材料科學基礎

第一章緒論

●現代科學技術的三大支柱－－能源、材料、信

息，其中材料是基礎。

●材料的研究、開發與應用反映著一個國家的科

學技術與工業水平，關系著國家的綜合國力與

安全。

●世界各國把材料放在重要地位來發展。

我國在1978年的科學大會上將材料科學技術列為

8大科技領域之一，此后各個五年計劃，一直作

為重點發展的領域。

材料是人類文明進步的里程碑

●早期歷史按石器、陶器、青銅器、鐵器時代來劃分，材料

代表著當時的生產能力和生活水平。

●現代的核和信息時代是與元素U和Si的開發緊密聯系。

●人類物質文明的發展史是利用和挖掘材料資源的歷史。

使用石器做工具。

使用石片、龜甲、竹板作信息紀錄。

公元前5000年，制陶中發現銅和錫的還原，創造了煉銅術。

6000年前用稻草和泥作墻體是具有制備意義的復合材料。

越王劍的金屬包層結構具有復合材料的結構特征。

●人類通過使用新的材料去改進生產工具、生活用具以及

武器，并伴隨著科技革命的不斷發展。

§1.1材料科學與工程概述

材料科學的內涵

●材料科學是從事對材料本質的發現、分析、認識、

設計及控制方面的理論體系。其目的在于揭示材

料的行為，給予材料屬性的描述或建立模型，以

及解釋組成結構與性能間的聯系。

●材料科學的內涵是由五個要素組成，他們之間的

關聯可用一個多面體來描繪。

圖1-1材料科學與工程的內涵

材料科學的核心

●

通過過程現象揭示材料組成-工藝-結構-性能的

關聯。

●過程是理解結構和性能的重要環節。

●結構決定性能，組成與工藝決定結構的形成。

●

結構因素包括：組成基元、排列、結合類型和

運動方式。

●

結構的層次：原子結構、原子排列、相結

構、顯微組織、結構缺陷等。

●

材料聚集態：一維、二維、三維方向上小尺寸

的材料稱低維材料，低維材料具有體材料所不

具備的性質。

材料科學的提出

●

“材料科學”的提出要追朔到20世紀50年代末。

●

57年10月4日和11月3日蘇聯發射兩顆人造衛星，

分別重80千克和500千克。

58年1月31日美國發射“探測者1號”人造衛星僅8

千克。

●

對此美國有關部門聯合向總統提出報告，認為美

國在先進材料的研究方面落后于蘇聯是關鍵。

●

58年3月18日總統通過科學顧問委員會發布“全國

材料規劃”，決定12所大學成立材料研究實驗室。

●

從此出現了“材料科學與工程”學科的提法。

材料科學的歷史基礎

●

18世紀蒸汽機的發明和19世紀電動機的發明，使材料在新品種開發和規模生產等方面發生了飛躍。

●

金屬材料：1856年-轉爐鋼；1864年-平爐鋼；1887年-高錳

鋼、1903年-硅鋼；1910年-鎳鉻不銹鋼。銅、鉛、鋅、鋁、

鎂、鈦和稀有金屬相繼問世，世界鋼產量從1850年的6萬噸

突增到1900年的2800萬噸，使人類進人了輝煌的鋼鐵時代。

●

無機非金屬材料：主要包括晶體、陶瓷、水泥、玻璃、耐

火材料等，資源豐富，性能價格比高。20世紀中后期，通

過合成原料和新的制備技術，出現了一系列特殊功能的先

進陶瓷。

●

高分子材料：20世紀初，人工合成高分子材料問世，1909

年-酚醛樹脂(膠木)；1925年-聚苯乙烯；1931年-聚氯乙烯；

1941年-尼龍，如今世界年產量在1億噸以上。

基礎學科發展奠定材料科學的基礎

●

量子力學、固體物理、無機化學、有機化學、

物理化學等基礎學科的發展為材料科學奠定了

重要基礎。

●

現代分析技術和設備的更新，加深了對物質結

構和物理化學性質的理解。

●

冶金學、金屬學、陶瓷學、高分子科學等自身

的發展也使對材料的本質認識大大系統化（組

成-制備-結構-性能的關系），為學科發展打下

了堅實的基礎。

材料科學范疇下不同材料應用理論的交叉融合

●

作為鋼熱處理的馬氏體相變理論由金屬學科建立，后來

氧化鋯增韌陶瓷中同樣發現了馬氏體相變現象，并用來

解釋相變增韌機理。

●

缺陷行為、平衡熱力學、擴散、塑性變形和斷裂機理、

界面的精細結構與行為、晶體和玻璃的結構以及它們之

間的關系、材料中電子的遷移與約束、原子聚集體的統

計力學等概念，在各類材料中得到應用。

材料測試技術及工藝技術的交叉融合

●

材料結構與性能的表征參數相通，如顯微鏡、

電子顯微鏡、表面測試及物理性能測試等。

●

材料制備與加工中，許多工藝相通，如擠壓對

金屬材料用于成型或冷加工硬化；對高分子材

料，通過擠壓成絲可使有機纖維的比強度和比

剛度大幅度提高。

●

粉末冶金和現代陶瓷制造已經很難找出明顯的

區別。

●

溶膠—凝膠法應用于各種材料的制備，這是利

用金屬有機化合物的水解而得到納米高純氧化

物粒子的方法。

現代材料技術從多樣化、單一化走向一體化、復合化

●

打破了單一材料間的界限，許多不同類型材料

相互代替和補充，充分發揮各種材料的優越性。

●

復合材料在多數情況下是不同類型材料的組合。

●

如果對不同類型材料沒有一個較全面的認識，

對復合材料的設計及性質的理解必然受到影響。

材料科學的歷史作用：比強度的進步改進了交通工具年圖1-2

材料比強度方面的發展變化木材石頭青銅

鋼鑄鐵

鋁

鈦

復合材料

尼龍纖維碳纖維強度/密度（×106）刀具材料的發展：切速增長100倍導致高效加工和低成本。

碳工具鋼

硬質合金

金屬陶瓷

燒結碳化鎢高速鋼（HSS）

陶瓷

多晶金剛石立方BN碳化鈦氮化鈦年圖1-3

刀具材料切削速度的變化趨勢集成電路：器件縮小100萬倍，單價下降100萬倍。圖1-4集成電路發展歷程

材料科學的發展

應用需求牽引的推動力

●

信息技術:從電子信息處理到光電子信息處理，以至

于光子信息處理，需要電子材料、光電子材料、非線

性光學材料、波導纖維、薄膜與器件等。

●

能源工程技術:要求耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、高可

靠以及壽命可預測的結構材料。

多學科交叉的推動力

●

材料科學具有多學科交叉滲透的特征，包含著豐富的

內涵。

●

材料的組分設計與合成，涉及化學學科的各分支－高

溫過程的熱力學、動力學以至在溫和條件下的仿生合

成等。

基礎學科發展的推動力

●

研究微觀結構與性能的關系，涉及物理學、凝聚態物

理及非連續介質微觀力學等。

科技與經濟發展的推動力

●信息功能材料、高溫結構材料、復合材料、生物材料、

智能材料和納米材料等是新技術革命的先導材料。

●毫米時代發明了拖拉機，微米時代發明了計算機，納米

時代，人類將會創造出更大的輝煌。

●21世紀的科技發展，將以先進材料技術、先進能源技術、

信息技術和生物技術等四大學科為中心，通過其相互交叉

發展，為人類創造出完全不同的生態環境。

●新型材料將是與生物和自然具有更好的適應性、相容性和

環境友好的材料。

材料科學與材料工程的關系●

材料科學具有“研究為什么”的性質。核心是建立結構－

性能的關系。●

材料工程具有“解決怎樣做”的性質。是能為社會所接受

地獲得材料的結構、性能和形狀。（要考慮5個判據：

經濟、質量、資源、環保、能源）●

材料科學為材料工程提供設計依據，為更好地選擇材料、

使用材料、發展新材料提供理論基礎。

●

材料工程為材料科學提供豐富的研究課題和物質基礎。

●

材料科學和材料工程緊密聯系，它們之間沒有明顯的界線。在解決實際問題中，不能將科學因素和工程因素獨立考慮。因此，人們常將二者合稱為材料科學與工程。

§１.2材料的分類

●

按物態劃分：氣態、液態和固態。

●

按組成和結合健性質：金屬材料、無機非金屬

材料、高分子材料以及半導體材料。

●

按材料的功能：結構材料、功能材料。

●

按使用領域：建筑材料、電子材料、醫用材料、

儀表材料、能源材料等。

圖1-5

價鍵四面體

金屬材料

黑色金屬（鋼和鑄鐵）

鋼：碳素鋼和合金鋼（按成分）；普通鋼、優質鋼和高級優質鋼（按品質）；平爐鋼、轉爐鋼、電爐鋼和奧氏體鋼（按冶煉法）；結構鋼、工具鋼、特殊鋼及專用鋼（按用途）。

鑄鐵：灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵和特殊性能鑄鐵等。

有色金屬(非鐵材料)

輕金屬(密度﹤5)、重金屬(密度﹥5)、貴金屬、類金屬和稀有金屬，如A1、Cu、Zn、Sn、Pb、Mg、Ni、Ti及其合金。在工程上占有重要地位。

金屬材料的基本屬性

●

結合健為金屬健；

●

熔點較高；

●

具有金屬光澤；

●范性、展性、延性大；

●強度較高；

●

結構中存在自由電子，導熱和導電性好；

●

在空氣中易被氧化。

無機非金屬材料

●

主要包括晶體、陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。

●

按性能和用途：傳統陶瓷和特種陶瓷。

特種陶瓷也稱精細陶瓷（FineCeramics）

高技術陶瓷（High

TechnicalCeramics）

先進陶瓷（Advanced

Ceramics）

●

特種陶瓷是以人工合成化合物為原料制備，用于技術和

工程領域，如電子信息、能源、機械、化工、動力、生

物、航天航空和其它高新技術領域。

無機非金屬材料的基本屬性

●

化學健主要是離于鍵、共價健以及它們的混合鍵；

●

硬而脆、韌性低、抗壓不抗拉、對缺陷敏感；

●

熔點高，具有優良的耐高溫和化學穩定性；

●

一般自由電子數目少、導熱性和導電性較小；

●

耐化學腐蝕性好；

●

耐磨損。

高分子材料

●

以C、H、N、O元素為基礎，由大量結構相同的小單元聚合組成，

分子量大，并在某一范圍內變化。

●

一般分為天然和合成的兩類；

●

按使用性質：塑料、橡膠、纖維、粘合劑、涂料等；

●

按鏈結構：碳鏈、雜鏈、元素高聚物；

●

按熱性質：熱塑性、熱固性及熱穩定性高聚物；

●

按用途：結構材料、電絕緣材料、耐高溫材料、導電高分子、

高分子建筑材料、生物醫用高分子材料、高分子催化劑、包裝

材料等。

●

塑料是重要的高分子材料，分為通用塑料和工程塑料。

通用塑料包括：聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛

塑料和氨基塑料。

工程塑料（高強、高模、耐高溫）：ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙

烯)、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、聚砜、聚苯硫醚、聚酰亞胺