材料科学导论绪论

《材料科学导论》

《IntroductionofMaterialsScience》主讲：青岛科技大学配位化学研究所

绪论有关材料的一些话题有关构建材料科学体系的一些话题学习《材料科学导论》的目的与意义本期《材料科学导论》的基本内容如何学好《材料科学导论》

一、有关材料的一些话题(1)材料是指人类社会能接受地，经济地的制造有用物品的物质。

(2)材料所具有的基本要素（一定的组成和配比、成型加工性能、形状保持性、回收和再生性）(3)材料是人类文明进步的里程碑（材料的地位与作用）

人类社会发展的历史阶段常常用当时主要使用的材料来划分。从古代到现在人类使用材料的历史共经历了七个时代，各时代的开始时间：

材料发展的古代史：石器时代（旧石器时代、新石器时代）

青铜器时代

铁器时代材料发展的现代史：金属材料无机非金属材料传统材料高分子材料新材料时代（1990年）

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，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。

第一次产业革命的突破口是推广应用蒸汽机，但只有在开发了铁和铜等新材料以后，蒸汽机才得以使用并逐步推广。第二次产业革命一直延续到20世纪中叶，以石油开发和新能源广泛使用为突破口，大力发展飞机、汽车和其他工业，支持这个时期产业革命的仍然是新材料开发。如合金钢、铝合金以及各种非金属材料的发展。

二、有关构建材料体系的话题背景知识：早期的材料制造业都是建立在手工作坊的基础上的，经验性的权重很大，限制了新材料的发展；1957年前苏联人造卫星首先上天，震惊美国，把落后的主要原因归于材料研究落后；于是在一些大学相继成立了十余个材料研究中心，采用先进的科学理论与实验方法对材料进行深入的研究，取得重要成果。从此，“材料科学”这个概念开始为人所用。材料科学学科形成的

深层次原因分析（1）固体物理、无机化学、有机化学、物理学等相关基础学科对物质结构和物性的深入研究，促进了对材料本质的了解；冶金学、金属学、陶瓷学、高分子科学等相关应用学科的发展也对材料本身的研究大大加强，从而对材料制备、结构与性能以及它们之间的相互关系的研究也越来越深入。材料科学学科形成的

深层次原因分析（2）在材料科学这个名词出现以前，金属材料、高分子材料与陶瓷材料以及复合材料都已自成体系，但它们之间存在着颇为相似之处，不同类型的材料可以相互借鉴，从而促进本学科的发展。材料科学学科形成的

深层次原因分析（3）各类材料的研究设备与生产手段有颇多共同之处材料科学学科形成的

深层次原因分析（4）许多不同类型的材料可以相互代替和补充，能更充分发挥各种材料的优越性，达到物尽其用的目的。（复合材料的原理问题的提出）材料科学学科形成的

深层次原因分析（5）最后，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全面的了解，作为新材料发展之一的复合材料的研究开发必然受到影响。对各类材料有一个深入的了解是复合材料发展的基础。正是这样的背景条件促使了材料学科——一门新的综合性学科的诞生。什么是材料科学材料科学是一门以材料为研究对象，介于基础科学与应用科学之间的称之为应用基础科学的学科。基本内容：（1）从化学的角度出发，研究材料的化学组成、键性、结构与性能的关系及其规律（2）从物理的角度出发，研究材料的组成原子、分子及其运动状态与各种物性之间的关系（3）在此基础上为材料的合成、加工工艺及应用提出科学的依据。？

归纳：材料科学是研究材料的成分、组织结构、制备工艺、加工工艺、材料的性能与材料应用之间的相互关系的科学。材料科学是当代科学技术发展的基础、工业生产的支柱，是当今世界的带头学科之一。纳米材料科学与技术是20世纪80年代发展起来的新兴学科，成为21世纪新技术的主导中心。材料科学导论是进行材料科学研究的基础理论，它将各种材料（包括金属、陶瓷、高分子材料）的微观结构和宏观结构规律建立在共同的理论基础上，用于指导材料的研究、生产、应用和发展。它涵盖了材料科学和材料工程的基础理论。

三、学习《材料科学导论》

的目的和意义（1）材料科学的内函材料科学是一个跨物理、化学等的学科。材料科学的核心问题是材料的组织结构（Structure）和性能（Property）以及它们之间的关系。右图为材料科学与工程四要素。其中结构是最重要的因素。所以，先要了解材料的结构是什么这一基本问题。

材料结构关系

材料的结构包括不同晶体结构和非晶体，以及显微镜下的微观结构，哪些主要因素能够影响和改变结构？只有了解了这些才能实现控制结构的目的。材料的性能包括物理性能、化学性能、力学性能。其内部结构包括四个层次：①原子结构；②结合键；③原子的排列方式；④显微组织（A）组织结构：包含着决定材料性质和使用性能的原子、离子或分子等的排列形式或方式。（B）性质：赋予材料的价值和应用性.指材料对电、磁、光、热、机械载荷的反应，主要决定于材料的组成与结构。（C）使用性能：是材料在使用条件下应用性能的度量.

也指在使用状态下表现的行为，它与材料设计、工程环境密切相关。实用性能包括可靠性、耐用性、寿命预测及延寿措施等。（D）合成和加工（制备）包括传统的冶炼、铸锭、制粉、压力加工、焊接等，也包括新发展的真空溅射、气相沉积等新工艺，使人工合成材料如超晶格、薄膜材料成为可能。（2）材料科学与材料工程的关系

一般来讲，科学是研究“为什么”的学问，而工程是解决“怎么做”的学问。材料科学的基础理论，为材料工程指明方向，为更好地选择、使用材料，发挥现有材料的潜力、发展新材料提供理论基础。材料科学和材料工程之间的区别主要在于着眼点的不同或者说各自强调的中心不同，它们之间并没有一条明确的界线，因此，后来人们常常将二者放在一起，采用一个复合名词－材料科学与工程（MSE，MaterialScienceandEngineering）材料科学：是一门科学，它从事与材料本质的发现、分析和了解方面的研究，其目的在于提供材料结构的统一描绘或模型，以及解释这种结构与性能之间的关系。它包括三个环节，核心是结构和性能。材料工程：是工程的一个领域，其目的在于经济地，而又为社会所能接受地控制材料的结构、性能和形状。它包括五个环节。（3）材料的分类（P1－2）材料按化学组成（或基本组成）分类根据材料的性能分类材料按服役的领域来分类材料按结晶状态分类材料按材料的尺寸分类

按物理性质可分为：导电材料、绝缘材料、半导体材料、磁性材料、透光材料、高强度材料、高温材料、超硬材料等。按物理效应分为：压电材料、热电材料、铁电材料、非线性光学材料、磁光材料、电光材料、声光材料、激光材料等。按用途分为：电子材料、电工材料、光学材料、感光材料、耐酸材料、研磨材料、耐火材料、建筑材料、结构材料、包装材料等。按化学组成（或基本组成）分类：1.金属材料2.无机非金属材料3.高分子材料（聚合物）4.复合材料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。无机非金属材料种类繁多，用途各异，目前还没有统一完善的分类方法。一般将其分为传统的（普通的）和新型的（先进的）无机非金属材料两大类。

先进（或新型）无机非金属材料是用氧化物、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。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。传统的无机非金属材料之二：玻璃玻璃是由熔体过冷所制得的非晶态材料。根据其形成网络的组分不同可分为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃等，其网络形成剂分为SiO2、B2O3和P2O5。习惯上玻璃态材料可分为普通玻璃和特种玻璃两大类。普通玻璃是指采用天然原料，能够大规模生产的玻璃。普通玻璃包括日用玻璃、建筑玻璃、微晶玻璃、光学玻璃和玻璃纤维等。

传统的无机非金属材料之四：

耐火材料耐火材料是指耐火度不低于1580℃的无机非金属材料。它是为高温技术服务的基础材料。尽管各国对其定义不同，但基本含义是相同的，即耐火材料是用作高温窑炉等热工设备的结构材料，以及用作工业高温容器和部件的材料，并能承受相应的物理化学变化及机械作用。大部分耐火材料是以天然矿石（如耐火粘土、硅石、菱镁矿、白云母等）为原料制造的。4.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同的材料组合而成。复合材料是多相材料，主要包括基本相和增强相。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。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同，材料可分为结构材料和功能材料。结构材料是以强度，刚度，韧性，耐劳性，硬度，疲劳强度等力学性能为特征的材料。功能材料是以声，光，电，磁，热等物理性能为特征的材料。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信息材料、航空航天材料、能源材料、生物医用材料等。生物医用材料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，在一定时期内治疗、增强或替换机体的组织、器官或功能。医用金属及合金医用高分子材料包括合成和天然高分子，已被广泛用于韧带、肌腱、皮肤、血管、角膜、人工脏器、骨和牙等人体软、硬组织及器官的修复和制造。

医用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、生物碳等以及羟基磷灰石、磷酸三钙陶瓷等。

医用复合材料:表面涂层生物活性人工牙根、人工心脏瓣膜人造血管等。信息材料是指用于信息的探测、传输、显示、运算和处理的光电信息材料。信息材料主要包括信息的监测和传感（获取）材料、信息的传输材料、信息的存储材料、信息的运算和处理材料。航空航天材料主要包括新型金属材料（如先进铝合金、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、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。能源材料是指能源工业和能源技术所使用的材料，按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（Nb-Ti、Nb-Sn巨型磁体用材料）；储氢材料，以及高比能电池（如钠硫电池）等。目前钠硫电池的比能量达137W.h/Kg，而铅蓄电池的比能量只有30W.h/Kg。材料按结晶状态分类单晶材料是由一个比较完整的晶粒构成的材料，如单晶纤维、单晶硅；多晶材料是由许多晶粒组成的材料，其性能与晶粒大小、晶界的性质有密切的关系。非晶态材料是由原子或分子排列无明显规律的固体材料，如玻璃、高分子材料。准晶材料是指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，在准晶材料中存在不符合传统晶体学的五次、八次、十二次对称轴。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合金中形成，是成分范围较窄的金属间化合物。按材料的尺寸分类材料按材料的尺寸可分为零维材料、一维材料、二维材料、三维材料。零维材料即超微粒子，通过Sol-gel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属粉末，大小1—100nm的超微粒比表面积大（可作为高效催化剂）、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（可以成为高效微波吸收材料）。一维材料，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。二维材料（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，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、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、放大或调幅、敏感与传感元件，用于显示或探测器，用于环保或表面改性的保护膜。三维材料即块状材料。（4）材料的应用

让我们回顾几项有影响的事例，以便加深理解材料的发展在人类社会发展中起了举足轻重的作用。计算机与材料1、计算机经历：电子管→晶体管→集成电路时代

2、个人电脑移动存储器的比较材料科学的发展是计算机飞速发展的基础。种类使用的材料存储容量特点软盘氧化铁1.44Mb容量小，文本文件存储CD－RW以ZnS等为主的陶瓷材料650MbCD光盘，价低，用量大MO(磁光盘)TbFeCo合金磁光材料650Mb，1.3G需专用驱动器，价格高，局限在广告图形用户DVD－RWZnS等为主的陶瓷材料单面单层为4.7GbCD－RW和CD光盘，用量大飞机和材料从莱特兄弟实现飞行的梦想以来，航空和航天器发生了巨变。为了飞得快和远，就要采用强度高和比重小的材料，重视材料的比强度，即强度/比重之比。