材料创造发明学04

1、1. 材料科学的目的、意义 材料一般可分成金属材料、无机非金属材料及有机(高分子)材料 自立门户又相互联系：两两交叉、渗透和移植，汇合成一门多学科交叉的新科学-一材料科学 高分子材料和无 机非金属材料的工业应用比例己日益增长，逐渐部分取代金属材料 三类材料从细分化又走向综合-材料科学的形成 现代科学发展的规律是从细分化走向综合,材料科学的形成和发展过程也遵循这一发展规律 4.1 金属材料学：最先从矿冶学中分出冶金,之后冶金又分为：化学冶金、物理冶金、力学冶金和粉末冶金化学冶金又细分为：黑色冶金和有色冶金金属材料又细分为：黑色金属材料、有色金属材料和稀有金属材料在我国高等学校,金属材料又分设金属

2、材料及热处理、粉末冶金、高温合金、精密合金、金属腐蚀、金属物理等专业。由于专业愈分愈细,培养出的学生的知识面就愈来愈窄。为了拓宽专业面,适应材料科学的发展教育部：高等学校新的专业目录,将金属材料与工程专业列入材料类,包括金属材料、热处理及表面技术和粉末冶金三个专业方向,金属物理专业改名为材料物理专业，面向三大材料 化学学科细分为无机化学、无机化工和有机化学、有机化工;在无机化工学中先是分 出硅酸盐材料学,它包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等四大类。由于近代陶瓷学的发 展,陶瓷的概念不仅包括了硅酸盐材料、氧化物、碳化物、氮化物等新型陶瓷材料, 就连单晶硅、人造金刚石等也属陶瓷范畴。陶瓷连同碳素材料

3、一起统称为无机非金属 材料。 有机化学及化工学的发展,细分出高分子(聚合物)化学、高分子物理和高分子物理 化学。新中国成立后,在高分子材料方面设立了高分子化学、高分子材料、高分子化工、 化学纤维、橡胶制品、塑料成型加工工艺及复合材料等专业。但在新近公布的新专业目录 中这些专业又合并为高分子材料与工程专业。 至此,名目繁多的材料科学可划分为金属材料、无机非金属(陶瓷)材料和高分子材 料三大类,相应地分成金属材料、无机非金属(陶瓷)材料和高分子材料科学。 硅酸盐玻璃，水泥/混凝土，玻璃纤维/石棉/玻璃棉-保温材料、耐火材料、隔声材料与结构 氧化物 碳化物 氮化物 单晶硅、多晶硅 人造金刚石 碳素材

4、料/碳纤维/石墨 薄膜材料：机械功能/物理化学功能薄膜/光电薄膜4.5 三大材料的交又一衍生出名目众多的复合材料 以金属为基体加入陶瓷等无机物纤维成为具有优异性能的金属基复合材料; 以陶瓷为基体加入金属或中间相(TiC等)形成金属陶瓷或称陶瓷基复合材料; 以高分子聚合物为基体加入无机物纤维成为树脂基复合材料。 以工程塑料为基体加入金属或磁性材料便形成导电塑料或磁性塑料等功能复合材料 当前,基础科学在向各材料学科不断地交叉、渗透。如：物理、化学、力学、晶体 学、材料热力学、动力学等与金属材料的交叉、渗透,形成物理冶金(金属学) ；固体物 理与金属学结合与深入而形成金属物理学。断裂力学的问世一开始

5、就与金属的断裂相关 联,进而又衍生出断裂物理、断裂化学。 同样的趋势,物理、化学、物理化学向无机和有机材料渗透,形成了无机材料化学和 高分子材料物理学形成了面向三大材料的固体物理学、固体化学、晶体学、热力学 和动力学为主要基础的全材料科学 当发现冶金上的一些结构、亚结构等概念可直接应用于陶瓷时,人们在科学观念上和工业生产上都开始了金属向非金属的渗透。随后又出现了无定形(非晶态)金属一金属 玻璃,它具有特别优异的性能。基于这一发现,人们将这种概念向半导体材料移植,将单晶硅转化为非晶态硅。研究还发现,陶瓷非晶化后, 会具有优异的高温性能。 位错理论原本是为解释金属结构材料的实际强度远低于理论强度而

6、提出来的,但后来 对发展半导休起到了指导作用。位错理论也同样可以用于解释陶瓷的形变、高温蠕变与强度以及断裂行为为了解释材料理论强度值和实测值数量级上存在的差异, 1920年格里菲斯 (Griffith)提出了裂纹强度理论。20世纪60年代,针对导弹发射、超高强度钢的脆性断裂等无法解释的难题,人们在格里菲斯理论的基础上建立了断裂力学。目前,断裂力学理论和方法已开始渗透到三大 材料的力学行为研究中。断裂力学与复合材料结合又产生了复合材料力学分支 钢铁马氏休相变规律首先扩大应用到非铁合金的马氏体相变及形状记忆合金机理,继 而人们又发现许多无机化合物如BaTi03、ZrO2等也存在马氏体相变。 为了解

7、决陶瓷材料的脆性问题,人们借鉴在钢铁材料中应力诱导马氏体相变、相变诱导塑性的原理，应用 ZrO2的马氏体相变对陶瓷增韧。 半导体材料、超导化合物、有机物和生物都是具有马氏体相变的特征和系统，这样就有可能将马氏体相变与生命现象相关联 精细陶瓷的强韧化还借鉴了金属及合金的固溶强化、细晶强化、品界强化、弥散强化的原理。 高分子材料的共混、共聚、嵌段共聚、接枝共聚改性,通称为高分子“合金”,此外, 还诞生了塑料金属的术语。这正是金属与高分子材料学科间相沟通的佐证 粉末冶金借鉴了传统的陶瓷制造技术,故一直被称为金属陶瓷术。硬质合金的粉末冶金首先发展了金属陶瓷材料,之后Al203、Si3N4复合型陶瓷刀具

8、借用了金属陶瓷的概念。 粉末冶金和精细陶瓷同时共同采用超微细粉末、热压烧结、冷热等静压成型技术;以致粉末冶金技术和现代陶瓷制造技术已经很难找到明显的区别。 高分子材料的成型方式借鉴了金属热加工原理例如塑料的压延成型是和金属板材轧制类似的成型工艺;塑料的注射成型是根据金属压铸成型原理发展起来的;近年发展起来陶瓷粉末注射成型技术却又是从塑料工业引进到粉末冶金中的一种新的成型技术。也许空心塑料瓶一类的吹塑成型工艺是从吹玻璃瓶的工艺原理中得到启发。这种吹塑工艺原理也被移植到金属及合金的超塑性成型方法中 金属通过表面化学热处理或机械处理如喷丸、滚压,在其表层形成残余压应力(它可抵消一部分外加拉应力)，有

9、利于提高金属零件的疲劳强度，被称为“应力强化”。将玻璃加热至熔点以下某温度,然后淬火即可造成表面残余压应力,这就是用“应力强化”的钢化玻璃的处理原理。这一“应力强化”原理已经被用来研究表面形成残余压应力对陶瓷强度的影响。塑料成型过程中可能产生不利的残余应力, 可以通过退火这一金属材料常用的工艺来消除残余应力。 传统结构钢的淬火采用单相区加热处理。采用双相区处理使钢韧化。对于ZrO2-Y203二元系陶瓷,与单相区处理相比,采用C十t双相区处理可使 ZrO2陶瓷进一步改善韧性。 按指定性能设计材料,是近来材料科学的新进展,在金属材料中首先是用电子计算机进行高温合金的材料成分设计。计算材料科学-计算

10、材料学 随着新的微观测试技术和手段的不断涌现,现代电子显微镜己能观察到原子,分析仪器可在1019个原子中检查出一个杂质原子的存在。人们正在开展应用计算机按预期性能进行材料成分设计(原子分子设计)。这种设计可能在高分子材料和较简单的功能材料上首先实现,然后再扩展到影响因素更多的结构材料上去 有些新技术同时被三大材料利用,包括超微细粉末技术离子束、激光、计算机等 如：等离子技术向三大材料作伞形辐射在冶金工业、金属材料的焊接、表面化学 热处理、气相沉积，以及在高分子和无机非金属材料等许多领域都得到了广泛的应用。同样,激光技术已在金属材料的表面改性、焊接以及高分子的嵌段、接枝、降解 等方面得到了应用

11、上世纪40年代以前,基础科学和工程的联系并不十分紧密,固休物理与材料工程各有自己的独立发展体系随着试验设备和实验技术的发展,基础科学与工程联系日益紧密,甚至融为一体。在材料领域中固体物理与材料工程间的关系:在20世纪20年代 二者是分离的, 40年代已有交叉,到了60年代初出现了材料科学,随后到了70年代,材料科学与材料工程两者大部分重叠,于是形成了“材料科学与工程”这样一门学科。这样：材料工程师主要依靠经验的时代已经过去,不熟悉材料科学,已不能成为一个现代意义上的材料工程师了,而材料科学家们也愈来愈多地从最终应用出发进行研究 材料科学、材料工程和材料科学与工程三者之间的区别是:“材料科学”是

12、一门科学,它是对于材料本质的发现、分析和认识方面的研究,它的目的在于提供材料结构的统一描绘或模型,以及解释材料结构与性能之间的关系“材料工程”着重把基础知识应用于材料的研制、生产、改性和应用,完成特定的社会任务,解决技术上、经济上、社会上(包括环境)的可行性更多的是和机械工程、宇航工程、土木工程、电机工程、电子工程以及化学工程等USA：“材料科学与工程”-是关于材料成分、结构、工艺和它们性能与用途之间有关知识和应用的科学；是“从科学到工程的一个专业连续领域1. 晶体学结构规律 沿着材料结构与性能相关性的思路,不同结合键的材料具有不同的性能。 与金属键相比,具有离子键和共价键的陶瓷熔点高、硬度高

13、、耐高温,但固体状态一般不导电。具有由共价键结合成大分子链的高分子聚合物熔点低,硬度也低,耐热性很差,不导电;而具有长共辄双键的高分子,则可能导电,称为“高分子金属” 与金属一样,高分子高聚物结品也有成核和晶核长大的过程,冷却速度快,生成晶核 多,得到较小的球晶。通过快冷“淬火”抑制结晶进行,就像将烧融的石英快冷而得到的 非晶态玻璃一样。像金属结晶时一样H杂质可以作为非自发晶核,产生异相成核作用,可加速高聚物的结晶,以改善高聚物的性能 陶瓷和高分子聚合物均含有非晶态(玻璃)的组成相,它们的结构均是“远程无序, 近程有序”,同时均具有玻璃态相变的共性规律及玻璃化温度(Tg)。一般,金属总是呈结

14、晶态,但是,近年来的研究证明,成分近似为孔180 X20 (其中M二Fe, Co, Ni; X= P, C, B, Si, Al)的合金溶液,在极快冷却(106C / s 107C / s)条件下冷却凝固则呈非晶态合 金,或称为金属玻璃。非晶态是热力学不稳定的状态,结晶态则是热力学稳定态,因此, 陶瓷、石英玻璃、金属玻璃的非晶态相被加热到一定温度以上会转变为晶态。 非晶态合金具有良好的磁性、耐腐蚀性、强韧性和良好的导电性能,它是近代材料学研究中一个十分 活跃的领域 陶瓷：空位、点缺陷: 缺位、间隙原子、电子空穴等。线缺陷: 位错。面缺陷: 晶界、亚晶界。 陶瓷晶体中的原子或离子由于热运动脱离原

15、来结点而跑到晶体的其他结点(平衡位置)上,或者挤入晶格的空隙中形成间隙原子,常称之为“热缺陷”。这种热缺陷直接影 响到离子的导电性。 陶瓷烧结、扩散等物理化学过程与热缺陷的运动有关。 陶瓷离子键晶体中的位错比金属中的位错更复杂 陶瓷晶体中的原子或离子由于热运动脱离原来结点而跑到晶体的其他结点(平衡位 置)上,或者挤入品格的空隙中形成间隙原子,常称之为“热缺陷”。 这种热缺陷直接影 响到离子的导电性。此外,陶瓷烧结、扩散等物理化学过程与热缺陷的运动有关。 陶瓷离子键晶体中的位错比金属中的位错更复杂。位错对陶瓷晶体的形变、强度,对 晶体生长、晶体电学、光学性能均有影响。 陶瓷多晶体的品界与金属的品

16、界虽然有许多相似之处,但也存在很大的差别。例如陶 瓷晶界具有正、负静电位,而且往往发生溶质或杂质的析出。这种析出包括在晶界和晶界 附近溶质的偏析和相分离。这里的溶质偏析并没有形成新的晶体相,仅在晶界有溶质浓度 的增减;两相分离则伴随着生成新的晶体相、玻璃相、液相和气相,其析出物沿晶界面可成薄膜状、颗粒状、树枝状或其他特殊形状 陶瓷的晶界现象对陶瓷材料在烧结时晶粒长大,对相变的晶核生成以及材料的断裂强 度、韧性、塑性变形、高温蠕变等力学性能,对陶瓷材料的导电性、介电损耗等电性能以 及耐腐蚀等化学性能都有重大影响。积极地利用多晶体的晶界现象是开发新型陶瓷材料的 重要方向之一。例如,利用晶界位能的位

17、垒,可以制造正温度系数的热敏电阻陶瓷;利用晶界层绝缘性,可以制造ZnO压敏电阻和半导体陶瓷;利用CdSn型半导体陶瓷中过剩的 Cu离子的晶界扩散,在晶界面形成P型半导体层,用于制造太阳能电池的光电元件。这是陶瓷晶界效应的特殊之处。理想晶体的断裂强度为 c=（E/a0）(1/2)式中:c一理论断裂强度;E一弹性模量;一材料比表面能;。一原子间距离O将材料的E、。值代入上式,便可求得理论断裂强度也o作为近似值,取 O. 01Eao,贝Ijc句O.lE。实际材料的断裂强度正如表3-3所示,可见：金属材料： c（1/10）c陶瓷材料： c（1/150 - 1/40）c高分子材料： c（1/1000 -

18、 1/100）c Griffith: 材料中预先存在为裂纹ac实际断裂强度：c = (2E/a) 假设：在垂直外力方向存在穿透裂纹(长为2)的无限宽平板, 断裂消耗变形能，转化变形能为断裂表面能 金属与陶瓷材料的实际强度大大低于理论断裂强度的主要原因,是因为在 实际晶休中存在着许多裂纹和位错等缺陷,材料的表面和内部的伤痕、气孔、杂质都可看 成是裂纹 晶须得强度： 铁晶须的实际强度已接近理论强度值; Al203晶须的强度比烧结Al203多晶体高出30倍以上 高金属强度的另一途径是细化晶粒。金属材料的晶粒大小(d)和屈服强度以 之间遵循Hall-Petch关系式: s=。+kd(-1/2) 。:

19、常数,因材料不同而异;d为晶粒直径。实验研究表明, Al203 (刚玉)棒的 表面晶粒大小与其弯曲强度之间也存在对数直线关系 19=走19d-1 =走19d (3-4) 超微晶粒金属,是将几十个原子大小的超微粒子经过冷压成型后得到的,晶粒大小只 有5m,每立方厘米有1019个晶粒。含碳1.8%的超微晶粒铁合金的断裂强度为 5884MPa,而晶态强度为480MPa,提高了一个数量级 超微晶金属： 固态相变原理金属和合金存在同素异构(晶)相变、脱溶分解、Spinodal分解、马氏体相变、有序 到无序相变等固态相变O陶瓷也存在同素异构相变。例如: Al203 :Al203 (立方)自-Al203 (

20、六方)-Al203 (三方) ; ZrO2: c- ZrO2 (立方)t-ZrO2 (四方)m-ZrO2 (单斜) ; Si3N4 :-Si3N4 (六方)自-Si3N4 (六方,但晶格常数不同)。某些二元陶瓷,也可能出现脱溶分解相变;人们已经详细研究过玻璃的Spinodal分解,尤其是Na2O-一一SiO2玻璃,在B203-PbO玻璃的Spinodal分解中扩散系数很高,在 SnO2-TiO2系中也存在Spinodal分解。有人认为BaTi03及PbTi03中的异晶相变是有序 到无序相变 液晶及其相变 液晶的性质介于液休和晶体之间,液晶中原子或分子仅在一维或二维方向上规则排列。已发现3000

21、种以上的有机化合物具有液晶形态 三大材料在外力作用下都会发生弹性变形、塑性变形和断裂过程,而且能共同应用力 学性能的测试技术,所以有相似的规律,但各自也有不同之处。材料的变形,按其特征基 本上可分为三类:弹性的、塑性的和粘性的 三大材料在外力作用下都会发生弹性变形、塑性变形和断裂过程,而且能共同应用力 学性能的测试技术,所以有相似的规律,但各自也有不同之处。材料的变形,按其特征基 本上可分为三类:弹性的、塑性的和粘性的 一般金属晶体是弹一塑性体,而高分子材料则视温度不同,可以呈现从弹性直至粘性的 各种状态。玻璃、热塑性塑料具有粘性变形特点,与形变的时间极其相关,但在变形中无强 化和屈服极限 与

22、金属不同,陶瓷材料的脆性大,在常温下基本不出现或极少出现塑性变形,金属则容易产生滑移而发生塑性变形。原因是金属键没有方向性,且滑移系多,例如面心立方有 12个滑移系,体心立方有48个滑移系;而陶瓷材料的滑移系统却非常少(Al203的滑移 系数为000 1120J),原因是陶瓷为离子键或共价键,离子键要求正负离子电价平 衡,所以正负离子相间排列,当滑移时,同号离子相遇,斥力极大;共价键有明显的方向 性,晶体结构复杂,只有个别滑移系统能满足滑移的几何条件与静电作用条件 宏观塑性变形是微观大量位错运动的结果 弹性模量 三大材料中陶瓷的弹性模量最高,金属材料次之,高分子聚合物的弹性模量最低。金 高材料

23、的弹性模量是一个极为稳定的力学性能指标,合3主化、热处理、冷热加工等手段难 以改变其弹性模量。但是陶瓷的工艺过程却对陶瓷材料的弹性模量有着很大的影响,高分 子聚合物的弹性模量对结构更是十分敏感,形变速率、试验温度、时间更是强烈地影响高聚物的拉伸应力一应变曲线 拉伸强度/抗压强度 韧性及韧脆转变： 金属、陶瓷和高分子材料在力场、温度场、光、电、磁、各种射线辐照等物理场及环境介质的单一或联合作用下,会发生各种效应。运用类比、归纳和综合的逻辑方法,讨论三大材料的共同效应。一般结构复合材料具有线性效应,但很多功能复合材料则可利用非线性效应创造出来,最明显的是相乘效应 复合材料的界面效应 不同材料的界面

24、间存在着以下几种效应(1)分割效应:这是指一个连续体被分割成许多区域时,其尺寸大小、中断程度、分 散情况等对基体力学性能的影响(2)不连续效应:界面上引起的物性不连续和界面摩擦出现的现象,如电阻、介电特 性、耐热性、尺寸稳定性等。(3)散射和吸收效应:界面处对各种波(声波、光波、热弹性波、冲击波等)产生的 散射末日吸收,影响材料透光性、隔热性、隔音性、耐冲击波及耐热冲击性等。 (4)感应效应:界面产生的感应效应,特别是应变、内部应力及由此而出现的某些现 象,如强的弹性、低的热膨胀性能、耐热性等 表面效应 (1)表面吸附效应:晶体表面的原子、分子或离子具有不饱和键,并且由于结构不对 称而造成晶格畸变,所以材料表面具有很高的反应活性和表面能并具有强烈的降低其表 面能,为求处于更稳定能量状态的倾向。钢件表面如被低熔点Sn-Pb合金或表面活性;在 类介质吸附后,钢的表面能会显著降低,在应力的共同作用下会造成脆性断裂,这种现象 称为表面吸附