第1章新材料概論

1、新材料概論新材料概論課程設(shè)置的指導(dǎo)思想：課程設(shè)置的指導(dǎo)思想： 材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是所有科技進(jìn)步的核心，是高材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是所有科技進(jìn)步的核心，是高新技術(shù)發(fā)展和社會(huì)現(xiàn)代化的先導(dǎo)，是一個(gè)國家科學(xué)技術(shù)和工業(yè)水平的反映和新技術(shù)發(fā)展和社會(huì)現(xiàn)代化的先導(dǎo)，是一個(gè)國家科學(xué)技術(shù)和工業(yè)水平的反映和標(biāo)志。新材料的出現(xiàn)和使用往往會(huì)給技術(shù)進(jìn)步、新產(chǎn)業(yè)的形成，乃至整個(gè)經(jīng)標(biāo)志。新材料的出現(xiàn)和使用往往會(huì)給技術(shù)進(jìn)步、新產(chǎn)業(yè)的形成，乃至整個(gè)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展帶來重大影響。不斷開發(fā)和有效使用材料的能力是衡量社會(huì)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展帶來重大影響。不斷開發(fā)和有效使用材料的能力是衡量社會(huì)技術(shù)水平和未來技術(shù)

2、發(fā)展的重要尺度。技術(shù)水平和未來技術(shù)發(fā)展的重要尺度。著名材料學(xué)家、兩院院士著名材料學(xué)家、兩院院士師昌緒師昌緒現(xiàn)代科技與現(xiàn)代文明現(xiàn)代科技與現(xiàn)代文明信信息息材材料料能能源源新技術(shù)革命新技術(shù)革命信信息息新新材材料料生生物物美國國家研究委員會(huì)一份提交美國國會(huì)的題為美國國家研究委員會(huì)一份提交美國國會(huì)的題為“2020世紀(jì)世紀(jì)9090年代年代的材料科學(xué)技術(shù)：在材料的時(shí)代里保持競爭力的材料科學(xué)技術(shù)：在材料的時(shí)代里保持競爭力”的研究報(bào)告指的研究報(bào)告指出：先進(jìn)材料和先進(jìn)材料工藝對(duì)國家的生活水平、安全及經(jīng)濟(jì)出：先進(jìn)材料和先進(jìn)材料工藝對(duì)國家的生活水平、安全及經(jīng)濟(jì)實(shí)力起著關(guān)鍵性的作用。先進(jìn)材料是先進(jìn)技術(shù)的奠基石。材料實(shí)力

3、起著關(guān)鍵性的作用。先進(jìn)材料是先進(jìn)技術(shù)的奠基石。材料的影響不僅限于具體的產(chǎn)品，千千萬萬的就業(yè)機(jī)會(huì)就依賴于我的影響不僅限于具體的產(chǎn)品，千千萬萬的就業(yè)機(jī)會(huì)就依賴于我們所擁有的高質(zhì)量特殊材料。材料也是處理諸如環(huán)境污染、自們所擁有的高質(zhì)量特殊材料。材料也是處理諸如環(huán)境污染、自然資源的不斷減少及其價(jià)格膨脹等一些緊迫問題的工具。材料然資源的不斷減少及其價(jià)格膨脹等一些緊迫問題的工具。材料科學(xué)與工程對(duì)影響美國經(jīng)濟(jì)及國防力量的重要工業(yè)部門的興旺科學(xué)與工程對(duì)影響美國經(jīng)濟(jì)及國防力量的重要工業(yè)部門的興旺發(fā)展是至關(guān)重要的。發(fā)展是至關(guān)重要的。 但是，新材料和新材料技術(shù)能夠切實(shí)充分發(fā)揮推但是，新材料和新材料技術(shù)能夠切實(shí)充分發(fā)

4、揮推動(dòng)社會(huì)和科技進(jìn)步的作用，就不僅僅是材料科技工作動(dòng)社會(huì)和科技進(jìn)步的作用，就不僅僅是材料科技工作者所能完成的，開發(fā)和使用材料的能力是衡量社會(huì)技者所能完成的，開發(fā)和使用材料的能力是衡量社會(huì)技術(shù)水平和未來技術(shù)發(fā)展的尺度。術(shù)水平和未來技術(shù)發(fā)展的尺度。 開發(fā)新材料是材料科技工作者的任務(wù)，但僅僅研開發(fā)新材料是材料科技工作者的任務(wù)，但僅僅研制出具有優(yōu)異性能的材料還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，只有當(dāng)新材料制出具有優(yōu)異性能的材料還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，只有當(dāng)新材料被廣泛應(yīng)用，才能真正發(fā)揮其應(yīng)有的作用。被廣泛應(yīng)用，才能真正發(fā)揮其應(yīng)有的作用。 因?yàn)椋侠磉x擇和使用材料是所有工程的各個(gè)領(lǐng)因?yàn)?，合理選擇和使用材料是所有工程的各個(gè)領(lǐng)域及其設(shè)計(jì)部門的

5、任務(wù)，而準(zhǔn)確判斷與資助優(yōu)先發(fā)展域及其設(shè)計(jì)部門的任務(wù)，而準(zhǔn)確判斷與資助優(yōu)先發(fā)展方向又是政府的職能。所有這些，都應(yīng)建立在相關(guān)人方向又是政府的職能。所有這些，都應(yīng)建立在相關(guān)人員對(duì)材料的總體把握與正確認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上。顯然，這員對(duì)材料的總體把握與正確認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上。顯然，這就要求從所有工程領(lǐng)域的專業(yè)人員到政府官員都要對(duì)就要求從所有工程領(lǐng)域的專業(yè)人員到政府官員都要對(duì)材料全貌有比較正確的了解。材料全貌有比較正確的了解。進(jìn)而拓寬知識(shí)結(jié)構(gòu)，提高自進(jìn)而拓寬知識(shí)結(jié)構(gòu)，提高自身的綜合素質(zhì)。身的綜合素質(zhì)。 1、物理化學(xué)屬性：物理化學(xué)屬性：金屬材料、無機(jī)非金屬材料、金屬材料、無機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料和復(fù)合材料。有機(jī)高分

6、子材料和復(fù)合材料。材料的分類方法材料的分類方法o 金屬金屬原子間以金屬鍵結(jié)合，由于金屬鍵無方向性，因而原子間以金屬鍵結(jié)合，由于金屬鍵無方向性，因而金屬材料具有良好的延展性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性并具有金金屬材料具有良好的延展性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性并具有金屬光澤等特點(diǎn)，此外，金屬材料資源豐富，生產(chǎn)工藝成屬光澤等特點(diǎn)，此外，金屬材料資源豐富，生產(chǎn)工藝成熟，工藝性能好，價(jià)格便宜，因此按使用重量熟，工藝性能好，價(jià)格便宜，因此按使用重量來說，在工程材料中仍來說，在工程材料中仍占主導(dǎo)地位，而且預(yù)計(jì)占主導(dǎo)地位，而且預(yù)計(jì)在相當(dāng)長的歷史時(shí)期內(nèi)，在相當(dāng)長的歷史時(shí)期內(nèi)，金屬材料的主導(dǎo)地位是金屬材料的主導(dǎo)地位是不會(huì)改變的。不會(huì)改

7、變的。 o 無機(jī)非金屬材料無機(jī)非金屬材料即陶瓷材料，多是由兼有離子鍵和共價(jià)即陶瓷材料，多是由兼有離子鍵和共價(jià)鍵的結(jié)晶體構(gòu)成的，具有質(zhì)地脆、硬度高、強(qiáng)度高、抗鍵的結(jié)晶體構(gòu)成的，具有質(zhì)地脆、硬度高、強(qiáng)度高、抗化學(xué)腐蝕性強(qiáng)、對(duì)電和熱的絕緣性良好等特點(diǎn)。陶瓷材化學(xué)腐蝕性強(qiáng)、對(duì)電和熱的絕緣性良好等特點(diǎn)。陶瓷材料發(fā)展很快，其成分已由以硅酸鹽為主發(fā)展為不含硅酸料發(fā)展很快，其成分已由以硅酸鹽為主發(fā)展為不含硅酸鹽的新型陶瓷材料。作為區(qū)別，歐美各國將硅酸鹽材料鹽的新型陶瓷材料。作為區(qū)別，歐美各國將硅酸鹽材料稱為稱為“陶瓷陶瓷”，而將新型無機(jī)材料稱為，而將新型無機(jī)材料稱為“新型陶瓷新型陶瓷”或或“精細(xì)陶瓷精細(xì)陶瓷”

8、。o 高分子聚合物材料高分子聚合物材料即有機(jī)材料是以碳即有機(jī)材料是以碳- -碳共價(jià)鍵為其基本碳共價(jià)鍵為其基本結(jié)構(gòu)，具有重量輕、耐腐蝕、絕緣性良好、易于加工成結(jié)構(gòu)，具有重量輕、耐腐蝕、絕緣性良好、易于加工成型等特點(diǎn)。其體積用量已超過金屬材料。型等特點(diǎn)。其體積用量已超過金屬材料。 C C C C C C Co 復(fù)合材料復(fù)合材料是由兩種或兩種以上是由兩種或兩種以上化學(xué)性質(zhì)或組織結(jié)構(gòu)不同的材化學(xué)性質(zhì)或組織結(jié)構(gòu)不同的材料組合而成的材料。復(fù)合材料料組合而成的材料。復(fù)合材料綜合了上述材料的某些特點(diǎn)，綜合了上述材料的某些特點(diǎn)，具有廣泛應(yīng)用前景。具有廣泛應(yīng)用前景。2、按使用性能分、按使用性能分 可分為可分為結(jié)構(gòu)

9、材料結(jié)構(gòu)材料和和功能材料功能材料兩大類。兩大類。o 結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料是是以力學(xué)性能為基礎(chǔ)，制造受力構(gòu)件所用的以力學(xué)性能為基礎(chǔ)，制造受力構(gòu)件所用的一類材料一類材料，即利用材料的力學(xué)性能，所制備的各類器，即利用材料的力學(xué)性能，所制備的各類器件或構(gòu)件是為了承受各種形式的載荷。件或構(gòu)件是為了承受各種形式的載荷。陶瓷軸承陶瓷軸承o 功能材料功能材料，即利用物質(zhì)的獨(dú)特物理和化學(xué)性質(zhì)或生，即利用物質(zhì)的獨(dú)特物理和化學(xué)性質(zhì)或生物功能，如聲、光、電、磁、熱及化學(xué)反應(yīng)特征。物功能，如聲、光、電、磁、熱及化學(xué)反應(yīng)特征。 光學(xué)元件光學(xué)元件軟磁鐵氧體軟磁鐵氧體3、從發(fā)展觀點(diǎn)區(qū)分、從發(fā)展觀點(diǎn)區(qū)分 可分為可分為傳統(tǒng)材料傳統(tǒng)材

10、料和和新型材料新型材料。o 傳統(tǒng)材料傳統(tǒng)材料是指那些已經(jīng)成熟且在工業(yè)中已批量生產(chǎn)并是指那些已經(jīng)成熟且在工業(yè)中已批量生產(chǎn)并大量應(yīng)用的材料，如鋼鐵、水泥、普通陶瓷、磚瓦、大量應(yīng)用的材料，如鋼鐵、水泥、普通陶瓷、磚瓦、塑料等，也稱基礎(chǔ)材料。塑料等，也稱基礎(chǔ)材料。o 新型材料新型材料正在發(fā)展、具有優(yōu)異性能和應(yīng)用前景正在發(fā)展、具有優(yōu)異性能和應(yīng)用前景的一類材料。的一類材料。 人造軟骨人造軟骨 新型材料新型材料與與傳統(tǒng)材料傳統(tǒng)材料之間沒有明顯的界限。傳之間沒有明顯的界限。傳統(tǒng)材料通過采用新技術(shù)，提高技術(shù)含量，提高性能，統(tǒng)材料通過采用新技術(shù)，提高技術(shù)含量，提高性能，大幅度增加附加值而成為新型材料；新材料在經(jīng)過

11、大幅度增加附加值而成為新型材料；新材料在經(jīng)過長期生產(chǎn)與應(yīng)用之后也就成為傳統(tǒng)材料。傳統(tǒng)材料長期生產(chǎn)與應(yīng)用之后也就成為傳統(tǒng)材料。傳統(tǒng)材料是發(fā)展新材料和高技術(shù)的基礎(chǔ)，而新型材料又往往是發(fā)展新材料和高技術(shù)的基礎(chǔ)，而新型材料又往往能推動(dòng)傳統(tǒng)材料的進(jìn)一步發(fā)展。能推動(dòng)傳統(tǒng)材料的進(jìn)一步發(fā)展。（超級(jí)鋼、塊體納米）（超級(jí)鋼、塊體納米） 材料是人類文明的物質(zhì)基礎(chǔ)材料是人類文明的物質(zhì)基礎(chǔ) ，從遠(yuǎn)古的石器時(shí)，從遠(yuǎn)古的石器時(shí)代到青銅器時(shí)代，然后再進(jìn)入鐵器時(shí)代，每一代到青銅器時(shí)代，然后再進(jìn)入鐵器時(shí)代，每一種新材料的出現(xiàn)和使用，都伴隨著生產(chǎn)力和科種新材料的出現(xiàn)和使用，都伴隨著生產(chǎn)力和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，標(biāo)志著人類文明的進(jìn)步。學(xué)技

12、術(shù)的發(fā)展，標(biāo)志著人類文明的進(jìn)步。人類、材料和技術(shù)的演變史人類、材料和技術(shù)的演變史人類社會(huì)的幾個(gè)時(shí)代人類社會(huì)的幾個(gè)時(shí)代 1 1石器時(shí)代：公元前石器時(shí)代：公元前100100萬年萬年2 2青銅器時(shí)代：公元前青銅器時(shí)代：公元前50005000年年3 3鐵器時(shí)代：公元前鐵器時(shí)代：公元前30003000年年 4 4鋼時(shí)代：鋼時(shí)代：18001800年年5 5硅時(shí)代：硅時(shí)代：19501950年年 6 6新材料時(shí)代：新材料時(shí)代：19901990年年 綜觀人類發(fā)現(xiàn)材料和利用材料的歷史，綜觀人類發(fā)現(xiàn)材料和利用材料的歷史，每一種重要材料的發(fā)現(xiàn)和廣泛利用，都會(huì)每一種重要材料的發(fā)現(xiàn)和廣泛利用，都會(huì)把人類支配和改造自然的能

13、力提高到一個(gè)把人類支配和改造自然的能力提高到一個(gè)新水平，給社會(huì)生產(chǎn)力和人類生活水平帶新水平，給社會(huì)生產(chǎn)力和人類生活水平帶來巨大變化，把人類的物質(zhì)文明和精神文來巨大變化，把人類的物質(zhì)文明和精神文明向前推進(jìn)一步。明向前推進(jìn)一步。公元前公元前10100 0萬年左右萬年左右舊石器時(shí)代：人類為了生存、抵御猛獸襲擊和獵取食舊石器時(shí)代：人類為了生存、抵御猛獸襲擊和獵取食物開始用石頭做工具，如石刀、石鏟、石斧、石球等，物開始用石頭做工具，如石刀、石鏟、石斧、石球等，工具制作粗糙，用途尚未分化。工具制作粗糙，用途尚未分化。新石器時(shí)代：主要標(biāo)志是出現(xiàn)經(jīng)過加工的刀口鋒利的新石器時(shí)代：主要標(biāo)志是出現(xiàn)經(jīng)過加工的刀口鋒利

14、的石器及陶器（黏土成型），并伴隨著人類開始應(yīng)用磚石器及陶器（黏土成型），并伴隨著人類開始應(yīng)用磚瓦等建筑材料（石頭、土瓦、植物枯桿等），以及出瓦等建筑材料（石頭、土瓦、植物枯桿等），以及出現(xiàn)了紡織品、絲織品（皮毛、棉花、蠶絲等）?，F(xiàn)了紡織品、絲織品（皮毛、棉花、蠶絲等）。1.1.石器時(shí)代石器時(shí)代原始人打制的石器原始人打制的石器用于碾磨谷物的石盤用于碾磨谷物的石盤石斧石斧舊石器時(shí)代各種石制品舊石器時(shí)代各種石制品 2.2.青銅器時(shí)代青銅器時(shí)代公元前公元前50005000年左右年左右這是人類較大量利用金屬的開始，青銅這是人類較大量利用金屬的開始，青銅銅錫合金，這是銅錫合金，這是最原始的合金，而且添加錫

15、、鉛的銅合金熔點(diǎn)低，鑄造性最原始的合金，而且添加錫、鉛的銅合金熔點(diǎn)低，鑄造性能良好，主要用作武器、生活用具、生產(chǎn)工具等能良好，主要用作武器、生活用具、生產(chǎn)工具等 。世界各地開始青銅器時(shí)代的時(shí)間各不相同，希臘在公元前世界各地開始青銅器時(shí)代的時(shí)間各不相同，希臘在公元前30003000年前；埃及在公元前年前；埃及在公元前25002500年前；巴比倫在公元前年前；巴比倫在公元前1919世紀(jì)中葉；印度大約在公元前世紀(jì)中葉；印度大約在公元前30003000年已廣泛使用青銅器；年已廣泛使用青銅器；中國在公元前中國在公元前27002700年已經(jīng)使用青銅器了，到商周進(jìn)入了鼎年已經(jīng)使用青銅器了，到商周進(jìn)入了鼎盛時(shí)

16、期，并將青銅器的冶煉和鑄造技術(shù)推向了世界頂峰。盛時(shí)期，并將青銅器的冶煉和鑄造技術(shù)推向了世界頂峰。溫文爾雅的四羊方尊溫文爾雅的四羊方尊青銅樂器青銅樂器秦劍秦劍越王勾踐劍的主要的成越王勾踐劍的主要的成份是青銅和錫，還含有份是青銅和錫，還含有少量的鉛、鐵、鎳和硫少量的鉛、鐵、鎳和硫等，劍身的黑色菱形花等，劍身的黑色菱形花紋是經(jīng)過硫化處理的，紋是經(jīng)過硫化處理的，劍刃精磨技藝水平可同劍刃精磨技藝水平可同現(xiàn)在精密磨床生產(chǎn)的產(chǎn)現(xiàn)在精密磨床生產(chǎn)的產(chǎn)品相媲美，充分顯示了品相媲美，充分顯示了當(dāng)時(shí)越國鑄劍工匠的高當(dāng)時(shí)越國鑄劍工匠的高超的技藝。超的技藝。 舉世聞名的越王勾踐青銅劍，舉世聞名的越王勾踐青銅劍，19651

17、965年年1212月出土于湖北省江陵望山的一號(hào)楚國貴族墓（距春秋月出土于湖北省江陵望山的一號(hào)楚國貴族墓（距春秋時(shí)代楚國別都紀(jì)南城故址七公里）?？脊殴ぷ髡咴谀怪魅松眢w的左手邊，發(fā)現(xiàn)一柄裝在黑色漆時(shí)代楚國別都紀(jì)南城故址七公里）?？脊殴ぷ髡咴谀怪魅松眢w的左手邊，發(fā)現(xiàn)一柄裝在黑色漆木箱鞘內(nèi)的名貴青銅劍。青銅劍與劍鞘吻合得十分緊密。拔劍出鞘寒光耀目，而且毫無銹蝕，木箱鞘內(nèi)的名貴青銅劍。青銅劍與劍鞘吻合得十分緊密。拔劍出鞘寒光耀目，而且毫無銹蝕，刃薄鋒利。試之以紙，刃薄鋒利。試之以紙，2020余層一劃而破。劍全長為余層一劃而破。劍全長為55.655.6厘米，其中劍身長厘米，其中劍身長45.645.6厘米，

18、劍格寬厘米，劍格寬5 5厘米。劍身滿飾黑色菱形幾何暗花紋，劍格正面和反面還分別用藍(lán)色琉璃和綠松石鑲嵌成美麗厘米。劍身滿飾黑色菱形幾何暗花紋，劍格正面和反面還分別用藍(lán)色琉璃和綠松石鑲嵌成美麗的紋飾，劍柄以絲繩纏縛，劍首向外形翻作圓箍，內(nèi)鑄有極其精細(xì)的的紋飾，劍柄以絲繩纏縛，劍首向外形翻作圓箍，內(nèi)鑄有極其精細(xì)的1111道同心圓圈道同心圓圈 四川三星堆青銅器四川三星堆青銅器3.3.鐵器時(shí)代鐵器時(shí)代 公元前公元前30003000年左右年左右人類開始進(jìn)入了鐵器時(shí)代，中國最早出土的人工冶煉人類開始進(jìn)入了鐵器時(shí)代，中國最早出土的人工冶煉鐵制品約在公元前鐵制品約在公元前9 9世紀(jì)。世紀(jì)。高溫下用木炭還原鐵礦石

19、生產(chǎn)的鐵，具有較高的強(qiáng)度，高溫下用木炭還原鐵礦石生產(chǎn)的鐵，具有較高的強(qiáng)度，可加工性能良好，用作武器和器件等。可加工性能良好，用作武器和器件等。中國是世界上最早發(fā)明并使用生鐵的國家，始于公元中國是世界上最早發(fā)明并使用生鐵的國家，始于公元前前8 8世紀(jì)，到春秋末期，生鐵技術(shù)有較大的突破，遙世紀(jì)，到春秋末期，生鐵技術(shù)有較大的突破，遙遙領(lǐng)先于世界其它地區(qū)。鐵器的推廣與使用，是古代遙領(lǐng)先于世界其它地區(qū)。鐵器的推廣與使用，是古代歷史上一件大事。鐵作為耕器使用，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)歷史上一件大事。鐵作為耕器使用，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，促進(jìn)了井田制的崩潰，從而加速了奴隸制的崩潰，力，促進(jìn)了井田制的崩潰，從而加速了奴隸制

20、的崩潰，對(duì)當(dāng)時(shí)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)具有重要意義。對(duì)當(dāng)時(shí)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)具有重要意義。鐵器時(shí)代鐵器時(shí)代戰(zhàn)國鐵犁頭戰(zhàn)國鐵犁頭戰(zhàn)國鐵鋤戰(zhàn)國鐵鋤4.4.鋼時(shí)代鋼時(shí)代 18001800年左右鋼的性能及利用有了飛速發(fā)展。年左右鋼的性能及利用有了飛速發(fā)展。鋼：含碳量鋼：含碳量0.2% - 2.11%0.2% - 2.11%，高溫下具有高強(qiáng)度的蒸汽機(jī)的發(fā)明高溫下具有高強(qiáng)度的蒸汽機(jī)的發(fā)明農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)社會(huì)進(jìn)入工業(yè)經(jīng)濟(jì)社會(huì)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)社會(huì)進(jìn)入工業(yè)經(jīng)濟(jì)社會(huì) 導(dǎo)致了大規(guī)模的機(jī)械化生產(chǎn)，引起了第一次產(chǎn)導(dǎo)致了大規(guī)模的機(jī)械化生產(chǎn)，引起了第一次產(chǎn) 業(yè)革命，即工業(yè)革命業(yè)革命，即工業(yè)革命 。 5.5.硅時(shí)代硅時(shí)代 19501950年年 二極管、三極管的發(fā)

21、明，進(jìn)入電子二極管、三極管的發(fā)明，進(jìn)入電子管時(shí)代管時(shí)代 。硅、鍺半導(dǎo)體材硅、鍺半導(dǎo)體材 料的出現(xiàn)，使晶體料的出現(xiàn)，使晶體管取代電子管，進(jìn)入硅時(shí)代管取代電子管，進(jìn)入硅時(shí)代 。單晶硅生產(chǎn)集成電路，開始向微型單晶硅生產(chǎn)集成電路，開始向微型化方向發(fā)展化方向發(fā)展 。6.6.新材料時(shí)代新材料時(shí)代 19901990年年新材料是指那些正在發(fā)展，且具有一般傳新材料是指那些正在發(fā)展，且具有一般傳統(tǒng)材料所不可比擬的優(yōu)異性能或特定功能、統(tǒng)材料所不可比擬的優(yōu)異性能或特定功能、應(yīng)用前景良好的一類材料。應(yīng)用前景良好的一類材料。時(shí)代特征：時(shí)代特征：由多種材料決定社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展由多種材料決定社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展以人造為特征以人造為特

22、征為了特定的需要可設(shè)計(jì)和加工而成為了特定的需要可設(shè)計(jì)和加工而成氮化硅結(jié)構(gòu)陶瓷被用作航天飛機(jī)的防熱瓦氮化硅結(jié)構(gòu)陶瓷被用作航天飛機(jī)的防熱瓦多元材料時(shí)代多元材料時(shí)代美國美國B-2B-2隱形轟炸機(jī)表面為具有良好吸波性能的隱形轟炸機(jī)表面為具有良好吸波性能的碳纖維復(fù)合材料碳纖維復(fù)合材料由光導(dǎo)纖維構(gòu)成的光纜由光導(dǎo)纖維構(gòu)成的光纜紅寶石激光器紅寶石激光器半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器全固態(tài)三基色激光器全固態(tài)三基色激光器先進(jìn)橡膠輪胎使汽車成為交通主宰先進(jìn)橡膠輪胎使汽車成為交通主宰一級(jí)方程式賽車上使用的一級(jí)方程式賽車上使用的特殊輪胎特殊輪胎人工腎臟人工腎臟生物陶瓷人造關(guān)節(jié)生物陶瓷人造關(guān)節(jié)聲光材料做成的各種功能器件聲光材料

23、做成的各種功能器件磁懸浮列車磁懸浮列車1.3 1.3 先進(jìn)材料是高新技術(shù)發(fā)展和社會(huì)現(xiàn)代化先進(jìn)材料是高新技術(shù)發(fā)展和社會(huì)現(xiàn)代化的基礎(chǔ)和先導(dǎo)的基礎(chǔ)和先導(dǎo) 材料既是人類社會(huì)進(jìn)步的里程碑，也是社會(huì)現(xiàn)代化的物材料既是人類社會(huì)進(jìn)步的里程碑，也是社會(huì)現(xiàn)代化的物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)。特別是先進(jìn)材料的研究、開發(fā)與應(yīng)用質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)。特別是先進(jìn)材料的研究、開發(fā)與應(yīng)用反映著一個(gè)國家科學(xué)技術(shù)與工業(yè)水平以及國防實(shí)力。反映著一個(gè)國家科學(xué)技術(shù)與工業(yè)水平以及國防實(shí)力。1.3.11.3.1 電子技術(shù)的發(fā)展電子技術(shù)的發(fā)展19061906年發(fā)明了電子管年發(fā)明了電子管無線電技術(shù)、電視機(jī)、電無線電技術(shù)、電視機(jī)、電子計(jì)算機(jī)；子計(jì)算機(jī)；1948194

24、8年發(fā)明了晶體管年發(fā)明了晶體管電子設(shè)備小型、輕量、節(jié)電子設(shè)備小型、輕量、節(jié)能、長壽、可靠、低成本；能、長壽、可靠、低成本；19581958年集成電路年集成電路計(jì)算機(jī)及各種電子設(shè)備發(fā)生再計(jì)算機(jī)及各種電子設(shè)備發(fā)生再一次飛躍。一次飛躍。 4646年的電子管計(jì)算機(jī)與年的電子管計(jì)算機(jī)與7676年的微機(jī)比，體積小年的微機(jī)比，體積小3030萬倍，功耗低萬倍，功耗低5 5萬倍，重量降萬倍，重量降6 6萬倍。萬倍。集成電路發(fā)展歷程集成電路發(fā)展歷程 目前硅單晶制備技術(shù)可使晶體徑向參數(shù)均勻，體目前硅單晶制備技術(shù)可使晶體徑向參數(shù)均勻，體內(nèi)微缺陷減少，內(nèi)微缺陷減少，0.10.3um0.10.3um大小的缺陷平均可以少于

25、大小的缺陷平均可以少于0.050.05個(gè)個(gè)/cm/cm2 2。微缺陷的減少使芯片成品率增加，。微缺陷的減少使芯片成品率增加，0.020.02個(gè)個(gè)/cm/cm2 2缺陷的硅片可使缺陷的硅片可使256MB DRAM256MB DRAM的成品率的成品率達(dá)到達(dá)到8090%8090%。 生產(chǎn)電路用的硅片直徑的不斷增大，導(dǎo)致生產(chǎn)效生產(chǎn)電路用的硅片直徑的不斷增大，導(dǎo)致生產(chǎn)效率大幅度提高，現(xiàn)在硅片的直徑尺寸已達(dá)到率大幅度提高，現(xiàn)在硅片的直徑尺寸已達(dá)到1212英寸。英寸。1.3.2 1.3.2 光纖通信的誕生光纖通信的誕生 19661966年提出光纖傳輸損耗年提出光纖傳輸損耗20dB/km10km10km，同軸

26、電纜，同軸電纜1.5km1.5km；保密性強(qiáng)。保密性強(qiáng)。1.3.3 航空航天技術(shù)的進(jìn)步航空航天技術(shù)的進(jìn)步飛機(jī)性能飛機(jī)性能2/32/3靠材料（高溫合金、高比強(qiáng)度、靠材料（高溫合金、高比強(qiáng)度、高比剛度結(jié)構(gòu)材料）；高比剛度結(jié)構(gòu)材料）；航天與衛(wèi)星需要耐超高溫、抗輻射、耐粒子航天與衛(wèi)星需要耐超高溫、抗輻射、耐粒子云以及原子氧侵蝕的材料，對(duì)比強(qiáng)度和比剛云以及原子氧侵蝕的材料，對(duì)比強(qiáng)度和比剛度的要求更為苛刻，因?yàn)楹教祜w行器每減重度的要求更為苛刻，因?yàn)楹教祜w行器每減重1kg1kg，可使運(yùn)載火箭減輕幾百，可使運(yùn)載火箭減輕幾百kgkg；導(dǎo)彈減輕；導(dǎo)彈減輕1kg1kg，射程增加，射程增加1km1km。 可以說，沒有

27、半導(dǎo)體和其它功能材可以說，沒有半導(dǎo)體和其它功能材料的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展，就不會(huì)有今天的計(jì)料的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展，就不會(huì)有今天的計(jì)算機(jī)技術(shù)和今天的信息社會(huì)；沒有高算機(jī)技術(shù)和今天的信息社會(huì)；沒有高強(qiáng)度、耐高溫的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，就不強(qiáng)度、耐高溫的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，就不會(huì)有今天的航空、航天技術(shù)。會(huì)有今天的航空、航天技術(shù)。新材料：新材料： 國家國家“863”863”高技術(shù)計(jì)劃高技術(shù)計(jì)劃7 7個(gè)主要領(lǐng)個(gè)主要領(lǐng)域之一；域之一； “ “973”973”計(jì)劃計(jì)劃6 6個(gè)領(lǐng)域之一。個(gè)領(lǐng)域之一。1.4 1.4 材料科學(xué)與工程學(xué)科的形成與內(nèi)涵材料科學(xué)與工程學(xué)科的形成與內(nèi)涵 “材料材料”是早已存在的名詞，但是早已存在的名詞，但“材料科學(xué)材料

28、科學(xué)”的提出的提出只是只是2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代初的事。年代初的事。19571957年前蘇聯(lián)人造衛(wèi)星年前蘇聯(lián)人造衛(wèi)星首先上天，美國朝野上下為之震驚，認(rèn)為自己落后的首先上天，美國朝野上下為之震驚，認(rèn)為自己落后的主要原因之一是先進(jìn)材料落后，于是在一些大學(xué)相繼主要原因之一是先進(jìn)材料落后，于是在一些大學(xué)相繼成立了十余個(gè)材料研究中心。采用先進(jìn)的科學(xué)理論與成立了十余個(gè)材料研究中心。采用先進(jìn)的科學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)方法對(duì)材料進(jìn)行深入的研究，取得重要成果。從實(shí)驗(yàn)方法對(duì)材料進(jìn)行深入的研究，取得重要成果。從此，此，“材料科學(xué)材料科學(xué)”這個(gè)名詞便開始流行。這個(gè)名詞便開始流行。 實(shí)際上，材料是面向?qū)嶋H的一門應(yīng)用科學(xué)，研

29、實(shí)際上，材料是面向?qū)嶋H的一門應(yīng)用科學(xué)，研究與發(fā)展材料的目的在于應(yīng)用，而材料又必須通過究與發(fā)展材料的目的在于應(yīng)用，而材料又必須通過合理的工藝流程才能制備出具有實(shí)用價(jià)值的材料，合理的工藝流程才能制備出具有實(shí)用價(jià)值的材料，通過批量生產(chǎn)才能成為工程材料。所以，在通過批量生產(chǎn)才能成為工程材料。所以，在“材料材料科學(xué)科學(xué)”這個(gè)名詞出現(xiàn)后不久，就提出了這個(gè)名詞出現(xiàn)后不久，就提出了“材料科學(xué)材料科學(xué)與工程與工程”。工程是指研究材料在制備過程中的工藝。工程是指研究材料在制備過程中的工藝和工程技術(shù)問題。和工程技術(shù)問題。 材料科學(xué)與工程材料科學(xué)與工程 美國材料科學(xué)與工程調(diào)查委員會(huì)的定義為：美國材料科學(xué)與工程調(diào)查委員

30、會(huì)的定義為： “材料科學(xué)與工程是關(guān)于材料科學(xué)與工程是關(guān)于材料成分與制備工藝材料成分與制備工藝，組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu)，材料性能材料性能和和使用性能使用性能這四個(gè)要素這四個(gè)要素以及它們之間相互關(guān)系的有關(guān)知識(shí)的開發(fā)和以及它們之間相互關(guān)系的有關(guān)知識(shí)的開發(fā)和應(yīng)用的科學(xué)應(yīng)用的科學(xué)”. 材料科學(xué)與工程的四要素材料科學(xué)與工程的四要素 1 1）成分）成分/ /結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)(Composition/Structure)(Composition/Structure)：影響其性能的直接因素：影響其性能的直接因素成分成分/結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)合成合成/加工加工性質(zhì)性質(zhì)效能效能4 4）效能）效能(Performance)(Performan

31、ce)（使用性能或效果）：是指材料在使用條件下（使用性能或效果）：是指材料在使用條件下的表現(xiàn)，包括環(huán)境影響、受力狀態(tài)、材料特征曲線，乃至壽命估計(jì)等。的表現(xiàn)，包括環(huán)境影響、受力狀態(tài)、材料特征曲線，乃至壽命估計(jì)等。 3 3）性質(zhì)）性質(zhì)(Properties) (Properties) （性能）：力學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)（性能）：力學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)2 2）合成）合成/ /加工加工(Synthesis/Processing)(Synthesis/Processing)：改變材料的組織結(jié)構(gòu)而影響：改變材料的組織結(jié)構(gòu)而影響其性能其性能 考慮到相同組分通過不同的合成或加工方法，可以得出不考慮到

32、相同組分通過不同的合成或加工方法，可以得出不同結(jié)構(gòu)，從而材料的性質(zhì)或使用效能都不會(huì)相同。因此，我國有同結(jié)構(gòu)，從而材料的性質(zhì)或使用效能都不會(huì)相同。因此，我國有人提出一個(gè)人提出一個(gè)五個(gè)基本要素五個(gè)基本要素的模型，即的模型，即 成分成分（compositioncomposition） 合成合成/ /加工加工（synthesissynthesisprocessingprocessing） 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)（structurestructure） 性質(zhì)性質(zhì)（propertiesproperties） 使用效能使用效能（performanceperformance）圖圖1-3 1-3 材料科學(xué)與工程要素圖材料科學(xué)與工程要素圖(a)(a)材料科學(xué)與工程四要素；材料科學(xué)與工程四要素；(b)(b)材料科學(xué)與工程五要素材料科學(xué)與工程五要素材料科學(xué)與工程有三個(gè)重要屬性：材料科學(xué)與工程有三個(gè)重要屬性： 一是一是多學(xué)科交叉多學(xué)科交叉，它是物理學(xué)、化學(xué)、冶金學(xué)、金屬學(xué)、陶它是物理學(xué)、化學(xué)、冶金學(xué)、金屬學(xué)、陶瓷、高分子化學(xué)及計(jì)算科學(xué)