材料科学与工程学导论.doc

绪论 1.课程设置的意义和目的 (1)材料的定义与分类 （2）材料的地位和作用 （3）材料科学与工程的形成和发展 （4）本课程设置和北工大材料科学与工程学科改革 2.课程的内容和讲法 材料是人类用于制造机器、构件和产品的物质，是人类赖以生存和发展的物质基础。 (1)材料的分析(2)金属材料(3)无机非金属材料(4)高分子材料(5)复合材料材料的地位和作用 材料是人类社会发展的基础和先导，是人类社会进步的里程碑和划时代的标志。材料和能源、信息被称为人类社会的“三大支柱”。 一种重要新材料的发现和使用，都把人类支配自然的能力提高到一 个新水平，材料科学技术的每一次重大突破都会引起生产技术的重大变革，甚至引起一次世界性的技术变革，从而把人类物质文明和精神文明推向前进。材料科学与工程的形成和发展 材料科学与工程的形成与发展，反映了学科发展从细分到整合（综合）的基本规律。材料科学（1）钢铁冶金（2）有色金属冶金（3）冶金物理化学（4）金属材料与热处理（5）金属压力加工（6）无机非金属材料（7）硅酸盐工程（8）高分子材料与工程（9）粉末冶金（10）复合材料（11）服饰与防护（12）材料科学与工程（13）铸造（14）焊接结论： 不同的材料二级学科曾为社会培养了大量的专业人才； 已不能满足21世纪人才培养的需求，必须进行改革； 按照“四要素”原则重新构建材料科学与工程的大材料学科。 第一章 材料及其在人类社会发展 进程中的地位和作用 1-1.材料是人类社会进步的里程碑 1-2.材料是经济和社会发展的基础和先导1.新材料技术是工业革命和产业发展的先导 2.新材料技术是高技术发展的基础 纵观人类利用材料的历史，可以清楚地看到，每一种重要新材料的发现和应用，都把人类支配自然的能力提高到一个新的水平。材料科学技术的每一次重大突破都会引起生产技术的重大变革，甚至引起一次世界性的技术革命，大大地加速社会发展的进程，给社会生产力和人类生活带来巨大的变革，把人类物质文明推向前进。 第一次工业革命（18世纪）：制钢工业的发展为蒸汽机的发明和应用奠定了物质基础。第二次工业革命（20世纪中叶以来）：单晶硅材料对电子技术的发明和应用起了核心作用。21世纪重点发展的高技术领域的材料选择 u 信息科学技术正在发生结构性变革，仍然是经济持续增长的主导力量u 通信网络技术为信息产业注入强大活力u 宽带通信已成为国际上应用最广的通信技术u 半导体技术进入纳米时代u 计算机智能技术日新月异u 生物技术正经历着一场前所未有的技术革命，一个庞大的生物产业正在孕育和形成对生命现象本质和过程研究，进入了定量和系统整合阶段u 基因组学、蛋白质科学、干细胞及再生医学的研究成为生命科学的前沿与热点u 蛋白质科学正向深度和广度迅速发展u 干细胞及再生医学的研究及应用为人类健康开辟了新道路u 生物芯片在医疗和科研领域发挥巨大作用u 转基因技术及应用呈现出高速发展的态势 生物技术正经历着一场前所未有的技术革命，一个庞大的生物产业正在孕育和形成 对生命现象本质和过程研究，进入了定量和系统整合阶段 基因组学、蛋白质科学、干细胞及再生医学的研究成为生命科学的前沿与热点 蛋白质科学正向深度和广度迅速发展 干细胞及再生医学的研究及应用为人类健康开辟了新道路 生物芯片在医疗和科研领域发挥巨大作用 转基因技术及应用呈现出高速发展的态势 生物技术正经历着一场前所未有的技术革命，一个庞大的生物产业正在孕育和形成 对生命现象的本质和过程研究，进入了定量和系统整合阶段； 基因组学、蛋白质科学、干细胞及再生医学的研究成为生命科学的前沿与热点； 蛋白质科学正向深度和广度迅速发展。 干细胞及再生医学的研究及应用为人类健康开辟了新道路生物芯片在医疗和科研领域发挥巨大作用 转基因技术及应用呈现出高速发展的态势 航天技术快速发展，不断开辟人类探索的新空间 太空探索带动太空探索技术加速发展 研制多种用途的人货分离的新一代航天飞行器成未来趋势。 小卫星技术日趋成熟并将广泛应用。 太空攻防技术成为未来航天技术发展的重要领域。 能源技术将变革未来社会的动力基础，促进人类实现可持续发展 煤炭的高效清洁利用成为化石能源技术研发热点。 核能技术酝酿新的突破。 氢能技术研发和商业应用加速 新能源和可再生能源技术展现良好前景 天然气水合物的开发受到重视用能技术发展前景广阔 先进制造技术向绿色制造、高技术化、信息化、极端制造方向发展，成为提升产业竞争力的关键技术 光机电一体化技术 微电子光刻技术 重大装备制造技术新材料技术出现群体性突破，将对21世纪基础科学和几乎所有工业领域产生革命性影响 纳米技术是前沿技术中最具前瞻性和带动性的重点领域之一 电子信息材料技术进展迅速，光电子材料、光子材料将成为发展最快和最有前途的电子信息材料。 新型功能材料及其应用技术面临新的突破（超导材料、智能材料、生物医用材料） 新型结构材料发展前景乐观（高温合金、难熔金属、金属间化合物、金属基复合材料、高分子材料、钛合金、镁合金）计算机的核心部件是集成电路其容量和速度每年以50%发展，计算速度已大约每秒万亿次，2000年可达100万亿次。计算外设装置莫不决定于材料，如存储（光盘，磁盘等），显示（液晶、GaAs）。计算机的控制精度与灵敏度决定于敏感材料（传感器）的灵敏度、精度与稳定性。总结： 正是由于这两类材料的发明和应用技术的主要缘故，才可能有当今“第三次革命”-信息革命的产生；使人类进入了一个新的时代-信息时代。上述事例雄辩的表明，新材料是人类社会进步、世界革命和提高人类生活品质中具有特别重要的基础和先导作用，其发展对提高国家的综合国力和国际实力具有巨大的推动作用和深远的影响。 2.1 性质与使用性能结构材料性质的表征-材料力学性质 强度：材料抵抗外应力的能力。 塑性：外力作用下，材料发生不可逆的永久性变形而不破坏的能力。 硬度：材料在表面上的小体积内抵抗变形或 破裂的能力。 刚度：外应力作用下材料抵抗弹性变形能力.结构材料性质的表征-材料力学性质 疲劳强度：材料抵抗交变应力作用下断 裂破坏的能力。 抗蠕变性：材料在恒定应力（或恒定载 荷）作用下抵抗变形的能力韧性：材料从塑性变形到断裂全过程中 吸收能量的能力。 物理性质的交互性-材料应用的关键点 现代功能材料不仅仅表现出单一的物理性质，更重要的是具备了特殊的物理交互性。例如：电学-机械电致伸缩 机械-电学 压电特性 磁学-机械 磁致伸缩 电学-磁学 巨磁阻效应 电学-光学电致发光使用性能：是指材料在最终使用状态（产品、元 件）下表现出的行为。使用性能描述符可靠性、耐用度、寿命、性能价格比、安全性，及材料固化为产品后，表征产品优良程度的各种性能指标，如飞行速度.使用温度等。性能定义在某种环境或条件作用下，为描述材料的行为或结果，按照特定的规范所获得的表征参量。 材料力学性能1强度表征 弹性极限 屈服强度 比例极限2塑性表征 延伸率 断面收缩率 冲杯深度 h3. 硬度表征：布氏硬度 洛氏硬度 维氏硬度4. 刚度表征：弹性模量 杨氏模量 剪切模量5. 疲劳强度表征：疲劳极限 疲劳寿命6. 抗蠕变性表征：蠕变极限 持久强度7. 韧性表征：断裂韧性 KIC 断裂韧性 JIC 材料物理性能 1. 电学性能表征：导电率 电阻率 介电常数2. 磁学性能表征：磁导率 矫顽力 磁化率3. 光学性能表征：光反射率 光折射率 光损耗率4. 热学性能表征：热导率 热膨胀系数 熔点 比热性能是随着外因的变化而不断变化，是个渐变过程，在这个过程中发生量变的积累，而性质保持质的相对稳定性；当量变达到一个“度”时，将发生质变，材料的性质发生根本的变化。 在材料科学研究及工程化应用中，材料人员应具备这样一种能力：能针对不同的使用环境，提取出关键的材料性质并选择优良性能的材料。 3. 失效分析 -材料使用性能的重要研究内容 三类主要的材料力学失效形式断裂 磨损 腐蚀 传统方式： 结构与功能 确定材料的性质 完成设计先进方式： （结构与功能 材料的性质 ） 完成设计 5. 材料性能数据库 从事材料工程的人们必须注重材料性能数据库，因为： 材料性能数据库是材料选择的先决条件； 材料性能数据库是实现计算机辅助选材（CAMS）、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）的基础。 国际材料数据库建设简况 英、美金属学会合建金属材料数据库 西方七国组成有关新材料数据及标准的“凡尔赛计划” 原苏联及东欧各国组成了COMECON材料数据系统，包括16个数据库 北京科技大学等单位联合建成材料腐蚀数据库 武汉材料保护研究所建成材料磨损数据库 北京钢铁研究总院建立合金钢数据库 航天航空部材料研究所建立航天材料数据库 2.2 成分与结构1. 材料的结构2. 成分结构检测技术3.与其它要素的关系 4.材料的成分.结构数据库5.新的机遇1材料的结构 键合结构 晶体结构 组织结构 材料的结构-键合结构化学键 1离子键 2共价键 3金属键物理键1氢键2分子键晶 体：原子排列长程有序，有周期 非晶体：原子排列短程有序，无周期 准晶体：原子排列长程有序，无周期定义：组成材料的不同物质表示出的某种形态特征2.成分、结构检测技术 现代材料科学家对材料成分、结构的认识是由分析、检测实现的。3.与其它要素的关系 是材料性质的原因 是合成加工的结果 材料的强度金属材料的尺寸减小到一定值时，材料的工程强度值不再恒定，而是迅速增大，原因有两点：1）按统计学原理计算单位面积上的位错缺陷数目，由于截面减小而不能满足大样本空间时，这个数值不再恒定；2）晶体结构越来越接近无缺陷理想晶体，强度值也就越接近于理论强度值-结构是性能的原因。塑性加工金属材料随塑性加工量的增大，组织结构发生明显的变化：等轴晶-带状组织-细晶组织-是加工的结果材料的强韧化-位错理论的建立固溶强化 加工硬化 弥散强化 第二相强化 相变增韧4.成分、结构数据库 X衍射数据库：建立了结构-测定参数的关系 相图 数据库：建立了 成分-相 的关系5.成分、结构研究领域的新机遇 准晶 准晶的结构 潜在的应用价值 纳米材料 纳米碳管 C60(巴基球)，等 界面科学 超导体与基体的界面结构 功能复合材料的梯度界面 半导体材料与封装材料的界面 纤维增强体与基体的结合界面 2.3 合成与加工1.定义“合成”与“加工”是指建立原子、分子和分子团的新排列，在所有尺度上（从原子尺寸到宏观尺度）对结构的控制，以及高效而有竞争力地制造材料与元件的演化过程。 合成是指把各种原子或分子结合起来制成材料所采用的各种化学方法和物理方向。 加工可以同样的方式使用，还可以指较大尺度上的改变，包括材料制造。需要说明的问题 在材料科学与工程中，合成和加工之间的区别变得越来越模糊 合成是新技术开发和现有技术改进的关键性要素现代材料合成技术是人造材料的唯一实现途径2 . 合成与加工的主要内容 一材料的制备冶金过程 熔炼与凝固 粉末烧结 高分子聚合8 冶金过程（化学冶金） 目的： 从原料中提取出金属 内容：火法冶金（炼铁、炼铜）熔盐电冶金（电解铝、镁）湿法冶金（水溶液电解锌）8 熔炼与凝固（物理冶金） 目的: 金属的精练提纯 材料的“合金化” 晶体的生长 内容: 1. 平衡凝固 4. 区域熔炼 2. 快速凝固 5. 玻璃的熔炼 3. 定向凝固 6. 熔融法提拉单晶 8 粉末烧结目的: . 粉末成型 2 . 粉末颗粒的结合 内容: 1 . 粉末冶金技术 2 . 现代陶瓷材料的制备 8 高分子聚合目的: 实现小分子发生化学反应，相互结合形 成高分子。高分子聚合是人工合成三大 类高分子材料：塑料、橡胶、合成纤维 的基本过程。 内容: 1 . 本体聚合 3 . 悬浮聚合 2 . 乳液聚合 4 . 溶液聚合二材料的加工 传统意义上，材料的加工范畴包括四个方面： 材料的切削：车、铣、刨、磨、切、钻 材料的成型：铸造、拉、拔、挤、压、锻 材料的改性：合金化、热处理 材料的联接：焊接、粘接材料的成型三大类材料的成型技术在材料工程中是内容最为丰富的一部分。如果按材料的流变特性来分析，则材料的成型方法可分为三种： 液态成型 金属的铸造、溶液纺丝塑变成型 金属的压力加工3 . 流变成型 金属、陶瓷、高分子成型流变成型 金属的半固态成型 高分子材料的熔融成型陶瓷泥料、浆料成型玻璃的熔融浇注8 材料的改性 目的：通过改变材料的成分、组织与结构来改变材料的性能。 内容: . 材料的“合金化” 2 . 材料的热处理 材料的“合金化” 通过改变材料的成分，达到改变材料性能的方法。这种方法在金属材料和现代高分子材料的改性方面有广泛的应用材料的热处理 通过一定的加热、保温、冷却工艺过程，来改变材料的相组成情况，达到改变材料性能的方法。这种方法在金属材料和现代陶瓷材料的改性方面有广泛的应用。典型热处理工艺 淬火、退火、回火、正火 淬火工艺 通过快速冷却，获得远离平衡态的不稳定组织，达到强化材料的目的。 正火工艺在奥氏体状态下，空气或保护气体冷却获得珠光体均匀组织，提高强度，改善韧性。 退火工艺 通过缓慢冷却，获得接近平衡态的组织，达到均匀化、消除内应力的目的。 回火工艺 淬火或正火的材料重新加热。目的在于松懈淬火应力和使组织向稳态过度，改善材料的延展性和韧性，并稳定工件的尺寸。 8 材料的联接目的：实现材料间的整体结合 内容: 1. 焊接 3. 铆接 2. 粘接 4. 栓接内容: 1. 焊接 3. 铆接 2. 粘接 4. 栓接三材料表面工程 8 表面改性-改变材料表面的性质 三束表面改性 化学表面改性（化学热处理） 表面淬火从工艺机理上分析，表面改性同整体材料的改性是相同的，即：在表面实现材料的成分、组织与结构的变化，达到改变材料表面性能的目的。不同点就是采用了特殊的能量输入方式，使能量作用效果或成分变化仅发生在表面。化学表面改性（化学热处理） 改变材料表面的化学成分 - 化学渗入 表面淬火高频淬火 电磁能 集肤电流 表面热能 热处理 组织改变 性能改变火焰淬火 气体化学反应 表面热能8 表面防护腐蚀防护b 大气腐蚀 b 海水腐蚀 b 工业介质腐蚀 由腐蚀造成的材料失效量，占世界材料总产量的比例很高，腐蚀问题十分严重。因此，腐蚀防护非常重要。 主动防护 合金化 非晶化 高纯度 抗蚀材料被动防护 表面涂镀 表面改性 表面钝化 电化学保护摩擦磨损防护b 增加抗磨损性 b 增加润滑性 薄膜技术 有许多种薄膜技术能够在基材表面覆盖薄膜材料层，其中最重要的两种方法是： 物理气相沉积 PVD 化学气相沉积 CVD 随着材料科学技术的不断发展，薄膜技术已不仅仅是材料改性的手段。更重要的是，现代薄膜技术在高新技术领域，如：微电子器件、纳米结构与组装、光电子器件，等方面正发挥着越来越重要的作用。 四材料的复合 金属基复合材料 陶瓷基复合材料 高分子复合材料 材料复合的主要目的就是依据不同材料性能的优势互补、协调作用的原则，进行材料的设计与制备。因此材料复合的过程就是材料制备、改性、加工的统一过程。 复合材料的制备过程融合了金属、陶瓷、高分子材料制备的基本原理。 目前材料科学的发展，复合的概念越来越重要，出现了许多新型的复合材料及制备方法。 现代材料的合成与加工不仅涉及到微观和宏观范围内的内容，同时也涉及到更微细化，甚至达到了原子尺度范围上的问题，因此，这里论述的合成与加工的内涵要大于通常所说的材料工程的内涵。 3.与其它要素的关系 从材料的产生到进入使用过程，直至损耗，四大要素存在着逻辑上的因果顺序，即： 合成加工 结构与成分 材料性质 使用性能4.发展趋势8 在极端化的条件下，完成合成与加 工过程，获得更多的功能特性。 超纯条件-单晶硅晶片 高压条件-人工金刚石 低温条件-超导体 超细条件-纳米材料电子材料合成与加工的关键技术l 大尺寸、高均匀性、高完整性的晶体生长技术；l 高精度晶片加工技术；l MOCVD、MBE超薄膜生长技术；l 高纯和超高纯材料纯制技术；l 低维材料的微细加工和制备技术；l 高均匀超细粉体制备技术；l 电子陶瓷、磁性材料的焙烧和成型技术；l 材料的修饰或改性技术；由此看出：我国在合成与加工方面同先进国家的差距还很大，许多关键技术落后的根源都归到这里。因此提高材料合成与加工的技术水平是我们的最重要的课题。 3.4 仪器与设备1.成分结构表征仪器 材料成分结构的表征仪器是从事材料科学研究必备的手段，如同天文望远镜将人类视野带到了一个遥远的宇宙空间一样，材料成分结构表征仪器则将我们的观察引进一个更为绚丽多彩的微观世界。 随着仪器能检测到的下限值不断减小，材料研究者所获取的信息也在不断增多，对材料本质的认识也在不断加深。材料科学研究使用的仪器、设备的精密程度代表了一个国家的综合科技水平。8 材料表面科学中使用的仪器 扫描隧道显微镜 低能电子衍射仪双准直离子散射仪 低能电子显微镜高分辨率电子损耗光谱仪 自旋极化测量角分辨光电子能谱仪 场离子显微镜俄歇能谱仪 原子探针 2.材料性能的测定仪器材料性能的测定仪器是将性能的三要素（外界环境、表现行为、表征参量）融合在一个系统中完成，即，由仪器输入或模拟一个使用环境（条件），使受测材料发生响应（结果），然后仪器再将响应的模拟信号转变为数字信号表现出来（数值）。有许许多多种材料的力学、物理、化学单项性能，每种性能都分别对应了相应的测定方法和仪器。这些仪器构成了一个庞大的材料性能测定仪器家族。 3.合成与加工设备 材料合成与加工过程是在一个限定的空间，在给定的条件下进行的。用以满足空间需求和提供外加条件的各种装置或部件的组合就构成了材料合成与加工设备的主体。同时，设备中还包含了关键的控制系统。空间条件：各类反应容器、坩埚、熔炼炉外力条件：气压、液压、机械压制、冲击力（波）介质环境：真空设备、不同的气氛条件能量供给：电力系统、加热装置、辐照装置、激光发生器物质输送：气、液管路、机械进给装置4.过程控制的探测元件和装置传感器是控制系统“感知”加工过程的“器官”。 传感器从过程中获得的信号主要包括：声、光、电、磁、热、压力、流速、浓度，等用于传感器的无机非金属敏感材料2.5 分析与建模（材料设计） 核心问题： 用什么样的配方，什么样的合成加工条件，来获取具有什么样的成分、结构和性质的材料。 “材料设计”构想始于50年代，80年代后实现“材料设计”的条件渐趋成熟。表现在以下三个方面： 1）基础理论的形成和发展 量子力学，统计力学，能带理论，化学键理论等理论科学的发展使人们对材料的结构和性质的关系有了系统的了解；2）计算机科学技术的发展 计算机高速运算，模式识别，数据库技术等技术的发展，为材料设计与过程仿真的实施提供了手段；3）合成与加工新技术的涌现 各种新型材料合成加工技术为材料设计方案的实施提供了条件，同时材料智能加工又为合成加工的优化开辟了新方向。2.材料设计的内容 材料设计贯穿于材料“四要素”的各个方面，即u 成分结构设计u 性质性能预测u 合成加工过程的控制与优化 8 微观结构设计 案例1：杂化材料将性质截然不同的材料在原子、分子水平上均匀混合，形成原子、分子层次的复合材料例如：高分子聚乙烯和难熔重金属钨的杂化材料 同传统复合材料的区别： 复合材料 不同的组成相复合杂化材料不同的组成原子（分子）复合 同固溶体的区别： 固溶体 热力学平衡体系 杂化材料 热力学非平衡体系 案例2：晶体结构计算通过对原子排列的计算，可以了解到晶体材料的晶体学结构。案例3：金属间化合物预报金属间化合物：处于相图中间的除固溶体以外的合金相。许多金属间化合物都是重要的功能材料，如：储氢材料，超导材料，磁性材料，高温结构材料，磁滞伸缩材料等。 案例4：超晶格结构设计 超晶格结构：通过外延生长的方法，使两种材料以极薄的薄膜方式交替叠合，从而沿生长方向在原晶格常数为a（几个埃）的晶格势场上，引入了一个周期为d（100埃数量级）的一维周期势，这种一维周期势结构就称为超晶格结构。 超晶格结构使原来的能带分裂为一系列微小能带，可使电子能够在这些微能带间发生跃迁，从而导致各种新的物理现象产生。如：量子尺寸效应、室温激子非线性光子效应、迁移率增强效应、量子霍耳效应、共振隧穿效应。 利用超晶格结构的概念，在原子尺度上进行材料的组份及结构参数设计，改变材料的能带结构，采用先进的制备方法，人工合成各式奇特物理性质的新材料和新器件。能带工程 制备方法： 分子束外延（MBE） 金属有机化合物化学 气相沉积（MOCVD） 化学束外延（CBE） 原子层外延（ALE）应用领域 光计算机器件（自电光效应器件SEED） 远红外探测器 量子霍耳电阻，作为电阻自然基准超高速电子器件 8 连续介质的材料设计 重要的四个材料设计领域 5 各种物理场的数值模拟 1.模拟 热传导过程2.模拟 应力应变状态3.模拟 物质扩散过程4.模拟 流体传输过程5.模拟 电磁场分布规律5 合金显微组织的形成 建模在合金凝固过程中的重要作用。特别是对于大型或特大型铸件，为保证浇注过程的一次成功和避免经济损失，进行全过程的计算机仿真是极其必要的。不同加工条件下获得的组织，将表现出不同的材料性能。这些加工条件包括许多因素，如：成分、温度梯度及方向、重力、振动、杂质元素、杂质相、液固界面等。将这些因素的物理表征参量包括在一个数学模型中，即模型建立，通过计算机数值计算及对结果的计算机仿真，就可以了解到合金凝固过程及凝固的组织特征。 5 断裂的分析 材料中裂纹的形成和扩展的研究是微观断裂力学的核心问题。裂纹扩展过程中，裂纹、纤维（晶须）、基体三元素体系的变化情况： 纤维拔断 纤维拔出 纤维与基体间滑动 纤维（晶须）偏转 纤维周围的应力状态改变 裂纹扩展过程中能量的增量 E = E1 + E2 + - +E5 （数学模型） 对数学模型的数值计算，能够获得材料的宏 观抗断裂性能-定量预测复合材料的界面梯度设计 太空飞行器表面防护材料的梯度设计 表面防护材料的梯度设计的主要内容就是进行由表层到内部的材料成分、结构的梯度设计，从而降低不同材料结合面之间的应力梯度。8 宏观系统的全过程或全因素的设计8 物质流与能量流的平衡设计8 过程中的全因素优化设计8 材料的智能加工要求：（1）金属液的流入量、拉坯速度、后段轧板的运行速度的定比关系（2）流入结晶器的金属液温度、拉坯速度、后段轧制量、材料的力学性能之间的定比关系在保证上述两个基本条件下，进行全过程的材料设计。5 全过程、全因素优化设计 全过程 材料的设计合成与加工 支持与维护废弃与回收 全因素 性能指标加工性失效分析成本指标环境因素（包括能源、资源、环境） 在材料的制造-废弃的全过程中，对设计的各种因素进行综合的优化设计，将是材料科学与工程领域又一新的研究课题，需要材料科学家，机械制造工程师，数学家，经济学家等各类人员密切合作方能完成。 5 材料的智能加工 近年来，日本许多产品（特别是汽车，电子元件）的质量有压倒美国的趋势。为保持美国在国际上的优势，美国采取的对策之一就是材料的智能加工。 优 点：实现材料加工的自动化提高材料的质量提高性能的重现性降低产品的废品率用于传感器的无机非金属敏感材料3.材料设计的计算机基础 8 物理场的数值模拟8 常用工程数学的计算机处理5 概率分布5 误差分析5 参数估计5 数值分析5 曲线拟合5 最优化方法 推荐几种重要的数学应用软件大型统计软件SPSS有限元数值计算及优化 ANSYS具有多种数学功能MATHLAB 8 计算机过程控制 5 计算机接口技术5 计算机图形学与图象处理技术5 计算机实时控制第四章：无机非金属材料主要特性：熔点高、硬度高、化学稳定性好、耐高温、耐腐蚀、耐磨损、耐氧化、弹性模量大、强度高。一般为脆性材料无机非金属材料的种类陶瓷 玻璃 水泥 陶瓷材料的物质结构陶瓷材料的结合键陶瓷材料的组成相的结合键为离子键（MgO、Al2O3）、共价键（金刚石、Si3N4）以及离子键与共价键的混合键以离子键结合的晶体称为离子晶体。离子晶体在陶瓷材料中占有很重要的地位。它具有强度高、硬度高、熔点高、等特点。但这样的晶体脆性大，无延展性，热膨胀系数小，固态时绝缘，但熔融态可导电等特点。金属氧化物晶体主要以离子键结合，一般为透明体。以共价键结合的晶体称为共价晶体。共价晶体具有方向性和饱和性，因而共价键晶体的原子堆积密度较低。共价键晶体具有强度高、硬度高、熔点高、结构稳定等特点。但它脆性大，无延展性，热膨胀系数小，固态、熔融态时都绝缘。最硬的金刚石、SiC、Si3N4、BN等材料都属于共价晶体。以共价键结合的晶体称为共价晶体。共价晶体具有方向性和饱和性，因而共价键晶体的原子堆积密度较低。共价键晶体具有强度高、硬度高、熔点高、结构稳定等特点。但它脆性大，无延展性，热膨胀系数小，固态、熔融态时都绝缘。最硬的金刚石、SiC、Si3N4、BN等材料都属于共价晶体。陶瓷材料的相组成晶体相：晶体相是陶瓷材料最主要的组成相，主要是某些固溶体或化合物，其结构、形态、数量及分布决定了陶瓷材料的特性和应用。晶体相又分为主晶相、次晶相和第三相。陶瓷中晶体相主要有含氧酸盐（硅酸盐、钛酸盐等）、氧化物（MgO、Al2O3）、非氧化物（SiC，Si3N4）等。玻璃相：玻璃相是陶瓷材料中原子不规则排列的组成部分，其结构类似于玻璃。玻璃相的作用是：将分散的晶体相粘结起来，填充晶体之间的空隙，提高材料的致密度；降低烧成温度，加快烧结过程；阻止晶体转变、抑止晶粒长大。气相（气孔）：陶瓷中气孔主要是坯体各成分在加热过程中单独或互相发生物理、化学作用所生成的空隙。这些空隙可由玻璃相来填充，还有少部分残留下来形成气孔。气孔对陶瓷的性能是不利的。它降低材料的强度，是造成裂纹的根源。陶瓷材料的晶体缺陷点缺陷：陶瓷材料晶体中存在的置换原子、间隙原子和空位等缺陷称之为点缺陷。陶瓷材料的很多性质如导电性与点缺陷有直接关系。此外，陶瓷材料的烧结、扩散等物理化学过程也与点缺陷有关。线缺陷：位错是陶瓷材料晶体中存在线缺陷。陶瓷材料中位错形成所需要的能量较大，因此，不易形成位错。陶瓷材料中位错密度很低。陶瓷材料主要是离子键和共价键。这两种结合键造成位错的可动性降低。当位错滑移事，离子键中同号离子相斥，导致离子键断裂；而共价键的方向性和饱和性，具有确定的键长和键角，位错的滑移也会导致共价键的破断。面缺陷：陶瓷材料一般是多晶材料。多晶材料中存在的晶界和亚晶界就是陶瓷材料中的面缺陷。我们知道晶粒细化可以提高材料的强度。晶界对金属材料和陶瓷材料强度的提高作用机理是不同的。对金属材料来说，晶界阻碍位错的运动，从而强化了材料；而对陶瓷材料来说，利用晶界两侧晶粒取向的不同来阻止裂纹的扩展，提高强度。陶瓷材料的性能特点力学性能硬度：陶瓷的硬度很高，多为1000Hv1500Hv（普通淬火钢的硬度500800Hv）。陶瓷硬度高的原因是离子晶体中离子堆积密度大、以及共价晶体中电子云的重叠程度高引起的。刚度：陶瓷的刚度很高。刚度是由弹性模量衡量的，而弹性模量又反映其化学键的键能。离子键和共价键的键能都要高于金属键，因此陶瓷材料的弹性模量要高于金属材料。强度：陶瓷材料的强度取决于键的结合力，理论强度很高。但陶瓷中由于组织的不均匀性，内部杂质和各种缺陷的存在，使得陶瓷材料的实际强度要比理论强度低100多倍。陶瓷材料的强度也受晶粒大小的影响。晶粒越细，强度越高。此外，陶瓷材料一般具有优于金属材料的高温强度，高温抗蠕变能力强，且有很高的抗氧化性。常用于高温材料。塑性与韧性：陶瓷材料的塑性和韧性较低，这是陶瓷最大的弱点。陶瓷材料受到载荷时在不发生塑性变形的情况下，就发生断裂。断裂是裂纹形成和扩展的过程。陶瓷内部和表面所产生的微裂纹，由于裂纹尖端的应力集中，内部裂纹在受到外应力时扩展很快，这是导致陶瓷材料断裂的根本原因。热学性能熔点：陶瓷材料由离子键和共价键结合，因此具有较高的熔点。熔热：陶瓷材料在低温下热容小，在高温下热容增大。热膨胀：陶瓷材料的热膨胀系数小，这是由晶体结构和化学键决定的。一般为105106/K。电学性能陶瓷材料是良好的绝缘体。可用于隔电的绝缘材料；陶瓷还具有介电特性，可作为电器的介质。陶瓷材料的介电损耗很小，可大量制造高频、高温下工作的器件。光学性能陶瓷材料由于晶界和气孔的存在，一般是不透明的。可以通过烧结方法的改变和控制晶粒的大小，制备出透明的氧化物陶瓷。结构陶瓷的种类氧化物结构陶瓷 ：特点：化学稳定性好、抗氧化性强、熔融温度高、高温强度高。 Al2O3陶瓷 ZrO2陶瓷 MgO陶瓷BeO陶瓷 炭化物结构陶瓷 ：特点：高耐火度、高硬度、高耐磨性。SiC陶瓷有两种晶体结构：SiC和SiC。前者属六方晶系，是高温稳定相；后者属等轴晶系，是低温稳定相。SiC陶瓷的莫氏硬度13，在1400度的高温下仍能保持相当高的弯曲强度；SiC陶瓷有很高的热传导能力，抗蠕变性能好，对酸性熔体有很强的抵抗力，但不抗强碱。SiC陶瓷主要用作高温结构材料。如火箭尾喷管的喷嘴，热电偶套管等高温零件。还可用于高温下热交换器。 氮化物结构陶瓷：特点：高耐火度、高硬度、高耐磨性。Si3N4陶瓷是强共价键材料，原子结合力强，属六方晶系。Si3N4陶瓷具有良好的化学稳定性，能抵抗除氢氟酸以外的各种酸、碱和熔融金属的侵蚀；具有优异的绝缘性；硬度高，摩擦系数小，是一种优良的耐磨材料；线膨胀系数小，热导率高，抗热震性好；室温强度虽然不高，但高温强度较高。什么是功能陶瓷功能陶瓷是指具有电、光、磁以及部分化学功能的多晶无机固体材料，其功能的实现主要来自于它所具有的特定的电绝缘性、半导体性、导电性、压电性、铁电性、磁性、生物适应性等电子陶瓷：（1）压电陶瓷：当外力作用于晶体时，发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷，这种由于形变而产生的电效应，称为压电效应。反之，当在晶体上施加电场引起极化时，将产生与电场成比例的变形或压力，称之为逆压电效应。材料的压电效应取决于晶体结构的不对称性，晶体必须有极轴，才有压电效应。：压电陶瓷的种类压电陶瓷主要有钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸钡（PZT）、改性PZT等。压电陶瓷的晶体结构随温度的变化而变化。对钛酸钡和钛酸铅，当温度高于居里温度Tc时，为立方晶体，具有对称性，无压电效应；低于Tc时，为四方晶体，具有非对称性，有压电效应。压电陶瓷的应用 压电陶瓷的优点是价格便宜，可以批量生产，能控制极化方向，添加不同成分，可改变压电特性。压电陶瓷可用作超声波发生源的振子或水下测声聘仪器上的振子；也可用作声转换器。但压电陶瓷收到机械应力的作用时，由压电效应发生的电能可用于煤气灶的点火器和打火机等；压电陶瓷还可用于滤波器等。（2）光电陶瓷 光电陶瓷是具有光电导效应的陶瓷材料当光电陶瓷受到光照射时，由于能带间的迁移和能带与能级间的迁移而引起光的吸收现象时，能带内产生自由载流子，而使电导率增加，这种现象称为光电导现象。利用光电导效应检测光强度的元件称为光敏元件。检测从波长很短的X射线到波上很长的紫外线的光敏元件主要是烧结GdS多晶；如果在GdS中添加Cu杂质，可以用作检测可见光的光敏元件（3）超导陶瓷 1986年超导陶瓷的出现，使超导体的临界温度Tc有了很大提高。出现了高温超导体。超导陶瓷主要有：1。镧系高温超导陶瓷：以La2CuO3为代表；2。钇系高温超导陶瓷：以YBa2Cu2Oy为代表；3。铋系高温超导陶瓷：以Bi-Sr-Cu-O为代表；4。铊系高温超导陶瓷：以Ta-Ba-Ca-Cu-O为代表；超导陶瓷的应用在信息领域：用作高速转换元件、通信元件和连接电路。在生物医学领域：用于核磁共振断层摄像仪、量子干涉仪、粒子线治疗装置等。在交通运输领域：完全抗磁体制造的磁悬浮列车、电磁推进 器、飞机航天飞机发射台等。在电子能源领域：用于超导磁体发电、超导输电、超导储能等在宇宙开发、军事领域：潜艇的无螺旋浆无噪声电磁推进器、超导磁炮等。(4)磁性陶瓷 : 什么是铁氧体？铁氧体是铁和其他金属的复合氧化物，MO-Fe2O3，M代表一价、二价金属。铁氧体属半导体，电阻率在1-1010m。由于电阻率高，涡流损失小，介质耗损低，故广泛用于高频和微波领域软磁铁氧体主要有：尖晶石型的Mn-Zn铁氧体、 Ni-Zn铁氧体、Mg-Zn铁氧体、 Li-Zn铁氧体和磁铅石型的甚高频铁氧体（Ba3Co2Fe24O41）。软磁铁氧体要求起始磁化率高，磁导率温度系数小，矫顽力小，比损耗因数小。软磁铁氧体主要用于无线电电子学和电讯工程等弱点技术中，如各种电感线圈的磁芯、天线磁芯、变压器磁芯、滤波器磁芯以及录音与录像磁头等。硬磁铁氧体主要有两类：一类是CoFe2O4-Fe2O3； 另一类是BaO-xFe2O3。软磁铁氧体要求具有较大的矫顽力Hc、较高的剩余磁Br和高的最大磁积能（BH）max。 硬磁铁氧体可用作永磁体，用于高频磁场领域。由于Hc值大，可制成片状或粉末状，应用在与橡胶和树脂混合制成的复合磁铁上。 (5) 光学陶瓷要求：具有优良的耐热性、耐风化性、耐膨胀性；除了能透过可见光外，还能够波长更长或波长更短的光；光损耗低，能在远距离进行光传播；经光的照射，其性质发生可逆或不可逆变化。陶瓷材料怎样才能透明？在各向同性晶体构成的多晶体中，晶界不产生散射，但不存在气孔等缺陷时，是透明的；在各向异性的晶体中，光从一个晶粒向邻近的晶粒入射时，由于双折射现象而产生散射，是不透明的。若要得到透明多晶体，双折射必须很小。制造透明陶瓷的关键：消除气孔和控制晶粒异常长大消除气孔和控制晶粒异常长大的常用方法：1。添加微量或少量的添加剂2。改变烧结气氛3。改变原料4。采用先进的烧结技术氧化物透明陶瓷Al2O3、 Gd2O3、 CaO、 LiAl5O8、MgO、HfO、BeO等非氧化物透明陶瓷GaAs、ZnS、ZnSe、MgF2、CaF2等(6) 红外光学陶瓷随着红外技术的发展，出现了很多新型的材料和器件。这些材料包括滤光材料、红外接受材料和红外探测材料。以往这类材料主要采用单晶或玻璃，最近已开始使用多晶陶瓷。这样的陶瓷材料就称为红外光学陶瓷。氧化钇是一种优良的高温红外材料，主要用于红外导弹的窗口和整体罩、天线罩、微波基板、绝缘支架、红外发生器管壳、红外透镜和其他高温窗口。(7) 激光陶瓷激光陶瓷的实质是具有适当的能级结构，通过激励，使粒子从低能级向高能级跃迁。激光晶体通常包括两部分：组成晶格的称为基质晶体，其主要作用是为激活离子提供适当的晶格场；另一部分是发光中心，即少量的掺杂离子。几种典型的激光陶瓷材料：1。红宝石激光晶体：-Al2O3单晶为基质，掺入Cr32。掺钕的钇铝石榴石晶体。(8) 生物陶瓷什么是生物陶瓷？用于人体器官替换、修补以及外 科矫形的陶瓷材料。要求：具有良好的力学性能，在体内难于溶解，不易氧化，不易腐蚀变质，热稳定性好，耐磨且有一定的润滑性，和人体组织的亲和性好，组成范围宽，易于成形等。1。生物惰性陶瓷该陶瓷的物理、化学性能稳定，在生物体内完全呈惰性状态1）氧化铝陶瓷：传统的生物陶瓷，稳定性好，纯度高。可制成单晶、多晶或多孔材料。2）氧化锆陶瓷：生物相容性好，稳定性高，具有更高 的断裂韧性和更耐磨。3）碳素类陶瓷：与血液相容性、抗血栓性好，与人体 组织亲和性好，耐蚀、耐疲劳、量轻。2。生物活性陶瓷 具有优异的生物相容性，能与骨形成结合面，结合强度高，稳定性好，参与代谢。1。磷酸钙陶瓷：具有生物降解性，能被人体吸收。2。生物活性玻璃陶瓷 3。Na2O-K2O-MgO-CaO-SiO2-P2O5陶瓷 4。BCG人工骨头 (9) 敏感陶瓷指某些性能随外界条件（温度、湿度、气氛）的变化而发生改变的陶瓷材料1 热敏电阻陶瓷 电阻随温度发生明显变化的陶瓷材料。正温度系数陶瓷（PCT）:电阻随温度升高而增加的陶瓷材料。 钛酸钡陶瓷或以钛酸钡为主晶相的陶瓷 应用：1。马达的过热保护、液面深度测量、温度控制和报警、非破坏性保险丝、晶体管过热保护、温度电流控制器等。2。彩色电视机自动消磁、马达启动器、自动开关等；3。等温发热件、空调加热器等 负温度系数陶瓷（PCT）: 电阻随温度升高而减小的陶瓷材料。 多为尖晶石型氧化物，有二元和三元等。如：MnO-CuO2-O2; Mn-Co-Ni 等。 临界温度系数陶瓷（PCT）2 压敏电阻陶瓷 电阻值对外加电压敏感的陶瓷材料。电压提高，电阻率下降。压敏陶瓷有SiC、Si、Ge、ZnO等。以ZnO的性能最优。具有高非线形、大电流和高能量承受能力。稀土氧化镨为主要添加剂的ZnO压敏陶瓷。应用：微型马达电噪声、彩色显像管放电吸收、继电器节点保护、汽车发动机异常输出功率吸收、电火花、稳压元件等。3 磁敏电阻陶瓷 将磁性物理量转化成电信号的陶瓷材料。应用：可用来检测磁场、电流、角度、转速、相位等。在汽车工业中：用于无触点汽车点火开关；在计算机工业中：用于霍尔键盘；在家用电器和工业上：用于无刷电机和无触点开关等4 气敏电阻陶瓷将气体参量转化成电信号的陶瓷材料。它能以物理或化学吸附的方式吸附气体分子。气敏陶瓷有氧化铁系气敏陶瓷、氧化锌系气敏陶瓷、氧化锡系气敏陶瓷等。 应用：可燃气体和毒气的检测、检漏、报警、监控等。它的灵敏度高，对被测气体以外的气体不敏感。5。湿敏电阻陶瓷 将湿度信号转化成电信号的陶瓷材料。MgCr2O4TiO2陶瓷ZnOCr2O3陶瓷ZnCr2O3Fe2O3陶瓷应用：用于湿度指示、记录、预报、控制和自动化等。传统日用、建筑材料普通陶瓷【1】 日用陶瓷 ：一般应具有良好的白度、光泽度、透光性、热稳定性和强度。 日用陶瓷主要应用于茶具、餐具和工艺品 【2】普通工业陶瓷1） 建筑：以黏土为主要原料而制得的用于建筑物的陶瓷粗陶瓷：以难熔黏土为主要原料，包括砖、瓦、盆罐等精陶瓷：以瓷土和高岭土为主要原料，包括釉面砖、 建筑卫生陶瓷等炻瓷： 以陶土和黏土为主要原料，包括地砖、外墙砖、耐酸陶瓷等2）卫生：以高岭土为主要原料而制得的用于卫生设施的带釉陶瓷制品，有陶质、炻瓷质和瓷质等。3）电气绝缘：又称电瓷，是作为隔电、机械支撑及连接用的瓷质绝缘器件。分为低压电瓷、高压电瓷和超高压电瓷等。4）化工：要求耐酸、耐高温、具有一定强度。主要用于化学、化工、制药、食品等工业。水泥什么是水泥？水泥是一种加入适量水后，成为塑性浆体的，既能在空气中硬化，又能在水中硬化的，并能把砂、石等材料牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料。水泥的种类1】 硅酸盐水泥：硅酸盐水泥的主要矿物成分硅