材料物理化学1-张志杰

先进（或新型）无机非金属材料是用
氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、
硅化物以及各种无机非金属化合物经特殊的
先进工艺制成的材料。主要包括先进陶瓷、
非晶态材料、人工晶体、无机涂层、无机纤
维等。
传统的无机非金属材料之一：陶瓷
陶瓷按其概念和用途不 同，可分为两大类，即普通 陶瓷和特种陶瓷。 根据陶瓷坯体结构及其基 本物理性能的差异，陶瓷制
按增强剂形状可分为粒子、纤维及层状复合
材料；依据复合材料的性能可分为结构复合
材料和功能复合材料。
0.1.2 根据材料的性能分类
根据材料在外场作用下其性质或性能
对外场的响应不同，材料可分为结构材 料和功能材料。

结构材料是指具有抵抗外场作用而保持自己 的形状、结构不变的优良力学性能（强度和 韧性等），用于结构目的的材料。这种材料 通常用来制造工具、机械、车辆和修建房屋、 桥梁、铁路等。是人们熟悉的机械制造材料、 建筑材料，包括结构钢、工具钢、铸铁、普 通陶瓷、耐火材料、工程塑料等传统的结构 材料（一般结构材料）以及高温合金、结构 陶瓷等高级结构材料。
陶瓷纤维。纤维中强度和刚度最高的要算晶
须。

二维材料（薄膜），如金刚石薄膜、高温超导薄 膜、半导体薄膜。由于薄膜的电子所处状态和外 界环境的影响，可表现出不同的电子迁移规律， 完成特定的电学、光学或电子学功能，如成为绝 缘体、铁电体、导体或半导体等，从而有可能作 为光学薄膜用于非线性光学、光开关、放大或调 幅、敏感与传感元件，用于显示或探测器，用于 环保或表面改性的保护膜。

功能材料是具有优良的电学、磁学、光
学、热学、声学、力学、化学和生物学 功能及其相互转化的功能，被用于非结 构目的的高技术材料。
0.1.3 材料按服役的领域来分类
根据材料服役的技术领域可分为信息 材料、航空航天材料、能源材料、生物 医用材料等。
0.1.4 材料按结晶状态分类
单晶材料是由一个比较完整的晶粒构成的材
1.金属材料
金属材料是由化学元素
周期表中的金属元素组成的 材料。可分为由一种金属元 素构成的单质（纯金属）； 由两种或两种以上的金属元
素或金属与非金属元素构成
的合金。合金又可分为固溶 体和金属间化合物。
2. 无机非金属材料
无机非金属和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼
生命息息相关。材料是人类文明、社会进
步、科技发展的物质基础。
材料与人类文明
材料是人类文明、社会进步、科学技术发展的物
质基础和技术先导。在历史上，人们将石器、青铜器、
铁器等当时的主导材料作为时代的标志，称其为石器
时代、青铜器时代和铁器时代。在近代，材料的种类 及其繁多，各种新材料不断涌现，很难用一种材料来 代表当今时代的特征。

通用水泥为大量土木工程所使用的一般用途的
水泥，如硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣
硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅
酸盐水泥和复合硅酸盐水泥等。

专用水泥指有专门用途的水泥，如油井水泥、
砌筑水泥等。

特性水泥则是某种性能比较突出的一类水泥，
如快硬硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、中
热硅酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥、自应力铝
的作用。复合材料既能保持原组成材料的重要特色，又通
过复合效应使各组分的性能互相补充，获得原组分不具备 的许多优良性能。
复合材料的种类繁多，目前还没有统 一的分类方法，下面根据复合材料的三要素 来分类。按基体材料分类，有金属基复合材 料，陶瓷基复合材料，水泥、混凝土基复合
材料，塑料基复合材料，橡胶基复合材料等；
高强度、耐高温、耐热冲击、硬质、高
刚性、低膨胀、隔热等场所。功能陶瓷
主要包括电磁功能、光学功能、生物功
能、核功能及其它功能的陶瓷材料。
常见高温结构陶瓷包括：高熔点氧化物、 碳化物、硼化物、氮化物、硅化物。 功能陶瓷包括:装置瓷（即电绝缘瓷）、电 容器陶瓷、压电陶瓷、磁性陶瓷（又称为铁氧 体）、导电陶瓷、超导陶瓷、半导体陶瓷（又 称为敏感陶瓷）、热学功能陶瓷（热释电陶瓷、 导热陶瓷、低膨胀陶瓷、红外辐射陶瓷等）、 化学功能陶瓷（多孔陶瓷载体等）、生物功能 陶瓷等。
绪论 INTRODUCTION

什么是材料?

材料与人类文明

什么是材料科学？

0.1 材料分类 0.2 组成-结构-性质-工艺过程之间的关系
什么是材料?
世界万物，凡于我有用者，皆谓之材料。
材料是具有一定性能，可以用来制作器件、
构件、工具、装置等物品的物质。材料存
在于我们的周围，与我们的生活、我们的
料，如单晶纤维、单晶硅；
多晶材料是由许多晶粒组成的材料，其性能
与晶粒大小、晶界的性质有密切的关系。
非晶态材料是由原子或分子排列无明显规律
的固体材料，如玻璃、高分子材料。
0.1.5 按材料的尺寸分类
材料按材料的尺寸可分为零维材料、 一维材料、二维材料、三维材料。

零维材料即超微粒子，通过Sol-gel法、多 相沉积或激光等方法，可以制备出亚微米级 的陶瓷或金属粉末，大小1—100nm的超微粒 比表面积大（可作为高效催化剂）、比表面
3. 有机高分子材料（高聚物）
高聚物是由一种或几种简单低 分子化合物经聚合而组成的分子量 很大的化合物。高聚物的种类繁多，
性能各异，其分类的方法多种多样。
按高分子材料来源分为天然高分子
材料和合成高分子材料；按材料的
性能和用途可将高聚物分为橡胶、
纤维、塑料和胶粘剂等。
4. 复合材料
复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织结构不 同的材料组合而成。复合材料是多相材料，主要包括基本 相和增强相。基体相是一种连续相材料，它把改善性能的 增强相材料固结成一体，并起传递应力的作用；增强相起 承受应力（结构复合材料）和显示功能（功能复合材料）
能高、熔点低、烧结温度下降、扩散速度快、
强度高而塑性下降慢、电子态由连续能带变
为不连续、光吸收也发生异常现象（可以成
为高效微波吸收材料）。

一维材料，如光导纤维由于其信息传输量远 比铜、铅的同轴电缆大，而且光纤有很强的 保密性，所以发展很快。再比如脆性块状材
料在变成细丝后便增加了韧性，可以用来增
强其它的块状。实用纤维为碳纤维、硼纤维、
锗酸盐、碲酸盐、铝酸盐及氧氮玻璃、氧碳玻璃等）、 金属玻璃等）以及光学纤维等。 根据用途不同，特种玻璃分为防辐射玻璃、激光玻 璃、生物玻璃、多孔玻璃、非线性光学玻璃和光纤玻
非氧化物玻璃（卤化物、氮化物、硫化物、硫卤化物、
璃等。
传统的无机非金属材料之三：水泥
水泥是指加入适量
水后可成塑性浆体，既能
在空气中硬化又能在水中
普通玻璃包括日用玻璃、建筑玻璃、微晶玻璃、光学玻璃
和玻璃纤维等。
特种玻璃（亦称为新型玻璃）是指采用精制、高 纯或新型原料，通过新工艺在特殊条件下或严格控制
形成过程制成的一些具有特殊功能或特殊用途的玻璃。
特种玻璃包括SiO2 含量在85%以上或55%以下的硅 酸盐玻璃、非硅酸盐氧化物玻璃（硼酸盐、磷酸盐、
材料科学与工程

按物理效应分为：压电材料、热电材料、铁电
材料、非线性光学材料、磁光材料、电光材料、
声光材料、激光材料等。

按用途分为：电子材料、电工材料、光学材料、
感光材料、耐酸材料、研磨材料、耐火材料、建 筑材料、结构材料、包装材料等。
0.1.1 按化学组成（或基本组成）分类
1. 金属材料
2. 无机非金属材料 3. 高分子材料（聚合物） 4. 复合材料
化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备 而成的材料。是除金属材料、高分子材料以外所有材料的 总称。它与广义的陶瓷材料有等同的含义。无机非金属材 料种类繁多，用途各异，目前还没有统一完善的分类方法。
一般将其分为传统的（普通的）和新型的（先进的）无机
非金属材料两大类。
传统的无机非金属材料主 要是指由SiO2 及其硅酸盐化合 物为主要成分制成的材料，包 括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材 料等。此外，搪瓷、磨料、铸 石（辉绿岩、玄武岩等）、碳 素材料、非金属矿（石棉、云 母、大理石等）也属于传统的 无机非金属材料。

三维材料即块状材料。
0.2
组成-结构-性质-工艺过程之间的关系
使用效能
组 成 与 结 构
（工程） 性质 （化学） （物理学） 合成与制备过程
图 图
组成-结构-性质-工艺过程之间关系示意
材料的性质是指材料对电、磁、光、热、机械载荷的 反应，主要决定于材料的组成与结构。 使用效能是材料在使用状态下表现的行为，它与材料 设计、工程环境密切相关。实用性能包括可靠性、耐用性、 寿命预测及延寿措施等。 合成与制备过程包括传统的冶炼、铸锭、制粉、压力 加工、焊接等，也包括新发展的真空溅射、气相沉积等新 工艺，使人工合成材料如超晶格、薄膜材料成为可能。
硬化，并能够将砂、石等 材料牢固地胶结在一起的 细粉状水硬性材料。
水泥的种类很多，按其用途和性能可 分为：通用水泥、专用水泥和特性水泥三大
类；按其所含的主要水硬性矿物，水泥又可
分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水
泥、氟铝酸盐水泥以及以工业废渣和地方材
料为主要组分的水泥。目前水泥品种已达一 百多种。
第一次产业革命的突破口是推广应用蒸汽
机 ，但只有在开发了铁和铜等新材料以后，
蒸汽机才得以使用并逐步推广。
第二次产业革命一直延续到20世纪中叶，
以石油开发和新能源广泛使用为突破口，大力
发展飞机、汽车和其他工业，支持这个时期产
业革命的仍然是新材料开发。如合金钢、铝合
金以及各种非金属材料的发展。

材料是当代文明的三大支柱之一