第1讲-材料的应用与发展-2011.doc

工 程 材 料 学材料的应用与发展材料学院：杨光昱第一章 材料的应用与发展n 材料与人类文明n 新技术革命与材料n 材料的内涵和外延n 材料的判据n 材料科学与工程的概念n 材料的应用和失效n 本门课的目的和要求（一）材料与人类文明 在地球上，人类赖以生活和生存的，有物质、能量和知识。而在这三个方面，人类与其它动物有着很大的差别。 （1）虽然所有的动物都是由物质组成的，并且都需要食物来维持生命，但是， “人是能够制造和使用生产工具的动物”。 人属于“动物”，人与其它动物的差别-“种差”，就是上述语句中的定语。 制造工具时，又需要物质；不是所有的物质都能用于工具，从这个概念，可以定义材料： “材料是能够为人类制造有用器件的物质”。 同理，材料“属”于物质，而上述语句中的定语便是“种差”。n 历史学家曾用“材料”来划分历史，例如石器时代、陶器时代、铜器时代、铁器时代、。n 原始的人类逐渐使用天然材料，如石头、骨骼、木材、兽皮等，来制造工具、武器、住所、衣服、用品等，这个时代叫做石器时代。n 随后，人们发现可塑性好的粘土加热变硬，从而制造了陶器，进入了陶器时代。在人类进化史上，这是一个里程碑，因为人类的智慧发展到将天然材料改造为人工材料。n 耗费更大的能量，人类将铜矿石及铁矿石分别还原为铜及铁，因而分别进入铜器时代及铁器时代。（2）人类与其他动物的第二个重要区别在于能量的利用。 原始的人类起初和陆上的许多动物一样，采用穴居来利用储存的太阳能。火的发现，是人类利用能源的一个革命性的转变点，人类已不再仅仅直接地依靠太阳能，而且能够将生物的化学能转变为热能。人类用火来烧林、开荒、烹煮食物；用火来加热燧石时之易于成形为工具，加热能使粘土器皿变为陶器，加热手段和还原剂的连用使矿石变为金属。火这个能源的利用，促进了材料及人类文明的发展。 另一方面，人类保存和利用能量，一点也离不开材料。远古人类住在洞穴里，依赖天然材料储存太阳能；火的利用，离不开木材和其它燃料，若将材料定义中的“器件”扩大为“物品”，则燃料也是广义的材料。而燃料的砍伐和采掘，当然需要材料。现代的先进能源转换技术中，如发电机、汽轮机、燃气轮机、核反应堆、磁流体发电、煤的汽化和液化、太阳能的转换、高能密度电池等，为了实现能量转换，为了提高效率、安全性、经济性，都依赖于材料的改进和新材料的发现。而材料的生产和利用，也需要能量。今天的社会，材料与能源是相互依靠的。 为了强调这种关系， “将用于能量的开发、转换、运输、储存等所需的材料，通称为能源材料”。 而“能源”是属于“能量”的 ，“自然界中的能量，可被人类经济利用的那一部分能量，就叫做能源”。（3）人类与其他动物的差别还在于信息的传播和保存。 “知识”和“信息”之间是难于分别的，可以这样定义：“人类社会中的知识，需要利用和传播的，叫做信息”。 远古的人类同其它动物相似，用姿势、表情和简单的语言来传递信息。随后，人类不仅发展了有别于其它动物的高级语言，更重要的是创造了文字，并且发明了印刷术，使知识能够积累和保存，信息可以在空间和时间的多维坐标中广为传播。古代的人类用简单的材料如石片、龟甲、芦苇叶、竹片、粘土板、布片等记录知识。我国夏商时代，在铜鼎、竹筒上长期保存了文化。十一世纪中期，我国比升发明了活字印刷术，这是信息传播的一个跃进。显然，这些信息和传播方面的进展，丝毫不能离开材料。现代的信息储存、处理和传播的先进技术，如电话、收音机、照相机、录音机、计算机等的出现、改进和换代，都依赖于材料。 另一方面，信息技术的发展，会促使材料的生产和应用。因此，信息与材料是相互依靠的。为了强调这种关系，“将用于信息的接收、处理、储存和传播所需的材料，统称为信息材料”。n 在人类历史的进程中，材料本身也经历了巨大的变化。从天然材料的木、石等发展到简单的人造材料如陶瓷、玻璃、金属、高分子化合物、半导体等，进一步发展到用优异材料巧妙地组合成和谐而有高性能的器件和装备，如集成电路、计算机、飞机、潜艇、核反应器、宇宙飞船、人造卫星等。这些巨大的进展，不是其它动物能达到的！这是因为只有人类才能够有意识地利用其祖先积累的信息和各种能源。 还应该指出，人类的生活和生存所依赖的衣食原料，依赖于农业科学技术，随着农业现代化和工业化的发展，材料的作用将越来越重要。甚至人类延年益寿的一条途径如依赖生物材料来更换器官，如遗传工程的实施也需要生物材料的保证。尤其是进入二十一世纪以来，生物工程和遗传生物技术的飞速发展，促使材料家族出现了第四种材料，即”生物材料”。 材料、能源、信息和生物这四根支柱，一直在支撑着人类赖以生存的空间。随着科学技术的日新月异，这四根支柱的联系会更加紧密。 通过回顾人类超越动物的历史，可以看到材料的重要性，可以看到材料、能源和信息在发挥人类聪明才智方面的重要作用。下面我们予以简单回顾。 在人类文明的进程中，材料发展大致经历了五个发展阶段： n 人类使用纯天然材料的初级阶段 ：在远古时代，人类只能使用天然材料（如兽皮、甲骨、羽毛、树木、草叶、石块、泥土等），就是人们通常所说的旧石器时代。 n 人类单纯利用火制造材料的阶段：这一阶段横跨人们通常所说的新石器时代、铜器时代和铁器时代，也就是距今约1万年前直至20世纪初这样一个漫长的时期，并且延续至今，它们分别以人类的三大人造材料为象征，即陶、铜和铁。n 人类利用物理与化学原理合成材料的阶段： 20世纪初，随着物理学和化学等科学的发展以及各种检测技术的出现，人类一方面从化学角度出发，开始研究材料的化学组成、化学键、结构及合成方法；另一方面从物理学角度出发开始研究材料的物性，就是以凝聚态物理、晶体物理和固体物理等作为基础来说明材料组成、结构及性能间的关系，并研究材料制备和使用材料的有关工艺性问题。 由于物理和化学等科学理论在材料技术中的应用，从而出现了材料科学。在此基础上，人类开始了人工合成材料的新阶段。这一阶段以合成高分子材料的出现为开端，一直延续到现在，而且正在继续向纵深发展。 人工合成塑料、合成纤维及合成橡胶等合成高分子材料的出现，加上已有的金属材料和陶瓷材料（无机非金属材料）构成了现代材料的三大支柱。除合成高分子材料以外，人类也合成了一系列的合金材料和无机非金属材料。超导材料、半导体材料、光纤等材料都是这一阶段的杰出代表。n 从这一阶段开始，人们不再是单纯地采用天然矿石和原料，经过简单的煅烧或冶炼来制造材料，而是能够利用一系列物理与化学原理及现象来创造新的材料。并且根据需要，人们可以在对以往材料组成、结构及性能间关系的研究基础上，进行材料设计。使用的原料本身有可能是天然原料，也有可能是合成原料。而材料合成及制造方法更是多种多样。n 二十世纪以来的现代科技史的发展历程，充分说明了材料合成与加工的重要性。如果没有半导体材料的发现和大规模集成电路工艺的发展，就不可能有今天的计算机技术；如果没有精密铸造、精密锻造、定向凝固与单晶生长技术、粉末冶金、弥散强化等工艺的发展，就不可能有今天这样发达的航空航天科技；而分子束外延、液相外延和化学气相沉积等新的合成技术的发展，才使得人工合成材料如超晶格、薄膜异质结构等制造成为可能。 另一方面，材料合成与加工中没有解决的问题，会直接影响到新技术的应用。例如太阳能的利用就因为光电转换材料的合成与加工没有取得突破而停滞不前。由此可见，新材料的使用和社会文明的进步密切相关。而新材料的出现、发展和使用又是和材料合成与加工技术的进步密不可分。每当出现一种新工艺或新技术，材料的发展就可能出现一次飞跃。材料合成与加工的定义 这里我们重点给大家介绍材料的合成与加工的概念。我们说，材料的合成与加工的涵义大不相同。n 材料的合成：指通过一定的途径，从气态、液态或者固态的各种不同原材料中得到化学上不同于原材料的新材料。n 材料的加工：是指通过一定的工艺手段使新材料在物理上处于与原材料不同的状态（化学上则完全相同）。比如，从块体材料上获得薄膜材料，从非晶材料上获得晶态材料。 材料加工与合成的主要方法 : （1）基于液相固相转变的材料制备：n 从熔体制备单晶材料：如定向凝固方法和液相外延生长等。n 从熔体制备非晶材料：如雾化法、急冷液态溅射等。n 溶液法材料制备：如采用溶液变温法生长单晶。n 溶胶-凝胶法材料制备：如采用溶胶-凝胶法制备氧化物薄膜。 （2）基于固相-固相转变的材料制备：n 固相反应法制备粉末；n 陶瓷成型与烧结；n 固相外延生长；n 高压制备。 （3）基于气相-固相转变的材料制备：n 真空蒸发镀膜；n 溅射和激光脉冲沉积；n 化学气相沉积；n 分子束外延生长。n 材料的复合化阶段：20世纪50年代金属陶瓷的出现，标志着复合材料时代的到来。随后又出现了玻璃钢、铝塑薄膜、梯度功能材料以及抗菌材料等，都是复合材料的典型实例。它们都是为了适应高新技术的发展以及人类文明程度的提高而产生的。到这时，人类已经可以利用新的物理、化学方法，根据实际需要设计具有独特性能的材料。 现代复合材料最根本的思想不只是要使两种材料的性能变成3加3等于6，而是要想办法使他们变成3乘以3等于9，乃至更大。n 材料的智能化阶段：自然界中的材料都具有自适应、自诊断和自修复的功能。如所有的动物或植物都能在没有受到绝对破坏的情况下进行自诊断和修复。人工材料目前还不能做到这一点。但是，近三四十年来研制出的一些材料已经具备了其中的部分功能。这就是目前最吸引人们注意的智能材料，如形状记忆合金、光致变色玻璃等等。 严格来讲，目前研制成功的智能材料还只是一种智能结构。n 由以上材料的五个发展阶段可以看出，在20世纪这一段历史时期，材料就经历了五个发展阶段中的三个阶段，这种发展速度是前所未有的。n 总的说来，21世纪材料科学的发展有以下几个特点: 超纯化（从天然材料到合成材料）、量子化（从宏观控制到微观和介观控制）、复合化（从单一到复合）及可设计化（从经验到理论）。n 当前，高技术新材料的发展日新月异，材料科学的内涵也日益丰富，21世纪中后期会出现什么样的高技术材料，材料科学又将发展到何种程度，我们的确很难预料。（二） 新技术革命与材料（1）概念 我们说，事物在运动和变化过程中，其进展是复杂的和不平稳的。若是逐渐地发生变化，我们就叫做发展；若出现了飞跃的质变，我们就叫做革命。不同的领域，有着不同的革命：n 人类认识客观世界的飞跃叫做科学革命；n 人类改造物质世界的飞跃叫做技术革命；n 生产体系的组织和经济结构的飞跃叫做产业革命；n 社会制度的飞跃叫做社会革命。 现代的新技术革命是由一群新技术所引起的改造物质世界的革命。这些新技术群除了支撑人类文明大厦的材料、能源、信息和生物这四大支柱外，还有航天技术、海洋技术及系统工程。（2）二者的关系n 材料是人类文明的物质基础和支柱，它支撑着新技术的前进。地球表面不能满足人类的需要，人类为此在近海和深海探索能源和材料，以及生物资源。人类在太空建立信息和能源转换站，进行材料的加工。由此发展出了海洋工程和航天技术。n 能源的开发、提炼、转化和储运，信息的传播、储存、利用和控制都离不开材料。航天技术、海洋工程和系统工程都需要结构或者功能材料。n 传统材料的发展和新材料的涌现，是新的科学技术促进的结果。 （三） 材料的内涵和外延 采用定义和外延这两种逻辑方法，可以明确“材料”这个概念的外延和内涵。（1）材料的定义：如果考虑到经济和社会因素，我们将前面所定义的材料的内涵延伸为如下两种定义：n 材料是人类社会所能接受地、经济地制造有用器件的物质。n 材料是人类社会所能接受地、经济地制造有用物品的物质。 一般情况下，在材料科学与工程的领域内，采用前者定义比较准确。由于“物品”的外延要大于“器件”。需要指出，随着材料概念的变化，定义也随着改变。材料的这些定义中，具有长久意义的内涵是 “制造”和“有用” 它们分别对应的是材料的工艺性能和使用性能。（2）材料的分类n 按照材料的来源：分为天然材料和人造材料；n 按照逻辑关系： 金属材料 无机材料 物质 材料 非金属材料 有机材料 金属材料-金属键n 按结合键：材料 陶瓷材料-离子键 高分子材料-共价键n 按照成分：可分为铁、铜、铝、镁、碳钢、合金钢等。工程材料的定义和分类： 我们把凡是与工程有关的材料叫做工程材料。这是我们本门课程重点介绍的问题。 工程材料主要应用于机械制造、航空、化工、建筑和交通运输等部门。工程材料种类繁多，用途广泛，有着不同的分类方法。n 工程上通常采用化学分类法对工程材料进行分类，见图0-1。n 更一般地，将工程材料分为：结构材料和功能材料。 结构材料是以力学性能为主要的性能； 功能材料则是以物理性能为主要性能。（四）材料的判据从材料的定义可以导出材料的五个判据： （1）“人类社会所能接受的”决定了材料的三个判据：“资源”、“能源”、“环保”。 （2）“经济地”决定了材料的“经济判据”。 （3）“制造有用器件的”决定了材料的“质量判据”。n 从战略高度，国家一般都会制定材料政策，对于材料的资源、能耗、环境保护三方面提出限制或要求。这是我们今后在进行科学研究时需要注意和重视的问题。n 而材料的生产、使用及科研生产单位，一般是依据质量和经济这两个判据，选择目标函数及约束条件，求取最优化效果，进而确定生产工艺流程。n 材料科学与工程专业的工作人员习惯于采用图1-5所示的思路开展工作：（1）依据工程构件服役的行为确定所需材料的性能；（2）依据性能要求，确定所需的材料结构；（3）制定材料生产工艺，获得所需的材料结构；（4）采用必要的设备，保证工艺的实施，或者反其道而行之。（5）只有适当的设备，才能保证工艺；（6）只有通过工艺才能改变结构；（7）结构决定性能；（8）材料的性能决定工程构件的行为。（五）材料科学与工程的概念（1）材料科学n 材料科学是一门科学，它从事材料本质的发现、分析和了解方面的研究。它的目的在于提供材料结构的统一描述或模型，以及解释这种结构与材料性能之间的关系。n 材料科学的核心问题是结构和性能。为了深入地理解和有效控制性能和结构，就需要处理各种过程，如材料的屈服过程、断裂过程、导电过程、磁化过程、相变过程、氧化过程等等。材料中各种结构的形成和过程的进行，都涉及到能量。n 性能、结构、过程和能量之间的关系见图3。（2）材料工程：它是工程的一个领域，其目的在于经济地、而又为社会所能接受地控制材料的性能、结构和形状。 材料工程要全面地考虑材料的五个判据。n 材料科学的重点是研究材料合成和工艺、材料结构以及材料性能间的内在关系。n 材料工程的重点则是如何将材料转化或者转变为有用的部件或者构件。 （3）材料科学与工程n 材料科学所包括的内容往往被理解为研究材料的组织、结构与性质的关系，探索自然规律。这似乎属于基础研究。实际上，材料是面向实际，为经济建设服务的，是一门应用科学。研究与发展材料的目的是为了应用，而材料又必须通过合理的工艺流程才能够制备出具有实际价值的材料来，通过批量生产才能成为工程材料。所以，在“材料科学”这个名词出来不久，就提出了“材料科学与工程”。n 许多大学的冶金系和材料系也由此改变了名称，多数改为“材料科学与工程系”，偏重基础方面的就称为“材料科学系”，偏重于工艺方面的就称为“材料工程系”。也有不肯放弃，但进而称为“冶金与材料科学系”，如英国剑桥。 第一部材料科学与工程百科全书由美国麻省理工学院的科学家编写，它给材料科学与工程下的定义为： 材料科学与工程就是研究有关材料组成、结构、制备工艺流程与材料性能与用途的关系的知识的产生及其运用。n 把组成与结构（composition-structure）, 合成与生产过程（synthesis-processing）, 性质（properties），以及使用效能（performance）称之为材料科学与工程的四个基本要素（basic elements）。把四要素连在一起，则形成一个四面