材料概論第一章-材料與材料科學(xué).ppt

1、材料概論,Introduction to Material Science,王艷芬 ,課程的性質(zhì),材料概論,無機(jī)化學(xué),物理化學(xué),材料工學(xué),現(xiàn)代測試方法,認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí) 畢業(yè)實(shí)習(xí),畢業(yè)論文,進(jìn)一步深造,分析化學(xué),有機(jī)化學(xué),材料科學(xué)基礎(chǔ),普通物理,教材與參考書,周達(dá)飛材料概論 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001 施惠生 主編 材料概論 上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2002 顧家琳 主編 材料科學(xué)與工程概論 北京：清華大學(xué)出版社，2005 李俊壽 主編 新材料概論 北京：國防工業(yè)出版社，2004,教學(xué)內(nèi)容,第一章 材料與材料科學(xué),材料的地位、作用與發(fā)展 材料的定義和分類 材料的要素 材料科學(xué)與工程的發(fā)展趨勢,材料是

2、人類賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)； 人類的文明史以使用的主要材料來劃分為四個(gè)時(shí)代。,1.1材料的地位、作用與發(fā)展,石器時(shí)代 陶器 青銅器 鐵器 250萬年前 1萬年前 公元前5000年 公元前1200年,舊石器時(shí)代（10000年前）,新石器時(shí)代（距今10000-4000年）,磨制石器 7000年前,陶器,青銅時(shí)代 公元前5000年,鐵器時(shí)代（1）公元前1200年,鐵器時(shí)代（2）,人類的文明史就是材料的發(fā)展史 是人類學(xué)習(xí)利用材料、制造 材料、創(chuàng)新材料的歷史。,材料發(fā)展近代史,以1712年蒸汽機(jī)發(fā)明為起點(diǎn)，近300年來，人類經(jīng)歷了4次技術(shù)革命。 蒸汽機(jī) 電 原子能 計(jì)算機(jī)、生物、 空間技術(shù) 18世

3、紀(jì)末 19世紀(jì)末 20世紀(jì)中期 20世紀(jì)70年代,紡織 冶金 機(jī)械 造船,電子 石油 化工 電氣,合成材料 半導(dǎo)體材料,新型無機(jī)材料 高分子材料 新型金屬材料 復(fù)合材料,材料是人類生存、社會(huì)發(fā)展、科技進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)、現(xiàn)代科技發(fā)展的先導(dǎo) 我國是材料大國，但不是材料強(qiáng)國,“神舟 六號(hào)” 飛船 始返 前后 圖片,2005年，115小時(shí)飛行,材料是當(dāng)代文明的三大支柱之一 材料、能源、信息是當(dāng)代社會(huì)文明和國民經(jīng)濟(jì)的三大支柱，是人類社會(huì)進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)先導(dǎo)。 材料是全球新技術(shù)革命的四大標(biāo)志之一 新材料技術(shù)、新能源技術(shù)、信息技術(shù)、生物技術(shù)。 新型材料的研究、開發(fā)與應(yīng)用反映一個(gè)國家的科學(xué)技術(shù)

4、與工業(yè)水平，關(guān)系到國家的綜合國力與安全。,材料在國民經(jīng)濟(jì)中的地位,現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)： 以半導(dǎo)體材料為核心的計(jì)算機(jī)制造技術(shù)； 以光導(dǎo)纖維為基礎(chǔ)的光纖通訊技術(shù)； 以超導(dǎo)材料為基礎(chǔ)的磁懸浮技術(shù)； 以耐熱輕質(zhì)材料為結(jié)構(gòu)材料的航空航天技術(shù)等。 納米材料科學(xué)與技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的 新興學(xué)科，成為21世紀(jì)新技術(shù)的主導(dǎo)中心。,鈦結(jié)構(gòu)自行車：“自行車發(fā)燒友” 選擇鈦合金制自行車。鈦合金的應(yīng)用場合很特殊。通常用于需要抗腐蝕，耐疲勞，高彈性的場合,19,材料和生活用品,20,超級(jí)鋼 一種汽車用鋼，比原先的輕24%，強(qiáng)度高34%，稱為超級(jí)鋼。,磁懸浮列車 速度：500km/h,核磁共振儀,南京北京只需4

5、個(gè)小時(shí),1.2、材料的定義和分類,材料是由一種化學(xué)物質(zhì)為主要成分，并添加一定的助劑作為次要成分所組成的；-一定的組成和配比 可以在一定的溫度和一定壓力下使之熔融，并在模具中塑制成一定形狀；-成型加工性 冷卻后在室溫下能保持既定形狀，并可在一定條件下使用的物品；-形狀保持性 其生產(chǎn)過程必須實(shí)現(xiàn)最高的生產(chǎn)率、最低的原料成本和能耗；-經(jīng)濟(jì)性 最少地產(chǎn)生廢物和環(huán)境污染物，并且其廢棄物可以回收再利用。-回收和再生性,一. 材料的定義,注意:,材料是物質(zhì)，但不是所有物質(zhì)都可以稱為材料。 大多數(shù)的物質(zhì)需通過一定的工藝過程才能轉(zhuǎn)化為材料. 材料可由一種物質(zhì)或若干種物質(zhì)構(gòu)成. 同一種物質(zhì),由于制備或加工方法不同

6、,可成為用途不同不同類型的材料.,按化學(xué)組成分類 按材料的應(yīng)用分類 按材料的使用性能分類 按材料結(jié)晶狀態(tài)分類,二.材料的分類,無機(jī)非金屬材料 ROX、RNX、碳化物 、硼化物及硅酸鹽、鋁酸鹽等 水泥、陶瓷、玻璃、耐火材料金屬材料 金屬元素 黑色、有色 、特種金屬材料有機(jī)高分子材料 H、 C、 O、 N 塑料、橡膠、纖維、涂料、粘合劑復(fù)合材料 兩種或兩種以上材料組成 金屬基、陶瓷基、樹脂基,1、按化學(xué)組成分類,各種金屬零部件,工程塑料制成的零件,高溫結(jié)構(gòu)陶瓷零件,復(fù)合材料,用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂制得的高爾夫球桿強(qiáng)度高、重量輕、剛性好。,復(fù)合材料,2、按材料的應(yīng)用領(lǐng)域分類,航空、航天材料,能源材料,

7、生物材料,電子材料,3、按材料的使用性能分類,結(jié)構(gòu)材料：力學(xué)性能（彈性、塑性、硬度、抗拉等） 功能材料：除力學(xué)性能以外的其它性能 （光、聲、電、磁、超導(dǎo)等功能材料）,結(jié)構(gòu)材料,光學(xué)鏡片,磁性材料,光學(xué)聚合物材料,鐵磁芯,40,形狀記憶合金,管件接頭,衛(wèi)星天線,4、按材料的結(jié)晶狀態(tài)分類,單晶材料：由一個(gè)比較完整的晶粒構(gòu)成的材料，如單晶纖維、單晶硅； 多晶材料：由許多晶粒組成的材料，其性能與晶粒大小、晶界的性質(zhì)有密切的關(guān)系。 非晶態(tài)材料：由原子或分子排列遠(yuǎn)程無序的固體材料，如玻璃、高分子材料。,單晶金剛石,液 晶,1.3、材料的要素,探索這四個(gè)要素之間的關(guān)系覆蓋從基礎(chǔ)學(xué)科到工程的全部內(nèi)容。,1、性

8、質(zhì)/性能,力學(xué)性質(zhì) 強(qiáng)度、硬度、鋼度、塑性、韌性 物理性質(zhì) 電學(xué)性質(zhì)、磁學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì) 化學(xué)性質(zhì) 催化性質(zhì)、防腐性質(zhì),是材料功能特性和效用的定量度量和描述。 （材料對電、磁、光、熱、機(jī)械載荷的反應(yīng)）,性質(zhì),主要決定于材料的組成與結(jié)構(gòu)。,2. 使用性能,定義：材料在最終使用狀態(tài)下表現(xiàn)的行為。 內(nèi)容：可靠性、耐用度、有效壽命、性能價(jià)格比、安全性等各種性能指標(biāo)。 它將材料的固有性質(zhì)與材料設(shè)計(jì)、工程環(huán)境及人類的需要融合一起。,3、結(jié)構(gòu)與成分,每一種材料都含有一種以原子和電子尺度到宏觀尺度的結(jié)構(gòu)體系。 結(jié)構(gòu)與成分的變化是影響材料性能的基本因素。 結(jié)構(gòu)與成分是材料采用的合成與加工方法的結(jié)果。

9、宏觀組織結(jié)構(gòu)： 10-4 m 肉眼可見 顯微組織結(jié)構(gòu)： 10-4 10-8 m 顯微鏡觀察 原子或分子排列結(jié)構(gòu)：10-10 m 原子中的電子結(jié)構(gòu)： 10-13 m,4、合成與加工,合成與加工 建立原子、分子和分子聚集體的新排列，在從原子尺度到宏觀尺度的所有尺度上對結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制以及高效而又競爭地制造材料和零件的演變過程。 合成把各種原子或分子結(jié)合起來，制成材料所采用的方法。 加工是賦予制品一定的形狀或性能。 合成與加工是新技術(shù)開發(fā)的關(guān)鍵要素、人造材料的唯一實(shí)現(xiàn)途徑,例一、汽車底盤材料,制備汽車底盤的材料要求： 極高的強(qiáng)度，易成型； 考慮到能耗，鋼板必須薄而輕； 為安全性，在撞車時(shí)，鋼板能吸收大量

10、的能量。 需考慮：成分、強(qiáng)度、重量、能量吸收性能以及延展性 材料科學(xué)家需從顯微結(jié)構(gòu)上檢驗(yàn)鋼材，以確定該材料是否滿足上述要求；還需采用有成本效益的方式進(jìn)行制造。 還必須考慮：成型過程是否影響鋼材的力學(xué)性能？采用何種涂層可更好地提高鋼的抗腐蝕性能？這種鋼材是否易于焊接？,例二、三種不同的氧化鋁材料,單晶,多晶、低孔隙率,多晶、高孔隙率,制備加工過程對產(chǎn)品性能的影響,1.4 材料科學(xué)與工程的發(fā)展趨勢,天然材料（木塊、石器、骨器）,簡單合成材料（陶器、青銅和鐵）,高分子材料（合成塑料、橡膠）,復(fù)合材料,智能材料（隨環(huán)境和時(shí)間變化的復(fù)合材料）,天然材料（木塊、石器、骨器）,簡單合成材料（陶器、青銅和鐵）

11、,高分子材料（合成塑料、橡膠）,復(fù)合材料,簡單合成材料（陶器、青銅和鐵）,高分子材料（合成塑料、橡膠）,復(fù)合材料,智能材料（隨環(huán)境和時(shí)間變化的復(fù)合材料）,簡單合成材料（陶器、青銅和鐵）,高分子材料（合成塑料、橡膠）,復(fù)合材料,天然材料（木塊、石器、骨器）,簡單合成材料（陶器、青銅和鐵）,高分子材料（合成塑料、橡膠）,復(fù)合材料,智能材料（隨環(huán)境和時(shí)間變化的復(fù)合材料）,簡單合成材料（陶器、青銅和鐵）,高分子材料（合成塑料、橡膠）,復(fù)合材料,智能材料（隨環(huán)境和時(shí)間變化的復(fù)合材料）,復(fù)合材料,高分子材料（合成塑料、橡膠）,智能材料（隨環(huán)境和時(shí)間變化的復(fù)合材料）,復(fù)合材料,簡單合成材料（陶器、青銅和鐵）

12、,高分子材料（合成塑料、橡膠）,智能材料（隨環(huán)境和時(shí)間變化的復(fù)合材料）,復(fù)合材料,天然材料（木塊、石器、骨器）,簡單合成材料（陶器、青銅和鐵）,高分子材料（合成塑料、橡膠）,智能材料（隨環(huán)境和時(shí)間變化的復(fù)合材料）,復(fù)合材料,天然材料（木塊、石器、骨器）,簡單合成材料（陶器、青銅和鐵）,高分子材料（合成塑料、橡膠）,智能材料（隨環(huán)境和時(shí)間變化的復(fù)合材料）,復(fù)合材料,天然材料（木塊、石器、骨器）,簡單合成材料（陶器、青銅和鐵）,高分子材料（合成塑料、橡膠）,智能材料（隨環(huán)境和時(shí)間變化的復(fù)合材料）,復(fù)合材料,天然材料（木塊、石器、骨器）,簡單合成材料（陶器、青銅和鐵）,高分子材料（合成塑料、橡膠）,智能