第二章第二章 材料科学与工程的四个基本要素材料科学与工程的四个基本要素合成与加工合成与加工性质性质/ /使用性能使用性能结构结构（化学）（化学）（工程）（工程）（物理学）（物理学）组成组成材料的使用依赖于材料的材料的使用依赖于材料的性能性能，而其性能都是，而其性能都是由其由其化学组成化学组成和和结构结构决定的只有从微观上了解材料的只有从微观上了解材料的组成、结构与性能的组成、结构与性能的关系关系，才能有效地选择制备和使用材料才能有效地选择制备和使用材料总论总论本章主要内容本章主要内容1材料的组成材料的组成材料的组成材料的组成2材料的结构材料的结构材料的结构材料的结构3材料的合成与加工材料的合成与加工材料的合成与加工材料的合成与加工4材料的性质与使用性能材料的性质与使用性能材料的性质与使用性能材料的性质与使用性能2.1 2.1 材料的组成材料的组成材料由原子和分子组合而成材料由原子和分子组合而成材料的材料的化学组成化学组成：组成材料最基本、独立的物质，：组成材料最基本、独立的物质，可为纯元素或稳定的化合物，以及其种类和数量可为纯元素或稳定的化合物，以及其种类和数量材料的材料的相组成相组成：材料中具有同一化学成分并且结：材料中具有同一化学成分并且结构相同的均匀部分称为构相同的均匀部分称为相相。
组成材料的相的种类组成材料的相的种类和数量称为和数量称为相组成相组成可分为单相材料、多相材料单相材料、多相材料自然界中的元素和物质自然界中的元素和物质 人类从天然材料的使用到人造材料的制备人类从天然材料的使用到人造材料的制备人类从天然材料的使用到人造材料的制备人类从天然材料的使用到人造材料的制备 , , , ,材料的发展与地材料的发展与地材料的发展与地材料的发展与地球中所孕含的元素和物质的存在形式密切相关球中所孕含的元素和物质的存在形式密切相关球中所孕含的元素和物质的存在形式密切相关球中所孕含的元素和物质的存在形式密切相关材料所用的原料均取自于地壳材料所用的原料均取自于地壳地球地球 = = 地壳地壳 + + 地幔地幔 + + 地核地核硅铝氧化物硅铝氧化物花岗岩质层花岗岩质层硅铁镁氧化物硅铁镁氧化物玄武岩质层玄武岩质层硅镁层硅镁层金属硫化物、氧化物金属硫化物、氧化物熔融铁、镍熔融铁、镍地壳中主要元素的储量地壳中主要元素的储量氧氧(O)(O)：50%50%，存在于水、岩石和各种有机体，存在于水、岩石和各种有机体硅硅(Si)(Si)：25%25%，存在于，存在于800800余种硅酸盐矿物中余种硅酸盐矿物中铝铝(Al)(Al)：8.23%8.23%，存在于岩石矿物中，存在于岩石矿物中铁铁(Fe)(Fe)：5.8%5.8%，存在于，存在于300300余种矿物中余种矿物中钙钙(Ca)(Ca)：5.2%5.2%， 以碳酸盐、硫酸盐和硅酸以碳酸盐、硫酸盐和硅酸盐等形式存在。
盐等形式存在此外，此外，钠钠(Na)(Na)、钾、钾(K)(K)、镁、镁(Mg)(Mg)、钛、钛(Ti)(Ti)上述九种元素约占地壳总重量的上述九种元素约占地壳总重量的99%99% 以上以上90%名次名次 名称名称 含量含量 主要存在形式主要存在形式 占地壳总重占地壳总重 1 1O O49495050 H H2 2O O、岩石、有机体、岩石、有机体90.0390.0399992 2SiSi25252626SiOSiO2 2、800800种矿物种矿物1/31/33 3AlAl7.457.458.238.23岩石（长石、云母）岩石（长石、云母）4 4FeFe4.24.25.85.8300300种矿物种矿物5 5CaCa3.253.255.25.2CaCOCaCO3 3、CaSOCaSO4 4、CaSiOCaSiO4 4 9.59.56 6NaNa2.42.47 7K K2.352.358 8MgMg2.352.359 9NiNi2.242.24其余其余9090多种元素的重量加起来不到地壳总重的多种元素的重量加起来不到地壳总重的1 1地壳中主要元素的储量地壳中主要元素的储量地壳中主要元素的储量地壳中主要元素的储量在在103103种元素中，惰性元素种元素中，惰性元素 6 6 种种 非金属元素非金属元素 1616 种种 金属元素金属元素 8181 种种CuCu、ZnZn、PbPb的含量分别为的含量分别为0.00060.0006、0.00090.0009、0.0000010.000001，但这些元素有但这些元素有很强的富集能力很强的富集能力，经富，经富集可达到百分之几、百分之几十。
集可达到百分之几、百分之几十已知矿物约有已知矿物约有2000200030003000种，最常见的有种，最常见的有100100多种金属、玻璃、陶瓷、高分子材料的原料大多数来自金属、玻璃、陶瓷、高分子材料的原料大多数来自矿物地壳中的矿物组成：地壳中的矿物组成：n单质矿物：单质矿物：9090多种，占地壳总重的多种，占地壳总重的0.10.1CuCu、Ag Ag 、AuAu、PtPt、BiBi、SbSb、C C、S Sn硫化物类矿物：硫化物类矿物：200200多种，占地壳总重的多种，占地壳总重的7575其中FeFex xSnSn和和H H2 2S S 占占7575n氧化物类矿物：氧化物类矿物：有有200200多种，占地壳总重的多种，占地壳总重的1717FeFe、CrCr、MnMn、AlAl、TiTi、SnSn、NbNb、TaTa、U U、ReRe等元素的重要矿物等元素的重要矿物n卤化物类矿物：卤化物类矿物：氢氟酸、盐酸、溴氢酸、氢碘酸所形成的氢氟酸、盐酸、溴氢酸、氢碘酸所形成的盐，阳离子主要是盐，阳离子主要是K K+ +、NaNa+ +、CaCa2+2+、MgMg+ +等n含氧盐类矿物：含氧盐类矿物：占已知矿物的占已知矿物的2/32/3。
硅酸盐、硫酸盐、磷酸硅酸盐、硫酸盐、磷酸盐、钒酸盐、碳盐、钒酸盐、碳 酸盐等金属金属 单质、合金如单质、合金如 FeFe、AlAl、CuCu、TiTi、ZnZn、MgMg、Ni Ni 无机非金属无机非金属金属元素和非金属元素组成的化合物，金属元素和非金属元素组成的化合物， 通常为通常为氧化物、氮化物、碳化物等氧化物、氮化物、碳化物等陶瓷陶瓷 AlAl2 2O O3 3、TiOTiO2 2、ZnOZnO、SiOSiO2 2、SiCSiC、 SiSi3 3N N4 4 BN BN水泥水泥 SiOSiO2 2CaOCaOAlAl2 2O O3 3FeFe2 2O O3 3玻璃玻璃 SiOSiO2 2CaOCaONaNa2 2O O有机高分子有机高分子 C C（为主）结合（为主）结合H H、O O 还结合还结合N N、S S、P P、ClCl、F F、SiSi等等 聚合度聚合度30030025002500，分子量，分子量2 21616万万 材料的化学组成材料的化学组成金属：单相材料金属：单相材料普通陶瓷：晶相玻璃相气孔多相材料普通陶瓷：晶相玻璃相气孔多相材料水泥：水泥：C C2 2S S、C C3 3S S、C C3 3A A、C C4 4AFAF多相材料。
多相材料玻璃：单相材料玻璃：单相材料高分子：单相材料高分子：单相材料复合材料：多相材料复合材料：多相材料材料的相组成材料的相组成材料的结构是指材料的组元及其排列和运动方式材料的结构是指材料的组元及其排列和运动方式包含形貌、化学成分、相组成、晶体结构和缺陷等包含形貌、化学成分、相组成、晶体结构和缺陷等内涵材料的结构决定材料的性能材料的结构决定材料的性能 材料结构的描述材料结构的描述： 1. 1. 宏观组织结构宏观组织结构: : 1000,000 nm1000,000 nm 2. 2. 微观显微结构微观显微结构: : 10 10 1000 nm1000 nm 3. 3. 纳米结构纳米结构: : 100nm100nm 4. 4. 键合结构键合结构: : 原子原子/ /离子间的化学键离子间的化学键 5. 5. 原子结构原子结构: : 原子的电子结构原子的电子结构2.2 2.2 材料的结构材料的结构原子结构、电子结构原子结构、电子结构是研究材料特性的两个最基本的物是研究材料特性的两个最基本的物质层次质层次; ; 键合结构键合结构: : 描述原子描述原子/ /离子间的化学键性质离子间的化学键性质纳米结构纳米结构: : 纳米尺度上的结构纳米尺度上的结构显微组织（显微结构显微组织（显微结构, Microstructure, Microstructure）指多晶材料的指多晶材料的微观形貌、晶体学结构和取向、晶界、相界、界面相、微观形貌、晶体学结构和取向、晶界、相界、界面相、亚晶界、位错、层错、孪晶、固溶和析出、偏析和夹杂、亚晶界、位错、层错、孪晶、固溶和析出、偏析和夹杂、有序化等。
有序化等 宏观组织（宏观组织（MacrostructureMacrostructure）如材料的孔隙、岩石的层如材料的孔隙、岩石的层理、木材的纹理（纤维状）等理、木材的纹理（纤维状）等不同层次的结构不同层次的结构金的金的(111)(111)晶面结构晶面结构 （原子力显微镜）（原子力显微镜）材料的显微结构对材料的性能具有相当大的影响材料的显微结构对材料的性能具有相当大的影响原子结构原子结构金刚石C-C共价键结合的金刚石硬度大、熔点高，其在切割刀具上的薄膜涂层使其具有较好的抗磨损性能 10-10 m （1）金刚石涂层刀具金刚石涂层刀具原子排列：长程有序原子排列：长程有序锆钛酸铅 Pb(ZrxTi1-x)O3 （PZT）当晶体结构中离子配位多面体以四面体和菱面体的方式排列时，材料表现出压电性能PZT 陶瓷广泛地应用于点火装置、超声波发生器及振动控制10-10 10-9 m (110)原子排列：短程有序原子排列：短程有序硅玻璃 (SiO2) 中Si+4和O-2 形成四面体，四面体之间的连接是无序的，故而称为短程有序，即无定形结构无定形的硅玻璃构成了光学通信工业的基础10-10 10-9 m (110)光导纤维光导纤维纳米结构纳米结构纳米氧化铁(5-10 nm) 颗粒分散在液体中，制备铁磁流体和液态磁体，用于扩音器的传热冷却。
10-9 10-7 m (1100 nm)显微结构显微结构大部分金属和合金的力学性能受晶粒大小的影响很大，晶粒和晶界是晶态材料显微结构特征的一部分通常，室温下，较细的晶粒具有较高的强度材料很多重要的性质也受到显微结构显著的影响10-8 10-6 m (101000 nm)不锈钢材料的显微结构（晶粒和晶界）宏观结构宏观结构涂层：汽车车身上的油漆等，不仅仅为了美观，还提高了抗涂层：汽车车身上的油漆等，不仅仅为了美观，还提高了抗腐蚀性能腐蚀性能 1010-3-3 m (1000,000 nmm (1000,000 nm).).无机、有机涂层保护了汽车车身免受腐蚀，并且使其更加美观无机、有机涂层保护了汽车车身免受腐蚀，并且使其更加美观2.2.1 2.2.1 原子结构原子结构原子的结构影响到原子之间的键合，并进一步影响原子的结构影响到原子之间的键合，并进一步影响到材料的力学性能和物理性质到材料的力学性能和物理性质Atoms = nucleus (protons and neutrons) + electrons电荷电荷: 电子和质子具有相同大小的负电荷和正电荷，电子和质子具有相同大小的负电荷和正电荷， 1.6 1.6 1010-19-19 库仑库仑. .中子是电中性的。
中子是电中性的质量质量: 质子和中子具有相同的质量质子和中子具有相同的质量, 1.67 10, 1.67 10-27-27 kg. kg.电子的质量较小电子的质量较小, , 在计算原子的质量时往往可忽略在计算原子的质量时往往可忽略9.11 109.11 10-31-31 kg kg 原子质量原子质量 (A)(A) = = 质子质量质子。