1、材 料 概 论,1.1 材料的地位、作用与发展材料是人类文明的里程碑材料是人类赖以生存和得以发展的重要物质基础材料是一个国家经济实力、科学技术进步程度、人民生活水准的度量,第一章 材料与材料科学,材料与人类文明石器时代：旧石器时代和新石器时代 玉器时代 青铜器时代 铁器时代四次技术革命 高分子时代 复合材料时代,第一章 材料与材料科学,石器,第一章 材料与材料科学,玉器,第一章 材料与材料科学,青铜器,第一章 材料与材料科学,四次技术革命 第一次技术革命 18世纪后期蒸汽机的发明及广泛应用为主要标志高炉、转炉、平炉制造优质钢材的工业化 第二次技术革命 19世纪末电的发明和广泛应用为标志远距离输
2、送电材料以及通讯、照明用材料 第三次技术革命 20世纪中期原子能应用为主要标志合成材料、半导体材料等大规模工业化、民用化 第四次技术革命 20世纪70年代计算机，特别是微电子、生物工程和空间技术为主要标志相关的新型结构与功能材料,第一章 材料与材料科学,高分子表11 普通、小型乘用车的原材料构成比例， 年份 1973 1977 1980 1983 1986 1989 1992 1997 黑色金属 生铁 3.2 3.2 2.8 2.2 1.7 1.7 2.1 1.8 普通钢材 60.4 61.4 60.5 59.5 57.7 56.9 54.9 52.1 特种钢材 17.5 16.1 14.7
3、14.3 15.0 15.1 15.3 16.9 有色金属 电解铜 1.0 0.9 0.1 0.2 0.1 0.1 0.1 0.1 铅合金 0.6 0.6 0.8 0.9 1.2 1.0 1.1 1.9 锌合金 0.5 0.5 0.3 0.4 0.4 0.4 0.3 0.2 铝合金 2.8 2.6 3.3 3.5 3.9 4.9 6.0 7.5 其他 0.1 0.1 0.4 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 非金属材料 PF 0.1 0.1 0.1 0.2 0.1 0.1 0.1 0.1 PUR 0.5 0.5 0.8 0.9 1.2 1.0 1.1 0.9 PVC 0.9 1.1 1.
4、4 1.7 1.7 1.6 1.1 1.1 PE 0.2 0.2 0.3 0.4 0.5 0.4 0.3 0.4 PP 0.5 0.5 0.9 1.2 2.0 2.4 2.5 2.8 ABS 0.4 0.7 0.5 0.5 0.7 0.8 0.7 0.6 其他塑料 0.3 0.4 0.7 0.6 0.4 0.3 0.4 0.3 高性能塑料 0.2 0.7 0.9 1.1 1.3 涂料 2.1 1.6 1.8 1.7 1.7 1.4 1.5 1.7 橡胶 4.8 4.3 3.7 3.5 3.0 2.7 3.1 3.3 玻璃 2.8 2.7 3.1 3.2 3.3 3.0 2.8 2.8 纤维 0
5、.7 1.2 1.3 1.4 1.2 1.2 1.1 木材 0.2 0.3 0.5 0.4 0.4 0.3 其他 1.3 1.6 1.7 2.7 2.3 2.7 3.4 2.9 合计 13.9 14.4 16.4 18.4 19.5 18.9 19.7 19.6,第一章 材料与材料科学,高分子表12 美国八个工业部门对材料的要求所需特性 工业部门 航空航天 汽车 生物材料 化工 电子 能源 金属 通讯质轻高强 耐高温 耐腐蚀 迅速开关 高效加工 近无余量成形 材料回收 预测使用寿命 预测物理性能 材料数据库 ,第一章 材料与材料科学,复合材料 表13 美国商业部对2000年时12项新兴技术的预
6、测 项目 产值（亿美元） 所占比例% 分类 先进材料注 1,500 42.1 新兴材料 超导材料 50 1.4 新兴材料 先进半导体器件 750 21.1 新兴电子与信息技术 数字图像技术 40 1.1 新兴电子与信息技术 高密度数据存储器 150 4.2 新兴电子与信息技术 高功能计算机 500 14.0 新兴电子与信息技术 光电子 40 1.1 新兴电子与信息技术 人工智能 50 1.4 新兴生产系统 柔性集成加工 200 5.6 新兴生产系统 传感技术 50 1.4 新兴生产系统 生物技术 150 4.2 新兴生命科学技术 医疗与诊断装置 80 2.3 新兴生命科学技术 合计 3,560
7、 100 注先进材料包括特种陶瓷、陶瓷基和金属基复合材料、金属间化合物与轻合金、先进塑料、表面改性材料、金刚石薄膜、膜材料及生物材料等。,第一章 材料与材料科学,第一章 材料与材料科学,1.2材料的定义和分类什么叫材料？一定的组成和配比成型加工性形状保持性经济性回收和再生性,第一章 材料与材料科学,材料分类 按组成、结构特点分类:图11 按时期分类传统材料、新型材料 按使用方法分类结构材料、功能材料 按用途分类航天航空材料、信息材料、电子材料、能源材料、生物材料、建筑材料、包装材料、电工电器材料、机械材料、农用材料、日用品及办公用品材料等等,第一章 材料与材料科学,图1-1材料的分类-金属材料
8、,第一章 材料与材料科学,图1-1材料的分类-无机非金属材料,第一章 材料与材料科学,图1-1材料的分类-高分子材料,第一章 材料与材料科学,图1-1材料的分类-复合材料,第一章 材料与材料科学,1.3材料的要素已经发现的材料达800余万种，每年还以25万种的速度增长着，具有实际工业价值的也有8万余种 表14 各种材料的主要物性 性 能 金属 塑料 无机材料钢铁 铝 聚丙烯 玻纤增强尼龙6 陶瓷 玻璃 熔点，C 1,535 660 175 215 2,050 密度 g /cm3 7.8 2.7 0.9 1.4 4.0 2.6 拉伸强度，MPa 460 80280 35 150 120 90 比
9、拉伸强度 (拉伸强度/密度) 59 30104 39 107 30 35 拉伸模量，GPa 210 70 1.3 10 390 70 热变形温度，C 60 120 膨胀系数，105，1/K 1.3 2.4 810 23 0.85 0.9 传热系数，W/m2K 0.40 2.0 0.0011 0.0024 0.017 0.0083 韧性注 体积电阻率，cm 10-5 310-6 1016 51011 7104 1012 燃烧性 不燃 不燃 燃烧 难燃 不燃 不燃 注：“” 优；“” 良；“” 差。,第一章 材料与材料科学,四个要素：性质和现象、使用性能、结构与成分、合成和加工,第一章 材料与材料
10、科学,性质材料功能特性和效用（如电、磁、光、热、力学等性质）的定量度量和描述 材料对外界刺激（如电场、磁场、温度场、力场等）的整体响应 是合成或加工后材料结构和成分所产生的结果,第一章 材料与材料科学,使用性能包括可靠性、有效寿命、速度、能量利用率、安全性和寿命期费用等 材料在最终使用状态时的行为 材料固有性质与产品设计、工程能力和人类需要相融合在一起的一个要素 取决于材料的基本性能，也应注意加工工艺技术的影响,第一章 材料与材料科学,结构与成分每个特定的材料都含有一个以原子和电子尺度到宏观尺度的结构体系 大多数材料结构尺度上的化学成分和分布是立体变化的 结构上几乎无限的变化同样会引起与此相应
11、的一系列复杂的材料性质,第一章 材料与材料科学,合成和加工是指建立原子、分子和分子聚集体的新排列，在从原子尺度到宏观尺度的所有尺度上对结构进行控制以及高效而有竞争力地制造材料和零件的演变过程合成指原子和分子组合在一起制造新材料的物理和化学方法，包括合成新材料、用新技术合成已知的材料或将已知材料合成为新的形式、将已知材料按特殊用途的要求来合成加工除了上述三个方面外，还包括在较大尺度上的改变，有时也包括材料制造等工程问题。合成和加工的区别已变得模糊,第一章 材料与材料科学,两个关键仪器设备表15分析和建模技术处理微观尺度的最基本模型处理中间尺度（微米级或更大尺度）上的连续模型宏观尺度上材料总体性质
12、作为制造过程和使用过程的定量模型,第一章 材料与材料科学,表15 显微技术的比较 参数 OM法 SEM法 TEM法 放大倍数 1-500 10-105 102-5106 分辨率1nm 500-1,000 5-10 0.1-0.2 维数 2-3 3 2 景深2 m 1 10-100 1 观察尺寸范围3 m 103-105 1-104 0.1-100 适用的试样 固体，液体 固体 固体 注：1指能分清邻近两个小质点的最短距离。2指垂直于电场方向可分辨的深度。3指观察范围的对角线尺寸。,第一章 材料与材料科学,1.4 材料科学与工程的发展趋势第一代材料：石器时代的木片、石器、骨器等天然材料第二代材料：陶、青铜和铁等从矿物中提炼出来的材料第三代材料：高分子材料，从石油、煤等矿物资源中来第四代材料：复合材料。第一到第三代材料都是各向同性的，而复合材料以各向异性为特征第五代材料：材料的特征随环境和时间而变化的复合材料,第一章 材料与材料科学,图1-3 第五代材料研究开发过程,第一章 材料与材料科学,图1-4第五代材料特性随环境的变化,第一章 材料与材料科学,材料的发展趋势复合化、功能化、智能化、低维化建立定量的结构与性能关系分子设计先进制造技术：低成本、高质量、高效率节省资源、节约能源、回收再生,
