1、1 新材料技术 薛丽红 李和平 E-mail: 2 课程目标课程目标 课程设置的目的：课程设置的目的：对材料科学与工程建立整体与全貌的对材料科学与工程建立整体与全貌的 认识，了解现有材料的分类、特性、制备、表征、应用认识，了解现有材料的分类、特性、制备、表征、应用 及其与相关学科领域的关系，把握高技术新型先进材料及其与相关学科领域的关系，把握高技术新型先进材料 的发展趋势的发展趋势 。 3 课程考察方法课程考察方法 平时平时20%+读书报告读书报告80%（不少于（不少于2000字）字） 4 第一章第一章 材料概论材料概论 一、材料是人类社会发展的基石 二、材料及其分类 三、材料的结构 四、材料
2、的性能 五、材料科学与工程 六、新材料技术发展的重点 5 第一节第一节 材料是人类社会发展的材料是人类社会发展的 基石基石 6 一、材料的发展史一、材料的发展史 材料是人类赖以生存和发展的物质 基础，是人类社会进步的里程碑。 7 人类社会的几个时代人类社会的几个时代 1石器时代：公元前10万年 2青铜器时代：公元前3000年 3铁器时代：公元前1500年 4水泥时代：公元元年 5钢时代：1800年 6硅时代：1950年 7新材料时代：1990年 8 1.1.石器时代石器时代 公元前10万年左右 旧石器时代：人类为了生存、抵御猛兽袭击和 猎取食物开始用石头做工具，如石刀、石铲、 石斧、石球等，工
3、具制作粗糙，用途尚未分化。 新石器时代：主要标志是出现经过加工的刀口 锋利的石器及陶器（黏土成型），并伴随着人 类开始应用砖瓦等建筑材料（石头、土瓦、植 物枯杆等），以及出现了纺织品、丝织品（皮 毛、棉花、蚕丝等）。 9 2.2.青铜器时代青铜器时代 公元前3000年左右 这是人类较大量利用金属的开始，青铜铜锡合 金，这是最原始的合金，而且添加锡、铅的铜合 金熔点低，铸造性能良好，主要用作武器、生活 用具、生产工具等 。 世界各地开始青铜器时代的时间各不相同，希腊 在公元前3000年前；埃及在公元前2500年前；巴 比伦在公元前19世纪中叶；印度大约在公元前 3000年已广泛使用青铜器；中国在
4、公元前2700年 已经使用青铜器了，到商周进入了鼎盛时期，并 将青铜器的冶炼和铸造技术推向了世界顶峰。 10 3.3.铁器时代铁器时代 公元前1500年左右 人类开始进入了铁器时代，中国最早出土的人 工冶炼铁制品约在公元前9世纪。 高温下用木炭还原铁矿石生产的铁，具有较高 的强度，可加工性能良好，用作武器和器件等。 中国是较早掌握冶铁技术的国家之一，如用生 铁退火而制成韧性铸铁以及生铁炼钢技术的发 明，促进了中国生产力的大发展，对战国和秦 汉农业、水利和军事的发展起到很大作用。 11 4.4.水泥时代水泥时代 公元元年公元元年 早在公元元年左右，希腊、古罗马 人就将石灰和火山灰的混合物做建 筑
5、材料，这是最早应用的水泥。今 日，它已发展成庞大的家族，是建 房修桥筑路等领域的基础材料，有 石材不可替代的优越性。 12 5.5.钢时代钢时代 1800年左右钢的性能及利用有了飞速 发展。 钢：含碳量0.2% - 2.11%， 高温下具有高强度的蒸汽机的发明 农业经济社会进入工业经济社会 导致了大规模的机械化生产，引起 了第一次产业革命，即工业革命 。 13 6.6.硅时代硅时代 1950年 二极管、三极管的发明，进入电 子管时代 。 硅、锗半导体材 料的出现，使 晶体管取代电子管，进入硅时代 。 单晶硅生产集成电路，开始向微 型化方向发展 。 14 以硅材料以硅材料为核心的集成电路在过去为
6、核心的集成电路在过去40年里得到年里得到 迅速发展，它占集成电路的迅速发展，它占集成电路的90以上。可以预以上。可以预 见，在见，在21世纪，它的核心地位仍不会动摇。自世纪，它的核心地位仍不会动摇。自 1958年问世以来，硅集成电路器件集成度提高年问世以来，硅集成电路器件集成度提高 了了l00万倍万倍，单位价格下降为，单位价格下降为100万分之一万分之一。这。这 主要是靠光刻线宽缩小和成品率的提高，而单主要是靠光刻线宽缩小和成品率的提高，而单 晶硅的尺寸增大和质量提高起到了重要作用。晶硅的尺寸增大和质量提高起到了重要作用。 15 7.7.新材料时代新材料时代 1990年 新材料是指那些正在发展
7、，且具有一 般传统材料所不可比拟的优异性能或 特定功能、应用前景良好的一类材料。 时代特征： 由多种材料决定社会和经济发展 以人造为特征 为了特定的需要可设计和加工而成 16 二、新材料是社会现代化的先导二、新材料是社会现代化的先导 材料发展是高新技术社会现代化的先 导，是一个国家科学技术和工业水平 的反映和标志。 20世纪80年代，以高技术群为代表的 新技术革命，将新材料、信息技术和 能源并列为新技术革命的重要标志。 17 2020世纪新材料的作用体现世纪新材料的作用体现 1信息时代与信息材料 2航空航天技术与新材料 3核技术与核材料 18 什么是信息技术？什么是信息技术？ 广义地讲，信息技
8、术是扩展人类信息器官功能的广义地讲，信息技术是扩展人类信息器官功能的 一类技术，具体说，信息技术是指包括一类技术，具体说，信息技术是指包括信息获取、信息获取、 信息传递、信息存储、信息处理和信息显示信息传递、信息存储、信息处理和信息显示等在等在 内的总称。内的总称。 信息技术对社会各行各业均具有极强的渗透力，信息技术对社会各行各业均具有极强的渗透力， 信息技术的蓬勃发展，成为加速经济、社会变革信息技术的蓬勃发展，成为加速经济、社会变革 的强大推动力，使生产自动化、金融自动化、办的强大推动力，使生产自动化、金融自动化、办 公自动化、服务自动化、军事指挥自动化等能得公自动化、服务自动化、军事指挥自
9、动化等能得 以实现。以实现。 19 当今社会的各个方面，广至空间宇宙，微到原子当今社会的各个方面，广至空间宇宙，微到原子 和电子，和电子，无论是科研、生产、社会交往、家庭生活乃无论是科研、生产、社会交往、家庭生活乃 至作战指挥，无一例外地均与信息技术结下不解之缘至作战指挥，无一例外地均与信息技术结下不解之缘。 信息技术的飞速进步，使得整个社会的生产方式、生活信息技术的飞速进步，使得整个社会的生产方式、生活 方式、思维观念都在经历一场的深刻变化。方式、思维观念都在经历一场的深刻变化。生产效率生产效率 成百倍地增长，为生产和生活服务的自动化、电子化、成百倍地增长，为生产和生活服务的自动化、电子化、
10、 “傻瓜傻瓜”化的设备和生活日用品，花样翻新、层出不穷。化的设备和生活日用品，花样翻新、层出不穷。 由于信息技术的广泛利用，人的大脑由于信息技术的广泛利用，人的大脑“扩展扩展”了，人了，人 的四肢的四肢“延长延长”了，人的了，人的“能量能量”增大了，人的时空观念也增大了，人的时空观念也 改变了，从而使得整个世界融为一体，地球由此变改变了，从而使得整个世界融为一体，地球由此变 “小小”，外星球与人类更接近，外星球与人类更接近，“天涯若比邻天涯若比邻”也从诗人也从诗人 的幻想变为真正的现实。的幻想变为真正的现实。 20 在人们尽情享受当代信息技术所带来的方便、欢欣在人们尽情享受当代信息技术所带来的
11、方便、欢欣 的时候，不知有多少人能意识到在信息技术的的时候，不知有多少人能意识到在信息技术的“花花花花 世界世界”背后，还有一个支撑这个背后，还有一个支撑这个“花花世界花花世界”的的“材料材料 王国王国”？ 21 什么是信息材料？ 信息材料主要是指用于信息的信息材料主要是指用于信息的收集、存储、处理、传收集、存储、处理、传 递和显示递和显示的微电子材料和光电子材料。的微电子材料和光电子材料。 微电子材料和光电子材料微电子材料和光电子材料的发展历程也就是信息材料的发展历程也就是信息材料 的主要发展历程。微电子材料和光电子材料是的主要发展历程。微电子材料和光电子材料是微电子微电子 技术和光电子技术
12、技术和光电子技术的基础和先导，因此，了解微电子的基础和先导，因此，了解微电子 技术和光电子技术的发展历程。就能清楚地看出微电技术和光电子技术的发展历程。就能清楚地看出微电 子材料和光电子材料的发展历程子材料和光电子材料的发展历程。 v 信息材料是一个庞大的家族。它包括以集成电路材料为信息材料是一个庞大的家族。它包括以集成电路材料为 代表的代表的微电子材料微电子材料和以半导体激光器、光通信、光存储、和以半导体激光器、光通信、光存储、 光传感、光显示、光处理、集成光路、光电子集成电路光传感、光显示、光处理、集成光路、光电子集成电路 材料为代表的材料为代表的光电子材料光电子材料。 22 1.1.信息
13、时代与信息材料信息时代与信息材料( (一一) ) 半导体材料、磁性材料、激光材料与光纤材料 的出现，加速了现代文明的发展，使人类进入 了信息时代。 在信息技术领域中，获取并记录相关信息是信 息处理的基本前提。传感器作为重要的获取工 具是用敏感材料制造的，它是利用材料具有不 同的物理、化学和生物效应，制成对光、声、 电、力、磁、温度、气体等敏感的原件。敏感 材料灵敏度和稳定性的提高是制造高可靠性传 感器的关键。 23 1.1.信息时代与信息材料信息时代与信息材料( (二二) ) 信息获取后必须进行记录，在此基础上方能 进行信息的传输和处理，这就需要发展容量大、 密度高、速度快、成本低的信息存储材
14、料。目 前已出现的信息存储材料有磁存储材料、半导 体存储材料、光存储材料等。 当信息是以电子作为载体时，其传输媒体 是金属导线或金属波导管。而当信息载体是光 子时，就必须以新材料光导纤维为媒体。 目前，计算机的进一步发展受到芯片材料 的制约，而砷化镓由于具有开关速度快、电子 迁移率高和受激发光的特点，成为未来新一代 高速芯片的优选材料。 24 2.2.航空航天技术与新材料航空航天技术与新材料 各种先进飞机、运载火箭、导弹、卫 星的研制成功和投入使用，高性能材料起高性能材料起 了关键的作用了关键的作用。高性能主要包括：轻质、 高强、高模量、高韧、耐高温、耐低温、 抗氧化、耐腐蚀等。有资料显示，飞
15、机性 能的提高，材料所占比例达2/3左右。 25 飞机材料的早期演变过程飞机材料的早期演变过程 枞木 棉布 2020世纪初第一架飞机世纪初第一架飞机 铝合金 钢 2020年代飞机年代飞机 铝合金 钢 钛合金 5050年代喷气飞机年代喷气飞机 铝合金 钢 钛合金 复合材料 6060年代后的飞机年代后的飞机 发动机材料的早期演变过程发动机材料的早期演变过程 普通钢 20世纪初的 活塞式发动机 铝合金 钢 4040年代活塞式年代活塞式 高温合金 单晶合金 钛合金 5050年代后涡轮年代后涡轮 喷气发动机喷气发动机 Slide 5 Commercial High By-Pass Ratio Engin
16、e Low Pressure Turbine High Pressure Turbine Combustor High Pressure Compressor Fan Core Air Low Pressure Compressor or Booster 26 高推重比发动机对材料要求高推重比发动机对材料要求 推重比推重比 6 6 8 8 10 10 12 12 15 15 涡轮涡轮 前温度前温度 1200K 1200K （927927） 1600K 1600K （13271327） 1850K 1850K （15771577） 1950K 1950K （16771677） 2100K 210
17、0K （18271827） 零件温度随着推重比提高而不断提高，对材料零件温度随着推重比提高而不断提高，对材料 提出了更高耐温要求提出了更高耐温要求 为了减重，大量采用新结构设计，要求高比强、为了减重，大量采用新结构设计，要求高比强、 高比刚度新颖材料高比刚度新颖材料 高推重比航空发动机要求长寿命和高可靠性高推重比航空发动机要求长寿命和高可靠性 27 对飞机、运载火箭、导弹、卫星等来说， 减轻结构质量对提高飞行器的安全性、增加有 效载荷和续航距离，降低燃料消耗和成本具有 重要作用，飞行速度越高，减重意义越大。 20世纪高温叶片的研制和发展也是当代材 料科学工程的成就之一，高温合金在先进航空 发动
18、机中占一半以上，随着材料性能不断改进， 发动机性能不断提高。 28 3.核技术与核材料 20世纪最惊人的科技成就之一是人类实现 了原子核内部巨大能量的释放，原子弹和氢弹 的成功爆炸正是这一成就的体现。 50年代以来，人类开始利用核能源，以我 国大亚湾核电站为例，它的核心是燃料棒和燃 料组件，这些组件都是由锆合金制成的，以满 足苛刻的工作环境条件和应用要求。至今，世 界各核大国还在研制新型的锆合金。 核材料除用于制造核武器外，也用于造福 人类，如各种同位素的应用、核医学等。 29 三、新材料是社会可持续发展的保证三、新材料是社会可持续发展的保证 布伦特兰夫人在我们共同的未来中对可持续 发展的经典
19、表述为：“可持续发展是在满足当代人的 需要的同时，不损害后代人满足其自身需要的能力。” 具体来说就是节省资源、清洁生产、提高能源利用率 及开发新能源与再生资源、改善生态环境和持续农林 生产、减少污染及降低温室效应、提高人口素质等。 新材料的发展正是适应了这一需求，它在现代社 会各个领域的应用将极大地改变传统的经济增长方式 和发展模式，成为可持续发展的重要保证 30 第二节第二节 材料及其分类材料及其分类 31 一、材料的定义一、材料的定义 材料是指人类社会可接受、 能经济地制造有用器件、机 器或其他产品的那些物质。 32 二、材料的分类二、材料的分类 1 1按化学成分、生产过程、结构及性能特按
20、化学成分、生产过程、结构及性能特 点分类：点分类： 1 1）金属材料：）金属材料：以金属元素为基础的材料以金属元素为基础的材料 具有优良的力学性能，特别是高强度和 高韧性，优良的可加工性。 a.铁及铁基合金 b.非铁金属及其合金 33 2）无机非金属材料）无机非金属材料 它是以某些元素的氧化物、碳化物、 氢化物、卤化物以及硅酸盐、铝酸 盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的 材料(宝石、陶瓷、水泥、玻璃等)。 特点：耐高温、高硬度、抗腐蚀、 以及优良的介电、光学、电磁性能 及其功能转换特性等。 34 3）高分子材料）高分子材料 主要指以高分子化合物为基础制得的 材料，它是由一种或几种分子或分子 团（结
21、构单元或单体）以共价键结合 成具有多个重复单元的大分子材料。 特点：种类多、密度小、比强度大、 电绝缘性及耐腐蚀性好、加工容易、 符合多种及特种用途的要求。 35 4）复合材料）复合材料 它是由两种或两种以上物理和化学性质 不同的物质组合而成的一种多相固体材 料。一般由基体组分和增强体组分（功 能组分）所组成。 （1）按基体可分为金属基、高分子基、 无机非金属基复合材料 （2）按用途可分为结构复合材料和功能 复合材料 36 2 2按使用性能分类按使用性能分类 1）结构材料：以力学性能为基础， 用于制造受力构件的材料。 2）功能材料：是利用物质的特殊 物理、化学性能或生物功能等而形 成的一类材料
22、。 37 3 3按结构分类按结构分类 晶态材料 非晶态材料 准晶态材料 38 4 4按物理性质分类按物理性质分类 导电材料 半导体材料 绝缘材料 高温材料 高强度材料 磁性材料 超导材料 透光材料 39 5 5按效应分类按效应分类 光电材料 压电材料 激光材料 热电材料 声光材料 智能材料 磁光材料 非线性光学材料 40 6 6按用途分类按用途分类 信息材料 航空航天材料 能源材料 生物材料 建筑材料 核材料 包装材料 41 第三节第三节 材料的结构材料的结构 42 一、材料的成分与组织结构一、材料的成分与组织结构 材料的性能都是由其化学组成和内 部组织结构决定的，了解材料的组 成和组织结构特
23、征与性能间的关系， 才能够有目的、有选择的地使用材 料和开发各种新材料。 43 1 1材料的组元、相和组织材料的组元、相和组织 1）组元(组分): 是组成材料最基本、独立 的物质，是纯元素或稳定化合物。 2）相: 是材料中具有同一化学成分并且结 构和性质相同的均匀连续部分。 3）组织: 材料内部的微观形貌称为材料的 组织。材料组织一般分为微观与宏观组织 ， 微观组织需借助光学、电子显微镜才能观察 到，而宏观组织用肉眼或放大镜（20100倍） 可观察到。 44 材料的组织图材料的组织图 在光学显微镜或电子显微镜下观察到 的，反映各组成相形态、尺寸及分布 的图像如下： 45 2 2材料中的键合方式
24、材料中的键合方式 1）金属键:指金属原子贡献出价电子后成为正离子，再 与公有化的自由电子间产生静电作用而结合起来的方式。 2）离子键:是由释放出最外层电子而带正电的阳离子与 接受其电子的带负电的阴离子之间通过库伦引力所形成 的一种键合。 3）共价键: 是由于相邻原子间通过共用其外壳层价电子 而形成的化学键。 4）氢键: 是氢原子在分子中与原子A键合时还能与原子B 形成附加键(作用力比较弱)。 5）范德华键:原子中的电子运动产生的偶极子间的相互 作用所造成的引力。（聚合物分子间作用力） 46 3 3晶体结构晶体结构 晶体:是指原子原子( (离子、分子离子、分子) )在三维 空间按一定规律呈周期性
25、地排列呈周期性地排列构成 的物质。 晶体结构:是指晶体晶体中，原子原子( (离子、离子、 分子分子) )的排列方式。 47 晶体晶体 晶体特点： 近程有序、远程有序 48 非晶体非晶体 非晶体：质点在三维空间不呈周期 性的规则排列。 近程有序、远程无序 晶体晶体SiO2 非晶体非晶体SiO2 49 晶体与非晶体的区别晶体与非晶体的区别 质点是否在三维空间作有规则的周期性重 复排列。 晶体熔化时具有固定的熔点，而非晶体无 明显熔点，只存在一个软化温度范围。 晶体具有各向异性，非晶体呈各向同性。 50 单晶体与多晶体单晶体与多晶体 单晶体：质点按同一取向排列，由一 个核心（晶核）生长而成的晶体。
26、多晶体:由许多不同位向的小晶体所组 成的晶体。 51 c 晶体的几个定义晶体的几个定义 1 1）阵点阵点：将构成晶体的原子（离子、分子）抽象成纯粹的几何：将构成晶体的原子（离子、分子）抽象成纯粹的几何 点，称为阵点。点，称为阵点。 2 2）空间点阵空间点阵：阵点在空间呈周期性规则排列，并具有等同的周阵点在空间呈周期性规则排列，并具有等同的周 围环境的模型。围环境的模型。 3 3）晶格晶格：作许多平行的直线把阵点连接起来，构成一个三维的：作许多平行的直线把阵点连接起来，构成一个三维的 几何格架称为晶格。几何格架称为晶格。 4 4）晶胞晶胞：晶格中能够完全反映晶格特征的最小几何单元称为晶：晶格中能
27、够完全反映晶格特征的最小几何单元称为晶 胞。通常是在晶格中取一个最小的平行六面体作为晶胞。胞。通常是在晶格中取一个最小的平行六面体作为晶胞。 5 5）晶胞参数晶胞参数：晶胞三条棱边（晶轴）的边长晶胞三条棱边（晶轴）的边长a、b、c及晶轴之间及晶轴之间 的夹角的夹角、称为晶胞参数。称为晶胞参数。 b a 52 晶系与布拉菲点阵晶系与布拉菲点阵 根据晶胞的外形，即晶轴长度和晶轴夹角将晶体分为根据晶胞的外形，即晶轴长度和晶轴夹角将晶体分为七七 大晶系大晶系：立方、四方、正交、六方、单斜、三斜、菱方立方、四方、正交、六方、单斜、三斜、菱方 布拉菲点阵布拉菲点阵（1414种）种） 立方：立方：简单立方，
28、体心立方，面心立方简单立方，体心立方，面心立方 四方：四方：简单四方，体心四方简单四方，体心四方 正交：正交：简单正交，底心正交，体心正交，面心正交简单正交，底心正交，体心正交，面心正交 六方：六方：简单六方简单六方 单斜：单斜：简单单斜，底心单斜简单单斜，底心单斜 三斜：三斜：简单三斜简单三斜 三方（菱方）：三方（菱方）：简单三方（菱方）简单三方（菱方） 53 三斜：三斜：abc 90o 单斜：单斜：abc =90o 正交：正交：abc =90o 四方：四方：a=bc =90o 菱方：菱方：a=b=c =90o 六方：六方：a=bc =90o，=120o 立方：立方：a=b=c =90o 底
29、心底心 体心体心 面心面心 54 三种立方晶体结构三种立方晶体结构 55 晶体形成的途径晶体形成的途径 熔融态物质凝固熔融态物质凝固 气态物质冷却不气态物质冷却不 经液态直接凝固经液态直接凝固 ( (凝华凝华) ) 溶质从溶液中析溶质从溶液中析 出出 无隙并置排列无隙并置排列 56 晶体的组成晶体的组成 多元晶体多元晶体：由两种或更多元素组成，组成方式有固溶体和 化合物。 固溶体：加盟组元（溶质）原子，占据基本组元原子晶体 中所占位置的一部分或它们之间的某些空隙，而仍保持基 本组元（溶剂）的晶体结构。 化合物：加盟组元与基本组元以一定的比值重新组合形成 新的晶体结构。 （单质）（单质） （置换
30、型固溶体）（置换型固溶体） （间隙型固溶体）（间隙型固溶体） 57 晶体结构的缺陷晶体结构的缺陷 晶体结构缺陷的类型： 1）点缺陷：零维缺陷 2）线缺陷：一维缺陷（位错） 3）面缺陷：二维缺陷 58 点缺陷点缺陷 指原子应占而未占的空位或间隙中不该存在而存在的指原子应占而未占的空位或间隙中不该存在而存在的 间隙原子而导致的缺陷。缺陷尺寸很小，仅引起几个间隙原子而导致的缺陷。缺陷尺寸很小，仅引起几个 原子范围的点阵结构的不完整。原子范围的点阵结构的不完整。 (a)空位空位(b)杂质质点杂质质点(c)间隙质点间隙质点 59 线缺陷线缺陷 线缺陷：晶体中某处一列或若干 列原子发生了有规律的错排现象。
31、 刃位错刃位错 螺位错螺位错 60 面缺陷面缺陷 在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、 规则性排列而产生的缺陷，如晶界、相 界等. 61 晶界、相界晶界、相界 晶界：晶界： 普通金属和合金通常都是多晶体，由许 多位向不同的小晶体组成，这些小晶体 称为晶粒，晶粒之间的界面称为晶界。 相界：相界： 在多相组织中，具有不同晶体结构的两 相之间的分界面称为相界。 62 二、各种材料的结构二、各种材料的结构 1 1金属材料的结构金属材料的结构 金属材料一般都是晶体，在常温下纯金 属的晶体结构大部分属于面心立方结构、 体心立方结构和密排六方结构。温度变 化时同一种金属可能会发生晶体结构转 变。 金属合金是
32、由不同的相组成，从结构上 可以将合金中的相分为固溶体和化合物。 63 2.2.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复杂，其 典型组织由晶体相、玻璃相和气相组成。 其中晶体相是主要的组成相，其结构、 数量、形态和分布，决定无机非金属材 料的主要性能和应用，常见的晶体相结 构有氧化物结构（陶瓷材料的主要组分 和晶体相）、非氧化物结构（金属碳化 物、氮化物和硅化物等）和硅酸盐结构 （耐火材料硅酸镁）。 64 3.3.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的结构和聚集态结构。高分子材料的结构包括高分子链的结构和聚集态结构。 1）高分子链结构：高分
33、子链结构：线型分子链、支链型分子链、体型线型分子链、支链型分子链、体型 分子链分子链 2）高分子链的构型：）高分子链的构型：指高分子链中原子或原子团在空指高分子链中原子或原子团在空 间的排列方式，高分子通常含有不同的取代基，取代间的排列方式，高分子通常含有不同的取代基，取代 基位置不同使高分子形成不同的立体构型基位置不同使高分子形成不同的立体构型。 3）聚集态结构：）聚集态结构：材料内部材料内部高分子链的几何排列和堆砌高分子链的几何排列和堆砌 结构，分为晶态、部分晶态、非晶态。结构，分为晶态、部分晶态、非晶态。 65 4.4.复合材料的结构复合材料的结构 复合材料可以是一个连续相与一个分散 相
34、的复合，也可以是两个或多个连续相 与一个或多个分散相的组合。 以金属材料、无机非金属材料、高分子 材料为基体的复合材料中，分散相（增 强介质）可以是零维、一维、二维或三 维的各类材料。 66 三三. .材料成分和结构的检测材料成分和结构的检测 高分辨率透射电子显微镜（高分辨率透射电子显微镜（HRTEM） 扫描电子显微镜（扫描电子显微镜（SEM） 扫描探针显微镜扫描探针显微镜/扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（SPM/STM） 原子力显微镜（原子力显微镜（AFM） X射线衍射（射线衍射（XRD） 热重热重/差热分析差热分析/差示扫描量热法（差示扫描量热法（TG/DTA/DSC） 超导量子相干磁力测
35、定仪（超导量子相干磁力测定仪（SQUID） BET气体吸附表面积测量和孔结构分析（气体吸附表面积测量和孔结构分析（BET法）法） 67 第四节第四节 材料的性能材料的性能 68 材料的性能材料的性能 力学性能：材料在不同载荷和环境作用下 的变形行为及抵抗变形和破坏的能力。 物理性能：指从物理学的观点表征材料的 热学、电学、磁学和光学等性能。 化学性能：指材料抵抗各种介质的化学作 用而反映出来的性能。 69 一、力学性能一、力学性能 1弹性弹性：指材料在外力作用下产生变形，当外力取消：指材料在外力作用下产生变形，当外力取消 后又恢复到原来的形状和大小的一种特性。后又恢复到原来的形状和大小的一种特
36、性。 1）弹性模量弹性模量E或或G（MPa或或N/mm2）：材料在弹性范）：材料在弹性范 围内，应力与应变的比值。弹性模量表征材料抵抗弹围内，应力与应变的比值。弹性模量表征材料抵抗弹 性变形的能力性变形的能力 2）比例极限比例极限p（Sigma，MPa或或N/mm2）：材料在弹）：材料在弹 性范围内，应力与应变保持直线关系，开始偏离直线性范围内，应力与应变保持直线关系，开始偏离直线 时的应力时的应力 3）弹性极限弹性极限e（MPa或或N/mm2）：弹性变形阶段，不）：弹性变形阶段，不 产生塑性变形时所能承受的最大应力产生塑性变形时所能承受的最大应力 70 2 2强度强度 指材料在外力作用下，抵
37、抗塑性变形或破坏的最大能力。指材料在外力作用下，抵抗塑性变形或破坏的最大能力。 1）抗拉强度抗拉强度（拉伸强度）（拉伸强度）b：材料承受拉伸载荷时，断：材料承受拉伸载荷时，断 裂前单位面积上所承受的最大应力。裂前单位面积上所承受的最大应力。 2）抗弯强度抗弯强度（弯曲强度）（弯曲强度）bb：材料承受弯曲载荷时，：材料承受弯曲载荷时， 断裂前单位面积上所承受的最大应力。断裂前单位面积上所承受的最大应力。 3）抗压强度抗压强度bc：材料承受压缩载荷时，断裂前单位面：材料承受压缩载荷时，断裂前单位面 积上所承受的最大应力。积上所承受的最大应力。 4）抗剪强度抗剪强度（剪切强度）（剪切强度）（Tau）
38、：材料承受剪切载荷）：材料承受剪切载荷 时，断裂前单位面积上所承受的最大应力。时，断裂前单位面积上所承受的最大应力。 71 5 5）抗扭强度抗扭强度（扭曲强度）（扭曲强度）b b：材料承受扭转载荷时，：材料承受扭转载荷时， 断裂前单位面积上所承受的最大应力。断裂前单位面积上所承受的最大应力。 6 6）屈服强度屈服强度s s：材料承受载荷时，产生屈服现象时的：材料承受载荷时，产生屈服现象时的 临界应力。它表示材料抵抗塑性变形的能力。临界应力。它表示材料抵抗塑性变形的能力。 （屈服：屈服：材料开始产生塑性变形）材料开始产生塑性变形） 7 7）蠕变强度蠕变强度；材料在一定的温度下，经过一定时间，蠕；
39、材料在一定的温度下，经过一定时间，蠕 变速度不超过规定的数值，此时所能承受的最大应力。变速度不超过规定的数值，此时所能承受的最大应力。 （蠕变：蠕变：在恒应力作用下，随着时间的增加，材料会缓在恒应力作用下，随着时间的增加，材料会缓 慢地发生塑性变形，这种现象为蠕变）慢地发生塑性变形，这种现象为蠕变） 8 8）疲劳极限疲劳极限r r：材料在交变载荷作用下，经过无限次：材料在交变载荷作用下，经过无限次 应力循环而不引起断裂的最大循环应力。应力循环而不引起断裂的最大循环应力。 （疲劳：疲劳：材料在循环材料在循环( (交变交变) )载荷作用下发生损伤乃至断载荷作用下发生损伤乃至断 裂的过程裂的过程 ）
40、 72 3 3硬度硬度 材料抵抗其他物质刻划或压入其表 面的能力 材料硬度测试方法： 1）压入法 2）划痕法 3）回跳法 73 布氏硬度HB 洛氏硬度HR 维氏硬度HV 压入法 回跳法：肖氏硬度 74 布氏硬度布氏硬度HB(Brinell-hardness)HB(Brinell-hardness) 布氏硬度计布氏硬度计 用钢球压入材料 表面，单位面积 的承载能力，称 为布氏硬度 75 用一定直径的压头（球体），以相应试验力压入待测表面， 保持规定时间卸载后，测量材料表面压痕直径，以此计算 出硬度值。 布氏硬度测量方法布氏硬度测量方法 76 洛氏硬度洛氏硬度 HR(Rockwell hardne
41、ss) HR(Rockwell hardness) 用金刚石或淬 火钢球压入材 料表面，压入 深度称为洛氏 硬度 77 用锥顶角为120的金刚石圆锥或直 径1.588mm的淬火钢球，以相应试验力压 入待测表面，保持规定时间卸载后卸除 主试验力，以测量的残余压痕深度增量 来计算出硬度值 洛氏硬度测量方法洛氏硬度测量方法 78 维氏硬度维氏硬度HV(Vikers hardness )HV(Vikers hardness ) 维 用金刚石压头压 入材料表面，单 位面积的承载能 力，称为维氏硬 度 与布氏硬度试验原理基本与布氏硬度试验原理基本 相同，只是压头改用了锥相同，只是压头改用了锥 面夹角为面夹
42、角为136136 的金刚石正的金刚石正 四棱锥体四棱锥体 79 以一定的试验力将压头 压入试样表面，保持规定 时间卸载后，在试样表面 留下一个四方锥形的压痕， 测量压痕两对角线长度， 以此计算出硬度值 维氏硬度测量方法维氏硬度测量方法 80 肖氏硬度肖氏硬度 用一定量的钢球或金刚石球，自一 定高度落下，撞击材料后，球又回 跳到一定高度，此高度为肖氏硬度 81 4 4塑性塑性 材料在外力作用下，产生永久变形的能力称为塑性材料在外力作用下，产生永久变形的能力称为塑性 1）伸长率伸长率（Delta，）：材料在外力作用下被拉，）：材料在外力作用下被拉 断后，在标距内总伸长长度同原来标距长度相比的百断后
43、，在标距内总伸长长度同原来标距长度相比的百 分率分率 10% 属塑性材料属塑性材料 2）断面收缩率断面收缩率（Psi，）：材料在外力作用下被，）：材料在外力作用下被 拉断后，其横截面面积的缩小量与原来横截面积相比拉断后，其横截面面积的缩小量与原来横截面积相比 的百分率的百分率 82 5 5韧性韧性 指材料抵抗塑性变形和破坏 的能力 1）冲击韧性（抗冲强度、冲 击强度）（aK）：材料在冲击 载荷作用下抵抗破坏的能力。 在一次性冲击试验中，用试 样受冲击而破坏时单位面积 破断所吸收的能量来表示 2）断裂韧性（KIc）：材料在 裂纹存在的情况下抵抗脆性 断裂的能力 83 二、物理性能二、物理性能 1
44、密度密度（，Rho，kg/m3）： 材料单位体积的质量 84 2 2热学性能热学性能 1）熔点（K）：材料由固态转变为液态的熔 化温度 2）比热容（c，J/(kg.K)）：单位质量的物质， 在温度升高或降低1K时所吸收或放出的热量 3）热导率（，Lambada，W/(m.K)）：在单 位时间内，沿热流方向单位长度上温度降低 1K时，单位面积允许导过的热量 4）线膨胀系数（1，K1）：材料温度每升高 1K所增加的长度与原长度的比值 85 3 3电学性能电学性能 1）电阻率（，.mm2/m）：反映材 料绝缘性能的参数，与材料的截面积 成正比，与长度成反比 2）电导率（，Gamma，S/m）：电 阻
45、率的倒数 86 4 4磁学性能磁学性能 1）磁导率（，H/m）：衡量磁性材料磁化 难易程度的性能指标，是磁感应强度与磁场 强度的比值 2）磁感应强度（B，T）：表示磁场强度与 方向特性的物理量 3）磁场强度（H，A/m）：是表示磁场中各 点磁力大小和方向的物理量 4）矫顽力（Hc，A/m）：消除剩磁感应强度 所需外加反向磁场的磁场强度的绝对值 87 5 5摩擦性能摩擦性能 摩擦系数（f）：摩擦力与产生 摩擦力的正应力的比值 88 三、化学性能三、化学性能 1、耐腐蚀性 材料抵抗酸、碱、盐、空气及各种溶液、 润滑油等介质腐蚀的能力。 2、抗氧化性 材料在高温下防止与周围的氧作用而不被 损坏的能力
46、。 89 第五节第五节 材料科学与工程重要性材料科学与工程重要性 90 材料科学与工程重要性材料科学与工程重要性 材料是人类文明进步的基石和里程碑材料是人类文明进步的基石和里程碑 新石器时代新石器时代 青铜器时代青铜器时代 硅硅( (石）时代？石）时代？ 旧石器时代旧石器时代 铁器时代铁器时代 91 Si片导致信片导致信 息革命息革命 塑料塑造现塑料塑造现 代社会代社会 Al成就了航成就了航 空航天空航天 92 材料科学与工程是一古老而又年轻的科材料科学与工程是一古老而又年轻的科 学，历史悠久，但真正成为独立科学或学，历史悠久，但真正成为独立科学或 学科还是学科还是3040年前的事。年前的事。
47、 材料科学与工程材料科学与工程学科历史学科历史 93 美国材料科学与工程调查委员会的定义为：美国材料科学与工程调查委员会的定义为： “材料科学与工程是关于材料科学与工程是关于材料成分与制备工艺材料成分与制备工艺， 组织结构组织结构，材料性能材料性能和和使用性能使用性能这四个要素以及这四个要素以及 它们之间相互关系的有关知识的开发和应用的科它们之间相互关系的有关知识的开发和应用的科 学学”。 1、材料科学与工程材料科学与工程 一、材料科学与工程的内涵一、材料科学与工程的内涵 94 一、材料科学与工程的内涵一、材料科学与工程的内涵 材料科学：通过材料本质的发现、 分析和了解等方面的研究，提供材料
48、结构的统一描绘或模型，以及解释材 料结构与性能之间的关系的科学。 材料工程：把相关基础知识应用于 材料的研制、生产、改性和应用，以 完成特定的社会任务。 95 材料科学与工程材料科学与工程 材料科学材料科学 材料工程材料工程 材料科学与工程：材料科学与工程： 有关材料成分、结构、工艺和性能 与用途之间有关知识和应用的科学。 96 性能性能 合成合成/制备制备结构结构/成份成份 使用性能使用性能 材料科学材料科学 研究材料的结构和性研究材料的结构和性 质之间的关系质之间的关系 材料工程材料工程 通过结构设计和加工通过结构设计和加工 以达到利用材料的某以达到利用材料的某 一特殊性质的目的一特殊性质
49、的目的 合成合成/制备制备 结构结构/成份成份 性能性能 使用性能使用性能 材料科学与工程四面体材料科学与工程四面体 97 材料科学与工程的四要素材料科学与工程的四要素 1 1）成分成分/ /结构结构( (Composition/Structure)Composition/Structure)：影响其性能的直接因素：影响其性能的直接因素 成分成分/结构结构 合成合成/加工加工 性质性质 效能效能 4 4）效能效能( (PerformancePerformance) )（使用性能或效果）（使用性能或效果）：是指材料在使用条件下：是指材料在使用条件下 的表现，包括环境影响、受力状态、材料特征曲线，乃至寿命估计等。的表现，包括环境影响、受力状态、材料特征曲线，乃至寿命估计等。 3 3）性质性质( (Properties) Properties) （性能）（性能）：力学性质、物理性质和化学性质：力学性质、物理性质和化学性质 2 2）合成合成/ /加工加工( (Synthesis/Processing)Synthesis/Processing)：改变材料的组织结构而影响：改变材料的组织结构而影响 其性能其性能 98 新材料对高新技术的发展起着重要的推新材料对高新技术的发展起着重要的推 动和支撑作用动和支撑作用 信息、能源、生物、航空航天的发展都离不信息、能源、生物、航空航天的发展都离不 开
