材料科學(xué)基礎(chǔ)第一章概述

1、材料科學(xué)基礎(chǔ)第一章緒論第二章怎么做：從原料到產(chǎn)品第三章怎么樣：從結(jié)構(gòu)到功能第四章是什么：從宏觀到微觀第五章納米材料第一章緒論1、什么是材料2、材料的地位3、材料的分類4、常見材料的用途5、材料研究的內(nèi)涵- 四要素6、材料研究的外延- 相關(guān)學(xué)科7、材料的學(xué)科定位材料是用來制造器件的物質(zhì)。人類文明的發(fā)展依賴于材料的進(jìn)步。舊石器時代：約170 萬年前 約公元前8000 年新石器時代：約公元前8000 年 約公元前3000 年青銅器時代：約公元前3000 年 約公元前1000 年鐵器時代：約公元前1000 以后鋼鐵時代：1850 年以后鋼鐵時代1854 和 1864 年發(fā)明了轉(zhuǎn)爐和平爐煉鋼。新材料時代

2、半導(dǎo)體材料的發(fā)展制作越來越小的硅芯片新材料時代，這一時代的特征是: 不像以前的各個材料時代，它是一個由多種材料決定社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的時代;新材料以人造為特征，而不是在自然界中有現(xiàn)成的。高溫合金的高溫超導(dǎo)體，高溫發(fā)展，摻鎳合超導(dǎo)的革命時代。金促進(jìn)了噴氣發(fā)動機(jī)的發(fā)展人類文明社會的先導(dǎo)-新材料一、材料的發(fā)展史，就是 人類社會 的發(fā)展史二、材料的發(fā)展史，就是科 學(xué)技術(shù) 的發(fā)展史材料的分類從化學(xué)組成和原子結(jié)構(gòu)角度分類金屬材料(Metals)無機(jī)非金屬材料(Ceramics)尼龍的商業(yè)發(fā)展是高分子材料發(fā)展的關(guān)鍵時期1高分子材料(Polymers)復(fù)合材料(Composites)從特性和性質(zhì)角度分類結(jié)構(gòu)材料(

3、力學(xué)性能 )功能材料(化學(xué)性能和物理性能)從應(yīng)用角度分類航空材料建筑材料電子材料半導(dǎo)體材料生物材料智能材料納米材料主要材料的特性和用途金屬材料化學(xué)組成和原子結(jié)構(gòu)金屬材料是由一種或幾種金屬元素以及少量的非金屬元素的無機(jī)物。合金是由兩種或兩種以上的金屬元素和非金屬元素構(gòu)成的，其中至少一種是金屬元素。金屬元素 : iron(Fe), copper (Cu), aluminum (Al),magnesium(Mg),nickel(Ni), titanium(Ti)非金屬元素 : Carbon(C), nitrogen (N), oxygen (O),晶體結(jié)構(gòu)是原子定向排列。具有大量的自由電子。金屬的性

4、質(zhì)具有一定的強(qiáng)度塑性，好的延展性，電和熱的良導(dǎo)體，對可見光不透明，表面有金屬光澤。金屬的分類黑色金屬金屬鐵、鉻、錳及其合金。有色金屬其他金屬及合金。又分為重金屬、輕金屬、貴金屬和稀有金屬等。例如：銅、鉛、鋅、鎳；鋁、鎂、鈦；金、銀、鉑；鎢、鉬、鉭、鈮、鈾、銦、鍺及稀土金屬等。2典型金屬材料品種 ：低碳鋼、高碳鋼、合金鋼、不銹鋼、工具鋼、耐熱鋼、彈簧鋼鑄鐵 鋁合金 鎂合金 銅合金 鋅合金 鎳合金 硬質(zhì)合金無機(jī)非金屬材料化學(xué)組成和原子結(jié)構(gòu)無機(jī)非金屬材料是由金屬元素和非金屬元素的化合物組成的。氧化物，氮化物，碳化物等等晶體，非晶體和它們的混合物。例如：粘土磚，玻璃，氧化鋁陶瓷等等。無機(jī)非金屬材料的性

5、質(zhì)重量輕 硬度高 抗磨損 強(qiáng)度高 可塑性差 高的化學(xué)和高溫穩(wěn)定性 電和熱的不良導(dǎo)體熱膨脹率低無機(jī)非金屬材料的分類水泥 玻璃 傳統(tǒng)陶瓷特種陶瓷耐火材料人工晶體3高分子材料高分子材料是由有機(jī)化合物構(gòu)成。大部分是非晶體，少部分是晶體和非晶體的混合物。主要分為塑料、纖維和橡膠。例如：聚乙烯，聚氯乙烯等等。高分子材料的性質(zhì)大范圍的延展性重量輕電和熱的不良導(dǎo)體較低的軟化和分解溫度熱膨脹率高通用高分子材料塑料：聚乙烯，聚丙烯，聚四氟乙烯橡膠：丁苯橡膠纖維：尼龍?zhí)厥飧叻肿硬牧蠞M足特殊需求產(chǎn)量較小高附加值復(fù)合材料復(fù)合材料是兩種或多種材料構(gòu)成的，具有新結(jié)構(gòu)或功能特性并且不再保留單個元素性質(zhì)的材料。它的性能每個組元

6、所決定。4復(fù)合材料的分類 -按相的排列方式顆粒狀的纖維狀的層片狀的兩種優(yōu)異的現(xiàn)代復(fù)合材料：玻璃鋼碳纖維增強(qiáng)傳感器：感知環(huán)境變化，信號輸入。半導(dǎo)體材料電阻率介于導(dǎo)體和絕緣體之間。電性能對化學(xué)組分極端敏感。智能材料智能材料是一類很有趣的材料，它們能感知環(huán)境的變化，并且能根據(jù)預(yù)先的設(shè)置作出相應(yīng)的反應(yīng)。智能材料的類型壓電 /鐵電材料各種傳感器形狀記憶合金形狀記憶高分子電流變體敏感材料光纖傳感器壓電材料驅(qū)動器（執(zhí)行器）：執(zhí)行響應(yīng)行為，結(jié)果輸出。形狀記憶合金壓電材料電光材料磁致伸縮材料納米材料 ：納米材料、納米結(jié)構(gòu)指的是尺度在納米(10-9m)范圍內(nèi)的材料或結(jié)構(gòu)，一般認(rèn)為要小于 100nm。材料科學(xué)與工程

7、研究的內(nèi)涵：5所有的器件都是由材料制成的。材料的性質(zhì)決定了它的用途。1. 材料科學(xué)與工程的四要素2. 材料科學(xué)與工程材料的性質(zhì)依賴于材料的結(jié)構(gòu)，而材料的結(jié)構(gòu)有利賴于它的組成與合成制備工藝。合成制備組成與結(jié)構(gòu)性質(zhì)使用性能性質(zhì)結(jié)構(gòu)合成制備組成與結(jié)構(gòu)每個特定的材料都含有一個以原子和電子尺度到宏觀尺度的結(jié)構(gòu)體系；大多數(shù)材料結(jié)構(gòu)尺度上的化學(xué)成分和分布是立體變化的；結(jié)構(gòu)上幾乎無限的變化同樣會引起與此相應(yīng)的一系列復(fù)雜的材料性質(zhì)。性質(zhì)（ Properties）：材料的功能特性和效用（力、電、熱、磁、光等性質(zhì)）。材料功能特性和效用（如電、磁、光、熱、力學(xué)等性質(zhì)）的定量度量和描述材料對外界刺激（如電場、磁場、溫度

8、場、力場等）的整體響應(yīng)是合成或加工后材料結(jié)構(gòu)和合成制備（ Processing）：實現(xiàn)了特定的原子排列（微觀） ，從微觀尺度到宏觀尺度的所多有尺度上對結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制以及高效而有競爭力地制造材料和零件的演變過程成分所產(chǎn)生的結(jié)果。合成制備 （Processing）：實現(xiàn)了特定的原子排列（微觀） ，從微觀尺度到宏觀尺度的所多有尺度上對結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制以及高效而有競爭力地制造材料和零件的演變過程。合成和加工是指建立原子、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結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制以及高效而有競爭力地制造材料和零件的演變過程。合成6指原子和分子組合在一起制造新材料的物理和化學(xué)方法，包括合成新材料

9、、用新技術(shù)合成已知的材料或?qū)⒁阎牧虾铣蔀樾碌男问?、將已知材料按特殊用途的要求來合成。加工除了上述三個方面外，還包括在較大尺度上的改變，有時也包括材料制造等工程問題。合成和加工的區(qū)別已變得模糊。使用性能 （Performance）：可靠性、安全性、有效壽命等。材料在最終使用狀態(tài)下的行為，是材料固有性質(zhì)與產(chǎn)品設(shè)計、工程能力和人類需要相融合的一個要素。使用性能7包括可靠性、有效壽命、速度、能量利用率、安全性和壽命期費用等材料在最終使用狀態(tài)時的行為材料固有性質(zhì)與產(chǎn)品設(shè)計、工程能力和人類需要相融合在一起的一個要素取決于材料的基本性能，也應(yīng)注意加工工藝技術(shù)的影響3. 為什么要研究材料科學(xué)與工程 ?材料研究的途徑從研究微觀結(jié)構(gòu)入手，從最小的因素著手，研究合成制備工藝對微觀結(jié)構(gòu)的影響，研究微觀結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關(guān)系。8為什么要研究材料科學(xué)與工程把材料科學(xué)與材料工程兩方面的知識結(jié)合起來，使工程師能夠把材料制成社會需要的產(chǎn)品。材料科學(xué)與