材料科學(xué)基礎(chǔ)課件第0章+緒論

材料科學(xué)基礎(chǔ)

－緒論薛烽東南大學(xué)材料學(xué)院

什么是材料材料的地位材料的分類材料的發(fā)展歷史材料的未來一、材料的定義材料是人類用于制造物品、器件、構(gòu)件、機器或其他產(chǎn)品的那些物質(zhì)。上海磁懸浮列車電磁鐵、導(dǎo)軌南京長江三橋，僅橋塔用鋼就達(dá)1.44萬噸，總用鋼量約10萬噸，混凝土百萬方，水泥約50萬噸蘇通大橋－長江第一橋。美國國家地理－無與倫比的工程：共用鋼材約25萬噸，混凝土140萬方，填方320萬方。高300.4米的混凝土塔，拉索長達(dá)577米。目前世界聚酯總產(chǎn)量約5000萬噸，棉花產(chǎn)量約2000余萬噸用于織物的纖維總產(chǎn)量約6000萬噸，不粘鍋鋼鐵＋特富龍（含氟碳?xì)錁渲?，如聚四氟乙烯CF4）Ti6Al4V+羥基磷灰石涂層高氮不銹鋼＋鈷鉻鉬球頭＋骨水泥（聚甲基丙烯酸甲酯）含能材料二、材料的地位當(dāng)代文明的三大支柱：信息、材料和能源新技術(shù)革命的重要標(biāo)志：新材料、信息技術(shù)和生物技術(shù)挑戰(zhàn)者，1986.1哥倫比亞號，2003.2三、材料的分類材料具有重要性、普遍性、多樣性。分類方法沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。從物理化學(xué)屬性來分，可分為金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料和不同類型材料所組成的復(fù)合材料。從用途來分，又分為電子材料、航空航天材料、核材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。更常見的兩種分類方法則是結(jié)構(gòu)材料與功能材料傳統(tǒng)材料與新材料。四、結(jié)構(gòu)材料與功能材料結(jié)構(gòu)材料：力學(xué)性能鳥巢鋼結(jié)構(gòu)4.2萬噸寶馬汽車功能材料：物理、化學(xué)性質(zhì)或生物功能如磁性材料、發(fā)光材料、微電子和光電子材料等。五、傳統(tǒng)材料與新材料傳統(tǒng)材料：鋼鐵、水泥、塑料等。又稱為基礎(chǔ)材料。新材料(先進材料)是指那些正在發(fā)展，且具有優(yōu)異性能和應(yīng)用前景的一類材料。

新材料與傳統(tǒng)材料之間并沒有明顯的界限。六、材料是人類社會進步的里程碑

1、舊石器時代早在一百萬年以前，人類開始用石頭做工具，使人類進入舊石器時代。舊石器時代工具——砍砸器（中國國家博物館藏品）2、新石器時代大約一萬年以前，人類知道對石頭進行加工，使之成為精致的器皿或工具，從而使人類進入新石器時代。地球上已發(fā)現(xiàn)的最大的天然金塊“大三角”，重達(dá)36公斤。這個金塊是被一位名叫尼科夫爾.希烏特金的礦工1842年在烏拉爾山脈的薩萊沃-亞歷山德羅夫斯基礦發(fā)現(xiàn)的。大約在9000年前，人類已發(fā)明了陶器。陶器的出現(xiàn)、不但用于器皿，而且成為裝飾品，歷史上雖無陶器時代的名稱，但其對人類文明的貢獻(xiàn)是不可估量的。3、青銅時代在燒制陶器過程中，偶然發(fā)現(xiàn)金屬銅和錫，從而使人類進入青銅時代。這是人類較大量利用金屬的開始，也是人類文明發(fā)展的重要里程碑。4、鐵器時代公元前13－14世紀(jì)前，人類己開始用鐵，3000年前鐵工具比青銅工具更為普迫，人類開始進入了鐵器時代。中國最早出土的人工冶鐵制品約在公元前9世紀(jì)。到春秋(公元前770－476年)末期，生鐵技術(shù)有較大突破，遙遙領(lǐng)先于世界其他地區(qū)。長治縣蔭城鎮(zhèn)春秋冶鐵遺址中發(fā)現(xiàn)的農(nóng)具“鐵镈”。5、現(xiàn)代社會－金屬材料隨著世界文明的進步，18世紀(jì)發(fā)明了蒸汽機，19世紀(jì)發(fā)明了電動機，對金屬材料提出了更高要求，同時對鋼鐵冶金技術(shù)產(chǎn)生了更大的推動作用。1854年和1864年先后發(fā)明了轉(zhuǎn)爐和平爐煉鋼．使世界鋼產(chǎn)量有一個飛速發(fā)展。如1850年世界鋼產(chǎn)量為6萬噸，1890年達(dá)2800萬噸，大大促進了機械制造、鐵道交通及紡織工業(yè)的發(fā)展。隨之電爐冶煉開始，不同類型的特殊鋼相繼問世，如1887年高錳鋼、1900年W18Cr4V高速鋼、1903年硅鋼及1910年奧氏體鎳鉻(Crl8Ni8)不銹鋼等。在此前后，銅、鋁也得到大量應(yīng)用，而后鎂、鈦和很多稀有金屬都相繼出現(xiàn)，從而金屬材料在整個20世紀(jì)占據(jù)了結(jié)構(gòu)材料的主導(dǎo)地位。5、現(xiàn)代社會－有機合成材料19世紀(jì)末葉西方科學(xué)家仿制中國絲綢發(fā)明了人造絲1909年的酚醛樹脂(電木)1920年的聚苯乙烯1931年的聚氯乙烯1941年的尼龍等。目前世界三大有機合成材料(樹脂、纖維和橡膠)年產(chǎn)量逾億噸。5、現(xiàn)代社會－陶瓷材料陶瓷本來用作建筑材料、容器或裝飾品等。由于其資源豐富、密度小、高模量、高硬度、耐腐蝕、膨脹系數(shù)小、耐高溫、耐磨等特點，到了20世紀(jì)中葉，通過合成及其他制備方法，做出各種類型的先進陶瓷(如Si3N4，SiC、ZrO2等)，成為近幾十年來材料中非?；钴S的研究領(lǐng)域，有人甚至認(rèn)為“新陶器時代”即將到來。但由于其脆性問題難以解決，且價格過高，作為結(jié)構(gòu)材料沒有得到如鋼鐵或高分子材料一樣的廣泛應(yīng)用。5、現(xiàn)代社會－復(fù)合材料

復(fù)合材料是20世紀(jì)后期發(fā)展的另一類材料。天然材料很多是復(fù)合材料，人類很早就制造復(fù)合材料。復(fù)合材料定義：兩種或更多不同類型材料的混合復(fù)合材料種類：一般依基體分為高分子基、金屬基、陶瓷基等波音787首先在結(jié)構(gòu)部分采用了復(fù)合材料，總復(fù)合材料用量達(dá)50%，而以前僅20%。將于2008年投入使用

以上僅以結(jié)構(gòu)材料為主線，概述了材料的發(fā)展歷史。可以看出，自19世紀(jì)中葉現(xiàn)代煉鋼技術(shù)出現(xiàn)以后，金屬材料的重要性急劇增加，一直到20世紀(jì)中葉，人工合成有機材料、陶瓷材料及先進復(fù)合材料迅速發(fā)展，金屬材料的重要性逐漸下降，但一直到21世紀(jì)上半葉，金屬材料仍將占重要位置。

而功能材料自古就受到重視，早在戰(zhàn)國(公元前3世紀(jì))已利用天然磁鐵礦來制造司南，到宋代用鋼針磁化制出了羅盤，為航海的發(fā)展提供了關(guān)鍵技術(shù)。功能材料是信息技術(shù)及自動化的基礎(chǔ)。1947年發(fā)明了第一只具有放大作用的晶體管10余年后又研制成功集成電路激光材料與光導(dǎo)纖維因為硅是微電子技術(shù)的關(guān)鍵材料，所以有人稱之為“硅片為代表的電子材料時代”。“材料”是早已存在的名詞，但“材料科學(xué)”的提出只是20世紀(jì)60年代初的事。1957年前蘇聯(lián)人造衛(wèi)星首先上天，美國朝野上下為之展驚，認(rèn)為自己落后的主要原因之一是先進材料落后，于是在一些大學(xué)相繼成立了十余個材料研究中心。采用先進的科學(xué)理論與實驗力法對材料進行深入的研究，取得重要成果。從此，“材料科學(xué)”這個名詞便開始流行。七、“材料科學(xué)”的形成實際是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結(jié)果首先、固體物理、天機化學(xué)、有機化學(xué)、物理化學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，對物質(zhì)結(jié)構(gòu)和物性的深入研究，推動了對材料本質(zhì)的了解；同時，冶金學(xué)、金屬學(xué)、陶瓷學(xué)、高分子科學(xué)等的發(fā)展也使對材料本身的研究大大加強，從而對材料的制備、結(jié)構(gòu)與性能，以及它們之間的相互關(guān)系的研究也愈來愈深入，為材料科學(xué)的形成打下了比較堅實的基礎(chǔ)。

其次，在材料科學(xué)這個名詞出現(xiàn)以前，金屬材料、高分子材料與陶瓷材料都已自成體系，目前復(fù)合材料也獲得廣泛應(yīng)用，其研究也逐步深入。但它們之間存在著頗多相似之處，對不同類型材料的研究可以相互借鑒，從而促進學(xué)科的發(fā)展。如馬氏體相變本來是金屬學(xué)家提出來的，而且廣泛地被用來作為鋼熱處理的理論基礎(chǔ)；但在氧化結(jié)陶瓷中也發(fā)現(xiàn)了馬氏體相變現(xiàn)象，并用來作為陶瓷增韌的一種有效手段。又如材料制備方法中的溶膠—凝膠法，是利用金屬有機化合物的分解而得到納米級高純氧化物粒子，成為改進陶瓷性能的有效途徑。雖然不同類型的材料各有其專用測試設(shè)備與生產(chǎn)裝置，但各類材料的研究檢測設(shè)備與生產(chǎn)手段有頗多共同之處。例如顯微鏡、電子顯微鏡、表面測試及物性與力學(xué)性能測試設(shè)備等。在材料生產(chǎn)中，許多加工裝置的原理也有頗多相通之處，可以相互借鑒，從而加速材料的發(fā)展。

第三，許多不同類型的材料可以相互替代和補充，能更充分發(fā)揮各種材料的優(yōu)越性，達(dá)到物盡其用的目的。但長期以來，金屬、高分子及無機非金屬材料自成體系，缺乏溝通。由于互不了解，不利于發(fā)展創(chuàng)新，對復(fù)合材料的發(fā)展也極不利。盡管從材料發(fā)展需要和共性來看，有必要形成一門材料科學(xué)，但是由于各類材料的學(xué)科基礎(chǔ)不同，還存在不小的分歧，特別是無機材料與有機材料之間分歧較大。

根據(jù)以上所述，材料科學(xué)有三個重要屬性；多學(xué)科交叉，它是物理學(xué)、化學(xué)、冶金學(xué)、金屬學(xué)、陶瓷、高分子化學(xué)及計算科學(xué)相互融合與交叉的結(jié)果，如生物醫(yī)用材料要涉及醫(yī)學(xué)、生物學(xué)及現(xiàn)代分子生物學(xué)等學(xué)科；與實際使用結(jié)合非常密切的科學(xué)，發(fā)展材料科學(xué)的目的在于開發(fā)新材料，提高材料的性能和質(zhì)量，合理使用材料，同時降低材料成本和減少污染等；材料科學(xué)是一個正在發(fā)展中的科學(xué)，不像物理學(xué)、化學(xué)已經(jīng)有一個很成熟的體系，材料科學(xué)將隨各有關(guān)學(xué)科的發(fā)展而得到充實和