材料科学与基础引言

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1、材料科学基础 Fundamentals of Materials Science,毕业院校：湘潭大学 研究方向：氧化锌基稀磁半导体材料，和氧化 锌纳米结构的场发射性能。 发表文章10余篇，其中8篇为外文核心期刊收录。,INSTRUCTOR INFORMATION,课程性质：技术基础课,教学目的与要求： 1 掌握材料科学研究的内容及其要素之间的逻辑关系. 2 了解材料发展的现状与发展趋势. 3 了解本课程的学习方法.,一、 材料科学的含义,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、我们的生命息息相关

2、。材料是人类文明、社会进步、科技发展的物质基础。,材料科学就是研究各种材料的成分、工艺、组织和性能之间相互关系的科学。 材料科学是一门以固体材料为研究对象，以固体物理、热力学、动力学、量子力学、冶金、化工为理论基础的边缘交叉基础应用学科，它运用电子显微镜、X-射线衍射、热谱、电子离子探针等各种精密仪器和技术，探讨材料的组成、结构、制备工艺和加工使用过程与其机械、物理、化学性能之间的规律的一门基础应用学科，是研究材料共性的一门学科。,人类居住的住宅图,1、原始人居住的洞穴,原始人居住的洞穴,2、用茅草搭起来的房屋,用茅草搭起来的房屋,用茅草搭起来的房屋,3、用树枝、泥巴盖的房子,用树枝、泥巴盖的

3、房子,用树枝、泥巴盖的房子,4、用石头砌成的石屋,用石头砌成的石屋,用石头砌成的石屋,5、用木棍、木板搭起来的房屋,用木棍、木板搭起来的房屋,用木棍、木板搭起来的房屋,6、用砖、水泥等盖起来的住宅,用砖、水泥等盖起来的住宅,用砖、水泥等盖起来的住宅,7、高楼大厦,高楼大厦,高楼大厦,8、现代居室,现代居室,现代居室,材料由一定配比的若干相互作用的元素组成。,铝合金：主要合金元素有铜、硅、镁、锌、锰， 次要合金元素有镍、铁、钛、铬、锂等。,钢是以铁、碳为主要成分的合金，它的含碳量一般 小于2.11% 。 钢按化学成分分为碳素钢（简称碳钢）与合金钢两 大类。碳钢是由生铁冶炼获得的合金，除铁、碳为

4、其主要成分外，还含有少量的锰、硅、硫、磷等杂 质。,三、材料的定义,材料是有一定配比的若干相互作用的元素组成、具有一定结构层次和确定性能，并能用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的物质。 材料是物质，但不表示所有物质都可以称为材料。如燃料和化学原料、工业化学品、食物和药物，一般不能算是材料。,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。,四、 材料对人类文明进步的意义,材料是当代文明的三大

5、支柱之一 材料、能源、信息是当代社会文明和国民经济的三大支柱，是人类社会进步和科学技术发展的物质基础和技术先导 材料是全球新技术革命的四大标志之一（新材料技术、新能源技术、信息技术、生物技术）,新材料既是当代高新技术的重要组成部分，又是发展高新技术的重要支柱和突破口。 正是因为有了高强度的合金，新的能源材料及各种非金属材料，才会有航空和汽车工业； 正是因为有了光纤，才会有今天的光纤通讯； 正是因为有 了半导体工业化生产，才有今天高速发展计算机技术和信息技术。 当今世界各 国在高技术领域的竞争，在很大程度上是新材料水平的较量。,新材料在高技术中的作用,航天飞机,返回舱,航空器的发展对材料的要求,

6、蒙皮的最高温度可达1000以上,航空器的发展对材料的要求,发动机的工作温度则高达2000。,航空器发展的设计和性能要求,当代飞机设计已经进入损伤容限设计时代，对产品的可靠性和耐久性提出了很高的要求，军机如此，民机尤甚。如美国F15飞机设计寿命为4000h，而对新一代歼击机的定寿指标为8000h。民航机无裂纹寿命要求30000h，经济寿命要求在60000h以上，故障要求低于10-9。 我国大运：3000060000h，大客更长,航空器发展对材料的要求,航空飞行器的工作条件十分复杂，就飞机而言，军用飞机要求提高机动性、近距格斗和全天候作战的能力;民用飞机则要求安全性、可靠性、舒适性、经济性，相应地

7、要求发展大推比和长寿命的发动机以及先进的火控电子设备和仪表系统； 所以对航空材料的主要要求是耐高温、高比强、抗疲劳、耐腐蚀、长寿命和低成本。,航天器发展对材料的要求,航天器，包括：火箭、卫星、飞船、航天飞机和空间站。 与飞机工作条件显著不同，这里讲的火箭是指发射卫星、飞船、航天飞机到指定空间轨道的运载工具。,航空航天材料处于极端苛刻的服役环境：超高温、超低温、高真空、高应力、强腐蚀、射线辐照、原子氧、粒子云、陨石。 设计准则：静强度设计损伤容限设计 设计选材时的决定因素：寿命期成本、比强度、疲劳寿命、断裂韧性、储存期及可靠性、可维修性。 结构材料发展的关键：轻质高强和高温耐蚀 功能材料发展的关

8、键：高性能，智能化,航空航天器对材料的要求,航空飞行器使用的材料,机体材料 发动机材料 机载设备材料,机体材料,趋势：大量采用高比强度和高比模量的轻质、高强、高模材料提高飞机的结构效率，降低飞机结构重量系数。 树脂基复合材料和钛合金用量增加 传统铝合金和钢材的用量减少,机体材料,飞机结构材料用量对比（结构重量百分数）,B787和A380：复合材料的用量超过50%,发动机材料,以第四代歼击机及其配套发动机需求为例,机载设备材料（眼、耳、脑、神经、血管等）,运载火箭及导弹材料,航天功能材料,微电子元器件材料 光电子元器件材料 信息材料（传输、存储和显示） 传感器敏感元件材料 隐身和智能材料,轻合金

9、及超高强度钢,1、铝合金：民用飞机主体材料；变形、铸造、粉末； Al合金：占B777机体结构重量的70 2、钛合金：、 、铸造、粉末 Ti-6Al-4V（TC-4）：占F22机体总重量的36 3、镁合金：铸造、变形、快速凝固粉末 Mg-Li合金：可以比水轻 4、超高强度钢：最低屈服强度大于1380MPa；低、中、高合金化 300M钢：主要承力件，如飞机起落架,高温金属结构材料,1、高温钛合金：使用温度上限600 , 如： Ti-1100 2、镍基高温合金: 强化机制(Ni3(Al、Ti)/ 3、金属间化合物：Al化物、Si化物 4、难熔金属及其合金：钼、钽、铌、钨、铼、铱,未来先进航空发动机求

10、,先进航空发动机的推重比达到1215，涡轮前燃气温度将达到18002100 ， 这就需要研究发展更新一代的高温材料，例如耐816 TiAl金属基复合材料； 耐温1093金属间化合物；耐1200-1400C的Nb-Si合金;耐1538 陶瓷材料 ；耐1800Ir基合金; 耐温1371隔热涂层等。,航空器发展的设计和性能要求,当代飞机设计已经进入损伤容限设计时代，对产品的可靠性和耐久性提出了很高的要求，军机如此，民机尤甚。如美国F15飞机设计寿命为4000h，而对新一代歼击机的定寿指标为8000h。民航机无裂纹寿命要求30000h，经济寿命要求在60000h以上，故障要求低于10-9。 我国大运：

11、3000060000h，大客更长,图 磁悬浮列车,新材料在高技术中的作用,19世纪末，低温技术获得了显著的进展。 1877年氧气被首先液化，液化温度90K，随后人们又液化了液化温度是77K的氮气。 1898年杜瓦(JDewar)第一次把氢气变成液氢，液化温度为20K，他发明了以他的名字命名的杜瓦瓶。 1906年， 卡末林昂纳斯液化了最后一个“永久气体”氦气，获得4K的低温，为三年后卡末林昂纳斯发现超导电性奠定了实验基础。,2.1.1超导体的基本性质,五个特性 1. 零电阻效应,2.完全抗磁性,1933年，德国物理学家迈斯纳（W.Meissner）和奥森菲尔德（R.Ochsenfeld）对锡单晶

12、球超导体做磁场分布测量时发现：当置于磁场中的导体通过冷却过渡到超导体时，原来进入此导体中的磁力线会一下子被完全排斥到超导体之外，如图，超导体内磁感应强度变为零，这表明超导体是完全抗磁体，超导体的这种现象称为迈斯纳效应。,正常态 超导态,Meissner效应,3 存在临界磁场 前面我们已经知道了当温度高于临界温度时，超导态被破坏而变成正常态，即有电阻的状态。通过实验还发现，超导电性也可以被外加磁场所破坏。在低于的任一温度下，当外加磁场强度小于某一临界值时，超导电性可以保持；当外磁场超过某一数值的时候，超导电性会被突然破坏而转变成正常态。我们将称作临界磁场。实验表明：对一定的超导体，临界磁场是温度

13、的函数，达到临界温度了时，临界磁场为零。,4. 存在临界电流 如果在不加磁场的情况下在超导体中通过足够强的电流也将会破坏超导电性， 破坏超导电性所需要的电流称作临界电流 。在临界温度下，临界电流为零。,5. 同位素效应 超导体的临界温度 与其同位素质量 有关。 越大， 越低，这称为同位素效应。 有如下近似关系： =常数。,2.2 低温超导材料,超导技术是当今世界三大高技术(即超导、光电子和生命工程)之一。,高温超导体,所谓高温超导体是相对传统超导体而言的。传统超导体必须在液氦温度42K下工作. 铜氧化物超导体是可以在液氮温度77K下工作的，通常称之为高温超导体。 传统超导体转变温度很低，这给超

14、导的应用带来了极大的困难。如何提高材料的Tc以及寻求高Tc材料的超导体，自从超导电性被发现以来，一直是科学家们的研究课题。,1986年以前，人们发现周期表中相当一部分元素在各种不同的条件下出现超导电性，超导体种类繁多。40年代初，人们发现了第一个转变温度较高的超导体氮化铌NbN，其Tc15K。50年代以后，又发现了多种高临界温度超导材料，如V3Si、Nb3Ge等,此间超导临界温度纪录一直在缓慢地提高。 直到1973年，在Nb3Ge薄膜中得到了23.2K的最高临界转变温度纪录。此后该纪录再未被打破. 1986年柏诺兹(J.G.Bednorz，1950-)和缪勒(K .A .Muller,1927

15、-)首次发现LaBaCuO(镧钡铜氧化物)陶瓷材料中存在35K的超导转变，为超导体的研究开辟了崭新的道路.,将超导体从金属、合金和化合物扩展到氧化物陶瓷。 陶瓷材料在常温下一般是绝缘体，在低温下一下子变成了超导体，大大出乎人们的意料，改变了从金属和合金中寻找超导材料的传统想法。 虽然新型超导体的转变温度还远没有达到室温，但在液氮温区实现超导也是极大的飞跃。由于液氮与液氦相比，价格便宜100倍，冷却效率高63倍，且氮十分安全，故大大扩展了超导的应用前景，使沉闷了半个多世纪的超导界一下子变得气氛活跃起来。 为此，柏诺兹和缪勒共同获得诺贝尔物理学奖。,(1)合金超导体,最早的超导线材为Nb-Zr系，

16、用于制做超导磁体。特点：低磁场高电流,70年代中期，在Nb-Zr，Nb-Ti合金的基础上又发展了一系列具有很高临界电流的三元超导合金材料， 如 Nb-40Zr-10Ti，Nb-Ti-Ta等，它们是制造磁流体发电机大型磁体的理想材料。,(2)化合物超导体,化合物超导体与合金超导体相比，临界温度和临界磁场(TC ,HC)都较高。,化合物超导材料按其晶格类型可分为B1型(NaCl型)，A15型，C15型(拉威斯型)，菱面晶型(肖布莱尔型)。,其中最受重视的是A15型化合物，Nb3Sn和V3Ga最先引起人们的注意，其次是Nb3Ge，Nb3Al，Nb3(AlGe)等。 A15型化合物都具有较高的临界温度，如Nb3Sn，18K；V3Si，17K；Nb3Ce，23.2K。 但实际能够使用的只有Nb3Sn和V3Ga两种，其它化合物由于加工成线材较困难，尚不能实用。,(3)