同濟大學《材料科學基礎》課件第

材料科學基礎本課程將探討材料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和性能之間的關系。涵蓋金屬、陶瓷、聚合物和復合材料等主要材料類型。課程簡介本課程旨在向?qū)W生介紹材料科學的基本概念、原理和應用，為學生未來學習材料科學相關專業(yè)知識打下堅實基礎。課程內(nèi)容涵蓋了材料的分類、結(jié)構(gòu)、性能、晶體結(jié)構(gòu)、缺陷、擴散、相變等基本概念，并結(jié)合具體材料進行講解，例如金屬、陶瓷、高分子和復合材料。通過學習本課程，學生將掌握材料科學的基本知識和方法，能夠識別不同材料的結(jié)構(gòu)和性能特點，并根據(jù)實際需求選擇合適的材料。同時，本課程也培養(yǎng)學生的科學思維和解決問題的能力，為學生今后從事材料科學研究或應用工作打下堅實基礎。1.材料科學的基本概念材料是由原子組成的，原子之間的排列方式?jīng)Q定了材料的結(jié)構(gòu)。原子結(jié)合形成分子，分子之間的相互作用影響材料的性質(zhì)。材料的結(jié)構(gòu)決定了它的物理和化學性質(zhì)，例如強度、硬度、電導率和磁性。材料科學是一門研究材料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、加工和應用的學科，其目標是創(chuàng)造出滿足人類需求的新材料。1.1材料的分類金屬材料金屬材料由金屬元素組成，具有良好的導電性、導熱性和延展性。例如：鐵、鋁、銅。陶瓷材料陶瓷材料通常由金屬和非金屬元素組成，具有較高的熔點、硬度和耐腐蝕性。例如：氧化鋁、硅酸鹽。高分子材料高分子材料是由許多小分子通過化學鍵連接而成的長鏈結(jié)構(gòu)，具有輕質(zhì)、柔韌、絕緣等特性。例如：聚乙烯、聚酯。復合材料復合材料由兩種或多種不同材料組合而成，以獲得更好的性能。例如：玻璃纖維增強塑料、碳纖維復合材料。1.2材料的結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)是指材料內(nèi)部原子或分子的排列方式，它是決定材料性能的關鍵因素之一。材料的結(jié)構(gòu)可以分為宏觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)，宏觀結(jié)構(gòu)是指材料肉眼可見的結(jié)構(gòu)，如材料的形狀、尺寸、表面等，而微觀結(jié)構(gòu)是指材料內(nèi)部原子或分子的排列方式，它需要借助顯微鏡等儀器才能觀察到。材料的微觀結(jié)構(gòu)主要包括晶體結(jié)構(gòu)和非晶體結(jié)構(gòu)，晶體結(jié)構(gòu)是指材料內(nèi)部原子或分子按一定規(guī)律排列形成的周期性結(jié)構(gòu)，非晶體結(jié)構(gòu)是指材料內(nèi)部原子或分子排列無規(guī)律，沒有周期性。1.3材料的性能材料的性能是指材料在特定條件下表現(xiàn)出的特性，這些特性決定了材料的用途和應用領域。材料性能是材料科學的重要研究內(nèi)容，也是選擇和設計材料的關鍵因素。1強度材料抵抗外力破壞的能力2硬度材料抵抗表面壓痕或劃痕的能力3韌性材料在斷裂前吸收能量的能力4塑性材料在斷裂前發(fā)生永久變形的能力除此之外，材料性能還包括導電性、導熱性、磁性、光學性能等。2.晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)是材料科學的基礎，它決定著材料的許多重要特性，例如強度、硬度、電導率和磁性等。了解晶體結(jié)構(gòu)對于理解材料的性能和設計新材料至關重要。晶體結(jié)構(gòu)研究主要涉及晶體的類型、晶格和晶胞，以及它們的分析方法。2.1晶體的定義和種類11.定義晶體是指原子或分子在三維空間呈周期性排列的固態(tài)物質(zhì)。這種排列方式形成有規(guī)則的幾何形狀，具有固定的熔點和獨特的物理性質(zhì)。22.種類晶體可以根據(jù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和對稱性分為不同的種類，如立方晶系、六方晶系、四方晶系、斜方晶系、單斜晶系和三斜晶系。33.舉例常見的晶體包括鹽、糖、冰、金剛石和石英等。這些物質(zhì)具有不同的形狀和性質(zhì)，反映了它們內(nèi)部結(jié)構(gòu)的差異。44.應用晶體在科學技術領域有著廣泛的應用，例如，晶體管、激光器、傳感器等，都基于晶體的獨特物理性質(zhì)。2.2晶格和晶胞1晶格抽象概念，無限重復的空間點陣2晶胞晶格中最小的重復單元3晶胞參數(shù)描述晶胞大小和形狀4晶胞類型立方、六方、正方等晶胞參數(shù)和類型決定晶體的對稱性和物理性質(zhì)。2.3晶體結(jié)構(gòu)分析晶體結(jié)構(gòu)分析是材料科學中一項重要技術，它能夠幫助我們了解材料的微觀結(jié)構(gòu)，并預測其性能。常用的晶體結(jié)構(gòu)分析方法包括X射線衍射、電子衍射和中子衍射等。例如，X射線衍射可以用來確定晶體結(jié)構(gòu)中的原子排列，并測量晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)，如晶格常數(shù)和晶胞尺寸。這些信息可以用來解釋材料的物理和化學性質(zhì)，例如機械強度、電導率、磁性等。3.缺陷與晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)中的缺陷是材料微觀結(jié)構(gòu)中存在的偏差。這些缺陷會影響材料的機械性能、電性能和熱性能等。3.1點缺陷空位缺陷晶格中原子缺失形成空位?？瘴皇浅Ｒ姷狞c缺陷。間隙原子原子占據(jù)晶格間隙位置，形成間隙原子缺陷。置換原子一種原子被另一種不同類型的原子取代，形成置換原子缺陷。3.2線缺陷刃型位錯刃型位錯是晶體結(jié)構(gòu)中的一種常見的線缺陷，形成于晶體中原子排列的不連續(xù)性。螺旋位錯螺旋位錯是另一種重要的線缺陷，在晶體中形成螺旋形原子排列。位錯運動位錯在晶體中可以移動，影響材料的機械性能，如強度、韌性等。3.3面缺陷晶界晶界是相鄰晶粒之間的界面，是晶體內(nèi)部的一種二維缺陷。晶界上原子排列不規(guī)則，導致晶界處強度降低，但同時晶界可以阻礙位錯運動，提高材料的強度。孿晶界孿晶界是晶體內(nèi)部兩部分晶格呈鏡像對稱的界面，是晶體內(nèi)部的一種特殊晶界。孿晶界可以增強材料的強度和塑性，但也可能導致材料的脆性。4.擴散與相變擴散是指物質(zhì)在濃度梯度或化學勢梯度驅(qū)動下，從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域遷移的過程。相變是指材料在一定條件下，從一種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結(jié)構(gòu)的過程。4.1擴散過程1原子遷移原子在晶格中移動2濃度梯度高濃度區(qū)域到低濃度區(qū)域3熱力學驅(qū)動降低系統(tǒng)能量擴散是一個重要的物理現(xiàn)象，在材料科學領域中具有廣泛的應用。原子遷移是擴散過程的基礎，原子從高濃度區(qū)域到低濃度區(qū)域的移動，最終導致物質(zhì)的均勻分布，降低系統(tǒng)的總能量。4.2相變的基本概念1定義相變是指物質(zhì)在特定條件下，其物理狀態(tài)或化學結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的過程。例如，水在不同溫度下可以存在于固態(tài)（冰）、液態(tài)（水）和氣態(tài)（水蒸氣）。2類型相變可以分為第一類相變和第二類相變，它們在熱力學性質(zhì)和結(jié)構(gòu)變化上有區(qū)別。例如，水結(jié)冰是一個第一類相變，而鐵磁性材料在居里溫度以上轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判詣t是一個第二類相變。3影響因素影響相變的因素包括溫度、壓力、成分和外場。例如，加熱會使固體物質(zhì)熔化成液體，而增加壓力會使氣體液化。4應用相變在材料科學、化學、物理學等領域都有廣泛應用。例如，金屬的熱處理過程利用相變來改變材料的性能。4.3相圖及相變分析相圖是描述材料中不同相之間的平衡關系的圖表。它可以幫助我們預測不同溫度和成分下材料的相組成和結(jié)構(gòu)。例如，鐵碳合金相圖是研究鋼鐵材料的基礎，它可以幫助我們理解不同碳含量和溫度下鐵碳合金的相變過程，并選擇合適的熱處理工藝來制備具有特定性能的鋼鐵材料。相圖類型描述內(nèi)容二元相圖兩個組元的合金相變關系三元相圖三個組元的合金相變關系多元相圖多個組元的合金相變關系相變分析是利用相圖來理解和預測材料的相變行為，并指導材料的設計和制備。相變分析需要結(jié)合材料的成分、溫度、壓力等因素進行分析。5.金屬材料金屬材料在現(xiàn)代工業(yè)中扮演著至關重要的角色，其優(yōu)異的機械性能和導電性使其在各個領域得到廣泛應用。從日常使用的刀具到高精尖的航空航天器，金屬材料無處不在。5.1金屬的結(jié)構(gòu)與性能晶體結(jié)構(gòu)金屬原子以規(guī)則排列形成晶格，形成獨特的晶體結(jié)構(gòu)，如面心立方、體心立方等。金屬鍵金屬原子之間通過自由電子共享形成金屬鍵，這種鍵合方式賦予金屬高導電性、導熱性和延展性等特性。合金化通過添加其他元素，形成合金，可以改善金屬的強度、硬度、耐腐蝕性等性能，拓展其應用領域。5.2金屬的相變和熱處理相變金屬材料在溫度變化過程中，會發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)的變化，稱為相變。熱處理通過控制加熱和冷卻速度，改變金屬材料的組織結(jié)構(gòu)和性能，以獲得期望的性能。熱處理種類包括退火、正火、淬火、回火等，根據(jù)不同的工藝參數(shù)，獲得不同的性能。熱處理應用金屬材料的熱處理應用廣泛，例如提高強度、硬度、韌性、可加工性等。5.3金屬合金及其應用提高強度和硬度合金可以提高金屬的強度和硬度，使其更耐用。例如，碳鋼是一種常用的合金，它比純鐵更堅固。改善耐腐蝕性合金可以提高金屬的耐腐蝕性，使其在惡劣環(huán)境中更耐用。例如，不銹鋼是一種耐腐蝕性強的合金，常用于建筑和醫(yī)療行業(yè)。增強導電性和導熱性合金可以改善金屬的導電性和導熱性。例如，青銅是一種常用的導電材料，用于制造電線和電子元件。降低成本合金可以降低金屬的成本，使其更具經(jīng)濟效益。例如，黃銅是一種比純銅更便宜的合金，常用于制造硬幣和管道。6.陶瓷材料陶瓷材料種類繁多，包括氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷等，在工業(yè)和生活中應用廣泛。6.1陶瓷的結(jié)構(gòu)與性能晶體結(jié)構(gòu)陶瓷材料通常以離子鍵結(jié)合，形成有序的晶體結(jié)構(gòu)。性能陶瓷材料以高硬度、耐高溫、耐腐蝕和良好的絕緣性能著稱。應用陶瓷材料廣泛應用于電子、機械、航空航天等領域。6.2陶瓷的制備工藝1原料準備首先，需要選擇合適的陶瓷原料，例如氧化鋁、氧化硅、氧化鋯等，并進行粉碎、混合、造粒等預處理。2成型根據(jù)陶瓷產(chǎn)品的形狀和尺寸，采用不同的成型方法，例如壓制成型、注漿成型、擠出成型等，將粉末材料加工成所需的形狀。3燒結(jié)將成型的坯體在高溫下進行燒結(jié)，使粉末顆粒相互結(jié)合，形成致密的陶瓷制品。燒結(jié)溫度和時間會影響陶瓷產(chǎn)品的性能。4后處理燒結(jié)后的陶瓷制品通常需要進行表面處理、拋光、切割等后處理，以達到最終的尺寸和外觀要求。6.3先進陶瓷材料先進陶瓷材料是指具有優(yōu)異的物理、化學和力學性能的陶瓷材料。例如，超高強度陶瓷、超硬陶瓷、耐高溫陶瓷、耐腐蝕陶瓷和生物陶瓷等。先進陶瓷材料在航空航天、機械制造、電子信息、生物醫(yī)學等領域具有廣泛的應用。其應用前景十分廣闊，是未來材料科學發(fā)展的重要方向之一。7.高分子材料高分子材料是由許多小分子通過化學鍵連接而成的長鏈狀分子，具有優(yōu)異的機械性能、電性能和熱性能，廣泛應用于各種工業(yè)領域。7.1高分子的結(jié)構(gòu)與性能高分子結(jié)構(gòu)高分子由許多重復的結(jié)構(gòu)單元連接而成。這些單元稱為單體。高分子鏈的排列方式影響著材料的性質(zhì)。例如，線性結(jié)構(gòu)的聚合物通常具有更高的強度和延展性。高分子性能高分子材料通常具有較低的密度、高強度、良好的耐腐蝕性和絕緣性。它們還具有獨特的性能，例如良好的彈性、韌性和抗沖擊性。7.2高分子材料的種類與應用塑料常見的塑料種類包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)等。塑料在包裝、建筑、電子等行業(yè)應用廣泛。橡膠天然橡膠和合成橡膠是重要的橡膠材料。橡膠具有良好的彈性和耐磨性，在輪胎、密封材料等方面有廣泛應用。纖維合成纖維包括聚酯纖維、尼龍纖維等，具有強度高、耐磨、易于染色等優(yōu)點。天然纖維包括棉花、羊毛等，具有柔軟、吸濕、透氣等特點。7.3聚合反應與加工工藝1加成聚合單體分子通過加成反應連接形成高分子鏈。2縮聚反應單體分子通過縮合反應形成高分子鏈，同時釋放出小分子。3開環(huán)聚合環(huán)狀單體通過開環(huán)反應形成高分子鏈。4接枝聚合將單體接枝到已有的高分子鏈上。聚合反應是合成高分子材料的關鍵步驟，不同的聚合反應機制會影響最終產(chǎn)品的性質(zhì)。高分子材料的加工工藝涉及多種方法，例如擠出、注塑、吹塑等，用于將高分子材料塑造成所需的形狀。復合材料復合材料由兩種或多種材料組成，每種材料保留其自身特性。復合材料結(jié)合了不同材料的優(yōu)勢，創(chuàng)造出性能優(yōu)于單一材料的全新材料。8.1復合材料的定義和種類定義復合材料是由兩種或多種不同材料組成的材料體系，其中一種材料作為基體，另一種材料作為增強劑。種類復合材料可以分為多種類型，如纖維增強塑料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料、以及碳纖維增強樹脂復合材料等。特點復合材料兼具多種材料的優(yōu)點，具有高強度、高剛度、輕質(zhì)、耐腐蝕等特性，在航空航天、汽車、建筑等領域應用廣泛。8.2復合材料的結(jié)構(gòu)與性能11.增強相增強相通常是強度高、剛度好的材料，如纖維、顆粒等，增強復合材料的整體性能。22.基體相基體相將增強相結(jié)合在一起，并起到傳遞載荷的作用，