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材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院第二章第二章 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1材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院•总论总论Ø材料的使用依赖于材料的材料的使用依赖于材料的性能性能，而其性能都是由，而其性能都是由其其化学组成化学组成和和结构结构决定的Ø只有从微观上了解材料的只有从微观上了解材料的组成、结构与性能组成、结构与性能的关的关系，才能有效地选择制备和使用材料系，才能有效地选择制备和使用材料2材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院•本章主要内容本章主要内容•一．一． 材料的组成材料的组成•二．二． 材料的结构材料的结构•三．三． 材料的合成与加工材料的合成与加工•四．四． 材料的性质与使用性能材料的性质与使用性能3材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院•2.1 材料的组成材料的组成•材料由原子和分子组合而成材料由原子和分子组合而成。

•材料的材料的化学组成：化学组成：组成材料最基本、独立的物组成材料最基本、独立的物 质，可为纯元素或稳定的化合物，以及其种类和质，可为纯元素或稳定的化合物，以及其种类和 数量•材料的材料的相组成：相组成：材料中具有同一化学成分并且结材料中具有同一化学成分并且结 构相同的均匀部分称为构相同的均匀部分称为相相组成材料的相的种类组成材料的相的种类 和数量称为和数量称为相组成相组成可分为单相材料、多相材可分为单相材料、多相材 料4材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院•人类从天然材料的使用到人造材料的制备人类从天然材料的使用到人造材料的制备, ,材料的发展与地球中材料的发展与地球中所孕含的元素和物质的存在形式密切相关所孕含的元素和物质的存在形式密切相关•材料所用的原料均取自于地壳材料所用的原料均取自于地壳•自然界中的元素和物质自然界中的元素和物质5材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院地壳中主要元素的储量地壳中主要元素的储量•氧氧(O)：：50%，存在于水、岩石和各种有机体，存在于水、岩石和各种有机体•硅硅(Si)：：25%，存在于，存在于800余种硅酸盐矿物中余种硅酸盐矿物中•铝铝(Al)：：8.23%，存在于岩石矿物中，存在于岩石矿物中•铁铁(Fe)：：5.8%，存在于，存在于300余种矿物中余种矿物中•钙钙(Ca)：：5.2%，， 以碳酸盐、硫酸盐和硅酸以碳酸盐、硫酸盐和硅酸•盐等形式存在。

盐等形式存在•此外，此外，钠钠(Na)、钾、钾(K)、镁、镁(Mg)、钛、钛(Ti)•上述九种元素约占地壳总重量的上述九种元素约占地壳总重量的99% 以上90%6材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院地壳中主要元素的储量地壳中主要元素的储量其余其余90多种元素的重量加起来不到地壳总重的多种元素的重量加起来不到地壳总重的1％7材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院地壳中主要元素的储量地壳中主要元素的储量•CuCu、、ZnZn、、PbPb的含量分别为的含量分别为0.00060.0006％、％、0.00090.0009％、％、 0.000001 0.000001％，％，但这些元素有很强的富集能力，经富集可但这些元素有很强的富集能力，经富集可达到百分之几、百分之几十达到百分之几、百分之几十•已知矿物约有已知矿物约有20002000－－30003000种，最常见的有种，最常见的有100100多种•金属、玻璃、陶瓷、高分子材料的原料大多数来自金属、玻璃、陶瓷、高分子材料的原料大多数来自•矿物。

矿物•在在103103种元素中，惰性元素种元素中，惰性元素6 6 种种• 非金属元素非金属元素16 16 种种• 金属元素金属元素81 81 种种8材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院地壳中的矿物组成地壳中的矿物组成：•单质矿物：单质矿物：9090多种，占地壳总重的多种，占地壳总重的0.10.1％CuCu、、Ag Ag 、、AuAu、、PtPt、、BiBi、、SbSb、、C C、、S S•硫化物类矿物：硫化物类矿物：200200多种，占地壳总重的多种，占地壳总重的7575％其中FeFexSnSn和和H H2S S 占占7575％•氧化物类矿物：氧化物类矿物：有有200200多种，占地壳总重的多种，占地壳总重的1717％FeFe、、CrCr、、MnMn、、AlAl、、TiTi、、SnSn、、NbNb、、TaTa、、U U、、ReRe等元素的重要矿等元素的重要矿物•卤化物类矿物：卤化物类矿物：氢氟酸、盐酸、溴氢酸、氢碘酸所形成氢氟酸、盐酸、溴氢酸、氢碘酸所形成的盐，阳离子主要是的盐，阳离子主要是K K+ +、、NaNa+ +、、CaCa2+2+、、MgMg２２+ +等。

等•含氧盐类矿物：含氧盐类矿物：占已知矿物的占已知矿物的2/32/3硅酸盐、硫酸盐、硅酸盐、硫酸盐、磷酸盐、钒酸盐、碳酸盐等磷酸盐、钒酸盐、碳酸盐等9材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院材料的化学组成材料的化学组成金属金属 单质、合金如单质、合金如FeFe、、AlAl、、CuCu、、TiTi、、ZnZn、、MgMg、、NiNi无机非金属无机非金属 金属元素和非金属元素组成的化合物，通常金属元素和非金属元素组成的化合物，通常 为氧化物、氮化物、碳化物等为氧化物、氮化物、碳化物等•陶瓷陶瓷 Al2O3、、TiO2、、ZnO、、SiO2、、SiC、、Si3N4、、BN•水泥水泥 SiO2－－CaO－－Al2O3－－Fe2O3•玻璃玻璃 SiO2－－CaO－－Na2O有机高分子有机高分子 C C（为主）结合（为主）结合H H、、O O 还结合还结合N N、、S S、、P P、、ClCl、、F F、、SiSi等等 聚合度聚合度300300－－25002500，分子量，分子量2 2－－1616万万10材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院材料的相组成材料的相组成•金属：金属：单相材料单相材料•普通陶瓷普通陶瓷：晶相＋玻璃相＋气孔多相材料。

晶相＋玻璃相＋气孔多相材料•水泥水泥：：C2S、、C3S、、C3A、、C4AF 多相材料多相材料•玻璃：玻璃：单相材料单相材料•高分子：高分子：单相材料单相材料•复合材料：复合材料：多相材料多相材料11材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院2.2 材料的结构材料的结构•材料的结构是指材料的组元及其排列和运动方式材料的结构是指材料的组元及其排列和运动方式包含形貌、化学成分、相组成、晶体结构和缺陷等包含形貌、化学成分、相组成、晶体结构和缺陷等内涵•材料的结构决定材料的性能材料的结构决定材料的性能•材料结构的描述：材料结构的描述： 1. 1. 宏观组织结构宏观组织结构: : >1000,000 nm>1000,000 nm 2. 2. 微观显微结构微观显微结构: : 10 10 ～～1000 nm1000 nm 3. 3. 纳米结构纳米结构: : <100nm<100nm 4. 4. 键合结构键合结构: : 原子原子/ /离子间的化学键离子间的化学键 5. 5. 原子结构原子结构: : 原子的电子结构原子的电子结构12材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院不同层次的结构不同层次的结构•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是研究材料特性的两个最基本的物质层次物质层次;•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））指多晶材料的指多晶材料的 微观形貌、晶体学结构和取向、晶界、相界、界面相、微观形貌、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、偏析和夹亚晶界、位错、层错、孪晶、固溶和析出、偏析和夹杂、有序化等。

杂、有序化等•宏观组织（宏观组织（Macrostructure））如材料的孔隙、岩石的层如材料的孔隙、岩石的层 理、木材的纹理（纤维状）等理、木材的纹理（纤维状）等13材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院•金的(111)晶面结构（原子力显微镜）材料的显微结构对材料的性能具有相当大的影响材料的显微结构对材料的性能具有相当大的影响14材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院原子结构原子结构•金刚石金刚石•C-C共价键结合的金刚石硬度大、熔点高，其在共价键结合的金刚石硬度大、熔点高，其在切割刀具上的薄膜涂层使其具有较好的抗磨损性切割刀具上的薄膜涂层使其具有较好的抗磨损性能•～～10-10 m （1Å）金刚石涂层刀具金刚石涂层刀具15材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院原子排列：长程有序原子排列：长程有序•锆钛酸铅锆钛酸铅Pb(ZrxTi1-x)OPb(ZrxTi1-x)O3 3 （（PZTPZT））•当晶体结构中离子配位多面体以四面体和菱面体当晶体结构中离子配位多面体以四面体和菱面体的方式排列时，材料表现出压电性能。

的方式排列时，材料表现出压电性能•PZT PZT 陶瓷广泛地应用于点火装置、超声波发生器陶瓷广泛地应用于点火装置、超声波发生器及振动控制及振动控制•10-10 10-10 ～～ 10-9 m (1 10-9 m (1～～10Å)10Å)16材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院原子排列：短程有序原子排列：短程有序•硅玻璃硅玻璃(SiO2) 中中Si+4和和O-2 形成四面体，四面体之间的形成四面体，四面体之间的连接是无序的，故而称为短程有序，即无定形结构连接是无序的，故而称为短程有序，即无定形结构•无定形的硅玻璃构成了光学通信工业的基础无定形的硅玻璃构成了光学通信工业的基础•10-10 ～～ 10-9m (1～～10Å)17材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院纳米结构纳米结构•纳米氧化铁纳米氧化铁( (～～5-10 nm) 5-10 nm) 颗粒分散在液体颗粒分散在液体中，制备铁磁流体和液态磁体，用于扩音中，制备铁磁流体和液态磁体，用于扩音器的传热冷却器的传热冷却•1010-9 -9 ～～ 10 10-7-7 m (1 m (1～～100 nm)100 nm)。

18材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院显微结构显微结构•大部分金属和合金的力学性能受晶粒大小的影响大部分金属和合金的力学性能受晶粒大小的影响很大，晶粒和晶界是晶态材料显微结构特征的一很大，晶粒和晶界是晶态材料显微结构特征的一部分•通常，室温下，较细的晶粒具有较高的强度材通常，室温下，较细的晶粒具有较高的强度材料很多重要的性质也受到显微结构显著的影响料很多重要的性质也受到显微结构显著的影响•1010-8-8 ～～1010-6-6 m (10 m (10～～1000 nm)1000 nm)不锈钢材料的显微结构（晶粒和晶界）19材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院宏观结构宏观结构•涂层：汽车车身上的油漆等，不仅仅为了美观，还提高了抗腐蚀性能• ～>10-6 m (1000,000 nm).无机、有机涂层保护了汽车车身免受腐蚀，并且使其更加无机、有机涂层保护了汽车车身免受腐蚀，并且使其更加美观20材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院2.2.1 原子结构原子结构•原子的结构影响到原子之间的键合，并进一步影响到材原子的结构影响到原子之间的键合，并进一步影响到材料的力学性能和物理性质。

料的力学性能和物理性质•Atoms=nucleus (protons and neutrons) + electrons• 电荷电荷: : 电子和质子具有相同大小的负电荷和正电荷，电子和质子具有相同大小的负电荷和正电荷， 1.6 ×101.6 ×10-19-19 库仑•中子是电中性的中子是电中性的•质量质量: : 质子和中子具有相同的质量质子和中子具有相同的质量, 1.67 × 10, 1.67 × 10-27-27 kg. kg.•电子的质量较小电子的质量较小, , 在计算原子的质量时往往可忽略在计算原子的质量时往往可忽略9.11 9.11 × 10× 10-31-31kgkg•原子质量原子质量(A)(A) = = 质子质量质子质量+ + 中子质量中子质量•质子质子= atomic number (Z)= atomic number (Z)21材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院波尔原子模型波尔原子模型22材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院电负性电负性•电负性：电负性：表示不同元素的原子在分子中吸引电子的能表示不同元素的原子在分子中吸引电子的能 力。

电负性与原子的亲合能和第一电离能之和成正比力电负性与原子的亲合能和第一电离能之和成正比, ,X=0.18(I+Y)X=0.18(I+Y)•I I- -第一电离能，原子失去一个电子而成为１价正离子第一电离能，原子失去一个电子而成为１价正离子所需能量所需能量•Y Y- -亲合能，一个中性原子获得一个电子成为负离子所亲合能，一个中性原子获得一个电子成为负离子所放出的能量放出的能量•ClCl原子核外带有原子核外带有7 7个价电子，具有强烈的获得电子的倾个价电子，具有强烈的获得电子的倾向；而带有向；而带有1 1 个价电子的个价电子的NaNa则容易失去其价电子则容易失去其价电子23材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院电负性与元素周期表电负性与元素周期表24材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院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电负性小的原子结合形成金属键金属键；；•电负性大的原子结合形成电负性大的原子结合形成共价键共价键；；•电负性相差大的原子结合形成电负性相差大的原子结合形成离子键离子键；；•电负性相差小的原子结合形成共价键和离电负性相差小的原子结合形成共价键和离子键的子键的混合键混合键。

25材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院2.2.2 材料中的化学键材料中的化学键•金属键金属键－金属离子与自由电子相互吸引所形成的结合力26材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院金属键特征金属键特征•1. 电子属于所有原子，可在晶格之间自由活动•2. 无方向性和饱和性•3. 强度高(稍低于共价键或离子键，25-200•kcal/mol)•4. 在低电负性的原子之间形成27材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院离子键离子键－正负离子之间的引力所形成的键力－正负离子之间的引力所形成的键力28材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院离子键特征离子键特征•1. 1. 电子在原子间转移，生成离子电子在原子间转移，生成离子•2. 2. 无方向性，有饱和性、配位数高、紧密无方向性，有饱和性、配位数高、紧密堆积堆积•3. 3. 强度高强度高(150-370 kcal/mol)(150-370 kcal/mol)•4. 4. 在不同电负性的原子之间形成离子键在不同电负性的原子之间形成离子键29材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院共价键共价键－两个或多个原子相互吸引、共用若－两个或多个原子相互吸引、共用若干电子所形成的键力。

干电子所形成的键力30材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院共价键特征共价键特征•1. 1. 邻近两个原子共享一对电子邻近两个原子共享一对电子•2. 2. 有方向性和饱和性、配位数低、堆积密有方向性和饱和性、配位数低、堆积密度低度低•3. 3. 强度高强度高( (略低于离子键，略低于离子键，125-300 125-300 kcal/mol)kcal/mol)•4. 4. 在两个电负性大的离子之间形成在两个电负性大的离子之间形成31材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院范德华键范德华键－分子之间的作用力－分子之间的作用力由于极化所产生的分子之间的静电作用力，较弱，作用能由于极化所产生的分子之间的静电作用力，较弱，作用能在几十在几十kJ/molkJ/mol以下32材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院•氢键氢键──范德华键的一种范德华键的一种•氢原子在分子中与一个原子氢原子在分子中与一个原子A A结合时，还与结合时，还与另一个原子另一个原子B B结合的附加键。

如结合的附加键如H H2 2O O，键角，键角109.5 109.5 ，接近于六边形结构，接近于六边形结构33材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院范德华键特征范德华键特征•1. 1. 由于极化，分子之间产生微量静电荷由于极化，分子之间产生微量静电荷•2. 2. 无方向性，但受分子大小的影响无方向性，但受分子大小的影响•3. 3. 弱键弱键( (是强键的是强键的1/100; <10 kcal/mol)1/100; <10 kcal/mol)•4. 4. 氢键是范德华键的一种氢键是范德华键的一种34材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院混合键混合键•大部分材料中，原子之间的化学键并不是单一的一种化大部分材料中，原子之间的化学键并不是单一的一种化学键，而是两种或两种以上化学键的学键，而是两种或两种以上化学键的混合键混合键，其键性取，其键性取决于元素的电负性决于元素的电负性• 由金属元素和非金属元素组成的陶瓷材料和半导体材由金属元素和非金属元素组成的陶瓷材料和半导体材料往往是离子键和共价键的混合键，其料往往是离子键和共价键的混合键，其电负性差值越大，电负性差值越大，离子键成分越强。

离子键成分越强•SiO2, , XSi= 1.8, X= 1.8, X0 0=3.5,=3.5,共价键成分共价键成分=48.6%=48.6%；；AlAl2 2O O3 3, ,共共价键成分价键成分=37%=37%，，CuOCuO，共价键成分，共价键成分=53% =53% •共价键成分越多，化学键的方向性越强，离子的堆积密共价键成分越多，化学键的方向性越强，离子的堆积密度越低35材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院36材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院材料中的化学键材料中的化学键•金属：金属键金属：金属键•无机非金属：离子键无机非金属：离子键/ /共价键共价键•高分子：共价键、范德华键、氢键高分子：共价键、范德华键、氢键•半导体：共价键、离子键半导体：共价键、离子键/ /共价键共价键37材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院不同化学键材料的结合能和熔点温度不同化学键材料的结合能和熔点温度38材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院原子间距原子间距•原子间距原子间距: : 当两个原子之当两个原子之间的吸引力和排斥力相等间的吸引力和排斥力相等时的原子间平衡距离。

时的原子间平衡距离•吸引力和原子之间距离的吸引力和原子之间距离的平方成反比；当两个原子平方成反比；当两个原子靠近，排斥力随距离的减靠近，排斥力随距离的减小以小以6-96-9的指数次方迅速增的指数次方迅速增大•平衡点的斜率反映了应力平衡点的斜率反映了应力- -应变曲线的斜率，即弹性应变曲线的斜率，即弹性模量39材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院结合能结合能•结合能的最低点即结合能的最低点即平衡点平衡点，其深度，其深度反映了将两个原子完全拉开所需要反映了将两个原子完全拉开所需要的能量势阱越深，熔点越高势阱越深，熔点越高•由于排斥力随距离的变化比引力随由于排斥力随距离的变化比引力随距离的变化大，因而结合能曲线是距离的变化大，因而结合能曲线是不对称不对称的，这就是材料加热时膨胀的，这就是材料加热时膨胀的微观原因当材料接受能量后，的微观原因当材料接受能量后，原子的热振动引起原子在平衡位置原子的热振动引起原子在平衡位置周围的振荡，结合能曲线的不对称周围的振荡，结合能曲线的不对称使得原子之间的平均距离随着温度使得原子之间的平均距离随着温度的升高而增加。

势阱越窄，热膨胀的升高而增加势阱越窄，热膨胀系数越低系数越低40材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院四种化学键材料的结合能四种化学键材料的结合能•结合能大的材料，具有高强度、高熔点结合能大的材料，具有高强度、高熔点•通常，离子键材料具有较大的结合能，而通常，离子键材料具有较大的结合能，而金属材料则具有较低的结合能金属材料则具有较低的结合能41材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院2.2.3 材料的显微结构材料的显微结构•为什么化学组成相同为什么化学组成相同（（C C））的的石墨石墨与与金刚石金刚石有完全不同的性质？有完全不同的性质？•材料中原子和离子的材料中原子和离子的排列显著影响材料的性质排列显著影响材料的性质非晶非晶多晶多晶单晶单晶42材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院材料中原子的排列方式材料中原子的排列方式43材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院原子的无序排列和短程有序排列原子的无序排列和短程有序排列:•无序排列：无序排列：高温和低压下的单原子气体高温和低压下的单原子气体•短程有序：短程有序：水蒸气、无定形硅以及二氧化硅玻璃水蒸气、无定形硅以及二氧化硅玻璃44材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院长程有序长程有序:•大部分的固体材料，其原子大部分的固体材料，其原子/ /离子排列是按照离子排列是按照规则的在规则的在三维空间呈周期性的重复排列的。

三维空间呈周期性的重复排列的•大部分的大部分的金属、合金、半导体、无机非金属金属、合金、半导体、无机非金属材料以及材料以及部部分高分子材料分高分子材料其内部质点的排列是长程有序的，即具有其内部质点的排列是长程有序的，即具有晶体结构晶体结构45材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院46材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院单晶材料单晶材料•由一个晶体组成，大量应用于电子和光学领域例如，由一个晶体组成，大量应用于电子和光学领域例如，计算机集成电路板中应用单晶硅计算机集成电路板中应用单晶硅47材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院多晶材料多晶材料•多晶材料由许多在空间不同取向的小晶体构成，小晶体多晶材料由许多在空间不同取向的小晶体构成，小晶体之间的边界区域原子之间的边界区域原子/ /离子排列不规则，称之为离子排列不规则，称之为晶界晶界•工程上实际应用的大量晶体材料均为多晶材料，如钢材、工程上实际应用的大量晶体材料均为多晶材料，如钢材、铝合金等。

铝合金等48材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院多晶材料的微观结构多晶材料的微观结构AuZnO49材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院液晶液晶•液晶液晶是一种内部质点具有特殊有序排列的高分子材料是一种内部质点具有特殊有序排列的高分子材料•液晶高分子材料通常具有无定形结构，然而，在电场液晶高分子材料通常具有无定形结构，然而，在电场或温度变化等外部刺激下其分子在局部范围内排列有或温度变化等外部刺激下其分子在局部范围内排列有序，成为晶体，故称之为液晶序，成为晶体，故称之为液晶50材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院2.2.4 晶体结构晶体结构•晶体：晶体：内部质点在三维空间呈周期性重复排列内部质点在三维空间呈周期性重复排列的固体晶体晶体金刚石、金刚石、NaClNaCl、冰、冰 等液体液体非晶体非晶体 ：： 蜂蜡、玻璃蜂蜡、玻璃 等51材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院晶胞晶胞单位晶胞：单位晶胞：能够充分反映整个晶体结构特征的最小能够充分反映整个晶体结构特征的最小构造单位。

构造单位52材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院同质多晶同质多晶53材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院材料的晶体结构材料的晶体结构•金属材料金属材料大多数为晶体（大多数为晶体（HgHg除外），多为立方、六方晶除外），多为立方、六方晶系•无机非金属材料无机非金属材料主要是主要是SiSi、、O O组成的四面体以不同形式组成的四面体以不同形式的连接，形成岛状、组群状、链状、层状、架状等结构的连接，形成岛状、组群状、链状、层状、架状等结构•高分子材料高分子材料由大量重复的结构单元连接成链状、网状、由大量重复的结构单元连接成链状、网状、聚集体主要为非晶体结构，次要为晶体主要为非晶体结构，次要为晶体54材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院2.2.5 晶体结构缺陷晶体结构缺陷• 实际晶体中总是存在着缺陷实际晶体中总是存在着缺陷• 根据缺陷存在的范围可分为：根据缺陷存在的范围可分为：• 空位空位 填隙原子填隙原子/ /离子离子 点缺陷点缺陷 取代原子取代原子/ /离子离子• 位错位错 线缺陷线缺陷• 晶界晶界 面缺陷面缺陷对性能的影响：对性能的影响：Ø比容、比热容、电比容、比热容、电阻率阻率Ø扩散系数、内耗、扩散系数、内耗、介电常数介电常数Ø光吸收光吸收Ø力学性能力学性能( (固溶强固溶强化化) )55材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院杂质缺陷杂质缺陷56材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院线缺陷线缺陷─“位错位错”晶体生长情况判断出位错的存在晶体生长情况判断出位错的存在 对性能的影响：实际强度对性能的影响：实际强度<<<<理论强度理论强度57材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院自然界的缺陷现象自然界的缺陷现象58材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院2.3 合成与加工合成与加工•合成与加工是指建立原子、分子和分子聚集体的新排列，合成与加工是指建立原子、分子和分子聚集体的新排列，在从原子尺度到宏观尺度的所有尺度上对结构进行控制在从原子尺度到宏观尺度的所有尺度上对结构进行控制以及高效而有竞争力地制造材料和零件的演变过程。

以及高效而有竞争力地制造材料和零件的演变过程•合成合成( Synthesis)( Synthesis)•常常是指原子和分子组合在一起制造新材料所采用的物常常是指原子和分子组合在一起制造新材料所采用的物理和化学方法合成是在固体中发现新的化学现象和物理和化学方法合成是在固体中发现新的化学现象和物理现象的主要源泉理现象的主要源泉•加工加工(Processing)(Processing)•这里所指的是成型加工，除了上述为生产出有用材料对这里所指的是成型加工，除了上述为生产出有用材料对原子和分子控制外，还包括在较大尺度上的改变，有时原子和分子控制外，还包括在较大尺度上的改变，有时也包括材料制造等工程方面的问题也包括材料制造等工程方面的问题59材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院材料的合成与加工材料的合成与加工•在材料科学与工程中，合成和加工之间的区别变在材料科学与工程中，合成和加工之间的区别变得越来越模糊得越来越模糊•合成是新技术开发和现有技术改进的关键性要素合成是新技术开发和现有技术改进的关键性要素•现代材料合成技术是人造材料的唯一实现途径现代材料合成技术是人造材料的唯一实现途径60材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院材料的制备材料的制备•不同的材料制备方法，分别具有不同的材不同的材料制备方法，分别具有不同的材料科学基础内容，即：料科学基础内容，即：• • 冶金过程冶金过程 冶金物理化学冶金物理化学• 熔炼与凝固熔炼与凝固 凝固学理论凝固学理论• 粉末烧结粉末烧结 烧结原理烧结原理• 高分子聚合高分子聚合 聚合反应聚合反应61材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院冶金过程（化学冶金）冶金过程（化学冶金）•目的：目的： 从矿石中提取金属或金属化合物，用各种加工从矿石中提取金属或金属化合物，用各种加工方法将金属制成具有一定性能的金属材料的过程和工艺。

方法将金属制成具有一定性能的金属材料的过程和工艺 •内容内容: : 火法冶金火法冶金 炼铁、炼铜炼铁、炼铜• 熔盐电冶熔盐电冶 电解铝、镁电解铝、镁• 湿法冶金湿法冶金 水溶液电解锌水溶液电解锌•．．．．．．62材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院熔炼与凝固（物理冶金）熔炼与凝固（物理冶金）•目的目的: : １１. .金属的精练提纯金属的精练提纯• ２２. .材料的材料的““合金化合金化””• ３３. .晶体的生长晶体的生长•内容内容: : 1. 1.平衡凝固平衡凝固 4. 4.区域熔炼区域熔炼 2. 2.快速凝固快速凝固 5. 5.玻璃的熔炼玻璃的熔炼 3. 3.定向凝固定向凝固 6. 6.熔融法提拉单晶熔融法提拉单晶63材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院粉末烧结粉末烧结•目的目的: : 1. 1.粉末成型粉末成型• 2. 2.粉末颗粒的结合粉末颗粒的结合•内容内容: : 1. 1.粉末冶金技术粉末冶金技术• 2. 2.现代陶瓷材料的制备现代陶瓷材料的制备64材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院高分子聚合高分子聚合•目的目的: : 实现小分子发生化学反应，相互结合形成实现小分子发生化学反应，相互结合形成高分子。

高分子聚合是人工合成三大类高分子材高分子高分子聚合是人工合成三大类高分子材料：塑料、橡胶、合成纤维的基本过程料：塑料、橡胶、合成纤维的基本过程•内容内容: : 1. 1.本体聚合本体聚合• 2. 2.乳液聚合乳液聚合 • 3. 3.悬浮聚合悬浮聚合• 4. 4.溶液聚合溶液聚合65材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院材料的加工材料的加工•传统意义上，材料的加工范畴包括四个方面：传统意义上，材料的加工范畴包括四个方面：•材料的切削：材料的切削：车、铣、刨、磨、切、钻车、铣、刨、磨、切、钻•材料的成型：材料的成型：铸造、拉、拔、挤、压、锻铸造、拉、拔、挤、压、锻•材料的改性：材料的改性：合金化、热处理合金化、热处理•材料的联接：材料的联接：焊接、粘接焊接、粘接66材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院2.4 材料的性能与功能材料的性能与功能•材料的材料的性能性能(Performance)(Performance) 指材料对外部刺激指材料对外部刺激（外力、热、电磁、化学刺激、药品）的反应或（外力、热、电磁、化学刺激、药品）的反应或抵抗（被动地响应），又称抵抗（被动地响应），又称““行为行为””，，““表现表现””。

如强度，电导率等如强度，电导率等•材料的材料的功能功能(Function)(Function) 指物质（材料）对应于指物质（材料）对应于某种输入信号时，所产生的质或量的变化，或其某种输入信号时，所产生的质或量的变化，或其中某些变化会产生一定的输出，即能产生另一种中某些变化会产生一定的输出，即能产生另一种效应如压电效应，热电效应等如压电效应，热电效应等67材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院使用性能（服役性能）使用性能（服役性能）•使用性能使用性能(Service Performance(Service Performance））是材料在使用条件是材料在使用条件下应用性能的度量，通常指材料在最终使用状态时的下应用性能的度量，通常指材料在最终使用状态时的行为，是材料固有性质与产品设计、工程能力和人类行为，是材料固有性质与产品设计、工程能力和人类需要相融合在一起的一个要素，必须以使用性能为基需要相融合在一起的一个要素，必须以使用性能为基础进行设计才能得到最佳的方案础进行设计才能得到最佳的方案•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。

68材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院使用性能使用性能可靠性、耐用度、寿命、性能价格比、安全性，及可靠性、耐用度、寿命、性能价格比、安全性，及材料固化为产品后，表征产品优良程度的各种性能材料固化为产品后，表征产品优良程度的各种性能指标，如飞行速度、使用温度等指标，如飞行速度、使用温度等使用性能描述符使用性能描述符69材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院材料要素间联系材料要素间联系•材料的性质取决于其内部结构，只有改变材料的性质取决于其内部结构，只有改变了材料的内部结构才能达到改变和控制材了材料的内部结构才能达到改变和控制材料性能的目的，而材料的合成和加工工艺料性能的目的，而材料的合成和加工工艺常常对材料的结构起决定性作用常常对材料的结构起决定性作用70材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院与其它要素的关系与其它要素的关系•从材料的产生到进入使用过程，直至损耗，从材料的产生到进入使用过程，直至损耗，四大要素存在着逻辑上的因果顺序，即：四大要素存在着逻辑上的因果顺序，即：71材料概论材料概论Materials Conspectus材料与化学化工学院材料与化学化工学院总结总结•无论是为制造某种产品选择合适材料，选择最佳无论是为制造某种产品选择合适材料，选择最佳的加工工艺，正确地使用材料，还是改善现有材的加工工艺，正确地使用材料，还是改善现有材料或者研制新材料，都需要我们具有材料内部结料或者研制新材料，都需要我们具有材料内部结构与性能的知识，都需要材料科学的理论指导。

构与性能的知识，都需要材料科学的理论指导特别是新型材料，其主要特点是以科学为基础，特别是新型材料，其主要特点是以科学为基础，与新技术、新工艺的发展有相互依存、相互促进与新技术、新工艺的发展有相互依存、相互促进的关系。