材料学导论课件：材料导论总结

1、内容：学习材料学的基本知识；主要涉及到各种材料的组成、结构、性能、应用以及它们之间的关系。目的：材料类专业的入门课及专业基础课之一。了解材料的基本知识，逐步扩大材料的专业知识面，培养分析和解决有关材料问题的初步能力。1、材料的定义与分类材料是人类用来制造有用的构件、器件或物品的物质。材料与物质的区别： 对材料而言，可采用“好”或“不好”等字眼加以评价，对物质则不能这样； 材料总是和一定的用途相联系的； 材料可由一种物质或若干种物质构成； 同一种物质，由于制备方法或加工方法的不同，可成为用途各异的不同类型的材料。按化学组成和结构特点：金属材料 、无机非金属材料、高分子材料、 复合材料按材料性能：

2、结构材料 、功能材料按使用领域：建筑材料、电子材料、耐火材料、医用材料2、材料的地位和作用材料是人类社会发展的基础和先导，是人类社会进步的里程碑和划时代的标志。材料、能源、信息被称为人类社会的“三大支柱”。纵观人类利用材料的历史，可以清楚地看到，每一种重要新材料的发现和应用，都把人类支配自然的能力提高到一个新的水平。 材料科学技术的每一次重大突破都会引起生产技术的重大变革，甚至引起一次世界性的技术革命，大大地加速社会发展的进程，从而把人类物质文明推向前进。人类文明的发展史就是材料的发展史材料的发展史就是人类文明的发展史石器时代、青铜器时代、铁器时代、 、半导体时代新材料是高技术发展的基础，是工

3、业革命和产业发展的先导3、材料的性质材料性质：是材料的功能特性和效应的描述，是材料对电.磁.光.热.机械载荷的反应。材料性质描述：力学性质：强度、硬度、刚度、塑性、韧性材料在力的作用下所表现出的特性即为材料的力学性质。（1）弹性模量弹性模量是指材料在弹性极限范围内，应力与应变（即与应力相对应的单位变形量）的比值，用E表示，即：（2）强度在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力称为强度。(有多种强度类型）材料在外力作用下发生塑性变形的最小应力叫屈服强度，用s表示。工程上规定，试样产生0.2%塑性变形时的应力值为该材料的条件屈服强度，记为0.2。抗拉强度是将试样在拉力机上施以静态拉伸负荷，使其破坏（

4、断裂）时的载荷。弯曲强度是指采用简支粱法将试样放在两支点上，在两支点间的试样上施加集中载荷，使试样变形直至破裂时的载荷。压缩强度是指在试样上施加压缩载荷至破裂（对脆性材料而言）或产生屈服现象（对非脆性材料而言）时，原单位横截面积上所能承受的载荷。（3）塑性材料在断裂前发生永久变形的能力叫塑性，以材料断裂后的永久变形为衡量。 塑性指标有延伸率和断面收缩率： 与越大，材料的塑性越好。（4）硬度硬度是衡量材料软硬程度的指标，反映材料表面抵抗微区塑性变形的能力。工程上常用的有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等，还常用莫氏硬度。（5）韧性韧性是指材料抵抗裂纹萌生与扩展的能力。度量韧性的指标有两类。一类是冲击

5、韧性，用材料受冲击而破断的过程所吸收的冲击功的大小来表征材料的韧性。另一类是断裂韧性，用材料裂纹尖端应力强度因子的临界值K1C来表征材料的韧性（6）疲劳强度疲劳强度指材料抵抗交变载荷的性能。交变载荷是指大小和（或）方向重复循环变化的载荷。在交变应力作用下，即使应力的最大值低于材料的屈服强度，材料经较长时间的工作也会发生断裂，这种现象称为材料的疲劳。当应力低于某数值时，在无限多的循环周次下，材料仍不断裂，此应力值称为疲劳强度或疲劳极限。3.2 电学性质（1）导电性材料导电性的量度为电阻率或电导率。电阻R与导体的长度l成正比，与导体的截面积S成反比，即：般来说，金属材料及部分陶瓷材料和部分高分子材

6、料是导体，普通陶瓷材料与大部分高分子材料是绝缘体。 （2）介电常数当电压加到两块中间是真空的平行金属板上时，板上的电荷 Q0与施加电压V成正比比例系数C0就是电容。如果两板间放入绝缘材料，在相同电压下，电荷增加了Q1， 则Q Q0 Q1CV电介质引起电容量增加的比例，称为相对介电常数3.3 热学性能热容：1mol固体温度升高1K时所吸收的热量J/（mol·K）热导率：单位时间内在1K温差的1cm3正方体的一个面向其所对的另一个面流过的热量，单位J/（cm·s·K）。热膨胀系数：单位长度物体的长度随温度的变化率，单位K-1 。使用性能（效能）：是指材料在某种环境或条

7、件作用下，最终使用状态（产品或元件）下表现出的行为。所以，性质是材料本身特征的体现；使用性能则是包括材料在内的整个系统特征的体现。材料的应用要考虑以下几个因素：一、材料的使用性能二、使用寿命及可靠性三、环境适应性（包括生产过程与使用期间）四、价格4、材料学的形成和发展4.2 材料科学的提出与建立材料科学是在金属学、陶瓷学、高分子科学的基础上，结合物理、化学发展起来的。不同材料尽管各有特点，但它们之间却有相通的原理、共性和相似的研究、生产方法。材料科学：是有关材料成分、结构与工艺对于材料性质与用途的影响规律的知识与运用。可以说，材料科学是一种近年来形成的交叉学科和应用科学，与工程技术的联系较为密

8、切，所以人们往往把材料科学与工程联系在一起，称之为“材料科学与工程”。近年来，又称为“材料科学技术”。材料工程是指运用材料科学的理论知识和经验知识，为满足各种特定需要而发展、制备和改进各种材料的工艺技术。4.3 材料科学的内容材料科学的内容可以用一个四面体来表示，也就是材料科学是研究一种材料的成分（结构）、合成（工艺）、性质与效能及它们之间的关系。4.4 材料科学的任务 材料科学是一门交叉性学科和应用科学，它是物理、化学、冶金学、金属学、高分子科学、计算科学等学科相互融合与交叉的结果，是与实际应用结合非常密切的科学，也是一个正在发展的科学，随有关学科的发展而得到充实和完善。 它的根本任务是揭示

9、材料成分、结构与性质的内在关系，设计、合成并制备出具有优良使用性能的材料，以满足工农业生产、国防建设和现代科学技术发展对材料日益增长的需要。新材料技术出现群体性突破，将对21世纪基础科学和几乎所有工业领域产生革命性影响纳米技术是前沿技术中最具前瞻性和带动性的重点领域之一。电子信息材料技术进展迅速，光电子材料、光子材料将成为发展最快和最有前途的电子信息材料。新型功能材料及其应用技术面临新的突破（超导材料、智能材料、生物医用材料）。新型结构材料发展前景乐观（高温合金、难熔金属、金属间化合物、金属基复合材料、高分子材料、钛合金、镁合金）。作业1. 名词解释：材料 材料科学2. 材料科学的内容及任务3

10、. 举例说明材料在人类文明进程中的作用第二章无机非金属材料1、无机非金属材料概论无机非金属材料：主要是指由一种或多种金属元素同一种非金属元素(如O, S , C, N等,通常为O)所形成的化合物，多为金属氧化物和金属非氧化物。也可以认为 Þ 金属材料和有机高分子材料以外的固体材料通称无机非金属材料。无机非金属材料指某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硫系化合物（包括硫化物、硒化物及碲化物）和硅酸盐、钛酸盐、铝酸盐、磷酸盐等含氧酸盐为主要组成的无机材料。包括陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、搪瓷、磨料以及新型无机材料等。其中陶瓷一词，随着与陶瓷工艺相近的无机材料的不断出现，其概念的外延

11、也不断扩大。最广义的陶瓷概念几乎与无机非金属材料的含意相同。通常把它们分为传统（普通）无机非金属材料和新型（特种）无机非金属材料两大类。 主要特性：熔点高、硬度高、化学稳定性好、耐高温、耐腐蚀、耐磨损、耐氧化、弹性模量大、强度高。一般为脆性材料2、陶瓷材料（普通陶瓷、特种陶瓷）2.1 陶瓷的概念陶瓷(ceramics)是以非金属矿物或化工产品为原料，经原料处理、成型、烧成等工序制成的产品。2. 2 陶瓷的分类 早期，陶瓷是陶器与瓷器的总称。瓷器的坯体致密，基本上不吸水，有一定的半透明性，通常施釉，敲之声音清脆。陶器通常有一定吸水率，断面粗糙无光，不透明，敲之声音粗哑，有的无釉，有的施釉。传统的

12、陶瓷如日用陶瓷、建筑陶瓷等是用粘土类及其它天然矿物原料经粉碎加工、成型、烧成等过程而得的器皿。这类陶瓷可称为传统（普通）陶瓷。随着生产和科学技术的发展，对陶瓷制品的性能与应用提出了新的要求，因而制成了许多新品种，它们的生产过程虽然还是原料处理、成型、烧成等这种传统的方式，但采用的原料已扩大到高度精选的天然原料或人工合成原料，使用高度可控的生产工艺，因而往往具有一些特殊的性能，相对于传统陶瓷，这类陶瓷制品称为新型（特种）陶瓷。 陶瓷材料的化学键陶瓷材料是以离子键（如MgO、Al2O3）、共价键（如Si3N4、BN）以及离子共价混合键（ SiO2）结合在一起。金属氧化物主要是离子键结合。由于离子键

13、没有方向性，只要求正负离子相间排列并尽量紧密堆积，因而离子晶体的密度较高，键强度也较高。这类材料强度高、硬度高，但脆性大。离子晶体固态绝缘，熔融后可导电。共价键具有方向性与饱和性，这就决定了共价晶体中原子的堆积密度较小。共价晶体键强度较高，且具有稳定的结构，故这类材料熔点高、硬度高、脆性大，热膨胀系数小。虽然陶瓷材料的键性主要为离子键和共价键，但实际上许多陶瓷的结合键是混合键结合，既有离子性，又有共价性。陶瓷材料的显微结构陶瓷材料的显微结构通常由三种不同的相组成，晶相、玻璃相和气相。晶相：陶瓷材料中最主要的组成相，晶相一般由原料带入或玻璃相析晶而成。晶相分为主晶相和次晶相。主晶相是构成材料的主

14、体，其性质、数量及结合状态，直接决定材料的基本性质。玻璃相：是一种低熔点的非晶态固体，是材料在高温烧成过程中，由于化学反应或熔融冷却形成的。通常，其机械强度要比晶相低一些，抗冲击强度要高一些，在较低温度下开始软化。 玻璃相的作用， 充填晶粒间隙，粘结晶粒，提高陶瓷材料的致密程度； 降低烧成温度，改善工艺； 抑制晶粒长大气相（气孔）：大部分气孔是在工艺过程中形成并保留下来的，有的气孔则通过特殊的工艺方法获得。气孔含量在090之间变化，陶瓷的许多电性能和热性能都随气孔率、气孔尺寸及分布的不同在很大范围内变化。 2.4.1 机械性能（1）弹性模量陶瓷材料具有牢固的离子键和共价键，其弹性模量比金属材料

15、的弹性模量大得多，大约在103104MPa之间甚至更高。陶瓷材料的弹性模量除了与结合键有关外，还与组成相的种类、分布、比例及气孔率的大小有关。 （2）强度陶瓷材料在理论上具有很高的断裂强度，但实际断裂强度往往比金属材料低得多。抗压强度比抗拉强度大得多，其差别程度大大超过金属。气孔和材料密度对陶瓷断裂强度有很大影响。陶瓷材料耐热冲击性较差，严重限制了陶瓷材料在急冷急热条件下的使用。晶粒愈小，强度愈高。 （3）塑性与韧性陶瓷材料最突出的弱点是很低的塑性与韧性。只有极少数具有简单晶体结构的陶瓷材料在室温下具有塑性。如MgO、KCl、KBr等。一般的陶瓷材料在室温下塑性为零。这是因为大多数陶瓷材料晶体

16、结构复杂，滑移系统少，位错生成能高，而且位错的可动性差，通常呈现典型的脆性断裂。（4）硬度陶瓷、矿物材料常用莫氏硬度和维氏硬度来衡量材料抵抗破坏的能力。莫氏硬度是以陶瓷、矿物之间相互刻划能否产生划痕来确定，只能表示材料硬度的相对大小。一般陶瓷的硬度较大。 2.4.2 热性能（1）热容陶瓷材料的摩尔热容对结构变化不敏感，但单位体积的热容却与气孔率有关，由于多孔材料质量轻，所以单位体积热容小。因此，多孔轻质耐火砖的温度上升所需的热量远低于致密的耐火砖。（2）热膨胀陶瓷材料的线膨胀系数约为（10-510-7）/。陶瓷的线膨胀系数一般低于高聚物和金属。（3）导热性陶瓷的热传导主要依靠于原子的热振动。由

17、于没有自由电子的传热作用，陶瓷的导热性比金属小。陶瓷多为较好的绝热材料。 （4）热稳定性热稳定性就是抗热震性，是指材料承受温度的急剧变化或在一定温度范围内冷热交替而不致破坏的能力。陶瓷的热稳定性很低，比金属低得多。这是陶瓷的一个主要缺点。2.4.3 电性能（1）电导率陶瓷材料在一般情况下没有自由活动的电子，电阻率比较低，绝大部分陶瓷都是良好的绝缘体。随着科学技术的发展，某些陶瓷材料的半导性和导电性已被人们发现，随之制成各种半导体陶瓷及导电陶瓷。（2）介电常数大部分离子晶体的介电常数为=512，但有少数晶体的介电常数很高。如金红石（TiO2）晶体的=110114，钙钛矿（CaTiO3）晶体的=1

18、50。这类晶体的晶体结构比较独特，在外电场作用下，由于离子之间的相互作用，引起了极其强大的内电场。在此内电场作用下，离子的电子壳层发生强烈变形，离子本身也发生强烈的位移，使材料具有很高的介电常数。（3）介电损耗当电介质在电场作用下，单位时间内因发热而消耗的能量称为电介质的损耗功率或简称为介质损耗，用损耗角正切tan表示。介质损耗是所有应用于交流电场中电介质的重要指标之一。介质损耗不但消耗了电能，而且由于温度上升可能影响元器件的正常工作；介质损耗严重时，甚至会引起介质的过热而破坏绝缘性质。 漏导损耗：因电导而引起的介质损耗为漏导损耗。极化损耗：一切介质在电场中均会呈现出极化现象。除电子、离子弹性

19、位移极化基本上不消耗能量外，其它缓慢极化（如松驰极化）在极化的缓慢建立过程中都会因克服阻力而引起能量损耗，这种损耗一般称为极化损耗。陶瓷材料是由晶相、玻璃相、气相组成，其能量损耗主要来源于漏导损耗、松驰质点的极化损耗及结构损耗。 在结构紧密的离子晶体中，极化损耗很小，一般是由漏导引起。以这类晶体为主晶相的陶瓷往往用在高频的场合，如刚玉瓷、滑石瓷等。（4）绝缘强度电介质能绝缘和储存电荷，是指在一定的电压范围内，即在相对弱电场范围内，介质保持介电状态。当电场强度超过某一临界值时，介质由介电状态变为导电状态，这种现象称介质的击穿。陶瓷材料的击穿强度一般为460kV/mm。 2.4.4 光学性能随着遥

20、感、计算机、激光、光纤通讯、自动化等技术的发展和“透明陶瓷”的出现，陶瓷材料在光学领域有了较重要的应用。光学材料的性质一般指材料对各种光和射线的反射、透射、折射和吸收等性质。对陶瓷材料，主要是指其透光性。为了提高陶瓷的透光性，一般使用高纯原料，加入抑制晶粒长大的掺杂剂，采用适当的工艺排气孔制备细晶的透明陶瓷材料。2.4.5 化学稳定性陶瓷的结构非常稳定。在以离子晶体为主的陶瓷中，金属原子为氧原子所包围，被屏蔽在其紧排列的间隙之中，很难再同介质中的氧发生作用，甚至在千度以上的高温下也是如此，所以具有很高的耐火性能或不可燃性，是很好的耐火材料。另外，陶瓷对酸、碱、盐等腐蚀性很强的介质均有较强的抗蚀

21、能力，与许多金属的熔体也不发生作用，所以也是很好的坩埚材料。3.1 普通陶瓷的生产过程普通陶瓷又称传统陶瓷，是以天然存在的矿物为主要原料的陶瓷制品。 其生产工艺流程如下：1）原料精选 普通陶瓷中必不可少的三组分是石英、粘土和长石。 石英 石英具有耐热、抗蚀、高硬度等性质，在普通陶瓷中，石英构成了陶瓷制品的骨架，赋予制品耐热、耐蚀等特性。石英的粘性很低，属非可塑性原料，无法做成制品的形状，为了使其具有成型性，需掺入粘土。可塑性：在陶瓷工业中，可塑性是指泥料在外力作用下能被塑造成各种形状，在外力除去后，仍能保持这种形状的性能。 粘土 粘土是一种含水铝硅酸盐矿物,层状结构，主要化学成分为SiO2、A

22、l2O3、H2O、Fe2O3、TiO2等。粘土具有独特的可塑性与结合性，调水后成为软泥，能塑造成型，烧后变得致密坚硬。 长石 长石是一族矿物的总称，为架状硅酸盐结构。长石在高温下为有粘性的熔融液体，并润湿粉体，作为助熔剂能溶解一部分粘土及部分石英，促进成瓷反应的进行，并降低烧成温度。上述三组份，石英骨架成分、粘土提供可塑性、长石为助熔剂（2） 坯料制备陶瓷原料经过配料和加工后成为坯料，根据陶瓷制品的性质以及制品所用的成型方法，制成可塑料、注浆料和压制粉料。（3）成型 半干法成型（815的水）：利用外部机械压力，使具有一定可塑性的泥料压缩并形成具有一定尺寸、形状和强度的坯体的成型方法。注浆成型（

23、40左右的水）：将制备好的泥浆注入多孔性模型内，泥浆在贴近模壁处的一层被模子吸去水分，形成一均匀的泥层，并随时间延长而逐渐加厚，达到一定厚度后，倒出多余泥浆，泥层继续脱水并与模型脱离，最后按模型形状形成坯体。 可塑成型法(20%左右的水)：将预制好的坯料投入挤泥机中，挤成泥条，然后切割，按所需制成荒坯，再用手工或压机压制，使坯体具有规定的形状和尺寸。（4）生坯的干燥使含水物料（如湿坯、原料、泥浆等）中的液体水汽化而排除水分的过程，称为干燥。成型后的各种坯体还呈可塑状态，在运输和再加工过程中很容易变形或破损。为提高成型后坯体的强度，还要进行干燥，以除去一部分水分，使坯体失去可塑性。经过干燥的坯体

24、，也可以在烧成初期经受快速升温，从而缩短烧成周期，提高窑炉的周转率，节约能耗。 （5）烧成 经过成型及干燥过程后，生坯中颗粒之间只有很小的附着力，因而强度相当低。要使颗粒相互结合使坯体形成较高的强度，只有在无液相或有液相的烧结温度下才能实现。 目的:是去除坯体内所含溶剂、粘结剂、增塑剂等，并减少坯体中的气孔，增强颗粒间的结合强度，并产生玻璃和莫来石等新的物相。 4、 特种陶瓷特种陶瓷是指相对于普通陶瓷而言，新发展起来的陶瓷，主要包括以耐高温、高耐磨、耐腐蚀为特征的结构陶瓷，如轴承陶瓷；以及进行能量和信号转换的功能陶瓷，如压电陶瓷。特种陶瓷与普通陶瓷的区别:(1) 在原材料方面 普通陶瓷以天然矿

25、物如粘土、石英和长石等为主要原料;而特种陶瓷则使用经人工合成的高质量的粉体作为主要材料。 (2) 在结构方面 普通陶瓷材料由于化学和相组成的复杂多样，杂质成份和杂质相众多而不易控制，显微结构粗劣而不够均匀，多气孔；特种陶瓷则一般化学和相组成较简单明晰,纯度高，即使是复相材料，也是人为调控设计添加的，所以特种陶瓷材料的显微结构一般均匀而细密。(3) 制备工艺方面 普通陶瓷用的矿物经混合可直接用于湿法成型，材料的烧结温度较低，烧成后一般不需加工；而特种陶瓷用高纯度粉体一般添加有机的添加剂才能适合于干法或湿法成型，材料的烧结温度较高，烧成后一般尚需加工。（4）在性能和用途方面 特种陶瓷不仅后者在性能

26、上远优于传统陶瓷，而且特种陶瓷材料还发掘出普通陶瓷材料所没有的性能和用途。普通陶瓷材料一般限于日用和建筑使用；特种陶瓷具有不同的特殊性质和功能，从而使其在高温、机械、电子、宇航、医学工程等方面得到广泛的应用。 4.1 特种陶瓷的制备工艺特种陶瓷的主要制备工艺是粉末制备，成型和烧结。其工艺流程图如下4.1.1 粉体制备方法特种陶瓷的原料具有下述特点：纯度高；颗粒细小；只加入很少甚至完全不加入助熔剂与提高可塑性的添加剂；采用原料是人工合成的粉末原料。目前制取特种陶瓷用粉体原料的方法有粉碎法和合成法两类。合成法包括固相法、液相法和气相法。（1）粉碎法机械磨细是制取粉末原料最传统的方法。（2）固相法制备陶瓷粉体 化学反应法 BaCO3 + TiO2 BaTiO3 + CO2 热分解反应法 CaCO3 CaO + CO2 氧化物还原法 SiO2 + 2C SiC + CO2 直接固态反应法 Si + C = SiC（3）液相法制备陶瓷粉体 沉淀法 沉淀法是在可溶性前驱物溶液中添加适当的沉淀剂，使得溶液中的阳离子生成不溶性沉淀， 然后再经过滤、洗涤、干燥、加热分解等工艺来合成粉体，该法具有反应过程简单、成本低等优点。 溶胶-凝胶法（Sol-Gel法） 将金属氧化物或氢氧化物的溶胶变为凝胶，经干燥、煅烧