材料科學(xué)及其發(fā)展現(xiàn)狀

第一章材料科學(xué)概述

材料科學(xué)及其發(fā)展現(xiàn)狀高分子材料基礎(chǔ)知識(shí)及發(fā)展現(xiàn)狀1材料科學(xué)及發(fā)展現(xiàn)狀材料基本知識(shí)及發(fā)展歷史材料結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述材料的性能、工藝、結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系2材料與原料材料：經(jīng)過(guò)人類(lèi)勞動(dòng)獲得的、在進(jìn)一步加工過(guò)程仍然保持原質(zhì)的勞動(dòng)對(duì)象原料：經(jīng)過(guò)人類(lèi)勞動(dòng)取得的勞動(dòng)對(duì)象如：開(kāi)采出來(lái)的礦砂是冶煉金屬的原料種植出的小麥?zhǔn)侵圃烀娣鄣脑?材料與物質(zhì)材料:滿(mǎn)足指定工作條件下使用要求的形態(tài)和物理性狀的物質(zhì)材料：熱敏材料、壓電材料、激光材料物質(zhì)：SiO2、礬土（Al2O3）例：Al2O3---單晶，寶石或激光材料---多晶，集成電路的放熱基版材料---多孔多晶，催化劑的載體、敏感材料4材料化過(guò)程由化學(xué)物質(zhì)或原料轉(zhuǎn)變?yōu)橐欢ㄓ脠?chǎng)的材料的過(guò)程例：從SiO2和Na2CO3制備玻璃的過(guò)程例:玻璃鋼的制備織玻璃布制膠（環(huán)氧樹(shù)脂、稀釋劑、固化劑）將布放入模具中，涂膠，固化5材料分類(lèi)6材料分類(lèi)中的概念復(fù)合材料：由兩種或兩種以上，物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)，用適當(dāng)?shù)墓に嚪椒ńM合起來(lái)，而得到的具有復(fù)合效應(yīng)的多相固體材料，分類(lèi)如下：按原料在復(fù)合材料中的形態(tài)：基質(zhì)材料、分散材料按復(fù)合材料的形態(tài)和形狀：顆粒狀、纖維狀、層狀按復(fù)合性質(zhì)：物理復(fù)合，化學(xué)復(fù)合復(fù)合效果：結(jié)構(gòu)復(fù)合，功能復(fù)合72.結(jié)構(gòu)材料：使用其機(jī)械力學(xué)性能，用于機(jī)械制造、工程建筑、交通運(yùn)輸?shù)?.功能材料：利用各種物理和化學(xué)性質(zhì)，用于電子、紅外、激光、通訊等方面材料分類(lèi)中的概念8材料結(jié)構(gòu)概述宏觀組織結(jié)構(gòu)：用肉眼或放大鏡能觀察到的晶粒、相的集合狀態(tài)顯微組織結(jié)構(gòu)：借助光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡可觀察到的晶粒、相的集合狀態(tài)或材料內(nèi)部的微區(qū)結(jié)構(gòu)，尺寸為10-7~10-4m微觀結(jié)構(gòu)：原子及分子的結(jié)構(gòu)以及原子和分子的排列結(jié)構(gòu)9材料結(jié)構(gòu)概述—原子結(jié)構(gòu)原子由原子核和電子組成，電子質(zhì)量可以忽略，元素的原子序數(shù)等于原子中質(zhì)子的數(shù)目。根據(jù)量子力學(xué)原理，電子具有不連續(xù)能級(jí)，每個(gè)電子的能級(jí)和狀態(tài)由主量子數(shù)、角量子數(shù)、磁量子數(shù)、自旋量子數(shù)決定。電子分布遵從原理：泡利不相容原理，能量最低原理，洪特規(guī)則10原子或分子之間的結(jié)合鍵化學(xué)結(jié)合鍵離子鍵金屬鍵共價(jià)鍵物理結(jié)合鍵偶極之間的靜電力、誘導(dǎo)力、色散力氫鍵材料結(jié)構(gòu)概述—原子結(jié)構(gòu)11材料結(jié)構(gòu)概述—非晶態(tài)結(jié)構(gòu)非晶態(tài)結(jié)構(gòu)或無(wú)定形結(jié)構(gòu)的定義：原子排列近程有序而遠(yuǎn)程無(wú)序的結(jié)構(gòu)，也叫玻璃態(tài)結(jié)構(gòu)非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)長(zhǎng)程無(wú)序，各向異性沒(méi)有固定的熔點(diǎn)

12材料結(jié)構(gòu)概述—晶態(tài)結(jié)構(gòu)晶體：原子在三維空間呈周期性的無(wú)限有序排列的結(jié)構(gòu)，也稱(chēng)為點(diǎn)陣晶胞（晶格）：周期性排列的最小單位7大晶系，14種空間點(diǎn)陣晶面：晶體中由原子組成的任一平面成為晶面晶向：原子組成的任一直線單晶：有序性貫穿整塊晶體孿晶：晶體的長(zhǎng)程有序性在某一確定的平面突然發(fā)生轉(zhuǎn)折并以這一平面為界的兩部分晶體有各自的長(zhǎng)程有序性多晶：許多取向不同的晶粒組成的晶體13材料結(jié)構(gòu)概述—結(jié)構(gòu)缺陷定義：物質(zhì)中不均勻的部分。但結(jié)構(gòu)缺陷并不意味著材料有缺陷分類(lèi)（從幾何學(xué)的角度）點(diǎn)缺陷（零維缺陷）線缺陷（位錯(cuò)）面缺陷（二維缺陷）體缺陷（三維缺陷）這些缺陷對(duì)塑性變形、強(qiáng)度及斷裂等力學(xué)性能起決定性作用14結(jié)構(gòu)缺陷—點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷定義：涉及一個(gè)或幾個(gè)原子范圍的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)局部擾亂，是熱運(yùn)動(dòng)引起的點(diǎn)缺陷對(duì)光電等性能有很大影響將間隙原子或置換原子有意加入材料結(jié)構(gòu)中是材料固溶強(qiáng)化的基礎(chǔ)15結(jié)構(gòu)缺陷—線缺陷線缺陷定義：以一條線為中心的結(jié)構(gòu)錯(cuò)亂位錯(cuò)在晶體內(nèi)形成應(yīng)力場(chǎng)，位錯(cuò)線附近的原子平均能量高于其它區(qū)域，故這些原子穩(wěn)定性較差，容易被雜質(zhì)原子替代，因此位錯(cuò)附近的區(qū)域易受腐蝕金屬材料的應(yīng)變強(qiáng)化是由于金屬在形變過(guò)程中會(huì)使其所含位錯(cuò)數(shù)目增值，位錯(cuò)密度提高，因此得到強(qiáng)化16結(jié)構(gòu)缺陷—面、體缺陷面缺陷定義：原子或分子在一個(gè)交界面的兩側(cè)出現(xiàn)不同排列而形成的缺陷界面與表面相和相接觸的面為界面表面原子或分子一般比內(nèi)部原子或分子具有過(guò)剩的能量，為表面能表面及界面的特性對(duì)材料及器件影響極大，如金屬氧化與腐蝕晶界不同取向晶粒之間的接觸面細(xì)晶強(qiáng)化：晶界可使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，從而使材料強(qiáng)度提高體缺陷

指材料宏觀的結(jié)構(gòu)缺陷，如空洞、裂紋、沉淀相、包裹物等對(duì)材料的力學(xué)性能有很大的影響17材料的工藝、結(jié)構(gòu)和性能相互依賴(lài)、相互制約例：高壓聚乙烯和低壓聚乙烯例：銅棒：鑄造法和軋制成型工藝?yán)禾岣咚芰蠌?qiáng)度，可采用與橡膠共混的辦法來(lái)提高沖擊強(qiáng)度，采用加添加劑或增強(qiáng)劑來(lái)提高抗拉強(qiáng)度例：金屬?gòu)?qiáng)化主要是提高屈服強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度指材料開(kāi)始塑性流動(dòng)的應(yīng)力。要么盡可能減少位錯(cuò)，使其接近于完整晶體；要么盡可能設(shè)法阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，如冷變形強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化等18材料在人類(lèi)歷史進(jìn)程中的巨大作用材料是人類(lèi)賴(lài)以生活和生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)例：木材，玻璃，水泥，鋼鐵，陶瓷，塑料，橡膠，棉，麻，毛

材料是生產(chǎn)力發(fā)展的重要支柱1903，美國(guó)萊特兄弟發(fā)明了第一架飛機(jī)，材料為木材和帆布，航速只有16公里/小時(shí)1911年，制造出金屬結(jié)構(gòu)的飛機(jī)，材料為輕質(zhì)鋁合金（提高發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度）1939年，螺旋槳式代替活塞式，材料為耐700度高溫的鎳合金，航速為最初的47倍，755公里/小時(shí)40年代中期，可耐800度以上的高溫合金航天用聚合物：燒蝕材料（耐高溫的增強(qiáng)塑料，借本身熔化、升華或分解而消耗大量熱量結(jié)構(gòu)材料：玻璃纖維-環(huán)氧樹(shù)脂，可以減輕約1/3的重量膠結(jié)材料：結(jié)構(gòu)膠粘劑，環(huán)氧樹(shù)脂-丁腈橡膠涂層材料：耐高溫絕緣涂層，防潮濕、防霉菌涂層，耐磨涂層吸振材料，固體推進(jìn)劑材料，密封材料19材料是劃分人類(lèi)社會(huì)不同歷史時(shí)期的重要依據(jù)石器時(shí)代：石頭舊石器時(shí)期：比較粗糙打制石器中石器時(shí)期：局部磨光的石器、弓箭新石器時(shí)期：第一種人造材料-陶銅器時(shí)代：銅銅石并用時(shí)期：紅銅，自然銅，質(zhì)軟，不適于制作工具青銅器時(shí)期：銅錫合金，易于制造，硬度比紅銅高鐵器時(shí)代：鐵鐵在地殼中的含量為第四位