我对材料科学四要素的认识武晓博

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1、我对材料科学四要素的认识武晓博材料科学是上世纪五十年代提出的，以研究和揭示固体材料性质规律为主的一门科学，与能源、信息并列为现代科学技术的三大支柱。随着高技术的兴起，又把新材料与信息技术、生物技术并列作为新技术革命的重要标志。如今，材料已成为国民经济建设、国防建设和人民群众生活的重要组成部分。一般所说的材料,包括传统材料和各种新型材料。材料科学的任务，就是研究材料的性质、使用性能、结构与成分、合成与加工这四者间的关系，因而将其称为材料科学的四个基本要素。1、材料的性质。材料的性质是功能特性和效用

2、的描述符，是材料对电、磁、光、热、机械载荷的反应，包括力学性质、物理性质以及化学性质。（1）力学性质。包括强度、硬度、刚度、塑性、韧性等。强度：材料抵抗外应力的能力；硬度：材料在表面上的小体积内抵抗变形或破裂的能力；刚度：外应力作用下材料抵抗弹性变形能力；塑性：外力作用下，材料发生不可逆的永久性变形而不破坏的能力；韧性：材料从塑性变形到断裂全过程中吸收能量的能力。（2）物理性质。包括电学性质、磁学性质、光学性质及热学性质等。电学性质：主要包括材料的导电性、绝缘性及介电性等；磁学性质：主要包括材料

3、的抗磁性、顺磁性及铁磁性等；光学性质：主要包括材料的光反射、光折射、光学损耗及光透性等；热学性质：主要包括材料的导热性、热膨胀、热容和熔化等。（3）化学性质包括催化性质及防化性质等。2、材料的性能。在某种环境或条件作用下，为描述材料的行为或结果，按照特定的规范所获得的表征参量，称为材料的性能。包括力学性能、（1）力学性能。弹性表征：包括弹性极限、屈服强度、比例极限等；塑性表征：包括延伸率、断面收缩率、冲杯深度等；硬度表征：包括布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等；刚度表征：包括弹性模量、杨氏模量、剪切

4、模量等；疲劳强度表征：包括疲劳极限和疲劳寿命等；抗蠕变性表征：包括蠕变极限和持久强度等；韧性表征：包括断裂韧性和KIC和断裂韧性JIC等。（1）物理性能。电学性能表征：包括导电率、电阻率、介电常数等；磁学性能表征：包括磁导率、矫顽力、磁化率等；光学性能表征：包括光反射率、光折射率、光损耗率等；热学性能标准：包括热导率、热膨胀系数、熔点、比热等。所以，性能是包括材料在内的整个系统特征的体现；性质则是材料本身特征的体现。性能是随着外因的变化而不断变化，是个渐变过程，在这个过程中发生量变的积累，而性质

5、保持质的相对稳定性；当量变达到一个“度”时，将发生质变，材料的性质发生根本的变化。因而，在材料科学研究及工程化应用中，能针对不同的使用环境，提取出关键的材料性质并选择优良性能的材料，是材料人员应具备的一种能力。3、成分与结构。材料的结构主要包括键合结构、晶体结构和组织结构。键合结构包括化学键（离子键、共价键、金属键）和物理键（氢键、分子键）；材料的晶体结构包括晶体（原子排列长程有序，有周期）、非晶体（原子排列短程有序，无周期）、准晶体（原子排列长程有序，无周期）；材料的组织结构，指的是组成材料的

6、不同物质表示出的某种形态特征，包括相图特征（匀晶型组织、共晶型组织、包晶型组织）、结构特征（fcc结构、bcc结构、hcp结构等）、组织特征（单向组织、两相组织、多相组织）。现代材料科学家对材料成分、结构的认识是由分析、检测实现的。成分分析包括化学分析、物理分析和谱学分析。可以说，材料的成分与结构是材料性质的原因，也是合成与加工的结果。X衍射数据库及相图数据库共同构成了成分与结构数据库。前者建立了结构与测定参数的关系，后者建立了成分与相的关系。这两个数据库对材料科学家的研究提供了极大的便利，几乎

7、所有材料合成的研究都是从了解这两个对应关系的研究开始的。特别的，随着理论的不断拓宽与完善，在成分与结构研究领域中出现了许多新的机遇。如准晶的结构及潜在的应用价值，碳纳米管和足球烯，超导体与基体的界面结构、功能复合材料的梯度界面、半导体材料与封装材料的界面、纤维增强体与基体的结合界面等，这些为我们今后的学习与工作提供新的课题，吸引并激励着我们不断的研究与探索。3、合成与加工。“合成”与“加工”是指建立原子、分子和分子团的新排列，在所有尺度上（从原子尺寸到宏观尺度）对结构的控制，以及高效而有竞争力地

8、制造材料与元件的演化过程。合成是指把各种原子或分子结合起来制成材料所采用的各种化学方法和物理方向；加工则指的是可以同样的方式使用，还可以指较大尺度上的改变，包括材料制造。在材料科学与工程中，合成和加工之间的区别变得越来越模糊。合成是新技术开发和现有技术改进的关键性要素，现代材料合成技术是人造材料的唯一实现途径。材料的合成与加工主要包括材料制备、材料加工、表面工程和材料复合四个方面。（1）材料的制备。不同的材料制备方法，分别具有不同的材料科学基础内容，即：冶金过程、熔炼与凝固、粉末烧结、高分子聚合