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材料科學(xué)發(fā)展歷史上幾次飛躍及其啟發(fā)
（作者未知） 2009/12/30
一、基本內(nèi)容
光學(xué)顯微組織觀察，晶體結(jié)構(gòu)XRD解析，相圖的建立，位錯(cuò)理論提出，量子力學(xué)的應(yīng)用，微光分析手段的利用，材料納米化及尺寸效應(yīng)。
二、材料歷史發(fā)展沿革
材料發(fā)展歷程：石器時(shí)代——青銅器時(shí)代——鐵器時(shí)代——電子材料時(shí)代
總結(jié)：使用工具、經(jīng)驗(yàn)總結(jié)、經(jīng)驗(yàn)規(guī)律、科學(xué)研究、科學(xué)設(shè)計(jì)、新材料與器件
三、中國(guó)古代材料技術(shù)無(wú)與倫比
從遠(yuǎn)古時(shí)代的“黃帝造指南車(chē)大戰(zhàn)蚩尤”，到瓷器的使用和青銅時(shí)代的輝煌，再到古代中國(guó)“四大發(fā)明”，材料科學(xué)技術(shù)在中國(guó)的輝煌一直延續(xù)到13世紀(jì)。關(guān)于古代中國(guó)的材料科學(xué)技術(shù)達(dá)到什么水平，他即興背誦了一首杜牧的《赤壁》：
赤壁-杜牧
折戟沉沙鐵未銷，
自將磨洗認(rèn)前朝。
東風(fēng)不與周郎便，
銅雀春深鎖二喬。
費(fèi)維棟教授并解釋說(shuō)：“三國(guó)時(shí)代的兵器在時(shí)隔六百多年后的中唐依然能磨洗認(rèn)前朝，說(shuō)明古代中國(guó)的冶金技術(shù)十分發(fā)達(dá)。還有一個(gè)實(shí)例，兩千多年前的越王劍在出土?xí)r仍然寒光逼人，削鐵如泥。我們不能不為我們祖國(guó)悠久的文化感到自豪�！辟M(fèi)維棟教授介紹了現(xiàn)代西方材料科學(xué)的興起，他以幾個(gè)重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)以及相關(guān)的科學(xué)偉人為線索，生動(dòng)有趣地闡述了材料科學(xué)的幾次飛躍，用科普的語(yǔ)言把晦澀的定律和公式娓娓道來(lái)。譬如他在講解相圖時(shí)，把相圖比喻成一張引導(dǎo)人們進(jìn)入美妙材料科學(xué)世界的地圖，讀懂相圖就不會(huì)研究材料時(shí)迷路。
四、相圖的建立——材料設(shè)計(jì)的地圖
19世紀(jì)中末期，Gibbs系統(tǒng)地建立了化學(xué)熱力學(xué)，為相圖的建立奠定了基礎(chǔ)！
對(duì)于多相體系，個(gè)相間的相互轉(zhuǎn)化，新相的形成，舊相的消失與溫度，壓力，組成有關(guān)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給出的表示相變規(guī)律的各種幾何圖形稱為相圖。從這種幾何圖形上，可以直觀看出多相體系中各種聚集狀態(tài)和它們所處的條件（溫度，壓力，組成）。金屬及其他工程材料的性能決定于其內(nèi)部的組織、結(jié)構(gòu)，金屬等材料的組織又由基本的相所組成。由一個(gè)相所組成的組織叫單相組織，兩個(gè)或兩個(gè)以上的相組成的叫兩相或多相組織。相圖就是用來(lái)表示材料相的狀態(tài)和溫度及成分關(guān)系的綜合圖形，其所表示的相的狀態(tài)是平衡狀態(tài)。表達(dá)混合材料性質(zhì)的一種很簡(jiǎn)便的方式就是相圖。二元相圖可以看作是標(biāo)示出兩種材料混合物穩(wěn)定相區(qū)域的一種圖，這些相區(qū)域是組成百分比和溫度的函數(shù)。相圖也可能依賴于氣壓。
五、光學(xué)顯微組織觀察——組織決定材料的性能
A. Martens 19世紀(jì)末發(fā)現(xiàn)以其名字命名的馬氏體。費(fèi)維棟教授介紹了：同種成分的鋼，不同熱處理性能為何差別很大？淬火為什么可以使鋼硬化？趁熱打鐵為何能夠成功？還有人類首次在結(jié)構(gòu)材料中獲得了第一個(gè)定量的性能預(yù)報(bào)公式��！
六、X射線衍射及晶體結(jié)構(gòu)解析
——材料科學(xué)乃至整個(gè)凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的重大革命
1895年，德國(guó)物理學(xué)家R.C. 倫琴 在研究陰極射線時(shí)，發(fā)現(xiàn)以他名字命名的射線，后稱X射線�，F(xiàn)已查明：X射線實(shí)際上就是電磁波，只不過(guò)是波長(zhǎng)很短而已！倫琴是第一位Nobel物理獎(jiǎng)得主！
特征X射線及其衍射 X射線是一種波長(zhǎng)很短(約為20～0.06┱)的電磁波，能穿透一定厚度的物質(zhì)，并能使熒光物質(zhì)發(fā)光、照相乳膠感光、氣體電離。在用高能電子束轟擊金屬“靶”材產(chǎn)生X射線，它具有與靶中元素相對(duì)應(yīng)的特定波長(zhǎng)，稱為特征（或標(biāo)識(shí)）X射線。如銅靶材對(duì)應(yīng)的X射線的波長(zhǎng)大約為1.5406埃�？紤]到X射線的波長(zhǎng)和晶體內(nèi)部原子面間的距離相近，1912年德國(guó)物理學(xué)家勞厄(M.von Laue)提出一個(gè)重要的科學(xué)預(yù)見(jiàn)：晶體可以作為X射線的空間衍射光柵,即當(dāng)一束 X射線通過(guò)晶體時(shí)將發(fā)生衍射，衍射波疊加的結(jié)果使射線的強(qiáng)度在某些方向上加強(qiáng)，在其他方向上減弱。分析在照相底片上得到的衍射花樣，便可確定晶體結(jié)構(gòu)。這一預(yù)見(jiàn)隨即為實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證。1913年英國(guó)物理學(xué)家布拉格父子(W.H.Bragg,W.L.Bragg)在勞厄發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上,不僅成功地測(cè)定了NaCl、KCl等的晶體結(jié)構(gòu),并提出了作為晶體衍射基礎(chǔ)的著名公式──布拉格方程： 2d sinθ=nλ，式中λ為X射線的波長(zhǎng)，n為任何正整數(shù)。
七、位錯(cuò)理論的建立——金屬?gòu)?qiáng)度理論的基石
晶體強(qiáng)度為何遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度？
1934年，Taylor,Orowan和Polanyi 提出利用位錯(cuò)滑移來(lái)解釋晶體的、強(qiáng)度－大獲成功。
八、量子力學(xué)的應(yīng)用——材料的微觀理論基礎(chǔ)
核心困難：勢(shì)能函數(shù)交叉項(xiàng)，難于求解；
即便可以求解，含1023個(gè)變量的解意義甚微。
對(duì)于許多人來(lái)說(shuō)，也許量子力學(xué)比相對(duì)論更為有用。后者一般用于研究基本粒子的產(chǎn)生和相互轉(zhuǎn)化以及大尺度的時(shí)空（未完，下一頁(yè)）
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