材料科学与工程专业英语吐血整理版

United1

材料科学与工程材料在我们的文化中比我们认识到的还要根深蒂固。如交通、房子、衣物，通讯、娱乐和食物的生产，实际上，我们日常生活中的每一部分都或多或少地受到材料的影响。历史上社会的发展、先进与那些能满足社会需要的材料的生产及操作能力密切相关。实际上，早期的文明就以材料的发展程度来命名，如石器时代，铜器时代。早期人们能得到的只有一些很有限的天然材料，如石头、木材、粘土等。渐渐地，他们通过技术来生产优于自然材料的新材料，这些新材料包括陶器和金属。进一步地，人们发现材料的性质可以通过加热或加入其他物质来改变。在这点上，材料的应用完全是一个选择的过程。也就是说，在一系列非常有限的材料中，根据材料的优点选择一种最适合某种应用的材料。直到最近，科学家才终于了解材料的结构要素与其特性之间的关系。这个大约是过去的60年中获得的认识使得材料的性质研究成为时髦。因此，成千上万的材料通过其特殊的性质得以发展来满足我们现代及复杂的社会需要。很多使我们生活舒适的技术的发展与适宜材料的获得密切相关。一种材料的先进程度通常是一种技术进步的先兆。比如，没有便宜的钢制品或其他替代品就没有汽车。在现代，复杂的电子器件取决于所谓的半导体零件。材料科学与工程有时把材料科学与工程细分成材料科学和材料工程学科是有用的。严格地说，材料科学涉及材料到研究材料的结构和性质的关系。相反，材料工程是根据材料的结构和性质的关系来设计或操纵材料的结构以求制造出一系列可预定的性质。从功能方面来说，材料科学家的作用是发展或合成新的材料，而材料工程师是利用已有的材料创造新的产品或体系，和/或发展材料加工新技术。多数材料专业的本科毕业生被同时训练成材料科学家和材料工程师。“structure”一词是个模糊的术语值得解释。简单地说，材料的结构通常与其内在成分的排列有关。原子内的结构包括介于单个原子间的电子和原子核的相互作用。在原子水平上，结构包括原子或分子与其他相关的原子或分子的组织。在更大的结构领域上，其包括大的原子团，这些原子团通常聚集在一起，称为“微观”结构，意思是可以使用某种显微镜直接观察得到的结构。最后，结构单元可以通过肉眼看到的称为宏观结构。“Property”一词的概念值得详细阐述。在使用中，所有材料对外部的刺激都表现出某种反应。比如，材料受到力作用会引起形变，或者抛光金属表面会反射光。材料的特征取决于其对外部刺激的反应程度。通常，材料的性质与其形状及大小无关。实际上，所有固体材料的重要性质可以概括分为六类：机械、电学、热学、磁学、光学和腐蚀性。对于每一种性质，其都有一种对特定刺激引起反应的能力。如机械性能与施加压力引起的形变有关，包括弹性和强度。对于电性能，如电导性和介电系数，特定的刺激物是电场。固体的热学行为则可用热容和热导率来表示。磁学性质表示一种材料对施加的电场的感应能力。对于光学性质，刺激物是电磁或光照。用折射和反射来表示光学性质。最后，腐蚀性质表示材料的化学反应能力。除了结构和性质，材料科学和工程还有其他两个重要的组成部分，即加工和性能。如果考虑这四个要素的关系，材料的结构取决于其如何加工。另外，材料的性能是其性质的功能。因此，材料的加工、结构、性质和功能的关系可以用以下线性关系来表示：加工——结构——性质——性能。为什么研究材料科学与工程？为什么研究材料科学与工程？许多应用科学家或工程师，不管他们是机械的、民事的、化学的或电子的领域的，都将在某个时候面临材料的设计问题。如用具的运输、建筑的超级结构、油的精炼成分、或集成电路芯片。当然，材料科学家和工程师是从事材料研究和设计的专家。很多时候，材料的问题就是从上千个材料中选择出一个合适的材料。对材料的最终选择有几个原则。首先，现场工作条件必须进行表征。只有在少数情况下材料在具有最优或理想的综合性质。因此，有必要对材料的性质进行平衡。典型的例子是当考虑材料的强度和延展性时，而通常材料具有高强度但却具有低的延展性。这时对这两种性质进行折中考虑很有必要。其次，选择的原则是要考虑材料的性质在使用中的磨损问题。如材料的机械性能在高温或腐蚀环境中会下降。最后，也许是最重要的原则是经济问题。最终产品的成本是多少？一种材料的可以有多种理想的优越性质，但不能太昂贵。这里对材料的价格进行折中选择也是可以的。产品的成本还包括组装中的费用。工程师与科学家越熟悉材料的各种性质、结构、功能之间的关系以及材料的加工技术，根据以上的几个原则，他或她对材料的明智选择将越来越熟练和精确。Unit2ClassificationofMaterialsSolidmaterialshavebeenconvenientlygroupedintothreebasicclassifications:metals,ceramics,andpolymers.Thisschemeisbasedprimarilyonchemicalmakeupandatomicstructure,andmostmaterialsfallintoonedistinctgroupingoranother,althoughtherearesomeintermediates.Inaddition,therearethreeothergroupsofimportantengineeringmaterials—composites,semiconductors,andbiomaterials.译文：固体材料被便利的分为三个基本的类型：金属，陶瓷和聚合物。这个分类是首先基于化学组成和原子结构来分的，大多数材料落在明显的一个类别里面，尽管有许多中间品。除此之外，有三类其他重要的工程材料－复合材料，半导体材料和生物材料。Compositesconsistofcombinationsoftwoormoredifferentmaterials,whereassemiconductorsareutilizedbecauseoftheirunusualelectricalcharacteristics;biomaterialsareimplantedintothehumanbody.Abriefexplanationofthematerialtypesandrepresentativecharacteristicsisofferednext.译文：复合材料由两种或者两种以上不同的材料组成，然而半导体由于它们非同寻常的电学性质而得到使用；生物材料被移植进入人类的身体中。关于材料类型和他们特殊的特征的一个简单的解释将在后面给出。METALSMetallicmaterialsarenormallycombinationsofmetallicelements.Theyhavelargenumbersofnonlocalizedelectrons;thatis,theseelectronsarenotboundtoparticularatoms.Manypropertiesofmetalsaredirectlyabletotheseelectrons.beboundto

被约束于。。beattributeto

归属于。。归因于。。译文：金属材料通常由金属元素组成。它们有大量无规则运动的电子。也就是说，这些电子不是被约束于某个特定的原子。金属的许多性质直接归属这些不规则运动的电子。Metalsareextremelygoodconductorsofelectricityandheatandarenottransparenttovisiblelight;apolishedmetalsurfacehasalustrousappearance.Furthermore,metalsarequitestrong,yetdeformable,whichaccountsfortheirextensiveuseinstructuralapplications.科技英语在讲述科学真理的时候通常用主动语态。如：MetalsareextremelygoodconductorsofelectricityDeformable？译文：金属是十分好的电和热的导体，它们对可见光不透明；一个抛光的金属表面有光辉的外表。除此之外，金属是十分硬的，也是可变形的，这个性质解释了它们广泛使用在结构方面的应用。CERAMICSCeramicsarecompoundsbetweenmetallicandnonmetallicelements;theyaremostfrequentlyoxides,nitrides,andcarbides.Thewiderangeofmaterialsthatfallswithinthisclassificationincludesceramicsthatarecomposedofclayminerals,cement,andglass.that引导的定语从句译文：陶瓷是介于金属和非金属元素之间的化合物；它们通常是氧化物，氮化物和碳化物。落在这个分类种类中的宽的材料范围包括陶瓷，它们由粘土矿物，水泥和玻璃组成。Thesematerialsaretypicallyinsulativetothepassageofelectricityandheat,andaremoreresistanttohightemperaturesandharshenvironmentsthanmetalsandpolymers.Withregardtomechanicalbehavior,ceramicsarehardbutverybrittle.more….Than…..withregardto….译文：这些材料是典型的电和热的绝缘体，并且它们比金属和聚合物更加耐高温和耐苛刻的环境。至于机械性能，陶瓷是硬的但是却很脆。POLYMERSPolymersincludethefamiliarplasticandrubbermaterials.Manyofthemareorganiccompoundsthatarechemicallybasedoncarbon,hydrogen,andothernonmetallicelements;furthermore,theyhaveverylargemolecularstructures.Thesematerialstypicallyhavelowdensitiesandmaybeextremelyflexible.译文：聚合物包括常见的塑料和橡胶材料。它们中的大多数是有机化合物，这些化合物是以化学的方法把碳、氢和其他非金属元素组合而成。因此，它们有非常大的分子结构。这些材料通常有低的密度并且可能十分柔软。COMPOSITESAnumberofcompositematerialshavebeenengineeredthatconsistofmorethanonematerialtype.Fiberglassisafamiliarexample,inwhichglassfibersareembeddedwithina

polymericmaterial.morethan…译文：许多复合材料被作用工程使用，它们由至少一种类型的材料组成。玻璃丝是一个熟悉的例子，玻璃纤维被埋入聚合物材料中。Acompositeisdesignedtodisplayacombinationofthebestcharacteristicsofeachofthecomponentmaterials.Fiberglassacquiresstrengthfromtheglassandflexibilityfromthepolymer.Manyoftherecentmaterialdevelopmentshaveinvolvedcompositematerials.译文：为了联合显示每一种组分材料最好的特性，一种复合材料被设计出来。玻璃丝从玻璃中获得强度并且从聚合物中获得柔软性。最近发展中的绝大多数材料包含了复合材料。SEMICONDUCTORSSemiconductorshaveelectricalpropertiesthatareintermediatebetweentheelectricalconductorsandinsulators.Furthermore,theelectricalcharacteristicsofthesematerialsareextremelysensitivetothepresenceofminuteconcentrationsofimpurityatoms,whichconcentrationsmaybecontrolledoververysmallspatialregions.besensitiveto对…敏感的译文：半导体有电的性质，它们是介于电导体和绝缘体之间的中间物。除此之外，这些材料的电学性质对微量杂质原子的存在十分敏感，杂质原子浓度可能只是在一个十分小的区域内可以控制。Thesemiconductorshavemadepossibletheadventofintegratedcircuitrythathastotallyrevolutionizedtheelectronicsandcomputerindustries(nottomentionourlives)overthepasttwodecades.译文：这些半导体使得集成电路的出现变得可能，在过去20多年间，这些集成电路革新了电子装置和计算机工业（更不用说我们的生活）。BIOMATERIALSBiomaterialsareemployedincomponentsimplantedintothehumanbodyforreplacementofdiseasedordamagedbodyparts.Thesematerialsmustnotproducetoxicsubstancesandmustbecompatiblewithbodytissues(i.e.,mustnotcauseadversebiologicalreactions).译文：生物材料被应用于移植进入人类身体以取代病变的或者损坏的身体部件。这些材料不能产生有毒物质而且必须同人身体器官要相容（比如，不能导致相反的生物反应）。Alloftheabovematerials—metals,ceramics,polymers,composites,andsemiconductors—maybeusedas

biomaterials.Forexample,someofthe

biomaterialssuchasCF/C(carbonfibers/carbon)and

CF/PS(polysulfone)areutilizedinartificialhipreplacements.译文：所有以上材料－金属，陶瓷，聚合物，复合材料和半导体材料可能用作生物材料。比如，如CF/C和CF/PS（聚砜）这些生物材料被用作人工肾的取代物。ADVANCEDMATERIALSMaterialsthatareutilizedinhigh-technology(orhigh-tech)applicationsaresometimestermedadvancedmaterials.Byhightechnologywemeanadeviceorproductthatoperatesorfunctionsusingrelativelyintricateandsophisticatedprinciples;examplesincludeelectronicequipment(VCRs,CDplayers,etc.),computers,fiberopticsystems,spacecraft,aircraft,andmilitaryrocketry.译文：用在高科技中的材料有时被称作先进材料。借助于高科技，我们预定一个装置或者产品，这些产品用相对复杂和熟练的原理运转或者起作用；这些例子包括电子设备（VCRs,CD播放器），计算机，光纤系统，宇宙飞船，航天飞机和军事火箭。Theseadvancedmaterialsaretypicallyeithertraditionalmaterialswhosepropertieshavebeenenhancedornewlydeveloped,high-performancematerials.Furthermore,theymaybeofallmaterialtypes(e.g.,metals,ceramics,

polymers),andarenormallyrelativelyexpensive.译文：这些高级材料或是典型的传统材料，它们的性质被提高，最近开发出来的，高性能材料。除此之外，它们可能是所有材料类型（比如，金属、陶瓷和聚合物），通常相对较贵。Insubsequentchaptersarediscussedthepropertiesandapplicationsofanumberofadvancedmaterials—forexample,materialsthatareusedforlasers,integratedcircuits,magneticinformationstorage,liquidcrystaldisplays(LCDs),fiberoptics,andthethermalprotectionsystemfortheSpaceShuttleOrbiter.译文：在下面的章节将讨论众多先进材料的性质和应用－比如被用作激光，集成电路，磁信息存储，液晶显示器，光纤和空间舱轨道的热保护系统的材料。MODERNMATERIALS’NEEDSInspiteofthetremendousprogressthathasbeenmadeinthedisciplineofmaterialsscienceandengineeringwithinthepastfewyears,therestillremaintechnologicalchallenges,includingthedevelopmentofevenmoresophisticatedandspecializedmaterials,aswellasconsiderationofthe

environmentalimpactofmaterialsproduction.Somecommentisappropriaterelativetotheseissuessoastoroundoutthisperspective.译文：在过去几年内，不论材料科学与工程的规律取得了巨大的进步，仍然有一些技术挑战，包括开发更加熟练的专业化的材料，并且考虑材料生产对环境导致的影响。针对这个问题，一些评论是十分相关的。Nuclearenergyholdssomepromise,butthesolutionstothemanyproblemsthatremainwillnecessarilyinvolvematerials,fromfuelstocontainmentstructurestofacilitiesforthe

disposalofradioactivewaste.译文：核能还保持着一些承诺，但是解决许多仍然存在的问题，将有必要把材料包括在里，从燃料到保护结构以便方便处置这些放射性废料。Significantquantitiesofenergyareinvolvedintransportation.Reducingtheweightoftransportationvehicles(automobiles,aircraft,trains,etc.),aswellasincreasingengineoperatingtemperatures,willenhancefuelefficiency.Newhighstrength,low-densitystructuralmaterialsremaintobedeveloped,aswellasmaterialsthathavehigher-temperaturecapabilities,foruseinenginecomponents.译文：相当数量的能源用在交通上。减少交通工具（汽车，飞机，火车等）的重量，和提高引擎操作温度，将提高燃料的使用效率。新的高强，低密度结构材料仍在发展，用作引擎部位能耐高温材料也在发展中。Furthermore,thereisarecognizedneedtofindnew,

economicalsourcesofenergy,andtousethepresentresourcesmoreefficiently.Materialswillundoubtedlyplayasignificantroleinthesedevelopments.译文：除此之外，寻找新的、经济的能源资源，并且更加有效的使用目前现存的资源是公认为必须的。材料将毫无疑问的在这些发展过程中扮演重要的角色。Forexample,thedirectconversionofsolarintoelectricalenergyhasbeendemonstrated.Solarcellsemploysomerathercomplexandexpensivematerials.Toensureaviabletechnology,materialsthatarehighlyefficientinthis

conversionprocessyetlesscostlymustbedeveloped.译文：比如，太阳能直接转化为电能已经被证实了。太阳能电池使用相当复杂并且昂贵的材料。为了保证技术的可行，在这个转化过程中的高效但不贵的材料必须被发展。Furthermore,environmentalqualitydependsonourabilitytocontrolairandwaterpollution.Pollutioncontroltechniquesemployvariousmaterials.Inaddition,materialsprocessingandrefinementmethodsneedtobeimprovedsothattheyproducelessenvironmentaldegradation,thatis,less

pollutionandlessdespoilageofthelandscapefromtheminingofrawmaterials.译文：除此之外，环境质量取决于我们控制大气和水污染的能力。污染控制技术使用了各种材料。再者，材料加工和精制的方法需要改善以便它们产生很少的环境退化，也就是说，在生材料加工过程中，带来更少的污染和更少的对自然环境的破坏。Also,insomematerialsmanufacturingprocesses,toxicsubstancesareproduced,andtheecologicalimpactoftheirdisposalmustbeconsidered.Manymaterialsthatweusearederivedfromresourcesthatarenonrenewable,thatis,notcapableofbeingregenerated.Theseincludepolymers,forwhichtheprimerawmaterialisoil,andsomemetals.Thesenonrenewableresourcesaregraduallybecomingdepleted.译文：也，在一些材料生产过程中，有毒物质产生了，并且它们的处置对生态产生的影响必须加以考虑。我们使用的许多材料来源于不可再生的资源，不可再生也就是说不能再次生成的。这些材料包括聚合物，最初的原生材料是油和一些金属。这些不可再生的资源逐渐变得枯竭whichnecessitates:1)thediscoveryofadditionalreserves,2)thedevelopmentofnewmaterialshavingcomparablepropertieswithlessadverseenvironmentalimpact,and/or3)increasedrecyclingeffortsandthedevelopmentofnewrecyclingtechnologies.译文：下面是必须的：1）发现另外的储藏，2）开发拥有较少负环境影响的新材料，3)增加循环的努力并且开发新的循环技术。Asaconsequenceoftheeconomicsofnotonlyproductionbutalsoenvironmentalimpactandecologicalfactors,itisbecomingincreasinglyimportanttoconsiderthe‘‘cradle-to-grave’’lifecycleofmaterialsrelativetotheoverall

manufacturingprocess.译文：结果，不仅是生产，而且环境影响和生态因子，和材料整个生产过程紧密相关的材料“一生”的生命周期的考虑变得越来越重要。Unit3AtomicStructureofMaterials

1．众所周知所有的物质都是由原子组成的。在下面周期表中我们可以知道仅仅大约有100多种不同种类的原子存在于整个宇宙中，从我们呼吸的空气，到各种各样性质迥异的金属成千上万的物种均是由一百多种原子组成的。金属与陶瓷有不同表现行为，陶瓷又与聚合物有所差异。物质的性能取决于组成他们的原子类型以及原子的结合方式。材料的结构可以根据我们所认为的各种特性的的数量级来分类，三种最常见的主要结构上的分类通常按尺寸的增大列出它们是，原子的结构是指不可见的结构例如原子间的结合方式以及原子的排布。微观结构是指不能同肉眼观察到而能用显微镜观察到的结构。宏观结构是指可以用肉眼直接观察到的结构。

2．原子结构主要影响物质的化学性质、物理性质、耐热性、电性、磁性、光学性质。微观结构和宏观结构也能影响这些性质但它们通常在力学性质和化学反应速率方面的影响更大。材料的性能为材料的结构提供了一定的线索。金属的具有的强度就说明构成他的原子是通过很强的成健能力结合在一起的.然而由于金属经常成型，这些结合力必须允许原子运动。为了了解材料的结构，我们必须知道原子所呈现的类型，原子是如何排布的、如何结合的。

3．从基础化学我们知道任何元素的原子结构都是有被电子围绕的带正电的原子核组成。一个元素的原子数目显示了原子核中带正电的质子数。为了确定在一个原子里有多少中子，只需要把原子的数目从原子的重量中减去。

4．原子具有平衡的电荷。因此，通常有和质子数目相同的带负电荷的电子围绕在原子核周围。我们都知道电子以不同的能量存在，那些围绕在原子核周围的电子可以方便的认为是一个能源层。例如。镁原子序数是12最内层有两个电子8个电子，最外层有两个电子。所有的化学键都包含电子。如果原子共用一个或多个电子时他们会保持很紧密。当原子没有部分填充的电子层时，它们会处于最稳定的状态。如果一个原子在电子层上仅有几个电子那么它就趋向于失去电子使电子层变空。这些即是金属元素。当金属原子结合，金属键就出现了。Unit10

Introduction

to

Ceramic

MaterialsThe

word

"ceramic"

is

derived

from

the

Greek

keramos,

which

means

"potter's

clay"

or

"pottery."

Its

origin

is

a

Sanskrit

term

meaning

"to

burn."

So

the

early

Greeks

used

"keramous"

when

describing

products

obtained

by

heating

clay-containing

materials.

The

term

has

long

included

all

products

made

from

fired

clay,

for

example,

bricks,

fireclay

refractories,

sanitaryware,

and

tableware.

“陶瓷”这个词是来自希腊keramos，这意味着“陶土”或“陶”。它的起源是梵文术语，意思是“燃烧”。因此，早期的希腊人用“keramous”描述加热含粘土的物料获得的产品。这个词早已包括所有陶土制成的产品，例如，砖，粘土质耐火材料，卫生洁具，餐具。In

1822,

refractory

silica

were

first

made.

Although

they

contained

no

clay,

the

traditional

ceramic

process

of

shaping,

drying,

and

firing

was

used

to

make

them.

So

the

term"

ceramic,"

while

retaining

its

original

sense

of

a

product

made

from

clay,

began

to

include

other

products

made

by

the

same

manufacturing

process.

The

field

of

ceramics

(broader

than

the

materials

themselves)

can

be

defined

as

the

art

and

science

of

making

and

using

solid

articles

that

contain

as

their

essential

component

a

ceramic.

This

definition

covers

the

purification

of

raw

materials,

the

study

and

production

of

the

chemical

compounds

concerned,

their

formation

into

components,

and

the

study

of

structure,

composition,

and

properties.

1822年，耐火材料二氧化硅被首次提出。虽然他们中没有粘土，传统陶瓷的塑造过程，干燥和烧成使用，使它们。所以说，“陶瓷”，同时保留其原来意义上的粘土制成的产品，开始向包括由同一制造工艺制成的其他产品。陶瓷比材料本身更广泛的领域可以被定义为制作和使用含有固体的文章作为自己的重要组成部分陶瓷艺术和科学。这个定义涵盖了原料的净化，研究和生产有关的化学成分，他们到组件的形成，结构，组成和性质的研究。Ceramics

are

usually

associated

with

"mixed"

bonding-a

combination

of

covalent,

ionic,

and

sometimes

metallic.

They

consist

of

arrays

of

interconnected

atoms;

there

are

no

discrete

molecules.

This

characteristic

distinguishes

ceramics

from

molecular

solids

such

as

iodine

crystals

(composed

of

discrete

I2

molecules)

and

paraffin

wax

(composed

of

long-chain

alkane

molecules).

It

also

excludes

ice,

which

is

composed

of

discrete

H20

molecules

and

often

behaves

just

like

many

ceramics.

The

majority

of

ceramics

are

compounds

of

metals

or

metalloids

and

nonmetals.

Most

frequently

they

are

oxides,

nitrides,

and

carbides.

陶瓷通常与“混合”接合的共价键，离子，有时金属结合。他们组成的相互联系的原子阵列;没有离散的分子。这一特点区分，如碘晶体（离散碘分子组成）和石蜡（长链烷烃分子组成）分子固体的陶瓷。它也排除了冰，这是由离散的水分子，往往表现就像许多陶瓷。大多数陶瓷，金属或非金属化合物和非金属。他们最常见的氧化物，氮化物和碳化物。However,

diamond

and

graphite

are

also

classified

as

ceramics.

These

forms

of

carbon

are

inorganic

in

the

most

basic

meaning

of

the

term:

they

were

not

prepared

from

the

living

organism.

然而，金刚石和石墨也被归类为陶瓷。这些形式的碳是无机一词的最基本的含义：他们不准备从活的有机体。General

Properties一般属性Ceramics

generally

have

specific

properties

associated

with

them.

We

will

look

at

some

properties

and

see

how

closely

they

match

our

expectations

of

what

constitutes

a

ceramic.

陶瓷一般都与他们相关的特定属性。我们将看看一些属性，看看他们如何紧密匹配何谓陶瓷我们的期望。Brittleness脆性

This

probably

comes

from

personal

experiences

such

as

dropping

a

glass

beaker

or

a

dinner_

plate.

The

reason

that

the

majority

of

ceramics

are

brittle

is

the

mixed

ionic-covalent

bonding

that

holds

the

constituent

atoms

together.

At

high

temperatures

(above

the

glass

transition

temperature),

glass

no

longer

behaves

in

a

brittle

manner;

it

behaves

as

a

viscous

liquid.

That

is

why

it

is

easy

to

form

glass

into

intricate

shapes.

So

what

we

can

say

is

that

most

ceramics

are

brittle

at

room

temperature

but

not

necessarily

at

elevated

temperatures.

这可能来自于个人的经验，如删除一个玻璃烧杯或餐盘。大多数陶瓷是易碎的原因是共同持有的组成原子的混合离子共价键。在高温（玻璃化转变温度以上），玻璃不再表现脆性的方式，它作为一种粘性液体的行为。这就是为什么它很容易形成复杂形状的玻璃。因此，我们可以说是大多数陶瓷在室温下很脆，但在高温下不一定。Poor

electrical

and

thermal

conduction恶劣的电气和热传导

The

valence

electrons

are

tied

up

in

bonds,

and

are

not

free

as

they

are

in

metals.

In

metals

it

is

the

free

electrons-the

electron

gas-that

determines

many

of

their

electrical

and

thermal

properties.

Diamond,

which

is

classified

as

a

ceramic,

has

the

highest

thermal

conductivity

of

any

known

material.

The

conduction

mechanism

is

due

to

Phonons,

not

electrons.

Ceramics

can

also

have

high

electrical

conductivity,(1)the

oxide

ceramic,

ReO3,

has

an

electrical

conductivity

at

room

temperature

similar

to

that

of

Cu;

(2)

the

mixed

oxide

YBa2Cu3O7

is

an

HTSC;

it

has

zero

resistivity

below

92K.

价电子被捆绑起来的债券，是不是免费的，因为他们在金属。在金属，它是自由电子的电子气，决定其电气和热性能。钻石，这是作为陶瓷的分类，有任何已知的材料的导热系数最高。传导机制是由于声子，没有电子。陶瓷也可以有高导电性，（1）氧化物陶瓷，ReO3，有一个类似的铜在室温下的电导率;（2）混合氧化物YBa2Cu3O7是高温超导;它具有零电阻低于92K。These

are

two

examples

that

contradict

the

conventional

wisdom

when

it

comes

to

ceramics.

这些都违背了传统的智慧，当谈到陶瓷的两个例子。Compressive

strength抗压强度

Ceramics

are

stronger

in

compression

than

in

tension,

whereas

metals

have

comparable

tensile

and

compressive

strengths.

This

difference

is

important

when

we

use

ceramic

components

for

load-bearing

applications.

It

is

necessary

to

consider

the

stress

distributions

in

the

ceramic

to

ensure

that

they

are

compressive.

An

important

example

is

in

the

design

of

concrete

bridges-the

concrete,

a

CMC,

must

be

kept

in

compression.

Ceramics

generally

have

low

toughness,

although

combining

them

in

composites

can

dramatically

improve

this

property.

陶瓷在紧张的压缩比，而金属具有可比性的抗拉和抗压强度。这种差异是很重要的，当我们使用承载应用的陶瓷元件。这是有必要考虑在陶瓷的应力分布，以确保它们是压缩。一个重要的例子是在设计的混凝土桥梁，混凝土，中央军委，必须保持在压缩。陶瓷一般有韧性低，虽然复合材料相结合，可以极大地提高这个属性。Chemical

insensitivity

化学不灵敏度

A

large

number

of

ceramics

are

stable

in

both

harsh

chemical

and

thermal

environments.

Pyrex

glass

is

used

widely

in

chemistry

laboratories

specifically

be-cause

it

is

resistant

to

many

corrosive

chemicals,

stable

at

high

temperatures

(it

does

not

soften

until

1100K),

and

is

resistant

to

thermal

shock

because

of

its

low

coefficient

of

thermal

expansion

(33×10-7K-1).

It

is

also

widely

used

in

bakeware.

大量的陶瓷，在苛刻的化学和热环境是稳定的。硼硅玻璃是在化学实验室中广泛使用，具体原因是抵抗许多腐蚀性化学品的，稳定的高温（不软化，直到1100K），抵抗热冲击，由于其低的热膨胀系数（33×10-

7K-

1）。它也被广泛用于在烤盘。Transparent透明

Many

ceramics

are

transparent

because

they

have

a

large

Eg.

Examples

include

sapphire

watch

covers,

precious

stones,

and

optical

fibers.

Glass

optical

fibers

have

a

percent

transmission

>96%km-1.

Metals

are

transparent

to

visible

light

only

when

they

are

very

thin,

typically

less

than

0.1μm.

许多陶瓷是透明的，因为他们有一个大的如。例子包括蓝宝石手表盖，宝石，和光纤。玻璃光纤具有传输％>96％每公里。金属可见光是透明的的，只有当他们是非常薄，通常小于0.1微米。Although

it

is

always

possible

to

find

at

least

one

ceramic

that

shows

a

typical

behavior,

the

properties

mentioned

above

are

in

many

cases

different

from

those

shown

by

metals

and

polymers.

虽然它总是可以找到至少一个陶瓷，显示了一个典型的行为，上面提到的属性不同的金属和聚合物中的许多案件。Types

of

Ceramic

and

Their

Applications陶瓷及其应用的类型

Large

numbers

of

materials

are

ceramics.

The

applications

for

these

materials

are

diverse,

from

bricks

and

tiles

to

electronic

and

magnetic

components.

These

applications

use

the

wide

range

of

properties

exhibited

by

ceramics.

Some

of

these

properties

are

listed

in

Table

3.1

together

with

examples

of

specific

ceramics

and

applications.

The

functions

of

ceramic

products

are

dependent

on

their

chemical

composition

and

microstructure,

which

determines

their

properties.

It

is

the

interrelationship

between

structure

and

properties

that

is

a

key

element

of

materials

science

and

engineering.

大量的材料是陶瓷。这些材料的应用是多种多样的，从砖瓦，电子和磁性元件。这些应用程序使用广泛的陶瓷展出的属性。这些属性与特定的陶瓷和应用的例子，在表3.1列出了一些。陶瓷产品的功能上取决于其化学成分和微观结构，这就决定了它们的属性。它的结构和性能的关键因素是材料科学与工程之间的相互关系。You

may

find

that,

in

addition

to

dividing

ceramics

according

to

their

properties

and

applications,

it

is

common

to

class

them

as

traditional

or

advanced.

Traditional

ceramics

include

high-volume

items

such

bricks

and

tiles,

toilet

bowls

(whitewares),

and

pottery.

Advanced

ceramics

include

newer

materials

such

as

laser

host

materials,

piezoelectric

ceramics

.ceramics

for

dynamic

random

access

memories

(DRAMs),

and

so

on,

often

produced

in

small

quantities

with

higher

prices.

There

are

other

characteristics

that

separate

these

categories.

您可能会发现，除了除以陶瓷根据其性质和应用，它是常见他们为传统或先进的阶级。传统的陶瓷，包括高容量的项目，如砖瓦，马桶（whitewares），和陶器。先进陶瓷新材料，如激光基质材料，压电陶瓷，陶瓷，动态随机存取存储器（DRAM的）等，往往在价格较高的小批量的生产。有单独的这些类别的其他特点。Traditional

ceramics

are

usually

based

on

clay

and

silica.

There

is

sometimes

a

tendency

to

equate

traditional

ceramics

with

low

technology,

however,

advanced

manufacturing

techniques

are

often

used.

Competition

among

producers

has

caused

processing

to

becom1

more

efficient

and

cost

effective.

Complex

tooling

and

machinery

is

often

used

and

may

be

coupled

with

computer-assisted

process

control.

通常是基于传统的陶瓷粘土和二氧化硅。然而，有时也有一种倾向等同于低技术传统陶瓷，先进的制造技术通常用于。生产者之间的竞争已经引起处理becom1更有效率和成本效益。经常使用复杂的工具和机械，并可能与计算机辅助工艺控制。Advanced

ceramics

are

also

referred

to

as

"special",

“technical",

or“engineering"

ceramics.

They

exhibit

superior

mechanical

properties,

corrosion/oxidation

resistance,

or

electrical,

optical,

and/or

magnetic

properties.

While

traditional

clay-based

ceramics

have

been

used

for

over

25000

years,

advanced

ceramics

have

generally

been

developed

within

the

last

100

years.

先进陶瓷也被称为“特殊”，“科技”，或“工程”的陶瓷。他们表现出优越的机械性能，耐腐蚀/抗氧化性能，电，光，和/或磁学性质。虽然已超过25000年的使用传统的粘土基陶瓷，先进陶瓷已普遍被发达国家在过去100年。Table

3.2

compares

traditional

and

advanced

ceramics

in

terms

of

the

type

of

raw

materials

used,

the

forming

and

shaping

processes,

and

the

methods

used

for

characterization.

表3.2比较传统和先进的陶瓷，在原材料的使用类型方面的形成和塑造的过程和方法用于表征。11微结构、加工过程和应用之间的联系微结构、加工过程和应用之间的联系材料科学与工程领域经常是根据四大方面—合成与加工，结构与组成，性质和性能之间的相互联系来定义的。为了理解任意材料的行为（性能表现）与性质，有必要去了解它的结构。结构可以从几个水平层次来考虑，这些都会影响材料的最终行为（性能表现）。能够对材料的颜色、电导性和磁性产生影响的电子构型是材料的最精细的水平。原子中的电子排布方式影响它是如何与其他原子结合的。这（结合方式）反过来又对晶体结构有着重大影响；结晶陶瓷具有非常规则的原子排列，然而，这种长程有序的排列在非晶体和无定型陶瓷中却不存在，尽管在局部我们可以看到相似的多面体结构。这种材料相对于它们的晶体经常表现出不同的行为。我们不仅要考虑具有完美晶格和理想结构的情况，也要顾及到材料中不可避免的结构缺陷的存在，甚至是无定型的，这类缺陷例如杂质原子和位错。多晶陶瓷的结构由许多晶粒组成。晶粒的尺寸，形状和位向在这些材料的许多微观性质中扮演者重要的角色，例如力学强度。在大多数陶瓷中，多相共存，每一相都有自己独特的结构、组成和性质。对材料中的这些相的类型、尺寸、分布和总量的控制为控制性质提供了一种方式。陶瓷的微观结构通常情况下是它所经历的加工过程的结果。例如，热压处理的陶瓷一般情况下只有极少数孔隙，烧结材料很少有这种现象。通过这篇课文，结构、加工过程和性质之间的相互联系将会很明显地显示出来。但这里用5个例子来说明。1.根据霍尔派奇方程，多晶陶瓷的强度取决于晶粒尺寸。一般来说，晶粒尺寸降低时，强度升高。晶粒尺寸是由初始粉体颗粒的大小和它们的凝结方式所决定的。多晶陶瓷中的境界也很重要。强度自然取决于材料是否纯净、是否包含第二相或孔隙，抑或晶界处的玻璃态。对于纳米陶瓷来说，这些关系却并非总是非常明显的。2.透明或者半透明陶瓷需要限制由气孔和第二相粒子引起的光的散射。通过热压处理可使孔径减小从而得到高密度产品。这种方法应用在光电领域制出了透明的PLZT陶瓷，例如短暂失明护目镜。3.因为杂质的存在，主要是能够散播声子的氧气的存在，导致商业上应用的多晶体AlN的热导性通常比预计的理论值要低。添加稀土或碱金属氧化物（分别加Y2O3）作为吸气剂可以减少氧含量。这些氧化物要在AlN成型前与AlN混合。在氧化物添加剂和涂在AlN晶粒表面的氧化物之间形成的第二相，隔离了三相点（？）。4.软铁氧体如……在一系列不同的设备中得到应用。举个例子，在电视显像管中用作移动电子束的轱辘。软铁氧体的磁导率是晶粒尺寸的一项功能。大的无缺陷晶粒是首选，因为我们正是需要这种移动磁畴壁。缺陷和境界钉扎在畴壁处会很难使磁化强度达到饱和。5.因为氧化铝陶瓷具有很高的电阻率和低介电常数，所以它可以作为绝缘体。很多情况下纯净的氧化铝是不会被用到的。取而代之的是我们将氧化铝和硅酸盐混合，降低烧结温度。这样的材料称为低强氧化铝，在氧化铝晶粒间含有玻璃态硅酸盐相。低强氧化铝通常情况下比纯氧化铝有高的导电率（低的电阻率），在火花塞上用到。安全涉及材料的工作，安全考虑应该放在第一位。与陶瓷工作相关时，几项重要的预防措施要被采取。有毒粉末包括例如Pb或Cd，氟化物应该有所了解。在运输时，厂方要提供关于产品危害方面的信息。阅读这些信息并保持它们容易获取是很重要的。一些标准资源提供与有毒粉末和可接受的风险水平的信息，在“参考书”都有给出。小颗粒应该是不能被吸入人体内的。自从19世界60年代这些影响众所周知，文献中也都有，但起经常被忽视。适当通风，改善卫生和防护服已经显著地降低了许多工业风险的发生频率。处理任何粉末（有毒或者无毒材料）都应当格外小心。最具危险的被认为是颗粒尺寸<1微米；大颗粒不会在空气中停留住够长的时间而被吸入体内，即使被吸入，也不能与上呼吸道曲折的轮廓发生信息交流。目前纳米粉体的毒性与环境影响还没有被明显提出，但它却是许多研究的主题，2004年英国皇家科学院的研究报告就是其中一例。高温处理在很多陶瓷加工过程中被用到。高温对人体的影响是很明显的，不那么明显的是热的东西到底怎么影响的。表格3.3给出了温度的颜色标度。从制表中可以看出，400度的铝管颜色没有变化但会灼伤皮肤。有机物在加工过程中被用作溶剂和粘合剂。传统上，有机材料在陶瓷加工过程中充当很小的角色。现在他们被广泛地应用在成型处理上。再次强调，生产厂家要在他们运输的产品中提供安全数据表单，这些信息十分重要，要仔细阅读。约定俗成的是，使用材料时，材料安全数据表单应该容易阅读；很多时候他们要被保存在实验室中。12生物陶瓷生物材料是应用到医疗器械中并与生物系统发生相互作用的一种非活性材料。生物陶瓷领域相对来说较新，直到20世纪70年代才出现。不过，许多生物陶瓷却不是新材料。其中一种最重要的是Al203-许多传统陶瓷产品的一项组成成分。如果一种接近惰性的材料被植入体内将会引起一种保护反应，这种反应可引起非粘着性纤维层的包裹，厚度大约1微米。随着时间流逝，将会以移植失败告终。当金属和聚合物植入人体时也会发生类似反应。但被植入人体内时，具有生物活性的陶瓷将会以以下方式结合——组织界面模仿人体自然修复过程。例如HA的生物活性陶瓷可以以（体相形式）或者复合物的组成成分抑或涂层来使用。可被吸收的生物陶瓷，例如TCP，的确可以在身体内溶解并被周围组织所取代。这是一项很重要的要求，当然，可溶性产品必须是无毒的。以HA为例，TCP经常用作涂层而非体相形式，亦可以以粉体形式来使用，例如填充在骨内空间中。生物陶瓷在临床上已得到大量应用。使用的范围遍及全身，包括修复骨头、关节和牙齿。当现有的机体部分发生病变、损坏或只是简单的磨损时，这些修复就会变得很有必要。还有很多其他的生物陶瓷的应用包括心脏瓣膜上的热解碳涂层和治疗某些肿瘤具有特殊放射性的玻璃成分。陶瓷的优势和劣势选取作为特殊应用的材料时我们必须作出选择。材料选取在任何复合材料设计加工过程中都是至关重要的，尤其对于用来移植和其他医疗器具来说。我们能进行承载应用的三种主要材料是金属，聚合物和陶瓷。陶瓷优于其他移植材料的地方在于陶瓷的生物兼容性。一些在生理环境中是惰性的，其他的在身体内却能发生可控反应。大多数陶瓷的不利之处在于低硬度（影响其可靠性），高的弹性模量（导致应力屏蔽）。增加陶瓷硬度的一种主要方式为形成复合材料。陶瓷可以是增强相，或为基体抑或兼具两者。举个聚合物的例子——利用生物陶瓷进行基体复合增强的掺有HA颗粒增强项的PE。复合材料的硬度比HA的高，弹性模量也更接近骨头。生物陶瓷也会用做金属基片的涂层。不锈钢生物活性玻璃涂层就是一个例子，它主要是利用钢的强度和韧性以及玻璃的表面活性特征。陶瓷移植对陶瓷移植的要求取决于它将在身体中扮演的角色。例如、全髋关节置换术的要求和中耳移植的要求迥异。不过有两个基本标准：(1)、陶瓷应与生理环境相兼容；（2）力学性质应与被取代的组织相匹配。大多数陶瓷移植跟骨头有关。骨头是由细胞和血液供给系统组成的活性材料，由强度较好的复合结构包裹。这种复合材料是由非常有弹性以及韧性的骨胶原和与该羟基磷灰石极为相似的钙磷灰石晶体组成的;与HA很相似，我们将会继续生产（？）。正是HA组分使得骨头有了硬度。在骨胶原组织中这种针状的磷灰石晶体20-40nm长，1.5-3nm宽。与生物陶瓷应用有很大联系的多种类型的骨头中的两种是骨松质（海绵骨）和骨皮质（密质骨）。骨松质比骨皮质密度低。骨骼的每一块骨头都是外层致密的骨皮质（密质骨）覆盖在海绵骨上组成的，以小到针孔的蜂窝状或以被称为骨小梁的平坦片状形式存在。因为骨松质的密度较低，所以它的弹性模量比骨皮质低，断裂应变率比骨皮质高。两种骨头都比软骨组织的弹性模量高，例如肌腱和韧带。不同类型的连接组织的弹性模量不同，这种不同能够保证在骨、骨与骨之间以及肌肉与骨之间存在一个机械应力光滑梯度。植入体的力学性质很明显十分重要。如果植入体比它将要取代的骨的弹性模量高，称为应力屏蔽的问题接着就会发生。应力屏蔽会削弱负载最低或者负载压缩区域的骨头（骨头必须负载拉伸应力以保持健康）。骨头在被卸载或者加载压力的时候会经历生物转变引起骨吸收。利用降低弹性模量的方法来排除应力屏蔽是生物陶瓷复合材料发展的一个主要目的。氧化铝和氧化锆氧化铝和氧化锆是两个惰性相近的生物陶瓷。长期处于体液包围中，他们经历很少的或者几乎没有化学转变。高密度高纯度的氧化铝被大量的用于植入物，特别是在需要承载压力的髋关节修复和移植中。到2006年，超过10^6髋关节假体用氧化铝球作为股骨头替代品。尽管一些氧化铝牙齿植入体是用单晶制成的，但大部分氧化铝植入体是由细晶组成的多晶氧化铝。通常情况下是在1600——1800度下通过压缩烧结而成。少量氧化镁（<0.5%）也被加入，抑制晶粒长大，从而在无需高压条件下便可以烧结得到高密度产品。任何移植材料打的一项重要要求就是它要比病人“活”的久。由于陶瓷失效的概率本质问题，对每个植入体来说，不可能提供具体的绝对的预测使用期限。研究表明，可能像你期待的那样，负荷的增加以及时间的延长会增加失效的概率。老化和疲劳的研究结果表明，氧化铝植入物要具有可能最高标准的质量保障，尤其是它们用于年轻患者的矫正假肢上。尽管氧化铝陶瓷结合了优秀的生物兼容性和杰出的抗磨损能力，但它仅有一般的抗弯强度和较低的硬度。这将移植（用来替换的）髋关节的直径限制在32mm以下，氧化锆有较高的断裂强度和抗弯强度，且比氧化铝陶瓷的弹性模量低。不过这与ZrO2有关:<1>浸没在体液中时，氧化锆的抗弯强度和硬度稍稍降低，原因与从正方晶系到单斜晶系相发生的马氏体转变有关。人们已经观察到在非水溶剂中的相似的转变；<2>氧化锆的抗磨损能比氧化铝查，在陶瓷或陶瓷复合材料中，氧化锆的磨损率远远高于氧化铝的磨损率，与超高分子量聚乙烯结合的聚合物的过度磨损也会发生;<3>氧化锆也许会少量富集半衰期较长的例如Th和U的放射性元素，分离这些元素的技术难以实现，代价高昂。主要关心的在于它们会释放α粒子，可以对身体软硬组织造成毁灭性打击。这里有许多关于氧化锆陶瓷α辐射排放的长期效应问题，尽管这种作用很小。13聚合物的介绍聚合物是由重复的结构单元通过化学键连接在一起组成的大分子。这个单词由希腊字母“”衍生出来。Poly的意思是很多，meros表示部分的。聚合物众所周知的包括塑料、DNA和蛋白质。举个例子，聚丙烯的重复结构单元如下所示：零零圈圈窟窿窟窿洞聚合物的俗名叫做塑料，这个词指的是一大类具有许多性质和用途的天然材料和合成材料。天然聚合物材料例如虫漆和琥珀，已经使用几个世纪了、生物高分子例如蛋白质和核酸在生命活动中起着至关重要的作用。聚合物的研究领域涉及聚合物化学、聚合物物理和聚合物科学。历史进展始于1811年，HenriBraconnot在纤维素衍生出的化合物做的开创性工作可能是高分子科学最早的重要贡献。术语“polymer”由Joris，Jakob，Berzelius在1833年首次提出。19世纪后期橡胶硫化上取得的进展提高了天然聚合物橡胶的耐磨性，也标志着半合成聚合物的首次通用。1907年，LeoBaekeland通过精确控制温度和压力使苯酚和甲醛发生反应，首次得到了全合成聚合物——酚醛树脂（电木），并与1909年公诸于众。尽管对聚合物的合成与表征取得了巨大的进展，但是直到20世纪20年代，对聚合物分子的结构的正确理解初见端倪。而在此之前，科学家一直相信聚合物只是小分子团聚在一起（称为胶质），并没有固定的分子量，被一种未知的力结合在一起，也就是所谓的关联理论。1922年，HermannStaudinger提出聚合物是由共价键结合在一起组成的长链结构所构成，在十数年间这个想法并没有被广泛接受，但也因为他的想法Staudinger最终被授予诺贝尔奖。WallaceCarothers在20世纪20年代的工作中也阐述了聚合物通过定向方式从他们的构成单体合成而来。对于聚合物科学的一项重要贡献是由在Ziegler-Natta催化剂取得重大进展而获得1963年诺贝尔化学奖的意大利化学家GIulioNatta和德国化学家Karl-Ziegler做出的。在本世纪末期，诸如尼龙、聚乙烯、特氟隆（聚四氟乙烯）和硅树脂等合成聚合物材料是聚合物工业萌芽的基础。这些年在定向合成聚合物的工作上业已取得了重大的进步。现在商业上重要的聚合物基本都是利用有机合成技术进行全合成并大量生产。聚合物的合成聚合物的合成是一个把叫做单体的小分子通过共价键的结合形成链的过程。在聚合过程中，一些化学基团会会从每个单体上脱去。参与形成聚合物不同片段的各单体叫做重复单元或者单体残基。实验室合成：实验室合成方法一般分为两类：缩聚和加聚。当然，一些新方法例如等离子聚合不分属其中任何一类。合成聚合物的反应可能也有催化剂的参与。利用实验室合成方法进行生物大分子的定向合成，尤其是人工合成蛋白质，是一个很热门的研究方向。生物合成：生物大分子主要有3个分类：聚糖、聚缩氨酸、聚核苷酸。在活细胞中可以通过酶促反应过程将他们合成出来。例如，DNA的行程就是由DNA聚合酶催化得到的。蛋白质的合成涉及转录来自DNA和持续翻译将氨基酸合成特定蛋白质的信息的多种酶促反应过程。蛋白质在翻译之后会进一步得到修饰以使其具有适当的结构和功能。天然聚合物的改性很多商业上重要的聚合物都是通过天然存在的聚合物进行修饰合成而来。代表例子包括硝酸和纤维素形成硝酸纤维的反应和用存在的硫对天然橡胶加热而得到的硫化橡胶。聚