自然科學(xué)概論材料1課件

材料科學(xué)與技術(shù)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(shí)代）

石鐮(新石器時(shí)代)

材料及其器具作為劃分時(shí)代的標(biāo)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(jì)末）（18至20世紀(jì)）（20世紀(jì)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(gòu)件、工具、裝置等物品的物質(zhì)。材料存在于我們的周圍，與我們的生活和生命息息相關(guān)。材料是人類文明、社會(huì)進(jìn)步、科技發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。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(zhǎng)。

合成與制備過程使用性能性質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)（化學(xué)）（工程）（物理學(xué)）材料與其它學(xué)科的關(guān)系按學(xué)科分類根據(jù)材料的性能分類按服役的領(lǐng)域來分類按材料的維度分類

材料分類

按學(xué)科分類1.金屬材料2.無機(jī)非金屬材料3.高分子材料（聚合物）4.復(fù)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(zhì)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(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。在力學(xué)性質(zhì)方面，具有較高的強(qiáng)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(zhì)。合金的性質(zhì)與組成合金的各個(gè)相的性質(zhì)有關(guān)，同時(shí)也與這些相在合金中的數(shù)量、形狀及分布有關(guān)。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(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、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(jīng)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(jìn)的）無機(jī)非金屬材料兩大類。

3.有機(jī)高分子材料（高聚物）

高聚物是由一種或幾種簡(jiǎn)單低分子化合物經(jīng)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(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)不同的材料組合而成。復(fù)合材料是多相材料，主要包括基本相和增強(qiáng)相。基本相是一種連續(xù)相材料，它把改善性能的增強(qiáng)相材料固結(jié)成一體，并起傳遞應(yīng)力的作用；增強(qiáng)相起承受應(yīng)力（結(jié)構(gòu)復(fù)合材料）和顯示功能（功能復(fù)合材料）的作用。復(fù)合材料既能保持原組成材料的重要特色，又通過復(fù)合效應(yīng)使各組分的性能互相補(bǔ)充，獲得原組分不具備的許多優(yōu)良性能。

根據(jù)材料的性能分類

根據(jù)材料在外場(chǎng)作用下其性質(zhì)或性能對(duì)外場(chǎng)的響應(yīng)不同，材料可分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料。

功能材料是具有優(yōu)良的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)功能及其相互轉(zhuǎn)化的功能，被用于非結(jié)構(gòu)目的的高技術(shù)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(shè)備、航空通訊衛(wèi)星等中的溫度傳感器和溫度補(bǔ)償元件等等。

材料按服役的領(lǐng)域來分類

根據(jù)材料服役的技術(shù)領(lǐng)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(hào)中采用ASF全鋁制車身的一款車。這一領(lǐng)導(dǎo)潮流的輕重量技術(shù)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(dú)特前景。由于ASF的成功,轎車重量持續(xù)下降，性能改進(jìn)，而油耗降低。汽車的輕量化、安全舒適、潔凈能源是當(dāng)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(guān)鍵。這就要求具有優(yōu)良的抗蝕性和高的比強(qiáng)度的鋁合金及鎂合金。

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

全天候的現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭(zhēng)用于偵察、識(shí)別與目標(biāo)選擇、跟蹤與制導(dǎo)的設(shè)備都離不開鍺、釹、釔和砷化鎵等材料。

材料是高新技術(shù)的依托

太空站上的記憶合金天線

美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局的月面天線計(jì)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(jīng)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(tuán)放入阿波羅11號(hào)艙內(nèi)，發(fā)射并在月球表面進(jìn)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(guó)F-14型戰(zhàn)斗機(jī)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?cái)U(kuò)張的管接頭，套在要連接的二個(gè)管子上，讓溫度上升至室溫，套管的內(nèi)徑便恢復(fù)成原來的大小，并把二個(gè)管子咬緊，實(shí)現(xiàn)了管連接。

百年不遇的發(fā)明——光導(dǎo)纖維

用高純石英玻璃制造出的光導(dǎo)纖維比頭發(fā)還細(xì)，一根細(xì)絲就能同時(shí)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(gè)小時(shí)，快了72000倍。因此光導(dǎo)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(zhì)七態(tài)

無論是有機(jī)界，還是無機(jī)界，就它們的基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來說，可以分為七類，每一類稱為物質(zhì)的一種狀態(tài)。

物質(zhì)七態(tài)是：固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)、等離子態(tài)、中子態(tài)、場(chǎng)和反物質(zhì)。不同的物質(zhì)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(nèi)部原子按一定的規(guī)則排列，在大范圍內(nèi)原子的有規(guī)則排列稱為長(zhǎng)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(zhǎng)程無序的特征。例如，玻璃、橡膠都是非晶態(tài)材料。晶態(tài)結(jié)構(gòu)非晶態(tài)結(jié)構(gòu)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(dòng)的液體

液體的明顯特征是具有流動(dòng)性，無確定的外部形狀，但其體積是一定的。液體內(nèi)部分子之間可以相對(duì)移動(dòng)，但液體內(nèi)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(diǎn)與非晶態(tài)固體很相像。液晶，是一種內(nèi)部分子排列有序程度相當(dāng)高的液體。它既具有流動(dòng)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(jì)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(yīng)用。

可以認(rèn)為液晶之語是液體和晶體的結(jié)合，它的特點(diǎn)是內(nèi)部的分子或者原子之間距離像液體內(nèi)部分子距離一樣，距離較遠(yuǎn)，但是每個(gè)個(gè)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(duì)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(zhuǎn)化。

等離子態(tài)

加熱氣體使它的溫度升高時(shí)，所有的氣體分子都高速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)分子相互碰撞時(shí)，只要碰撞的能量足夠大，就會(huì)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(huì)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(yùn)動(dòng)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(zhì)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(zhì)狀態(tài)。

場(chǎng)電荷的周圍有電場(chǎng)，而運(yùn)動(dòng)的電荷周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，電場(chǎng)與磁場(chǎng)交互在一起形成電磁場(chǎng)，當(dāng)它傳播的時(shí)候就形成電磁波。天體之間有引力場(chǎng)。電場(chǎng)、磁場(chǎng)、引力場(chǎng)等等都是場(chǎng)。場(chǎng)既有質(zhì)量，也有動(dòng)量。場(chǎng)總是彌漫于較大的空間。場(chǎng)運(yùn)動(dòng)總是以波動(dòng)的形式出現(xiàn)。無論是實(shí)體物質(zhì)，還是場(chǎng)，它們只是結(jié)構(gòu)不同，但都是獨(dú)立于我們意識(shí)之外的客觀存在，也就是說，都是物質(zhì)。

反物質(zhì)