材料與人類文明第一章

1、1安徽建筑大學材料與化學工程學院安徽建筑大學材料與化學工程學院材料科學與人類文明材料科學與人類文明桅桿相機桅桿相機火星手持透鏡成像儀火星手持透鏡成像儀火星降落成像儀火星降落成像儀火星樣本分析儀（火星樣本分析儀（質譜儀、氣相色譜儀和激光分光計）第一章 緒 論1. Materials and MSE2. History of materials3. Classification of materials4. Environmental and other effects5. Development of MSEWhat is this?Where does it belong?Is there a

2、ny story?What is the relationship between it and human civilization ？世界第一高樓的變遷人壽保險大樓 1909-1913(214m) 川普大樓 1930(282m) 帝國大廈 1931-1972(381m) 西爾斯大樓 1974-1998(442m) 伍爾沃斯大樓 1913-1930(241m) 克萊斯勒大樓 1930-1931(318.9m) 世貿大廈 1972-1974(417m) 雙子星石油大廈 1998-2004(452m) 人壽保險大樓 1909-1913(214m) 伍爾沃斯大樓 1913-1930(241m) 川

3、普大樓 1930(282m) 臺北1012004-2010(509m) 迪拜塔2010- (828m) 1.什么是材料?材料是由一定配比的若干相互作用的元素組成、具有一定結構層次和確定性能，并能用于制造物品、器件、構件、機器或其他產(chǎn)品的物質。注意:材料是物質，但不是所有物質都可以稱為材料。例如用鐵礦石和焦碳煉成鋼鐵，鐵礦石和焦碳是原料，而鋼鐵是材料，可用于制成各種機械、汽車、飛機等。大多數(shù)的物質需通過一定的工藝過程才能轉化為材料，如玻璃的制備。材料制備兩個過程， 材料合成，即通過原料質的化學反應過程實現(xiàn)； 材料化過程，保證它的物性、強度、形狀。材料可由一種物質或若干種物質構成.同一種物質,由于

4、制備或加工方法不同,可成為用途不同不同類型的材料.寶石基板材料切削工具激光材料催化劑載體高溫爐管Al2O3材料存在于我們的周圍，與我們的生活、我們的生命息息相關。生活中的材料 可口可樂容器鋁金屬材料玻璃無機非金屬材料塑料高分子材料新技術的發(fā)展離不開材料的發(fā)展, 只有開發(fā)制備出了滿足性能需要的新材料后, 技術創(chuàng)新才可能實現(xiàn), 我們的生活才會豐富多彩.例如,半導體材料的發(fā)展促進了微電子領域的發(fā)展, 單晶硅的開發(fā)成功開創(chuàng)了嶄新的信息時代.2. 材料的發(fā)展與人類文明材料是人類文明的里程碑;材料是人類賴以生存和發(fā)展的重要物質基礎；人類的歷史曾以使用的主要材料來加以劃分。1）材料發(fā)展的歷史人類的文明史就是

5、材料的發(fā)展史是人類學習利用材料、制造材料、創(chuàng)新材料的歷史。新石器時代（距今10000-4000年）舊石器時代（10000年前）陶器磨制石器7000年前青銅時代（1）公元前5000年鐵器時代（1）公元前1200年鐵器時代（2）2）材料發(fā)展近代史以1712年蒸汽機發(fā)明為起點，近300年來，人類經(jīng)歷了4次技術革命。蒸汽機 電 原子能 計算機、生物、空間技術18世紀末 19世紀末 20世紀中期20世紀70年代紡織冶金機械造船電子石油化工電氣合成材料半導體材料新型無機材料高分子材料新型金屬材料復合材料人類進入了人造材料的階段：第一階段：材料初級合成階段。陶器、磚瓦 、銅、鐵、合金、玻璃、水泥化學范疇。第

6、二階段： 一方面從化學角度出發(fā)，研究材料化學組成、化學鍵、結構及合成方法；另一方面從物理的角度，研究材料的組成、結構及性能的關系材料科學形成。第三階段：采用天然原料或合成原料，有目的地利用一系列物理與化學原理與現(xiàn)象來制造新材料，材料的合成制造方法得到了極大地豐富，合成出一系列高性能結構材料和功能材料材料科學與工程。3）當代材料的發(fā)展木制木制金屬合金復合材料材料是人類生存、社會發(fā)展、科技進步的物質基礎、現(xiàn)代科技發(fā)展的先導。如2005/2006/2007年，全球水泥產(chǎn)量22.20/24.5/27億噸，中國生產(chǎn)10.60/12.36 /13.6億噸；全球粗鋼產(chǎn)量11.29/12.4/13.44億噸，

7、中國產(chǎn)量為3.49/4.19/4.89億噸，高爐鐵全球產(chǎn)量為7.78/8.67/9.44億噸，中國產(chǎn)量3.30/4.05/4.69億噸。我國是材料大國，但不是材料強國。材料是當代文明的三大支柱之一材料、能源、信息是當代社會文明和國民經(jīng)濟的三大支柱，是人類社會進步和科學技術發(fā)展的物質基礎和技術先導。材料是全球新技術革命的四大標志之一新材料技術、新能源技術、信息技術、生物技術。新型材料的研究、開發(fā)與應用反映一個國家的科學技術與工業(yè)水平，關系到國家的綜合國力與安全。4）材料在國民經(jīng)濟中的地位波音777客機上的發(fā)動機的壓縮機、葉片及緊固件鈦結構自行車：“自行車發(fā)燒友” 選擇鈦合金制自行車。鈦合金的應用

8、場合很特超級鋼殊。通常用于需要抗腐蝕，耐疲勞，高彈性的場合。超級鋼：汽車用鋼，比原先的輕24%，而強度高34%，稱為超級鋼材料和生活用品磁懸浮列車Maglev trainmagnetically levitated train核磁共振儀NMR - Nuclear magneticresonance instrumentThe first computer appearin the world in 1946, whichoccupy the area of 170 m2,and weigh 30 ton. Itsrunning speed is 5000time/s (現(xiàn)幾百億次/秒).The

9、 discovery of silicon singlecrystals and an understandingof their properties haveenabled the information age.摩爾定律每兩年芯片的計算能力就會翻倍.四個階段:Radio/vacuum tube 電子管Transistor 晶體管Integrated circuit 集成電路Very large scale integrated circuit超大規(guī)模集成電路19270C發(fā)動機溫度一次大戰(zhàn)水冷式1490C30年代空冷式3150C風扇噴氣發(fā)動機6490C蝸輪噴氣發(fā)動機10930C超音速燃燒沖

10、壓式噴氣發(fā)動機溫度（0C）每減少1kg所收獲效益速度與效益小飛機波音707運輸機直升機戰(zhàn)斗機噴氣式機超音速飛機近地衛(wèi)星衛(wèi)星飛機速率10210103104金屬玻璃纖維 KavlarC/C復合材料導彈射程火箭殼體材料與導彈射程+595+390+175Km30年代教練機二次大戰(zhàn)戰(zhàn)斗機80年代截擊機航天飛機東方快車號10931649538490C 不同類型的飛行器蒙皮溫度93.30C4270C10930C16490C溫度（0C）按化學組成分類按材料的功能分類按材料的性能分類按材料的應用分類按材料結晶狀態(tài)分類按材料的尺寸分類3. 材料的分類黑色、有色 、特殊金屬材料高分子材料塑料、橡膠、纖維、涂料、粘合

11、劑復合材料金屬基、陶瓷基、樹脂基、碳-碳材料1)按化學組成分類無機非金屬材料水泥、陶瓷、玻璃、耐火材料金屬材料Co+WC（硬金屬）Fe,Al,Cu鋼鐵橡膠（輪胎）無機非金屬Al2O3Si3N4，SiC玻璃有機高分子熱塑性塑料彈性體有機纖維陶瓷高分子玻璃纖維樹脂碳纖維+環(huán)氧樹脂四大類傳統(tǒng)材料金屬陶瓷 金屬、合金 金屬高分子各種金屬零部件高溫結構陶瓷零件工程塑料制成的零件復合材料用碳纖維增強環(huán)氧樹脂制得的高爾夫球桿強度高、重量輕、剛性好。Strength (psi)Al2O3200,0000100,00000300,0000無機非金屬SiCSi3N4有機高分子 ZrO2PEEKNylonPolye

12、thylene復合材料 Carbon-epoxy Kevlar-epoxy Boron-Polyimide Carbon-polyimide Glass-polyester金屬、合金Cobalt alloyHigh strengthsteelAlloy steelCu-Be alloyNickel alloyTitanium alloyCu-Zn brassAluminumalloyZinc alloyLead各種材料的典型強度2)按材料的功能分類結構材料智能材料光學材料生物材料電子材料能源材料航空、航天材料功能材料磁性材料結構材料航空、航天材料能源材料生物材料電子材料光學材料磁性材料3）按材

13、料的性能分類按物理性質分為： 導電材料、半導體材料絕緣材料、磁性材料透光材料、高強度材料高溫材料、超硬材料等按物理效應分為：壓電材料、熱電材料鐵電材料、非線性光學材料磁光材料、電光材料聲光材料、激光材料等壓電晶體光電晶體形狀記憶合金(a) 原始形狀(b) 拉 直(c) 加熱后恢復形狀記憶效應簡易演示實驗4）按材料的應用分類電子材料、電工材料、光學材料、感光材料耐蝕材料、研磨材料、耐火材料、建筑材料結構材料、包裝材料等。建筑材料5）按材料的結晶狀態(tài)分類單晶材料：由一個比較完整的晶粒構成的材料，單晶纖維、單晶硅；多晶材料：由許多晶粒組成的材料，其性能與晶大小、晶界的性質有密切的關系。非晶態(tài)材料：由

14、原子或分子排列遠程無序的固體料，如玻璃、高分子材料。單晶金剛石綠寶石Beryls金綠柱石Heliodor紅綠柱石紅寶石Ruby尖晶石 Spinel玉石 Jade黃玉 Topaz液 晶6）按材料的尺寸分類零維材料一維材料即超微粒子大小1100nm的超微粒光導纖維、碳纖維、硼纖維、陶瓷纖維。晶須強度和剛度最高。二維材料體薄膜三維材料金剛石薄膜、高溫超導薄膜、半塊狀材料。4. 材料科學與工程材料科學與工程是關于材料成分、結構、工藝和它們性能與應用之間有關知識開發(fā)和應用的科學。它是一個多學科的交叉領域，是從科學到工程的一個專業(yè)連續(xù)領域。材料科學專注于理解材料成分、結構、工藝和它們性能之間的關系。材料工

15、程則著重于將物質或原料轉變成具有適當結構、滿足使用性能要求的材料材料化過程。材料科學與工程（MSE）的形成MSE是多學科性的交叉學科。A 固體物理B 材料工程AB60年代AB20年代MS材料科學70年代以后BMS40年代MSE材料科學與工程材料學科的細分化到綜合（一）金屬材料礦冶學化學冶金物理冶金力學冶金粉末冶金黑色冶金有色冶金黑色金屬材料有色金屬材料稀有金屬材料金屬材料工程金屬材料熱處理及表面技術粉末冶金高分子材料與工程無機化學無機化工有機化學有機化工材料學科的細分化到綜合（二）硅酸鹽材料學陶瓷玻璃水泥耐火材料化學高分子化學高分子物理高分子物理化學無機非金屬材料工程材料學科的細分化到綜合（三

16、）金屬材料無機非金屬材料高分子材料材料力學無機化學固態(tài)化學金屬物理固體物理復合材料與工程材料化學材料物理材料科學與工程學科以數(shù)學、力學及物理、化學自然科學為基礎，以工程學科為服務和支撐對象，是一個理工結合、多學科交叉的新興學科，其研究領域涉及自然科學、應用科學和工程學。材料科學與工程(一級學科)全材料科學的形成材料物理與化學材料學材料加工工程二級學科材料物理與化學以理論物理、凝聚態(tài)物理和固體化學等為理論基礎，應用現(xiàn)代物理與化學研究方法和計算技術，研究材料科學中的物理與化學問題。從電子、原子、分子等層次上著重研究材料的微觀組織結構的轉變規(guī)律，以及它們與材料的各種物理、化學性能之間的關系，并運用這

17、些規(guī)律來改進材料性能，研究開發(fā)先進材料與器件，發(fā)展材料科學的基礎理論，探索從基本理論出發(fā)進行材料設計，著重現(xiàn)代物理與化學的新概念和新方法在材料研究中的應用。材料學研究材料的組成、結構、工藝、性質和使用性能之間的相互關系，致力于材料的性能優(yōu)化、工藝優(yōu)化及材料的開發(fā)與合理應用。是應用性比較強的應用基礎學科，其研究既要探討材料的普遍規(guī)律，又要有重要的工程價值。研究的范圍包括金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料和復合材料。材料學及其發(fā)展不僅與揭示材料本質和演化規(guī)律的材料物理與化學有關，而且和提供材料工程技術的材料加工過程學科有密切的關系。材料加工工程是研究控制材料的外部形狀和內部組織結構，以及將材料加

18、工成人類社會所需求的各種零部件及成品的應用技術的學科。其研究范圍包括金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料和復合材料等，主要研究這些材料的外部形狀和內部組織結構形成規(guī)律，材料加工的先進技術和相關工程問題，材料的再循環(huán)技術，加工工程的自動化、智能化及集成化，材料加工工程的質量檢測與控制，材料加工工程模擬仿真，材料加工的模具和關鍵設備的設計與改進。材料學科的交叉和滲透金屬基基復合材料 屬材料 物理冶金陶瓷樹脂基三大材料的交叉，衍生力學 斷裂物理、斷裂化學許多復合材料。 金屬位錯理論解釋陶瓷出 裂、化學、物理化學向無機和有機材料 變和斷裂行為。交叉和滲透。高分子物理學 Griffith裂紋強度理論基礎

19、學科向各材料學科 三大材料的固體物理學、固體化學、的各材料學科之間的相互滲透、移植與借鑒。在制造技術上也是互相滲透和借鑒。料中得到廣泛應用。如等離子技術在冶金工業(yè)、金屬材料焊接、表面化學熱處理、氣相沉新技術在各類材 積、高分子和無機非金屬材料等領域得到廣泛應用。物理、化學、力學、熱力學、動力學+金固體物理+金屬學 金屬物理學斷物理滲透 無機材料化學、晶體學、晶體化學等材料科學粉末冶金 金屬陶瓷術塑料壓延成型來自于金屬板材軋制成型的形變、高溫強度與蠕各類材料互相交叉、滲透、移植、借鑒，已融合而成為具有共同的理論基礎、相近的測試技術和基礎技術的一門新的綜合科學材料科學與工程。材料科學與工程的四要素

20、性質/使用性能（工程）（化學）結構（物理學）組成合成與加工探索這四個要素之間的關系, 涵蓋從基礎學科到工程的全部內容。組成與結構化學組成：構成材料的元素組成晶體：原子排列長程有序，有周期非晶體：原子排列短程有序，無周期合成與加工合成是指把各種原子或分子結合起來，制成材料所采用的各種化學方法和物理方法。加工是指材料制造。包括傳統(tǒng)的冶煉、熔融、制粉、成型、鍛、焊接等，也包括新發(fā)展的真空濺射、氣相沉積等新工藝。合成是新技術開發(fā)的關鍵性要素、人造材料的唯一實現(xiàn)途徑性能材料的性質 是指材料對電、磁、光、熱、機械載荷的反應，主要決定于材料的組成與結構力學性質物理性質化學性質強度、硬度、鋼度、塑性、韌性電學

21、性質、磁學性質、光學性質、熱學性質催化性質、防腐性質使用性能材料在使用狀態(tài)下表現(xiàn)的行為。它與材料設計、工程環(huán)境密切相關。包括可靠性、耐用度、壽命、性能價格比、安全性的各種性能指標。 什么結構特性制約了強度和成型性能? 什么性能控制強度?例一、汽車底盤材料性 質/使 用 性 能成本比強大小?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/制備如何控制制備過程以獲得高韌性、易成型的鋼鐵材料?如何制造空氣動力學性能好的汽車底盤?組成結構制備汽車底盤的材料要求：1)具有極高的強度，但易于成型，以制造出滿足空氣動力學要求的外形輪廓；2)考慮到能耗，鋼板必須薄而輕；3)為

22、增加汽車的安全性，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、強度、重量、能量吸收性能以及延展性材料科學家需從顯微結構上檢驗鋼材，以確定該材料是否滿足上述要求；同時還需采用低成本的制造方法。在材料選擇和設計過程中還必須考慮：成型過程是否影響鋼材的力學性能？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。性質/性能成本電流輸運能力?制冷和制造成本? 什么結構特性制約了電流的輸運能力? 材料的織構如何?顯微結構YBa2Cu3O7-xTiBa2Ca3Cu4O11Bi2Sr2Ca2Cu3O10組成合成/制備如何制備化學劑計量的、純的、均勻的粉末？我們如何制得長的超導線?

23、例二、高溫超導體組成-合成/制備-結構-性質/性能無機非金屬材料通常是電絕緣體.釔鋇銅氧( Yttrium barium copper oxides - YBCO) 在一定條件下為零電阻而可以導電,其導電的主要條件是在低溫下 (150K).那么,如何在高溫下保持材料的超導性能呢?如何來長距離傳輸大電流呢?采用何種低成本的方法制備可靠的、重復性能好的超導導線呢?陶瓷超導體通常是脆性的，制備長導線是一個挑戰(zhàn)，對材料的制備技術提出了新的要求。目前的解決途徑是首先制備中空銀導線，再將超導粉體裝入其中，然后拉伸成導線。例三、三種不同的氧化鋁材料單晶多晶、低孔隙率多晶、高孔隙率制備加工過程對產(chǎn)品性能的影響5. 環(huán)境及其它影響材料的因素材料設計及選用時需考慮溫度、循環(huán)應力、突然撞擊、以及腐蝕和氧化等環(huán)境因素的影響。溫度: 溫度的猛然變化會改變材料的性能。金屬材料在高溫下突然失去強度極低溫條件下，金屬材料和高分子材料亦發(fā)生脆化。這就是Titanic號破裂和沉沒的原因; 1986“挑戰(zhàn)者”號載人航天飛機失事的部分原因也是由于橡膠O圈的脆化。材料強度隨溫度的變化腐蝕: 大多數(shù)金屬和高分子材料與氧氣和其它氣體均會發(fā)生反應，尤其是在較高溫度下。 材料也會受腐蝕性液體的侵蝕而永久損壞。在材料選擇時需考慮其使用條