超晶格结构使原来的能带分裂为一系列微小能带，可使电子能够在这些微能带间发生跃迁，从而导致各种新的物理现象产生。如：量子尺寸效应、室温激子非线性光子效应、迁移率增强效应、量子霍耳效应、共振隧穿效应。
利用超晶格结构的概念，在原子尺度上进行材料的组份及结构参数设计，改变材料的能带结构，采用先进的制备方法，人工合成各式奇特物理性质的新材料和新器件。——能带工程 制备方法：
分子束外延（MBE） 金属有机化合物化学 气相沉积（MOCVD） 化学束外延（CBE） 原子层外延（ALE） 应用领域
光计算机器件（自电光效应器件SEED） 远红外探测器
量子霍耳电阻，作为电阻自然基准 超高速电子器件
? 连续介质的材料设计 重要的四个材料设计领域
? 各种物理场的数值模拟 1.模拟 热传导过程
2.模拟 应力应变状态 3.模拟 物质扩散过程 4.模拟 流体传输过程 5.模拟 电磁场分布规律 ? 合金显微组织的形成
建模在合金凝固过程中的重要作用。特别是对于大型或特大型铸件，为保证浇注过程的一次成功和避免经济损失，进行全过程的计算机仿真是极其必要的。
不同加工条件下获得的组织，将表现出不同的材料性能。这些加工条件包括许多因素，如：成分、温度梯度及方向、重力、振动、杂质元素、杂质相、液固界面等。将这些因素的物理表征参量包括在一个数学模型中，即模型建立，通过计算机数值计算及对结果的计算机仿真，就可以了解到合金凝固过程及凝固的组织特征。
? 断裂的分析
材料中裂纹的形成和扩展的研究是微观断裂力学的核心问题。 裂纹扩展过程中，裂纹、纤维（晶须）、 基体三元素体系的变化情况：
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纤维拔断 纤维拔出
纤维与基体间滑动 纤维（晶须）偏转 纤维周围的应力状态改变
裂纹扩展过程中能量的增量
⊿E = E1 + E2 + --- +E5 （数学模型） 对数学模型的数值计算，能够获得材料的宏 观抗断裂性能----定量预测
复合材料的界面梯度设计
太空飞行器表面防护材料的梯度设计
表面防护材料的梯度设计的主要内容就是进行由表层到内部的材料成分、结构的梯度设计，从而降低不同材料结合面之间的应力梯度。
? 宏观系统的全过程或全因素的设计 ? 物质流与能量流的平衡设计 ? 过程中的全因素优化设计 ? 材料的智能加工 要求：
（1）金属液的流入量、拉坯速度、后段轧板的运行速度的定比关系
（2）流入结晶器的金属液温度、拉坯速度、后段轧制量、材料的力学性能之间的定比关系
在保证上述两个基本条件下，进行全过程的材料设计。 ? 全过程、全因素优化设计 全过程 材料的设计 支持与维护 全因素 性能指标 失效分析
加工性 成本指标
合成与加工 废弃与回收
环境因素（包括能源、资源、环境）
在材料的制造--废弃的全过程中，对设计的各种因素进行综合的优化设计，将是材料科学与工程领域又一新的研究课题，需要材? 材料的智能加工
近年来，日本许多产品（特别是汽车，电子元件）的质量有压倒美国的趋势。为保持美国在国际上的优势，美国采取的对策之一就是材料的智能加工。 优 点：
实现材料加工的自动化 提高材料的质量 提高性能的重现性 降低产品的废品率
用于传感器的无机非金属敏感材料
料科学家，机械制造工程师，数学家，经济学家等各类人员密切合作方能完成。
探测性能 氧含量 湿度 酸度 压力 温度 电压 PTC热敏电阻 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 3.材料设计的计算机基础
? 物理场的数值模拟
温度场计算 导 热 方 程 描述热传导过程 应力场几何方程 应力场计算 描述应力应变状态 应力场物理方程 浓度场计算 扩 散 方 程 描述物质扩散过程 流体场计算 流体动力学方程 描述流体传输过程 电磁场计算 麦克斯韦方程 描述电磁场分布规律
? 常用工程数学的计算机处理
? 概率分布 ? 误差分析 ? 参数估计 ? 数值分析 ? 曲线拟合 ? 最优化方法
推荐几种重要的数学应用软件
大型统计软件 具有多种数学功能
SPSS MATHLAB
有限元数值计算及优化 ANSYS
? 计算机过程控制
? 计算机接口技术
? 计算机图形学与图象处理技术 ? 计算机实时控制
第四章：无机非金属材料
主要特性：
熔点高、硬度高、化学稳定性好、耐高温、耐腐蚀、 耐磨损、耐氧化、弹性模量大、强度高。 一般为脆性材料 无机非金属材料的种类 陶瓷 玻璃 水泥
陶瓷材料的物质结构 陶瓷材料的结合键
陶瓷材料的组成相的结合键为离子键（MgO、Al2O3）、共价键（金刚石、Si3N4）以及离子键与共价键的混合键
以离子键结合的晶体称为离子晶体。离子晶体在陶瓷材料中占有很重要的地位。它具有强度高、硬度高、熔点高、等特点。但这样的晶体脆性大，无延展性，热膨胀系数小，固态时绝缘，但熔融态可导电等特点。金属氧化物晶体主要以离子键结合，一般为透明体。
以共价键结合的晶体称为共价晶体。共价晶体具有方向性和饱和性，因而共价键晶体的原子堆积密度较低。共价键晶体具有强度高、硬度高、熔点高、结构稳定等特点。但它脆性大，无延展性，热膨胀系数小，固态、熔融态时都绝缘。最硬的金刚石、SiC、Si3N4、BN等材料都属于共价晶体。
以共价键结合的晶体称为共价晶体。共价晶体具有方向性和
饱和性，因而共价键晶体的原子堆积密度较低。共价键晶体具有强度高、硬度高、熔点高、结构稳定等特点。但它脆性大，无延展性，热膨胀系数小，固态、熔融态时都绝缘。
最硬的金刚石、SiC、Si3N4、BN等材料都属于共价晶体。 陶瓷材料的相组成
晶体相：晶体相是陶瓷材料最主要的组成相，主要是某些固溶体或化合物，其结构、形态、数量及分布决定了陶瓷材料的特性和
应用。晶体相又分为主晶相、次晶相和第三相。陶瓷中晶体相主要有含氧酸盐（硅酸盐、钛酸盐等）、氧化物（MgO、Al2O3）、非氧化物（SiC，Si3N4）等。
玻璃相：玻璃相是陶瓷材料中原子不规则排列的组成部分，其结构类似于玻璃。
玻璃相的作用是：将分散的晶体相粘结起来，填充晶体之间的空隙，提高材料的致密度；降低烧成温度，加快烧结过程；阻止晶体转变、抑止晶粒长大。
气相（气孔）：陶瓷中气孔主要是坯体各成分在加热过程中单独或互相发生物理、化学作用所生成的空隙。这些空隙可由玻璃相
来填充，还有少部分残留下来形成气孔。
气孔对陶瓷的性能是不利的。它降低材料的强度，是造成裂纹的根源。
陶瓷材料的晶体缺陷
点缺陷：陶瓷材料晶体中存在的置换原子、间隙原子和空位等缺陷称之为点缺陷。陶瓷材料的很多性质如导电性与点缺陷有直接关系。此外，陶瓷材料的烧结、扩散等物理化学过程也与点缺陷有关。
线缺陷：位错是陶瓷材料晶体中存在线缺陷。陶瓷材料中位错形成所需要的能量较大，因此，不易形成位错。陶瓷材料中位错密度很低。
陶瓷材料主要是离子键和共价键。这两种结合键造成位错的可动性降低。当位错滑移事，离子键中同号离子相斥，导致离子键断裂；而共价键的方向性和饱和性，具有确定的键长和键角，位错的滑移也会导致共价键的破断。 面缺陷：陶瓷材料一般是多晶材料。多晶材料中存在的晶界和亚晶界就是陶瓷材料中的面缺陷。
我们知道晶粒细化可以提高材料的强度。晶界对金属材料和陶瓷材料强度的提高作用机理是不同的。对金属材料来说，晶界阻碍位错的运动，从而强化了材料；而对陶瓷材料来说，利用晶界两侧晶粒取向的不同来阻止裂纹的扩展，提高强度。
陶瓷材料的性能特点
力学性能
硬度：陶瓷的硬度很高，多为1000Hv～1500Hv（普通淬火钢的硬度500～800Hv）。陶瓷硬度高的原因是离子晶体中离子堆积密
度大、以及共价晶体中电子云的重叠程度高引起的。
刚度：陶瓷的刚度很高。刚度是由弹性模量衡量的，而弹性模量又反映其化学键的键能。离子键和共价键的键能都要高于金属键，因此陶瓷材料的弹性模量要高于金属材料。
强度：陶瓷材料的强度取决于键的结合力，理论强度很高。但陶瓷中由于组织的不均匀性，内部杂质和各种缺陷的存在，使得陶瓷材料的实际强度要比理论强度低100多倍。
陶瓷材料的强度也受晶粒大小的影响。晶粒越细，强度越高。此外，陶瓷材料一般具有优于金属材料的高温强度，高温抗蠕变能力强，且有很高的抗氧化性。常用于高温材料。
塑性与韧性：陶瓷材料的塑性和韧性较低，这是陶瓷最大的弱点。 陶瓷材料受到载荷时在不发生塑性变形的情况下，就发生断裂。
断裂是裂纹形成和扩展的过程。陶瓷内部和表面所产生的微裂纹，由于裂纹尖端的应力集中，内部裂纹在受到外应力时扩展很快，这是导致陶瓷材料断裂的根本原因。
热学性能
熔点：陶瓷材料由离子键和共价键结合，因此具有较高的熔点。 熔热：陶瓷材料在低温下热容小，在高温下热容增大。
热膨胀：陶瓷材料的热膨胀系数小，这是由晶体结构和化学键决定的。一般为10～10/K。 电学性能
陶瓷材料是良好的绝缘体。可用于隔电的绝缘材料；陶瓷还具有介电特性，可作为电器的介质。陶瓷材料的介电损耗很小，可大量制造高频、高温下工作的器件。 光学性能
陶瓷材料由于晶界和气孔的存在，一般是不透明的。可以通过烧结方法的改变和控制晶粒的大小，制备出透明的氧化物陶瓷。 结构陶瓷的种类
氧化物结构陶瓷 ：特点：化学稳定性好、抗氧化性强、熔融温
度高、高温强度高。 Al2O3陶瓷 ZrO2陶瓷 MgO陶瓷BeO陶瓷 炭化物结构陶瓷 ：特点：高耐火度、高硬度、高耐磨性。
SiC陶瓷有两种晶体结构：α－SiC和β－SiC。前者属六方晶系，是高温稳定相；后者属等轴晶系，是低温稳定相。SiC陶瓷的莫氏硬度13，在1400度的高温下仍能保持相当高的弯曲强度；SiC陶瓷有很高的热传导能力，抗蠕变性能好，对酸性熔体有很强的抵抗力，但不抗强碱。SiC陶瓷主要用作高温结构材料。如火箭尾喷管的喷嘴，热电偶套管等高温零件。还可用于高温下热交换器。 氮化物结构陶瓷：特点：高耐火度、高硬度、高耐磨性。
Si3N4陶瓷是强共价键材料，原子结合力强，属六方晶系。Si3N4陶瓷具有良好的化学稳定性，能抵抗除氢氟酸以外的各种酸、碱和熔融金属的侵蚀；具有优异的绝缘性；硬度高，摩擦系数小，是一种优良的耐磨材料；线膨胀系数小，热导率高，抗热震性好；室温强度虽然不高，但高温强度较高。 什么是功能陶瓷
功能陶瓷是指具有电、光、磁以及部分化学功能的多晶无机固体材料，其功能的实现主要来自于它所具有的特定的电绝缘性、半导体性、导电性、压电性、铁电性、磁性、生物适应性等 电子陶瓷：
（1）压电陶瓷：当外力作用于晶体时，发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷，这种由于形变而产生的电效应，称为压电效应。反之，当在晶体上施加电场引起极化时，将产生与电场成比例的变形或压力，称之为逆压电效应。材料的压电
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效应取决于晶体结构的不对称性，晶体必须有极轴，才有压电效应。 ：压电陶瓷的种类
压电陶瓷主要有钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸钡（PZT）、改性PZT等。
压电陶瓷的晶体结构随温度的变化而变化。对钛酸钡和钛酸铅，当温度高于居里温度Tc时，为立方晶体，具有对称性，无压电效应；低于Tc时，为四方晶体，具有非对称性，有压电效应。 压电陶瓷的应用
压电陶瓷的优点是价格便宜，可以批量生产，能控制极化方向，添加不同成分，可改变压电特性。
压电陶瓷可用作超声波发生源的振子或水下测声聘仪器上的振子；也可用作声转换器。但压电陶瓷收到机械应力的作用时，由压电效应发生的电能可用于煤气灶的点火器和打火机等；压电陶瓷还可用于滤波器等。 （2）光电陶瓷 光电陶瓷是具有光电导效应的陶瓷材料
当光电陶瓷受到光照射时，由于能带间的迁移和能带与能级间的迁移而引起光的吸收现象时，能带内产生自由载流子，而使电导率增加，这种现象称为光电导现象。
利用光电导效应检测光强度的元件称为光敏元件。检测从波长很短的X射线到波上很长的紫外线的光敏元件主要是烧结GdS多晶；如果在GdS中添加Cu杂质，可以用作检测可见光的光敏元件
（3）超导陶瓷 1986年超导陶瓷的出现，使超导体的临界温度Tc有了很大 提高。出现了高温超导体。超导陶瓷主要有： 1。镧系高温超导陶瓷：以La2CuO3为代表； 2。钇系高温超导陶瓷：以YBa2Cu2Oy为代表； 3。铋系高温超导陶瓷：以Bi-Sr-Cu-O为代表； 4。铊系高温超导陶瓷：以Ta-Ba-Ca-Cu-O为代表； 超导陶瓷的应用
在信息领域：用作高速转换元件、通信元件和连接电路。
在生物医学领域：用于核磁共振断层摄像仪、量子干涉仪、粒子线治疗装置等。
在交通运输领域：完全抗磁体制造的磁悬浮列车、电磁推进 器、飞机航天飞机发射台等。 在电子能源领域：用于超导磁体发电、超导输电、超导储能等
在宇宙开发、军事领域：潜艇的无螺旋浆无噪声电磁推进器、超导磁炮等。 (4)磁性陶瓷 :软磁铁氧体
主要有：尖晶石型的Mn-Zn铁氧体、 Ni-Zn铁氧体、Mg-Zn铁氧体、 Li-Zn铁氧体和磁铅石型的甚高频铁氧体（Ba3Co2Fe24O41）。
软磁铁氧体要求起始磁化率高，磁导率温度系数小，矫顽力小，比损耗因数小。
软磁铁氧体主要用于无线电电子学和电讯工程等弱点技术中，如各种电感线圈的磁芯、天线磁芯、变压器磁芯、滤波器磁芯以及录音与录像磁头等。 硬磁铁氧体
主要有两类：一类是CoFe2O4-Fe2O3； 另一类是BaO-xFe2O3。
软磁铁氧体要求具有较大的矫顽力Hc、较高的剩余磁Br和高的最大磁积能（BH）max。
硬磁铁氧体可用作永磁体，用于高频磁场领域。由于Hc值 (5)
什么是铁氧体？铁氧体是铁和其他金属的复合氧化物，MO-Fe2O3，M代表一价、二价金属。
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铁氧体属半导体，电阻率在1-10Ωm。由于电阻率高，涡流损失小，介质耗损低，故广泛用于高频和微波领域
大，可制成片状或粉末状，应用在与橡胶和树脂混合制成的复合磁铁上。 光学陶瓷
要求：具有优良的耐热性、耐风化性、耐膨胀性；除了能透过可见光外，还能够波长更长或波长更短的光；光损耗低，能在远距离进行光传播；经光的照射，其性质发生可逆或不可逆变化。 陶瓷材料怎样才能透明？
在各向同性晶体构成的多晶体中，晶界不产生散射，但不存在气孔等缺陷时，是透明的；在各向异性的晶体中，光从一个晶粒向邻近的晶粒入射时，由于双折射现象而产生散射，是不透明的。若要得到透明多晶体，双折射必须很小。
制造透明陶瓷的关键：消除气孔和控制晶粒异常长大 消除气孔和控制晶粒异常长大的常用方法： 1。添加微量或少量的添加剂 2。改变烧结气氛 3。改变原料