材料科学与工程导论材料科学与工程纲要.pptx

1第二章 材料科学与工程纲要2.1 材料科学与工程的形成与内涵材料科学与工程的形成与内涵2.1.1 2.1.1 材料科学的形成材料科学的形成卫星上天引发的震动 “材料科学”概念的提出只是20世纪50年代末到60年代初的事情。1957年，前苏联人造卫星首先上天，对美国人触动很大。1957年10月和11月，苏联先后发射了两颗重量分别为80kg和500kg的人造卫星。直到第二年的1月底，美国才发射了一个重量仅8kg的人造卫星。2 由于当时正是苏美两国争夺世界霸权的冷战时代，这件事在美国朝野引起很大震动。各有关部门联合向总统提出报告，认为美国落后于苏联的原因主要在于先进材料的研究开发方面。1958年3月，美国总统发布了“全国材料规划”，决定由12所大学成立材料科学研究中心，采用先进的科学理论和实验方法对材料进行深入研究，从此出现了“材料科材料科学学”一词。1966年，美国麻省理工学院将“冶金系”改为“冶金与材料科学系”，1975年又将其更名为“材料科学与工程系”。这标志着人们开始把材料的研究作为自然科学的一个分支，从此“材料科学”学科开始兴起。2.1 2.1 材料科学与工程的形成与内涵材料科学与工程的形成与内涵3科技发展的必然结果1）20世纪上半叶基础学科的发展奠定了材料科学的基础世纪上半叶基础学科的发展奠定了材料科学的基础 量子力学、固体物理、无机化学、有机化学、物理化学等基础学科的发展为材料科学的形成奠定了重要的理论基础；而各种现代分析技术的进步，加深了人们对物质结构和材料的物理化学性质的理解；同时，冶金学、金属学、陶瓷学、高分子科学等应用科学的发展也使人们对材料本身的研究大大加强。这使人们对材料的制备、结构、性能以及它们之间的相互关系的研究也越来越深入。2）不同材料应用理论的交叉融合促进了材料科学的形成）不同材料应用理论的交叉融合促进了材料科学的形成 在“材料科学”概念出现以前，金属、陶瓷和高分子都已自成体系，但它们之间存在颇多相似之处，不同材料之间可以相互借鉴，促使了该学科的发展。2.1 2.1 材料科学与工程的形成与内涵材料科学与工程的形成与内涵43）不同材料测试技术及工艺技术的交叉融合也促进了材料）不同材料测试技术及工艺技术的交叉融合也促进了材料科学的形成科学的形成 虽然不同类型的材料各有其专用的生产设备和测试手段，但它们在许多方面是相同或相近的。一方面，不同材料的一方面，不同材料的结构结构与与性能性能表征方法大体上是相通表征方法大体上是相通的。的。例如，光学显微镜、电子显微镜、表面测试设备、力学性能及其他例如，光学显微镜、电子显微镜、表面测试设备、力学性能及其他物理性能测试设备等，对不同类型的材料而言是通用的。物理性能测试设备等，对不同类型的材料而言是通用的。另一方面，在材料的另一方面，在材料的制备制备与与加工加工中，有许多工艺也是通中，有许多工艺也是通用的。用的。例如，挤压工艺常用于金属材料的成形加工以提高强度，而某些高例如，挤压工艺常用于金属材料的成形加工以提高强度，而某些高分子材料通过挤压法形成纤维同样能使其比强度和比刚度大幅度提高。分子材料通过挤压法形成纤维同样能使其比强度和比刚度大幅度提高。2.1 2.1 材料科学与工程的形成与内涵材料科学与工程的形成与内涵5 材料科学的提出20世纪60年代初 “材料材料”早以存在早以存在 1957年苏联卫星上天，美国震动很大，在大学相继年苏联卫星上天，美国震动很大，在大学相继建立十余个材料科学研究中心。自此，建立十余个材料科学研究中心。自此，“材料科学材料科学”一一词广泛应用。词广泛应用。材料科学的形成是科学技术发展的结果 材料科学材料科学是当代科学技术发展的基础、工业生产的支柱，是当代科学技术发展的基础、工业生产的支柱，是当今世界的带头学科之一是当今世界的带头学科之一材料科学的形成材料科学的形成 材料学的三个重要特性材料学的三个重要特性 多学科交叉多学科交叉 密切结合实际应用密切结合实际应用 发展中的学科发展中的学科2.1 2.1 材料科学与工程的形成与内涵材料科学与工程的形成与内涵62.1.2 2.1.2 材料科学与工程的形成材料科学与工程的形成 材料科学的核心内容，在于研究材料的成分、组织结构与性能的关系，具有科学的性质，其目的是解决“为什么为什么”。材料工程的核心内容，在于研究材料在制备、成形、处理和加工过程中的工艺技术问题，其目的是解决“怎样做怎样做”。把“材料科学”与“材料工程”两者有机结合起来，就形成了“材料科学与工程”。材料科学为材料工程提供设计依据，为更好地选择、使材料科学为材料工程提供设计依据，为更好地选择、使用和发展新材料提供理论基础；材料工程又为材料科学提供用和发展新材料提供理论基础；材料工程又为材料科学提供丰富的研究课题和物质基础。可见，材料科学与材料工程是丰富的研究课题和物质基础。可见，材料科学与材料工程是紧密联系的。紧密联系的。2.1 2.1 材料科学与工程的形成与内涵材料科学与工程的形成与内涵72.1.3 2.1.3 材料科学与工程的特点材料科学与工程的特点1）材料科学与工程具有鲜明的工程性）材料科学与工程具有鲜明的工程性 材料科学与工程具有物理学、化学、冶金学、陶瓷学、高分子学等多学科相互融合、相互交叉的特点，并且与实际应用的关系非常密切，具有鲜明的工程性。实验室的研究成果必须经过工程研究与开发，以确定合理的工艺实验室的研究成果必须经过工程研究与开发，以确定合理的工艺流程，并通过中试试验后才能生产出符合要求的材料；此外，各种材流程，并通过中试试验后才能生产出符合要求的材料；此外，各种材料在使用中，还会暴露出一些问题，需要反馈到研究与开发环节，进料在使用中，还会暴露出一些问题，需要反馈到研究与开发环节，进行改进后再回到应用领域。行改进后再回到应用领域。只有经过多次反复的应用与改进，才能成为成熟的材料。即便是成只有经过多次反复的应用与改进，才能成为成熟的材料。即便是成熟的材料，随着科技的发展与需求的推动，还要不断加以改进。因此，熟的材料，随着科技的发展与需求的推动，还要不断加以改进。因此，在材料研究中，将会涉及到材料研究、工艺改进、试验测试、中试试在材料研究中，将会涉及到材料研究、工艺改进、试验测试、中试试验、推广应用和完善改进等各阶段的研究工作。验、推广应用和完善改进等各阶段的研究工作。2.1 2.1 材料科学与工程的形成与内涵材料科学与工程的形成与内涵82）材料科学与工程有明确的应用背景和应用目的）材料科学与工程有明确的应用背景和应用目的 发展材料科学与工程的目的是开发新材料，并为之提供新技术、新方法和新工艺；或者提高已有材料的性能和质量，降低成本和减少污染，以更好地使用已有材料，充分发挥其作用。材料科学与工程在这一点上与材料物理、材料化学有重要区别。3）材料科学与材料工程是相辅相成、密不可分的）材料科学与材料工程是相辅相成、密不可分的 在材料科学与工程中，材料科学侧重于发现和揭示材料四要素之间的关系，以提出新概念和新理论；材料工程则侧重于寻求新手段以实现新材料的设计思想并使之投入应用。两者是相辅相成、密不可分的。2.1 2.1 材料科学与工程的形成与内涵材料科学与工程的形成与内涵92.1.4 2.1.4 材料科学与工程的四要素材料科学与工程的四要素 材料的化学材料的化学成分成分、组织结构组织结构是影响其各种是影响其各种性质性质的直接因的直接因素，素，加工加工过程通过改变材料的过程通过改变材料的组织结构组织结构而影响其而影响其性质性质。另一。另一方面，改变方面，改变化学成分化学成分会改变材料的会改变材料的组织结构组织结构，从而影响其，从而影响其性性质质。组织结构组织结构是核心，是核心，性能性能是研究工作的落脚点。是研究工作的落脚点。2.1 2.1 材料科学与工程的形成与内涵材料科学与工程的形成与内涵(性质）性质）10 材料的品种及其应用多种多样，材料的问题涉及到许多科学与工程学科，因此，人们一直关心各种材料的统一性和相关性。材料科学与工程四个基本要素的提出，才使得在貌似不相关的材料之间找到了共同点，即无论哪种材料都包括以下四个基本要素：成分与结构成分与结构合成与加工合成与加工性能（性质或固有属性）性能（性质或固有属性）使用性能使用性能2.1 2.1 材料科学与工程的形成与内涵材料科学与工程的形成与内涵 把四大要素连接在一起，就形成一个四面体。该四面体模型较好把四大要素连接在一起，就形成一个四面体。该四面体模型较好地描述了作为一个整体的地描述了作为一个整体的材料科学与工程的材料科学与工程的内涵内涵和和特点特点，反映了材料，反映了材料科学与工程研究中的共性问题。因此，抓住了材料科学与工程的四个科学与工程研究中的共性问题。因此，抓住了材料科学与工程的四个要素，就抓住了材料科学与工程的本质。要素，就抓住了材料科学与工程的本质。111）材料的结构与成分）材料的结构与成分 每个特定的材料都具有一个从原子、电子尺度到宏观尺度的结构。在各种尺度上，对材料的结构进行研究是材料科学与工程学科的重要方面。材料的结构一般包含几个层次：电子层次；电子层次；原子或分子排列层次；原子或分子排列层次；（纳米层次）显微层次；显微层次；宏观层次宏观层次 当前，由于材料的性质和使用性能愈来愈多地取决于材料的纳米结构，对介于宏观尺度和微观尺度之间的纳米尺度的探究已成为材料科学与工程的新重点。2.1 2.1 材料科学与工程的形成与内涵材料科学与工程的形成与内涵12材料的结构层次材料的结构层次宏观结构宏观结构Macroscopic Structure微观结构微观结构Microscopic Structure原子尺度原子尺度Atomic Level亚原子尺度亚原子尺度Subatomic Level2.1 2.1 材料科学与工程的形成与内涵材料科学与工程的形成与内涵13材料的不同层次的结构：材料的不同层次的结构：原子结构、电子结构原子结构、电子结构是研究材料特性的两个最基本的物质层次是研究材料特性的两个最基本的物质层次;键合结构键合结构:描述原子描述原子/离子间的化学键性质离子间的化学键性质纳米结构纳米结构:纳米尺度上的结构纳米尺度上的结构显微组织（显微结构显微组织（显微结构,Microstructure,Microstructure）指多晶材料的微观形指多晶材料的微观形貌、晶体学结构和取向、晶界、相界、界面相、亚晶界、位错、貌、晶体学结构和取向、晶界、相界、界面相、亚晶界、位错、层错、孪晶、固溶和析出、偏析和夹杂、有序化等。层错、孪晶、固溶和析出、偏析和夹杂、有序化等。宏观组织（宏观组织（MacrostructureMacrostructure）如材料的孔隙、岩石的层理、木如材料的孔隙、岩石的层理、木材的纹理（纤维状）等。材的纹理（纤维状）等。材料的材料的显微结构显微结构对材料的性能具有相当大的影响。对材料的性能具有相当大的影响。2.1 2.1 材料科学与工程的形成与内涵材料科学与工程的形成与内涵142）材料的合成与加工）材料的合成与加工 材料的合成与加工过程实质上是一个建立原子、分子的新排列，从原子尺度到宏观尺度上对材料结构进行控制的过程。合成合成通常是指把原子和分子组合在一起来制造新材料时通常是指把原子和分子组合在一起来制造新材料时所采用的物理和化学方法。所采用的物理和化学方法。加工加工除了为生产有用材料而对原子、分子进行控制外，除了为生产有用材料而对原子、分子进行控制外，还包括材料还包括材料形状形状在较大尺度上的改变。在较大尺度上的改变。2.1 2.1 材料科学与工程的形成与内涵材料科学与工程的形成与内涵 研究表明，材料的性质和使用性能取决于材料的组成及结构，后者又取决于合成与加工工艺。153）材料的性能）材料的性能（性质或固有属性）（性质或固有属性）每一种材料都有其固有的性质，因而材料在各种外部作用的刺激下就会有特定的响应，材料的性能就是材料这种固有属性的定量描述。材料的任何材料的任何性能性能，都源于材料特，都源于材料特定的定的结构结构，都是材料经，都是材料经合成或加工合成或加工后由其结构与成分的变化而产生的后由其结构与成分的变化而产生的结果。结果。2.1 2.1 材料科学与工程的形成与内涵材料科学与工程的形成与内涵材料的性能物理性能物理性能化学性能化学性能力学性能力学性能如导电性、导热性、折射率、磁化率等如导电性、导热性、折射率、磁化率等如抗氧化性、抗腐蚀性等如抗氧化性、抗腐蚀性等如强度、塑性、韧性等如强度、塑性、韧性等164）材料的使用性能）材料的使用性能（服役性能）（服役性能）2.1 2.1 材料科学与工程的形成与内涵材料科学与工程的形成与内涵 材料的使用性能：指材料在服役条件下所表现的特性，它是材料性质与服役条件、产品设计及加工融合在一起所决定的要素，其度量指标有可靠性、有效寿命、安全性和成本等综合因素。材料的物理、化学、材料的物理、化学、力学性质都是成分和结构力学性质都是成分和结构的体现，它们决定着材料的体现，它们决定着材料的使用范围。的使用范围。使用性能取决于材料的基本性能。使用性能取决于材料的基本性能。17 材料四要素之间的相互关系是材料科学与工程所关心的基本问题，而材料的结构-性能关系正是这一问题的核心。无论金属材料、高分子材料还是无机非金属材料，其宏观性能都是由其化学组成和内部结构决定的。材料的使用材料的使用依赖于材料的依赖于材料的性性能能，而，而其性能其性能都是由其都是由其化学组化学组成成和和结构结构决定的。决定的。只有从只有从微观上微观上了解材料的了解材料的组组成、结构与性能成、结构与性能的关系，才能的关系，才能有效地选择有效地选择制备制备和和使用材料使用材料。2.2 材料的结构与性能材料的结构与性能18定义定义:组成材料的原子或分子之间的空间分布。组成材料的原子或分子之间的空间分布。材料的结构决定材料的性能。材料的结构决定材料的性能。内涵：内涵：包含化学成分、晶体结构和缺陷、相组成、形貌等。包含化学成分、晶体结构和缺陷、相组成、形貌等。键合结构键合结构晶体结构晶体结构组织结构组织结构 材料的结构材料的结构2.2 2.2 材料的结构与性能材料的结构与性能19核心关系核心关系“材料贯穿于机械工程的始终。材料贯穿于机械工程的始终。”而其核心是围绕而其核心是围绕:“结构与性能结构与性能”的相互辩证关系。的相互辩证关系。2.2 2.2 材料的结构与性能材料的结构与性能202.2.1 2.2.1 材料结构的基本知识材料结构的基本知识1.1.成分与结构成分与结构材料的成分材料的成分是指组成材料的元素种类及其含量，通常用是指组成材料的元素种类及其含量，通常用质量分数质量分数(w)表示，有时也用表示，有时也用粒子数分数粒子数分数(x)表表示及原子分数（示及原子分数（at%）。）。材料的结构材料的结构主要是指材料中主要是指材料中原子原子(离子或分子等。为了叙离子或分子等。为了叙述简便，以下统一由原子代表述简便，以下统一由原子代表)的排列方式的排列方式。2.2.组元、相和组织组元、相和组织组元组元：组元是组成材料最基本的、独立的物质。：组元是组成材料最基本的、独立的物质。组元可以是纯元素，也可以是能稳定存在的化合物。金组元可以是纯元素，也可以是能稳定存在的化合物。金属材料的组元多为纯元素，陶瓷材料的组元多为化合物。高属材料的组元多为纯元素，陶瓷材料的组元多为化合物。高分子材料则是以高分子化合物为主要组元的材料。分子材料则是以高分子化合物为主要组元的材料。2.2 2.2 材料的结构与性能材料的结构与性能21相相：材料中中具具有有同同一一化化学学成成分分并并且且结结构构和和性性质质相相同同的的均均匀连续部分称为相。匀连续部分称为相。相相与与相相之之间间有有明明显显的的界界面面，材材料料的的结结构构和和性性质质在在相相界界面面上上会会发发生生突突变变，但但有有界界面面分分开开的的不不一一定定都都是是两两相相，例例如如，如如果果材材料料是是由由成成分分、结结构构均均相相同同的的同同种种晶晶粒粒构构成成的的，尽尽管管各晶粒之间有晶界隔开，但它们仍属于同一种相。各晶粒之间有晶界隔开，但它们仍属于同一种相。2.2 2.2 材料的结构与性能材料的结构与性能22组织组织：材料内部的微观形貌称为材料的组织。：材料内部的微观形貌称为材料的组织。在光学显微镜或电子显微镜下可观察到，能反映各在光学显微镜或电子显微镜下可观察到，能反映各组成相形态、尺寸及分布的图像。组成相形态、尺寸及分布的图像。白口铸铁白口铸铁 球墨铸铁球墨铸铁 2.2 2.2 材料的结构与性能材料的结构与性能233.3.材料中的化学键合材料中的化学键合 单个原子通过化学键结合在一起组成材料，各类材料在结构和特性上的差异本质上是由不同元素以特定的键合方式结合造成的。化学键化学键物理键物理键离子键离子键金属键金属键范德华键范德华键氢键氢键共价键共价键 结合键结合键 原子、分子间的结合力：是原子、分子之间吸引力和排斥力的合力。金属离子与自由电子相金属离子与自由电子相互吸引所形成的结合力。互吸引所形成的结合力。2.2 2.2 材料的结构与性能材料的结构与性能24电负性：电负性：不同元素的原子在分子中吸引电子的能力不同元素的原子在分子中吸引电子的能力 ,与原子的亲合能和第一电离能之和成正比。与原子的亲合能和第一电离能之和成正比。2.2 2.2 材料的结构与性能材料的结构与性能25 电负性与键性的关系电负性与键性的关系 电负性小的原子结合形成金属键；电负性大的原子结合形成共价键；电负性相差大的不同原子结合形成离子键；电负性相差小的不同原子结合形成共价键和离子键的混合键。2.2 2.2 材料的结构与性能材料的结构与性能264.4.晶体结构和空间点阵晶体结构和空间点阵晶体结构：晶体结构：晶体结构是指晶体中，原子（离子、分子）在三晶体结构是指晶体中，原子（离子、分子）在三维空间的排列方式。维空间的排列方式。空间点阵空间点阵（晶格晶格）：为了研究方便，通常把在空间中排列）：为了研究方便，通常把在空间中排列的原子（离子、分子）抽象成几何上的点，然后用直线把的原子（离子、分子）抽象成几何上的点，然后用直线把它们连接起来，就构成了一个有规则的它们连接起来，就构成了一个有规则的几何格架几何格架，即所谓，即所谓的空间点阵（或晶格）。的空间点阵（或晶格）。2.2 2.2 材料的结构与性能材料的结构与性能27晶胞晶胞2.2 2.2 材料的结构与性能材料的结构与性能晶胞晶胞：能够充分反映：能够充分反映整个晶体结构特征整个晶体结构特征的的最小构造单位最小构造单位。28布布拉拉菲菲点点阵阵：可以用晶胞棱边长度a、b、c及棱边之间的夹角、来描述晶胞的大小和形状。1948年，布拉菲利首先用数学分析方法证明，自然界可能存在的空间点阵只有14种，分属7个不同的晶系，如下图。2.2 2.2 材料的结构与性能材料的结构与性能29晶体的7种晶系和14种布拉菲点阵晶系晶系布拉菲点阵和符号布拉菲点阵和符号晶胞参数关系晶胞参数关系立方晶系立方晶系简单简单（P P）a a=b b=c c,=9090体心（体心（I I）面心面心（F F）六方晶系六方晶系简单简单（P P）a a=b b c c,=90,=90,=120120正方晶系（四方）正方晶系（四方）简单简单（P P）a a=b b c c,=9090体心（体心（I I）菱方晶系（三方）菱方晶系（三方）简单（简单（R R）a a b b c c,=9090正交晶系（斜方）正交晶系（斜方）简单（简单（P P）a a=b b c c,=9090体心（体心（I I）底心底心（C C）单斜晶系单斜晶系面心（面心（F F）a a=b b c c,=9090简单简单（P P）三斜晶系三斜晶系底心底心（C C）a a=b b c c,9090简单简单（P P）2.2 2.2 材料的结构与性能材料的结构与性能30十十四四种种布布拉拉菲菲点点阵阵示示意意图图 2.2 2.2 材料的结构与性能材料的结构与性能31非晶单晶多晶晶体：晶体：原子以周期性重复方式在三维空间有规则排列的固原子以周期性重复方式在三维空间有规则排列的固体，否则称为体，否则称为非晶体。非晶体。非晶体：非晶体：原子排列短程有序，无周期原子排列短程有序，无周期晶体晶体金刚石、金刚石、NaClNaCl、冰、冰 等。等。液体液体非晶体非晶体：蜂蜡、玻璃蜂蜡、玻璃 等。等。2.2 2.2 材料的结构与性能材料的结构与性能 非晶非晶 多晶多晶 单晶单晶 322.2.2 2.2.2 材料的结构材料的结构 1.1.金属材料的结构金属材料的结构 金金属属材材料料一一般般都都是是晶晶体体，在在常常温温下下，纯纯金属的晶体结构大部分属于下面金属的晶体结构大部分属于下面3 3种。种。n面心立方结构；面心立方结构；n体心立方结构；体心立方结构；n密排六方结构。密排六方结构。温温度度发发生生变变化化时时，同同一一种种金金属属可可能会发生晶体结构转变。能会发生晶体结构转变。n常常温温下下的的镍镍、铝铝、铜铜、铅铅、银银等等金金属属属属于于面心立方结构；面心立方结构；n常常温温下下的的铁铁、钼钼、钨钨、铌铌等等属属于于体体心心立立方方结构；结构；n常温下的钛、镁、锌等属于密排六方结构。常温下的钛、镁、锌等属于密排六方结构。面心立方结构面心立方结构体心立方结构体心立方结构密排六方结构密排六方结构2.2 2.2 材料的结构与性能材料的结构与性能33置换型固溶体：溶质原子占据阵点的固溶体置换型固溶体：溶质原子占据阵点的固溶体间隙型固溶体：溶质原子占据基本组元原子间隙型固溶体：溶质原子占据基本组元原子 间隙的固溶体间隙的固溶体固溶体固溶体间间隙隙式式固固溶溶体体 置置换换式式固固溶溶体体 当金属与其他元素形成合合金金时，在合金中会形成一定的相相。从结构上可以将合金中的相分为固溶体和化合物两类。2.2 2.2 材料的结构与性能材料的结构与性能合金合金(Alloy)以一种金属元素为基础，加入其它金属或非金属而组成的具有金属特性的材料。34金属间化合物金属间化合物 把金属与金属或金属与非金属元素之间形成的化合物称为金属间化合物。金属间化合物的晶体结构一般都比较复杂，其结合键中含有较多的离子键和共价键成分，因此金属间化合物通常具有熔点高、硬度高、脆性大等特点。金属间化合物在合金中一般作为强化相存在，能明显提高合金的强度、硬度和耐磨性。几种金属间化合物的晶胞几种金属间化合物的晶胞（a）CaF2结构;（b）闪锌矿结构;（c）VC结构;（d）Fe3C结构2.2 2.2 材料的结构与性能材料的结构与性能352.2.无机非金属材料的结构无机非金属材料的结构 无机非金属材料中的相组成较为复杂，其典型组织由晶体相、玻璃相和气相三者组成，其中的晶体相是主要的组成相。晶体相常见的结构有氧化物结构、非氧化物结构和硅酸盐结构。氧化物结构氧化物结构几种典型氧化物的结构几种典型氧化物的结构（a）MgO；（b）ThO2；（c）A12O32.2 2.2 材料的结构与性能材料的结构与性能 在在-A12O3中，中，O2-占据密排六方占据密排六方晶格的结点位置，晶格的结点位置，而而Al3+对称地填充对称地填充在其八面体间隙中。在其八面体间隙中。36非氧化合物结构非氧化合物结构 非氧化合物是指金属碳化物、氮化物、硅化物和硼化物等，其结合键主要是离子键，也有一定成分的金属键和共价键。几种非氧化合物的结构几种非氧化合物的结构（a）碳化物；（b）氮化物；（c）硼化物；（d）硅化物2.2 2.2 材料的结构与性能材料的结构与性能37硅酸盐结构硅酸盐结构 硅酸盐的结合键为离子键和共价键的混合键，其主要结构特征是Si4+总是位于由4个O2-离子组成的四面体中心，以此构成硅酸盐的基本单元硅氧四面体SiO44-，如下图（a）所示。部分硅酸盐结构示意图部分硅酸盐结构示意图（a）SiO44-；（；（b）Si2O76-；（；（c）Si3O96-；（；（d）Si6O1812-；（e）SiO32 2.2 2.2 材料的结构与性能材料的结构与性能383.3.高分子材料的结构高分子材料的结构 高分子材料的结构包括高分子链结构和聚集态结构两个层次。高分子链结构高分子链结构高分子链形状示意图高分子链形状示意图a）线型分子链；）线型分子链；b）支链型分子链；）支链型分子链；c）体）体型分子链型分子链线型分子链线型分子链支链型分子链支链型分子链体型分子链体型分子链由由大量重复的结构单元大量重复的结构单元连接成。连接成。（网型分子链）（网型分子链）2.2 2.2 材料的结构与性能材料的结构与性能39 由线型和支链型分子链构成的聚合物的性能特点是弹性高，塑性好，硬度低，可以通过加热和冷却的方法使其重新软化（或熔化）和硬化（或固化），故又称为热塑性聚合物。例如，涤纶、尼龙、生橡胶等。体型分子链构成的聚合物，由于网状分子链的形成，使聚合物分子之间不易相互流动，从而提高了聚合物的强度、耐热性和化学稳定性。这类聚合物具有较高的强度和热固性，加热加压成形固化后，不能再加热熔化或软化，故又称为热固性聚合物。例如，酚醛塑料、环氧树脂、硫化橡胶等。2.2 2.2 材料的结构与性能材料的结构与性能40高分子的聚集态结构高分子的聚集态结构 高分子材料的聚集态结构是指其内部高分子链的几何排列和堆砌结构。一般可分为晶态（分子链规则排列）、部分晶态（分子链部分规则排列）和非晶态（分子链无规则排列）三类。由由线线型型分分子子链链构构成成的的聚聚合合物物在在一一定定条条件件下下可可以以形形成成晶晶态态或或部分晶态部分晶态，而由，而由体型分子链体型分子链构成的聚合物均为构成的聚合物均为非晶态非晶态。高分子的聚集态结构示意图高分子的聚集态结构示意图（a a）晶态）晶态;（b b）部分晶态）部分晶态;（c c）非晶态）非晶态2.2 2.2 材料的结构与性能材料的结构与性能414.4.晶体结构的不完整性晶体结构的不完整性晶体结构缺陷:晶体中原子排列的周期性受到破坏的区域。分点缺陷、线缺陷和面缺陷。点缺陷：是指原子应占而未占的空位或间隙中不该存在存在的间隙原子。形成原因-热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷等。晶体中存在的各种点缺陷示意图晶体中存在的各种点缺陷示意图（a a）空位）空位;（b b）间隙原子；（）间隙原子；（c c）小置换原子；（）小置换原子；（d d）大置换原子）大置换原子2.2 2.2 材料的结构与性能材料的结构与性能 点缺陷点缺陷使周围晶格发生畸变，提高晶体内能，降低使周围晶格发生畸变，提高晶体内能，降低导电率，导电率，提高强度提高强度。42 线缺陷：线缺陷是对材料性能有重大影响的一维缺陷，称为位错（刃型位错和螺位错）。刃刃型型位位错错螺螺型型位位错错2.2 2.2 材料的结构与性能材料的结构与性能由晶体中原子平面的错动引起。产生原因：产生原因：点缺陷坍塌；点缺陷坍塌；应力作用下的塑性变形。应力作用下的塑性变形。位错越多，其运动越困难，材料的强度、硬度越高，脆性位错越多，其运动越困难，材料的强度、硬度越高，脆性越大。越大。43 面缺陷：面缺陷是指多相材料组成相间的界面和单相材料晶粒间的界面，它们在光学显微镜下即可被看到。晶界与亚晶界示意图晶界与亚晶界示意图（a a）晶界）晶界;（b b）亚晶界）亚晶界 2.2 2.2 材料的结构与性能材料的结构与性能显微镜照片显微镜照片 面缺陷包括面缺陷包括晶界晶界、亚晶界亚晶界、相界面相界面、表面表面等。等。44体缺陷体缺陷是三维缺陷，包括：缺陷是三维缺陷，包括：孔洞孔洞(Pores)影响材料的力学、光学、热学性能；影响材料的力学、光学、热学性能；裂纹裂纹(Cracks)影响材料的力学性能；影响材料的力学性能；夹杂夹杂(Inclusions)影响材料的力学、光学、电学性能。影响材料的力学、光学、电学性能。2.2 2.2 材料的结构与性能材料的结构与性能452.2.3 2.2.3 材料的性能材料的性能 材料性能材料性能是用于表征材料在给定外在条件下行为的参量。是用于表征材料在给定外在条件下行为的参量。力学性质力学性质 物理性质物理性质 化学性质化学性质 硬度硬度 磁学磁学 催化催化 刚度刚度 光学光学 防腐防腐 强度强度 热学热学 塑性塑性 电学电学 韧性韧性 声学声学1.1.力学性能力学性能 材料的力学性能是指材料受到外力作用时的变形行为以及材料抵抗变形和破坏的能力。2.2 2.2 材料的结构与性能材料的结构与性能46强度强度：材料抵抗外应力的能力。与缺陷、键力有关。表征：抗拉强度（表征：抗拉强度（b b ）、屈服强度（）、屈服强度（s s）、抗弯强度、抗弯强度、抗压强度。抗压强度。塑性塑性：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。表征：延伸率表征：延伸率、断面收缩率、断面收缩率 2.2 2.2 材料的结构与性能材料的结构与性能47硬度硬度：材料在表面上的小体积内抵抗变形或破裂的能力。弹性弹性：在外力作用下材料产生变形，外力除去后能恢复原状的能力。刚度刚度：抵抗弹性变形能力。表征：弹性模量、杨氏模量、剪切模量表征：弹性模量、杨氏模量、剪切模量疲劳强度疲劳强度：材料抵抗交变应力作用下断裂破坏的能力。表征：疲劳极限、疲劳寿命表征：疲劳极限、疲劳寿命抗蠕变性抗蠕变性：材料在恒定应力（或恒定载荷）作用下抵抗变形的能力。表征：蠕变极限、持久强度表征：蠕变极限、持久强度韧韧 性性：材料从塑性变形到断裂全过程中吸收能量的能力。表征：断裂韧性表征：断裂韧性 KICKIC、断裂韧性、断裂韧性 JICJIC2.2 2.2 材料的结构与性能材料的结构与性能48材料的物理性质材料的物理性质磁学性质磁学性质光学性质光学性质电学性质电学性质导电性导电性绝缘性绝缘性介电性介电性顺磁性顺磁性铁磁性铁磁性抗磁性抗磁性光反射光反射光折射光折射光学损耗光学损耗光透性光透性热学性质热学性质导热性导热性热膨胀热膨胀热容热容熔化熔化2.2.物理性能物理性能1.1.电学性能表征电学性能表征：导电率、电阻率、介电常数导电率、电阻率、介电常数2.2.磁学性能表征磁学性能表征：磁导率、矫顽力、磁化率磁导率、矫顽力、磁化率3.3.光学性能表征光学性能表征：光反射率、光折射率、光损耗率光反射率、光折射率、光损耗率4.4.热学性能表征热学性能表征：热导率、热膨胀系数、熔点、比热热导率、热膨胀系数、熔点、比热 2.2 2.2 材料的结构与性能材料的结构与性能493.3.化学性能化学性能 材料总是在一定的环境介质中工作的，这些介质常常会与材料发生化学反应，影响材料性能的发挥。例如，随处可见的生锈现象，不仅浪费了大量金属资源，而且还会导致各种灾难性的事故。材料抵抗各种介质作用的能力。包括溶蚀性、耐腐蚀性、抗渗性、抗氧化性，即化学稳定性。还有催化性和离子交换性。2.2 2.2 材料的结构与性能材料的结构与性能502.3 材料科学与工程的发展趋势材料科学与工程的发展趋势 今天，通信产业、生物技术、新能源技术、宇航技术等，都对材料提出了更高的要求。复合化、功能化、智能化、低维化、高性能化、与环境相协调已成为新材料开发的重要目标。这要求人们从材料的四个要素出发，深入到原子和电子尺度研究材料结构与性质的关系，按使用要求对材料进行组装和剪裁，得到一系列具有理想性质的新材料，同时还要重视开发材料的先进制造技术。51 实际上，很多新材料是在传统材料的基础上发展起来的。因为在现有材料产业中，还存在着大量材料科学与工程方面的问题需要解决。由于金属、玻璃、陶瓷、高分子材料等原材料多为矿产资源，属于不可再生的资源。因此，在材料生产过程中必须注意节省资源、节约能源，重视再生利用和环境保护。从这个意义上讲，未来的材料必将是与自然具有更好的适应性、相容性和环境友好的材料。2.3.1 2.3.1 传统材料的地位及其发展方向传统材料的地位及其发展方向 2.3 材料科学与工程的发展趋势材料科学与工程的发展趋势52 传统材料，特别是对发展中国家来说，往往比新材料更为重要。这是因为，传统材料是国民经济的基础，与人民基本生活的关系最为密切；传统材料量大面广，即使有一点改进，收益也很可观。据估计，如果全美国的道路和桥梁的使用寿命增加1%，其收益就可达300亿美元。因此，世界各国对传统材料都给予了足够的重视。第一，除了努力增产，增加品种规格以外，更多的力量应第一，除了努力增产，增加品种规格以外，更多的力量应该放在改进产品质量，做好资源的综合利用上。该放在改进产品质量，做好资源的综合利用上。第第二二，要要改改进进生生产产工工艺艺，提提高高生生产产效效率率，降降低低能能耗耗，提提高高经济效益。经济效益。第三，采用新技术使传统材料的生产不断更新换代。第三，采用新技术使传统材料的生产不断更新换代。第四，要十分重视环境保护。第四，要十分重视环境保护。2.3 材料科学与工程的发展趋势材料科学与工程的发展趋势532.3.2 2.3.2 开发新材料和发展高技术开发新材料和发展高技术 目前，高技术和高技术产业已经成为综合国力竞争的焦点。新材料是发展高技术的基础和先导，而新材料研制与开发本身又是高技术的一部分。因此，发展高技术，必须重视开发新材料。新材料的发展重点主要在以下几个方面。材料制备工艺与技术的开发材料制备工艺与技术的开发材料的应用研究与开发材料的应用研究与开发开发先进材料，发展高技术产业开发先进材料，发展高技术产业科学仪器与检测装置科学仪器与检测装置 2.3 材料科学与工程的发展趋势材料科学与工程的发展趋势54微电子材料和器件微电子材料和器件DNA生物芯片生物芯片其包含密度比硅芯片高其包含密度比硅芯片高100万倍万倍超导材料超导材料室温超导是室温超导是21世纪的重大研究课题世纪的重大研究课题新型纳米陶瓷新型纳米陶瓷解决脆性、耐高温、提高热效率，引发交通和电力业重大变革解决脆性、耐高温、提高热效率，引发交通和电力业重大变革光纤通讯材料光纤通讯材料ZrF4、LaF4和和BaF2三元混和体的氟玻璃，性能优于三元混和体的氟玻璃，性能优于SiO2材料材料聚合物结构材料聚合物结构材料高强度结构材料，如聚高强度结构材料，如聚(对苯二甲酰对苯二胺对苯二甲酰对苯二胺)的强度的强度/质量比是钢铁的质量比是钢铁的6倍倍医用材料医用材料模拟和合成与人体相容性的医用材料模拟和合成与人体相容性的医用材料21世纪新材料展望世纪新材料展望 2.3 材料科学与工程的发展趋势材料科学与工程的发展趋势