我對材料科學四要素的認識武曉博.doc

我對材料科學四要素的認識武曉博材料科學是上世紀五十年代提出的，以研究和揭示固體材料性質(zhì)規(guī)律為主的一門科學，與能源、信息并列為現(xiàn)代科學技術的三大支柱。隨著高技術的興起，又把新材料與信息技術、生物技術并列作為新技術革命的重要標志。如今，材料已成為國民經(jīng)濟建設、國防建設和人民群眾生活的重要組成部分。一般所說的材料,包括傳統(tǒng)材料和各種新型材料。材料科學的任務，就是研究材料的性質(zhì)、使用性能、結(jié)構(gòu)與成分、合成與加工這四者間的關系，因而將其稱為材料科學的四個基本要素。1、材料的性質(zhì)。材料的性質(zhì)是功能特性和效用的描述符，是材料對電、磁、光、熱、機械載荷的反應，包括力學性質(zhì)、物理性質(zhì)以及化學性質(zhì)。（1）力學性質(zhì)。包括強度、硬度、剛度、塑性、韌性等。強度：材料抵抗外應力的能力；硬度：材料在表面上的小體積內(nèi)抵抗變形或破裂的能力；剛度：外應力作用下材料抵抗彈性變形能力；塑性：外力作用下，材料發(fā)生不可逆的永久性變形而不破壞的能力；韌性：材料從塑性變形到斷裂全過程中吸收能量的能力。（2） 物理性質(zhì)。包括電學性質(zhì)、磁學性質(zhì)、光學性質(zhì)及熱學性質(zhì)等。電學性質(zhì)：主要包括材料的導電性、絕緣性及介電性等；磁學性質(zhì)：主要包括材料的抗磁性、順磁性及鐵磁性等；光學性質(zhì)：主要包括材料的光反射、光折射、光學損耗及光透性等；熱學性質(zhì)：主要包括材料的導熱性、熱膨脹、熱容和熔化等。（3） 化學性質(zhì)包括催化性質(zhì)及防化性質(zhì)等。2、 材料的性能。在某種環(huán)境或條件作用下，為描述材料的行為或結(jié)果，按照特定的規(guī)范所獲得的表征參量，稱為材料的性能。包括力學性能、（1） 力學性能。彈性表征：包括彈性極限、屈服強度、比例極限等；塑性表征：包括延伸率、斷面收縮率、沖杯深度等；硬度表征：包括布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等；剛度表征：包括彈性模量、楊氏模量、剪切模量等；疲勞強度表征：包括疲勞極限和疲勞壽命等；抗蠕變性表征：包括蠕變極限和持久強度等；韌性表征：包括斷裂韌性和KIC和斷裂韌性JIC等。（2） 物理性能。電學性能表征：包括導電率、電阻率、介電常數(shù)等；磁學性能表征：包括磁導率、矯頑力、磁化率等；光學性能表征：包括光反射率、光折射率、光損耗率等；熱學性能標準：包括熱導率、熱膨脹系數(shù)、熔點、比熱等。所以，性能是包括材料在內(nèi)的整個系統(tǒng)特征的體現(xiàn)；性質(zhì)則是材料本身特征的體現(xiàn)。性能是隨著外因的變化而不斷變化，是個漸變過程，在這個過程中發(fā)生量變的積累，而性質(zhì)保持質(zhì)的相對穩(wěn)定性；當量變達到一個“度”時，將發(fā)生質(zhì)變，材料的性質(zhì)發(fā)生根本的變化。因而，在材料科學研究及工程化應用中，能針對不同的使用環(huán)境，提取出關鍵的材料性質(zhì)并選擇優(yōu)良性能的材料，是材料人員應具備的一種能力。3、 成分與結(jié)構(gòu)。材料的結(jié)構(gòu)主要包括鍵合結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)和組織結(jié)構(gòu)。鍵合結(jié)構(gòu)包括化學鍵（離子鍵、共價鍵、金屬鍵）和物理鍵（氫鍵、分子鍵）；材料的晶體結(jié)構(gòu)包括晶體（原子排列長程有序，有周期）、非晶體（原子排列短程有序，無周期）、準晶體（原子排列長程有序，無周期）；材料的組織結(jié)構(gòu)，指的是組成材料的不同物質(zhì)表示出的某種形態(tài)特征，包括相圖特征（勻晶型組織、共晶型組織、包晶型組織）、結(jié)構(gòu)特征（fcc結(jié)構(gòu)、bcc結(jié)構(gòu)、hcp結(jié)構(gòu)等）、組織特征（單向組織、兩相組織、多相組織）?，F(xiàn)代材料科學家對材料成分、結(jié)構(gòu)的認識是由分析、檢測實現(xiàn)的。成分分析包括化學分析、物理分析和譜學分析?？梢哉f，材料的成分與結(jié)構(gòu)是材料性質(zhì)的原因，也是合成與加工的結(jié)果。X衍射數(shù)據(jù)庫及相圖數(shù)據(jù)庫共同構(gòu)成了成分與結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫。前者建立了結(jié)構(gòu)與測定參數(shù)的關系，后者建立了成分與相的關系。這兩個數(shù)據(jù)庫對材料科學家的研究提供了極大的便利，幾乎所有材料合成的研究都是從了解這兩個對應關系的研究開始的。特別的，隨著理論的不斷拓寬與完善，在成分與結(jié)構(gòu)研究領域中出現(xiàn)了許多新的機遇。如準晶的結(jié)構(gòu)及潛在的應用價值，碳納米管和足球烯，超導體與基體的界面結(jié)構(gòu)、功能復合材料的梯度界面、半導體材料與封裝材料的界面、纖維增強體與基體的結(jié)合界面等，這些為我們今后的學習與工作提供新的課題，吸引并激勵著我們不斷的研究與探索。4、 合成與加工?！昂铣伞迸c“加工”是指建立原子、分子和分子團的新排列，在所有尺度上（從原子尺寸到宏觀尺度）對結(jié)構(gòu)的控制，以及高效而有競爭力地制造材料與元件的演化過程。合成是指把各種原子或分子結(jié)合起來制成材料所采用的各種化學方法和物理方向；加工則指的是可以同樣的方式使用，還可以指較大尺度上的改變，包括材料制造。在材料科學與工程中，合成和加工之間的區(qū)別變得越來越模糊。合成是新技術開發(fā)和現(xiàn)有技術改進的關鍵性要素，現(xiàn)代材料合成技術是人造材料的唯一實現(xiàn)途徑。材料的合成與加工主要包括材料制備、材料加工、表面工程和材料復合四個方面。（1） 材料的制備。不同的材料制備方法，分別具有不同的材料科學基礎內(nèi)容，即：冶金過程、熔煉與凝固、粉末燒結(jié)、高分子聚合。冶金過程又稱化學冶金，是從原料中提取出金屬，方法包括火法冶金、熔鹽電冶金、濕法冶金；熔煉與凝固又稱物理冶金，用于金屬的精煉及提純，材料的“合金化”和晶體的生長，具體內(nèi)容包括平衡凝固、區(qū)域熔煉、快速凝固、玻璃的熔煉、定向凝固和熔融法提拉單晶；粉末煅燒的目的是使粉末成形和粉末顆的結(jié)合，內(nèi)容包括粉末冶金技術和現(xiàn)代陶瓷材料的制備；高分子聚合是為了實現(xiàn)小分子發(fā)生化學反應，相互結(jié)合形成高分子。高分子聚合是人工合成三大類高分子材料：塑料、橡膠、合成纖維的基本過程，實施方法分為本體聚合、懸浮聚合、乳液聚合和溶液聚合。（2） 材料的加工。傳統(tǒng)意義上，材料的加工范疇包括四個方面：材料的切削（車、銑、刨、磨、切、鉆）、材料的成型（鑄造、拉、拔、擠、壓、鍛）、材料的改性（合金化、熱處理）、材料的聯(lián)接（焊接、粘接）。材料的成型：三大類材料的成型技術在材料工程中是內(nèi)容最為豐富的一部分。如果按材料的流變特性來分析，則材料的成型方法可分為三種；液態(tài)成型：包括金屬的鑄造、溶液紡絲；塑變成型：即金屬的壓力加工；流變成型：包括金屬、陶瓷、高分子成型。材料的改性：材料改性是通過改變材料的成分、組織與結(jié)構(gòu)以達到改變材料的性能的目的。包括材料的“合金化”和材料的熱處理。所謂材料的“合金化”，是指通過改變材料的成分，達到改變材料性能的方法。這種方法在金屬材料和現(xiàn)代高分子材料的改性方面有廣泛的應用。材料的熱處理，是指通過一定的加熱、保溫、冷卻工藝過程，來改變材料的相組成情況，達到改變材料性能的方法。這種方法在金屬材料和現(xiàn)代陶瓷材料的改性方面有廣泛的應用。典型熱處理工藝有淬火、退火、回火和正火。淬火工藝是指通過快速冷卻，獲得遠離平衡態(tài)的不穩(wěn)定組織，達到強化材料的目的；正火工藝是指在奧氏體狀態(tài)下，空氣或保護氣體冷卻獲得珠光體均勻組織，提高強度，改善韌性；退火工藝是指通過緩慢冷卻，獲得接近平衡態(tài)的組織，達到均勻化、消除內(nèi)應力的目的；回火工藝是指淬火或正火的材料重新加熱，目的在于松懈淬火應力和使組織向穩(wěn)態(tài)過度，改善材料的延展性和韌性，并穩(wěn)定工件的尺寸。材料的聯(lián)接：是為了實現(xiàn)材料間的整體結(jié)合，內(nèi)容包括焊接、粘接、 鉚接和栓接。（3） 材料表面工程。包括表面改性、表面防護和薄膜技術三個方面。表面改性：即改變材料表面的性質(zhì)，從工藝機理上分析，表面改性同整體材料的改性是相同的，即：在表面實現(xiàn)材料的成分、組織與結(jié)構(gòu)的變化，達到改變材料表面性能的目的。不同點就是采用了特殊的能量輸入方式，使能量作用效果或成分變化僅發(fā)生在表面。主要包括三束表面改性、化學表面改性（化學熱處理）和表面淬火。表面防護：包括腐蝕防護和摩擦磨損防護。由腐蝕造成的材料失效量，占世界材料總產(chǎn)量的比例很高，腐蝕問題十分嚴重。因此，腐蝕防護非常重要。造成腐蝕的原因主要是化學反應，包括大氣腐蝕、海水腐蝕及工業(yè)介質(zhì)腐蝕。防護的方法可以分為主動防護和被動防護，主動防護的方法有合金化、非晶化、高純度化和添加抗蝕材料；被動防護的方法有表面涂鍍、表面改性、表面鈍化和電化學保護。摩擦磨損防護的方法有增加抗磨損性和增加潤滑性。薄膜技術：有許多種薄膜技術能夠在基材表面覆蓋薄膜材料層，其中最重要的兩種方法是物理氣象沉積法（PVD）和化學氣象沉積法（CVD）。隨著材料科學技術的不斷發(fā)展，薄膜技術已不僅僅是材料改性的手段。更重要的是，現(xiàn)代薄膜技術在高新技術領域，如：微電子器件、納米結(jié)構(gòu)與組裝、光電子器件，等方面正發(fā)揮著越來越重要的作用。（4） 材料的復合。材料復合的主要目的就是依據(jù)不同材料性能的優(yōu)勢互補、協(xié)調(diào)作用的原則，進行材料的設計與制備。因此材料復合的過程就是材料制備、改性、加工的統(tǒng)一過程。復合材料的制備過程融合了金屬、陶瓷、高分子材料制備的基本原理。目前材料科學的發(fā)展，復合的概念越來越重要，出現(xiàn)了許多新型的復合材料及制備方法。 從材料的產(chǎn)生到進入使用過程，直至損耗，四大要素存在著邏輯上的因果順序：“性能”是目的，是材料科學發(fā)展的根本動力，“結(jié)構(gòu)”是獲得該性能的本質(zhì)，而“工藝”是獲得“結(jié)構(gòu)”的途徑與手段，可以歸結(jié)為“結(jié)構(gòu)”形成的內(nèi)容范疇，