1、會計學1材料科學與工程導論材料科學與工程綱材料科學與工程導論材料科學與工程綱要要22.1 2.1 材料科學與工程的形成與內涵材料科學與工程的形成與內涵32.1 2.1 材料科學與工程的形成與內涵材料科學與工程的形成與內涵42.1 2.1 材料科學與工程的形成與內涵材料科學與工程的形成與內涵5材料科學的形成材料科學的形成 材料學的三個重要特性材料學的三個重要特性 多學科交叉多學科交叉 密切結合實際應用密切結合實際應用 發展中的學科發展中的學科2.1 2.1 材料科學與工程的形成與內涵材料科學與工程的形成與內涵6 材料科學為材料工程提供設計依據，為更好地選擇、使材料科學為材料工程提供設計依據，為更

2、好地選擇、使用和發展新材料提供理論基礎；材料工程又為材料科學提供用和發展新材料提供理論基礎；材料工程又為材料科學提供豐富的研究課題和物質基礎?？梢?，材料科學與材料工程是豐富的研究課題和物質基礎。可見，材料科學與材料工程是緊密聯系的。緊密聯系的。2.1 2.1 材料科學與工程的形成與內涵材料科學與工程的形成與內涵72.1 2.1 材料科學與工程的形成與內涵材料科學與工程的形成與內涵82.1 2.1 材料科學與工程的形成與內涵材料科學與工程的形成與內涵92.1.4 2.1.4 材料科學與工程的四要素材料科學與工程的四要素 材料的化學材料的化學成分成分、組織結構組織結構是影響其各種是影響其各種性質性

3、質的直接因的直接因素，素，加工加工過程通過改變材料的過程通過改變材料的組織結構組織結構而影響其而影響其性質性質。另一。另一方面，改變方面，改變化學成分化學成分會改變材料的會改變材料的組織結構組織結構，從而影響其，從而影響其性性質質。 組織結構組織結構是核心，是核心，性能性能是研究工作的落腳點。是研究工作的落腳點。2.1 2.1 材料科學與工程的形成與內涵材料科學與工程的形成與內涵(性質）性質）102.1 2.1 材料科學與工程的形成與內涵材料科學與工程的形成與內涵 把四大要素連接在一起，就形成一個四面體。該四面體模型較好把四大要素連接在一起，就形成一個四面體。該四面體模型較好地描述了作為一個整

4、體的地描述了作為一個整體的材料科學與工程的材料科學與工程的內涵內涵和和特點特點，反映了材料，反映了材料科學與工程研究中的共性問題。因此，抓住了材料科學與工程的四個科學與工程研究中的共性問題。因此，抓住了材料科學與工程的四個要素，就抓住了材料科學與工程的本質。要素，就抓住了材料科學與工程的本質。112.1 2.1 材料科學與工程的形成與內涵材料科學與工程的形成與內涵12宏觀結構宏觀結構Macroscopic Structure微觀結構微觀結構Microscopic Structure原子尺度原子尺度Atomic Level亞原子尺度亞原子尺度Subatomic Level2.1 2.1 材料科學

5、與工程的形成與內涵材料科學與工程的形成與內涵13材料的材料的顯微結構顯微結構對材料的性能具有相當大的影響。對材料的性能具有相當大的影響。2.1 2.1 材料科學與工程的形成與內涵材料科學與工程的形成與內涵142.1 2.1 材料科學與工程的形成與內涵材料科學與工程的形成與內涵 研究表明，材料的性質和使用性能取決于材料的組成及結構，后者又取決于合成與加工工藝。15 材料的任何材料的任何性能性能，都源于材料，都源于材料特定的特定的結構結構，都是材料經，都是材料經合成或加合成或加工工后由其結構與成分的變化而產生后由其結構與成分的變化而產生的結果。的結果。2.1 2.1 材料科學與工程的形成與內涵材料

6、科學與工程的形成與內涵材料的性能物理性能物理性能化學性能化學性能力學性能力學性能如導電性、導熱性、折射率、磁化率等如導電性、導熱性、折射率、磁化率等如抗氧化性、抗腐蝕性等如抗氧化性、抗腐蝕性等如強度、塑性、韌性等如強度、塑性、韌性等162.1 2.1 材料科學與工程的形成與內涵材料科學與工程的形成與內涵 材料的使用性能：指材料在服役條件下所表現的特性，它是材料性質與服役條件、產品設計及加工融合在一起所決定的要素，其度量指標有可靠性、有效壽命、安全性和成本等綜合因素。 材料的物理、化學、材料的物理、化學、力學性質都是成分和結構力學性質都是成分和結構的體現，它們決定著材料的體現，它們決定著材料的使

7、用范圍。的使用范圍。使用性能取決于材料的基本性能。使用性能取決于材料的基本性能。17材料的使用材料的使用依賴于材料的依賴于材料的性性能能，而，而其性能其性能都是由其都是由其化學組化學組成成和和結構結構決定的。決定的。只有從只有從微觀上微觀上了解材料的了解材料的組組成、結構與性能成、結構與性能的關系，才能的關系，才能有效地選擇有效地選擇制備制備和和使用材料使用材料。2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能18定義定義: : 組成材料的原子或分子之間的空間分布。組成材料的原子或分子之間的空間分布。 材料的結構決定材料的性能。材料的結構決定材料的性能。內涵：內涵：包含化學成分、晶體結構和缺陷、相組成

8、、形貌等。包含化學成分、晶體結構和缺陷、相組成、形貌等。鍵合結構鍵合結構晶體結構晶體結構組織結構組織結構 材料的結構材料的結構2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能19核心關系核心關系“材料貫穿于機械工程的始終。材料貫穿于機械工程的始終?！?而其核心是圍繞而其核心是圍繞: “結構與性能結構與性能”的相互辯證關系的相互辯證關系。2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能201. 1. 成分與結構成分與結構材料的成分材料的成分是指組成材料的元素種類及其含量，通常用是指組成材料的元素種類及其含量，通常用質量分數質量分數(w)表示，有時也用表示，有時也用粒子數分數粒子數分數(x)表表示

9、及原子分數（示及原子分數（at%）。）。材料的結構材料的結構主要是指材料中主要是指材料中原子原子(離子或分子等。為了敘離子或分子等。為了敘述簡便，以下統一由原子代表述簡便，以下統一由原子代表)的排列方式的排列方式。2.2.組元、相和組織組元、相和組織組元組元：組元是組成材料最基本的、獨立的物質。：組元是組成材料最基本的、獨立的物質。 組元可以是純元素，也可以是能穩定存在的化合物。金組元可以是純元素，也可以是能穩定存在的化合物。金屬材料的組元多為純元素，陶瓷材料的組元多為化合物。高屬材料的組元多為純元素，陶瓷材料的組元多為化合物。高分子材料則是以高分子化合物為主要組元的材料。分子材料則是以高分子

10、化合物為主要組元的材料。2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能21相相：材料中具有同一化學成分并且結構和性質相同的均中具有同一化學成分并且結構和性質相同的均勻連續部分稱為相。勻連續部分稱為相。 相與相之間有明顯的界面，材料的結構和性質在相界相與相之間有明顯的界面，材料的結構和性質在相界面上會發生突變，但有界面分開的不一定都是兩相，例如面上會發生突變，但有界面分開的不一定都是兩相，例如，如果材料是由成分、結構均相同的同種晶粒構成的，盡，如果材料是由成分、結構均相同的同種晶粒構成的，盡管各晶粒之間有晶界隔開，但它們仍屬于同一種相。管各晶粒之間有晶界隔開，但它們仍屬于同一種相。2.2 2.

11、2 材料的結構與性能材料的結構與性能22組織組織：材料內部的微觀形貌稱為材料的組織。：材料內部的微觀形貌稱為材料的組織。 在光學顯微鏡或電子顯微鏡下可觀察到，能反映各在光學顯微鏡或電子顯微鏡下可觀察到，能反映各組成相形態、尺寸及分布的圖像。組成相形態、尺寸及分布的圖像。白口鑄鐵白口鑄鐵 球墨鑄鐵球墨鑄鐵 2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能233.3.材料中的化學鍵合材料中的化學鍵合 單個原子通過化學鍵結合在一起組成材料，各類材料在結構和特性上的差異本質上是由不同元素以特定的鍵合方式結合造成的。化學鍵化學鍵物理鍵物理鍵離子鍵離子鍵金屬鍵金屬鍵范德華鍵范德華鍵氫鍵氫鍵共價鍵共價鍵 結

12、合鍵結合鍵 原子、分子間的結合力：是原子、分子之間吸引力和排斥力的合力。 金屬離子與自由電子相金屬離子與自由電子相互吸引所形成的結合力?；ノ纬傻慕Y合力。2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能242.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能252.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能264.4.晶體結構和空間點陣晶體結構和空間點陣晶體結構：晶體結構：晶體結構是指晶體中，原子（離子、分子）在晶體結構是指晶體中，原子（離子、分子）在三維空間的排列方式。三維空間的排列方式?？臻g點陣空間點陣（晶格晶格）：為了研究方便，通常把在空間中排）：為了研究方便，通常把在空間中排列的原子

13、（離子、分子）抽象成幾何上的點，然后用直線列的原子（離子、分子）抽象成幾何上的點，然后用直線把它們連接起來，就構成了一個有規則的把它們連接起來，就構成了一個有規則的幾何格架幾何格架，即所，即所謂的空間點陣（或晶格）。謂的空間點陣（或晶格）。2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能27晶胞晶胞2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能晶胞晶胞：能夠充分反映：能夠充分反映整個晶體結構特征整個晶體結構特征的的最小構造單位最小構造單位。28布拉菲點陣布拉菲點陣：可以用晶胞棱邊長度a、b、c及棱邊之間的夾角、來描述晶胞的大小和形狀。 1948年，布拉菲利首先用數學分析方法證明，自然界可能存

14、在的空間點陣只有14種，分屬7個不同的晶系，如下圖。 2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能29晶系晶系布拉菲點陣和符號布拉菲點陣和符號晶胞參數關系晶胞參數關系立方晶系立方晶系簡單簡單（P P）a a = = b b = = c c, , = = = = = = 9090體心（體心（I I）面心面心（F F）六方晶系六方晶系簡單簡單（P P）a a = = b b c c, , = = = 90= 90, , = = 120120正方晶系（四方）正方晶系（四方）簡單簡單（P P）a a = = b b c c, , = = = = = = 9090體心（體心（I I）菱方晶系（三方）

15、菱方晶系（三方）簡單（簡單（R R）a a b b c c, , = = = = 9090正交晶系（斜方）正交晶系（斜方）簡單（簡單（P P）a a = = b b c c, , = = = = = = 9090體心（體心（I I）底心底心（C C）單斜晶系單斜晶系面心（面心（F F）a a = = b b c c, , = = = = 9090簡單簡單（P P）三斜晶系三斜晶系底心底心（C C）a a = = b b c c, , 9090簡單簡單（P P）2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能30十四種布拉菲點陣示意圖十四種布拉菲點陣示意圖 2.2 2.2 材料的結構與性能材料的

16、結構與性能31非晶單晶多晶晶體：晶體：原子以周期性重復方式在三維空間有規則排列的固原子以周期性重復方式在三維空間有規則排列的固體，否則稱為體，否則稱為非晶體。非晶體。非晶體：非晶體：原子排列短程有序，無周期原子排列短程有序，無周期晶體晶體金剛石、金剛石、NaClNaCl、冰、冰 等等。液體液體非晶體非晶體 ： 蜂蠟、玻璃蜂蠟、玻璃 等。等。2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能 非晶非晶 多晶多晶 單晶單晶 322.2.2 2.2.2 材料的結構材料的結構 1. 1.金屬材料的結構金屬材料的結構 金屬材料一般都是金屬材料一般都是晶體晶體，在常溫下，純，在常溫下，純金屬的晶體結構大部分

17、屬于下面金屬的晶體結構大部分屬于下面3 3種。種。n面心立方結構；面心立方結構；n體心立方結構；體心立方結構；n密排六方結構。密排六方結構。 溫度發生變化時，同一種金屬可溫度發生變化時，同一種金屬可能會發生晶體結構轉變。能會發生晶體結構轉變。n常溫下的鎳、鋁、銅、鉛、銀等金屬屬于常溫下的鎳、鋁、銅、鉛、銀等金屬屬于面心立方結構；面心立方結構；n常溫下的鐵、鉬、鎢、鈮等屬于體心立方常溫下的鐵、鉬、鎢、鈮等屬于體心立方結構；結構；n常溫下的鈦、鎂、鋅等屬于密排六方結構常溫下的鈦、鎂、鋅等屬于密排六方結構。面心立方結構面心立方結構體心立方結構體心立方結構密排六方結構密排六方結構2.2 2.2 材料的

18、結構與性能材料的結構與性能33置換型固溶體：溶質原子占據陣點的固溶體置換型固溶體：溶質原子占據陣點的固溶體間隙型固溶體：溶質原子占據基本組元原子間隙型固溶體：溶質原子占據基本組元原子 間隙的固溶體間隙的固溶體固溶體固溶體間隙式固溶體間隙式固溶體 置換式固溶體置換式固溶體 當金屬與其他元素形成合金合金時，在合金中會形成一定的相相。從結構上可以將合金中的相分為固溶體和化合物兩類。2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能合金合金(Alloy)以一種金屬元素為基礎，加入其它金屬或非金屬而組成的具有金屬特性的材料。34金屬間化合物金屬間化合物 把金屬與金屬或金屬與非金屬元素之間形成的化合物稱為金

19、屬間化合物。 金屬間化合物的晶體結構一般都比較復雜，其結合鍵中含有較多的離子鍵和共價鍵成分，因此金屬間化合物通常具有熔點高、硬度高、脆性大等特點。 金屬間化合物在合金中一般作為強化相存在，能明顯提高合金的強度、硬度和耐磨性。幾種金屬間化合物的晶胞幾種金屬間化合物的晶胞（a）CaF2結構;（b）閃鋅礦結構;（c）VC結構;（d）Fe3C結構2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能352.2.無機非金屬材料的結構無機非金屬材料的結構 無機非金屬材料中的相組成較為復雜，其典型組織由晶體相、玻璃相和氣相三者組成，其中的晶體相是主要的組成相。晶體相常見的結構有氧化物結構、非氧化物結構和硅酸鹽結構

20、。氧化物結構氧化物結構幾種典型氧化物的結構幾種典型氧化物的結構（a）MgO；（b）ThO2；（c）A12O32.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能 在在 -A12O3中中，O2-占據密排六占據密排六方晶格的結點位置方晶格的結點位置，而，而Al3+對稱地填對稱地填充在其八面體間隙充在其八面體間隙中。中。36非氧化合物結構非氧化合物結構 非氧化合物是指金屬碳化物、氮化物、硅化物和硼化物等，其結合鍵主要是離子鍵，也有一定成分的金屬鍵和共價鍵。幾種非氧化合物的結構幾種非氧化合物的結構（a）碳化物；（b）氮化物；（c）硼化物；（d）硅化物2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能37硅酸

21、鹽結構硅酸鹽結構 硅酸鹽的結合鍵為離子鍵和共價鍵的混合鍵，其主要結構特征是Si4+總是位于由4個O2-離子組成的四面體中心，以此構成硅酸鹽的基本單元硅氧四面體SiO44-，如下圖（a）所示。部分硅酸鹽結構示意圖部分硅酸鹽結構示意圖（a）SiO44-；（；（b）Si2O76-；（；（c）Si3O96-；（；（d）Si6O1812-；（；（e）SiO32 2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能383.3.高分子材料的結構高分子材料的結構 高分子材料的結構包括高分子鏈結構和聚集態結構兩個層次。高分子鏈結構高分子鏈結構高分子鏈形狀示意圖高分子鏈形狀示意圖a）線型分子鏈；）線型分子鏈；b）支鏈

22、型分子鏈；）支鏈型分子鏈；c）體）體型分子鏈型分子鏈線型分子鏈線型分子鏈支鏈型分子鏈支鏈型分子鏈體型分子鏈體型分子鏈由由大量重復的結構單元大量重復的結構單元連接成。連接成。（網型分子鏈）（網型分子鏈）2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能39 由線型和支鏈型分子鏈構成的聚合物的性能特點是彈性高，塑性好，硬度低，可以通過加熱和冷卻的方法使其重新軟化（或熔化）和硬化（或固化），故又稱為熱塑性聚合物。例如，滌綸、尼龍、生橡膠等。 體型分子鏈構成的聚合物，由于網狀分子鏈的形成，使聚合物分子之間不易相互流動，從而提高了聚合物的強度、耐熱性和化學穩定性。這類聚合物具有較高的強度和熱固性，加熱加壓

23、成形固化后，不能再加熱熔化或軟化，故又稱為熱固性聚合物。例如，酚醛塑料、環氧樹脂、硫化橡膠等。2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能40高分子的聚集態結構高分子的聚集態結構 高分子材料的聚集態結構是指其內部高分子鏈的幾何排列和堆砌結構。一般可分為晶態（分子鏈規則排列）、部分晶態（分子鏈部分規則排列）和非晶態（分子鏈無規則排列）三類。 由由線型分子鏈線型分子鏈構成的聚合物在一定條件下可以形成構成的聚合物在一定條件下可以形成晶晶態態或或部分晶態部分晶態，而由，而由體型分子鏈體型分子鏈構成的聚合物均為構成的聚合物均為非晶態非晶態。高分子的聚集態結構示意圖高分子的聚集態結構示意圖（a a）晶

24、態）晶態; ;（b b）部分晶態）部分晶態; ;（c c）非晶態）非晶態2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能414.4.晶體結構的不完整性晶體結構的不完整性晶體結構缺陷:晶體中原子排列的周期性受到破壞的區域。分點缺陷、線缺陷和面缺陷。點缺陷：是指原子應占而未占的空位或間隙中不該存在存在的間隙原子。形成原因- 熱缺陷、雜質缺陷、非化學計量缺陷等。晶體中存在的各種點缺陷示意圖晶體中存在的各種點缺陷示意圖（a a）空位）空位; ;（b b）間隙原子；（）間隙原子；（c c）小置換原子；（）小置換原子；（d d）大置換原子）大置換原子2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能 點缺陷

25、點缺陷使周圍晶格發生畸變，提高晶體內能，降低使周圍晶格發生畸變，提高晶體內能，降低導電率，導電率，提高強度提高強度。42 線缺陷：線缺陷是對材料性能有重大影響的一維缺陷，稱為位錯（刃型位錯和螺位錯）。刃型位錯刃型位錯螺型位錯螺型位錯2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能由晶體中原子平面的錯動引起。 產生原因：點缺陷坍塌；應力作用下的塑性變形。產生原因：點缺陷坍塌；應力作用下的塑性變形。 位錯越多，其運動越困難，材料的強度、硬度越高，脆性位錯越多，其運動越困難，材料的強度、硬度越高，脆性越大。越大。43 面缺陷：面缺陷是指多相材料組成相間的界面和單相材料晶粒間的界面，它們在光學顯微鏡下

26、即可被看到。 晶界與亞晶界示意圖晶界與亞晶界示意圖（a a）晶界）晶界; ;（b b）亞晶界）亞晶界 2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能顯微鏡照片顯微鏡照片 面缺陷包括面缺陷包括晶界晶界、亞晶界亞晶界、相界面相界面、表面表面等。等。44體缺陷體缺陷是三維缺陷，包括：缺陷是三維缺陷，包括：孔洞孔洞(Pores)影響材料的力學、光學、熱學性能；影響材料的力學、光學、熱學性能；裂紋裂紋(Cracks)影響材料的力學性能；影響材料的力學性能；夾雜夾雜(Inclusions)影響材料的力學、光學、電學性能。影響材料的力學、光學、電學性能。2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能45

27、2.2.3 2.2.3 材料的性能材料的性能 材料性能材料性能是用于表征材料在給定外在條件下行為的參量。是用于表征材料在給定外在條件下行為的參量。 力學性質力學性質 物理性質物理性質 化學性質化學性質 硬度硬度 磁學磁學 催化催化 剛度剛度 光學光學 防腐防腐 強度強度 熱學熱學 塑性塑性 電學電學 韌性韌性 聲學聲學1.1.力學性能力學性能 材料的力學性能是指材料受到外力作用時的變形行為以及材料抵抗變形和破壞的能力。2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能46強度強度：材料抵抗外應力的能力。 與缺陷、鍵力有關。表征：抗拉強度（表征：抗拉強度（ b b ）、屈服強度（）、屈服強度（s

28、s） 、抗彎強度、抗彎強度、抗壓強度?？箟簭姸?。塑性塑性：外力作用下，材料發生不可逆的永久性變形而不破壞的能力。表征：延伸率表征：延伸率、斷面收縮率、斷面收縮率 2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能47硬度硬度：材料在表面上的小體積內抵抗變形或破裂的能力。彈性彈性：在外力作用下材料產生變形，外力除去后能恢復原狀的能力。剛度剛度：抵抗彈性變形能力。表征：彈性模量、楊氏模量、剪切模量表征：彈性模量、楊氏模量、剪切模量疲勞強度疲勞強度：材料抵抗交變應力作用下斷裂破壞的能力。表征：疲勞極限、疲勞壽命表征：疲勞極限、疲勞壽命抗蠕變性抗蠕變性：材料在恒定應力（或恒定載荷）作用下抵抗變形的能力。

29、表征：蠕變極限、持久強度表征：蠕變極限、持久強度韌韌 性性：材料從塑性變形到斷裂全過程中吸收能量的能力。表征：斷裂韌性表征：斷裂韌性 KICKIC、斷裂韌性、斷裂韌性 JICJIC2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能48材料的物理性質材料的物理性質磁學性質磁學性質光學性質光學性質電學性質電學性質導電性導電性絕緣性絕緣性介電性介電性順磁性順磁性鐵磁性鐵磁性抗磁性抗磁性 光反射光反射 光折射光折射 光學損耗光學損耗 光透性光透性熱學性質熱學性質 導熱性導熱性 熱膨脹熱膨脹 熱容熱容 熔化熔化2.2.物理性能物理性能1. 1. 電學性能表征電學性能表征：導電率、電阻率、介電常數導電率、電

30、阻率、介電常數2. 2. 磁學性能表征磁學性能表征：磁導率、矯頑力、磁化率磁導率、矯頑力、磁化率3. 3. 光學性能表征光學性能表征：光反射率、光折射率、光損耗率光反射率、光折射率、光損耗率4. 4. 熱學性能表征熱學性能表征：熱導率、熱膨脹系數、熔點、比熱熱導率、熱膨脹系數、熔點、比熱 2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能493.3.化學性能化學性能 材料總是在一定的環境介質中工作的，這些介質常常會與材料發生化學反應，影響材料性能的發揮。例如，隨處可見的生銹現象，不僅浪費了大量金屬資源，而且還會導致各種災難性的事故。 材料抵抗各種介質作用的能力。 包括溶蝕性、耐腐蝕性、抗滲性、抗

31、氧化性，即化學穩定性。還有催化性和離子交換性。2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能502.3 材料科學與工程的發展趨勢材料科學與工程的發展趨勢 今天，通信產業、生物技術、新能源技術、宇航技術等，都對材料提出了更高的要求。復合化、功能化、智能化、低維化、高性能化、與環境相協調已成為新材料開發的重要目標。 這要求人們從材料的四個要素出發，深入到原子和電子尺度研究材料結構與性質的關系，按使用要求對材料進行組裝和剪裁，得到一系列具有理想性質的新材料，同時還要重視開發材料的先進制造技術。51 實際上，很多新材料是在傳統材料的基礎上發展起來的。因為在現有材料產業中，還存在著大量材料科學與工程方

32、面的問題需要解決。 由于金屬、玻璃、陶瓷、高分子材料等原材料多為礦產資源，屬于不可再生的資源。因此，在材料生產過程中必須注意節省資源、節約能源，重視再生利用和環境保護。從這個意義上講，未來的材料必將是與自然具有更好的適應性、相容性和環境友好的材料。 2.3.1 2.3.1 傳統材料的地位及其發展方向傳統材料的地位及其發展方向 2.3 材料科學與工程的發展趨勢材料科學與工程的發展趨勢52 傳統材料，特別是對發展中國家來說，往往比新材料更為重要。這是因為，傳統材料是國民經濟的基礎，與人民基本生活的關系最為密切；傳統材料量大面廣，即使有一點改進，收益也很可觀。據估計，如果全美國的道路和橋梁的使用壽命

33、增加1%，其收益就可達300億美元。因此，世界各國對傳統材料都給予了足夠的重視。第一，除了努力增產，增加品種規格以外，更多的力量第一，除了努力增產，增加品種規格以外，更多的力量應該放在改進產品質量，做好資源的綜合利用上。應該放在改進產品質量，做好資源的綜合利用上。第二，要改進生產工藝，提高生產效率，降低能耗，提高第二，要改進生產工藝，提高生產效率，降低能耗，提高經濟效益。經濟效益。第三，采用新技術使傳統材料的生產不斷更新換代。第三，采用新技術使傳統材料的生產不斷更新換代。第四，要十分重視環境保護。第四，要十分重視環境保護。 2.3 材料科學與工程的發展趨勢材料科學與工程的發展趨勢532.3.2

34、 2.3.2 開發新材料和發展高技術開發新材料和發展高技術 目前，高技術和高技術產業已經成為綜合國力競爭的焦點。新材料是發展高技術的基礎和先導，而新材料研制與開發本身又是高技術的一部分。因此，發展高技術，必須重視開發新材料。新材料的發展重點主要在以下幾個方面。材料制備工藝與技術的開發材料制備工藝與技術的開發材料的應用研究與開發材料的應用研究與開發開發先進材料，發展高技術產業開發先進材料，發展高技術產業科學儀器與檢測裝置科學儀器與檢測裝置 2.3 材料科學與工程的發展趨勢材料科學與工程的發展趨勢54微電子材料和器件微電子材料和器件DNA生物芯片生物芯片其包含密度比硅芯片高其包含密度比硅芯片高10

35、0萬倍萬倍超導材料超導材料室溫超導是室溫超導是21世紀的重大研究課題世紀的重大研究課題新型納米陶瓷新型納米陶瓷解決脆性、耐高溫、提高熱效率，引發交通和電力業重大變革解決脆性、耐高溫、提高熱效率，引發交通和電力業重大變革光纖通訊材料光纖通訊材料ZrF4、LaF4和和BaF2三元混和體的氟玻璃，性能優于三元混和體的氟玻璃，性能優于SiO2材料材料聚合物結構材料聚合物結構材料高強度結構材料，如聚高強度結構材料，如聚(對苯二甲酰對苯二胺對苯二甲酰對苯二胺)的強度的強度/質量比是鋼鐵的質量比是鋼鐵的6倍倍醫用材料醫用材料模擬和合成與人體相容性的醫用材料模擬和合成與人體相容性的醫用材料21世紀新材料展望世紀新材料展望 2.3 材料科學與工程的發展趨勢材料科學與工程的發展趨勢552.1 2.1 材料科學與工程的形成與內涵材料科學與工程的形成與內涵56宏觀結構宏觀結構Macroscopic Structure微觀結構微觀結構Microscopic Structure原子尺度原子尺度Atomic Level亞原子尺度亞原子尺度Subatomic Level2.1 2.1 材料科學與工程的形成與內涵