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(duì)應(yīng)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(yīng)力-應(yīng)變曲線，采用屈服，縮頸、斷裂等行為判據(jù)，便分別有屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度等力學(xué)性能。用表征材料在外磁場(chǎng)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(xué)性能。外界條件不同，相同的材料也會(huì)有不同的性能。斷裂強(qiáng)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(diǎn)的40~50%以上─蠕變斷裂強(qiáng)度，反復(fù)的交變載荷─疲勞斷裂強(qiáng)度，特定的化學(xué)介質(zhì)─腐蝕斷裂強(qiáng)度。

　　二、材料性能的外延與劃分

　　材料性能的劃分只是為了學(xué)習(xí)和研究的方便。各種性能間既有區(qū)別，又有聯(lián)系。復(fù)雜性能就是不同簡(jiǎn)單性能的組合。消振性，對(duì)于高振動(dòng)的器件(如汽輪機(jī)的葉片)是一個(gè)重要的力學(xué)性能，但對(duì)琴絲、大鐘，除了力學(xué)性能外還涉及到悅耳的聲學(xué)性能；材料的高溫蠕變強(qiáng)度，既是力學(xué)性能，又是熱學(xué)性能；材料的應(yīng)力腐蝕：既是化學(xué)問題，又是力學(xué)問題；反射率是光學(xué)性能，又與金屬表面的化學(xué)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(shí)，既要總結(jié)個(gè)別性能的特殊規(guī)律，也應(yīng)該要從材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)去理解材料為什么會(huì)有這些性能。例在研究材料機(jī)械性能時(shí)，我們既要研究材料的各種強(qiáng)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(yùn)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(jī)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(dǎo)下得到物理本質(zhì)的統(tǒng)一。因此，我們必須要運(yùn)用固體物理和固體化學(xué)，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(zhǎng)與離子注入、催化和表面反應(yīng)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(shí)，應(yīng)考慮它的可變性以及這種改變對(duì)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(duì)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(diǎn)、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(dǎo)率、屈服強(qiáng)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(diǎn)，也是其重要?dú)w屬。陶瓷材料，它之所以能廣泛地應(yīng)用，歸根結(jié)底是因?yàn)槠淠骋环矫娴男阅芸梢詽M足人們的需要，可制成各種各樣的形狀，堅(jiān)硬、表面光潔度高，可用作各種各樣的容器；同時(shí)具有一定的電氣絕緣強(qiáng)度及機(jī)械強(qiáng)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(jì)算機(jī)記憶元件；利用光學(xué)性能制備光學(xué)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?yàn)殁c蒸氣的腐蝕作用而出問題；利用機(jī)械強(qiáng)度與化學(xué)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(qiáng)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(jìn)行穿孔、開槽等精密加工，從而能夠構(gòu)成細(xì)微而精密的圖形，應(yīng)有優(yōu)良的絕緣性能，尤其是在高頻下，還要有充分的導(dǎo)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(yīng)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(huì)剝離。總之，材料的強(qiáng)度、表面光潔度、絕緣性能、熱導(dǎo)性、熱膨脹系數(shù)等材料是衡量基板材料好壞的重要指標(biāo)。環(huán)氧樹脂等塑料是較好的基片材料，但它們的導(dǎo)熱性能不好。氧化鋁的導(dǎo)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(dǎo)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(lán)寶石)，其導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)熱性能與絕緣性兼有的致密材料。金剛石是導(dǎo)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(shí)際應(yīng)用，還需要做出很大的努力。以上僅從導(dǎo)熱系數(shù)指標(biāo)來討論的，實(shí)際應(yīng)用中還要考慮其它指標(biāo)。如對(duì)于大型計(jì)算機(jī)，還要考慮介電常數(shù)，因?yàn)槿艋�片材料的介電常�?shù)過大，則電子元件上的響應(yīng)時(shí)間就會(huì)變大，從而影響計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。因此，用氧化鋁作基片材料，還存在著許多值得改進(jìn)之處。總之，對(duì)材料的使用，主要是使用其某一方面的性能。在選用材料時(shí)先考查主要性能滿足時(shí)，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(duì)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(duì)X-ray的衍射圖象，就可以推知晶體中面網(wǎng)間距d，進(jìn)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(yīng)用于實(shí)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(dǎo)自1986年發(fā)現(xiàn)以后到20世紀(jì)末，已有15年的歷史，但仍不能普遍應(yīng)用于電力，主要是因?yàn)闆]有找到價(jià)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(rèn)為它的用途十分廣泛，但到20世紀(jì)末仍處于科研階段。傳統(tǒng)材料也需要不斷改進(jìn)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(jìng)爭(zhēng)能力。分子束外延技術(shù)的出現(xiàn)，可以控制薄膜的生長(zhǎng)精確到幾個(gè)原子的厚度，從而實(shí)現(xiàn)了“原子工程”或“能帶工程”，為原子、分子設(shè)計(jì)提供了有效手段；快冷技術(shù)（即每秒冷卻速度達(dá)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?gòu)?qiáng)度、耐磨耐蝕性能和磁學(xué)性能。其次通過快冷可得到超細(xì)晶粒，成為改進(jìn)性能的有效方法。第三是通過快冷發(fā)現(xiàn)了準(zhǔn)晶，由此改變了晶體學(xué)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(xué)技術(shù)的重點(diǎn)。

　　材料的廣泛應(yīng)用是材料科學(xué)技術(shù)發(fā)展的主要?jiǎng)恿Γ瑢?shí)驗(yàn)研究出來的具有優(yōu)異性能的材料不等于具有實(shí)用價(jià)值，必須通過大量應(yīng)用研究，才能發(fā)揮其應(yīng)有的作用。材料的應(yīng)用要考慮以下幾個(gè)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(yīng)性(environmental compliance)，包括生產(chǎn)過程與使用期間；四是價(jià)格(cost)。當(dāng)然，不同材料及使用的對(duì)象不同，考慮的重點(diǎn)就不一樣，有些量大面廣的材料，價(jià)格低廉是主要的，因而生產(chǎn)要低成本，檢驗(yàn)不十分復(fù)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(yán)重，因而必須高質(zhì)量、安全可靠，加強(qiáng)檢驗(yàn)，否則后果不堪設(shè)想，所以有時(shí)檢驗(yàn)費(fèi)用比材料本身花費(fèi)還高。以航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)毀人亡，因而在要求長(zhǎng)壽命(幾萬小時(shí))的同時(shí)，對(duì)可靠性的要求特別嚴(yán)格。為了保證材料的質(zhì)量，采用三次熔煉、真空感應(yīng)爐溶煉，以保證嚴(yán)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(yàn)合格后，再裝機(jī)使用。對(duì)醫(yī)用生物材料來說，質(zhì)量保證更為嚴(yán)格，因?yàn)橐坏┮蛸|(zhì)量事故而產(chǎn)生不良后果，則后患無窮。