材料科学绪论

材料科学基础

第一章绪论

●现代科学技术的三大支柱－－能源、材料、信

息，其中材料是基础。

●材料的研究、开发与应用反映着一个国家的科

学技术与工业水平，关系着国家的综合国力与

安全。

●世界各国把材料放在重要地位来发展。

我国在1978年的科学大会上将材料科学技术列为

8大科技领域之一，此后各个五年计划，一直作

为重点发展的领域。

材料是人类文明进步的里程碑

●早期历史按石器、陶器、青铜器、铁器时代来划分，材料

代表着当时的生产能力和生活水平。

●现代的核和信息时代是与元素U和Si的开发紧密联系。

●人类物质文明的发展史是利用和挖掘材料资源的历史。

使用石器做工具。

使用石片、龟甲、竹板作信息纪录。

公元前5000年，制陶中发现铜和锡的还原，创造了炼铜术。

6000年前用稻草和泥作墙体是具有制备意义的复合材料。

越王剑的金属包层结构具有复合材料的结构特征。

●人类通过使用新的材料去改进生产工具、生活用具以及

武器，并伴随着科技革命的不断发展。

§1.1材料科学与工程概述

材料科学的内涵

●材料科学是从事对材料本质的发现、分析、认识、

设计及控制方面的理论体系。其目的在于揭示材

料的行为，给予材料属性的描述或建立模型，以

及解释组成结构与性能间的联系。

●材料科学的内涵是由五个要素组成，他们之间的

关联可用一个多面体来描绘。

图1-1材料科学与工程的内涵

材料科学的核心

●

通过过程现象揭示材料组成-工艺-结构-性能的

关联。

●过程是理解结构和性能的重要环节。

●结构决定性能，组成与工艺决定结构的形成。

●

结构因素包括：组成基元、排列、结合类型和

运动方式。

●

结构的层次：原子结构、原子排列、相结

构、显微组织、结构缺陷等。

●

材料聚集态：一维、二维、三维方向上小尺寸

的材料称低维材料，低维材料具有体材料所不

具备的性质。

材料科学的提出

●

“材料科学”的提出要追朔到20世纪50年代末。

●

57年10月4日和11月3日苏联发射两颗人造卫星，

分别重80千克和500千克。

58年1月31日美国发射“探测者1号”人造卫星仅8

千克。

●

对此美国有关部门联合向总统提出报告，认为美

国在先进材料的研究方面落后于苏联是关键。

●

58年3月18日总统通过科学顾问委员会发布“全国

材料规划”，决定12所大学成立材料研究实验室。

●

从此出现了“材料科学与工程”学科的提法。

材料科学的历史基础

●

18世纪蒸汽机的发明和19世纪电动机的发明，使材料在新品种开发和规模生产等方面发生了飞跃。

●

金属材料：1856年-转炉钢；1864年-平炉钢；1887年-高锰

钢、1903年-硅钢；1910年-镍铬不锈钢。铜、铅、锌、铝、

镁、钛和稀有金属相继问世，世界钢产量从1850年的6万吨

突增到1900年的2800万吨，使人类进人了辉煌的钢铁时代。

●

无机非金属材料：主要包括晶体、陶瓷、水泥、玻璃、耐

火材料等，资源丰富，性能价格比高。20世纪中后期，通

过合成原料和新的制备技术，出现了一系列特殊功能的先

进陶瓷。

●

高分子材料：20世纪初，人工合成高分子材料问世，1909

年-酚醛树脂(胶木)；1925年-聚苯乙烯；1931年-聚氯乙烯；

1941年-尼龙，如今世界年产量在1亿吨以上。

基础学科发展奠定材料科学的基础

●

量子力学、固体物理、无机化学、有机化学、

物理化学等基础学科的发展为材料科学奠定了

重要基础。

●

现代分析技术和设备的更新，加深了对物质结

构和物理化学性质的理解。

●

冶金学、金属学、陶瓷学、高分子科学等自身

的发展也使对材料的本质认识大大系统化（组

成-制备-结构-性能的关系），为学科发展打下

了坚实的基础。

材料科学范畴下不同材料应用理论的交叉融合

●

作为钢热处理的马氏体相变理论由金属学科建立，后来

氧化锆增韧陶瓷中同样发现了马氏体相变现象，并用来

解释相变增韧机理。

●

缺陷行为、平衡热力学、扩散、塑性变形和断裂机理、

界面的精细结构与行为、晶体和玻璃的结构以及它们之

间的关系、材料中电子的迁移与约束、原子聚集体的统

计力学等概念，在各类材料中得到应用。

材料测试技术及工艺技术的交叉融合

●

材料结构与性能的表征参数相通，如显微镜、

电子显微镜、表面测试及物理性能测试等。

●

材料制备与加工中，许多工艺相通，如挤压对

金属材料用于成型或冷加工硬化；对高分子材

料，通过挤压成丝可使有机纤维的比强度和比

刚度大幅度提高。

●

粉末冶金和现代陶瓷制造已经很难找出明显的

区别。

●

溶胶—凝胶法应用于各种材料的制备，这是利

用金属有机化合物的水解而得到纳米高纯氧化

物粒子的方法。

现代材料技术从多样化、单一化走向一体化、复合化

●

打破了单一材料间的界限，许多不同类型材料

相互代替和补充，充分发挥各种材料的优越性。

●

复合材料在多数情况下是不同类型材料的组合。

●

如果对不同类型材料没有一个较全面的认识，

对复合材料的设计及性质的理解必然受到影响。

材料科学的历史作用：比强度的进步改进了交通工具年图1-2

材料比强度方面的发展变化木材石头青铜

钢铸铁

铝

钛

复合材料

尼龙纤维碳纤维强度/密度（×106）刀具材料的发展：切速增长100倍导致高效加工和低成本。

碳工具钢

硬质合金

金属陶瓷

烧结碳化钨高速钢（HSS）

陶瓷

多晶金刚石立方BN碳化钛氮化钛年图1-3

刀具材料切削速度的变化趋势集成电路：器件缩小100万倍，单价下降100万倍。图1-4集成电路发展历程

材料科学的发展

应用需求牵引的推动力

●

信息技术:从电子信息处理到光电子信息处理，以至

于光子信息处理，需要电子材料、光电子材料、非线

性光学材料、波导纤维、薄膜与器件等。

●

能源工程技术:要求耐高温、耐磨损、耐腐蚀、高可

靠以及寿命可预测的结构材料。

多学科交叉的推动力

●

材料科学具有多学科交叉渗透的特征，包含着丰富的

内涵。

●

材料的组分设计与合成，涉及化学学科的各分支－高

温过程的热力学、动力学以至在温和条件下的仿生合

成等。

基础学科发展的推动力

●

研究微观结构与性能的关系，涉及物理学、凝聚态物

理及非连续介质微观力学等。

科技与经济发展的推动力

●信息功能材料、高温结构材料、复合材料、生物材料、

智能材料和纳米材料等是新技术革命的先导材料。

●毫米时代发明了拖拉机，微米时代发明了计算机，纳米

时代，人类将会创造出更大的辉煌。

●21世纪的科技发展，将以先进材料技术、先进能源技术、

信息技术和生物技术等四大学科为中心，通过其相互交叉

发展，为人类创造出完全不同的生态环境。

●新型材料将是与生物和自然具有更好的适应性、相容性和

环境友好的材料。

材料科学与材料工程的关系●

材料科学具有“研究为什么”的性质。核心是建立结构－

性能的关系。●

材料工程具有“解决怎样做”的性质。是能为社会所接受

地获得材料的结构、性能和形状。（要考虑5个判据：

经济、质量、资源、环保、能源）●

材料科学为材料工程提供设计依据，为更好地选择材料、

使用材料、发展新材料提供理论基础。

●

材料工程为材料科学提供丰富的研究课题和物质基础。

●

材料科学和材料工程紧密联系，它们之间没有明显的界线。在解决实际问题中，不能将科学因素和工程因素独立考虑。因此，人们常将二者合称为材料科学与工程。

§１.2材料的分类

●

按物态划分：气态、液态和固态。

●

按组成和结合健性质：金属材料、无机非金属

材料、高分子材料以及半导体材料。

●

按材料的功能：结构材料、功能材料。

●

按使用领域：建筑材料、电子材料、医用材料、

仪表材料、能源材料等。

图1-5

价键四面体

金属材料

黑色金属（钢和铸铁）

钢：碳素钢和合金钢（按成分）；普通钢、优质钢和高级优质钢（按品质）；平炉钢、转炉钢、电炉钢和奥氏体钢（按冶炼法）；结构钢、工具钢、特殊钢及专用钢（按用途）。

铸铁：灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和特殊性能铸铁等。

有色金属(非铁材料)

轻金属(密度﹤5)、重金属(密度﹥5)、贵金属、类金属和稀有金属，如A1、Cu、Zn、Sn、Pb、Mg、Ni、Ti及其合金。在工程上占有重要地位。

金属材料的基本属性

●

结合健为金属健；

●

熔点较高；

●

具有金属光泽；

●范性、展性、延性大；

●强度较高；

●

结构中存在自由电子，导热和导电性好；

●

在空气中易被氧化。

无机非金属材料

●

主要包括晶体、陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。

●

按性能和用途：传统陶瓷和特种陶瓷。

特种陶瓷也称精细陶瓷（FineCeramics）

高技术陶瓷（High

TechnicalCeramics）

先进陶瓷（Advanced

Ceramics）

●

特种陶瓷是以人工合成化合物为原料制备，用于技术和

工程领域，如电子信息、能源、机械、化工、动力、生

物、航天航空和其它高新技术领域。

无机非金属材料的基本属性

●

化学健主要是离于键、共价健以及它们的混合键；

●

硬而脆、韧性低、抗压不抗拉、对缺陷敏感；

●

熔点高，具有优良的耐高温和化学稳定性；

●

一般自由电子数目少、导热性和导电性较小；

●

耐化学腐蚀性好；

●

耐磨损。

高分子材料

●

以C、H、N、O元素为基础，由大量结构相同的小单元聚合组成，

分子量大，并在某一范围内变化。

●

一般分为天然和合成的两类；

●

按使用性质：塑料、橡胶、纤维、粘合剂、涂料等；

●

按链结构：碳链、杂链、元素高聚物；

●

按热性质：热塑性、热固性及热稳定性高聚物；

●

按用途：结构材料、电绝缘材料、耐高温材料、导电高分子、

高分子建筑材料、生物医用高分子材料、高分子催化剂、包装

材料等。

●

塑料是重要的高分子材料，分为通用塑料和工程塑料。

通用塑料包括：聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛

塑料和氨基塑料。

工程塑料（高强、高模、耐高温）：ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙

烯)、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、聚砜、聚苯硫醚、聚酰亚胺