課件武漢理工大學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)課件1 2

1、0.1 材料分類n 0.1.1 材料按化學(xué)組成（或基本組成）分類n 0.1.2 根據(jù)材料的性能分類n 0.1.3 材料按服役的領(lǐng)域來分類n 0.1.4 材料按結(jié)晶狀態(tài)分類n 0.1.5 材料按材料的尺寸分類n 按物理性質(zhì)可分為：導(dǎo)電材料、絕緣材料、半導(dǎo)體材料、磁性材料、透光材料、高強度材料、高溫材料、超硬材料 等。n 按物理效應(yīng)分為：壓電材料、熱電材料、鐵電材料、非線性光學(xué)材料、磁光材料、電光材料、聲光材料、激光材料 等。n 按用途分為：電子材料、電工材料、光學(xué)材料、感光材料、耐酸材料、研磨材料、耐火材料、建筑材料、結(jié)構(gòu)材料、 包裝材料等。0.1.1按化學(xué)組成（或基本組成）分類：1. 金屬材料

2、2. 無機非金屬材料3. 高分子材料（聚合物）4. 復(fù)合材料1.金屬材料金屬材料是由化學(xué)元素周期表中的金屬元素組成的材料?？煞譃橛梢环N金屬元素構(gòu)成的單質(zhì)（純金屬）；由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素構(gòu)成的合金。合金又可分為固溶體和金屬間化合物。在103種元素中，除He,Ne,Ar等6種惰性元素和C、Si、N等16種非金屬元素外，其余81種為金屬元素。除Hg之外，單質(zhì)金屬在常溫下呈現(xiàn)固體形態(tài)，外觀不透明，具有特殊的金屬光澤及良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。在力學(xué)性質(zhì)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在一起形成的具有金屬特性的

3、新物質(zhì)。合金的性質(zhì)與組成合金的各個相的性質(zhì)有關(guān)，同時也與這些相在合金中的數(shù)量、形狀及分布有關(guān)。合金又分為固溶體和金屬間化合物。當金屬的晶體結(jié)構(gòu)保持溶劑組元的晶體結(jié)構(gòu)時，這種合金稱為一次固溶體或端際固溶體，簡稱為固溶體。金屬元素與其它金屬元素或非金屬元素之間形成合金時，除固溶體外，還可能形成金屬間化合物。合金中的固溶體：根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶體結(jié)構(gòu)中的位置，固溶體可分為置換固溶體和間隙固溶體。在置換固溶體中，溶質(zhì)原子位于溶劑晶體結(jié)構(gòu)的晶格格點上；在間隙固溶體中，溶質(zhì)原子位于溶劑晶體結(jié)構(gòu)的晶格間隙。溶質(zhì)原子在固溶體中的分布可以是隨機的，即呈統(tǒng)計分布；也可以是部分有序或完全有序，在完全有序固溶體中，異

4、類原子趨于相鄰，這種結(jié)構(gòu)亦稱為超點陣或超結(jié)構(gòu)。此外，合金中溶質(zhì)原子還可能形成叢聚，即同類原子趨于相鄰。叢聚可以呈隨機彌散分布。事實上，實驗中還沒有見到溶質(zhì)原子呈完全隨機分布的固溶體。因此，只能在宏觀尺度上認為處于熱力學(xué)平衡態(tài)的固溶體是真正均勻的，而原子尺度上并不要求它也是均勻的。不同類型固溶體中原子排列情況示于圖0.1。（a）隨機置換固溶體（b）有序置換固溶體（c）隨機間隙固溶體（d）固溶體中的溶質(zhì)叢聚圖0.1 不同類型固溶體中原子排列示意圖合金中的金屬間化合物：金屬間化合物可分為三類，即由負電性決定的原子價化合物（簡稱價化合物）、由電子濃度決定的電子化合物（亦稱為電子相）以及由原子尺寸決定的

5、尺寸因素化合物。除了這三類由單一元素決定的典型金屬間化合物外，還有許多金屬間化合物，其結(jié)構(gòu)由兩個或多個因素決定，稱之為復(fù)雜化合物。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(jīng)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。一般將其分為傳統(tǒng)的（普通的）和新型的（先進的）無機非金屬材料兩大類。傳統(tǒng)的無機非金屬材料主要是指由SiO2及其硅酸鹽化合物為主要成分制成的材料，包括陶瓷

6、、玻璃、水泥和耐火材料等。此外，搪瓷、磨料、鑄石（輝綠巖、玄武巖等）、碳素材料、非金屬礦（石棉、云母、大理石等）也屬于傳統(tǒng)的無機非金屬材料。先進（或新型）無機非金屬材料是用氧化物、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(jīng)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、無機涂層、無機纖維等。傳統(tǒng)的無機非金屬材料 之一：陶瓷陶瓷按其概念和用途不同，可分為兩大類，即普通陶瓷和特種陶瓷。根據(jù)陶瓷坯體結(jié)構(gòu)及其基本物理性能的差異，陶瓷制品可分為陶器和瓷器。n 普通陶瓷即傳統(tǒng)陶瓷，是指以粘土為主要原料與其它天然礦物原料經(jīng)過粉碎混練、成型、煅燒等過程而制成的各種制品。

7、包括日用陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、電瓷以及其它工業(yè)用陶瓷。見表0-1。表0-1普通陶瓷的分類方法 類 別 主 要 種 類 用 途 日用陶瓷 餐具 中餐具（盤、碗、碟、羹、壺、杯等） 西餐具（碗、盤、碟、糖缸、奶盅、壺、杯等） 茶具、咖啡具 茶盤、水果盤、點心盤、杯、壺、碟等 酒具 酒壺、酒杯、杯托、托盤 文具 筆筒、筆洗、水盂、EP 色盒、筆架 陳設(shè)瓷（美術(shù)瓷） 花瓶、燈具、雕塑瓶、薄胎碗等 建筑衛(wèi)生陶瓷 建筑陶瓷 ?；u（滲花或非滲花）、彩釉磚、錦磚（馬賽克）、內(nèi)墻磚、外墻磚、腰線磚、廣場磚、劈裂磚、園林陶瓷等 衛(wèi)生瓷磚 洗面器、大便器、小便器、洗滌器、水箱、水槽、存水彎、肥皂盒、

8、手紙盒、淋浴盒 電瓷 低壓電瓷 用于 1kV 以下的電瓷 高壓電瓷 用于 1kV 以上的電瓷、如普通高壓瓷、鋁質(zhì)高強度瓷 超高壓電瓷 用于 500kV 以上的電瓷 化工瓷 耐酸磚 耐酸磚、耐酸耐溫磚 耐酸容器 儲酸缸、酸洗槽、電解槽、耐酸塔等 耐酸機械（部件） 耐酸離心泵、風機、球磨機等 化學(xué)瓷 瓷坩堝、蒸發(fā)皿、研缽、漏斗、過濾板、燃燒舟等 n 特種陶瓷是用于各種現(xiàn)代工業(yè)及尖端科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的陶瓷制品。包括結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷。結(jié)構(gòu)陶瓷主要用于耐磨損、高強度、耐高溫、耐熱沖擊、硬質(zhì)、高剛性、低膨脹、隔熱等場所。功能陶瓷主要包括電磁功能、光學(xué)功能、生物功能、核功能及其它功能的陶瓷材料。常見高溫結(jié)構(gòu)陶

9、瓷包括：高熔點氧化物、碳化物、硼化物、氮化物、硅化物。功能陶瓷包括:裝置瓷（即電絕緣瓷）、電容器陶瓷、壓電陶瓷、磁性陶瓷（又稱為鐵氧體）、導(dǎo)電陶瓷、超導(dǎo)陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷（又稱為敏感陶瓷）、熱學(xué)功能陶瓷（熱釋電陶瓷、導(dǎo)熱陶瓷、低膨脹陶瓷、紅外輻射陶瓷等）、化學(xué)功能陶瓷（多孔陶瓷載體等）、生物功能陶瓷等。根據(jù)陶瓷坯體結(jié)構(gòu)及其基本物理性能的差異，陶瓷制品可分為陶器和瓷器，見表0-2 。陶器包括粗陶器、普陶器和細陶器。陶器的坯體結(jié)構(gòu)較疏松，致密度較低，有一定吸水率，斷口粗糙無光，沒有半透明性，斷面成面狀或貝殼狀。表0-2 中國日用瓷分類標準性質(zhì)及類特征別吸水率（%）特征陶器粗陶器15不時施釉，制作粗糙

10、普通陶器12斷面顆粒較孔較大，表面施釉， 制作不夠精細細陶器15斷面顆粒較細，氣孔較小，施釉或不施釉，制作不夠精細瓷器炻瓷器3透光性差，通常胎體較厚，呈色，斷口呈石狀，制作精細普通瓷器1有一定透光性，斷而呈石狀或貝殼狀， 制作精細細瓷器0.5透光性好，斷面細膩，呈貝殼狀，制作精細傳統(tǒng)的無機非金屬材料 之二：玻璃玻璃是由熔體過冷所制得的非晶態(tài)材料。根據(jù)其形成網(wǎng)絡(luò)的組分不同可分為硅酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃等，其網(wǎng)絡(luò)形成劑分為SiO2、B2O3和P2O5。習慣上玻璃態(tài) 材料可分為普通玻璃和特種玻璃兩大類。普通玻璃是指采用天然原料，能夠大規(guī)模生產(chǎn)的玻璃。普通玻璃包括日用玻璃、建筑玻璃、微晶玻璃

11、、光學(xué)玻璃和玻璃纖維等。特種玻璃（亦稱為新型玻璃）是指采用精制、高純或新型原料，通過新工藝在特殊條件下或嚴格控制形成過程制成的 一些具有特殊功能或特殊用途的玻璃。特種玻璃包括SiO2含量在85%以上或55%以下的硅酸鹽玻璃、非硅酸鹽氧化物玻璃（硼酸鹽、磷酸鹽、鍺酸鹽、碲酸 鹽、鋁酸鹽及氧氮玻璃、氧碳玻璃等）、非氧化物玻璃（鹵化 物、氮化物、硫化物、硫鹵化物、金屬玻璃等）以及光學(xué)纖維等。根據(jù)用途不同，特種玻璃分為防輻射玻璃、激光玻璃、生物玻璃、多孔玻璃、非線性光學(xué)玻璃和光纖玻璃等。傳統(tǒng)的無機非金屬材料 之三：水泥水泥是指加入適量水后可成塑性漿體，既能在空氣中硬化又能在水中硬化，并能夠?qū)⑸?、石等?/p>

12、料牢固地膠結(jié)在一起的細粉狀水硬性材料。水泥的種類很多，按其用途和性能可分為：通用水泥、專用水泥和特性水泥三大類；按其所含的主要水硬性礦物，水泥又可分為硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、氟鋁酸鹽水泥以及以工業(yè)廢渣和地方材料為主要組分的水泥。目前水泥品種已達一百多種。n 通用水泥為大量土木工程所使用的一般用途的水泥，如硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、 火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥和復(fù)合硅酸 鹽水泥等。n 專用水泥指有專門用途的水泥，如油井水泥、砌筑水泥等。n 特性水泥則是某種性能比較突出的一類水泥，如快硬硅酸鹽水泥、抗硫酸鹽硅酸鹽水泥、中熱硅酸鹽水泥、膨脹硫鋁酸鹽水泥、自應(yīng)

13、力鋁酸鹽水泥等。傳統(tǒng)的無機非金屬材料 之四：耐火材料耐火材料是指耐火度不低于1580的無機非金屬材料。它是為高溫技術(shù)服務(wù)的基礎(chǔ)材料。盡管各國對其定義不同， 但基本含義是相同的，即耐火材料是用作高溫窯爐等熱工設(shè) 備的結(jié)構(gòu)材料，以及用作工業(yè)高溫容器和部件的材料，并能 承受相應(yīng)的物理化學(xué)變化及機械作用。大部分耐火材料是以天然礦石（如耐火粘土、硅石、菱鎂礦、白云母等）為原料制造的。按礦物組成分為氧化硅質(zhì)、硅酸鋁質(zhì)、鎂質(zhì)、白云石質(zhì)、橄欖石質(zhì)、尖晶石質(zhì)、含碳質(zhì)、含鋯質(zhì)耐火材料及特殊耐火材料；按制造方法分為天然礦石和人造制品；按形狀分為塊狀制品和不定形耐火材料；按熱處理方式分為不燒制品、燒成制品和熔鑄制品；

14、按耐火度分為普通、高級及特級耐火制品；按化學(xué)性質(zhì)分為酸性、中性及堿性耐火材料；按密度分為輕質(zhì)及重質(zhì)耐火材料。按制品的形狀和尺寸可分為標準磚、異型磚、特異型磚、管和耐火器皿等。按應(yīng)用分為高爐用、水泥窯用、玻璃窯用、陶瓷窯用耐火材料等等。3. 有機高分子材料（高聚物）高聚物是由一種或幾種簡單低分子化合物經(jīng)聚合而組成的分子量很大的化合物。高聚物的種類繁多，性能各異，其分類的方法多種多樣。按高分子材料來源分為天然高分子材料和合成高分子材料；按材料的性能和用途可將高聚物分為橡膠、纖維、塑料和膠粘劑等。n 橡膠的特點是室溫彈性高，即使在很小的外力作用下，也能產(chǎn)生很大的形變（可達1000%）， 外力去除后，

15、能迅速恢復(fù)原狀。其彈性模量小， 約105104Pa。常用的橡膠有天然橡膠（異戊橡膠）、丁苯橡膠、順丁橡膠（聚丁二烯）、乙丙橡膠和硅橡膠等。n 纖維的彈性模量較大，約1091010Pa。受力時，形變不超過百分之二十。纖維大分子沿軸向作規(guī)則排列，其長徑比較大，在較廣的溫度范圍（- 50150）內(nèi)，機械性能變化不大。常用的合成纖維有尼龍、滌綸、晴綸和綸等。n 塑料的彈性模量介于橡膠和纖維之間，約107108Pa。溫度稍高些，受力形變可達百分之幾至幾百。有些塑料的 形變是可逆的，有些塑料的形變是永久的。根據(jù)塑料受熱時行為的不同，分為熱塑性和熱固性塑料 兩類。前者受熱時可以塑化和軟化，冷卻時則凝固成形，

16、 再加熱又可塑化軟化。聚乙烯、聚氯乙烯和聚碳酸酯等 都屬于此類；后者在受熱時可塑化和軟化，并通過化學(xué) 反應(yīng)，使之固定成型，但冷卻后不能再加熱軟化，酚醛塑料和脲醛塑料就屬此類。n 膠粘劑是指在常溫下處于粘流態(tài)，當受到外力作用時，會產(chǎn)生永久變形，外力撤去后又不能恢復(fù)原狀的高聚物。有時把聚合后未加工成型的高聚物稱為樹脂，以區(qū)分加工后的塑料或纖維制品，如電木未固化前稱酚醛樹脂，滌綸纖維未紡織前稱滌綸樹脂。4. 復(fù)合材料復(fù)合材料是由兩種或兩種以上化學(xué)性質(zhì)或組織結(jié)構(gòu)不同的材料組合而成。復(fù)合材料是多相材料，主要包括基本相和增強相。基體相是一種連續(xù)相材料，它把改善性能的增強相材料固結(jié)成一體，并起傳遞應(yīng)力的作用

17、；增強相起承受應(yīng)力（結(jié)構(gòu)復(fù)合材料）和顯示功能（功能復(fù)合材料）的作用。復(fù)合材料既能保持原組成材料的重要特色，又通過復(fù)合效應(yīng)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。復(fù)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(fù)合材料的三要素來分類。按基體材料分類，有金屬基復(fù)合材料，陶瓷基復(fù)合材料，水泥、混凝土基復(fù)合材料，塑料基復(fù)合材料，橡膠基復(fù)合材料等；按增強劑形狀可分為粒子、纖維及層狀復(fù)合材料；依據(jù)復(fù)合材料的性能可分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料。0.1.2 根據(jù)材料的性能分類根據(jù)材料在外場作用下其性質(zhì)或性能對外場的響應(yīng)不同，材料可分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料。n 結(jié)構(gòu)材料是指具有抵抗外場作用

18、而保持自己的形狀、結(jié)構(gòu)不變的優(yōu)良力學(xué)性能（強度和韌性等），用于結(jié)構(gòu)目的的材料。這種材料通常用來制造工具、機械、車輛和修建房屋、橋梁、鐵路等。是人們熟悉的機械制造材料、建筑材料，包括結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、鑄鐵、普通陶瓷、耐火材料、工程塑料等傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料（一般結(jié)構(gòu)材料）以及高溫合金、結(jié)構(gòu)陶瓷等高級結(jié)構(gòu)材料。n 功能材料是具有優(yōu)良的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)功能及其相互轉(zhuǎn)化的功能，被用于非結(jié)構(gòu)目的的高技術(shù)材料。0.1.3 材料按服役的領(lǐng)域來分類根據(jù)材料服役的技術(shù)領(lǐng)域可分為信息材料、航空航天材料、能源材料、生物醫(yī)用材料等。n 信息材料是指用于信息的探測、傳輸、顯示、運算和處理的光電信

19、息材料。信息材料主要包括信息的監(jiān)測和傳感（獲?。┎牧稀⑿畔⒌膫鬏敳牧?、信息的存儲材料、信息的運算和處理材料。n 航空航天材料主要包括新型金屬材料（如先進鋁合金、超高強度鋼、高溫合金、高熔點合金、鈹及其合金）、燒蝕防熱材料和新型復(fù)合材料。此外，還包括一些功能材料，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，也有少量是阻尼合金等金屬材料。n 能源材料是指能源工業(yè)和能源技術(shù)所使用的材料，按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

20、括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(dǎo)材料（Nb-Ti、Nb-Sn巨型磁體用材料）；儲氫材料，以及 高比能電池（如鈉硫電池）等。目前鈉硫電池的比能量達137W.h/Kg，而鉛蓄電池的比能量只有30W.h/Kg。生物醫(yī)用材料是一類合成物質(zhì)或天然物質(zhì)或這些物質(zhì)的復(fù)合，它能作用一個系統(tǒng)的整體或部分，在一定時期內(nèi)治療、增強或替換機體的組 織、器官或功能。醫(yī)用金屬及合金醫(yī)用高分子材料包括合成和天然高分子，已被廣泛用于韌帶、肌腱、皮膚、血管、角膜、人工臟器、骨和牙等人體軟、硬組織及器官的修 復(fù)和制造。醫(yī)用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、生物碳等以及羥基磷灰石、磷酸三鈣陶瓷等。醫(yī)用復(fù)合材料:表面涂層生物活性人工牙根、人工心臟瓣膜人造血管等。0.1.4 材料按結(jié)晶狀態(tài)分類q 單晶材料q 多晶材料q 非晶態(tài)材料q 準晶材料q 單晶材料是由一個比較完整的晶粒構(gòu)成的材料，如單晶纖維、單晶硅；q 多晶材料是由許多晶粒組成的材料，其性能與晶粒大小、晶界的