材料科学基础说课_ppt课件

材料科学基础说课曾荣昌教授l 材料及材料科学的发展史l 材料科学基础 课程简介l 材料科学基础 教材和参考书l 材料科学基础 内容和重点l 材料科学基础 学习方法什么是材料科学（ materials science ）？ 材料科学是研究材料的成分、组织结构、制备工艺与材料性质和使用效能，以及它们之间相互关系的科学。 材料科学是多学科交叉与结合的结晶，是一门与工程技术密不可分的 应用科学 。 材料科学对生产、使用和发展新材料具有指导意义。材料及材料科学的发展史 材料科学导论 -融贯的论述 ，冯端、师昌绪、刘治国，化学工业出版社， 20021.材料是人类赖以生存和发展的物质基础 材料是人类用来制造 机器 、构件、器件和其他产品的物质。 材料广泛地应用于机械、交通运输、建筑、能源等各行各业等。 材料按化学状态分为：金属材料、陶瓷材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料。3.材料科学的形成是科学技术发展的结果 固体物理、无机化学、 有机化学 、物理化学等 学科 的发展，对 物质结构 和物性的深入研究，推动了对材料 本质的研究和了解；同时， 冶金学 、 金属学、陶瓷学等对材料本身的研究也大大加强，从而对材料的制备、结构和性能，以及它们之间的相互关系的研究也愈来愈深入，这为材料科学的形成打下了比较坚实的基础。/view/22775.htm 在材料科学这个名词出现以前，金属材料、高分子材料与陶瓷材料科学都已自成体系，它们之间存在着颇多相似之处，可以相互借鉴，促进本学科的发展。如 马氏体相变 本来是金属学家提出来的，而且广泛地用来作为钢热处理的理论基础。但在 氧化锆 陶瓷材料中也发现了 马氏体相变 现象，并用来作陶瓷增韧的一种有效手段。/view/22775.htm 各类材料的研究设备与生产手段也有很多相似之处。虽然不同类型的材料各有专用测试设备与生产装置，但更多的是相同或相近的，如 显微镜 、电子显微镜、表面测试及物理性能和力学性能测试设备等。在材料生产中，许多加工装置也是通用的。研究设备与生产装备的通用不但节约了资金，更重要的是相互得到启发和借鉴，加速了材料的发展。/view/22775.htm 科学技术的发展，要求不同类型的材料之间能相互代替，充分发挥各类材料的优越性，以达到物尽其用的目的。长期以来，金属、高分子及无机非金属材料学科相互 分割，自成体系。由于互不了解，习惯于使用金属材料的想不到采用高分子材料，即使想用，又对其不太了解，不敢问津。相反，习惯于用高分子材料的，也不想用金属材料或陶瓷材料。因此，科学技术发展对材料提出的新的要求，促进了材料科学的形成。/view/22775.htm 复合材料的发展，将各种材料有机地联成了一体。复合材料在多数情况下是不同类型材料的组合，通过材料科学的研究，可以对各种类型材料有一个更深入的了解，为复合材料的发展提供必要的基础。/view/22775.htm材料科学是现代科学技术发展的基础、工业生产的支柱l 在近代科学技术的推动下，材料品种日益增多，不同效能的新材料不断涌现，原有材料的性能也更为改善与提高。l 硅半导体材料的工业化生产，使计算机技术进入了超大规模集成电路时代；l 高温高强度材料的出现，促进了宇航工业的发展；l 隐形材料的研制成功，使现代战争扑朔迷离。 材料科学的作用1. 研发新材料，需要材料科学理论指导 ；2. 发展材料科学理论，必须融合其他学科， 如物理、化学、力学、生物医学、工程学的理论，进行交叉与渗透。如： 材料与物理 材料物理 材料与化学材料化学 材料与力学材料力学 材料与生物医学生物材料 材料与工程学材料工程图 3材料四要素（英国科学家） 材料要素Synthesis/Composition 成分 /结构合成 /加工表征性能效能 材料科学与工程所探讨的是材料的 制备、结构、性能与功效 之间的相互关系。图 4 材料要素（中国） 材料科学的形成历史 与人类使用材料的漫长历史相比，科学家研究材料科学的历史比较短暂。由于实用的金属与陶瓷材料多半是多组元的复相物质，使得习惯于研究简单物质的科学家望之而却步。因而长期以来，材料的发展依靠匠师们穷年累月里汇聚起来的手艺、诀窍和经验。 到 19世纪中叶以后，转炉与平炉炼钢相继问世，钢铁生产开始成为大规模的企业。而钢铁热处理过程是影响钢铁质量的关键问题，亟需科学研究。 科学家首先应用光学显微镜来观察抛光金属表面的显微组织的变化，确定了一 些重要的物相，开辟了金相学这一学科。 材料科学导论 ,冯端、师昌绪、刘治国 主编 ,化学工业出版社 ,2006.01 在 19世纪，热力学与经典统计力学相继问世，对于这两个学科都有杰出贡献的科学家 J W Gibbs于 1878年发 表了著名的长篇论文 “ 论复相物质的平衡 ”(On the Equilibrium of Heterogeneous Substances)，从而对物理化学产生深远的影响，同时也为理解材料的相平衡的规律 (包括相律 )，乃至相变动力学等重要问题，提供了必要的科学依 据。 材料科学导论 ,冯端、师昌绪、刘治国 主编 ,化学工业出版社 ,2006.01 由于 Gibbs的论述抽象难懂，直到 19世纪与 20世纪之交，由于 H W B Roozeboom等的阐述，才将合金热力学建立起来，并将相图研究付 诸实践，其中包括了一张大体上正确的铁 碳相图。 1912年之后 X射线晶体结构分析技术的发展又将材料结构的研究推进到原子的尺度。这样，到 20世纪 20 30年代，基于物理化学的金属学作为一门学科得以建立。 材料科学导论 ,冯端、师昌绪、刘治国 主编 ,化学工业出版社 ,2006.01 在 1925年后，微观世界的基本规律 量子力学得以确立。在原子物理学范围内取得巨大成功之后，随将它应用于分子与化学键，开创了量子化学，又将它应用于固体，开创了固体物理学。这两门新学科的建立，为理解材料的键合与物性等问题，提供了充分的科学依据。 材料科学导论 ,冯端、师昌绪、刘治国 主编 ,化学工业出版社 ,2006.01 1936年 Mott与 Jones的专著 “金属与合金性质的理论 ”(The Theory of Properties of Metals and Alloys)问世，表明了应用量子力学对理解金属材料物性所取得的突破。 从 20世纪 30 50年代，作为理解金属力学性质关键的位错理论得到科学界的确认。 Cottrell的著作 “理论结构金属学 ”(Theoretical Structural Metallurgy)于 1948年问世，标志了基于当代科学成果的物理金属学或金属物理学已趋于成熟。 材料科学导论 ,冯端、师昌绪、刘治国 主编 ,化学工业出版社 ,2006.01 20世纪 50年代电子显微镜薄膜透射技术的发展， 为金属和其他材料的研究提供了强有力的工具，也收获了丰富的科学成果。 1947年晶体管的发明，又使半导体材料的研究成为科技界注意的焦点。和实用的金属材料的复杂相对照，实用的半导体材料是非同寻常的单纯：超高纯度与超高完整性的单晶。其制备和表征都对材料研究工作者提出了强有力的挑战，也提供了前所未有的发展机遇，它使材料研究向纵深推进。 材料科学导论 ,冯端、师昌绪、刘治国 主编 ,化学工业出版社 ,2006.01 对金属材料行之有效的多种研究方法也成功地向陶瓷材料的领域延拓。铁氧体与铁电体等新型功能材料也丰富了陶瓷学的内涵。 1960Kingery的著作 “ 陶瓷学导论”(Introduction to Ceramics) 的问世也标志了物理陶瓷学的成熟。 材料科学导论 ,冯端、师昌绪、刘治国 主编 ,化学工业出版社 ,2006.01 1957年， 苏联人造地球卫星 发射成功之后，美国政府及科技界为之震惊，并认识到 先进材料 对于 高技术 发展的重要性，于是在一些大学相继成立了十余个材料科学研究中心，从此，材料科学这一名词开始被人们广泛地引用。 20世纪 60年代初，美国许多大学建立了跨学科的材料研究中心，不同类型的材料在同一实验室平行地被研究，促进了不同材料学科的相互借鉴和融汇贯通。美国高校开始出现以 “ 材料科学与工程 ” 系取代原先的冶金系的变更，将专业范围由金属扩大到陶瓷，然后到高分子材料。 1949年创刊的 “ 金属物理学进展 ”(Progress in Metal Physics)于 1961年更名为 “ 材料科学的进展 ”(Progress in Materials Science)，明确地指出，材料科学是在实用和理论上相当重要的领域，而金属物理学仅是其重要的组成部分，而非其全部。这是材料科学名称的首次提出。 从此以后，许多大学的冶金系纷纷更名，有代表性的是MIT的冶金系，它于 1966年更名为冶金与材料科学系，到1975年再度更名为材料科学与工程系。 我国于 20时间 80年代初开始由热加工专业转为材料科学专业。 材料科学导论 ,冯端、师昌绪、刘治国 主编 ,化学工业出版社 ,2006.01 金属、半导体和陶瓷之间的共同点较多：以晶态为主，辅以非晶态的玻璃。而以高分子为主的有机材料的发展途径和研究工具和无机材料有较大差异。 天然高分子材料如棉布和丝绸沿用已久。 19世纪中硫化橡胶获得广泛应用，到 19世纪末，人造丝也通行起来了。 但高分子的科学研究始于 20世纪。通过 H. Staudinger, R. Kuhn和 P. J. Flory等化学家的努力，高分子科学也趋于成熟，可以用 1953年 Flory写的 “聚合物化学原理 ” (Principles of Polymer Chemistry)一书为标志。 材料科学导论 ,冯端、师昌绪、刘治国 主编 ,化学工业出版社 ,2006.01 到 20世纪 70年代液晶物理学受到物理学界的关注，而随后液晶显示器走进了千家万户。也有不少物理学家介入高分子物 理学的研究。 1991年， P G de Gennes以其对液晶物理和高分子物理的贡献获得了诺贝尔奖，在其获奖演说中强调了软物质研究的重要性，得到学术界的热烈响应。 20世纪末软物质科学蓬 勃发展，将液晶、高分子、胶体等研究领域贯通起来，和传统的硬物质科学成鲜明的对照。软硬兼顾，相得益彰，从而将无机材料科学与有机材料科学辩证地融合起来。 材料科学导论 ,冯端、师昌绪、刘治国 主编 ,化学工业出版社 ,2006.01 材料科学基础 课程简介 材料科学基础 是材料科学与工程、金属材料专业本科生的专业基础课。 本课