材料概論第一章材料與材料科學(xué)

1、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)現(xiàn)代測(cè)試方法現(xiàn)代測(cè)試方法認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)畢業(yè)實(shí)習(xí)畢業(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 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，20012001 施惠生施惠生 主編主編 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，20022002 顧家琳顧家琳 主編主編 材料科學(xué)與工程概論材料科學(xué)與工程概論 北京：清華大學(xué)出版社，北京：清華大學(xué)出版社，20052005 李俊壽李俊壽 主編主編 新材料概論新材料概論 北京

2、：國(guó)防工業(yè)出版社，北京：國(guó)防工業(yè)出版社，20042004一一. . 材料與材料科學(xué)材料與材料科學(xué)二二. . 材料的組織、結(jié)構(gòu)與性能材料的組織、結(jié)構(gòu)與性能三三. . 材料的制備方法材料的制備方法四四. .材料成型材料成型五五.10.10種產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程概述種產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程概述六六. .材料應(yīng)用材料應(yīng)用七七. .材料與環(huán)境材料與環(huán)境八八. .比較與選擇比較與選擇與工程的發(fā)展趨勢(shì)與工程的發(fā)展趨勢(shì)材料是人類賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)；材料是人類賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)； 人類的文明史以使用的主要材料來(lái)劃分為四個(gè)時(shí)代。人類的文明史以使用的主要材料來(lái)劃分為四個(gè)時(shí)代。石器時(shí)代石器時(shí)代 陶器陶器 青銅器

3、青銅器 鐵器鐵器250250萬(wàn)年前萬(wàn)年前 1 1萬(wàn)年前萬(wàn)年前 公元前公元前50005000年年 公元前公元前12001200年年磨制石器磨制石器 70007000年前年前陶器陶器公元前公元前50005000年年 公元前公元前12001200年年人類的文明史就是材料的發(fā)展史人類的文明史就是材料的發(fā)展史是人類學(xué)習(xí)利用材料、制造是人類學(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)展近代史材料發(fā)展近代史n以以17121712年蒸汽機(jī)發(fā)明為起點(diǎn)，近年蒸汽機(jī)發(fā)明為起點(diǎn)，近300300年來(lái)，人類經(jīng)年來(lái)，人類經(jīng)歷了歷了4 4次技術(shù)革命。次技術(shù)革命。n蒸汽機(jī)蒸汽機(jī) 電電 原子能原子能 計(jì)算

4、機(jī)、生物、計(jì)算機(jī)、生物、n 空間技術(shù)空間技術(shù)n1818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年代年代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)合材料材料是人類生存、社會(huì)發(fā)展、科技進(jìn)步的材料是人類生存、社會(huì)發(fā)展、科技進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)、現(xiàn)代科技發(fā)展的先導(dǎo)物質(zhì)基礎(chǔ)、現(xiàn)代科技發(fā)展的先導(dǎo)我國(guó)是材料大國(guó)，但不是材料強(qiáng)國(guó)我國(guó)是材料大國(guó)，但不是材料強(qiáng)國(guó)2005年，年，115小時(shí)飛行小時(shí)飛行n材料是當(dāng)代文明的三大支柱之一材料是當(dāng)代文

5、明的三大支柱之一q材料、能源、信息是當(dāng)代社會(huì)文明和國(guó)民經(jīng)材料、能源、信息是當(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?，是人類社?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)。n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)。n新型材料的研究、開發(fā)與應(yīng)用反映一個(gè)國(guó)家的科學(xué)新型材料的研究、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)力與安全。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。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)：現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)：

6、以半導(dǎo)體材料為核心的計(jì)算機(jī)制造技術(shù)；以半導(dǎo)體材料為核心的計(jì)算機(jī)制造技術(shù)；以光導(dǎo)纖維為基礎(chǔ)的光纖通訊技術(shù)；以光導(dǎo)纖維為基礎(chǔ)的光纖通訊技術(shù)；以超導(dǎo)材料為基礎(chǔ)的磁懸浮技術(shù)；以超導(dǎo)材料為基礎(chǔ)的磁懸浮技術(shù)；以耐熱輕質(zhì)材料為結(jié)構(gòu)材料的航空航天技術(shù)等。以耐熱輕質(zhì)材料為結(jié)構(gòu)材料的航空航天技術(shù)等。納米材料科學(xué)與技術(shù)是納米材料科學(xué)與技術(shù)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)的主導(dǎo)中心。世紀(jì)新技術(shù)的主導(dǎo)中心。鈦結(jié)構(gòu)自行車鈦結(jié)構(gòu)自行車：“自行車發(fā)燒友” 選擇鈦合金制自行車。鈦合金的應(yīng)用場(chǎng)合很特殊。通常用于需要抗腐蝕，耐疲勞，高彈性的場(chǎng)合 19 NoImag

7、e20 NoImage一種汽車用鋼，比原先的輕一種汽車用鋼，比原先的輕24%24%，強(qiáng)度高，強(qiáng)度高34%34%，稱為，稱為。磁懸浮列車磁懸浮列車速度：速度：500km/h核磁共振儀核磁共振儀南京北京只需南京北京只需4個(gè)小時(shí)個(gè)小時(shí)n材料是由一種化學(xué)物質(zhì)為主要成分，并添加一定的助劑作為次要材料是由一種化學(xué)物質(zhì)為主要成分，并添加一定的助劑作為次要成分所組成的；成分所組成的；-一定的組成和配比一定的組成和配比n可以在一定的溫度和一定壓力下使之熔融，并在模具中塑制成一可以在一定的溫度和一定壓力下使之熔融，并在模具中塑制成一定形狀；定形狀；-成型加工性成型加工性n冷卻后在室溫下能保持既定形狀，并可在一定條

8、件下使用的物品；冷卻后在室溫下能保持既定形狀，并可在一定條件下使用的物品；-形狀保持性形狀保持性n其生產(chǎn)過(guò)程必須實(shí)現(xiàn)最高的生產(chǎn)率、最低的原料成本和能耗；其生產(chǎn)過(guò)程必須實(shí)現(xiàn)最高的生產(chǎn)率、最低的原料成本和能耗；-經(jīng)濟(jì)性經(jīng)濟(jì)性n最少地產(chǎn)生廢物和環(huán)境污染物，并且其廢棄物可以回收再利用。最少地產(chǎn)生廢物和環(huán)境污染物，并且其廢棄物可以回收再利用。-回收和再生性回收和再生性材料的定義材料的定義注意注意:n材料是物質(zhì)，但不是所有物質(zhì)都可以稱為材材料是物質(zhì)，但不是所有物質(zhì)都可以稱為材料。料。n大多數(shù)的物質(zhì)需通過(guò)一定的工藝過(guò)程才能轉(zhuǎn)大多數(shù)的物質(zhì)需通過(guò)一定的工藝過(guò)程才能轉(zhuǎn)化為材料化為材料. .n材料可由一種物質(zhì)或若干

9、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. .n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, ,可成可成為用途不同為用途不同不同類型的材料不同類型的材料. .激光材料激光材料寶石寶石基板材料基板材料高溫爐管高溫爐管切削工具切削工具催化劑催化劑Al2O3按化學(xué)組成分類按化學(xué)組成分類按材料的應(yīng)用分類按材料的應(yīng)用分類按材料的使用性能分類按材料的使用性能分類按材料結(jié)晶狀態(tài)分類按材料結(jié)晶狀態(tài)分類二二. .材料的分類材料的分類 無(wú)機(jī)非金屬材料無(wú)機(jī)非金屬材料 ROX、RNX、碳化物、碳化物 、硼化物及硅酸鹽、鋁酸鹽等 水泥、陶瓷、玻璃、耐火材料水泥、陶瓷、玻璃、耐火材料金屬材料

10、金屬材料 金屬元素金屬元素 黑色、有色黑色、有色 、特種金屬材料、特種金屬材料有機(jī)高分子材料有機(jī)高分子材料 H、 C、 O、 N 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 兩種或兩種以上材料組成兩種或兩種以上材料組成 金屬基、陶瓷基、樹脂基金屬基、陶瓷基、樹脂基 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金屬金屬金屬高分子金屬高分子無(wú)機(jī)非金屬無(wú)機(jī)非金屬高分子高分子陶瓷高分子陶瓷高分子 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、按材料的應(yīng)用領(lǐng)域分類、按材料

11、的應(yīng)用領(lǐng)域分類建筑材料建筑材料包裝材料包裝材料農(nóng)用材料農(nóng)用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材料材料航空、航天材料航空、航天材料能源材料能源材料生物材料生物材料電子材料電子材料3、按材料的、按材料的使用性能使用性能分類分類 結(jié)構(gòu)材料：力學(xué)性能（彈性、塑性、硬度、抗拉等）結(jié)構(gòu)材料：力學(xué)性能（彈性、塑性、硬度、抗拉等） 功能材料：除力學(xué)性能以外的其它性能功能材料：除力學(xué)性能以外的其它性能 （光、聲、電、磁、超導(dǎo)等功能材料）（光、聲、電、磁、超導(dǎo)等功能材料）結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料光學(xué)鏡片光學(xué)鏡片磁性材料磁性材料光學(xué)聚合物材料光學(xué)聚合物材料鐵磁芯鐵

12、磁芯40 NoImage 管件接頭管件接頭衛(wèi)星天線衛(wèi)星天線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：由一個(gè)比較完整的晶粒構(gòu)成的材料，單晶材料：由一個(gè)比較完整的晶粒構(gòu)成的材料，如單晶纖維、單晶硅；如單晶纖維、單晶硅；多晶材料：由許多晶粒組成的材料，其性能與晶多晶材料：由許多晶粒組成的材料，其性能與晶粒大小、晶界的性質(zhì)有密切的關(guān)系。粒大小、晶界的性質(zhì)有密切的關(guān)系。非晶態(tài)材料：由原子或分子排列遠(yuǎn)程無(wú)序的固體非晶態(tài)材料：由原子或分子排列遠(yuǎn)程無(wú)序的固體材料，如玻璃、高分子材料。材料，如玻璃、高分子材料。單晶金剛石單晶金剛石液液 晶晶1.3、材料的要素、材料的要素結(jié)構(gòu)與成分結(jié)構(gòu)與成分使用性能

13、使用性能性質(zhì)和性質(zhì)和現(xiàn)象現(xiàn)象（化學(xué)）（化學(xué)）（工程）（工程）（物理學(xué)）（物理學(xué)）合成與合成與加工加工n 探索這四個(gè)要素之間的關(guān)系覆蓋從基礎(chǔ)學(xué)科到探索這四個(gè)要素之間的關(guān)系覆蓋從基礎(chǔ)學(xué)科到工程的全部?jī)?nèi)容。工程的全部?jī)?nèi)容。1、性質(zhì)、性質(zhì)/性能性能力學(xué)性質(zhì)力學(xué)性質(zhì) 強(qiáng)度、硬度、鋼度、塑性、韌性強(qiáng)度、硬度、鋼度、塑性、韌性物理性質(zhì)物理性質(zhì) 電學(xué)性質(zhì)、磁學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)電學(xué)性質(zhì)、磁學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)化學(xué)性質(zhì) 催化性質(zhì)、防腐性質(zhì)催化性質(zhì)、防腐性質(zhì)是材料功能特性和效用的定量度量和描述。是材料功能特性和效用的定量度量和描述。（材料對(duì)電、磁、光、熱、機(jī)械載荷的反應(yīng)）（材料對(duì)電、磁、光、熱

14、、機(jī)械載荷的反應(yīng)）性質(zhì)性質(zhì)主要決定于材料的組成與結(jié)構(gòu)。主要決定于材料的組成與結(jié)構(gòu)。2. 使用性能使用性能 定義：定義：材料在最終使用狀態(tài)下表現(xiàn)的行為。材料在最終使用狀態(tài)下表現(xiàn)的行為。 內(nèi)容：可靠性、耐用度、有效壽命、性能價(jià)格內(nèi)容：可靠性、耐用度、有效壽命、性能價(jià)格比、安全性等各種性能指標(biāo)。比、安全性等各種性能指標(biāo)。它將材料的固有性質(zhì)與材料設(shè)計(jì)、工程環(huán)境及它將材料的固有性質(zhì)與材料設(shè)計(jì)、工程環(huán)境及人類的需要融合一起。人類的需要融合一起。3 3、結(jié)構(gòu)與成分、結(jié)構(gòu)與成分每一種材料都含有一種以原子和電子尺度到宏觀尺度的結(jié)構(gòu)每一種材料都含有一種以原子和電子尺度到宏觀尺度的結(jié)構(gòu)體系。體系。 結(jié)構(gòu)與成分的變化

15、是影響材料性能的基本因素。結(jié)構(gòu)與成分的變化是影響材料性能的基本因素。結(jié)構(gòu)與成分是材料采用的合成與加工方法的結(jié)果結(jié)構(gòu)與成分是材料采用的合成與加工方法的結(jié)果。 宏觀組織結(jié)構(gòu)：宏觀組織結(jié)構(gòu)： 10-4 m 肉眼可見(jiàn)肉眼可見(jiàn) 顯微組織結(jié)構(gòu)：顯微組織結(jié)構(gòu)： 10-4 10-8 m 顯微鏡觀察顯微鏡觀察 原子或分子排列結(jié)構(gòu)：原子或分子排列結(jié)構(gòu)：10-10 m 原子中的電子結(jié)構(gòu)：原子中的電子結(jié)構(gòu)： 10-13 m4、合成與加工、合成與加工 合成與加工合成與加工 建立原子、分子和分子聚集體的新排列，在從建立原子、分子和分子聚集體的新排列，在從原子尺度到宏觀尺度的所有尺度上對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制以及高效原子尺度到宏觀尺

16、度的所有尺度上對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制以及高效而又競(jìng)爭(zhēng)地制造材料和零件的演變過(guò)程。而又競(jìng)爭(zhēng)地制造材料和零件的演變過(guò)程。合成把各種原子或分子結(jié)合起來(lái)，制成材料所采用的方法。合成把各種原子或分子結(jié)合起來(lái)，制成材料所采用的方法。加工是賦予制品一定的形狀或性能。加工是賦予制品一定的形狀或性能。合成與加工是新技術(shù)開發(fā)的關(guān)鍵要素、人造材料的唯一實(shí)現(xiàn)途合成與加工是新技術(shù)開發(fā)的關(guān)鍵要素、人造材料的唯一實(shí)現(xiàn)途徑徑例一、汽車底盤材料例一、汽車底盤材料什么結(jié)構(gòu)特性制約了什么結(jié)構(gòu)特性制約了強(qiáng)度和成型性能強(qiáng)度和成型性能? ?什么性能控制強(qiáng)度什么性能控制強(qiáng)度? ?性質(zhì)性質(zhì)/ /使用性能使用性能 成本成本比強(qiáng)大小比強(qiáng)大小? ?成型性

17、能成型性能? ?汽車的防撞性如何汽車的防撞性如何? ?制造成本制造成本? ?鐵基鐵基? ?鋁基鋁基? ?使用何種合金元素使用何種合金元素? ?使用量使用量? ?合成合成/制備制備如何制造空氣動(dòng)力學(xué)性能好的汽車底盤如何制造空氣動(dòng)力學(xué)性能好的汽車底盤? ?如何控制制備過(guò)程以獲得高韌性、易成如何控制制備過(guò)程以獲得高韌性、易成型的鋼鐵材料型的鋼鐵材料? ?組成組成結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)n制備汽車底盤的材料要求：制備汽車底盤的材料要求：極高的強(qiáng)度，易成型；極高的強(qiáng)度，易成型；考慮到能耗，鋼板必須薄而輕；考慮到能耗，鋼板必須薄而輕；為安全性，在撞車時(shí)，鋼板能吸收大量的能量。為安全性，在撞車時(shí)，鋼板能吸收大量的能量。n需考慮：成分、強(qiáng)度、重量、能量吸收性能以及延展性需考慮：成分、強(qiáng)度、重量、能量吸收性能以及延展性n材料科學(xué)家需從顯微結(jié)構(gòu)上檢驗(yàn)鋼材，以確定