材料科學基礎(chǔ)課件

材料科學基礎(chǔ)

FundamentalsofMaterialsScience

材料科學基礎(chǔ)

FundamentalsofMateria1緒論(Introduction)1.1材料與人類文明1.2材料的分類1.3材料科學與工程1.4未來的材料1.5本課程的目的緒論(Introduction)1.1材料與人類文明2什么是材料材料是指人類社會能接受的、經(jīng)濟的制造有用物品的物質(zhì)。是具有一定性能，可以用來制作器件、構(gòu)件、工具、裝置等物品的物質(zhì)。世界萬物，凡于我有用者，皆謂之材料。材料存在于我們的周圍，與我們的生活、生命息息相關(guān)。材料是人類文明、社會進步、科技發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。什么是材料材料是指人類社會能接受的、經(jīng)濟的制造有用物品的物質(zhì)3科學技術(shù)是第一生產(chǎn)力政治家：生產(chǎn)力的進步是社會發(fā)展的根本原因，而勞動工具的發(fā)展是生產(chǎn)力進步的主要因素材料學家：材料是時代進步的標志材料對人類進步和現(xiàn)代科學技術(shù)的重要性——材料是時代進步的標志認識工具材料制造工具使用工具科學技術(shù)是第一生產(chǎn)力材料對人類進步和現(xiàn)代科學技術(shù)的重要性認識4石器時代石器時代5青銅器時代青銅器時代6鐵器時代鐵器時代7歷史回顧石器時代（公元前10萬年）青銅器時代（公元前3000年）鐵器時代（公元前1000年）鋼時代（1800年）硅時代（1950年）新材料時代（1990年）——各種新材料不斷涌現(xiàn)，已經(jīng)很難用一種材料來代表當今時代的特征材料是全球新技術(shù)革命的四大標志之一（新材料技術(shù)、新能源技術(shù)、信息技術(shù)、生物技術(shù)）歷史回顧石器時代（公元前10萬年）8材料的分類按組成和化學鍵（或基本組成）分類根據(jù)材料的性能分類按材料服役的領(lǐng)域來分類按材料結(jié)晶狀態(tài)分類按材料材料的尺寸分類材料的分類按組成和化學鍵（或基本組成）分類9按組成和化學鍵（或基本組成）分類：1.金屬材料2.無機非金屬材料3.高分子材料（聚合物）4.復(fù)合材料按組成和化學鍵（或基本組成）分類：1.金屬材料101.金屬材料金屬材料是由化學元素周期表中的金屬元素組成的材料。可分為由一種金屬元素構(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1.金屬材料金屬材料是由化學元素周期表中的金屬元素組成的材11金屬材料在103種元素中，除6種惰性元素和16種非金屬元素外，81種為金屬元素。除Hg之外，單質(zhì)金屬在常溫下呈現(xiàn)固體形態(tài)，外觀不透明，具有特殊的金屬光澤及良好的導電性和導熱性。在力學性質(zhì)方面，具有較高的強度、剛度、延展性及耐沖擊性合金是由兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬元素與非金屬元素熔合在一起形成的具有金屬特性的新物質(zhì)。合金的性質(zhì)與組成合金的各個相的性質(zhì)有關(guān)，同時也與這些相在合金中的數(shù)量、形狀及分布有關(guān)金屬材料在103種元素中，除6種惰性元素和16種非金屬元素外122.無機非金屬材料是除金屬材料、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是由硅酸鹽、鋁酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽、鍺酸鹽等原料和氧化物、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種類繁多，用途各異，目前還沒有統(tǒng)一完善的分類方法。一般將其分為傳統(tǒng)的（普通的）和新型的（先進的）無機非金屬材料兩大類2.無機非金屬材料是除金屬材料、高分子材料以外所有材料的總13陶瓷按其概念和用途不同，可分為兩大類，即普通陶瓷和特種陶瓷根據(jù)陶瓷坯體結(jié)構(gòu)及其基本物理性能的差異，陶瓷制品可分為陶器和瓷器傳統(tǒng)的無機非金屬材料之一：陶瓷陶瓷按其概念和用途不同，可分為兩大類，即普通陶瓷和特種陶瓷傳14特種陶瓷用于各種現(xiàn)代工業(yè)及尖端科學技術(shù)領(lǐng)域的陶瓷制品包括結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷主要用于耐磨損、高強度、耐高溫、高剛性、低膨脹、隔熱等場所功能陶瓷主要包括電磁功能、、光學功能、生物功能、核功能及其它功能的陶瓷材料特種陶瓷15傳統(tǒng)的無機非金屬材料之二：玻璃玻璃是由熔體過冷所制得的非晶態(tài)材料。根據(jù)其形成網(wǎng)絡(luò)的組分不同可分為硅酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃等，其網(wǎng)絡(luò)形成劑分為SiO2、B2O3和P2O5。習慣上玻璃態(tài)材料可分為普通玻璃和特種玻璃兩大類傳統(tǒng)的無機非金屬材料之二：玻璃玻璃是由熔體過冷所制得的非晶態(tài)16傳統(tǒng)的無機非金屬材料之三：水泥水泥是指加入適量水后可成塑性漿體，既能在空氣中硬化又能在水中硬化，并能夠?qū)⑸啊⑹炔牧侠喂痰啬z結(jié)在一起的細粉狀水硬性材料傳統(tǒng)的無機非金屬材料之三：水泥水泥是指加入適量水后可成塑性17傳統(tǒng)的無機非金屬材料之四：耐火材料耐火材料是指耐火度不低于1580℃的無機非金屬材料。是高溫技術(shù)服務(wù)的基礎(chǔ)材料盡管各國對其定義不同，但基本含義是相同的，即耐火材料是用作高溫窯爐等熱工設(shè)備的結(jié)構(gòu)材料，以及用作工業(yè)高溫容器和部件的材料，并能承受相應(yīng)的物理化學變化及機械作用大部分耐火材料是以天然礦石（如耐火粘土、硅石、菱鎂礦、白云母等）為原料制造的傳統(tǒng)的無機非金屬材料之四：耐火材料耐火材料是指耐火度不低于1183.有機高分子材料（高聚物）高聚物是由一種或幾種簡單低分子化合物經(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

3.有機高分子材料（高聚物）高聚物是由一種或幾種簡單低分子194.復(fù)合材料

是由兩種或兩種以上化學性質(zhì)或組織結(jié)構(gòu)不同的材料組合而成是多相材料，主要包括基本相和增強相?；w相是一種連續(xù)相材料，它把改善性能的增強相材料固結(jié)成一體，并起傳遞應(yīng)力的作用；增強相起承受應(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，又通過復(fù)合效應(yīng)使各組分的性能互相補充，獲得原組分不具備的許多優(yōu)良性能4.復(fù)合材料是由兩種或兩種以上化學性質(zhì)或組織結(jié)構(gòu)不同的材料20復(fù)合材料種類繁多，目前還沒有統(tǒng)一的分類方法按基體材料分類，有金屬基復(fù)合材料，陶瓷基復(fù)合材料，水泥、混凝土基復(fù)合材料，塑料基復(fù)合材料，橡膠基復(fù)合材料等；按增強劑形狀可分為粒子、纖維及層狀復(fù)合材料4.復(fù)合材料4.復(fù)合材料21根據(jù)材料的性能分類

根據(jù)材料在外場作用下其性質(zhì)或性能對外場的響應(yīng)不同，材料可分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料。

根據(jù)材料的性能分類根據(jù)材料在外場作用下其性質(zhì)或性能對外場的22結(jié)構(gòu)材料：是指具有抵抗外場作用而保持自己的形狀、結(jié)構(gòu)不變的優(yōu)良力學性能（強度和韌性等）的材料。是人們熟悉的機械制造材料、建筑材料，包括結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、鑄鐵、普通陶瓷、耐火材料、工程塑料等傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料（一般結(jié)構(gòu)材料）以及高溫合金、結(jié)構(gòu)陶瓷等高級結(jié)構(gòu)材料功能材料：是具有優(yōu)良的電學、磁學、光學、熱學、聲學、力學、化學和生物學功能及其相互轉(zhuǎn)化的功能，被用于非結(jié)構(gòu)目的的高技術(shù)材料根據(jù)材料的性能分類結(jié)構(gòu)材料：是指具有抵抗外場作用而保持自己的形狀、結(jié)構(gòu)不變的優(yōu)23按材料服役的領(lǐng)域來分類

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

按材料服役的領(lǐng)域來分類根據(jù)材料服役的技術(shù)領(lǐng)域可分為信息材料24材料按結(jié)晶狀態(tài)分類

單晶材料是由一個比較完整的晶粒構(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明顯規(guī)律的固體材料，如玻璃、高分子材料。

材料按結(jié)晶狀態(tài)分類單晶材料是由一個比較完整的晶粒構(gòu)成的材料25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按材料的尺寸分類材料按材料的尺寸可分為：26材料科學的核心——材料觀組成+加工工藝微觀組織結(jié)構(gòu)性能用途材料科學的核心——材料觀組成+加工工藝微觀組織結(jié)構(gòu)性能用途27銅器合金比例銅：熔點高，1083℃，可塑性佳錫：熔點低，232℃鋅：熔點419℃青銅：85%Cu+15%Sn：熔點960℃，延展性增加，硬度增加，具光澤度黃銅：62%-68%Cu+Zn；熔點934-967℃，具有良好的塑性，能承受冷熱加工材料觀-組成公元前5000年，制陶中發(fā)現(xiàn)銅和錫的還原，創(chuàng)造了煉銅術(shù)銅器合金比例材料觀-組成公元前5000年，制陶中發(fā)現(xiàn)銅和錫28工藝過程－結(jié)構(gòu)（顯微結(jié)構(gòu)）aluminiumafterrefinementaluminiumbeforerefinement工藝過程－結(jié)構(gòu)（顯微結(jié)構(gòu)）aluminiumafterr29不同加工方法的工件組織與性能不同加工方法的工件組織與性能30結(jié)構(gòu)的含義宏觀結(jié)構(gòu)（眼睛觀察范圍-0.1mm）顯微結(jié)構(gòu)（100m-0.1m)晶體結(jié)構(gòu)（Angstron）原子結(jié)構(gòu)（電子+質(zhì)子+中子）結(jié)構(gòu)的含義宏觀結(jié)構(gòu)（眼睛觀察范圍-0.1mm）31結(jié)構(gòu)-宏觀層次（0.1mm）結(jié)構(gòu)-宏觀層次（0.1mm）32結(jié)構(gòu)-顯微層次（顯微結(jié)構(gòu)0.1mm-0.1m）AluminaDielectricceramicEquiaxedFerriteMildSteel結(jié)構(gòu)-顯微層次（顯微結(jié)構(gòu)0.1mm-0.1m）Alumin33結(jié)構(gòu)——顯微層次結(jié)構(gòu)——顯微層次34結(jié)構(gòu)——晶體結(jié)構(gòu)層次（Angstron）Y-sialongrainboundaryHRTEMimageofQuantumdotCaSe結(jié)構(gòu)——晶體結(jié)構(gòu)層次（Angstron）Y-sialong35結(jié)構(gòu)——晶體結(jié)構(gòu)層次（Angstron）BaTiO3RingdiffractionpatternofpolycrystallinegoldY-Sialon結(jié)構(gòu)——晶體結(jié)構(gòu)層次（Angstron）BaTiO3Ring36材料觀-結(jié)構(gòu)宏觀結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)材料觀-結(jié)構(gòu)宏觀結(jié)構(gòu)37結(jié)構(gòu)的含義宏觀結(jié)構(gòu)（眼睛觀察范圍-0.1mm）顯微結(jié)構(gòu)（晶粒尺寸、分布、100m-0.1m)晶體結(jié)構(gòu)（晶胞、晶格、Angstron）原子結(jié)構(gòu)（電子+質(zhì)子+中子）結(jié)構(gòu)的含義宏觀結(jié)構(gòu)（眼睛觀察范圍-0.1mm）38結(jié)構(gòu)分析的工具結(jié)構(gòu)分析的工具39性能材料性能：材料對外界作用的響應(yīng)力學性質(zhì)：形變與斷裂熱學性質(zhì)：熱容量、熱導率、熱膨脹電學性質(zhì)：電導率，介電性質(zhì)磁學性質(zhì)：磁化率等光學性質(zhì)：折射或反射劣化：材料的化學活性性能材料性能：材料對外界作用的響應(yīng)40組成-工藝過程-結(jié)構(gòu)-性質(zhì)之間關(guān)系材料科學核心內(nèi)容組成+加工工藝微觀組織結(jié)構(gòu)性能用途組成-工藝過程-結(jié)構(gòu)-性質(zhì)之間關(guān)系材料科學核心內(nèi)容組成+加41組成-結(jié)構(gòu)-性質(zhì)-工藝過程之間的關(guān)系

材料科學與工程的四個基本要素：組成+合成與加工、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、使用性能。探索這四個要素之間的關(guān)系，覆蓋從基礎(chǔ)學科到工程的全部內(nèi)容。四個要素之間的密切關(guān)系確定了材料科學與工程這一領(lǐng)域，確定了材料科學基礎(chǔ)課程的教學線索組成-結(jié)構(gòu)-性質(zhì)-工藝過程之間的關(guān)系材料科學與工程的四個基42材料科學與工程材料科學具有“研究為什么”的性質(zhì)。核心是建立結(jié)構(gòu)－性能的關(guān)系。材料工程具有“解決怎樣做”的性質(zhì)。是能為社會所接受地獲得材料的結(jié)構(gòu)、性能和形狀。（要考慮5個判據(jù)：經(jīng)濟、質(zhì)量、資源、環(huán)保、能源）材料科學為材料工程提供設(shè)計依據(jù)，為更好地選擇材料、使用材料、發(fā)展新材料提供理論基礎(chǔ)。材料工程為材料科學提供豐富的研究課題和物質(zhì)基礎(chǔ)。

材料科學和材料工程緊密聯(lián)系，它們之間沒有明顯的界線。在解決實際問題中，不能將科學因素和工程因素獨立考慮。因此，人們常將二者合稱為材料科學與工程。材料科學與工程材料科學具有“研究為什么”的性質(zhì)。核心是建立43材料科學基礎(chǔ)材料科學基礎(chǔ)是進行材料科學與工程研究的基礎(chǔ)理論它將各種材料（包括金屬、陶瓷、高分子材料）的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能的規(guī)律建立在共同的理論基礎(chǔ)上，用于指導材料的研究、生產(chǎn)、應(yīng)用和發(fā)展材料科學基礎(chǔ)材料科學基礎(chǔ)是進行材料科學與工程研究的基礎(chǔ)理論44未來的材料智能材料：感知環(huán)境的變化并按照預(yù)定的方式自動做出響應(yīng)，類似于人體器官納米材料環(huán)境材料未來的材料智能材料：感知環(huán)境的變化并按照預(yù)定的方式自動做出響45本課程的目的本課程是針對材料學專業(yè)開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課通過這門課程的學習，對材料結(jié)構(gòu)，尤其是無機材料結(jié)構(gòu)方面的基本概念、基本理論、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系有一個初步的認識，牢固建立材料的組織結(jié)構(gòu)決定材料的性能這一基本概念，了解不同材料的共性與特性，了解無機材料最新發(fā)展狀況，為今后從事材料科學的研究工作打下必要的專業(yè)基礎(chǔ)本課程的目的本課程是針對材料學專業(yè)開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課46教學內(nèi)容固體結(jié)構(gòu)（晶體結(jié)構(gòu)）晶體缺陷固體中的擴散形變與再結(jié)晶相變及相圖教學內(nèi)容固體結(jié)構(gòu)（晶體結(jié)構(gòu)）47參考書目《材料科學基礎(chǔ)》胡賡祥蔡洵主編，上海交通大學出版社，2000年11月第1版《材料科學基礎(chǔ)》潘金生仝健民田民波主編，清華大學出版社，1998年6月第