1、材料物理化學(xué),沈陽建筑大學(xué)材料學(xué)院,王 晴,緒論 INTRODUCTION,什么是材料? 材料與人類文明 什么是材料科學(xué)？ 0.1 材料分類 0.2 組成-結(jié)構(gòu)-性質(zhì)-工藝過程之間的關(guān)系,什么是材料?,世界萬物，凡于我有用者，皆謂之材料。材料是具有一定性能，可以用來制作器件、構(gòu)件、工具、裝置等物品的物質(zhì)。材料存在于我們的周圍，與我們的生活、我們的生命息息相關(guān)。材料是人類文明、社會進(jìn)步、科技發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。,材料與人類文明,材料是人類文明、社會進(jìn)步、科學(xué)技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)先導(dǎo)。在歷史上，人們將石器、青銅器、鐵器等當(dāng)時(shí)的主導(dǎo)材料作為時(shí)代的標(biāo)志，稱其為石器時(shí)代、青銅器時(shí)代和鐵器時(shí)代。在近代，材

2、料的種類及其繁多，各種新材料不斷涌現(xiàn)，很難用一種材料來代表當(dāng)今時(shí)代的特征。,第一次產(chǎn)業(yè)革命的突破口是推廣應(yīng)用蒸汽機(jī) ，但只有在開發(fā)了鐵和銅等新材料以后，蒸汽機(jī)才得以使用并逐步推廣。 第二次產(chǎn)業(yè)革命一直延續(xù)到20世紀(jì)中葉，以石油開發(fā)和新能源廣泛使用為突破口，大力發(fā)展飛機(jī)、汽車和其他工業(yè)，支持這個(gè)時(shí)期產(chǎn)業(yè)革命的仍然是新材料開發(fā)。如合金鋼、鋁合金以及各種非金屬材料的發(fā)展。,材料是當(dāng)代文明的三大支柱之一 材料、能源、信息是當(dāng)代社會文明和國民經(jīng)濟(jì)的三大支柱，是人類社會進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)先導(dǎo)。 材料是全球新技術(shù)革命的四大標(biāo)志之一（新材料技術(shù)、新能源技術(shù)、信息技術(shù)、生物技術(shù)）。,什么是材料科

3、學(xué)？,材料科學(xué)是一門以固體材料為研究對象，以固體物理、熱力學(xué)、動力學(xué)、量子力學(xué)、冶金、化工為理論基礎(chǔ)的邊緣交叉基礎(chǔ)應(yīng)用學(xué)科，它運(yùn)用電子顯微鏡、X-射線衍射、熱譜、電子離子探針等各種精密儀器和技術(shù)，探討材料的組成、結(jié)構(gòu)、制備工藝和加工使用過程與其機(jī)械、物理、化學(xué)性能之間的規(guī)律的一門基礎(chǔ)應(yīng)用學(xué)科，是研究材料共性的一門學(xué)科。,材料科學(xué)基礎(chǔ)課程的教學(xué)內(nèi)容,材料科學(xué)基礎(chǔ)課程是材料科學(xué)與工程專業(yè)的重要的學(xué)科基礎(chǔ)課之一，主要介紹材料科學(xué)中的共性規(guī)律，即材料的組成-形成（工藝）條件-結(jié)構(gòu)-性能-材料用途之間相互關(guān)系及制約規(guī)律。內(nèi)容主要包括：材料種類、晶體結(jié)構(gòu)、缺陷化學(xué)、非晶體結(jié)構(gòu)、材料的表面與界面、相圖、擴(kuò)散

4、、相變、固相反應(yīng)及燒結(jié)等基礎(chǔ)知識。,0.1 材料分類,0.1.1 材料按化學(xué)組成（或基本組成）分類 0.1.2 根據(jù)材料的性能分類 0.1.3 材料按服役的領(lǐng)域來分類 0.1.4 材料按結(jié)晶狀態(tài)分類 0.1.5 材料按材料的尺寸分類,按物理性質(zhì)可分為：導(dǎo)電材料、絕緣材料、半導(dǎo)體材料、磁性材料、透光材料、高強(qiáng)度材料、高溫材料、超硬材料等。 按物理效應(yīng)分為：壓電材料、熱電材料、鐵電材料、非線性光學(xué)材料、磁光材料、電光材料、聲光材料、激光材料等。 按用途分為：電子材料、電工材料、光學(xué)材料、感光材料、耐酸材料、研磨材料、耐火材料、建筑材料、結(jié)構(gòu)材料、包裝材料等。,0.1.1 按化學(xué)組成（或基本組成）分

5、類,1. 金屬材料 2. 無機(jī)非金屬材料 3. 高分子材料（聚合物） 4. 復(fù)合材料,1.金屬材料,金屬材料是由化學(xué)元素周期表中的金屬元素組成的材料?？煞譃橛梢环N金屬元素構(gòu)成的單質(zhì)（純金屬）；由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素構(gòu)成的合金。合金又可分為固溶體和金屬間化合物。,2. 無機(jī)非金屬材料,無機(jī)非金屬材料是由硅酸鹽、鋁酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽、鍺酸鹽等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、鹵化物等原料經(jīng)一定的工藝制備而成的材料。是除金屬材料、高分子材料以外所有材料的總稱。它與廣義的陶瓷材料有等同的含義。無機(jī)非金屬材料種類繁多，用途各異，目前還沒有統(tǒng)一完善的分類方

6、法。一般將其分為傳統(tǒng)的（普通的）和新型的（先進(jìn)的）無機(jī)非金屬材料兩大類。,傳統(tǒng)的無機(jī)非金屬材料主要是指由SiO2及其硅酸鹽化合物為主要成分制成的材料，包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。此外，搪瓷、磨料、鑄石（輝綠巖、玄武巖等）、碳素材料、非金屬礦（石棉、云母、大理石等）也屬于傳統(tǒng)的無機(jī)非金屬材料。,先進(jìn)（或新型）無機(jī)非金屬材料是用氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以及各種無機(jī)非金屬化合物經(jīng)特殊的先進(jìn)工藝制成的材料。主要包括先進(jìn)陶瓷、非晶態(tài)材料、人工晶體、無機(jī)涂層、無機(jī)纖維等。,傳統(tǒng)的無機(jī)非金屬材料之一：陶瓷,陶瓷按其概念和用途不同，可分為兩大類，即普通陶瓷和特種陶瓷。 根據(jù)陶瓷坯體

7、結(jié)構(gòu)及其基本物理性能的差異，陶瓷制品可分為陶器和瓷器。,普通陶瓷即傳統(tǒng)陶瓷，是指以粘土為主要原料與其它天然礦物原料經(jīng)過粉碎混練、成型、煅燒等過程而制成的各種制品。包括日用陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、電瓷以及其它工業(yè)用陶瓷。,特種陶瓷是用于各種現(xiàn)代工業(yè)及尖端科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的陶瓷制品。包括結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷。結(jié)構(gòu)陶瓷主要用于耐磨損、高強(qiáng)度、耐高溫、耐熱沖擊、硬質(zhì)、高剛性、低膨脹、隔熱等場所。功能陶瓷主要包括電磁功能、光學(xué)功能、生物功能、核功能及其它功能的陶瓷材料。,常見高溫結(jié)構(gòu)陶瓷包括：高熔點(diǎn)氧化物、碳化物、硼化物、氮化物、硅化物。 功能陶瓷包括:裝置瓷（即電絕緣瓷）、電容器陶瓷、壓電陶瓷、

8、磁性陶瓷（又稱為鐵氧體）、導(dǎo)電陶瓷、超導(dǎo)陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷（又稱為敏感陶瓷）、熱學(xué)功能陶瓷（熱釋電陶瓷、導(dǎo)熱陶瓷、低膨脹陶瓷、紅外輻射陶瓷等）、化學(xué)功能陶瓷（多孔陶瓷載體等）、生物功能陶瓷等。,根據(jù)陶瓷坯體結(jié)構(gòu)及其基本物理性能的差異，陶瓷制品可分為陶器和瓷器。陶器包括粗陶器、普陶器和細(xì)陶器。陶器的坯體結(jié)構(gòu)較疏松，致密度較低，有一定吸水率，斷口粗糙無光，沒有半透明性，斷面成面狀或貝殼狀。,傳統(tǒng)的無機(jī)非金屬材料之二：玻璃,玻璃是由熔體過冷所制得的非晶態(tài)材料。根據(jù)其形成網(wǎng)絡(luò)的組分不同可分為硅酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃等，其網(wǎng)絡(luò)形成劑分為SiO2、B2O3和P2O5。習(xí)慣上玻璃態(tài)材料可分為普通玻璃

9、和特種玻璃兩大類。 普通玻璃是指采用天然原料，能夠大規(guī)模生產(chǎn)的玻璃。普通玻璃包括日用玻璃、建筑玻璃、微晶玻璃、光學(xué)玻璃和玻璃纖維等。,特種玻璃（亦稱為新型玻璃）是指采用精制、高純或新型原料，通過新工藝在特殊條件下或嚴(yán)格控制形成過程制成的一些具有特殊功能或特殊用途的玻璃。 特種玻璃包括SiO2含量在85%以上或55%以下的硅酸鹽玻璃、非硅酸鹽氧化物玻璃（硼酸鹽、磷酸鹽、鍺酸鹽、碲酸鹽、鋁酸鹽及氧氮玻璃、氧碳玻璃等）、非氧化物玻璃（鹵化物、氮化物、硫化物、硫鹵化物、金屬玻璃等）以及光學(xué)纖維等。 根據(jù)用途不同，特種玻璃分為防輻射玻璃、激光玻璃、生物玻璃、多孔玻璃、非線性光學(xué)玻璃和光纖玻璃等。,傳統(tǒng)的

10、無機(jī)非金屬材料之三：水泥,水泥是指加入適量水后可成塑性漿體，既能在空氣中硬化又能在水中硬化，并能夠?qū)⑸?、石等材料牢固地膠結(jié)在一起的細(xì)粉狀水硬性材料。,水泥的種類很多，按其用途和性能可分為：通用水泥、專用水泥和特性水泥三大類；按其所含的主要水硬性礦物，水泥又可分為硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、氟鋁酸鹽水泥以及以工業(yè)廢渣和地方材料為主要組分的水泥。目前水泥品種已達(dá)一百多種。,通用水泥為大量土木工程所使用的一般用途的水泥，如硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥和復(fù)合硅酸鹽水泥等。 專用水泥指有專門用途的水泥，如油井水泥、砌筑水泥等。 特性水泥則是某

11、種性能比較突出的一類水泥，如快硬硅酸鹽水泥、抗硫酸鹽硅酸鹽水泥、中熱硅酸鹽水泥、膨脹硫鋁酸鹽水泥、自應(yīng)力鋁酸鹽水泥等。,傳統(tǒng)的無機(jī)非金屬材料之四：耐火材料,耐火材料是指耐火度不低于1580的無機(jī)非金屬材料。它是為高溫技術(shù)服務(wù)的基礎(chǔ)材料。盡管各國對其定義不同，但基本含義是相同的，即耐火材料是用作高溫窯爐等熱工設(shè)備的結(jié)構(gòu)材料，以及用作工業(yè)高溫容器和部件的材料，并能承受相應(yīng)的物理化學(xué)變化及機(jī)械作用。 大部分耐火材料是以天然礦石（如耐火粘土、硅石、菱鎂礦、白云母等）為原料制造的。,3. 有機(jī)高分子材料（高聚物）,高聚物是由一種或幾種簡單低分子化合物經(jīng)聚合而組成的分子量很大的化合物。高聚物的種類繁多，性

12、能各異，其分類的方法多種多樣。按高分子材料來源分為天然高分子材料和合成高分子材料；按材料的性能和用途可將高聚物分為橡膠、纖維、塑料和膠粘劑等。,4. 復(fù)合材料,復(fù)合材料是由兩種或兩種以上化學(xué)性質(zhì)或組織結(jié)構(gòu)不同的材料組合而成。復(fù)合材料是多相材料，主要包括基本相和增強(qiáng)相。基體相是一種連續(xù)相材料，它把改善性能的增強(qiáng)相材料固結(jié)成一體，并起傳遞應(yīng)力的作用；增強(qiáng)相起承受應(yīng)力（結(jié)構(gòu)復(fù)合材料）和顯示功能（功能復(fù)合材料）的作用。復(fù)合材料既能保持原組成材料的重要特色，又通過復(fù)合效應(yīng)使各組分的性能互相補(bǔ)充，獲得原組分不具備的許多優(yōu)良性能。,復(fù)合材料的種類繁多，目前還沒有統(tǒng)一的分類方法，下面根據(jù)復(fù)合材料的三要素來分類

13、。按基體材料分類，有金屬基復(fù)合材料，陶瓷基復(fù)合材料，水泥、混凝土基復(fù)合材料，塑料基復(fù)合材料，橡膠基復(fù)合材料等；按增強(qiáng)劑形狀可分為粒子、纖維及層狀復(fù)合材料；依據(jù)復(fù)合材料的性能可分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料。,0.1.2 根據(jù)材料的性能分類,根據(jù)材料在外場作用下其性質(zhì)或性能對外場的響應(yīng)不同，材料可分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料。,結(jié)構(gòu)材料是指具有抵抗外場作用而保持自己的形狀、結(jié)構(gòu)不變的優(yōu)良力學(xué)性能（強(qiáng)度和韌性等），用于結(jié)構(gòu)目的的材料。這種材料通常用來制造工具、機(jī)械、車輛和修建房屋、橋梁、鐵路等。是人們熟悉的機(jī)械制造材料、建筑材料，包括結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、鑄鐵、普通陶瓷、耐火材料、工程塑料等傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料（一

14、般結(jié)構(gòu)材料）以及高溫合金、結(jié)構(gòu)陶瓷等高級結(jié)構(gòu)材料。,功能材料是具有優(yōu)良的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)功能及其相互轉(zhuǎn)化的功能，被用于非結(jié)構(gòu)目的的高技術(shù)材料。,0.1.3 材料按服役的領(lǐng)域來分類,根據(jù)材料服役的技術(shù)領(lǐng)域可分為信息材料、航空航天材料、能源材料、生物醫(yī)用材料等。,0.1.4 材料按結(jié)晶狀態(tài)分類,單晶材料是由一個(gè)比較完整的晶粒構(gòu)成的材料，如單晶纖維、單晶硅； 多晶材料是由許多晶粒組成的材料，其性能與晶粒大小、晶界的性質(zhì)有密切的關(guān)系。 非晶態(tài)材料是由原子或分子排列無明顯規(guī)律的固體材料，如玻璃、高分子材料。,0.1.5 按材料的尺寸分類,材料按材料的尺寸可分為零維材料、一

15、維材料、二維材料、三維材料。,零維材料即超微粒子，通過Sol-gel法、多相沉積或激光等方法，可以制備出亞微米級的陶瓷或金屬粉末，大小1100nm的超微粒比表面積大（可作為高效催化劑）、比表面能高、熔點(diǎn)低、燒結(jié)溫度下降、擴(kuò)散速度快、強(qiáng)度高而塑性下降慢、電子態(tài)由連續(xù)能帶變?yōu)椴贿B續(xù)、光吸收也發(fā)生異?，F(xiàn)象（可以成為高效微波吸收材料）。,一維材料，如光導(dǎo)纖維由于其信息傳輸量遠(yuǎn)比銅、鉛的同軸電纜大，而且光纖有很強(qiáng)的保密性，所以發(fā)展很快。再比如脆性塊狀材料在變成細(xì)絲后便增加了韌性，可以用來增強(qiáng)其它的塊狀。實(shí)用纖維為碳纖維、硼纖維、陶瓷纖維。纖維中強(qiáng)度和剛度最高的要算晶須。,二維材料（薄膜），如金剛石薄膜、

16、高溫超導(dǎo)薄膜、半導(dǎo)體薄膜。由于薄膜的電子所處狀態(tài)和外界環(huán)境的影響，可表現(xiàn)出不同的電子遷移規(guī)律，完成特定的電學(xué)、光學(xué)或電子學(xué)功能，如成為絕緣體、鐵電體、導(dǎo)體或半導(dǎo)體等，從而有可能作為光學(xué)薄膜用于非線性光學(xué)、光開關(guān)、放大或調(diào)幅、敏感與傳感元件，用于顯示或探測器，用于環(huán)保或表面改性的保護(hù)膜。 三維材料即塊狀材料。,圖 組成-結(jié)構(gòu)-性質(zhì)-工藝過程之間關(guān)系示意圖,0.2 組成-結(jié)構(gòu)-性質(zhì)-工藝過程之間的關(guān)系,材料的性質(zhì)是指材料對電、磁、光、熱、機(jī)械載荷的反應(yīng)，主要決定于材料的組成與結(jié)構(gòu)。 使用效能是材料在使用狀態(tài)下表現(xiàn)的行為，它與材料設(shè)計(jì)、工程環(huán)境密切相關(guān)。實(shí)用性能包括可靠性、耐用性、壽命預(yù)測及延壽措施

17、等。 合成與制備過程包括傳統(tǒng)的冶煉、鑄錠、制粉、壓力加工、焊接等，也包括新發(fā)展的真空濺射、氣相沉積等新工藝，使人工合成材料如超晶格、薄膜材料成為可能。,材料科學(xué)與工程,科學(xué)方面 偏重于研究材料的合成與制備、組成與結(jié)構(gòu)、性能與使用效能各組員本身及其相互間關(guān)系的規(guī)律；,工程方面 著重與研究如何利用這些規(guī)律性的研究成果 以新的或更有效的方式開發(fā)并生產(chǎn)出材料， 提高材料的使用效能，以滿足社會的需要。,工程研究中還應(yīng)包括 材料制備與表征所需的儀器、設(shè)備的設(shè)計(jì)與制造。 在材料科學(xué)與工程的發(fā)展中，科學(xué)與工程彼此密切結(jié)合，構(gòu)成一個(gè)學(xué)科整體。,合成與制備 合成指促使原子、分子結(jié)合而構(gòu)成材料的化學(xué)與物理過程。合成

18、的研究既包括有關(guān)尋找新合成方法的科學(xué)問題，也包括以適當(dāng)?shù)臄?shù)量和形態(tài)合成材料的技術(shù)問題；既包括新材料的合成，也應(yīng)包括已有材料的新合成方法（如溶膠-凝膠法）及其新形態(tài)（如纖維、薄膜）的合成。,制備研究如何控制原子與分子使之構(gòu)成有用的材料。這一點(diǎn)是與合成相同的，但制備還包括在更為宏觀的尺度上或以更大的規(guī)模控制材料的結(jié)構(gòu)，使之具備所需的性能和適用效能， 即包括材料的加工、處理、裝配和制造。 簡而言之，合成與制備就是將原子、分子聚合起來并最終轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏卯a(chǎn)品的一系列連續(xù)過程。,把合成制備簡單的與工藝等同起來而忽略其基礎(chǔ)研究的科學(xué)內(nèi)涵，是不恰當(dāng)?shù)模?在合成與制備中工程性的研究固然重要，基礎(chǔ)研究也不應(yīng)忽視。對材料合成與制備的動力學(xué)過程的研究可以揭示過程的本質(zhì)，為改進(jìn)制備方法建立新的制備技術(shù)提供科學(xué)基礎(chǔ)。 以晶體材料為例在晶體生產(chǎn)中如果不了解原料合成與生產(chǎn)各階段發(fā)生的物理化學(xué)過程、熱量與質(zhì)量的傳輸、固液界面的變化和缺陷的生成以及環(huán)境參數(shù)對這些過程的影響，就不可能建立并掌握生長參數(shù)優(yōu)化的制備方法，生長出具有所需組成、完整性、均勻性和物理性的晶體材料。,以陶瓷材料為例 陶瓷材料的最嚴(yán)重的問題是可靠性差，原因是制備過程落后以致材料的微結(jié)構(gòu)和特性缺少均勻性和重復(fù)性。研究結(jié)果已表明，若粉料在材料制備中發(fā)生團(tuán)聚，則材料難免出現(xiàn)分布不均勻的氣孔從而導(dǎo)致性能不均