材料科學基礎__西安交大__緒論

1、材料科學基礎材料科學基礎上課班級：物理學2008級主講教師： 盧 志 華E-mail: zlh_2010-2011學年第二學期 （72學時，4學分）Foundations of Materials Science課程性質：技術基礎課課程性質：技術基礎課教學目的與要求：1 掌握材料科學研究的內容及其要素之間的邏輯關系.2 了解材料發(fā)展的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢.3 了解本課程的學習方法.0.1 材料科學的含義材料科學的含義 世界萬物，凡于我有用者，皆謂之材料。世界萬物，凡于我有用者，皆謂之材料。材料材料是具有一定性能，可以用來制作器件、構件、工是具有一定性能，可以用來制作器件、構件、工具、裝置等物品的物質

2、。具、裝置等物品的物質。材料存在于我們的周圍，材料存在于我們的周圍，與我們的生活、我們的生命息息相關。材料是人與我們的生活、我們的生命息息相關。材料是人類文明、社會進步、科技發(fā)展的物質基礎。類文明、社會進步、科技發(fā)展的物質基礎。 材料科學就是研究各種材料的成分、工藝、材料科學就是研究各種材料的成分、工藝、組織和性能之間相互關系的科學。組織和性能之間相互關系的科學。 材料科學是一門以固體材料為研究對象，以材料科學是一門以固體材料為研究對象，以固體物理、熱力學、動力學、量子力學、冶金、固體物理、熱力學、動力學、量子力學、冶金、化工為理論基礎的邊緣交叉基礎應用學科，它運化工為理論基礎的邊緣交叉基礎應

3、用學科，它運用電子顯微鏡、用電子顯微鏡、X-射線衍射、熱譜、電子離子探射線衍射、熱譜、電子離子探針等各種精密儀器和技術，探討材料的組成、結針等各種精密儀器和技術，探討材料的組成、結構、制備工藝和加工使用過程與其機械、物理、構、制備工藝和加工使用過程與其機械、物理、化學性能之間的規(guī)律的一門基礎應用學科，是研化學性能之間的規(guī)律的一門基礎應用學科，是研究材料共性的一門學科。究材料共性的一門學科。 Properties:MechanicalAnd FunctionalProcessing,Synthesis, Andphase transformationStructure and character

4、izationTheory and Modeling材料科學與工程及其與其他學科的關系Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E 材料是人類文明、社會進步、科學技術發(fā)展的材料是人類文明、社會進步、科學技術發(fā)展的物質基礎和技術先導。在歷史上，人們將石器、青物質基礎和技術先導。在歷史上，人們將石器、青銅器、鐵器等當時的主導材料作為時代的標志，稱銅器、鐵器等當時的主導材料作為時代的標志，稱其為石器時代、青銅器時代和鐵器時代。在近代，其為石器時代、青銅器時代和鐵器時代。在近代，材料的種類及其繁

5、多，各種新材料不斷涌現(xiàn)，很難材料的種類及其繁多，各種新材料不斷涌現(xiàn)，很難用一種材料來代表當今時代的特征。用一種材料來代表當今時代的特征。0.2 材料對人類文明進步的意義材料對人類文明進步的意義p材料是當代文明的三大支柱之一材料是當代文明的三大支柱之一 材料、能源、信息是當代社會文明和國民經濟的三大支材料、能源、信息是當代社會文明和國民經濟的三大支柱，是人類社會進步和科學技術發(fā)展的物質基礎和技術柱，是人類社會進步和科學技術發(fā)展的物質基礎和技術先導先導p 材料是全球新技術革命的四大標志之一材料是全球新技術革命的四大標志之一（新材料（新材料技術、新能源技術、信息技術、生物技術）技術、新能源技術、信息

6、技術、生物技術）材料品種材料品種數(shù)量國家現(xiàn)代化程度標志之一數(shù)量國家現(xiàn)代化程度標志之一質量質量u新材料既是當代高新技術的重要組成部分，又是發(fā)展高新新材料既是當代高新技術的重要組成部分，又是發(fā)展高新技術的重要支柱和突破口。技術的重要支柱和突破口。u正是因為有了高強度的合金，新的能源材料及各種非金屬正是因為有了高強度的合金，新的能源材料及各種非金屬材料，才材料，才 會有航空和汽車工業(yè)；會有航空和汽車工業(yè)；u正是因為有了光纖，才會有今天的光纖通訊；正是因為有了光纖，才會有今天的光纖通訊；u正是因為有正是因為有 了半導體工業(yè)化生產，才有今天高速發(fā)展計了半導體工業(yè)化生產，才有今天高速發(fā)展計算機技術和信息技

7、術。算機技術和信息技術。u當今世界各當今世界各 國在高技術領域的競爭，在很大程度上是新國在高技術領域的競爭，在很大程度上是新材料水平的較量。材料水平的較量。新材料在高技術中的作用新材料在高技術中的作用圖 航天飛機新材料在高技術中的作用新材料在高技術中的作用圖 磁懸浮列車新材料在高技術中的作用新材料在高技術中的作用圖 復合材料新材料在高技術中的作用新材料在高技術中的作用國家大劇院設計圖（頂部采用納米材料制造）國家大劇院設計圖（頂部采用納米材料制造）具有廣泛應用的納米材料具有廣泛應用的納米材料納米原子像具有廣泛應用的納米材料具有廣泛應用的納米材料納米泵具有廣泛應用的納米材料具有廣泛應用的納米材料納

8、米紅血球納米直升機納米探針材料科學與經濟發(fā)展材料科學與經濟發(fā)展u由于材料科學的發(fā)展水平與高新技術的發(fā)展是相互依存的，因此新由于材料科學的發(fā)展水平與高新技術的發(fā)展是相互依存的，因此新材料發(fā)材料發(fā) 展與應用水平直接決定著經濟發(fā)展的水平。展與應用水平直接決定著經濟發(fā)展的水平。u有人曾作過粗略計算，以每公斤產品的出廠價格計算，把原材料比有人曾作過粗略計算，以每公斤產品的出廠價格計算，把原材料比作作1 1，那么小轎車為，那么小轎車為5 5，家電為，家電為3030，飛機為，飛機為200200，計算機為，計算機為10001000，集，集成電路芯片則為成電路芯片則為10000 10000 。u19801980

9、年，美國的電子工業(yè)產值已經超過了鋼鐵和紡織工業(yè)，僅次于年，美國的電子工業(yè)產值已經超過了鋼鐵和紡織工業(yè)，僅次于化工和汽車工業(yè)化工和汽車工業(yè) 。u日本通過冶煉等技術的改進來大幅度提高傳統(tǒng)金屬材料性能，如超日本通過冶煉等技術的改進來大幅度提高傳統(tǒng)金屬材料性能，如超級鋼計劃就是要在本世紀末將鋼的性能提高一倍，實質上就是節(jié)約級鋼計劃就是要在本世紀末將鋼的性能提高一倍，實質上就是節(jié)約了一倍的資源，使得產品更具競爭力，保持日本經濟的持續(xù)發(fā)展。了一倍的資源，使得產品更具競爭力，保持日本經濟的持續(xù)發(fā)展。材料科學與經濟發(fā)展材料科學與經濟發(fā)展建造中的Titanic 號，可以看到船身上長長的焊縫Titanic的沉沒是

10、必然還是偶然？Titanic 號鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗結果Titanic的沉沒是必然還是偶然？0.3.1 材料按化學組成（或基本組成）分類材料按化學組成（或基本組成）分類0.3.2 根據(jù)材料的性能分類根據(jù)材料的性能分類 0.3.3 材料按服役的領域來分類材料按服役的領域來分類 0.3.4 材料按結晶狀態(tài)分類材料按結晶狀態(tài)分類0.3.5 材料按材料的尺寸分類材料按材料的尺寸分類 0.3 材料分類 0.3.1 按化學組成（或基本組成）分類：按化學組成（或基本組成）分類：1. 金屬材料金屬材料2. 無機非金屬材料無機非金屬材料3. 高分子材料（聚合物）高分子材料（聚合物）4.

11、復合材料復合材料1.金屬材料 金屬材料是由化學元素周期表中金屬材料是由化學元素周期表中的金屬元素組成的材料?？煞譃橛傻慕饘僭亟M成的材料?？煞譃橛梢环N金屬元素構成的一種金屬元素構成的單質單質（純金（純金屬）；由兩種或兩種以上的金屬元屬）；由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素構成的素或金屬與非金屬元素構成的合金合金。合金又可分為固溶體和金屬間化合合金又可分為固溶體和金屬間化合物物。 在在103種元素中，除種元素中，除He,Ne,Ar等等6種惰性元素種惰性元素和和C、Si、N等等16種非金種非金屬元素外，其余屬元素外，其余81種為金屬元素。種為金屬元素。除除Hg之外，單質金屬在常溫下呈現(xiàn)之

12、外，單質金屬在常溫下呈現(xiàn)固固體形態(tài)，外觀不透明，具有特殊的金屬光澤及良好的導電性和導熱性。體形態(tài)，外觀不透明，具有特殊的金屬光澤及良好的導電性和導熱性。在力學性質方面，具有較高的強度、剛度、延展性及耐沖擊性在力學性質方面，具有較高的強度、剛度、延展性及耐沖擊性。 合金是由兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬元素與非金屬元素熔合金是由兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬元素與非金屬元素熔合在一起形成的具有金屬特性的新物質。合金的性質與組成合金的各個合在一起形成的具有金屬特性的新物質。合金的性質與組成合金的各個相的性質有關，同時也與這些相在合金中的數(shù)量、形狀及分布有關。相的性質有關，同時也與這些相在合金中

13、的數(shù)量、形狀及分布有關。2. 無機非金屬材料 無機非金屬材料是由硅酸鹽、鋁酸鹽、硼酸鹽、磷酸無機非金屬材料是由硅酸鹽、鋁酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽、鍺酸鹽等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼鹽、鍺酸鹽等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、鹵化物等原料經一定的工藝制備化物、硫化物、硅化物、鹵化物等原料經一定的工藝制備而成的材料。是除金屬材料、高分子材料以外所有材料的而成的材料。是除金屬材料、高分子材料以外所有材料的總稱。它與廣義的陶瓷材料有等同的含義。無機非金屬材總稱。它與廣義的陶瓷材料有等同的含義。無機非金屬材料種類繁多，用途各異，目前還沒有統(tǒng)一完善的分類方法。料種類繁多

14、，用途各異，目前還沒有統(tǒng)一完善的分類方法。一般將其分為一般將其分為傳統(tǒng)的（普通的）和新型的（先進的）傳統(tǒng)的（普通的）和新型的（先進的）無機無機非金屬材料兩大類。非金屬材料兩大類。 傳統(tǒng)的無機非金屬材料傳統(tǒng)的無機非金屬材料主主要是指由要是指由SiO2及其硅酸鹽化合物及其硅酸鹽化合物為主要成分制成的材料，包括陶為主要成分制成的材料，包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。此外，搪瓷、磨此外，搪瓷、磨2727料、鑄石料、鑄石（輝綠巖、玄武巖等）、碳素材（輝綠巖、玄武巖等）、碳素材料、非金屬礦（石棉、云母、大料、非金屬礦（石棉、云母、大理石等）也屬于傳統(tǒng)的無機非金理石等）也屬于傳

15、統(tǒng)的無機非金屬材料。屬材料。先進（或新型）無機非金屬材料先進（或新型）無機非金屬材料是用氧化物、是用氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以及各氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以及各種無機非金屬化合物經特殊的先進工藝制成的材料。種無機非金屬化合物經特殊的先進工藝制成的材料。主要包括先進陶瓷、非晶態(tài)材料、人工晶體、無機主要包括先進陶瓷、非晶態(tài)材料、人工晶體、無機涂層、無機纖維等。涂層、無機纖維等。3. 有機高分子材料（高聚物）有機高分子材料（高聚物） 高聚物是由一種或幾種簡單高聚物是由一種或幾種簡單低分子化合物經聚合而組成的分低分子化合物經聚合而組成的分子量很大的化合物。高聚物的種

16、子量很大的化合物。高聚物的種類繁多，性能各異，其分類的方類繁多，性能各異，其分類的方法多種多樣。按高分子材料來源法多種多樣。按高分子材料來源分為分為天然高分子材料和合成高分天然高分子材料和合成高分子材料子材料；按材料的性能和用途可；按材料的性能和用途可將高聚物分為將高聚物分為橡膠、纖維、塑料橡膠、纖維、塑料和膠粘劑和膠粘劑等。等。 4. 復合材料復合材料 復合材料是由兩種或兩種以上化學性質或組織結構不復合材料是由兩種或兩種以上化學性質或組織結構不同的材料組合而成。復合材料是多相材料，主要包括同的材料組合而成。復合材料是多相材料，主要包括基體相基體相和增強相和增強相?；w相是一種連續(xù)相材料，它把

17、改善性能的增強?；w相是一種連續(xù)相材料，它把改善性能的增強相材料固結成一體，并起傳遞應力的作用；增強相起承受應相材料固結成一體，并起傳遞應力的作用；增強相起承受應力（結構復合材料）和顯示功能（功能復合材料）的作用。力（結構復合材料）和顯示功能（功能復合材料）的作用。復合材料既能保持原組成材料的重要特色，又通過復合效應復合材料既能保持原組成材料的重要特色，又通過復合效應使各組分的性能互相補充，獲得原組分不具備的許多優(yōu)良性使各組分的性能互相補充，獲得原組分不具備的許多優(yōu)良性能。能。 復合材料的種類繁多，目前還沒有統(tǒng)一的分類方法，復合材料的種類繁多，目前還沒有統(tǒng)一的分類方法，下面根據(jù)復合材料的三要素

18、來分類。按下面根據(jù)復合材料的三要素來分類。按基體材料基體材料分類，有分類，有金屬基復合材料，陶瓷基復合材料，水泥、混凝土基復合金屬基復合材料，陶瓷基復合材料，水泥、混凝土基復合材料，塑料基復合材料，橡膠基復合材料等；按材料，塑料基復合材料，橡膠基復合材料等；按增強劑形增強劑形狀狀可分為粒子、纖維及層狀復合材料；依據(jù)復合材料的可分為粒子、纖維及層狀復合材料；依據(jù)復合材料的性性能能可分為結構復合材料和功能復合材料?？煞譃榻Y構復合材料和功能復合材料。0.3.2 根據(jù)材料的性能分類根據(jù)材料的性能分類 根據(jù)材料在外場作用下其性質或性能對外場的響應不根據(jù)材料在外場作用下其性質或性能對外場的響應不同，材料可

19、分為同，材料可分為結構材料結構材料和和功能材料功能材料。 結構材料結構材料是指具有抵抗外場作用而保持自己的形狀、是指具有抵抗外場作用而保持自己的形狀、結構不變的優(yōu)良力學性能（強度和韌性等），用于結構目的結構不變的優(yōu)良力學性能（強度和韌性等），用于結構目的的材料。這種材料通常用來制造工具、機械、車輛和修建房的材料。這種材料通常用來制造工具、機械、車輛和修建房屋、橋梁、鐵路等。屋、橋梁、鐵路等。功能材料功能材料是具有優(yōu)良的電學、磁學、光學、熱學、聲是具有優(yōu)良的電學、磁學、光學、熱學、聲學、力學、化學和生物學功能及其相互轉化的功能，被用于學、力學、化學和生物學功能及其相互轉化的功能，被用于非結構目的

20、的高技術材料。非結構目的的高技術材料。0.3.3 材料按服役的領域來分類材料按服役的領域來分類 根據(jù)材料服役的技術領域可分為根據(jù)材料服役的技術領域可分為:信息材料信息材料航空航天材料航空航天材料能源材料能源材料生物醫(yī)用材料生物醫(yī)用材料 指用于信息的探測、傳輸、指用于信息的探測、傳輸、顯示、運算和處理的光電顯示、運算和處理的光電信息材料。信息材料主要信息材料。信息材料主要包括信息的監(jiān)測和傳感包括信息的監(jiān)測和傳感（獲?。┎牧?、信息的傳（獲取）材料、信息的傳輸材料、信息的存儲材料、輸材料、信息的存儲材料、信息的運算和處理材料。信息的運算和處理材料。主要包括新型金屬材料（如先進鋁合主要包括新型金屬材料

21、（如先進鋁合金、超高強度鋼、高溫合金、高熔點金、超高強度鋼、高溫合金、高熔點合金、鈹及其合金）、燒蝕防熱材料合金、鈹及其合金）、燒蝕防熱材料和新型復合材料。此外，還包括一些和新型復合材料。此外，還包括一些功能材料，如涂層材料、隔熱材料、功能材料，如涂層材料、隔熱材料、透明材料、阻尼材料、密封材料、潤透明材料、阻尼材料、密封材料、潤滑材料、粘合劑材料等。這些材料大滑材料、粘合劑材料等。這些材料大部分屬于高分子材料和陶瓷材料，也部分屬于高分子材料和陶瓷材料，也有少量是阻尼合金等金屬材料。有少量是阻尼合金等金屬材料。指能源工業(yè)和能源技術所使用的材料，按指能源工業(yè)和能源技術所使用的材料，按使用目的不同

22、分為新能源材料、節(jié)能材料使用目的不同分為新能源材料、節(jié)能材料和儲氫材料等。新能源材料包括增值堆用和儲氫材料等。新能源材料包括增值堆用核材料、聚變堆材料、太陽能電池（單晶核材料、聚變堆材料、太陽能電池（單晶硅、多晶硅、非晶硅等）；節(jié)能材料包括硅、多晶硅、非晶硅等）；節(jié)能材料包括非晶體金屬磁性材料（用作變壓器鐵芯的非晶體金屬磁性材料（用作變壓器鐵芯的Fe-Mn-B-Si合金）和超導材料（合金）和超導材料（Nb-Ti、Nb-Sn巨型磁體用材料）；儲氫材料，以巨型磁體用材料）；儲氫材料，以及高比能電池（如鈉硫電池）等。目前鈉及高比能電池（如鈉硫電池）等。目前鈉硫電池的比能量達硫電池的比能量達137W.

23、h/Kg，而鉛蓄電，而鉛蓄電池的比能量只有池的比能量只有30W.h/Kg。是一類合成物質或天然物質或這些物質的復是一類合成物質或天然物質或這些物質的復合，它能作用一個系統(tǒng)的整體或部分，在一合，它能作用一個系統(tǒng)的整體或部分，在一定時期內治療、增強或替換機體的組織、器定時期內治療、增強或替換機體的組織、器官或功能。官或功能。 醫(yī)用金屬及合金醫(yī)用金屬及合金 醫(yī)用高分子材料醫(yī)用高分子材料包括合成和天然高分子，包括合成和天然高分子，已被廣泛用于韌帶、肌腱、皮膚、血管、角已被廣泛用于韌帶、肌腱、皮膚、血管、角膜、人工臟器、骨和牙等人體軟、硬組織及膜、人工臟器、骨和牙等人體軟、硬組織及器官的修復和制造。器官

24、的修復和制造。 醫(yī)用生物陶瓷醫(yī)用生物陶瓷包括惰性和活性生物陶瓷、包括惰性和活性生物陶瓷、生物玻璃等，如氧化鋁瓷、氧化鋯瓷、生物生物玻璃等，如氧化鋁瓷、氧化鋯瓷、生物碳等以及羥基磷灰石、磷酸三鈣陶瓷等。碳等以及羥基磷灰石、磷酸三鈣陶瓷等。 醫(yī)用復合材料醫(yī)用復合材料:表面涂層生物活性人工牙根、表面涂層生物活性人工牙根、人工心臟瓣膜人造血管等人工心臟瓣膜人造血管等0.3.4 材料按結晶狀態(tài)分類材料按結晶狀態(tài)分類 單晶材料單晶材料多晶材料多晶材料非晶態(tài)材料非晶態(tài)材料準晶材料準晶材料由一個比較完整的由一個比較完整的晶粒構成的材料，晶粒構成的材料，如單晶纖維、單晶如單晶纖維、單晶硅硅由許多晶粒組成的材由許

25、多晶粒組成的材料，其性能與晶粒大料，其性能與晶粒大小、晶界的性質有密小、晶界的性質有密切的關系切的關系由原子或分子排列無明由原子或分子排列無明顯規(guī)律的固體材料，如顯規(guī)律的固體材料，如玻璃、高分子材料玻璃、高分子材料 準周期性晶體材料的簡稱，準晶仍準周期性晶體材料的簡稱，準晶仍然是晶體，準晶中的原子分布有嚴格然是晶體，準晶中的原子分布有嚴格的位置序，但位置序無周期性，即沒的位置序，但位置序無周期性，即沒有周期性平移對稱關系，在準晶材料有周期性平移對稱關系，在準晶材料中存在不符合傳統(tǒng)晶體學的五次、八中存在不符合傳統(tǒng)晶體學的五次、八次、十二次對稱軸。次、十二次對稱軸。 準晶從結構角度看是一種新的物質

26、準晶從結構角度看是一種新的物質形態(tài)，但實際上它們僅在特定的金屬形態(tài)，但實際上它們僅在特定的金屬合金中形成，是成分范圍較窄的金屬合金中形成，是成分范圍較窄的金屬間化合物。間化合物。0.3.5按材料的尺寸分類按材料的尺寸分類 材料按材料的尺寸可分為材料按材料的尺寸可分為:零維材料零維材料一維材料一維材料二維材料二維材料三維材料三維材料即超微粒子，通過即超微粒子，通過Sol-gel法、多相沉積或激法、多相沉積或激光等方法，可以制備出亞微米級的陶瓷或金光等方法，可以制備出亞微米級的陶瓷或金屬粉末，大小屬粉末，大小1100nm的超微粒比表面積大的超微粒比表面積大（可作為高效催化劑）、比表面能高、熔點（可

27、作為高效催化劑）、比表面能高、熔點低、燒結溫度下降、擴散速度快、強度高而低、燒結溫度下降、擴散速度快、強度高而塑性下降慢、電子態(tài)由連續(xù)能帶變?yōu)椴贿B續(xù)、塑性下降慢、電子態(tài)由連續(xù)能帶變?yōu)椴贿B續(xù)、光吸收也發(fā)生異常現(xiàn)象（可以成為高效微波光吸收也發(fā)生異?，F(xiàn)象（可以成為高效微波吸收材料）。吸收材料）。如光導纖維由于其信息傳輸量遠比銅、鉛的如光導纖維由于其信息傳輸量遠比銅、鉛的同軸電纜大，而且光纖有很強的保密性，所同軸電纜大，而且光纖有很強的保密性，所以發(fā)展很快。再比如脆性塊狀材料在變成細以發(fā)展很快。再比如脆性塊狀材料在變成細絲后便增加了韌性，可以用來增強其它的塊絲后便增加了韌性，可以用來增強其它的塊狀。實

28、用纖維為碳纖維、硼纖維、陶瓷纖維。狀。實用纖維為碳纖維、硼纖維、陶瓷纖維。纖維中強度和剛度最高的要算晶須。纖維中強度和剛度最高的要算晶須。 如金剛石薄膜、高溫超導薄膜、半導體薄膜。如金剛石薄膜、高溫超導薄膜、半導體薄膜。由于薄膜的電子所處狀態(tài)和外界環(huán)境的影響，由于薄膜的電子所處狀態(tài)和外界環(huán)境的影響，可表現(xiàn)出不同的電子遷移規(guī)律，完成特定的可表現(xiàn)出不同的電子遷移規(guī)律，完成特定的電學、光學或電子學功能，如成為絕緣體、電學、光學或電子學功能，如成為絕緣體、鐵電體、導體或半導體等，從而有可能作為鐵電體、導體或半導體等，從而有可能作為光學薄膜用于非線性光學、光開關、放大或光學薄膜用于非線性光學、光開關、放大或調幅、敏感