材料科学研究方法概述

材料科学研究方法概述

一．材料的定义、特点与分类

1.定义

物质经材料合成或材料化后才成为材料，材料具有指定工作条件下使用要求的形态和物理状态的物质。

2.分类

材料按物理化学属性可分为：金属、无机非金属、高分子材料、复合材料；

按来源可分为：天然材料和人造材料；

按用途可分为：功能材料和结构材料；

按状态可分为：气态、固态和液态。

3.材料的几大效应

（1）材料的界面效应

材料的界面有晶界、相界、亚晶界、孪晶界等。材料的力学性能、物理性能及化学、电化学性能都与材料的各种界面有着非常密切的关系。材料的形变、断裂与失效过程，起源于各种界面的占了大部分，材料加工过程中的各种变化也基本上都与界面有关。界面的研究在材料科学中有着重要的地位。不同材料的界面有以下几种效应。

A.分割效应。是指一个连续体被分割成许多小区域，其尺寸大小、中断程度、分散情况等对基体力学性能及力学行为的影响；

B.不连续效应。界面上引起的结构、物理、化学等性质的不连续和界面摩擦出现的现象，如电阻、介电特性、耐热性、尺寸稳定性等；

C.散射和吸收效应。界面处对声波、光波、热弹性波、冲击波等各种波产生的散射和吸收，影响材料的透光性、隔热性、隔音性、耐冲击性等；

D.感应效应。界面产生的感应效应，特别是应变、内部应力及由此产生的某些现象，如高的弹性、低的热膨胀性、耐热性等。

界面问题涉及界面两侧原子的对势、电子态和电子结构、界面原子键合的性质、结合能、界面两侧晶体结构和界面晶体结构的关系、界面切变模量、界面位错形核与反应、环境对界面过程的影响等多方面的问题。界面的热力学、界面偏析、界面扩散、界面化学反应等都是材料科学中的重要问题，特别是纳米材料的界面及其新的效应、复合材料的界面更是现代材料科学研究中的热点。（2）材料的表面效应

晶体表面也是材料界面的一种，只是材料的固体表面和周围介质（气体、液体）的界面。材料表面的原子、分子或离子具有未饱和键，并且由于结构的不对称而造成晶格畸变，所以材料表面都具有很高的反应活性和表面能，而且具有强烈降低其表面能，力求处于更稳定能量状态的倾向。（3）材料的复合效应

复合材料具有的复合效应主要有线性效应和非线性效应。线性效应有平均效应、平行效应、相补效应、相抵效应等；非线性效应有相乘效应、诱导效应、共振效应、系统效应等。一般结构复合材料具有线性效应，但很多功能复合材料则可利用非线性效应创造出来，最明显的是相乘效应。（4）材料的形状记忆效应

具有一定形状的固体材料，在某一低温状态下经过塑性变形后，通过加热到这种材料固有的某一临界温度以上时，材料又恢复到初始形状的现象，称为形状记忆效应。具有形状记忆效应的材料称为形状记忆材料。

（5）材料的动态效应

各类材料的失效大都是由量变到质变的动态过程。加强对失效动态过程的分析研究，才能更深刻地揭示材料的失效机理及其控制因素。

（6）材料的环境效应

由于在材料的加工、制备、使用及废弃过程中对生态环境造成很大的破坏，使全球环境污染问题变得日益严峻。因此，对材料的生产和使用而言，资源消耗是源头，环境污染是末尾。材料的生产、使用与资源及环境有着密切的关系。

（7）材料的纳米效应

纳米材料是超细微材料，是指由微小颗粒（绝大多数为晶体，其特征尺度至少在一个方向上为纳米量级）组成的固体，其典型的晶粒尺度为 1nm ～100nm 。随着物质的超细微化，纳米材料表面电子结构和晶体结构发生变化，产生了宏观物体所不具备的小尺寸效应、量子效应、表面效应和界面效应等四大效应。这就是材料的纳米效应。这些效应使得纳米材料具有一系列优异的力学、磁性、光学和化学等宏观特性。

小尺寸效应是当超微颗粒尺寸不断减小，在一定条件下，会引起材料宏观物理、化学性质上的新变化。

量子效应是指当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散的现象，由此导致的纳米微粒的电磁、光学、热学和超导等微观特性和宏观性质表现出与宏观块体材料不同的特点。

表面效应是指纳米粒子的表面原子与总原子数之比随着纳米粒子尺寸的减小而大幅度地增加，粒子表面能及表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子性质的变化。

界面效应是纳米材料的结构有很大比例的原子处于缺陷环境中。

二．材料的研究内容

1.研究分类

（1）材料物理与化学学科

以理论物理、凝聚态物理和固体化学等为理论基础，应用现代物理与化学研究方法和计算技术，研究材料科学中的物理与化学问题。从电子、原子、分子等层次上着重研究材料的微观组织结构的转变规律，以及它们与材料的各种物理、化学性能之间的关系，并运用这些规律来改进材料性能，性质

合成制备

组织结构

理论、材料设计与

工艺

效能（使用性能）

研究开发先进材料与器件，发展材料科学的基础理论，探索从基本理论出发进行材料设计，着重现代物理与化学的新概念和新方法在材料研究中的应用。

（2）材料学学科

材料学研究材料的组成、结构、工艺、性质和使用性能之间的相互关系，致力于材料的性能优化、工艺优化及材料的开发与合理应用。材料学是实用性比较强的应用基础学科，其研究既要探讨材料的普遍规律，又要有重要的工程价值。研究的范围包括金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料。材料学及其发展不仅与揭示材料本质和演化规律的材料物理与化学学科相关，而且和提供材料工程技术的材料加工过程学科有密切的关系。

（3）材料加工工程学科

是研究控制材料的外部形状和内部组织结构，以及将材料加工成人类社会所需求的各种零部件及成品的应用技术的学科。其研究范围包括金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料等，主要研究这些材料的外部形状和内部组织结构形成规律，材料加工的先进技术和相关工程问题，材料的再循环技术，加工工程的自动化、智能化及集成化，材料加工工程的质量检测与控制，材料加工工程模拟仿真，材料加工的模具和关键设备的设计与改进。随着社会的发展和科技的进步，材料加工工程学科的内涵已经超出了原来的范畴，与材料物理与化学、材料学、机械、自动控制等学科有着密切的联系，是多学科交叉的新学科。

2.具体内容（知识点只是偏重于某一类，并非非属于，各种状态的改变都是通过之间的关系改变的）2.1组织结构

2.1.1基本特性

根据不同的目的和研究方法，材料中的结构是有不同层次的。从电子、声子等到原子、离子、分子，从晶体结构到相、组织，从位错等缺陷到微观裂纹。这些不同层次的知识对我们理解材料的各种行为、性能以及物理、化学的本质非常有帮助。宏观与微观是相对的。要正确地对待材料结构及其层次，应该注意五个共性问题：可分与穷尽，转变与守恒，树木与森林，表象与真实和量变与质变。

（1）可分与穷尽原子的英文是Atom，意思是“不可分”。，应该说物质是可分的，人的认识是不可穷尽的。牛顿力学解释了宏观现象，但应用于原子结构，遇到了困难，于是产生了量子力学。这是认识运动的发展。另一方面，认识也是有层次的。在比较大的尺度内研究物质时，可以忽略太细的物质结构，可以将这些“组元”作为数学上的点。

（2）转变与守恒

在质和能可以互换的条件下，质量与能量的总和保持不变；质量是能量的一种形式，能量又是质量的一种形式。但是，在绝大多数情况下，质量守恒和能量守恒仍然是科学与工程所依赖的两个基本的规律。

系统的质量发生变化时，其内部结构可以发生变化，也可能不发生变化。但是，物质的能量发生变化时，其内能必然要发生变化，而内能又是状态性质，它的变化必然导致状态参量的变化。这对于材料来说是尤其重要的，因为结构决定了性能。

（3）树木与森林树木和树林犹如部分与整体。从层次来看，由微观的层次组成宏观的层次。人们研究材料，到目前为止，有如下的逐步微观化的层次：连续介质→缺口及裂纹→相及分子→原子→电子。

选择结构的层次，应该根据问题的性质和要求，不要盲目地追求微观化。一般来说，接近于工程应用尺寸的结构层次的分析和研究，实用性比较大；较深层次的结构分析和研究，则可用于理解和控制现象。因此，应该根据问题的性质去选择研究的结构层次。研究森林时，就以整个森林为对象，用有代表性的、典型的树木为样品来研究森林；研究树木时，树木就是整体，从树木各部分的研究去理解树木。不能以个别树皮的图像来说明森林特征。应当强调指出，当实验方法的分辨力提高时，则所观察的试样面积的代表性是重要的问题。因为在一定面积的视场内，能够观察到的试样面积是与分辨力成反比的。分辨力高的实验方法才能研究相应的细节，而分辨力低的实验方法便于研究材料的整体。这也就是树木与森林的问题。