第一章 材料科学导论绪论

1、第一章第一章 绪论绪论 第一节 材料的发展与人类的文明 第二节 材料的分类 第三节 材料科学与工程 第四节 材料的发展趋势什么是材料什么是材料(materials)?(materials)?Materials is the stuff from which a thing is made for using.材料是人类社会所能接受的、可经济地制造有用物品的物质。材料是人类社会所能接受的、可经济地制造有用物品的物质。天然材料天然材料人工材料人工材料人工材料人工材料第一节第一节 材料的发展与人类文明材料的发展与人类文明一、材料与人类文明及社会现代化一、材料与人类文明及社会现代化 1.材料与物质 2

2、.材料是人类文明的里程碑材料是人类文明的里程碑 人类历史的划分 材料是人类进步的里程碑材料是人类进步的里程碑 材料是社会进步的基础，是人类进步程度的主要材料是社会进步的基础，是人类进步程度的主要标志，所以人类社会的进步是以材料为里程碑。标志，所以人类社会的进步是以材料为里程碑。每当出现一种新材料，社会生产就获得一次大发每当出现一种新材料，社会生产就获得一次大发展，整个人类社会也就随着产生一次新的飞跃。展，整个人类社会也就随着产生一次新的飞跃。因此，历史学家往往把制造工具的原材料作为社因此，历史学家往往把制造工具的原材料作为社会发展的标志。会发展的标志。2.材料是人类文明的里程碑材料是人类文明的

3、里程碑 航空航天的物质基础航空航天的物质基础三高一低的结构材料（高强度、高模量、耐高温、低密度)b(MPa) 0.2(MPa) (%)382 310 6488 478 12360 280 4482 472 9330 250 2440 290 6纵向横向高鍛铝鍛铝20142014（LD10LD10）的力学性能）的力学性能卫星发射，节省1公斤重量将降低费用$20000。一次发射节约费用20%。铝的理论强度为铝的理论强度为4700MPa4700MPa，当今高强铝合金的最高强度没有超过，当今高强铝合金的最高强度没有超过1000MPa1000MPa。铝合金的铝合金的主要应用领域主要应用领域战机舰船导弹火

4、箭人造卫星战车高速列车汽车高层建筑f导弹头罩窗口窗口导弹的眼睛导弹的眼睛 窗口材料窗口材料 （ZnS, ZnSe, AlZnS, ZnSe, Al2 2O O3 3, diamond, , diamond, ）4.材料的发展史，就是科学技术的发展史。材料的发展史，就是科学技术的发展史。 原理成品 发展时间电机18211886 65真空管 18821915 33无线电18871922 35X光18951913 18雷达19351940 5原子堆19391942 3半导体19481951 3激光19581960 2表表1 1 科学原理的发现时间与其产业化时间的对照科学原理的发现时间与其产业化时间的

5、对照中国的四大发明：纸、火药、指南针、活字印刷1.材料的单向循环 三、材料、能源与环境三、材料、能源与环境 2.材料的双向循环3.材料的可持续发展战略与生态环境材料 材料生产的能源消耗 材料产业的能源消耗也可分为直接消耗和间接消耗两类。 铝材主要用电解法生产，用煤发电，再用电来生产铝。由于发电和送电效率的影响，造成铝材生产的能起要比一般材料能耗高很多。 我国1999年水泥产量已达5.76亿t，列世界第。尽管生产1t水泥的能耗只有200多千克标准煤，我国建材业总能耗1991年为1.279亿t标准煤，至1994年达1.900亿t标准煤，增幅达48.6。材料生产的资源消耗材料生产的能源消耗 其中黑色

6、金属冶炼，主要是炼钢炼铁，所消耗的能源占整个工业能耗的1/6强； 其次是非金属矿物制造，如水泥、瓷砖等，占整个工业能耗的17。 这些数据表明，材料产业是我国资源消耗、能源消耗的主要大户。提高材料产业的资源效率、能源效率对整个国民经济的影响都十分巨大。 钢铁生产的环境影响 以钢铁冶金生产为例，1亿吨钢铁的能耗占工业总能耗的17.5，居产业能耗之首；排放的废水占工业总排放量的14.1；废气占工业总排放量的30.0，为仅次于化工的第二污染大户。 有色金属生产的环境影响 有色金属工业是以品位很低的矿产资源为对象进行提取、加工的产业。 年产500万吨的有色金属产品，所造成的以尾矿和废渣为主的工业固体废弃

7、物每年超过6000万吨，尾矿总库容达10亿立方米。另外，有色金属生产过程中排放的二氧化硫、氟化氢、砷等废气，是有毒废气的主要源头之一。 水泥生产的环境影响 以水泥、玻璃、陶瓷、粘土砖为主的传统材料的产量均居世界首位，其中1994年水泥年产量达4.9亿吨，占世界总产量的31。全国水泥工业平均粉尘、烟尘排放量达23.2公斤吨，年排放量达98万吨，是造成城镇严重污染的首要责任者。 第二节第二节 材料的分类材料的分类 按组成分类按组成分类 按状态分类按状态分类 按化学状态分类按化学状态分类 按物理性质分类按物理性质分类 按物理效应分类按物理效应分类 按用途分类按用途分类按化学状态分类按化学状态分类 金

8、属材料 无机非金属材料 有机高分子材料 复合材料按物理性质分类按物理性质分类 高强度材料 耐高温材料 超硬材料 导电材料 绝缘材料 磁性材料 透光材料 半导体材料按状态分类按状态分类 单晶材料 多晶质材料 非晶态材料 准晶态材料按物理效应分类按物理效应分类 压电材料 热电材料 铁电材料 光电材料 电光材料 声光材料 磁光材料 激光材料按用途分类按用途分类 功能材料 结构材料按用途分类按用途分类 建筑材料 结构材料 研磨材料 耐火材料 耐酸材料 电工材料 电子材料 光学材料 感光材料 包装材料按组成分类按组成分类 单组分材料 复合材料 金属材料的分类 按组成成分分类 纯金属 合金 按实用分类 黑

9、色金属材料（铁及铁合金） 有色金属材料（非铁金属） 贵金属、稀有金属金属材料的分类金金属属材材料料黑黑色色金金属属普碳钢普碳钢合金钢合金钢渗碳钢、工具钢、弹簧钢、模具渗碳钢、工具钢、弹簧钢、模具钢、不锈钢、低合金高强钢钢、不锈钢、低合金高强钢有有色色金金属属重有色金属重有色金属铜、镍、锡、铅、锌铜、镍、锡、铅、锌稀有色金属稀有色金属钛、锆钛、锆轻金属轻金属铝、镁铝、镁稀土金属稀土金属贵金属贵金属金、银、铂金、银、铂难熔金属难熔金属钨、钼、钽、铌钨、钼、钽、铌无机非金属材料无无机机非非金金属属材材料料传统材传统材料料陶瓷陶瓷日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶

10、瓷、电瓷瓷、电瓷玻璃玻璃平板玻璃、仪器玻璃、光学玻璃平板玻璃、仪器玻璃、光学玻璃水泥水泥耐火材料耐火材料新型材新型材料料高温材料高温材料新型玻璃新型玻璃玻璃纤维、微晶玻璃玻璃纤维、微晶玻璃特种陶瓷特种陶瓷结构陶瓷、功能陶瓷结构陶瓷、功能陶瓷人工晶体人工晶体半导体材料半导体材料非晶态材料非晶态材料有机高分子材料高高分分子子材材料料塑料塑料聚乙烯、聚四氟乙烯、工程塑料、泡沫塑料聚乙烯、聚四氟乙烯、工程塑料、泡沫塑料橡胶橡胶 通用合成橡胶、特种合成橡胶通用合成橡胶、特种合成橡胶纤维纤维维纶、涤纶、腈纶、氯纶、尼龙、氨纶维纶、涤纶、腈纶、氯纶、尼龙、氨纶其他其他涂料、功能高分子材料涂料、功能高分子材料

11、复合材料复合复合材料材料以基体材料分类以基体材料分类树脂基复合材料树脂基复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料金属基复合材料金属基复合材料以增强体分类以增强体分类纤维增强复合材料纤维增强复合材料晶须增强复合材料晶须增强复合材料颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料金属纤维增强复合材料金属纤维增强复合材料塑钢 塑钢是塑钢是对塑钢型材的简称，主要化学成分是PVC，因此也叫PVC型材。 主要用途：在房屋建筑中主要用于推拉，平开门窗、护栏、管材和吊顶材料的应用。 主要配方：PVC（100份）、CaCO3（1420份）、CPE（612份）、ACR（0.40.8份）、钛白粉（36份）、稳定剂（38份）、色母料（0

12、.81.5份）。稳定剂主要有铅盐稳定剂、有机锡稳定剂、钙锌稳定剂、稀土稳定剂。玻璃钢FRP(Fiberglass Reinforced Plastics )GRP(Glass Reinforced Plastics) GFRP(Glass fibre reinforced plastics)玻璃纤维增强树脂基复合材料 以玻璃纤维或其制品作增强材料的增强塑料，称谓为玻璃纤维增强塑料，或称谓玻璃钢。由于所使用的树脂品种不同，因此有聚酯玻璃钢、环氧玻璃钢、酚醛玻璃钢之称。 特点：质轻而硬，不导电，机械强度高，耐腐蚀。 用途：可以代替钢材制造机器零件和汽车、船舶外壳等。 光纤 光纤是光导纤维的简写，是

13、一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。 前香港中文大学校长高锟和George A. Hockham首先提出光纤可以用于通讯传输的设想，高锟因此获得2009年诺贝尔物理学奖。 防爆玻璃弹簧钢 弹簧钢是指由于在淬火和回火状态下的弹性，而专门用于制造弹簧和弹性元件的钢。 钢的弹性取决于其弹性变形的能力，即在规定的范围之内，弹性变形的能力使其承受一定的载荷，在载荷去除之后不出现永久变形。 据GB/T 13304 标准，弹簧钢按照其化学成分分为非合金弹簧钢(碳素弹簧钢)和合金弹簧钢。尼龙太阳能假牙心脏支架人工晶体人工晶体 压电陶瓷形状记忆合金第三节第三节 材料科学与工程材料科

14、学与工程 一、材料科学的兴起 1.固体物理、无机化学、有机化学、物理学等相关基础学科对物质结构和物性的深入研究，促进了对材料本质的了解； 2.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都已自成体系，目前复合材料也正在形成学科体系。 3.各类材料的研究设备与生产手段有颇多共同之处。 4.许多不同类型的材料可以相互代替和补充，能更充分发挥各种材料的优越性，达到物尽其用的目的。 5.复合材料的影响 二、材料科学与工程 三、材料科学与工程的特点 材料科学与工程具有物理学、化学、冶金学、金属学、陶瓷学、计算数学等多学科交叉与结合的特点，并具有鲜明的工程性。 现在，材料科学与工程被看做是知识的开发和知识的传输体系，这个体系包括从基础科学和基本研究，直到人类的需要和社会的经验这样的知识链。 四、材料成分结构合成与加工性能使用效能 1.材料科学与工程的组成要素 四要素： 五要素：材料科学家将成分、结构、合成与加工、性能及使用效能这五者视为材料科学与工程的五要素，把他们连接在一起，组成一个六面体，而使用效能就是材料性能在工作状态（受力状态、气氛、温度）下的表现。 2.材料加工工艺方法 利用材料的加工工艺可以将未经过成型的坯料加工成型零件所要求的形状。其中金属的加工方法很多：有铸造、焊接、胶接、锻、拉、挤、轧、弯等。 3.性能与使用效能 成品状态的材料具有一整套满足