金属原子容易失去最外层的电子而成为正离子，脱离原子的电子为所有正离子所共有，在金属内部自由运动形成,电子气,。正离子与,电子气,相互作用使粒子结合在一起，该种结合力称为 金属键 。 金属键没有方向性与饱和性。
外层电子已经饱和的原子（氩、氖、氦、氙等）以及某些分子（ HCl,CO,O2,H2等 )，在低温下组成晶体时，离子间靠微弱的吸引力而相结合，该种结合力称为 分子键 或 范德瓦耳斯键。
（ 2） 结构类型,原子或分子的几何排列即结构类型，所决定的基本物性有力学性、热学性、光学的各向异性、双折射等。
（ 3） 缺陷,晶体中存在的原子空穴、填隙原子、杂质原子、
位错统称为缺陷。
缺陷既有使材料性能下降的一面，也有显示功能性的一面。
近年来发展起来的多种功能材料，有不少是利用由缺陷引起的敏感性来实现的。
（ 4） 织构,织构是指组成及结构相同或不同的分散材料在组合成为整体时的聚合状态。织构对材料的力学性质、热学性质等有重大影响。（如织布）运用固体物理及量子化学的理论，开展相平衡、缺陷分布、织构形成等规律的研究，弄清组成、结构、
状态、缺陷与材料性能的关系，是材料科学研究的主要内容。
精细结构 肉眼光学显微镜下的影像 光学显微镜
扫描电子显微镜下的影像 扫描电子显微镜
2．研究材料的形成机理和制备方法为获得有用的材料，首先要了解它的形成机理，以便采取有效的方法和措施。在合成有机高分子材料时，
要知道用什么单体，采用哪一种聚合反应。培养单晶材料要了解晶体生长的机制，找出合适的生长方法。熔炼金属、烧结陶瓷都要依据它们的物理化学变化过程，选择适当的工艺条件。只有对这些规律充分认识并掌握好制备方法，才能使材料在生产中质量稳定，成品率提高。
3英寸碳化硅单晶 金刚石单晶
3．研究材料的测试技术为了合理地使用材料，需要对材料的各种物性有较全面的了解，对材料的进行分析、检测就是完成这项任务。例如利用扫描电子显微镜，能够显示出分子的空间结构，清楚地观察位错和空隙的位置；利用电子计算机能把微观缺陷在材料中的行为定量地计算出来；利用各种类型的断裂韧性、动平衡、无损探伤等实验仪器，可以检验材料的机械性能和质量。但是仅依靠技术性能测试，有时尚不能完全反映真实情况，还需要进行实际应用的 模拟试验或采用特别设计的方法进行测试，才能保证材料在使用过程中所经受的工作条件和使用周期的考验。此外，还要制定统一的材料测试方法和检验标准。
布氏硬度计 韧性试验仪 材料腐蚀试验仪
三、材料科学的任务
1．提高现有材料的利用率。
现有材料品种繁多，用途广泛，
不胜枚举。但是如何提高现有材料的利用率，乃是材料科学的一个主要任务。首先要应用材料力学原理，提高选材和机械设计水平，使各种工程合理使用材料，使材料能充分发挥其功能，并保证安全可靠。
其次要发展各式各样的涂层和表面工艺，如等离子喷涂、激光处理等以加强表面防护。 液氮温度下超导磁浮体
2．解决合格材料的制备问题。
在许多新技术、新产业和现代化工程项目中，很关键的问题是要按照需要设计和制备出合格的材料。因为先进的技术必然对材料的性能有相当高的要求。比如，研究受控热核反应需要十几万高斯以上的强磁场条件，而为了产生这种强磁场，即必须研制出在液氮温区的高温超导材料。 （ 液氮临界温度 77K）
现在航天飞机的外板是特殊陶瓷制成的，当航天飞机进入大气层时候温度升到一定程度就脱落掉，相当于脱一层皮。航天飞机外壳用钛合金制作，还涂上好多层绝热材料 —— 改性电木，就是改性酚醛树脂 。
欧洲月球探测器,智能１
号,2006年 9月 3
日撞击月球，击出月球表面撞出一个直径 3至 10米的坑，并把月球表面尘埃送上十几公里的高空。
3．不断研究和开发新材料。
新型材料的不断出现，对现代产业和高新技术的发展起着巨大的推动作用。为使自己的产品在国际市场上独占鳌头，各国都拼命在新型材料的研制上下功夫，尤其重视独创性的新型材料的研究和开发。显然，不断研制更多、更好的新材料将是材料科学永恒的主题。
（ 1969年珍宝岛中苏之战,我军 75毫米无后坐力炮,85毫米加农炮和 56式火箭筒等都无法击穿 苏联 T-62坦克正面装甲 。被 我军地雷炸毁的 苏联坦克，苏军用炮火想摧毁，但被我军炮击冰面沉到江底，又从江底拉回，现展览于北京军事博物馆。 ）
四,新材料高技术的研究热点与趋势
1,当前材料科学发展的总趋势
① 材料与器件趋向于一体化，达到小型化和多功能化。
② 制造材料的新工艺、新流程及结构与性能的新测试方法，
往往成为新材料和研究材料的突破点。
③ 材料的复合是得到所需性能的最经济而重要的途径。
④ 分子和原子尺度的研究工作日趋重要，以形成零维、一维、
二维材料。
⑤ 材料与生物的交叉日趋发展，从而得到与生物相近的高效率、高功能的新材料。
金相显微镜 战略导弹核潜艇 嫦娥一号探月卫星 中国 99式主战坦克
2.当前材料科学的研究热点
（ 1）低能材料的研究 低能材料（ 0,1,2维）不同于块状（ 3维）材料，不仅存在尺寸效应，更重要的是量子状态的影响，从而导致电、磁和光学等方面的性能奇异变化。
① 零维材料 —— 它指的是超微粒子或纳米级
（ 1～ 100nm）晶体或非晶体，这类材料具有以下特点：
熔点下降 由于自由能的升高,10nm直径的微粒，
其熔点值,Fe为 33℃,Au为 27℃,Al为 18℃,从而大大降低了烧结温度，如 (钛 ） TiO2的烧结温度从 900℃ 降到 500℃,W从 2000℃ 降到 1100℃ 。
扩散加剧 纳米材料的扩散系数提高 100倍左右，
且扩散距离大大缩短，溶质原子的溶解度也大为提高，
如（ 铋 ） Bi在常规 Cu中的溶解度为 10－ 4％，而在纳米
Cu中溶解度提高到 4％ 。
随着高科技的发展，材料科学和新材料主要在以下几个方面得到发展。①复合材料是结构材料发展的重点，其中主要包括树脂基高强度、高模量纤维复合材料，金属基复合材料，陶瓷基复合材料及碳碳基复合材料等。表面涂层或改性是另一类复合材料，其量大面广、经济实用，具有广阔的发展前景。②功能材料与器件相结合，并趋于小型化与多功能化。特别是外延技术与超晶格理论的发展，使材料与器件的制备可以控制在原子尺度上，这将成为发展的重点。③开发低维材料。
低维材料具有体材料不具备的性质。
例如零维的纳米级金属颗粒是电的绝缘体及吸光的黑体，以纳米微粒制成的陶瓷具有较高的韧性和超塑性；纳米级金属铝的硬度为块体铝的 8倍；
作为一维材料的高强度有机纤维、光导纤维，作为二维材料的金刚石薄膜、超导薄膜等都已显示出广阔的应用前景。④信息功能材料增加品种、
提高性能。这里主要是指半导体、激光、红外、
光电子、液晶、敏感及磁性材料等，它们是发展信息产业的基础。高温超导材料将会继续得到重视，并预计在 20世纪末达到产业化。 ⑤生物材料将得到更多应用和发展。
⑥ 传统材料仍将占有重要位置。金属材料在性能价格比、工艺及现有装备上都具有明显优势，
而且新品种不断涌现，今后仍将有很强的生命力。
高分子材料还会大大发展，性能会更优异，特别是高分子功能材料正待开发。工程陶瓷将在性能提高、成本降低的条件下得到发展。功能陶瓷已在功能材料中占主要地位，还将不断发展。⑦
C60的出现为发展新材料开辟了一条崭新的途径。
利用原子簇技术可能发展出更多的新材料。
晶界比例大为增加 以晶界厚度 1～ 2nm计，粒度为
5nm的合金，晶界占 50％，粒度为 10,50,100nm的晶界所占比例急剧下降到 30％,10％,3％。
性能的特异变化 膨胀系数成倍增加，特别是力学性能，如纳米级的陶瓷材料可从脆性材料变为塑性为
100％的延性材料，如 1.8％ C的 Fe-C合金在正常的状态下断裂强度为 490MPa，而纳米级晶粒可达到 5880MPa，
提高了 100倍多，且仍塑性良好。
纳米陶瓷轴承纳米陶瓷涂料
② 一维材料 —— 目前最活跃的是 光导纤维和 C纤维,
众所周知光导纤维传递的信息量大，而所需要的材料呈数量级下降,1kg石英为主的光纤可代替成吨的铜铝电缆，且保密性强，不受干扰，目前的研究主要进一步降低衰减率，现衰减率已由 20dB／ km降为 0.1dB／ km。
C纤维是复合材料的主要原料，目前还多用于军事和国防工程建设。
荷兰建成世界上最长的碳纤维复合材料桥 碳纤维布
③ 二维材料 —— 二维材料也就是 薄膜材料,它由于用途广泛而受到人们重视。目前研究发展的厚度从几个纳米到几百纳米，由于其电子所处状态和外界环境的影响，可表现为不同的电子迁移规律，从而完成特定的电光、光电或电算功能，可以制成光学薄膜，作光开关用于放大或调幅；也可制成敏感元件，用于传感器；还可作为信息储存，其容量可达 100兆以上。
另一类就是金刚石薄膜，它具有半导体、高硬度、耐高温和导热不导电等性能，可以满足许多特殊用途的要求。
（ 2）超导材料的研究 超导材料用作输电的块材和线材还存在有许多问题，一是电流密度较低，现为 104A
／ cm2，要实用化需要达到 MA( 106A／ cm2)量级；二是脆性问题，要找出使用脆性材料的可靠途径。另外研究领域存在的 两大攻关项目 是：研究更高临界温度的超导材料，突破液氮温度而达到室温；另一是理论探索，到目前为止还没有能提出一个令人信服而又适用于陶瓷体的超导理论。
日本磁悬浮列车 上海磁悬浮列车
（ 3） C60的开发研究 1985年美国化学家偶尔发现了 C的第三种同素异型体 C60，它是由 60个 C原子组成的簇状大分子。
C60的应用前景,① 1991年 7月北京大学和中科院核物理所研制的新超导体 KxC60的临界温度为 17.9K,
② C60的结构决定其硬度比金刚石更高，而它的微粒尤如硬质小钢球，可能成为微型机械的超级润滑剂。
③ C60可在不损坏自身结构的条件下，吸收电子而后放出，
因而可能成为制造轻型高效电池的原料。
④ C60分子内部可包裹其它元素（如包裹放射性元素治疗癌症，减少对健康组织的破坏）。
（ 4） 生物材料将得到更多应用和发展 一是生物医学材料，
可用以代替或修复人的各种器官、血液及组织等；另一是生物模拟材料，即模拟生物的机能，如反渗透膜等。
（ 5） 传统材料仍将占有重要位置。 金属材料在性能价格比、
工艺及现有装备上都具有明显优势，而且新品种不断涌现，今后仍将有很强的生命力。高分子材料还会大大发展，性能会更优异，
特别是高分子功能材料正待开发。工程陶瓷将在性能提高、成本降低的条件下得到发展。功能陶瓷已在功能材料中占主要地位，
还将不断发展。
（ 6） 智能材料的研究,如人工智能计算机的研究；
（ 7） 材料与器件一体化的研究,使新器件向微型化和多功能化方向发展；
（ 8） 光子计算机的研究,光子无质量，不产生干扰，也不发热，运行速度可达电子计算机运行速度的 100倍；
（ 9） 新的材料设计方法的研究,应用电子计算机从材料的原子和分子层次对材料进行设计。
现代科技第五章思考题
1.什么是新材料？
2.金属材料分为哪两大类？
3.什么是高分子材料？
4.何谓超导电现象、超导体、超导态、超导体的临界温度？
5.超导技术的主要应用包括哪几方面？
6.记忆合金的含义是什么？
7.形状记忆合金有哪几种分类？
8.什么是光导纤维？
9.什么是非晶态金属？
10.原子间的化学键有哪几种？各有何特点？
外层电子已经饱和的原子（氩、氖、氦、氙等）以及某些分子（ HCl,CO,O2,H2等 )，在低温下组成晶体时，离子间靠微弱的吸引力而相结合，该种结合力称为 分子键 或 范德瓦耳斯键。
（ 2） 结构类型,原子或分子的几何排列即结构类型，所决定的基本物性有力学性、热学性、光学的各向异性、双折射等。
（ 3） 缺陷,晶体中存在的原子空穴、填隙原子、杂质原子、
位错统称为缺陷。
缺陷既有使材料性能下降的一面，也有显示功能性的一面。
近年来发展起来的多种功能材料，有不少是利用由缺陷引起的敏感性来实现的。
（ 4） 织构,织构是指组成及结构相同或不同的分散材料在组合成为整体时的聚合状态。织构对材料的力学性质、热学性质等有重大影响。（如织布）运用固体物理及量子化学的理论，开展相平衡、缺陷分布、织构形成等规律的研究，弄清组成、结构、
状态、缺陷与材料性能的关系，是材料科学研究的主要内容。
精细结构 肉眼光学显微镜下的影像 光学显微镜
扫描电子显微镜下的影像 扫描电子显微镜
2．研究材料的形成机理和制备方法为获得有用的材料，首先要了解它的形成机理，以便采取有效的方法和措施。在合成有机高分子材料时，
要知道用什么单体，采用哪一种聚合反应。培养单晶材料要了解晶体生长的机制，找出合适的生长方法。熔炼金属、烧结陶瓷都要依据它们的物理化学变化过程，选择适当的工艺条件。只有对这些规律充分认识并掌握好制备方法，才能使材料在生产中质量稳定，成品率提高。
3英寸碳化硅单晶 金刚石单晶
3．研究材料的测试技术为了合理地使用材料，需要对材料的各种物性有较全面的了解，对材料的进行分析、检测就是完成这项任务。例如利用扫描电子显微镜，能够显示出分子的空间结构，清楚地观察位错和空隙的位置；利用电子计算机能把微观缺陷在材料中的行为定量地计算出来；利用各种类型的断裂韧性、动平衡、无损探伤等实验仪器，可以检验材料的机械性能和质量。但是仅依靠技术性能测试，有时尚不能完全反映真实情况，还需要进行实际应用的 模拟试验或采用特别设计的方法进行测试，才能保证材料在使用过程中所经受的工作条件和使用周期的考验。此外，还要制定统一的材料测试方法和检验标准。
布氏硬度计 韧性试验仪 材料腐蚀试验仪
三、材料科学的任务
1．提高现有材料的利用率。
现有材料品种繁多，用途广泛，
不胜枚举。但是如何提高现有材料的利用率，乃是材料科学的一个主要任务。首先要应用材料力学原理，提高选材和机械设计水平，使各种工程合理使用材料，使材料能充分发挥其功能，并保证安全可靠。
其次要发展各式各样的涂层和表面工艺，如等离子喷涂、激光处理等以加强表面防护。 液氮温度下超导磁浮体
2．解决合格材料的制备问题。
在许多新技术、新产业和现代化工程项目中，很关键的问题是要按照需要设计和制备出合格的材料。因为先进的技术必然对材料的性能有相当高的要求。比如，研究受控热核反应需要十几万高斯以上的强磁场条件，而为了产生这种强磁场，即必须研制出在液氮温区的高温超导材料。 （ 液氮临界温度 77K）
现在航天飞机的外板是特殊陶瓷制成的，当航天飞机进入大气层时候温度升到一定程度就脱落掉，相当于脱一层皮。航天飞机外壳用钛合金制作，还涂上好多层绝热材料 —— 改性电木，就是改性酚醛树脂 。
欧洲月球探测器,智能１
号,2006年 9月 3
日撞击月球，击出月球表面撞出一个直径 3至 10米的坑，并把月球表面尘埃送上十几公里的高空。
3．不断研究和开发新材料。
新型材料的不断出现，对现代产业和高新技术的发展起着巨大的推动作用。为使自己的产品在国际市场上独占鳌头，各国都拼命在新型材料的研制上下功夫，尤其重视独创性的新型材料的研究和开发。显然，不断研制更多、更好的新材料将是材料科学永恒的主题。
（ 1969年珍宝岛中苏之战,我军 75毫米无后坐力炮,85毫米加农炮和 56式火箭筒等都无法击穿 苏联 T-62坦克正面装甲 。被 我军地雷炸毁的 苏联坦克，苏军用炮火想摧毁，但被我军炮击冰面沉到江底，又从江底拉回，现展览于北京军事博物馆。 ）
四,新材料高技术的研究热点与趋势
1,当前材料科学发展的总趋势
① 材料与器件趋向于一体化，达到小型化和多功能化。
② 制造材料的新工艺、新流程及结构与性能的新测试方法，
往往成为新材料和研究材料的突破点。
③ 材料的复合是得到所需性能的最经济而重要的途径。
④ 分子和原子尺度的研究工作日趋重要，以形成零维、一维、
二维材料。
⑤ 材料与生物的交叉日趋发展，从而得到与生物相近的高效率、高功能的新材料。
金相显微镜 战略导弹核潜艇 嫦娥一号探月卫星 中国 99式主战坦克
2.当前材料科学的研究热点
（ 1）低能材料的研究 低能材料（ 0,1,2维）不同于块状（ 3维）材料，不仅存在尺寸效应，更重要的是量子状态的影响，从而导致电、磁和光学等方面的性能奇异变化。
① 零维材料 —— 它指的是超微粒子或纳米级
（ 1～ 100nm）晶体或非晶体，这类材料具有以下特点：
熔点下降 由于自由能的升高,10nm直径的微粒，
其熔点值,Fe为 33℃,Au为 27℃,Al为 18℃,从而大大降低了烧结温度，如 (钛 ） TiO2的烧结温度从 900℃ 降到 500℃,W从 2000℃ 降到 1100℃ 。
扩散加剧 纳米材料的扩散系数提高 100倍左右，
且扩散距离大大缩短，溶质原子的溶解度也大为提高，
如（ 铋 ） Bi在常规 Cu中的溶解度为 10－ 4％，而在纳米
Cu中溶解度提高到 4％ 。
随着高科技的发展，材料科学和新材料主要在以下几个方面得到发展。①复合材料是结构材料发展的重点，其中主要包括树脂基高强度、高模量纤维复合材料，金属基复合材料，陶瓷基复合材料及碳碳基复合材料等。表面涂层或改性是另一类复合材料，其量大面广、经济实用，具有广阔的发展前景。②功能材料与器件相结合，并趋于小型化与多功能化。特别是外延技术与超晶格理论的发展，使材料与器件的制备可以控制在原子尺度上，这将成为发展的重点。③开发低维材料。
低维材料具有体材料不具备的性质。
例如零维的纳米级金属颗粒是电的绝缘体及吸光的黑体，以纳米微粒制成的陶瓷具有较高的韧性和超塑性；纳米级金属铝的硬度为块体铝的 8倍；
作为一维材料的高强度有机纤维、光导纤维，作为二维材料的金刚石薄膜、超导薄膜等都已显示出广阔的应用前景。④信息功能材料增加品种、
提高性能。这里主要是指半导体、激光、红外、
光电子、液晶、敏感及磁性材料等，它们是发展信息产业的基础。高温超导材料将会继续得到重视，并预计在 20世纪末达到产业化。 ⑤生物材料将得到更多应用和发展。
⑥ 传统材料仍将占有重要位置。金属材料在性能价格比、工艺及现有装备上都具有明显优势，
而且新品种不断涌现，今后仍将有很强的生命力。
高分子材料还会大大发展，性能会更优异，特别是高分子功能材料正待开发。工程陶瓷将在性能提高、成本降低的条件下得到发展。功能陶瓷已在功能材料中占主要地位，还将不断发展。⑦
C60的出现为发展新材料开辟了一条崭新的途径。
利用原子簇技术可能发展出更多的新材料。
晶界比例大为增加 以晶界厚度 1～ 2nm计，粒度为
5nm的合金，晶界占 50％，粒度为 10,50,100nm的晶界所占比例急剧下降到 30％,10％,3％。
性能的特异变化 膨胀系数成倍增加，特别是力学性能，如纳米级的陶瓷材料可从脆性材料变为塑性为
100％的延性材料，如 1.8％ C的 Fe-C合金在正常的状态下断裂强度为 490MPa，而纳米级晶粒可达到 5880MPa，
提高了 100倍多，且仍塑性良好。
纳米陶瓷轴承纳米陶瓷涂料
② 一维材料 —— 目前最活跃的是 光导纤维和 C纤维,
众所周知光导纤维传递的信息量大，而所需要的材料呈数量级下降,1kg石英为主的光纤可代替成吨的铜铝电缆，且保密性强，不受干扰，目前的研究主要进一步降低衰减率，现衰减率已由 20dB／ km降为 0.1dB／ km。
C纤维是复合材料的主要原料，目前还多用于军事和国防工程建设。
荷兰建成世界上最长的碳纤维复合材料桥 碳纤维布
③ 二维材料 —— 二维材料也就是 薄膜材料,它由于用途广泛而受到人们重视。目前研究发展的厚度从几个纳米到几百纳米，由于其电子所处状态和外界环境的影响，可表现为不同的电子迁移规律，从而完成特定的电光、光电或电算功能，可以制成光学薄膜，作光开关用于放大或调幅；也可制成敏感元件，用于传感器；还可作为信息储存，其容量可达 100兆以上。
另一类就是金刚石薄膜，它具有半导体、高硬度、耐高温和导热不导电等性能，可以满足许多特殊用途的要求。
（ 2）超导材料的研究 超导材料用作输电的块材和线材还存在有许多问题，一是电流密度较低，现为 104A
／ cm2，要实用化需要达到 MA( 106A／ cm2)量级；二是脆性问题，要找出使用脆性材料的可靠途径。另外研究领域存在的 两大攻关项目 是：研究更高临界温度的超导材料，突破液氮温度而达到室温；另一是理论探索，到目前为止还没有能提出一个令人信服而又适用于陶瓷体的超导理论。
日本磁悬浮列车 上海磁悬浮列车
（ 3） C60的开发研究 1985年美国化学家偶尔发现了 C的第三种同素异型体 C60，它是由 60个 C原子组成的簇状大分子。
C60的应用前景,① 1991年 7月北京大学和中科院核物理所研制的新超导体 KxC60的临界温度为 17.9K,
② C60的结构决定其硬度比金刚石更高，而它的微粒尤如硬质小钢球，可能成为微型机械的超级润滑剂。
③ C60可在不损坏自身结构的条件下，吸收电子而后放出，
因而可能成为制造轻型高效电池的原料。
④ C60分子内部可包裹其它元素（如包裹放射性元素治疗癌症，减少对健康组织的破坏）。
（ 4） 生物材料将得到更多应用和发展 一是生物医学材料，
可用以代替或修复人的各种器官、血液及组织等；另一是生物模拟材料，即模拟生物的机能，如反渗透膜等。
（ 5） 传统材料仍将占有重要位置。 金属材料在性能价格比、
工艺及现有装备上都具有明显优势，而且新品种不断涌现，今后仍将有很强的生命力。高分子材料还会大大发展，性能会更优异，
特别是高分子功能材料正待开发。工程陶瓷将在性能提高、成本降低的条件下得到发展。功能陶瓷已在功能材料中占主要地位，
还将不断发展。
（ 6） 智能材料的研究,如人工智能计算机的研究；
（ 7） 材料与器件一体化的研究,使新器件向微型化和多功能化方向发展；
（ 8） 光子计算机的研究,光子无质量，不产生干扰，也不发热，运行速度可达电子计算机运行速度的 100倍；
（ 9） 新的材料设计方法的研究,应用电子计算机从材料的原子和分子层次对材料进行设计。
现代科技第五章思考题
1.什么是新材料？
2.金属材料分为哪两大类？
3.什么是高分子材料？
4.何谓超导电现象、超导体、超导态、超导体的临界温度？
5.超导技术的主要应用包括哪几方面？
6.记忆合金的含义是什么？
7.形状记忆合金有哪几种分类？
8.什么是光导纤维？
9.什么是非晶态金属？
10.原子间的化学键有哪几种？各有何特点？
