新材料技術(shù)概論第一章__綜論

1、001121擊劍運動劍身所用的材料是碳鋼，其結(jié)構(gòu)極易產(chǎn)生微裂紋導(dǎo)致劍身折斷而造成運動員的誤傷，現(xiàn)在劍身采用的鐵鎳和鈦的合金材料，并經(jīng)長時間的時效與彎曲處理，內(nèi)部微裂只有碳鋼的1/20，極不容易折斷，運動員能無所畏懼地完成各種動作。 聚氨酯跑道:100米短跑時運動員在聚氨酯跑道上要比在傳統(tǒng)跑道上快02秒以上，跳遠成績可提高2030厘米。欄架，新的輕合金欄架一套就要花幾十萬元。紅色魔鞋：重量不到99克，碳纖維復(fù)合材料鞋底，鞋釘采用輕合金 材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是所有科技進步的核心，是高新技術(shù)發(fā)展和社會現(xiàn)代化的先導(dǎo)，是一個國家科學(xué)技術(shù)和工業(yè)水平的反映和標(biāo)志。新材料的出現(xiàn)和使用往往會給技

2、術(shù)進步、新產(chǎn)業(yè)的形成，乃至整個經(jīng)濟和社會的發(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 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 20世紀(jì)世紀(jì)90年代的材料科學(xué)技術(shù)年代的材料科學(xué)技術(shù) 在材料的時代里保持競爭力在材料的時代里保持競爭力 美國國家研究委員會 先進材料和先進材料工藝對國家的生活水平、安全及經(jīng)濟實力起著關(guān)鍵性的作用。先進材料是先進技術(shù)的奠基石。材料科學(xué)與工程對影響美國經(jīng)濟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。 日本對材料科學(xué)與工程也采用

3、了類似的定位，并且宣稱將開發(fā)、加工和制造先進材料作為保持技術(shù)領(lǐng)先地位的國家戰(zhàn)略的基石。美國工程和技術(shù)評估委員會對工美國工程和技術(shù)評估委員會對工程的定義程的定義: : 工程是這樣的專業(yè),其中將通過學(xué)習(xí)、經(jīng)驗和實踐獲得的數(shù)學(xué)和自然科學(xué)的知識，依據(jù)判斷來用于建立經(jīng)濟地利用材料和自然力以造福于人類的方法。 沒有材料就沒有工學(xué)。美、日等發(fā)達國家的大學(xué)基于這樣的認(rèn)識，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。 南京理工大學(xué)經(jīng)過全校教育教學(xué)思想大討論，于2001年在非材料類工科專業(yè)培養(yǎng)計劃中設(shè)置了新材料概論通識教育基礎(chǔ)課。這在國內(nèi)是值得稱道的戰(zhàn)略性舉措，具有示范價值，隨著時間的推移，必將顯示出推動我

4、國科技進步和社會發(fā)展的重要作用。 課程設(shè)置的目的：對材料科學(xué)與工程建對材料科學(xué)與工程建立整體與全貌的認(rèn)識，了解現(xiàn)有材料的立整體與全貌的認(rèn)識，了解現(xiàn)有材料的分類、特性、應(yīng)用范圍及其與相關(guān)學(xué)科分類、特性、應(yīng)用范圍及其與相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的關(guān)系，把握高技術(shù)新型先進材料領(lǐng)域的關(guān)系，把握高技術(shù)新型先進材料的發(fā)展趨勢的發(fā)展趨勢 。 以課堂教學(xué)和教材內(nèi)容為基礎(chǔ)開卷考試。 材料是物質(zhì)，但不是所有物質(zhì)都可以稱為材料。如燃料和化學(xué)原料、工業(yè)化學(xué)品、食物和藥物，一般都不算是材料。 材料總是和一定的用場相聯(lián)系，可由一種或若干種物質(zhì)構(gòu)成。同一種物質(zhì)，由于制備方法或加工方法的不同，可成為用途迥異的不同類型和性質(zhì)的材料。 從從物

5、理化學(xué)屬性物理化學(xué)屬性來分，可分為金屬來分，可分為金屬材料、無機非金屬材料、有機高分材料、無機非金屬材料、有機高分子材料和不同類型材料所組成的復(fù)子材料和不同類型材料所組成的復(fù)合材料。合材料。 從從用途用途來分，又分為電子材料、航來分，又分為電子材料、航空航天材料、核材料、建筑材料、空航天材料、核材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。能源材料、生物材料等。 更常見的兩種分類方法是更常見的兩種分類方法是結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料與與功能材料功能材料；傳統(tǒng)材料傳統(tǒng)材料與與新型材料新型材料。 結(jié)構(gòu)材料是以力學(xué)性能為基礎(chǔ)，制造受力構(gòu)件所用材料。 功能材料則主要是利用物質(zhì)的獨特物理、化學(xué)性質(zhì)或生物功能等而形成的一類

6、材料。 一種材料往往既是結(jié)構(gòu)材料又是功能材料，如鐵、銅、鋁等。 結(jié)構(gòu)材料對物理或化學(xué)性能也有一定要求，如光澤、熱導(dǎo)率、抗輻照、抗腐蝕、抗氧化等。 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)并大量應(yīng)用的材料，如鋼鐵、水泥、塑料等。這類材料由于其量大、產(chǎn)值高、涉及面廣泛，又是很多支柱產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，所以又稱為基礎(chǔ)材料。 新型材料(先進材料)是指那些正在發(fā)展，且具有優(yōu)異性能和應(yīng)用前景的一類材料。 新型材料與傳統(tǒng)材料之間并沒有明顯的界限，傳統(tǒng)材料通過采用新技術(shù)，提高技術(shù)含量，提高性能，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)材料是發(fā)展新材料和高技術(shù)的基礎(chǔ)，而新

7、型材料又往往能推動傳統(tǒng)材料的進一步發(fā)展。材料科學(xué)與工程？材料科學(xué)與工程？ 1957 1957年前蘇聯(lián)人造衛(wèi)星首先上天，美國朝年前蘇聯(lián)人造衛(wèi)星首先上天，美國朝野上下為之震驚，認(rèn)為自己落后的主要原因之野上下為之震驚，認(rèn)為自己落后的主要原因之一是先進材料落后，于是在一些大學(xué)相繼成立一是先進材料落后，于是在一些大學(xué)相繼成立了十余個材料研究中心。采用先進的科學(xué)理論了十余個材料研究中心。采用先進的科學(xué)理論與實驗方法對材料進行深入的研究，取得重要與實驗方法對材料進行深入的研究，取得重要成果。從此，成果。從此，“材料科學(xué)材料科學(xué)”這個名詞便開始流這個名詞便開始流行。行。 “材料科學(xué)材料科學(xué)”所包括的內(nèi)容往往被

8、理解為所包括的內(nèi)容往往被理解為研究材料的組織、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系，探索自研究材料的組織、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系，探索自然規(guī)律。這屬于基礎(chǔ)研究。然規(guī)律。這屬于基礎(chǔ)研究。 實際上，材料是面向?qū)嶋H、為經(jīng)濟建設(shè)實際上，材料是面向?qū)嶋H、為經(jīng)濟建設(shè)服務(wù)的，是一門應(yīng)用科學(xué)，研究與發(fā)展材料服務(wù)的，是一門應(yīng)用科學(xué)，研究與發(fā)展材料的目的在于應(yīng)用，而材料又必須通過合理的的目的在于應(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用價值的材料來，工藝流程才能制備出具有實用價值的材料來，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“材料科學(xué)材料科學(xué)”這個名詞出現(xiàn)后不久，就提出這個名詞出現(xiàn)后不久

9、，就提出了了“材料科學(xué)與工程材料科學(xué)與工程”。工程是指研究材料。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。在制備過程中的工藝和工程技術(shù)問題。 材料科學(xué)與工程是研究材料組成、材料科學(xué)與工程是研究材料組成、結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)過程、材料性能與使用效能結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)過程、材料性能與使用效能以及它們之間的關(guān)系。以及它們之間的關(guān)系。因而把組成與結(jié)因而把組成與結(jié)構(gòu)（構(gòu)（composition-structurecomposition-structure）、合成）、合成與生產(chǎn)過程（與生產(chǎn)過程（synthesis-processingsynthesis-processing）、性質(zhì)（）、性質(zhì)（propertiesp

10、roperties）及使用效能（）及使用效能（performanceperformance）稱之為材料科學(xué)與工程）稱之為材料科學(xué)與工程的四個基本要素（的四個基本要素（basic elementsbasic elements）。把四要素連結(jié)在一起，便形成一個四。把四要素連結(jié)在一起，便形成一個四面體（面體（tetrahedrontetrahedron） 性質(zhì)合成/制備結(jié)構(gòu)/成份 性能 合成/制備結(jié)構(gòu)/成份 性質(zhì) 性能材料科學(xué)有三個重要屬性：材料科學(xué)有三個重要屬性：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，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)及計算科學(xué)相互融合與交屬學(xué)

11、、陶瓷、高分子化學(xué)及計算科學(xué)相互融合與交叉的結(jié)果，如生物醫(yī)用材料要涉及醫(yī)學(xué)、生物學(xué)及叉的結(jié)果，如生物醫(yī)用材料要涉及醫(yī)學(xué)、生物學(xué)及現(xiàn)代分子生物學(xué)等學(xué)科；現(xiàn)代分子生物學(xué)等學(xué)科；二是一種二是一種與實際使用結(jié)合非常密切與實際使用結(jié)合非常密切的科學(xué)，發(fā)展材的科學(xué)，發(fā)展材料科學(xué)的目的在于開發(fā)新材料，提高材料的性能和料科學(xué)的目的在于開發(fā)新材料，提高材料的性能和質(zhì)量，合理使用材料，同時降低材料成本和減少污質(zhì)量，合理使用材料，同時降低材料成本和減少污染等；染等；三是材料科學(xué)是一個三是材料科學(xué)是一個正在發(fā)展中的正在發(fā)展中的科學(xué)，不像物理科學(xué)，不像物理學(xué)、化學(xué)已經(jīng)有一個很成熟的體系，材料科學(xué)將隨學(xué)、化學(xué)已經(jīng)有一個很

12、成熟的體系，材料科學(xué)將隨各有關(guān)學(xué)科的發(fā)展而得到充實和完善。各有關(guān)學(xué)科的發(fā)展而得到充實和完善。 人類從猿人發(fā)展為現(xiàn)代人、發(fā)展人類從猿人發(fā)展為現(xiàn)代人、發(fā)展到有文字記載的文明人的歷史，可以到有文字記載的文明人的歷史，可以說就是一部材料和技術(shù)的演變史。說就是一部材料和技術(shù)的演變史。 材料材料人類社會進步的里程碑人類社會進步的里程碑人類、材料和技術(shù)的演變史人類、材料和技術(shù)的演變史 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，都會把人類支配和改造自然的能力提高到一個新水平，給社會生產(chǎn)力和人類生活水平帶來巨大變化，把人類的物質(zhì)文明和精神文明向前推進一步。石器時代石器時代用于碾磨谷物的石

13、盤用于碾磨谷物的石盤原始人打制的石器原始人打制的石器陶器時代世界上第一種人造材料-製出的陶器，盛裝液體的容器和煮食物的陶罐-吃不完的東西有了儲存的地方-便於人們定居-進一步發(fā)展農(nóng)牧業(yè)-劃時代之偉大發(fā)明秦兵馬俑秦兵馬俑瓷器-純淨(jìng)的黏土（又叫瓷土、高嶺土）和石英、長石等原料配成泥漿，作成毛坯-燒好粗坯，再上釉-在一千三百度左右高溫下，經(jīng)過複雜的化學(xué)變化，同釉密切的結(jié)合而成-質(zhì)地細緻，半透明，不吸水從陶器到瓷器從陶器到瓷器青銅器時代青銅器時代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鋒披天下的秦國青銅兵器鋒披天下的秦國青銅兵器秦劍秦劍秦劍的佩戴方式秦劍的佩戴方式越王勾踐劍的主要的成份是青銅

14、和錫，還含有少量的鉛、鐵、鎳和硫等，劍身的黑色菱形花紋是經(jīng)過硫化處理的，劍刃精磨技藝水平可同現(xiàn)在精密磨床生產(chǎn)的產(chǎn)品相媲美，充分顯示了當(dāng)時越國鑄劍工匠的高超的技藝。 舉世聞名的越王勾踐青銅劍，1965年12月出土于湖北省江陵望山的一號楚國貴族墓（距春秋時代楚國別都紀(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，刃薄鋒利。試之以紙，20余層一劃而破。劍全長為55.6厘米，其中劍身長45.6厘米，劍格寬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色琉璃和綠松石鑲嵌成美麗的紋飾，劍柄

15、以絲繩纏縛，劍首向外形翻作圓箍，內(nèi)鑄有極其精細的11道同心圓圈 曾侯乙編鐘（戰(zhàn)國），鐘架長7.48米，寬3.35米，高2.73米，1978年湖北省隨縣擂鼓墩出土，現(xiàn)藏湖北省博物館 曾侯乙編鐘是我國目前出土數(shù)量最多、重量最重、音律最全、氣勢最宏偉的一套編鐘，堪稱“編鐘之王”。凡有機會耳聞目睹過的人，無不為此千古絕響驚嘆叫絕，贊譽它不愧是中華民族文化藝術(shù)之瑰寶，世界音樂史之奇跡。 在曾侯乙編鐘上，刻有關(guān)于記事、標(biāo)音、律名關(guān)系的錯金銘文2828字，加上鐘架筍梁（橫梁）、編懸配件上的銘文、磬銘文、磬盒銘文總字?jǐn)?shù)3775字，其內(nèi)容是先秦樂律的重要資料，被專家學(xué)者稱之為“一部珍貴的音樂理論論著”，“一部不

16、朽的古代樂律學(xué)典籍”。 64件編鐘（楚惠王送給曾侯乙的 鐘除外），每件都能發(fā)出兩個樂音，全套編鐘音質(zhì)純正、音色優(yōu)美、音域?qū)拸V，能旋宮轉(zhuǎn)調(diào)，演奏各種 采用和聲、復(fù)調(diào)以及轉(zhuǎn)調(diào)手法的中個樂曲。實踐證明：早在春秋戰(zhàn)國時期（而不是此前有些專家認(rèn)為是秦漢時代，更不是來自古希臘傳入的泊來品），我國音樂就已發(fā)展到了相當(dāng)成熟的階段，在7聲音階、5個8度音、12個半音以及旋宮轉(zhuǎn)調(diào)的表現(xiàn)手法上，就已形成理論與實踐。四川三星堆青銅器四川三星堆青銅器鐵器時代鐵器時代戰(zhàn)國鐵犁頭戰(zhàn)國鐵犁頭戰(zhàn)國鐵鋤戰(zhàn)國鐵鋤氮化硅結(jié)構(gòu)陶瓷被用作航天飛機的防熱瓦氮化硅結(jié)構(gòu)陶瓷被用作航天飛機的防熱瓦多元材料時代多元材料時代硼纖維金屬基復(fù)合材料制成

17、的火箭履軸的管道輸送部件硼纖維金屬基復(fù)合材料制成的火箭履軸的管道輸送部件美國美國B-2B-2隱形轟炸機表面為具有良好吸波性能的隱形轟炸機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)成的光纜先進橡膠輪胎使汽車成為先進橡膠輪胎使汽車成為交通主宰交通主宰一級方程式賽車上使用的一級方程式賽車上使用的特殊輪胎特殊輪胎人工合成的金剛石人工合成的金剛石高分子分離膜已被用來制造高高分子分離膜已被用來制造高效家庭凈水器效家庭凈水器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)可調(diào)節(jié)的太陽鏡可調(diào)節(jié)的太陽鏡耐高溫纖維制成的消防人員的服裝耐高溫纖維制成的消防人員的服裝1.2 nmMOSFET小型化進程中的瓶頸及材料解決方案塊狀的硅是間接能隙材料，只能發(fā)射微弱的紅外光，因而雖在微電子學(xué)材料中獨占鰲頭，而在光電子學(xué)中一直無立足之地。多孔硅可見光發(fā)射的發(fā)