一、材料性能的定義

　　材料性能是一種用于表征材料在給定的外界條件下的行為參量。有多少行為，就對應有多少性能。例如：外力作用下的拉伸行為的載荷－位移曲線或應力-應變曲線，采用屈服，縮頸、斷裂等行為判據(jù)，便分別有屈服強度、抗拉強度、斷裂強度等力學性能。用表征材料在外磁場作用下磁化及退磁行為的磁滯回線，采用不同的行為判據(jù)，便分別有矯頑力、剩余磁感、貯藏的磁能等磁學性能。外界條件不同，相同的材料也會有不同的性能。斷裂強度的臨界條件是斷裂，不少的外界條件可以影響斷裂行為，溫度升高到熔點的40~50%以上─蠕變斷裂強度，反復的交變載荷─疲勞斷裂強度，特定的化學介質(zhì)─腐蝕斷裂強度。

　　二、材料性能的外延與劃分

　　材料性能的劃分只是為了學習和研究的方便。各種性能間既有區(qū)別，又有聯(lián)系。復雜性能就是不同簡單性能的組合。消振性，對于高振動的器件(如汽輪機的葉片)是一個重要的力學性能，但對琴絲、大鐘，除了力學性能外還涉及到悅耳的聲學性能；材料的高溫蠕變強度，既是力學性能，又是熱學性能；材料的應力腐蝕：既是化學問題，又是力學問題；反射率是光學性能，又與金屬表面的化學穩(wěn)定性有關(guān)。下表為材料性能的一般劃分方法。

同一材料不同性能只是相同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在不同的外界條件下所表現(xiàn)出的不同行為。在研究材料性能時，既要總結(jié)個別性能的特殊規(guī)律，也應該要從材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)去理解材料為什么會有這些性能。例在研究材料機械性能時，我們既要研究材料的各種強度、彈性、塑性、韌性的特殊規(guī)律，即建立與性能的各種表象規(guī)律，又要運用晶體缺陷理論去研究材料從形變到斷裂的普遍規(guī)律，去探尋這些現(xiàn)象形成的機理。又如，材料的電、磁、光、熱現(xiàn)象的物理性能，可以在電子論的指導下得到物理本質(zhì)的統(tǒng)一。因此，我們必須要運用固體物理和固體化學，從本質(zhì)上理解固體材料的各種性能所涉及的現(xiàn)象。絕大多數(shù)性能是與整體內(nèi)部的原子特性和交互作用有關(guān)的，但是，有些性能則只與材料的表面層原子有關(guān)，如腐蝕和氧化、摩擦和磨損、晶體外延生長與離子注入、催化和表面反應等。

　　一般人們都用“工藝→結(jié)構(gòu)→性能”這條路線去控制或改造性能，即工藝決定結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)決定性能。改變結(jié)構(gòu)時，應考慮它的可變性以及這種改變對于性能改變的敏感性。有些結(jié)構(gòu)是難于改變的，如原子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)類型；有些組織雖然可以通過工藝來改變，但性能對于結(jié)構(gòu)卻有不同的敏感性。某些性能主要取決于成分，成分固定，性能也就隨之而固定，這稱為非結(jié)構(gòu)敏感性性能。如：熔點、彈性模量、磁飽和等。另一些性能則由于晶體的缺陷、畸變、第二相的數(shù)量、大小和分布等的改變而可能有很大的變化，這則稱為結(jié)構(gòu)敏感性的性能，例如：電導率、屈服強度、矯頑力等。

　　三、材料性能研究目的

　　材料性能的研究，既是材料開發(fā)的出發(fā)點，也是其重要歸屬。陶瓷材料，它之所以能廣泛地應用，歸根結(jié)底是因為其某一方面的性能可以滿足人們的需要，可制成各種各樣的形狀，堅硬、表面光潔度高，可用作各種各樣的容器；同時具有一定的電氣絕緣強度及機械強度，可作為重要的絕緣材料。近年來開發(fā)出來的一些新性能還可滿足一些特殊環(huán)境的要求，用此制備重要的功能元件，利用磁性制備計算機記憶元件；利用光學性能制備光學元件，如透明陶瓷可用作鈉光燈的燈罩，鈉光燈的發(fā)光效率高且節(jié)能，但若用普通玻璃，則因為鈉蒸氣的腐蝕作用而出問題；利用機械強度與化學惰性制備仿生陶瓷(人造骨骼，牙齒等)、耐高溫、高溫陶瓷等等。

　　集成電路的絕緣基板材料，首先必須要具有一定的強度，以便能夠承載起安裝在其上的集成電路元件及布在其上的電路線，要有均勻而平滑的表面，以便進行穿孔、開槽等精密加工，從而能夠構(gòu)成細微而精密的圖形，應有優(yōu)良的絕緣性能，尤其是在高頻下，還要有充分的導熱性，以迅速散發(fā)電路上因電流產(chǎn)生的熱，電子元器件與基片的熱膨脹系數(shù)之差應盡可能地小，從而保證基片與電路間良好的匹配性，電路與基片就不會剝離。總之，材料的強度、表面光潔度、絕緣性能、熱導性、熱膨脹系數(shù)等材料是衡量基板材料好壞的重要指標。環(huán)氧樹脂等塑料是較好的基片材料，但它們的導熱性能不好。氧化鋁的導熱性能約為環(huán)氧樹脂的三十倍，故氧化鋁是重要的基片材料。比氧化鋁的導熱性更好的材料，更有希望作基片的材料。氧化鋁單晶(亦稱為藍寶石)，其導熱系數(shù)比氧化鋁燒結(jié)體大4倍，但卻難于獲得合適的薄片形狀。碳化硅導熱性較好，約10倍于氧化鋁，硬度高，可精密加工，熱膨脹系數(shù)接近硅，但卻是半導體，且致密燒結(jié)非常困難。現(xiàn)采用添加百分之幾的氧化鈹，并用熱壓燒結(jié)方法，獲得了導熱性能與絕緣性兼有的致密材料。金剛石是導熱系數(shù)最好的材料，絕緣性也很好，是最理想的絕緣基片材料，但是要穩(wěn)定地供給高純度且具有一定大小的片狀金剛石晶體，目前還有很大困難，要投入實際應用，還需要做出很大的努力。以上僅從導熱系數(shù)指標來討論的，實際應用中還要考慮其它指標。如對于大型計算機，還要考慮介電常數(shù)，因為若基片材料的介電常數(shù)過大，則電子元件上的響應時間就會變大，從而影響計算機的運算速度。因此，用氧化鋁作基片材料，還存在著許多值得改進之處。總之，對材料的使用，主要是使用其某一方面的性能。在選用材料時先考查主要性能滿足時，再考察其它性能。

　　材料性能的研究，有助于研究材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。材料性能就是內(nèi)部結(jié)構(gòu)的體現(xiàn)，對結(jié)構(gòu)敏感性能，更是如此。同樣，材料的性能，也反映了材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。例如：根據(jù)2dsinθ=nλ，利用晶體對X-ray的衍射圖象，就可以推知晶體中面網(wǎng)間距d，進而就可以分析晶體的結(jié)構(gòu)。

　　四、材料生產(chǎn)工藝

　　任何一種新材料從發(fā)現(xiàn)到應用于實際，必須經(jīng)過適宜的制備工藝才能成為工程材料。高溫超導自1986年發(fā)現(xiàn)以后到20世紀末，已有15年的歷史，但仍不能普遍應用于電力，主要是因為沒有找到價廉而穩(wěn)定的生產(chǎn)線材的工藝。C60也是如此，盡管在發(fā)現(xiàn)之初認為它的用途十分廣泛，但到20世紀末仍處于科研階段。傳統(tǒng)材料也需要不斷改進生產(chǎn)工藝或流程，以提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本和減少污染，從而提高競爭能力。分子束外延技術(shù)的出現(xiàn)，可以控制薄膜的生長精確到幾個原子的厚度，從而實現(xiàn)了“原子工程”或“能帶工程”，為原子、分子設計提供了有效手段；快冷技術(shù)（即每秒冷卻速度達104~108K）的采用，為金屬材料的發(fā)展開辟了一條新途徑。首先是金屬玻璃的形成，提高了金屬強度、耐磨耐蝕性能和磁學性能。其次通過快冷可得到超細晶粒，成為改進性能的有效方法。第三是通過快冷發(fā)現(xiàn)了準晶，由此改變了晶體學的傳統(tǒng)觀念。所以材科制備方法的研究與開發(fā)成為材料科學技術(shù)的重點。

　　材料的廣泛應用是材料科學技術(shù)發(fā)展的主要動力，實驗研究出來的具有優(yōu)異性能的材料不等于具有實用價值，必須通過大量應用研究，才能發(fā)揮其應有的作用。材料的應用要考慮以下幾個因素：一是材料的使用性能(performance)；二是使用壽命(durability)及可靠性(reliability)；三是環(huán)境適應性(environmental compliance)，包括生產(chǎn)過程與使用期間；四是價格(cost)。當然，不同材料及使用的對象不同，考慮的重點就不一樣，有些量大面廣的材料，價格低廉是主要的，因而生產(chǎn)要低成本，檢驗不十分復雜，如建材與包裝材料；相反，有些關(guān)鍵技術(shù)所用關(guān)鍵材料，如航空航天及醫(yī)用生物材料，一旦發(fā)生意外，則損失嚴重，因而必須高質(zhì)量、安全可靠，加強檢驗，否則后果不堪設想，所以有時檢驗費用比材料本身花費還高。以航空發(fā)動機所用高溫合金為例，作為渦輪葉片及渦輪盤材料，一旦在飛行過程中出現(xiàn)斷裂，很可能造成機毀人亡，因而在要求長壽命(幾萬小時)的同時，對可靠性的要求特別嚴格。為了保證材料的質(zhì)量，采用三次熔煉、真空感應爐溶煉，以保證嚴格控制成分(去氣、去有害雜質(zhì))；再用電渣重熔，以去除非金屬夾雜物；最后真空自耗電弧重熔，可以得到無宏觀缺陷的合金錠，如此保證材料質(zhì)量的均一性和完整性，再經(jīng)鍛造，或重熔鑄造加工成零件、最后經(jīng)過高靈敏度的檢驗合格后，再裝機使用。對醫(yī)用生物材料來說，質(zhì)量保證更為嚴格，因為一旦因質(zhì)量事故而產(chǎn)生不良后果，則后患無窮。