材料科學(xué)與工程導(dǎo)論第一章緒論

材料科學(xué)與工程導(dǎo)論主講：賀沁婷參考書(shū)目1.楊瑞成，張建斌，陳奎，居春艷.材料科學(xué)與工程導(dǎo)論.北京：科學(xué)出版社，20122.顧宜，趙長(zhǎng)生.材料科學(xué)與工程基礎(chǔ).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011第一章緒論第一節(jié)材料的發(fā)展與人類(lèi)的文明第二節(jié)材料的分類(lèi)第三節(jié)材料科學(xué)與工程第四節(jié)材料的發(fā)展趨勢(shì)什么是材料(materials)?Materialsisthestufffromwhichathingismadeforusing.材料是人類(lèi)社會(huì)所能接受的、可經(jīng)濟(jì)地制造有用物品的物質(zhì)。天然材料人工材料人工材料第一節(jié)材料的發(fā)展與人類(lèi)文明一、材料的發(fā)展史，就是人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展史。

人類(lèi)歷史的劃分

石器時(shí)代陶器時(shí)代青銅器時(shí)代鐵器時(shí)代。

現(xiàn)代社會(huì)

三大支柱能源、信息和材料（1998）生物工程，信息技術(shù)和新材料Aluminumin19thcentury.Computer

航空航天的物質(zhì)基礎(chǔ)三高一低的結(jié)構(gòu)材料（高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、低密度)b(MPa) 0.2(MPa) (%)382 310 6488 478 12360 280 4482 472 9330 250 2440 290 6縱向橫向高鍛鋁2014（LD10）的力學(xué)性能衛(wèi)星發(fā)射，節(jié)省1公斤重量將降低費(fèi)用$20000。一次發(fā)射節(jié)約費(fèi)用20%。鋁的理論強(qiáng)度為4700MPa，當(dāng)今高強(qiáng)鋁合金的最高強(qiáng)度沒(méi)有超過(guò)1000MPa。鋁合金的主要應(yīng)用領(lǐng)域戰(zhàn)機(jī)艦船導(dǎo)彈火箭人造衛(wèi)星戰(zhàn)車(chē)高速列車(chē)汽車(chē)高層建筑f導(dǎo)彈頭罩窗口窗口材料：藍(lán)寶石金剛石ZnS/金剛石導(dǎo)彈的眼睛——窗口材料（ZnS,ZnSe,Al2O3,diamond,…）二、材料的發(fā)展史，就是科學(xué)技術(shù)的發(fā)展史。

原理 成品 發(fā)展時(shí)間電機(jī) 1821 1886 65真空管 1882 1915 33無(wú)線電 1887 1922 35X光 1895 1913 18雷達(dá) 1935 1940 5原子堆 1939 1942 3半導(dǎo)體 1948 1951 3激光 1958 1960 2表1科學(xué)原理的發(fā)現(xiàn)時(shí)間與其產(chǎn)業(yè)化時(shí)間的對(duì)照中國(guó)的四大發(fā)明：紙、火藥、指南針、活字印刷1）邏輯推理(古代哲學(xué)家，432BC.)2）宏觀形貌觀察、觀測(cè)（byeye,1669）3）數(shù)學(xué)理論計(jì)算4）科學(xué)測(cè)定（X-raydiffraction,electrondiffraction,等）1、古代中國(guó)：“日取其半，萬(wàn)世不竭”“道生一，一生二，二生三，三生萬(wàn)物”（《老子》）；“以土與金、木、水、火雜以成百物”（《國(guó)語(yǔ)·正語(yǔ)》）；“太極生兩儀，兩儀生四象，四象生八卦，八卦交而生萬(wàn)物”（《易經(jīng)》）人類(lèi)對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的發(fā)展過(guò)程2、Europe:Plato(428-348B.C.)andEuclid(330-275?B.C.)5regularpolyhedronsstandfor5originalelements(fire,air,earth,water,ether)whichwereusedfordescribingeverythingintheworld.Fire-tetrahedronAir-octahedronEther-dodecahedronEarth-cubeWater-icosahedron1669,N.Steno,晶面角守恒定律

材料科學(xué)的發(fā)展過(guò)程

1885,A.Bravais,晶體空間點(diǎn)陣學(xué)說(shuō)1912,M.Laue*,晶體的X射線衍射

1915,W.H.BraggandW.L.Bragg**X射線晶體結(jié)構(gòu)分析方法*1914’sNobelprize;**1915’s,***1987’s.電子顯微鏡（SEM、TEM）掃描探針顯微術(shù)***（STM、AFM）

晶體的微觀周期性結(jié)構(gòu)

電子在周期勢(shì)場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)量子力學(xué)Schr?dinger方程

能帶理論固體半導(dǎo)體理論2Ψ+U(r)ΨihΨth2

晶體點(diǎn)陣中的缺陷

金屬材料強(qiáng)化理論

位錯(cuò)在晶體中運(yùn)動(dòng)

晶體的宏觀幾何形貌晶體生長(zhǎng)理論

表面組裝

第二節(jié)材料的分類(lèi)按組成分類(lèi)按狀態(tài)分類(lèi)按化學(xué)狀態(tài)分類(lèi)按物理性質(zhì)分類(lèi)按物理效應(yīng)分類(lèi)按用途分類(lèi)按化學(xué)狀態(tài)分類(lèi)金屬材料無(wú)機(jī)非金屬材料有機(jī)高分子材料復(fù)合材料

按物理性質(zhì)分類(lèi)高強(qiáng)度材料耐高溫材料超硬材料導(dǎo)電材料絕緣材料磁性材料透光材料半導(dǎo)體材料按狀態(tài)分類(lèi)單晶材料多晶質(zhì)材料非晶態(tài)材料準(zhǔn)晶態(tài)材料

按物理效應(yīng)分類(lèi)壓電材料熱電材料鐵電材料光電材料電光材料聲光材料磁光材料激光材料按用途分類(lèi)功能材料結(jié)構(gòu)材料按用途分類(lèi)建筑材料結(jié)構(gòu)材料研磨材料耐火材料耐酸材料電工材料電子材料光學(xué)材料感光材料包裝材料

按組成分類(lèi)單組分材料復(fù)合材料

金屬材料的分類(lèi)按組成成分分類(lèi)純金屬合金按實(shí)用分類(lèi)黑色金屬材料（鐵及鐵合金）有色金屬材料（非鐵金屬）貴金屬、稀有金屬金屬材料的分類(lèi)無(wú)機(jī)非金屬材料有機(jī)高分子材料復(fù)合材料塑鋼塑鋼是對(duì)塑鋼型材的簡(jiǎn)稱(chēng)，主要化學(xué)成分是PVC，因此也叫PVC型材。主要用途：在房屋建筑中主要用于推拉，平開(kāi)門(mén)窗、護(hù)欄、管材和吊頂材料的應(yīng)用。主要配方：PVC（100份）、CaCO3（14~20份）、CPE（6~12份）、ACR（0.4~0.8份）、鈦白粉（3~6份）、穩(wěn)定劑（3~8份）、色母料（0.8~1.5份）。穩(wěn)定劑主要有鉛鹽穩(wěn)定劑、有機(jī)錫穩(wěn)定劑、鈣鋅穩(wěn)定劑、稀土穩(wěn)定劑。玻璃鋼FRP(FiberglassReinforcedPlastics)GRP(GlassReinforcedPlastics)GFRP(Glassfibrereinforcedplastics)玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料以玻璃纖維或其制品作增強(qiáng)材料的增強(qiáng)塑料，稱(chēng)謂為玻璃纖維增強(qiáng)塑料，或稱(chēng)謂玻璃鋼。由于所使用的樹(shù)脂品種不同，因此有聚酯玻璃鋼、環(huán)氧玻璃鋼、酚醛玻璃鋼之稱(chēng)。特點(diǎn)：質(zhì)輕而硬，不導(dǎo)電，機(jī)械強(qiáng)度高，耐腐蝕。用途：可以代替鋼材制造機(jī)器零件和汽車(chē)、船舶外殼等。

光纖光纖是光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)寫(xiě)，是一種利用光在玻璃或塑料制成的纖維中的全反射原理而達(dá)成的光傳導(dǎo)工具。前香港中文大學(xué)校長(zhǎng)高錕和GeorgeA.Hockham首先提出光纖可以用于通訊傳輸?shù)脑O(shè)想，高錕因此獲得2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。防爆玻璃彈簧鋼彈簧鋼是指由于在淬火和回火狀態(tài)下的彈性，而專(zhuān)門(mén)用于制造彈簧和彈性元件的鋼。鋼的彈性取決于其彈性變形的能力，即在規(guī)定的范圍之內(nèi)，彈性變形的能力使其承受一定的載荷，在載荷去除之后不出現(xiàn)永久變形。據(jù)GB/T13304標(biāo)準(zhǔn)，彈簧鋼按照其化學(xué)成分分為非合金彈簧鋼(碳素彈簧鋼)和合金彈簧鋼。尼龍?zhí)?yáng)能假牙心臟支架人工晶體

壓電陶瓷形狀記憶合金第三節(jié)材料科學(xué)與工程一、材料科學(xué)的興起1.固體物理、無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理學(xué)等相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)和物性的深入研究，促進(jìn)了對(duì)材料本質(zhì)的了解；2.在材料科學(xué)這個(gè)名詞出現(xiàn)以前，金屬材料、高分子材料與陶瓷材料都已自成體系，目前復(fù)合材料也正在形成學(xué)科體系。3.各類(lèi)材料的研究設(shè)備與生產(chǎn)手段有頗多共同之處。4.許多不同類(lèi)型的材料可以相互代替和補(bǔ)充，能更充分發(fā)揮各種材料的優(yōu)越性，達(dá)到物盡其用的目的。二、材料科學(xué)與工程三、材料科學(xué)與工程的特點(diǎn)材料科學(xué)與工程具有物理學(xué)、化學(xué)、冶金學(xué)、金屬學(xué)、陶瓷學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)等多學(xué)科交叉與結(jié)合的特點(diǎn)，并具有鮮明的工程性?，F(xiàn)在，材料科學(xué)與工程被看做是知識(shí)的開(kāi)發(fā)和知識(shí)的傳輸體系，這個(gè)體系包括從基礎(chǔ)科學(xué)和基本研究，直到人類(lèi)的需要和社會(huì)的經(jīng)驗(yàn)這樣的知識(shí)鏈。四、材料成分—結(jié)構(gòu)—合成與加工—性能—使用效能1.材料科學(xué)與工程的組成要素材料科學(xué)家將成分、結(jié)構(gòu)、合成與加工、性能及使用效能這五者視為材料科學(xué)與工程的五要素，把他們連接在一起，組成一個(gè)六面體，而使用效能就是材料性能在工作狀態(tài)（受力狀態(tài)、氣氛、溫度）下的表現(xiàn)。2.材料加工工藝方法利用材料的加工工藝可以將未經(jīng)過(guò)成型的坯料加工成型零件所要求的形狀。其中金屬的加工方法很多：有鑄造、焊接、膠接、鍛、拉、擠、軋、彎等。3.性能與使用效能成品狀態(tài)的材料具有一整套滿(mǎn)足實(shí)際設(shè)計(jì)要求的性能—強(qiáng)度、硬度、導(dǎo)電性、密度、色彩