材料科學與工程學科知識要素導(dǎo)學研究

董振偉，張帥陽，梁 瑋，鈔春英，李品將

(許昌學院 新材料與能源學院，河南 許昌 461000)

材料是人類賴以生存的根本，人們在生活中時刻使用著各種各樣的材料，材料改變的同時，人類的生活也在改變，因此，材料和人類的生活息息相關(guān)。人類從石器時代到青銅器時代，再到鐵器時代，每一個時代都有特別倚重的材料，人類的文明伴隨著材料的升級而不斷地提高，可以說材料的發(fā)展推動了人類文明的進步[1]。材料科學與工程學科今時不同往昔，如今的材料產(chǎn)業(yè)擁有著一個十分龐大的市場，這個市場的爆發(fā)式增長使得材料類專業(yè)應(yīng)用型人才的職位大量空缺。為了順應(yīng)形勢，許多高校跟風式的開設(shè)了材料科學與工程相關(guān)專業(yè)，但卻并沒有建立起明確的培養(yǎng)方向和教學目標[2]。材料的基本組成單元是“相”，即所謂材料的基本性質(zhì)，它決定了科學現(xiàn)象，即材料的性能，由于科學本質(zhì)決定了科學現(xiàn)象，而科學現(xiàn)象反映了科學本質(zhì)，即“相”決定了性能，性能反映了“相”。若要研發(fā)出一種新材料，就必須清楚材料的科學本質(zhì)與科學現(xiàn)象之間的關(guān)系，即“相”與性能之間的關(guān)系。材料工程是將材料性質(zhì)與性能連接起來的關(guān)鍵，主要包括材料的表征和工藝。表征闡述的是材料分析檢測技術(shù)的基本原理、探測過程和處理技術(shù)，包括材料分析檢測技術(shù)概述、X射線衍射分析、擴展X射線吸收精細結(jié)構(gòu)譜分析、透射電子顯微分析、掃描電子顯微鏡和電子探針分析、掃描隧道顯微分析和原子力顯微分析等。工藝主要是材料的制備原理和方法，性質(zhì)決定了工藝原理，性能決定了工藝方法和路線，了解了材料的性能及其科學問題，就可依據(jù)“相”與性能之間的聯(lián)系對材料進行制備。綜上所述，材料科學與工程主要研究的是材料的成分、結(jié)構(gòu)、工藝和應(yīng)用等，其中材料科學著重對材料的性質(zhì)與性能之間的關(guān)系進行闡述與分析，而材料工程則是以材料科學為理論依據(jù)對材料進行研制并實現(xiàn)其具體應(yīng)用[3-4]。長期以來，由于沒有明確地揭示材料科學與材料工程之間的關(guān)聯(lián)，因此，像材料科學與工程這樣一門知識寬泛且應(yīng)用性較強的學科其教學效果并不理想。Robert W. Cahn將成分與結(jié)構(gòu)、合成與制備、性能以及使役行為置于正四面體的各個頂點，形成了材料科學與工程學科知識四要素導(dǎo)學示意圖[5]。我國著名材料科學家?guī)煵w先生認為材料的成分與結(jié)構(gòu)是非等同變量，于是將成分和結(jié)構(gòu)分開，并在中心位置加入理論、材料設(shè)計與工藝設(shè)計，從而形成了五要素導(dǎo)學示意圖[6]。本文在材料科學與工程學科知識四要素和五要素導(dǎo)學示意圖的基礎(chǔ)上，引入了缺陷和表征兩項重要內(nèi)容，提出了六要素導(dǎo)學示意圖，并揭示了各要素之間的關(guān)系。

1 四要素導(dǎo)學示意圖

圖1 材料科學與工程四要素導(dǎo)學示意圖[5]

圖1是材料科學與工程學科知識四要素導(dǎo)學示意圖，該模型將材料的成分與結(jié)構(gòu)、合成與制備、性質(zhì)以及使役行為以正四面體的形式連接在一起[6-7]。成分是組成材料的元素種類和配比，包含了無機非金屬材料、金屬材料、高分子材料以及復(fù)合材料等，結(jié)構(gòu)是指材料中實際質(zhì)點(原子、離子或分子)的具體排列情況，成分和結(jié)構(gòu)是決定材料的物理、化學和力學性能的基本因素。性能是指材料對電、磁、光、熱、機械載荷的反應(yīng)，主要取決于材料組成和結(jié)構(gòu)。合成與制備是指把各種原子或分子結(jié)合起來制成材料所采用的各種方法，在微觀尺度上對材料的成分重新進行排布。性能主要包括力學性能、物理性能，而使役行為通常是指材料在某種環(huán)境或條件作用下最終的使用過程中的行為和表現(xiàn)，與材料設(shè)計、工程環(huán)境密切相關(guān)。從材料的產(chǎn)生到失效，四要素存在著邏輯上的因果關(guān)系，即一切以使役行為為目的，成分與結(jié)構(gòu)是物質(zhì)的基本屬性，也是合成與制備的前提與結(jié)果，而性能取決于內(nèi)部成分與結(jié)構(gòu)，根據(jù)材料的性能差異又可以產(chǎn)生不同使役行為的產(chǎn)品。在現(xiàn)代科學技術(shù)中，無論是制造某種產(chǎn)品還是改善現(xiàn)有的材料，都需要具備材料成分、結(jié)構(gòu)與性能等知識為基礎(chǔ)，特別是新型材料，其主要特點是以科學為指導(dǎo)，與新技術(shù)、新工藝的發(fā)展相互依存、相互促進。

2 五要素導(dǎo)學示意圖

事實上，材料的結(jié)構(gòu)與成分并非等同，相同的成分通過不同的合成方法可以得到不同的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致材料的性能和使役行為也會不同。材料的結(jié)構(gòu)主要包括鍵合結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)和組織結(jié)構(gòu)，鍵合結(jié)構(gòu)包括化學鍵(離子鍵、共價鍵、金屬鍵)和物理鍵(氫鍵、分子鍵)，晶體結(jié)構(gòu)包括晶體(原子排列長程有序，有周期)、非晶體(原子排列短程有序，無周期)、準晶體(原子排列長程有序，無周期)，組織結(jié)構(gòu)是指材料表示出的某種形態(tài)特征，包括相圖特征(勻晶組織、共晶組織、包晶組織等)、結(jié)構(gòu)特征(fcc結(jié)構(gòu)、bcc結(jié)構(gòu)、hcp結(jié)構(gòu)等)、組織特征(單相組織、兩相組織、多相組織)。我國著名材料科學家?guī)煵w先生認為，成分是與結(jié)構(gòu)同樣重要的變量，制備和合成可以相關(guān)聯(lián)，同時將“材料理論與制備設(shè)計”列為材料科學與工程的核心，提出了如圖2中所示的五要素導(dǎo)學示意圖，即成分、合成與制備、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和使用效能[6]。該模型的第一大特點是性能與效能之間的特殊關(guān)聯(lián)，效能是材料在使用環(huán)境中性能的表現(xiàn)；第二大特點則是材料理論與制備設(shè)計有了一個適當位置，它處于六面體的中心。五要素示意圖中各要素之間都有相應(yīng)的理論指導(dǎo)，根據(jù)模型可以對材料和工藝進行設(shè)計，以達到提高使用效能、節(jié)約資源、減少污染以及降低成本的目的，這也是材料科學與工程奮斗的目標。

圖2 材料科學與工程五要素導(dǎo)學示意圖[6]

3 六要素導(dǎo)學示意圖

相對于質(zhì)點嚴格按照點陣排列的理想晶體而言，實際晶體中存在著各種尺度上的結(jié)構(gòu)不完整，通常把晶體點陣結(jié)構(gòu)中周期性勢場的畸變稱為晶體結(jié)構(gòu)缺陷，正是由于這些缺陷的存在，才使晶體表現(xiàn)出各種各樣的性質(zhì)。表征是用物理或化學的方法對材料進行分析、測試或鑒定，闡明材料的理化性質(zhì)。其實，材料科學與工程的發(fā)展很大程度上依賴于新興科學儀器的不斷發(fā)明和表征技術(shù)的不斷提高，大約有半數(shù)諾貝爾獎獲得者得益于新儀器的發(fā)明或者新測試手段的采用，因此，材料的表征是材料科學與工程一個重要知識內(nèi)容[8]。基于以上內(nèi)容，在四要素和五要素導(dǎo)學示意圖的基礎(chǔ)上，引入了缺陷和表征兩項重要內(nèi)容，形成了如圖3中所示的六要素導(dǎo)學示意圖，該模型揭示了材料的成分、結(jié)構(gòu)、缺陷、工藝、表征以及效能之間的關(guān)聯(lián)。

圖3 材料科學與工程六要素導(dǎo)學示意圖

材料研究的根本目的在于獲得使用效能，因此，使用效能應(yīng)該成為材料科學與工程最核心的一個要素。對于材料來說效能就是性質(zhì)的最終表現(xiàn)，所以研究一種材料就必須研究材料的組織屬性，而材料的組織就是成分、缺陷、結(jié)構(gòu)三要素。效能是材料在真實環(huán)境中其性能的外部表現(xiàn)，成分、結(jié)構(gòu)、缺陷則是材料組織特有的屬性。表征是材料組織、效能、工藝所體現(xiàn)出來的特征，表征可以通過測試得出，同時材料的結(jié)構(gòu)、成分、缺陷亦由測試得出。材料可以在合適的工藝條件下控制其組織性質(zhì)，材料的制備工藝也可以通過測試結(jié)果進行反饋。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，研究一種材料要通過測試來進行表征，通過表征測試可以對材料的組織性質(zhì)進行分析。成分、結(jié)構(gòu)與缺陷是材料科學與工程的基礎(chǔ)，測試技術(shù)與制備技術(shù)便是科學基礎(chǔ)的延伸。成分與結(jié)構(gòu)從根本上決定了材料的性能，對材料的成分與結(jié)構(gòu)進行精確表征是實現(xiàn)材料性能控制的前提。材料的分析包括表面和內(nèi)部組織形貌、晶體的相結(jié)構(gòu)、化學成分和價鍵結(jié)構(gòu)，相對應(yīng)的，材料的分析方法有形貌分析、物相分析、成分與價鍵分析和分子結(jié)構(gòu)分析。AES是根據(jù)每種原子或離子在熱或電激發(fā)，處于激發(fā)態(tài)的待測元素原子回到激發(fā)狀態(tài)時發(fā)射出特征的電磁輻射而進行元素定性和定量分析。電感耦合等離子體(AES-ICP)的引入提高了元素分析效率，電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法是以電感耦合等離子矩為激發(fā)光源的光譜分析方法，可同時測定多種元素，其中電感耦合等離子體焰矩溫度可達6000～8000 K，當將試樣由進樣器引入霧化器，并被氬載氣帶入焰矩時，則試樣中組分被原子化、電離和激發(fā)，以光的形式發(fā)射出能量。不同元素的原子在激發(fā)或電離時，發(fā)射不同波長的特征光譜，故根據(jù)特征光的波長可進行定性分析；元素的含量不同時，發(fā)射特征光的強弱也不同，據(jù)此可進行定量分析。由此元素分析的方法中我們可以快速分析出樣品中的元素種類和其所占的比例，為下一步的結(jié)構(gòu)分析做準備。接下來的實驗步驟便是要進行X射線粉末衍射儀測試，目前，X射線粉末衍射技術(shù)已發(fā)展成為最重要的材料分析測試技術(shù)之一，這是研究晶體結(jié)構(gòu)的一種方法，X射線衍射法是一種研究晶體結(jié)構(gòu)的方法，而不直接研究試樣含有元素的種類及含量的方法。當X射線照射晶體結(jié)構(gòu)時，將受到晶體點陣排列的不同原子或分子所衍射。X射線照射兩個晶面距離為d的晶面時，受到晶面的反射，晶面間距一般為物質(zhì)的特有屬性，對一種物質(zhì)

若能測定數(shù)個d及其相對應(yīng)的衍射的相對強度，則能對物質(zhì)進行鑒定。組成物質(zhì)的各種相都具有各自的晶體結(jié)構(gòu)(點陣類型，晶胞形狀及大小等)，因而具有各自的X射線花樣特征。對于多相物質(zhì)，其衍射花樣則由各組成相的衍射花樣簡單疊加而成。經(jīng)過測試之后，在和標準物質(zhì)峰圖進行比對看是否吻合，若是樣品的峰圖多而雜亂，最大的原因是其中含有雜質(zhì)或沒有完全反應(yīng)，但是這種測試方法不是直接研究樣品含有元素的種類及含量。掃描電子顯微鏡(SEM)是一種研究物質(zhì)表面形貌的測試方法，是以能量為1～30 kV間的電子束，以光柵狀掃描方式照射到被分析試樣的表面上，利用入射電子和試樣表面物質(zhì)相互作用所產(chǎn)生的二次電子和背散射電子成像，獲得試樣表面微觀組織結(jié)構(gòu)和形貌信息。配置波譜儀和能譜儀，利用所產(chǎn)生的X射線對試樣進行定性和定量化學成分分析。它的特點是焦深大，圖像富有立體感，特別適合于表面形貌的研究，同時放大倍數(shù)范圍廣，從十幾倍到幾十萬倍，可以清晰的觀察到材料表面晶體的生長狀況與形貌，由此可以確定接下來實驗的發(fā)展方向，若測試結(jié)果與假設(shè)不相符我們也可以及時調(diào)整改正，進行接下來的實驗。以上三種測試技術(shù)都由成分、結(jié)構(gòu)、缺陷延伸而來，不同的方向會根據(jù)自身的特點進行不同的技術(shù)測試，最終得到“相”與性能之間的關(guān)系以及對性能的影響。另一重要的技術(shù)是工藝，工藝涉及合成與加工，材料具備表征條件的前提是需要先制備出材料，成為具有某種性能的產(chǎn)品之后方可進行檢測。工藝的范圍比較廣泛，不同的材料會有不同的合成與加工技術(shù)，因此，工藝技術(shù)的進步為材料的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。此外，當了解了某種材料的“相”，即成分、結(jié)構(gòu)和缺陷的關(guān)系之后，就可以依據(jù)此性質(zhì)進行工藝設(shè)計，即材料的“相”決定了工藝路線，反過來通過工藝技術(shù)的優(yōu)化可以提高使用效能，此為工藝技術(shù)與使用效能的相互關(guān)系。綜上所述，表征和工藝技術(shù)作為材料科學與工程兩大要素，與成分、結(jié)構(gòu)、缺陷和效能之間相互促進。

4 結(jié)語

為了在教學過程中讓學生們直觀地了解材料科學與工程這一學科的本質(zhì)內(nèi)容，本文以導(dǎo)學示意圖為研究對象，對材料科學與工程學科知識四要素和五要素導(dǎo)學示意圖進行了概括與分析。在此基礎(chǔ)上，提出了包括缺陷和表征在內(nèi)的六要素導(dǎo)學示意圖，并論證了該示意圖中各要素之間的關(guān)系。六要素導(dǎo)學示意圖的提出不僅是對四要素和五要素導(dǎo)學示意圖的完善，同時也賦予了材料科學與工程學科更為全面而豐富的內(nèi)涵。希望六要素示意圖能夠有助于材料科學與工程專業(yè)基礎(chǔ)課程的教學與相關(guān)科研工作。

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