材料科学基础__西安交大__绪论

1、材料科学基础材料科学基础上课班级：物理学2008级主讲教师： 卢 志 华E-mail: zlh_2010-2011学年第二学期 （72学时，4学分）Foundations of Materials Science课程性质：技术基础课课程性质：技术基础课教学目的与要求：1 掌握材料科学研究的内容及其要素之间的逻辑关系.2 了解材料发展的现状与发展趋势.3 了解本课程的学习方法.0.1 材料科学的含义材料科学的含义 世界万物，凡于我有用者，皆谓之材料。世界万物，凡于我有用者，皆谓之材料。材料材料是具有一定性能，可以用来制作器件、构件、工是具有一定性能，可以用来制作器件、构件、工具、装置等物品的物质

2、。具、装置等物品的物质。材料存在于我们的周围，材料存在于我们的周围，与我们的生活、我们的生命息息相关。材料是人与我们的生活、我们的生命息息相关。材料是人类文明、社会进步、科技发展的物质基础。类文明、社会进步、科技发展的物质基础。 材料科学就是研究各种材料的成分、工艺、材料科学就是研究各种材料的成分、工艺、组织和性能之间相互关系的科学。组织和性能之间相互关系的科学。 材料科学是一门以固体材料为研究对象，以材料科学是一门以固体材料为研究对象，以固体物理、热力学、动力学、量子力学、冶金、固体物理、热力学、动力学、量子力学、冶金、化工为理论基础的边缘交叉基础应用学科，它运化工为理论基础的边缘交叉基础应

3、用学科，它运用电子显微镜、用电子显微镜、X-射线衍射、热谱、电子离子探射线衍射、热谱、电子离子探针等各种精密仪器和技术，探讨材料的组成、结针等各种精密仪器和技术，探讨材料的组成、结构、制备工艺和加工使用过程与其机械、物理、构、制备工艺和加工使用过程与其机械、物理、化学性能之间的规律的一门基础应用学科，是研化学性能之间的规律的一门基础应用学科，是研究材料共性的一门学科。究材料共性的一门学科。 Properties:MechanicalAnd FunctionalProcessing,Synthesis, Andphase transformationStructure and character

4、izationTheory and Modeling材料科学与工程及其与其他学科的关系Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E 材料是人类文明、社会进步、科学技术发展的材料是人类文明、社会进步、科学技术发展的物质基础和技术先导。在历史上，人们将石器、青物质基础和技术先导。在历史上，人们将石器、青铜器、铁器等当时的主导材料作为时代的标志，称铜器、铁器等当时的主导材料作为时代的标志，称其为石器时代、青铜器时代和铁器时代。在近代，其为石器时代、青铜器时代和铁器时代。在近代，材料的种类及其繁

5、多，各种新材料不断涌现，很难材料的种类及其繁多，各种新材料不断涌现，很难用一种材料来代表当今时代的特征。用一种材料来代表当今时代的特征。0.2 材料对人类文明进步的意义材料对人类文明进步的意义p材料是当代文明的三大支柱之一材料是当代文明的三大支柱之一 材料、能源、信息是当代社会文明和国民经济的三大支材料、能源、信息是当代社会文明和国民经济的三大支柱，是人类社会进步和科学技术发展的物质基础和技术柱，是人类社会进步和科学技术发展的物质基础和技术先导先导p 材料是全球新技术革命的四大标志之一材料是全球新技术革命的四大标志之一（新材料（新材料技术、新能源技术、信息技术、生物技术）技术、新能源技术、信息

6、技术、生物技术）材材料料品品种种数数量量国国家家现现代代化化程程度度标标志志之之一一质质量量u新材料既是当代高新技术的重要组成部分，又是发展高新新材料既是当代高新技术的重要组成部分，又是发展高新技术的重要支柱和突破口。技术的重要支柱和突破口。u正是因为有了高强度的合金，新的能源材料及各种非金属正是因为有了高强度的合金，新的能源材料及各种非金属材料，才材料，才 会有航空和汽车工业；会有航空和汽车工业；u正是因为有了光纤，才会有今天的光纤通讯；正是因为有了光纤，才会有今天的光纤通讯；u正是因为有正是因为有 了半导体工业化生产，才有今天高速发展计了半导体工业化生产，才有今天高速发展计算机技术和信息技

7、术。算机技术和信息技术。u当今世界各当今世界各 国在高技术领域的竞争，在很大程度上是新国在高技术领域的竞争，在很大程度上是新材料水平的较量。材料水平的较量。新材料在高技术中的作用新材料在高技术中的作用图 航天飞机新材料在高技术中的作用新材料在高技术中的作用图 磁悬浮列车新材料在高技术中的作用新材料在高技术中的作用图 复合材料新材料在高技术中的作用新材料在高技术中的作用国家大剧院设计图（顶部采用纳米材料制造）国家大剧院设计图（顶部采用纳米材料制造）具有广泛应用的纳米材料具有广泛应用的纳米材料纳米原子像具有广泛应用的纳米材料具有广泛应用的纳米材料纳米泵具有广泛应用的纳米材料具有广泛应用的纳米材料纳

8、米红血球纳米直升机纳米探针材料科学与经济发展材料科学与经济发展u由于材料科学的发展水平与高新技术的发展是相互依存的，因此新由于材料科学的发展水平与高新技术的发展是相互依存的，因此新材料发材料发 展与应用水平直接决定着经济发展的水平。展与应用水平直接决定着经济发展的水平。u有人曾作过粗略计算，以每公斤产品的出厂价格计算，把原材料比有人曾作过粗略计算，以每公斤产品的出厂价格计算，把原材料比作作1 1，那么小轿车为，那么小轿车为5 5，家电为，家电为3030，飞机为，飞机为200200，计算机为，计算机为10001000，集，集成电路芯片则为成电路芯片则为10000 10000 。u19801980

9、年，美国的电子工业产值已经超过了钢铁和纺织工业，仅次于年，美国的电子工业产值已经超过了钢铁和纺织工业，仅次于化工和汽车工业化工和汽车工业 。u日本通过冶炼等技术的改进来大幅度提高传统金属材料性能，如超日本通过冶炼等技术的改进来大幅度提高传统金属材料性能，如超级钢计划就是要在本世纪末将钢的性能提高一倍，实质上就是节约级钢计划就是要在本世纪末将钢的性能提高一倍，实质上就是节约了一倍的资源，使得产品更具竞争力，保持日本经济的持续发展。了一倍的资源，使得产品更具竞争力，保持日本经济的持续发展。材料科学与经济发展材料科学与经济发展建造中的Titanic 号，可以看到船身上长长的焊缝Titanic的沉没是

10、必然还是偶然？Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果Titanic的沉没是必然还是偶然？0.3.1 材料按化学组成（或基本组成）分类材料按化学组成（或基本组成）分类0.3.2 根据材料的性能分类根据材料的性能分类 0.3.3 材料按服役的领域来分类材料按服役的领域来分类 0.3.4 材料按结晶状态分类材料按结晶状态分类0.3.5 材料按材料的尺寸分类材料按材料的尺寸分类 0.3 材料分类 0.3.1 按化学组成（或基本组成）分类：按化学组成（或基本组成）分类：1. 金属材料金属材料2. 无机非金属材料无机非金属材料3. 高分子材料（聚合物）高分子材料（聚合物）4.

11、复合材料复合材料1.金属材料 金属材料是由化学元素周期表中金属材料是由化学元素周期表中的金属元素组成的材料。可分为由的金属元素组成的材料。可分为由一种金属元素构成的一种金属元素构成的单质单质（纯金（纯金属）；由两种或两种以上的金属元属）；由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素构成的素或金属与非金属元素构成的合金合金。合金又可分为固溶体和金属间化合合金又可分为固溶体和金属间化合物物。 在在103种元素中，除种元素中，除He,Ne,Ar等等6种惰性元素和种惰性元素和C、Si、N等等16种非金种非金属元素外，其余属元素外，其余81种为金属元素。除种为金属元素。除Hg之外，单质金属在常温下呈现之

12、外，单质金属在常温下呈现固固体形态，外观不透明，具有特殊的金属光泽及良好的导电性和导热性。体形态，外观不透明，具有特殊的金属光泽及良好的导电性和导热性。在力学性质方面，具有较高的强度、刚度、延展性及耐冲击性在力学性质方面，具有较高的强度、刚度、延展性及耐冲击性。 合金是由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素熔合金是由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素熔合在一起形成的具有金属特性的新物质。合金的性质与组成合金的各个合在一起形成的具有金属特性的新物质。合金的性质与组成合金的各个相的性质有关，同时也与这些相在合金中的数量、形状及分布有关。相的性质有关，同时也与这些相在合金中

13、的数量、形状及分布有关。2. 无机非金属材料 无机非金属材料是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸无机非金属材料是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼盐、锗酸盐等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材料。是除金属材料、高分子材料以外所有材料的而成的材料。是除金属材料、高分子材料以外所有材料的总称。它与广义的陶瓷材料有等同的含义。无机非金属材总称。它与广义的陶瓷材料有等同的含义。无机非金属材料种类繁多，用途各异，目前还没有统一完善的分类方法。料种类繁多

14、，用途各异，目前还没有统一完善的分类方法。一般将其分为一般将其分为传统的（普通的）和新型的（先进的）传统的（普通的）和新型的（先进的）无机无机非金属材料两大类。非金属材料两大类。 传统的无机非金属材料传统的无机非金属材料主主要是指由要是指由SiO2及其硅酸盐化合物及其硅酸盐化合物为主要成分制成的材料，包括陶为主要成分制成的材料，包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。此外，搪瓷、磨此外，搪瓷、磨2727料、铸石料、铸石（辉绿岩、玄武岩等）、碳素材（辉绿岩、玄武岩等）、碳素材料、非金属矿（石棉、云母、大料、非金属矿（石棉、云母、大理石等）也属于传统的无机非金理石等）也属于传

15、统的无机非金属材料。属材料。先进（或新型）无机非金属材料先进（或新型）无机非金属材料是用氧化物、是用氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以及各氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以及各种无机非金属化合物经特殊的先进工艺制成的材料。种无机非金属化合物经特殊的先进工艺制成的材料。主要包括先进陶瓷、非晶态材料、人工晶体、无机主要包括先进陶瓷、非晶态材料、人工晶体、无机涂层、无机纤维等。涂层、无机纤维等。3. 有机高分子材料（高聚物）有机高分子材料（高聚物） 高聚物是由一种或几种简单高聚物是由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成的分低分子化合物经聚合而组成的分子量很大的化合物。高聚物的种

16、子量很大的化合物。高聚物的种类繁多，性能各异，其分类的方类繁多，性能各异，其分类的方法多种多样。按高分子材料来源法多种多样。按高分子材料来源分为分为天然高分子材料和合成高分天然高分子材料和合成高分子材料子材料；按材料的性能和用途可；按材料的性能和用途可将高聚物分为将高聚物分为橡胶、纤维、塑料橡胶、纤维、塑料和胶粘剂和胶粘剂等。等。 4. 复合材料复合材料 复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织结构不复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成。复合材料是多相材料，主要包括同的材料组合而成。复合材料是多相材料，主要包括基体相基体相和增强相和增强相。基体相是一种连续相材料，它把

17、改善性能的增强。基体相是一种连续相材料，它把改善性能的增强相材料固结成一体，并起传递应力的作用；增强相起承受应相材料固结成一体，并起传递应力的作用；增强相起承受应力（结构复合材料）和显示功能（功能复合材料）的作用。力（结构复合材料）和显示功能（功能复合材料）的作用。复合材料既能保持原组成材料的重要特色，又通过复合效应复合材料既能保持原组成材料的重要特色，又通过复合效应使各组分的性能互相补充，获得原组分不具备的许多优良性使各组分的性能互相补充，获得原组分不具备的许多优良性能。能。 复合材料的种类繁多，目前还没有统一的分类方法，复合材料的种类繁多，目前还没有统一的分类方法，下面根据复合材料的三要素

18、来分类。按下面根据复合材料的三要素来分类。按基体材料基体材料分类，有分类，有金属基复合材料，陶瓷基复合材料，水泥、混凝土基复合金属基复合材料，陶瓷基复合材料，水泥、混凝土基复合材料，塑料基复合材料，橡胶基复合材料等；按材料，塑料基复合材料，橡胶基复合材料等；按增强剂形增强剂形状状可分为粒子、纤维及层状复合材料；依据复合材料的可分为粒子、纤维及层状复合材料；依据复合材料的性性能能可分为结构复合材料和功能复合材料。可分为结构复合材料和功能复合材料。0.3.2 根据材料的性能分类根据材料的性能分类 根据材料在外场作用下其性质或性能对外场的响应不根据材料在外场作用下其性质或性能对外场的响应不同，材料可

19、分为同，材料可分为结构材料结构材料和和功能材料功能材料。 结构材料结构材料是指具有抵抗外场作用而保持自己的形状、是指具有抵抗外场作用而保持自己的形状、结构不变的优良力学性能（强度和韧性等），用于结构目的结构不变的优良力学性能（强度和韧性等），用于结构目的的材料。这种材料通常用来制造工具、机械、车辆和修建房的材料。这种材料通常用来制造工具、机械、车辆和修建房屋、桥梁、铁路等。屋、桥梁、铁路等。功能材料功能材料是具有优良的电学、磁学、光学、热学、声是具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学和生物学功能及其相互转化的功能，被用于学、力学、化学和生物学功能及其相互转化的功能，被用于非结构目的

20、的高技术材料。非结构目的的高技术材料。0.3.3 材料按服役的领域来分类材料按服役的领域来分类 根据材料服役的技术领域可分为根据材料服役的技术领域可分为:信息材料信息材料航空航天材料航空航天材料能源材料能源材料生物医用材料生物医用材料 指用于信息的探测、传输、指用于信息的探测、传输、显示、运算和处理的光电显示、运算和处理的光电信息材料。信息材料主要信息材料。信息材料主要包括信息的监测和传感包括信息的监测和传感（获取）材料、信息的传（获取）材料、信息的传输材料、信息的存储材料、输材料、信息的存储材料、信息的运算和处理材料。信息的运算和处理材料。主要包括新型金属材料（如先进铝合主要包括新型金属材料

21、（如先进铝合金、超高强度钢、高温合金、高熔点金、超高强度钢、高温合金、高熔点合金、铍及其合金）、烧蚀防热材料合金、铍及其合金）、烧蚀防热材料和新型复合材料。此外，还包括一些和新型复合材料。此外，还包括一些功能材料，如涂层材料、隔热材料、功能材料，如涂层材料、隔热材料、透明材料、阻尼材料、密封材料、润透明材料、阻尼材料、密封材料、润滑材料、粘合剂材料等。这些材料大滑材料、粘合剂材料等。这些材料大部分属于高分子材料和陶瓷材料，也部分属于高分子材料和陶瓷材料，也有少量是阻尼合金等金属材料。有少量是阻尼合金等金属材料。指能源工业和能源技术所使用的材料，按指能源工业和能源技术所使用的材料，按使用目的不同

22、分为新能源材料、节能材料使用目的不同分为新能源材料、节能材料和储氢材料等。新能源材料包括增值堆用和储氢材料等。新能源材料包括增值堆用核材料、聚变堆材料、太阳能电池（单晶核材料、聚变堆材料、太阳能电池（单晶硅、多晶硅、非晶硅等）；节能材料包括硅、多晶硅、非晶硅等）；节能材料包括非晶体金属磁性材料（用作变压器铁芯的非晶体金属磁性材料（用作变压器铁芯的Fe-Mn-B-Si合金）和超导材料（合金）和超导材料（Nb-Ti、Nb-Sn巨型磁体用材料）；储氢材料，以巨型磁体用材料）；储氢材料，以及高比能电池（如钠硫电池）等。目前钠及高比能电池（如钠硫电池）等。目前钠硫电池的比能量达硫电池的比能量达137W.

23、h/Kg，而铅蓄电，而铅蓄电池的比能量只有池的比能量只有30W.h/Kg。是一类合成物质或天然物质或这些物质的复是一类合成物质或天然物质或这些物质的复合，它能作用一个系统的整体或部分，在一合，它能作用一个系统的整体或部分，在一定时期内治疗、增强或替换机体的组织、器定时期内治疗、增强或替换机体的组织、器官或功能。官或功能。 医用金属及合金医用金属及合金 医用高分子材料医用高分子材料包括合成和天然高分子，包括合成和天然高分子，已被广泛用于韧带、肌腱、皮肤、血管、角已被广泛用于韧带、肌腱、皮肤、血管、角膜、人工脏器、骨和牙等人体软、硬组织及膜、人工脏器、骨和牙等人体软、硬组织及器官的修复和制造。器官

24、的修复和制造。 医用生物陶瓷医用生物陶瓷包括惰性和活性生物陶瓷、包括惰性和活性生物陶瓷、生物玻璃等，如氧化铝瓷、氧化锆瓷、生物生物玻璃等，如氧化铝瓷、氧化锆瓷、生物碳等以及羟基磷灰石、磷酸三钙陶瓷等。碳等以及羟基磷灰石、磷酸三钙陶瓷等。 医用复合材料医用复合材料:表面涂层生物活性人工牙根、表面涂层生物活性人工牙根、人工心脏瓣膜人造血管等人工心脏瓣膜人造血管等0.3.4 材料按结晶状态分类材料按结晶状态分类 单晶材料单晶材料多晶材料多晶材料非晶态材料非晶态材料准晶材料准晶材料由一个比较完整的由一个比较完整的晶粒构成的材料，晶粒构成的材料，如单晶纤维、单晶如单晶纤维、单晶硅硅由许多晶粒组成的材由许

25、多晶粒组成的材料，其性能与晶粒大料，其性能与晶粒大小、晶界的性质有密小、晶界的性质有密切的关系切的关系由原子或分子排列无明由原子或分子排列无明显规律的固体材料，如显规律的固体材料，如玻璃、高分子材料玻璃、高分子材料 准周期性晶体材料的简称，准晶仍准周期性晶体材料的简称，准晶仍然是晶体，准晶中的原子分布有严格然是晶体，准晶中的原子分布有严格的位置序，但位置序无周期性，即没的位置序，但位置序无周期性，即没有周期性平移对称关系，在准晶材料有周期性平移对称关系，在准晶材料中存在不符合传统晶体学的五次、八中存在不符合传统晶体学的五次、八次、十二次对称轴。次、十二次对称轴。 准晶从结构角度看是一种新的物质

26、准晶从结构角度看是一种新的物质形态，但实际上它们仅在特定的金属形态，但实际上它们仅在特定的金属合金中形成，是成分范围较窄的金属合金中形成，是成分范围较窄的金属间化合物。间化合物。0.3.5按材料的尺寸分类按材料的尺寸分类 材料按材料的尺寸可分为材料按材料的尺寸可分为:零维材料零维材料一维材料一维材料二维材料二维材料三维材料三维材料即超微粒子，通过即超微粒子，通过Sol-gel法、多相沉积或激法、多相沉积或激光等方法，可以制备出亚微米级的陶瓷或金光等方法，可以制备出亚微米级的陶瓷或金属粉末，大小属粉末，大小1100nm的超微粒比表面积大的超微粒比表面积大（可作为高效催化剂）、比表面能高、熔点（可

27、作为高效催化剂）、比表面能高、熔点低、烧结温度下降、扩散速度快、强度高而低、烧结温度下降、扩散速度快、强度高而塑性下降慢、电子态由连续能带变为不连续、塑性下降慢、电子态由连续能带变为不连续、光吸收也发生异常现象（可以成为高效微波光吸收也发生异常现象（可以成为高效微波吸收材料）。吸收材料）。如光导纤维由于其信息传输量远比铜、铅的如光导纤维由于其信息传输量远比铜、铅的同轴电缆大，而且光纤有很强的保密性，所同轴电缆大，而且光纤有很强的保密性，所以发展很快。再比如脆性块状材料在变成细以发展很快。再比如脆性块状材料在变成细丝后便增加了韧性，可以用来增强其它的块丝后便增加了韧性，可以用来增强其它的块状。实

28、用纤维为碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维。状。实用纤维为碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维。纤维中强度和刚度最高的要算晶须。纤维中强度和刚度最高的要算晶须。 如金刚石薄膜、高温超导薄膜、半导体薄膜。如金刚石薄膜、高温超导薄膜、半导体薄膜。由于薄膜的电子所处状态和外界环境的影响，由于薄膜的电子所处状态和外界环境的影响，可表现出不同的电子迁移规律，完成特定的可表现出不同的电子迁移规律，完成特定的电学、光学或电子学功能，如成为绝缘体、电学、光学或电子学功能，如成为绝缘体、铁电体、导体或半导体等，从而有可能作为铁电体、导体或半导体等，从而有可能作为光学薄膜用于非线性光学、光开关、放大或光学薄膜用于非线性光学、光开关、放大或调幅、敏感