上海交大材料科学基础-绪论

材料科学基础主讲人步绍静副教授1绪论材料的含义材料结构与分类材料科学的意义本课程的地位学习方法20-1材料的含义材料是能为人类经济地、用于制造有用物品的物质。如金属、陶瓷、玻璃、半导体、超导体、塑料、橡胶、纤维、砂子、石块等。材料分为天然与人工合成材料，结构和功能材料。燃料和化学原料、工业化学品、食物和药物，一般都不算是材料。30-2材料是社会的物质基础材料是人类赖以生存和发展的物质基础。材料与国民经济建设、国防建设和人民生活密切相关。巧妇难为无米之炊！柴米油盐酱醋茶就是材料（广义）。使用任何一种技术离不开材料。从最原始最简单的技术到最尖端、最复杂的技术，莫不如此。4材料与人类历史在人类社会发展的早期，常用主要生产工具使用的材料来代表，如：1石器时代~公元前10万年2青铜时代~公元前3000年3铁器时代~公元前1000年4水泥时代~公元0年5钢时代1800年6硅时代1950年？7新材料时代1990年？5材料与人类生活密切相关材料与食物、住所、能源、信息等构成了人类生活的基本资源。材料的发展与进步不断改善与提高人们的生活质量。人们的衣食住行、休闲娱乐样样离不开材料。如衣料，天然的棉、麻、丝、毛，还有各种人造纤维。如尼龙袜。6材料与新技术革命半导体材料是整个电子技术和计算机产业的基础。大规模集成电路的主要材料是单晶硅片。如果不能制成高纯度大直径的硅单晶，就不会有高度发展的集成电路，也不会有今天如此先进的计算机和一切电子设备。1999年汉诺威大学研制成了锗处理器，使运算速度提高一倍。781970年制成的使光强度衰减降低到可以实用的光导纤维，实现了现代的光通信；一根细丝就能同时传输2000路通话，并且不失真、不受干扰，不易被窃听。光导纤维的出现使信息传输发生了巨大变化，对国民经济、国防、科技文化、社会生活都产生了巨大影响。9超导材料的研究是20世纪最后一次技术革命。高温超导材料研究，我国处于世界领先水平。磁悬浮列车就使用了超导体。10人们早就知道了喷气航空发动机比螺旋桨航空发动机有很多优点，但由于没有材料能承受喷射出燃气的高温，使这种理想只能是空中楼阁。直到1942年制成了镍基耐热合金这种新材料，才使喷气发动机的制造得以实现。新技术需要新材料的支持11材料与国防现代化隐形飞机：形状设计，材料选择，减小对雷达波的反射。B-2幽灵式轰炸机机身采用C纤维复合材料，覆盖物10mm。坦克：多层纤维增强提高防弹能力。英国正在研制可以改变颜色的塑料坦克。防弹衣：一战时为钢铠甲9kg，然后发展为尼龙和铝片、玻璃钢，现在可用化学纤维制做：18层尼龙和凯夫拉纤维，只有1.03kg。1220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，其中材料是基础。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。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。13材料的性能材料性能是用于表征材料在给定外界条件下行为的一种参量。例如表征材料在外力作用下拉伸行为的屈服强度、抗拉强度、断裂强度等力学性能；例如表征材料在外磁场作用下行为的矫顽力、剩余磁感、磁能积等磁学性能。理论及实验证明，材料性能是由其结构决定的。140-3材料结构与分类组元：组成材料的基本物质，如原子、分子和离子等。材料的结构是指组元种类及其排列和运动方式。根据不同尺度，材料的结构可以分为三个主要层次：原子结构、原子的排列（相结构）和显微组织（相的形态）。

材料的性能是由材料的结构决定的。15（一）原子结构原子结构：电子围绕着原子核的排列情况。影响原子的键合方式。对材料的电学、磁学、热学、光学乃至耐腐蚀性能都有重大影响。16结合键组成物质的粒子，如原子、离子或分子之间的相互作用力称为结合键。整体材料的性质主要是由结合键的性质决定的。从自由原子形成一个结合键，体系能量降低，降低幅度称为键能。键能大小大致可以用升华热、熔点、弹性模量的高低来估计。17化学键和物理键由电子转移或共享使原子产生聚集的结合力为化学键，它是固体中的主要结合键。化学键包括离子键、共价键和金属键等三种。(一次键)分子键属于物理键，聚集过程中不发生电子转移或共享，包括范德华力和氢键。(二次键)18离子键电负性相差较大的元素依靠交换电子形成满壳层的正负离子，然后依靠静电结合在一起形成离子键。离子键没有方向性，但是有饱和性，要求一定的正负离子比例。如NaCl之间：19共价键共价键依靠共用电子对所产生的力结合，共价键有方向性和饱和性。共价键和离子键具有很高的键能，形成的材料大多具有高熔点、高硬度、不导电、低膨胀系数等特点。20金属元素的原子结构特点

金属元素的原子在满壳层外往往只有一个或几个价电子。满壳层电子在原子核和价电子之间起屏蔽作用，原子核对外面轨道上的价电子的吸引力不大，所以金属原子很容易失去价电子而成为正离子。

21金属键

价电子为全体原子所共有，形成电子云，而正离子则沉浸在电子气中。正离子和电子气由于静电吸引使全部离子结合起来。这种结合力就叫做金属键。金属键无饱和性和方向性。“失去电子的金属离子浸在自由电子的海洋中”。22金属的特性金属键决定了金属的性质：良好的的导电性、导热性；金属光泽；较高的强度和塑性；正电阻温度系数等。23分子键分子键（范德瓦尔斯力）：中性原子（或分子）靠近时，由于出现电子云不均匀分布，使正负电荷中心发生偏离，从而产生吸引力（VandeWaales）。结合力小、易变形、熔点低、硬度低，如塑料。氢键：含氢物质中，H与其它原子形成共价键，共有电子强烈偏离H，H原子几乎为半径很小带正电的核，H可以与另外一原子吸引，形成附加键。有方向性，结合力较强，比离子键、共价键小。24各种结合键比较结合键类型实例结合能eV/mol主要特征离子键LiClNaClKClRbCl8.637.947.206.90无方向性，高配位数，低温不导电，高温离子导电共价键金刚石SiGeSn1.371.683.873.11方向性，低配位数，纯金属低温导电率很小金属键LiNaKRb1.631.110.9310.852无方向性，高配位数，密度高，导电性高，塑性好分子键NeAr0.0200.078低熔点、沸点压缩系数大，保留分子性质氢键H2OHF0.520.30结合力高于无氢键分子25（二）原子排列方式结构的第二个层次是原子在空间的排列方式。石墨与金刚石都由C原子组成，但是由于原子的排列方式不同，性能差别很大。此外，晶体中的缺陷对材料性能也有很大影响。26（三）显微组织结构的第三个层次是材料的显微组织。显微组织是指相的形貌，是指显微镜下观察到的具有一定大小、形状和分布的组合图像。显微组织对于材料的力学性能有很大影响。对其它物理性能影响较小。结构是由化学成分、加工工艺决定的。27莱氏体组织28材料的分类根据材料的本性和结合键的性质，材料可以分为金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料等四大类。

29(1)金属的特性整体金属中，金属原子以金属键相结合，表现出:较高的强度和塑性；良好的导电性、导热性；金属光泽；正电阻温度系数；化学稳定较差等性质。30金属材料以金属元素