材料科學與工程基礎.緒論pptx

材料科學與工程基礎材料科學與工程學院材料物理教研室李艷紅目錄第一章緒論第二章材料結構基礎第三章材料組成與結構第四章材料的性質第五章

材料的制備與成型加工aluminum(metal)cans,glassbottlesandplastic(polymer)bottles

1-1材料的定義、分類及基本性質1-2材料科學與工程概述1-3本課程的內容和學習方法第一章緒論

1-1材料的定義、分類及基本性質1-1-1定義1.材料

Materials我們的周圍到處都是材料我們的衣食住行的必備條件人類一切生活和生產活動的物質基礎先于人類存在，并且與人類的出現和進化有著密切的聯系。一、人類生活中的材料陶瓷藝術結束動畫圖片玻璃瓶結束動畫圖片門窗玻璃結束動畫圖片結束動畫圖片二、一些典型的高聚物材料塑料布結束動畫圖片特種工程塑料結束動畫圖片合成纖維結束動畫圖片一些典型的高聚物材料聚丙稀短纖維結束動畫圖片合成橡膠輪胎結束動畫圖片衣服

纖維結束動畫圖片循環(huán)體系人類使用材料是一巨大的、全球性的、時空無限的去動畫圖片開始

什么是材料？具體地說，材料是用來制造各種產品的物質，這些物質用來生產和構成功能更多、更強大的產品。金屬、陶瓷、玻璃、半導體、超導體、塑料、橡膠、纖維、砂子、石塊，還有許多復合材料都屬于材料的范疇。

礦物燃料、空氣和水，是否是材料？材料的定義Material：材料科學（工科）物質科學（理科）

材料是指具有滿足指定工作條件下使用要求的形態(tài)和物理性狀的物質。原料（RawMaterials）由原料到材料。原料一般不是為獲得產品，而是生產材料，往往

伴隨化學變化。材料的特點往往是為獲得產品，一般從材料到產品

的轉變過程不發(fā)生化學變化。2.原料與材料材料與物質(MaterialsandMatter)

材料可由一種或多種物質組成。

同一物質由于制備方法或加工方法不同可以得到用途各異、類型不同的材料。3.材料與物質1-1-2類別類別

材料可以根據化學組成、狀態(tài)、作用和使用領域分類?；瘜W組成分類狀態(tài)分類金屬材料無機非金屬材料有機高分子材料氣態(tài)固態(tài)液態(tài)單晶多晶復晶非晶作用分類Function功能材料結構(工程)材料應用領域分類Application建筑電子醫(yī)用儀表包裝耐火能源等等金屬材料(1)黑色金屬材料鋼Steel化學成分——碳素鋼、合金鋼品質——普通、優(yōu)質、高級優(yōu)質鋼金相組織或組織結構——珠光體、貝氏體、馬氏體和奧氏體用途——建筑工程、結構、工具、特殊性能、專業(yè)用鋼冶煉方法——平爐、轉爐、電爐、沸騰爐鋼鑄鐵灰鑄鐵可鍛鑄鐵球墨鑄鐵蠕墨鑄鐵特殊性能鑄鐵(2)有色金屬五大類輕金屬（<4.5g/cm3）鋁、鎂、鈉、鈣重金屬(>4.5g/cm3)銅、鎳、鉛、鋅貴金屬金、銀、鉑、銠類金屬（半）硅、硒、砷、硼稀有金屬鈦、鋰、鎢、鉬、鐳常用的有色金屬材料有：Al、Cu、Zn、

Sn、

Pb、Mg、Ni……(3)基本特性PrincipalProperties

a.

金屬鍵，常規(guī)法生產的金屬為晶體結構；

b.

常溫下固體，熔點較高；

c.

金屬光澤；

d.

純金屬范性大、展性、延性大；

e.

強度較高；

f.

自由電子的存在，導熱、導電性好；

g.

空氣中易氧化，如鋼、鐵等生成氧化膜，合金可改性抗氧化性。(4)用途Applicationa.

結構材料:如機床,建筑機械設備、工程交通工具；

b.

導體材料，電線芯（銅）

c.

工具無機非金屬材料（硅酸鹽材料）(1)分類（按成分，化學結構和用途分四大類）混凝土（水泥）玻璃Glass

硅及耐火材料Silicon

陶瓷（器）Ceramics

傳統(tǒng)陶瓷（天然硅酸鹽礦）：各中粘土燒制而成。

(SilicateCeramics)

特種陶瓷（人工化合物：氧化物、氮化物、硼化物、碳化物）(2)基本特性以陶瓷為例

a.

離子鍵、共價鍵及其混合鍵；

b.

硬而脆；

c.

熔點高、耐高溫抗氧化

d.

導熱、導電性差；

e.

耐化學腐蝕性好；

f.

耐磨；

g.

成型方式為粉末制壞、燒制成型(3)用途建筑衛(wèi)生陶瓷：瓷磚、浴缸。工程陶瓷工程結構陶瓷：反應釜（耐酸、耐腐蝕）絕緣瓷瓶。功能陶瓷：磁性、導電。Polymers,Macromolecules高分子材料(1)分類按主鏈結構Backbonechain碳鏈–C–C–C–雜鏈–C–N–C=O；–C–O–C–元素Si、P、B按使用性質塑料Plastics橡膠Rubber天然、合成纖維

Fiber天然、合成粘合劑Adhesive涂料Coating通用塑料、工程塑料熱塑性、熱固性以C、H、N、O等元素為基礎，由許多結構相同的小單位重復連接組成，含有成千上萬個原子，分子量很大，并在某一個范圍內變化著。(2)基本性質

a.

共價鍵，部分范氏鍵

b.

分子量大，無明顯熔點，有玻璃化轉變溫度Tg

和粘流溫度Tf；

c.

力學狀態(tài)有三態(tài)：玻璃態(tài)、高彈態(tài)、粘流態(tài)

d.

比重小

e.

絕緣性好

f.

優(yōu)越的化學穩(wěn)定性

g.

成型方法多(3)用途結構材料：電視機殼體、冰箱殼體、軸承、機械零件絕緣材料：漆包線、電纜、絕緣版、電器零件建筑材料：貼面板、地貼包裝材料：塑料袋、薄膜、泡沫塑料涂裝：涂料粘合劑：粘合劑日用：織物（衣服）膠鞋運輸：輪胎，傳送帶復合材料Composites定義：由兩種以上組分組成，并且具有與其組成不同的新的性能的材料(1)分類

按性能：

結構復合材料

功能復合材料

按增強劑形狀及增強機理：粒子增強

纖維增強基體

Matrix增強體

Reinforcement按復合方式分類金屬

金屬、無機非金屬無機非金屬

金屬、無機非金屬高分子(塑料、橡膠)金屬、無機非金屬、高分子(纖維)(2)基本性質

a.

抗疲勞性能良好；

b.

結構件減震性好；

c.

比強度和比模量高；

d.

耐燒能性和耐高溫性能好

e.

具有良好的減摩、耐摩和耐潤滑性能其它類型生物材料Biomaterials用于人體組織和器官的診斷、修復或增進其功能的一類高技術材料，即用于取代、修復活組織的天然或人造材料，其作用藥物不可替代。生物材料能執(zhí)行、增進或替換因疾病、損傷等失去的某種功能，而不能恢復缺陷部位。先進材料Advancedmaterials

納米材料，LED用材料，光纖等1-2-1材料的重要作用材料是人類社會發(fā)展的巨大推動力，制造生產工具的物質基礎是材料。石器時代——陶器時代——

青銅時代——鐵期時代——復合材料（圖）1-2材料科學與工程基礎概述自古以來，材料的發(fā)展水平就是人類社會文明程度的標志.人類文明史劃分依據:當時的代表性材料石器時代銅器時代鐵器時代……石器

陶

器銅

器

編

鐘鐵

器舉例

1764年工業(yè)革命，第一部機器（手搖）

1769年，水力紡紗機

1782年，蒸汽機為動力的紡紗機，紡織業(yè)（動力）瓦特發(fā)動機、傳動機、工作機——機器系列機器制造鐵——

冶煉業(yè)

木炭—大量砍伐；水土流失——

煤采礦業(yè)

攪煉法（鼓風）

煉鋼交通運輸業(yè)下一頁蒸汽機上一頁1945年電子管計算機，幾間大屋半導體——集成電路——小型芯片、液晶、分子器件、計算機（PC）手提電腦，掌上電腦材料品種：幾十萬種（手冊中）科學技術發(fā)展的三大支柱：

80年代

能源、材料、信息

90年代信息技術、新材料、生物技術

高速民航客機使用的復合材料，高比強、代替金屬、重量輕耐摩擦、熱氧穩(wěn)定、力學性能生物降解材料（環(huán)境保護）計算機、液晶顯示屏（低電壓）信息社會要術各種各樣光、電、磁、聲材料各種材料相互替換、復合、共性、特性，

納米材料目前下一頁返回1-2-2材料科學與工程基礎的范疇和任務（1）學科建立

EstablishmentofMaterialScienceandEngineering1960’s

金屬材料——金相學——金屬學

無機材料——無機化學——陶瓷學

高分子材料——高分子化學——高分子物理衛(wèi)星上天引發(fā)的震動“材料科學”概念的提出只是20世紀50年代末到60年代初的事情。1957年，前蘇聯人造衛(wèi)星首先上天，對美國人觸動很大。1957年10月和11月，蘇聯先后發(fā)射了兩顆重量分別為80kg和500kg的人造衛(wèi)星。直到第二年的1月底，美國才發(fā)射了一個重量僅8kg的人造衛(wèi)星。58

由于當時正是蘇美兩國爭奪世界霸權的冷戰(zhàn)時代，這件事在美國朝野引起很大震動。各有關部門聯合向總統(tǒng)提出報告，認為美國落后于蘇聯的原因主要在于先進材料的研究開發(fā)方面。

1958年3月，美國總統(tǒng)發(fā)布了“全國材料規(guī)劃”，決定由12所大學成立材料科學研究中心，采用先進的科學理論和實驗方法對材料進行深入研究，從此出現了“材料科學”一詞。

1966年，美國麻省理工學院將“冶金系”改為“冶金與材料科學系”，1975年又將其更名為“材料科學與工程系”。這標志著人們開始把材料的研究作為自然科學的一個分支，從此“材料科學”學科開始興起。材料的獲得，質量的改進和使材料成為人們可用的器件或構件都離不開生產工藝和制造技術等工程知識，因此將材料科學與工程相提并論了592.20世紀上半葉基礎學科的發(fā)展奠定了材料科學的基礎

量子力學、固體物理、無機化學、有機化學、物理化學等基礎學科的發(fā)展為材料科學的形成奠定了重要的理論基礎；而各種現代分析技術的進步，加深了人們對物質結構和材料的物理化學性質的理解；同時，冶金學、金屬學、陶瓷學、高分子科學等應用科學的發(fā)展也使人們對材料本身的研究大大加強。這使人們對材料的制備、結構、性能以及它們之間的相互關系的研究也越來越深入。3.不同材料應用理論的交叉融合促進了材料科學的形成在“材料科學”概念出現以前，金屬、陶瓷和高分子都已自成體系，但它們之間存在頗多相似之處，不同材料之間可以相互借鑒，促使了該學科的發(fā)展。604.不同材料測試技術及工藝技術的交叉融合也促進了材料科學的形成雖然不同類型的材料各有其專用的生產設備和測試手段，但它們在許多方面是相同或相近的。

一方面，不同材料的結構與性能表征方法大體上是相通的。例如，光學顯微鏡、電子顯微鏡、表面測試設備、力學性能及其他物理性能測試設備等，對不同類型的材料而言是通用的。

另一方面，在材料的制備與加工中，有許多工藝也是通用的。

例如，擠壓工藝常用于金屬材料的成形加工以提高強度，而某些高分子材料通過擠壓法形成纖維同樣能使其比強度和比剛度大幅度提高。(2)內容和任務

ContentsandObjective

材料科學：從理論上研究金屬、無機非金屬和有機高分子等材料的成分、結構、加工工藝同材料性能及材料應用之間的相互關系。材料科學與工程：關于材料組成、結構、制備工藝與其性能及使用過程間相互關系的知識開發(fā)及應用的科學

學科性質：是介于基礎科學與應用科學之間的應用基礎科學（邊緣學科）。使用性能Performance合成與制備過程SynthesisandProcessing組成與結構CompositionsandStructures性質Properties（工程）（化學）（物理學）材料科學與工程定義為：關于材料組成、結構、制備工藝與其性能及使用過程間相互關系的知識開發(fā)及應用的科學。研究內容科學性

a.從化學角度出發(fā)，研究材料的化學組成、鍵性、

結構與性能的關系

b.從物理角度，闡述材料的組成原子、分子及其運

動狀態(tài)與各物性之間的關系

c.材料的制備工藝技術性

d.材料的性能表征

e.材料的應用返回目錄(3)材料工程

MaterialsEngineering

對于工程技術人員：如何選擇特定應用環(huán)境下需要的材料，來滿足使用要求，如何按實際要求設計新材料，須弄清以下三個關系

（材質）——材料內部結構與性能

（內部形態(tài)）——加工工藝與性能

（使用環(huán)境，耐久性）——材料的性能與使用過程材料科學與材料工程的區(qū)別材料科學：集中于認識材料的本質，提出有關的理論和描述，說明材料結構是如何與其成分，性質及行為相聯系的。材料工程：瞄準基礎科學和經驗知識的綜合和運用，以便發(fā)展、制備、改善和使用材料，滿足具體需要。兩者之間很難劃出明確的界限，主要區(qū)別在于著眼的不同或者說各自強調的中心不同1-3本課程的目的、內容和學習方法1-3-1目的專業(yè)基礎課：奠定學科基礎，建立整體概念