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(shì)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(guò)去到現(xiàn)在共經(jīng)歷了七個(gè)時(shí)代1石器時(shí)代公元前10萬(wàn)年2青銅時(shí)代公元前3000年3鐵器時(shí)代公元前1000年4水泥時(shí)代公元0年5鋼時(shí)代1800年6硅時(shí)代1950年7新材料時(shí)代1990年一材料科學(xué)的重要地位石器時(shí)代青銅時(shí)代鐵器時(shí)代硅時(shí)代鐵制車輪新材料時(shí)代現(xiàn)代社會(huì)使用的材料種類繁多，無(wú)法簡(jiǎn)單地用某一種甚至某一類材料來(lái)象征社會(huì)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(méi)有改變，而且今后也永遠(yuǎn)不會(huì)改變。正是因?yàn)橛星ё税賾B(tài)、數(shù)不清的材料，世界才會(huì)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(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)語(yǔ)言、計(jì)算機(jī)游戲、電子技術(shù)、光纖技術(shù)太陽(yáng)能、風(fēng)能、核能、生物能、地?zé)崮?、海洋能等材料科學(xué)的重要地位例如，人們?cè)缇椭懒藝姎夂娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)比螺旋槳航空發(fā)動(dòng)機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)，但由于沒(méi)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(dòng)機(jī)的制造得以實(shí)現(xiàn)。如果沒(méi)有1970年制成的可以實(shí)用的光導(dǎo)纖維，也不會(huì)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(huì)有高度發(fā)展的集成電路，也不會(huì)有今天如此先進(jìn)的計(jì)算機(jī)和一切電子設(shè)備。這樣的例子可以說(shuō)舉不勝舉。1嶄新技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要嶄新材料的支持建筑、交通、能源、計(jì)算機(jī)、通信、多媒體、生物醫(yī)學(xué)工程無(wú)一不依賴材料科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展來(lái)實(shí)現(xiàn)和突破。沒(méi)有鋼鐵材料，就沒(méi)有今天的高樓大廈；沒(méi)有專門(mén)為噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的材料，就沒(méi)有靠飛機(jī)旅行的今天；沒(méi)有耐高溫復(fù)合涂層材料，就沒(méi)有人類探索外空的飛船；沒(méi)有固體微電子電路，就沒(méi)有計(jì)算機(jī)。建筑交通一百多年來(lái)，鋼鐵一直是汽車工業(yè)的基礎(chǔ)。你也許會(huì)說(shuō)這已經(jīng)沒(méi)什么好發(fā)展的了，不過(guò)，你錯(cuò)了！圖片是幾卷高強(qiáng)鋼。這類金屬將是未來(lái)汽車的中堅(jiān)力量。近來(lái)，鋼鐵工業(yè)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種汽車用鋼，比原先的輕24%，而強(qiáng)度高34%。超級(jí)鋼新型鋼材的優(yōu)點(diǎn)是：高撞擊能量吸收率；

高強(qiáng)度-質(zhì)量比；

實(shí)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(kāi)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(diǎn)可不僅僅是時(shí)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(duì)輪胎的侵蝕。當(dāng)為飛機(jī)部件選擇材料時(shí)，設(shè)計(jì)師要時(shí)時(shí)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(guó)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(wàn)種材料，特別是一些高技術(shù)的新型材料（本照片選自美國(guó)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(diǎn)就是乘坐平穩(wěn)、安全和快捷。沒(méi)有一點(diǎn)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(jì)算機(jī)模擬可以計(jì)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(méi)有制造出來(lái)便可以先用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)觀看所制成的零件在工作時(shí)的表現(xiàn)如何。這就使得在研制新材料時(shí)，具有更大的主動(dòng)性、預(yù)見(jiàn)性，避免盲目地作大量無(wú)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(gè)原子層的技術(shù)將其制造出來(lái)。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(shí)驗(yàn)室，德國(guó)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(shí)現(xiàn)了人類直接“看”到單個(gè)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(jiǎng)。掃描隧道顯微鏡工作原理示意圖

1989年在美國(guó)加州的IBM實(shí)驗(yàn)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(gè)個(gè)氙原子，在一個(gè)位置上抓起一個(gè)原子，移動(dòng)到另一個(gè)預(yù)先設(shè)計(jì)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(gè)氙原子排布成了世界上最小的IBM商標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了人類另一個(gè)幻想——直接操縱單個(gè)原子。原理上這也是實(shí)現(xiàn)了費(fèi)曼的設(shè)想：按人的意愿排布一個(gè)個(gè)原子來(lái)構(gòu)建納米器件。依格勒博士進(jìn)一步操縱單個(gè)鐵原子排布成一個(gè)圓圈——量子?xùn)?。在原子操縱研究領(lǐng)域

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

1不象以前的各個(gè)材料時(shí)代，它是一個(gè)由多種材料決定社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的時(shí)代；

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

新材料時(shí)代特征二材料的分類按材料的組成分。主要有金屬材料、無(wú)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(duì)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(shí)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(shí)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(shí)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(wú)法構(gòu)成長(zhǎng)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(lái)也出現(xiàn)一些功能材料，如形狀記憶合金、儲(chǔ)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(shì)當(dāng)前，材料技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)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(kāi)始越來(lái)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(shí)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(lái)越有能力滿足這一要求。所以現(xiàn)在各種功能材料越來(lái)越多。第三、材料結(jié)構(gòu)的尺度向越來(lái)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(dòng)性材料向具有主動(dòng)性的智能材料方向發(fā)展過(guò)去的材料不會(huì)對(duì)外界環(huán)境的作用作出反應(yīng)，完全是被動(dòng)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(dòng)作出反應(yīng)。

第五、通過(guò)仿生途徑來(lái)發(fā)展新材料生物通過(guò)千百萬(wàn)年的進(jìn)化，在嚴(yán)峻的自然界環(huán)境中經(jīng)過(guò)優(yōu)勝劣汰，適者生存而發(fā)展到今天，自有其獨(dú)特之處。為開(kāi)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(wú)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(chǎng)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(gè)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