中國礦業(yè)大學(xué)《材料科學(xué)基礎(chǔ)》緒論省公開課金獎全國賽課一等獎微課獲獎?wù)n件

2024/4/13材料科學(xué)基礎(chǔ)Ⅰ張亞非83884742zyafei11@126.com1/252024/4/13緒論0.1材料定義0.2材料學(xué)發(fā)展史0.3研究內(nèi)容及方法0.4材料科學(xué)研究意義0.5本課程特點和學(xué)習(xí)方法2/252024/4/130.1材料定義廣義：人們思想意識之外全部物質(zhì)。

結(jié)構(gòu)物質(zhì)世界基礎(chǔ)要素——材料狹義：當人們注意到物質(zhì)含有特征，并試圖將這些特征加以利用時，才把“物質(zhì)”看作“材料”。有用物質(zhì)——材料通常意義材料：在工業(yè)和尖端技術(shù)中廣泛而著重應(yīng)用物質(zhì)。含有主要用途物質(zhì)——材料3/252024/4/13基礎(chǔ)材料無機非金屬（玻璃、陶瓷）氧化物及硅酸鹽等金屬（各種金屬及合金）礦石高分子（塑料、纖維、橡膠）石油、天燃氣等復(fù)合材料：由上述三種基礎(chǔ)材料合理組合而成。分類4/252024/4/13材料特征性能—材料對外部刺激抵抗能力。如：外力、環(huán)境溫度、腐蝕性物質(zhì)刺激。

強度、硬度、塑性、韌性、耐熱性、耐腐蝕性…功效—材料對外部刺激特異反應(yīng)能力。對材料輸入信號時，物質(zhì)因發(fā)生質(zhì)或量改變，所產(chǎn)生輸出效應(yīng)。如：熱電、光電、壓電、分離吸附、催化…材料減震、導(dǎo)熱、導(dǎo)電、導(dǎo)磁也歸入功效范圍5/252024/4/13功能材料舉例材料信號轉(zhuǎn)換應(yīng)用液晶熱或電顏色測溫、液晶顯示熱電溫度熱電勢或電流熱電偶（阻）光電光照電勢或電流光電管石英振子電流固定頻率振蕩石英鐘6/252024/4/13按用途分類結(jié)構(gòu)材料—利用材料良好力學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)性能。制備工程構(gòu)件、機械零件等。功效材料—利用材料特殊功效性。制備含有特殊電、磁、聲、光等器件，及各種傳感器等。材料是制造業(yè)基礎(chǔ)，在工業(yè)鏈中處于上游產(chǎn)業(yè)。7/252024/4/130.2材料學(xué)發(fā)展史一門古老而又新興學(xué)科。材料應(yīng)用可追溯到數(shù)千年以前。陶瓷、金屬、羊毛、獸皮、木材等。材料使用可作為人類歷史時期劃分標志：石器→青銅器→鐵器時代。當代技術(shù)三大支柱：材料、信息、能源。新技術(shù)革命標志：新材料、信息技術(shù)、生物技術(shù)。8/252024/4/13金屬材料19世紀以前，不論從材料制備工藝水平、生產(chǎn)規(guī)模，還是在產(chǎn)品數(shù)量上都非常低下。材料學(xué)完全處于原始“技藝”狀態(tài)，根本談不上科學(xué)。因為當初科技水平限制，人們只能依據(jù)經(jīng)驗，對材料加工制造工藝與性能之間關(guān)系進行粗淺探索歸納。在工業(yè)上應(yīng)用進行了半個世紀，歷史上曾出現(xiàn)過“工程材料”、“材料工學(xué)”等科目，但未能在理論上說明材料科學(xué)規(guī)律。制備工藝性能9/252024/4/1319世紀以后，反射式金相顯微鏡誕生，礦物學(xué)家索拜拍下了第一張鋼顯微組織照片，隨即各種金屬材料顯微組織得以一一顯示。從此人們開始對材料微觀及宏觀組織，加工制造工藝與性能之間關(guān)系進行歸納總結(jié)，于是誕生了“金相學(xué)”。亞共析鋼組織金相圖工藝性能組織10/252024/4/13金相學(xué)誕生，使人們從中得到了不少好處，開發(fā)了一批更高性能金屬材料，同時也刺激了人們了解探索材料精細結(jié)構(gòu)欲望。19世紀后期到20世紀中期：倫琴發(fā)覺了X射線，勞埃和布拉格創(chuàng)建了晶體X射線衍射分析方法。尤其近幾十年來，其它近代試驗伎倆如：透射、掃描電子顯微鏡，電子衍射和電子探針等得到發(fā)展與應(yīng)用。大大加深了人們對材料內(nèi)部精細結(jié)構(gòu)認識。11/252024/4/13伴隨當代科學(xué)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)快速發(fā)展，學(xué)科間相互滲透：從熱力學(xué)、金屬物理、彈塑性理論等學(xué)科中吸收了必要理論基礎(chǔ)。使人們對金屬材料化學(xué)成份、加工過程與組織結(jié)構(gòu)和性能之間關(guān)系有了深入了解，形成了完整學(xué)科體系。此時“金相學(xué)”遠遠不能囊括本學(xué)科研究內(nèi)容，于是誕生了

——“金屬學(xué)”。制備加工性能成份組織結(jié)構(gòu)12/252024/4/13無機非金屬材料經(jīng)歷了長久寂靜古老材料。直到20世紀后期，伴隨無機化學(xué)蓬勃發(fā)展，“陶瓷工學(xué)”、“陶瓷化學(xué)”應(yīng)運而生。尤其在近幾十年取得了驚人發(fā)展。當代陶瓷概念已遠遠超出了傳統(tǒng)陶與瓷范圍。它主要采取人工精制高純超細無機粉末為原料，經(jīng)過準確化學(xué)計量來配制高性能硅酸鹽、氧化物、碳化物和氮化物等新型陶瓷材料。13/252024/4/13它以其卓越性能（功效）、繁多品種、強大功效和廣泛用途進入國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域，尤其在電子技術(shù)、核技術(shù)和空間技術(shù)中占有十分主要，甚至是關(guān)鍵不可替換地位。依據(jù)日本通產(chǎn)省和美國商務(wù)部對新材料需求預(yù)測，在近幾十年內(nèi)，無機非金屬材料增加率將是最快，“被譽為二十一世紀材料”。14/252024/4/13高分子材料——

年輕新型材料在有機化學(xué)基礎(chǔ)上，“高分子化學(xué)”、“高分子物理”脫穎而出。經(jīng)歷了以下標志性里程碑式發(fā)展：尼龍66、聚脂、丙烯酸類三大合成纖維問世。

一掃人們認為高聚物等于粗劣代用具壞印象。齊格勒—納塔催化劑創(chuàng)造。

確立了人工控制“立構(gòu)規(guī)整性”及“分子量分布”合成方法。15/252024/4/13差示掃描量熱法DSC和差熱分析DTA發(fā)展。大幅提升了高分子檢測技術(shù)速度和準確度。

近幾十年來，可與金屬挑戰(zhàn)各種工程塑料制品已經(jīng)普及。相關(guān)高聚物“分子設(shè)計”及“材料設(shè)計”科學(xué)及關(guān)鍵技術(shù)，已到達了相當成熟水平。16/252024/4/13新時代誕生在應(yīng)用方面：各種材料相互配合、替用日漸廣泛。如：聚合物或金屬+無機纖維組成高性能復(fù)合材料；陶瓷替換金屬作高溫材料；塑料替換金屬作輕型材料；

——迎來了靈活應(yīng)用新時代17/252024/4/13材料科學(xué)材料學(xué)材料工程—工藝學(xué)（加工與制造）金屬學(xué)陶瓷（結(jié)構(gòu)、化學(xué)）高分子（物理、化學(xué)）學(xué)科間相互滲透，人們逐步發(fā)覺，金屬學(xué)、陶瓷學(xué)

和高分子物理中一些規(guī)律能夠相互借鑒，而且還

有許多共性。于是提出了“材料科學(xué)”作為研究材料共

性規(guī)律學(xué)科。這么有利于在工業(yè)各個領(lǐng)域中更有效

施用材料，也有利于學(xué)科發(fā)展。18/252024/4/130.3研究內(nèi)容及方法1、內(nèi)容材料科學(xué)：（回答為何）研究成份—

加工工藝—

組織結(jié)構(gòu)—性能之間關(guān)系。含有一定可預(yù)見性。材料工程：（該怎樣做）依據(jù)使用性能要求，怎樣科學(xué)設(shè)計，制訂合理加工路線和工藝參數(shù)，制備高性價比材料。成份加工工藝性能材料四要素組織結(jié)構(gòu)19/252024/4/132.方法材料科學(xué)——

基礎(chǔ)研究以科學(xué)構(gòu)想為基礎(chǔ)，經(jīng)試驗研究，探索材料共性規(guī)律，創(chuàng)造性地制做新材料，將其性能（功效）評價作為研究結(jié)果。特點：不確定性，重大結(jié)果經(jīng)常是“意外收獲”。材料工程——

應(yīng)用研究從事材料開發(fā)應(yīng)用。以材料科學(xué)結(jié)果為基礎(chǔ)，經(jīng)試驗研究，尋求愈加合理新工藝，完善現(xiàn)有工藝。以生產(chǎn)高性價比產(chǎn)品為目標。20/252024/4/130.4材料科學(xué)研究意義材料是國民經(jīng)濟基礎(chǔ)，當代化標致。當代技術(shù)三大支柱：材料、能源、信息。新技術(shù)革命標志：新材料、信息技術(shù)、生物技術(shù)。重大技術(shù)革命產(chǎn)生，依賴于新材料突破。21/252024/4/13歷史見證半導(dǎo)體材料---集成電路、計算機技術(shù)?？缛氘敶T檻。

光導(dǎo)纖維---光通訊。步入了高信息時代。高強度復(fù)合材料---太空探測器、宇宙飛船。沖出地球在太空遨游。超導(dǎo)材料---超高速計算機、低能耗超導(dǎo)電機、磁懸浮列車。22/252024/4/13超導(dǎo)體優(yōu)勢:載流能力高:比Cu、Al線高2-3個數(shù)量級。重量輕:5萬高斯中型磁體,常規(guī)電磁鐵重達20噸,超導(dǎo)體僅幾千克。電能損耗小:磁場強度為17.5萬高斯