材料科学及其发展现状

第一章材料科学概述

材料科学及其发展现状高分子材料基础知识及发展现状1材料科学及发展现状材料基本知识及发展历史材料结构简述材料的性能、工艺、结构之间的关系2材料与原料材料：经过人类劳动获得的、在进一步加工过程仍然保持原质的劳动对象原料：经过人类劳动取得的劳动对象如：开采出来的矿砂是冶炼金属的原料种植出的小麦是制造面粉的原料3材料与物质材料:满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状的物质材料：热敏材料、压电材料、激光材料物质：SiO2、矾土（Al2O3）例：Al2O3---单晶，宝石或激光材料---多晶，集成电路的放热基版材料---多孔多晶，催化剂的载体、敏感材料4材料化过程由化学物质或原料转变为一定用场的材料的过程例：从SiO2和Na2CO3制备玻璃的过程例:玻璃钢的制备织玻璃布制胶（环氧树脂、稀释剂、固化剂）将布放入模具中，涂胶，固化5材料分类6材料分类中的概念复合材料：由两种或两种以上，物理和化学性质不同的物质，用适当的工艺方法组合起来，而得到的具有复合效应的多相固体材料，分类如下：按原料在复合材料中的形态：基质材料、分散材料按复合材料的形态和形状：颗粒状、纤维状、层状按复合性质：物理复合，化学复合复合效果：结构复合，功能复合72.结构材料：使用其机械力学性能，用于机械制造、工程建筑、交通运输等3.功能材料：利用各种物理和化学性质，用于电子、红外、激光、通讯等方面材料分类中的概念8材料结构概述宏观组织结构：用肉眼或放大镜能观察到的晶粒、相的集合状态显微组织结构：借助光学显微镜、电子显微镜可观察到的晶粒、相的集合状态或材料内部的微区结构，尺寸为10-7~10-4m微观结构：原子及分子的结构以及原子和分子的排列结构9材料结构概述—原子结构原子由原子核和电子组成，电子质量可以忽略，元素的原子序数等于原子中质子的数目。根据量子力学原理，电子具有不连续能级，每个电子的能级和状态由主量子数、角量子数、磁量子数、自旋量子数决定。电子分布遵从原理：泡利不相容原理，能量最低原理，洪特规则10原子或分子之间的结合键化学结合键离子键金属键共价键物理结合键偶极之间的静电力、诱导力、色散力氢键材料结构概述—原子结构11材料结构概述—非晶态结构非晶态结构或无定形结构的定义：原子排列近程有序而远程无序的结构，也叫玻璃态结构非晶态结构的特点：结构长程无序，各向异性没有固定的熔点

12材料结构概述—晶态结构晶体：原子在三维空间呈周期性的无限有序排列的结构，也称为点阵晶胞（晶格）：周期性排列的最小单位7大晶系，14种空间点阵晶面：晶体中由原子组成的任一平面成为晶面晶向：原子组成的任一直线单晶：有序性贯穿整块晶体孪晶：晶体的长程有序性在某一确定的平面突然发生转折并以这一平面为界的两部分晶体有各自的长程有序性多晶：许多取向不同的晶粒组成的晶体13材料结构概述—结构缺陷定义：物质中不均匀的部分。但结构缺陷并不意味着材料有缺陷分类（从几何学的角度）点缺陷（零维缺陷）线缺陷（位错）面缺陷（二维缺陷）体缺陷（三维缺陷）这些缺陷对塑性变形、强度及断裂等力学性能起决定性作用14结构缺陷—点缺陷点缺陷定义：涉及一个或几个原子范围的点阵结构局部扰乱，是热运动引起的点缺陷对光电等性能有很大影响将间隙原子或置换原子有意加入材料结构中是材料固溶强化的基础15结构缺陷—线缺陷线缺陷定义：以一条线为中心的结构错乱位错在晶体内形成应力场，位错线附近的原子平均能量高于其它区域，故这些原子稳定性较差，容易被杂质原子替代，因此位错附近的区域易受腐蚀金属材料的应变强化是由于金属在形变过程中会使其所含位错数目增值，位错密度提高，因此得到强化16结构缺陷—面、体缺陷面缺陷定义：原子或分子在一个交界面的两侧出现不同排列而形成的缺陷界面与表面相和相接触的面为界面表面原子或分子一般比内部原子或分子具有过剩的能量，为表面能表面及界面的特性对材料及器件影响极大，如金属氧化与腐蚀晶界不同取向晶粒之间的接触面细晶强化：晶界可使位错运动受阻，从而使材料强度提高体缺陷

指材料宏观的结构缺陷，如空洞、裂纹、沉淀相、包裹物等对材料的力学性能有很大的影响17材料的工艺、结构和性能相互依赖、相互制约例：高压聚乙烯和低压聚乙烯例：铜棒：铸造法和轧制成型工艺例：提高塑料强度，可采用与橡胶共混的办法来提高冲击强度，采用加添加剂或增强剂来提高抗拉强度例：金属强化主要是提高屈服强度，屈服强度指材料开始塑性流动的应力。要么尽可能减少位错，使其接近于完整晶体；要么尽可能设法阻止位错运动，如冷变形强化、细晶强化等18材料在人类历史进程中的巨大作用材料是人类赖以生活和生产的物质基础例：木材，玻璃，水泥，钢铁，陶瓷，塑料，橡胶，棉，麻，毛

材料是生产力发展的重要支柱1903，美国莱特兄弟发明了第一架飞机，材料为木材和帆布，航速只有16公里/小时1911年，制造出金属结构的飞机，材料为轻质铝合金（提高发动机的温度）1939年，螺旋桨式代替活塞式，材料为耐700度高温的镍合金，航速为最初的47倍，755公里/小时40年代中期，可耐800度以上的高温合金航天用聚合物：烧蚀材料（耐高温的增强塑料，借本身熔化、升华或分解而消耗大量热量结构材料：玻璃纤维-环氧树脂，可以减轻约1/3的重量胶结材料：结构胶粘剂，环氧树脂-丁腈橡胶涂层材料：耐高温绝缘涂层，防潮湿、防霉菌涂层，耐磨涂层吸振材料，固体推进剂材料，密封材料19材料是划分人类社会不同历史时期的重要依据石器时代：石头旧石器时期：比较粗糙打制石器中石器时期：局部磨光的石器、弓箭新石器时期：第一种人造材料-陶铜器时代：铜铜石并用时期：红铜，自然铜，质软，不适于制作工具青铜器时期：铜锡合金，易于制造，硬度比红铜高铁器时代：铁铁在地壳中的含量为第四位