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第一章 緒論---第1節(jié) 材料科學(xué)與工程概述(1)


1.1.1材料科學(xué)的內(nèi)涵

     材料科學(xué)就是從事對(duì)材料本質(zhì)的發(fā)現(xiàn)、分析認(rèn)識(shí)、設(shè)計(jì)及控制等方面研究的一門(mén)科學(xué)。其目的在于揭示材料的行為，給予材料結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一描繪或建立模型，以及解釋結(jié)構(gòu)與性能之間的內(nèi)在關(guān)系。材料科學(xué)的內(nèi)涵可以認(rèn)為是由五大要素組成，他們之間的關(guān)聯(lián)可以用一個(gè)多面體來(lái)描述（圖1-1）。其中使用效能是材料性能在工作狀態(tài)（受力、氣氛、溫度）下的表現(xiàn)，材料性能可以視為材料的固有性能，而使用效能則隨工作環(huán)境不同而異，但它與材料的固有性能密切相關(guān)。理論及材料與工藝設(shè)計(jì)位于多面體的中心，它直接和其它5個(gè)要素相連，表明它在材料科學(xué)中的特殊地位。
     材料科學(xué)的核心內(nèi)容是結(jié)構(gòu)與性能。為了深入理解和有效控制性能和結(jié)構(gòu)，人們常常需要了解各種過(guò)程的現(xiàn)象，如屈服過(guò)程、斷裂過(guò)程、導(dǎo)電過(guò)程、磁化過(guò)程、相變過(guò)程等。材料中各種結(jié)構(gòu)的形成都涉及能量的變化，因此外界條件的改變也將會(huì)引起結(jié)構(gòu)的改變，從而導(dǎo)致性能的改變。因此可以說(shuō)，過(guò)程是理解性能和結(jié)構(gòu)的重要環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)是深入理解性能的核心，外界條件控制著結(jié)構(gòu)的形成和過(guò)程的進(jìn)行。
     材料的性能是由材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的，材料的結(jié)構(gòu)反映了材料的組成基元及其排列和運(yùn)動(dòng)的方式。材料的組成基元一般為原子、離子和分子等，材料的排列方式在很大程度上受組元間結(jié)合類(lèi)型的影響，如金屬鍵、離子鍵、共價(jià)鍵、分子鍵等。組元在結(jié)構(gòu)中不是靜止不動(dòng)的，是在不斷的運(yùn)動(dòng)中，如電子的運(yùn)動(dòng)、原子的熱運(yùn)動(dòng)等。描述材料的結(jié)構(gòu)可以有不同層次，包括原子結(jié)構(gòu)、原子的排列、相結(jié)構(gòu)、顯微結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)缺陷等，每個(gè)層次的結(jié)構(gòu)特征都以不同的方式?jīng)Q定著材料的性能。
      物質(zhì)結(jié)構(gòu)是理解和控制性能的中心環(huán)節(jié)。組成材料的原子結(jié)構(gòu)，電子圍繞著原子核的運(yùn)動(dòng)情況對(duì)材料的物理性能有重要影響，尤其是電子結(jié)構(gòu)會(huì)影響原子的鍵合，使材料表現(xiàn)出金屬、無(wú)機(jī)非金屬或高分子的固有屬性。金屬、無(wú)機(jī)非金屬和某些高分子材料在空間均具有規(guī)則的原子排列，或者說(shuō)具有晶體的格子構(gòu)造。晶體結(jié)構(gòu)會(huì)影響到材料的諸多物理性能，如強(qiáng)度、塑性、韌性等。石墨和金剛石都是由碳原子組成，但二者原子排列方式不同，導(dǎo)致強(qiáng)度、硬度及其它物理性能差別明顯。當(dāng)材料處于非晶態(tài)時(shí)，與晶體材料相比，性能差別也很大，如玻璃態(tài)的聚乙烯是透明的，而晶態(tài)的聚乙烯是半透明的。又如某些非晶態(tài)金屬比晶態(tài)金屬具有更高的強(qiáng)度和耐蝕性能。此外，在晶體材料中存在的某些排列的不完整性，即存在結(jié)構(gòu)缺陷，也對(duì)材料性能產(chǎn)生重要影響。
    我們?cè)谘芯烤w結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系時(shí)，除考慮其內(nèi)部原子排列的規(guī)則性，還需要考慮其尺寸的效應(yīng)。從聚集的角度看，三維方向尺寸都很大的材料稱(chēng)為塊體材料，在一維、二維或三維方向上尺寸變小的材料叫做低維材料。低維材料可能具有塊體材料所不具備的性質(zhì)，如零維的納米粒子(尺寸小于100nm)具有很強(qiáng)的表面效應(yīng)、尺寸效應(yīng)和量子效應(yīng)等，使其具有獨(dú)特的物理、化學(xué)性能。納米金屬顆粒是電的絕緣體和吸光的黑體。以納米微粒組成的陶瓷具有很高的韌性和超塑性。納米金屬鋁的硬度為普通鋁的8倍。具有高強(qiáng)度特征的一維材料的有機(jī)纖維、光導(dǎo)纖維，作為二維材料的金剛石薄膜、超導(dǎo)薄膜等都具有特殊的物理性能。


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