第二章材料科學(xué)與工程的四個(gè)基本要素

新鄉(xiāng)縣電業(yè)局第二章材料科學(xué)與工程的四個(gè)基本要素MSE四要素；–使用性能，材料的性質(zhì)，結(jié)構(gòu)與成分，合成與加工兩個(gè)重要內(nèi)容；–儀器與設(shè)備，分析與建?！?.1性質(zhì)與使用性能1.基礎(chǔ)概念2.性質(zhì)與性能的3.材料的4.材料區(qū)別與關(guān)系失效分析（產(chǎn)品）使用性能的設(shè)計(jì)5.材料性能數(shù)據(jù)庫(kù)6.其它問題2.1.1基礎(chǔ)內(nèi)容材料性質(zhì)：是功能特性和效用的描述符，是材料對(duì)電.磁.光.熱.機(jī)械載荷的應(yīng)。材料性質(zhì)描述?力學(xué)性質(zhì)；強(qiáng)度，硬度，剛度，塑性，韌性物理性質(zhì)；電學(xué)性質(zhì)，磁學(xué)性質(zhì)，光學(xué)性質(zhì)，熱學(xué)性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)；催化性質(zhì)，防化性質(zhì)結(jié)構(gòu)材料性質(zhì)的表征----材料力學(xué)性質(zhì)強(qiáng)度：材料抵抗外應(yīng)力的能力。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1頁(yè)腳內(nèi)容新鄉(xiāng)縣電業(yè)局力。硬度：材料在表面上的小體積內(nèi)抵抗變形或破裂的能力。剛度：外應(yīng)力作用下材料抵抗彈性變形能力。疲勞強(qiáng)度：材料抵抗交變應(yīng)力作用下斷裂破壞的能力?？谷渥冃裕翰牧显诤愣☉?yīng)力（或恒定載荷）作用下抵抗變形的能力。韌性：材料從塑性變形到斷裂全過程中吸收能量的能力。2.1.1基礎(chǔ)內(nèi)容強(qiáng)度范疇剛度范疇?wèi)?yīng)力韌性范疇塑性范疇?wèi)?yīng)變62.1.1基礎(chǔ)內(nèi)容材料的物理性質(zhì)電學(xué)性質(zhì)磁學(xué)性質(zhì)光學(xué)性質(zhì)熱學(xué)性質(zhì)導(dǎo)電性絕緣性介電性導(dǎo)熱性熱膨脹熱容熔化光反射光折射抗磁性順磁性鐵磁性光學(xué)損耗光透性注：上面只列出了材料的主要物理性質(zhì)7物理性質(zhì)的交互性----材料應(yīng)用的關(guān)鍵點(diǎn)2頁(yè)腳內(nèi)容新鄉(xiāng)縣電業(yè)局現(xiàn)代功能材料不僅僅表現(xiàn)出單一的物理性質(zhì)，更重要的是具備了特殊的物理交互性。例如：電學(xué)----機(jī)械機(jī)械----電學(xué)磁學(xué)----機(jī)械電學(xué)----磁學(xué)電學(xué)----光學(xué)電致伸縮壓電特性磁致伸縮巨磁阻效應(yīng)電致發(fā)光性能定義在某種環(huán)境或條件作用下，為描述材料的行為或結(jié)果，按照特定的規(guī)范所獲得的表征參量。材料力學(xué)性能1.強(qiáng)度表征：彈性極限，屈服強(qiáng)度，比例極限……2.塑性表征：延伸率δ，斷面收縮率φ，沖杯深度h3.硬度表洛氏硬度，維氏硬度……4.剛度表?xiàng)钍夏Ａ?，剪切模量…?.疲勞強(qiáng)度表征：疲勞極限，疲勞壽命……6.抗蠕變性表征：蠕變極限，持久強(qiáng)度……征：布氏硬度，征：彈性模量，KJIC7.韌性表材料物理性能1.電學(xué)性能表征：斷裂韌性，斷裂韌性IC征：導(dǎo)電率，電阻率，介電常數(shù)……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……2.磁學(xué)性能表3頁(yè)腳內(nèi)容新鄉(xiāng)縣電業(yè)局4.熱學(xué)性能表征：熱導(dǎo)率，熱膨脹系數(shù)，熔點(diǎn)，比熱……2.1.2性質(zhì)與性能的區(qū)別與關(guān)系性質(zhì)與使用性能的區(qū)別與關(guān)系2.1.2性質(zhì)與性能的區(qū)別與關(guān)系2.性質(zhì)與使用性能的區(qū)別與關(guān)系環(huán)境成分使用性質(zhì)規(guī)范結(jié)構(gòu)性能所以，性能是包括材料在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)特征的體現(xiàn)；性質(zhì)則是材料本身特征的體現(xiàn)。22性能是隨著外因的變化而不斷變化，是個(gè)漸變過程，在這個(gè)過程中發(fā)生量變的積累，而性質(zhì)保持質(zhì)的相對(duì)穩(wěn)定性；當(dāng)量變達(dá)到一個(gè)“度”時(shí)，將發(fā)生質(zhì)變，材料的性質(zhì)發(fā)生根本的變化。需要注意的一點(diǎn)在材料科學(xué)研究及工程化應(yīng)用中，材料人員應(yīng)具備這樣一種能力：能針對(duì)不同的使用環(huán)境，提取出關(guān)鍵的材料性質(zhì)并選擇優(yōu)良性能的材料。3.失效分析----材料使用性能的重要研究?jī)?nèi)容4頁(yè)腳內(nèi)容新鄉(xiāng)縣電業(yè)局失效性質(zhì)失效環(huán)境失效行為力學(xué)低溫、過載荷脆斷、疲勞、斷裂腐蝕破壞化學(xué)電學(xué)熱學(xué)化學(xué)介質(zhì)催化劑失效電介質(zhì)擊穿電流過載電壓、電流高溫融化蠕變破壞高溫三類主要的材料力學(xué)失效形式斷裂磨損腐蝕材料的斷裂韌性3.1.4材料（產(chǎn)品）使用性能的設(shè)計(jì)在材料使用性能（產(chǎn)品）設(shè)計(jì)的同時(shí)，力求改變傳統(tǒng)的研究及設(shè)計(jì)路線，將材料性質(zhì)同時(shí)考慮進(jìn)去，采取并行設(shè)計(jì)的方法。傳統(tǒng)方式：結(jié)構(gòu)與功能－確定材料的性質(zhì)（選擇材料）－完成設(shè)計(jì)先進(jìn)方式：結(jié)構(gòu)與功能，材料的性質(zhì)－完成設(shè)計(jì)2.1.5材料性能數(shù)據(jù)庫(kù)從事材料工程的人們必須注重材料性能數(shù)據(jù)庫(kù)，因?yàn)椋?.材料性能數(shù)據(jù)庫(kù)是材料選擇的先決條件；2.材料性能數(shù)據(jù)庫(kù)是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助選材（CAMS）、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）的基礎(chǔ)。國(guó)際材料數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)簡(jiǎn)況?英、美金屬學(xué)會(huì)合建金屬材料數(shù)據(jù)庫(kù)?西方七國(guó)組成有關(guān)新材料數(shù)據(jù)及標(biāo)準(zhǔn)的“凡爾賽計(jì)劃”5頁(yè)腳內(nèi)容新鄉(xiāng)縣電業(yè)局?原蘇聯(lián)及東歐各國(guó)組成了COMECON材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)，包括16個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)?北京科技大學(xué)等單位聯(lián)合建成材料腐蝕數(shù)據(jù)庫(kù)?武漢材料保護(hù)研究所建成材料磨損數(shù)據(jù)庫(kù)?北京鋼鐵研究總院建立合金鋼數(shù)據(jù)庫(kù)?航天航空部材料研究所建立航天材料數(shù)據(jù)庫(kù)2.1.6其它問題主要結(jié)構(gòu)材料的產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)材料世界產(chǎn)量中國(guó)產(chǎn)量鋼鐵71437.3水泥137466.010124.049199.0合成橡膠818.260.0合成樹脂13940.0643.6460.3合成纖維2155.4§2.2成分與結(jié)構(gòu)1.材料的結(jié)構(gòu)2.成分結(jié)構(gòu)3.與其它要4.材料的成分.結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)檢測(cè)技術(shù)素的關(guān)系5.新的機(jī)遇2.2.1材料的結(jié)構(gòu)鍵合結(jié)構(gòu)，晶體結(jié)構(gòu)，組織結(jié)構(gòu)6頁(yè)腳內(nèi)容新鄉(xiāng)縣電業(yè)局2.2.1材料的結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)----鍵合結(jié)構(gòu)陶瓷材料高分子材料金屬材料離子建共價(jià)鍵金屬鍵?化學(xué)鍵?物理鍵結(jié)能氫冰（H0）2鍵合鹵族晶體分子鍵注：1.有些陶瓷材料屬共價(jià)鍵化合物，如SiC陶瓷；2.分子鍵又稱范德瓦爾斯力3.實(shí)際晶體并非只有一種鍵合結(jié)構(gòu)，如冰晶（共價(jià)鍵、氫38鍵）材料的結(jié)構(gòu)----晶體結(jié)構(gòu)晶體：原子排列長(zhǎng)程有序，有周期非晶體：原子排列短程有序，無周期準(zhǔn)晶體：原子排列長(zhǎng)程有序，無周期材料的結(jié)構(gòu)----組織結(jié)構(gòu)定義：組成材料的不同物質(zhì)表示出的某種形態(tài)特征相圖特征；勻晶型組織，共晶型組織，包晶型組織結(jié)構(gòu)特征；fcc結(jié)構(gòu)，bcc結(jié)構(gòu)，hcp結(jié)構(gòu)組織特征；單相組織，兩相組織，多相組織2.2.2成分、結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)代材料科學(xué)家對(duì)材料成分、結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)是由分析、檢測(cè)實(shí)現(xiàn)的。成分分析化學(xué)分析：化驗(yàn)物理分析：物理量間接測(cè)定譜學(xué)分析：紅外光譜、光電子能譜，等結(jié)構(gòu)分析7頁(yè)腳內(nèi)容新鄉(xiāng)縣電業(yè)局分辨率檢測(cè)儀器體視顯微鏡光學(xué)顯微鏡電子掃描顯微透射電鏡mm(毫米)--μm（微米μm（微米微米--納米（nm）達(dá)0.7nm））觀察到原子排列面，達(dá)0.2nm場(chǎng)離子顯微鏡形貌觀察0.2--0.3nm隧道掃描顯微鏡觀察到原子結(jié)構(gòu)0.05--0.2nm2.2.3與其它要素的關(guān)系是材料性質(zhì)的原因是合成加工的結(jié)果材料的強(qiáng)度金屬材料的尺寸減小到一定值時(shí)，材料的工程強(qiáng)度值不再恒定，而是迅速增大，原因有兩點(diǎn)：1）按統(tǒng)計(jì)學(xué)原理計(jì)算單位面積上的位錯(cuò)缺陷數(shù)目，由于截面減小而不能滿足大樣本空間時(shí)，這個(gè)數(shù)值不再恒定；2）晶體于理論強(qiáng)度值-----結(jié)構(gòu)是性能的原因。塑性加工金屬材料隨塑性加工量的增大，組織結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的變化：等軸晶---帶狀組織---細(xì)晶組織結(jié)構(gòu)越來越接近無缺陷理想晶體，強(qiáng)度值也就越接近------是加工的結(jié)果材料的強(qiáng)韌化----位錯(cuò)理論的建立固溶強(qiáng)化，加工硬化，彌散強(qiáng)化，第二相強(qiáng)化，相變?cè)鲰g2.2.4成分、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)8頁(yè)腳內(nèi)容新鄉(xiāng)縣電業(yè)局?X衍射數(shù)據(jù)庫(kù)：建立了結(jié)構(gòu)---測(cè)定參數(shù)的關(guān)系?相圖數(shù)據(jù)庫(kù)：建立了成分---相的關(guān)系具有一種晶體結(jié)構(gòu)的物質(zhì)稱為一相注：這兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)材料科學(xué)家的研究提供了極大的便利，幾乎所有材料合成的研究都是從了解上面兩個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系的研究開始的。2.2.5成分、結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域的新機(jī)遇準(zhǔn)晶，準(zhǔn)晶的結(jié)構(gòu)，潛在的應(yīng)用價(jià)值納米材料，納米碳管，C60(巴基球)，等界面科學(xué)–超導(dǎo)體與基體的界面結(jié)構(gòu)–功能復(fù)合材料的梯度界面–半導(dǎo)體材料與封裝材料的界面–纖維增強(qiáng)體與基體的結(jié)合界面以上新的研究課題，都主要是圍繞成分與結(jié)構(gòu)展開的，向上追溯到材料的合成與加工，向下則牽聯(lián)到材料的特征性質(zhì)。可以說，這些研究是新材料新技術(shù)的代表?！?.3合成與加工1.定義2.合成與加工的主要內(nèi)容3.與其它要素的關(guān)系4.發(fā)展方向2.3.1定義9頁(yè)腳內(nèi)容新鄉(xiāng)縣電業(yè)局“合成”與“加工”是指建立原子、分子和分子團(tuán)的新排列，在所有尺度上（從原子尺寸到宏觀尺度）對(duì)結(jié)構(gòu)的控制，以及高效而有競(jìng)爭(zhēng)力地制造材料與元件的演化過程。合成是指把各種原子或分子結(jié)合起來制成材料所采用的各種化學(xué)方法和物理方向。加工可以同樣的方式使用，還可以指較大尺度上的改變，包括材料制造。需要說明的問題在材料科學(xué)與工程中，合成和加工之間的區(qū)別變得越來越模糊合成是新技術(shù)開發(fā)和現(xiàn)有技術(shù)改進(jìn)的關(guān)鍵性要素現(xiàn)代材料合成技術(shù)是人造材料的唯一實(shí)現(xiàn)途徑2.3.2合成與加工的主要內(nèi)容材料制備材料加工表面工程材料復(fù)合一．材料的制備冶金過程，熔煉與凝固，粉末燒結(jié)，高分子聚合不同的材料制備方法，分別具有不同的材料科學(xué)基礎(chǔ)內(nèi)容，即：冶金過程－冶金物理化學(xué)熔煉與凝固－凝固學(xué)理論粉末燒結(jié)－燒結(jié)原理高分子聚合－聚合反應(yīng)冶金過程（化學(xué)冶金）目的：從原料中提取出金屬內(nèi)容:火法冶金，熔鹽電冶金，濕法冶金熔煉與凝固（物理冶金）目的:１．金屬的精練提純10頁(yè)腳內(nèi)容新鄉(xiāng)縣電業(yè)局２．材料的“合金化”３．晶體的生長(zhǎng)內(nèi)容:1.平衡凝固2.快速凝固4.區(qū)域熔煉5.玻璃的熔煉6.熔融法提拉單晶3.定向凝固粉末燒結(jié)目的:１.粉末成型2.粉末顆粒的結(jié)合內(nèi)容:1.粉末冶金技術(shù)2.現(xiàn)代陶瓷材料的制備高分子聚合目的:實(shí)現(xiàn)小分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，相互結(jié)合形成高分子。高分子聚合是人工合成三大類高分子材料：塑料、橡膠、合成纖維的基本過程。內(nèi)容:1.本體聚合3.懸浮聚合2.乳液聚合4.溶液聚合二．材料的加工傳統(tǒng)意義上，材料的加工范疇包括四個(gè)方面：材料的切削：車、銑、刨、磨、切、鉆材料的成型：鑄造、拉、拔、擠、壓、鍛材料的改性：合金化、熱處理材料的聯(lián)接：焊接、粘接注：從課程體系上分析，材料的切削應(yīng)在機(jī)械工程中重點(diǎn)討論材料的成型三大類材料的成型技術(shù)在材料工程中是內(nèi)容最為豐富的一部分。如新鄉(xiāng)縣電業(yè)局果按材料的流變特性來分析，則材料的成型方法可分為三種：１．液態(tài)成型金屬的鑄造、溶液紡絲２．塑變成型金屬的壓力加工3.流變成型金屬、陶瓷、高分子成型2.3.2合成與加工的主要內(nèi)容二．材料的加工材料的成型液態(tài)成型AC鑄造液相區(qū)A度溫液固區(qū)BC半固態(tài)成型B固相區(qū)流變鑄造C觸變鑄造成分研究的內(nèi)容：1.凝固過程2.成型工藝3.流變特性702.3.2合成與加工的主要內(nèi)容二．材料的加工材料的成型塑變成型A高應(yīng)力冷加工低形變量A力應(yīng)實(shí)現(xiàn)加工硬化熱加工BB低應(yīng)力大形變量應(yīng)變實(shí)現(xiàn)超塑性變形71流變成型金屬的半固態(tài)成型高分子材料的熔融成型陶瓷泥料、漿料成型玻璃的熔融澆注材料的改性目的：通過改變材料的成分、組織與結(jié)構(gòu)來改變材料的性能。內(nèi)容:１.材料的“合金化”12頁(yè)腳內(nèi)容新鄉(xiāng)縣電業(yè)局2.材料的熱處理材料的熱處理通過一定的加熱、保溫、冷卻工藝過程，來改變材料的相組成情況，達(dá)到改變材料性能的方法。這種方法在金屬材料和現(xiàn)代陶瓷材料的改性方面有廣泛的應(yīng)用。典型熱處理工藝；淬火、退火、回火、正火2.3.2合成與加工的主要內(nèi)容二．材料的加工材料的“合金化”材料的改性通過改變材料的成分，法在金屬材料和達(dá)到改現(xiàn)代高分子材料的改性方面有廣泛的變材料性能的方法。這種方應(yīng)用。金屬材料的合金化過程’αABα固溶度變化改變性能度溫ABCαα+βACαα+β固溶度變化改變性能相組成變化改變性能成分742.3.2合成與加工的主要內(nèi)容淬火工藝二．材料的加工材料的改性度溫度溫v0vv>v0時(shí)成分間通過快速冷卻，獲得遠(yuǎn)離平衡態(tài)的不穩(wěn)定組織，達(dá)到強(qiáng)化材料的目的。7613頁(yè)腳內(nèi)容新鄉(xiāng)縣電業(yè)局3.3.2合成與加工的主要內(nèi)容二．材料的加工正火工藝材料的改性度溫正火淬火時(shí)間在奧氏體狀態(tài)下，空氣或保獲護(hù)氣體冷卻得珠光體均勻組織，提高強(qiáng)度，改善韌性。772.3.2合成與加工的主要內(nèi)容退火工藝二．材料的加工材料的改性度溫時(shí)過緩慢冷卻，織，達(dá)到均勻化、間獲得態(tài)的組應(yīng)力的目的。通接近平衡消除內(nèi)782.3.2合成與加工的主要內(nèi)容回火工藝二．材料的加工材料的改性度溫時(shí)間淬火或正火的材料重新加熱。目的在于松懈淬火應(yīng)力和使組織向穩(wěn)態(tài)過度，改善材料的延展性和韌性，并穩(wěn)定工件的尺寸。79材料的聯(lián)接目的：實(shí)現(xiàn)材料間的整體結(jié)合14頁(yè)腳內(nèi)容新鄉(xiāng)縣電業(yè)局內(nèi)容:1.焊接3.鉚接2.粘接4.栓接三．材料表面工程表面改性，表面防護(hù)，薄膜技術(shù)表面改性----改變材料表面的性質(zhì)三束表面改性化學(xué)表面改性（化學(xué)熱處理）表面淬火從工藝機(jī)理上分析，表面改性同整體材料的改性是相同的，即：在表面實(shí)現(xiàn)材料的成分、組織與結(jié)構(gòu)的變化，達(dá)到改變材料表面性能的目的。不同點(diǎn)就是采用了特殊的能量輸入方式，使能量作用效果或成分變化僅發(fā)生在表面。3.3.2合成與加工的主要內(nèi)容三．材料表面工程三束表面改性表面改性激光束---組織變化金屬元素非均細(xì)晶勻晶合金化電子束---組織變化化化化離子束---組織變成分、化8415頁(yè)腳內(nèi)容新鄉(xiāng)縣電業(yè)局3.3.2合成與加工的主要內(nèi)容三．材料表面工程離子束改性對(duì)表面應(yīng)力狀況的影響表面改性強(qiáng)度極限疲勞極限AA---原始受力狀態(tài)B---改性受力狀態(tài)C---最終受力狀態(tài)BC853.3.2合成與加工的主要內(nèi)容三．材料表面工程化學(xué)熱處理）表面改性化學(xué)表面改性（改變材料表面的化學(xué)成分---化學(xué)滲入濃度CN++度溫ABCαα+βMe+C0表面心部成分863.3.2合成與加工的主要內(nèi)容三．材料表面工程表面防護(hù)表面淬火?高頻淬火電磁能集膚電流表面熱能熱處理?火焰淬火氣體化學(xué)反應(yīng)表面熱能組織改變性能改變8716頁(yè)腳內(nèi)容新鄉(xiāng)縣電業(yè)局表面防護(hù)腐蝕防護(hù)摩擦磨損防護(hù)腐蝕防護(hù)b大氣腐蝕海水腐蝕工業(yè)介質(zhì)腐蝕由腐蝕造成的材料失效量，占世界材料總產(chǎn)量的比例很高，腐蝕問題十分嚴(yán)重。因此，腐蝕防護(hù)非常重要。美國(guó)八個(gè)工業(yè)部門對(duì)材料性質(zhì)的需求情況航空航天生物所需特性比強(qiáng)度汽車化工電子能源金屬通信材料耐高溫耐腐蝕加工高效近終成型材料回收化學(xué)反應(yīng)-----腐蝕的原因主動(dòng)防護(hù)合金化，非晶化，高純度，抗蝕材料被動(dòng)防護(hù)表面涂鍍，表面改性，表面鈍化，電化學(xué)保護(hù)摩擦磨損防護(hù)增加抗磨損性，增加潤(rùn)滑性薄膜技術(shù)新鄉(xiāng)縣電業(yè)局納米結(jié)構(gòu)與組裝、光電子器件，等方面正發(fā)揮著越來越重要的作用。四．材料的復(fù)合陶瓷基復(fù)合材料高分子復(fù)合材料材料復(fù)合的主要目的就是依據(jù)不同材料性能的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、協(xié)調(diào)作用的原則，進(jìn)行材料的設(shè)計(jì)與制備。因此材料復(fù)合的過程就是材料制備、改性、加工的統(tǒng)一過程。復(fù)合材料的制備過程融合了金屬、陶瓷、高目前材料科學(xué)的發(fā)展，復(fù)合的概念越來越重要，及制備方法。分子材料制備的基本原理。出現(xiàn)了許多新型的復(fù)合材料現(xiàn)代材料的合成與加工不僅涉及到微觀和宏觀范圍內(nèi)的內(nèi)容，同時(shí)也涉及到更微甚至達(dá)到了原子通常所說的材料涵。細(xì)化，尺度范圍上的問題，因此，這里論述的合成與加工的內(nèi)涵要大于工程的內(nèi)3.3.3與其它要素的關(guān)系3.3.3與其它要素的關(guān)系從材料的產(chǎn)生到進(jìn)入使用過程，直至損耗，四大要素存在著邏輯上的因果順序，即：產(chǎn)生具備提供合成與加工結(jié)構(gòu)與成分材料性質(zhì)使用性能3.3.3與其它要素的關(guān)系低速冷卻10-3K/S~1K/S102~108K/S平衡組織鑄態(tài)組織非平衡態(tài)組織單晶硅近終型技術(shù)非晶帶材：制做變壓器細(xì)晶：微晶：尺寸缺陷數(shù)>300mm高強(qiáng)材料100-1000個(gè)/cm2先進(jìn)的成型技術(shù)人們正在研究這用一新結(jié)構(gòu)的意義和實(shí)準(zhǔn)晶：正在研究定向凝固共晶材料制成渦輪機(jī)葉片1003.3.4發(fā)展趨勢(shì)在極端化的條件下，完成合成與加工過程，獲得更多的功能特性。?超純條件------單晶硅晶片?高壓條件------人工金剛石?低溫條件------超導(dǎo)體?超細(xì)條件------納米材料電子材料合成與加工的關(guān)鍵技術(shù)大尺寸、高均勻性、高完整性的晶體生長(zhǎng)技術(shù)；高精度晶片加工技術(shù)；MOCVD、MBE超薄膜生長(zhǎng)技術(shù)；新鄉(xiāng)縣電業(yè)局高純和超高純材料純制技術(shù)；低維材料的微細(xì)加工和制備技術(shù)；高均勻超細(xì)粉體制備技術(shù)；電子陶瓷、磁性材料的焙燒和成型技術(shù)；材料的修飾或改性技術(shù)；§3.4儀器與設(shè)備1.成分、2.材料性能的檢測(cè)儀器3.合成4.過程控制的成分結(jié)構(gòu)表征儀器結(jié)構(gòu)表征儀器與加工過程中使用的設(shè)備探測(cè)元件及裝置材料成分結(jié)構(gòu)的表征儀器是從事材料科學(xué)研究必備的手段，如同天文望遠(yuǎn)鏡將人類視野帶到了一個(gè)遙遠(yuǎn)的宇宙空間一樣，材料成分結(jié)構(gòu)表征儀器則將我們的觀察引進(jìn)一個(gè)更為絢麗多彩的微觀世界。隨著儀器能檢測(cè)到的下限值不斷減小，材料研究者所獲取的信息也在不斷增多，對(duì)材料本質(zhì)的認(rèn)識(shí)也在不斷加深。材料科學(xué)研究使用的儀器、設(shè)備的精密程度代表了一個(gè)國(guó)家的綜合科技水平。表面科學(xué)中使用的儀器掃描隧道顯微鏡雙準(zhǔn)直離子散射儀高分辨率電子損耗光譜儀角分辨光電子能譜儀俄歇能譜儀低能電子衍射儀低能電子顯微鏡自旋極化測(cè)量場(chǎng)離子顯微鏡原子探針測(cè)定儀器測(cè)定儀器是將性能的三要素（外界環(huán)境、表現(xiàn)行為、表材料材料性能的材料性能的新鄉(xiāng)縣電業(yè)局征參量）融合在一個(gè)系統(tǒng)中完成，即，由儀器輸入或模擬一個(gè)使用環(huán)境（條件），使受測(cè)材料發(fā)生響應(yīng)（結(jié)果），然后儀器再將響應(yīng)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)表現(xiàn)出來（數(shù)值）。有許許多多種材料的力學(xué)、物理、化學(xué)單項(xiàng)性能，每種性能都分別對(duì)應(yīng)了相應(yīng)的測(cè)定方法和儀器。這些儀器構(gòu)成了一個(gè)龐大的材料性能測(cè)定儀器家族。合成與加工設(shè)備材料合成與加工過程是在一個(gè)限定的空間，在給定的條件下進(jìn)行的。用以滿足空間需求和提供外加條件的各種裝置或部件的組合就構(gòu)關(guān)鍵的控成了材料合成與加工設(shè)備的主體。同時(shí)，設(shè)備中還包含了制系統(tǒng)。空間條件：各類反應(yīng)容器、坩堝外力條件：氣壓、液壓、機(jī)械壓制、沖擊力（波）介質(zhì)環(huán)境：真空設(shè)備、不同的氣氛條件能量供給：電力系統(tǒng)、加熱裝置、輻照裝置、激光發(fā)生器物質(zhì)輸送：氣、液管路、機(jī)械進(jìn)給裝置過程控制的探測(cè)元件和裝置傳感器是控制系統(tǒng)“感知”加工過程的“器官”。器從過程中獲得的信號(hào)主要包聲、光、電、磁、熱、壓力、流速、濃度，等用于傳感器的無機(jī)非金屬敏感材料、熔煉爐傳感括：21頁(yè)腳內(nèi)容新鄉(xiāng)縣電業(yè)局探測(cè)性能氧含量濕度酸度壓力溫度電壓原理材料體離子導(dǎo)電表面離子導(dǎo)電表面化學(xué)反應(yīng)壓電ZrCaO1-χ2-χMgCrO·TiO422IrO2-χPbZrPbZrTi1-χχ3Ti1-χχ3ZnO·BiO2O熱電O晶界面隧道晶界面相變表面電子導(dǎo)電光電阻3PTC熱敏電阻BaCe1-χTiOχ3ZnO·CuO化學(xué)光學(xué)CdS§2.5分析與建模（材料設(shè)計(jì)）1.引言2.材料3.材料1.引言設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)隨著材料科學(xué)的飛速發(fā)展，新型材料不斷涌現(xiàn)，與此同時(shí)，人類社會(huì)的整體科技水平也在不斷的提高，因此對(duì)材料科學(xué)又提出了更高的要求。傳統(tǒng)“炒菜式”的材料研制方法已不能滿足人們的要求?！安牧显O(shè)計(jì)”應(yīng)運(yùn)而生核心問題：用什么樣的配方，什么樣的合成加工條件，來獲取具有什么樣的成分、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的材料“材料設(shè)計(jì)”構(gòu)想始于50年代，80年代后實(shí)現(xiàn)“材料設(shè)計(jì)”的條件漸趨成熟。表現(xiàn)在以下三個(gè)方面1）基礎(chǔ)理論的形成和發(fā)展帶理論，化學(xué)。：量子力學(xué)，統(tǒng)計(jì)力學(xué)，能鍵理論等理論科學(xué)的發(fā)展使人們對(duì)材料22頁(yè)腳內(nèi)容新鄉(xiāng)縣電業(yè)局的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的關(guān)系有了系統(tǒng)的了解；2）計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展計(jì)算機(jī)高速運(yùn)算，模式識(shí)別，數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展，為材料設(shè)計(jì)與過程仿真的實(shí)施提供了手段；3）合成與加工新技術(shù)的涌現(xiàn)各種新型材料合成加工技術(shù)為材料設(shè)計(jì)方案的實(shí)施提供了條件，同時(shí)材料智能加工又為合成加工的優(yōu)化開辟了新方向。材料設(shè)計(jì)的內(nèi)容材料設(shè)計(jì)貫穿于材料“四要素”的各個(gè)方面，即：成分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性質(zhì)性能預(yù)測(cè)合成加工過程的控制與優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例1：雜化材料將性質(zhì)截然不同的材料在原子、分子水平上均勻混合，形成原子、分子層次的例如：高分子聚乙烯和難熔重金屬鎢的雜化材料同傳統(tǒng)復(fù)合材料的區(qū)別：組成相復(fù)合組成原子（分子）同固溶體的區(qū)別：熱力學(xué)平衡體系雜化材料熱力學(xué)非平衡體系2：晶體結(jié)構(gòu)計(jì)算通過對(duì)原子排列的計(jì)算，可以了解到晶體材料的晶體學(xué)結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料復(fù)合材料不同的雜化材料不同的復(fù)合固溶體案例新鄉(xiāng)縣電業(yè)局案例3：金屬間化合物預(yù)報(bào)金屬間化合物：處于相圖中間的除固溶體以外的合金相。許多金屬間化合物都是重要的功能材料，如：儲(chǔ)氫材料，超導(dǎo)材料，磁性材料，高溫結(jié)構(gòu)材料，磁滯伸縮材料等。案例4：超晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)超晶格結(jié)構(gòu)：通過外延生長(zhǎng)的方法，使兩種材料以極薄的薄膜方式交替疊合，從而沿生長(zhǎng)方向在原晶格常數(shù)為a（幾個(gè)埃）的晶格勢(shì)場(chǎng)上，引入了一個(gè)周期為d（100埃數(shù)量級(jí)）的一維周期勢(shì)，這種一維周期勢(shì)結(jié)構(gòu)就稱為超晶格結(jié)構(gòu)。超晶格結(jié)構(gòu)使原來的能帶分裂為一系列微小能帶，可使電子能夠在這些微能帶間發(fā)生躍遷，從而導(dǎo)致各種新的物理現(xiàn)象產(chǎn)生。如：量子尺寸效應(yīng)、室溫激子非線性光子效應(yīng)、遷移率增強(qiáng)效應(yīng)、量子霍耳效應(yīng)、共振隧穿效應(yīng)。利用超晶格結(jié)構(gòu)的概念，在原子尺度上進(jìn)行材料的組份及結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)，改變材料的能帶結(jié)構(gòu)，采用先進(jìn)的制備方法，人工合成各式奇特物理性質(zhì)的新材料和新器件——能帶工程制備方法：分子束外延（MBE）金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）化學(xué)束外延（CBE）原子層外延（ALE）連續(xù)介質(zhì)的材料設(shè)計(jì)24頁(yè)腳內(nèi)容重要的四個(gè)材料設(shè)計(jì)領(lǐng)域各種物理場(chǎng)的數(shù)值模擬合金的微觀組織形成斷裂力學(xué)分析復(fù)合材料的界面梯度設(shè)計(jì)各種物理場(chǎng)的數(shù)值模擬1.模擬熱傳導(dǎo)過程2.模擬應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)3.模擬物質(zhì)擴(kuò)散過程4.模擬流體傳輸過程5.模擬電磁場(chǎng)分布規(guī)律合金顯微組織的形成建模在合金凝固過程中的重要作用。特別是對(duì)于大型或特大型鑄件，為保證澆注過程的一次成功和避免經(jīng)濟(jì)損失，進(jìn)行全過程的計(jì)算機(jī)仿真是極其必要的。不同加工條件下獲得的組織，將表現(xiàn)出不同的材料性能。這些加工條件包括許多因素，如：成分、溫度梯度及方向、重力、振動(dòng)、雜質(zhì)元素、雜質(zhì)相、液固界面等。將這些因素的物理表征參量包括在一個(gè)數(shù)學(xué)模型中，即模型建立，通過計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算及對(duì)結(jié)果的計(jì)算機(jī)仿真，就可以了解到合金凝固過程及凝固的組織特征。斷裂的分析材料中裂紋的形成和擴(kuò)展的研究是微觀斷裂力學(xué)的核心問題。裂紋擴(kuò)展過程中，裂紋、