一、材料性能的定义

　　材料性能是一种用于表征材料在给定的外界条件下的行为参量。有多少行为，就对应有多少性能。例如：外力作用下的拉伸行为的载荷－位移曲线或应力-应变曲线，采用屈服，缩颈、断裂等行为判据，便别离有屈服强度、抗拉强度、断裂强度等力学性能。用表征材料在外磁场作用下磁化及退磁行为的磁滞回线，采用不同的行为判据，便别离有矫顽力、剩余磁感、贮藏的磁能等磁学性能。外界条件不同，相同的材料也会有不同的性能。断裂强度的临界条件是断裂，不少的外界条件可以影响断裂行为，温度升高到熔点的40~50%以上─蠕变断裂强度，反复的交变载荷─疲劳断裂强度，特定的化学介质─腐蚀断裂强度。

　　二、材料性能的外延与划分

　　材料性能的划分只是为了学习和研究的便利。各种性能间既有区别，又有联系。复杂性能就是不同简单性能的组合。消振性，对于高振动的器件(如汽轮机的叶片)是一个重要的力学性能，但对琴丝、大钟，除了力学性能外还涉及到悦耳的声学性能；材料的高温蠕变强度，既是力学性能，又是热学性能；材料的应力腐蚀：既是化学问题，又是力学问题；反射率是光学性能，又与金属表面的化学不变性有关。下表为材料性能的一般划分方法。

同一材料不同性能只是相同的内部结构，在不同的外界条件下所表示出的不同行为。在研究材料性能时，既要总结个别性能的特殊规律，也应该要从材料的内部结构去理解材料为什么会有这些性能。例在研究材料机械性能时，我们既要研究材料的各种强度、弹性、塑性、韧性的特殊规律，即建立与性能的各种表象规律，又要运用晶体缺陷理论去研究材料从形变到断裂的遍及规律，去探寻这些现象形成的机理。又如，材料的电、磁、光、热现象的物理性能，可以在电子论的指导下得到物理本质的统一。因此，我们必需要运用固体物理和固体化学，从本质上理解固体材料的各种性能所涉及的现象。绝大多数性能是与整体内部的原子特性和交互作用有关的，但是，有些性能则只与材料的表面层原子有关，如腐蚀和氧化、摩擦和磨损、晶体外延生长与离子注入、催化和表面反应等。

　　一般人们都用“工艺→结构→性能”这条路线去控制或改造性能，即工艺决定结构，结构决定性能。改变结构时，应考虑它的可变性以及这种改变对于性能改变的敏感性。有些结构是难于改变的，如原子结构和晶体结构类型；有些组织虽然可以通过工艺来改变，但性能对于结构却有不同的敏感性。某些性能主要取决于成分，成分固定，性能也就随之而固定，这称为非结构敏感性性能。如：熔点、弹性模量、磁饱和等。另一些性能则由于晶体的缺陷、畸变、第二相的数量、大小和分布等的改变而可能有很大的变化，这则称为结构敏感性的性能，例如：电导率、屈服强度、矫顽力等。

　　三、材料性能研究目的

　　材料性能的研究，既是材料开发的出发点，也是其重要归属。陶瓷材料，它之所以能广泛地应用，归根结底是因为其某一方面的性能可以满足人们的需要，可制成各种各样的形状，坚硬、表面光洁度高，可用作各种各样的容器；同时具有必然的电气绝缘强度及机械强度，可作为重要的绝缘材料。近年来开发出来的一些新性能还可满足一些特殊环境的要求，用此制备重要的功能元件，利用磁性制备计算机记忆元件；利用光学性能制备光学元件，如透明陶瓷可用作钠光灯的灯罩，钠光灯的发光效率高且节能，但若用普通玻璃，则因为钠蒸气的腐蚀作用而出问题；利用机械强度与化学惰性制备仿生陶瓷(人造骨骼，牙齿等)、耐高温、高温陶瓷等等。

　　集成电路的绝缘基板材料，首先必需要具有必然的强度，以便能够承载起安装在其上的集成电路元件及布在其上的电路线，要有均匀而平滑的表面，以便进行穿孔、开槽等精密加工，从而能够构成细微而精密的图形，应有优良的绝缘性能，尤其是在高频下，还要有充分的导热性，以迅速散发电路上因电流产生的热，电子元器件与基片的热膨胀系数之差应尽可能地小，从而保证基片与电路间良好的匹配性，电路与基片就不会剥离。总之，材料的强度、表面光洁度、绝缘性能、热导性、热膨胀系数等材料是衡量基板材料好坏的重要指标。环氧树脂等塑料是较好的基片材料，但它们的导热性能不好。氧化铝的导热性能约为环氧树脂的三十倍，故氧化铝是重要的基片材料。比氧化铝的导热性更好的材料，更有希望作基片的材料。氧化铝单晶(亦称为蓝宝石)，其导热系数比氧化铝烧结体大4倍，但却难于获得合适的薄片形状。碳化硅导热性较好，约10倍于氧化铝，硬度高，可精密加工，热膨胀系数接近硅，但却是半导体，且致密烧结非常困难。现采用添加百分之几的氧化铍，并用热压烧结方法，获得了导热性能与绝缘性兼有的致密材料。金刚石是导热系数最好的材料，绝缘性也很好，是最抱负的绝缘基片材料，但是要不变地供给高纯度且具有必然大小的片状金刚石晶体，目前还有很大困难，要投入实际应用，还需要做出很大的努力。以上仅从导热系数指标来讨论的，实际应用中还要考虑其它指标。如对于大型计算机，还要考虑介电常数，因为若基片材料的介电常数过大，则电子元件上的响应时间就会变大，从而影响计算机的运算速度。因此，用氧化铝作基片材料，还存在着许多值得改进之处。总之，对材料的使用，主要是使用其某一方面的性能。在选用材料时先考查主要性能满足时，再考察其它性能。

　　材料性能的研究，有助于研究材料的内部结构。材料性能就是内部结构的表现，对结构敏感性能，更是如此。同样，材料的性能，也反映了材料的内部结构。例如：按照2dsinθ=nλ，利用晶体对X-ray的衍射图象，就可以推知晶体中面网间距d，进而就可以分析晶体的结构。

　　四、材料生产工艺

　　任何一种新材料从发现到应用于实际，必需经过适宜的制备工艺才能成为工程材料。高温超导自1986年发现以后到20世纪末，已有15年的历史，但仍不能遍及应用于电力，主要是因为没有找到价廉而不变的生产线材的工艺。C60也是如此，尽管在发现之初认为它的用途十分广泛，但到20世纪末仍处于科研阶段。传统材料也需要不竭改进生产工艺或流程，以提高产品质量、降低成本和减少污染，从而提高竞争能力。分子束外延技术的出现，可以控制薄膜的生长精确到几个原子的厚度，从而实现了“原子工程”或“能带工程”，为原子、分子设计提供了有效手段；快冷技术（即每秒冷却速度达104~108K）的采用，为金属材料的发展开辟了一条新途径。首先是金属玻璃的形成，提高了金属强度、耐磨耐蚀性能和磁学性能。其次通过快冷可得到超细晶粒，成为改进性能的有效方法。第三是通过快冷发现了准晶，由此改变了晶体学的传统不雅观念。所以材科制备方法的研究与开发成为材料科学技术的重点。

　　材料的广泛应用是材料科学技术发展的主要动力，实验研究出来的具有优异性能的材料不等于具有实用价值，必需通过大量应用研究，才能发挥其应有的作用。材料的应用要考虑以下几个因素：一是材料的使用性能(performance)；二是使用寿命(durability)及可靠性(reliability)；三是环境适应性(environmental compliance)，包罗生产过程与使用期间；四是价格(cost)。当然，不同材料及使用的对象不同，考虑的重点就不一样，有些量大面广的材料，价格低廉是主要的，因而生产要低成本，检验不十分复杂，如建材与包装材料；相反，有些关键技术所用关键材料，如航空航天及医用生物材料，一旦发生不测，则损失严重，因而必需高质量、安全可靠，加强检验，不然后果不胜设想，所以有时检验费用比材料本身花费还高。以航空发动机所用高温合金为例，作为涡轮叶片及涡轮盘材料，一旦在飞行过程中出现断裂，很可能造成机毁人亡，因而在要求长寿命(几万小时)的同时，对可靠性的要求特别严格。为了保证材料的质量，采用三次熔炼、真空感应炉溶炼，以保证严格控制成分(去气、去有害杂质)；再用电渣重熔，以去除非金属夹杂物；最后真空自耗电弧重熔，可以得到无宏不雅观缺陷的合金锭，如此保证材料质量的均一性和完整性，再经锻造，或重熔铸造加工成零件、最后经过高灵敏度的检验合格后，再装机使用。对医用生物材料来说，质量保证更为严格，因为一旦因质量变乱而产生不良后果，则后患无穷。