1、材料概论,Introduction to Material Science,王艳芬 ,课程的性质,材料概论,无机化学,物理化学,材料工学,现代测试方法,认识实习 毕业实习,毕业论文,进一步深造,分析化学,有机化学,材料科学基础,普通物理,教材与参考书,周达飞材料概论 北京：化学工业出版社，2001 施惠生 主编 材料概论 上海：同济大学出版社，2002 顾家琳 主编 材料科学与工程概论北京：清华大学出版社，2005 李俊寿 主编 新材料概论北京：国防工业出版社，2004,教学内容,第一章 材料与材料科学,材料的地位、作用与发展 材料的定义和分类 材料的要素 材料科学与工程的发展趋势,材料是人
2、类赖以生存和发展的重要物质基础；人类的文明史以使用的主要材料来划分为四个时代。,1.1材料的地位、作用与发展,石器时代 陶器 青铜器 铁器 250万年前 1万年前 公元前5000年 公元前1200年,旧石器时代 （10000年前）,新石器时代 （距今10000-4000年）,磨制石器 7000年前,陶器,青铜时代 公元前5000年,铁器时代（1）公元前1200年,铁器时代（2）,人类的文明史就是材料的发展史 是人类学习利用材料、制造 材料、创新材料的历史。,材料发展近代史,以1712年蒸汽机发明为起点，近300年来，人类经历了4次技术革命。 蒸汽机 电 原子能 计算机、生物、空间技术 18世纪
3、末 19世纪末 20世纪中期 20世纪70年代,纺织 冶金 机械 造船,电子 石油 化工 电气,合成材料 半导体材料,新型无机材料 高分子材料 新型金属材料 复合材料,材料是人类生存、社会发展、科技进步的物质基础、现代科技发展的先导 我国是材料大国，但不是材料强国,“神舟 六号” 飞船 始返 前后 图片,2005年，115小时飞行,材料是当代文明的三大支柱之一 材料、能源、信息是当代社会文明和国民经济的三大支柱，是人类社会进步和科学技术发展的物质基础和技术先导。 材料是全球新技术革命的四大标志之一新材料技术、新能源技术、信息技术、生物技术。 新型材料的研究、开发与应用反映一个国家的科学技术与工
4、业水平，关系到国家的综合国力与安全。,材料在国民经济中的地位,现代科学技术的基础： 以半导体材料为核心的计算机制造技术； 以光导纤维为基础的光纤通讯技术； 以超导材料为基础的磁悬浮技术； 以耐热轻质材料为结构材料的航空航天技术等。纳米材料科学与技术是20世纪80年代发展起来的 新兴学科，成为21世纪新技术的主导中心。,钛结构自行车：“自行车发烧友” 选择钛合金制自行车。钛合金的应用场合很特殊。通常用于需要抗腐蚀，耐疲劳，高弹性的场合,19,材料和生活用品,20,超级钢 一种汽车用钢，比原先的轻24%，强度高34%，称为超级钢。,磁悬浮列车 速度：500km/h,核磁共振仪,南京北京只需4个小时
5、,1.2、材料的定义和分类,材料是由一种化学物质为主要成分，并添加一定的助剂作为次要成分所组成的；-一定的组成和配比 可以在一定的温度和一定压力下使之熔融，并在模具中塑制成一定形状；-成型加工性 冷却后在室温下能保持既定形状，并可在一定条件下使用的物品；-形状保持性 其生产过程必须实现最高的生产率、最低的原料成本和能耗；-经济性 最少地产生废物和环境污染物，并且其废弃物可以回收再利用。-回收和再生性,一. 材料的定义,注意:,材料是物质，但不是所有物质都可以称为材料。 大多数的物质需通过一定的工艺过程才能转化为材料. 材料可由一种物质或若干种物质构成. 同一种物质,由于制备或加工方法不同,可成
6、为用途不同不同类型的材料.,按化学组成分类 按材料的应用分类 按材料的使用性能分类 按材料结晶状态分类,二.材料的分类,无机非金属材料 ROX、RNX、碳化物 、硼化物及硅酸盐、铝酸盐等 水泥、陶瓷、玻璃、耐火材料 金属材料 金属元素 黑色、有色 、特种金属材料 有机高分子材料 H、 C、 O、 N 塑料、橡胶、纤维、涂料、粘合剂 复合材料 两种或两种以上材料组成 金属基、陶瓷基、树脂基,1、按化学组成分类,各种金属零部件,工程塑料制成的零件,高温结构陶瓷零件,复合材料,用碳纤维增强环氧树脂制得的高尔夫球杆强度高、重量轻、刚性好。,复合材料,2、按材料的应用领域分类,航空、航天材料,能源材料,
7、生物材料,电子材料,3、按材料的使用性能分类,结构材料：力学性能（弹性、塑性、硬度、抗拉等）功能材料：除力学性能以外的其它性能（光、声、电、磁、超导等功能材料）,结构材料,光学镜片,磁性材料,光学聚合物材料,铁磁芯,40,形状记忆合金,管件接头,卫星天线,4、按材料的结晶状态分类,单晶材料：由一个比较完整的晶粒构成的材料，如单晶纤维、单晶硅； 多晶材料：由许多晶粒组成的材料，其性能与晶粒大小、晶界的性质有密切的关系。 非晶态材料：由原子或分子排列远程无序的固体材料，如玻璃、高分子材料。,单晶金刚石,液 晶,1.3、材料的要素,探索这四个要素之间的关系覆盖从基础学科到工程的全部内容。,1、性质/
8、性能,力学性质 强度、硬度、钢度、塑性、韧性 物理性质 电学性质、磁学性质、光学性质、热学性质 化学性质 催化性质、防腐性质,是材料功能特性和效用的定量度量和描述。 （材料对电、磁、光、热、机械载荷的反应）,性质,主要决定于材料的组成与结构。,2. 使用性能,定义：材料在最终使用状态下表现的行为。 内容：可靠性、耐用度、有效寿命、性能价格比、安全性等各种性能指标。 它将材料的固有性质与材料设计、工程环境及人类的需要融合一起。,3、结构与成分,每一种材料都含有一种以原子和电子尺度到宏观尺度的结构体系。结构与成分的变化是影响材料性能的基本因素。 结构与成分是材料采用的合成与加工方法的结果。宏观组织
9、结构： 10-4 m 肉眼可见 显微组织结构： 10-4 10-8 m 显微镜观察 原子或分子排列结构：10-10 m 原子中的电子结构： 10-13 m,4、合成与加工,合成与加工 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又竞争地制造材料和零件的演变过程。 合成把各种原子或分子结合起来，制成材料所采用的方法。 加工是赋予制品一定的形状或性能。 合成与加工是新技术开发的关键要素、人造材料的唯一实现途径,例一、汽车底盘材料,制备汽车底盘的材料要求： 极高的强度，易成型； 考虑到能耗，钢板必须薄而轻； 为安全性，在撞车时，钢板能吸收大量的能量。
10、 需考虑：成分、强度、重量、能量吸收性能以及延展性 材料科学家需从显微结构上检验钢材，以确定该材料是否满足上述要求；还需采用有成本效益的方式进行制造。 还必须考虑：成型过程是否影响钢材的力学性能？采用何种涂层可更好地提高钢的抗腐蚀性能？这种钢材是否易于焊接？,例二、三种不同的氧化铝材料,单晶,多晶、低孔隙率,多晶、高孔隙率,制备加工过程对产品性能的影响,1.4 材料科学与工程的发展趋势,天然材料（木块、石器、骨器）,简单合成材料（陶器、青铜和铁）,高分子材料（合成塑料、橡胶）,复合材料,智能材料（随环境和时间变化的复合材料）,天然材料（木块、石器、骨器）,简单合成材料（陶器、青铜和铁）,高分子
11、材料（合成塑料、橡胶）,复合材料,简单合成材料（陶器、青铜和铁）,高分子材料（合成塑料、橡胶）,复合材料,智能材料（随环境和时间变化的复合材料）,简单合成材料（陶器、青铜和铁）,高分子材料（合成塑料、橡胶）,复合材料,天然材料（木块、石器、骨器）,简单合成材料（陶器、青铜和铁）,高分子材料（合成塑料、橡胶）,复合材料,智能材料（随环境和时间变化的复合材料）,简单合成材料（陶器、青铜和铁）,高分子材料（合成塑料、橡胶）,复合材料,智能材料（随环境和时间变化的复合材料）,复合材料,高分子材料（合成塑料、橡胶）,智能材料（随环境和时间变化的复合材料）,复合材料,简单合成材料（陶器、青铜和铁）,高分子
12、材料（合成塑料、橡胶）,智能材料（随环境和时间变化的复合材料）,复合材料,天然材料（木块、石器、骨器）,简单合成材料（陶器、青铜和铁）,高分子材料（合成塑料、橡胶）,智能材料（随环境和时间变化的复合材料）,复合材料,天然材料（木块、石器、骨器）,简单合成材料（陶器、青铜和铁）,高分子材料（合成塑料、橡胶）,智能材料（随环境和时间变化的复合材料）,复合材料,天然材料（木块、石器、骨器）,简单合成材料（陶器、青铜和铁）,高分子材料（合成塑料、橡胶）,智能材料（随环境和时间变化的复合材料）,复合材料,天然材料（木块、石器、骨器）,简单合成材料（陶器、青铜和铁）,高分子材料（合成塑料、橡胶）,智能材料（随环境和时间变化的复合材料）,复合材料,天然材料（木块、石器、骨器）,简单合成材料（陶器、青铜和铁）,高分子材料（合成塑料、橡胶）,智能材料（随环境和时间变化的复合材料）,复合材料,天然材料（木块、石器、骨器）,简单合成材料（陶器、青铜和铁）,高分子材料（合成塑料、橡胶）,智能材料（随环境和时间变化的复合材料）,复合材料,五代材料,目标：复合化、功能化、智能化、低维化,
