南京工业大学 材料概论 第一章 绪论

1、李延报李延报Email: http:/jpkc- 1. 绪论绪论2. 2. 材料科学与工程的材料科学与工程的 四个基本要素四个基本要素 3. 3. 无机非金属材料无机非金属材料 4. 4. 高分子材料高分子材料 5. 5. 金属材料金属材料6. 6. 复合材料复合材料 7. 7. 材料、环境资源材料、环境资源 与可持续发展与可持续发展 8. 8. 新材料和前沿材料新材料和前沿材料 9. 9. 国家新材料发展战国家新材料发展战 略略 施惠生施惠生. 材料概论材料概论.上海：同济大学出版社，上海：同济大学出版社，2008 周达飞周达飞.材料概论材料概论 . 北京：化学工业出版社，北京：化学工业出版

2、社，2001 Donald R. Askeland.Essentials of Materials Science and Engineering . 北京：清华大学出版社，北京：清华大学出版社，2005 冯端，师昌绪，刘治国材料科学导论北京：化学工冯端，师昌绪，刘治国材料科学导论北京：化学工业出版社，业出版社，20022002 顾家琳，杨志刚，邓海金，曾照强材料科学与工程概顾家琳，杨志刚，邓海金，曾照强材料科学与工程概论北京：清华大学出版社，论北京：清华大学出版社，20052005 许并社材料科学概论北京：北京工业大学出版社，许并社材料科学概论北京：北京工业大学出版社，20052005 Ca

3、hn, Rorbert W. The Coming of Materials Science. Cahn, Rorbert W. The Coming of Materials Science. Oxford, UK: Pergamon PressOxford, UK: Pergamon Press，20012001与工程的形成与发展与工程的形成与发展1.1.什么是材料什么是材料?材料是由一定配比的若干相互作用材料是由一定配比的若干相互作用的的元素元素组成、具有一定组成、具有一定结构结构层次和确定层次和确定性能性能，并能用于制造物品、器件、构件、，并能用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的

4、机器或其他产品的物质物质。 注意注意: 材料是物质，但不是所有物质都可以称为材料材料是物质，但不是所有物质都可以称为材料. . 大多数的物质需通过一定的工艺过程才能转化大多数的物质需通过一定的工艺过程才能转化为材料为材料. . 材料可由一种物质或若干种物质构成材料可由一种物质或若干种物质构成. . 同一种物质同一种物质, ,由于制备或加工方法不同由于制备或加工方法不同, ,可成为可成为用途不同用途不同不同类型的材料不同类型的材料. .催化剂载体催化剂载体宝石宝石基板材料基板材料切削工具切削工具激光材料激光材料高温炉管高温炉管Al2O3生活中的材料生活中的材料 可口可乐容器可口可乐容器铝铝金属材

5、料金属材料玻璃玻璃无机非金属材料无机非金属材料塑料塑料高分子材料高分子材料材料是人类文明的材料是人类文明的里程碑里程碑，是人类进化的重要，是人类进化的重要标志标志之一，人类历史曾以使用的主要材料来加之一，人类历史曾以使用的主要材料来加以划分。以划分。旧石器时代旧石器时代 新石器时代新石器时代 青铜器时代青铜器时代 铁器时代铁器时代 材料是人类赖以生存和发展的重要材料是人类赖以生存和发展的重要物质基础物质基础；磨制石器磨制石器 70007000年前年前陶器陶器公元前公元前50005000年年 公元前公元前12001200年年人类的文明史人类的文明史材料的发展史材料的发展史人类学习利用材料、制造人

6、类学习利用材料、制造材料、创新材料的历史。材料、创新材料的历史。材料发展近现代史材料发展近现代史 17121712年年 4 4次次技术革命技术革命 蒸汽机蒸汽机 电电 原子能原子能 计算机、生计算机、生 物、空间技术物、空间技术纺织纺织冶金冶金机械机械造船造船电子电子石油石油化工化工电气电气通讯通讯合成材料合成材料半导体材料半导体材料新型无机材料新型无机材料高分子材料高分子材料新型金属材料新型金属材料复合材料复合材料 1818世纪末世纪末 1919世纪末世纪末 2020世纪中期世纪中期 2020世纪世纪7070年代年代 现代高新技术的发展更离不开材料的发展现代高新技术的发展更离不开材料的发展,

7、 , 只只有开发制备出满足性能需要的新材料后有开发制备出满足性能需要的新材料后, , 技术技术创新才可能实现创新才可能实现, , 我们的生活才会更加丰富多我们的生活才会更加丰富多彩彩. .材料是人类材料是人类生存生存、社会、社会发展发展、科技、科技进步进步的物质的物质基础，基础，是现代科技发展的是现代科技发展的先导。先导。l材料是当代文明的三大支柱之一材料是当代文明的三大支柱之一材料、能源、信息材料、能源、信息是当代社会文明和国民经是当代社会文明和国民经济的三大支柱，是人类社会进步和科学技术发展济的三大支柱，是人类社会进步和科学技术发展的物质基础和技术先导。的物质基础和技术先导。l新材料的研究

8、、开发与应用反映一个国家的科新材料的研究、开发与应用反映一个国家的科学技术与工业水平，关系到国家的综合国力与学技术与工业水平，关系到国家的综合国力与安全。安全。l材料是全球新技术革命的四大标志之一材料是全球新技术革命的四大标志之一 新材料技术、新能源技术、信息技术、生物技术。新材料技术、新能源技术、信息技术、生物技术。以以半导体材料半导体材料为核心的计算机制造技术；为核心的计算机制造技术；以以光导光导纤维为纤维为基础基础的光纤通讯技术；的光纤通讯技术；以以超导超导材料为材料为基础基础的磁悬浮技术；的磁悬浮技术；以以耐热轻质耐热轻质材料为材料为结构材料结构材料的航空航天技术等，的航空航天技术等，

9、构成了现代科学技术的基础；构成了现代科学技术的基础；纳米材料科学与技术纳米材料科学与技术是是2020世纪世纪8080年代发展起来的年代发展起来的新兴学科，成为新兴学科，成为2121世纪新技术的世纪新技术的主导中心主导中心。磁悬浮列车磁悬浮列车核磁共振仪核磁共振仪19461946年世界第一台计算机年世界第一台计算机占地面积为占地面积为170170平方米左平方米左右，重量右，重量3030吨。运算速度吨。运算速度50005000次次/ /秒秒; ;经过了经过了电子管、晶体管、电子管、晶体管、集成电路和超大规模集成集成电路和超大规模集成电路电路四个阶段四个阶段。现现: :几百亿次几百亿次/ /秒秒。钛

10、钛合金合金自行车自行车27 NoImage0200400600800100012001400190019201940196019802000年份发动机工作温度（）现代涡轮喷气发动机现代涡轮喷气发动机年代气冷年代气冷式航空发动机式航空发动机蒸汽机蒸汽机1490C3150C6490C10930C19270C发动机温度发动机温度一次大战水冷式一次大战水冷式3030年代空冷式年代空冷式风扇喷气发动机风扇喷气发动机涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机超音速燃烧冲压超音速燃烧冲压式喷气发动机式喷气发动机温度（温度（0 0C C）31 NoImage波音波音777777客机上的发动机的压缩机、叶片及紧固件。客机上的

11、发动机的压缩机、叶片及紧固件。 3030年代教练机年代教练机二次大战战斗机二次大战战斗机8080年代截击机年代截击机航天飞机航天飞机东方快车号东方快车号1093164953849oC93.3oC427oC1093oC1649oC不同类型的飞行器蒙皮温度不同类型的飞行器蒙皮温度温度（温度（0 0C C）小飞机小飞机 直升机直升机 运输机运输机 波音波音707战斗机战斗机喷气式喷气式机机 超音速飞超音速飞机机近地卫星近地卫星卫星卫星飞机速率飞机速率速度与效益速度与效益10102103104每减少每减少1kg1kg所收获效益所收获效益 +175+390+595金属金属玻璃纤维玻璃纤维KavlarC/

12、CC/C复合材料复合材料K m导弹射程导弹射程火箭壳体材料与导弹射程火箭壳体材料与导弹射程责任重大 大有作为2004年度年度 国家技术发明一等奖国家技术发明一等奖张立同院士张立同院士耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料应用技术耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料应用技术黄伯云院士黄伯云院士高性能炭炭航空制动材料的制备技术高性能炭炭航空制动材料的制备技术2006年度年度 国家自然科学一等奖国家自然科学一等奖闵乃本院士闵乃本院士介电体超晶格材料的设计、制备、性能和应用介电体超晶格材料的设计、制备、性能和应用 按按化学组成化学组成分类分类 按材料的按材料的性能性能分类分类 按材料的按材料的应用应用分类分类

13、按材料按材料结晶状态结晶状态分类分类 按材料的按材料的尺寸尺寸分类分类3.3.材料的分类材料的分类 金属材料金属材料 纯金属纯金属( (单质单质) )、合金、合金 黑色、有色、特殊金属材料黑色、有色、特殊金属材料 无机非金属材料无机非金属材料 水泥、陶瓷、玻璃、耐火材料水泥、陶瓷、玻璃、耐火材料 高分子材料高分子材料 塑料、橡胶、纤维、涂料、粘合剂塑料、橡胶、纤维、涂料、粘合剂 复合材料复合材料 金属基、陶瓷基、树脂基、金属基、陶瓷基、树脂基、C/C材料材料1)1)按化学组成分类按化学组成分类金属陶瓷金属陶瓷Co+WC（硬质合金）（硬质合金）金属、合金金属、合金Fe,Al,Cu钢铁钢铁金属高分

14、子金属高分子橡胶橡胶（轮胎）（轮胎）无机非金属无机非金属Al2O3Si3N4，SiC玻璃玻璃有机高分子有机高分子热塑性塑料热塑性塑料弹性体弹性体有机纤维有机纤维陶瓷高分子陶瓷高分子玻璃纤维树脂玻璃纤维树脂碳纤维碳纤维+ +环氧树脂环氧树脂四大类传统材料四大类传统材料 用碳纤维增强环氧树脂制得的高尔夫球杆强用碳纤维增强环氧树脂制得的高尔夫球杆强度高、重量轻、刚性好。度高、重量轻、刚性好。复合材料2) 2) 根据材料的性能分类根据材料的性能分类 结构材料结构材料功能材料功能材料 导电导电材料、材料、半导体半导体材料材料绝缘绝缘材料、材料、超导超导材料材料磁性磁性材料、材料、透光透光材料材料隔热隔热

15、材料、材料、催化催化材料材料压电压电材料、材料、热电热电材料材料铁电铁电材料、材料、非线性光学非线性光学材料材料磁致伸缩磁致伸缩材料、材料、光电光电材料材料形状记忆形状记忆材料、材料、变色变色材料材料按按物理效应物理效应分为：分为：按按物理性质物理性质分为：分为：结构材料结构材料 具有抵抗外场作用而保持自己的形状、具有抵抗外场作用而保持自己的形状、结构不变的结构不变的优良力学性能优良力学性能（强度和韧性等），（强度和韧性等），用于用于结构目的结构目的的材料。的材料。结构材料结构材料杭州湾跨海钢铁大桥，桥长杭州湾跨海钢铁大桥，桥长3636公里公里 青藏铁路青藏铁路 1142公里公里功能材料功能材

16、料具有优良的具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、化学和电学、磁学、光学、热学、声学、化学和生物学功能及其相互转化的功能生物学功能及其相互转化的功能，被用于，被用于非结构目的非结构目的的高技术材料。的高技术材料。结构材料结构材料智能材料智能材料光学材料光学材料磁性材料磁性材料 能源材料能源材料电子材料电子材料生物材料生物材料航空、航天航空、航天材料材料功能材料功能材料按材料的性能分类按材料的性能分类 磁存储磁存储 电饭锅：利用磁性材料的居里点特性。电饭锅：利用磁性材料的居里点特性。压电晶体和光电晶体PZT Fibers57 NoImage 3）按材料的应用分类）按材料的应用分类电子材料电子材

17、料、电工电工材料、材料、信息信息材料、材料、航空航天航空航天材材料、料、能源能源材料、材料、生物医用生物医用材料、材料、建筑建筑材料材料 、光学光学材料、材料、感光感光材料、材料、耐蚀耐蚀材料、材料、研磨研磨材料、材料、耐火耐火材料、材料、结构结构材料、材料、包装包装材料等。材料等。航空、航天材料航空、航天材料能源材料能源材料电子材料电子材料光学材料光学材料生物材料生物材料建筑材料建筑材料4）按材料的结晶状态分类）按材料的结晶状态分类单晶材料：单晶材料：由由一个一个比较比较完整的晶粒完整的晶粒构成的材料，构成的材料， 如金刚石、单晶硅、单晶纤维；如金刚石、单晶硅、单晶纤维；多晶材料：多晶材料：

18、由由许多晶粒许多晶粒组成的材料，其性能与组成的材料，其性能与晶晶 粒大小、晶界的性质有密切关系粒大小、晶界的性质有密切关系, , 如各种陶瓷。如各种陶瓷。非晶态材料：非晶态材料：由原子或分子排列由原子或分子排列远程无序远程无序的固的固体体 材料，如玻璃、高分子材料。材料，如玻璃、高分子材料。单晶金刚单晶金刚石石单晶单晶单晶硅棒单晶硅棒 (直拉法直拉法)多晶多晶非晶非晶液液 晶晶5）按材料的尺寸分类）按材料的尺寸分类 零维材料零维材料 超微超微粒子粒子( (大小大小1100nm1100nm的超微粒的超微粒) ) 一维材料一维材料 光导光导纤维纤维、碳纤维、硼纤维、陶瓷纤、碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维

19、维; ; 晶须晶须强度和刚度最高。强度和刚度最高。 二维材料二维材料 金刚石金刚石薄膜薄膜、高温超导薄膜、半导体、高温超导薄膜、半导体薄膜薄膜 三维材料三维材料 块状块状材料。材料。 铁基纳米晶带材铁基纳米晶带材材料科学与工程的定义材料科学与工程的定义 材料科学与工程：材料科学与工程：是关于材料是关于材料成分、结构、工成分、结构、工艺艺和它们和它们性能性能与应用之间有关知识开发和应用与应用之间有关知识开发和应用的科学。它是一个多学科的交叉领域，是从科的科学。它是一个多学科的交叉领域，是从科学到工程的一个专业连续领域。学到工程的一个专业连续领域。 材料科学：材料科学：专注于理解材料成分、结构和它

20、们专注于理解材料成分、结构和它们性能及使用性能之间的性能及使用性能之间的关系关系。 材料工程材料工程：着重于将物质或原料转变成具有适：着重于将物质或原料转变成具有适当结构、满足使用性能要求的材料当结构、满足使用性能要求的材料材料化材料化过程。过程。4.4.材料科学与工程的形成与发展材料科学与工程的形成与发展材料科学的形成材料科学的形成 社会经济需求 科学技术发展的持续推动 不同材料的诸多共性有必要形成一门材料科学有必要形成一门材料科学材料科学与工程的形成材料科学与工程的形成 材料科学与工程是多学科性的交叉学科。材料科学与工程是多学科性的交叉学科。2020年代年代A A 固体物理固体物理B B

21、材料工程材料工程4040年代年代AB6060年代年代ABMS材料科学材料科学7070年代以后年代以后BMSMSE材料科学与工程材料科学与工程材料学科的交叉和渗透材料学科的交叉和渗透 三大材料的交叉，衍生出许多复合材料。三大材料的交叉，衍生出许多复合材料。 基础学科向各材料学科的交叉和渗透。基础学科向各材料学科的交叉和渗透。 各材料学科之间的相互渗透、移植与借鉴。各材料学科之间的相互渗透、移植与借鉴。 在制造技术上也是互相渗透和借鉴。在制造技术上也是互相渗透和借鉴。 新技术在各类材料中得到广泛应用。新技术在各类材料中得到广泛应用。金属基金属基陶瓷基陶瓷基树脂基树脂基复合材料复合材料粉末冶金粉末冶

22、金 金属陶瓷术金属陶瓷术塑料压延成型塑料压延成型金属金属板材轧制成型板材轧制成型如等离子技术在冶金工业、金属材料如等离子技术在冶金工业、金属材料焊接、表面化学热处理、气相沉积、焊接、表面化学热处理、气相沉积、高分子和无机非金属材料等领域得到高分子和无机非金属材料等领域得到广泛应用。广泛应用。物理、化学、力学、物理化学、晶物理、化学、力学、物理化学、晶体学体学 金属学金属学 无机材料科学基础无机材料科学基础 高分子物理与化学高分子物理与化学Materials Science and Engineering材料科学与工程的形成与发展，反映了学科发展从细分到整合（综合）的基本规律。材料学科的分合图材

23、料学科的分合图地地 质质采采 矿矿矿矿 冶冶化化 工工冶冶 金金陶陶 瓷瓷高分子高分子物物 冶冶化化 冶冶物物 冶冶力力 冶冶物物 理理社会科学社会科学 材料学材料学M MS SE E化化 学学力力 学学矿矿 187918791888188818881888193719371937193719661966198619861989198919751975 美国美国 MIT 矿冶及材料系名称的演变矿冶及材料系名称的演变年年系名称系名称18651865 18791879地质与采矿工程地质与采矿工程18791879 18841884采矿工程采矿工程18841884 18881888采矿工程采矿工程（地

24、质、采矿、冶金）（地质、采矿、冶金）18881888 18901890采矿与冶金采矿与冶金18901890 19271927采矿工程与冶金采矿工程与冶金19271927 19371937采矿与冶金采矿与冶金19371937 19661966冶金冶金19661966 19751975冶金与材料科学冶金与材料科学19751975 现在现在材料科学与工程材料科学与工程 美国大学有关材料专业的变化趋势美国大学有关材料专业的变化趋势系名称系名称196419641970197019851985矿 物 与 采 矿矿 物 与 采 矿9 97 75 5冶金冶金313121211717材料材料1111292951

25、51其它其它181821211717合计合计696978789090金属材料金属材料材料材料硅酸盐硅酸盐材料材料高分子高分子材料科学与工程材料科学与工程金属材料及热处理、粉末冶金金属材料及热处理、粉末冶金高温合金、精密合金高温合金、精密合金金属腐蚀与防护、金属物理金属腐蚀与防护、金属物理水泥、玻璃水泥、玻璃陶瓷、耐火材料陶瓷、耐火材料高分子化学、高分子材料、高分子化学、高分子材料、高分子化工、化学纤维高分子化工、化学纤维 、橡胶制品、塑料成型加工工艺橡胶制品、塑料成型加工工艺工程工程金属材料金属材料材料工程材料工程无机非金属无机非金属材料与工程材料与工程高分子高分子材料科学与工程材料科学与工程

26、材材料料学学 材材料料物物理理与与化化学学 材材料料加加工工工工程程 一级学科一级学科二级学科二级学科结论：结论：不同的材料二级学科曾为社会培养了大量不同的材料二级学科曾为社会培养了大量的专业人才；的专业人才；已不能满足已不能满足21世纪人才培养的需求，必须世纪人才培养的需求，必须进行改革；进行改革；按照按照“四要素四要素”原则重新构建材料科学与原则重新构建材料科学与工程的工程的大材料学科大材料学科。材料科学与工程的四要素材料科学与工程的四要素合成与加工合成与加工性质性质/ /使用性能使用性能结构结构（化学）（化学）（工程）（工程）（物理学）（物理学）组成组成材料科学与工程的内涵材料科学与工程

27、的内涵使用使用性能性能组成、组成、结构结构材材料料科科学学与与工工程程加工加工性能性能四四要要素素陶瓷陶瓷金属金属高分子高分子材料材料复合材料复合材料材料科学与工程材料科学与工程例一、汽车底盘材料例一、汽车底盘材料什么结构特性制约了强度和成型性能?什么性能控制强度?性质性质/使用性能使用性能 成本成本比强大小?成型性能?汽车的防撞性如何?制造成本?铁基?铝基?使用何种合金元素?使用量?合成合成/制备制备如何控制制备过程以获得高韧性、易成型的钢铁材料?如何制造空气动力学性能好的汽车底盘?组成组成结构结构 制备汽车底盘的材料要求制备汽车底盘的材料要求： 具有极高的强度，但易于成型，以制造出满足空气

28、动力学要求的外形轮廓； 考虑到能耗，钢板必须薄而轻； 为增加汽车的安全性，在撞车情况下钢板还必须能够吸收大量的能量。 需考虑：成分、强度、重量、能量吸收性能以及延展性 材料科学家需从显微结构上检验钢材，以确定该材料是否满足上述要求；他们还需采用低成本的制造方式。1)在材料选择和设计过程中还必须考虑：成型过程是否影响钢材的力学性能？采用何种涂层可更好地提高钢的抗腐蚀性能？这种钢材是否易于焊接？等等。例二、三种不同的氧化铝材料例二、三种不同的氧化铝材料单晶单晶多晶、低孔隙率多晶、低孔隙率多晶、高孔隙率多晶、高孔隙率制备加工过程对产品性能的影制备加工过程对产品性能的影响响5.5.环境及其它影响材料的

29、因素环境及其它影响材料的因素 材料设计及选用时需考虑材料设计及选用时需考虑温度、循温度、循环应力、突然撞击、以及腐蚀和氧化环应力、突然撞击、以及腐蚀和氧化等等环境因素的影响。环境因素的影响。金属材料在高温下金属材料在高温下突然失去强度突然失去强度 温度温度: : 温度的猛然变化会改变材料的性能。温度的猛然变化会改变材料的性能。材料强度随温度的变化材料强度随温度的变化Titanic号破裂和沉没号破裂和沉没极低温度下，金属材料和高分子材料亦发生脆化。极低温度下，金属材料和高分子材料亦发生脆化。 “ “挑战者挑战者”号载人航天飞机号载人航天飞机失事失事 疲劳损伤疲劳损伤: : 当材料在使用过程中经历反复的加当材料在使用过程中经历反复的加载和卸载，其内部微裂纹扩展而导致的材料损载和卸载，其内部微裂纹扩展而导致的材料损伤称为疲劳损伤。伤称为疲劳损伤。 腐蚀腐蚀: : 大多数金属和高分子材料大多数金属和高分子材料与氧气和其它与氧气和其它气体均会发生反应气体均会发生反应，尤其是在较高温度下。材，尤其是在较高温度下。材料也会受料也会受腐蚀性液体的侵蚀腐蚀性液体的侵蚀而永久损坏。而永久损坏。 应变速率应变速率: 材料选择和应用中，也应考虑应变材料选择和应用中，也应考虑应变速率。如速率。如silly Puttysilly Putty是一种硅