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第一单元：材料科学与工程历史看法材料可能比我们意识的还要根深蒂固的占据在历史中。运输、房屋、衣服、通讯、娱乐以及食物产品----事实上我们生活中的每一个部分都或多或少受材料的影响。历史上，社会的发展与前进和那些能满足社会需求的材料的生产及操作能力密切相关。实际上，早起的文明就以材料的发展程度来命名，如石器时代，青铜器时代，铁器时代。早期人们能得到的只有一些很有限的天然材料：石头、木材、粘土以及动物皮毛等。渐渐地，他们通过技术来生产优于自然材料的新材料，这些新材料包括陶器和金属。进一步地，人们发现材料的性质可以通过热处理或加入其他物质来改变。由此看来，材料的应用完全是一个选择的过程，且此过程又是根据材料的性能从许多的而不是有限的材料中选择一种最适于某种用途的材料。直到最近，科学家才终于了解材料的结构要素与其特性之间的关系。在跨越将近100年的时间获得的知识被大范围的赋予符合当代的材料特性。因此，成千上万的材料通过其特殊的性质来满足我们现代及复杂的社会需要；它们包括金属，塑料，玻璃和纤维。很多使我们生活舒适的技术的发展与适宜材料的获得密切相关。一种认识的材料的先进程度通常是一种连续技术进步的预兆。比如，没有便宜的钢制品或其他替代品就没有汽车。在现代，精密的电子器件取决于所谓的半导体材料。材料科学与工程材料科学作为一个学科而言,涉及到材料的结构和性质的关系。相比之下，材料工程是根据材料的结构和性质的关系,来设计或操纵材料的结构以求制造出一系列可预定的性质。“structure”一词是个值得解释的模糊的术语。简单地说，材料的结构通常与其内在成分的排列有关。亚原子结构包括介于单个原子内部的电子以及相互作用的原子核。在原子水平上，结构围绕着原子或分子与其他相关的原子或分子的组织。在更大的结构领域上，其包括大的原子团，这些原子团通常聚集在一起，称为“微观”结构，意思是可以使用某种显微镜直接观察得到的结构。最后，结构成分可以通过肉眼看到的称为宏观结构。“Property”一词的概念值得详细阐述。在使用中，所有材料对外部的刺激都表现出某种反应。比如，样品受到压力作用会引起形变，或者抛光金属表面会反射光。材料的特征取决于其对明确的外部刺激的反应程度。通常，材料的性质与其形状及大小无关。实际上，所有固体材料的重要性质可以概括分为六类：机械、电学、热学、磁学、光学和腐蚀性。对于每一种都有一种对特定刺激引起不同反应的能力。如机械性能与施加负载或压力下引起的形变有关，包括弹性和强度。对于电性能，如电导性和介电系数，这种刺激物是电场。固体的热学行为则可用热容和热导率来表示。磁学性质表示一种材料在磁场中的反应。对于光学性质，刺激物是电磁或光照。用折射和反射来表示光学性质。最后，腐蚀性质是表示材料的化学反应能力。除了结构和性质，材料科学和工程还有其他两个重要的组成部分，即加工和性能。材料的结构取决于其如何加工并涉及这四个要素的关系。另外，材料的性能是其性质的功能。在图1.1中，我们现在介绍样品从加工--结构--性质--性能的原则，这个图中展示了3个薄的圆盘样品放在一些印刷品上。这证明了这3种材料的光学性能（即在同一光线下）是不一样的；在左边的一个是透明的（即实际是所有的反射光通过它），然而在中心以及右边的圆盘分别是半透明和不透明。这些所有的样品都是相同的氧化铝材料，但是最左边的我们称之为单晶体，这个高的纯度，他可以提高透明度。中心的样品由无数相连的微小单晶体所组成，这些微小晶体之间的界面散射了一部分从纸面折射来的光，从而致使材料变为光学半透明。最后，在右边的样品不仅由许多微小相连的晶体组成，也由大量小的气孔或者空位组成。这些气孔也显著的分散反射光并形成不透明的材料。因此，这三个样品的结构在晶界与气孔方面是不同的，这两方面影响视觉的透视性能。进一步证明，其他材料通过不同的性能技术生产。当然，如果视觉投射性能是最终应用产品的一个重要部分，则材料的性能将会不同。为什么研究材料科学与工程？为什么研究材料？许多应用科学家或工程师，不管他们是机械的、土木的、化学的或电子领域的，都将在某个时候面临材料的设计问题。如用具的传动齿轮，上层的建筑、油的精炼成分、或集成电路芯片。当然，材料科学家和工程师是从事材料研究和设计的专家。很多时候，材料的问题就是从上千个材料中选择出一个合适的材料。对材料的最终选择有几个原则。首先，现场工作条件基本特征，这个将决定材料的性能需求。只有在少数情况下材料在具有最优或理想的综合性质。因此，有必要对材料的性质进行平衡。典型的例子是当考虑材料的强度和延展性时，而通常材料具有高强度但却具有低的延展性。这时对这两种或者更多的性质进行折中考虑很有必要。其次，选择的原则是要考虑材料的性质在使用中的磨损问题。如材料强度在高温或腐蚀环境中会下降。最后，也许是最重要的原则是经济问题。最终产品的成本是多少？一种材料的可以有理想的性质，但可能太昂贵。这里，一些这种方案也是不可避免的。产品的成本还包括制造成所需要的形状的费用。工程师与科学家对材料的各种性质、结构、功能之间的关系以及材料的生产工艺越熟悉，就越能熟练自信地根据这些标准选择出最适合的材料第二单元固体材料被便利的分为三个基本的类型：金属，陶瓷和聚合物。这个分类是首先基于化学组成和原子结构来分的，大多数材料落在明显的一个类别里面，尽管有许多中间品。除此之外，有三类其他重要的工程材料－复合材料，半导体材料和生物材料。材料类型的简明解释以及下面代表特征的介绍。金属和合金金属材料通常由金属元素组成。它们有大量自由电子。也就是说，这些电子不是被约束于某个特定的原子。金属的许多性质直接归属这些自由电子。金属是十分好的电和热的导体，它们对可见光不透明；一个抛光的金属表面有光泽的外表。除此之外，金属是十分硬的，也是可变形的，这个性质解释了它们广泛使用在结构方面的应用。在元素周期表中有许多元素属于金属。如合金，Cu-Zn(黄铜),Fe-C（钢）以及Sn-Pb（焊锡）。合金是典型的通过多数元素组成。主要的合金是基于铁合金的建筑，铜合金的水管，器具，保温产品，电子产品等。以及铝合金的轻型结构以及金属基复合材料。合金也总是多晶体。陶瓷陶瓷是介于金属和非金属元素之间的化合物；它们通常是氧化物，氮化物和碳化物。落在这个分类种类中的宽的材料范围包括陶瓷，它们由粘土矿物，水泥和玻璃组成。这些材料是典型的电和热的绝缘体，并且它们比金属和聚合物更加耐高温和耐苛刻的环境。例如Al2O3(形成火花塞以及微电子的物质)，Si2O3(形成微电子绝缘电子结构)，Fe3O4（铁酸盐用于电脑磁性储存内存），硅酸盐（黏土，水泥，玻璃等）和SiC（研磨剂）。至于机械性能，陶瓷是硬的但是却很脆。陶瓷是典型的部分结晶态，部分非晶态。他们包括离子（经常和原子）和离子键以及共价键。聚合物聚合物包括常见的塑料和橡胶材料。它们中的大多数是有机化合物，这些化合物是以化学的方法把碳、氢和其他非金属元素组合而成。因此，它们有非常大的分子结构。这些材料通常有低的密度并且可能十分柔软。聚合物以热塑性高分子的形式存在（如尼龙，聚乙烯，氯乙烯，橡胶等），且分子内部由共价键连接，并且分子间存在范德华力。聚合物以热固性高分子的形式存在（如环氧基树脂，酚醛塑料等），且内部是共价键形成的网络结构。非晶态聚合物少数具有热塑性。由于化学键，聚合物往往是电和热绝缘体。然而，通过掺杂可以获得传导性聚合物，以及通过使用传导性填充物可以获得传导性聚合基混合物。复合材料许多复合材料被作用工程使用，它们由至少一种类型的材料组成。玻璃钢是一个熟悉的例子，玻璃纤维被埋入聚合物材料中。一种复合材料被设计出来为了显示每一种组分材料最好的特性。玻璃丝从玻璃中获得强度并且从聚合物中获得柔软性。最近发展中的绝大多数材料包含了复合材料。通过人工将不同材料合成的复合材料是一种多相材料，这个是单一材料不能获得的。例如轻质结构性复合材料是通过碳纤维嵌入单向或多向的聚合物基质中。纤维提供了强度以及刚度当聚合物作为粘结剂。另一个例子就是混凝土，一种结构性复合材料，通过水泥（基体，即黏合剂，通过水泥和水之间的水合反应而制得）、沙子（细集料）、碎石（粗集料）以及其他可选用的材料（统称混合物）结合而成的。其中混合物有诸如短纤维和气相SiO2（一种细SiO2颗粒）等。通常，复合材料是典型的基体材料。复合材料的主要特点是聚合物基体，水泥基体，金属基体，碳基体和陶瓷基体。因其制造成本低，以聚合物和水泥为基体的复合材料最为常见。除了用以阻震，电子设备，沥青（柏油沥青为基体与聚合物复合）和焊接剂替代物之外，聚合物-基体复合材料还用于轻构筑物（如飞机，体育用品，轮椅等）。水泥基复合材料由混凝土（好的粗集料），加固钢混凝土研钵（好的细集料，而不是粗集料），水泥膏（没有颗粒）组成用于民用建筑，活动板房，建筑预制品，砖石建筑，垃圾填筑地，热绝缘和隔音板。碳基体复合材料是十分重要的轻质结构（如航天飞机）和成分（如飞机刹车），这些都要承受高温，但他们相对较贵因为高的制造成本。碳基体复合材料会受到氧化，由此形成水蒸气。陶瓷基复合材料的抗氧化性优于碳基体复合材料，但他们也不能很好的发展。金属基体复合材料以Al作为基体用于轻质结构和低热膨胀系数附件，但他们的应用受高成本以及电化学腐蚀的限制。生物材料生物材料被应用于移植进入人类身体以取代病变的或者损坏的身体部件。这些材料不能产生有毒物质而且必须同人身体器官要相容（比如，不能导致相排斥的生物反应）。所有材料——金属，陶瓷，聚合物，复合材料以及半导体材料——都有可能被用于生物材料中。例如，一些生物材料是利用人造臀部。生物相容性的理解和量度是唯一的生物科学。不幸的是，我们不能精确定义或者精确度量生物相容性。往往没有性能的定义或者明确的成功案例。因此，对于一个使用不堵塞的人造血管而正常生活的病人来说，几乎没有人怀疑这种（辅助）治疗是非“生物相容”的。然而，这个操作上的定义使得我们在设计或提高人造血管功能上具有很小的可能性。生物材料或许有具体的定义在软组织，硬组织和心脏血管类（血的相容性）应用。事实上，生物材料或许有独特的定义在其他应用上。先进材料用在高科技中的材料有时被称作先进材料。借助于高科技，我们预定一个装置或者产品，这些产品用相对复杂和熟练的原理运转或者起作用；这些例子包括电子设备（VCRs,CD播放器），计算机，光纤系统，宇宙飞船，航天飞机和军事火箭。这些高级材料或是典型的传统材料，它们的性质被提高，最近开发出来的，高性能材料。除此之外，它们可能是所有材料类型（比如，金属、陶瓷和聚合物），通常相对较贵。半导体有电学性能位于电学产品和绝缘体。此外，这些材料的电学性能对于掺杂原子的瞬时集中表现极其敏感，这个可以控制在极小的空间区域。半导体材料使集成电路的出现，在过去的30年间，这些集成电路革新了电子装置和计算机工业（更不用说我们的生活）。智能材料是一种在现在发展的新的工艺水平材料，将在我们的科技上有重要影响。“智能的”暗示这些材料可能能感知环境的改变和反应这种改变通过固定的方式——在活的有机体中才有的特征。此外，这个“smart”的概念是扩展到包含智能和传统材料的复杂系统。第三单元材料，工艺，选择工程师要做的事情。他们做出他们的材料。材料必须支持负载,隔离或传热和电,接受或拒绝磁通量，传输或反射光线，经常敌对的环境中生存，而要做到这一切，而不破坏环境或成本太高。在这所有的合作伙伴。你需要一种工艺去制造一种材料。不是所有你选择的工艺都和你计划使用的材料相匹配。有时这个工艺使得占主导地位的材料和辅助的材料必须是兼容的。这是一个配合。兼容性不容易找到，很多失败的配合和物质的故障都可能是灾难性的，伴随着责任和赔偿问题。这听起来像食品律师，有时候是：一些专家，使他们的生活作为专家证人在法庭案件失败的材料。但我们在此的目的不是争辩，而是让大家对材料世界（因为即使是在遥远的外星球你也能发现相同的元素）和加工领域有一个了解，提供选择材料的方法和工具，以确保上述方面能长期友好地结合起来。随着不断增加的先进的性能，经济性和效率，和