材料科学基础j精品课清华大学

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课程介绍

通过学习材料的各种物理性能，使学生掌握以下内容：各种材料性能的各类本征参数的物理意义和单位以及这些参数在解决实际问题中所处的地位；弄清各材料性能和材料的组成、结构和构造之间的关系；掌握这些性能参数的物质规律，从而为判断材料优劣、正确选择和使用材料、改变材料性能、探索新材料、新性能、新工艺打下理论基础；为全面掌握材料的结构，对材料的原料和工艺也应有所认识，以取得分析性能的正确依据。

一、材料性能的定义

　　材料性能是一种用于表征材料在给定的外界条件下的行为参量。有多少行为，就对应有多少性能。例如：外力作用下的拉伸行为的载荷－位移曲线或应力-应变曲线，采用屈服，缩颈、断裂等行为判据，便别离有屈服强度、抗拉强度、断裂强度等力学性能。用表征材料在外磁场作用下磁化及退磁行为的磁滞回线，采用不同的行为判据，便别离有矫顽力、剩余磁感、贮藏的磁能等磁学性能。外界条件不同，相同的材料也会有不同的性能。断裂强度的临界条件是断裂，不少的外界条件可以影响断裂行为，温度升高到熔点的40~50%以上─蠕变断裂强度，反复的交变载荷─疲劳断裂强度，特定的化学介质─腐蚀断裂强度。

　　二、材料性能的外延与划分

　　材料性能的划分只是为了学习和研究的便利。各种性能间既有区别，又有联系。复杂性能就是不同简单性能的组合。消振性，对于高振动的器件(如汽轮机的叶片)是一个重要的力学性能，但对琴丝、大钟，除了力学性能外还涉及到悦耳的声学性能；材料的高温蠕变强度，既是力学性能，又是热学性能；材料的应力腐蚀：既是化学问题，又是力学问题；反射率是光学性能，又与金属表面的化学不变性有关。下表为材料性能的一般划分方法。

同一材料不同性能只是相同的内部结构，在不同的外界条件下所表示出的不同行为。在研究材料性能时，既要总结个别性能的特殊规律，也应该要从材料的内部结构去理解材料为什么会有这些性能。例在研究材料机械性能时，我们既要研究材料的各种强度、弹性、塑性、韧性的特殊规律，即建立与性能的各种表象规律，又要运用晶体缺陷理论去研究材料从形变到断裂的遍及规律，去探寻这些现象形成的机理。又如，材料的电、磁、光、热现象的物理性能，可以在电子论的指导下得到物理本质的统一。因此，我们必需要运用固体物理和固体化学，从本质上理解固体材料的各种性能所涉及的现象。绝大多数性能是与整体内部的原子特性和交互作用有关的，但是，有些性能则只与材料的表面层原子有关，如腐蚀和氧化、摩擦和磨损、晶体外延生长与离子注入、催化和表面反应等。

　　一般人们都用“工艺→结构→性能”这条路线去控制或改造性能，即工艺决定结构，结构决定性能。改变结构时，应考虑它的可变性以及这种改变对于性能改变的敏感性。有些结构是难于改变的，如原子结构和晶体结构类型；有些组织虽然可以通过工艺来改变，但性能对于结构却有不同的敏感性。某些性能主要取决于成分，成分固定，性能也就随之而固定，这称为非结构敏感性性能。如：熔点、弹性模量、磁饱和等。另一些性能则由于晶体的缺陷、畸变、第二相的数量、大小和分布等的改变而可能有很大的变化，这则称为结构敏感性的性能，例如：电导率、屈服强度、矫顽力等。

　　三、材料性能研究目的

　　材料性能的研究，既是材料开发的出发点，也是其重要归属。陶瓷材料，它之所以能广泛地应用，归根结底是因为其某一方面的性能可以满足人们的需要，可制成各种各样的形状，坚硬、表面光洁度高，可用作各种各样的容器；同时具有必然的电气绝缘强度及机械强度，可作为重要的绝缘材料。近年来开发出来的一些新性能还可满足一些特殊环境的要求，用此制备重要的功能元件，利用磁性制备计算机记忆元件；利用光学性能制备光学元件，如透明陶瓷可用作钠光灯的灯罩，钠光灯的发光效率高且节能，但若用普通玻璃，则因为钠蒸气的腐蚀作用而出问题；利用机械强度与化学惰性制备仿生陶瓷(人造骨骼，牙齿等)、耐高温、高温陶瓷等等。

　　集成电路的绝缘基板材料，首先必需要具有必然的强度，以便能够承载起安装在其上的集成电路元件及布在其上的电路线，要有均匀而平滑的表面，以便进行穿孔、开槽等精密加工，从而能够构成细微而精密的图形，应有优良的绝缘性能，尤其是在高频下，还要有充分的导热性，以迅速散发电路上因电流产生的热，电子元器件与基片的热膨胀系数之差应尽可能地小，从而保证基片与电路间良好的匹配性，电路与基片就不会剥离。总之，材料的强度、表面光洁度、绝缘性能、热导性、热膨胀系数等材料是衡量基板材料好坏的重要指标。环氧树脂等塑料是较好的基片材料，但它们的导热性能不好。氧化铝的导热性能约为环氧树脂的三十倍，故氧化铝是重要的基片材料。比氧化铝的导热性更好的材料，更有希望作基片的材料。氧化铝单晶(亦称为蓝宝石)，其导热系数比氧化铝烧结体大4倍，但却难于获得合适的薄片形状。碳化硅导热性较好，约10倍于氧化铝，硬度高，可精密加工，热膨胀系数接近硅，但却是半导体，且致密烧结非常困难。现采用添加百分之几的氧化铍，并用热压烧结方法，获得了导热性能与绝缘性兼有的致密材料。金刚石是导热系数最好的材料，绝缘性也很好，是最抱负的绝缘基片材料，但是要不变地供给高纯度且具有必然大小的片状金刚石晶体，目前还有很大困难，要投入实际应用，还需要做出很大的努力。以上仅从导热系数指标来讨论的，实际应用中还要考虑其它指标。如对于大型计算机，还要考虑介电常数，因为若基片材料的介电常数过大，则电子元件上的响应时间就会变大，从而影响计算机的运算速度。因此，用氧化铝作基片材料，还存在着许多值得改进之处。总之，对材料的使用，主要是使用其某一方面的性能。在选用材料时先考查主要性能满足时，再考察其它性能。

　　材料性能的研究，有助于研究材料的内部结构。材料性能就是内部结构的表现，对结构敏感性能，更是如此。同样，材料的性能，也反映了材料的内部结构。例如：按照2dsinθ=nλ，利用晶体对X-ray的衍射图象，就可以推知晶体中面网间距d，进而就可以分析晶体的结构。

　　四、材料生产工艺

　　任何一种新材料从发现到应用于实际，必需经过适宜的制备工艺才能成为工程材料。高温超导自1986年发现以后到20世纪末，已有15年的历史，但仍不能遍及应用于电力，主要是因为没有找到价廉而不变的生产线材的工艺。C60也是如此，尽管在发现之初认为它的用途十分广泛，但到20世纪末仍处于科研阶段。传统材料也需要不竭改进生产工艺或流程，以提高产品质量、降低成本和减少污染，从而提高竞争能力。分子束外延技术的出现，可以控制薄膜的生长精确到几个原子的厚度，从而实现了“原子工程”或“能带工程”，为原子、分子设计提供了有效手段；快冷技术（即每秒冷却速度达104~108K）的采用，为金属材料的发展开辟了一条新途径。首先是金属玻璃的形成，提高了金属强度、耐磨耐蚀性能和磁学性能。其次通过快冷可得到超细晶粒，成为改进性能的有效方法。第三是通过快冷发现了准晶，由此改变了晶体学的传统不雅观念。所以材科制备方法的研究与开发成为材料科学技术的重点。

　　材料的广泛应用是材料科学技术发展的主要动力，实验研究出来的具有优异性能的材料不等于具有实用价值，必需通过大量应用研究，才能发挥其应有的作用。材料的应用要考虑以下几个因素：一是材料的使用性能(performance)；二是使用寿命(durability)及可靠性(reliability)；三是环境适应性(environmental compliance)，包罗生产过程与使用期间；四是价格(cost)。当然，不同材料及使用的对象不同，考虑的重点就不一样，有些量大面广的材料，价格低廉是主要的，因而生产要低成本，检验不十分复杂，如建材与包装材料；相反，有些关键技术所用关键材料，如航空航天及医用生物材料，一旦发生不测，则损失严重，因而必需高质量、安全可靠，加强检验，不然后果不胜设想，所以有时检验费用比材料本身花费还高。以航空发动机所用高温合金为例，作为涡轮叶片及涡轮盘材料，一旦在飞行过程中出现断裂，很可能造成机毁人亡，因而在要求长寿命(几万小时)的同时，对可靠性的要求特别严格。为了保证材料的质量，采用三次熔炼、真空感应炉溶炼，以保证严格控制成分(去气、去有害杂质)；再用电渣重熔，以去除非金属夹杂物；最后真空自耗电弧重熔，可以得到无宏不雅观缺陷的合金锭，如此保证材料质量的均一性和完整性，再经锻造，或重熔铸造加工成零件、最后经过高灵敏度的检验合格后，再装机使用。对医用生物材料来说，质量保证更为严格，因为一旦因质量变乱而产生不良后果，则后患无穷。