材料科學基礎1 深圳大學

《材料科學基礎》

《FoundationsofMaterialsScience》主講：朱光明深圳大學理學院材料系緒論一、《材料科學基礎》的基本概念二、《材料科學基礎》的地位三、學習《材料科學基礎》的意義四、《材料科學基礎》的內容五、如何學好《材料科學基礎》《材料科學基礎》的基本概念

材料是指人類社會能接受地，經濟地的制造有用物品的物質。材料科學是研究材料的成分、組織結構、制備工藝、加工工藝、材料的性能與材料應用之間的相互關系的科學。材料科學是當代科學技術發(fā)展的基礎、工業(yè)生產的支柱，是當今世界的帶頭學科之一。納米材料科學與技術是20世紀80年代發(fā)展起來的新興學科，成為21世紀新技術的主導中心。

材料科學基礎是進行材料科學研究的基礎理論，它將各種材料（包括金屬、陶瓷、高分子材料）的微觀結構和宏觀結構規(guī)律建立在共同的理論基礎上，用于指導材料的研究、生產、應用和發(fā)展。它涵蓋了材料科學和材料工程的基礎理論。材料科學基礎的地位人類社會發(fā)展的歷史階段常常用當時主要使用的材料來劃分。從古代到現(xiàn)在人類使用材料的歷史共經歷了七個時代，各時代的開始時間：石器時代（公元前10萬年）青銅器時代（公元前3000年）鐵器時代（公元前1000年）水泥時代（公元0年）鋼時代（1800年）硅時代（1950年）新材料時代（1990年）學習料料科學基礎的意義（一）材料科學的內涵材料科學是一個跨物理、化學等的學科。材料科學的核心問題是材料的組織結構（Structure）和性能（Property）以及它們之間的關系。右圖為材料科學與工程四要素。所以，先要了解材料的結構是什么？材料結構關系材料的結構包括不同晶體結構和非晶體，以及顯微鏡下的微觀結構，哪些主要因素能夠影響和改變結構？只有了解了這些才能實現(xiàn)控制結構的目的。材料的性能包括物理性能、化學性能、力學性能。其內部結構包括四個層次：①原子結構；②結合鍵；③原子的排列方式；④顯微組織（二）材料科學與材料工程的關系材料科學的形成：“材料”早存在，“材料科學”提出于20世紀60年代，1957年蘇聯(lián)衛(wèi)星上天，美國震動很大，在大學相繼建立十余個材料科學研究中心，自此開始，“材料科學”一詞廣泛應用。一般來講，科學是研究“為什么”的學問，而工程是解決“怎么做”的學問。材料科學的基礎理論，為材料工程指明方向，為更好地選擇、使用材料，發(fā)揮現(xiàn)有材料的潛力、發(fā)展新材料提供理論基礎。材料科學和材料工程之間的區(qū)別主要在于著眼點的不同或者說各自強調的中心不同，它們之間并沒有一條明確的界線，因此，后來人們常常將二者放在一起，采用一個復合名詞－材料科學與工程（MSE，MaterialScienceandEngineering）材料科學：是一門科學，它從事與材料本質的發(fā)現(xiàn)、分析和了解方面的研究，其目的在于提供材料結構的統(tǒng)一描繪或模型，以及解釋這種結構與性能之間的關系。它包括下面的三個環(huán)節(jié)，核心是結構和性能。材料工程：是工程的一個領域，其目的在于經濟地，而又為社會所能接受地控制材料的結構、性能和形狀。它包括下面的五個環(huán)節(jié)。工藝結構性能材料科學工藝結構性能材料工程設備構件行為（三）材料的分類

通常根據(jù)材料的結構和用途來分類。結構材料是以強度，剛度，韌性，耐勞性，硬度，疲勞強度等力學性能為特征的材料。功能材料是以聲，光，電，磁，熱等物理性能為特征的材料。本課程是按金屬、陶瓷、高分子和它們的復合材料來組織教材的內容的。結構材料實際上是一種按結合鍵種類來分類的方法。由此可將材料分為金屬、陶瓷、高分子和由金屬、陶瓷和高分子分別組合成的各種復合材料材料。金屬材料：黑色金屬材料（鋼鐵）、有色黑色金屬材料（除鋼鐵以外的）

陶瓷材料：氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷

高分子材料：塑料、橡膠合成纖維

復合材料：金屬基復合材料、陶瓷基復合材料、樹脂基復合材料

功能材料：電子材料、光電子材料、超導材料（四）材料的應用讓我們回顧幾項有影響的事例，以便加深理解材料的發(fā)展在人類社會發(fā)展中起了舉足輕重的作用。計算機與材料

1、計算機經歷：電子管→晶體管→集成電路時代

2、個人電腦移動存儲器的比較材料科學的發(fā)展是計算機飛速發(fā)展的基礎種類使用的材料存儲容量特點軟盤氧化鐵1.44Mb容量小，文本文件存儲CD－RW以ZnS等為主的陶瓷材料650MbCD光盤，價低，用量大MO(磁光盤)TbFeCo合金磁光材料650Mb，1.3G需專用驅動器，價格高，局限在廣告圖形用戶DVD－RWZnS等為主的陶瓷材料單面單層為4.7GbCD－RW和CD光盤，用量大飛機和材料

從萊特兄弟實現(xiàn)飛行的夢想以來，航空和航天器發(fā)生了巨變。為了飛得快和遠，就要采用強度高和比重小的材料，重視材料的比強度，即強度/比重之比。因此，航空和航天器中鋁、鎂合金用量大。隨著航空技術的進一步發(fā)展，輕質和高比強度的鈦合金、碳纖維高分子復合材料、硼纖維金屬復合材料等得到愈來愈多的采用。實例壓氣機葉片壓氣機機匣飛機尾翼硼纖維鋁合金板和管材料鋁合金鈦合金碳纖維復合材料硼纖維增強鋁合金強度范圍MPa150－450350－11001000－1200（順纖維方向）1500（順纖維方向）比強度MPa55－16080－245625－750570待升空的美國航天飛機材料和生活用品鈦結構自行車：“自行車發(fā)燒友”選擇鈦合金制自行車。鈦合金的應用場合很特殊。通常用于需要抗腐蝕，耐疲勞，高彈性的場合。

生命科學材料

原來使用專用的汞合金，為防止金屬合金的分解已經開發(fā)出一種可以滿足口腔中特殊的物理及化學環(huán)境的新型陶瓷。具體來講，它需要滿足下列要求：耐口腔中的酸；低熱導率（這對你吃冷飲有好處）；盡得住數(shù)年的咀嚼力；耐驟冷驟熱；當然還要口感舒適。復合科學材料

碳、硼纖維及環(huán)氧化合物復合材料非常輕，