一．材料的定義、特點與分類
1.定義
物質經材料合成或材料化後才成為材料，材料具有指定工作條件下使用要求的形態和物理狀態的物質。
2.分類
材料按物理化學屬性可分為：金屬、無機非金屬、高分子材料、複合材料；
按**可分為：天然材料和人造材料；
按用途可分為：功能材料和結構材料；
按狀態可分為：氣態、固態和液態。
3.材料的幾大效應
（1）材料的介面效應
材料的介面有晶界、相界、亞晶界、孿晶界等。材料的力學效能、物理效能及化學、電化學效能都與材料的各種介面有著非常密切的關係。材料的形變、斷裂與失效過程，起源於各種介面的佔了大部分，材料加工過程中的各種變化也基本上都與介面有關。
介面的研究在材料科學中有著重要的地位。不同材料的介面有以下幾種效應。
a.分割效應。是指乙個連續體被分割成許多小區域，其尺寸大小、中斷程度、分散情況等對基體力學效能及力學行為的影響；
b.不連續效應。介面上引起的結構、物理、化學等性質的不連續和介面摩擦出現的現象，如電阻、介電特性、耐熱性、尺寸穩定性等；
c.散射和吸收效應。介面處對聲波、光波、熱彈性波、衝擊波等各種波產生的散射和吸收，影響材料的透光性、隔熱性、隔音性、耐衝擊性等；
d.感應效應。介面產生的感應效應，特別是應變、內部應力及由此產生的某些現象，如高的彈性、低的熱膨脹性、耐熱性等。
介面問題涉及介面兩側原子的對勢、電子態和電子結構、介面原子鍵合的性質、結合能、介面兩側晶體結構和介面晶體結構的關係、介面切變模量、介面位錯形核與反應、環境對介面過程的影響等多方面的問題。介面的熱力學、介面偏析、介面擴散、介面化學反應等都是材料科學中的重要問題，特別是奈米材料的介面及其新的效應、複合材料的介面更是現代材料科學研究中的熱點。
（2）材料的表面效應
晶體表面也是材料介面的一種，只是材料的固體表面和周圍介質（氣體、液體）的介面。材料表面的原子、分子或離子具有未飽和鍵，並且由於結構的不對稱而造成晶格畸變，所以材料表面都具有很高的反應活性和表面能，而且具有強烈降低其表面能，力求處於更穩定能量狀態的傾向。
（3）材料的復合效應
複合材料具有的復合效應主要有線性效應和非線性效應。線性效應有平均效應、平行效應、相補效應、相抵效應等；非線性效應有相乘效應、誘導效應、共振效應、系統效應等。一般結構複合材料具有線性效應，但很多功能複合材料則可利用非線性效應創造出來，最明顯的是相乘效應。
（4）材料的形狀記憶效應
具有一定形狀的固體材料，在某一低溫狀態下經過塑性變形後，通過加熱到這種材料固有的某一臨界溫度以上時，材料又恢復到初始形狀的現象，稱為形狀記憶效應。具有形狀記憶效應的材料稱為形狀記憶材料。
（5）材料的動態效應
各類材料的失效大都是由量變到質變的動態過程。加強對失效動態過程的分析研究，才能更深刻地揭示材料的失效機理及其控制因素。
（6）材料的環境效應
由於在材料的加工、製備、使用及廢棄過程中對生態環境造成很大的破壞，使全球環境汙染問題變得日益嚴峻。因此，對材料的生產和使用而言，資源消耗是源頭，環境汙染是末尾。材料的生產、使用與資源及環境有著密切的關係。
（7）材料的奈米效應
奈米材料是超細微材料，是指由微小顆粒（絕大多數為晶體，其特徵尺度至少在乙個方向上為奈米量級）組成的固體，其典型的晶粒尺度為 1nm～100nm。隨著物質的超細微化，奈米材料表面電子結構和晶體結構發生變化，產生了巨集觀物體所不具備的小尺寸效應、量子效應、表面效應和介面效應等四大效應。這就是材料的奈米效應。
這些效應使得奈米材料具有一系列優異的力學、磁性、光學和化學等巨集觀特性。
小尺寸效應是當超微顆粒尺寸不斷減小，在一定條件下，會引起材料巨集觀物理、化學性質上的新變化。
量子效應是指當粒子尺寸下降到某一值時，金屬費公尺能級附近的電子能級由準連續變為離散的現象，由此導致的奈米微粒的電磁、光學、熱學和超導等微觀特性和巨集觀性質表現出與巨集觀塊體材料不同的特點。
表面效應是指奈米粒子的表面原子與總原子數之比隨著奈米粒子尺寸的減小而大幅度地增加，粒子表面能及表面張力也隨著增加，從而引起奈米粒子性質的變化。
介面效應是奈米材料的結構有很大比例的原子處於缺陷環境中。
二．材料的研究內容
1.研究分類
（1）材料物理與化學學科
以理論物理、凝聚態物理和固體化學等為理論基礎，應用現代物理與化學研究方法和計算技術，研究材料科學中的物理與化學問題。從電子、原子、分子等層次上著重研究材料的微觀組織結構的轉變規律，以及它們與材料的各種物理、化學效能之間的關係，並運用這些規律來改進材料效能，研究開發先進材料與器件，發展材料科學的基礎理論，探索從基本理論出發進行材料設計，著重現代物理與化學的新概念和新方法在材料研究中的應用。
（2）材料學學科
材料學研究材料的組成、結構、工藝、性質和使用效能之間的相互關係，致力於材料的效能優化、工藝優化及材料的開發與合理應用。材料學是實用性比較強的應用基礎學科，其研究既要**材料的普遍規律，又要有重要的工程價值。研究的範圍包括金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料和複合材料。
材料學及其發展不僅與揭示材料本質和演化規律的材料物理與化學學科相關，而且和提供材料工程技術的材料加工過程學科有密切的關係。
（3）材料加工工程學科
是研究控制材料的外部形狀和內部組織結構，以及將材料加工**類社會所需求的各種零部件及成品的應用技術的學科。其研究範圍包括金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料和複合材料等，主要研究這些材料的外部形狀和內部組織結構形成規律，材料加工的先進技術和相關工程問題，材料的再迴圈技術，加工工程的自動化、智慧型化及整合化，材料加工工程的質量檢測與控制，材料加工工程模擬**，材料加工的模具和關鍵裝置的設計與改進。隨著社會的發展和科技的進步，材料加工工程學科的內涵已經超出了原來的範疇，與材料物理與化學、材料學、機械、自動控制等學科有著密切的聯絡，是多學科交叉的新學科。
2.具體內容（知識點只是偏重於某一類，並非非屬於，各種狀態的改變都是通過之間的關係改變的）
2.1組織結構
2.1.1基本特性
根據不同的目的和研究方法，材料中的結構是有不同層次的。從電子、聲子等到原子、離子、分子，從晶體結構到相、組織，從位錯等缺陷到微觀裂紋。這些不同層次的知識對我們理解材料的各種行為、效能以及物理、化學的本質非常有幫助。
巨集觀與微觀是相對的。要正確地對待材料結構及其層次，應該注意五個共性問題：可分與窮盡，轉變與守恆，樹木與森林，表象與真實和量變與質變。
（1）可分與窮盡原子的英文是 atom，意思是「不可分」。，應該說物質是可分的，人的認識是不可窮盡的。牛頓力學解釋了巨集觀現象，但應用於原子結構，遇到了困難，於是產生了量子力學。
這是認識運動的發展。另一方面，認識也是有層次的。在比較大的尺度內研究物質時，可以忽略太細的物質結構，可以將這些「組元」作為數學上的點。
（2）轉變與守恆
在質和能可以互換的條件下，質量與能量的總和保持不變；質量是能量的一種形式，能量又是質量的一種形式。但是，在絕大多數情況下，質量守恆和能量守恆仍然是科學與工程所依賴的兩個基本的規律。
系統的質量發生變化時，其內部結構可以發生變化，也可能不發生變化。但是，物質的能量發生變化時，其內能必然要發生變化，而內能又是狀態性質，它的變化必然導致狀態參量的變化。這對於材料來說是尤其重要的，因為結構決定了效能。
（3）樹木與森林樹木和樹林猶如部分與整體。從層次來看，由微觀的層次組成巨集觀的層次。人們研究材料，到目前為止，有如下的逐步微觀化的層次：
連續介質→缺口及裂紋→相及分子→原子→電子。
選擇結構的層次，應該根據問題的性質和要求，不要盲目地追求微觀化。一般來說，接近於工程應用尺寸的結構層次的分析和研究，實用性比較大；較深層次的結構分析和研究，則可用於理解和控制現象。因此，應該根據問題的性質去選擇研究的結構層次。
研究森林時，就以整個森林為物件，用有代表性的、典型的樹木為樣品來研究森林；研究樹木時，樹木就是整體，從樹木各部分的研究去理解樹木。不能以個別樹皮的影象來說明森林特徵。應當強調指出，當實驗方法的分辨力提高時，則所觀察的試樣面積的代表性是重要的問題。
因為在一定面積的視場內，能夠觀察到的試樣面積是與分辨力成反比的。分辨力高的實驗方法才能研究相應的細節，而分辨力低的實驗方法便於研究材料的整體。這也就是樹木與森林的問題。
（4）表象與真實
從表面觀察到的各種影象，如何獲得材料內部結構的真實情況，這是關於結構的另乙個共性的問題。首先，結構的測定都是採用黑箱法，所以必須理解測量的原理；其次，要考慮上面所討論的樹木與森林的問題，即所觀察到的影象是否典型及有無代表性的問題；第三，實驗中經常有干擾與假象的問題，儀器、試樣和觀察者的故障與缺陷，都會導致假象。必須強調的是，材料科學主要以實驗科學研究為基礎，所以在實驗過程中所有不正確的方法和操作都會使實驗結果和資料有偏差，甚至是假象。
這是必須注意的。
（5）量變與質變（奈米結構的特性）
在自然科學各個學科領域中，某一現象、某一事物從量變到質變是乙個普遍的規律，在現代奈米材料中更為突出。。當固體微顆粒的尺寸逐步減小時，量的變化在一定條件下會引起理化性質的質變。例如，磁性超微粒子在尺寸小到一定範圍時，就會失去鐵磁性，而表現出順磁性，也稱為超磁性。
在許多方面如光、電、熱及化學等性質上表現出與大塊位置有明顯的差別，有時甚至是反常的。
2.1.2材料結構的穩定性
一般情況下，材料中單相平衡結構都處於能量的谷值。材料結構穩定和亞穩定狀態都能穩定存在，它們都處於能量的低谷。不過，亞穩定高於穩定，從亞穩態轉到穩定態不是自發的，需要借助於某種啟用過程克服，啟用能由能量起伏提供的。
由於動力學和結構學的原因，亞穩態是廣泛存在的。組織或結構的穩定性是指在一定條件下的相對穩定性程度。不穩定的因素是隨環境條件而變化的。
2.1.3材料結構的測定與表徵
材料結構的測定和表徵實際上有兩個工作系統，乙個是材料，乙個是人。對於材料來說，輸入是可見光及環境干擾，輸出是反射波構成的影象；對於人來說，輸入就是材料測試時所輸出的影象資訊，人們要利用所儲存的知識來進行判斷、表徵，然後作出結論，即輸出。這是材料結構測定方法的共性。
這兩個工作系統的所有方法都有分辨力和環境干擾的問題。
化學組元含量的定性測定，最廣泛應用的是化學分析。現在快速的物理方法，如光譜法、x 射線法等，逐步在取代傳統的化學分析法。如需要了解各相或區域性區域的化學成分，進行定位分析，有直接和間接的兩種方法。
間接法是採用化學的或電化學方法分離要分析的相，再進行一般的或微量的化學分析，並且可用 x 射線法確定相的結構；直接法有示蹤原子法、電子探針、離子探針、俄歇能譜等。
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上海應用技術學院2005 2006學年第 1 學期 材料科學研究方法 期 中 末 a b 試卷 班級 姓名 學號 分數 我已閱讀了有關的考試規定和紀律要求，願意在考試中遵守 考場規則 如有違反將願接受相應的處理。試卷共 2 頁，請先檢視試卷有無缺頁，然後答題。一.名詞解釋 15分，每小題3分 1 焦...
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