我对材料科学四要素的认识

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。（2）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。4、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。冶金过程又称化学冶金，是从原料中提取出金属，方法包括火法冶金、熔盐电冶金、湿法冶金；熔炼与凝固又称物理冶金，用于金属的精炼及提纯，材料的“合金化”和晶体的生长，具体内容包括平衡凝固、区域熔炼、快速凝固、玻璃的熔炼、定向凝固和熔融法提拉单晶；粉末煅烧的目的是使粉末成形和粉末颗的结合，内容包括粉末冶金技术和现代陶瓷材料的制备；高分子聚合是为了实现小分子发生化学反应，相互结合形成高分子。高分子聚合是人工合成三大类高分子材料：塑料、橡胶、合成纤维的基本过程，实施方法分为本体聚合、悬浮聚合、乳液聚合和溶液聚合。（2）材料的加工。传统意义上，材料的加工范畴包括四个方面：材料的切削（车、铣、刨、磨、切、钻）、材料的成型（铸造、拉、拔、挤、压、锻）、材料的改性（合金化、热处理）、材料的联接（焊接、粘接）。材料的成型：三大类材料的成型技术在材料工程中是内容最为丰富的一部分。如果按材料的流变特性来分析，则材料的成型方法可分为三种；液态成型：包括金属的铸造、溶液纺丝；塑变成型：即金属的压力加工；流变成型：包括金属、陶瓷、高分子成型。材料的改性：材料改性是通过改变材料的成分、组织与结构以达到改变材料的性能的目的。包括材料的“合金化”和材料的热处理。所谓材料的“合金化”，是指通过改变材料的成分，达到改变材料性能的方法。这种方法在金属材料和现代高分子材料的改性方面有广泛的应用。材料的热处理，是指通过一定的加热、保温、冷却工艺过程，来改变材料的相组成情况，达到改变材料性能的方法。这种方法在金属材料和现代陶瓷材料的改性方面有广泛的应用。典型热处理工艺有淬火、退火、回火和正火。淬火工艺是指通过快速冷却，获得远离平衡态的不稳定组织，达到强化材料的目的；正火工艺是指在奥氏体状态下，空气或保护气体冷却获得珠光体均匀组织，提高强度，改善韧性；退火工艺是指通过缓慢冷却，获得接近平衡态的组织，达到均匀化、消除内应力的目的；回火工艺是指淬火或正火的材料重新加热，目的在于松懈淬火应力和使组织向稳态过度，改善材料的延展性和韧性，并稳定工件的尺寸。材料的联接：是为了实现材料间的整体结合，内容包括焊接、粘接、铆接和栓接。（3）材料表面工程。包括表面改性、表面防护和薄膜技术三个方面。表面改性：即改变材料表面的性质，从工艺机理上分析，表面改性同整体材料的改性是相同的，即：在表面实现材料的成分、组织与结构的变化，达到改变材料表面性能的目的。不同点就是采用了特殊的能量输入方式，使能量作用效果或成分变化仅发生在表面。主要包括三束表面改性、化学表面改性（化学热处理）和表面淬火。表面防护：包括腐蚀防护和摩擦磨损防护。由腐蚀造成的材料失效量，占世界材料总产量的比例很高，腐蚀问题十分严重。因此，腐蚀防护非常重要。造成腐蚀的原因主要是化学反应，包括大气腐蚀、海水腐蚀及工业介质腐蚀。防护的方法可以分为主动防护和被动防护，主动防护的方法有合金化、非晶化、高纯度化和添加抗蚀材料；被动防护的方法有表面涂镀、表面改性、表面钝化和电化学保护。摩擦磨损防护的方法有增加抗磨损性和增加润滑性。薄膜技术：有许多种薄膜技术能够在基材表面覆盖薄膜材料层，其中最重要的两种方法是物理气象沉积法（PVD）和化学气象沉积法（CVD）。随着材料科学技术的不断发展，薄膜技术已不仅仅是材料改性的手段。更重要的是，现代薄膜技术在高新技术领域，如：微电子器件、纳米结构与组装、光电子器件，等方面正发挥着越来越重要的作用。（4）材料的复合。材料复合的主要目的就是依据不同材料性能的优势互补、协调作用的原则，进行材料的设计与制备。因此材料复合的过程就是材料制备、改性、加工的统一过程。复合材料的制备过程融合了金属、陶瓷、高分子材料制备的基本原理。目前材料科学的发展，复合的概念越来越重要，出现了许多新型的复合材料及制备方法。从材料的产生到进入使用过程，直至损耗，四大要素存在着逻辑上的因果顺序：“性能”是目的，是材料科学发展的根本动力，“结构”是获得该性能的本质，而“工艺”是获得“结构”的途径与手段，可以归结为“结构”形成的内容范畴，即：目前，相比于其他发达国家，我国的材料加工现状是精铸件比重（3%~4%，日美为25%~30%）和精锻件比重（约37%，日美为65%~70%）低，单位产值能耗（7，日美为1）、原材料消耗（2.5，日美为1）高，工业增加值率（0.5%，日美为1%）低，可以看出，我国在合成与加工方面同先进国家的差距还很大，许多关键技术落后的根源都归到这里。因此提高材料合成与加工的技术水平是我们的最重要的课题。