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1、1功能材料与应用华中科技大学微系统研究中心武汉光电国家实验室 MOEMS研究部陈明祥2课程内容与目的 主要讲授各种功能材料的特性、分类、表征、制备、应用与发展 突出基本概念 突出材料共性与特性目的： 为非材料专业学生开设 加强对材料科学与工程的了解3课程安排1. 材料科学及其发展2. 陶瓷功能材料3. 半导体功能材料4. 敏感材料（功能转换材料）5. 纳米技术与纳米材料6. 其它功能材料7. 电子封装材料8. 材料制备与测试4 陈明祥华中科技大学机械学院武汉光电国家实验室 F101 室Email: Phone: 027-87542604139714012385材料科学及其发展6材料引言 一 什
2、么是材料? 材料与人类文明 材料科学 二 材料分类与特性 三 材料组成-结构-性质-工艺间关系7一 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、结构、工具、装置等物品的物质总称材料存在于我们周围，与我们的生活、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8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，称为石器时代、青铜器时代和铁器时代在近/现代，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。9石器时代用于碾磨谷物的石盘原
3、始人打制的石器10青铜器时代四羊方尊青铜乐器11铁器时代战国铁犁头战国铁锄12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。13美国 F117 隐形战斗机(表面为具有良好吸波性能的碳纤维复合材料 )14光缆光纤结构15 材料是当代文明的三大支柱之一材料、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
4、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16材料科学材料科学是一门以实体材料为研究对象，以固体物理、热力学、动力学、量子力学、冶金、化工为理论基础的交叉型应用基础学科主要运用电子显微镜、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、工艺和使用过程与其机械、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和特性的一门学科17材料学材料学主要研究材料的共性规律与特性，即材料的组成-形成（工艺）条件-结构-性能-用途之间相互关系及制约规律内容主要包括：材料分类、材料性能、材料结构、材料制备、材料分析等18 2.1 按化学组成
5、（或基本组成）分类 2.2 按材料性能分类 2.3 按服役领域来分类 2.4 按结晶状态分类 2.5 按材料尺寸分类二 材料分类与特性192.1 按化学组成与键性分类1.金属材料:由金属原子组成，原子与原子间依靠共价键而结合，键合理论为自由电子理论2.无机非金属材料: 以金属元素或非金属元素的化合物或非金属元素单质为组元，原子与原子间通过离子键和共价键而结合，键合理论有静电吸引理论、价键理论与分子轨道理论3.高分子材料:以C原子为主要成分，原子与原子间靠共价键而结合，键合理论有价键理论和分子轨道理论4.复合材料: 金属基，非金属基，树脂基，以混合键结合，物理与化合键可能均存在201 金属材料金
6、属材料是由化学元素周期表中的金属元素组成的材料由一种金属元素构成单质 (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可分为固溶体和金属间化合物金属在力学性质方面，具有较高的强度、刚度、延展性及耐冲击性21在107种元素中，除He、Ne、Ar等6种惰性元素和C、Si、N等16 种非金属元素外，其余85种为金属元素除Hg之外，单质金属在常温下呈现固体形态，外观不透明，具有特殊的金属光泽及良好的导电性和导热性合金是由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素熔合在一起形成的具有金属特性的新物质。合金的性质与组成合金的各个相的性质有关，同时也与这些相在合金中的数量、形状及
7、分布有关22合金之一：固溶体溶质原子溶入金属溶剂的晶格中所组成的合金相称为固溶体，两组元在液态下互溶，固态也相互溶解，且形成均匀一致的物质形成固溶体时，含量大者为溶剂，含量少者为溶质，溶剂的晶格即为固溶体的晶格根据溶质原子在溶剂晶体结构中的位置，固溶体可分为 置换固溶体和间隙固溶体23 置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格中的结点位置而形成的固溶体，当溶剂和溶质原子直径相差不大（一般在15以内）时，易于形成置换固溶体 间隙固溶体：溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体，溶剂是直径较大的过渡族金属，而溶质是直径很小的碳、氢等非金属元素，溶质原子与溶剂原子直径之比必须小于0.59 溶质元素含量很少时
8、，固溶体性能与溶剂金属性能基本相同，但随溶质元素含量的增多，会使金属的强度和硬度升高，这种现象称为固溶强化 适当控制溶质含量，可明显提高强度和硬度，同时仍能保证足够高的塑性和韧性，因此固溶体一般具有较好的综合力学性能24不同类型固溶体中原子排列情况如下图 。此外，合金中溶质原子还可能形成丛聚，即同类原子趋于相邻,丛聚可以呈随机弥散分布。事实上，实验中还没有见到溶质原子呈完全随机分布的固溶体。因此，只能在宏观尺度上认为处于热力学平衡态的固溶体是真正均匀的，而原子尺度上并不要求是均匀的（ a）随机置换固溶体（ b）有序置换固溶体（ c）随机间隙固溶体（ d）固溶体中的溶质丛聚25金属元素与其它金属
9、元素或非金属元素之间形成合金时，除固溶体外，还可能形成金属间化合物（IMC）金属间化合物可分为三类，即由负电性决定的原子价化合物（简称价化合物）、由电子浓度决定的电子化合物（亦称为电子相）以及由原子尺寸决定的尺寸因素化合物金属间化合物脆性大，经常称为器件失效的初始部位262 无机非金属材料无机非金属材料是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、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、高分子材料外所有材料总称，与广义的陶瓷材料同义无机非金属材料种类繁多，用途各异，目前还没有统一的分类方法。一般分为传统（普通）和新型（先进）无机
10、非金属材料两大类27传统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，包括水泥、玻璃、陶瓷和耐火材料等。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）也属于传统无机非金属材料。28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。29传统无机非金属材料之一：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硬化，并能够将砂、石等材料牢固地胶结在一起的粉状水硬性胶凝材料水泥、混凝
11、土与制品30水泥种类很多，目前已达一百多种按强度等级（标号）分：32.5, 32.5R, 42.5,42.5R, 按其用途和性能可分为：通用水泥、专用水泥和特种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31 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，如大坝水泥、油井水泥、道路水泥等 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、抗硫酸盐水泥、中热硅酸盐水泥
12、、膨胀硫铝酸盐水泥、自应力铝酸盐水泥等32传统无机非金属材料之二：玻璃玻璃是由熔体过冷所制得的非晶态材料。根据其形成网络的组分不同可分为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃等，其网络形成剂分为SiO2、B2O3和P2O5。习惯上玻璃态材料可分为普通玻璃和特种玻璃两大类普通玻璃是指采用天然原料，能够大规模生产的玻璃, 主要包括日用玻璃、建筑玻璃、微晶玻璃、光学玻璃和玻璃纤维等33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
13、盐、磷酸盐、锗酸盐、碲酸盐、铝酸盐及氧氮玻璃、氧碳玻璃等）、非氧化物玻璃（卤化物、氮化物、硫化物、硫卤化物、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璃等341）CTE匹配：为了降低封装应力，确保器件精度和灵敏度，基板玻璃应与PDP器件材料CTE匹配2）高应变点：为了降低基板玻璃在加工过程中不恰当收缩而造成的像素错位及弯曲变形，基板玻璃应具有较高应变点（大于570 C）3）高体积电阻率：作为绝缘材料，应具有较高体积电阻率4）良好的化学稳定性5）成本低彩色PDP显示器用基板玻璃35陶瓷按其概念和用途不同，可分为两大类，即普
14、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，陶瓷制品可分为陶器和瓷器传统无机非金属材料之三：陶瓷36 普通陶瓷即传统陶瓷，是指以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎、混练、成型、煅烧等过程而制成的各种制品。包括日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、电瓷以及其它工业用陶瓷，如下表 。37普通陶瓷分类方法类 别 主 要 种 类 用 途 中餐具（盘、碗、碟、羹、壶、杯等） 餐具 西餐具（碗、盘、碟、糖缸、奶盅、壶、杯等） 茶具、咖啡具 茶盘、水果盘、点心盘、杯、壶、碟等 酒具 酒壶、酒杯、杯托、托盘 文具 笔筒、笔洗、水盂、EP 色盒、笔架 日用陶瓷 陈设瓷（美术瓷） 花瓶、灯具、
15、雕塑瓶、薄胎碗等 建筑陶瓷 玻化砖（渗花或非渗花） 、彩釉砖、锦砖（马赛克） 、内墙砖、外墙砖、腰线砖、广场砖、劈裂砖、园林陶瓷等 建筑卫生陶瓷 卫生瓷砖 洗面器、大便器、小便器、洗涤器、水箱、水槽、存水弯、肥皂盒、手纸盒、淋浴盒 低压电瓷 用于 1kV 以下的电瓷 高压电瓷 用于 1kV 以上的电瓷、如普通高压瓷、铝质高强度瓷 电瓷 超高压电瓷 用于 500kV 以上的电瓷 耐酸砖 耐酸砖、耐酸耐温砖 耐酸容器 储酸缸、酸洗槽、电解槽、耐酸塔等 耐酸机械（部件） 耐酸离心泵、风机、球磨机等 化工瓷 化学瓷 瓷坩埚、蒸发皿、研钵、漏斗、过滤板、燃烧舟等38 特种陶瓷是用于各种现代工业及尖端科学技术领域的陶瓷制品, 包括结构(工程)陶瓷和功能陶瓷。 结构陶瓷主要用于耐磨损、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。39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
