材料基础-第一章材料科学概论

1、1.1 材料与物质材料与物质 物质物质是指任何有质量并占据空间的东西。 材料材料是通过适当的方法把物质变成有用的器件和工具，是人类用于制造物品、器件、构件、工具及其它产品的物质。 材料是物质，但强调的是有形的、具有某些功效的物质。因而，并非所有的物质都可以称为材料，如燃料、化学原料、药物等，一般都不算是材料。 二者区别：材料强调效能 (performance)， 物质强调性质 (property)。 第一章 材料科学概论 1.2 材料的分类材料的分类 材料是人类赖以生存和发展的物质基础，是社会进步文明程度的标志，是一切科学技术与工程技术的物质基础。它与世界科技发展、国家经济建设和日常生活密切相

2、关。 在20世纪70年代，人们已把信息、材料和能信息、材料和能源源列为现代文明的三大支柱；20世纪80年代以高新技术为代表的新技术革命，把新材料、信息技新材料、信息技术和生物技术术和生物技术列为重要标志；21世纪，美国把与材料密切相关的四大技术：纳米技术、生物技术、信息技术和认知技术列为发展的重中之重。 材料不仅非常重要，而且种类繁多，目前主要有如下几种分类方法： 化学键合化学键合(1) 金属材料金属材料(金属键) 金属材料占整个结构材料的80, 主要有：a. 黑色金属： 铁、锰、铬及其合金。有色金属： 轻金属(Al、Mg)、重金属(Pb)、贵金属(Au)和稀有金属(稀土材料: La、Eu等)

3、。 (2) 无机非金属材料(离子键)普通陶瓷普通陶瓷(porcelain, china): 天然存在的陶瓷材料，如 粘土、玻璃、水泥。先进陶瓷先进陶瓷(ceramic): 按化学配比人工合成的陶瓷材料如、 Al2O3 、ZrO2 SiC等。(3) 高分子材料高分子材料(共价键) 一类人工合成的有机化合物材料。a. 塑料塑料：热固性塑料和热塑性塑料 。 热固性塑料热固性塑料: 环氧树脂、不饱和聚酯、酚醛; 热塑性塑料热塑性塑料: 通用塑料(PE、PP etc)、工程 塑料 (PA、PC etc)、特种塑料(PEEK、PES)b. 橡胶橡胶：天然橡胶、丁氰橡胶c. 纤维纤维：有机纤维(PA、PET

4、、 PP、 PAN)等(4) 复合材料复合材料(混合键) 结构复合材料结构复合材料: 连续纤维增强复合材料(玻璃钢)、短纤维增强塑料、纺织布增强复合材料等。 功能复合材料功能复合材料：颗粒填充复合材料、混杂增强 复合材料等。 2. 材料形态材料形态(1) 晶态材料: 单晶材料(Si)、多晶材料(Fe-C)(2) 非晶态材料: 普通玻璃、金属玻璃、半导体 玻璃、高分子材料(3) 准晶态材料：液晶高分子 3物理效应物理效应 压电材料、热释电材材、声光材料、电光材料、导电材料、结构材料 . 4. 使用用途使用用途 电子材料、能源材料、建筑材料、耐磨材料、核能材料、生物材料 简言之，材料大致可分为二大

5、类： 结构材料和功能材料 或传统材料和新材料。1.3 材料发展历程材料发展历程 材料是人类用来制造有用物体的物质，也是社会文明进步程度的标志。 因此，材料的发展与人类文明程度可归为四个标志性阶段：石器时代、青铜器时代、铁器时代和信息时代。1. 第一代天然材料（原始社会）第一代天然材料（原始社会） 石块、兽皮、树木、泥土等2. 第二代材料为烧炼材料第二代材料为烧炼材料 用天然矿土和粘土烧制砖、陶瓷和水泥； 从天然矿石中提炼出铜、铁等金属，即冶炼材料；青铜时代大约起始于公元前5000年，是铜、锡、铝的合金材料。 3. 第三代材料为合成材料第三代材料为合成材料 合成塑料、合成橡胶、合成纤维 1907

6、年：合成高分子材料工业开始出现，第一个制品是热固性树脂酚醛塑料。1927年：热塑性树脂出现，第一个制品是聚氯 乙烯（PVC)，30年代：聚合物概念正式创立(德国 H. Staudinger) 之后用该理论来指导生产合成橡胶和合成纤维。1940-50年：合成橡胶、合成纤维1950-70年：工程塑料、聚合物合金、功能塑料1970-80年：聚合物的工业化及其应用1980年起 ：分子设计、高性能、高功能聚合物4 4第第四代材料为可设计材料四代材料为可设计材料 采用新的物理和化学方法，制备结构和功能兼具、性能优异的各种功能材料和复合材料。 5第五代为智能材料第五代为智能材料 这类材料随着环境、时间、温度

7、和外力的变化，能改变材料本身的性能或恢复原有的形状，具有智能性。例如：形状记忆合金（Ti-Ni合金）、聚氨酯塑料以及其它功能材料。1.4 材料科学材料科学1.4.1 材料科学的形成材料科学的形成 材料是早已存在的名词，但材料科学材料科学这一学科的出现，却是直到20世纪60年代才提出和建立的。在此以前，材料的制备和加工通常被认为是一门实验科学，是凭经验制造出来的。 起因是，1957年苏联人造卫星首先飞上天，美国朝野上下为之震惊，认为材料落后是其重要的原因之一。于是，在美国MIT等大学相继成立了材料研究中心或材料科学系或材料科学与工程系。 “材料科学学报”（Journal of Materials

8、 Science）”在1966年创刊。从此, 材料科学这个专有名词便作为一门学科为公众所接受和关注。 第一部材料科学与工程百科全书是由美国MIT科学家主编，由英国Pergamon出版社从1986年起出版。 材料科学的形成实际上是科学技术发展的必然结果。 应该说，四个方面的因素直接促进了材料科学学科的形成、建立和发展。 首先，基础学科如固体物理、无机化学、有机化学、物理化学等学科的发展，以及现代分析技术与仪器的发展，对物质结构与性质有了深入系统的研究，推动了对材料本质的了解。 同时，专业基础学科如冶金学、金属学、陶瓷学、高分子科学等学科的进一步发展也对材料本身的研究和发展大大加强，从而对材料的组

9、成、制备、结构与性能，以及它们之间的相互关系的研究愈来愈深入，为材料科学的形成奠定了扎实比较的基础。 其次，在材料科学名词出现之前，金属材料、高分子材料和陶瓷材料都已自成体系，而且它们之间有许多共性的东西，存在许多相似之处；更重要的是，三种材料之间的组合构成的复合材料更是以其优越的性能获得了广泛应用，不同类型材料的研究可以相互借鉴，从而促进科学的发展。 例如，马氏体相变是由金属学家提出的，是钢铁热处理工艺的基础理论，但是在氧化锆陶瓷中也存在马氏体相变现象，并成为陶瓷材料增韧的一种有效手段。 又如，材料制备方法中的溶胶-凝胶法，是利用金属有机化合物的分解而得到纳米级氧化陶瓷粒子，成为改进陶瓷材料

10、的有效手段之一。 第三，各种材料的表征仪器和设备以及材料的制备和生产手段也有许多共同之处。 例如，光学显微镜、电子显微镜、透射电镜、表面分析以及材料的力学性能与物理性能的测试基本是相同的。 在材料制品的成型和制造中，许多设备可以通用的，原理是相似的。例如，挤压机，对金属材料可以用来成型及冷加工来提高强度；而某些高分子材料，用挤压工艺成丝后，其有机纤维的比强度、比刚度大幅度得到提高，同时也能制造管型制品及其复合材料。 第 四，不同类型的材料是可以相互替代和补充，充分发挥各种材料特有的优异性能。 例如，通过对不同材料之间的复合，可以获得结构与性能明显优于原组分材料的性能。 此外，金属材料、高分子材

11、料和 陶瓷材料 如果一直自成体系，缺乏沟通，互不了解，就不利于学科的协调发展和创新，更不利于集各个单一材料的优异性能于一体，研制出性能更为优越的新型复合材料。 正是在这样的背景下，一门新的综合性学科材料科学诞生了。 1.4. 2 材料科学与工程材料科学与工程1. 材料科学材料科学 材料科学是研究材料的组成、结构与材料性质之间关系的一门学科。 简言之，材料科学是研究材料的组织、结构与性质的相互关系。 它是从化学的角度，研究材料的化学组成、原子结构、原子结合键、物相及合成方法； 从晶体学和固体物理学的角度，分析和讨论材料的形态、结构及其性能。 但材料的研究应是面向实际、面向工程的, 研究的目的在于

12、工程实际应用。 材料还必须从工程的角度，研究材料的制备工艺、加工工艺、性能改进技术及其工程使用问题，通过合理的工艺制备出有实用价值、可批量生产并满足工程实际的可用材料。 材料科学与工程技术材料科学与工程技术密不可分，控制材料的微观结构涉及工程问题。所以，材料科学名词出现后不久，又提出了材料科学与工程材料科学与工程名词。 许多大学的冶金系、材料系多数改名为材料科学与工程系；侧重于基础研究的叫材料科学系，偏重于工艺的叫材料工程系。 2. 材料科学与工程材料科学与工程 材料科学与工程是研究有关材料的组成、结构、制备工艺与其性能及使用效能以及它们之间相互关系的技术开发及其应用的科学。 材料科学与工程的

13、研究内容可用四面体图来表示（图1-1）, 即材料科学与工程四要素的相互关系： 合成与制备（synthesis-preparation）、 组成与结构（composition - structure）、 性质（property） 性能（performance）以及它们之间的关系。 图 1-1 材料的合成、结构、性质和性能 的相互关系示意图 组成（成分）与组织结构包含材料的四级层次结构：原子结构、结合键、原子排列以及显微组织，其中，前三个微观组织结构影响材料的固有性质：如密度、熔点、模量及其它物理性能；材料的显微组织结构，如图1-2所示，主要影响材料的强度和塑性。 制备与加工工艺影响材料的微观结构

14、和显微组织，其中加工工艺主要影响显微组织结构。 性质，尤其是物理性质，是由一定成分组成的材料本身所决定的。 性能(效能)是材料加工成制品后在环境条件下的服役性能，是材料的实际性能。 图 1-2 低碳钢的显微组织结构 归纳起来，材料科学有三个基本特点和属性： 学科交叉 它是物理、化学、金属学、陶瓷学、高分子化学、计算科学等基础学科相互交叉、融合和复合的结果。 (2) 应用性强 它是与工程应用非常密切的学科。发展材料科学的目的在于研制新材料，满足工程实际中的使用要求。 (1)(3) 不断发展它是一门正在发展中的学科，并随各个学科的本身的发展而不断地完善和充实。1.5 材料科学在工程中的作用材料科学

15、在工程中的作用 材料科学在机电、能源、生物、信息、通讯、航天、航海、环保等技术科学与工程领域获得了一系列的应用。 人们在了解材料的内部结构后，就可以将这些规律运用到设计中，获得许多有用的结果。例如，半导体材料的电阻值对温度很敏感，可以用作精密的温度计或温度控制元件等。 工程设计人员和制造人员有了一定的材料科学知识后，就能更好地提出实际问题，通过探讨和分析，加速研制出新型的材料。 技术人员懂得了材料的基本力学性能和物理性质后，能合理地选择材料；根据材料的使用功效，针对性地合理选择好具有一定性价比的材料。 总之，新材料的开发将主宰一系列重要工程技术成就的取得。 同时，对现有材料进行深入研究，不断提

16、高质量、增加品种、降低成本，也是具有很大的工程实际意义。这必将促进材料科学与工程这门学科的迅速发展。 1.6 材料科学技术发展的重点 1制备工艺与技术的开发 任何一种新材料从设计到应用于实际，必须经过合理的制备方法才能成为工程材料。 例如，超导材料是1986年发现的，目前还不能应用于电力工业，没有找到廉价而稳定的生产线材的加工工艺。 C60即球碳元素的布基球材料，尽管发现之初认为用途十分广泛，但直到现在，仍处于科研阶段，主要是没有适宜的制备工艺能批量生产能。 纳米碳管每克为500美元，因价格太高，目前难于工业应用。另外，能批量制备出性能稳定一致的碳纳米管也存在很大问题。 再比如，传统材料也是有

17、待改进工艺，以便降低材料成本。 最常见的是易拉罐，每年需量600多亿只，若每只成本仅降低一分，即可省6亿元。 还有薄膜双向拉伸等加工工艺等。 2材料的应用开发 开发和使用材料的能力是衡量社会技术进步及其未来发展的尺度。 仅仅研制出性能优异的材料是远远不够的，只有当新材料被广泛应用，才能真正发挥其应有的作用。 材料的应用开发，需要考虑四个因素： (1) 性能； (2) 寿命； (3) 价格； (4) 环境。 3开发先进材料 当今社会是知识经济时代和信息时代。信息技术是社会发展必要的基础。信息功能材料(1) 信息技术(IT)的核心是3C 。电子器件和设备需要信息材料，在信息的产生、获取、存储、传输

18、、转换、处理及显示等需要这些材料，同时要求这些元器件小型化、低功耗、多功能化和智能化。因此，信息功能材料将受到更高的重视。 (2) 先进复合材料 结构材料数量大，资源与能源消耗高、污染严重，对可持续发展有决定性作用。 金属材料的耐磨损、耐腐蚀、耐高温、抗疲劳性能的提高是延长设备寿命的关键。 陶瓷材料的韧性提高和成本降低，将进一步扩大材料的使用范围。 高分子材料的抗老化性能的提高，可以延长材料的使用寿命，降低更新费用。 材料之间的复合是性能提高的必然途径。 开发新型复合材料是新材料研发的重点，也是当今材料研究的关键领域。 (3) 能源材料的开发 目前，可开采的石油资源仅能维持30年左右。新型能源

19、材料的开发已刻不容缓。 除了目前使用的电能、核能、水能、风能外，太阳能电池、燃料电池、天然气将是未来使用的、新的替代能源。 煤炭制油通过液化或汽化技术成为石油或汽油，也是其中的一项选择。(4) 生物材料的重视 随着生物技术的发展，人类寿命的延寿以及生活质量的提高，生物医用材料是人们非常关注的领域。人类器官的移植、替换及其药物缓释等，需要加大力度研制出新的生物材料。 (5) 高分子材料要大力发展 高分子材料是可再生和可循环利用的。解决其老化劣化及功能化问题是面临的一大任务。 另外，各种功能高分子材料如有机发光材料、导电材料、生物降解材料、功能薄膜材料等将是现在和未来发展的热点。(6)纳米材料 纳

20、米是指尺寸为10亿分之一米大小的粒子。 通常把粒子尺寸小于 0.1um（100nm）的颗粒，称为纳米材料(nano materials)、或纳米粉 (nanopowders)或超细粒子(ultra fine particle)。 超细粒子，是指粒子尺寸介于普通微粉（powder）和原子团(cluster)之间的一种中间物质态。而通常的微米级粉体材料统称为超细粉体(superfine powder)。 当颗粒尺寸小到纳米尺度时，由于尺寸效应、晶界效应和量子效应等即体积效应和表面效应，纳米材料显示出独特的物理、化学性能。 利用纳米材料的这些功能，改进结构材料的强度和韧性，并改进材料的某些物理功能，

21、如磁性、光学、电学、热学及其力学等性质。（1）小尺寸效应 纳米粒子小到与光波波长或更小时，晶体周期性的边界被破坏，表面原子密度变小，使材料的声、光、电、磁、热等特性改变，叫小尺寸效应。 此时，金属的熔点大大降低。例如,2nm的Au 、Ag微粒，其熔点分别仅为3300C和1000C； 非导电材料变成导电材料。例如， 纳米无机微粒SiO2 从绝缘体材料变成导电材料。 脆性材料会变成韧性材料。例如，用纳米级TiO2烧结的陶瓷材料，在801800C之间可以弯曲。 磁有序态转向非有序态。例如纯Fe。 还有，光吸收明显增大，并产生吸收峰的等离子共振频移。用纳米粒子做成的薄膜，其微波和光的反射随粒径的变小而显著降低，利用此特性，可将纳米粒子用作隐形飞机的涂层材料。(2) 表面效应 一个粒子的表面原子数与总原子数之比或表面积与体积之比，随粒径变小而骤然增大，引起种种性质上的变化如熔点降低、比热容异常等，称为表面效应表面效应。