材料科学概论论文

1、材料科学概论所谓材料，是指经过某种加工，具有一定结构、组分和性能，并可应用于一定用途的物质通俗的讲就是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。材料是人类生活和生产的物质基础，是人类认识自然和改造自然的工具，是人类进步程度的主要标志。可以这样说，自从人类一出现就开始了使用材料。材料的历史与人类史一样久远。从人类的出现到二十一世纪的今天，人类的文明程度不断提高，材料及材料科学也在不断发展。在人类文明的进程中，材料大致经历了1.使用纯天然材料的初级阶段2.人类单纯利用火制造材料的阶段3.利用物理与化学原理合成材料的阶段4.材料的复合化阶段5.材料的智能化阶段这五个阶段。当前，高技术新

2、材料的发展日新月异，材料科学的内涵也将日益丰富。我们每一天都与材料打交道，它如空气般萦绕在我们身边的每一个角落、每一分每一秒。从清晨睁开眼睛时投射入眼底的那束光开始算起，牙刷、毛巾、牙膏”无不是材料这一庞大而复杂家庭的一份子。材料是人类赖以生存和发展的物质基础，20世纪70年代人们把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱。80年代以高技术群为代表的新技术革命，又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。这主要是因为材料与国民经济建设和人民生活密切相关。材料除了具有重要性和普遍性以外，还具有多样性。从物理化学属性来分，可分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和不同类型材料所组

3、成的复合材料。从用途来分，又分为电子材料、航空航天材料、核材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。更常见的两种分类方法则是结构材料与功能材料；传统材料与新型材料。金属材料金属材料，特别是钢、铜、铝等，仍是21世纪的主要结构材料和电能传输材料。金属材料已有成熟的生产工艺，相当多的配套设施和工业规模生产，价格低廉、性能可靠，已成为涉及面广、市场需求大的基础材料。金属材料虽然今后会部分被高分子材料、陶瓷材料及复合材料所代替，由于它有比高分子材料高得多的弹性模量，比陶瓷高得多的韧性和良好的导电性能，在相当长的时期内改变不了它在材料中的主导地位，即使在高技术产业中也不例外.金属材料的发展趋势是：随着航天航

4、空和其它尖端技术的飞跃的发展，在改善和提升传统材料品质的同时，金属功能材料、非平衡态金属，特别是高比强、高模量、耐高温、抗氧化，抗腐蚀、耐磨损合金和金属基复合材料会有快速的发展，如金属超导材料、钛及其合金、铝基增强复合材料，金属间化合物、形状记忆合金和纳米晶块体材料等。先进陶瓷材料陶瓷是人类最早使用的人造材料，质地坚硬、耐磨损、抗腐蚀、膨胀系数低，可经受14001600c的高温，比金属间化合物有更高的比强度和比刚度，是很好的高温结构材料；部分陶瓷还具有压电、铁电，半导体、湿敏和气敏等特殊功能，广泛用于电子、计算机、激光、核反应、宇航等现代尖端科学技术领域。近20年来，通过多种增韧手段和原始粉末

5、超细化、纳米化，在消除陶瓷本征脆性的研究方面取得了重大突破；传统的落后制备成型工艺已逐渐被先进的注射成型技术、高温热等静压和微波烧结等技术所替代；在反应动力学、表面特征、相平衡、烧结机理等基础研究方面也取得了相当的进展。主要趋势是根据使用性能要求对陶瓷结构作一定程度的剪裁和设计，实现陶瓷结构纳米化和组分的复相结构，包括纤维或晶须增韧和有机/无机复合等。高分子材料高分子材料是指分子量从几百到几万，由可加聚或缩聚链条状官能团构成的有机化合物。上世纪90年代，世界的高分子材料年产量超过1亿吨，其中塑料80009000万吨，合成橡胶700.800万吨，合成名f维1000万吨；仅塑料的产量以体积计算就相

6、当于5。6亿吨钢的体积，是发展最为迅速的材料之一。这些材料品种繁多，并且正以每年10%的速率递增。高分子材料80%以上作为包装、建筑、交通运输和纺织行业的结构材料和原料：功能高分子材料所占比例相对较低，主要有离子交换树脂、催化剂、固化酶，用于印刷、电子工业、集成电路、微细加工的感光树脂，用于薄膜电磁、静电复印及全息记录的电功能离子材料和生物功能材料等。高分子合成理论与技术对于高分子材料的制取、改性、设计越来越重要，对发展高分子新材料有着不可忽视的开拓作用。接枝共聚、共混、缩合聚合、开环聚合和缩合，是合成高分子材料的主要手段。发展先进的树脂基、有机/无机和异质材料连接技术，研究高分子材料的老化、

7、降鲤机制和控制技术，制备综合性能更好的新材料，是高分子材料发展的主要趋势。光电信息功能材料信息材料是指与信息获取、传输、存储、显示及处理有关的材料。目前光和电是信息的主要传递媒介，又称光电信息材料。这类材料有半导体材料，各种记录材料，信息传输、显示、激光、非线性光学、传感和压电、铁电材料，几乎包括了现代所有的先进功能材料。其中集成电路是信息技术的基础，从材料角度看，集成电路的主要材料仍然是单晶硅。上一世纪80年代出现的光导通讯系统的相对信息容量比同轴电缆、微波系统和卫星通讯都有数量级的提高，不但节省材料，而且保密性强、抗干扰、损耗小，主要材料是高纯石英；目前正在研究损耗仅为0.01O.001分

8、贝/公里的多组分玻璃信息功能材料，高品质传感器与敏感材料，激光材料、显示材料，它们均系一批金属氧化物陶瓷。信息技术是20世纪发展最为迅速的高技术领域，它打破了地域和种族的界限，使人类能够快速地分享共同的知识财富，极大地促进了社会迸步。能源材料能源是人类赖以生存和发展的重要条件。20世纪以来科学与工业的发展使能源消耗量大幅度上升，全年耗量超过10”瓦年。能源种类繁多，属于一次能源有核能、太阳能、地热腆能及海洋能等。就大规模应用而言，一次能源利用还需要克服许多科学和技术难关，其中材料就是一个带共性的关键问题：例如，一座输出2500KW的风力电站的风翼长度就达90米，比波音747飞机的机翼还长，没有

9、高强、高韧、轻质耐用的翼片结构材料，建造较大型的风力电站是绝对不可能的：氢能、合成燃料、高比能电池等二次能源的利用原理和特色各异，对材料品种和功能提出了更多的要求。太阳能是一种取之不尽最为洁净的天然能源，每年到达地球的太阳能达60亿亿度，比全球年耗能的总量还大一万倍。原理上所有的光电转换材料均可作为太阳能材料，但考虑到效率/价格比和使用寿命，GaAs之类的材料近期内发展前途不大，多晶硅效率虽低，但廉价、性能稳定，仍有发展前途。除了光/电转换之外，目前人们还在寻找其它太阳能转换机制。氢燃料电池的核心是储氢材料。这类材料包括钛、馍为基的含铁、铜、镒材料。这些过渡族金属、合金、金属间化合物，由于特殊

10、的晶体结构，氢原子比较容易透入金属晶格的四面体或八面体间隙位中形成金属氢化物，存氢体积可比其极材料性能和设计，馍氢电池的容量从2600mAll提高到了3500mAh达到了锂离子电池同木体积的能量密度300wh/L。馍氢电池一个重要开发领域是作为电动汽车的动力电池，正朝着大容量、高比能的方向发展，日本的丰田公司和美国的Ovonic公司走在最前列。此外，正在开发中的核聚变能和磁流体发电机，可望在21世投入实际应用。它们需要能在更高的温度、磁场和耐蚀条件下长期工作。生物医学材料生物医学材料是一类合成物质，或天然物质与合成物的组合体。它能作为一个系统的整体或部分，在一定时限内，治疗、增进或替代机体的组

11、织、器官或功能的材料。仅美国生物医学材料的年销售量就达500亿美元，而且每年还以13%的速度增加。全球植入医用植入体白患者已逾3000万人，美国是全球生物医学材料最大的销售国，1995年全球800亿美元销售额中美国占了400500亿美元，每年生产的人工晶体就多达100万支，生物医学材料已成为美国六大增长最快的出口产品一。生物医学材料的发展趋势是利用生物学原理，设计、制造真正仿生物的材料，并且注重可降解吸收、最终形成与生物体完全相容的材料；在加工技术方面发展在微米或纳米级尺寸上进行三维组织结构控制、设计与制造仿生材料。纳米材料纳米材料是由数百或几千个原子组成的超细微粒或由这些微粒组成的纳米晶块体

12、材料的总称。纳米微粒是保留材料特性的最小单元，它既不同于常规材料，也不同于单个的原子和分子，具有许多与相同组分一般材料完全不同的奇异特性，研究表明，上述奇异特性与纳米材料特殊的内部电子结构和原子排序密切相关。这些特殊的物理效应和功能，为新材料的发展开辟了一条崭新的研究领域。很有可能使21世纪的信息产业发生革命性的在飞跃，极大地改变人类的生存质量。超导材料超导材料是20世纪人类最伟大的发现之一。超导体具有零电阻和完全抗磁性的特点，对电流传输无能量损耗，是一种理想的导体材料。超导材料有低温超导和高温超导材料之分。低温超导材料要在液氮温度（4.2K）才能显示超导性，目前已发现有近70种单质元素和5千

13、多种合金、化合物具有超导性，其中NbTi合金和Nb3sn化合物的超导性能最好，已经用于大型工程项目。高温超导材料是1986年才发现的一种新型超导体，在液氮温度（77K）就显现超导特性。液氮比液氯资源丰富，容易制取，因此高温超导材料比低温超导材料更易被工程使用接受，倍受各国企业界和政府部门的高度重视。高温超导材料多数是含铜的氧化物陶瓷，以TiBa.cacu0系的转变温度最高（160K,但有毒性）。在已发现的数十种高温超导材料中，YBa2cu3西和Bi2%ca2cu308具有最好的综合超导性能，已经在工程项目中开始试用。我国超导材料研究在加工合成和组织控制方面处于国际先进行列。80年代NbTi合金

14、的性能超过了美国，到现在仍保持着相当的优势；我国在高温超导方面作出过重要贡献，中科院物理所赵忠贤研究小组1987年初和美国、日本科学家各自独立地首先合成了转变温度为90K的YBacu0超导体。在Bi系长带研究和Y系块材制备技术上占有一定优势。继续寻找更高转变温度的超导材料，加强对氧化物高温超导体的组织结构控制和成型方法研究，提高现有材料在磁场中的工程临界电流密度，扩大和开拓应用领域，加强功能元器件制备工艺研究，是当前超导材料研究的主要任务.材料的内涵非常丰富，范围非常广阔，每一种材料都有其良好的发展前景。我个人比较感兴趣一方面是航空航天材料中飞行器机身用的结构材料。其中几种材料的存在起者关键性

15、的作用。1铝合金飞机机身结构材料应用构成比例预测表明，21世纪初期占主导地位的材料是铝合金。开发航空航天技术用铝合金时首先要解决的课题：如何在保证高使用可靠性及良好工艺性的前提下减轻结构重量。目前急待解决的问题：开发具有良好焊接性能的高强铝合金，并将其用于制造整体焊接结构。提高飞行器有效荷载的方法：提高强大或降低密度。用锂对铝进行合金化，可降低合金密度，提高弹性模鼠经用带卷轧制法生产出了Al-Li合金板材，其中包括厚度小于0.5mm勺薄板。使用铝基层状复合材料可大幅度提高飞机蒙皮的可靠性、使用寿命及有效载荷。这种复合材料的特点是裂纹扩展速度特另1J低（仅为传统材料的1/10-1/20）,强度（

16、提高50%P100%和断裂韧性高，而密度较小（减轻10*15%。将其作为机身蒙皮材料，以及作为修理作业用的裂纹柳钉材料是很有前途的。2 高强钢高强钢通常使用在要求有高刚度、高比强度、高疲劳寿命，以及具有良好中温强度、耐腐蚀性和一系列其它参数的结构件中。无论是在半成品生产中，还是在复杂结构件的构造中，尤其是在以焊接作为最终工序的焊接结构件生产中，钢材都是不可替代的材料。长期以来，飞机制造业使用最多的钢材，是强度水平为16001850MPa断裂韧性约为77.591MP海平方米的中合金化高强钢。目前，在保持同样断裂韧性指标的条件下，已将钢材的最低强度水平提高到了1950Mpa还开发出了新型经济合金化

17、的高抗裂性、高强度焊接结构钢。高强钢的发展方向：进步完善冶金生产工艺、选择最佳的化学成分及热处理规范、开发强度性能水平为2100-2200Mpa勺高可靠性结构钢；在活性腐蚀介质作用下使用的机身承力结构件，特别是在全天候条件下使用的承力结构件上，广泛使用高强度耐蚀钢，这种钢的强度水平与中合金结构钢相近，可靠性参数大大超过中合金结构钢。3 高强钛合金提高钛合金在机身零件中使用比例的潜力是相当巨大的。据预测，钛合金在客机机身中的使用比例将达到20%而在军机机身中的应用比例将提高到50%其前提是要保证：使合金有更高的强度及可靠性；进一步提高使用温度；具备高的工艺性能及良好的可焊接性；能生产各种半成品；

18、改进结构形式，开发新的设计方案，尽可能多地在结构中使用成熟的合金与工艺。计划开发兼备高强度与高工艺性的板材合金。这种合金的强度将是工业纯钛强度的4倍，而工艺特性则与工业纯钛相近。采用高强钛合金可减轻结构质量30335%同时提高结构的重量效率、可靠性及工艺性。还将研制并使用具有更高热强性、热稳定性和使用寿命的“近a”型热强钛合金。4 聚合物复合材料代表航空航天技术开发水平的一个重要标志是看聚合物复合材料使用数量的多少。聚合物复合材料在比强度和比刚度方面具有非常明显的优越性，兼备良好的结构性能和特殊性能，在航空领域获得了广泛白应用。空中客车A3XXS机使用聚合物复合材料的比例将达到25%作为结构材料，新型复合材料一有机塑料将发挥越来越大的作用。最近几年，正在研制第二代有机塑料。单一用途的有机塑料的bbf直达到30003200Mpa,E值提高到130Gpa试验研究表明，有可能获得弹性模量为200250Gpa的有机塑料。需要指出的是，