材基課件-0-緒論

材基課件-0-緒論第一頁，共42頁。緒論材料的含義材料結構與分類材料科學的意義本課程的地位學習方法第一頁2第二頁，共42頁。0-1材料的含義材料是能為人類經濟地、用于制造有用物品的物質。如金屬、陶瓷、玻璃、半導體、超導體、塑料、橡膠、纖維、砂子、石塊等。材料分為天然與人工合成材料，結構和功能材料。燃料和化學原料、工業(yè)化學品、食物和藥物，一般都不算是材料。第二頁3第三頁，共42頁。0-2材料是社會的物質基礎材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質基礎。材料與國民經濟建設、國防建設和人民生活密切相關。巧婦難為無米之炊！柴米油鹽醬醋茶就是材料（廣義）。使用任何一種技術離不開材料。從最原始最簡單的技術到最尖端、最復雜的技術，莫不如此。第三頁4第四頁，共42頁。材料與人類歷史在人類社會發(fā)展的早期，常用主要生產工具使用的材料來代表，如：1石器時代~公元前10萬年2青銅時代~公元前3000年3鐵器時代~公元前1000年4水泥時代~公元0年5鋼時代1800年6硅時代1950年？7新材料時代1990年？第四頁5第五頁，共42頁。材料與人類生活密切相關材料與食物、住所、能源、信息等構成了人類生活的基本資源。材料的發(fā)展與進步不斷改善與提高人們的生活質量。人們的衣食住行、休閑娛樂樣樣離不開材料。如衣料，天然的棉、麻、絲、毛，還有各種人造纖維。如尼龍襪。第五頁6第六頁，共42頁。材料與新技術革命半導體材料是整個電子技術和計算機產業(yè)的基礎。大規(guī)模集成電路的主要材料是單晶硅片。如果不能制成高純度大直徑的硅單晶，就不會有高度發(fā)展的集成電路，也不會有今天如此先進的計算機和一切電子設備。1999年漢諾威大學研制成了鍺處理器，使運算速度提高一倍。第六頁7第七頁，共42頁。第七頁8第八頁，共42頁。1970年制成的使光強度衰減降低到可以實用的光導纖維，實現了現代的光通信；一根細絲就能同時傳輸2000路通話，并且不失真、不受干擾，不易被竊聽。光導纖維的出現使信息傳輸發(fā)生了巨大變化，對國民經濟、國防、科技文化、社會生活都產生了巨大影響。第八頁9第九頁，共42頁。超導材料的研究是20世紀最后一次技術革命。高溫超導材料研究，我國處于世界領先水平。磁懸浮列車就使用了超導體。第九頁10第十頁，共42頁。人們早就知道了噴氣航空發(fā)動機比螺旋槳航空發(fā)動機有很多優(yōu)點，但由于沒有材料能承受噴射出燃氣的高溫，使這種理想只能是空中樓閣。直到1942年制成了鎳基耐熱合金這種新材料，才使噴氣發(fā)動機的制造得以實現。新技術需要新材料的支持第十頁11第十一頁，共42頁。材料與國防現代化隱形飛機：形狀設計，材料選擇，減小對雷達波的反射。B-2幽靈式轟炸機機身采用C纖維復合材料，覆蓋物10mm。坦克：多層纖維增強提高防彈能力。英國正在研制可以改變顏色的塑料坦克。防彈衣：一戰(zhàn)時為鋼鎧甲9kg，然后發(fā)展為尼龍和鋁片、玻璃鋼，現在可用化學纖維制做：18層尼龍和凱夫拉纖維，只有1.03kg。第十一頁12第十二頁，共42頁。20世紀70年代人們把信息、材料和能源譽為當代文明的三大支柱，其中材料是基礎。80年代以高技術群為代表的新技術革命，又把新材料、信息技術和生物技術并列為新技術革命的重要標志。材料的研究、開發(fā)與應用反映著一個國家的科學技術與工業(yè)水平，關系著國家的綜合國力與安全。第十二頁13第十三頁，共42頁。材料的性能材料性能是用于表征材料在給定外界條件下行為的一種參量。例如表征材料在外力作用下拉伸行為的屈服強度、抗拉強度、斷裂強度等力學性能；例如表征材料在外磁場作用下行為的矯頑力、剩余磁感、磁能積等磁學性能。理論及實驗證明，材料性能是由其結構決定的。第十三頁14第十四頁，共42頁。0-3材料結構與分類組元：組成材料的基本物質，如原子、分子和離子等。材料的結構是指組元種類及其排列和運動方式。根據不同尺度，材料的結構可以分為三個主要層次：原子結構、原子的排列（相結構）和顯微組織（相的形態(tài)）。

材料的性能是由材料的結構決定的。第十四頁15第十五頁，共42頁。（一）原子結構原子結構：電子圍繞著原子核的排列情況。影響原子的鍵合方式。對材料的電學、磁學、熱學、光學乃至耐腐蝕性能都有重大影響。第十五頁16第十六頁，共42頁。結合鍵組成物質的粒子，如原子、離子或分子之間的相互作用力稱為結合鍵。整體材料的性質主要是由結合鍵的性質決定的。從自由原子形成一個結合鍵，體系能量降低，降低幅度稱為鍵能。鍵能大小大致可以用升華熱、熔點、彈性模量的高低來估計。第十六頁17第十七頁，共42頁?；瘜W鍵和物理鍵由電子轉移或共享使原子產生聚集的結合力為化學鍵，它是固體中的主要結合鍵。化學鍵包括離子鍵、共價鍵和金屬鍵等三種。(一次鍵)分子鍵屬于物理鍵，聚集過程中不發(fā)生電子轉移或共享，包括范德華力和氫鍵。(二次鍵)第十七頁18第十八頁，共42頁。離子鍵電負性相差較大的元素依靠交換電子形成滿殼層的正負離子，然后依靠靜電結合在一起形成離子鍵。離子鍵沒有方向性，但是有飽和性，要求一定的正負離子比例。如NaCl之間：第十八頁19第十九頁，共42頁。共價鍵共價鍵依靠共用電子對所產生的力結合，共價鍵有方向性和飽和性。共價鍵和離子鍵具有很高的鍵能，形成的材料大多具有高熔點、高硬度、不導電、低膨脹系數等特點。第十九頁20第二十頁，共42頁。金屬元素的原子結構特點

金屬元素的原子在滿殼層外往往只有一個或幾個價電子。滿殼層電子在原子核和價電子之間起屏蔽作用，原子核對外面軌道上的價電子的吸引力不大，所以金屬原子很容易失去價電子而成為正離子。

第二十頁21第二十一頁，共42頁。金屬鍵

價電子為全體原子所共有，形成電子云，而正離子則沉浸在電子氣中。正離子和電子氣由于靜電吸引使全部離子結合起來。這種結合力就叫做金屬鍵。金屬鍵無飽和性和方向性?！笆ル娮拥慕饘匐x子浸在自由電子的海洋中”。第二十一頁22第二十二頁，共42頁。金屬的特性金屬鍵決定了金屬的性質：良好的的導電性、導熱性；金屬光澤；較高的強度和塑性；正電阻溫度系數等。第二十二頁23第二十三頁，共42頁。分子鍵分子鍵（范德瓦爾斯力）：中性原子（或分子）靠近時，由于出現電子云不均勻分布，使正負電荷中心發(fā)生偏離，從而產生吸引力（VandeWaales）。結合力小、易變形、熔點低、硬度低，如塑料。氫鍵：含氫物質中，H與其它原子形成共價鍵，共有電子強烈偏離H，H原子幾乎為半徑很小帶正電的核，H可以與另外一原子吸引，形成附加鍵。有方向性，結合力較強，比離子鍵、共價鍵小。第二十三頁24第二十四頁，共42頁。各種結合鍵比較結合鍵類型實例結合能eV/mol主要特征離子鍵LiClNaClKClRbCl8.637.947.206.90無方向性，高配位數，低溫不導電，高溫離子導電共價鍵金剛石SiGeSn1.371.683.873.11方向性，低配位數，純金屬低溫導電率很小金屬鍵LiNaKRb1.631.110.9310.852無方向性，高配位數，密度高，導電性高，塑性好分子鍵NeAr0.0200.078低熔點、沸點壓縮系數大，保留分子性質氫鍵H2OHF0.520.30結合力高于無氫鍵分子第二十四頁25第二十五頁，共42頁。（二）原子排列方式結構的第二個層次是原子在空間的排列方式。石墨與金剛石都由C原子組成，但是由于原子的排列方式不同，性能差別很大。此外，晶體中的缺陷對材料性能也有很大影響。第二十五頁26第二十六頁，共42頁。（三）顯微組織結構的第三個層次是材料的顯微組織。顯微組織是指相的形貌，是指顯微鏡下觀察到的具有一定大小、形狀和分布的組合圖像。顯微組織對于材料的力學性能有很大影響。對其它物理性能影響較小。結構是由化學成分、加工工藝決定的。第二十六頁27第二十七頁，共42頁。萊氏體組織第二十七頁28第二十八頁，共42頁。材料的分類根據材料的本性和結合鍵的性質，材料可以分為金屬材料、陶瓷材料、高分子材料和復合材料等四大類。

第二十八頁29第二十九頁，共42頁。(1)金屬的特性整體金屬中，金屬原子以金屬鍵相結合，表現出:較高的強度和塑性；良好的導電性、導熱性；金屬光澤；正電阻溫度系數；化學穩(wěn)定較差等性質。第二十九頁30第三十頁，共42頁。金屬材料以金屬元素為主構成的、具有金屬性質的物質稱為金屬材料。常用的金屬材料包括鋼；鑄鐵；銅、鋁、鈦等有色合金。第三十頁31第三十一頁，共42頁。（2）高分子材料相對分子量>5000大分子內以共價鍵結合，分子之間以氫鍵、范德華力相結合；鍵能很低；高分子材料大多具有密度、熔點、硬度、彈性模量較低等特點。較強的絕緣、耐腐性、但不耐老化；良好的塑性，工藝性優(yōu)良、成本低。第三十一頁32第三十二頁，共42頁。高分子材料包括以下四類：塑料橡膠粘接劑纖維其中塑料、橡膠大量用作工程材料。第三十二頁33第三十三頁，共42頁。（3）無機非金屬材料無機非金屬材料主要是由氧化物、碳化物、氮化物等組成，還有單質C、Si等。原子之間主要是共價鍵和離子鍵結合。鍵能大，大多具有高熔點、高硬度、不導電、低膨脹系數、脆性大等特點。產品包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。陶瓷作為絕緣材料、耐熱材料、耐磨件等，如火花塞、發(fā)動機氣缸頂等、爐窯結構、高壓電線絕緣子、切削刀具等。第三十三頁34第三十四頁，共42頁。（4）復合材料復合材料是由兩種或兩種以上不同性質或不同組織結構材料組合在一起而構成的。如果選擇適合的組分材料及復合工藝，可以得到在強度、剛度和耐蝕性等方面比單純的金屬、陶瓷和聚合物都優(yōu)越的材料，復合材料具有廣闊的發(fā)展前景。復合材料通常分為樹脂基復合材料、金屬基復合材料和陶瓷基復合材料三大類。

第三十四頁35第三十五頁，共42頁。材料科學的基礎冶金學、金屬學、陶瓷學、高分子科學等學科的發(fā)展使得對材料的本質認識大大系統化（組成-制備-結構-性能的關系），一些共性知識成為材料科學的研究內容。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)展為材料科學奠定了重要的理論基礎。現代分析技術和設備的更新，加深了對物質結構和物理化學性質的理解。第三十五頁36第三十六頁，共42頁。0-4材料科學材料科學主要研究物質結構、結構與性能的關系。材料工程關注如何控制材料的結構、性能和形狀。要考慮經濟、質量、資源、環(huán)保、能源。二者之間沒有明顯的界限，合稱材料科學與工程。材料科學的理論對于材料選用、材料加工、新材料的研究開發(fā)都有指導意義。第三十六頁37第三十七頁，共42頁。0-5課程學習目的與地位學習目的：掌握材料成分、組織結構和性能之間的關系，以便合理地制備、選擇和使用材料；解決材料在加工和使用過程中組織結構和性能變化的微觀機理，從中找出適宜的加工、改性方法。課程地位：材料學院重要的專業(yè)基礎課。學習后續(xù)專業(yè)課、將來從事材料的研究與開發(fā)的理論基礎。第三十七頁38第三十八頁，共42頁。材料科學是一門應用科學材料科學是一門應用科學；學習中需要理論聯系實際。

在深入學習和牢固掌握基礎知識、基礎理論的同時，要思考、探索它的應用。培養(yǎng)用實驗去驗證理論，提高歸納實