第二章材料科學(xué)與工程的四個(gè)基本要素MSE四要素使用性能材料的性質(zhì)結(jié)構(gòu)與成分合成與加工兩個(gè)重要內(nèi)容儀器與設(shè)備分析與建模1§2.1性質(zhì)與使用性能1.基礎(chǔ)概念2.性質(zhì)與性能的區(qū)別與關(guān)系3.材料的失效分析4.材料（產(chǎn)品）使用性能的設(shè)計(jì)5.材料性能數(shù)據(jù)庫(kù)6.其它問(wèn)題2材料性質(zhì)：是功能特性和效用的描述符，是材料

對(duì)電.磁.光.熱.機(jī)械載荷的反應(yīng)。材料性質(zhì)描述力學(xué)性質(zhì)物理性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)強(qiáng)度硬度剛度塑性韌性電學(xué)性質(zhì)磁學(xué)性質(zhì)光學(xué)性質(zhì)熱學(xué)性質(zhì)催化性質(zhì)防化性質(zhì)2.1.1基礎(chǔ)內(nèi)容3結(jié)構(gòu)材料性質(zhì)的表征----材料力學(xué)性質(zhì)強(qiáng)度：材料抵抗外應(yīng)力的能力。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。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(yīng)力作用下材料抵抗彈性變形能力。21.1基礎(chǔ)內(nèi)容4結(jié)構(gòu)材料性質(zhì)的表征----材料力學(xué)性質(zhì)疲勞強(qiáng)度：材料抵抗交變應(yīng)力作用下斷裂破壞的能力?？谷渥冃裕翰牧显诤愣☉?yīng)力（或恒定載荷）作用下抵抗變形的能力。韌性：材料從塑性變形到斷裂全過(guò)程中吸收能量的能力。2.1.1基礎(chǔ)內(nèi)容5強(qiáng)度范疇剛度范疇塑性范疇韌性范疇?wèi)?yīng)力應(yīng)變2.1.1基礎(chǔ)內(nèi)容6材料的物理性質(zhì)磁學(xué)性質(zhì)光學(xué)性質(zhì)電學(xué)性質(zhì)導(dǎo)電性絕緣性介電性抗磁性順磁性鐵磁性光反射光折射光學(xué)損耗光透性熱學(xué)性質(zhì)導(dǎo)熱性熱膨脹熱容熔化注：上面只列出了材料的主要物理性質(zhì)2.1.1基礎(chǔ)內(nèi)容7物理性質(zhì)的交互性----材料應(yīng)用的關(guān)鍵點(diǎn)現(xiàn)代功能材料不僅僅表現(xiàn)出單一的物理性質(zhì)，更重要的是具備了特殊的物理交互性。例如：電學(xué)----機(jī)械 電致伸縮機(jī)械----電學(xué) 壓電特性磁學(xué)----機(jī)械 磁致伸縮電學(xué)----磁學(xué) 巨磁阻效應(yīng)電學(xué)----光學(xué) 電致發(fā)光------2.1.1基礎(chǔ)內(nèi)容8使用性能：是指材料在最終使用狀態(tài)（產(chǎn)品、元

件）下表現(xiàn)出的行為?？煽啃?、耐用度、壽命、性能價(jià)格比、安全性，及材料固化為產(chǎn)品后，表征產(chǎn)品優(yōu)良程度的各種性能指標(biāo)，如飛行速度.使用溫度等。使用性能描述符2.1.1基礎(chǔ)內(nèi)容9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。性能定義2.1.1基礎(chǔ)內(nèi)容10材料力學(xué)性能1.強(qiáng)度表征：彈性極限 屈服強(qiáng)度 比例極限

……2.1.1基礎(chǔ)內(nèi)容11材料力學(xué)性能2.塑性表征： 延伸率δ 斷面收縮率φ 沖杯深度h2.1.1基礎(chǔ)內(nèi)容12材料力學(xué)性能2.1.1基礎(chǔ)內(nèi)容3.硬度表征： 布氏硬度 洛氏硬度 維氏硬度……13材料力學(xué)性能2.1.1基礎(chǔ)內(nèi)容4.剛度表征： 彈性模量 楊氏模量 剪切模量……14材料力學(xué)性能2.1.1基礎(chǔ)內(nèi)容5.疲勞強(qiáng)度表征： 疲勞極限 疲勞壽命 ……15材料力學(xué)性能2.1.1基礎(chǔ)內(nèi)容6.抗蠕變性表征： 蠕變極限 持久強(qiáng)度 ……16材料力學(xué)性能2.1.1基礎(chǔ)內(nèi)容7.韌性表征： 斷裂韌性KIC

斷裂韌性JIC

17材料物理性能2.1.1基礎(chǔ)內(nèi)容1.電學(xué)性能表征： 導(dǎo)電率 電阻率

介電常數(shù) ……

18材料物理性能2.1.1基礎(chǔ)內(nèi)容2.磁學(xué)性能表征： 磁導(dǎo)率 矯頑力

磁化率 …… 19材料物理性能2.1.1基礎(chǔ)內(nèi)容3.光學(xué)性能表征： 光反射率 光折射率

光損耗率 ……

20材料物理性能2.1.1基礎(chǔ)內(nèi)容4.熱學(xué)性能表征： 熱導(dǎo)率 熱膨脹系數(shù)

熔點(diǎn) 比熱 ……

212.性質(zhì)與使用性能的區(qū)別與關(guān)系成分結(jié)構(gòu)環(huán)境性質(zhì)規(guī)范使用性能所以，性能是包括材料在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)特征的體現(xiàn)；

性質(zhì)則是材料本身特征的體現(xiàn)。2.1.2性質(zhì)與性能的區(qū)別與關(guān)系22性能是隨著外因的變化而不斷變化，是個(gè)漸變過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中發(fā)生量變的積累，而性質(zhì)保持質(zhì)的相對(duì)穩(wěn)定性；當(dāng)量變達(dá)到一個(gè)“度”時(shí)，將發(fā)生質(zhì)變，材料的性質(zhì)發(fā)生根本的變化。2.1.2性質(zhì)與性能的區(qū)別與關(guān)系23需要注意的一點(diǎn)在材料科學(xué)研究及工程化應(yīng)用中，材料人員應(yīng)具備這樣一種能力：能針對(duì)不同的使用環(huán)境，提取出關(guān)鍵的材料性質(zhì)并選擇優(yōu)良性能的材料。2.1.2性質(zhì)與性能的區(qū)別與關(guān)系243.失效分析----材料使用性能的重要研究?jī)?nèi)容2.1.3失效分析25斷裂磨損腐蝕三類主要的材料力學(xué)失效形式2.1.3失效分析26TITANIC2.1.3失效分析27材料的斷裂韌性2.1.3失效分析284.材料（產(chǎn)品）使用性能的設(shè)計(jì)在材料使用性能（產(chǎn)品）設(shè)計(jì)的同時(shí)，力求改變傳統(tǒng)的研究及設(shè)計(jì)路線，將材料性質(zhì)同時(shí)考慮進(jìn)去，采取并行設(shè)計(jì)的方法。3.1.4材料（產(chǎn)品）使用性能的設(shè)計(jì)29傳統(tǒng)方式：結(jié)構(gòu)與功能確定材料的性質(zhì)先進(jìn)方式：結(jié)構(gòu)與功能材料的性質(zhì)完成設(shè)計(jì)2.1.4材料（產(chǎn)品）使用性能的設(shè)計(jì)（選擇材料）30汽車噴油嘴的設(shè)計(jì)--方案一頂錐運(yùn)動(dòng)方向軟磁材料高壓油吸上：噴油彈下：封閉電磁體材料性質(zhì)要求高磁導(dǎo)率低矯頑力頂錐響應(yīng)時(shí)間約為毫秒級(jí)問(wèn)題：由于慣性原因，造成噴油時(shí)間滯后使燃燒效率降低，造成燃料損耗和環(huán)境污染。例2.1.4材料（產(chǎn)品）使用性能的設(shè)計(jì)31頂錐長(zhǎng)度變化高磁致伸縮材料收縮：噴油復(fù)原：封閉頂錐響應(yīng)時(shí)間約為微秒級(jí)材料性質(zhì)要求高的磁致伸縮系數(shù)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，燃燒效率高，環(huán)境污染降低。汽車噴油嘴的設(shè)計(jì)--方案二例磁場(chǎng)21.4材料（產(chǎn)品）使用性能的設(shè)計(jì)325.材料性能數(shù)據(jù)庫(kù)從事材料工程的人們必須注重材料性能數(shù)據(jù)庫(kù)，因?yàn)椋翰牧闲阅軘?shù)據(jù)庫(kù)是材料選擇的先決條件；材料性能數(shù)據(jù)庫(kù)是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助選材（CAMS）、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）的基礎(chǔ)。2.1.5材料性能數(shù)據(jù)庫(kù)33國(guó)際材料數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)簡(jiǎn)況英、美金屬學(xué)會(huì)合建金屬材料數(shù)據(jù)庫(kù)西方七國(guó)組成有關(guān)新材料數(shù)據(jù)及標(biāo)準(zhǔn)的“凡爾賽計(jì)劃”原蘇聯(lián)及東歐各國(guó)組成了COMECON材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)，包括16個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)北京科技大學(xué)等單位聯(lián)合建成材料腐蝕數(shù)據(jù)庫(kù)武漢材料保護(hù)研究所建成材料磨損數(shù)據(jù)庫(kù)北京鋼鐵研究總院建立合金鋼數(shù)據(jù)庫(kù)航天航空部材料研究所建立航天材料數(shù)據(jù)庫(kù)2.1.5材料性能數(shù)據(jù)庫(kù)34主要結(jié)構(gòu)材料的產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)2.1.6其它問(wèn)題6.其它問(wèn)題35§2.2成分與結(jié)構(gòu)1.材料的結(jié)構(gòu)2.成分結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)3.與其它要素的關(guān)系4.材料的成分.結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)5.新的機(jī)遇36

1.材料的結(jié)構(gòu)2.2.1材料的結(jié)構(gòu)鍵合結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu)37

材料的結(jié)構(gòu)----鍵合結(jié)構(gòu)2.2.1材料的結(jié)構(gòu)離子建共價(jià)鍵金屬鍵化學(xué)鍵氫鍵分子鍵物理鍵結(jié)合能陶瓷材料高分子材料金屬材料冰（H20）鹵族晶體注：1.有些陶瓷材料屬共價(jià)鍵化合物，如SiC陶瓷；2.分子鍵又稱范德瓦爾斯力3.實(shí)際晶體并非只有一種鍵合結(jié)構(gòu)，如冰晶（共價(jià)鍵、氫鍵）382.2.1材料的結(jié)構(gòu)晶體：原子排列長(zhǎng)程有序，有周期材料的結(jié)構(gòu)----晶體結(jié)構(gòu)非晶體：原子排列短程有序，無(wú)周期準(zhǔn)晶體：原子排列長(zhǎng)程有序，無(wú)周期395.成分、結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域的新機(jī)遇準(zhǔn)晶準(zhǔn)晶的結(jié)構(gòu)潛在的應(yīng)用價(jià)值NEW納米材料納米碳管C60(巴基球)，等界面科學(xué)超導(dǎo)體與基體的界面結(jié)構(gòu)功能復(fù)合材料的梯度界面半導(dǎo)體材料與封裝材料的界面纖維增強(qiáng)體與基體的結(jié)合界面2.2.5成分、結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域的新機(jī)遇56以上新的研究課題，都主要是圍繞成分與結(jié)構(gòu)展開(kāi)的，向上追溯到材料的合成與加工，向下則牽聯(lián)到材料的特征性質(zhì)。可以說(shuō)，這些研究是新材料新技術(shù)的代表。2.2.5成分、結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域的新機(jī)遇57§2.3合成與加工1.定義2.合成與加工的主要內(nèi)容3.與其它要素的關(guān)系4.發(fā)展方向581.定義“合成”與“加工”是指建立原子、分子和分子團(tuán)的新排列，在所有尺度上（從原子尺寸到宏觀尺度）對(duì)結(jié)構(gòu)的控制，以及高效而有競(jìng)爭(zhēng)力地制造材料與元件的演化過(guò)程。合成是指把各種原子或分子結(jié)合起來(lái)制成材料所采用的各種化學(xué)方法和物理方向。加工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。2.3.1定義592.3.1定義需要說(shuō)明的問(wèn)題在材料科學(xué)與工程中，合成和加工之間的區(qū)別變得越來(lái)越模糊合成是新技術(shù)開(kāi)發(fā)和現(xiàn)有技術(shù)改進(jìn)的關(guān)鍵性要素現(xiàn)代材料合成技術(shù)是人造材料的唯一實(shí)現(xiàn)途徑602.3.2合成與加工的主要內(nèi)容材料制備材料加工表面工程材料復(fù)合2.合成與加工的主要內(nèi)容61一．材料的制備2.3.2合成與加工的主要內(nèi)容一．材料的制備冶金過(guò)程熔煉與凝固粉末燒結(jié)高分子聚合62不同的材料制備方法，分別具有不同的材料科學(xué)基礎(chǔ)內(nèi)容，即：冶金過(guò)程冶金物理化學(xué)熔煉與凝固凝固學(xué)理論粉末燒結(jié)燒結(jié)原理高分子聚合聚合反應(yīng)2.3.2合成與加工的主要內(nèi)容一．材料的制備632.3.2合成與加工的主要內(nèi)容一．材料的制備冶金過(guò)程（化學(xué)冶金）目的：從原料中提取出金屬火法冶金熔鹽電冶金濕法冶金．．．．．．內(nèi)容:煉鐵、煉銅電解鋁、鎂水溶液電解鋅冶金過(guò)程64熔煉與凝固（物理冶金）2.3.2合成與加工的主要內(nèi)容一．材料的制備目的:１．金屬的精練提純 ２．材料的“合金化” ３．晶體的生長(zhǎng)內(nèi)容:1.平衡凝固 4.區(qū)域熔煉 2.快速凝固5.玻璃的熔煉 3.定向凝固6.熔融法提拉單晶熔煉與凝固652.3.2合成與加工的主要內(nèi)容一．材料的制備目的:

１.粉末成型 2.粉末顆粒的結(jié)合內(nèi)容:1.粉末冶金技術(shù)

2.現(xiàn)代陶瓷材料的制備粉末燒結(jié)粉末燒結(jié)662.3.2合成與加工的主要內(nèi)容一．材料的制備目的:實(shí)現(xiàn)小分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，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(guò)程。內(nèi)容:1.本體聚合 3.懸浮聚合

2.乳液聚合 4.溶液聚合 高分子聚合高分子聚合67二．材料的加工2.3.2合成與加工的主要內(nèi)容二．材料的加工傳統(tǒng)意義上，材料的加工范疇包括四個(gè)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、粘接注：從課程體系上分析，材料的切削應(yīng)在機(jī)械工程中重點(diǎn)討論。68三大類材料的成型技術(shù)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(lái)分析，則材料的成型方法可分為三種：１．液態(tài)成型２．塑變成型3.流變成型金屬的鑄造、溶液紡絲金屬的壓力加工金屬、陶瓷、高分子成型2.3.2合成與加工的主要內(nèi)容二．材料的加工材料的成型材料的成型69液態(tài)成型ABC液相區(qū)液固區(qū)固相區(qū)成分溫度AC鑄造BC半固態(tài)成型流變鑄造觸變鑄造研究的內(nèi)容：1.凝固過(guò)程2.成型工藝3.流變特性2.3.2合成與加工的主要內(nèi)容二．材料的加工材料的成型70塑變成型A高應(yīng)力低形變量實(shí)現(xiàn)加工硬化B應(yīng)變應(yīng)力冷加工熱加工AB低應(yīng)力大形變量實(shí)現(xiàn)超塑性變形2.3.2合成與加工的主要內(nèi)容二．材料的加工材料的成型712.3.2合成與加工的主要內(nèi)容二．材料的加工材料的成型流變成型金屬的半固態(tài)成型高分子材料的熔融成型陶瓷泥料、漿料成型玻璃的熔融澆注72目的：通過(guò)改變材料的成分、組織 與結(jié)構(gòu)來(lái)改變材料的性能。內(nèi)容:１.材料的“合金化” 2.材料的熱處理2.3.2合成與加工的主要內(nèi)容二．材料的加工材料的改性材料的改性73材料的“合金化”2.3.2合成與加工的主要內(nèi)容二．材料的加工材料的改性通過(guò)改變材料的成分，達(dá)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(yīng)用。成分溫度ABCαα+β金屬材料的合金化過(guò)程ABαα’固溶度變化改變性能ACαα+β相組成變化改變性能固溶度變化改變性能74材料的熱處理2.3.2合成與加工的主要內(nèi)容二．材料的加工材料的改性通過(guò)一定的加熱、保溫、冷卻工藝過(guò)程，來(lái)改變材料的相組成情況，達(dá)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(yīng)用。典型熱處理工藝淬火、退火、回火、正火752.3.2合成與加工的主要內(nèi)容二．材料的加工材料的改性時(shí)間溫度成分溫度vv0v>v0淬火工藝通過(guò)快速冷卻，獲得遠(yuǎn)離平衡態(tài)的不穩(wěn)定組織，達(dá)到強(qiáng)化材料的目的。76時(shí)間溫度淬火正火3.3.2合成與加工的主要內(nèi)容二．材料的加工材料的改性正火工藝在奧氏體狀態(tài)下，空氣或保護(hù)氣體冷卻獲得珠光體均勻組織，提高強(qiáng)度，改善韌性。772.3.2合成與加工的主要內(nèi)容二．材料的加工材料的改性時(shí)間溫度退火工藝通過(guò)緩慢冷卻，獲得接近平衡態(tài)的組織，達(dá)到均勻化、消除內(nèi)應(yīng)力的目的。782.3.2合成與加工的主要內(nèi)容二．材料的加工材料的改性時(shí)間溫度回火工藝淬火或正火的材料重新加熱。目的在于松懈淬火應(yīng)力和使組織向穩(wěn)態(tài)過(guò)度，改善材料的延展性和韌性，并穩(wěn)定工件的尺寸。79目的：實(shí)現(xiàn)材料間的整體結(jié)合內(nèi)容:1.焊接 3.鉚接 2.粘接 4.栓接3.3.2合成與加工的主要內(nèi)容二．材料的加工材料的聯(lián)接材料的聯(lián)接80三．材料表面工程2.3.2合成與加工的主要內(nèi)容三．材料表面工程表面改性表面防護(hù)薄膜技術(shù)813.3.2合成與加工的主要內(nèi)容三．材料表面工程表面改性----改變材料表面的性質(zhì)三束表面改性化學(xué)表面改性（化學(xué)熱處理）表面淬火表面改性82從工藝機(jī)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(shí)現(xiàn)材料的成分、組織與結(jié)構(gòu)的變化，達(dá)到改變材料表面性能的目的。不同點(diǎn)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。3.3.2合成與加工的主要內(nèi)容三．材料表面工程表面改性833.3.2合成與加工的主要內(nèi)容三．材料表面工程表面改性三束表面改性激光束---組織變化電子束---組織變化離子束---成分、組織變化細(xì)晶化均勻化非晶化金屬元素合金化843.3.2合成與加工的主要內(nèi)容三．材料表面工程表面改性離子束改性對(duì)表面應(yīng)力狀況的影響B(tài)C強(qiáng)度極限疲勞極限A---原始受力狀態(tài)B---改性受力狀態(tài)C---最終受力狀態(tài)AAB853.3.2合成與加工的主要內(nèi)容三．材料表面工程表面改性化學(xué)表面改性（化學(xué)熱處理）改變材料表面的化學(xué)成分---化學(xué)滲入成分溫度ABCαα+β心部濃度表面C+N+Me+C0863.3.2合成與加工的主要內(nèi)容三．材料表面工程表面防護(hù)表面淬火高頻淬火電磁能集膚電流表面熱能火焰淬火氣體化學(xué)反應(yīng)表面熱能熱處理組織改變性能改變87腐蝕防護(hù)摩擦磨損防護(hù)3.3.2合成與加工的主要內(nèi)容三．材料表面工程表面防護(hù)表面防護(hù)88腐蝕防護(hù)大氣腐蝕海水腐蝕工業(yè)介質(zhì)腐蝕3.3.2合成與加工的主要內(nèi)容三．材料表面工程表面防護(hù)89！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(wèn)題十分嚴(yán)重。因此，腐蝕防護(hù)非常重要。3.3.2合成與加工的主要內(nèi)容三．材料表面工程表面防護(hù)903.3.2合成與加工的主要內(nèi)容三．材料表面工程表面防護(hù)美國(guó)八個(gè)工業(yè)部門對(duì)材料性質(zhì)的需求情況91化學(xué)反應(yīng)-----腐蝕的原因3.3.2合成與加工的主要內(nèi)容三．材料表面工程表面防護(hù)主動(dòng)防護(hù)被動(dòng)防護(hù)合金化非晶化高純度表面涂鍍表面改性表面鈍化電化學(xué)保護(hù)抗蝕材料92摩擦磨損防護(hù)增加抗磨損性增加潤(rùn)滑性3.3.2合成與加工的主要內(nèi)容三．材料表面工程表面防護(hù)93薄膜技術(shù)有許多種薄膜技術(shù)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：物理氣相沉積PVD化學(xué)氣相沉積CVD3.3.2合成與加工的主要內(nèi)容三．材料表面工程薄膜技術(shù)94隨著材料科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，薄膜技術(shù)已不僅僅是材料改性的手段。更重要的是，現(xiàn)代薄膜技術(shù)在高新技術(shù)領(lǐng)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(lái)越重要的作用。3.3.2合成與加工的主要內(nèi)容三．材料表面工程薄膜技術(shù)95四．材料的復(fù)合3.3.2合成與加工的主要內(nèi)容四．材料的復(fù)合金屬基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料高分子復(fù)合材料963.3.2合成與加工的主要內(nèi)容四．材料的復(fù)合材料復(fù)合的主要目的就是依據(jù)不同材料性能的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、協(xié)調(diào)作用的原則，進(jìn)行材料的設(shè)計(jì)與制備。因此材料復(fù)合的過(guò)程就是材料制備、改性、加工的統(tǒng)一過(guò)程。復(fù)合材料的制備過(guò)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(xué)的發(fā)展，復(fù)合的概念越來(lái)越重要，出現(xiàn)了許多新型的復(fù)合材料及制備方法。973.3.2合成與加工的主要內(nèi)容

現(xiàn)代材料的合成與加工不僅涉及到微觀和宏觀范圍內(nèi)的內(nèi)容，同時(shí)也涉及到更微細(xì)化，甚至達(dá)到了原子尺度范圍上的問(wèn)題，因此，這里論述的合成與加工的內(nèi)涵要大于通常所說(shuō)的材料工程的內(nèi)涵。983.與其它要素的關(guān)系3.3.3與其它要素的關(guān)系從材料的產(chǎn)生到進(jìn)入使用過(guò)程，直至損耗，四大要素存在著邏輯上的因果順序，即：合成與加工結(jié)構(gòu)與成分材料性質(zhì)使用性能產(chǎn)生具備提供993.3.3與其它要素的關(guān)系100提拉法制取單晶硅3.3.3與其它要素的關(guān)系101大尺寸單晶硅3.3.3與其它要素的關(guān)系102α-相β-相生長(zhǎng)界面定向凝固共晶組織的生長(zhǎng)3.3.3與其它要素的關(guān)系103定向凝固共晶組織的渦輪葉片3.3.3與其它要素的關(guān)系104近終形技術(shù)制備的葉片3.3.3與其它要素的關(guān)系1053.3.4發(fā)展趨勢(shì)在極端化的條件下，完成合成與加工過(guò)程，獲得更多的功能特性。

例：超純條件------單晶硅晶片高壓條件------人工金剛石低溫條件------超導(dǎo)體超細(xì)條件------納米材料4.發(fā)展趨勢(shì)106我國(guó)與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家材料加工存在很大差距3.3.4發(fā)展趨勢(shì)107大尺寸、高均勻性、高完整性的晶體生長(zhǎng)技術(shù)；高精度晶片加工技術(shù)；MOCVD、MBE超薄膜生長(zhǎng)技術(shù)；高純和超高純材料純制技術(shù)；低維材料的微細(xì)加工和制備技術(shù)；高均勻超細(xì)粉體制備技術(shù)；電子陶瓷、磁性材料的焙燒和成型技術(shù)；材料的修飾或改性技術(shù)；電子材料合成與加工的關(guān)鍵技術(shù)3.3.2合成與加工的主要內(nèi)容108由此看出：我國(guó)在合成與加工方面同先進(jìn)國(guó)家的差距還很大，許多關(guān)鍵技術(shù)落后的根源都?xì)w到這里。因此提高材料合成與加工的技術(shù)水平是我們的最重要的課題。3.3.4發(fā)展趨勢(shì)109§3.4儀器與設(shè)備1.成分、結(jié)構(gòu)表征儀器2.材料性能的檢測(cè)儀器2.合成與加工過(guò)程中使用的設(shè)備3.過(guò)程控制的探測(cè)元件及裝置1101.成分結(jié)構(gòu)表征儀器

材料成分結(jié)構(gòu)的表征儀器是從事材料科學(xué)研究必備的手段，如同天文望遠(yuǎn)鏡將人類視野帶到了一個(gè)遙遠(yuǎn)的宇宙空間一樣，材料成分結(jié)構(gòu)表征儀器則將我們的觀察引進(jìn)一個(gè)更為絢麗多彩的微觀世界。111

隨著儀器能檢測(cè)到的下限值不斷減小，材料研究者所獲取的信息也在不斷增多，對(duì)材料本質(zhì)的認(rèn)識(shí)也在不斷加深。 材料科學(xué)研究使用的儀器、設(shè)備的精密程度代表了一個(gè)國(guó)家的綜合科技水平。112113114115116磷錫青銅鑄造組織105倍117掃描電鏡像----AlN纖維形貌118掃描電鏡像----六方AlN晶體形貌119β-Si3N4β-Si3N45nm無(wú)壓燒結(jié)Si3N4材料---透射電鏡像：原子排列面120場(chǎng)離子顯微鏡像----S3N4晶須形貌121掃描隧道顯微鏡像----方鋁礦（100）解理面PbS122掃描隧道顯微鏡123激光拉曼光譜儀124電子能譜儀125超導(dǎo)核磁共振儀126高分辨電子顯微鏡127多功能核磁共振波譜儀128電子順磁共振波譜儀129色譜--質(zhì)譜聯(lián)用儀130原子探針場(chǎng)離子顯微鏡131電子能譜132掃描隧道顯微鏡雙準(zhǔn)直離子散射儀高分辨率電子損耗光譜儀角分辨光電子能譜儀俄歇能譜儀低能電子衍射儀低能電子顯微鏡自旋極化測(cè)量場(chǎng)離子顯微鏡原子探針材料表面科學(xué)中使用的儀器133

材料性能的測(cè)定儀器是將性能的三要素（外界環(huán)境、表現(xiàn)行為、表征參量）融合在一個(gè)系統(tǒng)中完成，即，由儀器輸入或模擬一個(gè)使用環(huán)境（條件），使受測(cè)材料發(fā)生響應(yīng)（結(jié)果），然后儀器再將響應(yīng)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)表現(xiàn)出來(lái)（數(shù)值）。2.材料性能的測(cè)定儀器134有許許多多種材料的力學(xué)、物理、化學(xué)單項(xiàng)性能，每種性能都分別對(duì)應(yīng)了相應(yīng)的測(cè)定方法和儀器。這些儀器構(gòu)成了一個(gè)龐大的材料性能測(cè)定儀器家族。135多功能內(nèi)耗儀136六聯(lián)旋轉(zhuǎn)高溫陶瓷夾具137疲勞內(nèi)耗超聲衰減儀138蠕變--疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)139陶瓷材料高溫蠕變實(shí)驗(yàn)機(jī)140陶瓷高溫疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)141

材料合成與加工過(guò)程是在一個(gè)限定的空間，在給定的條件下進(jìn)行的。用以滿足空間需求和提供外加條件的各種裝置或部件的組合就構(gòu)成了材料合成與加工設(shè)備的主體。同時(shí)，設(shè)備中還包含了關(guān)鍵的控制系統(tǒng)。3.合成與加工設(shè)備142空間條件： 各類反應(yīng)容器、坩堝、熔煉爐外力條件： 氣壓、液壓、機(jī)械壓制、沖擊力（波）介質(zhì)環(huán)境： 真空設(shè)備、不同的氣氛條件能量供給： 電力系統(tǒng)、加熱裝置、輻照裝置、激光發(fā)生器物質(zhì)輸送： 氣、液管路、機(jī)械進(jìn)給裝置143雙低能離子束薄膜沉積設(shè)備144納米材料制備設(shè)備145超凈工作室146單晶爐147單晶硅爐148冷等靜壓機(jī)149噴霧制粉設(shè)備1504.過(guò)程控制的探測(cè)元件和裝置傳感器是控制系統(tǒng)“感知”加工過(guò)程的“器官”。傳感器從過(guò)程中獲得的信號(hào)主要包括：聲、光、電、磁、熱、壓力、流速、濃度，等151用于傳感器的無(wú)機(jī)非金屬敏感材料152§2.5分析與建模（材料設(shè)計(jì)）1.引言2.材料設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容3.材料設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)1531.引言

隨著材料科學(xué)的飛速發(fā)展，新型材料不斷涌現(xiàn)，與此同時(shí)，人類社會(huì)的整體科技水平也在不斷的提高，因此對(duì)材料科學(xué)又提出了更高的要求。 傳統(tǒng)“炒菜式”的材料研制方法已不能滿足人們的要求?！安牧显O(shè)計(jì)”應(yīng)運(yùn)而生。154核心問(wèn)題：

用什么樣的配方，什么樣的合成加工條件，來(lái)獲取具有什么樣的成分、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的材料。155“材料設(shè)計(jì)”構(gòu)想始于50年代，80年代后實(shí)現(xiàn)“材料設(shè)計(jì)”的條件漸趨成熟。表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：1）基礎(chǔ)理論的形成和發(fā)展量子力學(xué)，統(tǒng)計(jì)力學(xué)，能帶理論，化學(xué)鍵理論等理論科學(xué)的發(fā)展使人們對(duì)材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的關(guān)系有了系統(tǒng)的了解；1562）計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展計(jì)算機(jī)高速運(yùn)算，模式識(shí)別，數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展，為材料設(shè)計(jì)與過(guò)程仿真的實(shí)施提供了手段；3）合成與加工新技術(shù)的涌現(xiàn)各種新型材料合成加工技術(shù)為材料設(shè)計(jì)方案的實(shí)施提供了條件，同時(shí)材料智能加工又為合成加工的優(yōu)化開(kāi)辟了新方向。157材料設(shè)計(jì)貫穿于材料“四要素”的各個(gè)方面，即：2.材料設(shè)計(jì)的內(nèi)容成分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性質(zhì)性能預(yù)測(cè)合成加工過(guò)程的控制與優(yōu)化158將性質(zhì)截然不同的材料在原子、分子水平上均勻混合，形成原子、分子層次的復(fù)合材料例如：高分子聚乙烯和難熔重金屬鎢的雜化材料微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例1：雜化材料159同傳統(tǒng)復(fù)合材料的區(qū)別：復(fù)合材料 不同的組成相復(fù)合雜化材料 不同的組成原子（分子）復(fù)合同固溶體的區(qū)別：固溶體 熱力學(xué)平衡體系雜化材料 熱力學(xué)非平衡體系160通過(guò)對(duì)原子排列的計(jì)算，可以了解到晶體材料的晶體學(xué)結(jié)構(gòu)。案例2：晶體結(jié)構(gòu)計(jì)算161準(zhǔn)晶照片162計(jì)算的剖面圖163164金屬間化合物：處于相圖中間的除固溶體以外的合金相。許多金屬間化合物都是重要的功能材料，如：儲(chǔ)氫材料，超導(dǎo)材料，磁性材料，高溫結(jié)構(gòu)材料，磁滯伸縮材料等。案例3：金屬間化合物預(yù)報(bào)1651969年前已知預(yù)報(bào)可能存在CaCu5型化合物的預(yù)報(bào)名單166案例4：超晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)超晶格結(jié)構(gòu)：通過(guò)外延生長(zhǎng)的方法，使兩種材料以極薄的薄膜方式交替疊合，從而沿生長(zhǎng)方向在原晶格常數(shù)為a（幾個(gè)埃）的晶格勢(shì)場(chǎng)上，引入了一個(gè)周期為d（100埃數(shù)量級(jí)）的一維周期勢(shì)，這種一維周期勢(shì)結(jié)構(gòu)就稱為超晶格結(jié)構(gòu)。167168超晶格結(jié)構(gòu)使原來(lái)的能帶分裂為一系列微小能帶，可使電子能夠在這些微能帶間發(fā)生躍遷，從而導(dǎo)致各種新的物理現(xiàn)象產(chǎn)生。如：量子尺寸效應(yīng)、室溫激子非線性光子效應(yīng)、遷移率增強(qiáng)效應(yīng)、量子霍耳效應(yīng)、共振隧穿效應(yīng)。169 利用超晶格結(jié)構(gòu)的概念，在原子尺度上進(jìn)行材料的組份及結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)，改變材料的能帶結(jié)構(gòu)，采用先進(jìn)的制備方法，人工合成各式奇特物理性質(zhì)的新材料和新器件。——能帶工程170制備方法：

分子束外延（MBE） 金屬有機(jī)化合物化學(xué) 氣相沉積（MOCVD） 化學(xué)束外延（CBE） 原子層外延（ALE）171雙生長(zhǎng)空的MBE設(shè)備，用于半導(dǎo)體超晶格結(jié)構(gòu)材料和器件的研制172分子束外延設(shè)備MBE173全自動(dòng)MOCVD設(shè)備174應(yīng)用領(lǐng)域光計(jì)算機(jī)器件（自電光效應(yīng)器件SEED）遠(yuǎn)紅外探測(cè)器量子霍耳電阻，作為電阻自然基準(zhǔn)超高速電子器件175重要的四個(gè)材料設(shè)計(jì)領(lǐng)域連續(xù)介質(zhì)的材料設(shè)計(jì)各種物理場(chǎng)的數(shù)值模擬合金的微觀組織形成斷裂力學(xué)分析復(fù)合材料的界面梯度設(shè)計(jì)1761.模擬熱傳導(dǎo)過(guò)程2.模擬應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)3.模擬物質(zhì)擴(kuò)散過(guò)程4.模擬流體傳輸過(guò)程5.模擬電磁場(chǎng)分布規(guī)律各種物理場(chǎng)的數(shù)值模擬177合金顯微組織的形成建模在合金凝固過(guò)程中的重要作用。特別是對(duì)于大型或特大型鑄件，為保證澆注過(guò)程的一次成功和避免經(jīng)濟(jì)損失，進(jìn)行全過(guò)程的計(jì)算機(jī)仿真是極其必要的。178共晶組織179α-相β-相生長(zhǎng)界面定向凝固共晶組織的生長(zhǎng)----材料設(shè)計(jì)180

不同加工條件下獲得的組織，將表現(xiàn)出不同的材料性能。這些加工條件包括許多因素，如：成分、溫度梯度及方向、重力、振動(dòng)、雜質(zhì)元素、雜質(zhì)相、液固界面等。將這些因素的物理表征參量包括在一個(gè)數(shù)學(xué)模型中，即模型建立，通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算及對(duì)結(jié)果的計(jì)算機(jī)仿真，就可以了解到合金凝固過(guò)程及凝固的組織特征。181

材料中裂紋的形成和擴(kuò)展的研究是微觀斷裂力學(xué)的核心問(wèn)題。斷裂的分析182陶瓷纖維增韌的設(shè)計(jì)方案----對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響（物理模型）裂紋走向張應(yīng)力壓應(yīng)力183裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，裂紋、纖維（