绪论
INTRODUCTION
? 什么是材料?
? 材料与人类文明
? 什么是材料科学？
? 0.1 材料分类
? 0.2 组成 -结构 -性质 -工艺过程之间的关系
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、
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。材料是人类文明、社会进
步、科技发展的物质基础。
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。
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 。
? 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 ）。
什么是材料科学？
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。
材料科学基础课程的教学内容
材料科学基础课程是材料科学与工程专业的重要
的学科基础课之一，主要介绍材料科学中的共性规律，
即材料的组成 -形成（工艺）条件 -结构 -性能 -材料用
途之间相互关系及制约规律。内容主要包括：材料种
类、晶体结构、缺陷化学、非晶体结构、材料的表面
与界面、相图、扩散、相变、固相反应及烧结等基础
知识。
0.1 材料分类
? 0.1.1 材料按化学组成（或基本组成）分类
? 0.1.2 根据材料的性能分类
? 0.1.3 材料按服役的领域来分类
? 0.1.4 材料按结晶状态分类
? 0.1.5 材料按材料的尺寸分类
? 按 物理性质 可分为：导电材料、绝缘材料、半
导体材料、磁性材料、透光材料、高强度材料、
高温材料、超硬材料等。
? 按 物理效应 分为：压电材料、热电材料、铁电
材料、非线性光学材料、磁光材料、电光材料、
声光材料、激光材料等。
? 按 用途 分为：电子材料、电工材料、光学材料、
感光材料、耐酸材料、研磨材料、耐火材料、建
筑材料、结构材料、包装材料等。
0.1.1 按化学组成（或基本组成）分类
1,金属材料
2,无机非金属材料
3,高分子材料 （ 聚合物 ）
4,复合材料
1.金属材料
金属材料是由化学元素
周期表中的金属元素组成的
材料。可分为由一种金属元
素构成的单质（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。合金又可分为固溶
体和金属间化合物。
2,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。是除金属材料、高分子材料以外所有材料的
总称。它与广义的陶瓷材料有等同的含义。无机非金属材
料种类繁多，用途各异，目前还没有统一完善的分类方法。
一般将其分为传统的（普通的）和新型的（先进的）无机
非金属材料两大类。
传统的无机非金属材料 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
括陶瓷, 玻璃, 水泥和耐火材
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 ） 也属于传统的
无机非金属材料 。
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。
传统的无机非金属材料之一：陶瓷
陶瓷按其概念和用途不
同，可分为两大类，即 普通
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 。
? 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。
? 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。
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、低膨胀陶瓷、红外辐射陶瓷等）、
化学功能陶瓷（多孔陶瓷载体等）、生物功能
陶瓷等。
? 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 。陶器包括粗陶
器、普陶器和细陶器。陶器的坯体结构较疏
松，致密度较低，有一定吸水率，断口粗糙
无光，没有半透明性，断面成面状或贝壳状。
传统的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。
普通玻璃包括日用玻璃、建筑玻璃、微晶玻璃、光学玻璃
和玻璃纤维等。
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 。
传统的无机非金属材料之三：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
细粉状水硬性材料。
水泥的种类很多，按其用途和性能可
分为：通用水泥、专用水泥和特性水泥三大
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。目前水泥品种已达一
百多种。
? 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，如油井水泥、
砌筑水泥等。
? 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、抗硫酸盐硅酸盐水泥、中
热硅酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥、自应力铝
酸盐水泥等。
传统的无机非金属材料之四：耐火材料
耐火材料是指耐火度不低于 1580℃ 的无机非
金属材料 。 它是为高温技术服务的基础材料 。 尽
管各国对其定义不同, 但基本含义是相同的, 即
耐火材料是用作高温窑炉等热工设备的结构材料,
以及用作工业高温容器和部件的材料, 并能承受
相应的物理化学变化及机械作用 。
大部分耐火材料是以天然矿石（如耐火粘土、
硅石、菱镁矿、白云母等）为原料制造的。
3,有机高分子材料（高聚物）
高聚物是由一种或几种简单低
分子化合物经聚合而组成的分子量
很大的化合物。高聚物的种类繁多，
性能各异，其分类的方法多种多样。
按高分子材料 来源 分为天然高分子
材料和合成高分子材料；按材料的
性能和用途 可将高聚物分为橡胶、
纤维、塑料和胶粘剂等。
4,复合材料
复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织结构不
同的材料组合而成。复合材料是多相材料，主要包括基本
相和增强相。基体相是一种连续相材料，它把改善性能的
增强相材料固结成一体，并起传递应力的作用；增强相起
承受应力（结构复合材料）和显示功能（功能复合材料）
的作用。复合材料既能保持原组成材料的重要特色，又通
过复合效应使各组分的性能互相补充，获得原组分不具备
的许多优良性能。
复合材料的种类繁多，目前还没有统
一的分类方法，下面根据复合材料的三要素
来分类。按 基体材料 分类，有金属基复合材
料，陶瓷基复合材料，水泥、混凝土基复合
材料，塑料基复合材料，橡胶基复合材料等；
按 增强剂形状 可分为粒子、纤维及层状复合
材料；依据复合材料的性能可分为结构复合
材料和功能复合材料。
0.1.2 根据材料的性能分类
根据材料在外场作用下其性质或性能
对外场的响应不同，材料可分为 结构材
料 和 功能材料 。
? 结构材料 是指具有抵抗外场作用而保持自己
的形状、结构不变的优良力学性能（强度和
韧性等），用于结构目的的材料。这种材料
通常用来制造工具、机械、车辆和修建房屋、
桥梁、铁路等。是人们熟悉的机械制造材料、
建筑材料，包括结构钢、工具钢、铸铁、普
通陶瓷、耐火材料、工程塑料等传统的结构
材料（一般结构材料）以及高温合金、结构
陶瓷等高级结构材料。
? 功能材料 是具有优良的电学、磁学、光
学、热学、声学、力学、化学和生物学
功能及其相互转化的功能，被用于非结
构目的的高技术材料。
0.1.3 材料按服役的领域来分类
根据材料服役的技术领域可分为 信息
材料, 航空航天材料, 能源材料, 生物
医用材料 等。
0.1.4 材料按结晶状态分类
?单晶材料 是由一个比较完整的晶粒构成的材
料, 如单晶纤维, 单晶硅；
?多晶材料 是由许多晶粒组成的材料，其性能
与晶粒大小、晶界的性质有密切的关系。
?非晶态材料 是由原子或分子排列无明显规律
的固体材料，如玻璃、高分子材料。
0.1.5 按材料的尺寸分类
材料按材料的尺寸可分为零维材料、
一维材料、二维材料、三维材料。
? 零维材料 即超微粒子，通过 Sol-gel法、多
相沉积或激光等方法，可以制备出亚微米级
的陶瓷或金属粉末，大小 1— 100nm的超微粒
比表面积大（可作为高效催化剂）、比表面
能高、熔点低、烧结温度下降、扩散速度快、
强度高而塑性下降慢、电子态由连续能带变
为不连续、光吸收也发生异常现象（可以成
为高效微波吸收材料）。
? 一维材料,如光导纤维由于其信息传输量远
比铜、铅的同轴电缆大，而且光纤有很强的
保密性，所以发展很快。再比如脆性块状材
料在变成细丝后便增加了韧性，可以用来增
强其它的块状。实用纤维为碳纤维、硼纤维、
陶瓷纤维。纤维中强度和刚度最高的要算晶
须。
? 二维材料（薄膜）,如金刚石薄膜、高温超导薄
膜、半导体薄膜。由于薄膜的电子所处状态和外
界环境的影响，可表现出不同的电子迁移规律，
完成特定的电学、光学或电子学功能，如成为绝
缘体、铁电体、导体或半导体等，从而有可能作
为光学薄膜用于非线性光学、光开关、放大或调
幅、敏感与传感元件，用于显示或探测器，用于
环保或表面改性的保护膜。
? 三维材料 即块状材料。
合成与制备过程
使用效能
性质
组
成
与
结
构
（ 化学 ）
（ 工程 ）
（ 物理学 ）
图 组成 -结构 -性质 -工艺过程之间关系示意
图
0.2 组成 -结构 -性质 -工艺过程之间的 关系
材料的 性质 是指材料对电, 磁, 光, 热, 机械载荷的
反应, 主要决定于材料的组成与结构 。
使用效能 是材料在使用状态下表现的行为, 它与材料
设计, 工程环境密切相关 。 实用性能包括可靠性, 耐用性,
寿命预测及延寿措施等 。
合成与制备 过程包括传统的冶炼、铸锭、制粉、压力
加工、焊接等，也包括新发展的真空溅射、气相沉积等新
工艺，使人工合成材料如超晶格、薄膜材料成为可能。
材料科学与工程
科学方面 ——
偏重于研究材料的 合成与制备、组成与结构、
性能与使用效能 各组员本身及其相互间关系的规
律；
工程方面 ——
着重与研究如何利用这些规律性的研究成果
以新的或更有效的方式 开发并生产出材料,
提高材料的使用效能，以满足社会的需要。
工程研究中还应包括 ——
材料制备与表征所需的仪器、设备的设计与
制造。
在材料科学与工程的发展中，科学与工程彼
此密切结合，构成一个学科整体。
1.合成与制备
合成 —— 指促使原子、分子结合而构成材料
的化学与物理过程。合成的研究既包括有
关 寻找新合成方法 的科学问题，也包括以
适当的数量和形态 合成材料的技术问题 ；
既包括 新材料的合成,也应包括 已 有材料
的新合成方法 （如溶胶 -凝胶法）及其 新
形态 （如纤维、薄膜）的合成。
制备 — 研究如何控制原子与分子使之构成
有用的材料。这一点是与合成相同的，但制
备还包括在更为 宏观的尺度 上或以更大的规
模控制材料的结构，使之具备所需的性能和
适用效能,即包括材料的 加工、处理、装
配和制造 。
简而言之，合成与制备就是将原子、分子聚
合起来并最终转变为有用产品的一系列连续
过程。
把合成制备简单的与工艺等同起来而忽略其基
础研究的科学内涵，是不恰当的！
在合成与制备中工程性的研究固然重要,基础
研究也不应忽视 。对材料合成与制备的动力学过程
的研究可以 揭示过程的本质,为改进制备方法建立
新的制备技术提供科学基础。
以晶体材料为例 —— 在晶体生产中如果不了解
原料合成与生产各阶段发生的物理化学过程、热量
与质量的传输、固液界面的变化和缺陷的生成以及
环境参数对这些过程的影响，就不可能建立并掌握
生长参数优化的制备方法，生长出具有所需组成、
完整性、均匀性和物理性的晶体材料。
以陶瓷材料为例 ——
陶瓷材料的最严重的问题是可靠性差，原因是
制备过程落后以致材料的微结构和特性缺少均匀性
和重复性 。研究结果已表明，若粉料在材料制备中
发生团聚，则材料难免出现分布不均匀的气孔从而
导致性能不均一。
为提高材料的可靠性，必须对制备过程中的每
阶段所发生的化学、物理变化认真加以研究并做出
必要的表征 。
陶瓷材料中颗粒间界的强度远远低于颗粒或晶
粒本身的强度。
为了提高材料强度，对颗粒间晶界结构、本质
和在制备中的变化过程以及这些过程如何受制备条
件的影响，进行基础性的研究，是极其重要的。
2,组成与结构
组成 —— 指构成材料物质的原子、分子及
其分布；除主要组成以外,杂质 及对无机非
金属材料结构与性能有重要影响的微量添加
物亦不能忽略。
结构 —— 则指组成原子、分子在不同层次上
彼此结合的形式、状态和空间分布，包括 原
子与电子结构, 分子结构、晶体结构、相结
构、晶粒结构、表面与晶界结构、缺陷结构
等 ； 在尺度上则包括 纳米以下, 纳米、微米、
毫米及更宏观的结构层次 。
了解材料的 组成与结构 及它们同 合成
与制备 之间,性能与使用效能 之间的内
在联系，一直是 无机非金属材料科学与
工程 的基本研究内容 。
0.3 材料物理化学的研究方法
1、材料物理化学的性质：
研究材料科学与工程涉及的各种物质
聚集状态的结构和结构变化，以及结构
对性能的决定作用。
2、基本思路：
化学组成 结构 性能
决定 决定
0.4 参考教材
,无机材料科学基础, 陆佩文 主编
武汉工业大学出版社
,硅酸盐物理化学, 陆佩文 主编
东南大学出版社
,硅酸盐物理化学, 丁子上 等主编
中国建筑工业出版社
,无机材料物理化学, 叶瑞伦 主编 天津大学
,怎样看硅酸盐相图, 沈鹤年
,玻璃物理化学导论, P.贝尔塔等著
中国建筑工业出版社
,陶瓷导论, W.D.Kingery中国建筑工业出版社
