材料科学与工程专业概论
材料是物
质， 但不是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， 一般都不算是材料。材料是人类赖以生存和发展的物质基础。
二. 材料的分类
然后我们看材料的分类。材料可按其成分及物理化学性质可分为：
a 金属材料（铸铁、碳钢、铝合金 卜
b 无机非金属材料（水泥、玻璃、陶瓷卜
c 有机高分子材料（塑料、合成橡胶、合成纤维 ）
d 复合材料（由两种或两种以上物理、化学、力学性能不同的物质，经人工组合而成的 多相固体材料，如石墨/铝复合材料、碳/陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料）。按使用用途材 料可分为结构材料（主要利用材料的强度、韧性、
弹性等力学性能，用于制造在不同环境下 工作时承受载荷的各种结构件和零部件的一类材料，
即机械结构材料和建筑结构材料） 和功 能材料（由两种或两种以上物理、化学、 力学性能不同的物质，经人工组合而成的多相固体 材料）。
按照应用领域来分材料可以分为电子材料、航空航天材料、核材料、建筑材料、能源材 料、生物材料等。按来源可分为人工材料和天然材料。
三、 材料的地位和作用
1. 材料是人类文明的里程碑
我们中学阶段学过经济发展史，纵观人类利用材料的历史，材料起着举足轻重的作用， 是一切生产和生活的物质基础，是生产力的标志，是人类进步的里程碑。
石器时代：早在一百万年以前， 人类开始进入旧石器时代，可以使用石头作为工具。一
万年以前，人类开始进入新石器时代， 将石头加工成器具和工具如左下角图，
在8000年前, 开始人工烧制成陶器，用于器皿和装饰品如彩陶双耳罐。
青铜器时代：五千年以前，人类开始进入青铜器时代，青铜烧注成型， 用金
属，越王勾践曾使用的青铜剑，中国商代司母戊鼎。
铁器时代：3000年以前人类开始进入铁器时代，生铁冶炼及处理技术推动了农业、水 利、和军事的发展和人类社会进步，直至 18世纪进入了近代工业快速发展时代。
材料是人类进化和文明的标志。石器、青铜器、铁器这些具体的材料被历史学家作为划 分时代的重要标志。材料的发展创新是各个高新技术领域发展的突破口，
新型材料是当代社
会发展进步的促进剂，是现代社会经济的先导，是现代工业和现代农业发展的基础， 也是国 防现代化的保证。材料的发展深刻地影响着世界经济、
军事和社会的发展，同时也改变着人
们在社会活动中的实践方式和思维方式，由此极大地推动了社会进步。 2. 材料是经济和社会发展的先导
第一次工业革命，钢铁工业的发展为蒸汽机的发明和利用奠定了基础。 的发明促进了机械制造和铁路运输等行业发展 .
第二次工业革命，合金钢、铝合金及其他非金属材料的发展是此次工业革命的支撑， 电动机的发明奠定基础.使制造业大力迈入电气化时代 同学们大家好，祝贺同学们考入辽宁工程技术大学材料学院。
相信在座同学除了对大学 生活怎么进行规划感到迷茫， 也会对自己所学专业仍然存在疑虑： 材料学是研究什么的？我 们可以在材料学里学到什么呢？学了这个学科有什么用处呢？因此我们开设这门材料科学 与工程专业概论以解答同学们的这些问题，让咱们对材料学从一个感性认识上升到理性认 识。
一、材料的定义
首先第一节我们介绍一下材料的定义。
材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。 人类开始大量使 转炉和平炉炼钢
第三次工业革命，人工合成高分子材料问世；单晶硅材料为电子技术的发展起到核心作用；航空材料不断进步也是有着新材料研发不可磨灭的功劳
3.材料是现代文明的基石
材料是人类赖以生存和发展的物质基础。进人20世纪80年代以来，在世界范围内高新
技术迅猛发展，国际上展开激烈的竟争，各国都想在生物技术、信息技术、空间技术、能源技术、海洋技术等高技术领域占有一席之地。发展高新技术的关键是材料，因此新型材料的
开发本身就成为一种.荡新技术，称为新材料技术，其标志技术是材料设计，即根据需要来设计具有特定功能的新材料。材料的重要性已被人们充分地认识，能源、信息、材料已被世
人公认为当今社会发展的三大支柱。21世纪的人类科学技术，将以先进材料技术、先进能
源技术、信息技术和生物技术等四大学科为中心，通过其相互交叉和相互影响，为人类创造
出完全不同的物质环境。未来的材料，将是与生物和自然具有很好的适应性、相容性和环境
友好的材料。因此，性能不断提高、来源越来越广泛、能满足人类生活和社会日益增长需要的新材料，将会以更快的速度、更高的质量获得发展。
四、材料科学与工程概述
1、定义材料科学与工程专业是研究材料成分、结构、加工工艺与其性能和应用的学
科」要专业方向有金属材料、无机非金属材料、耐磨材料、表面强化、材料加工等
其目的在于揭示材料的行为。材料科学与工程属于工学学科门类之中的其中一个一级学科，下设3个二级学科，分别是：材料物理与化学、材料学、材料加工工程。
2、材料科学与工程的内涵：材料工程-研究材料在制备过程中的工艺和工程技术问题。
材料科学与工程-研究材料组成、结构、生产过程、材料性能与使用性能以及他们之间的关系。
四要素：组织结构、成分工艺、材料性能与使用性能
下面给同学们材料科学的模型，来帮同学解释下材料科学与工程的内涵。如图所示为材
料4个要素之间的关系。4个要素反映了材料科学与工程研究中的共性间题，其中合成和加工、受加工影响的使用性能是两个普遍的关键要素，正是在这4个要素上，各种材料相互借
鉴、相互补充、相互渗透。抓住了这4个要素，就抓住了材料科学与工程研究的本质。而各种材料，是其特征所在，反映了该种材料与众不同的个性。如果这样去认识，则许多长期困扰材料科技工作者的问题都将迎刃而解。可以依据这4个基本要索评估材料研究中的机遇，
以新的或更有效的方式研制和生产材料，这4个要素的相对重要性，而不必拘泥子材料类别、
功用或从基础研究到工程化过程中所处的地位。同时，也使材料科技工作者可以识别和跟踪
材料科学与工程研究的主要发展趋势。
材料性能是材料功能特性和效用 （如电、磁、光、热、力学等性质 ）的定量度量和描述。 任何一种材料都有其特征的性能和应用。例如 .金属材料具有刚性和硬度，可以用作各种结
构件；它也具有延性，可以加工成导线或受力用线材 ；一些特种合金，如不锈钢、形状记忆合
金、超导合金等，以用作耐腐蚀材料、智能材料和超导材料等。陶瓷有很高的熔点、高的强 度和化学惰性，可用作高温发动机和金属切削刀具等 机械等特性的特种陶瓷， 在相应的领域发挥作用， 有高延伸率的韧性陶瓷
成了材料科技作者追求的目标。
光灿夺目的宝石和性能光学涂层 ；而利用其硬度和导热性，可用作切削工具和传导材料。高 分子材料以其各种独特的性能使其在各种不同的产品上发挥作用。 材料的性能是由材料的内
部结构决定的，材料的结构反映了材料的组成基元及其排列和运动的方式。 材料的组成基元
一般为原子、离子和分子等，材料的排列方式在很大程度上受组元间结合类型的影响，
如金 属键、离子键、共价键、分子键等。组元在结构中不是静止不动的，是在不断的运动中，如 电子的运动、原子的热运动等。 描述材料的结构可以有不同层次， 包括原子结构、原子的排 列、相结构、显微结构、结构缺陷等， 每个层次的结构特征都以不同的方式决定着材料的性 能。物质结构是理解和控制性能的中心环节。
组成材料的原子结构， 电子围绕着原子核的运 动情况对材料的物理性能有重要影响， 尤其是电子结构会影响原子的键合， 使材料表现出金 属、无机非金属或高分子的固有属性。
使用性能是材料性能在工作状态（受力、气氛、温度）下的表现，材料性能可以视为材 料的固有性能，而使用效能则随工作环境不同而异， 及材料与
工艺设计位于多面体的中心， 它直接和其它
特殊地位。 使用性能包括可靠性、有效寿命、速度
用运载工具的）、安全性和寿命期费用等。因此，建立使
用性能与材料基本性能相关联的模 型，了解失效模式，发展合理的仿真试验程序，开展可靠性、耐用性、预测寿命的研究，以 最低代价延长使用期，对先进材料研制、 设计和工艺是至关重要的。这些问题，不仅对大型
结构和机器用的材料， 而且对电子器件、磁性器件和光学器件中的结构元件和其他元件所用 的材料，都是十分必要的。
组织与结构每个特定的材料都含有一个以原子和电子尺度到宏观尺度的结构体系,
对于 大多数材料，所有这些结构尺度上化学成分和分布是立体变化的， 这是制造该种特定材料所 采用的合成和加工的结果。而结构上几乎无限的变化同样会引起与此相应的一系列复杂的材 料性质。因此，在各种尺度上对结构与成分的深人了解是材料科学与工程的一个主要方面。 材料科学的核心内容是结构与性能。
为了深入理解和有效控制性能和结构， 人们常常需要了 解各种过程的现象，如屈服过程、断裂过程、导电过程、磁化过程、相变过程等。材料中各 种结构的形成都涉及能量的变化，
因此外界条件的改变也将会引起结构的改变， 从而导致性 能的改变。因此可以说，过程是理解性能和结构的重要环节，结构是深入理解性能的核心， 外界条件控制着结构的形成和过程的进行。 金属、无机非金属和某些高分子材料在空间均具
有规则的原子排列，或者说具有晶体的格子构造。晶体结构会影响到材料的诸多物理性能， 如强度、塑性、韧性等。石墨和金刚石都是由碳原子组成，但二者原子排列方式不同，导致 强度、硬度及其它物理性能差别明显。当材料处于非晶态时，
与晶体材料相比，性能差别也 很大，如玻璃态的聚乙烯是透明的，而晶态的聚乙烯是半透明的。又如某些非晶态金属比晶 态金属具有更高的强度和耐蚀性能。 此外，在晶体材料中存在的某些排列的不完整性， 即存
在结构缺陷，也对材料性能产生重要影响。
我们在研究晶体结构与性能的关系时， 除考虑其 内部原子排列的规则性，还需要考虑其尺寸的效应。具有高强度特征的一维材料的有机纤维、 光导纤；而具有压电、介电、半导体、磁学、
但陶瓷的脆性则限制了它的应用， 开发具 利用金刚石的耀度和透明性，可制成 但它与材料的固有性能密切相关。 理论 5个要素相连，表明它在材料科学中的 （器件或车辆的）、能量利用率（机器或常
维，作为二维材料的金刚石薄膜、超导薄膜等都具有特殊的物理性能。
成分工艺 工艺是指建立原子、分子和分子聚集体的新排列，在从原子尺度到宏观尺
度的所有尺度上对结构进行控制以及高效而有竞争力地制造材料和零件的演变过程。 合成常
常是指原子和分子组合在一起制造新材料所采用的物理和化学方法。 合成是在固体中发现新
的化学现象和物理现象的主要源泉，合成还是新技术开发和现有技术改进中的关键性要素。 合成的作用包括合成新材料、用新技术合成已知的材料或将已知材料合成为新的形式、
将已 知材料按特殊用途的要求来合成 3个方面。而加工（这里所指的加工实际上是成型加工），除 了上述为生产出有用材料对原子和分子控制外， 还包括在较大尺度上的改变，有时也包括材 料制造等工程方面的问题。对企业来说，材料的合成和加工是获得高质量和低成本产品的关
键，把各种材料加工成整体材料、元器件、结构或系统的方法都将关系到工作的成败，
材料 加工能力对于把新材料转变成有用制品或改进现有材料制品都是十分重要的。
材料加工涉及 许多学科，是科学、工程以及经验的综合，是制造技术的一部分，
也是整个技术发展的关键 一步，它利用了研究与设计的成果，同时也有赖于经验总结和广泛的试验工作。
一个国家保 持强有力的材料加工技术研究能力，对各个工业部门实现高质量、高效率是至关重要的。 3、 材料科学与材料工程的关系
材料科学的核心问题是结构与性能的关系。一般地说，科学是属于研究
畴。材料科学的基础理论体系， 能为材料工程提供必要的设计依据，为更好地选
择材料、使
用材料、发挥材料的潜力、发展新材料等提供理论基础。并可以节省时间、提高可靠性、提 高质量、降低成本和能耗、减少对环境的污染等。
材料工程是属于工程性质的领域，而工程是属于解决“怎样做”的问题。
济地而又能为社会所接受地控制材料的结构、性能和形状。
材料科学和材料工程是紧密联系、 互相促进的。材料工程为材料科学提出了丰富的研究
课题，材料工程技术也为材料科学的发展提供了客观物质基础。
材料科学和材料工程间的不 同主要在于各自强调的核心问题不同，
它们之间并没有一条明显的分界线， 在解决实际问题 时，很难将科学因素和工程因素独立出来考虑。因此，人们常常将二者放在一起，称为“材 料科学与
工程”。
4、 材料科学与工程的发展趋势
长期以来。人们对材料本质的认识是表面的、肤浅的。最初，每种材料的发展、制造和
使
用都是靠工艺匠人的经验，如听声音、看火候，或靠祖传秘方等等。后来，随着经验的 积累出现了 “材料工艺学”，这比工匠的经验进了一大步，但它只记录了一些制造过程和规 律，一般还是知其然不知其所以然。因此，长期以来，材料的发展十分缓慢，只有在“材料 科学”形成之后，材料才得到了迅速的发展。
五、金属材料
定义 金属材料一般是指工业应用中的纯金属或合金。自然界中大约有
70多种纯金属，其中常见的有铁、铜、铝、锡、镍、金、银、铅、锌等等。而合金常 指两种或两种以上的金属或金属与非金属结合而成
，且具有金属特性的材料。常见的合
金如铁和碳所组成的钢合金；铜和锌所形成的合金为黄铜等。 各类材料中应用最广泛， 用量最大的就是金属材料。
分类 金属材料通常分为黑色金属和有色金属两类。黑色金属包括钢和铸
铁。钢按照化学成分分为碳素钢和合金钢； 按照品质又分为普通钢、优质钢和高级优质 钢；按照冶炼方法可分为平炉钢、转炉钢、电炉钢和奥氏体钢；按照用途又分为建筑及 工程用钢、结构钢、工具钢、特殊钢及专用钢。铸铁通常分为灰铸铁、可锻铸铁、球墨 铸铁、蠕墨铸“为什么”的范 其目的在于经
铁和特种铸铁等。 钢铁是现代工业中的主要金属材料，
在机械产品中占整 个用材消耗的一半以上。有色金属是指 Fe 以外的其他金属及其合金。工程上最重要的
有色金属是 A1、Cu 、Zn 、Sn 、Pb 、Mg 、Ni 、Ti 及其合金。有色金属的消耗虽然只占 金属材料总消耗的很少部分，但是因为它们具有独特的导电、导热性，同时相对密度小、 化学性质稳定、耐热、耐腐蚀，因而它们在工程上占有重要地位。
材料性能：
金属材料的性能决定着材料的适用范围及应用的合理性。 四
个方面，即：机械性能、化学性能、物理性能、工艺性能。 机械
性能 金属在一定温度条件下承受外力（载荷）作用时，抵抗变形和断裂的能力
称为金属材料的机械性能 （也称为力学性能）。 金属材料承受的载荷有多种形式，它可以是 静态载荷，也可以是动态载荷，包括单独或同时承受的拉伸应力、压应力、弯曲应力、剪切 应力、扭转应力，以及摩擦、振动、冲击等等。金属材料的机械性能是零件的设计和选材时 的主要依据。外加载荷性质不同
（例如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等 ），对金属材料 要求的机械性能也将不同。常用的机械性能包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性、多次冲击 抗力和疲劳极限等。
1） 强度是指金属材料在静荷作用下抵抗破坏 （过量塑性变形或断裂）的性能。由于载荷 的作用方式有拉伸、压缩、弯曲、剪切等形式，所以强度也分为抗拉强度、抗压强度、抗弯
强度、抗剪强度等。各种强度间常有一定的联系，使用中一般较多以抗拉强度作为最基本的 强度指针。
2） 塑性是指金属材料在载荷作用下，产生塑性变形
（永久变形）而不破坏的能力。 3） 硬度是衡量金属材料软硬程度的指针。
目前生产中测定硬度方法最常用的是压入硬 度法，它是用一定几何形状的压头在一定载荷下压入被测试的金属材料表面， 根据被压入程 度来测定其硬度值。常用的方法有布氏硬度
（HB ）、洛氏硬度（HRA 、HRB 、HRC ）和维氏硬度
（HV ）等方法。
4） 疲劳前面所讨论的强度、塑性、硬度都是金属在静载荷作用下的机械性能指针。 实际上，许多机器零件都是在循环载荷下工作的，在这种条件下零件会产生疲劳。
5） 冲击韧性以很大速度作用于机件上的载荷称为冲击载荷，金属在冲击载荷作用下 抵抗破坏的能力叫做冲击韧性。 化学性能金属与其他物质引起化学反应的特性称为金属的化学性能。
在实际应用中主 要考虑金属的抗蚀性、 抗氧化性（又称作氧化抗力， 这是特别指金属在高温时对氧化作用的 抵抗能力或者说稳定性） ，以及不同金属之间、 金属与非金属之间形成的化合物对机械性能 的影响等等。在金属的化学性能中，特别是抗蚀性对金属的腐蚀疲劳损伤有着重大的意义。
物理性能 金属的物理性能主要考虑
1） 密度（比重）：P =P/V 单位克/立方厘米或吨/立方米，式中P 为重量，V 为体积。在 实际应用中，除了根据密度计算金属零件的重量外， 很重要的一点是考虑金属的比强度 （强 度b b 与密度p 之比）来帮助选材，以及与无损检测相关的声学检测中的声阻抗（密度p 与
声速C 的乘积）和射线检测中密度不同的物质对射线能量有不同的吸收能力等等。
2） 熔点：金属由固态转变成液态时的温度，对金属材料的熔炼、热加工有直接影响，并 与材料的高温性能有很大关系。
3） 热膨胀性随着温度变化，材料的体积也发生变化（膨胀或收缩）的现象称为热膨胀，
多用线膨胀系数衡量，亦即温度变化 1C 时，材料长度的增减量与其 0C 时的长度之比。热 膨胀性与材料的比热有关。在实际应用中还要考虑比容（材料受温度等外界影响时， 量的材料其容积的增减，即容积与质量之比），特别是对于在高温环境下工作，或者在冷、 热交替环境中工作的金属零件，必须考虑其膨胀性能的影响。 金属材料的性能主要分为 单位重
4）磁性能吸引铁磁性物体的性质即为磁性，它反映在导磁率、磁滞损耗、剩余磁感应强度、矫顽磁力等参数上，从而可以把金属材料分成顺磁与逆磁、软磁与硬磁材料。
5）电学性能主要考虑其电导率，在电磁无损检测中对其电阻率和涡流损耗等都有影响。
工艺性能金属对各种加工工艺方法所表现出来的适应性称为工艺性能，主要有以下四
个方面：
1） 切削加工性能：反映用切削工具（例如车削、铳削、刨削、磨削等）对金属材料进行 切削加工的难易程度。
2）
可锻性：反映金属材料在压力加工过程中成型的难易程度，
例如将材料加热到一定温 度时其塑性的高低（表现为塑性变形抗力的大小）
，允许热压力加工的温度范围大小， 冷缩特性以及与显微组织、 机械性能有关的临界变形的界限、 热变形时金属的流动性、 性能等。
3） 可铸性：反映金属材料熔化浇铸成为铸件的难易程度，表现为熔化状态时的流动性、 吸气性、氧化性、熔点，铸件显微组织的均匀性、致密性，以及冷缩率等。
4） 可焊性：反映金属材料在局部快速加热，使结合部位迅速熔化或半熔化（需加压）， 从而使结合部位牢固地结合在一起而成为整体的难易程度，表现为熔点、熔化时的吸气性、 氧化性、导热性、热胀冷缩特性、塑性以及与接缝部位和附近用材显微组织的相关性、 械性能的影响等。
金属材料行业发展金属制品行业包括结构性金属制品制造、
金属工具制造、集
装箱及金属包装容器制造、不锈钢及类似日用金属制品制造，船舶及海洋工程制造等。 随着社会的进步和科技的发展，金属制品在工业、农业以及人们的生活各个领域的运用 越来越广泛，也给社会创造越来越大的价值。
金属制品行业在发展过程中也遇到一些困难， 例如技术单一，技术水平偏低，缺乏先进 的设备，人才短缺等，制约了金属制品行业的发展。为此，可以采取提高企业技术水平，引 进先进技术设备，培养适用人才等提高中国金属制品业的发展。
2009年金属制品行业的产品将越来越趋向于多元化，业界的技术水平越来越高，产品 质量会稳步提高，竞争与市场将进一步合理化。
加上国家对行业的进一步规范， 以及相关行 业优惠政策的实施，2009-2012年，金属制品行业将有巨大的发展空间。 六、材料表面技术
定义 通过对材料基体表面加涂层或改变表面形貌、化学组成、相组成、微
观结构、缺陷状态，达到提高材料抵御环境作用能力或赋予材料表面某种功能特性的工 艺技术。金属材料表面工程学科是涉及范围较广的学科。
总的目的是：在保证材料整体 强度水平不降低的基础上设法应用不同的现代技术手段赋予材料表面各种所需要的性 能。包括：表面准备、表面冷塑性变性强化、表面覆层强化，高能量密度表面强化与改 性、表面淬火强化，化学热处理表面强化及表面特殊涂覆处理和表面复合处理技术等内 容。金属材料，特别是钢铁材料，目前仍旧是机械 ，设备和工程构件的主要材料。国内
机械行业曾对114个大型企业耗用材料的统计资料表明：钢铁材料占
93.13% ;有色金 属占1.85%;非金属材料占 5.2%。目前存在的主要问题是：材料消耗多、禾U 用率低、 质量欠稳定、制成的零部件或工程结构失效较早等。
机械零件失效的主要形式：
a 塑性变形。原因是材料强度不足或过载使用；
断裂三种类型；
c 磨损。按磨损机理分为磨料磨损、冲蚀磨损、粘着磨损和疲劳磨损四类，各类磨损又 可以细分为更具体的一些形式。
d 腐蚀。在环境及周围介质作用下，对金属材料及零件的腐蚀。
在以上四种失效形式中，磨损、疲劳和腐蚀占 80%以上。由现代理化手段分析后证实： 失效通常是从材料的表面开始的， 而且往往是因其表面性能不高所致。 故研究金属材料的表 热胀 导热 对机 b 断裂。有韧性断裂、脆性断裂和疲劳
面及其相应的强化方法有十分重要的意义。
化成处理主要有：化学镀、电镀、发蓝、发黑、磷化和铝的阳极氧化等；面覆层主要为热喷 涂、热堆焊覆层（衬）和用玻璃和地沥清等覆衬于其表面，以达热、耐蚀、防滑、修复尺寸 和防腐等目的。
f 高能量密度表面强化。以极高密度的能量作用于金属表面使其发生物理、化学变化， 达到强化或表面改性的目的称为高能量密度表面强化。 特点是： 方法简单、 时间短、 变形小、 高效率等，但设备复杂，造价高。采用：电子束、激光束、太阳能和高频冲击表面感应加热 等。能量密度：以电子束和激光束提供的能量密度最高，可达到：
3 108~109W/cm2 。火焰 和高频加热的能量密度为 102~103W/cm2。Laser 被美国和过俄罗斯首先用于工业处理上 ,我
国上海光机所于 90 年代曾用于齿轮的齿面淬火。
g 表面复合处理。将两种或两种以上的表面处理 （或强化 ）工艺用于同一工件的表面强化 的方法称为表面复合处理。目的：发挥各自的优点 ,更大限度地提高金属的表面性能。例如： 热浸镀铝 +热扩散 ,使镀层结合牢固 ;渗碳热处理 +喷丸 ;感应加热淬火 +喷丸等。
材料表面技术特点 使金属材料基体强度不变的前题条件下， 设法使其表面具 有各种
优异的特殊性能。例如：高硬度、高耐磨性、耐蚀、抗疲劳（接触、高周、腐蚀 疲劳等）特殊的物理和化学性能（反光、吸收电磁波、发光、电导、电绝缘性能和生物 相容性涂层等）。此外，还有装饰作用。
材料表面技术发展 以化学热处理为例， 采用微机配以先进的传感元件进行碳、 氮势
控制； 运用可控气氛实现少无氧化加热等。 以表面许需要的特有性能为例： 船甲板 的防滑处理等； 以特殊的物理性能为例， 发光涂层， 吸收电磁波的涂层生物容性涂层等。
七、无机非金属材料
1 ）定义 无机非金属材料是以某些元素的氧化物、 碳化物、氮化物、卤素化合物、 硼化 物以及硅酸盐、 铝酸盐、 磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。 是除有机高分子材料和金属材 料以外的所有材料的统称。 无机非金属材料的提法是 20世纪 40年代以后， 随着现代科学技 术的发展从传统的硅酸盐材料演变而来的。 无机非金属材料是与有机高分子材料和金属材料
并列的三大材料之一。
2） 成分结构陶瓷结构一般具有多晶多相的特征 （含有玻璃相和气相）。绝大多数陶瓷 表面强化技术
? 分类 通常按表面强化技术的性质分类，可以分为：
a 化学热处理表面强化；
b 表面淬火强化；
c 表面覆层（化成处理覆层、覆衬、
PVD 薄膜和热浸渗）强化及装饰；
d 表面冷塑性变形强化；
e 表面复合强化；
f 表面高能量 密度改性与强化。
? 各类表面强化的概况。
a 化学热处理表面强化。 即用渗入原子在材料表层内扩散而形成人工内污染层， 以改变 表层的化学成分为先决条件， 再进行不同处理后赋与表面和内部不同的组织， 从而具有不同 性能的表面强化方法。例如：钢的渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、热浸渗和渗金属等等。
b 表面淬火。不改变材料的化学成分， 只是因表层相变而产生的强化方法称为表面淬火。 例如：高频、中频和表面感应加热淬火、火焰加热表面淬火、电子束、激光（
Laser ）束加 热表面淬火等。
c 表面冷塑性变形强化。 在金属材料的再结晶温度之下， 使其表层发生冷塑性变形后达 到表层加工硬化， 弥补其表面轻微脱碳和细小缺陷并形成表层残余压应力的强化方法称为表 面冷塑性变形强化。 其显著作用就是提高金属材料及其制品的高周疲劳寿命， 度愈高，其表面强化效果愈显著。表面冷塑性变形强化的方法有： 层喷丸强化。其中，喷丸强化用得最普遍。
d 表面覆层强化及装饰。 使金属表面获得特殊的覆盖层， 及装饰等目的工艺方法都称为表面覆层强化及装饰。 它分为： 衬。表面镀膜主要有物理气相沉积（ PVD ） 、化学气相沉积（ 表面滚压、 CVP 、 且材料本身强 内孔挤压和表 耐蚀、抗疲劳
以提高其耐磨、 表面镀膜， 化成处理和表面覆
CVD ）和分子外延技术等；
是一种或几种金属元素与非金属元素组成的化合物。按照性能和用途，陶瓷可分为传统陶瓷
和特种陶瓷，后者随着现代技术的发展，又更准确地给予了其他更多的命名。特种陶瓷是以
人工合成化合物（氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等）为主要原料制成，用于技术和工程领
域的应用，如信息、能源、机械、化工、动力、生物、航天航空及其它高新技术领域。传统
陶瓷多以天然硅酸盐矿物为主要原料，经粉碎、成型和烧结制成，主要用作日用陶瓷、建筑
陶瓷和卫生陶瓷。要求烧结后不变形、外观美，但对强度要求不高。在晶体结构上，无机非金属的构远比金属复杂，并且没有自由的电子。具有比金键和纯共价键更强的离子键和混合键。这种化学键所特有的高键能、高键强赋予这一大类「无机非金属材料材料以高熔点、高
硬度、耐腐蚀、耐磨损、高强度和良好的抗氧化性等基本属性，以及宽广的导电性、隔热性、透光性及良好的铁电性、铁磁性和压电性。
3）材料性能：普通无机非金属材料的特点是：耐压强度高、硬度大、耐高温、抗腐蚀。此外，水泥在胶凝性能上，玻璃在光学性能上，陶瓷在耐蚀、介电性能上，耐火材料在防热
隔热性能上都有其优异的特性，为金属材料和高分子材料所不及。但与金属材料相比，它抗
断强度低、缺少延展性，属于脆性材料。与高分子材料相比，密度较大，制造工艺较复杂。特种无机非金属材料的特点是：①各具特色。例如：高温氧化物等的高温抗氧化特性；氧化
铝、氧化铍陶瓷的高频绝缘特性；铁氧体的磁学性质；光导纤维的光传输性质；金刚石、立方氮化硼的超硬性质；导体材料的导电性质；快硬早强水泥的快凝、快硬性质等。②各种物
理效应和微观现象。例如：光敏材料的光-电、热敏材料的热一电、压电材料的力一电、气
敏材料的气体-电、湿敏材料的湿度-电等材料对物理和化学参数间的功能转换特性。③不同性质的材料经复合而构成复合材料。例如：金属陶瓷、高温无机涂层，以及用无机纤维、晶须等增强的材料。
八、当前新材料的发展方向
1.高性能化、高功能化、高智能化
随着人类对材料的性能与微观结构的研究与认识，决定材料性能的本质已被或正在
被人们揭示和掌握，并通过新工艺、新技术、新设备，在日益成熟的现代材料设计理论的
指导下，创造出各种性能更好的新型材料。结构材料在向强度、刚度、韧性、耐高温、耐
腐蚀、高弹、高阻尼大幅度提高的方向发展。高性能结构材料不断出现和广泛应用，促进
新产品向体积小、重量轻、资源省、能耗低、成本低、利润高的方向发展。功能材料也在
由单一功能向多种功能开发方向发展，并把功能材料与元器件结合起来，实现一体化，即材料本身就具有元器件的功能，这样就促进了元器件的小型化和多功能化。智能材料是近年来与信息科学紧密结合而产生的，它同时具有感知和激励双重功能。如形状记忆合金, 压电陶瓷，光导纤维，磁致伸缩材料等。智能材料是一种超功能材料，这些功能往往能够
解决传统材料难以解决的技术难题。在重要工程和尖端技术领域具有重大的应用前景。例如，美国空军采用智能材料制造飞机机翼，可随工作状态的不同自动调节形状，改变升力
和阻力，以适应飞机的起降，使飞机更加安全，降低油耗。将微型分子传感器植入材料和
分子结构中，用这些建造的构件和建筑物可进行自动监控，如果超负荷或者老化可发出警
报。
2.复合化
由于单一材料，如金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料都有各自的优缺点, 难以满足当代高技术中综合性能的要求，因此现代材料科学正朝着复合材料方向发展。把
不同种类和不同性能的材料通过一定的途径和技术复合为一体，扬长避短，取长补短，可
获得比单一材料性能更好或具有某种特殊性能的复合体材料。例如，由碳纤维增强的陶瓷
基复合材料，其抗冲击强度比普通陶瓷高40倍，能经受数千度高温，已成为航空工业的重
要结构材料。材料的复合化是改进和提高材料性能的一条很好途径，是当前新材料研究的
重要发展方向。
3.极限化
极限化的含义是指在尺寸、压力、温度、纯度各种量纲范围内追求极限，而使材料的性能产生根本性的飞跃。例如，在超高温、超高压条件下用石墨可合成金刚石，在超高真空中、制备新型的半导体器件和高度集成的芯片。利用宇宙空间实验室内的微重力、高
真空、超低温、无菌等特殊环境制备在地面无法制备的具有特殊性能的新材料，如合成新
医药制品、冶炼高纯金属等。
4.仿生化
通过研究自然界中生物体的物质结构及其特有的功能，获得一种制备新材料的思路和途径，并在某些材料的设计和制造中加以模仿。用现有简单而丰富的原料，通过错综复杂的生物过程制得高强度和多功能的新材料。例如，人们对蜘蛛丝的研究发现，蛛丝比钢
丝更硬更富有弹性，具有很强缓冲外力冲击能力，而且低温性能良好，是制造防弹服装和
降落伞的理想材料，于是人们得到启示，通过把水溶性的蛋白质分子纺织成既坚韧又不溶
解的人造蛛丝，用来制作军用品。生物医用材料也是一种仿生材料，与人体组织有很好的
相容性能，可对人体组织和器官进行矫形、修补，再造，以维持原有性能，保障人体健康。某些仿生材料以生物体合成的蛋白质为基础，用它取代以矿石为原料的金属材料和以石油为原料的工程塑料高分子材料，既能解决资源能源枯竭问题，又对环境没有任何危害，从
而开创材料科学技术的新纪元。
5.环境友好化
在资源不断枯竭、环境不断恶化的情况下，为确保人类社会文明可保持发展，材料科学家提出了绿色材料或环境友好材料的概念。它是一种资源和能源消耗少、再生循环利用率高，或可降解使用的具有优异适用性能的新型材料。与传统材料相比，环境友好材
料充分注意到人类发展的长远利益，以满足人类社会可持续发展的目标。例如，废弃的普
通塑料越来越多，并因其耐久性而长久存留自然界已经成为公害。目前研制出的可降解塑
料，如生物降解塑料、化学降解塑料、光降解塑料，就是利用微生物、化学或光照的作用
把塑料降解掉，变成无害物质回归自然。