xué) 防腐 強(qiáng)度 熱學(xué) 塑性 電學(xué) 韌性 聲學(xué)1.力學(xué)性能 材料的力學(xué)性能是指材料受到外力作用時(shí)的變形行為以及材料抵抗變形和破壞的能力。2.2 材料的結(jié)構(gòu)與性能45強(qiáng)度：材料抵抗外應(yīng)力的能力。 與缺陷、鍵力有關(guān)。表征：抗拉強(qiáng)度（ b ）、屈服強(qiáng)度（s） 、抗彎強(qiáng)

27、度、抗壓強(qiáng)度。塑性：外力作用下，材料發(fā)生不可逆的永久性變形而不破壞的能力。表征：延伸率、斷面收縮率2.2 材料的結(jié)構(gòu)與性能46硬度：材料在表面上的小體積內(nèi)抵抗變形或破裂的能力。彈性：在外力作用下材料產(chǎn)生變形，外力除去后能恢復(fù)原狀的能力。剛度：抵抗彈性變形能力。表征：彈性模量、楊氏模量、剪切模量疲勞強(qiáng)度：材料抵抗交變應(yīng)力作用下斷裂破壞的能力。表征：疲勞極限、疲勞壽命抗蠕變性：材料在恒定應(yīng)力（或恒定載荷）作用下抵抗變形的能力。表征：蠕變極限、持久強(qiáng)度韌 性：材料從塑性變形到斷裂全過程中吸收能量的能力。表征：斷裂韌性 KIC、斷裂韌性 JIC2.2 材料的結(jié)構(gòu)與性能47材料的物理性質(zhì)磁學(xué)性質(zhì)光學(xué)性質(zhì)

28、電學(xué)性質(zhì)導(dǎo)電性絕緣性介電性順磁性鐵磁性抗磁性光反射光折射光學(xué)損耗光透性熱學(xué)性質(zhì)導(dǎo)熱性熱膨脹熱容熔化2.物理性能1. 電學(xué)性能表征：導(dǎo)電率、電阻率、介電常數(shù)2. 磁學(xué)性能表征：磁導(dǎo)率、矯頑力、磁化率3. 光學(xué)性能表征：光反射率、光折射率、光損耗率4. 熱學(xué)性能表征：熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)、熔點(diǎn)、比熱 2.2 材料的結(jié)構(gòu)與性能483.化學(xué)性能 材料總是在一定的環(huán)境介質(zhì)中工作的，這些介質(zhì)常常會(huì)與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，影響材料性能的發(fā)揮。例如，隨處可見的生銹現(xiàn)象，不僅浪費(fèi)了大量金屬資源，而且還會(huì)導(dǎo)致各種災(zāi)難性的事故。 材料抵抗各種介質(zhì)作用的能力。 包括溶蝕性、耐腐蝕性、抗?jié)B性、抗氧化性，即化學(xué)穩(wěn)定性。還有催化性和離子交換性。2.2 材料的結(jié)構(gòu)與性能492.3 材料科學(xué)與工程的發(fā)展趨勢(shì) 今天，通信產(chǎn)業(yè)、生物技術(shù)、新能源技術(shù)、宇航技術(shù)等，都對(duì)材料提出了更高的要求。復(fù)合化、功能化、智能化、低維化、高性能化、與環(huán)境相協(xié)調(diào)已成為新材料開發(fā)的重要目標(biāo)。 這要求人們從材料的四個(gè)要素出發(fā)，深入到原子和電子尺度研