材料科学基础.pdf

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1、绪论能源、信息和材料被认为是现代国民经济的三大支柱。其中材料更是各行各业的基础。可以说，没有先进的材料，就没有先进的工业、农业和科学技术。无怪乎历史学家将材料作为文明社会进步的标志，将历史划分为石器时代、陶器时代、青铜器时代、铁器时代等等。从世界科技发展史看．重大的技术革新往往起始于材料的革新。例如，本世纪50年代镍基超级合金的出现，将材料使用温度由原来的700℃提高到900℃从而使得超音速飞机问世；而高温陶瓷的出现则促进了表面温度高达1000℃的航天飞机的发展。反过来，近代新技术（如原子能、计算机、集成电路、航天工业等）的发展又促进了新材料的研制。

2、目前已涌现出了各种各样的新材料，以致有人将我们的时代称为精密陶瓷时代、复合材料时代、塑料时代或合成材料时代等等。不管叫什么名称，这反映了当代材料的多样化。各种材料可以从不同角度分类。例如，根据材料的组成，可以将材料分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料（聚合物）和复合材料（有人将它们称之为固体材料的四大家族）。根据材料的特性和用途，可将它分为结构材料和功能材料两大类。结构材料主要是利用它的力学性能，用于制造需承受一定载荷的设备、零部件、建筑结构等。功能材料主要是利用它的特殊物理性能（电学、热学、磁学．光学性能等），用于制造各种电子器件、光敏元件

3、、绝缘材料等。此外，还可以根据材料内部原子排列情况分为晶态和非晶态材料；根据材料的热力学状态分为稳态和亚稳态材料；根据材料尺寸分为一维（纤维及晶须）、二维（薄膜）和三维（大块）材料等等。今后材料研究的方向应该是充分利用和发掘现有材料的潜力，继续开发新材料以及研究材料的再循环（回收）工艺。在利用现有材料和开发新材料方面，人们预计，不仅在目前，而目在今后一个时期内．结构材料仍然是材料的主体部分，而且今后30年可能是复合材料的世界。在功能材料方面，人们预计，在今后20年，需重点发展应用于计算机、集成电路、激光技术等方面的电子材料。关于材料再循环的研究，则不

4、仅是为了节约原材料,而且是减少能耗、保护环境的急需。人们研究材料，主要是为了更有效地使用材料。要达到这个目的，就必须了解影响材料性能的各种因素，掌握提高其性能的途径。材料的各种性能是其化学成分和组织结构等内部因素在一定外界条件下的行为表现。《材料科学基础》是本专业的第一门专业基础课，其中心内容就是阐明材料的性能和行为与其成分及内部组织结构之间的关系。Chap0第1页第一章晶体学基础及材料结构无论是金属材料还是非金属材料，通常都是晶体。因此，作为材料科学工作者，首先要熟悉晶体的特征及其描述方法。本章将扼要的介绍晶体学的基础知识，并了解材料结构。1-1晶

5、体一、晶体与非晶体固态物质按其原子（或分子）的聚集状态而分为两大类：晶体与非晶体。虽然我们看到自然界的许多晶体具有规则的外形（例如：天然金刚石、结晶盐、水晶等等），但是，晶体的外形不一定都是规则的，这与晶体的形成条件有关，如果条件不具备，其外形也就变得不规则。所以，区分晶体还是非晶体，不能根据它们的外观，而应从其内部的原子排列情况来确定。在晶体中，原子（或分子）在三维空间作有规则的周期性重复排列，而非晶体就不具有这一特点，这是两者的根本区别。应用X射线衍射、电子衍射等实验方法不仅可以证实这个区别，还能确定各种晶体中原子排列的具体方式（即晶体结构的类型

6、）、原子间距以及关于晶体的其他许多重要情况。显然，气体和液体都是非晶体。在液体中，原子亦处于紧密聚集的状态，但不存长程的周期性排列。固态的非晶体实际上是一种过冷状态的液体，只是其物理性质不同于通常的液体而已。玻璃就是一个典型的例子，故往往将非晶态的固体称为玻璃体。从液态到非晶态固体的转变是逐渐过渡的，没有明显的凝固点（反之亦然，无明显的熔点）。而液体转变为晶体则是突变的，有一定的凝固点和熔点。非晶体的另一特点是沿任何方向测定其性能，所得结果都是一致的，不因方向而异，称为各向同性或等向性；晶体就不是这样，沿着一个晶体的不同方向所测得的性能并不相同（如导

7、电性、导热性、热膨胀性、弹性、强度、光学数据以及外表面的化学性质等等），表现出或大或小的差异，称为各向异性或异向性。晶体的异向性是因其原子的规则排列而造成的。非晶体在一定条件下可转化为晶体。例如：玻璃经高温长时间加热后能形成晶态玻璃；而通常呈晶体的物质，如果将它从液态快速冷却下来也可能得到非晶体。金属因其晶体结构比较简单，很难阻止其结晶过程，故通常得不到非晶态固体，但近些年来采用了特殊的制备方法，已能获得非晶态的金属和合金。由一个核心（称为晶核）生长而成的晶体称为单晶体。在单晶体中，原子都是按同一取向排列的。一些天然晶体如金刚石、水晶等都是单晶体；现

8、在也能够人工培育制造出多种单晶体，如半导体工业用的单晶硅和锗。激光技术中用的红宝石和镱铝石榴石，以及金属或合