石墨烯制备的研究进展及其应用领域
摘要：石墨烯是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体，是构筑零维富勒烯、一维碳纳米管、三维体相石墨等sp2杂化碳的基本结构单元。石墨烯因具有独特的结构和优异的性能，吸引了不同领域科学家的关注，极具应用前景。近来石墨烯制备方法的研究取得了很大的发展，出现了许多关于石墨烯制备的新工艺。大量引用近几年的参考文献，综述了石墨烯的结构和性能并介绍了一些制备方法，主要包括机械剥离法、化学气相沉积法等。并对未来应用领域的发展趋势进行了展望。
关键词: 石墨烯; 制备方法; 发展
ABSTRCT: Graphene is the only two-dimensional free atomic crystal found at present, which is the basic structure unit of the sp2 hybrid carbon, such as zero-verfullerene, one-dimensional carbon nanotube, and three-dimensional phase graphite. Because of its unique structure and excellent performance, graphene has attracted the attention of scientists from different fields. Recent research on the preparation of graphene has made great progress, and many new processes have been developed for graphene preparation. Reference of a large number of references in recent years, summarizes the structure and properties of graphene and introduces some preparation methods, mainly including the mechanical stripping method, chemical vapor deposition method, oxidation - reduction method etc. The development trend of future applications is prospected
Keywords: graphene; Preparation method; Development
1.石墨烯的概述
石墨烯是由单层碳原子以sp2杂化形式成键形成的具有蜂窝状六边形结构的二维原子晶体,在石墨烯内，各碳原子间通过σ键相连，这些σ键赋予了石墨烯极其优异的力学性质和结构刚性;每个碳原子的一个未成键P电子形成了与晶体平面垂直、遍及晶体的大П键，赋予了石墨烯良好的导电性[1-2]。
石墨烯具有特别好的性能，尤其在以下方面：
a.超强硬度与韧性。石墨烯是迄今为止世界上已知韧性最好、最坚硬的材料;
b.特异的导热性。石墨烯稳定的晶体结构使得它具有非常好的导热性能;
c.强导电性。石墨烯能隙为 0，是目前已知最好的导电性材料[3];
d.超大比表面积。单层石墨烯的厚度只有 0.35 nm( 一个碳原子厚) ，其纳米级的超薄厚度，具有超大的比表面积。
石墨烯具有如此多的良好特性，可以广泛应用于各种领域，但是石墨烯并不能得到大规模量产。
2.石墨烯的制备方法
2.1物理法制备石墨烯
片层状石墨在气相或液相介质中通过机械研磨、高速流体剪切或超声波等物理作用下易于分层得到石墨烯。物理法制备石墨烯的产量较低，近两年来的研究也较少。
2.1.1微机械剥离法
微机械剥离法是目前用来制造孤立石墨烯层的主要方法，它是用透明胶对高定向热解石墨片进行多次剥离，即可得到单层或数层的石墨烯。Geim等[4]首次用光刻胶将高定向热解石墨转移到SiO2基底上，然后用透明胶带反复地粘贴石墨，从而得到了单层或数层石墨烯，其首次证实了二维晶体结构在常温下是可以存在的。Meryer[5]等人在这个方法的基础上，将吸附有石墨烯的硅基片放置在一个被刻蚀的金属架上，用四甲基氢氧化铵和氢氟酸将硅基片腐蚀掉，就可以得到悬空的石墨烯。利用这个方法可以得到较高品质的石墨烯。但是机械剥离法消耗的时间长、无法控制石墨烯的层数和尺寸，产率比较低，且单层石墨烯会分散于多层石墨烯中，很难被辨别和分离出来，因此无法用于规模化生产微机械剥离方法操作简单、制作样本质量高，是当前分离石墨烯层的主要方法，但其可控性较差。
2.1.2机械研磨法和机械剪切法
机械研磨法有很多方法，其中球磨法是最常用的。Guan等[6]在使下使用球磨-超声的处理方法对石墨进行剥离。研究发现，球磨过程中石墨烯的微观结构由带状变多孔的单层或多层片状。与机械研磨相比，剪切剥离对石墨烯的晶体结构破坏较小。Paton[7]直接使用高速剪切混合搅拌机在高速剪切下对石墨进行剥离，制得石墨烯片层尺寸为300-800nm，层数少于10层。尔后，Varrla[8]等直接用搅拌机对石墨进行高效剥离。研究发现，该方法制备石墨烯产率与搅拌时间无关，而后随着剥离体积1增大显著提高，这对石墨烯的量产有重要意义。
2.2 化学法制备石墨烯
2.2.1氧化还原法
氧化还原法制备石墨烯主要有三种方法：Brodie[9]法、Staudenmaier[10]法和Hummers[11]法，这三种方法都是用无机强质子酸处理原料石墨，将强酸分子插入石墨层间，再用强氧化剂对其进行氧化形成氧化石墨烯，在对氧化石墨烯进行还原。然而不同的还原过程会使还原石墨烯具有不同的性质，并最终影响由石墨烯组成的材料的性能。这是一种成本较低、工艺简单的石墨烯制备方法，有较强的可重复性和较高的生产率，是很有希望成为工业化制备石墨烯的路径之一。但氧化—还原法制得的石墨烯常存在－OH基团的结构缺陷或拓扑缺陷导致其透明性及部分电学性能的损失，使石墨烯的应用受到限制。
2.2.2外延生长方法
外延生长方法包括碳化硅外延生长法和金属催化外延生长法。
碳化硅外延生长法是利用硅的高蒸汽压，在超高真空的高温环境下将硅原子脱离材料，从而使6H－SiC或者4H－SiC的富Si面或富C面经石墨化重新生成石墨烯[12]。碳化硅外延生长法是以碳化硅半导体为基底，所制备的石墨烯可连同碳化硅一起用作电子设备中的半导体材料，无需将碳化硅与石墨烯进行分离，研究表明其电子迁移率优于其它半导体材料(如Si、Ge、GaN、InAs等)，并且在制备过程中可以通过控制退火温度和时间参数来控制石墨烯的层数，由于在退火
过程中易产生较高的残余应力，有可能导致石墨烯薄膜破裂，因此，难以制备出大面积、高质量的石墨烯，并且所制备出的石墨烯难以与SiC基底分离，不利后续石墨烯的转移[13-15]。
金属催化外延生长法是在超高真空条件下将碳氢化合物通入到具有催化活性的过渡金属基底 ( 如 Pt、Ir、Ｒu、Cu等)表面，通过加热使吸附气体催化脱氢从而制得石墨烯。气体在吸附过程中可以长满整个金属基底，并且其生长过程为一个自限过程，即基底吸附气体后不会重复吸收，因此，所制备出的石墨烯多为单层，且可以大面积地制备出均匀的石墨烯。该方法所利用的金属基底要求与石墨烯都具有较低的结合力，能够通过化学腐蚀容易地将石墨烯与基底分离，有利于石墨烯的后续加工，并且对碳原子具有较小的溶解度，才能制备出厚度均匀的石墨烯薄膜。
2.2.3溶剂热法
溶剂热法是在媒介的临界温度下进行物质制备合成的一种有效方法。制备石墨烯时，将膨胀的石墨等反应物加入到乙醇、乙腈等有机溶剂(该溶剂必须能在高于临界温度和压力的情况下溶解大多数物质)，然后将其置于密闭的高压釜中加热到临界温度后，利用系统自身产生的高压制备出石墨烯[16]。溶剂热法是可用来规模制备高品质、无污染的石墨烯，但其较低的产率阻碍了其进一步的发展，探索此法与其他方法的结合有望使这一方法取得突破。
2.2.4化学气相沉积法(CVD)
化学气相沉积法(CVD)是一种在相对而言比较高的温度下，通过化学反应对含碳化合物进行分解，然后使得石墨烯在基片上生长出来的技术。通常是在基底的表面形成一种过渡金属(如Cu、Co、Pt、Ir、Ｒu及Ni等)薄膜，以此薄膜作为催化剂，然后用CH4作为碳源，用气相解离的方法解离过渡金属薄膜，使得石墨烯片层在过渡金属薄膜表面逐步形成，最后采用强腐蚀性的酸性溶液对金属膜进行处理，进而制备出石墨烯。Miyata[17]在利用CVD制备石墨烯过程中采用灰冷以加快基底冷却速度，从而获得更多的单层石墨烯，Miyata 证实石墨烯的生长不发生在碳沉淀阶段，而是源于镍基底表面上碳的扩散，加快冷却速度可以抑制碳的溶解，使碳沉淀在基底上，进而扩散形成石墨烯。同样，Zhou[18]也证实了快速冷却可以帮助碳在镍基底上达到过饱和状态，从而形成厚度均匀的单层石墨烯。由此可见，利用CVD制备石墨烯时，若想获得较多的单层石墨烯，只需加快基底的冷却速度即可此法可以制备出大面积、高质量、理学性能良好的石墨烯片，是最有可能实现工业化的制备方法，但降低成本、完善工艺条件是其实现规模化工
业生产需要解决的关键问题。
2.3 其他方法
石墨烯的实验室制备方法很多，许多有前景的方法需进一步研究才能规模化制备。碳纳米管轴向切割法[19-20]利用试剂轴向切割碳纳米管，可得到规则的、不同宽度（相应碳纳米管管径）的石墨烯带，易于在微电子电路等领域中加工应用。因此，此方法引起了研究者的极大关注，并不断完善。其他制备石墨烯条带的方法主要有电子束刻蚀[21]及化学方法[22]。Liu等[23]根据二维胶体晶体刻蚀技术（NSL），在刻蚀剪裁石墨烯过程中利用胶体微球空隙中的氧等离子体束流的局部各向异性分布，制得超细准一维纳米带结构且高各向异性。Zhao等[24]研究出了不堆叠特性的柱状石墨烯，具有三维拓扑多孔结构，很好的储锂空间且锂离子的扩散路径较短，较好的巩固率。此外，新型的石墨烯制备方法还有电弧法[25]、微波法[26]及有机合成法[27]等。总之，如果能低成本、可控地制备出大面积、高质量的石墨烯，石墨烯材料才能被更广泛的。
3石墨烯复合材料
基于石墨烯的复合材料是石墨烯应用领域中的重要研究方向,其在能量储存、液晶器件、电子器件、生物材料、传感材料和催化剂载体等领域展现出了优良性能,具有广阔的应用前景。目前石墨烯复合材料的研究主要集中在石墨烯聚合物复合材料和石墨烯基无机纳米复合材料上,而随着对石墨烯研究的深入,石墨烯增强体在块体金属基复合材料中的应用也越来越受到人们的重视。
3.1石墨烯聚合物复合材料
根据石墨烯与聚合物的相互作用方式不同,可将石墨烯聚合物复合材料分为石墨烯填充聚合物复合材料、层状石墨烯聚合物复合材料和功能化聚合物复合材料。
3.2石墨烯基无机纳米复合材料
将无机材料(金属纳米材料、半导体和绝缘纳米材料)分散在石墨烯纳米层表面可合成石墨烯基无机纳米复合材料。无机纳米粒子可减小石墨烯片层间的相互作用,而石墨烯与特定纳米粒子相结合,使该类复合材料在催化剂、光学等领域具有广泛的应用前景[28]。目前研究的无机纳米粒子主要包括金属纳米粒子:Au、Ag、Pd、Pt、Ni、Cu、Ru]、Rh;金属氧化物纳米粒子:TiO2、ZnO、SnO2等
3.3 块体石墨烯金属基复合材料
石墨烯的高强、高导电、导热性是区别已有增强体材料如碳纳米管的最大优势特点,如果能将这些性能优势引入到块体金属基复合材料中,将为金属基复合材料的设计和性能提升带来巨大的影响。此外需要特别注意的是,石墨烯与金属基体的界面将是具有独特科学内涵的研究对象,一个或者几十个原子层厚度的石墨烯特征结构超出了我们对金属基复合材料界面研究的已有认知,石墨烯与金属基体之间的界面结合、界面热稳定性等问题亟待用实验来完整地描述。
４石墨烯复合材料的应用
4.1超级电容器
超级电容器是另一种典型的电化学能源存储装置，与原来的电池装置相比。超级电容器具有能量密度高、充放电时间短、循环使用寿命长、经济环保等优点，被广泛应用于便携式播放器、笔记本电脑、手机等装置中。如高分子材料与石墨烯复合制备超级电容器材料中，主要选用聚苯胺和聚吡咯作为基体材料，Chen 等[29]制备的石墨烯／polyaniline超级电容器，其电容器的功率密度已经达到10Kw/kg，能量密度为28.5Wh/kg，最大比电容为205F/g，并拥有较长的循环寿命。
4.2光伏材料
光电装置就是将太阳能转化成电能的一种装置，现在大规模使用的是单晶硅基体材料太阳能电池，它的优势在于价格便宜、转化率高。石墨烯具有良好的透光性和导电性，在开发太阳能电池也有其独特的优势。
4.3传感器
传感器技术结合了材料技术和信息技术，它涉及了化学、生物学、物理学和电子学等交叉学科。石墨烯具有优异的电学性能和较大的比表面积，还能为电子传输提供二维环境，并在边缘部分快速转移多相电子。同时，还可以作为多功能纳米金属颗粒的支撑物，在单位面积上固定功能粒子，形成高效的传感器、气体分子检测器。
4.4表面增强拉曼散射作用
采用拉曼光谱表征材料结构的技术中主要有共振拉曼散射和表面增强拉曼散射。最近，石墨烯增强拉曼光谱效应已经有很多的报道。增强拉曼光谱散射主要是石墨烯与分子之间的共振能量转移增强分子吸收，产生荧光淬灭效应降低背景噪音。同时，石墨烯与分子之间的电荷转移会产生化学增强作用。
5结束语
石墨烯因其特殊的二维蜂窝状炭质稳定晶体结构，有着极好的电子迁移速率、热导率、光透射率、力学性能以及较高的理论比表面积，其晶体薄膜厚度仅有0.335nm，因此，在未来可以代替硅生产超级计算机、晶体管、电极材料、散热器材、光学仪器、超强耐压的传感器以及飞机、轮船、汽车等相关材料。由于目前的工业水平以及相关技术的限制，制得的石墨烯材料没有较大的面积以及较好的纯度，未来科学家们的工作重点将集中在以下几方面：1）低成本、高效地制得面积大、缺陷少、无其他掺杂的石墨烯；2）提高石墨烯的各方面性能，使其能适应更多的领域；3）探究石墨烯的成型原理，研究其结构与性能之间的联系；4）通过便捷的方法修饰石墨烯的其它缺陷；5）可考虑使用3D打印技术打印所需规格的石墨烯材料；6）设计开发以及利用石墨烯及其相关的高性能材料，使其最大程度地服务于人们的日常生活。
5 参考文献
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第一章原子结构 一判断题 1.共价键是由两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键。 2. 范德华力既无方向性亦无饱和性，氢键有方向性但无饱和性。 3. 绝大多数金属均以金属键方式结合，它的基本特点是电子共有化。 4. 离子键这种结合方式的基本特点是以离子而不是以原子为结合单元。 5. 范德华力包括静电力、诱导力、但不包括色散力。 二、简答题 原子间的结合键对材料性能的影响 第二章晶体结构 一、填空 1.按晶体的对称性和周期性，晶体结构可分为7 空间点阵，14 晶系， 3 晶族。 2.晶胞是能代表晶体结构的最小单，描述晶胞的参数是 a ,b ,c ,α,β,γ。 3. 在立方，菱方，六方系中晶体之单位晶胞其三个轴方向中的两个会有相等的边长。 4. 方向族<111>的方向在铁的(101)平面上，方向族<110>的 方向在铁的(110)平面上。 5. 由hcp(六方最密堆积)到之同素异形的改变将不会产生体积的改变，而由体心最密堆积变成即会产生体积效应。 6. 晶体结构中最基本的结构单元为，在空间点阵中最基本的组元称之为。 7.某晶体属于立方晶系，一晶面截x轴于a/2、y轴于b/3、z轴于c/4，则该晶面的指标为 8. 硅酸盐材料最基本的结构单元是，常见的硅酸盐结构有、、、。 9. 根据离子晶体结构规则－鲍林规则，配位多面体之间尽可能和 连接。
二判断题 1.在所有晶体中只要(hkl)⊥(uvw)二指数必然相等。 2. 若在晶格常数相同的条件下体心立方晶格的致密度,原子半径都最小。 3. 所谓原子间的平衡距离或原子的平衡位置是吸引力与排斥力的合力最小的位置。 4.晶体物质的共同特点是都具有金属键。 5.若在晶格常数相同的条件下体心立方晶格的致密度,原子半径都最小。 6. 在立方晶系中若将三轴系变为四轴系时,(hkIl)之间必存在I=-(h+k)的关系与X1,X2,X3,X4间夹角无关。 7.亚晶界就是小角度晶界,这种晶界全部是由位错堆积而形成的。 8.面心立方与密排六晶体结构其致密度配位数间隙大小都是相同的,密排面上的堆垛顺序也是相同的。 9.柏氏矢量就是滑移矢量。 10.位错可定义为柏氏回路不闭合的一种缺陷,或说:柏氏矢量不为0的缺陷。 11.线缺陷通常指位错,层错和孪晶。 12实际金属中都存在着点缺陷,即使在热力学平衡状态下也是如此。 三选择题 1．经过1/2,1/2,1/2之[102]方向，也经过。 (a) 1,.0,2, (b) 1/2,0,1, (c) –1,0,-2, (d) 0, 0,0, (e) 以上均不是 2. 含有位置0,0,1之(112)平面也包含位置。 (a)1,0,0, (b)0,0,1/2, (c)1,0,1/2。 3.固体中晶体与玻璃体结构的最大区别在于。 （a）均匀性（b）周期性排列（c）各向异性（d）有对称性 4.晶体微观结构所特有的对称元素，除了滑移面外，还有 （a）回转轴（b）对称面（c）螺旋轴（d）回转－反映轴 5.按等径球体密堆积理论，最紧密的堆积形式是。 （a）bcc; （b）fcc; （c）hcp 6.在MgO离子化合物中，最可能取代化合物中Mg2+的正离子(已知各正离子半径 (nm)分别是：（Mg2+）0.066、（Ca2+）0.099、（Li+）0.066、（Fe2+）0.074)是_（c）____。 （a）Ca2+; （b）Li+; （c）Fe2+ 7.下对晶体与非晶体描述正确的是：
石墨烯制备的研究进展及其应用领域 摘要：石墨烯是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体，是构筑零维富勒烯、一维碳纳米管、三维体相石墨等sp2杂化碳的基本结构单元。石墨烯因具有独特的结构和优异的性能，吸引了不同领域科学家的关注，极具应用前景。近来石墨烯制备方法的研究取得了很大的发展，出现了许多关于石墨烯制备的新工艺。大量引用近几年的参考文献，综述了石墨烯的结构和性能并介绍了一些制备方法，主要包括机械剥离法、化学气相沉积法等。并对未来应用领域的发展趋势进行了展望。 关键词: 石墨烯; 制备方法; 发展 ABSTRCT: Graphene is the only two-dimensional free atomic crystal found at present, which is the basic structure unit of the sp2 hybrid carbon, such as zero-verfullerene, one-dimensional carbon nanotube, and three-dimensional phase graphite. Because of its unique structure and excellent performance, graphene has attracted the attention of scientists from different fields. Recent research on the preparation of graphene has made great progress, and many new processes have been developed for graphene preparation. Reference of a large number of references in recent years, summarizes the structure and properties of graphene and introduces some preparation methods, mainly including the mechanical stripping method, chemical vapor deposition method, oxidation - reduction method etc. The development trend of future applications is prospected Keywords: graphene; Preparation method; Development
材料科学与工程学科发展历程和趋势 摘要：本文结合国内几所高校材料学科的具体实例，综述了材料科学与工程学科的国内外发展的历史进程，讨论了材料科学与工程学科的发展趋势，同时展望了材料科学与工程学科在未来的发展前景。 关键词：材料科学与工程，发展历程，趋势 Abstract In this paper,on the basis of practice of materials science and engineering discipline in several domestic universities, the development process of materials science and engineering at home and abroad were reviewed, and the development trend of this discipline were discussed. Meanwhile, the prospect of this subject in the future were prospected. Keywords:materials science and engineering,development process,trend 1 引言 上个世纪70年代以来，人们把信息、材料和能源作为社会文明的支柱。80年代又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。随着科学技术的高速发展，新技术、新产品及新工艺对新材料的要求越来越强烈，也促进了当代材料科学技术的飞速发展。现在，材料学科及教育的重要性已被人们认识，国内外许多工科院校及综合性大学都相继成立了材料科学与工程学院（系）。 2 材料科学与工程学科发展历程 “材料科学”这个名词在20世纪60年代由美国学者首先提出。1957年，苏联人造地球卫星发射成功之后，美国政府及科技界为之震惊，并认识到先进材料对于高技术发展的重要性，于是一些大学相继成立了十余个材料科学研究中心，从此，“材料科学”这一名词开始被人们广泛使用。 材料学科的发展过程遵循了现代科学发展的普遍规律，也是从细分走向综合。各门材料学科通过相互交叉、渗透、移植，由细分最终走向具有共同理论和技术基础的全材料科学[1]。20世纪40年代以前，基础科学和工程之间的联系并不十分紧密。在20世纪20年代固体物理和材料工程两学科是分离的，到40年代两学科才有交叉。从60年代初开始出现了材料科学，到了70年代，材料科学和材料工程的学科内涵大部分重叠，材料科学兼备自然科学和应用科学的属性，故“材料科学与工程”(MSE)作为一个大学科逐步为科技界和教育界所接受[2]。 2.1 国外材料科学与工程学科发展历程 美国西北大学M.E.Fine教授等人首先于20世纪60年代初提出了材料科学与 工程(MSE)这一概念。在上20世纪60年代以前，国内外高校均没有明确完整的MSE教育。此时，材料科学与技术人才的培养分属冶金、化工或机械等专业。从60年代初起，欧美等国家高校中冶金、机械或化工等与材料有关的系或相关的专业及学科开始改设“材料科学与工程系”、“材料科学系”、“材料工学系”。至80年代中后期，欧美等国大部分高校已完成此项工作。这种教育符合材料科学技术发展趋势。近年来，美国与欧洲在材料教育方面的最显著特点就是把材料科学与工程看作是一门学科。在大学不再需要专门的材料主题。这些材料不再是冶金、陶瓷或电子材料学，而统称为材料，材料教育涉及的范围包括金属、陶瓷、高分子、
材料是人类生活和生产的物质基础，是人类认识自然和改造自然的工具。可以这样说，自从人类一出现就开始了使用材料。材料的历史与人类史一样久远。从考古学的角度，人类文明曾被划分为旧石器时代、新石器时代、青铜器时代、铁器时代等，由此可见材料的发展对人类社会的影响。材料也是人类进化的标志之一，任何工程技术都离不开材料的设计和制造工艺，一种新材料的出现，必将支持和促进当时文明的发展和技术的进步。从人类的出现到20世纪的今天，人类的文明程度不断提高，材料及材料科学也在不断发展。在人类文明的进程中，材料大致经历了以下五个发展阶段。 1．使用纯天然材料的初级阶段 在原古时代，人类只能使用天然材料（如兽皮、甲骨、羽毛、树木、草叶、石块、泥土等），相当于人们通常所说的旧石器时代。这一阶段，人类所能利用的材料都是纯天然的，在这一阶段的后期，虽然人类文明的程度有了很大进步，在制造器物方面有了种种技巧，但是都只是纯天然材料的简单加工。 2．人类单纯利用火制造材料的阶段 这一阶段横跨人们通常所说的新石器时代、铜器时代和铁器时代，也就是距今约10000年前到20世纪初的一个漫长的时期，并且延续至今，它们分别以人类的三大人造材料为象征，即陶、铜和铁。这一阶段主要是人类利用火来对天然材料进行煅烧、冶炼和加工的时代。例如人类用天然的矿土烧制陶器、砖瓦和陶瓷，以后又制出玻璃、水泥，以及从各种天然矿石中提炼铜、铁等金属材料，等等。 3．利用物理与化学原理合成材料的阶段 20世纪初，随着物理学和化学等科学的发展以及各种检测技术的出现，人类一方面从化学角度出发，开始研究材料的化学组成、化学键、结构及合成方法，另一方面从物理学角度出发开始研究材料的物性，就是以凝聚态物理、晶体物理和固体物理等作为基础来说明材料组成、结构及性能间的关系，并研究材料制备和使用材料的有关工艺性问题。由于物理和化学等科学理论在材料技术中的应用，从而出现了材料科学。在此基础上，人类开始了人工合成材料的新阶段。这一阶段以合成高分子材料的出现为开端，一直延续到现在，而且仍将继续下去。人工合成塑料、合成纤维及合成橡胶等合成高分子材料的出现，加上已有的金属材料和陶瓷材料（无机非金属材料）构成了现代材料的三大支柱。除合成高分子材料以外，人类也合成了一系列的合金材料和无机非金属材料。超导材料、半导体材料、光纤等材料都是这一阶段的杰出代表。 从这一阶段开始，人们不再是单纯地采用天然矿石和原料，经过简单的煅烧或冶炼来制造材料，而且能利用一系列物理与化学原理及现象来创造新的材料。并且根据需要，人们可以在对以往材料组成、结构及性能间关系的研究基础上，进行材料设计。使用的原料本身有可能是天然原料，也有可能是合成原料。而材料合成及制造方法更是多种多样。 4．材料的复合化阶段 20世纪50年代金属陶瓷的出现标志着复合材料时代的到来。随后又出现了玻璃钢、铝塑薄膜、梯度功能材料以及最近出现的抗菌材料的热潮，都是复合材料的典型实例。它们都是为了适应高新技术的发展以及人类文明程度的提高而产生的。到这时，人类已经可以利用新的物理、化学方法，根据实际需要设计独特性能的材料。 现代复合材料最根本的思想不只是要使两种材料的性能变成3加3等于6，而是要想办法使他们变成3乘以3等于9，乃至更大。 严格来说，复合材料并不只限于两类材料的复合。只要是由两种不同的相组成的材料都可以称为复合材料。 5．材料的智能化阶段 自然界中的材料都具有自适应、自诊断合资修复的功能。如所有的动物或植物都能在没
第二章固体结构 1、晶体:原子按一定方式在三维空间内周期性地规则重复排列，有固定熔点、各向异性。 2、中间相:两组元A 和B 组成合金时，除了形成以A 为基或以B 为基的固溶体外，还可能形成晶体结构与A，B 两组元均不相同的新相。由于它们在二元相图上的位置总是位于中间，故通常把这些相称为中间相。 4、配位数:晶体结构中任一原子周围最近邻且等距离的原子数。 28、有序固溶体：当一种组元溶解在另一组元中时，各组元原子分别占据各自的布拉维点阵的一种固溶体，形成一种各组元原子有序排列的固溶体，溶质在晶格完全有序排列。 36、非晶体:原子没有长程的周期排列，无固定的熔点，各向同性等。 37、致密度:晶体结构中原子体积占总体积的百分数。 40、间隙相:当非金属（X）和金属（M）原子半径的比值rX/rM<0.59 时，形成的具有简单晶体结构的相，称为间隙相。 53、点阵畸变:在局部范围内，原子偏离其正常的点阵平衡位置，造成点阵畸变。 57、置换固溶体:当溶质原子溶入溶剂中形成固溶体时，溶质原子占据溶剂点阵的阵点，或者说溶质原子置换了溶剂点阵的部分溶剂原子，这种固溶体就称为置换固溶体。 58、间隙固溶体:溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体称为间隙固溶体。 72、晶胞:在点阵中取出一个具有代表性的基本单元（最小平行六面体）作为点阵的组成单元，称为晶胞。 75、金属键:自由电子与原子核之间静电作用产生的键合力。 76、固溶体:是以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中溶入其他组元原子（溶剂原子）所形成的均匀混合的固态溶体，它保持溶剂的晶体结构类型。 89、空间点阵:指几何点在三维空间作周期性的规则排列所形成的三维阵列，是人为的对晶体结构的抽象。 90、范德华键:由瞬间偶极矩和诱导偶极矩产生的分子间引力所构成的物理键。 99、同质异构体:化学组成相同由于热力学条件不同而形成的不同晶体结构。 101、布拉菲点阵:除考虑晶胞外形外，还考虑阵点位置所构成的点阵。 102、配位多面体:原子或离子周围与它直接相邻结合的原子或离子的中心连线所构成的多面体，称为原子或离子的配位多面体。 104、拓扑密堆相:由两种大小不同的金属原子所构成的一类中间相，其中大小原子通过适当的配合构成空间利用率和配位数都很高的复杂结构。由于这类结构具有拓扑特征，故称这些相为拓扑密堆相。 105、间隙化合物:当非金属（X）和金属（M）原子半径的比值rX/rM>0.59 时，形成具有复杂晶体结构的相， 106、大角度晶界:多晶材料中各晶粒之间的晶界称为大角度晶界，即相邻晶粒的位相差大于10o的晶界。 10、固溶强化：由于合金元素（杂质）的加入，导致的以金属为基体的合金的强度得到加强的现象。 98、电子化合物:电子化合物是指由主要电子浓度决定其晶体结构的一类化合物，又称休姆-罗塞里相。凡具有相同的电子浓度，则相的晶体结构类型相同。 第三章晶体缺陷 7、交滑移:当某一螺型位错在原滑移面上运动受阻时，有可能从原滑移面转移到与之相交的另一滑移面上去继续滑移，这一过程称为交滑移。 11、弥散强化：许多材料由两相或多相构成，如果其中一相为细小的颗粒并弥散分布在材料内，则这种材料的强度往往会增加，称为弥散强化。 12、不全位错：柏氏矢量不等于点阵矢量整数倍的位错称为不全位错。 13、扩展位错：通常指一个全位错分解为两个不全位错，中间夹着一个堆垛层错的整个位错形态。 14、螺型位错：位错线附近的原子按螺旋形排列的位错称为螺型位错。 38、多滑移:当外力在几个滑移系上的分切应力相等并同时达到了临界分切应力时，产生同时滑移的现象。 41、全位错:把柏氏矢量等于点阵矢量或其整数倍的位错称为全位错。 42、滑移系:晶体中一个滑移面及该面上一个滑移方向的组合称一个滑移系。 45、刃型位错:晶体中的某一晶面，在其上半部有多余的半排原子面，好像一把刀刃插入晶体中，使这一晶面上下两部分晶体之间产生了原子错排，称为刃型位错。 46、细晶强化:晶粒愈细小，晶界总长度愈长，对位错滑移的阻碍愈大，材料的屈服强度愈高。晶粒细化导致晶界的增加，位错的滑移受阻，因此提高了材料的强度。 47、双交滑移:如果交滑移后的位错再转回和原滑移面平行的滑移面上继续运动，则称为双交滑移。 48、单位位错:把柏氏矢量等于单位点阵矢量的位错称为单位位错。
第1节材料科学与工程概述 1.1.1材料科学的内涵 材料科学就是从事对材料本质的发现、分析认识、设计及控制等方面研究的一门科学。其目的在于揭示材料的行为，给予材料结构的统一描绘或建立模型，以及解释结构与性能之间的内在关系。材料科学的内涵可以认为是由五大要素组成，他们之间的关联可以用一个多面体来描述（图1-1）。其中使用效能是材料性能在工作状态（受力、气氛、温度）下的表现，材料性能可以视为材料的固有性能，而使用效能则随工作环境不同而异，但它与材料的固有性能密切相关。理论及材料与工艺设计位于多面体的中心，它直接和其它5个要素相连，表明它在材料科学中的特殊地位。 材料科学的核心内容是结构与性能。为了深入理解和有效控制性 能和结构，人们常常需要了解各种过程的现象，如屈服过程、断裂 过程、导电过程、磁化过程、相变过程等。材料中各种结构的形成 都涉及能量的变化，因此外界条件的改变也将会引起结构的改变， 从而导致性能的改变。因此可以说，过程是理解性能和结构的重要 环节，结构是深入理解性能的核心，外界条件控制着结构的形成和 过程的进行。 材料的性能是由材料的内部结构决定的，材料的结构反映了材料 的组成基元及其排列和运动的方式。材料的组成基元一般为原子、 离子和分子等，材料的排列方式在很大程度上受组元间结合类型的 影响，如金属键、离子键、共价键、分子键等。组元在结构中不是 静止不动的，是在不断的运动中，如电子的运动、原子的热运动等。 描述材料的结构可以有不同层次，包括原子结构、原子的排列、相 结构、显微结构、结构缺陷等，每个层次的结构特征都以不同的方 式决定着材料的性能。 物质结构是理解和控制性能的中心环节。组成材料的原子结构，电子围绕着原子核的运动情况对材料的物理性能有重要影响，尤其是电子结构会影响原子的键合，使材料表现出金属、无机非金属或高分子的固有属性。金属、无机非金属和某些高分子材料在空间均具有规则的原子排列，或者说具有晶体的格子构造。晶体结构会影响到材料的诸多物理性能，如强度、塑性、韧性等。石墨和金刚石都是由碳原子组成，但二者原子排列方式不同，导致强度、硬度及其它物理性能差别明显。当材料处于非晶态时，与晶体材料相比，性能差别也很大，如玻璃态的聚乙烯是透明的，而晶态的聚乙烯是半透明的。又如某些非晶态金属比晶态金属具有更高的强度和耐蚀性能。此外，在晶体材料中存在的某些排列的不完整性，即存在结构缺陷，也对材料性能产生重要影响。 我们在研究晶体结构与性能的关系时，除考虑其内部原子排列的规则性，还需要考虑其尺寸的效应。从聚集的角度看，三维方向尺寸都很大的材料称为块体材料，在一维、二维或三维方向上尺寸变小的材料叫做低维材料。低维材料可能具有块体材料所不具备的性质，如零维的纳米粒子(尺寸小于100nm)具有很强的表面效应、尺寸效应和量子效应等，使其具有独特的物理、化学性能。纳米金属颗粒是电的绝缘体和吸光的黑体。以纳米微粒组成的陶瓷具有很高的韧性和超塑性。纳米金属铝的硬度为普通铝的8倍。具有高强度特征的一维材料的有机纤维、光导纤维，作为二维材料的金刚石薄膜、超导薄膜等都具有特殊的物理性能。 1.1.2 材料科学的确立与作用 （1）材料科学的提出 “材料科学”的明确提出要追朔到20世纪50年代末。1957年10月4日前苏联发射了第一颗人造卫星，重80千克，11月3日发射了第二颗人造卫星，重500千克。美国于1958年1月31日发射的“探测者1号”人造卫星仅8千克，重量比前苏联的卫星轻得多。对此美国有关部门联合向总统提出报告，认为在科技竞争中美国之所以落后于苏联，关键在先进材料的研究方面。1958年3月18日总统通过科学顾问委员会发布“全国材料规划”，决定12所大学成立材料研究实验室，随后又扩大到17所。从那时起出现了包括多领域的综合性学科－－“材料科学与工程学科”。 （2）材料科学的形成 材料科学的形成主要归功于如下五个方面的基础发展： 各类材料大规模的应用发展是材料科学形成的重要基础之一。18世纪蒸汽机的发明和19世纪电动机的发明，使材料在新品种开发和规模生产等方面发生了飞跃，如1856年和1864年先后发明了转炉和平炉炼钢，大大促进了机械制造、铁路交通的发展。随之不同类型的特殊钢种也相继出现，如1887年高锰钢、1903年硅钢及1910年镍铬不锈钢等，与此同时，铜、铅、锌也得到大量应用，随后铝、镁、钛和稀有金属相继问世。20世纪初，人工合成高分子材料问世，如1909年的酚醛树脂(胶木)，1925年的聚苯乙烯，1931年的聚氯乙烯以及1941年的尼龙等，发展十分迅速，如今世界年产量在1亿吨以上，论体积产量已超过了钢。无机非金属材料门类较多，一直占有特殊的地位，其中一些传统材料资源丰富，性能价格比在所有材料中最有竞争能力。20世纪中后期，通过合成原料和特殊制备方法，制造出一系列具有不可替代作用的功能材料和先进结构材料。如电子陶瓷、铁氧体、光学玻璃、透明陶瓷、敏感及光电功能薄膜材料等。先进结构
材料科学与工程专业简介 材料科学与工程专业简称材料专业。 大千世界中的材料无所不包、无处不在。吃、穿、住、行，每个人每天会碰到诸如金属、橡胶、磁性、光电等众多材料，小到一根针、一张纸、一个塑料袋、一件衣服，大到交通工具、医疗器械、工程建筑、信息通讯、航天航空，处处都有材料科学的身影。 材料科学与工程是一个涉及材料学、工程学和化学等方面的较宽口径专业。该专业以材料学、化学、物理学为基础，主要研究的是材料成分、结构、加工工艺与其性能和应用。事实上，人类文明发展史，就是一部如何更好地利用材料和创造材料的历史，材料的不断创新和发展，也极大地推动了社会经济的发展。 材料科学与工程专业依据各地区的发展历史，专业教学的侧重点略有不同。比如，材料专业中材料可以分为金属、无机非金属、高分子材料等。辽宁省各个高校由于历史沿乘的原因，多以金属材料为主。金属材料包括钢铁、有色金属及新型金属材料。 各高校材料专业学生，在大学二年级下学期会接触到本专业课程。主要的专业课程有：材料科学基础、金属学、金属学与热处理、材料力学性能等。 在专业课学习之前，需要学习一些涉及化学、机械的相关课程。 比如：工程制图、机械设计、电工电子技术、普通化学、物理化学等。
材料专业的学生除了需要掌握材料的相关知识和技能，还需掌握机械、电子等知识及技能。 材料专业学生除了要掌握课程内容外，还需掌握建模软件、有限元分析软件、科学分析软件等工具。 就业去向 材料科学与工程专业的毕业生多从事工艺、技术、质检、检验、研发等工作。除此之外，还有从事采购、高精尖大型设备的技术售后等工作。职业发展较好，由于材料专业的特点，使得材料专业的用处存在于产品的研发、性能的保障、产品的质量检验等重要的核心环节中，从业人员可快速展现自己的专业优势。
测定扩散系数的方法。示踪原子扩散方法、化学扩散方法、弛豫方法、核方法。2、产生柯肯达尔效应的原因由于两种原子以不同速度相对扩散而造成标记面的漂移。3、影响扩散系数的因素温度、晶体结构及固溶体类型、各向异性、第三组元、晶体缺陷、4、稳定化合物：是指具有一定的熔点，而且在熔点以下都能保持自身固有的结构而不发生分解的化合物。5、二元相图的几何规律：1.两个单相区只能交与一点，而不能交成线段、2.两个单相区之间，必定是一个由这两个单相构成的两相区、3三相共存区，必定是一条水平线，该水平线必须与由这3个相组合而成的3个两相区相邻、4如果两个恒温转变中有两个是相同的相，那么在这两条水平线之间一定是由这两个相组成的两相区、5.两相区和单相区的分界线与三相等温水平线相交，则分界线的延长线进入另一个两相区，而不会进入单相区。6、相区接触法则：在二元系相图中，相邻相区中相的数目只能相差一个，这一规律称作相区接触法则。7、晶胞的选取原则1.几何形状与晶体具有同样的对称性、2.平面六面体内相等的棱与角的数目最多、3.当平行六面体棱间有直角时，直角数目最多、4.在满足上述条件下，晶包体积应最小。8、形成置换固溶体的条件和影响溶解度因素:1.条件：溶质取代了溶剂中原子或离子所形成的固溶体、2影响：原子或离子的尺寸的影响、晶体结构类型的影响、电负性的影响、电子浓度的影响。9、碳对铁碳合金的组织与性能的影响: 1.碳对铁碳合金平衡组织的影响：当含碳量增加时，使铁碳合金组成相的相对含量发生变化，从而导致不同性质的结晶。2.碳对合金机械性能的影响：当含碳量达到0.77%时，铁碳合金不仅具有较高的强度和硬度，也具有一定的塑性和韧性，当>0.77%时，铁碳合金的塑性韧性降低。3.碳对合金工艺性能的影响：(1) CaCl2固溶在NaCl晶体中(产生正离子空位，生成置换型SS)CaCl2+2NaCl→→Ca·Na+2Clcl+V’Na(2) MgO固溶在Na2O晶体中(产生正离子空位，生成置换型SS)MgO+Na2O→→Mg·Na+Oo+V’Na(3) Al2O3固溶在MgO晶体中(产生正离子空位，生成置换型SS)Al2O3+3MgO→→2Al·Mg+3Oo+V”Mg(4) YF3固溶在CaF2晶体中(产生正离子空位，生成置换型SS)2YF3+3CaF2→→2Y·Ca+6F F+V”Ca(5) MgO固溶在ZrO2晶体中(产生负离子空位，生成置换型SS)MgO+ZrO2→→Mg”zr+Oo+V··o11、材料科学基础《材料科学基础》系统地介绍了材料科学的基础理论，探讨材料的共性和普遍规律。主要内容包括材料的结构，材料的凝固与相图，扩散，材料中铺缺陷，塑性变形、回复与再结晶等。《材料科学基础》可作为高等院校材料类和机械类专业的学生及研究生的教科书和参考书，也可以为相关专业的学生及从事材料工作的科技工作者和工程技术人员提供参考。12、材料科材料科学是自然科学的一个分支，它从事于材料本质的发现、分析和了解方面的研究，目的在于提供材料结构的统一描绘和模型，以及解释这种结构与性能之间的关系。13、合成的定义式什么，合成研究包括那些？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。14、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。 15、结构的定义式什么，包括那些方面1.定义：结构是理解和控制性能的中心环节。2.包括{原子结构、原子的排列、相结构、显微组织、晶体中的结构缺陷。16、离子键的特点：离子键可用化学式表示、高熔点，结合力强，硬而脆、电子周围无自由电子、无方向性、传导性差7、共价键的特点:具有饱和性符合8-n定律、具有方向性、结合力强，熔点高，硬、电子周围无自由电子、传导性差19、晶向指数建立步骤1.选定坐标系、2通过原点作一条直线，使其平行于待标定的晶向、3在直线上任取一点P，求出P点在3个坐标系的坐标、4取截距的最小整数比，去掉比例符号，用方括号括之20、晶面指数的确定步骤：1.选定以晶轴为坐标轴的坐标系，要求坐标原点不在待标晶面上，各轴单位分别是单位平行六面体边长a、b、c2.求出待标晶面在X、Y、Z轴上的截距pa、qb、rc,截距系数为p、q、r3取截距系数的倒数最小整数比、4.去掉比例符号，以小括号括之。 21、晶带定律晶带指数为【uvw】时，晶带中任何晶面指数（hkl）都能符合关系式：hu+kv+lw=0,这种规律称为晶带定律。22、缺陷：晶体的某些区域总是存在原子或分子的不规则排列，这便是晶体结构缺陷23、热缺陷：热缺陷是由于晶体中的原子(或离子)的热运动而造成的缺陷。24、非化学计量化合物：其各元素的原子（或离子）组成可以一定的比例范围内波动。它们的组成不符合化合价规则，不服从组成定律，不能用小的整数来表示，只能用小数描述。5、互扩散伴有浓度变化的扩散，与异类原子的浓度梯度有关，异类原子相对扩散，相互渗透。扩散物质分子从高浓度区域向低浓度区域转移，直到均匀分布的现象。自扩散没有浓度变化的扩散，与浓度梯度无关。异扩散溶质原子在溶剂金属中的扩散 26、扩散通量指扩散物质在单位时间内通过单位截面积的质量。27、固相反应的特点：1、相界面{共格界面、半共格界面、肥共格界面}2.界面能、3应变能、4取向关系、5.惯性面、6晶体缺陷29、固相反应的一般过程包括哪些：1、反应物颗粒间混合接触2、在颗粒表面发生反应3、形成细薄含大量结构缺陷的新相4、晶粒生长5、反应通过反应物的扩散而继续 30、影响固相反应的因素：反应物化学组成与结构；反应物颗粒尺寸及分布的影响；反应温度压力、气氛；矿物剂及其它因素 31、自由度(f)定义:指：在平衡系统中独立可变的因素。 33、何谓金属键？金属的性能与金属键的关系如何定义：金属正离子与自由电子之间的相互作用就构成了金属原子间的结合力→金属键。关系：由于金属键存在自由电子，金属就具有高导电性和导热性，自由电子能吸收光波能量，产生突跃，从而表现出有金属光泽、不透明，另外，金属正离子以球型密堆积方式组成，晶体原子间可滑动，表现出有延展性，并说明金属键没有方向性和饱和性。 34、定比例规则：从等边三角形的某一顶点向对边作一直线，则在线上的任一点表示对边两组分含量之比不变，而顶点组分的含量则随着远离顶点而降低。等含量规则：在 等边三角形中，平行于一条边的直线上的所有各点均含有相等的对应顶点的组成。杠杆规则：在三元系统中，一种混合物分解为两种物质(或两种物质合成为一种混合物)时，它们的组成点在一条直线上，它们的重量比与其它组成点之间的距离成反比。连线规则：将界线(或延长线)与相应的连线相交，其交点是该界线上的温度最高，温度走向是背离交点切线规则：将界线上的某一点所作的切线与相应的组成的连线相交，如交点在连线上，则表示界线上该处具有共熔性质；如交点在连线的延长线上，则表示界线上该处具有转熔性质，远离交点的晶相被回吸。重心规则：无变量点处于其相应副三角形的重心位，则为共熔点；无变量点处于其相应副三角形的交叉位，则为单转熔点；无变量点处于其相应副三角形的共轭位，则为双转熔点。三角形规则原始熔体组成点所在三角形的三个顶点表示的物质即为其结晶产物；与这三个物
《材料科学进展》课程学习心得 在大学里我们自由，轻松，我们活的很自得，完全摆脱了高考时的压力。但在这种环境中我们也会对今后的路该怎么走、毕业后干什么而惆怅，对所学专业不甚了解，大有不知路在何方的迷茫。但在几个月的专业基础课程学习后，我的心境豁然开朗了，对自己的未来有了明确的目标。也许大一对我来说就是一个过渡的过程，我们现在的专业课不再是高中的那种应试了，大学我们需要的是一种质的提升，我们需要学会自己去学习、去专研。 虽然这学期的专业课是各位老师从大体上介绍相关知识的，但这却让我受益匪浅。**老师给我们详细的讲了一些基础知识，主要有有以下内容：材料的定义、材料的分类、材料的结构、材料科学与工程的四个基本要素、与材料相关的仪器与设备、金属与塑料的加工方法、以及四种热处理工艺等，最后一节课他还详细的给我们介绍了复合材料的知识。 **老师的课让我明确了今后专业需要学习的内容，对材料相关知识有了初步的认识。但在谢炜老师的课上我觉得最大的收获是让我学会了如何自主学习，他每节课都会留一至两个问题，让我们自己去找相关资料从而找到答案。在自己去找答案的过程中，经常会发现其它一些新知识以及老师没有讲到的知识，这也让我知道了要学好专业课光靠课堂上学习是远远不够的，老师讲的内容不可能面面俱到，必须从课后去查找一些资料来补充，这样才能把它学好、学精。
***老师的课主要给我们讲了有关金属合金方面的知识。主要内容是镁、铝、铜等金属合金的一些物理性质，如密度、熔点、延展性等。他还给我们详细的讲了一些与我们专业有关的制图软件，如CAD、Prole、UG，其中prole是倾向于塑料模具三维制图的软件，而UG更适合金属材料的制图。在他的课上我最大的收获是明确了我以后从事工作，那就是模具设计。而作为一个模具设计者必须掌握一些制图软件，因此我打算在大一把CAD学好，大二把Prole、UG学好，多掌握一门技术多一份知识，这样对我以后的工作将有很大的帮助。 ***老师的课给我们讲了有关电磷光的一些知识，其中主要是讲红光。她给我们介绍了液晶、等离子显示屏的原理以及其优点与不足，据此她还介绍了当今更先进的可折叠显示屏。她上课的PPT几乎全部是英文，虽然其中许多都是专业术语，但经过她耐心解释我们基本上都能听懂。她的课让我对电磷光产生了浓厚的兴趣，材料竟然如此神奇，同时也让我扩展了知识面，以后学习中我会更加注意这方面的学习，增加自身的学习水平。还有让我体会到了学习英语对专业的重要性，只有学好了英语才能阅读外国的一些资料，才能了解当前材料科学领域的研究热点，学科前沿和最新进展，为今后进一步深造、材料的研究开发以及相关投资决策等打下基础。 **老师的课主要给我们讲述了他在国外的所见所闻以及结合自 己的研究讲解了相关知识。他上课认真负责并且授课幻灯片条理非常清晰简明，同时具体的实例和图片让我们有了更形象的了解。他的课让我知道原来材料还有这么多可研究的方向，并不像我以前所想的那
VO2材料最新研究进展 陈宗德201121220007 核科学与技术学院 摘要：VO2是一种具有特殊相变性能的功能材料。随着温度的变化，该晶型会发生半导体态与金属态的可逆变化，同时，电阻和红外透射率等物理性质也发生突变，其相变点在68"C附近。这些优异的特性使得VO2材料在新型热敏器件、光敏器件、光电开关和红外探测等领域都有着广阔的应用前景。 关键字：VO2 相变特性热敏电阻辐射探测 Abstract：VO2 is a kind of functional phase changing material．With the change in temperature, its structure will appear the irreversible semiconductor-metal state transition, at the same time，the mutations of resistance，infrared transmission, and other physical natures will occur, the phase transition point is in the vicinity of 68℃．Moreover, it is discovered that VO2 phase transition can also be induced by changing applied electric field. The excellent transition feature brings series of valuable applications to VO2 in new thermal and photosensitive devices, photoelectric switches and infrared detector areas. Key words: VO2phase changing the mutations of resistance infrared detector 1. 引言 1958年，科学家F．J．MorinⅢ在贝尔实验室发现钒和钛的氧化物具有一种特殊的现象：随着温度的降低，在一定的温区内材料会发生从金属性质到非金属性质的突然转变，同时还伴随着晶体向对称程度较低的结构转化。接着，其它一些过渡元素金属如钨、铌、铁、镍、铬的化合物也被相继发现具有这种性质[1]。这些化合物包括：Ti2O3，Ti3O5，Ti5O9，Fe203，Fe304，V509，FeSi2，CrS，NbO2，NiS等。其中最引人注目的是一批低价钒氧化物，它们的临界相变温度如表1所示。
1..晶界偏聚：由于晶内与晶界上的畸变能差别或由于空位的存在使得溶质原子或杂质原子 在晶界上的富集现象 2.科垂尔气团：溶质原子在刃型位错周围的聚集的现象，这种气团可以阻碍位错运动，产 生固溶强化效应等结果 3.反应扩散：伴随有化学反应而形成新相的扩散称为反应扩散，如从金属表面向内部渗入 金属时，渗入元素浓度超过溶解度出现新相 4.变形织构：经过塑性变形后原来多晶体中位向不同的晶粒变成取向基本一致，形成晶粒 的择优取向，择优取向后的晶体结构为织构，若织构是在塑性变形中产生的，称为变形织构 5.割阶和扭折：位错运动过程中与其它位错交截后形成一定的位错交截折线，若交截后的 位错折线在原来位错的滑移面上，此位错折线称为扭折，若交截后的位错折线垂直于原来位错的滑移面，此位错折线称为割阶 6.冷加工与热加工：通常根据金属材料的再结晶温度来加以区分，在再结晶温度以上的加 工称为热加工，低于再结晶温度又是室温下的加工称为冷加工 7.面角位错：在位错反应中，fcc晶体中不同滑移面上的全位错分解为不全位错后，领先 不全位错反应生成新的不可动位错，导致出现的三个不全位错之间夹杂两个层错的不可动位错组态； 8.变形织构：多晶体中位向不同的晶粒经过塑性变形后晶粒取向变成大体一致，形成晶粒 的择优取向，择优取向后的晶体结构称为变形织构，织构在变形中产生，称为变形织构； 9.再结晶织构是具有变形织构的金属经过再结晶退火后出现的织构，位向于原变形织构可 能相同或不同，但常与原织构有一定位向关系。 10.再结晶全图：表示冷变形程度、退火温度与再结晶后晶粒大小的关系（保温时间一定） 的图。 11.带状组织：多相合金中的各个相在热加工中可能沿着变形方向形成的交替排列称为带状 组织； 12.加工流线：金属内部的少量夹杂物在热加工中顺着金属流动的方向伸长和分布，形成一 道一道的细线； 13.动态再结晶：低层错能金属由于开展位错宽，位错难于运动而通过动态回复软化，金属 在热加工中由温度和外力联合作用发生的再结晶称为动态再结晶。 14.临界变形度：再结晶后的晶粒大小与冷变形时的变形程度有一定关系，在某个变形程度 时再结晶后得到的晶粒特别粗大，对应的冷变形程度称为临界变形度。二次再结晶：某些金属材料经过严重变形后在较高温度下退火时少数几个晶粒优先长大成为特别粗大的晶粒，周围较细的晶粒逐渐被吞掉的反常长大情况。 15.退火孪晶：某些面心立方金属和合金经过加工和再结晶退火后出现的孪晶组织 16.堆垛层错：密排晶体结构中整层密排面上原子发生滑移错排而形成的一种晶体缺陷 17.弗兰克-瑞德位错源：两个结点被钉扎的位错线段在外力的作用下不断弯曲弓出后，互相 邻近的位错线抵消后产生新位错，原被钉扎错位线段恢复到原状，不断重复产生新位错的，这个不断产生新位错、被钉扎的位错线即为弗兰克-瑞德位错源 18.Orowan机制：合金相中与基体非共格的较硬第二相粒子与位错线作用时不变形，位错 绕过粒子，在粒子周围留下一个位错环使材料得到强化的机制 19.铃木气团：溶质原子在层错区偏聚，由于形成化学交互作用使金属强度升高 20.多边形化：连续弯曲的单晶体中由于在加热中通过位错的滑移和攀移运动，形成规律的 位错壁，成为小角度倾斜晶界，单晶体因而变成多边形的过程 21.空位平衡浓度：金属晶体中，空位是热力学稳定的晶体缺陷，在一定的空位下
材料科学与工程(金属材料科学与工程) Materials Science & Engineering (Metallic Materials Science & Engineering） 专业代码： 080205 学制： 4年 Speciality Code: 080205 Schooling Years： 4 years 培养目标： 培养具有良好素质，德智体全面发展的材料科学与工程方面的高级工程技术人才。 目标1：（扎实的基础知识）培养学生掌握扎实的材料科学与工程学科的基础知识，特别是金属材料的成分—加工—组织—性能之间的关系，掌握各种材料的表征方法及应用，掌握材料设计、制备、加工、检测和评价等方面的先进理论和方法。 目标2：（解决问题能力）培养学生能够创造性地利用材料科学与工程基本原理和方法解决研发和工业生产中遇到的问题。 目标3：（团队合作与领导能力）培养学生在团队中的沟通和合作能力，进而能够具备材料科学与工程领域的管理能力。 目标4：（工程系统认知能力）使学生认识到材料科学与工程在国民经济以及科学技术领域中所起的重要作用，并通过学习和实践成为解决与材料有关的理论与实际问题的人才。 目标5：（专业的社会影响评价能力）培养学生正确看待材料选择、设计和应用对人们日常生活、工商业的经济结构以及人类健康所产生的潜在影响。 目标6：（全球意识能力）培养学生能够在全球化的环境里保持清晰意识，有竞争力地、负责任地行使自己的职责。 目标7：（终身学习能力）培养具有良好素质，德智体全面发展的材料科学与工程方面的高级工程技术人才。学生毕业后既能从事各种传统材料、先进材料、特殊新材料的研制开发与应用，又能从事与制造、信息、汽车、生物、能源等领域和行业相关材料的工程设计及生产管理，具备终身学习的能力。 Educational Objectives: To become advanced engineering and technical personnel with good quality, comprehensive physical and moral qualities in the aspect of materials science and engineering.The students should be able to reach the following goals upon the completion of the degree program: Objective 1:[Foundations] To gain a solid understanding of the fundamental knowledge of materials science and engineering discipline, in particular of the composition-processing-microstructure-performance relationships in metallic materials;