材料科學基礎1市公開課一等獎百校聯(lián)賽優(yōu)質課金獎名師賽課獲獎課件

第一章緒論1.1材料科學概論1.2材料分類1.3材料組成、結構、性質、工藝及其與環(huán)境關系1.4教學內(nèi)容與教學要求1/39一、什么是材料?

材料是含有一定性能，能夠用來制作器件、構件、工具、裝置等物品物質。材料存在于我們周圍，與我們生活息息相關。材料是人類文明、社會進步、科技發(fā)展物質基礎。當代科學技術三大支柱－－能源、材料、信息，其中材料是基礎。

材料是全球新技術革命四大標志之一（新材料技術、新能源技術、信息技術、生物技術）。材料主要性？

1.1

材料科學概論2/39二、材料與人類文明材料是人類文明進步里程碑早期歷史按石器、陶器、青銅器、鐵器時代來劃分，材料代表著當初生產(chǎn)能力和生活水平。

第一、二次產(chǎn)業(yè)革命基礎：開發(fā)鐵和銅、合金鋼、鋁合金以及各種非金屬材料等新材料。當代核和信息時代是與元素U和Si開發(fā)緊密聯(lián)絡。人類經(jīng)過使用新材料去改進生產(chǎn)工具、生活用具以及武器，并伴伴隨科技革命不停發(fā)展。

3/39石器時代4/39青銅器時代5/39鐵器時代6/39三、什么是材料科學？

材料科學主要是指從事對材料本質規(guī)律發(fā)覺、分析、認識、設計及控制等方面研究一門科學。其目標在于揭示材料行為，給予材料結構、性質等統(tǒng)一描繪或建立模型，以及解釋結構與性能之間基本關系。

材料科學提出:美國認為在發(fā)射人造衛(wèi)星先進材料研究方面落后于蘇聯(lián)，于58年3月18日總統(tǒng)經(jīng)過科學顧問委員會公布“全國材料規(guī)劃”，決定12所大學成立材料研究試驗室，從此出現(xiàn)了“材料科學與工程”學科提法。

7/39基礎學科與材料科學關系

量子力學、固體物理、無機化學、有機化學、物理化學等基礎學科發(fā)展為材料科學奠定了主要基礎。當代分析技術和設備更新，加深了對物質結構和物理化學性質了解。冶金學、金屬學、陶瓷學、高分子科學等本身發(fā)展也使對材料本質認識大大系統(tǒng)化（組成-制備-結構-性能關系），為學科發(fā)展打下了堅實基礎。材料科學范圍下不一樣材料應用理論交叉融合。

當代材料技術從多樣化、單一化走向一體化、復合化。

8/391.2材料分類

一、材料化學組成份類二、材料性能分類三、材料服役領域來分類四、材料結晶狀態(tài)分類五、材料尺寸分類9/39一、按化學組成份類：1.金屬材料2.無機非金屬材料3.高分子材料（聚合物）4.復合材料10/391、金屬材料

金屬材料是由元素周期表中金屬元素組成材料?？煞譃橛梢粋€金屬元素組成單質（純金屬）；由兩種或兩種以上金屬元素或金屬與非金屬元素組成合金。合金又可分為固溶體和金屬間化合物。11/39

當金屬晶體結構保持溶劑組元晶體結構時，這種合金稱為一次固溶體或端際固溶體，簡稱為固溶體。依據(jù)溶質原子在溶劑晶體結構中位置，固溶體可分為置換固溶體和間隙固溶體。金屬元素與其它金屬元素或非金屬元素之間形成合金時，除固溶體外，還可能形成金屬間化合物。金屬間化合物可分為三類，即由負電性決定原子價化合物（簡稱價化合物）、由電子濃度決定電子化合物（亦稱為電子相）以及由原子尺寸決定尺寸原因化合物。除了這三類由單一元素決定經(jīng)典金屬間化合物外，還有許多金屬間化合物，其結構由兩個或多個原因決定，稱之為復雜化合物。

12/39金屬材料基本屬性

●結合健為金屬健；

●熔點較高；

●含有金屬光澤；

●范性、展性、延性大；

●強度較高；

●結構中存在自由電子，導熱和導電性好；

●在空氣中易被氧化。13/392、無機非金屬材料

無機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)一定工藝制備而成材料。是除金屬材料、高分子材料以外全部材料總稱。無機非金屬材料種類繁多，用途各異，普通將其分為傳統(tǒng)（普通）和新型（先進）無機非金屬材料兩大類。

14/39主要是指由SiO2及其硅酸鹽化合物為主要成份制成材料，包含陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。另外，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)無機非金屬材料。

傳統(tǒng)無機非金屬材料15/39是用氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以及各種無機非金屬化合物經(jīng)特殊先進工藝制成材料。主要包含先進陶瓷、非晶態(tài)材料、人工晶體、無機涂層、無機纖維等。先進（或新型）無機非金屬材料16/39陶瓷按其概念和用途不一樣，可分為兩大類，即普通陶瓷和特種陶瓷。依據(jù)陶瓷坯體結構及其基本物理性能差異，陶瓷制品可分為陶器和瓷器。陶瓷17/39

普通陶瓷：

即傳統(tǒng)陶瓷，是指以粘土為主要原料與其它天然礦物原料經(jīng)過粉碎混練、成型、煅燒等過程而制成各種制品。包含日用陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、電瓷以及其它工業(yè)用陶瓷。見表0-1。18/39表0-1普通陶瓷分類方法

19/39特種陶瓷：

是用于各種當代工業(yè)及尖端科學技術領域陶瓷制品。包含結構陶瓷和功效陶瓷。結構陶瓷主要用于耐磨損、高強度、耐高溫、耐熱沖擊、硬質、高剛性、低膨脹、隔熱等場所。功效陶瓷主要包含電磁功效、光學功效、生物功效、核功效及其它功效陶瓷材料。20/39常見高溫結構陶瓷包含：高熔點氧化物、碳化物、硼化物、氮化物、硅化物。功效陶瓷包含:裝置瓷（即電絕緣瓷）、電容器陶瓷、壓電陶瓷、磁性陶瓷（又稱為鐵氧體）、導電陶瓷、超導陶瓷、半導體陶瓷（又稱為敏感陶瓷）、熱學功效陶瓷（熱釋電陶瓷、導熱陶瓷、低膨脹陶瓷、紅外輻射陶瓷等）、化學功效陶瓷（多孔陶瓷載體等）、生物功效陶瓷等。21/39玻璃玻璃是由熔體過冷所制得非晶態(tài)材料。依據(jù)其形成網(wǎng)絡組分不一樣可分為硅酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃等，其網(wǎng)絡形成劑分為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。22/39普通玻璃是指采取天然原料，能夠大規(guī)模生產(chǎn)玻璃。普通玻璃包含日用玻璃、建筑玻璃、微晶玻璃、光學玻璃和玻璃纖維等。

特種玻璃（亦稱為新型玻璃）是指采取精制、高純或新型原料，經(jīng)過新工藝在特殊條件下或嚴格控制形成過程制成一些含有特殊功效或特殊用途玻璃。特種玻璃分為防輻射玻璃、激光玻璃、生物玻璃、多孔玻璃、非線性光學玻璃和光纖玻璃等。23/39水泥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，并能將砂、石等材料牢靠地膠結在一起水硬性膠凝材料。水泥種類很多，按其用途和性能可分為：通用水泥、專用水泥和特征水泥三大類；按其所含主要水硬性礦物，水泥又可分為硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、氟鋁酸鹽水泥以及以工業(yè)廢渣和地方材料為主要組分水泥。當前水泥品種已達一百各種。水泥24/39耐火材料耐火材料是指耐火度不低于1580℃無機非金屬材料。它是為高溫技術服務基礎材料。耐火材料是用作高溫窯爐等熱工設備結構材料，以及用作工業(yè)高溫容器和部件材料，并能承受對應物理化學改變及機械作用。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。25/39無機非金屬材料基本屬性

●化學健主要是離于鍵、共價健以及它們混合鍵；

●硬而脆、韌性低、抗壓不抗拉、對缺點敏感；

●熔點高，含有優(yōu)良耐高溫和化學穩(wěn)定性；

●普通自由電子數(shù)目少、導熱性和導電性較小；

●耐化學腐蝕性好；

●耐磨損。

26/393.有機高分子材料（高聚物）

高聚物是由一個或幾個簡單低分子化合物經(jīng)聚合而組成分子量很大化合物。高聚物種類繁多，性能各異，其分類方法各種多樣。按高分子材料起源分為天然高分子材料和合成高分子材料；按材料性能和用途可將高聚物分為橡膠、纖維、塑料和膠粘劑等。27/394.復合材料

復合材料是由兩種或兩種以上化學性質或組織結構不一樣材料組合而成。復合材料是多相材料，主要包含基本相和增強相。復合材料種類繁多按基體材料分類，有金屬基復合材料，陶瓷基復合材料，水泥、混凝土基復合材料，塑料基復合材料，橡膠基復合材料等；按增強劑形狀可分為粒子、纖維及層狀復合材料；依據(jù)復合材料性能可分為結構復合材料和功效復合材料。28/39二、材料性能分類依據(jù)材料在外場作用下其性質或性能對外場響應不一樣，材料可分為結構材料和功效材料。

結構材料是指含有抵抗外場作用而保持自己形狀、結構不變優(yōu)良力學性能（強度和韌性等），用于結構目標材料。

功效材料是含有優(yōu)良電學、磁學、光學、熱學、聲學、力學、化學和生物學功效及其相互轉化功效，被用于非結構目標高技術材料。29/39三、材料服役領域來分類依據(jù)材料服役技術領域可分為：信息材料、航空航天材料、能源材料、生物醫(yī)用材料等。30/39信息材料

是指用于信息探測、傳輸、顯示、運算和處理光電信息材料。信息材料主要包含信息監(jiān)測和傳感（獲?。┎牧稀⑿畔鬏敳牧?、信息存放材料、信息運算和處理材料。31/39

航空航天材料

主要包含新型金屬材料（如先進鋁合金、超高強度鋼、高溫合金、高熔點合金、鈹及其合金）、燒蝕防熱材料和新型復合材料。另外，還包含一些功效材料，如涂層材料、隔熱材料、透明材料、阻尼材料、密封材料、潤滑材料、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，也有少許是阻尼合金等金屬材料。32/39

能源材料

是指能源工業(yè)和能源技術所使用材料，按使用目標不一樣分為新能源材料、節(jié)能材料和儲氫材料等。新能源材料包含增值堆用核材料、聚變堆材料、太陽能電池；節(jié)能材料包含非晶體金屬磁性材料（用作變壓器鐵芯Fe-Mn-B-Si合金）和超導材料；儲氫材料如鈉硫電池比能量達137W.h/Kg，而鉛蓄電池比能量只有30W.h/Kg。33/39

生物醫(yī)用材料

是一類合成物質或天然物質或這些物質復合，它能作用一個系統(tǒng)整體或部分，在一定時期內(nèi)治療、增強或替換機體組織、器官或功效。包含醫(yī)用金屬及合金、醫(yī)用高分子材料、醫(yī)用生物陶瓷、醫(yī)用復合材料等。34/39四、材料按結晶狀態(tài)分類

單晶材料是由一個比較完整晶粒組成材料，如單晶纖維、單晶硅；多晶材料是由許多晶粒組成材料，其性能與晶粒大小、晶界性質有親密關系。非晶態(tài)材料是由原子或分子排列無顯著規(guī)律固體材料，如玻璃、高分子材料。準晶材料介于晶體和非晶體之間固體。35/39五、按材料尺寸分類

材料按材料尺寸可分為：零維材料、一維材料、二維材料、三維材料？

36/39