金属原子容易失去最外层的电子而成为正离子,脱离原子的电 子为所有正离子所共有,在金属内部自由运动形成“电子气 正离子与“电子气”相互作用使粒子结合在一起,该种结合力称 为金属键。金属键没有方向性与饱和艹 ⊙ ⊙ ⊙ 图84眼时电子状态 外层电子已经饱和的原子(氩、氖、氦、氙等)以及某些分子 (HCI、CO、O2、H2等),在低温下组成晶体时,离子间靠微弱 的吸引力而相结合,该种结合力称为分子键或范德瓦耳斯键
金属原子容易失去最外层的电子而成为正离子，脱离原子的电 子为所有正离子所共有，在金属内部自由运动形成“电子气” 。 正离子与“电子气”相互作用使粒子结合在一起，该种结合力称 为金属键。金属键没有方向性与饱和性。 外层电子已经饱和的原子（氩、氖、氦、氙等）以及某些分子 （HCl、CO、O2、H2等)，在低温下组成晶体时，离子间靠微弱 的吸引力而相结合，该种结合力称为分子键或范德瓦耳斯键
(2)结构类型:原子或分子的几何排列即结构类型,所决定 的基本物性有力学性、热学性、光学的各向异性、双折射等。 (3)缺陷:晶体中存在的原子空穴、填隙原子、杂质原子、 位错统称为缺陷。 缺陷既有使材料性能下降的一面,也有显示功能性的一面。 近年来发展起来的多种功能材料,有不少是利用由缺陷引起的敏 感性来实现的。 (4)织构:织构是指组成及结构相同或不同的分散材料在组 合成为整体时的聚合状态。织构对材料的力学性质、热学性质等 有重大影响。(如织布)运用固体物理及量子化学的理论,开展 相平衡、缺陷分布、织构形成等规律的硏究,弄清组成、结构、 状态、缺陷与材料性能的关系,是材料科学研究的主要内容。 Et 22 x点
（2）结构类型：原子或分子的几何排列即结构类型，所决定 的基本物性有力学性、热学性、光学的各向异性、双折射等。 （3）缺陷：晶体中存在的原子空穴、填隙原子、杂质原子、 位错统称为缺陷。 缺陷既有使材料性能下降的一面，也有显示功能性的一面。 近年来发展起来的多种功能材料，有不少是利用由缺陷引起的敏 感性来实现的。 （4）织构：织构是指组成及结构相同或不同的分散材料在组 合成为整体时的聚合状态。织构对材料的力学性质、热学性质等 有重大影响。（如织布）运用固体物理及量子化学的理论，开展 相平衡、缺陷分布、织构形成等规律的研究，弄清组成、结构、 状态、缺陷与材料性能的关系，是材料科学研究的主要内容
精细结构 肉眼 光学显微镜下的影像 光学显微镜 扫描电子显微镜下的影像 扫描电子显微镜
• 精细结构 肉眼 光学显微镜下的影像 光学显微镜 • 扫描电子显微镜下的影像 扫描电子显微镜
2.研究材料的形成机理和制备方法 为获得有用的材料,首先要了解它的形成机理,以 便采取有效的方法和措施。在合成有机高分子材料时, 要知道用什么单体,采用哪一种聚合反应。培养单晶材 料要了解晶体生长的机制,找出合适的生长方法。熔炼 金属、烧结陶瓷都要依据它们的物理化学变化过程,选 择适当的工艺条件。只有对这些规律充分认识并掌握好 制备方法,才能使材料在生产中质量稳定,成品率提高。 3英寸碳化硅单晶 金刚石单晶 82930,313:3334353617
2．研究材料的形成机理和制备方法 为获得有用的材料，首先要了解它的形成机理，以 便采取有效的方法和措施。在合成有机高分子材料时， 要知道用什么单体，采用哪一种聚合反应。培养单晶材 料要了解晶体生长的机制，找出合适的生长方法。熔炼 金属、烧结陶瓷都要依据它们的物理化学变化过程，选 择适当的工艺条件。只有对这些规律充分认识并掌握好 制备方法，才能使材料在生产中质量稳定，成品率提高。 • 3英寸碳化硅单晶 金刚石单晶
3.研究材料的测试技术 为了合理地使用材料,需要对材料的各种物性有较全面的了 解,对材料的进行分析、检测就是完成这项任务。例如利用扫描 电子显微镜,能够显示出分子的空间结构,清楚地观察位错和空 隙的位置;利用电子计算机能把微观缺陷在材料中的行为定量地 计算出来;利用各种类型的断裂韧性、动平衡、无损探伤等实验 仪器,可以检验材料的机械性能和质量。但是仅依靠技术性能测 试,有时尚不能完全反映真实情况,还需要进行实际应用的模 拟试验或采用特别设计的方法进行测试,才能保证材料在使用过 程中所经受的工作条件和使用周期的考验。此外,还要制定统 的材料测试方法和检验标准。 布氏硬度计 韧性试验仪 材料腐蚀试验仪 . 三黑黑
3．研究材料的测试技术 为了合理地使用材料，需要对材料的各种物性有较全面的了 解，对材料的进行分析、检测就是完成这项任务。例如利用扫描 电子显微镜，能够显示出分子的空间结构，清楚地观察位错和空 隙的位置；利用电子计算机能把微观缺陷在材料中的行为定量地 计算出来；利用各种类型的断裂韧性、动平衡、无损探伤等实验 仪器，可以检验材料的机械性能和质量。但是仅依靠技术性能测 试，有时尚不能完全反映真实情况，还需要进行实际应用的 模 拟试验或采用特别设计的方法进行测试，才能保证材料在使用过 程中所经受的工作条件和使用周期的考验。此外，还要制定统一 的材料测试方法和检验标准。 布氏硬度计 韧性试验仪 材料腐蚀试验仪
三、材料科学的任务 1.提高现有材料的利用率。 现有材料品种繁多,用途广泛 不胜枚举。但是如何提高现有材料的 利用率,乃是材料科学的一个主要任 务。首先要应用材料力学原理,提高 选材和机械设计水平,使各种工程合 理使用材料,使材料能充分发挥其功 能,并保证安全可靠。 液氮温度下超导磁浮体 其次要发展各式各样的涂层和表面 有些材料用液氨冷冻即可实现超导,这 工艺,如等离子喷涂、激光处理等以 突破性进展使超导材料进入实用研究阶段。 加强表面防护 液氮温度下超导磁浮体
• 三、材料科学的任务 1．提高现有材料的利用率。 现有材料品种繁多，用途广泛， 不胜枚举。但是如何提高现有材料的 利用率，乃是材料科学的一个主要任 务。首先要应用材料力学原理，提高 选材和机械设计水平，使各种工程合 理使用材料，使材料能充分发挥其功 能，并保证安全可靠。 其次要发展各式各样的涂层和表面 工艺，如等离子喷涂、激光处理等以 加强表面防护。 液氮温度下超导磁浮体
2.解决合格材料的制备问题。 在许多新技术、新产业和现代化工程项目中,很关键的问题 是要按照需要设计和制备出合格的材料。因为先进的技术必然对 材料的性能有相当高的要求。比如,研究受控热核反应需要十几 万高斯以上的强磁场条件,而为了产生这种强磁场,即必须硏制 出在液氮温区的高温超导材料。(液氮临界温度77K) 现在航天飞机的外板是特殊陶瓷制成的,当航天飞机进入大 气层时候温度升到一定程度就脱落掉,相当于脱一层皮。航天飞 机外壳用钛合金制作,还涂上好多层绝热材料—改性电木,就 是改性酚醛树脂 欧洲月球探测器 智能1 号”2006年9月3 日撞击月球,击 出月球表面撞出 直径3至10米 的坑,并把月球 表面尘埃送上十 几公里的高空
2．解决合格材料的制备问题。 在许多新技术、新产业和现代化工程项目中，很关键的问题 是要按照需要设计和制备出合格的材料。因为先进的技术必然对 材料的性能有相当高的要求。比如，研究受控热核反应需要十几 万高斯以上的强磁场条件，而为了产生这种强磁场，即必须研制 出在液氮温区的高温超导材料。（液氮临界温度77K） 现在航天飞机的外板是特殊陶瓷制成的，当航天飞机进入大 气层时候温度升到一定程度就脱落掉，相当于脱一层皮。航天飞 机外壳用钛合金制作，还涂上好多层绝热材料——改性电木，就 是改性酚醛树脂 。 欧洲月球探测器 “智能１ 号”2006年9月3 日撞击月球，击 出月球表面撞出 一个直径3至10米 的坑，并把月球 表面尘埃送上十 几公里的高空
3.不断研究和开发新材料。 新型材料的不断出现,对现代产业和高新技术的发 展起着巨大的推动作用。为使自己的产品在国际市场上 独占鳌头,各国都拼命在新型材料的硏制上下功夫,尤 其重视独创性的新型材料的研究和开发。显然,不断研 制更多、更好的新材料将是材料科学永恒的主题。 (1969年珍宝岛中苏之战,我军75毫米无后坐力炮、85毫米 加农炮和56式火箭筒等都无法击穿苏联τ-62坦克正面裝甲。被 我军地雷炸毁的苏联坦克,苏军用炮火想摧毁,但被我军炮击冰 面沉到江底,又从江底拉回,现展览于北京军事博物馆。)
3．不断研究和开发新材料。 新型材料的不断出现，对现代产业和高新技术的发 展起着巨大的推动作用。为使自己的产品在国际市场上 独占鳌头，各国都拼命在新型材料的研制上下功夫，尤 其重视独创性的新型材料的研究和开发。显然，不断研 制更多、更好的新材料将是材料科学永恒的主题。 （1969年珍宝岛中苏之战 ，我军75毫米无后坐力炮、85毫米 加农炮和56式火箭筒等都无法击穿苏联T-62坦克正面装甲。被 我军地雷炸毁的苏联坦克，苏军用炮火想摧毁，但被我军炮击冰 面沉到江底，又从江底拉回，现展览于北京军事博物馆。）
四、新材料高技术的研究热点与趋势 1.当前材料科学发展的总趋势 ①材料与器件趋向于一体化,达到小型化和多功能化。 ②制造材料的新工艺、新流程及结构与性能的新测试方法 往往成为新材料和研究材料的突破点 ③材料的复合是得到所需性能的最经济而重要的途径 ④分子和原子尺度的研究工作日趋重要,以形成零维、一维、 二维材料 ⑤材料与生物的交叉日趋发展,从而得到与生物相近的高效 率、高功能的新材料。 金相显微镜 战略导弹核潜艇嫦娥一号探月卫星中国99式主战坦克 设
• 四、 新材料高技术的研究热点与趋势 1. 当前材料科学发展的总趋势 ①材料与器件趋向于一体化，达到小型化和多功能化。 ②制造材料的新工艺、新流程及结构与性能的新测试方法， 往往成为新材料和研究材料的突破点。 ③材料的复合是得到所需性能的最经济而重要的途径。 ④分子和原子尺度的研究工作日趋重要，以形成零维、一维、 二维材料。 ⑤材料与生物的交叉日趋发展，从而得到与生物相近的高效 率、高功能的新材料。 金相显微镜 战略导弹核潜艇 嫦娥一号探月卫星 中国99式主战坦克
2当前材料科学的研究热点 (1)低能材料的研究低能材料(0,1,2维)不 同于块状(3维)材料,不仅存在尺寸效应,更重要的 是量子状态的影响,从而导致电、磁和光学等方面的性 能奇异变化 ①零维材料——它指的是超微粒子或纳米级 (1~100nm)晶体或非晶体,这类材料具有以下特点 熔点下降由于自由能的升高,10nm直径的微粒, 其熔点值:Fe为33"C、Au为27℃C、A为18℃,从而大 大降低了烧结温度,如(钛)TiO2的烧结温度从900°C降 到500°C,W从2000℃降到1100°C。 扩散加剧纳米材料的扩散系数提高100倍左右, 且扩散距离大大缩短,溶质原子的溶解度也大为提髙, 如(铋)B许在常规Cu中的溶解度为10-4%,而在纳米 Cu中溶解度提高到4%
2.当前材料科学的研究热点 （1）低能材料的研究 低能材料（0，1，2维）不 同于块状（3维）材料，不仅存在尺寸效应，更重要的 是量子状态的影响，从而导致电、磁和光学等方面的性 能奇异变化。 ① 零维材料——它指的是超微粒子或纳米级 （1～100nm）晶体或非晶体，这类材料具有以下特点： 熔点下降 由于自由能的升高，10nm直径的微粒， 其熔点值：Fe为33℃、Au为27℃、Al为18℃，从而大 大降低了烧结温度，如(钛）TiO2的烧结温度从900℃降 到500℃，W从2000℃降到1100℃。 扩散加剧 纳米材料的扩散系数提高100倍左右， 且扩散距离大大缩短，溶质原子的溶解度也大为提高， 如（铋）Bi在常规Cu中的溶解度为10－4％，而在纳米 Cu中溶解度提高到4％
