1、2、材料科学的共同效应及其研究方法概要,教学重点、难点 2.1材料的共同效应 2.2材料科学研究基本类型与方法 2.3材料科学研究选题与创新,第二章 材料科学的共同效应及其研究方法,2.1材料的共同效应 金属、陶瓷和高分子材料在力场、温度场、声、光、电、磁、各种射线辐照等环境介质单一或联合作用下，都会发生各种效应。下面介绍三大材料的十大共同效应。,2.1.1材料界面效应和表面效应1、材料的界面效应 三大材料复合界面存在以下效应：材料的界面由晶界、相界、亚晶界、孪晶届等。材料的力学、物理、化学、电化学性能；变形、断裂与失效；加工过程的变化都与界面有关。界面的研究在材料科学中有着重要的地位。不同材
2、料的界面有以下四种效应,1）分割效应：一个连续体被分割成许多小区域。 2）不连续效应：界面上引起的结构、物理、化学等性质的不连续和界面摩擦出现的现象。如电阻、介电特性、耐热性、尺寸稳定性等。 3）散射和吸收效应：界面对声、光、等各种波产生的散射和吸收。影响材料的透光性、隔热性、隔音性、耐冲击性等。,4）感应效应：界面产生感应效应。特别是应变、内部应力即由此而引起的强弹性、低热膨胀性和耐热性等现象。 复合材料的界面效应对各种复合材料，尤其是功能复合材料的性能和应用，有很大的影响。,2、材料的表面效应 材料或晶体表面也是界面的一种，只是特指材料的固体表面与周围介质（气体、液体）的界面。表面有两种效
3、应：,1）表面吸附效应：晶体表面的原子、分子和离子具有不饱和键，并且由于结构不对称而造成晶格畸变，所以材料表面具有很高的反应活性和活化能，并有强烈的降低其表面能，力求处于更稳定能量状态的倾向。对金属和陶瓷材料都会产生一定的破坏作用。使其材料在空气和真空中有其不同的性能。,2）载能粒子束与材料表面交互作用： 粒子束轰击可是结晶态转变成非晶态或使多晶变成单晶。适用于金属表面和净化处理、离子注入及合金化处理，或陶瓷表面增强增韧处理。以及增强材料表面活性。,2.1.2材料的复合和形状记忆效应1、材料的复合效应 三大材料复合后，结构材料具有线性效应：平均、平行、相补、相抵效应。功能材料具有非线性效应：相
4、乘、诱导、共振和系统效应。相乘最明显如：,A相性质（Y/X） B相性质（Z/Y ） 复合相乘结果 （Y/X）（Z/Y）= （Z/X） 很普遍、很多。压电性 磁阻性 压阻效应 磁致伸缩 压电性 磁电效应 磁致伸缩 压阻性 磁阻效应 光电性 电致伸缩 光致伸缩,2、材料的形状记忆效应 1951年美国人Read等人在Au-Cd中首次发现 （1958年从Ni-Ti合金中发现全程形状记忆） 具有一定形状的固体材料，在某一低温状态下经过塑性变形后，通过加热到这种材料的固有的某一临界温度以上时，材料又恢复到初始形状的现象，成为形状记忆效应。,三种类型形状记忆效应： 单程-加热恢复高温形状，冷却高温形状不变
5、双程-加热恢复高温形状，冷却恢复低温形状 全程-加热恢复高温形状，冷却恢复低温反向形状 形状记忆合金是利用金属的可逆马氏体相变原理而发展起来的一类新材料。陶瓷、高分子聚合物都有类似形状记忆合金的功能，并且已经开始用于汽车挡板和密封材料。,2.1.3材料的动态和环境效应1、材料的动态效应 各类材料失效大都是由量变到质变的动态过程。加强对失效动态过程的分析研究，才能更加深刻地揭示材料失效的机理。,1）材料组分、结构、组织的动态变化：材料摩擦、磨损是一个十分复杂的物理、化学和热力机械过程。在高温高压作用下，陶瓷刀具与被切削材料之间会发生化学反应和扩散磨损。 2）循环应力作用下金属和合金的动态效应：亚
6、结构位错增殖，位错结构改组；动态相变：过饱和固溶体-固溶体+第二相、奥氏体-马氏体。残余应力场的变化和应力的重新分布等。,3）高速形变作用下的材料动态响应：在高速粒子如弹头、陨石、飞鸟撞击或高速冲击波作用下各种材料损伤的过程。 4）表面高能喷丸的动态响应：除表层产生有利的残余应力和表层强化外，还会产生微观组织结构的动态响应。使表层纳米化，形成20微米厚晶粒尺寸为20-100nm的纳米结构层。,2、材料的环境效应 每种材料在开发、生产、使用和废弃过程中都有资源消耗和环境污染问题，都有不同的环境效应。对材料的生产和使用而言，资源消耗是源头，环境污染是末尾。为了减少对环境的污染，人们在研究开发环境材
7、料，正在形成环境材料学。如纳米储氢技术提供了代替碳氢化合物燃料的清洁能源。而得到了没有环境污染的环境效应，即“绿色技术” 试举例说明我们生活中有哪些环境材料？,2.1.4材料的超导电性和超塑性效应 1、材料的超导电性效应 （1911年发现水银在超低温下电阻突然消失得现象，这种失去电阻的性质称为超导电性。具有这种性能的材料称为超导材料。失去电阻时的温度成为超导转变温度(Tc)。早期超导转变温度最高只能达到23K (-273.15-23= -250)， 1986年以来出现了陶瓷Tc=123K= -150的高温超导材料，是磁悬浮列车等的核心技术。今后，有机高分子超导材料可能成为新的研究方向。,2、材
8、料的超塑性效应 在低负荷作用下材料拉伸变形时不发生缩颈，也不断裂，延伸率可达100%至200%的现象。金属合金的超塑性成型加工已经实用化。 机理：晶界滑动和转动、扩散蠕变、位错攀移运动以及再结晶。陶瓷高温下也有超塑性行为。,2.1.5材料的滞后和纳米效应1、材料的滞后效应 变形速度跟不上应力变化速度称为材料的滞后效应。这种效应使材料的机械能转化为热能成为内耗，三大材料均有滞后效应，其中高分子材料的滞后和内耗现象比金属材料大。,2、材料的纳米效应（晶体尺寸大1nm-100nm） 纳米材料的结构不同于常规物质，属于由宏观向微观过渡的区域，所以许多传统物理化学理论在这一领域不再适用了。 当材料的晶粒
9、达1nm-100nm时，便出现了纳米效应,小尺寸效应：（40nm铜粒子熔点由1053降低到750降低了303。 当黄金细分到小于光波波长（500800 nm)时（200400nm为紫外线、9001800nm为红外或远红外线），会失去原有的金属光泽呈现黑色。实际上所有金属纳米粒子均为黑色，尺寸越小色泽越黑）,宏观量子隧道效应： 指金属费米能级附近的电子能级有准连续变为离散的现象，使材料磁、光、电、超导、热学性能发生了很大变化，光谱线会产生向短波方向的移动-蓝移现象，金属由导体变成了半导体或绝缘体,表面界面效应： 纳米粒子的表面原子与总原子之比随着纳米尺寸的变小而大幅度增加，粒子表面能表面张力增加
10、，会形成许多断开的残键，使表面活性和吸附性很高，使材料的物理化学和力学性能发生很大变化,纳米材料产生了许多奇特的材料性能：（后面详细讲）如 1）化学键性质变化 2）力学性能的巨变 3）热学性能变化 4）化学性能的变化等等,2.2材料科学研究基本类型与方法,科学的本质是创造，方法则是科学创造的生命。科学方法是科学工作者为实现研究目的所遵循的理论、途经程序和采取的手段、技巧、思维方式的总合。 基础科学：包括数学、物理、化学、天文、地理生物等-无具体应用对象。 技术科学：包括电工、热能、电子、机械、力学、材料等-有具体应用对象，是技术的基础理论。：,3.2.1材料科学研究的基本类型1、基础研究：纯基
11、础研究（没有商业目得而进行的为了使科学知识进展的原始性研究-寻找客观事物的发展规律、新原理、新规则，其成果公开报道）、 应用基础研究（有广泛应用背景，但以获得新知识、新原理、新方法为目的的应用理论研究-是基础-应用研究的桥梁）。,2、应用研究：应用基础研究成果，探索、开辟应用的新途径。 其成果是新技术、新材料、新工艺、新流程、新装置等成败的关键，是综合性很强的研究工作。但到实际生产还有一段距离。 成果具有很强的保密性、商品性、可申请专利。,3、开发（发展）研究：应用基础研究和应用研究的成果，从事某一新产品或工程的设计、试验和试制所涉及到的一系列技术工作。 如工业中间试验、定型设计、小批量生产等
12、。以设计图纸、实验数据、专利、产品和样品为研究成果。,3.2.2材料科学研究的基本方法 1、归纳演绎法： 归纳是从特殊到一般的推理，演绎是从一般到特殊的推理。推理是根据一个或一新判断得到另一个判断的思维形式。 2、分析综合法： 分析是把研究对象分解成几个组成部分，然后分别加以研究，认识事物的基础和本质的一种研究方法。 综合法是把研究对象的各个部分联系起来加以研究，从而整体上把握事物的本质和规律的研究方法。,3、类比与移植法： 类比法是指通过两个或两类事物或现象进行比较，根据相似点或相同点推论出它们的其它属性或规律，也可能有相似点或相同点的结论。 移植法是指将某学科的原理、技术或方法等，应用于研
13、究和解决同一学科内的分支科学或其他学科和技术领域的理论、技术或方法问题，又称为转域创造法。,4、数学与模型法： 数学方法是揭示研究对象的本质特征和变化规律的方法，是解决科学技术问题常用、重要的方法。 是应用数学所提供的概念、理论和方法对研究对象进行数量、结构等方面的定量的分析、描述和推倒及计算，从量的概念上来对研究的问题作出分析、判断，认识事物变化的本质规律。,模型化方法是用适当的文字、图表和数学方程来表述系统的结构和行为的一种科学方法。 其中数学模型技术通过建立和研究客观对象的数学模型来描述事物本质特征和变化规律的方法，它是解决科学技术问题最常用和最重要的方法。,5、系统法： 系统是由若干相
14、互联系、相互作用的要素组成的，具有特定功能的有机整体。 系统方法就是从系统整体的观点出发，从系统与要素之间，要素与要素之间，以及系统与环境之间的相互联系、相互作用中考察对象，以达到最优化地处理问题的科学方法。,6、假说与理论法： 科学假说就是根据已知的科学原理和科学事实，对未知的自然现象即规律性所作出的一种科学假设性说明。它是以一定的科学事实和科学原理为依据，据有科学性；它带有一定的想象、推测的成份，所以具有或然性。 科学理论是从科学实践中抽象出来的，又为科学实践所证实，反映客观事物的本质和规律的概括性知识体系。,7、原型启发与仿生法： 原型启发法是对自然现象进行观察、探索受到启发来进行科学研
15、究和创造发明的。启发是从其他事物、现象中得到启示后找出解决某一问题的途径。起启发作用的事物成为原型。如自然现象、自然物质等。 仿生法是指原型启发法中的原型为自然界的动植物或自然现象的方法。,2.3材料科学研究选题与创新,选题是科技创新的起点。提出一个问题往往比解决一个问题更重要。提出正确的问题等于解决问题的一大半。 毕业设计、毕业论文可参考此部分内容选题（如果要求自己选题）,2.3.1科学研究的基本选题原则（五大基本原则）1、需要性原则：首先满足社会生活和科学自身发展需要，有实际生产的需要。科学是一把双刃剑。要避免生态恶化、环境污染、危害生活健康等负效应。 2、科学性原则：研究选题必须有科学依
16、据。纯迷信、荒唐的课题不选。,3、创造性原则：课题具有先进性、新颖性、价值性。一篇文章、一项研究一个试验，只要有一、二点创新就是成绩、就是成功、就是价值。 4、可能性原则：课题要具备一定的主观和客观条件，要有成功的可能和希望。 5、经济性原则：应用开发类课题，要投资少，见效快。开发的成果经济效益要显著。,3.3.2科学研究的选题的来源1、社会、生产和现实生活中提出来的问题 2、交叉学科领域和学科边缘区 3、原科学技术中存在的问题 4、有价值的新现象、新问题 5、理论的实际应用 6、自然界的启示（仿生学） 7、科学技术应用的负效应问题。,2.3.3文献资料的收集消化与研究计划的制定 1、文献资料
17、收集消化 科技信息资料关系到研究工作的速度和研究有无成果的问题，是选题的基础和完成课题的重要保证。 文献资料主要有：期刊杂志、书籍、专利文献、科技报告、学位论文、学术会议文献等。现在很方便，可以用计算机检索。,收集资料建议： 1）时间从现在到过去，采用倒查法。 2）观点不一致的资料也要一起收集，有助于自己的研究分析。 3）注意收集第一手资料，以保证其准确性。 最好做笔记，要分析地吸收他人的观点，要抓住本质，分析其可靠性，要尽可能扩大资料阅读的范围；最后在整理消化的基础上，写作一篇或几篇文献综述。对于学位论文来说，读书笔记或写作的文献综述就是以后科研课题完成后，学位论文的一部分。,要有效地进行科
18、学研究和技术开发，并且能取得一定的成果，就必须重视有关信息资料的收集整理、消化吸收工作，这项工作贯穿于整个科研开发工程。,2、研究方案计划的制定 1）研究方案是实现研究项目的最基本的技术方案。对研究工作是否顺利进行、成果大小、甚至成败都具有决定性的作用。 2）探索性研究方案是前人未做过的技术方案。 3）发展性研究方案是建立在前人基础上或引入相邻学科新成就的技术方案。 4）研究方案或计划制定要从粗到细。粗是指研究方案的目的、思路、技术路线等。细的是指试验的安排、用多少什么样的试样，先做什么后做什么、需要什么仪器设备、具体的工艺参数等。,5）在实施研究方案和计划时，也会遇到一些意外情况，这是中间可
19、进行必要的修改和调整。方案计划越周密详细、越科学则计划与实际的差距就越小。 6）研究初步方案计划制定后，要经过论证会，有课题小组讨论、请专家书面评议或会议论证等几种形式。 7）对作学位论文就是做开题报告，根据专家提出的意见建议，经过自己（课题组人员）反复考虑，修订为实施研究方案或计划。 课程结束后学习综述报告考核，参考代鹏建议及此处的教学内容分组进行，自由组合，56人/组。,课内思考问答题： 1、科学研究课题的来源有哪些？ 2、科学研究主要有哪些类型，各有什么特点？ 3、科学研究选题的基本原则有哪些？ 课外练习题： 1、三大材料主要有哪些共同效应？主要内容是什么？ 2、文献资料有哪些，如何查阅、吸收、消化文献资料？ 3、研究方案或计划如何制定和论证确定？,5）在实施研究方案和计划时，也会遇到一些意外情况，这是中间可进行必要的修改和调整。方案计划越周密详细、越科学则计划与实际的差距就越小。 6）研究初步方案计划制定后，要经过论证会，有课题小组讨论、请专家书面评议或会议论证等几种形式。 7）对作学位论文就是做开题报告，根据专家提出的意见建议，经过自己（课题组人员）反复考虑，修订为实施研究方案或计划。 课程结束后学习综述报告考核，参考代鹏建议及此处的教学内容分组进行，自由组合，56人/组。,
