材料物理分類(lèi)和應(yīng)用

1、材料物理分類(lèi)和應(yīng)用材料與人類(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)代表當(dāng)今時(shí)代的特征。用樹(shù)枝、泥巴蓋起來(lái)的房子用石頭建造的古羅馬斗獸場(chǎng)用磚、石頭等建的古代城墻用磚蓋起來(lái)的城堡巴黎埃菲爾鐵塔用各種金屬材料建造的高樓大廈用多種復(fù)合材料裝飾的現(xiàn)代居室用多種高科技材料制造的波音777飛機(jī)高科技耐高溫隔熱材料全塑料汽車(chē)第一章 材料科學(xué)概述第一節(jié) 材料科學(xué)的發(fā)展背景 什么是材料和材料科學(xué)？是人類(lèi)賴(lài)依生存和發(fā)展的物

2、質(zhì)基礎(chǔ)，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的物質(zhì)基礎(chǔ)。（人的衣、食、住、行、通訊等）材料：廣義的材料包括人們的思想意識(shí)之外的所有物質(zhì)(substance)，材料無(wú)處不在，無(wú)處不有。以材料的性能、結(jié)構(gòu)及相關(guān)應(yīng)用為研究對(duì)象，介于基礎(chǔ)科學(xué)與應(yīng)用科學(xué)之間的基礎(chǔ)應(yīng)用科學(xué)。集物理學(xué)、化學(xué)和冶金學(xué)等于一體的一門(mén)的綜合性或交叉性學(xué)科。材料科學(xué)：生命科學(xué)（生物科學(xué)）也已滲入并將更為深刻地滲入以材料的發(fā)展劃分人類(lèi)歷史:舊石器時(shí)代:（B.C. 101萬(wàn)年）以天然石塊鑿成棱邊鋒利的新石器時(shí)代:（B.C. 60004000年）出現(xiàn)磨光的工具。工具或武器。 石器時(shí)代： 石斧、鑿、刀、鏟、箭頭、紡輪、缽等（西安半坡遺址） 石斧人類(lèi)文明史與材料的發(fā)

3、展階段密切相關(guān)的陶瓷時(shí)代：（B.C. 60004000年）出現(xiàn)了燒爐。 青銅器時(shí)代：（B.C. 80001500年）B.C. 8000年，純銅的發(fā)現(xiàn)和加工；B.C. 20001500年銅礦石的開(kāi)采和冶煉。鐵器時(shí)代：（B.C. 14001200年）B.C. 1000年之后歐洲進(jìn)入“鐵器時(shí)代”。湖南長(zhǎng)沙砂子塘戰(zhàn)國(guó)凹形鐵鋤中國(guó)古代鐵器的金相組織理論上：量子理論、統(tǒng)計(jì)物理、固體電子論、晶體結(jié)構(gòu)近代物理使材料科學(xué)進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段：實(shí)驗(yàn)上：勞厄 X 射線(xiàn)法窺探晶體結(jié)構(gòu)?？稍诔哒婵?、等理論的建立和發(fā)展使深入、正確地描述晶體內(nèi)微觀粒子運(yùn)動(dòng)成為可能。超低溫或超高壓下借助各類(lèi)電子顯微鏡觀察、甚至操縱、安排原子

4、分子的排列。近代：玻璃、瓷器、及鋁工業(yè)；現(xiàn)代：高分子聚合物材料、超導(dǎo)材料、納米材料等第二節(jié) 材料科學(xué)的任務(wù)及材料的分類(lèi)按狀態(tài)：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)材料科學(xué)的任務(wù)：以物理學(xué)、化學(xué)、冶金學(xué)等為理論基礎(chǔ)，應(yīng)用各種測(cè)試和實(shí)驗(yàn)手段從微觀上來(lái)研究材料的各種性能及其在制造和應(yīng)用中的行為，以提高材料的性能、探索和開(kāi)發(fā)新型材料。材料科學(xué)研究的對(duì)象甚多，世界上已注冊(cè)的材料有幾十萬(wàn)種。材料分類(lèi)方法：有多種金屬材料 （Metallic Materials)：鋼鐵、鋁、銅、鈦合金陶瓷材料（Ceramics）：Al2O3、SiC、Si3N4、SiO2、TiN如，電工電子陶瓷、玻璃、水泥及耐火材料等高分子材料（High Pol

5、ymers)：聚乙烯、聚丙烯、纖維、 蛋白質(zhì)等復(fù)合材料（Composites)：Matel-Matrix orPolymer-Matrix按特性：金屬、無(wú)機(jī)非金屬（如陶瓷）、有機(jī)高分子材料和復(fù)合材料 兩種或兩種以上的材料按一定的比例通過(guò)特殊方法結(jié)合起來(lái)而構(gòu)成按作用: 結(jié)構(gòu)材料和功能材料按使用領(lǐng)域：建筑、電子、醫(yī)用、儀表及能源材料等結(jié)構(gòu)材料：是機(jī)械制造、建筑工程、交通運(yùn)輸、能源利用工程等的物質(zhì)基礎(chǔ)。具有抵抗外力作用、保持自身形狀和結(jié)構(gòu)不變的力學(xué)特性及對(duì)外界環(huán)境良好的適應(yīng)性。高強(qiáng)的機(jī)械性能、耐高溫、耐磨、耐腐蝕、耐輻照。新型結(jié)構(gòu)材料：新型陶瓷結(jié)構(gòu)材料、復(fù)合材料及高分子材料的開(kāi)發(fā)利用正在受到重視。功

6、能材料：具有優(yōu)良的電、磁、聲、熱、光、力、化學(xué)、用途：可用于研制具有傳遞、存儲(chǔ)或記憶信息、轉(zhuǎn)化或變換能量的功能性元件。包括：金屬、半導(dǎo)體、有機(jī)高分子、復(fù)合材料等。有多種分類(lèi)，按性能可分為：或生物學(xué)等性能的材料。力學(xué)、聲學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、核功能材料。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(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。一般將其分為傳統(tǒng)的

7、（普通的）和新型的（先進(jìn)的）無(wú)機(jī)非金屬材料兩大類(lèi)。 在晶體結(jié)構(gòu)上，無(wú)機(jī)非金屬材料的元素結(jié)合力主要為離子鍵、共價(jià)鍵或離子-共價(jià)混合鍵。這些化學(xué)鍵所特有的高鍵能、高鍵強(qiáng)賦予這一大類(lèi)材料以高熔點(diǎn)、高硬度、耐腐蝕、耐磨損、高強(qiáng)度和良好的抗氧化性等基本屬性,以及寬廣的導(dǎo)電性、隔熱性、透光性及良好的鐵電性、鐵磁性和壓電性。 傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)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(wú)機(jī)非金屬材料。 一般無(wú)機(jī)非金屬材料具有耐高溫、高硬度和抗腐蝕等優(yōu)良工程性能，

8、其主要缺點(diǎn)是抗拉強(qiáng)度低、韌性差。 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，要求材料具有強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫和其他一些特殊性能，這大大促進(jìn)了無(wú)機(jī)非金屬材料的發(fā)展，使無(wú)機(jī)非金屬材料領(lǐng)域除使用傳統(tǒng)的硅酸鹽材料外，出現(xiàn)了氧化物陶瓷、氮化物陶瓷和碳化物陶瓷等許多具有特殊性能的新型材料，廣泛應(yīng)用于建筑、冶金、機(jī)械及尖端科技領(lǐng)域。 新型無(wú)機(jī)非金屬材料是指20世紀(jì)中期以后發(fā)展起來(lái)的，具有特殊性能和用途的材料，應(yīng)用于高性能領(lǐng)域，在組成上已不局限于硅酸鹽，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(wú)機(jī)非金屬化合物經(jīng)特殊的先進(jìn)工藝制成的材料。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。陶瓷按其概念和

9、用途不同，可分為兩大類(lèi)，即普通陶瓷和特種陶瓷。根據(jù)陶瓷坯體結(jié)構(gòu)及其基本物理性能的差異，陶瓷制品可分為陶器和瓷器。 傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)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(guò)粉碎混練、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、化工陶瓷、電瓷以及其它工業(yè)用陶瓷。 見(jiàn)表0-1。表0-1 普通陶瓷的分類(lèi)方法 普陶日用瓷普陶日用瓷普陶日用瓷藝術(shù)瓷普陶日用瓷 園林瓷精陶瓷粗陶瓷普陶建筑瓷建筑陶瓷以粘土為主要原料而制得的用于建筑物的陶瓷以難熔粘土為主要原料，包括磚、瓦、盆罐等以瓷土或高嶺土為主要原料，包括釉面磚、建衛(wèi)器皿等炻瓷以陶土或粘土為主要原

10、料，包括地磚、外墻磚、耐酸陶瓷等普陶建筑瓷 地磚、墻磚建筑陶瓷普陶建筑瓷地磚、墻磚、裝飾磚建筑陶瓷普瓷衛(wèi)生瓷 衛(wèi)生陶瓷 以高嶺土為主要原料，用于衛(wèi)生設(shè)施， 帶釉，有陶質(zhì)、炻瓷質(zhì)和瓷質(zhì)等。 普瓷衛(wèi)生瓷普瓷電瓷 電絕緣瓷 又稱(chēng)電瓷，是作為隔電、機(jī)械支撐及連接用的瓷質(zhì)絕緣器件。 分為低壓電瓷、高壓電瓷和超高壓電瓷。普瓷電瓷電瓷電器絕緣陶瓷分為低壓電瓷、高壓電瓷和超高壓電瓷。普瓷化工陶瓷化工陶瓷 要求耐酸、耐高溫、具有一定強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。 主要用于化學(xué)、化工、制藥、食品等工業(yè)。普瓷化工用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)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

11、高溫、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、生物功能、核功能及其它功能的陶瓷材料。 結(jié)構(gòu)陶瓷 作為工程結(jié)構(gòu)材料使用的陶瓷材料，主要利用陶瓷材料所具有的高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、耐摩擦、耐腐蝕等力學(xué)和熱學(xué)方面的優(yōu)異性能。定 義 結(jié)構(gòu)陶瓷 結(jié)構(gòu)陶瓷的種類(lèi)氧化物結(jié)構(gòu)陶瓷Al2O3ZrO2BeOMgO碳化物結(jié)構(gòu)陶瓷SiC氮化物結(jié)構(gòu)陶瓷Si3N4結(jié)構(gòu)陶瓷特點(diǎn)：化學(xué)穩(wěn)定性好、抗氧化性強(qiáng)、熔融 溫度高、高溫強(qiáng)度高。Al2O3陶瓷ZrO2陶瓷BeO陶瓷MgO陶瓷韌性氧化物結(jié)構(gòu)陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷主要性能機(jī)械強(qiáng)度 斷裂韌性影響因素組成 結(jié)構(gòu) 制造工藝結(jié)構(gòu)陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷陶瓷軸承陶瓷餐

12、刀陶瓷螺絲刀陶瓷銼刀結(jié)構(gòu)陶瓷陶瓷軋輥氧化鋯凡爾陶瓷柱塞陶瓷磨具鋼水過(guò)濾用SiC泡沫陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷Si3N4密封圈B4C/TiB2復(fù)相陶瓷防彈片及噴嘴耐磨陶瓷閥門(mén)芯片結(jié)構(gòu)陶瓷納米陶瓷軸心風(fēng)扇 納米陶瓷彈簧陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)陶瓷火花塞SiC發(fā)熱體功能陶瓷 具有電、光、磁以及部分化學(xué)功能的多晶無(wú)機(jī)固體材料.功 能具有特定的電絕緣性、半導(dǎo)體性、 導(dǎo)電性、壓電性、鐵電性、磁性、 生物適應(yīng)性等. 定 義功能陶瓷功能陶瓷的種類(lèi)電子陶瓷超導(dǎo)陶瓷磁性陶瓷光學(xué)陶瓷生物陶瓷敏感陶瓷功能陶瓷壓電陶瓷的種類(lèi)鈦酸鋇、鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛（PZT）等。 壓電陶瓷的應(yīng)用超聲換能器、聲轉(zhuǎn)換器、濾波器、 諧振器、點(diǎn)火器等。壓電電機(jī)驅(qū)動(dòng)

13、電路超聲用壓電陶瓷換能器功能陶瓷超高精度 掃描儀動(dòng)態(tài)壓電傳感技術(shù) 最小間距達(dá)50微米。掃描實(shí)物：工業(yè)材質(zhì)、粘土、玻璃、水晶、色彩 豐富的物件，還包括鮮果和鮮魚(yú)。壓電陶瓷點(diǎn)火器 功能陶瓷光電陶瓷光電導(dǎo)現(xiàn)象陶瓷受到光照射時(shí)，能帶間、能帶與 能級(jí)間的遷移引起的光吸收時(shí)，能帶內(nèi) 產(chǎn)生自由載流子，使電導(dǎo)率增加。具有光電導(dǎo)效應(yīng)的陶瓷光敏元件利用光電導(dǎo)效應(yīng)檢測(cè)光強(qiáng)度。 主要是GdS多晶：檢測(cè)從波長(zhǎng)XRay紫外線(xiàn)。 添加Cu雜質(zhì)，可檢測(cè)可見(jiàn)光。硅在太陽(yáng)能電池上的應(yīng)用 單晶硅 多晶硅 非晶硅光電陶瓷光電陶瓷功能陶瓷超導(dǎo)陶瓷1986年超導(dǎo)陶瓷出現(xiàn)。由鈣鈦礦結(jié)構(gòu)演變而來(lái)La2CuO3YBa2Cu2OyTI-Ba-C

14、a-Cu-OBi-Sr-Cu-O 鑭系 釔系 鉍系 鉈系主要體系：功能陶瓷超導(dǎo)陶瓷的應(yīng)用在信息領(lǐng)域：用作高速轉(zhuǎn)換元件、通信元件和連接電路。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：用于核磁共振斷層攝像儀、量子干涉儀、 粒子線(xiàn)治療裝置等。在交通運(yùn)輸領(lǐng)域：完全抗磁體制造的磁懸浮列車(chē)、電磁推進(jìn) 器、飛機(jī)航天飛機(jī)發(fā)射臺(tái)等。在電子能源領(lǐng)域：用于超導(dǎo)磁體發(fā)電、超導(dǎo)輸電、超導(dǎo)儲(chǔ)能等在宇宙開(kāi)發(fā)、軍事領(lǐng)域：潛艇的無(wú)螺旋漿無(wú)噪聲電磁推進(jìn)器、 超導(dǎo)磁炮等。超導(dǎo)陶瓷的應(yīng)用磁懸浮列車(chē)核磁共振儀功能陶瓷磁性陶瓷鐵氧體鐵和其他金屬的復(fù)合氧化物，具有亞鐵磁性 MOFe2O3，M：一、二價(jià)金屬和三價(jià)稀土金屬。主要指鐵氧體鐵氧體的晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)型尖晶石型：M

15、eFe2O4，等軸晶系， Mn-Zn鐵氧體、Ni-Zn鐵氧體磁鉛石型：MeFe12O19，六方晶系， BaFe12O19石榴石型：3Me2O35Fe2O3或2Me3Fe5O12，等軸晶系， Me：三價(jià)稀土金屬， 3Y2O35Fe2O3功能陶瓷鐵氧體的分類(lèi)及應(yīng)用鐵氧體軟磁鐵氧體硬磁鐵氧體電感線(xiàn)圈、天線(xiàn)、變壓器和濾波器的磁芯以及錄音和錄像的磁頭等。永磁體，用作恒穩(wěn)磁場(chǎng)源。 旋磁鐵氧體矩磁鐵氧體磁性陶瓷64K FRAM功能陶瓷光學(xué)陶瓷透光、濾光、發(fā)光功能要求：具有優(yōu)良的耐熱性、耐風(fēng)化性、耐膨脹性； 光損耗低； 經(jīng)光的照射，其性質(zhì)發(fā)生可逆或不可逆顯著變化。 功能陶瓷光學(xué)陶瓷的種類(lèi)透明陶瓷紅外光學(xué)陶瓷激

16、光陶瓷氧化物透明陶瓷非氧化物透明陶瓷氧化釔(Y2O3)基質(zhì)晶體+ 摻雜離子Al2O3、 Gd2O3、 CaO LiAl5O8、MgO、BeOGaAs、ZnS、ZnSeMgF2、CaF2紅寶石 -Al2O3 + Cr+摻釹的釔鋁石榴石晶體 Nd3+:YAG濾光、紅外接受和紅外探測(cè)材料透明陶瓷應(yīng)用陶瓷光學(xué)透鏡 防穿甲彈的透明陶瓷透明氧化鋁高壓鈉燈燈管功能陶瓷探測(cè)材料應(yīng)用紅外導(dǎo)彈的窗口和整體罩、天線(xiàn)罩、微波基板絕緣支架、紅外發(fā)生管殼、紅外透鏡紅外光學(xué)陶瓷功能陶瓷激光晶體材料激光晶體陶瓷功能陶瓷生物陶瓷用于人體器官替換、修補(bǔ)以及外科矯形的陶瓷材料。生物惰性陶瓷生物活性陶瓷Al2O3 ZrO2 碳素類(lèi)磷酸鈣陶瓷、生物活性玻璃陶瓷、BGC人工骨、Na2O-K2O-MgO-CaO-SiO2-P2O5陶瓷物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，在生物體內(nèi)完全呈惰性狀