材料科學(xué)與人類文明-第3章

材料科學(xué)與人類文明-第3章第1頁/共89頁材料的使用史第一代：天然材料

第二代：燒煉材料第三代：合成材料第四代：設(shè)計(jì)型材料第五代：智能材料第2頁/共89頁材料的使用史第一代：天然材料

木器、石器、骨器等舊石器是利用一塊較硬的石頭坎砸另一塊較軟的石頭打擊而成，其形狀既不規(guī)則又不穩(wěn)定，加工十分粗糙，是人類第一種原始材料新石器時代的標(biāo)志是，打制的石器更加精美，出現(xiàn)陶和玉器工藝品，用石頭和磚瓦作建筑材料第3頁/共89頁采用火將天然粘土燒制磚瓦和陶瓷用燒結(jié)技術(shù)制造玻璃和水泥從各種天然礦石中提煉、制作銅、青銅、鐵等冶煉材料銅是人類社會最早出現(xiàn)的金屬銅熔點(diǎn)低，易處理；銅器色澤優(yōu)美，滿足人類視覺的享受；質(zhì)柔聲清，滿足觸覺與聽覺的美感青銅器分別精煉銅、錫、鉛，將熔漿傾入陶制坩堝鑄形銅-錫合金(青銅)85%

Cu(熔點(diǎn)1083oC)、15%Sn(熔點(diǎn)232oC)

熔點(diǎn)960oC，延展性增加，硬度增加，具光澤度加入部分錫，使原來較軟的銅制品變得更堅(jiān)硬、更耐磨銅-鋅合金(黃銅)

鋅熔點(diǎn)420oC，沸點(diǎn)900oC，精煉時應(yīng)小心控制，否則沸騰材料的使用史第二代：燒煉材料磚瓦、陶瓷、青銅第4頁/共89頁材料的使用史第二代：燒煉材料鐵、鋼鐵器時代，從鐵礦石中冶煉鐵依C和雜質(zhì)含量，鐵分三類鑄鐵：含碳2.5~4.5%，不適于展延﹑鍛接，適于鑄造器物鍛鐵：含S、P、Si，質(zhì)強(qiáng)韌、具延展性，可鍛造、焊接成器物鋼鐵：質(zhì)強(qiáng)而韌，適當(dāng)熱處理可改變硬度、脆度，制刀劍、槍炮﹑鐵軌非鐵金屬(金﹑銀等貴重金屬)：加工技術(shù)繁復(fù)，造型精美金質(zhì)地細(xì)密、具光澤，熔點(diǎn)1063oC，比重19.3，延展性強(qiáng)，在空氣中不氧化，不受一般弱酸腐蝕，只溶于王水，可做飾品﹑貨幣，永保色澤第5頁/共89頁材料的使用史第三代：合成材料高分子材料原料主要來自石油、煤等礦物資源從第1個人工合成塑料-酚醛樹脂算起，高分子材料時代至今100年今天，高分子材料的作用越來越大第6頁/共89頁材料的使用史第四代：設(shè)計(jì)型材料通信產(chǎn)業(yè)、生物技術(shù)、新能源技術(shù)、宇航技術(shù)、環(huán)境工程等，對材料提出更新的要求從設(shè)計(jì)、材料、工藝一體化出發(fā)開發(fā)材料的先進(jìn)制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)材料的高性能化和復(fù)合化實(shí)現(xiàn)材料生產(chǎn)的低成本、高質(zhì)量和高效率始于1950年代，其目的是“按照指定性能定做”新材料

按生產(chǎn)要求“設(shè)計(jì)”最佳的制備加工方法

采用新的物理、化學(xué)方法，根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)計(jì)出具有特殊性能的材料第7頁/共89頁材料的使用史第五代：智能材料能感知外部刺激(傳感功能)、能判斷并適當(dāng)處理(處理功能)、本身可對外界刺激作出響應(yīng)(執(zhí)行功能)的材料功能材料智能化智能凝膠、機(jī)械化學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料智能化自診斷、損傷自顯示、自修復(fù)和自愈合、自組裝、自分解性生物材料智能化微球功能的智能化(藥物控制釋放)、智能生物材料與組織工程第8頁/共89頁從古至今，材料與人類日常生活密切相關(guān)現(xiàn)代，人類的衣、食、住、行、休閑、娛樂樣樣離不開材料新材料的出現(xiàn)，更是使人們的生活質(zhì)量發(fā)生了極大的變化材料與食物、居住空間、能源、信息共同組成人類生活的基本資源材料的重要性第9頁/共89頁

傳統(tǒng)濾水材料材料的重要性例1：濾水材料PP不織布濾網(wǎng)—僅過濾水中粗大懸浮物、沙粒(>5m)，無法過濾離子、重金屬、有機(jī)毒素、細(xì)菌硅藻土—功能與不織布濾網(wǎng)類似，過濾顆粒較小活性碳—去除水中色素、異味(揮發(fā)性者)、部份金屬離子，無法去除重金屬污染、無殺菌力離子交換樹脂—以鈉型樹脂去除水中Ca2+、Mg2+離子，所得水含鈉量偏高

對糖尿病、心臟病患者不利，影響腎臟功能半透膜—去除水中雜質(zhì)及礦物質(zhì)紫外線——利用UV輻射破壞細(xì)菌DNA，抑制其繁殖碘素——適用于較廣的pH，存在時間久銀活性碳——銀殺菌速度慢，但可抑制其生長(銀不可過量)

新型濾水材料殺菌超濾膜——孔徑只有幾納米到幾十納米，能清除水中病菌和微生物第10頁/共89頁①冬暖夏涼的羊毛—羊毛纖維由兩種細(xì)胞組成，呈螺旋狀蜷曲羊毛纖維表面被膜狀角質(zhì)層覆蓋，具有吸收濕氣、擴(kuò)散水分功能②柔軟細(xì)致的純棉—觸感良好、易吸濕且散發(fā)性好、涼爽且保溫性高、安全衛(wèi)生、耐洗滌③冬暖夏涼的衣料(多麗絲)—聚乙二醇附著在織品纖維上

PEG在21oC融解軟化，吸收體熱，覺得涼熔融的PEG在~0oC凝固，散熱，覺得溫暖材料的重要性例2：服飾第11頁/共89頁材質(zhì)的改變，設(shè)計(jì)的創(chuàng)新—硬度、重量、合腳、磨損、保護(hù)性、支撐、透氣、避震、散熱等材料的重要性例3：鞋子①超輕跑鞋—橡膠和塑料混合、發(fā)泡，比重只有0.36(一般橡膠底比重=1.3)，將鞋底打薄，增加長跑速度②抗沖鞋底—天然橡膠和EVA制成海綿，置于鞋底中間層③氣墊鞋底—將高分子透明膠囊灌滿氣體，埋入鞋底里，腳跟用力時產(chǎn)生的壓力壓縮氣體膠囊，腳跟離地時，氣囊反彈，反彈力將腳跟往上提第12頁/共89頁材料的重要性例4：眼鏡鏡片特點(diǎn)①安全鏡片

采用光學(xué)樹脂，成像品質(zhì)高，重量較玻璃輕40%②超硬安全鏡片表面加上超硬層，抗刮性，耐磨性提高4倍③超硬安全樹脂多層加膜鏡片鏡片表面鍍石英膜，提高防反光效果，防止紫外線透入④超薄超硬安全樹脂多層加膜鏡片采用高折射率超薄材質(zhì)，比一般樹脂片薄20%、平25%、輕25%⑤多焦點(diǎn)鏡片由遠(yuǎn)至近聚合無數(shù)個焦點(diǎn)，使任何距離都能透過適合的焦點(diǎn)看清楚，沒有影像跳躍、無錯覺⑥隱形鏡片

高分子水凝膠第13頁/共89頁材料含不同的元素，由不同的原子、離子或分子結(jié)合而成原子、離子或分子間的結(jié)合力，稱為結(jié)合鍵結(jié)合鍵包括4種離子鍵：電子的得失共價?。弘娮拥墓灿薪饘冁I：電子的公有化分子鍵材料的結(jié)合鍵第14頁/共89頁離子鍵周期表中相隔較遠(yuǎn)的正電性原子和負(fù)電性原子接觸時正電性原子失去最外層價電子，變成正離子負(fù)電性原子獲得電子，變成負(fù)離子正、負(fù)離子由靜電引力相互吸引；當(dāng)它們十分接近時，發(fā)生排斥引力和斥力相等時，即形成穩(wěn)定的離子鍵NaCl、CaO、Al2O3等，由離子鍵組成離子鍵示意圖氯化鈉結(jié)構(gòu)材料的結(jié)合鍵離子鍵鍵能很大，離子晶體硬度高、強(qiáng)度大、熱膨脹系數(shù)小，但脆性大離子晶體很難產(chǎn)生自由電子，是良好的絕緣體離子的外層電子受到較牢固的束縛，可見光的能量一般不足以使其受激發(fā)，不吸收可見光典型的離子晶體無色透明第15頁/共89頁共價鍵周期表中間位置的3、4、5價元素，原子既可獲得電子變?yōu)樨?fù)離子，也可丟失電子變?yōu)檎x子原子間共用價電子，形成穩(wěn)定的電子滿殼層，從而形成分子或晶體由共用價電子對而產(chǎn)生的結(jié)合鍵，叫共價鍵共價鍵示意圖材料的結(jié)合鍵最具有代表性的共價晶體為金剛石金剛石由C原子組成，每個C原子貢獻(xiàn)出4個價電子，與周圍的4個C原子共有，形成4個共價鍵，構(gòu)成正四面體：一個碳原子在中心，與它共價的另外4個C原子在4個頂角上金剛石結(jié)構(gòu)硅、鍺、錫等元素，可構(gòu)成共價晶體SiC、Si3N4、BN等化合物，也屬共價晶體共價鍵結(jié)合力很大，共價晶體強(qiáng)度高、硬度高、脆性大、熔點(diǎn)高、沸點(diǎn)高、揮發(fā)性低第16頁/共89頁周期表中I、II、III族元素，原子容易丟失其價電子而成為正離子被丟失的價電子(自由電子)為全體原子所公有，在正離子間自由運(yùn)動，形成“電子氣”正離子在電子氣中呈高度對稱的規(guī)則分布(點(diǎn)陣)正離子和電子氣間具有強(qiáng)烈的靜電吸引力，使全部離子結(jié)合起來。這種結(jié)合力為金屬鍵金屬鍵示意鉬的結(jié)構(gòu)材料的結(jié)合鍵金屬鍵第17頁/共89頁惰性氣體的原子形成穩(wěn)定的電子殼體，低溫下可結(jié)合成固體在固態(tài)，甲烷分子也能相互結(jié)合成為晶體分子結(jié)合過程中，沒有電子的得失、共有或公有化原子或分子間靠范特瓦爾斯力結(jié)合起來，這種結(jié)合鍵叫分子鍵甲烷結(jié)構(gòu)分子鍵示意圖材料的結(jié)合鍵分子鍵范特瓦爾斯力很弱。因此，由分子鍵結(jié)合的固體材料，熔點(diǎn)低、硬度也很低因無自由電子，材料有良好的絕緣性在含氫物質(zhì)，一個氫原子可同時與兩個電子親合力大、半徑小的原子(如F、O、N等)結(jié)合，形成氫鍵氫健是一種較強(qiáng)的、有方向性的范特瓦爾斯鍵尼龍66的結(jié)構(gòu)第18頁/共89頁材料的分類按化學(xué)組成，分為金屬、無機(jī)非金屬、高分子、復(fù)合材料金屬材料，原子間結(jié)合以金屬鍵為主陶器，原子間結(jié)合以離子鍵為主高分子材料，原子間結(jié)合以共價鍵為主材料金屬材料鋼碳鋼合金鋼鐵有色金屬高分子材料塑料纖維橡膠陶瓷材料普通陶瓷特種陶瓷復(fù)合材料非金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料第19頁/共89頁在103種元素中，81種為金屬元素除Hg外，單質(zhì)金屬常溫下呈固態(tài)，不透明，有金屬光澤、良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性單質(zhì)(純金屬)：由一種金屬元素構(gòu)成合金：由兩種或兩種以上金屬元素、或金屬與非金屬元素構(gòu)成材料的分類金屬材料以金屬元素或以金屬元素為主構(gòu)成的、具有金屬特性的材料金屬材料黑色金屬普通鋼合金鋼滲碳鋼工具鋼彈簧鋼模具剛不銹鋼低合金高強(qiáng)鋼有色金屬重有色金屬Cu、Sn、Pb、Zn稀有色金屬Ti輕金屬Al、Mg貴金屬難熔金屬W、Mo、Ta第20頁/共89頁人類文明的發(fā)展、社會的進(jìn)步，同金屬材料的關(guān)系密切石器時代之后，出現(xiàn)銅器時代，隨后是鐵器時代19世紀(jì)以來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，鋁、鈦及其他稀有金屬材料相繼獲得工業(yè)生產(chǎn)和應(yīng)用鋼鐵生產(chǎn)得到進(jìn)一步發(fā)展20世紀(jì)50年代以來，新型金屬材料得到大力發(fā)展1982，世界鋼產(chǎn)量5.7億噸，鋁約1400萬噸，銅約900萬噸，鈦形成11萬噸的生產(chǎn)能力2009，中國粗鋼產(chǎn)量達(dá)5.68億噸，居世界第1位金屬材料材料的分類建筑、機(jī)械、汽車、造船、鐵道、石油、家電、集裝箱等，為八大鋼材消費(fèi)量行業(yè)，占全國鋼材消費(fèi)量的70%以上；2005年用鋼材2.13億噸建筑是最大的鋼材消費(fèi)行業(yè)，需鋼材1億噸/年第21頁/共89頁材料的分類金屬材料除作為受力結(jié)構(gòu)使用外，有些金屬材料具有耐高溫、耐低溫、耐腐蝕以及磁性、彈性、電學(xué)等特殊功能金屬材料不斷推陳出新，許多新興金屬材料應(yīng)運(yùn)而生高性能金屬材料快速冷凝金屬非晶和微晶材料納米金屬材料有序金屬間化合物定向凝固柱晶單晶合金新型金屬功能材料釹-鐵-硼稀土永磁合金及非晶態(tài)磁合金新型鐵氧體及超細(xì)金屬隱身材料形狀記憶合金貯氫材料活性生物醫(yī)用材料有色金屬及合金鋁合金：高純高韌、高強(qiáng)高模、高溫先進(jìn)的高強(qiáng)、高韌和高溫鈦合金先進(jìn)的鎳基、鐵鎳、鉻基高溫合金銅合金、難熔金屬合金稀有金屬合金第22頁/共89頁鋁合金密度小、導(dǎo)熱性好、易于成形、價格低廉高性能鋁(如高強(qiáng)高韌抗應(yīng)力腐蝕、鋁-鋰、快速凝固粉末冶金、含鈧)合金，是現(xiàn)代航空航天、汽車、武器系統(tǒng)的重要材料我國大多處于實(shí)驗(yàn)室研究或小批量試制階段，不能進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)鋁及鋁合金，最早用于汽車制造的輕質(zhì)金屬材料，是工程材料中最有競爭力的汽車用輕金屬材料世界范圍內(nèi)，交通運(yùn)輸業(yè)為鋁材、鋁合金的第一大用戶2001，交通運(yùn)輸業(yè)消耗原鋁產(chǎn)量的27.6%，有些國家達(dá)30%以上鋁合金，亞音速飛機(jī)的主要用材民用飛機(jī)上，用量70~80%，每架飛機(jī)有40~150萬個鋁合金鉚釘波音飛機(jī)公司統(tǒng)計(jì)，制造各類民用飛機(jī)31.6萬架，用鋁材710萬噸，每架均用22噸鋁航空航天，2002世界用鋁量約42萬噸，美國用量21.4萬噸金屬材料材料的分類第23頁/共89頁我國建筑用鋁合金型材供過于求

高精度飲料罐板鋁材、高強(qiáng)高韌鋁合金等基本依賴進(jìn)口，其中飲料罐板鋁材占整個進(jìn)口鋁合金總量的近1/3

合金品種牌號：我國與發(fā)達(dá)國家存在較大差距我國鋁合金有143個牌號，美國有350個我國熱處理態(tài)鋁合金75個品種，美國有356個品種金屬材料材料的分類鋁合金第24頁/共89頁我國鎢、鉬難熔金屬制品產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的1/3中低檔產(chǎn)品供大于求技術(shù)含量高的產(chǎn)品不能生產(chǎn)或產(chǎn)量很小如，性能可靠的抗震抗下垂鎢絲、特種燈泡鎢絲、顯像管用鎢合金絲、高精度的鎢窄帶和鉬窄帶、超大規(guī)模集成電路亞微元件用超高純鎢、鉬材等缺乏高檔管、棒、絲等深加工產(chǎn)品我國出口低檔鎢制品，1200~1500噸/年進(jìn)口高檔鎢制品，5倍出口價金屬材料材料的分類第25頁/共89頁由硅酸鹽、鋁酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽、鍺酸鹽、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)一定工藝而制備的材料無機(jī)非金屬材料，與廣義的陶瓷材料有等同的含義

種類繁多，沒有統(tǒng)一的分類方法。一般分為兩大類：材料的分類無機(jī)非金屬材料除金屬材料、高分子材料外所有材料的總稱先進(jìn)(或新型)無機(jī)非金屬材料，由氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫

化物、硅化物等制成主要包括先進(jìn)陶瓷、非晶態(tài)材料、無機(jī)涂層、無機(jī)纖維等20世紀(jì)以來發(fā)展起來的，具有特殊性質(zhì)和用途

如：壓電、鐵電、導(dǎo)體、半導(dǎo)體、磁性、超硬、高強(qiáng)度、超高溫、生物材料、無機(jī)復(fù)合材料等傳統(tǒng)的(普通的)無機(jī)非金屬材料，以SiO2、硅酸鹽為主要成分一般指陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料包括搪瓷、磨料、鑄石(輝綠巖、玄武巖等)、碳素材料、非金屬礦(石棉、云母、大理石)等第26頁/共89頁無機(jī)非金屬材料材料的分類18世紀(jì)工業(yè)革命后，建筑、機(jī)械、鋼鐵、運(yùn)輸?shù)裙I(yè)興起，無機(jī)非金屬材料快速發(fā)展，出現(xiàn)電瓷、化工陶瓷、金屬陶瓷、平板玻璃、化學(xué)儀器玻璃、光學(xué)玻璃、平爐和轉(zhuǎn)爐用的耐火材料、高性能水泥20世紀(jì)來，電子技術(shù)、航天、能源、計(jì)算機(jī)、通信、激光、紅外、光電子學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)等新技術(shù)興起，特種無機(jī)非金屬材料發(fā)展迅速30~40年代，高頻絕緣陶瓷、鐵電和壓電陶瓷、鐵氧體(磁性瓷)、熱敏電阻陶瓷等50~60年代，SiC和SiN高溫結(jié)構(gòu)陶瓷、Al2O3透明陶瓷、-Al2O3快離子導(dǎo)體陶瓷、氣敏和濕敏陶瓷等變色玻璃、光導(dǎo)纖維，高溫超導(dǎo)……技術(shù)革命和經(jīng)濟(jì)建設(shè)推動了新材料的發(fā)展第27頁/共89頁材料的分類無機(jī)非金屬材料第28頁/共89頁從陶器到瓷器，是陶瓷發(fā)展史上第一次重大飛躍采用低熔點(diǎn)的長石與粘土等配合，在焙燒過程中形成流動性很好的液相，冷卻后成為玻璃態(tài)的釉，使瓷器更加堅(jiān)硬、致密和不透水從傳統(tǒng)陶瓷到先進(jìn)陶瓷，是陶瓷發(fā)展史上第二次重大飛躍利用材料的電、磁、熱、彈性等直接的或耦合的效應(yīng)，使陶瓷具有某種使用功能從先進(jìn)陶瓷到納米陶瓷，是陶瓷發(fā)展史上第三次重大飛躍納米陶瓷有可能解決陶瓷的致命弱點(diǎn)-脆性材料的分類無機(jī)非金屬材料陶瓷材料第29頁/共89頁普通陶瓷包括日用陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、電瓷材料的分類無機(jī)非金屬材料普通陶瓷類別主要種類用

途日用陶瓷餐具中餐具(盤、碗、碟、羹、壺、杯等)西餐具(碗、盤、碟、糖缸、奶盅、壺、杯等)茶具、咖啡具茶盤、水果盤、點(diǎn)心盤、杯、壺、碟等酒具酒壺、酒杯、杯托、托盤文具筆筒、筆洗、水盂、EP色盒、筆架陳設(shè)瓷(美術(shù)瓷)花瓶、燈具、雕塑瓶、薄胎碗等建筑衛(wèi)生陶瓷建筑陶瓷?；u(滲花或非滲花)、彩釉磚、錦磚(馬賽克)、內(nèi)墻磚、外墻磚、腰線磚、廣場磚、劈裂磚、園林陶瓷衛(wèi)生瓷磚洗面器、大便器、小便器、洗滌器、水箱、水槽、存水彎、肥皂盒、手紙盒、淋浴盒電瓷低壓電瓷用于1kV以下的電瓷高壓電瓷用于1kV以上的電瓷、如普通高壓瓷、鋁質(zhì)高強(qiáng)度瓷超高壓電瓷用于500kV以上的電瓷化工瓷耐酸磚耐酸磚、耐酸耐溫磚耐酸容器儲酸缸、酸洗槽、電解槽、耐酸塔等耐酸機(jī)械部件耐酸離心泵、風(fēng)機(jī)、球磨機(jī)等化學(xué)瓷瓷坩堝、蒸發(fā)皿、研缽、漏斗、過濾板、燃燒舟等第30頁/共89頁材料的分類無機(jī)非金屬材料特種陶瓷包括結(jié)構(gòu)陶瓷、功能陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷，用于耐磨、高強(qiáng)度、耐高溫、耐熱沖擊、高剛性、低膨脹、隔熱等場所常見高溫結(jié)構(gòu)陶瓷：高熔點(diǎn)氧化物、碳化物、硼化物、氮化物、硅化物功能陶瓷，具有電磁、光學(xué)、生物、核及其它功能的陶瓷材料電學(xué)功能瓷：電絕緣瓷、導(dǎo)電陶瓷、半導(dǎo)體瓷、電容器瓷、壓電瓷磁學(xué)功能瓷：磁性瓷(又稱鐵氧體)、超導(dǎo)瓷熱學(xué)功能瓷：熱釋電瓷、導(dǎo)熱瓷、低膨脹瓷、紅外輻射瓷化學(xué)功能瓷：多孔陶瓷載體生物功能瓷：用于測量、診斷治療、硬組織替代材料第31頁/共89頁材料的分類無機(jī)非金屬材料玻璃材料普通玻璃，采用天然原料大規(guī)模生產(chǎn)，主要成份是SiO2。廣泛應(yīng)用于建筑物包括日用玻璃、建筑玻璃、微晶玻璃、光學(xué)玻璃和玻璃纖維等特種(新型)玻璃，采用精制、高純或新型原料，嚴(yán)格控制形成過程，具有特殊功能或用途根據(jù)用途不同，分為防輻射、激光、生物、多孔、非線性光學(xué)、光纖玻璃等根據(jù)成分不同，包括硅酸鹽玻璃(SiO2含量>85%或<55%)非硅酸鹽氧化物玻璃(硼酸鹽、磷酸鹽、鋁酸鹽、氧氮玻璃)非氧化物玻璃(鹵化物、氮化物、硫化物、硫鹵化物、金屬玻璃等)由過冷熔體所制得的、較為透明的、非晶態(tài)固體材料熔融時形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)冷卻時粘度逐漸增大并硬化根據(jù)形成網(wǎng)絡(luò)的組分不同，可分為硅酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃等

其網(wǎng)絡(luò)形成劑分為SiO2、B2O3、P2O5習(xí)慣上，分為普通玻璃、特種玻璃兩大類第32頁/共89頁材料的分類無機(jī)非金屬材料水泥材料通用水泥大量土木工程所使用

普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥、

復(fù)合硅酸鹽水泥等專用水泥有專門用途。如油井水泥、水壩水泥、海堤水泥特性水泥某種性能突。如快硬硅酸鹽水泥、抗硫酸鹽硅酸鹽水泥、中熱硅酸鹽水泥中國標(biāo)準(zhǔn)的水泥定義：加水拌和成塑性漿體，能膠結(jié)砂石，并能在空氣和水中硬化的粉狀、水硬性膠凝材料膠凝材料，又稱膠結(jié)料。能從漿體變成堅(jiān)固的石狀體，并能膠結(jié)其它物料，制成有一定機(jī)械強(qiáng)度的復(fù)合固體第33頁/共89頁美國GrandCoulee大壩1936，美國建成Hoover大壩、GrandCoulee大壩第一次使用水泥建造大型水壩無機(jī)非金屬材料材料的分類1992，世界最大的混凝土水利工程-三峽大壩開建三峽大壩水泥材料第34頁/共89頁材料的分類無機(jī)非金屬材料耐火材料：耐火度>1580C按制造方法天然礦石、人造制品按形狀塊狀制品、不定形制品按熱處理不燒制品、燒成制品、熔鑄制品按礦物組成氧化硅質(zhì)、硅酸鋁質(zhì)、鎂質(zhì)、白云石質(zhì)、橄欖石質(zhì)、尖晶石質(zhì)分類大部分耐火材料的原料為天然礦石，如耐火粘土、硅石、菱鎂礦、白云母等用作高溫窯爐等熱工設(shè)備的結(jié)構(gòu)材料，也可用作工業(yè)高溫容器和部件的材料解放初，我國煉鋼電爐爐頂用硅磚壽命僅100爐，改用高鋁磚后達(dá)500爐，最高壽命達(dá)855爐，超過當(dāng)時的國際水平1955，我國開始試制鎂鋁磚，替代煉鋼平爐爐頂壽命短的硅磚、需進(jìn)口鉻鐵礦制造的鉻鎂磚重鋼，平爐爐頂試用鎂鋁磚，達(dá)640爐鞍鋼、武鋼，大平爐爐頂壽命達(dá)1000爐天津鋼廠一座小平爐爐頂創(chuàng)造2540爐的記錄，達(dá)國際先進(jìn)水平鎂鋁磚是中國獨(dú)創(chuàng)產(chǎn)品，獲國家金質(zhì)發(fā)明獎第35頁/共89頁高分子，由一種或幾種簡單小分子化合物聚合而成的分子量很大的化合物常用高分子材料，分子量為幾百~幾百萬材料的分類高分子材料按來源天然高分子材料合成高分子材料按性能和用途橡膠纖維塑料膠粘劑塑料、合成纖維、合成橡膠，是現(xiàn)代三大高分子材料第36頁/共89頁材料的分類高分子材料橡膠常用的有天然橡膠(聚異戊二烯橡膠)、丁苯橡膠、順丁橡膠、乙丙橡膠、硅橡膠室溫彈性高，能產(chǎn)生大形變(可達(dá)1000%)，外力去除后，能迅速恢復(fù)原狀彈性模量低，約105~106Pa

使用前需化學(xué)交聯(lián)(一次成型)纖維常用的合成纖維有尼龍、滌綸、晴綸和維尼綸等彈性模量高，約109~1010Pa受力時形變<20%塑料彈性模量107~108Pa，介于橡膠、纖維間溫度稍高，形變達(dá)百分之幾至幾百小形變是可逆的，大形變是不可逆的

根據(jù)受熱時行為的不同，分為熱塑性、熱固性兩類熱塑性塑料如聚乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸酯受熱發(fā)生塑化和軟化，冷卻時凝固成形，再加熱又可塑化軟化(可反復(fù)成形)熱固性塑料如酚醛塑料、脲醛塑料受熱發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而固定成型，冷卻后再加熱不能軟化(一次成型)第37頁/共89頁材料的分類高分子材料功能高分子材料物理功能導(dǎo)電、半導(dǎo)體、光導(dǎo)、壓電、磁性、光功能、液晶、信息高分子材料化學(xué)功能反應(yīng)性高分子、離子交換樹脂、高分子分離膜、螯合高分子、

高分子催化劑、高分子試劑及人工臟器、生物醫(yī)用高分子材料、

高分子藥物等第38頁/共89頁材料的分類復(fù)合材料金屬、陶瓷和高分子材料各有其固有的優(yōu)、缺點(diǎn)復(fù)合材料，是由幾類不同材料通過復(fù)合工藝而制成的材料能保留原組成材料的主要特色能通過復(fù)合效應(yīng)獲得原組分所不具備的性能可通過材料設(shè)計(jì)使各組分的性能互補(bǔ)，獲得新的優(yōu)越性能復(fù)合材料，既是一種新型材料，也是一種古老的材料

大體分為古代復(fù)合材料、現(xiàn)代復(fù)合材料2個階段第39頁/共89頁材料的分類復(fù)合材料復(fù)合材料在自然界廣泛存在動物骨頭(原膠纖維與無機(jī)材料復(fù)合)植物(樹木、竹)莖干、葉(微纖維與木質(zhì)素復(fù)合)

骨盆的取向纖維針葉樹木材的組織細(xì)胞壁的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)第40頁/共89頁古代復(fù)合材料，以中國的漆器最為引人注目以絲、麻等天然纖維作增強(qiáng)材料，用火漆作粘結(jié)劑而制成材料的分類復(fù)合材料(長沙馬王堆漢墓)漆器(鼎壺、盆具、茶幾等)，用漆作膠粘劑，絲麻作增強(qiáng)體(湖北隨縣2000多年前曾侯乙墓葬)用于車戰(zhàn)的3m多長的戈戟，木芯外包縱向竹絲，以漆作膠粘劑，絲線環(huán)向纏繞，其設(shè)計(jì)思想與近代復(fù)合材料相仿元代，蒙古弓用木材芯子，受拉面貼單向纖維，受壓面粘牛角片，絲線纏繞，漆作膠粘，弓輕巧有力，是古代復(fù)合材料中制造水平高超的夾層結(jié)構(gòu)茅草與泥土混合，作建筑(住房墻體)材料(BC2000年前，西安半坡仰韶文化遺址)古埃及墓葬，用名貴紫檀木在普通木材上裝飾貼面的棺撐家具古埃及金字塔，用石灰、火山灰等作粘合劑，混和砂石等作砌料，是最早最原始的顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料古代復(fù)合材料第41頁/共89頁材料的分類復(fù)合材料三國時期的藤甲，是用藤浸漬桐油，形成的纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料吳王矛越王劍中國古代在金屬基復(fù)合材料方面有高超的技藝越王劍，是金屬包層復(fù)合材料制品光亮鋒利，韌性和耐蝕性優(yōu)異埋藏在潮濕環(huán)境中幾千年，出土后依然寒光奪目，鋒利無比古代復(fù)合材料第42頁/共89頁材料的分類復(fù)合材料玻璃鋼賽車殼體玻璃鋼儲液罐玻璃纖維、合成樹脂大規(guī)模生產(chǎn)，使纖維復(fù)合材料成為具有工程意義的材料為與天然的、古代的復(fù)合材料相區(qū)分，稱現(xiàn)代復(fù)合材料性能相對較低，產(chǎn)量大，使用面廣的，稱常用復(fù)合材料上世紀(jì)60年代，航空航天工業(yè)迅猛發(fā)展，需要高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、低密度等性能優(yōu)異的復(fù)合材料，先進(jìn)復(fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生上世紀(jì)90年代初，全球復(fù)合材料產(chǎn)量約300萬噸目前，全球復(fù)合材料產(chǎn)量約820萬噸，其中中國131.2萬噸，占16%玻璃纖維增強(qiáng)高分子復(fù)合材料現(xiàn)代復(fù)合材料始于上世紀(jì)40年代的玻璃纖維增強(qiáng)塑料第43頁/共89頁材料的分類復(fù)合材料把占主要組分的材料稱基體其它組分稱增強(qiáng)材料，或增強(qiáng)相第44頁/共89頁按硬度軟質(zhì)復(fù)合材料(纖維增強(qiáng)的橡膠)硬質(zhì)復(fù)合材料(纖維增強(qiáng)樹脂，如玻璃鋼等)按功用，結(jié)構(gòu)復(fù)合材料功能復(fù)合材料智能復(fù)合材料復(fù)合材料現(xiàn)代復(fù)合材料的分類按基體聚合物基復(fù)合材料(PMC)金屬基復(fù)合材料(MMC)陶瓷基復(fù)合材料(CMC)碳/碳復(fù)合材料(C/C)按增強(qiáng)材料纖維增強(qiáng)復(fù)合材料晶須增強(qiáng)復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料材料的分類已形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模的，主要是結(jié)構(gòu)復(fù)合材料(風(fēng)電葉片、賽艇)功能復(fù)合材料由功能體、基體組成，基體起構(gòu)成整體的作用，且能產(chǎn)生協(xié)同或加強(qiáng)功能第45頁/共89頁理論上，金屬、陶瓷、高分子之間，或同種材料之間，均可復(fù)合，形成復(fù)合材料事實(shí)上，高分子/高分子、陶瓷/高分子、金屬/高分子、金屬/金屬、陶瓷/金屬、陶瓷/陶瓷之間的復(fù)合，均已獲得許多種高性能復(fù)合材料材料的分類復(fù)合材料現(xiàn)代復(fù)合材料的分類第46頁/共89頁比強(qiáng)度、比剛度(比模量)大性能可設(shè)計(jì)、易制成結(jié)構(gòu)件各向異性、非均勻性以聚合物基復(fù)合材料為例：比強(qiáng)度、比剛度(比模量)大耐疲勞性能好減震性好過載時安全性好具有多種功能性有很好的加工工藝性材料的分類復(fù)合材料性能特點(diǎn)第47頁/共89頁1841，英國，制成玻璃纖維拉絲機(jī)一戰(zhàn)期間，德國，拖動腳踏車輪拉拔玻璃纖維絲1930年代，美國，用鉑柑渦生產(chǎn)連續(xù)玻璃纖維

從此，世界范圍內(nèi)大規(guī)模生產(chǎn)玻璃纖維，以其增強(qiáng)塑料，制成復(fù)合材料1960年代，增強(qiáng)塑料技術(shù)臻于成熟，在許多領(lǐng)域開始取代金屬材料1910，酚醛樹脂復(fù)合材料1938，三聚氰胺甲醛復(fù)合材料1942，聚酯樹脂復(fù)合材料1946，環(huán)氧樹脂復(fù)合材料、玻璃纖維增強(qiáng)尼龍1951，玻璃纖維增強(qiáng)聚苯乙烯1956，酚醛石棉耐磨復(fù)合材料材料的分類復(fù)合材料常用復(fù)合材料第48頁/共89頁航天航空領(lǐng)域要求結(jié)構(gòu)材料具有比強(qiáng)度、比模量高，韌性高，耐熱，抗環(huán)境腐蝕，加工性能好等特性樹脂基先進(jìn)復(fù)合材料：1960年代末期試用，軍用/民用飛機(jī)承力結(jié)構(gòu)。現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于其他工業(yè)領(lǐng)域增強(qiáng)體有玻纖、芳綸，或兩者混雜基體主要是熱固性環(huán)氧、聚酰亞胺，以適應(yīng)耐熱性高達(dá)250C的要求碳/碳復(fù)合材料：1960年代，用碳纖維或石墨纖維作增強(qiáng)體，以可碳化或石墨化的樹脂浸漬，或用化學(xué)氣相沉積碳作為基體，制成碳/碳復(fù)合材料1970年代初，用以制造導(dǎo)彈尖錐、發(fā)動機(jī)噴管、航天飛機(jī)機(jī)翼前緣部件金屬基先進(jìn)復(fù)合材料：1970年代末出現(xiàn)，用高強(qiáng)度、高模量、耐熱纖維與金屬特別是輕金屬復(fù)合而成

克服了樹脂基復(fù)合材料耐熱性差、不導(dǎo)電、導(dǎo)熱性低等不足

具有耐疲勞、耐磨耗、高阻尼、不吸潮、不放氣、低膨脹系數(shù)等特點(diǎn)

作為理想的結(jié)構(gòu)材料，廣泛用于航天航空等尖端領(lǐng)域陶瓷基先進(jìn)復(fù)合材料：始于1980年代，采用纖維補(bǔ)強(qiáng)陶瓷，以提高韌性制造燃?xì)鉁u輪葉片等耐熱部件材料的分類復(fù)合材料先進(jìn)復(fù)合材料第49頁/共89頁現(xiàn)代復(fù)合材料首先在航空航天領(lǐng)域、國防工業(yè)中得到應(yīng)用

航空航天技術(shù)要求飛行器材料具有高比強(qiáng)度、比模量，以減輕重量，提高飛行速度、增加運(yùn)載火箭有效負(fù)載、保證氣動特性等復(fù)合材料在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用材料的分類復(fù)合材料先進(jìn)復(fù)合材料第50頁/共89頁芳綸/杜邦聚酰胺芳綸/泡沫芯板碳纖維/杜邦聚酰胺飛機(jī)上用的先進(jìn)復(fù)合材料材料的分類復(fù)合材料先進(jìn)復(fù)合材料碳纖維/環(huán)氧碳纖維/芳綸/環(huán)氧玻璃纖維增強(qiáng)塑料第51頁/共89頁飛機(jī)上用的先進(jìn)復(fù)合材料材料的分類復(fù)合材料先進(jìn)復(fù)合材料增韌石墨石墨混雜復(fù)合材料纖維玻璃第52頁/共89頁GLARE蒙皮用于A380飛機(jī)的上機(jī)身蒙皮大推力、高涵道比渦扇發(fā)動機(jī)大量運(yùn)用了復(fù)合材料或鈦合金空心寬弦葉片、整體葉盤材料的分類復(fù)合材料先進(jìn)復(fù)合材料第53頁/共89頁復(fù)合材料在國產(chǎn)軍用飛機(jī)中的應(yīng)用復(fù)合材料前機(jī)身段(黑色部分)復(fù)合材料垂直安定面(黑色部分)

材料的分類復(fù)合材料第54頁/共89頁B-2隱形轟炸機(jī)

主體結(jié)構(gòu)為鈦復(fù)合材料，其它部分由碳纖維和石墨等復(fù)合材料構(gòu)成，不易反射材料的分類復(fù)合材料先進(jìn)復(fù)合材料輕巧的碳/碳復(fù)合材料第55頁/共89頁全復(fù)合材料機(jī)身：輕型機(jī)的價格，中型機(jī)的寬敞客艙，客艙內(nèi)站立高度為1.65米材料的分類復(fù)合材料先進(jìn)復(fù)合材料目前，商用飛機(jī)上復(fù)合材料占全機(jī)重量的50%，某些直升機(jī)已達(dá)到90%第56頁/共89頁超級跑車

大量應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料材料的分類復(fù)合材料先進(jìn)復(fù)合材料復(fù)合材料軍用吉普車玻璃纖維/碳纖維/增強(qiáng)樹脂美洲輕木泡沫第57頁/共89頁材料的分類復(fù)合材料先進(jìn)復(fù)合材料碳纖維/樹脂復(fù)合材料第58頁/共89頁國產(chǎn)1.5兆瓦級風(fēng)力發(fā)電葉片葉片長37.5m，重5.8噸采用德國工藝生產(chǎn)復(fù)合材料先進(jìn)復(fù)合材料德國富蘭德公司FL-25002.5兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片材料：強(qiáng)化玻璃纖維(FRP)

葉片長43.8m，重約10.2噸第59頁/共89頁材料密度(gcm-3)拉伸強(qiáng)度(GPa)比強(qiáng)度107(mm)拉伸模量(GPa)比模量109(mm)沖擊強(qiáng)(kgcmcm-2)線脹系數(shù)10-6(C-1)復(fù)合材料碳纖維(高強(qiáng))/環(huán)氧1.61.811.31288.0760.2芳綸/環(huán)氧1.41.510.7805.72001.8硼纖維/環(huán)氧2.11.67.622010.5-4.0SiC纖維/環(huán)氧2.01.57.51306.52602.6石墨纖維/鋁2.20.83.623110.5-2.0金屬鋼7.81.41.82102.7-12鋁合金2.80.51.7772.8-23鈦合金4.51.02.21102.4-9.0高聚物尼龍61.20.070.062.70.021240材料的分類復(fù)合材料先進(jìn)復(fù)合材料典型先進(jìn)復(fù)合材料和常用材料的性能對比第60頁/共89頁比拉伸模量=彈性模量/密度（任意單位）材料的分類復(fù)合材料先進(jìn)復(fù)合材料復(fù)合材料的比強(qiáng)度~比模量關(guān)系玻璃纖維/環(huán)氧樹脂芳綸纖維/環(huán)氧樹脂石墨纖維/環(huán)氧樹脂硼纖維/環(huán)氧樹脂石墨纖維/環(huán)氧樹脂石墨纖維/環(huán)氧樹脂鈹鎂鋼鋁鈦比拉伸強(qiáng)度=拉伸強(qiáng)度/密度（任意單位）第61頁/共89頁功能構(gòu)件先進(jìn)復(fù)合材料新能源太陽能發(fā)電太陽能電池結(jié)構(gòu)支架碳纖維/樹脂基熱變換器的吸熱層吸熱功能風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片及塔身混雜碳纖維/樹脂基核能源核同位素分離離心機(jī)轉(zhuǎn)子碳纖維/樹脂基核燃料包覆管碳纖維/碳節(jié)能汽車轉(zhuǎn)動軸、輪箍活塞碳纖維/樹脂基活塞連桿及銷子氧化鋁纖維/鋁燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)渦輪葉片陶瓷基和耐高溫金屬基儲能高效鉛酸蓄電磁電極碳纖維/鉛高能鋰電池固體電解質(zhì)離子導(dǎo)電功能材料的分類復(fù)合材料先進(jìn)復(fù)合材料在能源技術(shù)中的應(yīng)用第62頁/共89頁功能部件先進(jìn)復(fù)合材料傳輸光纖光纜的纜芯和管碳纖維或芳綸/樹脂基存儲磁記錄和磁光記錄盤片磁性功能處理與計(jì)算大規(guī)模集成電路基片碳纖維/銅計(jì)算機(jī)及終端用屏幕罩高頻覆銅電路板半導(dǎo)體及導(dǎo)電性鍵盤觸點(diǎn)柔性導(dǎo)電執(zhí)行打印機(jī)機(jī)械零件碳纖維/樹脂基機(jī)械手與機(jī)器人碳纖維/樹脂基或金屬基材料的分類復(fù)合材料先進(jìn)復(fù)合材料在信息技術(shù)中的應(yīng)用第63頁/共89頁金屬材料—主要為金屬鍵熱和電的良導(dǎo)體具有良好的強(qiáng)度、延展性、金屬光澤陶瓷材料—通常為離子鍵或共價鍵絕緣體較耐熱高分子材料—以共價鍵為主，含分子鍵通常密度較低高溫下不穩(wěn)定復(fù)合材料—性能的復(fù)合，可設(shè)計(jì)與基體材料相比，復(fù)合材料比強(qiáng)度(強(qiáng)度/密度)、比模量(彈性模量/密度)高抗疲勞性能好高韌性和抗熱沖擊性(PMC和CMC中尤為重要)耐熱性高減振性能好耐燒蝕性、耐磨損、導(dǎo)電和導(dǎo)熱材料的分類各類材料的主要性能比較第64頁/共89頁按使用性能或服役要求，材料可分為結(jié)構(gòu)材料、功能材料結(jié)構(gòu)材料，主要要求其力學(xué)性能，以強(qiáng)度、硬度、剛度、韌性、疲勞強(qiáng)度等力學(xué)性能為特征

鋼是用途最廣、用量最大的金屬結(jié)構(gòu)材料功能材料，主要利用其特殊的物理性能，以聲、光、電、磁、熱等物理性能為特征如電子材料、光電子材料、超導(dǎo)材料等材料的分類結(jié)構(gòu)材料、功能材料材料的功能，反映材料對某種輸入能量的傳輸、轉(zhuǎn)換、輸出過程包括一次功能和二次功能具有任一種功能的材料，都可稱為功能材料在國民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)中，功能材料的用量不如結(jié)構(gòu)材料大，但作用非常大，尤其是在高科技領(lǐng)域功能材料已成為材料科學(xué)與工程領(lǐng)域最活躍的部分，以約5%/年速度增長，每年有1.25萬種新材料問世第65頁/共89頁一次功能，向材料輸入的能量和從材料輸出的能量屬同一形式，材料起能量傳遞作用材料的分類功能材料力學(xué)性能：超流動性、潤滑性、制動性、超塑性、高彈性、恒彈性、超彈性、防振性聲學(xué)性能：吸音性、隔音性等熱學(xué)性能：隔熱性、傳熱性、吸熱性、蓄熱性光學(xué)性能：透光性、遮光性、反射性、折射性、光吸收性、光偏振性、聚光性、分光性電學(xué)性能：導(dǎo)電性、超導(dǎo)性、絕緣性磁學(xué)性能：軟磁性、硬磁性化學(xué)性能：催化作用、吸附作用、生化作用、酶反應(yīng)、氣體吸收性其他性能：電磁波特性、放射特性等二次功能，向材料輸入的能量和從材料輸出的能量屬不同形式，材料起能量轉(zhuǎn)換作用機(jī)械能-其他能量的轉(zhuǎn)換：(反)壓電、(反)磁致伸縮、摩擦發(fā)熱(光)、沖擊發(fā)熱、熱彈性、光彈性、形狀記憶、

感應(yīng)發(fā)光、沖壓發(fā)光、聲光、(反)機(jī)械化學(xué)效應(yīng)電能-其他能量的轉(zhuǎn)換：電磁、電阻發(fā)熱、熱電、光電、場致發(fā)光、電化學(xué)磁場-其他能量的轉(zhuǎn)換：熱磁、磁冷凍、光磁熱能-其他能量的轉(zhuǎn)換：激光加熱、熱刺激發(fā)光光能-其他能量的轉(zhuǎn)換：光化學(xué)反應(yīng)、光致抗蝕、化學(xué)發(fā)光、感光反應(yīng)、光致伸縮、光電效應(yīng)第66頁/共89頁材料是人類用來制造構(gòu)件、器件、機(jī)器和其他產(chǎn)品的物質(zhì)指人類社會能接受地、經(jīng)濟(jì)地制造有用物品的物質(zhì)不是所有物質(zhì)都可稱為材料，如燃料和化工原料、工業(yè)化學(xué)品、食物和藥品等，一般不算作材料有些物質(zhì)在特殊環(huán)境下可作為材料？？？材料可按多種方法分類按物化屬性：金屬材料、無機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料、復(fù)合材料按用途：電子材料、宇航材料、建筑材料、能源材料、生物材料等按應(yīng)用：結(jié)構(gòu)材料、功能材料、智能材料材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)20世紀(jì)70年代，人們把信息、材料、能源作為社會文明的支柱80年代，將新材料與信息技術(shù)、生物技術(shù)并列，作為新技術(shù)革命的重要標(biāo)志材料第67頁/共89頁■性質(zhì)指材料對電、磁、光、熱、機(jī)械載荷的反應(yīng)

是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

或材料對外界刺激(如電場、磁場、溫度場、力場等)的整體響應(yīng)■效能是材料固有性質(zhì)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工程能力和人類需求相融合在一起的一個要素，必須以使用性能為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)才能得到最佳的方案材料的要素■結(jié)構(gòu)/成分從原子、電子尺度到宏觀尺度的結(jié)構(gòu)體系在這些尺度上，化學(xué)成分及其分布，取決于所采用的合成和加工方法■合成/制備建立原子、分子和分子聚集體的新排列，在從原子到宏觀尺度上對結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，以高效而有競爭力地制造材料和零件合成與制備方法很多，包括傳統(tǒng)的冶煉、鑄錠、制粉、壓力加工、焊接等，也包括新發(fā)展的真空濺射、氣相沉積等工藝第68頁/共89頁20世紀(jì)60年代初，提出“材料科學(xué)”1957年10月4日，前蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星，重80kg

11月3日，發(fā)射第二顆人造衛(wèi)星，重500kg1958年1月31日，美國發(fā)射“探測者1號”人造衛(wèi)星，僅8kg美國有關(guān)部門聯(lián)合向總統(tǒng)提出報(bào)告認(rèn)為，美國在科技競爭中落后于前蘇聯(lián)，關(guān)鍵在于先進(jìn)材料研究的落后1958年3月18日，美國總統(tǒng)通過科學(xué)顧問委員會發(fā)布“全國材料規(guī)劃”，在12所大學(xué)成立材料研究實(shí)驗(yàn)室，隨后擴(kuò)大到17所自此，出現(xiàn)多領(lǐng)域交叉的綜合性學(xué)科－“材料科學(xué)與工程學(xué)科”

“材料科學(xué)”一詞廣泛應(yīng)用材料科學(xué)的形成■材料學(xué)的三個重要特性

□多學(xué)科交叉□密切結(jié)合實(shí)際應(yīng)用□發(fā)展中的學(xué)科第69頁/共89頁材料科學(xué)形成的物質(zhì)、科學(xué)基礎(chǔ)各類材料大規(guī)模的應(yīng)用，是材料科學(xué)形成的重要基礎(chǔ)

18世紀(jì)蒸汽機(jī)、19世紀(jì)電動機(jī)的發(fā)明，使材料新品種開發(fā)和規(guī)模生產(chǎn)發(fā)生飛躍

如，1856轉(zhuǎn)爐煉鋼、1864平爐煉鋼，促進(jìn)了機(jī)械制造、鐵路交通的發(fā)展不同類型的特殊鋼種相繼出現(xiàn)

如，1887高錳鋼、1903硅鋼、1910鎳鉻不銹鋼銅、鉛、鋅大量應(yīng)用，鋁、鎂、鈦、稀有金屬相繼問世20世紀(jì)初，合成高分子材料問世，發(fā)展十分迅速1909酚醛樹脂(電木)、1925聚苯乙烯、1931聚氯乙烯以、1941尼龍等20世紀(jì)中后期，制造出一系列具有不可替代作用的功能材料和先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料

如電子陶瓷、鐵氧體、光學(xué)玻璃、透明陶瓷、敏感及光電功能薄膜材料等材料科學(xué)的形成第70頁/共89頁材料科學(xué)形成的物質(zhì)、科學(xué)基礎(chǔ)基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展，為材料科學(xué)理論體系的形成打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)量子力學(xué)、固體物理、斷裂力學(xué)、(無機(jī)、有機(jī)、物理)化學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，現(xiàn)代分析測試技術(shù)和設(shè)備的更新，使人類對物質(zhì)結(jié)構(gòu)和物化性質(zhì)有了更深的理解在材料科學(xué)學(xué)科確立前，三大材料已各自自成體系，對材料組成、制備、結(jié)構(gòu)、性能及其相互關(guān)系的研究也較系統(tǒng)學(xué)科理論的交叉融合日益突出不同材料領(lǐng)域的許多概念、現(xiàn)象、變化都頗相似相變理論。馬氏體相變最初由金屬學(xué)家所建立，為鋼的熱處理理論

后在氧化鋯增韌陶瓷中也發(fā)現(xiàn)馬氏體相變，發(fā)展為陶瓷增韌的有效方法缺陷理論、平衡熱力學(xué)、擴(kuò)散、塑性變形和斷裂機(jī)理、表面與界面、晶態(tài)和非晶態(tài)結(jié)構(gòu)、電子遷移與束縛、原子聚集體等概念，可用來解釋不同類型材料的行為材料科學(xué)的形成第71頁/共89頁材料科學(xué)形成的物質(zhì)、科學(xué)基礎(chǔ)各類材料的研究設(shè)備與生產(chǎn)手段頗具共同之處不同類型的材料各有其專用設(shè)備與生產(chǎn)裝置，但也相同或相近的方面，如顯微鏡、電子顯微鏡、表面測試儀器等許多加工裝置有通用之處擠壓機(jī)可用來對金屬材料進(jìn)行成型或冷加工硬化；擠壓成絲，可大幅度提高高分子纖維的強(qiáng)度和剛度隨著粉末成型技術(shù)和熱致密化技術(shù)的發(fā)展，粉末冶金和現(xiàn)代陶瓷制造已很難找出明顯的區(qū)別以應(yīng)用為目的的材料設(shè)計(jì)，打破了不同材料間的界限使用不同類型的材料相互代替和補(bǔ)充，更能充分發(fā)揮各種材料的優(yōu)越性，達(dá)到物盡其用的目的在多數(shù)情況下，復(fù)合材料是不同類型材料的組合材料科學(xué)的形成第72頁/共89頁材料科學(xué)是一門以固體材料為研究對象，運(yùn)用各種精密儀器和技術(shù)，探討材料的組成、結(jié)構(gòu)、制備工藝、使用過程與其機(jī)械、物理、化學(xué)性能規(guī)律的一門基礎(chǔ)應(yīng)用學(xué)科，是研究材料共性的一門學(xué)科材料科學(xué)的內(nèi)涵定義材料科學(xué)工藝結(jié)構(gòu)性能材料科學(xué)，包括的三個環(huán)節(jié)，核心是結(jié)構(gòu)和性能材料科學(xué)以物理、化學(xué)、物理化學(xué)等學(xué)科為基礎(chǔ)涉及材料晶體結(jié)構(gòu)、材料熱力學(xué)與動力學(xué)、材料性能等系統(tǒng)的材料科學(xué)知識揭示材料結(jié)構(gòu)和性能，解釋結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系目的第73頁/共89頁材料的結(jié)構(gòu)與性能●材料結(jié)構(gòu)，包括晶體結(jié)構(gòu)、非晶體結(jié)構(gòu)、(顯微鏡下)微觀結(jié)構(gòu)●材料性能，包括物理性能、化學(xué)性能、力學(xué)性能、其它性能(功能)材料科學(xué)的內(nèi)涵對固態(tài)物質(zhì)性質(zhì)的認(rèn)識，首先從宏觀現(xiàn)象開始，觀測熔點(diǎn)、硬度、強(qiáng)度、電導(dǎo)、磁性、化學(xué)反應(yīng)活性等隨后深入到原子、分子層次，用原子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵理論等來闡明材料物性-結(jié)構(gòu)關(guān)系第74頁/共89頁材料工程是工程的一個領(lǐng)域，其目的在于經(jīng)濟(jì)地、為社會所能接受地控制材料的結(jié)構(gòu)、形狀、性能材料工程包括下面的五個環(huán)節(jié)材料科學(xué)的內(nèi)涵材料科學(xué)、材料工程的區(qū)別，于著眼點(diǎn)不同，各自強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)不同，兩者并無明確的界限●材料科學(xué)的基礎(chǔ)理論，為材料工程指明方向，為更好地選用材料、發(fā)揮現(xiàn)有材料的潛力、發(fā)展新材料，提供了理論基礎(chǔ)●常采用復(fù)合名詞－材料科學(xué)與工程(MSE,MaterialScienceandEngineering)材料工程設(shè)備工藝結(jié)構(gòu)性能構(gòu)件行為第75頁/共89頁如何獲得新材料改進(jìn)現(xiàn)有的材料(改性材料)使用要求促進(jìn)了材料的發(fā)展針對飛機(jī)用輕型材料，研制成Al-Li合金針對發(fā)動機(jī)耐高溫材料，研制成精密陶瓷許多場合要求材料內(nèi)部韌性高，表面耐磨、耐腐蝕，進(jìn)行材料表面改性工藝手段的進(jìn)步，使材料改進(jìn)成為可能，新材料才能由理想變成現(xiàn)實(shí)石英玻璃純度提高、大直徑單晶硅片的制造，都涉及工藝問題將從未結(jié)合在一起的元素結(jié)合起來(復(fù)合新材料)人類已進(jìn)入復(fù)合材料時代合成一種新的單一材料，使之滿足各種高要求的綜合指標(biāo)，是非常困難的；即使能研制出某種滿意的單一材料，從實(shí)驗(yàn)室到生產(chǎn)的周期也很長利用現(xiàn)有三大材料制成復(fù)合材料，既可達(dá)到預(yù)期的性能指標(biāo)，又可起到節(jié)約材料和費(fèi)用的作用向大自然學(xué)習(xí)人類改造自然、征服宇宙取得巨大成功，但對自然的認(rèn)識和模擬還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠第76頁/共89