01 材料学通识导论：科技树上不可或缺的关键神器
“材料学”往往是其它专业的关键竞争力！理解材料思想概念通识，做一个“懂材料”的超级个体！科技千里眼系列专栏，和您一起，极速理解学科核心精要。
“材料学”其实是隐藏的关键技能
在中国，每年都有海量的理工科学生毕业进入科学工程领域，其中又不乏有很大比例进入国民支柱产业——制造业，我们大家学习过机械、电控、物理、化学等等，大家可能不是材料专业，但是都学习过一门课程——《材料学》，但是可能没有意识到：
在科学工程领域，对于所有非材料专业者来说，材料学极有可能是你超越其他所有人的最强秘笈！
这么说有三点原因：
- 我国高等理工教育中对于材料学不够重视，多数理工生对材料的认识较浅；
- 传统的材料学教育太“高深”，一堆算式、图线、晶相，却忽略了思想与概念的理解；
- 制造离不开材料，许多看似困难的工程问题，其实都是简单的材料学问题。
总之，材料学的重要价值很容易被忽略，所以谁掌握它，谁就比同行业多一条重要的武功。
“材料”：有用的物质
什么是材料？很简单——
材料（Material）就是有用的物质（Matter）
“材料”与“物质”同属matr词根，同源词还有“矩阵”（Matrix）。这是什么道理呢？
因为 matr 词根的意思是“母、孕育”，所以其实还有一个单词也同源——mother。也就是说，是物质/材料孕育了万物，而矩阵中包含了那么多元素，也类似孕育的形象。
所以，材料就是物质，只不过当我们人类把要用的物质，称为材料。
材料学顶刊 Nature Materials 是这么定义的：
Materials are identified as substances in the condensed states designed or manipulated for technological ends.
最终落到了技术目的上。
人类文明是以材料来划分的
不知道您是否注意过，人类文明的时代划分——
- 石器时代
- 陶器时代
- 青铜器时代
- 铁器时代
- 硅时代
- 多元材料时代
就是按照人类应用材料的水平来划分的。
中国有着辉煌的青铜器文明
- 有了陶器，才方便运输储存，农业随之发展；
- 汉朝前期的对匈战争劣势较大，也是由于炼制不出精钢；
- 硅锗材料的应用，直接催生了几大科技强国；
现代社会，其实材料应用力的竞争无处不在，却往往隐藏得比较深。就说比拼人体的体育界吧，乒乓球霸主的几经易手，跟橡胶研究关系密切；多少游泳金牌是新材料游泳衣的功劳；羽毛球拍的碳纤维材料、自行车比赛、更不用说赛车了。
鲨鱼皮泳衣
材料的应用决定着各行各业的水平，所以，国家实力也基本上是由材料应用力决定。
材料是高技术的入场券。
一种材料就足以影响文明的进程
如果说中国人在科技树上的最大缺失，那就是玻璃材料的应用。
在罗马帝国瓦解之时，中国人的材料技术仍然远远领先西方世界足足一千年，我们在纸张/木材/陶瓷/金属的发展上都是世界第一，却独独忽略了玻璃，这是中国人科技史上最大的遗憾。
没有玻璃技术，气压计与温度计就不能诞生，物理学的基本检测手段就没有，人们对于世界的认知就缺少定量化的表征；
没有玻璃技术，就未能发明望远镜和显微镜，使得在光科学方面有着巨大的欠缺；进一步的，没有望远镜，也就限制了天文学和航海活动；没有显微镜也就无缘微观世界，更不可能进入现代医学的殿堂；
没有玻璃技术，甚至连化学也难以发展，因为化学实验室特别依赖这种化学惰性而又透明的容器，化学在玻璃容器的帮助下，可谓是改头换面，成为一套系统的学科。
所以可以说，中国人的科技树上，奇怪地少了一环，与后来的落后恐怕也有不小的关系。
关于玻璃材料的详解可参见——
10 堂有趣的材料科学极简入门课——玻璃
材料学是一门“科学”！
如果您认为材料学是一门“技术”的话，这里要着重强调一下，材料学是一门科学，而且是一门强交叉学科。材料学四大支柱学科：
- 数学
- 物理
- 化学
- 工程
缺一不可。对于一门强交叉学科，学科的精髓往往在学科之外，也就是上述这四点上。
所以说，材料学是人类认识物质的集大成学科，是以数理化为认知模型，以工程为研究手段的高级学科，是人类对于大自然理解的伟大结晶。
材料科学中富含着自然的大道，理解材料学的核心思想是我们学习这门科学的主要意义所在。
科技千里眼优质科普系列专栏《理解学科真谛》和你一起，抓住核心思想，提炼学科精华，重构知识体系，用生动极简的语言，极速理解学科精要，轻松掌握学科应用。
02 材料学通识：“材料四面体”——认知物质世界的核心底层逻辑
“材料学”往往是其它专业的关键竞争力！理解材料思想概念通识，做一个“懂材料”的超级个体！科技千里眼系列专栏，和您一起，极速理解学科核心精要。
小复习
材料（Material）就是有用的物质（Matter）
人类文明是以材料来划分的，国家实力基本上是由材料的应用力决定。
材料学是一门科学，是以数学、物理、化学、工程为核心基础的交叉学科。
材料学核心内容及底层逻辑
材料学是研究什么的呢？可以用一张图说清，这就是“材料学四面体”——
材料学四面体
也就是材料学四要素，材料学就是研究材料的成分、结构、制造、性能以及它们之间的关系。
换言之，材料学就是研究材料四面体中 4 个顶点与 6 条边线（关系）的。
其实，材料四面体代表着人类认知物质的深刻底层逻辑，任何一种“事物”（Matter），都包含这四个方面，而且两两之间都存在着深刻的联系。见如下导图——
任意事物，均是如此。因为这正是“人类认知物质世界的思维模型”。
成分与结构
成分（composition / component）= 组成部分及比例
与“成分”等价的词还有“成份、组分、组份、组元、元素；部件、组件、合件、零件”，它们本质上相同，只是在不同的场合习惯不同而已。
科技概念｜学机械别说不了解 零件、合件、组件、部件 的概念
成分有“相对性”，跟我们以前在线性代数专栏中将的“元素”的概念一致。就比如你现在看的手机，当研究手机这个对象时，我们可以说摄像头为手机的元素，而镜片是摄像头的元素，这是一种分级逻辑，在另一角度，也可以直接说镜片是手机的元素。
至此，我们应该理解：
“成分是相对于结构而言的，成分与结构是物质本体的阴与阳”
在材料学中，成分与结构“从微向宏”分为 4 个层级：
- 原子——核及电子的结构
- 键——两原子间结合关系
- 排列——群原子结合关系
- 组织——光镜可见显微组织
制造
材料学中，制造主要是指 “合成”(synthesis)与“加工”(processing)，也可以理解为**“增材”(AM)与“减材”(RM) **，简言之——
材料学的制造，就是指“成分与结构的变化”
材料的制造，是基于对成分与结构的深刻理解，同时也基于工
程学水平的发展，工艺手段五花八门，下图总结了一些常见的材料制造工艺，是工艺上的大体规律——
五花八门的工艺
性能
材料是有用的物质，这个“用”就是在说“性能”（performance / properties），性能是研究与制造材料的目标。
既然是“用”，就要讨论在哪些方面用，比如利用材料的物理性质，就包括力、声、光、电、磁、热等。
性能当然有许多检测方法，但是人类的聪明之处就在于类比，对于相似的成分结构的材料，我们也认为它们有相似的性能，这就引出材料学最重要最核心的思想——
“成分和结构决定性能”
当然，“制造决定了成分和结构”，这也就是材料四面体的逻辑意义。
材料学的四层级研究方法
材料学的逻辑很清晰，材料学的研究方法也非常清晰，分为4 个层级，从初级到高级，从原始到现代——
目前人类的科技水平，介于第 3 层级与第 4 层级之间，基本完成了科学理论体系的建立，正在努力发展计算材料学，相信不久的将来，我们可以通过计算定量化的对材料进行准确的设计。
这 4 个层级，其实也是我们学习材料学的一个过程，本专栏旨在认识材料、理解材料，建立对于材料学的通识概念，掌握材料学的核心思想，并不涉及计算材料学的内容。
材料分类：“3+1”
材料学将材料分为基础的三大类：金属、无机非金属、高分子，而以其中任意一种做为主体基材的多种材料复合而成的，称为复合材料。一图以蔽之：
图中特别强调了，所谓无机非金属材料等于我们说的“陶瓷”，而高分子材料就等于“聚合物”，它们在概念上是等价的。
至于这样分类的底层逻辑是什么，有什么好处，不同类别有什么特点，我们后面讲完材料的成分与结构后，会详细讲解。
如何选择材料：5 项基本原则
材料选择有 5 个基本原则：
- 功能优先
- 可加工
- 成本可接受
- 能源与环境原则
- 资源原则
这是选材原则，同时也是我们人类文明使用任意一种材料的 5 项主要原因，细数概莫能外。
科技千里眼优质科普系列专栏《理解学科真谛》和你一起，抓住核心思想，提炼学科精华，重构知识体系，用生动极简的语言，极速理解学科精要，轻松掌握学科应用。
03 理解材料学核心基础：“价电子”——原子间的机械接口！
“材料学”往往是其它专业的关键竞争力！理解材料思想概念通识，做一个“懂材料”的超级个体！科技千里眼系列专栏，和您一起，极速理解学科核心精要。
小复习
上节我们隆重推出材料学底层逻辑：“材料学四面体”——
材料学四面体
材料学就是材料四面体中 4 个顶点与 6 条边线（关系）的，也代表着人类认知物质的深刻底层逻辑，任何一种“事物”（Matter），都包含这四个方面，因为这正是“人类认知物质世界的思维模型”——
“成分是相对于结构而言的，成分和结构决定性能”，“从微向宏”分为 4 个层级：
- 原子——核及电子的结构
- 键——两原子间结合关系
- 排列——群原子结合关系
- 组织——光镜可见显微组织
今天我们主要讨论“原子”层级，进而引入“键”层级。
预警：本节内容既然是讲原子，免不了以化学知识为主；拥有足够相关知识的同学可速览。
欢迎来到 化学荣耀 ~
原子结构：空空如也
原子，是组成材料最最基本的元素，可以称为“组元”。
元者，一也，始也，首也。
我们现在知道，原子由原子核与核外电子组成，原子核又由中子质子组成。电子带负电，原子核带正电，电子围绕着原子核旋转，不过，原子核与电子相对于原子的体积来说小之又小，如果说原子是一个体育场大小，那么原子核可能只是球场中央的足球，而电子可能只是观众口袋里的一颗绿豆。
所以，原子中绝大部分的体积都是“空”的，我们所谓的一切丰富多彩的物质其实基本是“什么也没有”，正所谓——
色即是空。——《心经》
价电子：原子间的机械接口
空空如的原子，依靠微乎其微的电子，与外界发生关系。
能量低的电子离核近，稳定一些；能量高的电子离核远，活跃一些。原子的性质主要由外层的高能活跃电子来决定，称为 “价电子”。
价者，贾也，值也。
所以，在材料学中，我们不必过多研究原子复杂的内部结构，我们可以这样认为：
原子就是一个有机械接口的球，这个机械接口就是价电子。
如何知道价电子有几个呢？简单，看元素周期表——
来自人民教育出版社化学室，省略了镧系和锕系
每一列的最上头，都有一个“族序数”，比如氧上面为“ⅥA”，其中Ⅵ是罗马数
字“6”（5+1），A 代表“主族”，相对于 B 代表的副族。对于主族元素，我们就可以说——
族序数就是价电子数。
比如，前 20 号元素都是主族，下图为前 18 个元素的外层电子排布，最外层电子就就是价电子数。
稀有气体最外层电子达到了“8”（或仅一层的 2），表示达到了“圆满”状态，因此也可以说惰性气体原子的价电子数为 0，所以性质太稳定了，不与外界反应，称为“惰”。
然而，副族元素不太一样哦，确实比较复杂了，具体来说，价电子在元素周期表上都标注出来了（因为太重要了呀），这里再解释一下——
“外围电子层排布”——就是“价电子”的意思
从“价电子”到“键”
价电子是原子的接口，而原子与原子之间的连接称为“键”。
键者，建也，结也，合也。
原理何在呢？
因为，价电子的数目排布决定原子离稳定状态还“差几个电子”或者“多几个电子”，也就是说：
“原子本身并不稳定，它需要得到或失去几个电子，才能稳定。”
有的原子想得电子，有的原子想失电子，“一拍即合，谓之键合”。
得失电子不是目的，外层达到稳定状态才是目的，所以也可以分享共用电子。比如我们最喜欢的水分子，氧原子想得到 2 个电子，这样就能变成圆满稳定的 8 了，而氢原子只有一个电子，丢掉它没有电子了就稳定了，所以两个氢和一个氧就这样，一拍即合——
问题是，水分子（H-O-H）为什么画成一个带角度的形状呢？原因在于，两个 O-H 键各占用氧原子一个电子，而氧原子的价电子共有 6 个呢，还剩 4 个，这 4 个电子形成了 2 对“孤立电子对”，所以氧周围有 4 组电子对，就像这样——
那么，按理说 4 对电子对在 4 方向相斥，构型应该是四面体结构，但是，毕竟还有正电荷的氢呢，所以孤电子对之间的斥力更大一些，导致氢氧氢键角小于正四面体的 109 度 28 分，而是 104.5 度。这个键与键之间形成的角度称为“键角”，也是材料力学中的重要概念。
关于键的理解我们下节课详细解读。
本文的最后为大家献上两枚最单纯可爱的小原子，氢和氦——
科技千里眼优质科普系列专栏《理解学科真谛》和你一起，抓住核心思想，提炼学科精华，重构知识体系，用生动极简的语言，极速理解学科精要，轻松掌握学科应用。
04 理解材料学核心概念：“键”者建也——两级五种，对联助记
“材料学”往往是其它专业的关键竞争力！理解材料思想概念通识，做一个“懂材料”的超级个体！科技千里眼系列专栏，和您一起，极速理解学科核心精要。
小复习
原子，是组成材料最最基本的元素，称为“组元”，原子中绝大部分的体积都是“空”的，它的性质主要由外层的高能活跃电子来决定，称为“价电子”，这个价电子就是原子对外的“机械接口”。至于这个价电子什么样呢？就需要请出《元素周期表》了——
阅读本文时可以作为参考
在材料学中，成分与结构“从微向宏”分为4 个层级：
- 原子——核及电子的结构
- 键——两原子间结合关系
- 排列——群原子结合关系
- 组织——光镜可见显微组织
本文集中讲解“键”。
“键”者，建也
原子与原子之间的连接称为 “键”。
汉字中凡是含“建”的，都带表一种力量：健者，人有力；腱者，肌有力；犍者，牛有力。
所以，“键”，代表着原子间的作用力。键者，原子有力（微观），机械有力（宏观）。
机械学中，键代表用于零件（一般是轴与孔）间传递作用力的零件。
键的成因，可以理解为原子间的机械接口（价电子）恰好匹配，有的原子想得电子（吸引电子），有的原子想失电子，“一拍即合，谓之键合”。
键分“两级五种”——
强键也叫“一次键”，弱键也叫“二次键”
强与弱当然是相对的，大致代表着“键能大小”；5 种键细致划分，从强到弱恰好是上图从下到下的顺序，即从最强到最弱依次为：
“离子键>共价键>金属键>氢键>分子键”
对于具体的键来说，键能顺序不完全绝对，因为“鹰有时飞得比鸡还低”么，但一般情况下基本如此，这个顺序一定要牢记，这是材料学中最值得终生记忆的一个顺序，代表着对于键能强弱的整体把握。科技千里眼设计了一副对联，帮助大家记忆：
理（离）工（共）尽（金）勤（氢）奋（分）
“理工尽勤奋，文史求天成”。
整句意思是，理工科学生，上学时勤奋做题，工作时勤奋加班；而文史科学生，上学时要文思灵气，工作时要环境资源。当然是一句玩笑了，不过这样一说，您是不是已经记住了呢？
离子键
离子键，即电子“离开”原子形成的键。比如只有 1、2 个价电子的原子，想要失电子以达到外层 8 电子，而那些有 6、7 个电子的原子，又特别想得到 2、1 个电子，也能达到外层 8 电子；原因就在于它们都自发趋向于“低能量的稳定状态”（8 电子状态）。
比如，NaCl 是典型的离子键，Na 原子把一个电子给 Cl 原子了，这样它们一个带正电一个带负电，变成了“离子”，相互吸引——
NaCl 离子键的形成
离子键最强了，原子得失电子后形成的离子非常“
纯粹”，因此离子的电荷分布呈球形对称，也就是说可以理解为一个均匀带正电或负电的球，所以离子在任意方向上都可以吸引异性离子，因此不存在方向性和饱和性。而宏观上来看，材料整体必须呈电中性，所以要求正负电荷相等，因此氯化钠的组成一定是 NaCl，而氯化镁的组成一定是 MgCl
2
。
共价键
共价键，就是“共用价电子”的键。比如，原子都属于想要得到电子的类型，那么干脆分享共用电子，比如上节课中讲到的水分子——
由于各个电子对之间的静电排斥，所以它们会在空间里以最大的角度互相分开，而且价电子数量就决定了它有几个“接口”，这就是共价键的方向性与饱和性，如果是正四面体则形成 109.5° 键角，最典型的就是金刚石了，一个碳原子——
金属键
金属键比较纯粹，就是金属原子间形成的键，金属原子都容易失电子，干脆大家电子谁也不要了集体共享，成为游荡的“电子海”，这一片负电海将整齐排列的正电核吸纳在一起，所以金属键也是没有什么方向性和饱和性，金属原子密集地排列在一起——
氢键
氢键，专指依靠氢原子的“偶极性”产生的分子间联结，因此也可以认为是一种特殊的强分子键。
什么叫“偶极性”呢，特别简单，就是因为正电荷与负电荷的中心不重合，导致整体上拥有两个电极（一个正极一个负极），因此称为“偶极性”——
而氢原子太特殊了，它与另一个原子 X 成键后，它的电子就转移走了，另一侧就剩下了一个“裸露的质子”，这样一旦再遇到一个原子 Y 时就显示出强大的吸引力，故此搭建了一座“桥梁”，即为氢键，表达为——
X-H —— Y
（当然，X 的电负性要比 Y 强，不然氢原子就被拐跑了呀）
水或冰是典型的氢键结合，另外，在带有-COOH、-OH、-NH
2
的高分子中，也常常出现氢键。
分子键
分子键，也叫范德华键，与氢键的原理一样，只不过可以是各种分子的偶极性导致的，因此非常常见，可以说大部分气体都是依靠分子键才聚合为液态或固态的，所以也能看出，分子键的稳定性极差。
液态和固态统称为“凝聚态”。
分子键是最弱的键，但在高分子材料中，分子键还是能发挥巨大作用的，因此也不能忽略。
石墨的各原子层之间为分子键结合，从而易于分层剥离，强度、塑性和韧性极低——
科技千里眼优质科普系列专栏《理解学科真谛》和你一起，抓住核心思想，提炼学科精华，重构知识体系，用生动极简的语言，极速理解学科精要，轻松掌握学科应用。
05 理解材料学核心原理：原子与键影响材料性质的底层逻辑
“材料学”往往是其它专业的关键竞争力！理解材料思想概念通识，做一个“懂材料”的超级个体！科技千里眼系列专栏，和您一起，极速理解学科核心精要。
上节精要
成分与结构“从微向宏”分为4 个层级：原子、键、排列、组织，键者建也，代表着原子间的作用力，分为 “两级五种”——
强键也叫“一次键”，弱键也叫“二次键”
键能从最强到最弱依次为：
“离子键>共价键>金属键>氢键>分子键”
千里眼还强行编了记忆口诀：理（离）工（共）尽（金）勤（氢）奋（分）
“理工尽勤奋，文史求天成”。
而今天，我们要再次祭出材料学的核心逻辑图——材料学四面体：
材料学四面体
为大家展示成分与结构是如何决定性质的？ 或者说，原子与键是如何决定材料性质的？
材料学分类的底层逻辑
在分析各种材料性质与原子和键之间的影响关系之前，我们先来解释一个重要的问题——
为什么材料学中对材料的划分为“金属、陶瓷、高分子” 这三种材料呢？
当然，三者在性质上有明显的不同，这样我们才能“分类”呀。但是，别忘了——
“性质是由成分和结构决定的”
所以，其实 “三大类材料对应三种强键” 啊——
- 金属：以金属原子形成的金属键为主的材料
- 陶瓷：以金属或类金属与非金属之间形成离子键为主的材料
- 高分子：以非金属形成共价键为主的材料
一种材料中往往以一种键为主，并掺杂一些其它类型的键，在分析材料性质时也要注意。比如许多高分子材料是以共价键形成的长链并在分子之间以大量氢键相连，因此与那些纯粹共价键的材料的性质当然不可同日而语。
三种主要类别基本对应了三种强键
那么，原子与键是如何决定材料性质的？
原子和键如何影响“熔点”
熔点的高低代表材料的稳定性，为什么呢？
因为所谓熔化，无非就是当温度足够高时，原子的热振动足够强烈，将键破坏了，所以熔点与键能可以直接对应，默念口诀“理工尽勤奋，文史求天成”，所以熔点高低关系为 ：
“离子键>共价键>金属键>氢键>分子键”
这就是高温条件下选材经常要选择陶瓷的原因了，因为陶瓷（离子键）往往比金属（金属键）的热稳定性高呀，这就是“高温陶瓷”的由来。
过渡金属中比如钨（W）的熔点为什么那么高而用来做灯丝呢？因为钨的内层电子未充满，导致包含较高比例的共价键，这就拉高了这些过渡金属的熔点。
选用钨来做灯丝几乎是必然的
如果材料中包含大比例的弱键，那么熔点一定比较低，比如高分子材料的熔点都比较低。（高分子的分子内部是强键，分子间为弱键）
原子和键如何影响“密度”
材料的密度，即单位体积的质量，是典型的由 “原子和键同时影响” 的物理性质，原子影响单个位点的密度，而键影响位点之间排列的密度。
比如说，大多数金属的密度比较高，比如铂、钨、金基本就是
工程材料中最重的，一方面是由于金属的相对原子质量一般比较高，另一方面，也是更重要的，金属键的结合没有方向性，金属原子堆积在电子海中，自发趋于最密集的排列形式。
金属原子可以像堆球一样完全紧密的堆叠
而在离子键和共价键的材料中，原子之间不可能很紧密。比如共价键结合时，相邻原子个数受到价电子对的限制（饱和性）；离子键结合时，要满足正负离子电荷平衡，再加上正负离子一大一小，因此不可能很紧密。
所以说，陶瓷的密度一般比金属低。
高分子材料更夸张了，不仅主要由 C/H 这些低原子质量的原子组成，而且由于包含大量的弱键，所以分子堆垛都更松散了，因此创造了工程材料密度的新低。
原子和键如何影响“力学性质”
离子键与共价键，键能较大，而且都依靠电荷的力量将原子一个个粘在了一起，所以“强度高、硬度大”；而金属键堆积在电子海中“随波逐流”，即便金属键也不弱，但是当金属原子之间的位置关系改变时，并不使金属键破坏，所以金属一般有“很好的塑性”。
金属键产生滑移轻而易举
反过来说，陶瓷的塑性就很差了，一旦键角被破坏，就很难恢复，陶瓷就会“碎掉”，称为“脆性大”。
而高分子材料中充满了弱键，弱键断裂产生的滑移简直是家常便饭，产生的变形也很大，因此拥有极佳的塑性，
具体地，强度和硬度应该从弹性模量角度分析，可以把键想象为一个个的“小弹簧”，也就是说，键能越大，小弹簧就越硬，弹性模量也就越大。所以一般来说，以离子键和共价键为主的陶瓷模量最大，而金属其实是模量相对较低的一类材料。而金刚石又打破常理成为模量最高的材料，主要是由于其极为完美的键角构型和均匀的原子组成，三角形的稳定性在微观上也成立哦。
微观的结构要靠想象力
原子和键如何影响“导电性”
分析了那么多关于电荷力的应用，材料的导电性是不是一目了然了？
显然由于金属材料中充斥着“电子之海”，拥有超强的导电性很自然了。而离子键与共价键材料，电子都被束缚住了，哪有多余的用来导电？所以固态下一般都不导电。
（导电高分子材料是一类特殊的高分子，其主链具有共轭主电子体系，可通过掺杂达到导电态）
三大键的阴阳之论
科技千里眼个人关于三大强键还有一些不科学的理解，供大家娱乐之用哈。
离子键，阴阳相济，电子夺予，质构稳定，寒暑不侵；
共价键，纯阳之体，皆夺电子，其构内强，遇火易燃；
金属键，纯阴之体，皆予电子，其质内藏，其性寒凉。
个人在研究科学过程中，深感其与中国传统文化有巨大鸿沟，许多名词从外文翻译，极易失去汉字本真，但已有殊途同归之象；不敢多写，仅供娱乐，不喜勿喷哈。
科技千里眼优质科普系列专栏《理解学科真谛》和你一起，抓住核心思想，提炼学科精华，重构知识体系，用生动极简的语言，极速理解学科精要，轻松掌握学科应用。
06 理解材料学核心概念：解析原子排列模式——晶态与非晶态
“材料学”往往是其它专业的关键竞争力！理解材料思想概念通识，做一个“懂材料”的超级个体！科技千里眼系列专栏，和您一起，极速理解学科核心精要。
上节精要
材料学的底层逻辑就是材料学四面体：成分、结构、制造、性能；“成分与结构决定性能”，所以材料学对材料的分类也有相应的底层逻辑：
三大类材料对应三种强键：金属材料以金属键为主，陶瓷材料以离子键为主，高分子材料以共价键为主。当然，绝大多数材料都是多种类型键的混合，而以某一种键为主。
上节分析了原子和键如何影响： 熔点、密度、力学性质、导电性等，还献丑了千里眼个人对于三强键的阴阳论：离子键阴阳相济，共价键纯阳之体，金属键纯阴之体，轻松一刻。
成分与结构“从微向宏”分为4 个层级：原子、键、排列、组织，本节进入第 3 层级——排列。
排列：晶态和非晶态
有了最基本组元“原子”和原子间的连接“键”，下一步就是原子怎么通过键来排列，排列的模式只有两种：
- 晶态
- 非晶态
理解晶态，其实从科学家翻译时所用的“晶”字即可会意：晶的字形就象征着 “组成元素紧密有序周期性的排列”——
所以，晶体结构就是指组元在三维空间里周期性的排列模式。
金属、大部分陶瓷、少部分高分子材料均为晶体材料，而多数高分子材料以及玻璃等原子分子结构复杂的材料为非晶体。“玻璃”，为复杂的氧化物，是典型的非晶体，所以非晶体态也常常被称为“玻璃态”。
一些陶瓷和高分子材料常常是晶体与非晶体的混合物，其比例根据制造工业还有所变化，因此性质也千变万化。
晶态=晶胞 + 点阵
晶体结构的核心特点就是“周期性”，我们把最小单个周期叫做“晶胞”，所以描述起来简洁明了——
晶体结构 = 晶胞 + 空间点阵
晶“胞”，是借用“细胞”的形象加以类比，一字即可会意。
细“胞”
胞者，胎腹也，我们中国人常说“同胞”，足见深情。
空间点阵：有且仅有 14 种
那么，如果满足“每个阵点完全相同”的要求，可以出现多少种点阵分布呢？这个数学问题在 1948 年由布拉菲计算并证明，有且仅有 14 种空间点阵形式，因为命名为“布拉菲点阵”——
红/蓝用于区分不同的“晶系”
这里体现出数学的重要意义，科学体系也是建立在数学的基础上的，材料科学到一定深度都是数学。对此处几何、图形感的读
者可参见一本伟大的著作——geometric symmetry in patterns and tilings，可见窥见对称几何的壮美。
14 种点阵可以分为 7 大“晶系”，对应典型的晶体如下：
1.立方晶系：钻石 明矾 金铁铅
2.正方晶系：锡 金红石 白钨
3.斜方晶系：硫 碘 硝酸银
4.单斜晶系：硼砂 蔗糖石膏
5.三斜晶系：硫酸铜 硼酸
6.菱方晶系：砷 水晶 冰 石墨
7.六方晶系：镁 锌 铍 镉 钙
晶体有确定的熔点
想象液态物质放在室温下冷却的过程，如果是转变为晶体，则会在一个确定的温度（熔点）下凝固，从开始的小晶核，生长到大的晶粒，在整个结晶过程中由于是从不规则的液态转变为密排稳定的晶体结构，所以体积会随之减小；而非晶体没有固定的熔点，只是表现为粘度越来越高而已——
非晶体也被称为玻璃体，其实我们可以认为，非晶体只是一种过冷的液体，因为它保留了液体中分子的无序状态，非晶体只是粘度非常非常大而已。所以说，玻璃也是液体，有人专门测试过古罗马的玻璃发现下部均比上部厚一些，以此说明玻璃是流动极慢的液体，可参见——
理解流体力学研究对象：静态下不能产生切应力者，流体也
由于结晶的过程漫长而细致，所以人们把一件漫长而细致的事情做成，称为“结晶”，这也是材料学为社会科学贡献的诸多词汇之一了。
美丽的结晶过程延时拍射
晶体是各向异性的
晶体由于其在空间不同方向上原子排列不同，所以它沿着不同方向所测得的性能数据当然也会有所区别，比如导电性、导热性、弹性模量、强度、及表面化学性质等，这种性质取决于方向的性质称为“各向异性”。
非晶体由于其微观上的无序，导致了宏观上表现为“各向同性”。
如何“看到”原子排列？
原子排列理论说得这么清晰，肉眼或光镜甚至电子显微镜下却也看不到，那么实际科研中如何检测呢？
答案是：X 射线。
通过 X 射线衍射分析，可以得到不同角度下的衍射强度，如下图所示，即为二氧化硅在晶体与非晶体状态下的衍射分布——
显然晶体存在“锐利的衍射峰”，而非晶态下原子排列的无序则无法出现这一特征。
科技千里眼优质科普系列专栏《理解学科真谛》和你一起，抓住核心思想，提炼学科精华，重构知识体系，用生动极简的语言，极速理解学科精要，轻松掌握学科应用。
07 理解材料学核心概念：解析原子排列模式——“缺陷”是个好东西！
“材料学”往往是其它专业的关键竞争力！理解材料思想概念通识，做一个“懂材料”的超级个体！科技千里眼系列专栏，和您一起，极速理解学科核心精要。
上节精要
成分与结构“从微向宏”分为4 个层级：原子、键、排列、组织，上节进入了第 3 层级——排列。
原子排列方式分为晶态与非晶态，“晶”的字形就象征着 “晶体结构就是指组元在三维空间里周期性的排列模式”
金属、大部分陶瓷、少部分高分子材料均为晶体材料，而多数高分子材料以及玻璃等原子分子结构复杂的材料为非晶体。“玻璃”，为复杂的氧化物，是典型的非晶体，所以非晶体态也常常被称为“玻璃态”。
晶体结构 = 晶胞 + 空间点阵
空间点阵有且仅有 14 种形式，名为“布拉菲点阵”，分为 7 大“晶系”。
原子排列的缺陷——其实是“优点”
晶体中原子排列，其实并不是理想中完美的有序，往往充斥着大量的“缺陷”，导致排列不那么完美。比如下图这样——
晶体中的不完美——“缺陷”
缺陷看起来好讨厌，破坏了和谐的周期性，应该是不好的东西吧？
非也。
其实，相对于晶体结构的周期性与方向性面言，缺陷是一种能量更高的不稳定的存在，因此晶体中的缺陷都十分活跃，缺陷的状态很容易受到外界的影响，比如温度、载荷、辐射等，所以——
缺陷对于材料的性能起着十分重要的作用。
甚至，缺陷对于材料的 4 项重要性能起着决定性的作用，它们是塑性、扩散、相变、强度。
缺陷虽然是不完美，但是只要理解它、会利用它，就能发挥出巨大优势。
“不尽知用兵之害者，则不能尽知用兵之利”——《孙子兵法》
原子排列的缺陷，按几何空间分为 3 类：
- 点缺陷
- 线缺陷(=位错)
- 面缺陷
点缺陷
点缺陷主要有三类：
- 空位：缺一个点
- 间隙原子：硬挤进去一个新点
- 置换原子：原来的原子被替换成别的原子
显然，点缺陷引发了“晶格畸变”，这就导致了“晶体能量的增加”，类似于宏观上说的残余内应力。
既然很不稳定，当热振动越来越剧烈时，超过了“缺陷的激活能”，点缺陷就可以发生 “迁移”，这才有了原子在晶体中的扩散性质。换言之，如果没有点缺陷，也就没有原子在晶体中的扩散，那么以扩散为基础的材料处理就都没有意义了，比如——
- 改变表面成分的化学热处理
- 成分均匀化处理
- 退火与正火
- 时效硬化处理
- 表面氧化和烧结等
所以，点缺陷太有用了，当温度升高时点缺陷迁移速率会以指数级规律大大上升，这也是为什么上述处理都要控制温度的原因了。
对于进入晶体的
异类原子，无论是间隙原子还是置换原子，其浓度都不可能无限制增多，类似于水中的溶解度一样，晶体中的缺陷其实是一种“热平衡缺陷”，即在一定温度下有一定的平衡浓度，称为“固溶度”。
对于金属晶体来说，点缺陷显然会使电阻增加，空位缺陷使密度下降。
有趣的是，当金属材料中点缺陷增多时，金属就不那么容易发生塑性变形了，因此可以提高材料强度。
线缺陷（=位错）
线缺陷就是我们常说的 “位错”，它**对于晶体的强度与断裂有着决定性的影响 **。
位错有两类：刃型位错&螺型位错
刃型位错，犹如用一把锋利的钢刀将晶体上半部分切开，沿着切口强行插入一层原子一样——
刃型位错
螺型位错：强行让两部分“滑移交错”——
螺型位错
这么多原子都变动了位移，应该很稳定了吧？
非也！
这里要理解一个非常重要的结论——
“位错具有易动性！”
我们可以理解位错的能量比较高，在切应力的作用下，它很容易前进一个原子的距离，然后再移动一个原子的距离，最终的效果就是很轻松就移动很远。这里有一个经典的地毯比喻，就好像是一块沉重的地毯（晶体）上有一条褶皱（位错），我们可以很轻松地推动褶皱，把整块地毯移走！
其实，从这个比喻中也可想见，宏观上所谓的塑性变形，其实就是微观上的“滑移”导致的，因此位错相当于材料中的“薄弱环节”，使得材料在很低的应力下就已经开始塑性变形了。
面缺陷
面缺陷包括两大类：
- 晶体外表面
- 晶体内界面：晶界、相界
可能很多同学都没有意识到一个重要的事实：
材料的外表面实际上就是原子排列的面缺陷！
因为正常的晶体点位在空间上各个方向都要有原子的，而外表面实际上配位数少，原子全体偏离了正常位置，表面层全面发生晶格畸变，因此能量升高，即所谓的“表面能”。
晶体表层原子全体发生晶格畸变
那么，晶界和相界如何区别理解呢？
晶界，是结构相同但方向不同的晶粒的边界——
相界，是不同结构晶体之间的边界——
不同的“相”能看出不同的颜色
相，从目，意为肉眼可见，所以在材料学中划分到“组织”层级，下节详细讲解。
实际上，晶界的强度明显高于晶内本身的强度，所以在工程上有一种强化方法，称为“细晶强化”，目的是将晶粒打碎，让晶界的密度提高，从而增强材料性能。事实上，细晶强化是惟一一种既能提高强度，又能提高塑性的方法，所以，别以为缺陷就是坏东西哦！
科技千里眼优质科普系列专栏《理解学科真谛》和你一起，抓住核心思想，提炼学科精华，重构知识体系，用生动极简的语言，极速理解学科精要，轻松掌握学科应用。
08 理解材料学核心概念：肉眼可见的组织特征“相”——晶粒的类属性
“材料学”往往是其它专业的关键竞争力！理解材料思想概念通识，做一个“懂材料”的超级个体！科技千里眼系列专栏，和您一起，极速理解学科核心精要。
上节精要
成分与结构“从微向宏”分为4 个层级：原子、键、排列、组织，上节关注的是排列中的“缺陷”。
缺陷是晶体中不完美的部分，但它并不就是“坏东西”， 缺陷的相对能量更高，更活跃，所以对材料的塑性、扩散、相变、强度性质都起到决定性作用。
缺陷分为：点缺陷、线缺陷(即位错)、面缺陷。
我们分析不各种缺陷的特征和对材料性能的影响，上节最后提到一种面缺陷——“相界”，本节就来详解晶体组织层级的“相”。
什么叫“相”？
相者，从目，表示“用眼可见”，所以相是能够观察到的。
材料学从微到宏地去分析原子、键、排列、组织，是在解释科学认知，而“科学发现”往往是从宏到微，人类最早也就是在显微镜下肉眼观察到了一些结构，属于“组织”层级。
如何观察到呢？这就要用到上节的知识了。
上节我们说，缺陷处的能量都比较高，就比如晶粒之间的晶界，它们更活跃更容易发生化学反应。所以，我们先把金属表面抛光平整，然后用化学浸蚀的方法，让晶界处形成沟槽，这样，当光线垂直打到金属表面时，沟槽部分就会形成黑色的轮廓了——
晶界可以被观察的原理
人类对于金属组织的认识，就从这里开始了。我们可以用显微镜来观察了，专业的设备称为“金相显微镜”——
上图中这一格子一格子的，就是“晶粒”，晶粒的边界就是“晶界”。这里晶粒虽然结晶方向不同，但是它们的结构相同，我们就说它们属于同一种相，这块组织为“单相组织”。
如果晶粒与晶粒从结构上就不同，那么它们就“属于不同的相”，称为“多相组织”。其实实际材料中往往是多相的，比如下图为一张铜的金相图（上色），其实就有不同的相组织。
铜的金相图（上色），不同颜色代表不同相
所以——
“相是晶粒的一种类属性”
而所谓“组织”，是指晶粒的各种属性值的情况，包括晶粒的尺寸、形状、相分布等。
所以，在组织这一层级，最小的组元就是“晶粒” 了。
结晶过程：晶界的由来
由于结晶的过程漫长而细致，所以人们把一件漫长而细致的事情做成，称为“结晶”，这也是材料学为社会科学贡献的诸多词汇之一了。
美丽的结晶过程延时拍射
结晶过程基本分为 4 个步骤——
形核 → 长大 → 接触 → 晶界
如图——结晶过程：解释了晶界的由来
单一相中，每个晶核的方向是随机的，这就造成了晶粒之间的晶界；另外晶核在各个方向上生长条件也接近，所以会在三维方向上尺度相当，称为“等轴晶”。
如果在结晶过程中，让各个方向的生长条件不太一致呢，当然就会出现不同形状的晶粒了，比如构造一个温度梯度，那么就会得到一种“柱状晶”——
这种得到柱状晶的方法称为“定向凝固”，由于柱状晶在长度方向上性能很优越，所以在工业上很常用。
另外，晶粒形状也会被压力所改变。比如“冷轧”会将等轴晶压扁为“饼状晶”；“冷拨”会将等轴晶拉成“杆状晶”，但是注意，凡是“冷”过程，其实都是不稳定的，当重新加热时，这些形状又会重回等轴晶。
多相组织
多相组织分三种情况：
A 简单相
最简单的多相组织，就是晶粒尺度相当的两相组织了，如下图图 a 所示，姑且把两相分别命名为“α 相”和“β 相”吧，那么合金整体的力学性能也很容易分析，基本上就是两相的依比例组成，比如合金强度可以这样算：
两相合金强度=α 相合金强度 ×α 相体积分数 +β 相合金强度 ×β 相体积分数
B 弥散相
第二种情况（上图 b），是两种相的晶粒尺寸相差太大了，小尺寸的相晶粒就会弥散地分布在大尺寸相晶粒的基体内（比如球状、点状、片状、针状，图 b 中均有所示），这种情况已经与上面的情况有质的区别了，有个新的名称——“弥散相”。
这个弥散相可不简单，当弥散相的硬度明显高于基体相时，就能让材料的强度大大提升；工程上还有尽量提高弥散相的体积分数，或者细化弥散相，两者都能显著提高材料的强度，这就是著名的“弥散强化”。
C 第二相
如上图 c，当第二种相连续地分布在基体相的晶界中时，相当于第二相是一种胶水，所以如果第二相很脆的话，那么胶水就成为薄弱环节，无论基体相的塑性多么好，材料整体还是会非常脆。
最后送给大家一个非常美丽的结晶过程延时摄影——
科技千里眼优质科普系列专栏《理解学科真谛》和你一起，抓住核心思想，提炼学科精华，重构知识体系，用生动极简的语言，极速理解学科精要，轻松掌握学科应用。
09 理解材料学核心工具：看懂“相图”——材料学的神奇的魔杖
“材料学”往往是其它专业的关键竞争力！理解材料思想概念通识，做一个“懂材料”的超级个体！科技千里眼系列专栏，和您一起，极速理解学科核心精要。
上节精要
相者，从目，“眼可见也”，如何看见呢？
晶界缺陷处的能量较高，更易化学浸蚀形成沟槽——
晶界可以被观察的原理
晶粒结构相同，为“单相组织”；晶粒结构不同，为“多相组织”，所以 “相是晶粒的一种类属性”。而所谓“组织”，是指**晶粒的各种属性值的情况 **，包括晶粒的尺寸、形状、相分布等。多相组织分简单相、弥散相、第二相。
相图——材料学魔杖
学习过材料学的同学，一定对它有很深的印象，它是如此复杂，我们对着一张相图往往可以分析很长时间；相图又是如此简洁，一张图几条线就包含大量的信息。就好像一根魔杖，大量的能量信息汇聚于一根简单的木棍，而轻轻一挥则地崩山摇。
“相图其实是材料学中的高科技”
一张相图的得到，往往需要海量的实验与计算，而它的价值也是难以估量的。
仅举一例——“钢铁”。可能普通大众很难理解，钢铁这东西都研究几十年了，为什么中国总也炼不出最优质的钢？其实，仅仅是最简单的“二元铁碳相图”就够复杂了，何况又加入各种元素呢。
相图在讲什么？
其实，相图就是材料在不同压力不同温度下的相状态图。
注意：相图只在热力学平衡条件下成立，换言之，“相图中没有动力学信息，每个点都是一个平衡态”。
一元相图
我们先来看一个最容易理解的一元相图——“水的相图”：
水的一元相图
对于一种组元，最多只有三种相：固相、液相、气相。一元相图中横坐标为温度，纵坐标为压力，从图可见：
- 红实线是“相转变点的连线”；
- 在 1 个大气压下（虚线），水的熔点和沸点分别为 2、3 点处；
- 不同压力下，相转变的温度都不相同
一元相图也常常会把压力作为横坐标，把温度作为纵坐标，这种形式也要会看。下图为纯铁的一元相图，由于铁结晶有 3 种相：α 相铁、γ 相铁、δ 相铁，所以会有三个树杈，如下图所示——
纯铁的一元相图
从图可见，纯铁的各相有一个清晰的转变温度，在 1 大气压上时，这个温度非常稳定。其实对于大多数材料来说，我们关注的还是限于“凝聚态”（固态和液态），所以尤其在多元相图中，常常省略压力的影响，这样可以减少一个
坐标轴。（但是注意，并不是压力没有影响哦）
一种组元拥有多种晶型结构的性质，称为“多晶型性”或“同素异构”。
二元相图
说实话，二元相图就比较复杂了；因为当材料中有两个组元 a 与 b 时，涉及到很多问题，比如：
- a 与 b 的固有熔点不同；
- a 与 b 在液态下、固态下是否可以无限互溶；
- a 与 b 的结晶过程在受到对方怎样的影响。
下表为 3 种常见的二元相图，涵盖了 99% 以上的二元相图类型：
匀晶相图是最简单的一种，这里 a 与 b 无论在液态还是在固态下都无限互溶，比如 Cu-Ni, Ag-Au, Fe-Ni, Cu-Au 等合金都是这样的匀晶相。其最常见相图如下：
一种最典型的匀晶相图（横坐标表示 b 的质量分数百分比）
两条实线分出三个区域：
- 固溶体
- 固溶体 + 液体
- 液体
此图还能引出一种分析相图中任意一点两相所占百分比的方法，称为“杠杆原则”。比如，“叶子形”区域明显包含了固溶体与液体这两种相，对于某个浓度下（如竖虚线），取某一点并画横线，可以有这样的结论：
x / y = 固溶体分数 / 液体分数
这是个神奇的规则，为什么其它浓度下的信息可以用来解释本浓度的信息呢？感兴趣的同学可以深入研究，欢迎评论区留下高见共同探讨。
二元相图另一种典型形式为“共晶相图”，这种形式最主要的诱因，就是两种组元在固态下不能无限互溶，如下所示——
共晶相图典型形式
这也就是铁碳相图的基本模式了，铁和碳元素毕竟差别很大，所以固态下存在一个溶解的极限；另外由于铁元素可以形成 3 种同素异构体，因此也导致了铁碳相图比较复杂。
三元相图
像炒菜一样向材料中加入新的组元，就能得到新材料，是普通人对材料学的一种美好想象吧。其实当材料中包含三种以上组元时，其复杂度真的难以想象，下图就是一张典型的三元相图——
氧化钙-氧化铝-氧化硅三元相图
这种三角形很好的表达了每个点位的浓度组分，原理如下图：
但是，温度信息却损失了很多，目前有许多辅助表示方法，比如立体图——
比如颜色图——
再比如等高线图——
当维度一多，连表达都很难了，更何况研究呢。
科技千里眼优质科普系列专栏《理解学科真谛》和你一起，抓住核心思想，提炼学科精华，重构知识体系，用生动极简的语言，极速理解学科精要，轻松掌握学科应用。
10 掌握材料学核心知识：“金属”——分类及特点
“材料学”往往是其它专业的关键竞争力！理解材料思想概念通识，做一个“懂材料”的超级个体！科技千里眼系列专栏，和您一起，极速理解学科核心精要。
前情提要
前面材料学专栏共 9 篇，从材料学的意义与架构出发，引出学科底层逻辑（材料学四面体：成分、结构、制造、性能），然后按照成分与结构“从微向宏”分为4 个层级：原子、键、排列、组织，依次解析，每个层级 2 篇，将材料学的核心原理已经梳理清晰了。
本专栏在提交计划时标明共 10 篇，因为我一直坚信，任何一门学科的核心精华用 10 篇文章 2 万字绝对可以讲清楚，只有这样才能让读者最大程度节省时间。不过在写作的过程中，深刻感受到材料学的庞大，而制造与性能涉及到宏观理解以及材料学的应用，绝不能只用一期水过，所以千里眼决定向材料学专栏再加入 4 期，共 13 期。
新加入的 4 期内容“依材料分类“来诠释“制造与性能”，分别为：金属、陶瓷、高分子、复合材料。毕竟学习材料学，不仅要理解原理，还要对各类具体的材料也要有个了解。
价格呢？不仅不增，反而要将新课优惠延长至 4 月 10 日，聊表寸心。
金属
以金属原子按金属键组合而成者，为金属。你有没有想过，为什么金属都是“金”（Au）的属呢？
金有五色（赤、青、黑、白、黄），黄为之长，久埋不生衣，百炼不轻，从革不违，故独得金名。——《说文解字》
就是说，黄金最厉害了，长时间埋土里也不生锈，怎么烧也不减轻重量，能变形而不背本性，所以金是金属当中的代表。
古人说“金有五色”，可能是观察到了金属的“色泽”，现代人其实也是把金属按色泽来分类，分为：
- 黑色金属：铁、铬、锰
- 有色金属：其它所有金属
这么看来，比古人的五色分类还粗糙很多啊。
钢铁
黑色金属以钢铁为主了，甚至可以说两个概念是等同的。所谓钢铁，就是指铁碳基的合金——
黑色金属 = 钢铁 = 铁碳基合金 = 钢 + 铸铁
其中，含碳量 2.11% 是一个分界线，比这个含碳量高的称为“铁”（或称“铸铁”），比这个含碳量低的称为“钢”。
钢者，炼铁也。炼铁时把铁中的碳原子与氧气接触并挥发，就成钢了。
当然，关于钢的故事没有那么简单
，感兴趣可移步——
10 堂有趣的材料科学极简入门课——不屈不挠的钢
如果钢中掺入了其它的金属元素以改善性能，称为“合金钢”，否则为了区分就称为“碳素钢”。
从本质上讲，目前世界上各高度工业化的国家，其实仍然生活在“铁器时代”，因为还没有任何一种工程材料能像普通碳素钢这样在如此低廉的价格下提供如此良好的综合性能。
钢还可以按用途来分类，比如“结构钢”、“工具钢”、“特殊性能钢”三大类。
钢的种类型号太多了，尤其在机械设计时有时候也不清楚应该如何选择，千里眼为大家分析了碳钢和不锈钢的选择思路：
机械设计｜如何在非标设计中选择碳素结构钢，45 or Q235？
机械设计｜如何在非标设计中选择不锈钢——304、316L、420、440C
铝
地球上什么金属元素最多？答案是“铝”，占地壳总量 8.2%。而且性能优越在所有工业领域都有应用。
铝合金比较轻，导电导热又很好（仅次于银、铜），机械性能优异，又很好加工，是除了铁合金外最常用的金属材料。
对铝合金的理解可以与钢做比较：“铝合金的比刚度不亚于钢”。铝合金选型可参见——
非标机械设计｜铝合金如何选型——6061、2024、7075……?
镁
镁是在地壳中可冶炼稳定合金的仅次于铝和铁的第三种最丰富的金属，占地壳 2.5%，所以镁合金的应用也越来越多了。
镁比铝还轻，密度仅有铝的 2/3，在许多飞机零件和航天器中大量地使用镁合金。
镁的冷变形能力不太好，但是温度稍微上升一点，塑性就显著增强了，所以热变形加工还是比较好用的。
镁元素比较特殊，镁粉在空气中是可以燃烧的，镁材在空气中也比较容易氧化，高温下甚至有可能氧化到燃烧。所以无论是镁合金的加工还是应用，都需要小心谨慎。这一方面确实挺限制它的广泛应用的。
铜
纯铜其实是紫红色的，又称紫铜。铜的密度就比较大了，我们常说铜器挺沉的。纯铜的导电性和导热性特别好，仅次于银。铜的表面是会锈的，即我们常说的铜绿。
铜合金有三类：
- 黄铜：铜锌合金
- 白铜：铜镍合金
- 青铜：其它铜合金
钛
钛在地壳中的含量仅次于铝、铁、镁，银白色，相对密度 4.5，很轻。
钛的耐蚀性能优异，甚至比不锈钢还不锈，力学性能好，所以在航空航天、船舶、化工中大有应用。
科技千里眼优质科普系列专栏《理解学科真谛》和你一起，抓住核心思想，提炼学科精华，重构知识体系，用生动极简的语言，极速理解学科精要，轻松掌握学科应用。
11 掌握材料学核心知识：“陶瓷”——概念、分类及特点
“材料学”往往是其它专业的关键竞争力！理解材料思想概念通识，做一个“懂材料”的超级个体！科技千里眼系列专栏，和您一起，极速理解学科核心精要。
从上节我们开始按材料的分类来分别介绍金属、陶瓷、高分子、复合材料。本节进入——
陶瓷
陶瓷我们很熟悉呀，不就是家里的碗、碟、花瓶吗？
对于“陶瓷”的概念，甚至很多所谓科学家也说不清楚，其实很简单——
陶瓷，即指“无机非金属材料”，就是除了金属和有机材料以外的所有材料。
那么，我就想知道，材料学中的陶瓷材料与我们说的陶瓷器到底有什么区别和联系？
陶瓷是人类最早使用的材料之一，我们所说的陶瓷器属于“传统陶瓷”，它所使用的原料主要是粘土等天然硅酸盐矿物，所以传统陶瓷也称为“硅酸盐材料”，像我们说的陶瓷器、玻璃、水泥，其实都是传统陶瓷材料哦！
玻璃其实就属于陶瓷材料
关于玻璃材料的故事可参见——
10 堂有趣的材料科学极简入门课——玻璃
现代陶瓷的之所以也称为陶瓷，一是因为底层化学键类型与传统陶瓷确实一致，都是离子键加共价键；二是因为两者的制造工艺与传统陶瓷也基本一致，都是 “粉末原料→成型→烧结”。区别就在于，现代陶瓷的原料来源大多数是人工提纯或合成的，组分的范围已经扩大到了整个无机非金属材料，所以现代陶瓷也称为“无机非金属材料”。
陶瓷的词源视角
在材料学中，“陶瓷材料”的常用英文是 ceramics，而“陶瓷器”的常用英文是我们熟悉的 china 呀。
ceramics是从希腊语引入的，它的词根为ceram-（陶土），一般认为来自于 crem-（燃烧），象征了陶器烧结的工艺过程。而由于中国才是历史上陶瓷器工艺的绝对领袖，开始西方人把优质的陶瓷称为chinaware，后来直接简称为china了。
千里眼在本专栏前面曾讲过，以离子键为主的陶瓷材料属于“阴阳相济”，是最稳定、最和谐的形态，这么说来，把陶瓷命名为 china（中国）还挺合理的呢，毕竟“中者和也”么。
关于陶瓷器工艺的故事可参见——
10 堂有趣的材料科学极简入门课——陶瓷材料
陶瓷的分类
陶瓷的种类繁多，而且还在不断扩大和增多，我们以化学成分来分类可分为四类：（还是 3+1）
- 氧化物陶瓷：氧化铝、氧化硅
- 碳化物陶瓷：碳化硅
- 氮化物陶瓷：氮化硅、氮化钛
- 其它陶瓷
其中氧化物陶瓷使用最早、种类最多、应用最广，日常使用的玻璃和陶瓷器也都属于这一类。
如果从功能用途上分类，可以分为两大类：
一类是以力学性能为主的，称为“工程陶瓷”或“结构陶瓷”，主要应用它们的高强度（常温及高温下）、高韧性、高硬度，典型的如氮化硅、碳化硅、氧化铝、及金刚石等；对，你没看错，金刚石就是一种陶瓷材料，而且是应用广泛的工程陶瓷。
另一类是以非力学性能为主，比如电学性质、磁学性质、热学性质等，包括我们常说的绝缘陶瓷、介电陶瓷、压电陶瓷、半导体等，称为“功能陶瓷”。
氧化锆陶瓷刀——十年免磨
陶瓷的性能特点
我们学过材料学，就要想到“成分与结构决定性能”，陶以离子键和共价键为主，因此总体性能就是：
强度高、硬度大、熔点高、化学稳定性好、线膨胀系数小
有利有弊，从上面特点中就不难想到，陶瓷塑性差、韧性差、可加工性差。
下面咱们分三个方面解析一下陶瓷的力学性质——
A 模量和强度
下面这张经典图像很好地表达了三大材料的拉伸曲线，从中可以看出三者的模量和强度区别：
从模量上看，显然
陶瓷>金属>高分子
从曲线上看，陶瓷在断裂前无明显塑性变形，也就是所谓的“很脆”，作为结构材料时就不太安全可靠了。
从组织上看，这种脆性还与粉末烧结时产生的陶瓷“内部孔洞缺陷” 有关。
另外，陶瓷的抗压强度比抗拉强度还高很多，大约 10:1 左右，而铸铁材料才能达到 3:1，可见一斑。
B 硬度
啥叫硬度？硬度就是抵抗局部变形的能力。既然是局部，那么上面所说的“内部孔洞缺陷”其实就不太影响硬度。所以，整体上陶瓷的硬度与弹性模量呈正比，就是模量越大则硬度越大
C 脆性
陶瓷哪都好，就是有点脆，所以关于陶瓷的最中心的课题，其实是——
“陶瓷增韧”
有什么办法呢？目前大致上有三种办法：
- 增加烧结致密度，并细化晶粒
- 通过陶瓷的相变来增韧
- 使用纤维来增韧
科技千里眼优质科普系列专栏《理解学科真谛》和你一起，抓住核心思想，提炼学科精华，重构知识体系，用生动极简的语言，极速理解学科精要，轻松掌握学科应用。
12 掌握材料学核心知识：“高分子”——概念、分类及特点
“材料学”往往是其它专业的关键竞争力！理解材料思想概念通识，做一个“懂材料”的超级个体！科技千里眼系列专栏，和您一起，极速理解学科核心精要。
我们以 4 节按材料的分类来分别介绍金属、陶瓷、高分子、复合材料。本节进入——
高分子材料
“高分子化合物”，顾名思义就是分子量很大的化合物，大到什么程度呢，一般认为分子量在 1000 以上就可以归类到高分子化合物中，高分子的分子量甚至可以达到几十万或几百万以上，是成千上万个原子以共价键相连的大分子。
高分子材料一般按来源分为两类：
- 天然高分子
- 合成高分子
名称清楚，不言而喻。其中天然高分子比如淀粉、羊毛、纤维素、天然橡胶等，合成高分子如塑料、合成橡胶、合成纤维等。
塑料就属于高分子材料
聚合反应
在几乎所有的中文材料学书籍中，都默认了“高分子=聚合物=高聚物”，这其实是从两种角度去定义同一种物质：高分子从分子量角度，而聚合物是从这种分子产生的角度来讲的。
这么大的分子是如何产生的呢？
高分子是由小分子发生聚合反应产生的。所谓聚合，顾名思义，就是小分子聚在一个发生化合反应。根据发生化合反应时的不同化学模式，分为两类：
- 加聚反应
- 缩聚反应
加聚就是直接相加，首尾相连成为大分子。小分子（称为单体）只是放在一起是不会自动发生加聚反应的，反应必须要引发，然后增长，最后终止。所以，一般加聚反应需要的条件有：压力、温度、引发剂。
乙烯的聚合反应过程
引发剂是一个神奇的存在，比如在乙烯聚合为聚乙烯的反应中，加入过氧化氢后，分解为两个 OH 基团，会促使双键破坏，引发聚合，有趣的是，每发生一次反应，所释放的能量要比吸收的能量多！这就意味着只要引发了一次，加聚反应就可以无限地进行下去！（当然，是在单体足够的情况下）
如果长链的活性端，遇到的不是单体，而是 OH 基团，或者遇到了另一个活性端的话，显然这个长链就结束生长了。所以，我们就可以通过控制加入引发剂的量来控制链的长度。
缩聚，哪里“缩”了呢？原来，在单体互相连接时，会析出一些小分子来完全化合反应，就好像缩小了一样。
打个比方，缩聚反应就好像要把一条条短毛线（单体）连接，必须要先打个结，然后再把多余的线头剪掉，最后连成一条长线。
按几何结构分类
高分
子的几何结构各有不同，主要可分为：
- 线型高分子
- 体型高分子
高分子几何结构：顾名思义，不必过多解释
线型高分子也包含“支链型高分子”，是以线为主干但拥有分支的高分子。
按热行为分类
高分子（此处主要指合成高分子），按热行为可以分为：
- 热塑性高分子
- 热固性高分子
热塑性，意为“热时可塑”，加热后材料软化可以塑造成各种形状，冷却后变硬，而再次加热后还会一样地软化可塑。热塑性高分子以线型分子结构为主，因为分子与分子之间没有强键连接，而导致了热时可塑的这种性质。
热固性，意为“热时可固”，首次加热时，也一样可以变软，但是加热到一定程度或者加入了固化剂后，就会硬化固定形状，以后再加热也不会软化了。热固性高分子均以体型高分子为主，往往是整个宏观材料都联接在一起相当于一个极巨大的大分子。
其实，热行为与几何构型是对应的：“线型可塑，体型可固”。
按性质分类
我们常听说的名词“塑料”、“橡胶”、“纤维”其实就是按性质的分类，这种分类不太严谨，只是从外观表现上的划分：
- 塑料：强度较高，有一定形状，受力后有一定变形；
- 橡胶：高弹性，小载荷下即可发生大变形，而且卸荷后可回弹；
- 纤维：轴向强度大，受力后变形很小，力学性质随温度变化不大。
高分子的力学性能
与金属和陶瓷相比，高分子的力学性能还是很有特点的：
- 低强度&高比强度：比如塑料抗拉强度大约 60MPa 左右，橡胶大约 25MPa 左右；不过高分子轻啊，所以比强度还是很高的；
- 高弹性&低弹性模量：塑料的弹性模量差不多是金属的 1/10 吧，橡胶更小了，差不多是金属的 1/1000，而且弹性特别好；
- 黏弹性：这也是由于高分子的结构导致的，高分子的变形和构象变化速度慢而且滞后于外界条件，就后引起粘弹性的性质，也就是表现为高弹性变形和粘性流动，变形还与时间有关。
- 高耐磨性：不要觉得高分子硬度低就不耐磨，既然是大分子，那么其抗磨和耐撕裂性就会优于金属。
黏弹性是材料流变性质中的主要属性，可参见——
极简科普｜到底什么是材料的“流变性”？
科技千里眼优质科普系列专栏《理解学科真谛》和你一起，抓住核心思想，提炼学科精华，重构知识体系，用生动极简的语言，极速理解学科精要，轻松掌握学科应用。
13 掌握材料学核心知识：“复合材料”——概念、分类及特点
“材料学”往往是其它专业的关键竞争力！理解材料思想概念通识，做一个“懂材料”的超级个体！科技千里眼系列专栏，和您一起，极速理解学科核心精要。
材料学中的分类方式，我们在前述课程中总结过，就是“3+1”——
3 种类型材料以 1 种复合型材料
“复合思维”
无论是科学家还是工程师，都具备一种实用性极强的思维模式——“复合思维”。
复合思维模式其实非常直观易懂：比如解决一个问题有 A/B 两种方案，它们各有优劣互相补充，单独哪一种都不能达到良好的效果，那么就想办法让 A/B 两种方法合并起来同时起作用，将 A 与 B 的优势同时发挥出来。
无论是解决什么问题，复合思维永远都是一个可选项，往往还可能成为最优解决方案呢。
现实中的问题，不一定都是二选一
复合材料
复合材料就是 2 种或多种材料组合在一起的“多相固体材料”，往往拥有其组合材料的优异性能。
其实，复合材料在自然与工程中非常之多，只是平时我们不注意而已。
比如，玻璃有高弹性模量和高强度，而塑料有很好的塑性容易加工，两者一结合就形成了“玻璃钢”，“碳纤维材料”也完全同时理；
再比如，陶瓷材料硬度高还耐磨，但太难加工成型了，将它们用金属粘合就形成了“硬质合金”，可以作为刀具使用；
硬质合金切削刀具
再比如，自然界的树木、建筑中的混凝土、人体中的骨骼，这些都属于复合材料。
混凝土其实就是水泥和砂石的复合材料啊，关于神奇的混凝土可参见——
10 堂有趣的材料科学极简入门课——人类建筑功臣 混凝土
其实我们可以说——
“材料的就是拿来复合利用的”
想要一种材料可以涵盖所有的属性是很幼稚的，一种材料发挥其应该发挥的特性才是正道。
因为这才是材料应用的底层逻辑。
人得天地之全，物得天地之偏。人要学会复合利用材料的偏性，以得到拥有全性的复合材料。
复合材料按基体分类
复合材料是“3+1”中的那个 1，显然分为三类：
- 金属基
- 陶瓷基
- 树脂基/碳基
基体在一定程度上表征了复合材料的基本性质，除基体外的其它部分称为“增强体”，是由于一般加入的成分会让材料整体的某些性质显著增强。
基体把增强体粘附起来，使其均匀分布，并且保护增强体免受环境物理化学损伤。
上面讲近的“硬质合金”就是一个非常典型的例子，硬质合金是金属基复合材料，从命名和外观上也能看得出，但它做为刀具，要求耐磨，这时就要发挥出陶瓷增强体的作用了。
按增强体的形态分类
增强体有三种形态：
- 颗粒状
- 纤维状
- 层片状
上面讲过的混凝土其实就属
于颗粒状的复合材料；而胶合板是典型的层片状的复合材料。
颗粒状复合材料是各向同性的，层片状显然是各向异性的，而纤维状就要取决于纤维的长短与分布了。
复合材料的最大特点：可设计
研究或应用材料的顶级需求，就是可以按性能要求设计材料，称为“可设计性”(Designable)。
“可设计思维”也是科学与工程领域的重要思维理念，任何一种创造，只要它是可设计的，就拥有无穷无尽的发展与应用，其威力就是不可限量的。
复合材料体系完全是人为确定的，所以，可以根据材料的基本特性以及材料之间的相互作用来人为设计，包括设计基体材料类型、设计增强体材料类型、设计增强体的数量形态和分布，还可以设计基体与增强体之间的界面。
理论上，一定可以获得将 2 种或多种完全不同材料的优异性能集于一身。
复合材料的复合机制
由于复合行为一般的结果就是将材料某方面性能提升，因此常被称为 “增强”。复合机制以两类型为主：
-
粒子增强散布强化
-
颗粒强化
-
短纤维及晶须
-
长纤维
层片状复合材料的复合机制更为宏观
最后的话
材料学专栏至此就完结了，原本 10 课的计划，最终以 13 课完结，主要是因为材料学确实太博大精深了。
课程虽然结束，但我们对于材料的理解与应用才刚刚开始，记住，只要我们的研究与物质有关，就一定离不开材料学，重视材料学，让它成为我们一项强大的核心竞争力。
科技千里眼优质科普系列专栏《理解学科真谛》和你一起，抓住核心思想，提炼学科精华，重构知识体系，用生动极简的语言，极速理解学科精要，轻松掌握学科应用。
