材料科學(xué)基礎(chǔ)經(jīng)典

1、4/22/20221Copyright 1996-98 Dale Carnegie & Associates, Inc.4/22/20222緒緒 論論 一一. .材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ)的基本概念的基本概念 二二. .材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ)的地位的地位 三三. .學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ)的意義的意義 四四. .材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ)的內(nèi)容的內(nèi)容 五五. .如何學(xué)好如何學(xué)好材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ)4/22/202231 1、什么是材料、什么是材料 材料是指人類社會能接受的，經(jīng)濟(jì)地制造有材料是指人類社會能接受的，經(jīng)濟(jì)地制造有用物品的物質(zhì)（世界萬物，凡于我有用者，皆謂用物品的物質(zhì)

2、（世界萬物，凡于我有用者，皆謂之材料。材料是具有一定性能，可以用來制作器之材料。材料是具有一定性能，可以用來制作器件、構(gòu)件、工具、裝置等物品的物質(zhì)。材料存在件、構(gòu)件、工具、裝置等物品的物質(zhì)。材料存在于我們的周圍，與我們的生活、我們的生命息息于我們的周圍，與我們的生活、我們的生命息息相關(guān)）相關(guān)） 。衛(wèi)星發(fā)射，節(jié)省衛(wèi)星發(fā)射，節(jié)省1 1公斤重量將降低費(fèi)用公斤重量將降低費(fèi)用$20000$20000。一次發(fā)射節(jié)約費(fèi)用。一次發(fā)射節(jié)約費(fèi)用20%20%。 鋁合金的主要應(yīng)用領(lǐng)域如下：鋁合金的主要應(yīng)用領(lǐng)域如下：4/22/20224鋁合金的鋁合金的主要應(yīng)用領(lǐng)域主要應(yīng)用領(lǐng)域戰(zhàn)機(jī)艦船導(dǎo)彈火箭人造衛(wèi)星戰(zhàn)車高速列車汽車高層

3、建筑4/22/20225塑料水管電線被覆 塑料膜 汽車側(cè)板日常用品主機(jī)外殼塑料的應(yīng)用4/22/202262 2、什么是材料科學(xué)、什么是材料科學(xué) 材料科學(xué)是一門以固體材料為研究對象，以固體物理、熱力材料科學(xué)是一門以固體材料為研究對象，以固體物理、熱力學(xué)、動力學(xué)、量子力學(xué)、冶金、化工為理論基礎(chǔ)的邊緣交叉基礎(chǔ)學(xué)、動力學(xué)、量子力學(xué)、冶金、化工為理論基礎(chǔ)的邊緣交叉基礎(chǔ)應(yīng)用學(xué)科，它運(yùn)用電子顯微鏡、應(yīng)用學(xué)科，它運(yùn)用電子顯微鏡、X-X-射線衍射、熱譜、電子離子探射線衍射、熱譜、電子離子探針等各種精密儀器和技術(shù)，探討材料的組成、結(jié)構(gòu)、制備工藝和針等各種精密儀器和技術(shù)，探討材料的組成、結(jié)構(gòu)、制備工藝和加工使用過程

4、與其機(jī)械（加工使用過程與其機(jī)械（力學(xué)性能力學(xué)性能）、物理、化學(xué)性能之間的規(guī)）、物理、化學(xué)性能之間的規(guī)律的一門基礎(chǔ)應(yīng)用學(xué)科，是研究材料共性的一門學(xué)科。律的一門基礎(chǔ)應(yīng)用學(xué)科，是研究材料共性的一門學(xué)科。 材料科學(xué)是研究材料的成分、組織材料科學(xué)是研究材料的成分、組織結(jié)構(gòu)、制備工藝、加工工藝、材料的性結(jié)構(gòu)、制備工藝、加工工藝、材料的性能與材料應(yīng)用之間的相互關(guān)系的科學(xué)。能與材料應(yīng)用之間的相互關(guān)系的科學(xué)。材料科學(xué)是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)、材料科學(xué)是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)、工業(yè)生產(chǎn)的支柱，是當(dāng)今世界的帶頭學(xué)工業(yè)生產(chǎn)的支柱，是當(dāng)今世界的帶頭學(xué)科之一。納米材料科學(xué)與技術(shù)是科之一。納米材料科學(xué)與技術(shù)是2020世紀(jì)世

5、紀(jì)8080年代發(fā)展起來的新興學(xué)科，成為年代發(fā)展起來的新興學(xué)科，成為2121世世紀(jì)新技術(shù)的主導(dǎo)中心。紀(jì)新技術(shù)的主導(dǎo)中心。4/22/202273 3、什么是材料科學(xué)基礎(chǔ)、什么是材料科學(xué)基礎(chǔ) 材料科學(xué)基礎(chǔ)是進(jìn)行材料科學(xué)研究的基礎(chǔ)理論，材料科學(xué)基礎(chǔ)是進(jìn)行材料科學(xué)研究的基礎(chǔ)理論，它將各種材料（包括金屬、陶瓷、高分子材料）的它將各種材料（包括金屬、陶瓷、高分子材料）的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)規(guī)律建立在共同的理論基礎(chǔ)上，微觀結(jié)構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)規(guī)律建立在共同的理論基礎(chǔ)上，用于指導(dǎo)材料的研究、生產(chǎn)、應(yīng)用和發(fā)展。它涵蓋用于指導(dǎo)材料的研究、生產(chǎn)、應(yīng)用和發(fā)展。它涵蓋了材料科學(xué)和了材料科學(xué)和材料工程材料工程的基礎(chǔ)理論。的基礎(chǔ)理論

6、。 材料工程材料工程是研究、開發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用金屬材料、是研究、開發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用金屬材料、無機(jī)非金屬材料、高分子材料和復(fù)合材料的工程領(lǐng)無機(jī)非金屬材料、高分子材料和復(fù)合材料的工程領(lǐng)域域。 4/22/20228 1 1、材料的發(fā)展史，就是人類社會的發(fā)展史、材料的發(fā)展史，就是人類社會的發(fā)展史 人類社會發(fā)展的歷史階段常常用當(dāng)時主要使用的材人類社會發(fā)展的歷史階段常常用當(dāng)時主要使用的材料來劃分。從古代到現(xiàn)在人類使用材料的歷史共經(jīng)歷了料來劃分。從古代到現(xiàn)在人類使用材料的歷史共經(jīng)歷了七個時代，各時代的開始時間：七個時代，各時代的開始時間： 石器時代石器時代（公元前（公元前1010萬年）萬年） 青銅器時代青銅器時

7、代（公元前（公元前30003000年）年）( (爐火純青爐火純青) ) 鐵器時代鐵器時代（公元前（公元前10001000年）年） 水泥時代（公元水泥時代（公元0 0年）年） 鋼時代（鋼時代（18001800年）年） 硅時代（硅時代（19501950年）年） 新材料時代（新材料時代（19901990年）年）4/22/20229 石器時代（石器時代（ Stone Age）：）：石斧、鑿、刀、鏟、箭頭石斧、鑿、刀、鏟、箭頭紡輪、缽等紡輪、缽等 （西安半坡遺址）（西安半坡遺址） 4/22/202210湖北江陵楚墓出土湖北江陵楚墓出土越王勾踐寶劍越王勾踐寶劍青銅器時代青銅器時代（公元前（公元前3000年

8、）年） 巨型司母戊大方鼎巨型司母戊大方鼎（河南安陽晚商遺址）（河南安陽晚商遺址）4/22/202211 考工記考工記成書于春秋時期成書于春秋時期 ，作為我國第，作為我國第一部手工業(yè)工藝技術(shù)典籍，包含著大量的手工制作技一部手工業(yè)工藝技術(shù)典籍，包含著大量的手工制作技術(shù)、工藝過程及豐富的科技思想。術(shù)、工藝過程及豐富的科技思想。 考工記考工記的精彩、經(jīng)典之處在的精彩、經(jīng)典之處在“金有六齊金有六齊”。 “六分其金而錫居一，謂之鐘鼎之齊；五分其金而錫六分其金而錫居一，謂之鐘鼎之齊；五分其金而錫居一，謂之斧斤之齊；四分其金而錫居一，謂之戈戟居一，謂之斧斤之齊；四分其金而錫居一，謂之戈戟之齊；三分其金而錫居一

9、，謂之大刃之齊；五分其金之齊；三分其金而錫居一，謂之大刃之齊；五分其金而錫居二，謂之削殺矢之齊；金、錫半，謂之鑒（意而錫居二，謂之削殺矢之齊；金、錫半，謂之鑒（意為鏡）燧之齊。為鏡）燧之齊。 成分成分 凡鑄金之狀，金與錫，黑濁之氣竭，黃白次之；凡鑄金之狀，金與錫，黑濁之氣竭，黃白次之； 黃白之氣竭，青白次之；黃白之氣竭，青白次之； 青白之氣竭，青氣次之；青白之氣竭，青氣次之； 然后可鑄也。（爐火純青）然后可鑄也。（爐火純青）準(zhǔn)確地記述了冶銅過程中顏色隨爐溫變化的規(guī)律。這種用準(zhǔn)確地記述了冶銅過程中顏色隨爐溫變化的規(guī)律。這種用肉眼來觀測的光測高溫技術(shù)，只有在青銅技術(shù)相當(dāng)成熟的情況下，肉眼來觀測的光

10、測高溫技術(shù)，只有在青銅技術(shù)相當(dāng)成熟的情況下，才有可能辦到。才有可能辦到。 4/22/202212中國古代鐵器的金相組織中國古代鐵器的金相組織湖南長沙砂子塘戰(zhàn)國凹形鐵鋤湖南長沙砂子塘戰(zhàn)國凹形鐵鋤 鐵器時代（鐵器時代（Iron Age）4/22/202213長征三號運(yùn)載火箭在發(fā)射架上長征三號運(yùn)載火箭在發(fā)射架上4/22/202214新材料階段的特征新材料階段的特征l 是一個由多種材料決定社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的時代；是一個由多種材料決定社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的時代；l 新材料以人造為特征，非自然界中現(xiàn)成有的新材料以人造為特征，非自然界中現(xiàn)成有的; ;l 新材料是根據(jù)我們對材料的物理和化學(xué)性能的了解，為了特新材料是根

11、據(jù)我們對材料的物理和化學(xué)性能的了解，為了特定的需要設(shè)計和加工而成的；定的需要設(shè)計和加工而成的；l 這些新材料使新技術(shù)得以產(chǎn)生和應(yīng)用，而新技術(shù)又促進(jìn)了新這些新材料使新技術(shù)得以產(chǎn)生和應(yīng)用，而新技術(shù)又促進(jìn)了新工業(yè)的出現(xiàn)和發(fā)展，從而使國家財富和就業(yè)增加。工業(yè)的出現(xiàn)和發(fā)展，從而使國家財富和就業(yè)增加。l 19861986年年科學(xué)的美國人科學(xué)的美國人雜志指出雜志指出“先進(jìn)材料對未來的宇航、先進(jìn)材料對未來的宇航、電子設(shè)備、汽車以及其他工業(yè)的發(fā)展是必要的，材料科學(xué)的進(jìn)電子設(shè)備、汽車以及其他工業(yè)的發(fā)展是必要的，材料科學(xué)的進(jìn)步?jīng)Q定了經(jīng)濟(jì)關(guān)鍵部門增長速率的極限范圍。步?jīng)Q定了經(jīng)濟(jì)關(guān)鍵部門增長速率的極限范圍。”l 199

12、01990年美國總統(tǒng)的科學(xué)顧問年美國總統(tǒng)的科學(xué)顧問Allany.BromleyAllany.Bromley明確指出明確指出“材材料科學(xué)在美國是最重要的學(xué)科料科學(xué)在美國是最重要的學(xué)科”。l 19911991年日本為未來工業(yè)規(guī)劃技術(shù)列舉的年日本為未來工業(yè)規(guī)劃技術(shù)列舉的1111項主要項目中有項主要項目中有7 7項是基于先進(jìn)材料之上。項是基于先進(jìn)材料之上。l 可見，材料科學(xué)歷來是技術(shù)進(jìn)步的支柱可見，材料科學(xué)歷來是技術(shù)進(jìn)步的支柱. .4/22/2022152 2、材料的發(fā)展史，就是科學(xué)技術(shù)的發(fā)展史、材料的發(fā)展史，就是科學(xué)技術(shù)的發(fā)展史原理成品 發(fā)展時間電機(jī)18211886 65真空管 18821915 3

13、3無線電18871922 35X光18951913 18雷達(dá)19351940 5原子堆19391942 3半導(dǎo)體19481951 3激光19581960 2表表1 科學(xué)原理的發(fā)現(xiàn)時間與其產(chǎn)業(yè)化時間的對照科學(xué)原理的發(fā)現(xiàn)時間與其產(chǎn)業(yè)化時間的對照中國的四大發(fā)明：紙、火藥、指南針、活字印刷4/22/2022161 1）邏輯推理）邏輯推理( (古代哲學(xué)家，古代哲學(xué)家，432 BC.)432 BC.)2 2）宏觀形貌觀察、觀測（）宏觀形貌觀察、觀測（by eye, 1669by eye, 1669）3 3）數(shù)學(xué)理論計算）數(shù)學(xué)理論計算4 4）科學(xué)測定（）科學(xué)測定（X-ray diffraction, ele

14、ctron diffraction,X-ray diffraction, electron diffraction,等）等） 古代中國有：古代中國有：“日取其半，萬世不竭日取其半，萬世不竭”“道生一，一生二，二生三，三生萬物道生一，一生二，二生三，三生萬物”（老子老子）；）；“以土與金、木、水、火雜以成百物以土與金、木、水、火雜以成百物”（國語國語正語正語）；）；“太極生兩儀，兩儀生四象，四象生八卦，八卦交而生萬物太極生兩儀，兩儀生四象，四象生八卦，八卦交而生萬物” ” （易經(jīng)易經(jīng)）人類對材料微觀結(jié)構(gòu)認(rèn)識的發(fā)展過程人類對材料微觀結(jié)構(gòu)認(rèn)識的發(fā)展過程4/22/202217宋（宋（960-1279

15、A.D.960-1279 A.D.） 樓鑰樓鑰, ,謝林景思和韻謝林景思和韻黃昏門外六花飛，因倚胡床醉不知。黃昏門外六花飛，因倚胡床醉不知。南朝南朝 陳（陳（557-589 A.D.557-589 A.D.） 徐陵，徐陵，詠雪詠雪豈苦天庭瑞，輕雪帶風(fēng)斜。三農(nóng)喜盈尺，六出舞崇花。豈苦天庭瑞，輕雪帶風(fēng)斜。三農(nóng)喜盈尺，六出舞崇花。雪花雪花 “ “六出六出”、“六花六花”西漢（西漢（206 B.C.-24 A.D.206 B.C.-24 A.D.）, ,韓詩外傳韓詩外傳：凡草木花五出，獨(dú)雪花六出凡草木花五出，獨(dú)雪花六出1 mm4/22/2022182 2、Europe:Europe:Plato (42

16、8-348 B.C.) and Euclid (330-275? B.C.)Plato (428-348 B.C.) and Euclid (330-275? B.C.)5 regular polyhedrons stand for 5 original elements (fire, air, 5 regular polyhedrons stand for 5 original elements (fire, air, earth,earth,water, ether) which were used for describing every thing in the water, ethe

17、r) which were used for describing every thing in the world.world.Fire - Fire - tetrahedrontetrahedronAir - Air - octahedronoctahedronEther - dodecahedronEther - dodecahedronEarth - Earth - cubecubeWater - icosahedronWater - icosahedron4/22/202219 1669, N. Steno, 1669, N. Steno, 晶面角守恒定律晶面角守恒定律 材料科學(xué)的發(fā)

18、展過程材料科學(xué)的發(fā)展過程 1885, A. Bravais, 1885, A. Bravais, 晶體空間點(diǎn)陣學(xué)說晶體空間點(diǎn)陣學(xué)說 1912, M. Laue 1912, M. Laue* *, , 晶體的晶體的X X射線衍射射線衍射 1915, W. H. Bragg and W. L. Bragg 1915, W. H. Bragg and W. L. Bragg* * * X X射線晶體結(jié)構(gòu)分析方法射線晶體結(jié)構(gòu)分析方法 電子顯微鏡（電子顯微鏡（SEMSEM、TEMTEM） 掃描探針顯微術(shù)掃描探針顯微術(shù)* * * *（STMSTM、AFMAFM）4/22/202220 材料科學(xué)是一個跨材料

19、科學(xué)是一個跨物理、化學(xué)等的學(xué)科。物理、化學(xué)等的學(xué)科。材料科學(xué)的核心問題是材料科學(xué)的核心問題是材料的組織結(jié)構(gòu)材料的組織結(jié)構(gòu)（StructureStructure）和性能）和性能（PropertyProperty）以及它們）以及它們之間的關(guān)系。右圖為材之間的關(guān)系。右圖為材料科學(xué)與工程四要素。料科學(xué)與工程四要素。所以，先要了解材料的所以，先要了解材料的結(jié)構(gòu)是什么？結(jié)構(gòu)是什么？ 合成與制備過程合成與制備過程使用性能使用性能性質(zhì)性質(zhì)組組成成與與結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)（化學(xué)）（化學(xué)）（工程）（工程）（物理學(xué)）（物理學(xué)）1 1、材料科學(xué)的內(nèi)涵、材料科學(xué)的內(nèi)涵4/22/202221材料結(jié)構(gòu)關(guān)系材料結(jié)構(gòu)關(guān)系w 材料的結(jié)構(gòu)包括

20、不同晶體結(jié)構(gòu)和非晶體，以及顯材料的結(jié)構(gòu)包括不同晶體結(jié)構(gòu)和非晶體，以及顯微鏡下的微觀結(jié)構(gòu)，哪些主要因素能夠影響和改變微鏡下的微觀結(jié)構(gòu)，哪些主要因素能夠影響和改變結(jié)構(gòu)？只有了解了這些才能實(shí)現(xiàn)控制結(jié)構(gòu)的目的。結(jié)構(gòu)？只有了解了這些才能實(shí)現(xiàn)控制結(jié)構(gòu)的目的。w 材料的性能包括物理性能、化學(xué)性能、力學(xué)性能。材料的性能包括物理性能、化學(xué)性能、力學(xué)性能。w 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括四個層次：其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括四個層次：原子結(jié)構(gòu)；原子結(jié)構(gòu)；結(jié)合鍵；結(jié)合鍵；原子的排列方式；原子的排列方式；顯微組織顯微組織4/22/202222 微 觀 (Micro-) 介 觀 (Meso-) 宏 觀 (Macro-)10-910-810-710

21、-610-510-410-310-210-1100m10-1010-1110-12101納 米 (Nano-)4/22/202223材料科學(xué)的形成：材料科學(xué)的形成： “ “材料材料”早存在，早存在，“材料科學(xué)材料科學(xué)”提出于提出于2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代，年代，19571957年蘇聯(lián)衛(wèi)星上天，美國震年蘇聯(lián)衛(wèi)星上天，美國震動很大，在大學(xué)相繼建立十余個材料科學(xué)研究中心，動很大，在大學(xué)相繼建立十余個材料科學(xué)研究中心，自此開始，自此開始，“材料科學(xué)材料科學(xué)”一詞廣泛應(yīng)用一詞廣泛應(yīng)用。w 一般來講，一般來講，科學(xué)是研究科學(xué)是研究“為什么為什么”的學(xué)問，而工的學(xué)問，而工程是解決程是解決“怎么做怎么做”

22、的學(xué)問的學(xué)問。材料科學(xué)的基礎(chǔ)理論，材料科學(xué)的基礎(chǔ)理論，為材料工程指明方向，為更好地選擇、使用材料，發(fā)為材料工程指明方向，為更好地選擇、使用材料，發(fā)揮現(xiàn)有材料的潛力、發(fā)展新材料提供理論基礎(chǔ)。揮現(xiàn)有材料的潛力、發(fā)展新材料提供理論基礎(chǔ)。w 材料科學(xué)和材料工程之間的區(qū)別主要在于著眼點(diǎn)材料科學(xué)和材料工程之間的區(qū)別主要在于著眼點(diǎn)的不同或者說各自強(qiáng)調(diào)的中心不同，它們之間并沒有的不同或者說各自強(qiáng)調(diào)的中心不同，它們之間并沒有一條明確的界線，因此，后來人們常常將二者放在一一條明確的界線，因此，后來人們常常將二者放在一起，采用一個復(fù)合名詞起，采用一個復(fù)合名詞材料科學(xué)與工程（材料科學(xué)與工程（MSEMSE，Materi

23、al Science and EngineeringMaterial Science and Engineering）2 2、材料科學(xué)與材料工程的關(guān)系、材料科學(xué)與材料工程的關(guān)系4/22/202224 材料工程材料工程：是工程的一個領(lǐng)域，其目的在于經(jīng)濟(jì)地，而又為社會所能接受地控制材料的結(jié)構(gòu)、性能和形狀。它包括下面的五個環(huán)節(jié)。 材料科學(xué)材料科學(xué) ：是一門科學(xué)，它從事與材料本質(zhì)的發(fā)現(xiàn)、分析和了解方面的研究，其目的在于提供材料結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一描繪或模型，以及解釋這種結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。它包括下面的三個環(huán)節(jié)，核心是結(jié)構(gòu)和性能。4/22/202225 w 材料按化學(xué)組成（或基本組成）分類材料按化學(xué)組成（或基本

24、組成）分類w 根據(jù)材料的性能分類根據(jù)材料的性能分類 w 材料按服役的領(lǐng)域來分類材料按服役的領(lǐng)域來分類 w 材料按結(jié)晶狀態(tài)分類材料按結(jié)晶狀態(tài)分類w 材料按材料的尺寸分類材料按材料的尺寸分類 3 3、 材料的分類材料的分類4/22/202226按化學(xué)組成（或基本組成）分類按化學(xué)組成（或基本組成）分類金屬材料金屬材料是由化學(xué)元素周期表中的金屬元素組成的材料?？墒怯苫瘜W(xué)元素周期表中的金屬元素組成的材料?？煞譃榧兘饘?，由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素分為純金屬，由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素構(gòu)成的合金。構(gòu)成的合金。無機(jī)非金屬材料無機(jī)非金屬材料是由硅酸鹽、鋁酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽、

25、鍺是由硅酸鹽、鋁酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽、鍺酸鹽等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、酸鹽等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、鹵化物等原料經(jīng)一定的工藝制備而成的材料。它與廣義硅化物、鹵化物等原料經(jīng)一定的工藝制備而成的材料。它與廣義的陶瓷材料有等同的含義。一般將其分為傳統(tǒng)的（普通的）和新的陶瓷材料有等同的含義。一般將其分為傳統(tǒng)的（普通的）和新型的（先進(jìn)的）無機(jī)非金屬材料兩大類。型的（先進(jìn)的）無機(jī)非金屬材料兩大類。 有機(jī)高分子材料（高聚物）有機(jī)高分子材料（高聚物） 是由一種或幾種簡單低分子化合是由一種或幾種簡單低分子化合物經(jīng)聚合而組成的分子量很大的化合物。按材

26、料的性能和用途可物經(jīng)聚合而組成的分子量很大的化合物。按材料的性能和用途可將高聚物分為橡膠、纖維、塑料和膠粘劑等。將高聚物分為橡膠、纖維、塑料和膠粘劑等。復(fù)合材料復(fù)合材料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)不同的材料組合而成。由一種連續(xù)相（基體相）和增強(qiáng)相復(fù)合而成，既能料組合而成。由一種連續(xù)相（基體相）和增強(qiáng)相復(fù)合而成，既能保持原組成材料的重要特色，又通過復(fù)合效應(yīng)使各組分的性能互保持原組成材料的重要特色，又通過復(fù)合效應(yīng)使各組分的性能互相補(bǔ)充，獲得原組分不具備的許多優(yōu)良性能。相補(bǔ)充，獲得原組分不具備的許多優(yōu)良性能。4/22/202227根據(jù)材料的性能分類

27、根據(jù)材料的性能分類 根據(jù)材料在外場作用下其性質(zhì)或性能對外場的根據(jù)材料在外場作用下其性質(zhì)或性能對外場的響應(yīng)不同，材料可分為響應(yīng)不同，材料可分為結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料和和功能材料功能材料。 是以強(qiáng)度，剛度，韌性，耐勞性，硬是以強(qiáng)度，剛度，韌性，耐勞性，硬度，疲勞強(qiáng)度等力學(xué)性能為特征的材料。這種材料度，疲勞強(qiáng)度等力學(xué)性能為特征的材料。這種材料通常通常用來制造用來制造工具、機(jī)械、車輛和修建房屋、橋梁、工具、機(jī)械、車輛和修建房屋、橋梁、鐵路等。是人們熟悉的機(jī)械制造材料、建筑材料，鐵路等。是人們熟悉的機(jī)械制造材料、建筑材料，包括結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、鑄鐵、普通陶瓷、耐火材料、包括結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、鑄鐵、普通陶瓷、耐火材

28、料、工程塑料等傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料（一般結(jié)構(gòu)材料）以及工程塑料等傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料（一般結(jié)構(gòu)材料）以及高溫合金、結(jié)構(gòu)陶瓷等高級結(jié)構(gòu)材料。高溫合金、結(jié)構(gòu)陶瓷等高級結(jié)構(gòu)材料。 是以聲，光，電，磁，熱等物理性能是以聲，光，電，磁，熱等物理性能為特征的材料。被用于非結(jié)構(gòu)目的的高技術(shù)材料。為特征的材料。被用于非結(jié)構(gòu)目的的高技術(shù)材料。4/22/202228材料按服役的領(lǐng)域來分類材料按服役的領(lǐng)域來分類w 根據(jù)材料服役的技術(shù)領(lǐng)域可分為根據(jù)材料服役的技術(shù)領(lǐng)域可分為信息材料信息材料、航空航天材料航空航天材料、能能源材料源材料、生物醫(yī)用材料生物醫(yī)用材料等。等。w 信息材料信息材料是指用于信息的探測、傳輸、顯示、運(yùn)算和處理的光

29、是指用于信息的探測、傳輸、顯示、運(yùn)算和處理的光電信息材料。電信息材料。w 航空航天材料航空航天材料主要包括新型金屬材料（如先進(jìn)鋁合金、超高強(qiáng)主要包括新型金屬材料（如先進(jìn)鋁合金、超高強(qiáng)度鋼、高溫合金、高熔點(diǎn)合金、鈹及其合金）、燒蝕防熱材料度鋼、高溫合金、高熔點(diǎn)合金、鈹及其合金）、燒蝕防熱材料和新型復(fù)合材料。還包括一些功能材料，如涂層材料、隔熱材和新型復(fù)合材料。還包括一些功能材料，如涂層材料、隔熱材料、透明材料、阻尼材料、密封材料、潤滑材料、粘合劑材料料、透明材料、阻尼材料、密封材料、潤滑材料、粘合劑材料等。等。w 能源材料能源材料是指能源工業(yè)和能源技術(shù)所使用的材料，按使用目的是指能源工業(yè)和能源技

30、術(shù)所使用的材料，按使用目的不同分為新能源材料、節(jié)能材料和儲氫材料等。不同分為新能源材料、節(jié)能材料和儲氫材料等。w 生物醫(yī)用材料生物醫(yī)用材料是一類合成物質(zhì)或天然物質(zhì)或這些物質(zhì)的復(fù)合，是一類合成物質(zhì)或天然物質(zhì)或這些物質(zhì)的復(fù)合，它能作用一個系統(tǒng)的整體或部分，在一定時期內(nèi)治療、增強(qiáng)或它能作用一個系統(tǒng)的整體或部分，在一定時期內(nèi)治療、增強(qiáng)或替換機(jī)體的組織、器官或功能。醫(yī)用高分子材料包括合成和天替換機(jī)體的組織、器官或功能。醫(yī)用高分子材料包括合成和天然高分子，已被廣泛用于韌帶、肌腱、皮膚、血管、角膜、人然高分子，已被廣泛用于韌帶、肌腱、皮膚、血管、角膜、人工臟器、骨和牙等人體軟、硬組織及器官的修復(fù)和制造。工臟

31、器、骨和牙等人體軟、硬組織及器官的修復(fù)和制造。4/22/202229材料按結(jié)晶狀態(tài)分類材料按結(jié)晶狀態(tài)分類單晶材料單晶材料是由一個比較完整的晶粒構(gòu)成的材料，如單晶是由一個比較完整的晶粒構(gòu)成的材料，如單晶纖維、單晶硅。纖維、單晶硅。多晶材料多晶材料是由許多晶粒組成的材料，其性能與晶粒大小、是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。晶界的性質(zhì)有密切的關(guān)系。非晶態(tài)材料非晶態(tài)材料是由原子或分子排列無明顯規(guī)律的固體材料，是由原子或分子排列無明顯規(guī)律的固體材料，如玻璃、高分子材料。如玻璃、高分子材料。準(zhǔn)晶材料準(zhǔn)晶材料是指準(zhǔn)周期性晶體材料的簡稱，準(zhǔn)晶仍然是晶是指準(zhǔn)周期性晶體材料的簡稱，

32、準(zhǔn)晶仍然是晶體，準(zhǔn)晶中的原子分布有嚴(yán)格的位置序，但位置序無周體，準(zhǔn)晶中的原子分布有嚴(yán)格的位置序，但位置序無周期性，即沒有周期性平移對稱關(guān)系，在準(zhǔn)晶材料中存在期性，即沒有周期性平移對稱關(guān)系，在準(zhǔn)晶材料中存在不符合傳統(tǒng)晶體學(xué)的五次、八次、十二次對稱軸。不符合傳統(tǒng)晶體學(xué)的五次、八次、十二次對稱軸。 準(zhǔn)晶從結(jié)構(gòu)角度看是一種新的物質(zhì)形態(tài)，但實(shí)際上準(zhǔn)晶從結(jié)構(gòu)角度看是一種新的物質(zhì)形態(tài)，但實(shí)際上它們僅在特定的金屬合金中形成，是成分范圍較窄的金它們僅在特定的金屬合金中形成，是成分范圍較窄的金屬間化合物。（如：屬間化合物。（如：Mg-Zn-YMg-Zn-Y）4/22/202230材料按材料的尺寸分類材料按材料的尺

33、寸分類 按材料的尺寸可分為按材料的尺寸可分為零維材料、一維材料、二維材料、零維材料、一維材料、二維材料、三維材料三維材料。 零維材料零維材料即超微粒子，通過即超微粒子，通過Sol-gelSol-gel法、多相沉積或激法、多相沉積或激光等方法，可以制備出亞微米級的陶瓷或金屬粉末，大小光等方法，可以制備出亞微米級的陶瓷或金屬粉末，大小1100nm1100nm的超微粒。的超微粒。 一維材料一維材料：如光導(dǎo)纖維由于其信息傳輸量遠(yuǎn)比銅、鉛的：如光導(dǎo)纖維由于其信息傳輸量遠(yuǎn)比銅、鉛的同軸電纜大，而且光纖有很強(qiáng)的保密性，所以發(fā)展很快。實(shí)同軸電纜大，而且光纖有很強(qiáng)的保密性，所以發(fā)展很快。實(shí)用纖維為碳纖維、硼纖維

34、、陶瓷纖維。纖維中強(qiáng)度和剛度最用纖維為碳纖維、硼纖維、陶瓷纖維。纖維中強(qiáng)度和剛度最高的要算晶須。高的要算晶須。 二維材料（薄膜）：二維材料（薄膜）：如金剛石薄膜、高溫超導(dǎo)薄膜、半如金剛石薄膜、高溫超導(dǎo)薄膜、半導(dǎo)體薄膜。由于薄膜的電子所處狀態(tài)和外界環(huán)境的影響，可導(dǎo)體薄膜。由于薄膜的電子所處狀態(tài)和外界環(huán)境的影響，可表現(xiàn)出不同的電子遷移規(guī)律，完成特定的電學(xué)、光學(xué)或電子表現(xiàn)出不同的電子遷移規(guī)律，完成特定的電學(xué)、光學(xué)或電子學(xué)功能。學(xué)功能。 三維材料三維材料即塊狀材料。（即塊狀材料。（等徑角擠壓法制備塊體超細(xì)晶等徑角擠壓法制備塊體超細(xì)晶材料的工藝研究材料的工藝研究） 4/22/2022314 4、材料的應(yīng)

35、用、材料的應(yīng)用w 讓我們回顧幾項有影響的事例，以便加深理解材料的發(fā)展在讓我們回顧幾項有影響的事例，以便加深理解材料的發(fā)展在人類社會發(fā)展中起了舉足輕重的作用。人類社會發(fā)展中起了舉足輕重的作用。w 計算機(jī)與材料計算機(jī)與材料 1 1、計算機(jī)經(jīng)歷：電子管、計算機(jī)經(jīng)歷：電子管晶體管晶體管集成電路時代集成電路時代 2 2、個人電腦移動存儲器的比較、個人電腦移動存儲器的比較 材料科學(xué)的發(fā)展是計算機(jī)飛速發(fā)展的基礎(chǔ)。材料科學(xué)的發(fā)展是計算機(jī)飛速發(fā)展的基礎(chǔ)。 4/22/2022324/22/2022334/22/202234w 飛機(jī)和材料飛機(jī)和材料 從萊特兄弟實(shí)現(xiàn)飛行的夢想以來，航空和航天器發(fā)生了巨變。從萊特兄弟實(shí)

36、現(xiàn)飛行的夢想以來，航空和航天器發(fā)生了巨變。為了飛得快和遠(yuǎn)，就要采用強(qiáng)度高和比重小的材料，重視材料的比為了飛得快和遠(yuǎn)，就要采用強(qiáng)度高和比重小的材料，重視材料的比強(qiáng)度，即強(qiáng)度強(qiáng)度，即強(qiáng)度/ /比重之比。因此，航空和航天器中鋁、鎂合金用量比重之比。因此，航空和航天器中鋁、鎂合金用量大。隨著航空技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，輕質(zhì)和高比強(qiáng)度的鈦合金、碳纖大。隨著航空技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，輕質(zhì)和高比強(qiáng)度的鈦合金、碳纖維高分子復(fù)合材料、硼纖維金屬復(fù)合材料等得到愈來愈多的采用。維高分子復(fù)合材料、硼纖維金屬復(fù)合材料等得到愈來愈多的采用。4/22/202235美國的航天飛機(jī)美國的航天飛機(jī)4/22/202236 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)用場合很特殊。通常用于需要抗腐蝕，耐疲勞，高彈性的場合 4/22/202237原來使用專用的汞合金，為防止金屬合金的分解已經(jīng)開發(fā)出一種可以滿足口腔中特殊的物理及化學(xué)環(huán)境的新型陶瓷。具體來講，它需要滿足下列要求：耐口腔中的酸；低熱導(dǎo)率（這對你吃冷飲有好處）；盡得住數(shù)年的咀嚼力；耐驟冷驟熱；當(dāng)然還要口感舒適。 4/22/202238 碳、硼纖維及環(huán)碳、硼纖維及環(huán)氧化合物復(fù)合材料非氧化合物復(fù)合材料非常輕，可以在某特定常輕，可以在某特定方向上增加強(qiáng)度（用方向上增加強(qiáng)度（用于特殊目的）于特殊目的）。 4/22/202239 材料的主要性能