材料科學導論緒論

《材料科學導論》

《IntroductionofMaterialsScience》主講：青島科技大學配位化學研究所

緒論有關材料的一些話題有關構建材料科學體系的一些話題學習《材料科學導論》的目的與意義本期《材料科學導論》的基本內容如何學好《材料科學導論》

一、有關材料的一些話題(1)材料是指人類社會能接受地，經(jīng)濟地的制造有用物品的物質。

(2)材料所具有的基本要素（一定的組成和配比、成型加工性能、形狀保持性、回收和再生性）(3)材料是人類文明進步的里程碑（材料的地位與作用）

人類社會發(fā)展的歷史階段常常用當時主要使用的材料來劃分。從古代到現(xiàn)在人類使用材料的歷史共經(jīng)歷了七個時代，各時代的開始時間：

材料發(fā)展的古代史：石器時代（舊石器時代、新石器時代）

青銅器時代

鐵器時代材料發(fā)展的現(xiàn)代史：金屬材料無機非金屬材料傳統(tǒng)材料高分子材料新材料時代（1990年）

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。

二、有關構建材料體系的話題背景知識：早期的材料制造業(yè)都是建立在手工作坊的基礎上的，經(jīng)驗性的權重很大，限制了新材料的發(fā)展；1957年前蘇聯(lián)人造衛(wèi)星首先上天，震驚美國，把落后的主要原因歸于材料研究落后；于是在一些大學相繼成立了十余個材料研究中心，采用先進的科學理論與實驗方法對材料進行深入的研究，取得重要成果。從此，“材料科學”這個概念開始為人所用。材料科學學科形成的

深層次原因分析（1）固體物理、無機化學、有機化學、物理學等相關基礎學科對物質結構和物性的深入研究，促進了對材料本質的了解；冶金學、金屬學、陶瓷學、高分子科學等相關應用學科的發(fā)展也對材料本身的研究大大加強，從而對材料制備、結構與性能以及它們之間的相互關系的研究也越來越深入。材料科學學科形成的

深層次原因分析（2）在材料科學這個名詞出現(xiàn)以前，金屬材料、高分子材料與陶瓷材料以及復合材料都已自成體系，但它們之間存在著頗為相似之處，不同類型的材料可以相互借鑒，從而促進本學科的發(fā)展。材料科學學科形成的

深層次原因分析（3）各類材料的研究設備與生產(chǎn)手段有頗多共同之處材料科學學科形成的

深層次原因分析（4）許多不同類型的材料可以相互代替和補充，能更充分發(fā)揮各種材料的優(yōu)越性，達到物盡其用的目的。（復合材料的原理問題的提出）材料科學學科形成的

深層次原因分析（5）最后，復合材料在多數(shù)情況下是不同類型材料的組合，如果對不同類型材料沒有一個全面的了解，作為新材料發(fā)展之一的復合材料的研究開發(fā)必然受到影響。對各類材料有一個深入的了解是復合材料發(fā)展的基礎。正是這樣的背景條件促使了材料學科——一門新的綜合性學科的誕生。什么是材料科學材料科學是一門以材料為研究對象，介于基礎科學與應用科學之間的稱之為應用基礎科學的學科?；緝热荩海?）從化學的角度出發(fā)，研究材料的化學組成、鍵性、結構與性能的關系及其規(guī)律（2）從物理的角度出發(fā)，研究材料的組成原子、分子及其運動狀態(tài)與各種物性之間的關系（3）在此基礎上為材料的合成、加工工藝及應用提出科學的依據(jù)。？

歸納：材料科學是研究材料的成分、組織結構、制備工藝、加工工藝、材料的性能與材料應用之間的相互關系的科學。材料科學是當代科學技術發(fā)展的基礎、工業(yè)生產(chǎn)的支柱，是當今世界的帶頭學科之一。納米材料科學與技術是20世紀80年代發(fā)展起來的新興學科，成為21世紀新技術的主導中心。材料科學導論是進行材料科學研究的基礎理論，它將各種材料（包括金屬、陶瓷、高分子材料）的微觀結構和宏觀結構規(guī)律建立在共同的理論基礎上，用于指導材料的研究、生產(chǎn)、應用和發(fā)展。它涵蓋了材料科學和材料工程的基礎理論。

三、學習《材料科學導論》

的目的和意義（1）材料科學的內函材料科學是一個跨物理、化學等的學科。材料科學的核心問題是材料的組織結構（Structure）和性能（Property）以及它們之間的關系。右圖為材料科學與工程四要素。其中結構是最重要的因素。所以，先要了解材料的結構是什么這一基本問題。

材料結構關系

材料的結構包括不同晶體結構和非晶體，以及顯微鏡下的微觀結構，哪些主要因素能夠影響和改變結構？只有了解了這些才能實現(xiàn)控制結構的目的。材料的性能包括物理性能、化學性能、力學性能。其內部結構包括四個層次：①原子結構；②結合鍵；③原子的排列方式；④顯微組織（A）組織結構：包含著決定材料性質和使用性能的原子、離子或分子等的排列形式或方式。（B）性質：賦予材料的價值和應用性.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。（C）使用性能：是材料在使用條件下應用性能的度量.

也指在使用狀態(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。（D）合成和加工（制備）包括傳統(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。（2）材料科學與材料工程的關系

一般來講，科學是研究“為什么”的學問，而工程是解決“怎么做”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)揮現(xiàn)有材料的潛力、發(fā)展新材料提供理論基礎。材料科學和材料工程之間的區(qū)別主要在于著眼點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，后來人們常常將二者放在一起，采用一個復合名詞－材料科學與工程（MSE，MaterialScienceandEngineering）材料科學：是一門科學，它從事與材料本質的發(fā)現(xiàn)、分析和了解方面的研究，其目的在于提供材料結構的統(tǒng)一描繪或模型，以及解釋這種結構與性能之間的關系。它包括三個環(huán)節(jié)，核心是結構和性能。材料工程：是工程的一個領域，其目的在于經(jīng)濟地，而又為社會所能接受地控制材料的結構、性能和形狀。它包括五個環(huán)節(jié)。（3）材料的分類（P1－2）材料按化學組成（或基本組成）分類根據(jù)材料的性能分類材料按服役的領域來分類材料按結晶狀態(tài)分類材料按材料的尺寸分類

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。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。

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。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。

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。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相補充，獲得原組分不具備的許多優(yōu)良性能。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。結構材料是以強度，剛度，韌性，耐勞性，硬度，疲勞強度等力學性能為特征的材料。功能材料是以聲，光，電，磁，熱等物理性能為特征的材料。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。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。醫(yī)用金屬及合金醫(yī)用高分子材料包括合成和天然高分子，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造。

醫(yī)用生物陶瓷包括惰性和活性生物陶瓷、生物玻璃等，如氧化鋁瓷、氧化鋯瓷、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:表面涂層生物活性人工牙根、人工心臟瓣膜人造血管等。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?。┎牧稀⑿畔⒌膫鬏敳牧?、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137W.h/Kg，而鉛蓄電池的比能量只有30W.h/Kg。材料按結晶狀態(tài)分類單晶材料是由一個比較完整的晶粒構成的材料，如單晶纖維、單晶硅；多晶材料是由許多晶粒組成的材料，其性能與晶粒大小、晶界的性質有密切的關系。非晶態(tài)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。準晶材料是指準周期性晶體材料的簡稱，準晶仍然是晶體，準晶中的原子分布有嚴格的位置序，但位置序無周期性，即沒有周期性平移對稱關系，在準晶材料中存在不符合傳統(tǒng)晶體學的五次、八次、十二次對稱軸。準晶從結構角度看是一種新的物質形態(tài)，但實際上它們僅在特定的金屬合金中形成，是成分范圍較窄的金屬間化合物。按材料的尺寸分類材料按材料的尺寸可分為零維材料、一維材料、二維材料、三維材料。零維材料即超微粒子，通過Sol-gel法、多相沉積或激光等方法，可以制備出亞微米級的陶瓷或金屬粉末，大小1—100nm的超微粒比表面積大（可作為高效催化劑）、比表面能高、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)由連續(xù)能帶變?yōu)椴贿B續(xù)、光吸收也發(fā)生異?，F(xiàn)象（可以成為高效微波吸收材料）。一維材料，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)展很快。再比如脆性塊狀材料在變成細絲后便增加了韌性，可以用來增強其它的塊狀。實用纖維為碳纖維、硼纖維、陶瓷纖維。纖維中強度和剛度最高的要算晶須。二維材料（薄膜），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、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。三維材料即塊狀材料。（4）材料的應用

讓我們回顧幾項有影響的事例，以便加深理解材料的發(fā)展在人類社會發(fā)展中起了舉足輕重的作用。計算機與材料1、計算機經(jīng)歷：電子管→晶體管→集成電路時代

2、個人電腦移動存儲器的比較材料科學的發(fā)展是計算機飛速發(fā)展的基礎。種類使用的材料存儲容量特點軟盤氧化鐵1.44Mb容量小，文本文件存儲CD－RW以ZnS等為主的陶瓷材料650MbCD光盤，價低，用量大MO(磁光盤)TbFeCo合金磁光材料650Mb，1.3G需專用驅動器，價格高，局限在廣告圖形用戶DVD－RWZnS等為主的陶瓷材料單面單層為4.7GbCD－RW和CD光盤，用量大飛機和材料從萊特兄弟實現(xiàn)飛行的夢想以來，航空和航天器發(fā)生了巨變。為了飛得快和遠，就要采用強度高和比重小的材料，重視材料的比強度，即強度/比重之比。