自然科學概論材料1課件

材料科學與技術概論人類最早用來制造工具的

材料是石頭砍砸器（舊石器時代）

石鐮(新石器時代)

材料及其器具作為劃分時代的標志（公元前250萬至前1萬年）（公元前5千至前1200年）（公元前1200年至17世紀末）（18至20世紀）（20世紀始）材料與文明發(fā)展什么是材料？世界萬物，凡于我有用者，皆謂之材料。材料是具有一定性能，可以用來制作器件、構件、工具、裝置等物品的物質。材料存在于我們的周圍，與我們的生活和生命息息相關。材料是人類文明、社會進步、科技發(fā)展的物質基礎。目前世界上傳統(tǒng)材料已有幾十萬種，而新材料的品種正以每年5%的速度增長。

合成與制備過程使用性能性質組成與結構（化學）（工程）（物理學）材料與其它學科的關系按學科分類根據材料的性能分類按服役的領域來分類按材料的維度分類

材料分類

按學科分類1.金屬材料2.無機非金屬材料3.高分子材料（聚合物）4.復合材料

在103種元素中，除He,Ne,Ar等6種惰性元素和C、Si、N等16種非金屬元素外，其余81種為金屬元素。除Hg之外，單質金屬在常溫下呈現(xiàn)固體形態(tài)，外觀不透明，具有特殊的金屬光澤及良好的導電性和導熱性。在力學性質方面，具有較高的強度、剛度、延展性及耐沖擊性。

合金是由兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬元素與非金屬元素熔合在一起形成的具有金屬特性的新物質。合金的性質與組成合金的各個相的性質有關，同時也與這些相在合金中的數(shù)量、形狀及分布有關。元素周期表Group12

3456789101112131415161718周期

11

H

氫

2

He

氦23

Li

鋰4

Be

鈹

5

B

硼6

C

碳7

N

氮8

O

氧9

F

氟10

Ne

氖311

Na

鈉12

Mg

鎂

13

Al

鋁14

Si

硅15

P

磷16

S

硫17

Cl

氯18

Ar

氬419

K

鉀20

Ca

鈣

21

Sc

鈧22

Ti

鈦23

V

釩24

Cr

鉻25

Mn

錳26

Fe

鐵27

Co

鈷28

Ni

鎳29

Cu

銅30

Zn

鋅31

Ga

鎵32

Ge

鍺33

As

砷34

Se

硒35

Br

溴36

Kr

氪537

Rb

銣38

Sr

鍶

39

Y

釔40

Zr

鋯41

Nb

鈮42

Mo

鉬43

Tc

锝44

Ru

釕45

Rh

銠46

Pd

鈀47

Ag

銀48

Cd

鎘49

In

銦50

Sn

錫51

Sb

銻52

Te

碲53

I

碘54

Xe

氙655

Cs

銫56

Ba

鋇56-70

鑭系

*71

Lu

镥72

Hf

鉿73

Ta

鉭74

W

鎢75

Re

錸76

Os

鋨77

Ir

銥78

Pt

鉑79

Au

金80

Hg

汞81

Tl

鉈82

Pb

鉛83

Bi

鉍84

Po

釙85

At

砹86

Rn

氡787

Fr

鈁88

Ra

鐳89-102

錒系

**103

Lr

鐒*104

Rf105

Db106

Sg107

Bh108

Hs109

Mt110

Uun111

Uuu112

Uub113

Uut114

Uuq115

Uup116

Uuh117

Uus118

Uuo2.

無機非金屬材料

無機非金屬材料是由硅酸鹽、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、硅化物、鹵化物等原料經一定的工藝制備而成的材料。是除金屬材料、高分子材料以外所有材料的總稱。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）和新型的（先進的）無機非金屬材料兩大類。

3.有機高分子材料（高聚物）

高聚物是由一種或幾種簡單低分子化合物經聚合而組成的分子量很大的化合物。高聚物的種類繁多，性能各異，其分類的方法多種多樣。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。4.復合材料復合材料是由兩種或兩種以上化學性質或組織結構不同的材料組合而成。復合材料是多相材料，主要包括基本相和增強相?；鞠嗍且环N連續(xù)相材料，它把改善性能的增強相材料固結成一體，并起傳遞應力的作用；增強相起承受應力（結構復合材料）和顯示功能（功能復合材料）的作用。復合材料既能保持原組成材料的重要特色，又通過復合效應使各組分的性能互相補充，獲得原組分不具備的許多優(yōu)良性能。

根據材料的性能分類

根據材料在外場作用下其性質或性能對外場的響應不同，材料可分為結構材料和功能材料。

功能材料是具有優(yōu)良的電學、磁學、光學、熱學、聲學、力學、化學和生物學功能及其相互轉化的功能，被用于非結構目的的高技術材料。以陶瓷為例：壓電陶瓷、磁性陶瓷、熱敏、氣敏陶瓷、電致伸縮陶瓷等為功能陶瓷，主要用作一些功能傳感器，如電子儀表、普通通訊設備、航空通訊衛(wèi)星等中的溫度傳感器和溫度補償元件等等。

材料按服役的領域來分類

根據材料服役的技術領域可分為信息材料、航空航天材料、能源材料、生物醫(yī)用材料等。按材料的維度來分類0維粉體1維纖維2維薄膜3維塊材奧迪A8quattro轎車是12缸轎車型號中采用ASF全鋁制車身的一款車。這一領導潮流的輕重量技術首次在1994年嶄露頭角，開創(chuàng)了讓豪華轎車也具備安全而輕捷特性的獨特前景。由于ASF的成功,轎車重量持續(xù)下降，性能改進，而油耗降低。汽車的輕量化、安全舒適、潔凈能源是當前及未來汽車發(fā)展考慮的主要因素，為節(jié)約能源并提高車速，減輕自重是關鍵。這就要求具有優(yōu)良的抗蝕性和高的比強度的鋁合金及鎂合金。

材料是國防實力的保證精確制導武器，包括制導炮彈、制導炸彈、制導子母彈、巡航導彈、末制導導彈等以全固態(tài)化慣性技術為發(fā)展方向，其核心器件是半導體加速度傳感器。因此，高敏感度的半導體材料的研制，成為精確制導的重要技術之一。鈦合金是目前最重要的航空、航天和導彈材料。超塑性鈦合金（鈦-鋁-釩的合金）使飛機部件的重量減輕了約30%；制造成本降低一半；簡化工序，一次成形；產品質量十分優(yōu)秀。

全天候的現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭用于偵察、識別與目標選擇、跟蹤與制導的設備都離不開鍺、釹、釔和砷化鎵等材料。

材料是高新技術的依托

太空站上的記憶合金天線

美國國家航空和宇宙航行局的月面天線計劃

。首先用形狀記憶材料Ti-Ni合金絲制成龐大的月面天線，經稍許冷卻，便變成了柔軟、容易折疊的天線，然后把它揉成小團放入阿波羅11號艙內，發(fā)射并在月球表面進行安裝后，在太陽光照射下，回到原來的拋物面形狀。形狀記憶合金套管

美國F-14型戰(zhàn)斗機上的油壓系統(tǒng)接頭，用形狀記憶合金制造，無泄漏與破損。采用方法是將低溫擴張的管接頭，套在要連接的二個管子上，讓溫度上升至室溫，套管的內徑便恢復成原來的大小，并把二個管子咬緊，實現(xiàn)了管連接。

百年不遇的發(fā)明——光導纖維

用高純石英玻璃制造出的光導纖維比頭發(fā)還細，一根細絲就能同時傳輸2000路通話，并且不失真、不受環(huán)境干擾、不易被竊聽、傳輸速度快，光纜一秒鐘傳輸?shù)木嚯x若改用銅纜則要花上20個小時，快了72000倍。因此光導纖維的出現(xiàn)使信息傳輸發(fā)生了巨大變化。

TheNobelPrizeinPhysics2009"forgroundbreakingachievementsconcerningthetransmissionoflightinfibersforopticalcommunication"CharlesK.KaoWillardS.BoyleGeorgeE.Smith1/2oftheprize1/4oftheprize1/4oftheprizeStandardTelecommunicationLaboratories

Harlow,UnitedKingdom;ChineseUniversityofHongKong

HongKong,ChinaBellLaboratories

MurrayHill,NJ,USABellLaboratories

MurrayHill,NJ,USAb.1933

(inShanghai,China)b.1924

(inAmherst,NS,Canada)b.1930物質七態(tài)

無論是有機界，還是無機界，就它們的基本結構特點來說，可以分為七類，每一類稱為物質的一種狀態(tài)。

物質七態(tài)是：固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)、等離子態(tài)、中子態(tài)、場和反物質。不同的物質狀態(tài)來源于微觀粒子不同的聚集狀態(tài)。

固體固體最顯著的特征是具有確定的體積和形狀。固體又分為晶體和非晶體。晶體的特征是其內部原子按一定的規(guī)則排列，在大范圍內原子的有規(guī)則排列稱為長程有序，例如天然鉆石（金剛石）、水晶（石英）、巖鹽（食鹽）等；非晶態(tài)固體具有短程有序、長程無序的特征。例如，玻璃、橡膠都是非晶態(tài)材料。晶態(tài)結構非晶態(tài)結構美麗的固態(tài)晶體硼砂瑪瑙剛玉

切割前后及鑲在王冠和手杖上的鉆石

流動的液體

液體的明顯特征是具有流動性，無確定的外部形狀，但其體積是一定的。液體內部分子之間可以相對移動，但液體內部近鄰分子的排列是有規(guī)則的，也就是說近程有序，這一點與非晶態(tài)固體很相像。液晶，是一種內部分子排列有序程度相當高的液體。它既具有流動性，又在很多方面像晶體，所以稱為液晶。固體、液體和液晶的比較

液晶在電子計算器、電子手表、各種電子儀表、薄型液晶顯示、掌上電視和溫度顯示等，有廣泛的應用。

可以認為液晶之語是液體和晶體的結合，它的特點是內部的分子或者原子之間距離像液體內部分子距離一樣，距離較遠，但是每個個體分布又像晶體一樣排列有規(guī)則。任性的氣體

氣體分子之間的距離比固體和液體分子間的距離大得多，因此分子之間的相互作用力小得多。氣體分子之間的相對位置完全不固定，形成完全混亂的分子狀態(tài)。改變壓力和溫度，可以使固態(tài)、液態(tài)、和氣態(tài)互相轉化。

等離子態(tài)

加熱氣體使它的溫度升高時，所有的氣體分子都高速運動。當分子相互碰撞時，只要碰撞的能量足夠大，就會使分子撞“碎”，形成以原子為基本單元的原子氣體。原子氣體再繼續(xù)加熱，就會發(fā)生原子被撞“碎”的情況，形成自由電子和正離子。在幾千度的高溫下，氣體中幾乎所有的原子都電離了，變成電子和正離子。電子和正離子的數(shù)量基本上相等，所以，稱這種等量高速運動的電子和正離子組成的物體為等離子體。宇宙空間的絕大部分物質都是以等離子體狀態(tài)存在的。中子態(tài)

中子星的狀態(tài)就是中子態(tài)，它是在異常巨大的壓力作用下，完全由中子聚集成的物質狀態(tài)。

場電荷的周圍有電場，而運動的電荷周圍產生磁場，電場與磁場交互在一起形成電磁場，當它傳播的時候就形成電磁波。天體之間有引力場。電場、磁場、引力場等等都是場。場既有質量，也有動量。場總是彌漫于較大的空間。場運動總是以波動的形式出現(xiàn)。無論是實體物質，還是場，它們只是結構不同，但都是獨立于我們意識之外的客觀存在，也就是說，都是物質。

反物質