材料科學(xué)基礎(chǔ)輔導(dǎo)與習(xí)題-上交課件 材料科學(xué)基礎(chǔ)-緒論

材料科學(xué)基礎(chǔ)（上）主講：張平則教授手機(jī)郵：pzzhang@辦公：材料大樓315緒論一、《材料科學(xué)基礎(chǔ)》的基本概念二、《材料科學(xué)基礎(chǔ)》的地位三、學(xué)習(xí)《材料科學(xué)基礎(chǔ)》的意義四、《材料科學(xué)基礎(chǔ)》的內(nèi)容五、如何學(xué)好《材料科學(xué)基礎(chǔ)》什么是材料？世界萬(wàn)物，凡于我有用者，皆謂之材料。材料是具有一定性能，可以用來(lái)制作器件、構(gòu)件、工具、裝置等物品的物質(zhì)。人類社會(huì)能接受地，經(jīng)濟(jì)地的制造有用物品的物質(zhì)。一、《材料科學(xué)基礎(chǔ)》的基本概念按物理性質(zhì)分類按化學(xué)組成（或基本組成）分類材料的性能分類按服役的領(lǐng)域來(lái)分類按結(jié)晶狀態(tài)分類按材料的尺寸分類

材料分類

按物理性質(zhì)可分為：導(dǎo)電材料、絕緣材料、半導(dǎo)體材料、磁性材料、透光材料、高強(qiáng)度材料、高溫材料、超硬材料等。按物理效應(yīng)分為：壓電材料、熱電材料、鐵電材料、非線性光學(xué)材料、磁光材料、電光材料、聲光材料、激光材料等。按用途分為：電子材料、電工材料、光學(xué)材料、感光材料、耐酸材料、研磨材料、耐火材料、建筑材料、結(jié)構(gòu)材料、包裝材料等。按物理性質(zhì)分類：按化學(xué)組成（或基本組成）分類：金屬材料無(wú)機(jī)非金屬材料高分子材料（聚合物）復(fù)合材料金屬材料

金屬材料是由化學(xué)元素周期表中的金屬元素組成的材料?？煞譃橛梢环N金屬元素構(gòu)成的單質(zhì)（純金屬）；由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素構(gòu)成的合金。合金又可分為固溶體和金屬間化合物。無(wú)機(jī)非金屬材料

無(wú)機(jī)非金屬材料是由硅酸鹽、鋁酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽、鍺酸鹽等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、鹵化物等原料經(jīng)一定的工藝制備而成的材料。是除金屬材料、高分子材料以外所有材料的總稱。它與廣義的陶瓷材料有等同的含義。

傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)非金屬材料主要是指由SiO2及其硅酸鹽化合物為主要成分制成的材料，包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。此外，搪瓷、磨料、鑄石（輝綠巖、玄武巖等）、碳素材料、非金屬礦（石棉、云母、大理石等）也屬于傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)非金屬材料。有機(jī)高分子材料（高聚物）

高聚物是由一種或幾種簡(jiǎn)單低分子化合物經(jīng)聚合而組成的分子量很大的化合物。高聚物的種類繁多，性能各異，其分類的方法多種多樣。按高分子材料來(lái)源分為天然高分子材料和合成高分子材料；按材料的性能和用途可將高聚物分為橡膠、纖維、塑料和膠粘劑等。

復(fù)合材料復(fù)合材料是由兩種或兩種以上化學(xué)性質(zhì)或組織結(jié)構(gòu)不同的材料組合而成。復(fù)合材料是多相材料，主要包括基本相和增強(qiáng)相。基體相是一種連續(xù)相材料，它把改善性能的增強(qiáng)相材料固結(jié)成一體，并起傳遞應(yīng)力的作用；增強(qiáng)相起承受應(yīng)力（結(jié)構(gòu)復(fù)合材料）和顯示功能（功能復(fù)合材料）的作用。復(fù)合材料既能保持原組成材料的重要特色，又通過(guò)復(fù)合效應(yīng)使各組分的性能互相補(bǔ)充，獲得原組分不具備的許多優(yōu)良性能。

根據(jù)材料的性能分類

根據(jù)材料在外場(chǎng)作用下其性質(zhì)或性能對(duì)外場(chǎng)的響應(yīng)不同，材料可分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料。結(jié)構(gòu)材料是指具有抵抗外場(chǎng)作用而保持自己的形狀、結(jié)構(gòu)不變的優(yōu)良力學(xué)性能（強(qiáng)度和韌性等），用于結(jié)構(gòu)目的的材料。功能材料是具有優(yōu)良的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)功能及其相互轉(zhuǎn)化的功能，被用于非結(jié)構(gòu)目的的高技術(shù)材料。材料按服役的領(lǐng)域來(lái)分類

根據(jù)材料服役的技術(shù)領(lǐng)域可分為信息材料、航空航天材料、能源材料、生物醫(yī)用材料等。

信息材料是指用于信息的探測(cè)、傳輸、顯示、運(yùn)算和處理的光電信息材料。信息材料主要包括信息的監(jiān)測(cè)和傳感（獲?。┎牧稀⑿畔⒌膫鬏敳牧?、信息的存儲(chǔ)材料、信息的運(yùn)算和處理材料。

航空航天材料主要包括新型金屬材料（如先進(jìn)鋁合金、超高強(qiáng)度鋼、高溫合金、高熔點(diǎn)合金、鈹及其合金）、燒蝕防熱材料和新型復(fù)合材料。此外，還包括一些功能材料，如涂層材料、隔熱材料、透明材料、阻尼材料、密封材料、潤(rùn)滑材料、粘合劑材料等。這些材料大部分屬于高分子材料和陶瓷材料，也有少量是阻尼合金等金屬材料。能源材料是指能源工業(yè)和能源技術(shù)所使用的材料，按使用目的不同分為新能源材料、節(jié)能材料和儲(chǔ)氫材料等。新能源材料包括增值堆用核材料、聚變堆材料、太陽(yáng)能電池（單晶硅、多晶硅、非晶硅等）；節(jié)能材料包括非晶體金屬磁性材料（用作變壓器鐵芯的Fe-Mn-B-Si合金）和超導(dǎo)材料（Nb-Ti、Nb-Sn巨型磁體用材料）；儲(chǔ)氫材料，以及高比能電池（如鈉硫電池）等。

生物醫(yī)用材料是一類合成物質(zhì)或天然物質(zhì)或這些物質(zhì)的復(fù)合，它能作用一個(gè)系統(tǒng)的整體或部分，在一定時(shí)期內(nèi)治療、增強(qiáng)或替換機(jī)體的組織、器官或功能。

材料按結(jié)晶狀態(tài)分類

單晶材料是由一個(gè)比較完整的晶粒構(gòu)成的材料，如單晶纖維、單晶硅；

多晶材料是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)材料是由原子或分子排列無(wú)明顯規(guī)律的固體材料，如玻璃、高分子材料。

按材料的尺寸分類

材料按材料的尺寸可分為零維材料、一維材料、二維材料、三維材料。

零維材料即超微粒子，通過(guò)Sol-gel法、多相沉積或激光等方法，可以制備出亞微米級(jí)的陶瓷或金屬粉末，大小1—100nm的超微粒比表面積大（可作為高效催化劑）、比表面能高、熔點(diǎn)低、燒結(jié)溫度下降、擴(kuò)散速度快、強(qiáng)度高而塑性下降慢、電子態(tài)由連續(xù)能帶變?yōu)椴贿B續(xù)、光吸收也發(fā)生異常現(xiàn)象（可以成為高效微波吸收材料）。

一維材料，如光導(dǎo)纖維由于其信息傳輸量遠(yuǎn)比銅、鉛的同軸電纜大，而且光纖有很強(qiáng)的保密性，所以發(fā)展很快。再比如脆性塊狀材料在變成細(xì)絲后便增加了韌性，可以用來(lái)增強(qiáng)其它的塊狀。實(shí)用纖維為碳纖維、硼纖維、陶瓷纖維。纖維中強(qiáng)度和剛度最高的要算晶須。

二維材料（薄膜），如金剛石薄膜、高溫超導(dǎo)薄膜、半導(dǎo)體薄膜。由于薄膜的電子所處狀態(tài)和外界環(huán)境的影響，可表現(xiàn)出不同的電子遷移規(guī)律，完成特定的電學(xué)、光學(xué)或電子學(xué)功能，如成為絕緣體、鐵電體、導(dǎo)體或半導(dǎo)體等，從而有可能作為光學(xué)薄膜用于非線性光學(xué)、光開關(guān)、放大或調(diào)幅、敏感與傳感元件，用于顯示或探測(cè)器，用于環(huán)?；虮砻娓男缘谋Ｗo(hù)膜。三維材料即塊狀材料。二、材料科學(xué)基礎(chǔ)的重要地位

石器時(shí)代公元前10萬(wàn)年

青銅器時(shí)代公元前3000年鐵器時(shí)代公元前1000年

水泥時(shí)代公元0年鋼時(shí)代1800年

硅時(shí)代1950年新材料時(shí)代1990年人類進(jìn)化與物質(zhì)文明的標(biāo)志科學(xué)技術(shù)水平與工業(yè)水平標(biāo)志

材料生產(chǎn)的數(shù)量、品種和質(zhì)量已成為衡量一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)水平與工業(yè)水平，它關(guān)系到國(guó)家的綜合國(guó)力與安全，因此各發(fā)達(dá)國(guó)家無(wú)不把材料放在重要地位。現(xiàn)代文明的三大支柱

材料、能源和信息是現(xiàn)代文明的三大支柱，而材料又是基礎(chǔ)和先導(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)）。

一種新材料的出現(xiàn),往往會(huì)引起生產(chǎn)工具和生產(chǎn)方式的變革,從而使社會(huì)生產(chǎn)力獲得巨大發(fā)展.

現(xiàn)代國(guó)防的堅(jiān)強(qiáng)后盾《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程的重要性認(rèn)識(shí)、理解現(xiàn)有材料為什么具有某種性能的基礎(chǔ)改進(jìn)、提高材料性能的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、制備新材料的基礎(chǔ)學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課程的必備前提考研必考科目三、學(xué)習(xí)《材料科學(xué)基礎(chǔ)》的意義

關(guān)于材料成分、結(jié)構(gòu)、工藝和它們的性能與用途之間（以及與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展）的有關(guān)知識(shí)的開發(fā)和應(yīng)用的科學(xué)結(jié)構(gòu)—性能—使用—工藝—材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)科學(xué)和基礎(chǔ)研究科學(xué)知識(shí)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)社會(huì)需要和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)材料科學(xué)：

材料的組成、結(jié)構(gòu)、制備工藝和加工使用過(guò)程與其機(jī)械、物理、化學(xué)性能之間的規(guī)律的一門基礎(chǔ)應(yīng)用學(xué)科，是研究材料共性的一門學(xué)科。材料工程（技術(shù)）：

材料工程是工程的一個(gè)領(lǐng)域,其目的在于經(jīng)濟(jì)地而又能為社會(huì)所能接受地控制材料的結(jié)構(gòu)、性能和形狀材料工程與材料科學(xué)關(guān)系科學(xué)是研究“為什么”,而工程是解決“怎樣做”.材料科學(xué)基礎(chǔ)的理論,為材料加工指明方向,為更好地選擇材料,使用材料,發(fā)揮現(xiàn)有材料的潛力,發(fā)展新材料提供了理論基礎(chǔ),可以節(jié)約時(shí)間,少走彎路,提高質(zhì)量,降低成本和能耗,減少對(duì)環(huán)境污染.合成/制備效能結(jié)構(gòu)/成分性質(zhì)a理論及材料與工藝設(shè)計(jì)基本性能

受環(huán)境影響（氣氛溫度受力狀態(tài)）制備與加工效能(使用性能)組織結(jié)構(gòu)成分b材料科學(xué)與工程的內(nèi)涵什么是材料科學(xué)

目的:提供材料結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一描繪或模型,解釋結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系.其核心問(wèn)題是結(jié)構(gòu)和性能.材料的結(jié)構(gòu):亞原子結(jié)構(gòu);原子結(jié)構(gòu);結(jié)合鍵;原子在空間的排列方式(分晶體和非晶體);顯微組織;介觀結(jié)構(gòu);宏觀結(jié)構(gòu).材料的性能:工藝性能和使用性能

ICThinFilmLab.NTHU

STMimagesofas-cleanedSi(111)-7×7surface20nmx20nm20nmx20nmfilled-state(Vs=-1.5V)

empty-state(Vs=0.5V)機(jī)械(mechanical)

電(electrical)

熱(thermal)

磁(magnetic)

光(optical)性能(property)材料制備材料加工表面工程材料復(fù)合合成與加工材料的制備冶金過(guò)程熔煉與凝固粉末燒結(jié)高分子聚合不同的材料制備方法，分別具有不同的材料科學(xué)基礎(chǔ)內(nèi)容，即：冶金過(guò)程冶金物理化學(xué)熔煉與凝固凝固學(xué)理論粉末燒結(jié)燒結(jié)原理高分子聚合聚合反應(yīng)熔煉與凝固（物理冶金）目的:１．金屬的精練提純 ２．材料的“合金化” ３．晶體的生長(zhǎng)內(nèi)容:1.平衡凝固 4.區(qū)域熔煉

2.快速凝固5.玻璃的熔煉

3.定向凝固6.熔融法提拉單晶三大類材料的成型技術(shù)在材料工程中是內(nèi)容最為豐富的一部分。如果按材料的流變特性來(lái)分析，則材料的成型方法可分為三種：１．液態(tài)成型２．塑變成型

3.流變成型金屬的鑄造、溶液紡絲金屬的壓力加工金屬、陶瓷、高分子成型材料的成型與加工四、本課程主要內(nèi)容晶體學(xué)基礎(chǔ)固體材料的結(jié)構(gòu)單組元相圖及純晶體的凝固

二元相圖及其合金的凝固

三元相圖

五、本課程的特點(diǎn)及學(xué)習(xí)方法本課程特點(diǎn)：概念術(shù)語(yǔ)多死記硬背多相關(guān)學(xué)科多（物理學(xué)、化學(xué)、熱力學(xué)、礦物學(xué)、金屬學(xué)、陶瓷學(xué)以及高分子學(xué)等）學(xué)習(xí)方法：作為一門應(yīng)用學(xué)科，基礎(chǔ)