材料概論_第一章_緒論

1、主講 滕艷華 副教授材料學(xué)院高分子材料教研室 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(guó)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)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展帶來(lái)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(lái)技術(shù)發(fā)展的重要尺度。著名材料學(xué)家、兩院院士 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 沒(méi)有材料就沒(méi)有工學(xué)。美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家的大學(xué)基于這樣的認(rèn)識(shí)，為所有工科專業(yè)的大學(xué)生，甚至文科設(shè)置材料概述課程。材料概論的主

2、要任務(wù)材料概論的主要任務(wù)l材料科學(xué)與工程專業(yè)的材料科學(xué)與工程專業(yè)的重要基礎(chǔ)課、第一門專業(yè)課重要基礎(chǔ)課、第一門專業(yè)課；l著重介紹材料科學(xué)與工程學(xué)科的著重介紹材料科學(xué)與工程學(xué)科的內(nèi)涵內(nèi)涵、基本問(wèn)題基本問(wèn)題和和共性問(wèn)題共性問(wèn)題；l介紹介紹無(wú)機(jī)非金屬、高分子、金屬、復(fù)合無(wú)機(jī)非金屬、高分子、金屬、復(fù)合材料的材料的個(gè)性個(gè)性和和特點(diǎn)特點(diǎn)，對(duì)材料科學(xué)與工程，對(duì)材料科學(xué)與工程建立整體而又具體的認(rèn)建立整體而又具體的認(rèn)識(shí)識(shí)；l介紹材料學(xué)科前沿領(lǐng)域和新材料的介紹材料學(xué)科前沿領(lǐng)域和新材料的發(fā)展趨勢(shì)發(fā)展趨勢(shì)。材料概論材料概論無(wú)機(jī)化學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)物理化學(xué)物理化學(xué)材料工學(xué)材料工學(xué)材料工程原理材料工程原理認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)畢業(yè)實(shí)習(xí)畢

3、業(yè)實(shí)習(xí)畢業(yè)論文畢業(yè)論文進(jìn)一步深造進(jìn)一步深造分析化學(xué)分析化學(xué)有機(jī)化學(xué)有機(jī)化學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ)普通物理普通物理現(xiàn)代測(cè)試方法現(xiàn)代測(cè)試方法材料物理性能材料物理性能固體物理固體物理1. 1. 緒論緒論2. 2. 材料科學(xué)與工程的材料科學(xué)與工程的 四個(gè)基本要素四個(gè)基本要素 3. 3. 金屬材料金屬材料4. 4. 無(wú)機(jī)非金屬材料無(wú)機(jī)非金屬材料5. 5. 高分子材料高分子材料 6. 6. 復(fù)合材料復(fù)合材料 7. 7. 材料、環(huán)境資源材料、環(huán)境資源 與可持續(xù)發(fā)展與可持續(xù)發(fā)展 8. 8. 新材料和前沿材料新材料和前沿材料 施惠生施惠生. 材料概論材料概論.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，200

4、8 周達(dá)飛周達(dá)飛.材料概論材料概論 . 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001 Donald R. Askeland.Essentials of Materials Science and Engineering . 北京：清華大學(xué)出版社，北京：清華大學(xué)出版社，2005 馮端，師昌緒，劉治國(guó)材料科學(xué)導(dǎo)論北京：化學(xué)工馮端，師昌緒，劉治國(guó)材料科學(xué)導(dǎo)論北京：化學(xué)工業(yè)出版社，業(yè)出版社，20022002 顧家琳，楊志剛，鄧海金，曾照強(qiáng)顧家琳，楊志剛，鄧海金，曾照強(qiáng)材料科學(xué)與工程概材料科學(xué)與工程概論論北京：清華大學(xué)出版社，北京：清華大學(xué)出版社，20052005 許并社許并社材料科學(xué)概論材料科

5、學(xué)概論北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，20052005 Cahn, Rorbert W. The Coming of Materials Science. Cahn, Rorbert W. The Coming of Materials Science. Oxford, UK: Pergamon PressOxford, UK: Pergamon Press，20012001與工程的形成與發(fā)展與工程的形成與發(fā)展1.1.什么是材料什么是材料?材料是由一定配比的若干相互作用材料是由一定配比的若干相互作用的的元素元素組成、具有一定組成、具有一定結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)層次和確定層次和確定性能性能

6、，并能用于制造物品、器件、構(gòu)件、，并能用于制造物品、器件、構(gòu)件、機(jī)器或其他產(chǎn)品的機(jī)器或其他產(chǎn)品的物質(zhì)物質(zhì)。 注意注意: 材料是物質(zhì)，但不是所有物質(zhì)都可以稱為材料材料是物質(zhì)，但不是所有物質(zhì)都可以稱為材料. . 大多數(shù)的物質(zhì)需通過(guò)一定的工藝過(guò)程才能轉(zhuǎn)化大多數(shù)的物質(zhì)需通過(guò)一定的工藝過(guò)程才能轉(zhuǎn)化為材料為材料. . 材料可由一種物質(zhì)或若干種物質(zhì)構(gòu)成材料可由一種物質(zhì)或若干種物質(zhì)構(gòu)成. . 同一種物質(zhì)同一種物質(zhì), ,由于制備或加工方法不同由于制備或加工方法不同, ,可成為可成為用途不同用途不同不同類型的材料不同類型的材料. .催化劑載體催化劑載體寶石寶石基板材料基板材料切削工具切削工具激光材料激光材料高溫爐

7、管高溫爐管Al2O3生活中的材料生活中的材料 可口可樂(lè)容器可口可樂(lè)容器鋁鋁金屬材料金屬材料玻璃玻璃無(wú)機(jī)非金屬材料無(wú)機(jī)非金屬材料塑料塑料高分子材料高分子材料材料是人類文明的材料是人類文明的里程碑里程碑，是人類進(jìn)化的重要，是人類進(jìn)化的重要標(biāo)志標(biāo)志之一，人類歷史曾以使用的主要材料來(lái)加之一，人類歷史曾以使用的主要材料來(lái)加以劃分。以劃分。舊石器時(shí)代舊石器時(shí)代 新石器時(shí)代新石器時(shí)代 青銅器時(shí)代青銅器時(shí)代 鐵器時(shí)代鐵器時(shí)代 材料是人類賴以生存和發(fā)展的重要材料是人類賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)物質(zhì)基礎(chǔ)；磨制石器磨制石器 70007000年前年前陶器陶器公元前公元前50005000年年 公元前公元前120012

8、00年年人類的文明史人類的文明史材料的發(fā)展史材料的發(fā)展史人類學(xué)習(xí)利用材料、制造人類學(xué)習(xí)利用材料、制造材料、創(chuàng)新材料的歷史。材料、創(chuàng)新材料的歷史。材料發(fā)展近現(xiàn)代史材料發(fā)展近現(xiàn)代史 17121712年年 4 4次次技術(shù)革命技術(shù)革命 蒸汽機(jī)蒸汽機(jī) 電電 原子能原子能 計(jì)算機(jī)、生計(jì)算機(jī)、生 物、空間技術(shù)物、空間技術(shù)紡織紡織冶金冶金機(jī)械機(jī)械造船造船電子電子石油石油化工化工電氣電氣通訊通訊合成材料合成材料半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料新型無(wú)機(jī)材料新型無(wú)機(jī)材料高分子材料高分子材料新型金屬材料新型金屬材料復(fù)合材料復(fù)合材料 1818世紀(jì)末世紀(jì)末 1919世紀(jì)末世紀(jì)末 2020世紀(jì)中期世紀(jì)中期 2020世紀(jì)世紀(jì)7070年代

9、年代現(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展更離不開材料的發(fā)展現(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展更離不開材料的發(fā)展, , 只有只有開發(fā)制備出滿足性能需要的新材料后開發(fā)制備出滿足性能需要的新材料后, , 技術(shù)創(chuàng)新技術(shù)創(chuàng)新才可能實(shí)現(xiàn)才可能實(shí)現(xiàn), , 我們的生活才會(huì)更加豐富多彩我們的生活才會(huì)更加豐富多彩. .材料是人類材料是人類生存生存、社會(huì)、社會(huì)發(fā)展發(fā)展、科技、科技進(jìn)步進(jìn)步的物質(zhì)的物質(zhì)基礎(chǔ)，基礎(chǔ)，是現(xiàn)代科技發(fā)展的是現(xiàn)代科技發(fā)展的先導(dǎo)。先導(dǎo)。l材料是當(dāng)代文明的三大支柱之一材料是當(dāng)代文明的三大支柱之一材料、能源、信息材料、能源、信息是當(dāng)代社會(huì)文明和國(guó)民經(jīng)是當(dāng)代社會(huì)文明和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的三大支柱，是人類社會(huì)進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)發(fā)展?jié)娜笾е?，是人類?/p>

10、會(huì)進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)先導(dǎo)。的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)先導(dǎo)。l新材料的研究、開發(fā)與應(yīng)用反映一個(gè)國(guó)家的科新材料的研究、開發(fā)與應(yīng)用反映一個(gè)國(guó)家的科學(xué)技術(shù)與工業(yè)水平，關(guān)系到國(guó)家的綜合國(guó)力與學(xué)技術(shù)與工業(yè)水平，關(guān)系到國(guó)家的綜合國(guó)力與安全。安全。l材料是全球新技術(shù)革命的四大標(biāo)志之一材料是全球新技術(shù)革命的四大標(biāo)志之一 新材料技術(shù)、新能源技術(shù)、信息技術(shù)、生物技術(shù)。新材料技術(shù)、新能源技術(shù)、信息技術(shù)、生物技術(shù)。以以半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料為核心的計(jì)算機(jī)制造技術(shù)；為核心的計(jì)算機(jī)制造技術(shù)；以以光導(dǎo)光導(dǎo)纖維為纖維為基礎(chǔ)基礎(chǔ)的光纖通訊技術(shù)；的光纖通訊技術(shù)；以以超導(dǎo)超導(dǎo)材料為材料為基礎(chǔ)基礎(chǔ)的磁懸浮技術(shù)；的磁懸浮技術(shù)；以以耐

11、熱輕質(zhì)耐熱輕質(zhì)材料為材料為結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料的航空航天技術(shù)等，的航空航天技術(shù)等，構(gòu)成了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)；構(gòu)成了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)；納米材料科學(xué)與技術(shù)納米材料科學(xué)與技術(shù)是是2020世紀(jì)世紀(jì)8080年代發(fā)展起來(lái)的年代發(fā)展起來(lái)的新興學(xué)科，成為新興學(xué)科，成為2121世紀(jì)新技術(shù)的世紀(jì)新技術(shù)的主導(dǎo)中心主導(dǎo)中心。磁懸浮列車磁懸浮列車核磁共振儀核磁共振儀19461946年世界第一臺(tái)計(jì)算機(jī)年世界第一臺(tái)計(jì)算機(jī)占地面積為占地面積為170170平方米左平方米左右，重量右，重量3030噸。運(yùn)算速度噸。運(yùn)算速度50005000次次/ /秒秒; ;經(jīng)過(guò)了經(jīng)過(guò)了電子管、晶體管、電子管、晶體管、集成電路和超大規(guī)模集成集成電路和

12、超大規(guī)模集成電路電路四個(gè)階段四個(gè)階段?，F(xiàn)現(xiàn): :幾百億次幾百億次/ /秒秒。鈦鈦合金合金自行車自行車34 0200400600800100012001400190019201940196019802000年份發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度（）現(xiàn)代渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)代渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)年代氣冷年代氣冷式航空發(fā)動(dòng)機(jī)式航空發(fā)動(dòng)機(jī)蒸汽機(jī)蒸汽機(jī)1490C3150C6490C10930C19270C發(fā)動(dòng)機(jī)溫度發(fā)動(dòng)機(jī)溫度一次大戰(zhàn)水冷式一次大戰(zhàn)水冷式3030年代空冷式年代空冷式風(fēng)扇噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)超音速燃燒沖壓超音速燃燒沖壓式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)溫度（溫度（0 0C C）38 波音波音7777

13、77客機(jī)上的發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮機(jī)、葉片及緊固件?？蜋C(jī)上的發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮機(jī)、葉片及緊固件。 3030年代教練機(jī)年代教練機(jī)二次大戰(zhàn)戰(zhàn)斗機(jī)二次大戰(zhàn)戰(zhàn)斗機(jī)8080年代截?fù)魴C(jī)年代截?fù)魴C(jī)航天飛機(jī)航天飛機(jī)東方快車號(hào)東方快車號(hào)1093164953849oC93.3oC427oC1093oC1649oC不同類型的飛行器蒙皮溫度不同類型的飛行器蒙皮溫度溫度（溫度（0 0C C）小飛機(jī)小飛機(jī) 直升機(jī)直升機(jī) 運(yùn)輸機(jī)運(yùn)輸機(jī) 波音波音707戰(zhàn)斗機(jī)戰(zhàn)斗機(jī)噴氣式噴氣式機(jī)機(jī) 超音速飛超音速飛機(jī)機(jī)近地衛(wèi)星近地衛(wèi)星衛(wèi)星衛(wèi)星飛機(jī)速率飛機(jī)速率速度與效益速度與效益10102103104每減少每減少1kg1kg所收獲效益所收獲效益 +175+39

14、0+595金屬金屬玻璃纖維玻璃纖維KavlarC/CC/C復(fù)合材料復(fù)合材料K m導(dǎo)彈射程導(dǎo)彈射程火箭殼體材料與導(dǎo)彈射程火箭殼體材料與導(dǎo)彈射程責(zé)任重大 大有作為2004年度年度 國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)張立同院士張立同院士耐高溫長(zhǎng)壽命抗氧化陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)耐高溫長(zhǎng)壽命抗氧化陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)黃伯云院士黃伯云院士高性能炭炭航空制動(dòng)材料的制備技術(shù)高性能炭炭航空制動(dòng)材料的制備技術(shù)2006年度年度 國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)閔乃本院士閔乃本院士介電體超晶格材料的設(shè)計(jì)、制備、性能和應(yīng)用介電體超晶格材料的設(shè)計(jì)、制備、性能和應(yīng)用 按按化學(xué)組成化學(xué)組成分類分類 按材料的按材料的性

15、能性能分類分類 按材料的按材料的應(yīng)用應(yīng)用分類分類 按材料按材料結(jié)晶狀態(tài)結(jié)晶狀態(tài)分類分類 按材料的按材料的尺寸尺寸分類分類3.3.材料的分類材料的分類 金屬材料金屬材料 純金屬純金屬( (單質(zhì)單質(zhì)) )、合金、合金 黑色、有色、特殊金屬材料黑色、有色、特殊金屬材料 無(wú)機(jī)非金屬材料無(wú)機(jī)非金屬材料 水泥、陶瓷、玻璃、耐火材料水泥、陶瓷、玻璃、耐火材料 高分子材料高分子材料 塑料、橡膠、纖維、涂料、粘合劑塑料、橡膠、纖維、涂料、粘合劑 復(fù)合材料復(fù)合材料 金屬基、陶瓷基、樹脂基、金屬基、陶瓷基、樹脂基、C/C材料材料1)1)按化學(xué)組成分類按化學(xué)組成分類金屬陶瓷金屬陶瓷Co+WC（硬質(zhì)合金）（硬質(zhì)合金）金

16、屬、合金金屬、合金Fe,Al,Cu鋼鐵鋼鐵金屬高分子金屬高分子橡膠橡膠（輪胎）（輪胎）無(wú)機(jī)非金屬無(wú)機(jī)非金屬Al2O3Si3N4，SiC玻璃玻璃有機(jī)高分子有機(jī)高分子熱塑性塑料熱塑性塑料彈性體彈性體有機(jī)纖維有機(jī)纖維陶瓷高分子陶瓷高分子玻璃纖維樹脂玻璃纖維樹脂碳纖維碳纖維+ +環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂四大類傳統(tǒng)材料四大類傳統(tǒng)材料 用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂制得的高爾夫球桿強(qiáng)用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂制得的高爾夫球桿強(qiáng)度高、重量輕、剛性好。度高、重量輕、剛性好。復(fù)合材料2) 2) 根據(jù)材料的性能分類根據(jù)材料的性能分類 結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料功能材料功能材料 導(dǎo)電導(dǎo)電材料、材料、半導(dǎo)體半導(dǎo)體材料材料絕緣絕緣材料、材料、超導(dǎo)超導(dǎo)材

17、料材料磁性磁性材料、材料、透光透光材料材料隔熱隔熱材料、材料、催化催化材料材料壓電壓電材料、材料、熱電熱電材料材料鐵電鐵電材料、材料、非線性光學(xué)非線性光學(xué)材料材料磁致伸縮磁致伸縮材料、材料、光電光電材料材料形狀記憶形狀記憶材料、材料、變色變色材料材料按按物理效應(yīng)物理效應(yīng)分為：分為：按按物理性質(zhì)物理性質(zhì)分為：分為：結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料 具有抵抗外場(chǎng)作用而保持自己的形狀、具有抵抗外場(chǎng)作用而保持自己的形狀、結(jié)構(gòu)不變的結(jié)構(gòu)不變的優(yōu)良力學(xué)性能優(yōu)良力學(xué)性能（強(qiáng)度和韌性等），（強(qiáng)度和韌性等），用于用于結(jié)構(gòu)目的結(jié)構(gòu)目的的材料。的材料。結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料杭州灣跨海鋼鐵大橋，橋長(zhǎng)杭州灣跨海鋼鐵大橋，橋長(zhǎng)3636公里公里

18、 青藏鐵路青藏鐵路 1142公里公里功能材料功能材料具有優(yōu)良的具有優(yōu)良的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、化學(xué)和電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)功能及其相互轉(zhuǎn)化的功能生物學(xué)功能及其相互轉(zhuǎn)化的功能，被用于，被用于非結(jié)構(gòu)目的非結(jié)構(gòu)目的的高技術(shù)材料。的高技術(shù)材料。結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料智能材料智能材料光學(xué)材料光學(xué)材料磁性材料磁性材料 能源材料能源材料電子材料電子材料生物材料生物材料航空、航天航空、航天材料材料功能材料功能材料 磁存儲(chǔ)磁存儲(chǔ) 電飯鍋：利用磁性材料的居里點(diǎn)特性。電飯鍋：利用磁性材料的居里點(diǎn)特性。壓電晶體和光電晶體PZT Fibers63 3）按材料的應(yīng)用分類）按材料的應(yīng)用分類電子材料電子

19、材料、電工電工材料、材料、信息信息材料、材料、航空航天航空航天材材料、料、能源能源材料、材料、生物醫(yī)用生物醫(yī)用材料、材料、建筑建筑材料材料 、光學(xué)光學(xué)材料、材料、感光感光材料、材料、耐蝕耐蝕材料、材料、研磨研磨材料、材料、耐火耐火材料、材料、結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)材料、材料、包裝包裝材料等。材料等。航空、航天材料航空、航天材料能源材料能源材料電子材料電子材料光學(xué)材料光學(xué)材料生物材料生物材料建筑材料建筑材料4）按材料的結(jié)晶狀態(tài)分類）按材料的結(jié)晶狀態(tài)分類單晶材料：?jiǎn)尉Р牧希河捎梢粋€(gè)一個(gè)比較比較完整的晶粒完整的晶粒構(gòu)成的材料，構(gòu)成的材料， 如金剛石、單晶硅、單晶纖維；如金剛石、單晶硅、單晶纖維；多晶材料：多晶材料

20、：由由許多晶粒許多晶粒組成的材料，其性能與組成的材料，其性能與晶粒大小、晶界的性質(zhì)有密切關(guān)系晶粒大小、晶界的性質(zhì)有密切關(guān)系, ,如各種陶如各種陶瓷。瓷。非晶態(tài)材料：非晶態(tài)材料：由原子或分子排列由原子或分子排列遠(yuǎn)程無(wú)序遠(yuǎn)程無(wú)序的固的固體材料，如玻璃、高分子材料。體材料，如玻璃、高分子材料。單晶金剛單晶金剛石石單晶單晶單晶硅棒單晶硅棒 (直拉法直拉法)多晶多晶非晶非晶液液 晶晶5）按材料的尺寸分類）按材料的尺寸分類 零維材料零維材料 超微超微粒子粒子( (大小大小1 1100nm100nm的超微粒的超微粒) ) 一維材料一維材料 光導(dǎo)光導(dǎo)纖維纖維、碳纖維、硼纖維、陶瓷纖、碳纖維、硼纖維、陶瓷纖維維

21、; ; 晶須晶須強(qiáng)度和剛度最高。強(qiáng)度和剛度最高。 二維材料二維材料 金剛石金剛石薄膜薄膜、高溫超導(dǎo)薄膜、半導(dǎo)體、高溫超導(dǎo)薄膜、半導(dǎo)體薄膜薄膜 三維材料三維材料 塊狀塊狀材料。材料。 鐵基納米晶帶材鐵基納米晶帶材材料科學(xué)與工程的定義材料科學(xué)與工程的定義 材料科學(xué)與工程：材料科學(xué)與工程：是關(guān)于材料是關(guān)于材料成分、結(jié)構(gòu)、工成分、結(jié)構(gòu)、工藝藝和它們和它們性能性能與應(yīng)用之間有關(guān)知識(shí)開發(fā)和應(yīng)用與應(yīng)用之間有關(guān)知識(shí)開發(fā)和應(yīng)用的科學(xué)。它是一個(gè)多學(xué)科的交叉領(lǐng)域，是從科的科學(xué)。它是一個(gè)多學(xué)科的交叉領(lǐng)域，是從科學(xué)到工程的一個(gè)專業(yè)連續(xù)領(lǐng)域。學(xué)到工程的一個(gè)專業(yè)連續(xù)領(lǐng)域。 材料科學(xué)：材料科學(xué)：專注于理解材料成分、結(jié)構(gòu)和它們

22、專注于理解材料成分、結(jié)構(gòu)和它們性能及使用性能之間的性能及使用性能之間的關(guān)系關(guān)系。 材料工程材料工程：著重于將物質(zhì)或原料轉(zhuǎn)變成具有適：著重于將物質(zhì)或原料轉(zhuǎn)變成具有適當(dāng)結(jié)構(gòu)、滿足使用性能要求的材料當(dāng)結(jié)構(gòu)、滿足使用性能要求的材料材料化材料化過(guò)程。過(guò)程。4.4.材料科學(xué)與工程的形成與發(fā)展材料科學(xué)與工程的形成與發(fā)展材料科學(xué)的形成材料科學(xué)的形成 社會(huì)經(jīng)濟(jì)需求 科學(xué)技術(shù)發(fā)展的持續(xù)推動(dòng) 不同材料的諸多共性有必要形成一門材料科學(xué)有必要形成一門材料科學(xué)材料科學(xué)與工程的形成材料科學(xué)與工程的形成 材料科學(xué)與工程是多學(xué)科性的交叉學(xué)科。材料科學(xué)與工程是多學(xué)科性的交叉學(xué)科。2020年代年代A A 固體物理固體物理B B 材

23、料工程材料工程4040年代年代AB6060年代年代ABMS材料科學(xué)材料科學(xué)7070年代以后年代以后BMSMSE材料科學(xué)與工程材料科學(xué)與工程材料學(xué)科的交叉和滲透材料學(xué)科的交叉和滲透 三大材料的交叉，衍生出許多復(fù)合材料。三大材料的交叉，衍生出許多復(fù)合材料。 基礎(chǔ)學(xué)科向各材料學(xué)科的交叉和滲透?；A(chǔ)學(xué)科向各材料學(xué)科的交叉和滲透。 各材料學(xué)科之間的相互滲透、移植與借鑒。各材料學(xué)科之間的相互滲透、移植與借鑒。 在制造技術(shù)上也是互相滲透和借鑒。在制造技術(shù)上也是互相滲透和借鑒。 新技術(shù)在各類材料中得到廣泛應(yīng)用。新技術(shù)在各類材料中得到廣泛應(yīng)用。金屬基金屬基陶瓷基陶瓷基樹脂基樹脂基復(fù)合材料復(fù)合材料粉末冶金粉末冶金

24、 金屬陶瓷術(shù)金屬陶瓷術(shù)塑料壓延成型塑料壓延成型金屬金屬板材軋制成型板材軋制成型如等離子技術(shù)在冶金工業(yè)、金屬材料如等離子技術(shù)在冶金工業(yè)、金屬材料焊接、表面化學(xué)熱處理、氣相沉積、焊接、表面化學(xué)熱處理、氣相沉積、高分子和無(wú)機(jī)非金屬材料等領(lǐng)域得到高分子和無(wú)機(jī)非金屬材料等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。廣泛應(yīng)用。物理、化學(xué)、力學(xué)、物理化學(xué)、晶物理、化學(xué)、力學(xué)、物理化學(xué)、晶體學(xué)體學(xué) 金屬學(xué)金屬學(xué) 無(wú)機(jī)材料科學(xué)基礎(chǔ)無(wú)機(jī)材料科學(xué)基礎(chǔ) 高分子物理與化學(xué)高分子物理與化學(xué)材料科學(xué)與工程的形成與發(fā)展，反映了學(xué)科發(fā)展從細(xì)分到整合（綜合）的基本規(guī)律。材料學(xué)科的分合圖材料學(xué)科的分合圖地地 質(zhì)質(zhì)采采 礦礦礦礦 冶冶化化 工工冶冶 金金陶陶

25、 瓷瓷高分子高分子物物 冶冶化化 冶冶物物 冶冶力力 冶冶物物 理理社會(huì)科學(xué)社會(huì)科學(xué) 材料學(xué)材料學(xué)M MS SE E化化 學(xué)學(xué)力力 學(xué)學(xué)礦礦 187918791888188818881888193719371937193719661966198619861989198919751975 美國(guó)美國(guó) MIT 礦冶及材料系名稱的演變礦冶及材料系名稱的演變年年系名稱系名稱18651865 18791879地質(zhì)與采礦工程地質(zhì)與采礦工程18791879 18841884采礦工程采礦工程18841884 18881888采礦工程采礦工程（地質(zhì)、采礦、冶金）（地質(zhì)、采礦、冶金）18881888 1890189

26、0采礦與冶金采礦與冶金18901890 19271927采礦工程與冶金采礦工程與冶金19271927 19371937采礦與冶金采礦與冶金19371937 19661966冶金冶金19661966 19751975冶金與材料科學(xué)冶金與材料科學(xué)19751975 現(xiàn)在現(xiàn)在材料科學(xué)與工程材料科學(xué)與工程 美國(guó)大學(xué)有關(guān)材料專業(yè)的變化趨勢(shì)美國(guó)大學(xué)有關(guān)材料專業(yè)的變化趨勢(shì)系名稱系名稱196419641970197019851985礦 物 與 采 礦礦 物 與 采 礦9 97 75 5冶金冶金313121211717材料材料111129295151其它其它181821211717合計(jì)合計(jì)696978789090

27、金屬材料金屬材料材料材料硅酸鹽硅酸鹽材料材料高分子高分子材料科學(xué)與工程材料科學(xué)與工程金屬材料及熱處理、粉末冶金金屬材料及熱處理、粉末冶金高溫合金、精密合金高溫合金、精密合金金屬腐蝕與防護(hù)、金屬物理金屬腐蝕與防護(hù)、金屬物理水泥、玻璃水泥、玻璃陶瓷、耐火材料陶瓷、耐火材料高分子化學(xué)、高分子材料、高分子化學(xué)、高分子材料、高分子化工、化學(xué)纖維高分子化工、化學(xué)纖維 、橡膠制品、塑料成型加工工藝橡膠制品、塑料成型加工工藝工程工程金屬材料金屬材料材料工程材料工程無(wú)機(jī)非金屬無(wú)機(jī)非金屬材料與工程材料與工程高分子高分子材料科學(xué)與工程材料科學(xué)與工程材材料料學(xué)學(xué) 材材料料物物理理與與化化學(xué)學(xué) 材材料料加加工工工工程程

28、 一級(jí)學(xué)科一級(jí)學(xué)科二級(jí)學(xué)科二級(jí)學(xué)科結(jié)論：結(jié)論：不同的材料二級(jí)學(xué)科曾為社會(huì)培養(yǎng)了大量不同的材料二級(jí)學(xué)科曾為社會(huì)培養(yǎng)了大量的專業(yè)人才；的專業(yè)人才；已不能滿足已不能滿足21世紀(jì)人才培養(yǎng)的需求，必須世紀(jì)人才培養(yǎng)的需求，必須進(jìn)行改革；進(jìn)行改革；按照按照“四要素四要素”原則重新構(gòu)建材料科學(xué)與原則重新構(gòu)建材料科學(xué)與工程的工程的大材料學(xué)科大材料學(xué)科。材料科學(xué)與工程的四要素材料科學(xué)與工程的四要素合成與加工合成與加工性質(zhì)性質(zhì)/ /使用性能使用性能結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)（化學(xué)）（化學(xué)）（工程）（工程）（物理學(xué)）（物理學(xué)）組成組成材料科學(xué)與工程的內(nèi)涵材料科學(xué)與工程的內(nèi)涵使用使用性能性能組成、組成、結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)材材料料科科學(xué)學(xué)與與工工程

29、程加工加工性能性能四四要要素素陶瓷陶瓷金屬金屬高分子高分子材料材料復(fù)合材料復(fù)合材料材料科學(xué)與工程材料科學(xué)與工程例一、汽車底盤材料例一、汽車底盤材料 什么結(jié)構(gòu)特性制約了強(qiáng)度和成型性能? 什么性能控制強(qiáng)度?性質(zhì)性質(zhì)/使用性能使用性能 成本成本比強(qiáng)大小?成型性能?汽車的防撞性如何?制造成本?鐵基?鋁基?使用何種合金元素?使用量?合成合成/制備制備如何控制制備過(guò)程以獲得高韌性、易成型的鋼鐵材料?如何制造空氣動(dòng)力學(xué)性能好的汽車底盤?組成組成結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 制備汽車底盤的材料要求制備汽車底盤的材料要求：1)具有極高的強(qiáng)度，但易于成型，以制造出滿足空氣動(dòng)力學(xué)要求的外形輪廓；2)考慮到能耗，鋼板必須薄而輕；3)為增

30、加汽車的安全性，在撞車情況下鋼板還必須能夠吸收大量的能量。 需考慮：成分、強(qiáng)度、重量、能量吸收性能以及延展性 材料科學(xué)家需從顯微結(jié)構(gòu)上檢驗(yàn)鋼材，以確定該材料是否滿足上述要求；他們還需采用低成本的制造方式。 在材料選擇和設(shè)計(jì)過(guò)程中還必須考慮：成型過(guò)程是否影響鋼材的力學(xué)性能？采用何種涂層可更好地提高鋼的抗腐蝕性能？這種鋼材是否易于焊接？等等。例二、三種不同的氧化鋁材料例二、三種不同的氧化鋁材料單晶單晶多晶、低孔隙率多晶、低孔隙率多晶、高孔隙率多晶、高孔隙率制備加工過(guò)程對(duì)產(chǎn)品性能的影制備加工過(guò)程對(duì)產(chǎn)品性能的影響響5.5.環(huán)境及其它影響材料的因素環(huán)境及其它影響材料的因素 材料設(shè)計(jì)及選用時(shí)需考慮材料設(shè)計(jì)

31、及選用時(shí)需考慮溫度、循溫度、循環(huán)應(yīng)力、突然撞擊、以及腐蝕和氧化環(huán)應(yīng)力、突然撞擊、以及腐蝕和氧化等等環(huán)境因素的影響。環(huán)境因素的影響。金屬材料在高溫下金屬材料在高溫下突然失去強(qiáng)度突然失去強(qiáng)度 溫度溫度: : 溫度的猛然變化會(huì)改變材料的性能。溫度的猛然變化會(huì)改變材料的性能。材料強(qiáng)度隨溫度的變化材料強(qiáng)度隨溫度的變化Titanic號(hào)破裂和沉沒(méi)號(hào)破裂和沉沒(méi)極低溫度下，金屬材料和高分子材料亦發(fā)生脆化。極低溫度下，金屬材料和高分子材料亦發(fā)生脆化。 “挑戰(zhàn)者挑戰(zhàn)者”號(hào)載人航天飛機(jī)失號(hào)載人航天飛機(jī)失事事 疲勞損傷疲勞損傷: : 當(dāng)材料在使用過(guò)程中經(jīng)歷反復(fù)的加當(dāng)材料在使用過(guò)程中經(jīng)歷反復(fù)的加載和卸載，其內(nèi)部微裂紋擴(kuò)展

32、而導(dǎo)致的材料損載和卸載，其內(nèi)部微裂紋擴(kuò)展而導(dǎo)致的材料損傷稱為疲勞損傷。傷稱為疲勞損傷。 腐蝕腐蝕: : 大多數(shù)金屬和高分子材料大多數(shù)金屬和高分子材料與氧氣和其它與氧氣和其它氣體均會(huì)發(fā)生反應(yīng)氣體均會(huì)發(fā)生反應(yīng)，尤其是在較高溫度下。材，尤其是在較高溫度下。材料也會(huì)受料也會(huì)受腐蝕性液體的侵蝕腐蝕性液體的侵蝕而永久損壞。而永久損壞。 應(yīng)變速率應(yīng)變速率: 材料選擇和應(yīng)用中，也應(yīng)考慮應(yīng)變材料選擇和應(yīng)用中，也應(yīng)考慮應(yīng)變速率。如速率。如silly Puttysilly Putty是一種硅橡膠，當(dāng)被緩是一種硅橡膠，當(dāng)被緩慢拉伸，可以變形很大，而被快速拉伸時(shí)，則慢拉伸，可以變形很大，而被快速拉伸時(shí)，則很容易破裂。很多金屬也有此現(xiàn)象。很容易破裂。很多金屬也有此現(xiàn)象。 在大多數(shù)情況下，溫度、疲勞損傷、應(yīng)力和腐在大多數(shù)情況下，溫度、疲勞損傷、應(yīng)力和腐蝕是互相相關(guān)的。材料除受到上述因素影