目的: 实现小分子发生化学反应，相互结合形 成高分子。高分子聚合是人工合成三大 类高分子材料：塑料、橡胶、合成纤维 的基本过程。
内容: 1 . 本体聚合 3 . 悬浮聚合 2 . 乳液聚合 二．材料的加工
传统意义上，材料的加工范畴包括四个方面： ? 材料的切削：车、铣、刨、磨、切、钻 ? 材料的成型：铸造、拉、拔、挤、压、锻 ? 材料的改性：合金化、热处理 ? 材料的联接：焊接、粘接
4 . 溶液聚合
材料的成型
三大类材料的成型技术在材料工程中是内容最为丰富的一部分。如果按材料的流变特性来分析，则材料的成型方法可分为三种： １．液态成型 金属的铸造、溶液纺丝 ２．塑变成型 金属的压力加工
3 . 流变成型 金属、陶瓷、高分子成型 流变成型 金属的半固态成型 高分子材料的熔融成型 陶瓷泥料、浆料成型 玻璃的熔融浇注
? 材料的改性
目的：通过改变材料的成分、组织与结构来改变材料的性能。
内容: １. 材料的“合金化”
2 . 材料的热处理
材料的“合金化”
通过改变材料的成分，达到改变材料性能的方法。这种方法在金属材料和现代高分子材料的改性方面有广泛的应用
材料的热处理
通过一定的加热、保温、冷却工艺过程，来改变材料的相组成情况，达到改变材料性能的方法。这种方法在金属材料和现代陶瓷材料的改性方面有广泛的应用。 典型热处理工艺
淬火、退火、回火、正火 淬火工艺
通过快速冷却，获得远离平衡态的不稳定组织，达到强化材料的目的。 正火工艺
在奥氏体状态下，空气或保护气体冷却获得珠光体均匀组织，提高强度，改善韧性。 退火工艺
通过缓慢冷却，获得接近平衡态的组 织，达到均匀化、消除内应力的目的。 回火工艺
淬火或正火的材料重新加热。目的在于松懈淬火应力和使组织向稳态过度，改善材料的延展性和韧性，并稳定工件的尺寸。
? 材料的联接
目的：实现材料间的整体结合 内容: 1. 焊接
2. 粘接 2. 粘接 内容: 1. 焊接
3. 铆接 4. 栓接 3. 铆接 4. 栓接
三．材料表面工程
? 表面改性----改变材料表面的性质
三束表面改性
化学表面改性（化学热处理） 表面淬火
从工艺机理上分析，表面改性同整体材料的改性是相同的，即：在表面实现材料的成分、组织与结构的变化，达到改变材料表面性能的目的。不同点就是采用了特殊的能量输入方式，使能量作用效果或成分变化仅发生在表面。
化学表面改性（化学热处理） 改变材料表面的化学成分 --- 化学渗入
表面淬火
高频淬火
电磁能 集肤电流 表面热能
热处理 组织改变 性能改变 火焰淬火
气体化学反应 表面热能
? 表面防护
腐蚀防护 ? 大气腐蚀 ? 海水腐蚀 ? 工业介质腐蚀
由腐蚀造成的材料失效量，占世界材料总产量的比例很高，腐蚀问题十分严重。因此，腐蚀防护非常重要。
主动防护 合金化 非晶化 高纯度 抗蚀材料
被动防护 表面涂镀 表面改性 表面钝化 电化学保护 摩擦磨损防护
? 增加抗磨损性 ? 增加润滑性
薄膜技术
有许多种薄膜技术能够在基材表面覆盖薄膜材料层，其中最重要的两种方法是： 物理气相沉积 PVD 化学气相沉积 CVD
随着材料科学技术的不断发展，薄膜技术已不仅仅是材料改性的手段。更重要的是，现代薄膜技术在高新技术领域，如：微电子器件、纳米结构与组装、光电子器件，等方面正发挥着越来越重要的作用。
四．材料的复合
? 金属基复合材料 ? 陶瓷基复合材料 ? 高分子复合材料
? 材料复合的主要目的就是依据不同材料性能的优势互补、协调作用的原则，进行材料的设计与制备。因此材料复合的过程就
是材料制备、改性、加工的统一过程。
? 复合材料的制备过程融合了金属、陶瓷、高分子材料制备的基本原理。
? 目前材料科学的发展，复合的概念越来越重要，出现了许多新型的复合材料及制备方法。
现代材料的合成与加工不仅涉及到微观和宏观范围内的内容，同时也涉及到更微细化，甚至达到了原子尺度范围上的问题，因此，这里论述的合成与加工的内涵要大于通常所说的材料工程的内涵。
3.与其它要素的关系
从材料的产生到进入使用过程，直至损耗，四大要素存在着逻辑上的因果顺序，即： 合成加工 结构与成分 材料性质 使用性能
低速冷却 10-3K/S~1K/S 102~108K/S 平衡组织 单晶硅 定向凝固共晶材料 制成涡轮机叶片 4.发展趋势 ?
铸态组织 近终型技术 非平衡态组织 非晶带材：制做变压器 细晶：高强材料 微晶：人们正在研究这一新结构的意义和实用 尺寸 > 300mm 2 缺陷数100-1000个/cm 先进的成型技术 准晶：正在研究 在极端化的条件下，完成合成与加
工过程，获得更多的功能特性。
? 超纯条件------单晶硅晶片 ? 高压条件------人工金刚石 ? 低温条件------超导体 ? 超细条件------纳米材料
电子材料合成与加工的关键技术
? 大尺寸、高均匀性、高完整性的晶体生长技术； ? 高精度晶片加工技术；
? MOCVD、MBE超薄膜生长技术； ? 高纯和超高纯材料纯制技术； ? 低维材料的微细加工和制备技术； ? 高均匀超细粉体制备技术；
? 电子陶瓷、磁性材料的焙烧和成型技术； ? 材料的修饰或改性技术； 由此看出：
我国在合成与加工方面同先进国家的差距还很大，许多关键技术落后的根源都归到这里。因此提高材料合成与加工的技术水平是我们的最重要的课题。
§3.4 仪器与设备
1.成分结构表征仪器
材料成分结构的表征仪器是从事材料科学研究必备的手段，如同天文望远镜将人类视野带到了一个遥远的宇宙空间一样，材料成分结构表征仪器则将我们的观察引进一个更为绚丽多彩的微观世界。
随着仪器能检测到的下限值不断减小，材料研究者所获取的信息也在不断增多，对材料本质的认识也在不断加深。 材料科学研究使用的仪器、设备的精密程度代表了一个国家的综合科技水平。
? 材料表面科学中使用的仪器
扫描隧道显微镜 低能电子衍射仪 双准直离子散射仪 低能电子显微镜 高分辨率电子损耗光谱仪 自旋极化测量 角分辨光电子能谱仪 场离子显微镜 俄歇能谱仪 原子探针
2.材料性能的测定仪器
材料性能的测定仪器是将性能的三要素（外界环境、表现行为、表征参量）融合在一个系统中完成，即，由仪器输入或模拟一个使用环境（条件），使受测材料发生响应（结果），然后仪器再将响应的模拟信号转变为数字信号表现出来（数值）。
有许许多多种材料的力学、物理、化学单项性能，每种性能都分别对应了相应的测定方法和仪器。这些仪器构成了一个庞大的材料性能测定仪器家族。
3.合成与加工设备
材料合成与加工过程是在一个限定的空间，在给定的条件下进行的。用以满足空间需求和提供外加条件的各种装置或部件的组合就构成了材料合成与加工设备的主体。同时，设备中还包含了关键的控制系统。 空间条件：
各类反应容器、坩埚、熔炼炉
气压、液压、机械压制、冲击力（波） 真空设备、不同的气氛条件
电力系统、加热装置、辐照装置、激光发生器 气、液管路、机械进给装置 外力条件： 介质环境： 能量供给： 物质输送：
4.过程控制的探测元件和装置
传感器是控制系统“感知”加工过程的“器官”。
传感器从过程中获得的信号主要包括：声、光、电、磁、热、压力、流速、浓度，等 用于传感器的无机非金属敏感材料
探测性能 氧含量 湿度 酸度 压力 温度 电压 化学 光学 原理 表面离子导电 表面化学反应 压电 热电 晶界面隧道 晶界面相变 表面电子导电 光电阻 材料 MgCr2O4·TiO2 IrO2-χ PbZr1-χTiχO3 PbZr1-χTiχO3 ZnO·Bi2O3 Ba1-χCeχTiO3 ZnO·CuO CdS 体离子导电 Zr1-χCaO2-χ PTC热敏电阻 §2.5 分析与建模（材料设计）
核心问题：
用什么样的配方，什么样的合成加工条件，来获取具有什么样的成分、结构和性质的材料。 “材料设计”构想始于50年代，80年代后实现“材料设计”的条件渐趋成熟。表现在以下三个方面： 1）基础理论的形成和发展
量子力学，统计力学，能带理论，化学键理论等理论科学的发展使人们对材料的结构和性质的关系有了系统的了解； 2）计算机科学技术的发展
计算机高速运算，模式识别，数据库技术等技术的发展，为材料设计与过程仿真的实施提供了手段； 3）合成与加工新技术的涌现
各种新型材料合成加工技术为材料设计方案的实施提供了条件，同时材料智能加工又为合成加工的优化开辟了新方向。
2.材料设计的内容
材料设计贯穿于材料“四要素”的各个方面，即
? 成分结构设计 ? 性质性能预测
? 合成加工过程的控制与优化
? 微观结构设计
案例1：杂化材料
将性质截然不同的材料在原子、分子水平上均匀混合，形成原子、分子层次的复合材料 例如：
高分子聚乙烯和难熔重金属钨的杂化材料 同传统复合材料的区别： 复合材料 不同的组成相复合
杂化材料 不同的组成原子（分子）复合 同固溶体的区别： 固溶体 热力学平衡体系 杂化材料 热力学非平衡体系 案例2：晶体结构计算
通过对原子排列的计算，可以了解到晶体材料的晶体学结构。 案例3：金属间化合物预报
金属间化合物：处于相图中间的除固溶体以外的合金相。许多金属间化合物都是重要的功能材料，如：储氢材料，超导材料，磁性材料，高温结构材料，磁滞伸缩材料等。 案例4：超晶格结构设计
超晶格结构：通过外延生长的方法，使两种材料以极薄的薄膜方式交替叠合，从而沿生长方向在原晶格常数为a（几个埃）的晶格势
场上，引入了一个周期为d（100埃数量级）的一维周期势，这种一维周期势结构就称为超晶格结构。