United1

材料科學與工程材料在我們的文化中比我們認識到的還要根深蒂固。如交通、房子、衣物，通訊、娛樂和食物的生產，實際上，我們日常生活中的每一部分都或多或少地受到材料的影響。歷史上社會的發展、先進與那些能滿足社會需要的材料的生產及操作能力密切相關。實際上，早期的文明就以材料的發展程度來命名，如石器時代，銅器時代。早期人們能得到的只有一些很有限的天然材料，如石頭、木材、粘土等。漸漸地，他們通過技術來生產優于自然材料的新材料，這些新材料包括陶器和金屬。進一步地，人們發現材料的性質可以通過加熱或加入其他物質來改變。在這點上，材料的應用完全是一個選擇的過程。也就是說，在一系列非常有限的材料中，根據材料的優點選擇一種最適合某種應用的材料。直到最近，科學家才終于了解材料的結構要素與其特性之間的關系。這個大約是過去的60年中獲得的認識使得材料的性質研究成為時髦。因此，成千上萬的材料通過其特殊的性質得以發展來滿足我們現代及復雜的社會需要。很多使我們生活舒適的技術的發展與適宜材料的獲得密切相關。一種材料的先進程度通常是一種技術進步的先兆。比如，沒有便宜的鋼制品或其他替代品就沒有汽車。在現代，復雜的電子器件取決于所謂的半導體零件。材料科學與工程有時把材料科學與工程細分成材料科學和材料工程學科是有用的。嚴格地說，材料科學涉及材料到研究材料的結構和性質的關系。相反，材料工程是根據材料的結構和性質的關系來設計或操縱材料的結構以求制造出一系列可預定的性質。從功能方面來說，材料科學家的作用是發展或合成新的材料，而材料工程師是利用已有的材料創造新的產品或體系，和/或發展材料加工新技術。多數材料專業的本科畢業生被同時訓練成材料科學家和材料工程師。“structure”一詞是個模糊的術語值得解釋。簡單地說，材料的結構通常與其內在成分的排列有關。原子內的結構包括介于單個原子間的電子和原子核的相互作用。在原子水平上，結構包括原子或分子與其他相關的原子或分子的組織。在更大的結構領域上，其包括大的原子團，這些原子團通常聚集在一起，稱為“微觀”結構，意思是可以使用某種顯微鏡直接觀察得到的結構。最后，結構單元可以通過肉眼看到的稱為宏觀結構。“Property”一詞的概念值得詳細闡述。在使用中，所有材料對外部的刺激都表現出某種反應。比如，材料受到力作用會引起形變，或者拋光金屬表面會反射光。材料的特征取決于其對外部刺激的反應程度。通常，材料的性質與其形狀及大小無關。實際上，所有固體材料的重要性質可以概括分為六類：機械、電學、熱學、磁學、光學和腐蝕性。對于每一種性質，其都有一種對特定刺激引起反應的能力。如機械性能與施加壓力引起的形變有關，包括彈性和強度。對于電性能，如電導性和介電系數，特定的刺激物是電場。固體的熱學行為則可用熱容和熱導率來表示。磁學性質表示一種材料對施加的電場的感應能力。對于光學性質，刺激物是電磁或光照。用折射和反射來表示光學性質。最后，腐蝕性質表示材料的化學反應能力。除了結構和性質，材料科學和工程還有其他兩個重要的組成部分，即加工和性能。如果考慮這四個要素的關系，材料的結構取決于其如何加工。另外，材料的性能是其性質的功能。因此，材料的加工、結構、性質和功能的關系可以用以下線性關系來表示：加工——結構——性質——性能。為什么研究材料科學與工程？為什么研究材料科學與工程？許多應用科學家或工程師，不管他們是機械的、民事的、化學的或電子的領域的，都將在某個時候面臨材料的設計問題。如用具的運輸、建筑的超級結構、油的精煉成分、或集成電路芯片。當然，材料科學家和工程師是從事材料研究和設計的專家。很多時候，材料的問題就是從上千個材料中選擇出一個合適的材料。對材料的最終選擇有幾個原則。首先，現場工作條件必須進行表征。只有在少數情況下材料在具有最優或理想的綜合性質。因此，有必要對材料的性質進行平衡。典型的例子是當考慮材料的強度和延展性時，而通常材料具有高強度但卻具有低的延展性。這時對這兩種性質進行折中考慮很有必要。其次，選擇的原則是要考慮材料的性質在使用中的磨損問題。如材料的機械性能在高溫或腐蝕環境中會下降。最后，也許是最重要的原則是經濟問題。最終產品的成本是多少？一種材料的可以有多種理想的優越性質，但不能太昂貴。這里對材料的價格進行折中選擇也是可以的。產品的成本還包括組裝中的費用。工程師與科學家越熟悉材料的各種性質、結構、功能之間的關系以及材料的加工技術，根據以上的幾個原則，他或她對材料的明智選擇將越來越熟練和精確。Unit2ClassificationofMaterialsSolidmaterialshavebeenconvenientlygroupedintothreebasicclassifications:metals,ceramics,andpolymers.Thisschemeisbasedprimarilyonchemicalmakeupandatomicstructure,andmostmaterialsfallintoonedistinctgroupingoranother,althoughtherearesomeintermediates.Inaddition,therearethreeothergroupsofimportantengineeringmaterials—composites,semiconductors,andbiomaterials.譯文：固體材料被便利的分為三個基本的類型：金屬，陶瓷和聚合物。這個分類是首先基于化學組成和原子結構來分的，大多數材料落在明顯的一個類別里面，盡管有許多中間品。除此之外，有三類其他重要的工程材料－復合材料，半導體材料和生物材料。Compositesconsistofcombinationsoftwoormoredifferentmaterials,whereassemiconductorsareutilizedbecauseoftheirunusualelectricalcharacteristics;biomaterialsareimplantedintothehumanbody.Abriefexplanationofthematerialtypesandrepresentativecharacteristicsisofferednext.譯文：復合材料由兩種或者兩種以上不同的材料組成，然而半導體由于它們非同尋常的電學性質而得到使用；生物材料被移植進入人類的身體中。關于材料類型和他們特殊的特征的一個簡單的解釋將在后面給出。METALSMetallicmaterialsarenormallycombinationsofmetallicelements.Theyhavelargenumbersofnonlocalizedelectrons;thatis,theseelectronsarenotboundtoparticularatoms.Manypropertiesofmetalsaredirectlyabletotheseelectrons.beboundto

被約束于。。beattributeto

歸屬于。。歸因于。。譯文：金屬材料通常由金屬元素組成。它們有大量無規則運動的電子。也就是說，這些電子不是被約束于某個特定的原子。金屬的許多性質直接歸屬這些不規則運動的電子。Metalsareextremelygoodconductorsofelectricityandheatandarenottransparenttovisiblelight;apolishedmetalsurfacehasalustrousappearance.Furthermore,metalsarequitestrong,yetdeformable,whichaccountsfortheirextensiveuseinstructuralapplications.科技英語在講述科學真理的時候通常用主動語態。如：MetalsareextremelygoodconductorsofelectricityDeformable？譯文：金屬是十分好的電和熱的導體，它們對可見光不透明；一個拋光的金屬表面有光輝的外表。除此之外，金屬是十分硬的，也是可變形的，這個性質解釋了它們廣泛使用在結構方面的應用。CERAMICSCeramicsarecompoundsbetweenmetallicandnonmetallicelements;theyaremostfrequentlyoxides,nitrides,andcarbides.Thewiderangeofmaterialsthatfallswithinthisclassificationincludesceramicsthatarecomposedofclayminerals,cement,andglass.that引導的定語從句譯文：陶瓷是介于金屬和非金屬元素之間的化合物；它們通常是氧化物，氮化物和碳化物。落在這個分類種類中的寬的材料范圍包括陶瓷，它們由粘土礦物，水泥和玻璃組成。Thesematerialsaretypicallyinsulativetothepassageofelectricityandheat,andaremoreresistanttohightemperaturesandharshenvironmentsthanmetalsandpolymers.Withregardtomechanicalbehavior,ceramicsarehardbutverybrittle.more….Than…..withregardto….譯文：這些材料是典型的電和熱的絕緣體，并且它們比金屬和聚合物更加耐高溫和耐苛刻的環境。至于機械性能，陶瓷是硬的但是卻很脆。POLYMERSPolymersincludethefamiliarplasticandrubbermaterials.Manyofthemareorganiccompoundsthatarechemicallybasedoncarbon,hydrogen,andothernonmetallicelements;furthermore,theyhaveverylargemolecularstructures.Thesematerialstypicallyhavelowdensitiesandmaybeextremelyflexible.譯文：聚合物包括常見的塑料和橡膠材料。它們中的大多數是有機化合物，這些化合物是以化學的方法把碳、氫和其他非金屬元素組合而成。因此，它們有非常大的分子結構。這些材料通常有低的密度并且可能十分柔軟。COMPOSITESAnumberofcompositematerialshavebeenengineeredthatconsistofmorethanonematerialtype.Fiberglassisafamiliarexample,inwhichglassfibersareembeddedwithina

polymericmaterial.morethan…譯文：許多復合材料被作用工程使用，它們由至少一種類型的材料組成。玻璃絲是一個熟悉的例子，玻璃纖維被埋入聚合物材料中。Acompositeisdesignedtodisplayacombinationofthebestcharacteristicsofeachofthecomponentmaterials.Fiberglassacquiresstrengthfromtheglassandflexibilityfromthepolymer.Manyoftherecentmaterialdevelopmentshaveinvolvedcompositematerials.譯文：為了聯合顯示每一種組分材料最好的特性，一種復合材料被設計出來。玻璃絲從玻璃中獲得強度并且從聚合物中獲得柔軟性。最近發展中的絕大多數材料包含了復合材料。SEMICONDUCTORSSemiconductorshaveelectricalpropertiesthatareintermediatebetweentheelectricalconductorsandinsulators.Furthermore,theelectricalcharacteristicsofthesematerialsareextremelysensitivetothepresenceofminuteconcentrationsofimpurityatoms,whichconcentrationsmaybecontrolledoververysmallspatialregions.besensitiveto對…敏感的譯文：半導體有電的性質，它們是介于電導體和絕緣體之間的中間物。除此之外，這些材料的電學性質對微量雜質原子的存在十分敏感，雜質原子濃度可能只是在一個十分小的區域內可以控制。Thesemiconductorshavemadepossibletheadventofintegratedcircuitrythathastotallyrevolutionizedtheelectronicsandcomputerindustries(nottomentionourlives)overthepasttwodecades.譯文：這些半導體使得集成電路的出現變得可能，在過去20多年間，這些集成電路革新了電子裝置和計算機工業（更不用說我們的生活）。BIOMATERIALSBiomaterialsareemployedincomponentsimplantedintothehumanbodyforreplacementofdiseasedordamagedbodyparts.Thesematerialsmustnotproducetoxicsubstancesandmustbecompatiblewithbodytissues(i.e.,mustnotcauseadversebiologicalreactions).譯文：生物材料被應用于移植進入人類身體以取代病變的或者損壞的身體部件。這些材料不能產生有毒物質而且必須同人身體器官要相容（比如，不能導致相反的生物反應）。Alloftheabovematerials—metals,ceramics,polymers,composites,andsemiconductors—maybeusedas

biomaterials.Forexample,someofthe

biomaterialssuchasCF/C(carbonfibers/carbon)and

CF/PS(polysulfone)areutilizedinartificialhipreplacements.譯文：所有以上材料－金屬，陶瓷，聚合物，復合材料和半導體材料可能用作生物材料。比如，如CF/C和CF/PS（聚砜）這些生物材料被用作人工腎的取代物。ADVANCEDMATERIALSMaterialsthatareutilizedinhigh-technology(orhigh-tech)applicationsaresometimestermedadvancedmaterials.Byhightechnologywemeanadeviceorproductthatoperatesorfunctionsusingrelativelyintricateandsophisticatedprinciples;examplesincludeelectronicequipment(VCRs,CDplayers,etc.),computers,fiberopticsystems,spacecraft,aircraft,andmilitaryrocketry.譯文：用在高科技中的材料有時被稱作先進材料。借助于高科技，我們預定一個裝置或者產品，這些產品用相對復雜和熟練的原理運轉或者起作用；這些例子包括電子設備（VCRs,CD播放器），計算機，光纖系統，宇宙飛船，航天飛機和軍事火箭。Theseadvancedmaterialsaretypicallyeithertraditionalmaterialswhosepropertieshavebeenenhancedornewlydeveloped,high-performancematerials.Furthermore,theymaybeofallmaterialtypes(e.g.,metals,ceramics,

polymers),andarenormallyrelativelyexpensive.譯文：這些高級材料或是典型的傳統材料，它們的性質被提高，最近開發出來的，高性能材料。除此之外，它們可能是所有材料類型（比如，金屬、陶瓷和聚合物），通常相對較貴。Insubsequentchaptersarediscussedthepropertiesandapplicationsofanumberofadvancedmaterials—forexample,materialsthatareusedforlasers,integratedcircuits,magneticinformationstorage,liquidcrystaldisplays(LCDs),fiberoptics,andthethermalprotectionsystemfortheSpaceShuttleOrbiter.譯文：在下面的章節將討論眾多先進材料的性質和應用－比如被用作激光，集成電路，磁信息存儲，液晶顯示器，光纖和空間艙軌道的熱保護系統的材料。MODERNMATERIALS’NEEDSInspiteofthetremendousprogressthathasbeenmadeinthedisciplineofmaterialsscienceandengineeringwithinthepastfewyears,therestillremaintechnologicalchallenges,includingthedevelopmentofevenmoresophisticatedandspecializedmaterials,aswellasconsiderationofthe

environmentalimpactofmaterialsproduction.Somecommentisappropriaterelativetotheseissuessoastoroundoutthisperspective.譯文：在過去幾年內，不論材料科學與工程的規律取得了巨大的進步，仍然有一些技術挑戰，包括開發更加熟練的專業化的材料，并且考慮材料生產對環境導致的影響。針對這個問題，一些評論是十分相關的。Nuclearenergyholdssomepromise,butthesolutionstothemanyproblemsthatremainwillnecessarilyinvolvematerials,fromfuelstocontainmentstructurestofacilitiesforthe

disposalofradioactivewaste.譯文：核能還保持著一些承諾，但是解決許多仍然存在的問題，將有必要把材料包括在里，從燃料到保護結構以便方便處置這些放射性廢料。Significantquantitiesofenergyareinvolvedintransportation.Reducingtheweightoftransportationvehicles(automobiles,aircraft,trains,etc.),aswellasincreasingengineoperatingtemperatures,willenhancefuelefficiency.Newhighstrength,low-densitystructuralmaterialsremaintobedeveloped,aswellasmaterialsthathavehigher-temperaturecapabilities,foruseinenginecomponents.譯文：相當數量的能源用在交通上。減少交通工具（汽車，飛機，火車等）的重量，和提高引擎操作溫度，將提高燃料的使用效率。新的高強，低密度結構材料仍在發展，用作引擎部位能耐高溫材料也在發展中。Furthermore,thereisarecognizedneedtofindnew,

economicalsourcesofenergy,andtousethepresentresourcesmoreefficiently.Materialswillundoubtedlyplayasignificantroleinthesedevelopments.譯文：除此之外，尋找新的、經濟的能源資源，并且更加有效的使用目前現存的資源是公認為必須的。材料將毫無疑問的在這些發展過程中扮演重要的角色。Forexample,thedirectconversionofsolarintoelectricalenergyhasbeendemonstrated.Solarcellsemploysomerathercomplexandexpensivematerials.Toensureaviabletechnology,materialsthatarehighlyefficientinthis

conversionprocessyetlesscostlymustbedeveloped.譯文：比如，太陽能直接轉化為電能已經被證實了。太陽能電池使用相當復雜并且昂貴的材料。為了保證技術的可行，在這個轉化過程中的高效但不貴的材料必須被發展。Furthermore,environmentalqualitydependsonourabilitytocontrolairandwaterpollution.Pollutioncontroltechniquesemployvariousmaterials.Inaddition,materialsprocessingandrefinementmethodsneedtobeimprovedsothattheyproducelessenvironmentaldegradation,thatis,less

pollutionandlessdespoilageofthelandscapefromtheminingofrawmaterials.譯文：除此之外，環境質量取決于我們控制大氣和水污染的能力。污染控制技術使用了各種材料。再者，材料加工和精制的方法需要改善以便它們產生很少的環境退化，也就是說，在生材料加工過程中，帶來更少的污染和更少的對自然環境的破壞。Also,insomematerialsmanufacturingprocesses,toxicsubstancesareproduced,andtheecologicalimpactoftheirdisposalmustbeconsidered.Manymaterialsthatweusearederivedfromresourcesthatarenonrenewable,thatis,notcapableofbeingregenerated.Theseincludepolymers,forwhichtheprimerawmaterialisoil,andsomemetals.Thesenonrenewableresourcesaregraduallybecomingdepleted.譯文：也，在一些材料生產過程中，有毒物質產生了，并且它們的處置對生態產生的影響必須加以考慮。我們使用的許多材料來源于不可再生的資源，不可再生也就是說不能再次生成的。這些材料包括聚合物，最初的原生材料是油和一些金屬。這些不可再生的資源逐漸變得枯竭whichnecessitates:1)thediscoveryofadditionalreserves,2)thedevelopmentofnewmaterialshavingcomparablepropertieswithlessadverseenvironmentalimpact,and/or3)increasedrecyclingeffortsandthedevelopmentofnewrecyclingtechnologies.譯文：下面是必須的：1）發現另外的儲藏，2）開發擁有較少負環境影響的新材料，3)增加循環的努力并且開發新的循環技術。Asaconsequenceoftheeconomicsofnotonlyproductionbutalsoenvironmentalimpactandecologicalfactors,itisbecomingincreasinglyimportanttoconsiderthe‘‘cradle-to-grave’’lifecycleofmaterialsrelativetotheoverall

manufacturingprocess.譯文：結果，不僅是生產，而且環境影響和生態因子，和材料整個生產過程緊密相關的材料“一生”的生命周期的考慮變得越來越重要。Unit3AtomicStructureofMaterials

1．眾所周知所有的物質都是由原子組成的。在下面周期表中我們可以知道僅僅大約有100多種不同種類的原子存在于整個宇宙中，從我們呼吸的空氣，到各種各樣性質迥異的金屬成千上萬的物種均是由一百多種原子組成的。金屬與陶瓷有不同表現行為，陶瓷又與聚合物有所差異。物質的性能取決于組成他們的原子類型以及原子的結合方式。材料的結構可以根據我們所認為的各種特性的的數量級來分類，三種最常見的主要結構上的分類通常按尺寸的增大列出它們是，原子的結構是指不可見的結構例如原子間的結合方式以及原子的排布。微觀結構是指不能同肉眼觀察到而能用顯微鏡觀察到的結構。宏觀結構是指可以用肉眼直接觀察到的結構。

2．原子結構主要影響物質的化學性質、物理性質、耐熱性、電性、磁性、光學性質。微觀結構和宏觀結構也能影響這些性質但它們通常在力學性質和化學反應速率方面的影響更大。材料的性能為材料的結構提供了一定的線索。金屬的具有的強度就說明構成他的原子是通過很強的成健能力結合在一起的.然而由于金屬經常成型，這些結合力必須允許原子運動。為了了解材料的結構，我們必須知道原子所呈現的類型，原子是如何排布的、如何結合的。

3．從基礎化學我們知道任何元素的原子結構都是有被電子圍繞的帶正電的原子核組成。一個元素的原子數目顯示了原子核中帶正電的質子數。為了確定在一個原子里有多少中子，只需要把原子的數目從原子的重量中減去。

4．原子具有平衡的電荷。因此，通常有和質子數目相同的帶負電荷的電子圍繞在原子核周圍。我們都知道電子以不同的能量存在，那些圍繞在原子核周圍的電子可以方便的認為是一個能源層。例如。鎂原子序數是12最內層有兩個電子8個電子，最外層有兩個電子。所有的化學鍵都包含電子。如果原子共用一個或多個電子時他們會保持很緊密。當原子沒有部分填充的電子層時，它們會處于最穩定的狀態。如果一個原子在電子層上僅有幾個電子那么它就趨向于失去電子使電子層變空。這些即是金屬元素。當金屬原子結合，金屬鍵就出現了。Unit10

Introduction

to

Ceramic

MaterialsThe

word

"ceramic"

is

derived

from

the

Greek

keramos,

which

means

"potter's

clay"

or

"pottery."

Its

origin

is

a

Sanskrit

term

meaning

"to

burn."

So

the

early

Greeks

used

"keramous"

when

describing

products

obtained

by

heating

clay-containing

materials.

The

term

has

long

included

all

products

made

from

fired

clay,

for

example,

bricks,

fireclay

refractories,

sanitaryware,

and

tableware.

“陶瓷”這個詞是來自希臘keramos，這意味著“陶土”或“陶”。它的起源是梵文術語，意思是“燃燒”。因此，早期的希臘人用“keramous”描述加熱含粘土的物料獲得的產品。這個詞早已包括所有陶土制成的產品，例如，磚，粘土質耐火材料，衛生潔具，餐具。In

1822,

refractory

silica

were

first

made.

Although

they

contained

no

clay,

the

traditional

ceramic

process

of

shaping,

drying,

and

firing

was

used

to

make

them.

So

the

term"

ceramic,"

while

retaining

its

original

sense

of

a

product

made

from

clay,

began

to

include

other

products

made

by

the

same

manufacturing

process.

The

field

of

ceramics

(broader

than

the

materials

themselves)

can

be

defined

as

the

art

and

science

of

making

and

using

solid

articles

that

contain

as

their

essential

component

a

ceramic.

This

definition

covers

the

purification

of

raw

materials,

the

study

and

production

of

the

chemical

compounds

concerned,

their

formation

into

components,

and

the

study

of

structure,

composition,

and

properties.

1822年，耐火材料二氧化硅被首次提出。雖然他們中沒有粘土，傳統陶瓷的塑造過程，干燥和燒成使用，使它們。所以說，“陶瓷”，同時保留其原來意義上的粘土制成的產品，開始向包括由同一制造工藝制成的其他產品。陶瓷比材料本身更廣泛的領域可以被定義為制作和使用含有固體的文章作為自己的重要組成部分陶瓷藝術和科學。這個定義涵蓋了原料的凈化，研究和生產有關的化學成分，他們到組件的形成，結構，組成和性質的研究。Ceramics

are

usually

associated

with

"mixed"

bonding-a

combination

of

covalent,

ionic,

and

sometimes

metallic.

They

consist

of

arrays

of

interconnected

atoms;

there

are

no

discrete

molecules.

This

characteristic

distinguishes

ceramics

from

molecular

solids

such

as

iodine

crystals

(composed

of

discrete

I2

molecules)

and

paraffin

wax

(composed

of

long-chain

alkane

molecules).

It

also

excludes

ice,

which

is

composed

of

discrete

H20

molecules

and

often

behaves

just

like

many

ceramics.

The

majority

of

ceramics

are

compounds

of

metals

or

metalloids

and

nonmetals.

Most

frequently

they

are

oxides,

nitrides,

and

carbides.

陶瓷通常與“混合”接合的共價鍵，離子，有時金屬結合。他們組成的相互聯系的原子陣列;沒有離散的分子。這一特點區分，如碘晶體（離散碘分子組成）和石蠟（長鏈烷烴分子組成）分子固體的陶瓷。它也排除了冰，這是由離散的水分子，往往表現就像許多陶瓷。大多數陶瓷，金屬或非金屬化合物和非金屬。他們最常見的氧化物，氮化物和碳化物。However,

diamond

and

graphite

are

also

classified

as

ceramics.

These

forms

of

carbon

are

inorganic

in

the

most

basic

meaning

of

the

term:

they

were

not

prepared

from

the

living

organism.

然而，金剛石和石墨也被歸類為陶瓷。這些形式的碳是無機一詞的最基本的含義：他們不準備從活的有機體。General

Properties一般屬性Ceramics

generally

have

specific

properties

associated

with

them.

We

will

look

at

some

properties

and

see

how

closely

they

match

our

expectations

of

what

constitutes

a

ceramic.

陶瓷一般都與他們相關的特定屬性。我們將看看一些屬性，看看他們如何緊密匹配何謂陶瓷我們的期望。Brittleness脆性

This

probably

comes

from

personal

experiences

such

as

dropping

a

glass

beaker

or

a

dinner_

plate.

The

reason

that

the

majority

of

ceramics

are

brittle

is

the

mixed

ionic-covalent

bonding

that

holds

the

constituent

atoms

together.

At

high

temperatures

(above

the

glass

transition

temperature),

glass

no

longer

behaves

in

a

brittle

manner;

it

behaves

as

a

viscous

liquid.

That

is

why

it

is

easy

to

form

glass

into

intricate

shapes.

So

what

we

can

say

is

that

most

ceramics

are

brittle

at

room

temperature

but

not

necessarily

at

elevated

temperatures.

這可能來自于個人的經驗，如刪除一個玻璃燒杯或餐盤。大多數陶瓷是易碎的原因是共同持有的組成原子的混合離子共價鍵。在高溫（玻璃化轉變溫度以上），玻璃不再表現脆性的方式，它作為一種粘性液體的行為。這就是為什么它很容易形成復雜形狀的玻璃。因此，我們可以說是大多數陶瓷在室溫下很脆，但在高溫下不一定。Poor

electrical

and

thermal

conduction惡劣的電氣和熱傳導

The

valence

electrons

are

tied

up

in

bonds,

and

are

not

free

as

they

are

in

metals.

In

metals

it

is

the

free

electrons-the

electron

gas-that

determines

many

of

their

electrical

and

thermal

properties.

Diamond,

which

is

classified

as

a

ceramic,

has

the

highest

thermal

conductivity

of

any

known

material.

The

conduction

mechanism

is

due

to

Phonons,

not

electrons.

Ceramics

can

also

have

high

electrical

conductivity,(1)the

oxide

ceramic,

ReO3,

has

an

electrical

conductivity

at

room

temperature

similar

to

that

of

Cu;

(2)

the

mixed

oxide

YBa2Cu3O7

is

an

HTSC;

it

has

zero

resistivity

below

92K.

價電子被捆綁起來的債券，是不是免費的，因為他們在金屬。在金屬，它是自由電子的電子氣，決定其電氣和熱性能。鉆石，這是作為陶瓷的分類，有任何已知的材料的導熱系數最高。傳導機制是由于聲子，沒有電子。陶瓷也可以有高導電性，（1）氧化物陶瓷，ReO3，有一個類似的銅在室溫下的電導率;（2）混合氧化物YBa2Cu3O7是高溫超導;它具有零電阻低于92K。These

are

two

examples

that

contradict

the

conventional

wisdom

when

it

comes

to

ceramics.

這些都違背了傳統的智慧，當談到陶瓷的兩個例子。Compressive

strength抗壓強度

Ceramics

are

stronger

in

compression

than

in

tension,

whereas

metals

have

comparable

tensile

and

compressive

strengths.

This

difference

is

important

when

we

use

ceramic

components

for

load-bearing

applications.

It

is

necessary

to

consider

the

stress

distributions

in

the

ceramic

to

ensure

that

they

are

compressive.

An

important

example

is

in

the

design

of

concrete

bridges-the

concrete,

a

CMC,

must

be

kept

in

compression.

Ceramics

generally

have

low

toughness,

although

combining

them

in

composites

can

dramatically

improve

this

property.

陶瓷在緊張的壓縮比，而金屬具有可比性的抗拉和抗壓強度。這種差異是很重要的，當我們使用承載應用的陶瓷元件。這是有必要考慮在陶瓷的應力分布，以確保它們是壓縮。一個重要的例子是在設計的混凝土橋梁，混凝土，中央軍委，必須保持在壓縮。陶瓷一般有韌性低，雖然復合材料相結合，可以極大地提高這個屬性。Chemical

insensitivity

化學不靈敏度

A

large

number

of

ceramics

are

stable

in

both

harsh

chemical

and

thermal

environments.

Pyrex

glass

is

used

widely

in

chemistry

laboratories

specifically

be-cause

it

is

resistant

to

many

corrosive

chemicals,

stable

at

high

temperatures

(it

does

not

soften

until

1100K),

and

is

resistant

to

thermal

shock

because

of

its

low

coefficient

of

thermal

expansion

(33×10-7K-1).

It

is

also

widely

used

in

bakeware.

大量的陶瓷，在苛刻的化學和熱環境是穩定的。硼硅玻璃是在化學實驗室中廣泛使用，具體原因是抵抗許多腐蝕性化學品的，穩定的高溫（不軟化，直到1100K），抵抗熱沖擊，由于其低的熱膨脹系數（33×10-

7K-

1）。它也被廣泛用于在烤盤。Transparent透明

Many

ceramics

are

transparent

because

they

have

a

large

Eg.

Examples

include

sapphire

watch

covers,

precious

stones,

and

optical

fibers.

Glass

optical

fibers

have

a

percent

transmission

>96%km-1.

Metals

are

transparent

to

visible

light

only

when

they

are

very

thin,

typically

less

than

0.1μm.

許多陶瓷是透明的，因為他們有一個大的如。例子包括藍寶石手表蓋，寶石，和光纖。玻璃光纖具有傳輸％>96％每公里。金屬可見光是透明的的，只有當他們是非常薄，通常小于0.1微米。Although

it

is

always

possible

to

find

at

least

one

ceramic

that

shows

a

typical

behavior,

the

properties

mentioned

above

are

in

many

cases

different

from

those

shown

by

metals

and

polymers.

雖然它總是可以找到至少一個陶瓷，顯示了一個典型的行為，上面提到的屬性不同的金屬和聚合物中的許多案件。Types

of

Ceramic

and

Their

Applications陶瓷及其應用的類型

Large

numbers

of

materials

are

ceramics.

The

applications

for

these

materials

are

diverse,

from

bricks

and

tiles

to

electronic

and

magnetic

components.

These

applications

use

the

wide

range

of

properties

exhibited

by

ceramics.

Some

of

these

properties

are

listed

in

Table

3.1

together

with

examples

of

specific

ceramics

and

applications.

The

functions

of

ceramic

products

are

dependent

on

their

chemical

composition

and

microstructure,

which

determines

their

properties.

It

is

the

interrelationship

between

structure

and

properties

that

is

a

key

element

of

materials

science

and

engineering.

大量的材料是陶瓷。這些材料的應用是多種多樣的，從磚瓦，電子和磁性元件。這些應用程序使用廣泛的陶瓷展出的屬性。這些屬性與特定的陶瓷和應用的例子，在表3.1列出了一些。陶瓷產品的功能上取決于其化學成分和微觀結構，這就決定了它們的屬性。它的結構和性能的關鍵因素是材料科學與工程之間的相互關系。You

may

find

that,

in

addition

to

dividing

ceramics

according

to

their

properties

and

applications,

it

is

common

to

class

them

as

traditional

or

advanced.

Traditional

ceramics

include

high-volume

items

such

bricks

and

tiles,

toilet

bowls

(whitewares),

and

pottery.

Advanced

ceramics

include

newer

materials

such

as

laser

host

materials,

piezoelectric

ceramics

.ceramics

for

dynamic

random

access

memories

(DRAMs),

and

so

on,

often

produced

in

small

quantities

with

higher

prices.

There

are

other

characteristics

that

separate

these

categories.

您可能會發現，除了除以陶瓷根據其性質和應用，它是常見他們為傳統或先進的階級。傳統的陶瓷，包括高容量的項目，如磚瓦，馬桶（whitewares），和陶器。先進陶瓷新材料，如激光基質材料，壓電陶瓷，陶瓷，動態隨機存取存儲器（DRAM的）等，往往在價格較高的小批量的生產。有單獨的這些類別的其他特點。Traditional

ceramics

are

usually

based

on

clay

and

silica.

There

is

sometimes

a

tendency

to

equate

traditional

ceramics

with

low

technology,

however,

advanced

manufacturing

techniques

are

often

used.

Competition

among

producers

has

caused

processing

to

becom1

more

efficient

and

cost

effective.

Complex

tooling

and

machinery

is

often

used

and

may

be

coupled

with

computer-assisted

process

control.

通常是基于傳統的陶瓷粘土和二氧化硅。然而，有時也有一種傾向等同于低技術傳統陶瓷，先進的制造技術通常用于。生產者之間的競爭已經引起處理becom1更有效率和成本效益。經常使用復雜的工具和機械，并可能與計算機輔助工藝控制。Advanced

ceramics

are

also

referred

to

as

"special",

“technical",

or“engineering"

ceramics.

They

exhibit

superior

mechanical

properties,

corrosion/oxidation

resistance,

or

electrical,

optical,

and/or

magnetic

properties.

While

traditional

clay-based

ceramics

have

been

used

for

over

25000

years,

advanced

ceramics

have

generally

been

developed

within

the

last

100

years.

先進陶瓷也被稱為“特殊”，“科技”，或“工程”的陶瓷。他們表現出優越的機械性能，耐腐蝕/抗氧化性能，電，光，和/或磁學性質。雖然已超過25000年的使用傳統的粘土基陶瓷，先進陶瓷已普遍被發達國家在過去100年。Table

3.2

compares

traditional

and

advanced

ceramics

in

terms

of

the

type

of

raw

materials

used,

the

forming

and

shaping

processes,

and

the

methods

used

for

characterization.

表3.2比較傳統和先進的陶瓷，在原材料的使用類型方面的形成和塑造的過程和方法用于表征。11微結構、加工過程和應用之間的聯系微結構、加工過程和應用之間的聯系材料科學與工程領域經常是根據四大方面—合成與加工，結構與組成，性質和性能之間的相互聯系來定義的。為了理解任意材料的行為（性能表現）與性質，有必要去了解它的結構。結構可以從幾個水平層次來考慮，這些都會影響材料的最終行為（性能表現）。能夠對材料的顏色、電導性和磁性產生影響的電子構型是材料的最精細的水平。原子中的電子排布方式影響它是如何與其他原子結合的。這（結合方式）反過來又對晶體結構有著重大影響；結晶陶瓷具有非常規則的原子排列，然而，這種長程有序的排列在非晶體和無定型陶瓷中卻不存在，盡管在局部我們可以看到相似的多面體結構。這種材料相對于它們的晶體經常表現出不同的行為。我們不僅要考慮具有完美晶格和理想結構的情況，也要顧及到材料中不可避免的結構缺陷的存在，甚至是無定型的，這類缺陷例如雜質原子和位錯。多晶陶瓷的結構由許多晶粒組成。晶粒的尺寸，形狀和位向在這些材料的許多微觀性質中扮演者重要的角色，例如力學強度。在大多數陶瓷中，多相共存，每一相都有自己獨特的結構、組成和性質。對材料中的這些相的類型、尺寸、分布和總量的控制為控制性質提供了一種方式。陶瓷的微觀結構通常情況下是它所經歷的加工過程的結果。例如，熱壓處理的陶瓷一般情況下只有極少數孔隙，燒結材料很少有這種現象。通過這篇課文，結構、加工過程和性質之間的相互聯系將會很明顯地顯示出來。但這里用5個例子來說明。1.根據霍爾派奇方程，多晶陶瓷的強度取決于晶粒尺寸。一般來說，晶粒尺寸降低時，強度升高。晶粒尺寸是由初始粉體顆粒的大小和它們的凝結方式所決定的。多晶陶瓷中的境界也很重要。強度自然取決于材料是否純凈、是否包含第二相或孔隙，抑或晶界處的玻璃態。對于納米陶瓷來說，這些關系卻并非總是非常明顯的。2.透明或者半透明陶瓷需要限制由氣孔和第二相粒子引起的光的散射。通過熱壓處理可使孔徑減小從而得到高密度產品。這種方法應用在光電領域制出了透明的PLZT陶瓷，例如短暫失明護目鏡。3.因為雜質的存在，主要是能夠散播聲子的氧氣的存在，導致商業上應用的多晶體AlN的熱導性通常比預計的理論值要低。添加稀土或堿金屬氧化物（分別加Y2O3）作為吸氣劑可以減少氧含量。這些氧化物要在AlN成型前與AlN混合。在氧化物添加劑和涂在AlN晶粒表面的氧化物之間形成的第二相，隔離了三相點（？）。4.軟鐵氧體如……在一系列不同的設備中得到應用。舉個例子，在電視顯像管中用作移動電子束的轱轆。軟鐵氧體的磁導率是晶粒尺寸的一項功能。大的無缺陷晶粒是首選，因為我們正是需要這種移動磁疇壁。缺陷和境界釘扎在疇壁處會很難使磁化強度達到飽和。5.因為氧化鋁陶瓷具有很高的電阻率和低介電常數，所以它可以作為絕緣體。很多情況下純凈的氧化鋁是不會被用到的。取而代之的是我們將氧化鋁和硅酸鹽混合，降低燒結溫度。這樣的材料稱為低強氧化鋁，在氧化鋁晶粒間含有玻璃態硅酸鹽相。低強氧化鋁通常情況下比純氧化鋁有高的導電率（低的電阻率），在火花塞上用到。安全涉及材料的工作，安全考慮應該放在第一位。與陶瓷工作相關時，幾項重要的預防措施要被采取。有毒粉末包括例如Pb或Cd，氟化物應該有所了解。在運輸時，廠方要提供關于產品危害方面的信息。閱讀這些信息并保持它們容易獲取是很重要的。一些標準資源提供與有毒粉末和可接受的風險水平的信息，在“參考書”都有給出。小顆粒應該是不能被吸入人體內的。自從19世界60年代這些影響眾所周知，文獻中也都有，但起經常被忽視。適當通風，改善衛生和防護服已經顯著地降低了許多工業風險的發生頻率。處理任何粉末（有毒或者無毒材料）都應當格外小心。最具危險的被認為是顆粒尺寸<1微米；大顆粒不會在空氣中停留住夠長的時間而被吸入體內，即使被吸入，也不能與上呼吸道曲折的輪廓發生信息交流。目前納米粉體的毒性與環境影響還沒有被明顯提出，但它卻是許多研究的主題，2004年英國皇家科學院的研究報告就是其中一例。高溫處理在很多陶瓷加工過程中被用到。高溫對人體的影響是很明顯的，不那么明顯的是熱的東西到底怎么影響的。表格3.3給出了溫度的顏色標度。從制表中可以看出，400度的鋁管顏色沒有變化但會灼傷皮膚。有機物在加工過程中被用作溶劑和粘合劑。傳統上，有機材料在陶瓷加工過程中充當很小的角色。現在他們被廣泛地應用在成型處理上。再次強調，生產廠家要在他們運輸的產品中提供安全數據表單，這些信息十分重要，要仔細閱讀。約定俗成的是，使用材料時，材料安全數據表單應該容易閱讀；很多時候他們要被保存在實驗室中。12生物陶瓷生物材料是應用到醫療器械中并與生物系統發生相互作用的一種非活性材料。生物陶瓷領域相對來說較新，直到20世紀70年代才出現。不過，許多生物陶瓷卻不是新材料。其中一種最重要的是Al203-許多傳統陶瓷產品的一項組成成分。如果一種接近惰性的材料被植入體內將會引起一種保護反應，這種反應可引起非粘著性纖維層的包裹，厚度大約1微米。隨著時間流逝，將會以移植失敗告終。當金屬和聚合物植入人體時也會發生類似反應。但被植入人體內時，具有生物活性的陶瓷將會以以下方式結合——組織界面模仿人體自然修復過程。例如HA的生物活性陶瓷可以以（體相形式）或者復合物的組成成分抑或涂層來使用。可被吸收的生物陶瓷，例如TCP，的確可以在身體內溶解并被周圍組織所取代。這是一項很重要的要求，當然，可溶性產品必須是無毒的。以HA為例，TCP經常用作涂層而非體相形式，亦可以以粉體形式來使用，例如填充在骨內空間中。生物陶瓷在臨床上已得到大量應用。使用的范圍遍及全身，包括修復骨頭、關節和牙齒。當現有的機體部分發生病變、損壞或只是簡單的磨損時，這些修復就會變得很有必要。還有很多其他的生物陶瓷的應用包括心臟瓣膜上的熱解碳涂層和治療某些腫瘤具有特殊放射性的玻璃成分。陶瓷的優勢和劣勢選取作為特殊應用的材料時我們必須作出選擇。材料選取在任何復合材料設計加工過程中都是至關重要的，尤其對于用來移植和其他醫療器具來說。我們能進行承載應用的三種主要材料是金屬，聚合物和陶瓷。陶瓷優于其他移植材料的地方在于陶瓷的生物兼容性。一些在生理環境中是惰性的，其他的在身體內卻能發生可控反應。大多數陶瓷的不利之處在于低硬度（影響其可靠性），高的彈性模量（導致應力屏蔽）。增加陶瓷硬度的一種主要方式為形成復合材料。陶瓷可以是增強相，或為基體抑或兼具兩者。舉個聚合物的例子——利用生物陶瓷進行基體復合增強的摻有HA顆粒增強項的PE。復合材料的硬度比HA的高，彈性模量也更接近骨頭。生物陶瓷也會用做金屬基片的涂層。不銹鋼生物活性玻璃涂層就是一個例子，它主要是利用鋼的強度和韌性以及玻璃的表面活性特征。陶瓷移植對陶瓷移植的要求取決于它將在身體中扮演的角色。例如、全髖關節置換術的要求和中耳移植的要求迥異。不過有兩個基本標準：(1)、陶瓷應與生理環境相兼容；（2）力學性質應與被取代的組織相匹配。大多數陶瓷移植跟骨頭有關。骨頭是由細胞和血液供給系統組成的活性材料，由強度較好的復合結構包裹。這種復合材料是由非常有彈性以及韌性的骨膠原和與該羥基磷灰石極為相似的鈣磷灰石晶體組成的;與HA很相似，我們將會繼續生產（？）。正是HA組分使得骨頭有了硬度。在骨膠原組織中這種針狀的磷灰石晶體20-40nm長，1.5-3nm寬。與生物陶瓷應用有很大聯系的多種類型的骨頭中的兩種是骨松質（海綿骨）和骨皮質（密質骨）。骨松質比骨皮質密度低。骨骼的每一塊骨頭都是外層致密的骨皮質（密質骨）覆蓋在海綿骨上組成的，以小到針孔的蜂窩狀或以被稱為骨小梁的平坦片狀形式存在。因為骨松質的密度較低，所以它的彈性模量比骨皮質低，斷裂應變率比骨皮質高。兩種骨頭都比軟骨組織的彈性模量高，例如肌腱和韌帶。不同類型的連接組織的彈性模量不同，這種不同能夠保證在骨、骨與骨之間以及肌肉與骨之間存在一個機械應力光滑梯度。植入體的力學性質很明顯十分重要。如果植入體比它將要取代的骨的彈性模量高，稱為應力屏蔽的問題接著就會發生。應力屏蔽會削弱負載最低或者負載壓縮區域的骨頭（骨頭必須負載拉伸應力以保持健康）。骨頭在被卸載或者加載壓力的時候會經歷生物轉變引起骨吸收。利用降低彈性模量的方法來排除應力屏蔽是生物陶瓷復合材料發展的一個主要目的。氧化鋁和氧化鋯氧化鋁和氧化鋯是兩個惰性相近的生物陶瓷。長期處于體液包圍中，他們經歷很少的或者幾乎沒有化學轉變。高密度高純度的氧化鋁被大量的用于植入物，特別是在需要承載壓力的髖關節修復和移植中。到2006年，超過10^6髖關節假體用氧化鋁球作為股骨頭替代品。盡管一些氧化鋁牙齒植入體是用單晶制成的，但大部分氧化鋁植入體是由細晶組成的多晶氧化鋁。通常情況下是在1600——1800度下通過壓縮燒結而成。少量氧化鎂（<0.5%）也被加入，抑制晶粒長大，從而在無需高壓條件下便可以燒結得到高密度產品。任何移植材料打的一項重要要求就是它要比病人“活”的久。由于陶瓷失效的概率本質問題，對每個植入體來說，不可能提供具體的絕對的預測使用期限。研究表明，可能像你期待的那樣，負荷的增加以及時間的延長會增加失效的概率。老化和疲勞的研究結果表明，氧化鋁植入物要具有可能最高標準的質量保障，尤其是它們用于年輕患者的矯正假肢上。盡管氧化鋁陶瓷結合了優秀的生物兼容性和杰出的抗磨損能力，但它僅有一般的抗彎強度和較低的硬度。這將移植（用來替換的）髖關節的直徑限制在32mm以下，氧化鋯有較高的斷裂強度和抗彎強度，且比氧化鋁陶瓷的彈性模量低。不過這與ZrO2有關:<1>浸沒在體液中時，氧化鋯的抗彎強度和硬度稍稍降低，原因與從正方晶系到單斜晶系相發生的馬氏體轉變有關。人們已經觀察到在非水溶劑中的相似的轉變；<2>氧化鋯的抗磨損能比氧化鋁查，在陶瓷或陶瓷復合材料中，氧化鋯的磨損率遠遠高于氧化鋁的磨損率，與超高分子量聚乙烯結合的聚合物的過度磨損也會發生;<3>氧化鋯也許會少量富集半衰期較長的例如Th和U的放射性元素，分離這些元素的技術難以實現，代價高昂。主要關心的在于它們會釋放α粒子，可以對身體軟硬組織造成毀滅性打擊。這里有許多關于氧化鋯陶瓷α輻射排放的長期效應問題，盡管這種作用很小。13聚合物的介紹聚合物是由重復的結構單元通過化學鍵連接在一起組成的大分子。這個單詞由希臘字母“”衍生出來。Poly的意思是很多，meros表示部分的。聚合物眾所周知的包括塑料、DNA和蛋白質。舉個例子，聚丙烯的重復結構單元如下所示：零零圈圈窟窿窟窿洞聚合物的俗名叫做塑料，這個詞指的是一大類具有許多性質和用途的天然材料和合成材料。天然聚合物材料例如蟲漆和琥珀，已經使用幾個世紀了、生物高分子例如蛋白質和核酸在生命活動中起著至關重要的作用。聚合物的研究領域涉及聚合物化學、聚合物物理和聚合物科學。歷史進展始于1811年，HenriBraconnot在纖維素衍生出的化合物做的開創性工作可能是高分子科學最早的重要貢獻。術語“polymer”由Joris，Jakob，Berzelius在1833年首次提出。19世紀后期橡膠硫化上取得的進展提高了天然聚合物橡膠的耐磨性，也標志著半合成聚合物的首次通用。1907年，LeoBaekeland通過精確控制溫度和壓力使苯酚和甲醛發生反應，首次得到了全合成聚合物——酚醛樹脂（電木），并與1909年公諸于眾。盡管對聚合物的合成與表征取得了巨大的進展，但是直到20世紀20年代，對聚合物分子的結構的正確理解初見端倪。而在此之前，科學家一直相信聚合物只是小分子團聚在一起（稱為膠質），并沒有固定的分子量，被一種未知的力結合在一起，也就是所謂的關聯理論。1922年，HermannStaudinger提出聚合物是由共價鍵結合在一起組成的長鏈結構所構成，在十數年間這個想法并沒有被廣泛接受，但也因為他的想法Staudinger最終被授予諾貝爾獎。WallaceCarothers在20世紀20年代的工作中也闡述了聚合物通過定向方式從他們的構成單體合成而來。對于聚合物科學的一項重要貢獻是由在Ziegler-Natta催化劑取得重大進展而獲得1963年諾貝爾化學獎的意大利化學家GIulioNatta和德國化學家Karl-Ziegler做出的。在本世紀末期，諸如尼龍、聚乙烯、特氟隆（聚四氟乙烯）和硅樹脂等合成聚合物材料是聚合物工業萌芽的基礎。這些年在定向合成聚合物的工作上業已取得了重大的進步。現在商業上重要的聚合物基本都是利用有機合成技術進行全合成并大量生產。聚合物的合成聚合物的合成是一個把叫做單體的小分子通過共價鍵的結合形成鏈的過程。在聚合過程中，一些化學基團會會從每個單體上脫去。參與形成聚合物不同片段的各單體叫做重復單元或者單體殘基。實驗室合成：實驗室合成方法一般分為兩類：縮聚和加聚。當然，一些新方法例如等離子聚合不分屬其中任何一類。合成聚合物的反應可能也有催化劑的參與。利用實驗室合成方法進行生物大分子的定向合成，尤其是人工合成蛋白質，是一個很熱門的研究方向。生物合成：生物大分子主要有3個分類：聚糖、聚縮氨酸、聚核苷酸。在活細胞中可以通過酶促反應過程將他們合成出來。例如，DNA的行程就是由DNA聚合酶催化得到的。蛋白質的合成涉及轉錄來自DNA和持續翻譯將氨基酸合成特定蛋白質的信息的多種酶促反應過程。蛋白質在翻譯之后會進一步得到修飾以使其具有適當的結構和功能。天然聚合物的改性很多商業上重要的聚合物都是通過天然存在的聚合物進行修飾合成而來。代表例子包括硝酸和纖維素形成硝酸纖維的反應和用存在的硫對天然橡膠加熱而得到的硫化橡膠。聚