无机材料科学基础 第1章 绪论

1、第一章第一章 绪论绪论 Chapter I An Overview 1.1 引言引言( Introduction) n什么是材料什么是材料? n 材料与人类文明材料与人类文明 n 什么是材料科学？什么是材料科学？ n 材料科学的形成材料科学的形成 n 材料科学与材料工程的关系材料科学与材料工程的关系 什么是材料什么是材料? 世界万物，凡于我有用者，皆谓之材料。材世界万物，凡于我有用者，皆谓之材料。材 料是具有一定性能，可以用来制作器件、构件、料是具有一定性能，可以用来制作器件、构件、 工具、装置等物品的物质。材料存在于我们的周工具、装置等物品的物质。材料存在于我们的周 围，与我们的生活、我们的

2、生命息息相关。材料围，与我们的生活、我们的生命息息相关。材料 是人类文明、社会进步、科技发展的物质基础。是人类文明、社会进步、科技发展的物质基础。 材料与人类文明材料与人类文明 材料是人类文明、社会进步、科学技术发展的材料是人类文明、社会进步、科学技术发展的 物质基础和技术先导。在历史上，人们将石器、青物质基础和技术先导。在历史上，人们将石器、青 铜器、铁器等当时的主导材料作为时代的标志，称铜器、铁器等当时的主导材料作为时代的标志，称 其为石器时代、青铜器时代和铁器时代。在近代，其为石器时代、青铜器时代和铁器时代。在近代， 材料的种类及其繁多，各种新材料不断涌现，很难材料的种类及其繁多，各种新

3、材料不断涌现，很难 用一种材料来代表当今时代的特征。用一种材料来代表当今时代的特征。 第一次产业革命的突破口是推广应用蒸汽第一次产业革命的突破口是推广应用蒸汽 机机 ，但只有在开发了铁和铜等新材料以后，蒸，但只有在开发了铁和铜等新材料以后，蒸 汽机才得以使用并逐步推广。汽机才得以使用并逐步推广。 第二次产业革命一直延续到第二次产业革命一直延续到20世纪中叶，以世纪中叶，以 石油开发和新能源广泛使用为突破口，大力发展石油开发和新能源广泛使用为突破口，大力发展 飞机、汽车和其他工业，支持这个时期产业革命飞机、汽车和其他工业，支持这个时期产业革命 的仍然是新材料开发。如合金钢、铝合金以及各的仍然是新

4、材料开发。如合金钢、铝合金以及各 种非金属材料的发展。种非金属材料的发展。 n材料是当代文明的三大支柱之一材料是当代文明的三大支柱之一 材料、能源、信息材料、能源、信息是当代社会文明和国是当代社会文明和国 民经济的三大支柱，是人类社会进步和科学民经济的三大支柱，是人类社会进步和科学 技术发展的物质基础和技术先导。技术发展的物质基础和技术先导。 n 材料是全球新技术革命的材料是全球新技术革命的四大标志之一四大标志之一 （新材料技术、新能源技术、信息技术、（新材料技术、新能源技术、信息技术、 生物技术生物技术）。）。 什么是材料科学？什么是材料科学？ 材料科学是自然科学的一个分支。材料科学是自然科

5、学的一个分支。 材料科学是一门以固体材料为研究对象，以固体物理、热力材料科学是一门以固体材料为研究对象，以固体物理、热力 学、动力学、量子力学、冶金、化工为理论基础的边缘交叉学、动力学、量子力学、冶金、化工为理论基础的边缘交叉 基础应用学科，它运用电子显微镜、基础应用学科，它运用电子显微镜、X-射线衍射、热谱、电射线衍射、热谱、电 子离子探针等各种精密仪器和技术，探讨材料的组成、结构、子离子探针等各种精密仪器和技术，探讨材料的组成、结构、 制备工艺和加工使用过程与其机械、物理、化学性能之间的制备工艺和加工使用过程与其机械、物理、化学性能之间的 规律的一门基础应用学科，是研究材料共性的一门学科。

6、规律的一门基础应用学科，是研究材料共性的一门学科。 材料科学的核问题是结构和性能的关系。材料科学的核问题是结构和性能的关系。 材料的性能是由材料的内部结构决定的。材料的性能是由材料的内部结构决定的。 材料的结构有三个层次：即原子及电子结构；原子材料的结构有三个层次：即原子及电子结构；原子 的空间排列；组织结构或相结构。每个层次的结构都以的空间排列；组织结构或相结构。每个层次的结构都以 不同的方式决定着材料的性能。不同的方式决定着材料的性能。 另外尺寸的影响：体材料、低维材料、另外尺寸的影响：体材料、低维材料、0维材料。维材料。 材料科学的形成材料科学的形成 材料科学的形成是科学技术发展的结果。

7、材料科学的形成是科学技术发展的结果。 首先，固体物理、无机化学、有机化学、物理化学等学科首先，固体物理、无机化学、有机化学、物理化学等学科 的发展，对物质结构和物性的深入研究，推动了对材料本质的发展，对物质结构和物性的深入研究，推动了对材料本质 的了解；同时，冶金学、金属学、陶瓷学、高分子科学等的的了解；同时，冶金学、金属学、陶瓷学、高分子科学等的 发展，也使对材料本身的研究大大加强，从而对材料的制备、发展，也使对材料本身的研究大大加强，从而对材料的制备、 结构和性能以及它们之间的相互关系的研究也越来越深入，结构和性能以及它们之间的相互关系的研究也越来越深入， 为材料科学的形成打下了比较坚实的

8、基础。为材料科学的形成打下了比较坚实的基础。 其次，各材料之间的相互有机联系。其次，各材料之间的相互有机联系。 另外，各类材料的研究设备与生产手段由相同之处。另外，各类材料的研究设备与生产手段由相同之处。 材料科学与材料工程的关系材料科学与材料工程的关系 材料工程是工程的一个领域，其目的在于经济地而又能为材料工程是工程的一个领域，其目的在于经济地而又能为 社会所能接受地控制材料的结构、性能和形状。社会所能接受地控制材料的结构、性能和形状。 材料科学的核问题是结构和性能的关系。研究材料科学的核问题是结构和性能的关系。研究“为什么为什么” 的学问。的学问。 材料工程则要全面考虑材料的材料工程则要全

9、面考虑材料的5个判据：经济判据、资源判个判据：经济判据、资源判 据、环保判据、能源判据和质量判据。解决据、环保判据、能源判据和质量判据。解决“怎么做怎么做”的问的问 题的学问。题的学问。 材料科学的基础理论为材料工程指明方向，材料科学的基础理论为材料工程指明方向， 为更好的选择材料、使用材料、发挥现有材料的为更好的选择材料、使用材料、发挥现有材料的 潜力、发展新材料提供了理论基础，可以节省时潜力、发展新材料提供了理论基础，可以节省时 间、少走弯路、提高质量、降低成本和能源、减间、少走弯路、提高质量、降低成本和能源、减 少对环境的污染。少对环境的污染。 材料科学基础课程的教学内容材料科学基础课程

10、的教学内容 无机材料科学基础课程是无机非金属材料工程专业无机材料科学基础课程是无机非金属材料工程专业 的重要的学科基础课之一，主要介绍无机材料科学中的的重要的学科基础课之一，主要介绍无机材料科学中的 共性规律，即材料的组成共性规律，即材料的组成-形成（工艺）条件形成（工艺）条件-结构结构-性能性能- 材料用途之间相互关系及制约规律。内容主要包括：材材料用途之间相互关系及制约规律。内容主要包括：材 料种类、晶体结构、缺陷化学、非晶体结构、材料的表料种类、晶体结构、缺陷化学、非晶体结构、材料的表 面与界面、相图、扩散、相变、固相反应、烧结和材料面与界面、相图、扩散、相变、固相反应、烧结和材料 的环

11、境效应等基础知识。的环境效应等基础知识。 1.2 组成组成-结构结构-性质性质-工艺过程之间的关系工艺过程之间的关系 材料科学与工程的四个基本要素：材料科学与工程的四个基本要素： 合成与加工、组成与结构、性质、使用性能合成与加工、组成与结构、性质、使用性能。探索。探索 这四个要素之间的关系这四个要素之间的关系(图图1)，覆盖从基础学科到工程，覆盖从基础学科到工程 的全部内容。四个要素之间的密切关系确定了材料科的全部内容。四个要素之间的密切关系确定了材料科 学与工程这一领域，确定了材料科学基础课程的教学学与工程这一领域，确定了材料科学基础课程的教学 线索。线索。 图图1组成组成-结构结构-性质性

12、质-工艺过程之间工艺过程之间 关系示意图关系示意图 合成与制备过程合成与制备过程 使用性能使用性能 性质性质 组组 成成 与与 结结 构构 （化学）（化学） （工程）（工程） （物理学）（物理学） 材料的材料的性质性质是指材料对电、磁、光、热、机械载荷是指材料对电、磁、光、热、机械载荷 的反应，主要决定于材料的组成与结构。的反应，主要决定于材料的组成与结构。 使用性能使用性能是材料在使用状态下表现的行为，它与材是材料在使用状态下表现的行为，它与材 料设计、工程环境密切相关。实用性能包括可靠性、耐料设计、工程环境密切相关。实用性能包括可靠性、耐 用性、寿命预测及延寿措施等。用性、寿命预测及延寿措

13、施等。 合成与制备合成与制备过程包括传统的冶炼、铸锭、制粉、压过程包括传统的冶炼、铸锭、制粉、压 力加工、焊接等，也包括新发展的真空溅射、气相沉积力加工、焊接等，也包括新发展的真空溅射、气相沉积 等新工艺，使人工合成材料如超晶格、薄膜材料成为可等新工艺，使人工合成材料如超晶格、薄膜材料成为可 能。能。 n1.3.1 材料按化学组成（或基本组成）分类材料按化学组成（或基本组成）分类 n1.3.2 根据材料的性能分类根据材料的性能分类 n1.3.3 材料按服役的领域来分类材料按服役的领域来分类 n1.3.4 材料按结晶状态分类材料按结晶状态分类 n1.3.5 材料按材料的尺寸分类材料按材料的尺寸分

14、类 1.3 材料分类材料分类（Classes of Materials） n按按物理性质物理性质可分为：导电材料、绝缘材料、半导体材料、可分为：导电材料、绝缘材料、半导体材料、 磁性材料、透光材料、高强度材料、高温材料、超硬材料磁性材料、透光材料、高强度材料、高温材料、超硬材料 等。等。 n按按物理效应物理效应分为：压电材料、热电材料、铁电材料、非线分为：压电材料、热电材料、铁电材料、非线 性光学材料、磁光材料、电光材料、声光材料、激光材料性光学材料、磁光材料、电光材料、声光材料、激光材料 等。等。 n按按用途用途分为：电子材料、电工材料、光学材料、感光材料、分为：电子材料、电工材料、光学材料

15、、感光材料、 耐酸材料、研磨材料、耐火材料、建筑材料、结构材料、耐酸材料、研磨材料、耐火材料、建筑材料、结构材料、 包装材料等包装材料等。 1.3.1 按化学组成（或基本组成）分类：按化学组成（或基本组成）分类： 1. 金属材料金属材料 2. 无机非金属材料无机非金属材料 3. 高分子材料（聚合物）高分子材料（聚合物） 4. 复合材料复合材料 1.金属材料金属材料 金属材料是由化学元素周金属材料是由化学元素周 期表中的金属元素组成的材料。期表中的金属元素组成的材料。 可分为由一种金属元素构成的可分为由一种金属元素构成的 单质（纯金属）；由两种或两单质（纯金属）；由两种或两 种以上的金属元素或金

16、属与非种以上的金属元素或金属与非 金属元素构成的合金。合金又金属元素构成的合金。合金又 可分为固溶体和金属间化合物可分为固溶体和金属间化合物。 在在103种元素中，除种元素中，除He,Ne,Ar等等6种惰性元素和种惰性元素和C、Si、 N等等16种非金属元素外，其余种非金属元素外，其余81种为金属元素。除种为金属元素。除Hg之外，之外， 单质金属在常温下呈现固体形态，外观不透明，具有特殊单质金属在常温下呈现固体形态，外观不透明，具有特殊 的金属光泽及良好的导电性和导热性。在力学性质方面，的金属光泽及良好的导电性和导热性。在力学性质方面， 具有较高的强度、刚度、延展性及耐冲击性。具有较高的强度、

17、刚度、延展性及耐冲击性。 合金是由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与合金是由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与 非金属元素熔合在一起形成的具有金属特性的新物质。合非金属元素熔合在一起形成的具有金属特性的新物质。合 金的性质与组成合金的各个相的性质有关，同时也与这些金的性质与组成合金的各个相的性质有关，同时也与这些 相在合金中的数量、形状及分布有关。相在合金中的数量、形状及分布有关。 合金又分为固溶体和金属间化合物。合金又分为固溶体和金属间化合物。 当金属的晶体结构保持溶剂组元的晶体结构当金属的晶体结构保持溶剂组元的晶体结构 时，这种合金称为一次固溶体或端际固溶体，简时，这种合金称为一次

18、固溶体或端际固溶体，简 称为固溶体。称为固溶体。 金属元素与其它金属元素或非金属元素之间金属元素与其它金属元素或非金属元素之间 形成合金时，除固溶体外，还可能形成金属间化形成合金时，除固溶体外，还可能形成金属间化 合物。合物。 合金中的固溶体合金中的固溶体： 根据溶质原子在溶剂晶体结构中的位置，固根据溶质原子在溶剂晶体结构中的位置，固 溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体。溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体。 在置换固溶体中，溶质原子位于溶剂晶体结构在置换固溶体中，溶质原子位于溶剂晶体结构 的晶格格点上；在间隙固溶体中，溶质原子位于溶的晶格格点上；在间隙固溶体中，溶质原子位于溶 剂晶体结构的晶格间隙

19、。溶质原子在固溶体中的分剂晶体结构的晶格间隙。溶质原子在固溶体中的分 布可以是随机的，即呈统计分布；也可以是部分有布可以是随机的，即呈统计分布；也可以是部分有 序或完全有序，在完全有序固溶体中，异类原子趋序或完全有序，在完全有序固溶体中，异类原子趋 于相邻，这种结构亦称为超点阵或超结构。于相邻，这种结构亦称为超点阵或超结构。 此外，合金中溶质原子还可能形成丛聚，即此外，合金中溶质原子还可能形成丛聚，即 同类原子趋于相邻。丛聚可以呈随机弥散分布。事同类原子趋于相邻。丛聚可以呈随机弥散分布。事 实上，实验中还没有见到溶质原子呈完全随机分布实上，实验中还没有见到溶质原子呈完全随机分布 的固溶体。因此

20、，只能在宏观尺度上认为处于热力的固溶体。因此，只能在宏观尺度上认为处于热力 学平衡态的固溶体是真正均匀的，而原子尺度上并学平衡态的固溶体是真正均匀的，而原子尺度上并 不要求它也是均匀的。不同类型固溶体中原子排列不要求它也是均匀的。不同类型固溶体中原子排列 情况示于情况示于图图2。 图图2 不同类型固溶体中原子排列示意图不同类型固溶体中原子排列示意图 （a） 随机置换固溶体随机置换固溶体 （b） 有序置换固溶体有序置换固溶体 （c） 随机间隙固溶体随机间隙固溶体 （d） 固溶体中的溶质丛聚固溶体中的溶质丛聚 合金中的金属间化合物：合金中的金属间化合物： 金属间化合物可分为三类，即由负电性决定的金

21、属间化合物可分为三类，即由负电性决定的 原子价化合物（简称价化合物）、由电子浓度决原子价化合物（简称价化合物）、由电子浓度决 定的电子化合物（亦称为电子相）以及由原子尺定的电子化合物（亦称为电子相）以及由原子尺 寸决定的尺寸因素化合物。除了这三类由单一元寸决定的尺寸因素化合物。除了这三类由单一元 素决定的典型金属间化合物外，还有许多金属间素决定的典型金属间化合物外，还有许多金属间 化合物，其结构由两个或多个因素决定，称之为化合物，其结构由两个或多个因素决定，称之为 复杂化合物。复杂化合物。 2. 无机非金属材料无机非金属材料 无机非金属材料是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、无机非金属材料是由

22、硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、 锗酸盐等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、锗酸盐等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、 硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材 料。是除金属材料、高分子材料以外所有材料的总称。它与料。是除金属材料、高分子材料以外所有材料的总称。它与 广义的陶瓷材料有等同的含义。无机非金属材料种类繁多，广义的陶瓷材料有等同的含义。无机非金属材料种类繁多， 用途各异，目前还没有统一完善的分类方法。用途各异，目前还没有统一完善的分类方法。一般将其分为一般将其分为 传统的（普通的）和新型的（先进的）无

23、机非金属材料两大传统的（普通的）和新型的（先进的）无机非金属材料两大 类。类。 传统的无机非金属材料传统的无机非金属材料 主要是指由主要是指由SiO2及其硅酸盐化及其硅酸盐化 合物为主要成分制成的材料，合物为主要成分制成的材料， 包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火 材料等。此外，搪瓷、磨料、材料等。此外，搪瓷、磨料、 铸石（辉绿岩、玄武岩等）、铸石（辉绿岩、玄武岩等）、 碳素材料、非金属矿（石棉、碳素材料、非金属矿（石棉、 云母、大理石等）也属于传统云母、大理石等）也属于传统 的无机非金属材料。的无机非金属材料。 先进（或新型）无机非金属材料先进（或新型）无机非金属材料是用氧

24、化是用氧化 物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物 以及各种无机非金属化合物经特殊的先进工艺制以及各种无机非金属化合物经特殊的先进工艺制 成的材料。主要包括先进陶瓷、非晶态材料、人成的材料。主要包括先进陶瓷、非晶态材料、人 工晶体、无机涂层、无机纤维等。工晶体、无机涂层、无机纤维等。 陶瓷按其概念和用途不同，陶瓷按其概念和用途不同， 可分为两大类，即可分为两大类，即普通陶瓷和普通陶瓷和 特种陶瓷特种陶瓷。 根据陶瓷坯体结构及其基根据陶瓷坯体结构及其基 本物理性能的差异，陶瓷制品本物理性能的差异，陶瓷制品 可分为可分为陶器和瓷器陶器和瓷器。 传统的无

25、机非金属材料传统的无机非金属材料 之一：陶瓷之一：陶瓷 n普通陶瓷普通陶瓷即传统陶瓷，是指以粘土为主要原料与即传统陶瓷，是指以粘土为主要原料与 其它天然矿物原料经过粉碎混练、成型、煅烧等其它天然矿物原料经过粉碎混练、成型、煅烧等 过程而制成的各种制品。包括日用陶瓷、卫生陶过程而制成的各种制品。包括日用陶瓷、卫生陶 瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、电瓷以及其它工业用瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、电瓷以及其它工业用 陶瓷。陶瓷。 见见表表1。 表表1 普通陶瓷的分类方法普通陶瓷的分类方法 n特种陶瓷特种陶瓷是用于各种现代工业及尖端科学技术是用于各种现代工业及尖端科学技术 领域的陶瓷制品。领域的陶瓷制品。包括结构

26、陶瓷和功能陶瓷包括结构陶瓷和功能陶瓷。 结构陶瓷主要用于耐磨损、高强度、耐高温、结构陶瓷主要用于耐磨损、高强度、耐高温、 耐热冲击、硬质、高刚性、低膨胀、隔热等场耐热冲击、硬质、高刚性、低膨胀、隔热等场 所。功能陶瓷主要包括电磁功能、光学功能、所。功能陶瓷主要包括电磁功能、光学功能、 生物功能、核功能及其它功能的陶瓷材料。生物功能、核功能及其它功能的陶瓷材料。 常见常见高温结构陶瓷高温结构陶瓷包括：高熔点氧化物、碳化包括：高熔点氧化物、碳化 物、硼化物、氮化物、硅化物。物、硼化物、氮化物、硅化物。 功能陶瓷功能陶瓷包括包括:装置瓷（即电绝缘瓷）、电容器装置瓷（即电绝缘瓷）、电容器 陶瓷、压电陶

27、瓷、磁性陶瓷（又称为铁氧体）、导陶瓷、压电陶瓷、磁性陶瓷（又称为铁氧体）、导 电陶瓷、超导陶瓷、半导体陶瓷（又称为敏感陶电陶瓷、超导陶瓷、半导体陶瓷（又称为敏感陶 瓷）、热学功能陶瓷（热释电陶瓷、导热陶瓷、低瓷）、热学功能陶瓷（热释电陶瓷、导热陶瓷、低 膨胀陶瓷、红外辐射陶瓷等）、化学功能陶瓷（多膨胀陶瓷、红外辐射陶瓷等）、化学功能陶瓷（多 孔陶瓷载体等）、生物功能陶瓷等。孔陶瓷载体等）、生物功能陶瓷等。 根据陶瓷坯体结构及其基本物理性能根据陶瓷坯体结构及其基本物理性能 的差异，陶瓷制品可分为的差异，陶瓷制品可分为陶器和瓷器陶器和瓷器，见，见表表 2 。陶器包括粗陶器、普陶器和细陶器。陶。陶器

28、包括粗陶器、普陶器和细陶器。陶 器的坯体结构较疏松，致密度较低，有一定器的坯体结构较疏松，致密度较低，有一定 吸水率，断口粗糙无光，没有半透明性，断吸水率，断口粗糙无光，没有半透明性，断 面成面状或贝壳状。面成面状或贝壳状。 吸水率吸水率 （%） 特征特征 陶器陶器 粗陶器粗陶器15不时施釉，制作粗糙不时施釉，制作粗糙 普通陶器普通陶器12 断面颗粒较粗，气孔较大，表面施釉，断面颗粒较粗，气孔较大，表面施釉， 制作不够精细制作不够精细 细陶器细陶器15 断面颗粒较细，气孔较小，施釉或不施断面颗粒较细，气孔较小，施釉或不施 釉，制作不够精细釉，制作不够精细 瓷器瓷器 炻瓷器炻瓷器3 透光性差，通

29、常胎体较厚，呈色，断口透光性差，通常胎体较厚，呈色，断口 呈石状，制作精细呈石状，制作精细 普通瓷器普通瓷器1 有一定透光性，断而呈石状或贝壳状，有一定透光性，断而呈石状或贝壳状， 制作精细制作精细 细瓷器细瓷器0.5 透光性好，断面细腻，呈贝壳状，制作透光性好，断面细腻，呈贝壳状，制作 精细精细 性性 质质 及及 特特 征征 类类 别别 表表 2 中国日用瓷分类标准中国日用瓷分类标准 传统的无机非金属材料传统的无机非金属材料 之二：玻璃之二：玻璃 玻璃是由熔体过冷所制得的非晶态材料。根据其形玻璃是由熔体过冷所制得的非晶态材料。根据其形 成网络的组分不同可分为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸成网络

30、的组分不同可分为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸 盐玻璃等，其网络形成剂分为盐玻璃等，其网络形成剂分为SiO2、B2O3和和P2O5。习惯上。习惯上 玻璃态材料可分为玻璃态材料可分为普通玻璃普通玻璃和和特种玻璃特种玻璃两大类。两大类。 普通玻璃是指采用天然原料，能够大规模生产的玻普通玻璃是指采用天然原料，能够大规模生产的玻 璃。普通玻璃包括日用玻璃、建筑玻璃、微晶玻璃、光学璃。普通玻璃包括日用玻璃、建筑玻璃、微晶玻璃、光学 玻璃和玻璃纤维等。玻璃和玻璃纤维等。 特种玻璃（亦称为新型玻璃）特种玻璃（亦称为新型玻璃）是指采用精制、高纯是指采用精制、高纯 或新型原料，通过新工艺在特殊条件下或严格控制形成

31、过程或新型原料，通过新工艺在特殊条件下或严格控制形成过程 制成的一些具有特殊功能或特殊用途的玻璃。制成的一些具有特殊功能或特殊用途的玻璃。 特种玻璃包括特种玻璃包括SiO2含量在含量在85%以上或以上或55%以下的硅酸以下的硅酸 盐玻璃、非硅酸盐氧化物玻璃（硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐、盐玻璃、非硅酸盐氧化物玻璃（硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐、 碲酸盐、铝酸盐及氧氮玻璃、氧碳玻璃等）、非氧化物玻璃碲酸盐、铝酸盐及氧氮玻璃、氧碳玻璃等）、非氧化物玻璃 （卤化物、氮化物、硫化物、硫卤化物、金属玻璃等）以及（卤化物、氮化物、硫化物、硫卤化物、金属玻璃等）以及 光学纤维等。光学纤维等。 根据用途不同，特种玻璃分为

32、防辐射玻璃、激光玻璃、根据用途不同，特种玻璃分为防辐射玻璃、激光玻璃、 生物玻璃、多孔玻璃、非线性光学玻璃和光纤玻璃等。生物玻璃、多孔玻璃、非线性光学玻璃和光纤玻璃等。 传统的无机非金属材料传统的无机非金属材料 之三：水泥之三：水泥 水泥是指加入适量水水泥是指加入适量水 后可成塑性浆体，既能在后可成塑性浆体，既能在 空气中硬化又能在水中硬空气中硬化又能在水中硬 化，并能够将砂、石等材化，并能够将砂、石等材 料牢固地胶结在一起的细料牢固地胶结在一起的细 粉状水硬性材料。粉状水硬性材料。 水泥的种类很多，按其用途和性能可分为：水泥的种类很多，按其用途和性能可分为： 通用水泥、专用水泥和特性水泥通用

33、水泥、专用水泥和特性水泥三大类；按其所三大类；按其所 含的主要水硬性矿物，水泥又可分为硅酸盐水泥、含的主要水硬性矿物，水泥又可分为硅酸盐水泥、 铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥以及铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥以及 以工业废渣和地方材料为主要组分的水泥。目前以工业废渣和地方材料为主要组分的水泥。目前 水泥品种已达一百多种。水泥品种已达一百多种。 n通用水泥通用水泥为大量土木工程所使用的一般用途的水泥，如为大量土木工程所使用的一般用途的水泥，如 硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山 灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅

34、酸盐水泥灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥 等。等。 n专用水泥专用水泥指有专门用途的水泥，如油井水泥、砌筑水泥指有专门用途的水泥，如油井水泥、砌筑水泥 等。等。 n特性水泥特性水泥则是某种性能比较突出的一类水泥，如快硬硅则是某种性能比较突出的一类水泥，如快硬硅 酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥、膨酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥、膨 胀硫铝酸盐水泥、自应力铝酸盐水泥等。胀硫铝酸盐水泥、自应力铝酸盐水泥等。 传统的无机非金属材料传统的无机非金属材料 之四：耐火材料之四：耐火材料 耐火材料是指耐火度不低于耐火材料是指耐火度不低于1580的无机非金属材的无机非

35、金属材 料。它是为高温技术服务的基础材料。尽管各国对其定料。它是为高温技术服务的基础材料。尽管各国对其定 义不同，但基本含义是相同的，即耐火材料是用作高温义不同，但基本含义是相同的，即耐火材料是用作高温 窑炉等热工设备的结构材料，以及用作工业高温容器和窑炉等热工设备的结构材料，以及用作工业高温容器和 部件的材料，并能承受相应的物理化学变化及机械作用。部件的材料，并能承受相应的物理化学变化及机械作用。 大部分耐火材料是以天然矿石（如耐火粘土、硅石、大部分耐火材料是以天然矿石（如耐火粘土、硅石、 菱镁矿、白云母等）为原料制造的。菱镁矿、白云母等）为原料制造的。 按按矿物组成矿物组成分为氧化硅质、硅

36、酸铝质、镁质、白云石分为氧化硅质、硅酸铝质、镁质、白云石 质、橄榄石质、尖晶石质、含碳质、含锆质耐火材料及特殊质、橄榄石质、尖晶石质、含碳质、含锆质耐火材料及特殊 耐火材料；耐火材料； 按按制造方法制造方法分为天然矿石和人造制品；分为天然矿石和人造制品； 按按形状形状分为块状制品和不定形耐火材料；分为块状制品和不定形耐火材料； 按按热处理方式热处理方式分为不烧制品、烧成制品和熔铸制品；分为不烧制品、烧成制品和熔铸制品； 按按耐火度耐火度分为普通、高级及特级耐火制品；分为普通、高级及特级耐火制品； 按按化学性质化学性质分为酸性、中性及碱性耐火材料；分为酸性、中性及碱性耐火材料； 按按密度密度分为

37、轻质及重质耐火材料。分为轻质及重质耐火材料。 按按制品的形状和尺寸制品的形状和尺寸可分为标准砖、异型砖、特异可分为标准砖、异型砖、特异 型砖、管和耐火器皿等。型砖、管和耐火器皿等。 按按应用应用分为高炉用、水泥窑用、玻璃窑用、陶瓷窑分为高炉用、水泥窑用、玻璃窑用、陶瓷窑 用耐火材料等等。用耐火材料等等。 3. 有机高分子材料（高聚物） 高聚物是由一种或几种简单低分高聚物是由一种或几种简单低分 子化合物经聚合而组成的分子量很大子化合物经聚合而组成的分子量很大 的化合物。高聚物的种类繁多，性能的化合物。高聚物的种类繁多，性能 各异，其分类的方法多种多样。按高各异，其分类的方法多种多样。按高 分子材

38、料分子材料来源来源分为天然高分子材料和分为天然高分子材料和 合成高分子材料；按材料的合成高分子材料；按材料的性能和用性能和用 途途可将高聚物分为橡胶、纤维、塑料可将高聚物分为橡胶、纤维、塑料 和胶粘剂等。和胶粘剂等。 n橡胶橡胶的特点是室温弹性高，即使在很小的的特点是室温弹性高，即使在很小的 外力作用下，也能产生很大的形变（可达外力作用下，也能产生很大的形变（可达 1000%），外力去除后，能迅速恢复原状。），外力去除后，能迅速恢复原状。 其弹性模量小，约其弹性模量小，约105104Pa。常用的橡胶。常用的橡胶 有天然橡胶（异戊橡胶）、丁苯橡胶、顺有天然橡胶（异戊橡胶）、丁苯橡胶、顺 丁橡胶（

39、聚丁二烯）、乙丙橡胶和硅橡胶丁橡胶（聚丁二烯）、乙丙橡胶和硅橡胶 等。等。 n纤维纤维的弹性模量较大，约的弹性模量较大，约1091010Pa。受力。受力 时，形变不超过百分之二十。纤维大分子时，形变不超过百分之二十。纤维大分子 沿轴向作规则排列，其长径比较大，在较沿轴向作规则排列，其长径比较大，在较 广的温度范围（广的温度范围（-50150）内，机械性能）内，机械性能 变化不大。常用的合成纤维有尼龙、涤纶、变化不大。常用的合成纤维有尼龙、涤纶、 晴纶和维尼纶等。晴纶和维尼纶等。 n塑料塑料的弹性模量介于橡胶和纤维之间，约的弹性模量介于橡胶和纤维之间，约107108Pa。 温度稍高些，受力形变可

40、达百分之几至几百。有些塑料温度稍高些，受力形变可达百分之几至几百。有些塑料 的形变是可逆的，有些塑料的形变是永久的。的形变是可逆的，有些塑料的形变是永久的。 根据塑料受热时行为的不同，分为根据塑料受热时行为的不同，分为热塑性热塑性和和热固性热固性塑料塑料 两类。前者受热时可以塑化和软化，冷却时则凝固成形，两类。前者受热时可以塑化和软化，冷却时则凝固成形， 再加热又可塑化软化。聚乙烯、聚氯乙烯和聚碳酸酯等再加热又可塑化软化。聚乙烯、聚氯乙烯和聚碳酸酯等 都属于此类；后者在受热时可塑化和软化，并通过化学都属于此类；后者在受热时可塑化和软化，并通过化学 反应，使之固定成型，但冷却后不能再加热软化，酚

41、醛反应，使之固定成型，但冷却后不能再加热软化，酚醛 塑料和脲醛塑料就属此类。塑料和脲醛塑料就属此类。 n胶粘剂胶粘剂是指在常温下处于粘流态，当受到外力作是指在常温下处于粘流态，当受到外力作 用时，会产生永久变形，外力撤去后又不能恢复用时，会产生永久变形，外力撤去后又不能恢复 原状的高聚物。有时把聚合后未加工成型的高聚原状的高聚物。有时把聚合后未加工成型的高聚 物称为树脂，以区分加工后的塑料或纤维制品，物称为树脂，以区分加工后的塑料或纤维制品， 如电木未固化前称酚醛树脂，涤纶纤维未纺织前如电木未固化前称酚醛树脂，涤纶纤维未纺织前 称涤纶树脂。称涤纶树脂。 4. 复合材料复合材料 复合材料是由两种

42、或两种以上化学性质或组织结复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织结 构不同的材料组合而成。构不同的材料组合而成。复合材料是多相材料，主要包复合材料是多相材料，主要包 括基本相和增强相。括基本相和增强相。基体相是一种连续相材料，它把改基体相是一种连续相材料，它把改 善性能的增强相材料固结成一体，并起传递应力的作用；善性能的增强相材料固结成一体，并起传递应力的作用； 增强相起承受应力（结构复合材料）和显示功能（功能增强相起承受应力（结构复合材料）和显示功能（功能 复合材料）的作用。复合材料既能保持原组成材料的重复合材料）的作用。复合材料既能保持原组成材料的重 要特色，又通过复合效应使各组分的性能

43、互相补充，获要特色，又通过复合效应使各组分的性能互相补充，获 得原组分不具备的许多优良性能。得原组分不具备的许多优良性能。 复合材料的种类繁多，目前还没有统一的分类方复合材料的种类繁多，目前还没有统一的分类方 法，下面根据复合材料的三要素来分类。按法，下面根据复合材料的三要素来分类。按基体材料基体材料 分类，有金属基复合材料，陶瓷基复合材料，水泥、分类，有金属基复合材料，陶瓷基复合材料，水泥、 混凝土基复合材料，塑料基复合材料，橡胶基复合材混凝土基复合材料，塑料基复合材料，橡胶基复合材 料等；按料等；按增强剂形状增强剂形状可分为粒子、纤维及层状复合材可分为粒子、纤维及层状复合材 料；依据复合材

44、料的性能可分为结构复合材料和功能料；依据复合材料的性能可分为结构复合材料和功能 复合材料。复合材料。 1.3.2 根据材料的性能分类根据材料的性能分类 根据材料在外场作用下其性质或性能根据材料在外场作用下其性质或性能 对外场的响应不同，材料可分为对外场的响应不同，材料可分为结构材料结构材料 和和功能材料功能材料。 n结构材料结构材料是指具有抵抗外场作用而保持自己的形状、是指具有抵抗外场作用而保持自己的形状、 结构不变的优良力学性能（强度和韧性等），用于结构不变的优良力学性能（强度和韧性等），用于 结构目的的材料。这种材料通常用来制造工具、机结构目的的材料。这种材料通常用来制造工具、机 械、车辆

45、和修建房屋、桥梁、铁路等。是人们熟悉械、车辆和修建房屋、桥梁、铁路等。是人们熟悉 的机械制造材料、建筑材料，包括结构钢、工具钢、的机械制造材料、建筑材料，包括结构钢、工具钢、 铸铁、普通陶瓷、耐火材料、工程塑料等传统的结铸铁、普通陶瓷、耐火材料、工程塑料等传统的结 构材料（一般结构材料）以及高温合金、结构陶瓷构材料（一般结构材料）以及高温合金、结构陶瓷 等高级结构材料。等高级结构材料。 n功能材料功能材料是具有优良的电学、磁学、光学、是具有优良的电学、磁学、光学、 热学、声学、力学、化学和生物学功能及热学、声学、力学、化学和生物学功能及 其相互转化的功能，被用于非结构目的的其相互转化的功能，被

46、用于非结构目的的 高技术材料。高技术材料。 1.3.3 材料按服役的领域来分类材料按服役的领域来分类 根据材料服役的技术领域可分根据材料服役的技术领域可分 为为信息材料、航空航天材料、能源信息材料、航空航天材料、能源 材料、生物医用材料材料、生物医用材料等。等。 n信息材料信息材料是指用于信息的探测、传输、显是指用于信息的探测、传输、显 示、运算和处理的光电信息材料。信息材示、运算和处理的光电信息材料。信息材 料主要包括信息的监测和传感（获取）材料主要包括信息的监测和传感（获取）材 料、信息的传输材料、信息的存储材料、料、信息的传输材料、信息的存储材料、 信息的运算和处理材料。信息的运算和处理

47、材料。 n航空航天材料航空航天材料主要包括新型金属材料（如先进主要包括新型金属材料（如先进 铝合金、超高强度钢、高温合金、高熔点合金、铝合金、超高强度钢、高温合金、高熔点合金、 铍及其合金）、烧蚀防热材料和新型复合材料。铍及其合金）、烧蚀防热材料和新型复合材料。 此外，还包括一些功能材料，如涂层材料、隔此外，还包括一些功能材料，如涂层材料、隔 热材料、透明材料、阻尼材料、密封材料、润热材料、透明材料、阻尼材料、密封材料、润 滑材料、粘合剂材料等。这些材料大部分属于滑材料、粘合剂材料等。这些材料大部分属于 高分子材料和陶瓷材料，也有少量是阻尼合金高分子材料和陶瓷材料，也有少量是阻尼合金 等金属材

48、料。等金属材料。 n能源材料能源材料是指能源工业和能源技术所使用的材料，按是指能源工业和能源技术所使用的材料，按 使用目的不同分为新能源材料、节能材料和储氢材料使用目的不同分为新能源材料、节能材料和储氢材料 等。新能源材料包括增值堆用核材料、聚变堆材料、等。新能源材料包括增值堆用核材料、聚变堆材料、 太阳能电池（单晶硅、多晶硅、非晶硅等）；节能材太阳能电池（单晶硅、多晶硅、非晶硅等）；节能材 料包括非晶体金属磁性材料（用作变压器铁芯的料包括非晶体金属磁性材料（用作变压器铁芯的Fe- Mn-B-Si合金）和超导材料合金）和超导材料（Nb-Ti、Nb-Sn巨型磁体巨型磁体 用材料）；储氢材料，以及

49、高比能电池（如钠硫电池）用材料）；储氢材料，以及高比能电池（如钠硫电池） 等。目前钠硫电池的比能量达等。目前钠硫电池的比能量达137W.h/Kg，而铅蓄电，而铅蓄电 池的比能量只有池的比能量只有30W.h/Kg。 n 生物医用材料生物医用材料是一类合成物质或天然物质或这些物质的复合，它是一类合成物质或天然物质或这些物质的复合，它 能作用一个系统的整体或部分，在一定时期内治疗、增强或替换能作用一个系统的整体或部分，在一定时期内治疗、增强或替换 机体的组织、器官或功能。机体的组织、器官或功能。 医用金属及合金医用金属及合金 医用高分子材料包括合成和天然高分子，已被广泛用于韧带、肌腱、医用高分子材料包括合成和天然高分子，已被广泛用于韧带、肌腱、 皮肤、血管、角膜、人工脏器、骨和牙等人体软、硬组织及器官皮肤、血管、角膜、人工脏器、骨和牙等人体软、硬组织及器官 的修复和制造。的修复和制造。 医用生物陶瓷医用生物陶瓷包括惰性和活性生物陶瓷、生物玻璃等，如氧化铝包括惰性和活性生物陶瓷、生物玻璃等，如氧化铝 瓷、氧化锆瓷、生物碳等以及羟基磷灰石、磷酸