浅谈材料科学与工程

1、浅谈材料科学与工程浅谈材料科学与工程 认识材料重要性 材料的分类及发展史 何谓材料科学与工程 简介各种材料物质基础物质基础石器时代、铜器时代、铁器时代石器时代、铜器时代、铁器时代 西汉：人口西汉：人口6 6千万，千万， 占当时世界人口的占当时世界人口的40%40% 中国古代的四大发明中国古代的四大发明 当代文明的三大支柱当代文明的三大支柱 全球新技术革命的三大标志全球新技术革命的三大标志重要支柱重要支柱 美国国家科学研究委员会的报告：美国国家科学研究委员会的报告： 美国若在新材料的开发、制造及市场开美国若在新材料的开发、制造及市场开拓方面不做出更大的努力，就极可能在当拓方面不做出更大的努力，就

2、极可能在当今这个时代中失去今这个时代中失去有效参与竞争的能力有效参与竞争的能力。 技术先导技术先导 钢铁材料：现代文明开始的标志1856年平炉炼钢，年平炉炼钢，1864年转炉炼钢年转炉炼钢蒸汽机（蒸汽机（1888年）年）纺织、交通（纺织、交通（20世纪初）世纪初） 半导体材料：当代信息技术的起点1947年锗年锗(zhe)晶体管，晶体管，1958年硅集成电路年硅集成电路第一代电子管计算机（第一代电子管计算机（1945年，年，ENIAC）第二代晶体管计算机（第二代晶体管计算机（1959年）年）第三代集成电路计算机（第三代集成电路计算机（1964年）年）第四代大规模集成电路计算机（第四代大规模集成电

3、路计算机（1970年代初）年代初）元素、物质、材料物质元素物质材料材料是能为人类经济地、用于制造有用物品的物质材料是能为人类经济地、用于制造有用物品的物质材材 料料materials: anything from which something is or may be made世间万物，凡于我有用， 皆谓之“材料”按成分分类金属、无机非金属、有机高分子、复合材料金属、无机非金属、有机高分子、复合材料按功能分类结构材料结构材料功能材料功能材料按应用分类建筑材料、信息材料、建筑材料、信息材料、能源材料、航空材料、能源材料、航空材料、生物医用材料生物医用材料 材料的地位和作用 材料与人类的日常生活

4、息息相关石器时代青铜时代铁器时代新材料时代纳米材料、生物材料、复合材料工程材料历史发展随时间推移的相对重要性示意图（时间是非线性的）金属材料的发展史材料加工工程 第二章工程材料基础理论第二章工程材料基础理论青铜器时代（公元前5000年）铁器时代（公元前1500-1200年）主导地位（到20世纪中叶）金属材料的发展现状钢铁材料业是否已进入“夕阳”工业?尽管新型塑料、陶瓷、复合材料的平均年增长率分别在16%，8%，7% 以上，而新，然而新型金属材料平均年增长率仅为2%-3%， 然而新型金属材料及制品的营业额却超过了其它新型金属材料材料及其制品营业额的总和。新金属材料近几十年来已取得长足进展 高纯材

5、料 金属材料的几个纵深发展方向高强度及超高强度金属材料 超易切削钢和超高易切削钢 硬质合金与金属陶瓷 高温合金与难熔合金 高温合金与难熔合金 有序金属间化合物 超细纳米颗粒金属材料 形状记忆合金 贮氢合金 共晶合金定向凝固材料 快速冷凝金属非晶及微晶材料 无机非金属材料（陶瓷）的发展简述陶瓷 是泛指一切经高温处理而获得的无机非金属材料，用无机非金属化合物粉体，经高温烧结而成的，以多晶聚积体为主的固态物均称为陶瓷。包括：陶瓷、玻璃、搪瓷、水泥和耐火材料等。广义定义狭义定义不含玻璃、搪瓷和金属陶瓷，主要是指先进陶瓷。陶瓷的发展史中国是陶瓷的发源地 陶器瓷器传统陶瓷 先进陶瓷 先进陶瓷的主要研究领域

6、与研究现状 先进陶瓷的研究领域包括：粉体、结构陶瓷、功能陶瓷、生物陶瓷、薄膜及喷涂、陶瓷工艺等。其中结构、功能、生物陶瓷分属不同的应用领域；粉体及陶瓷制备工艺的研究则直接影响高技术陶瓷材料的性能、成本、应用和发展水平。 工程塑料的发展简述初创时期 （1826年20世纪20年代） 一百多年的发展一百多年的发展 (20世纪30年代70年代) 发展期 全面发展的时期 (20世纪70年代至今) 复合材料的发展简述20世纪60年代高强度、高模量、耐高温、低密度 航空、航天等尖端技术 碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、芳纶纤维和氧化铝纤维等 典型复合材料的研究现状： 金属基复合材料 陶瓷基复合材料 先进陶瓷复合

7、材料的制备技术 其它复合材料 其他先进材料介绍智能材料生物材料生态环境材料纳米材料具有感知环境刺激，对之进行分析、处理、判断，并采取一定的措施进行适度响应的智能特征的材料。 即生物医学材料,它是指“以医疗为目的，用于与组织接触以形成功能的无生命的材料”具有良好的使用性能和优良的环境协调性的材料 纳米材料统指合成材料的基本单元大小限制在1100nm范围的材料 材料科学与工程基本要素材料科学着重于材料本质的发现、分析方面的研究。为发展新型材料、充分发挥材料的作用奠定了基础材料工程属于技术的范畴，目的在于采用经济的而又能为社会所接受的生产工艺、加工工艺控制材料的结构、性能和形状以达到使用要求。材料科

8、学与工程是研究有关材料的成分、结构和制造工艺与其性能和使用性能间相互关系的知识及这些知识的应用，是一门应用基础科学。 材料科学与工程的形成：材料科学与工程的形成：上世纪五上世纪五十年代末、六十年代初，原来分属不同学科的十年代末、六十年代初，原来分属不同学科的知识融合的理由在于知识融合的理由在于（1）各类材料的研究可）各类材料的研究可以互相借鉴；（以互相借鉴；（2）有利于相互替代和最佳选）有利于相互替代和最佳选材；（材；（3）有利于开发复合材料。）有利于开发复合材料。使用性能使用性能性质性质组成与结构组成与结构合成合成与制备与制备基础学科基础学科（数、理、化、生、地）（数、理、化、生、地）成分成

9、分- -结构结构- -性能性能（性能的表征与检测）（性能的表征与检测）工艺流程工艺流程（制备科学与工艺）（制备科学与工艺）实际应用实际应用（信息、能源、交通运输、机械制造）（信息、能源、交通运输、机械制造）合成与制备合成与制备获得材料的途径，产业化的关键获得材料的途径，产业化的关键工匠技术单传技术失传莫邪剑：技术失传莫邪剑：技术失传石蜡铸造：地摊上的发现石蜡铸造：地摊上的发现主要材料生产能耗：比欧美高一倍主要材料生产能耗：比欧美高一倍性能性能力学性能力学性能：硬度、强度、韧性、延伸率硬度、强度、韧性、延伸率物理性能物理性能：密度、电学、磁学、热学、光学、声学密度、电学、磁学、热学、光学、声学化

10、学性能、生物学性能、经济学性能化学性能、生物学性能、经济学性能环境学性能、社会学性能环境学性能、社会学性能效用（物尽其用）效用（物尽其用）v 纸中加泥土纸中加泥土v 好钢用在刀刃上好钢用在刀刃上平均材料价格 (元元/ /公斤公斤) )400 0004 00040航天器飞机汽车信息材料信息材料：最活跃的领域最活跃的领域硅材料：信息产业的钢铁：信息产业的钢铁晶体管晶体管(1947) (1947) 集成电路集成电路(1958) (1958) 大规模集成电路大规模集成电路(1967) (1967) 超大规模集成电路超大规模集成电路(1977) (1977) 极大规模集成电路极大规模集成电路(90(90

11、年代年代) )光电子材料：迅速发展：迅速发展敏感材料：人类感官的延伸和加强：人类感官的延伸和加强生物医用材料生物医用材料：永恒的需求永恒的需求例1骨骼替换材料不锈钢不锈钢 钛合金钛合金 生物相容性材料生物相容性材料 生理活性材料生理活性材料例2药物载体材料缓释胶囊缓释胶囊生物导弹生物导弹纳米材料纳米材料：学科前沿学科前沿材材 料料1 cm晶晶 粒粒10 m mm原原 子子(1 )10-10m纳米材料纳米材料：晶粒：晶粒( (颗粒颗粒) )尺寸尺寸 100 nm 100 nm 的材料的材料C60：1212个五边形和个五边形和2020个六边形组成的空心球个六边形组成的空心球性能独特性能独特：K3C60 (最好的导体最好的导体), K6C60 (绝缘体绝缘体)高速自转高速自转（最好的润滑剂最好的润滑剂）空心球空心球（仓库和载体仓库和载体）C60仿生材料仿生材料：巧夺天工巧夺天工复合材料复合材料：天然材料的模仿：天然材料的模仿材料疲劳问题材料疲劳问题智能材料智能