《材料科学与工程基础》知识点笔记

《材料科学与工程基础》知识点笔记第1章材料科学与工程导论1.1

材料科学与工程的定义材料科学（MaterialScience）是研究材料的结构、性质、制备方法及其应用的一门交叉学科。它涉及到物理、化学、生物学等多领域的知识，目的是开发出具有特定性能的新材料或改进现有材料。材料工程（MaterialsEngineering）则侧重于将材料科学的研究成果应用于实际生产和制造过程中，以解决具体问题并优化产品性能。材料科学与工程的核心在于理解材料内部结构与其外部性能之间的关系，以及如何通过控制材料的微观结构来达到所需的宏观性能。这种理解对于设计和生产各种用途的产品至关重要，从日常用品到高科技设备。1.2

材料的历史发展人类文明的进步在很大程度上依赖于材料的发展。从史前时代的石器时代开始，人们就开始利用自然界的石头作为工具；随着技术的发展，青铜器时代和铁器时代的到来标志着金属加工技术的飞跃；到了现代，新型合成材料如塑料、陶瓷复合材料等的出现极大地丰富了材料的应用范围，并推动了工业革命和技术革新。石器时代：使用天然石材制作简单工具。青铜器时代：掌握了铜锡合金冶炼技术。铁器时代：能够大规模生产更坚硬耐用的钢铁制品。近代以来：发明了玻璃、水泥、合成纤维、半导体等多种新材料。1.3

材料分类根据不同的物理化学特性，材料大致可以分为以下几类：金属材料：具有良好导电性和延展性的材料，如铁、铝、铜等。它们通常具有较高的强度和韧性，在建筑、交通、电子等行业有着广泛的应用。陶瓷材料：非金属无机固体材料，包括传统陶瓷（如陶土）和技术陶瓷（如氧化铝）。这类材料耐高温、耐磨损能力强，但脆性较大。聚合物材料：由长链分子组成的有机化合物，可分为热塑性和热固性两大类。前者可反复加热软化成型，后者一经固化便不可逆。常见的有塑料、橡胶等。复合材料：由两种或以上不同性质的材料组合而成，旨在结合各组分的优点而克服单一材料的局限。例如碳纤维增强环氧树脂基复合材料，拥有轻质高强的特点。1.4

材料选择原则在进行材料选择时，需要综合考虑以下几个方面：功能要求：所选材料必须满足产品预期的功能需求，比如机械强度、导电能力等。成本效益：经济因素也是重要的考量点之一，不仅要考虑原材料的价格，还要评估加工成本及使用寿命内的维护费用。环境影响：考虑到可持续发展的理念，应优先选用对生态环境友好且易于回收再利用的材料。安全标准：确保所选材料符合相关行业安全规范，尤其是在涉及人体健康或者极端工作条件下使用的场合下更为重要。1.5

材料科学与工程的研究方法研究材料科学与工程主要采用实验观察、理论分析以及计算机模拟相结合的方式来进行。常用的实验手段包括X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等先进表征技术；而计算模拟则可以帮助科学家预测材料的行为模式，在一定程度上减少实验次数，提高研发效率。此外，跨学科合作也变得越来越普遍，因为很多复杂的问题往往需要多个领域专家共同协作才能得到有效解决。第2章原子结构与键合2.1

原子结构原子是构成物质的基本单位，由位于中心的带正电荷的原子核及围绕其外的负电荷电子云组成。原子核内含有质子（带正电）和中子（不带电），电子则分布在不同的能级轨道上。每种元素都有固定的质子数，称为原子序数，决定了该元素的身份。电子的数量一般等于质子数量，使整个原子呈电中性状态。当一个原子失去或获得电子时，就会形成带正电或负电的离子。波尔模型：早期提出的简单模型，认为电子沿固定轨道绕核旋转。量子力学模型：基于概率分布描述电子位置，更准确地反映了实际情况。2.2

化学键类型根据原子间相互作用的不同方式，化学键主要可以分为以下几种类型：离子键：由正负电荷吸引形成的键，常见于活泼金属与非金属之间。例如NaCl（食盐）就是典型的离子化合物。共价键：两个原子共享一对或多对电子而形成的稳定连接，存在于非金属元素之间。H₂O分子中的氧氢键就是一个例子。金属键：金属原子间的自由电子云提供了良好的导电性和热传导性，使得整个晶格结构紧密结合在一起。范德华力：一种较弱的吸引力，发生在所有类型的分子之间，尤其是极性分子。虽然单独作用很小，但在大量分子聚集时会显著影响物质性质。2.3

晶体结构大多数固体材料都以晶体形式存在，这意味着其中的原子或分子按照一定的规则排列成周期性的三维网络。晶体结构不仅影响着材料的外观特征，还决定了许多内在属性，如硬度、密度、熔点等。常见的晶体结构有：面心立方(FCC)：每个晶胞包含四个原子，排列方式为八个角顶各有一个原子，六个面中心各有一个原子。代表物质有铜(Cu)、银(Ag)等。体心立方(BCC)：除了八个角顶外，晶胞中央还有一个额外的原子。铁(Fe)在室温下的α-Fe相即为此结构。密排六方(HCP)：上下两层原子交错紧密堆积，中间夹一层原子。镁(Mg)和锌(Zn)都是HCP结构的例子。了解晶体结构有助于解释为什么某些材料表现出特定的物理性质，并指导我们如何通过改变结构来改善这些性质。2.4

缺陷与扩散实际存在的晶体并不总是完美无缺的，内部存在着各种缺陷，包括点缺陷、线缺陷、面缺陷等。这些缺陷的存在改变了局部区域的原子排列情况，从而影响材料的整体性能。例如，空位缺陷会导致材料强度下降；位错则可能成为塑性变形的主要机制之一。同时，原子在晶体中的迁移运动被称为扩散过程，它是许多重要现象的基础，如相变、沉淀硬化、腐蚀反应等。通过控制温度、浓度梯度等因素可以调控扩散速率，进而实现对材料特性的精准调整。第3章固态溶液与相图3.1

固溶体当两种或多种元素以原子尺度均匀混合时，形成的单相合金被称为固溶体。根据溶解度的不同，固溶体可以进一步区分为有限固溶体和无限固溶体。前者指在一定条件下只能溶解少量其他元素，而后者允许任意比例的成分互溶。固溶强化是通过添加适量的异质元素来提高材料强度的一种常用方法，因为它引入了晶格畸变，增加了滑移阻力。置换型固溶体：外来原子取代基体原子的位置。间隙型固溶体：小尺寸的外来原子嵌入到基体原子间的空隙中。3.2

相平衡原理相是指在给定条件下具有相同物理化学性质的均匀部分。系统处于相平衡状态意味着没有任何自发的过程会使系统的总吉布斯自由能降低。在这种状态下，各个相之间保持着动态平衡，即物质可以在不同相之间转移，但总体来说没有净变化发生。理解和掌握相平衡规律对于合理设计和控制材料处理工艺非常重要。杠杆规则：用于确定二元系统中各相相对量的比例关系。克拉佩龙方程：描述了相变过程中压力与温度的关系。3.3

二元相图二元相图展示了在不同温度和成分条件下，两种组分形成的体系中存在的相及其相互转化的情况。通过对相图的解读，可以获取关于合金凝固路径、组织演变等方面的关键信息。典型的二元相图包括匀晶相图、共晶相图、包晶相图等。匀晶相图：表示两种完全互溶元素组成的系统随温度变化时的相行为。共晶相图：显示了两种元素在某一特定温度下同时结晶成两种不同相的现象。包晶相图：说明了一种液相与一种固相反应生成另一种新固相的过程。学习相图不仅可以帮助工程师们更好地把握材料的加工窗口，还能促进新材料的研发工作，因为新的相图数据常常揭示出意想不到的性能表现或潜在应用价值。第4章金属材料4.1

金属的性质金属是具有独特物理和化学特性的元素，它们通常表现出良好的导电性、导热性和延展性。这些特性使得金属成为许多工业应用中不可或缺的材料。金属的主要特性包括：导电性：自由电子的存在使金属能够高效地传导电流。导热性：同样由于自由电子，金属可以迅速传递热量。延展性与韧性：大多数金属可以通过塑性变形被拉伸成丝或压制成片，同时保持其完整性。光泽：纯金属表面反射光线，呈现出特有的金属光泽。此外，金属还具有较高的强度和硬度，这取决于其微观结构以及合金化处理的程度。不同的金属拥有各异的性能特点，因此在选择使用时需根据具体的应用需求来决定。4.2

铁碳合金系统铁碳合金是最常见的金属合金之一，其中铁为主要成分，而碳作为主要的合金元素影响着合金的力学性能。根据含碳量的不同，铁碳合金可分为几类：纯铁（<0.02%C）：非常柔软且易于加工。低碳钢（0.02%-0.25%C）：具有良好的焊接性和成型能力。中碳钢（0.25%-0.6%C）：平衡了强度与可加工性，适用于多种机械部件。高碳钢（>0.6%C）：硬而脆，适合制作工具钢和弹簧。铸铁（2.5%-4.0%C）：含碳量极高，常用于制造需要耐磨耐压的零件。通过改变热处理条件，如淬火、回火等工艺，还可以进一步优化铁碳合金的性能。4.3

合金化原理向基础金属中添加一种或多种其他元素可以形成合金，以此改善基体材料的某些特定属性。合金化过程中的关键因素包括：溶质原子大小：如果加入的原子尺寸接近基体原子，则更容易形成固溶体；反之则可能产生第二相粒子。电子效应：新元素的引入会改变晶格内的电子分布情况，进而影响材料的整体行为。原子排列方式：不同类型的原子间相互作用可能导致新的有序结构出现。常见的强化机制有：固溶强化：通过溶解异种原子造成晶格畸变，阻碍位错运动从而提高强度。沉淀硬化：过饱和固溶体经过时效处理后析出细小弥散的第二相颗粒，显著提升硬度。晶界强化：细化晶粒尺寸增加单位体积内的晶界面积，有助于分散应力集中点。4.4

特殊性能金属材料除了传统的结构用钢材外，还有许多具备特殊功能的金属材料被开发出来以满足现代科技的需求：形状记忆合金：能够在温度变化下恢复到预设形状，广泛应用于医疗器材等领域。超轻金属泡沫：结合了高强度与低密度的特点，在航空航天行业有着重要的应用前景。高温合金：能够在极端条件下保持稳定性能，特别适合于喷气发动机涡轮叶片等关键部位。第5章陶瓷材料5.1

陶瓷的特性陶瓷是一类非金属无机固体材料，其特点是不含有有机物，并且通常由氧化物、氮化物、碳化物等组成。陶瓷的基本特性如下：高熔点：大多数陶瓷都具有很高的熔点，使其能够承受高温环境。优良的绝缘性：陶瓷材料通常是很好的电绝缘体。化学稳定性好：对酸碱腐蚀有较强的抵抗力。脆性：虽然硬度很高，但抗冲击能力较差，容易碎裂。5.2

传统陶瓷传统陶瓷是指那些历史悠久并长期使用的陶瓷制品，主要包括陶器、瓷器以及砖瓦等建筑材料。这类陶瓷多以黏土为原料，经过成型、干燥、烧结等一系列工序制成。随着技术的进步，如今的传统陶瓷生产已经实现了机械化和自动化，提高了效率的同时也保证了产品质量的一致性。5.3

技术陶瓷相对于传统陶瓷而言，技术陶瓷是指那些专为满足特定工程要求而设计生产的高性能陶瓷材料。它们往往具备更加优异的机械、热学、电学等方面的性能，常见类型包括：氧化铝(Al₂O₃)：具有极高的硬度和耐磨性，广泛应用于轴承、切削刀具等场合。氮化硅(Si₃N₄)：不仅耐高温而且重量轻，非常适合用于航空发动机部件。碳化硅(SiC)：以其出色的抗氧化能力和良好的热震稳定性著称，在半导体器件封装中占有重要地位。5.4

陶瓷加工技术由于陶瓷材料本身硬度大且易碎，因此对其加工提出了较高的要求。目前常用的陶瓷加工方法主要有以下几种：干式研磨：利用砂轮等工具直接去除多余部分，适用于粗加工阶段。湿式研磨：加入液体介质帮助散热及带走切屑，减少工件损伤。激光切割：采用高能激光束精确切割复杂形状，特别适合薄壁构件。电火花加工(EDM)：通过脉冲放电产生的高温熔化去除材料，适合难以接触的位置。化学气相沉积(CVD)与物理气相沉积(PVD)：这两种薄膜制备技术也可用于陶瓷涂层的生成。第6章聚合物材料6.1

聚合物的组成与结构聚合物是由大量重复单元（单体）通过共价键连接而成的大分子化合物。根据单体种类及其连接方式的不同，聚合物可以分为线型、支链型、交联型等多种结构形态。聚合物的结构特征决定了其最终的物理化学性质，例如：分子量分布：窄分布通常意味着更均匀的性能。结晶度：高结晶度赋予材料更高的强度和刚性。侧基类型：不同侧基会影响聚合物的柔韧性、溶解性等方面。6.2

热塑性塑料与热固性塑料根据加热后的反应性差异，聚合物材料大致可以分为两大类：热塑性塑料：这类材料在受热时软化流动，冷却后又重新固化，整个过程可反复进行。代表产品有聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)等。它们的优势在于易于回收再利用，但耐热性和机械强度相对较低。热固性塑料：一旦固化成型便不可逆，即使再次加热也不会发生明显的形变。典型的例子有酚醛树脂、环氧树脂等。这类材料通常拥有更好的尺寸稳定性和耐化学腐蚀性，但由于无法重塑，废料处理较为困难。6.3

聚合物的物理性能聚合物的物理性能与其微观结构密切相关，主要包括以下几个方面：机械性能：如拉伸强度、弹性模量、断裂伸长率等，反映了材料抵抗外力作用的能力。热性能：玻璃化转变温度(Tg)、熔融温度(Tm)等参数指示了聚合物随温度变化的行为模式。光学性能：透明度、折射率等因素对于某些特定应用至关重要，比如光学镜片的制造。电气性能：绝缘电阻、介电常数等指标衡量了材料作为电介质的表现。了解这些基本性质有助于工程师们正确选用合适的聚合物材料来满足实际需求。6.4

聚合物加工为了将原始状态下的聚合物转化为有用的产品形式，必须经过一系列加工步骤。常见的聚合物加工技术包括但不限于：注塑成型：将熔化的塑料注入模具内快速冷却定型，适合批量生产形状复杂的零件。挤出成型：连续不断地将物料推入模具并通过口模挤出，适用于管材、板材等长条形制品。吹塑成型：先将半成品坯料放入模具中，然后通入压缩空气使之膨胀贴紧模腔壁面，最后冷却得到空心容器。压制与层压：通过对预先准备好的层状材料施加压力并在一定温度下保持一段时间，实现粘接固定，广泛应用于电路板、装饰面板等领域。每种加工方法都有其适用范围和技术要点，合理选择才能确保最终产品的质量和成本效益达到最优水平。第7章复合材料7.1

复合材料的定义与分类复合材料是由两种或多种不同性质的材料以特定方式组合而成的新材料，其性能优于单一成分。通过合理设计和选择组分，可以得到具有独特物理、化学及机械性能的复合材料。根据基体材料的不同，复合材料主要分为以下几类：聚合物基复合材料：以热塑性或热固性树脂为基体，加入纤维或其他增强材料。金属基复合材料：使用铝、镁等轻质金属作为基体，并掺入碳化硅(SiC)颗粒或硼(B)纤维等增强相。陶瓷基复合材料：基于氧化物或非氧化物陶瓷基体，通常采用连续纤维或晶须进行强化。7.2

纤维增强复合材料纤维增强复合材料是通过将高强度、高模量的纤维嵌入到相对较弱但韧性较好的基体中制成的。这种结构能够有效分散应力，提高整体强度和刚度。常见的纤维类型包括：玻璃纤维：成本低廉且易于加工，广泛用于船体、风力涡轮叶片等领域。碳纤维：重量轻而强度极高，适用于航空航天、高性能汽车零部件。芳纶纤维（如Kevlar）：以其优异的抗冲击性和耐磨损性著称，在防弹衣、绳索等方面有重要应用。7.3

层压板层压板是一种由多层相同或不同材料叠合而成并通过粘接剂固定在一起的复合材料形式。每一层材料都可能具备独特的功能，例如提供强度、绝缘性或者防腐蚀保护。层压技术允许设计师灵活地调整最终产品的性能，以满足各种特定需求。典型的例子包括：电路板：结合了导电铜箔与绝缘树脂基板，确保电气连接的同时防止短路。建筑面板：由木质芯材外覆防火石膏板或塑料薄膜构成，兼具美观与实用性。7.4

功能性复合材料除了力学性能之外，许多复合材料还被赋予了其他特殊的功能特性，比如：自修复能力：某些智能复合材料能够在受到损伤后自动恢复原状，延长使用寿命。电磁屏蔽效果：含有导电填料的复合材料能够有效地吸收或反射电磁波，保护内部电子设备免受干扰。生物兼容性：医用复合材料必须对人体无害，并且能够促进细胞生长和组织再生。第8章材料力学行为8.1

应力与应变在工程应用中，了解材料在外力作用下的响应至关重要。当一个物体受到外部载荷时，内部会产生相应的内力分布，即应力。同时，物体也会发生形状或尺寸的变化，这种变化被称为应变。两者之间的关系可以通过胡克定律来描述，对于线弹性材料而言，应力(σ)与应变(ε)成正比，比例系数称为杨氏模量(E)：σ=E⋅ϵσ=E⋅ϵ8.2

弹性变形与塑性变形材料在加载过程中的行为可以根据是否能完全恢复原状分为两大类：弹性变形：如果卸载后材料能够回到初始状态，则该变形属于弹性范围。这一阶段内的应力-应变曲线通常是线性的。塑性变形：超过一定阈值之后，即使移除外力，材料也无法完全复原，这部分永久性的形变就叫作塑性变形。塑性变形区间的应力-应变关系不再保持直线。8.3

断裂机制材料失效的形式多样，其中最常见的是断裂。根据裂纹扩展的方式，断裂可以分为：脆性断裂：没有明显塑性变形的情况下突然断裂，通常发生在硬而脆的材料上。韧性断裂：伴随着显著的塑性流动直至断裂，显示出良好的能量吸收能力。影响断裂行为的因素众多，包括微观缺陷的存在、环境温度以及加载速率等。8.4

疲劳与蠕变长期循环加载会导致材料产生累积损伤，最终引发疲劳破坏；而在高温条件下，即使是恒定的应力也可能引起缓慢而持续的变形，即蠕变现象。这两种失效模式对工程设计提出了更高的要求：疲劳寿命预测：通过对S-N曲线的研究，确定材料在给定应力水平下所能承受的最大循环次数。蠕变测试：评估材料在长时间高温条件下的稳定性和安全性，以便选择合适的合金体系并优化结构设计。第9章材料的电学性质9.1

导电性与绝缘性材料按照其导电能力可以大致划分为导体、半导体和绝缘体三类。导体拥有大量自由移动的带电粒子（主要是电子），因此表现出优良的导电性能。绝缘体则相反，几乎没有自由电子，几乎不导电。介于二者之间的是半导体，它们在纯净状态下导电性较弱，但可通过掺杂技术大幅改善。电阻率(ρ)：衡量材料阻碍电流流动的能力，单位为欧姆·米(Ω·m)。电导率(σ)：与电阻率互为倒数，表示材料传导电流的能力，单位为西门子/米(S/m)。9.2

半导体材料半导体是现代电子工业的核心材料之一，由于其独特的电学特性，使得它成为制造晶体管、二极管等器件的理想选择。本征半导体仅由纯净元素组成，如硅(Si)和锗(Ge)，其导电性较低。通过向其中引入微量杂质原子形成掺杂半导体，可以显著改变其导电性质。根据掺杂类型的不同，又可进一步分为：n型半导体：添加施主杂质（如磷P），增加了多余的自由电子。p型半导体：添加受主杂质（如硼B），形成了空穴作为载流子。9.3

超导现象超导是指某些材料在特定低温条件下呈现出零电阻和完全抗磁性的奇异状态。这种现象最早由荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯于1911年发现。超导体不仅在输电系统中有巨大的节能潜力，还在磁悬浮列车、核磁共振成像(MRI)等领域发挥着重要作用。目前存在的超导材料主要有两大类：传统超导体：主要包括一些纯金属及其合金，临界温度(Tc)一般低于20K。高温超导体：主要指铜氧化物和其他新型化合物，Tc可达到液氮沸点以上（约77K），极大地拓展了实际应用的可能性。9.4

电子器件中的材料随着微电子技术的发展，越来越多的先进材料被应用于电子元器件的制作过程中。这些材料的选择直接关系到器件的工作效率和可靠性。例如：硅基集成电路：利用硅单晶作为衬底，通过光刻、离子注入等工艺制备出复杂的逻辑电路。有机发光二极管(OLED)：采用有机分子作为发光层，具有自发光、薄型化等特点，广泛应用于显示屏幕。石墨烯：作为一种二维碳纳米材料，石墨烯因其卓越的导电性和透明性而被视为未来柔性电子领域的明星材料。第10章材料的磁学性质10.1

磁性基本概念磁性是材料对磁场响应的一种物理现象，它涉及到原子或分子内部电子自旋及轨道运动产生的微小磁场。根据材料对外加磁场反应的不同，可以将它们分为以下几类：顺磁性：在外加磁场作用下，材料会被轻微地吸引，但这种效应在移除磁场后立即消失。抗磁性：所有物质都具有一定的抗磁性，即在外部磁场中表现出微弱的排斥力。对于大多数非磁性材料来说，这是其唯一的磁行为。铁磁性：某些特定材料（如铁、镍、钴及其合金）在无外场情况下也能保持很强的自发磁化，并且能够被永久磁化。亚铁磁性和反铁磁性：这两者都是有序排列的磁矩结构，但在亚铁磁性中相邻原子间的磁矩部分抵消，在反铁磁性中则完全抵消。10.2

磁性材料分类磁性材料可以根据其用途和性能特点进一步细分为不同的类别：软磁材料：这类材料易于磁化也容易退磁，常用于变压器、电机等需要频繁改变磁化状态的应用场合。典型代表有硅钢片、坡莫合金等。硬磁材料（永磁材料）：具有高矫顽力，一旦被磁化便能长期保持稳定的磁场，适用于制作永久磁铁。钕铁硼(NdFeB)、钐钴(SmCo)是最常见的类型。矩磁材料：能够在一定范围内保持恒定的剩磁，广泛应用于记忆元件和开关设备中。锰锌铁氧体是一个例子。旋磁材料：具备特殊的旋光效应，当偏振光通过时会发生旋转，主要用作微波器件中的隔离器和环行器。钇铁石榴石(YIG)是一种典型的旋磁材料。10.3

磁记录材料随着信息技术的发展，对数据存储密度的要求越来越高，因此开发高效的磁记录介质变得尤为重要。目前主流的磁记录技术包括：纵向记录：早期使用的记录方式，信息以磁畴沿磁带表面的方向存储。垂直记录：通过使磁畴垂直于介质表面来增加单位面积的信息容量，显著提升了硬盘驱动器的存储能力。热辅助磁记录(HAMR)：利用激光加热局部区域降低写入阈值，允许更小的磁颗粒稳定存在，从而进一步提高记录密度。磁阻随机存取存储器(MRAM)：基于巨磁阻效应设计的非易失性内存，结合了传统DRAM的速度与闪存的数据持久性优点。10.4

磁致伸缩效应当一个磁性材料受到外加磁场的作用时，不仅会产生磁化强度的变化，还可能引起尺寸上的微小变化，这就是所谓的磁致伸缩效应。这一现象可以用来制造传感器、执行器等装置。例如：超声波换能器：使用磁致伸缩材料作为振动源，产生高频声波进行无损检测或医疗成像。精密定位系统：通过精确控制施加的磁场强度，实现纳米级的位置调节，适用于半导体加工等行业。第11章材料的光学性质11.1

光的基本性质光是一种电磁波，具有波动性和粒子性双重特性。了解光的行为对于研究材料的光学性质至关重要。几个关键概念包括：折射率(n)：描述光线从一种介质进入另一种介质时速度变化的程度，它是衡量材料透光性能的重要参数。反射率(R)：指入射到界面上的光能量中有多少比例被反射回原介质。吸收系数(α)：表征材料对特定波长光线吸收能力的强弱。透射率(T)：穿过材料而不被吸收的部分光通量与入射光通量之比。11.2

反射、折射与吸收当光线遇到两种不同介质之间的界面时，会同时发生反射和折射现象。这些过程遵循斯涅尔定律（Snell'sLaw），该定律定义了入射角(i)、折射角(r)以及两种介质折射率之间的关系：n1sin⁡i=n2sin⁡rn1​sini=n2​sinr此外，由于材料内部存在各种微观缺陷或者杂质，部分光线会在传播过程中被散射或吸收，导致透过率下降。为了提高透明度，通常需要优化材料的纯度并控制其微观结构。11.3

发光材料某些特殊材料在受到激发后能够发出可见光或其他形式的辐射，这种现象称为发光。根据激发源的不同，可以分为：荧光材料：受到短波长紫外线照射后迅速发出长波长的可见光，停止激发后很快熄灭。磷光材料：同样由紫外光引发，但发射持续时间较长，即使光源关闭也能继续发光一段时间。电致发光材料：通过施加电压直接产生光辐射，无需额外的激发源，广泛应用于显示屏背光板等。11.4

光电转换材料光电转换是指将光能转变为电能的过程，涉及的关键材料主要包括：光伏材料：太阳能电池的核心组成部分，能够高效地将太阳光转化为直流电。单晶硅、多晶硅、薄膜太阳能电池（如铜铟镓硒CIGS）都是当前市场上主流的选择。光电探测器：用于感知环境中的光信号并将之转换为电信号输出。根据工作原理可分为光电导型、光伏型和光生伏打型等多种类型。有机光伏材料：近年来兴起的一类新型光伏材料，以其轻薄柔韧的特点备受关注，尽管效率仍低于传统无机材料，但未来发展前景广阔。第12章材料的热学性质12.1

热传导热传导是热量通过固体、液体或气体从高温区向低温区传递的过程。对于固体而言，这一机制主要依赖于晶格振动（声子）和自由电子的移动。材料的热导率(k)决定了其传热效率，常用单位为瓦特每米开尔文(W/m·K)。影响因素包括：晶体结构：规则排列有助于声子顺畅传输，提高热导率。成分与杂质：引入异质元素往往会导致散射增强，降低热导率。温度：一般情况下，随着温度升高，多数金属的热导率会略有下降。12.2

热膨胀几乎所有材料都会因温度变化而经历体积上的改变，这种现象被称为热膨胀。线性膨胀系数(α)用来量化单位长度内每摄氏度温差引起的伸长量。不同材料的热膨胀特性差异很大，这在工程设计中必须加以考虑，尤其是在构建复合结构或精密仪器时。各向同性材料：在所有方向上具有相同的膨胀系数，如大部分金属。各向异性材料：沿着不同轴向的膨胀行为不一致，比如木材、某些塑料以及纤维增强复合材料。12.3

热容**热容(C)**指的是物体温度上升1℃所需吸收的热量，单位为焦耳每千克开尔文(J/kg·K)。它反映了材料储存热能的能力。比热容(c)则是单位质量下的热容，是材料的一个固有属性。影响热容的因素主要有：分子结构：复杂的大分子化合物通常拥有更高的热容。相态：液态和气态的热容普遍大于固态。温度：在一些特定条件下，热容可能会随温度呈现非线性变化。12.4

相变与潜热当材料从一种相态转变成另一种时（如固态变为液态），即使温度保持不变也会吸收或释放大量的能量，这部分能量被称为潜热(L)。相变过程中的能量交换对于许多应用领域都非常关键，例如：蓄热系统：利用相变材料的高潜热特性进行能源储存，以平衡供需差异。制冷与空调：通过控制蒸发和凝结过程实现冷量转移，达到降温目的。建筑节能：将相变材料嵌入墙体或天花板内，可以在白天吸热夜间放热，起到调节室内温度的作用。第13章材料的表面与界面13.1

表面能与表面张力表面能是指在材料表面单位面积上存在的额外能量，这是由于表面原子或分子相比于体相内的原子或分子具有较高的能量状态。这种高能量状态是由于表面层中的原子或分子缺少了邻近的完整配位环境，从而产生了未饱和的化学键。因此，系统倾向于减少其表面积以降低总能量，这导致了液体中常见的现象——表面张力。表面张力：液体内部的分子受到四周均匀的作用力，而表面层的分子则只受到向内拉扯的力，这种不平衡使得液面呈现出类似弹性薄膜的行为。润湿角(接触角)：当液体滴落在固体表面上时形成的夹角，用来描述液体对固体表面的润湿程度。接触角越小，说明液体对该表面的润湿性越好。13.2

界面化学界面化学涉及不同物质之间的边界区域，即两相或多相之间的交界处。这些界面可以是气-液、液-液、固-液、固-固等。在这些界面上发生的物理和化学过程对于许多应用至关重要，如涂料、粘合剂、乳化剂等的设计与使用。吸附：一种物质（通常为气体或液体）附着于另一种物质（通常是固体）表面的过程。根据作用力的不同，可分为物理吸附和化学吸附。扩散：物质从高浓度区向低浓度区移动的现象，在多相体系中尤为重要，比如在合金热处理过程中元素的迁移。电荷分布：在界面上可能会形成双电层结构，这对胶体稳定性有着决定性的影响。13.3

润湿性与附着力润湿性是指液体在固体表面铺展的能力，它是通过测量接触角来定量评估的。良好的润湿性有助于提高涂层或粘结剂的效果，因为这意味着液体能够更好地填充微孔隙并增加接触面积。附着力则是指不同材料之间结合力的强度，它直接关系到复合材料的耐久性和可靠性。表面改性：通过物理或化学手段改变材料表面性质，以优化其润湿性和附着力。例如，采用等离子体处理、化学刻蚀或沉积功能性薄膜等方法。