結(jié)構(gòu)與性能緒論

材料結(jié)構(gòu)與性能緒論材料科學(xué)的重要地位材料的分類材料基本用途材料技術(shù)的發(fā)展趨勢材料性能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系本課程的教學(xué)內(nèi)容——材料是是人類進(jìn)步的象征人類歷史階段是根據(jù)使用材料劃分的。從過去到現(xiàn)在共經(jīng)歷了七個時代1石器時代公元前10萬年2青銅時代公元前3000年3鐵器時代公元前1000年4水泥時代公元0年5鋼時代1800年6硅時代1950年7新材料時代1990年一材料科學(xué)的重要地位石器時代青銅時代鐵器時代硅時代鐵制車輪新材料時代現(xiàn)代社會使用的材料種類繁多，無法簡單地用某一種甚至某一類材料來象征社會的發(fā)展水平、技術(shù)水平，但材料是一切東西的物質(zhì)基礎(chǔ)仍然沒有改變，而且今后也永遠(yuǎn)不會改變。正是因為有千姿百態(tài)、數(shù)不清的材料，世界才會如此豐富多彩?！牧鲜乾F(xiàn)代文明的基石支撐人類現(xiàn)代文明大廈的四大支柱技術(shù)現(xiàn)代文明生物技術(shù)信息技術(shù)能源技術(shù)材料科學(xué)與工程基因工程、細(xì)胞工程、發(fā)酵工程和酶工程

通信、計算機(jī)與計算機(jī)語言、計算機(jī)游戲、電子技術(shù)、光纖技術(shù)太陽能、風(fēng)能、核能、生物能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽艿炔牧峡茖W(xué)的重要地位例如，人們早就知道了噴氣航空發(fā)動機(jī)比螺旋槳航空發(fā)動機(jī)有很多優(yōu)點，但由于沒有材料能承受噴射出燃?xì)獾母邷?，使這種理想只能是空中樓閣。直到1942年制成了鎳基耐熱合金這種新材料、才使噴氣發(fā)動機(jī)的制造得以實現(xiàn)。如果沒有1970年制成的可以實用的光導(dǎo)纖維，也不會有現(xiàn)代的光通信。如果不能制成高純度大直徑的硅單晶，就不會有高度發(fā)展的集成電路，也不會有今天如此先進(jìn)的計算機(jī)和一切電子設(shè)備。這樣的例子可以說舉不勝舉。1嶄新技術(shù)的實現(xiàn)需要嶄新材料的支持建筑、交通、能源、計算機(jī)、通信、多媒體、生物醫(yī)學(xué)工程無一不依賴材料科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展來實現(xiàn)和突破。沒有鋼鐵材料，就沒有今天的高樓大廈；沒有專門為噴氣發(fā)動機(jī)設(shè)計的材料，就沒有靠飛機(jī)旅行的今天；沒有耐高溫復(fù)合涂層材料，就沒有人類探索外空的飛船；沒有固體微電子電路，就沒有計算機(jī)。建筑交通一百多年來，鋼鐵一直是汽車工業(yè)的基礎(chǔ)。你也許會說這已經(jīng)沒什么好發(fā)展的了，不過，你錯了！圖片是幾卷高強(qiáng)鋼。這類金屬將是未來汽車的中堅力量。近來，鋼鐵工業(yè)已經(jīng)開發(fā)出一種汽車用鋼，比原先的輕24%，而強(qiáng)度高34%。超級鋼新型鋼材的優(yōu)點是：高撞擊能量吸收率；

高強(qiáng)度-質(zhì)量比；

實用新型制造工藝；

可以有多種不同性能(壽命、防銹等)。輪胎取代傳統(tǒng)輪胎，一家制造公司開發(fā)出一種經(jīng)久耐用的新型輪胎，可以和鋼或鋁制輪胎一決高下。這種輪胎的優(yōu)點可不僅僅是時髦漂亮，聚酯材料提供了優(yōu)良的抗腐耐磨性能，可以有效的抑制化學(xué)物對輪胎的侵蝕。當(dāng)為飛機(jī)部件選擇材料時，設(shè)計師要時時考慮“權(quán)衡”，也就是要選擇重量最輕而強(qiáng)度也要滿足一定要求。今天的飛機(jī)就是使用這種化合物而且還在隨著新材料的誕生而不斷發(fā)展。

在美國卡拉維納爾角航天基地待升空的（穿梭機(jī)）。它是人類高技術(shù)的結(jié)晶。它應(yīng)用了成千上萬種材料，特別是一些高技術(shù)的新型材料（本照片選自美國KennedySpaceCenter的Tourbook）。航天飛機(jī)磁懸浮列車，這種高溫超導(dǎo)磁懸浮列車最大特點就是乘坐平穩(wěn)、安全和快捷。沒有一點轟隆隆的噪聲，十分安靜。它的最主要的材料是超導(dǎo)材料，利用超導(dǎo)材料的完全抗磁性制得的。超導(dǎo)磁懸浮列車2先進(jìn)的技術(shù)又促使了新材料的誕生例如，利用計算機(jī)模擬可以計算出要求什么樣的性能便應(yīng)該有什么樣的成分組成的材料，甚至還沒有制造出來便可以先用虛擬現(xiàn)實技術(shù)觀看所制成的零件在工作時的表現(xiàn)如何。這就使得在研制新材料時，具有更大的主動性、預(yù)見性，避免盲目地作大量無益的探索。更進(jìn)一步，還可以算出原子之間應(yīng)該怎樣排列才能具有所需要的性能，并利用可以操作單個原子層的技術(shù)將其制造出來。所以，現(xiàn)代的材料技術(shù)正同其他高技術(shù)互相支持、共同發(fā)展。

1981年，瑞士蘇黎世的IBM實驗室，德國博士生比尼格（Binnig）和羅勒爾(Rohrer)教授發(fā)明掃描隧道顯微鏡（STM）。實現(xiàn)了人類直接“看”到單個原子的愿望！這是邁向納米技術(shù)重要里程碑。比尼格和羅勒爾也因此獲得了1986年的諾貝爾物理獎。掃描隧道顯微鏡工作原理示意圖

1989年在美國加州的IBM實驗內(nèi)，依格勒博士（D.Eigler）采用低溫、超高真空條件下的STM操縱著一個個氙原子，在一個位置上抓起一個原子，移動到另一個預(yù)先設(shè)計好的位置上，再放下該原子。重復(fù)這樣的步驟，依格勒將35個氙原子排布成了世界上最小的IBM商標(biāo)，實現(xiàn)了人類另一個幻想——直接操縱單個原子。原理上這也是實現(xiàn)了費曼的設(shè)想：按人的意愿排布一個個原子來構(gòu)建納米器件。依格勒博士進(jìn)一步操縱單個鐵原子排布成一個圓圈——量子?xùn)?。在原子操縱研究領(lǐng)域

1993年，中國科學(xué)院北京真空物理實驗室用掃描隧道顯微鏡實現(xiàn)了原子的操縱。盡管此工作比國際上晚了數(shù)年，但卻標(biāo)志著我國納米技術(shù)基礎(chǔ)研究的開始。

1不象以前的各個材料時代，它是一個由多種材料決定社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的時代；

2新材料科學(xué)根據(jù)我們對材料的物理和化學(xué)性能的了解，為了特定的需要設(shè)計和加工而成的。

新材料時代特征二材料的分類按材料的組成分。主要有金屬材料、無機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料、復(fù)合材料。按材料的特性和用途分。有結(jié)構(gòu)材料和功能材料。按材料內(nèi)部原子排列情況分。有晶態(tài)和非晶態(tài)。按材料的熱力學(xué)狀態(tài)分。有穩(wěn)態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)材料。按材料尺寸分。有一維、二維和三維材料等。結(jié)構(gòu)材料

用于制造受力條件下的材料，因此對它的要求主要是機(jī)械性能。如強(qiáng)度、延伸率、硬度、韌性、剛性等等。有時要求其能經(jīng)受住嚴(yán)峻的環(huán)境條件，如要求耐熱性、抗腐蝕性等。功能材料

主要用于完成某種光、熱、電、磁等特殊功能的材料。如，液晶材料用于顯示，但有時也要求有一定機(jī)械強(qiáng)度，如光導(dǎo)纖維主要用于傳輸光線，同時也要求有一定機(jī)械強(qiáng)度，否則連自己的重量都承受不了，也就無法構(gòu)成長的通信線路。三、材料基本用途金屬材料絕大部分都是結(jié)構(gòu)材料，但近來也出現(xiàn)一些功能材料，如形狀記憶合金、儲氫合金、金屬超導(dǎo)材料等。陶瓷材料有的作為結(jié)構(gòu)材料，有的作為功能材料。液晶材料目前還只能作為功能材料。四材料技術(shù)的發(fā)展趨勢當(dāng)前，材料技術(shù)的發(fā)展趨勢有以下幾種：

第一、從均質(zhì)材料向復(fù)合材料發(fā)展以前人們只使用金屬材料、高分子材料等均質(zhì)材料，現(xiàn)在開始越來越多地使用諸如把金屬材料和高分子材料結(jié)合在一起的復(fù)合材料。

第二、由結(jié)構(gòu)材料為方往向功能材料、多功能材料并重的方向發(fā)展以前講材料，實際上都是指結(jié)構(gòu)材料。但是隨著高技術(shù)的發(fā)展，其他高技術(shù)要求材料技術(shù)為它們提供更多更好的功能材料，而材料技術(shù)也越來越有能力滿足這一要求。所以現(xiàn)在各種功能材料越來越多。第三、材料結(jié)構(gòu)的尺度向越來越小的方向發(fā)展

如以前組成材料的顆粒，尺寸都在微米，現(xiàn)在向納米尺度方向發(fā)展。由于顆粒極度細(xì)化，使有些性能發(fā)生了截然不同的變化。第四、由被動性材料向具有主動性的智能材料方向發(fā)展過去的材料不會對外界環(huán)境的作用作出反應(yīng)，完全是被動的。新的智能材料能夠感知外界條件變化、進(jìn)行判斷并主動作出反應(yīng)。

第五、通過仿生途徑來發(fā)展新材料生物通過千百萬年的進(jìn)化，在嚴(yán)峻的自然界環(huán)境中經(jīng)過優(yōu)勝劣汰，適者生存而發(fā)展到今天，自有其獨特之處。為開發(fā)新材料又提供了一條廣闊的途徑。五材料性能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系三種基本類型材料中：金屬有好的導(dǎo)電性，有高的塑性和韌性；陶瓷材料則有高的硬度但很脆，且大多是電的絕緣材料；而高分子材料的彈性模量，強(qiáng)度，塑性都很低，多數(shù)也是不導(dǎo)電的。

這些材料的性能不同都是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的，即原子結(jié)構(gòu)，結(jié)合鍵，原子的排列方式（晶體和非晶體）以及顯微組織?！坝腥苏J(rèn)為材料科學(xué)是研究各種材料的結(jié)構(gòu)、制備加工工藝、性能和使用狀況之間的關(guān)系的科學(xué)。PropertiesStructureCompositionSynthesisProcessingPerformance材料科學(xué)”至今無明確定義。結(jié)構(gòu)－－包括用肉眼或低倍放大鏡觀察到的宏觀組織，用光學(xué)或電子顯微鏡觀察到的微觀組織，用場離子顯微鏡觀察到的原子象，以及原子的電子結(jié)構(gòu)。性能－－包括力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能，以及冶金和加工性能等工藝性能。加工－－是指包括材料的制備、加工、后處理（再循環(huán)處理）在內(nèi)的各種生產(chǎn)工藝。使用－－是指材料的應(yīng)用效果和反響。

材料的結(jié)構(gòu)、性能、加工和使用狀況這四個因素稱為材料科學(xué)與工程的四要素。在這四要素關(guān)系中