新材料技術(shù)：第一章 材料概論

1、1新材料技術(shù)2課程目標(biāo)課程設(shè)置的目的：對材料科學(xué)與工程建立整體與全貌的認(rèn)識，了解現(xiàn)有材料的分類、特性、制備、表征、應(yīng)用及其與相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的關(guān)系，把握高技術(shù)新型先進(jìn)材料的發(fā)展趨勢 。3課程考察方法 平時20%+讀書報告80%（不少于2000字）4第一章 材料概論 一、材料是人類社會發(fā)展的基石二、材料及其分類三、材料的結(jié)構(gòu)四、材料的性能五、材料科學(xué)與工程六、新材料技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)5第一節(jié) 材料是人類社會發(fā)展的基石6一、材料的發(fā)展史材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是人類社會進(jìn)步的里程碑。 7人類社會的幾個時代 1石器時代：公元前10萬年2青銅器時代：公元前3000年3鐵器時代：公元前1500年 4

2、水泥時代：公元元年5鋼時代：1800年6硅時代：1950年 7新材料時代：1990年 81.石器時代 公元前10萬年左右舊石器時代：人類為了生存、抵御猛獸襲擊和獵取食物開始用石頭做工具，如石刀、石鏟、石斧、石球等，工具制作粗糙，用途尚未分化。新石器時代：主要標(biāo)志是出現(xiàn)經(jīng)過加工的刀口鋒利的石器及陶器（黏土成型），并伴隨著人類開始應(yīng)用磚瓦等建筑材料（石頭、土瓦、植物枯桿等），以及出現(xiàn)了紡織品、絲織品（皮毛、棉花、蠶絲等）。92.青銅器時代 公元前3000年左右這是人類較大量利用金屬的開始，青銅銅錫合金，這是最原始的合金，而且添加錫、鉛的銅合金熔點(diǎn)低，鑄造性能良好，主要用作武器、生活用具、生產(chǎn)工具等

3、 。世界各地開始青銅器時代的時間各不相同，希臘在公元前3000年前；埃及在公元前2500年前；巴比倫在公元前19世紀(jì)中葉；印度大約在公元前3000年已廣泛使用青銅器；中國在公元前2700年已經(jīng)使用青銅器了，到商周進(jìn)入了鼎盛時期，并將青銅器的冶煉和鑄造技術(shù)推向了世界頂峰。103.鐵器時代 公元前1500年左右人類開始進(jìn)入了鐵器時代，中國最早出土的人工冶煉鐵制品約在公元前9世紀(jì)。高溫下用木炭還原鐵礦石生產(chǎn)的鐵，具有較高的強(qiáng)度，可加工性能良好，用作武器和器件等。中國是較早掌握冶鐵技術(shù)的國家之一，如用生鐵退火而制成韌性鑄鐵以及生鐵煉鋼技術(shù)的發(fā)明，促進(jìn)了中國生產(chǎn)力的大發(fā)展，對戰(zhàn)國和秦漢農(nóng)業(yè)、水利和軍事的

4、發(fā)展起到很大作用。 114.水泥時代 公元元年早在公元元年左右，希臘、古羅馬人就將石灰和火山灰的混合物做建筑材料，這是最早應(yīng)用的水泥。今日，它已發(fā)展成龐大的家族，是建房修橋筑路等領(lǐng)域的基礎(chǔ)材料，有石材不可替代的優(yōu)越性。125.鋼時代 1800年左右鋼的性能及利用有了飛速發(fā)展。鋼：含碳量0.2% - 2.11%，高溫下具有高強(qiáng)度的蒸汽機(jī)的發(fā)明農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)社會進(jìn)入工業(yè)經(jīng)濟(jì)社會 導(dǎo)致了大規(guī)模的機(jī)械化生產(chǎn)，引起了第一次產(chǎn)業(yè)革命，即工業(yè)革命 。 136.硅時代 1950年 二極管、三極管的發(fā)明，進(jìn)入電子管時代 。硅、鍺半導(dǎo)體材 料的出現(xiàn)，使晶體管取代電子管，進(jìn)入硅時代 。單晶硅生產(chǎn)集成電路，開始向微型化方向

5、發(fā)展 。14以硅材料為核心的集成電路在過去40年里得到迅速發(fā)展，它占集成電路的90以上?？梢灶A(yù)見，在21世紀(jì)，它的核心地位仍不會動搖。自1958年問世以來，硅集成電路器件集成度提高了l00萬倍，單位價格下降為100萬分之一。這主要是靠光刻線寬縮小和成品率的提高，而單晶硅的尺寸增大和質(zhì)量提高起到了重要作用。157.新材料時代 1990年新材料是指那些正在發(fā)展，且具有一般傳統(tǒng)材料所不可比擬的優(yōu)異性能或特定功能、應(yīng)用前景良好的一類材料。時代特征：由多種材料決定社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展以人造為特征為了特定的需要可設(shè)計和加工而成16二、新材料是社會現(xiàn)代化的先導(dǎo)材料發(fā)展是高新技術(shù)社會現(xiàn)代化的先導(dǎo)，是一個國家科學(xué)技術(shù)

6、和工業(yè)水平的反映和標(biāo)志。20世紀(jì)80年代，以高技術(shù)群為代表的新技術(shù)革命，將新材料、信息技術(shù)和能源并列為新技術(shù)革命的重要標(biāo)志。 1720世紀(jì)新材料的作用體現(xiàn)1信息時代與信息材料2航空航天技術(shù)與新材料3核技術(shù)與核材料18什么是信息技術(shù)？ 廣義地講，信息技術(shù)是擴(kuò)展人類信息器官功能的一類技術(shù)，具體說，信息技術(shù)是指包括信息獲取、信息傳遞、信息存儲、信息處理和信息顯示等在內(nèi)的總稱。 信息技術(shù)對社會各行各業(yè)均具有極強(qiáng)的滲透力，信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，成為加速經(jīng)濟(jì)、社會變革的強(qiáng)大推動力，使生產(chǎn)自動化、金融自動化、辦公自動化、服務(wù)自動化、軍事指揮自動化等能得以實(shí)現(xiàn)。19 當(dāng)今社會的各個方面，廣至空間宇宙，微到原子和

7、電子，無論是科研、生產(chǎn)、社會交往、家庭生活乃至作戰(zhàn)指揮，無一例外地均與信息技術(shù)結(jié)下不解之緣。信息技術(shù)的飛速進(jìn)步，使得整個社會的生產(chǎn)方式、生活方式、思維觀念都在經(jīng)歷一場的深刻變化。生產(chǎn)效率成百倍地增長，為生產(chǎn)和生活服務(wù)的自動化、電子化、“傻瓜”化的設(shè)備和生活日用品，花樣翻新、層出不窮。 由于信息技術(shù)的廣泛利用，人的大腦“擴(kuò)展”了，人的四肢“延長”了，人的“能量”增大了，人的時空觀念也改變了，從而使得整個世界融為一體，地球由此變“小”，外星球與人類更接近，“天涯若比鄰”也從詩人的幻想變?yōu)檎嬲默F(xiàn)實(shí)。20 在人們盡情享受當(dāng)代信息技術(shù)所帶來的方便、歡欣的時候，不知有多少人能意識到在信息技術(shù)的“花花世界

8、”背后，還有一個支撐這個“花花世界”的“材料王國”？21什么是信息材料？ 信息材料主要是指用于信息的收集、存儲、處理、傳遞和顯示的微電子材料和光電子材料。 微電子材料和光電子材料的發(fā)展歷程也就是信息材料的主要發(fā)展歷程。微電子材料和光電子材料是微電子技術(shù)和光電子技術(shù)的基礎(chǔ)和先導(dǎo)，因此，了解微電子技術(shù)和光電子技術(shù)的發(fā)展歷程。就能清楚地看出微電子材料和光電子材料的發(fā)展歷程。 信息材料是一個龐大的家族。它包括以集成電路材料為代表的微電子材料和以半導(dǎo)體激光器、光通信、光存儲、光傳感、光顯示、光處理、集成光路、光電子集成電路材料為代表的光電子材料。221.信息時代與信息材料(一)半導(dǎo)體材料、磁性材料、激光

9、材料與光纖材料的出現(xiàn)，加速了現(xiàn)代文明的發(fā)展，使人類進(jìn)入了信息時代。在信息技術(shù)領(lǐng)域中，獲取并記錄相關(guān)信息是信息處理的基本前提。傳感器作為重要的獲取工具是用敏感材料制造的，它是利用材料具有不同的物理、化學(xué)和生物效應(yīng)，制成對光、聲、電、力、磁、溫度、氣體等敏感的原件。敏感材料靈敏度和穩(wěn)定性的提高是制造高可靠性傳感器的關(guān)鍵。231.信息時代與信息材料(二) 信息獲取后必須進(jìn)行記錄，在此基礎(chǔ)上方能進(jìn)行信息的傳輸和處理，這就需要發(fā)展容量大、密度高、速度快、成本低的信息存儲材料。目前已出現(xiàn)的信息存儲材料有磁存儲材料、半導(dǎo)體存儲材料、光存儲材料等。 當(dāng)信息是以電子作為載體時，其傳輸媒體是金屬導(dǎo)線或金屬波導(dǎo)管。

10、而當(dāng)信息載體是光子時，就必須以新材料光導(dǎo)纖維為媒體。 目前，計算機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展受到芯片材料的制約，而砷化鎵由于具有開關(guān)速度快、電子遷移率高和受激發(fā)光的特點(diǎn)，成為未來新一代高速芯片的優(yōu)選材料。242.航空航天技術(shù)與新材料 各種先進(jìn)飛機(jī)、運(yùn)載火箭、導(dǎo)彈、衛(wèi)星的研制成功和投入使用，高性能材料起了關(guān)鍵的作用。高性能主要包括：輕質(zhì)、高強(qiáng)、高模量、高韌、耐高溫、耐低溫、抗氧化、耐腐蝕等。有資料顯示，飛機(jī)性能的提高，材料所占比例達(dá)2/3左右。 25飛機(jī)材料的早期演變過程樅木棉布20世紀(jì)初第一架飛機(jī)鋁合金鋼20年代飛機(jī)鋁合金鋼鈦合金50年代噴氣飛機(jī)鋁合金鋼鈦合金復(fù)合材料60年代后的飛機(jī)發(fā)動機(jī)材料的早期演變過程

11、普通鋼20世紀(jì)初的活塞式發(fā)動機(jī)鋁合金鋼40年代活塞式高溫合金單晶合金鈦合金50年代后渦輪噴氣發(fā)動機(jī)26高推重比發(fā)動機(jī)對材料要求 推重比 6 8 10 12 15 渦輪 前溫度 1200K（927） 1600K（1327） 1850K（1577） 1950K（1677） 2100K（1827）零件溫度隨著推重比提高而不斷提高，對材料提出了更高耐溫要求為了減重，大量采用新結(jié)構(gòu)設(shè)計，要求高比強(qiáng)、高比剛度新穎材料高推重比航空發(fā)動機(jī)要求長壽命和高可靠性27 對飛機(jī)、運(yùn)載火箭、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等來說，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量對提高飛行器的安全性、增加有效載荷和續(xù)航距離，降低燃料消耗和成本具有重要作用，飛行速度越高，減重意義

12、越大。 20世紀(jì)高溫葉片的研制和發(fā)展也是當(dāng)代材料科學(xué)工程的成就之一，高溫合金在先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)中占一半以上，隨著材料性能不斷改進(jìn)，發(fā)動機(jī)性能不斷提高。283.核技術(shù)與核材料 20世紀(jì)最驚人的科技成就之一是人類實(shí)現(xiàn)了原子核內(nèi)部巨大能量的釋放，原子彈和氫彈的成功爆炸正是這一成就的體現(xiàn)。 50年代以來，人類開始利用核能源，以我國大亞灣核電站為例，它的核心是燃料棒和燃料組件，這些組件都是由鋯合金制成的，以滿足苛刻的工作環(huán)境條件和應(yīng)用要求。至今，世界各核大國還在研制新型的鋯合金。 核材料除用于制造核武器外，也用于造福人類，如各種同位素的應(yīng)用、核醫(yī)學(xué)等。29三、新材料是社會可持續(xù)發(fā)展的保證 布倫特蘭夫人在我

13、們共同的未來中對可持續(xù)發(fā)展的經(jīng)典表述為：“可持續(xù)發(fā)展是在滿足當(dāng)代人的需要的同時，不損害后代人滿足其自身需要的能力。”具體來說就是節(jié)省資源、清潔生產(chǎn)、提高能源利用率及開發(fā)新能源與再生資源、改善生態(tài)環(huán)境和持續(xù)農(nóng)林生產(chǎn)、減少污染及降低溫室效應(yīng)、提高人口素質(zhì)等。 新材料的發(fā)展正是適應(yīng)了這一需求，它在現(xiàn)代社會各個領(lǐng)域的應(yīng)用將極大地改變傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)增長方式和發(fā)展模式，成為可持續(xù)發(fā)展的重要保證30第二節(jié) 材料及其分類31一、材料的定義 材料是指人類社會可接受、能經(jīng)濟(jì)地制造有用器件、機(jī)器或其他產(chǎn)品的那些物質(zhì)。 32二、材料的分類 1按化學(xué)成分、生產(chǎn)過程、結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)分類： 1）金屬材料：以金屬元素為基礎(chǔ)的材料

14、具有優(yōu)良的力學(xué)性能，特別是高強(qiáng)度和高韌性，優(yōu)良的可加工性。a.鐵及鐵基合金b.非鐵金屬及其合金332）無機(jī)非金屬材料 它是以某些元素的氧化物、碳化物、氫化物、鹵化物以及硅酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽等物質(zhì)組成的材料(寶石、陶瓷、水泥、玻璃等)。特點(diǎn)：耐高溫、高硬度、抗腐蝕、以及優(yōu)良的介電、光學(xué)、電磁性能及其功能轉(zhuǎn)換特性等。 343）高分子材料 主要指以高分子化合物為基礎(chǔ)制得的材料，它是由一種或幾種分子或分子團(tuán)（結(jié)構(gòu)單元或單體）以共價鍵結(jié)合成具有多個重復(fù)單元的大分子材料。 特點(diǎn)：種類多、密度小、比強(qiáng)度大、電絕緣性及耐腐蝕性好、加工容易、符合多種及特種用途的要求。354）復(fù)合材料它是由兩種或兩種以

15、上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料。一般由基體組分和增強(qiáng)體組分（功能組分）所組成。（1）按基體可分為金屬基、高分子基、無機(jī)非金屬基復(fù)合材料（2）按用途可分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料362按使用性能分類 1）結(jié)構(gòu)材料：以力學(xué)性能為基礎(chǔ)，用于制造受力構(gòu)件的材料。2）功能材料：是利用物質(zhì)的特殊物理、化學(xué)性能或生物功能等而形成的一類材料。373按結(jié)構(gòu)分類 晶態(tài)材料非晶態(tài)材料準(zhǔn)晶態(tài)材料384按物理性質(zhì)分類 導(dǎo)電材料半導(dǎo)體材料絕緣材料高溫材料高強(qiáng)度材料磁性材料超導(dǎo)材料透光材料 395按效應(yīng)分類 光電材料壓電材料激光材料熱電材料聲光材料智能材料磁光材料非線性光學(xué)材料 406按用途分類 信

16、息材料航空航天材料能源材料生物材料建筑材料核材料包裝材料 41第三節(jié) 材料的結(jié)構(gòu)42一、材料的成分與組織結(jié)構(gòu)材料的性能都是由其化學(xué)組成和內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)決定的，了解材料的組成和組織結(jié)構(gòu)特征與性能間的關(guān)系，才能夠有目的、有選擇的地使用材料和開發(fā)各種新材料。431材料的組元、相和組織1）組元(組分): 是組成材料最基本、獨(dú)立的物質(zhì)，是純元素或穩(wěn)定化合物。2）相: 是材料中具有同一化學(xué)成分并且結(jié)構(gòu)和性質(zhì)相同的均勻連續(xù)部分。3）組織: 材料內(nèi)部的微觀形貌稱為材料的組織。材料組織一般分為微觀與宏觀組織 ，微觀組織需借助光學(xué)、電子顯微鏡才能觀察到，而宏觀組織用肉眼或放大鏡（20100倍）可觀察到。44材料的組

17、織圖 在光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡下觀察到的，反映各組成相形態(tài)、尺寸及分布的圖像如下：452材料中的鍵合方式1）金屬鍵:指金屬原子貢獻(xiàn)出價電子后成為正離子，再與公有化的自由電子間產(chǎn)生靜電作用而結(jié)合起來的方式。2）離子鍵:是由釋放出最外層電子而帶正電的陽離子與接受其電子的帶負(fù)電的陰離子之間通過庫倫引力所形成的一種鍵合。3）共價鍵: 是由于相鄰原子間通過共用其外殼層價電子而形成的化學(xué)鍵。4）氫鍵: 是氫原子在分子中與原子A鍵合時還能與原子B形成附加鍵(作用力比較弱)。5）范德華鍵:原子中的電子運(yùn)動產(chǎn)生的偶極子間的相互作用所造成的引力。（聚合物分子間作用力）463晶體結(jié)構(gòu)晶體:是指原子(離子、分子)在三

18、維空間按一定規(guī)律呈周期性地排列構(gòu)成的物質(zhì)。晶體結(jié)構(gòu):是指晶體中，原子(離子、分子)的排列方式。47晶體 晶體特點(diǎn)：近程有序、遠(yuǎn)程有序 48非晶體 非晶體：質(zhì)點(diǎn)在三維空間不呈周期性的規(guī)則排列。近程有序、遠(yuǎn)程無序晶體SiO2 非晶體SiO2 49晶體與非晶體的區(qū)別 質(zhì)點(diǎn)是否在三維空間作有規(guī)則的周期性重復(fù)排列。晶體熔化時具有固定的熔點(diǎn)，而非晶體無明顯熔點(diǎn)，只存在一個軟化溫度范圍。晶體具有各向異性，非晶體呈各向同性。 50單晶體與多晶體 單晶體：質(zhì)點(diǎn)按同一取向排列，由一 個核心（晶核）生長而成的晶體。多晶體:由許多不同位向的小晶體所組成的晶體。51 c 晶體的幾個定義 1）陣點(diǎn)：將構(gòu)成晶體的原子（離子

19、、分子）抽象成純粹的幾何點(diǎn)，稱為陣點(diǎn)。2）空間點(diǎn)陣：陣點(diǎn)在空間呈周期性規(guī)則排列，并具有等同的周圍環(huán)境的模型。3）晶格：作許多平行的直線把陣點(diǎn)連接起來，構(gòu)成一個三維的幾何格架稱為晶格。4）晶胞：晶格中能夠完全反映晶格特征的最小幾何單元稱為晶胞。通常是在晶格中取一個最小的平行六面體作為晶胞。5）晶胞參數(shù)：晶胞三條棱邊（晶軸）的邊長a、b、c及晶軸之間的夾角、稱為晶胞參數(shù)。b a 52晶系與布拉菲點(diǎn)陣 根據(jù)晶胞的外形，即晶軸長度和晶軸夾角將晶體分為七大晶系：立方、四方、正交、六方、單斜、三斜、菱方布拉菲點(diǎn)陣（14種）立方：簡單立方，體心立方，面心立方四方：簡單四方，體心四方正交：簡單正交，底心正交，

20、體心正交，面心正交六方：簡單六方單斜：簡單單斜，底心單斜三斜：簡單三斜三方（菱方）：簡單三方（菱方） 53三斜：abc 90o 單斜：abc =90o 正交：abc =90o 四方：a=bc =90o 菱方：a=b=c =90o 六方：a=bc =90o，=120o 立方：a=b=c =90o 底心 體心 面心 54體心立方簡單立方面心立方三種立方晶體結(jié)構(gòu)55晶體形成的途徑熔融態(tài)物質(zhì)凝固氣態(tài)物質(zhì)冷卻不經(jīng)液態(tài)直接凝固(凝華)溶質(zhì)從溶液中析出無隙并置排列56晶體的組成 多元晶體：由兩種或更多元素組成，組成方式有固溶體和化合物。固溶體：加盟組元（溶質(zhì)）原子，占據(jù)基本組元原子晶體中所占位置的一部分或它

21、們之間的某些空隙，而仍保持基本組元（溶劑）的晶體結(jié)構(gòu)?；衔铮杭用私M元與基本組元以一定的比值重新組合形成新的晶體結(jié)構(gòu)。（單質(zhì)） （置換型固溶體） （間隙型固溶體） 57晶體結(jié)構(gòu)的缺陷 晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型： 1）點(diǎn)缺陷：零維缺陷 2）線缺陷：一維缺陷（位錯） 3）面缺陷：二維缺陷58點(diǎn)缺陷 指原子應(yīng)占而未占的空位或間隙中不該存在而存在的間隙原子而導(dǎo)致的缺陷。缺陷尺寸很小，僅引起幾個原子范圍的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的不完整。(a)空位(b)雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)(c)間隙質(zhì)點(diǎn)59線缺陷 線缺陷：晶體中某處一列或若干列原子發(fā)生了有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。刃位錯 螺位錯 60面缺陷 在二維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列而產(chǎn)生的

22、缺陷，如晶界、相界等.61晶界、相界 晶界：普通金屬和合金通常都是多晶體，由許多位向不同的小晶體組成，這些小晶體稱為晶粒，晶粒之間的界面稱為晶界。相界：在多相組織中，具有不同晶體結(jié)構(gòu)的兩相之間的分界面稱為相界。62二、各種材料的結(jié)構(gòu)1金屬材料的結(jié)構(gòu)金屬材料一般都是晶體，在常溫下純金屬的晶體結(jié)構(gòu)大部分屬于面心立方結(jié)構(gòu)、體心立方結(jié)構(gòu)和密排六方結(jié)構(gòu)。溫度變化時同一種金屬可能會發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。金屬合金是由不同的相組成，從結(jié)構(gòu)上可以將合金中的相分為固溶體和化合物。632.無機(jī)非金屬材料的結(jié)構(gòu) 無機(jī)非金屬材料中的相組成較復(fù)雜，其典型組織由晶體相、玻璃相和氣相組成。其中晶體相是主要的組成相，其結(jié)構(gòu)、數(shù)量、

23、形態(tài)和分布，決定無機(jī)非金屬材料的主要性能和應(yīng)用，常見的晶體相結(jié)構(gòu)有氧化物結(jié)構(gòu)（陶瓷材料的主要組分和晶體相）、非氧化物結(jié)構(gòu)（金屬碳化物、氮化物和硅化物等）和硅酸鹽結(jié)構(gòu)（耐火材料硅酸鎂）。643.高分子材料的結(jié)構(gòu) 高分子材料的結(jié)構(gòu)包括高分子鏈的結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)。1）高分子鏈結(jié)構(gòu)：線型分子鏈、支鏈型分子鏈、體型分子鏈2）高分子鏈的構(gòu)型：指高分子鏈中原子或原子團(tuán)在空間的排列方式，高分子通常含有不同的取代基，取代基位置不同使高分子形成不同的立體構(gòu)型。3）聚集態(tài)結(jié)構(gòu)：材料內(nèi)部高分子鏈的幾何排列和堆砌結(jié)構(gòu)，分為晶態(tài)、部分晶態(tài)、非晶態(tài)。654.復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料可以是一個連續(xù)相與一個分散相的復(fù)合，也可以是

24、兩個或多個連續(xù)相與一個或多個分散相的組合。以金屬材料、無機(jī)非金屬材料、高分子材料為基體的復(fù)合材料中，分散相（增強(qiáng)介質(zhì)）可以是零維、一維、二維或三維的各類材料。66三.材料成分和結(jié)構(gòu)的檢測 高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）掃描電子顯微鏡（SEM）掃描探針顯微鏡/掃描隧道顯微鏡（SPM/STM）原子力顯微鏡（AFM）X射線衍射（XRD）熱重/差熱分析/差示掃描量熱法（TG/DTA/DSC）超導(dǎo)量子相干磁力測定儀（SQUID）BET氣體吸附表面積測量和孔結(jié)構(gòu)分析（BET法）67第四節(jié) 材料的性能68材料的性能 力學(xué)性能：材料在不同載荷和環(huán)境作用下的變形行為及抵抗變形和破壞的能力。物理性能：指從物

25、理學(xué)的觀點(diǎn)表征材料的熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)和光學(xué)等性能。化學(xué)性能：指材料抵抗各種介質(zhì)的化學(xué)作用而反映出來的性能。69一、力學(xué)性能1彈性：指材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力取消后又恢復(fù)到原來的形狀和大小的一種特性。1）彈性模量E或G（MPa或N/mm2）：材料在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變的比值。彈性模量表征材料抵抗彈性變形的能力 2）比例極限p（Sigma，MPa或N/mm2）：材料在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變保持直線關(guān)系，開始偏離直線時的應(yīng)力3）彈性極限e（MPa或N/mm2）：彈性變形階段，不產(chǎn)生塑性變形時所能承受的最大應(yīng)力702強(qiáng)度 指材料在外力作用下，抵抗塑性變形或破壞的最大能力。 1）抗拉強(qiáng)度（拉伸

26、強(qiáng)度）b：材料承受拉伸載荷時，斷裂前單位面積上所承受的最大應(yīng)力。2）抗彎強(qiáng)度（彎曲強(qiáng)度）bb：材料承受彎曲載荷時，斷裂前單位面積上所承受的最大應(yīng)力。3）抗壓強(qiáng)度bc：材料承受壓縮載荷時，斷裂前單位面積上所承受的最大應(yīng)力。4）抗剪強(qiáng)度（剪切強(qiáng)度）（Tau）：材料承受剪切載荷時，斷裂前單位面積上所承受的最大應(yīng)力。715）抗扭強(qiáng)度（扭曲強(qiáng)度）b：材料承受扭轉(zhuǎn)載荷時，斷裂前單位面積上所承受的最大應(yīng)力。6）屈服強(qiáng)度s：材料承受載荷時，產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的臨界應(yīng)力。它表示材料抵抗塑性變形的能力。（屈服：材料開始產(chǎn)生塑性變形）7）蠕變強(qiáng)度；材料在一定的溫度下，經(jīng)過一定時間，蠕變速度不超過規(guī)定的數(shù)值，此時所能承受

27、的最大應(yīng)力。（蠕變：在恒應(yīng)力作用下，隨著時間的增加，材料會緩慢地發(fā)生塑性變形，這種現(xiàn)象為蠕變）8）疲勞極限r(nóng)：材料在交變載荷作用下，經(jīng)過無限次應(yīng)力循環(huán)而不引起斷裂的最大循環(huán)應(yīng)力。（疲勞：材料在循環(huán)(交變)載荷作用下發(fā)生損傷乃至斷裂的過程 ）723硬度 材料抵抗其他物質(zhì)刻劃或壓入其表面的能力 材料硬度測試方法：1）壓入法2）劃痕法3）回跳法73 布氏硬度HB 洛氏硬度HR 維氏硬度HV壓入法回跳法：肖氏硬度74布氏硬度HB(Brinell-hardness)布氏硬度計 用鋼球壓入材料表面，單位面積的承載能力，稱為布氏硬度75用一定直徑的壓頭（球體），以相應(yīng)試驗(yàn)力壓入待測表面，保持規(guī)定時間卸載后，

28、測量材料表面壓痕直徑，以此計算出硬度值。布氏硬度測量方法 76洛氏硬度 HR(Rockwell hardness)用金剛石或淬火鋼球壓入材料表面，壓入深度稱為洛氏硬度77 用錐頂角為120的金剛石圓錐或直徑1.588mm的淬火鋼球，以相應(yīng)試驗(yàn)力壓入待測表面，保持規(guī)定時間卸載后卸除主試驗(yàn)力，以測量的殘余壓痕深度增量來計算出硬度值洛氏硬度測量方法 78維氏硬度HV(Vikers hardness )維氏硬度計用金剛石壓頭壓入材料表面，單位面積的承載能力，稱為維氏硬度與布氏硬度試驗(yàn)原理基本相同，只是壓頭改用了錐面夾角為136的金剛石正四棱錐體79 以一定的試驗(yàn)力將壓頭壓入試樣表面，保持規(guī)定時間卸載后

29、，在試樣表面留下一個四方錐形的壓痕，測量壓痕兩對角線長度，以此計算出硬度值維氏硬度測量方法 80肖氏硬度 用一定量的鋼球或金剛石球，自一定高度落下，撞擊材料后，球又回跳到一定高度，此高度為肖氏硬度 814塑性 材料在外力作用下，產(chǎn)生永久變形的能力稱為塑性 1）伸長率（Delta，）：材料在外力作用下被拉斷后，在標(biāo)距內(nèi)總伸長長度同原來標(biāo)距長度相比的百分率 10% 屬塑性材料2）斷面收縮率（Psi，）：材料在外力作用下被拉斷后，其橫截面面積的縮小量與原來橫截面積相比的百分率825韌性 指材料抵抗塑性變形和破壞的能力1）沖擊韌性（抗沖強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度）（aK）：材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。在一

30、次性沖擊試驗(yàn)中，用試樣受沖擊而破壞時單位面積破斷所吸收的能量來表示2）斷裂韌性（KIc）：材料在裂紋存在的情況下抵抗脆性斷裂的能力83二、物理性能1密度（，Rho，kg/m3）：材料單位體積的質(zhì)量842熱學(xué)性能 1）熔點(diǎn)（K）：材料由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的熔化溫度2）比熱容（c，J/(kg.K)）：單位質(zhì)量的物質(zhì)，在溫度升高或降低1K時所吸收或放出的熱量3）熱導(dǎo)率（，Lambada，W/(m.K)）：在單位時間內(nèi)，沿?zé)崃鞣较騿挝婚L度上溫度降低1K時，單位面積允許導(dǎo)過的熱量4）線膨脹系數(shù)（1，K1）：材料溫度每升高1K所增加的長度與原長度的比值853電學(xué)性能 1）電阻率（，.mm2/m）：反映材料絕緣

31、性能的參數(shù)，與材料的截面積成正比，與長度成反比2）電導(dǎo)率（，Gamma，S/m）：電阻率的倒數(shù)864磁學(xué)性能 1）磁導(dǎo)率（，H/m）：衡量磁性材料磁化難易程度的性能指標(biāo)，是磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度的比值2）磁感應(yīng)強(qiáng)度（B，T）：表示磁場強(qiáng)度與方向特性的物理量3）磁場強(qiáng)度（H，A/m）：是表示磁場中各點(diǎn)磁力大小和方向的物理量4）矯頑力（Hc，A/m）：消除剩磁感應(yīng)強(qiáng)度所需外加反向磁場的磁場強(qiáng)度的絕對值 875摩擦性能 摩擦系數(shù)（f）：摩擦力與產(chǎn)生摩擦力的正應(yīng)力的比值88三、化學(xué)性能1、耐腐蝕性材料抵抗酸、堿、鹽、空氣及各種溶液、潤滑油等介質(zhì)腐蝕的能力。2、抗氧化性材料在高溫下防止與周圍的氧作用而不被

32、損壞的能力。89第五節(jié) 材料科學(xué)與工程重要性90材料科學(xué)與工程重要性材料是人類文明進(jìn)步的基石和里程碑新石器時代青銅器時代硅(石）時代？舊石器時代鐵器時代工具、材料的使用創(chuàng)造了現(xiàn)代人類材料的進(jìn)步推動了社會的發(fā)展和人類文明的進(jìn)步91Si片導(dǎo)致信息革命塑料塑造現(xiàn)代社會Al成就了航空航天92材料科學(xué)與工程是一古老而又年輕的科學(xué)，歷史悠久，但真正成為獨(dú)立科學(xué)或?qū)W科還是3040年前的事。材料科學(xué)與工程學(xué)科歷史93 美國材料科學(xué)與工程調(diào)查委員會的定義為： “材料科學(xué)與工程是關(guān)于材料成分與制備工藝，組織結(jié)構(gòu)，材料性能和使用性能這四個要素以及它們之間相互關(guān)系的有關(guān)知識的開發(fā)和應(yīng)用的科學(xué)”。 1、材料科學(xué)與工程

33、一、材料科學(xué)與工程的內(nèi)涵94一、材料科學(xué)與工程的內(nèi)涵材料科學(xué)：通過材料本質(zhì)的發(fā)現(xiàn)、分析和了解等方面的研究，提供材料結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一描繪或模型，以及解釋材料結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系的科學(xué)。材料工程：把相關(guān)基礎(chǔ)知識應(yīng)用于材料的研制、生產(chǎn)、改性和應(yīng)用，以完成特定的社會任務(wù)。95材料科學(xué)與工程 材料科學(xué) 材料工程 材料科學(xué)與工程：有關(guān)材料成分、結(jié)構(gòu)、工藝和性能與用途之間有關(guān)知識和應(yīng)用的科學(xué)。96 性能合成/制備結(jié)構(gòu)/成份使用性能 材料科學(xué)研究材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)之間的關(guān)系 材料工程通過結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工以達(dá)到利用材料的某一特殊性質(zhì)的目的 合成/制備 結(jié)構(gòu)/成份 性能 使用性能材料科學(xué)與工程四面體97材料科學(xué)與工程的四要

34、素 1）成分/結(jié)構(gòu)(Composition/Structure)：影響其性能的直接因素成分/結(jié)構(gòu)合成/加工性質(zhì)效能4）效能(Performance)（使用性能或效果）：是指材料在使用條件下的表現(xiàn)，包括環(huán)境影響、受力狀態(tài)、材料特征曲線，乃至壽命估計等。 3）性質(zhì)(Properties) （性能）：力學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)2）合成/加工(Synthesis/Processing)：改變材料的組織結(jié)構(gòu)而影響其性能98新材料對高新技術(shù)的發(fā)展起著重要的推動和支撐作用信息、能源、生物、航空航天的發(fā)展都離不開材料進(jìn)步，如Si、Al、塑料、LiCO3、ZnS等新材料在對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的升級與改造中扮演關(guān)鍵角色材

35、料科學(xué)與工程重要性99第六節(jié) 新材料技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)1001、從發(fā)展觀點(diǎn)區(qū)分 可分為傳統(tǒng)材料和新型材料。傳統(tǒng)材料是指具有悠久使用歷史的材料，如鋼鐵、水泥、普通陶瓷、磚瓦、橡膠等，也稱基礎(chǔ)材料。一、新材料的概念 101新型材料包含著這樣兩個層面的含義，一是對傳統(tǒng)材料的再開發(fā)，使其在性能上獲得重大突破的材料；二是采用新工藝和新技術(shù)合成，開發(fā)出具有各種新的和特殊功能的材料。 人造軟骨1021、新材料的重要性經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的基礎(chǔ)國防實(shí)力的保證科技進(jìn)步的關(guān)鍵103二、新材料發(fā)展的重點(diǎn)1信息功能材料信息功能材料是指用于信息的產(chǎn)生、獲取、存儲、傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示所需的材料，主要用于計算機(jī)、通訊和控制，這類材料的要求高，發(fā)展快，種類繁多。特別是光電子材料在21世紀(jì)將得到更大發(fā)展。1042高性能結(jié)構(gòu)材料 結(jié)構(gòu)材料一般數(shù)量大，資源與能源消耗高，污