材料科学简介

贡献者： ACertainUser; addis

1. 不仅是单一成分…

　　¹按照经典的比喻，如果材料是一栋大楼，那么他的成分就相当于建造大楼的一块块砖头。因此，大部分介绍材料科学的书都是从成分这个古老而深刻的话题入手。

　　 早在幼儿园二年级，懵懂无知的我们就开始好奇地打量生活中的各种物品、初探材料世界。也是从那时起，我们知道了那些基本材料的名称：金属、陶瓷、玻璃、塑料…

　　 为何这几种材料就能组成千变万化的世界？到了小学二年级，我们觉察事情并不如此简单。所谓金属、塑料，其实只是一大类材料的总称，而并非单一一种物质。譬如说，金属可以继续细分为铁、铜、铝等等等等，而塑料则可以分为热塑型塑料与热固型塑料。

　　 到了人生知识的巅峰、中二病发的中学二年级，我们了解到，即使是铁、铝这些名词，仍然不是故事的全部。我们使用的金属材料往往不是单一成分的纯净金属，而是包括了多种元素的合金。常说的 “钢铁” 就至少包括了铁与碳这两种元素；塑料的情况则更糟糕，根据塑料中构成高分子链的小分子种类，我们开始苦恼于聚乙烯 PE、聚丙烯 PP、聚氯乙烯 PVC、聚乳酸 PLA…

　　 到了大学二年级，如果我们有志在干饭、电竞之余继续探索材料世界，就一定会感慨 “吾生也有涯，而知也无涯”，所谓知道得越多就发现自己知道的越少。在铁与碳之外，“钢铁” 还往往包括其余数（十）种元素：例如，常听说的 304 不锈钢就具有大量的铬 Cr、镍 Ni 等元素，这些元素有助于提升不锈钢的性能；同时，为了适应不同的应用环境，各种不同成分的钢也被广泛地开发、应用，因此 “钢铁” 仍然还是一大类材料的代称，304 不锈钢也只是钢铁中的一种。别忘了，世界上不只有钢铁（铁合金），还有铝合金、铜合金在摩拳擦掌…

　　 而塑料更为复杂，塑料中除了高分子链本身，还含有催化剂（用于在塑料生产过程中将小分子聚合为高分子）、塑化剂（相当于分子层面的润滑剂，提高塑料的可变性性、“塑性”）、色素（顾名思义）等其余大量成分…就连高分子链本身也变幻莫测，例如有些塑料的高分子链还由多种小分子聚合而来，这种情况下称为共聚物，比较经典的是 ABS 塑料。

　　 在云里雾里了一通后，我们甚至还没有开始涉及 “各个成分之间的含量是什么”，光是 “有什么成分” 的问题就已经空前复杂。总而言之，我想说的是，材料的成分是非常复杂的问题，在生活中没有太多材料是 “纯净物”。（或许钻石、石墨是个例外）  

2. 也不只是一种结构

　　 成分说明了 “材料中含有哪些物质”，而结构反映了 “这些物质是如何组成材料的”。“结构” 的内涵十分丰富，不同的细化学科会着重研究不同含义下的结构。我们姑且认为，结构包括原子间的排列（晶胞）与原子团之间的排列（晶粒、高分子链间的结合）等。

　　 首先，元素组成肯定是影响结构的关键因素。不同元素的金属原子将形成不同的晶胞结构。例如，室温下，铁 Fe 形成体心立方 BCC 晶胞，铜 Cu 形成面心立方 FCC 晶胞，而钛 Ti 形成最密六方 HCP 晶胞。²

　　 元素的含量比例也会影响结构。例如，在铁碳合金中，当碳元素含量较低时，碳可以进入铁 BCC 晶胞的间隙中，形成固溶体；而如果碳含量较高，铁的空隙已经不足以容纳所有的碳，那么 C 与 Fe 就倾向于形成结构复杂的 Fe3C。 这是 Fe-C 的两种相态，铁碳合金往往是这两相的混合物。

　　 目前的一切还算符合生活直觉，那请问 “成分能唯一确定结构吗？” 你或许会觉得这句话很有道理，但是考虑到写文章半路抛出个似是而非的问题后必没有好事的套路，又迟疑了起来。答案是，或许有点震惊的，不是。就像使用相同的积木能够搭出不同的房子一样，使用相同的元素也可以构造出不同结构的材料。

　　 最耳熟能详的例子是碳 C，它有两种结构的固体：石墨与钻石。并且，据我们所知，石墨与钻石的性质相差非常大！ 图 3

　　 与此同时，成分还也不能完全确定原子团（晶粒）的结构。即使成分相同，晶粒的尺寸、形状等仍可以不同。譬如说，晶粒的尺寸可小可大、形态也可以各异。

　　 复相材料中相的分布方式更丰富多彩，可以是等轴的、层片状的或者网状的。网状结构意味着，（少量）第二相聚集分布在第一相的晶界边上。

　　 如果我们考察高分子的结构，就会遇到更多全新的术语与概念。为简明起见，我们就举一个简单的例子：支链。对于聚乙烯 PE 这种 “简单 “的高分子，我们预期他似乎应该是一根直链。然而，因为一些我也快忘了的高分子化学原因，在合成高分子链时，往往会产生一些支链，这使 PE 高分子链更像一条错综复杂的、带有各种支流的河流。如果你找找身边的塑料袋，应该能发现不少聚乙烯塑料袋，他们的塑料编号是 2 和 4。如今为了环保，也有不少塑料袋改用可降解的聚乳酸 PLA。

　　³如果一个 PE 链的支链多，那么链就很难凑在一起，使得链的排列很松散，宏观上看密度低，称为低密度聚乙烯 LDPE；而如果一个 PE 链的支链少，那么链的排列更为紧密，宏观上看密度高，称为高密度聚乙烯 HDPE。这就有点像你收拾衣柜时，如果你一通乱塞，那么衣柜可能放不进几件衣服；而如果你叠好衣物（或者用真空泵压缩）再放进衣柜，那么衣柜就能装不少衣服了。

　　 综上所述，成分确实能影响结构，但是成分并不能唯一确定结构。即使成分确定，材料的结构仍有很大的变化空间。  

3. 不同的结构、不同的性能

　　 除了对知识的满腔热情，还有什么动力驱动着我们去分析材料的结构呢？答案是，有用。相同成分、不同结构的材料具有截然不同的性能。换而言之，结构会影响性能。

　　 那么结构如何影响材料的性能？ 我们讨论一下金属中晶界的作用。我们已经知道了一个重要结论，金属的变形往往关乎位错的运动；而此处我们再给出另一个重要结论：晶界就像一堵墙，能挡住位错的去路、阻碍位错的运动。

　　 为什么晶界能一夫当关万夫莫开呢？说来话长啊，容我简述一二：一方面，晶界本身是一个结构相对无序的区域，原子无序堆叠导致内力场，而内力场将排斥位错的靠近；另一方面，晶界两边晶粒位向不同，位错想要通过晶界就得改变自身的滑移系，而这是相当困难的（或者说，两侧晶粒的分切应力不同，在一侧的分切应力可能已经超过临界值、足以使位错运动，而另一侧还没有，因此位错不能跨越晶界运动）；同时，由于晶粒之间的相互联系，两侧晶粒的变形将相互制约。

　　 综合这两个结论，倘若一种材料有大量晶界，那么在这种材料中位错将更难运动，材料也就更难变形，或者说，材料的强度更高（需要更大的外力才能使材料变形）。那么什么样的材料具有大量晶界？或许你已经猜到，答案是那些具有更多、更小晶粒的材料：晶粒的数量多了、晶界就自然增加了。

　　 捋顺一下思路：小晶粒材料中，晶界数量更多、位错运动更被阻碍、变形更难发生、材料强度也更高。这就是材料学术语 “细晶强化” 的含义及由来。

　　 晶粒尺寸小、数量多->大量的晶界->阻碍位错运动->抑制金属变形->提高材料强度

　　 但这还只是硬币的一面，另一面是，既然晶界堵住了位错的去路，位错自然得堆积在晶界面前；而我们知道，位错作为缺陷的一种，自身也要产生应力场；大量位错塞积产生的大应力场是十分危险的，将可能使材料断裂。在小晶粒材料中，这个问题还不算太棘手，因为位错被分散在大量晶粒中，单处的位错塞积不明显，总体而言位错的塞积甚至还被缓解，材料的韧性也被增强（在材料断裂前，材料的变形程度更大）；然而在另一些情况下，位错的塞积不可忽视，并且会降低材料的性能。

　　 或许你还记得上文提及的 PE 支链问题。我们知道，支链多的 PE，链之间排列很松散，形成 LDPE；而支链少的 PE，链之间排列更紧密，形成 HDPE。由于 HDPE 相对紧密的链排序，一般而言，HDPE 的强度、韧性甚至熔点都高于 LDPE。

4. 如何调整结构

　　 我们既然已经知道了结构会影响材料的性能，那么自然要关注如何控制材料的结构。然而，目前没有非常好的方法能精细地控制材料结构（相比之下，任何一个细胞都可以在原子尺度上精确控制物质的结构），但是可以介绍一些简单而粗糙的方法。

　　 举一个最简单的例子：如何在金属铸造过程中（就是我们熟知的，把材料加热至融化，再在容器中冷却至室温，从而得到特定形状的材料的过程）控制晶胞的大小？答案似乎简单得出乎意料：控制冷却的速率。

　　 为什么调整冷却速率就能影响最终的晶胞大小？这要先从材料的凝固原理讲起，更具体的说明可以参考 “经典形核理论” 与 “晶核的长大”：材料的凝固是一个形核-长大过程：液体内将先形成一堆小晶核，然后这些晶核将逐渐长大为晶粒、直到材料完全凝固为固体。在这个过程中，如果冷却速度足够快，那么有利于形成大量的晶核，但同时这些晶核来不及长大，最终会得到大量小晶粒；相反，如果冷却速度比较慢，那么晶核将能充分长大，从而得到少量大晶粒。可见，通过调整冷却速率，我们就可以控制晶胞的大小，从而影响材料的力学性能！工业上用 “退火”、“正火” 与 “淬火” 来形容不同的冷却速度。

　　 然而单纯的快速冷却并不是灵丹妙药、包制百材料，实际问题不总是这么理想，还得具体问题具体分析。当然，控制冷却速率也不是唯一的方法，由于非均匀形核比均匀形核容易，因此我们也经常往原料中加入形核剂来促进形核、增加晶核与晶粒数量。

　　 让我们再思考一下念念不忘的 PE 支链问题。如何控制 PE 的支链数量？在传统的催化合成方法中，由于催化剂本身的性质，支链的形成在所难免，很难合成支链足够少的 PE，所以一般只能做出 LDPE；要合成 HDPE，就得运用 “新”（）的表面催化方法，这能大幅降低支链的形成量。

　　 以上我们讨论了一些传统而经典的控制结构的方法，或许简单得让你有点失望。不过，这也是只加工与结构故事的冰山一角，更多的方法需要你更深入的学习。

1. ^ 参考书目 References: 刘智恩等人的《材料科学基础》，Callister et al 的Materials Science and Engineering An Introduction。
2. ^ 一些书本和网站会给出大多数元素与不少化合物的晶胞结构。
3. ^ 塑料中的高分子链往往是卷曲起来的，不会如此平直。