第1章《生活中的材料》

1、2022-6-1现代生活与材料2022-6-1大家好！祝大家新学期学习快乐！2022-6-1管理科学与工程学院杨进138518433512022-6-1 材料是人类赖以生存和发展的物质基础，是所有科技进步的核心，是高新技术发展和社会现代化的先导，是一个国家科学技术和工业水平的反映和标志。新材料的出现和使用往往会给技术进步、新产业的形成，乃至整个经济和社会的发展带来重大影响。不断开发和有效使用材料的能力是衡量社会技术水平和未来技术发展的重要尺度。著名材料学家、两院院士 师昌绪2022-6-1 因此，因此，2020世纪世纪7070年代人们把信息、材料年代人们把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱

2、。和能源誉为当代文明的三大支柱。8080年代以高年代以高技术群为代表的新技术革命，又把新材料、信技术群为代表的新技术革命，又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志，世界各工业先进国家都把材料作为优先发志，世界各工业先进国家都把材料作为优先发展的领域。展的领域。2022-6-1课程设置的目的v现代生活与材料密切相关，对材料科学建立整现代生活与材料密切相关，对材料科学建立整体与全貌的认识，了解现有材料的分类、特性、体与全貌的认识，了解现有材料的分类、特性、应用范围及其与相关学科领域的关系，把握高应用范围及其与相关学科领域的关系，把握高技术、新

3、型、先进材料发展的趋势技术、新型、先进材料发展的趋势 。2022-6-1神七飞船发射成功2022-6-1神七安全返回2022-6-12022-6-1一、一、什么是材料什么是材料 经过人类劳动取得的劳动对象。一般把经过人类劳动取得的劳动对象。一般把来自采掘工业和农业的劳动对象称为来自采掘工业和农业的劳动对象称为“原原料料”，把经过工业加工的原料成为，把经过工业加工的原料成为“材料材料”2022-6-1什么是材料什么是材料( (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、

4、可经济地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。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材料是材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器人类用于制造物品、器件、构件、机器或其它产品的那些或其它产品的那些物质物质。2022-6-1 材料总是和一定的用途相联系，可由一种或若材料总是和一定的用途相联系，可由一种或若干种物质构成。干种物质构成。同一种物质同一种物质，由于制备方法或加工，由于制备方法或加工方法的不同，可成为用途异迥的方法的不同，可成为用途异迥的不同类型和性质的不同类型和性质的材料。材料。 （石墨（石墨/ /金刚石）金刚石）2022-6-1石墨石墨/ /金刚石金刚石

5、v石墨石墨（最软、灰色、不透明、良好导电体、固体润滑剂）（最软、灰色、不透明、良好导电体、固体润滑剂）v金刚石金刚石（最硬、刀具；透明、折射光极强、钻石）（最硬、刀具；透明、折射光极强、钻石）2022-6-1v我们的瑰宝v唐卡2022-6-12022-6-11.1.材料是材料是人类赖以生存与发展、征服及人类赖以生存与发展、征服及改造自然的物质基础改造自然的物质基础,是人类活动不可是人类活动不可缺少的东西。缺少的东西。2. 材料是社会生产力发展的标志，生产材料是社会生产力发展的标志，生产中使用的材料性质反映了人类社会的中使用的材料性质反映了人类社会的文明水平。文明水平。3. 现代一个国家的实力与

6、水平主要取决现代一个国家的实力与水平主要取决于他的能源、材料、信息的发展。于他的能源、材料、信息的发展。2022-6-1材料是国民经济的物质基础。材料是国民经济的物质基础。材料无处不在，无处不有材料无处不在，无处不有广义广义的材料包括人们的思想意识之外的所有的材料包括人们的思想意识之外的所有物质（物质（substance）。）。现代技术的三大支柱现代技术的三大支柱国家现代化程度标志之一国家现代化程度标志之一工农业生产国防科学技术人民生活材料能源信息材料品种 数量 质量2022-6-1材料固有性能制备合成与加工工艺材料使用性能成分/组织结构材料科学与工程四要素2022-6-1w 材料技术既古老又

7、年轻，既普通又深奥。w 说它“古老”，是因为它的历史和人类社会的历史同样悠久；w 说它“年轻”，是因为时至今日，它依然保持着蓬勃发展的生机；w 说它“普通”，是因为它与每一个人的衣食住行息息相关；w 说它“深奥”，是因为它包含着许多让人充满希望又充满困惑的难解之谜。w 可以毫不夸张地说，世界上的万事万物，就其和人类生存与发展关系的密切程度而言，没有任何东西堪与“材料”相比。2022-6-1超导体 2022-6-1 在人类的生活和生产中，材料是必需的物质基础。新材料的使用对人类历史的发展起了重要的作用。20世纪70年代人们曾把材料、信息、能源归纳为现代文明的三大支柱，现在又预言新的技术革命即将来

8、临，并且把信息技术、生物技术和新型材料作为这次革命的重要标志。 二、 材料的重要地位2022-6-1 1、过日子离不开材料 俗话说：“开门七件事，柴、米、油、盐、酱、醋、茶。”这七样东西，样样都是过日子必不可少的物质，它们都是材料。所以人类首先最需要的就是材料。正因为这样，在生产力还处在很低水平的农业社会里，材料便比能源、信息都要早地占据了主导地位。2022-6-1最初的建筑材料石材、木材、粘土、竹材、草2022-6-12022-6-1砖、瓦、玻璃、钢铁、混凝土等人工合成材料2022-6-12022-6-1物质基础2022-6-1台北101金融大楼508m2022-6-1大坝2022-6-1迪

9、拜帆船酒店2022-6-12022-6-12022-6-1 在人类的生活和生产中，材料是必需的物质基础。人们的衣食住行，无一不与材料密切相关。材料的发展水平直接影响人们的生活。2022-6-1 7月月8日，发生在美国的一起指控，日，发生在美国的一起指控，引起了北京乃至全国的关注。据央视报引起了北京乃至全国的关注。据央视报道，美国环境保护局道，美国环境保护局7月月8日表示，由于日表示，由于杜邦公司杜邦公司20多年来均未通报其制造特氟多年来均未通报其制造特氟隆的一种关键原料可能会给人类健康带隆的一种关键原料可能会给人类健康带来潜在危害，准备对杜邦公司处以来潜在危害，准备对杜邦公司处以3亿美亿美元的

10、重罚。元的重罚。 择自新京报等 20041. 杜邦不沾锅事件杜邦不沾锅事件2022-6-1美环保署未处罚 杜邦中国公司称产品无任何危害 国家质检总局组织专家对“特富龙”危害进行论证不粘锅特富龙涂层疑含毒 北京商家顾客尚不知情杜邦不粘锅涂层疑含致癌物 中国杜邦今将作答复 网上新闻标题：网上新闻标题：2022-6-1 所谓特氟隆，是美国杜邦公司对其研发的所有含氟碳氢树脂的总称，包括聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯及各种共聚物。由于其独特优异的耐热、耐低温、自润滑性及化学稳定性能等，而被称为“拒腐蚀、永不粘的特氟隆”。它带给人们的便利，最常见的就是不粘锅，其他如衣物、家居、医疗甚至宇航产品中也有广泛应用。特

11、氟隆（特氟隆（Teflon）2022-6-1 因为全氟辛酸铵有8个碳原子组成，所以在杜邦内部被称作C-8，美国环保署的指控正是围绕这8个碳原子展开。而并不是国内普遍报道的针对特富龙或者不粘锅。 实际上全氟辛酸铵引起美国环保署的关注，还要追述到2003年夏天，当时一名曾在杜邦西弗吉尼亚工厂就职过的女工在1981年生下一个畸形儿，她认为是因为自己接触过全氟辛酸铵所造成的后果。而一个名为“公众利益看门狗”的民间组织则把全氟辛酸铵的怀疑直接附加在了不粘厨具上。 尽管美国食品药物管理局和美国消费者产品安全委员都拒绝对特富龙进行调查，但是美国国家环保署还是盯上了全氟辛酸铵全氟辛酸铵全氟辛酸铵2022-6-

12、1 俄罗斯政府呼吁民众不要购买中国生产的塑料玩具，原因在于塑料中加入了一种有致癌作用的增塑剂邻苯二甲酸酯类。 这类物质也常在一些其它的塑料制品，如聚苯乙烯、聚氯乙烯中存在。2、玩具风波、玩具风波2022-6-13、家庭装修、家庭装修2022-6-12022-6-14、风险防范、风险防范2022-6-12022-6-12022-6-12022-6-12022-6-12022-6-12022-6-12022-6-12022-6-1材料的重要地位2、技术离不开材料 使用任何一种技术更离不开材料。人最原始最简单的技术到最尖端、最复杂的技术，莫不如此。在人类社会发憎爱分明的早期，往往用那一时代主要生产工

13、具使用的 材料来代表那一时代、新石器时代、青铜器时代、铁器时代等等。2022-6-1材料是人类社会进化的里程碑w 为什么认为材料是人类社会进化的里程碑? 因为对材料的认识和利用能力，决定着社会的形态和人类生活的质量，所以，历史学家往往用制造工具的原材料作为历史分期的标志w 人类文明史，从某种意义上说，也可以称之为世界材料发展史。w 我们只要考察一下从石器时代、青铜器时代、铁器时代，直到目前的信息时代的历史发展轨迹，就可以明显地看出材料在社会进步中的巨大作用2022-6-1现代科技与现代文明现代科技与现代文明能能源源材材料料信信息息2022-6-1贝克兰发明电木的故事2022-6-1w 公元前1

14、0万年左右，原始人采用天然的石、木、竹等材料作为工具。史称“旧石器时代”。w 公元前6000年，人类发明了火，逐渐可以烧制陶器，后来又在制陶的基础上又发明了瓷器。w 人类在大量烧制陶瓷的实践中，熟练地掌握了高温加工技术，利用这种技术烧炼矿石，逐渐冶炼出铜及其合金青铜，后来发展到炼铁。2022-6-1 材料是一切事物的物质基材料是一切事物的物质基础础人类历史阶段是根据使用材料划分的从过去到现在共经历了七个时代 w 1 石器时代 公元前10万年w 2 青铜时代 公元前3000年w 3 铁器时代 公元前1000年w 4 水泥时代 公元0年w 5 钢时代 1800年w 6 硅时代 1950年w 7 新

15、材料时代 1990年2022-6-1100万年前1万年前5千年前3千年前20世纪中叶材料材料人类社会进步的里程碑人类社会进步的里程碑2022-6-1石器时代石器时代用于碾磨谷物的石盘用于碾磨谷物的石盘原始人打制的石器原始人打制的石器2022-6-1陶器时代世界上第一種人造材料-製出的陶器，盛裝液體的容器和煮食物的陶罐-吃不完的東西有了儲存的地方-便於人們定居-進一步發展農牧業-劃時代之偉大發明2022-6-1秦兵马俑秦兵马俑2022-6-1瓷器-純淨的黏土（又叫瓷土、高嶺土）和石英、長石等原料配成泥漿，作成毛坯-燒好粗坯，再上釉-在一千三百度左右高溫下，經過複雜的化學變化，同釉密切的結合而成-

16、質地細緻，半透明，不吸水从陶器到瓷器从陶器到瓷器2022-6-1锋披天下的秦国青铜兵器锋披天下的秦国青铜兵器2022-6-1越王勾践剑的主要的成份是青铜和锡，还含有少量的铅、铁、镍和硫等，剑身的黑色菱形花纹是经过硫化处理的，剑刃精磨技艺水平可同现在精密磨床生产的产品相媲美，充分显示了当时越国铸剑工匠的高超的技艺。 举世闻名的越王勾践青铜剑，1965年12月出土于湖北省江陵望山的一号楚国贵族墓（距春秋时代楚国别都纪南城故址七公里）。考古工作者在墓主人身体的左手边，发现一柄装在黑色漆木箱鞘内的名贵青铜剑。青铜剑与剑鞘吻合得十分紧密。拔剑出鞘寒光耀目，而且毫无锈蚀，刃薄锋利。试之以纸，20余层一划而

17、破。剑全长为55.6厘米，其中剑身长45.6厘米，剑格宽5厘米。剑身满饰黑色菱形几何暗花纹，剑格正面和反面还分别用蓝色琉璃和绿松石镶嵌成美丽的纹饰，剑柄以丝绳缠缚，剑首向外形翻作圆箍，内铸有极其精细的11道同心圆圈 2022-6-1曾侯乙编钟（战国），钟架长7.48米，宽3.35米，高2.73米，1978年湖北省随县擂鼓墩出土，现藏湖北省博物馆 曾侯乙编钟是我国目前出土数量最多、重量最重、音律最全、气势最宏伟的一套编钟，堪称“编钟之王”。凡有机会耳闻目睹过的人，无不为此千古绝响惊叹叫绝，赞誉它不愧是中华民族文化艺术之瑰宝，世界音乐史之奇迹。 在曾侯乙编钟上，刻有关于记事、标音、律名关系的错金铭

18、文2828字，加上钟架笋梁（横梁）、编悬配件上的铭文、磬铭文、磬盒铭文总字数3775字，其内容是先秦乐律的重要资料，被专家学者称之为“一部珍贵的音乐理论论著”，“一部不朽的古代乐律学典籍”。 64件编钟（楚惠王送给曾侯乙的 钟除外），每件都能发出两个乐音，全套编钟音质纯正、音色优美、音域宽广，能旋宫转调，演奏各种 采用和声、复调以及转调手法的中个乐曲。实践证明：早在春秋战国时期（而不是此前有些专家认为是秦汉时代，更不是来自古希腊传入的泊来品），我国音乐就已发展到了相当成熟的阶段，在7声音阶、5个8度音、12个半音以及旋宫转调的表现手法上，就已形成理论与实践。2022-6-1四川三星堆青铜器四川

19、三星堆青铜器2022-6-1铁器时代铁器时代战国铁犁头战国铁犁头战国铁锄战国铁锄2022-6-1氮化硅结构陶瓷被用作航天飞机的防热瓦氮化硅结构陶瓷被用作航天飞机的防热瓦多元材料时代多元材料时代2022-6-1硼纤维金属基复合材料制成的火箭履轴的管道输送部件硼纤维金属基复合材料制成的火箭履轴的管道输送部件2022-6-1美国美国B-2B-2隐形轰炸机表面为具有良好吸波性能的隐形轰炸机表面为具有良好吸波性能的碳纤维复合材料碳纤维复合材料2022-6-1由光导纤维构成的光缆由光导纤维构成的光缆2022-6-1先进橡胶轮胎使汽车成为先进橡胶轮胎使汽车成为交通主宰交通主宰一级方程式赛车上使用的一级方程式

20、赛车上使用的特殊轮胎特殊轮胎2022-6-1人工肾脏人工肾脏生物陶瓷人造关节生物陶瓷人造关节2022-6-1w石器时代（Stone Age）石斧 石斧、凿、刀、铲、箭头、纺轮、钵等（西安半坡遗址）2022-6-1w青铜器时代（Bronze Age） 铜爵（夏代） （河南省偃师县二里头出土） 目前中国发现的最早期的青铜酒器之一 2022-6-1 司母戊鼎（商代） （河南省安阳殷墟出土 ） 司母戊鼎是迄今出土的所有鼎中最大最重的，因其腹 内 壁 上 有 铭 文“司母戊”三字而得名，是商王祭祀其母（名戊）的纪念器物。 2022-6-1神奇的石头 燧石，这种容易制成工具的石头，开始了制陶业的发展。 2

21、022-6-1天然金和铜天然金与铜被用作工具与武器，开始了人类金属的使用 2022-6-1熔炼和锤击改变了铜的性能-材料开始发展 2022-6-1金属铸造工艺金属铸造工艺-人们得到了他们需人们得到了他们需要的形状要的形状最早的模铸件-一个铜制杖头2022-6-1从矿石中提炼铜-冶金业的黎明 这张埃及古墓壁画是人类冶金业的最早纪录之一2022-6-1青铜的使用-制造合金 青铜：第一种合金2022-6-1w 18世纪随着蒸气机的发明，欧洲爆发了产业革命，工业迅猛发展，推动和促进了以钢铁为中心的金属材料的大规模发展w 第二次世界大战后各国致力于恢复经济，发展工农业生产，对材料提出了质量轻、强度高、价

22、格低等一系列新的要求。具有优异性能的工程塑料部分代替了金属材料，合成纤维、合成橡胶、涂料和胶粘剂等都得到了相应的发展。2022-6-12022-6-12022-6-12022-6-1材料的重要地位3、 崭新技术的实现需要崭新材料的支持 例如，人们早就知道了喷气航空发动机比螺旋桨航空发动机有很多优点，但由于没有材料能承受喷射出燃气的高温，使这种理想只能是空中楼阁。直到1942年制成了镍基耐热合金这种新材料、才使喷气发动机的制造得以实现。 同样，如果没有1970年制成的使光强度衰减降低到可以实用的光导纤维，也不会有现代的光通信。2022-6-1先进材料是高新技术发展和社会现代化的基先进材料是高新技

23、术发展和社会现代化的基础和先导础和先导材料既是人类社会进步的里程碑，也是社会现代化的物质基础和先导。特别是先进材料的研究、开发与应用反映着一个国家科学技术与工业水平以及国防实力。例如：1、2022-6-1 电子技术的发展电子技术的发展19061906年发明了年发明了电子管电子管无线电技术、电视机、无线电技术、电视机、电子计算机；电子计算机；19481948年发明了年发明了晶体管晶体管电子设备小型、轻量、电子设备小型、轻量、节能、长寿、可靠、低成本；节能、长寿、可靠、低成本；19581958年年集成电路集成电路计算机及各种电子设备发计算机及各种电子设备发生再一次飞跃。生再一次飞跃。 7676年的

24、微机与年的微机与4646年的电子管计算机比，体积小年的电子管计算机比，体积小3030万万倍，功耗低倍，功耗低5 5万倍，重量降万倍，重量降6 6万倍。万倍。2022-6-12022-6-12022-6-12022-6-12022-6-12022-6-12022-6-12022-6-1光纤通信的诞生光纤通信的诞生 19661966年提出光纤传输损耗年提出光纤传输损耗20dB/km10km10km，同轴电缆，同轴电缆1.5km1.5km；保；保密性强密性强。2022-6-1光导纤维：简称简称“光纤光纤”，是一种能利用光的全反射作用来，是一种能利用光的全反射作用来传导光线的透明度极高的玻璃纤维。传导

25、光线的透明度极高的玻璃纤维。2022-6-1光光 纤纤 光光 缆缆 普普 通通 电电 缆缆 信息量大信息量大, ,每根光纤理论上可同每根光纤理论上可同时通过时通过1010亿路电话亿路电话 8 8管同轴电缆每管同轴电缆每条通话条通话18001800路路 原料来源广原料来源广( (石英玻璃石英玻璃),),节约有节约有色金属色金属 资源较少资源较少 质量小质量小, ,每公里每公里27 g,27 g,不怕腐蚀不怕腐蚀, ,铺设方便铺设方便 每公里每公里1.6 t 1.6 t 成本低成本低, ,每公里每公里1 1万元左右万元左右 每公里每公里2020万元万元 性能好性能好, ,抗电磁干扰保密性强抗电磁干

26、扰保密性强, ,能能防窃听防窃听, ,不发生电辐射不发生电辐射 2022-6-1神七、登月计划等都离不开材料的支撑！神七、登月计划等都离不开材料的支撑！飞机性能飞机性能2/32/3靠材料（高温合金、高比强度、靠材料（高温合金、高比强度、高比刚度结构材料）；高比刚度结构材料）；航天与卫星需要耐超高温、抗辐射、耐粒子航天与卫星需要耐超高温、抗辐射、耐粒子云以及原子氧侵蚀的材料，对比强度和比刚云以及原子氧侵蚀的材料，对比强度和比刚度的要求更为苛刻，因为航天飞行器每减重度的要求更为苛刻，因为航天飞行器每减重1kg1kg，可使运载火箭减轻几百，可使运载火箭减轻几百kgkg；导弹上面级；导弹上面级减轻减轻

27、1kg1kg，射程增加，射程增加1km1km。航空航天技术的进步航空航天技术的进步2022-6-1以铝锂合金为例 俄罗斯： 70年代，1420合金用于米格-29机身、油箱、座舱等，并将铆接结构改为焊接结构，减重24%。 80年代，1460合金取代2219，用于制造运载火箭能源号低温储箱。 此外，俄罗斯还将铝锂合金用于暴风雪号航天飞机，米格-33、苏-27、雅克-36、安-70T，图-144、图-1204等军民飞机, 如苏-27Ck,铝锂合金用量占3%。2022-6-1 美国： 50年代，将最早的工业铝锂合金2020用于海军RA-5C预警飞机，使飞机总重量减轻6%。 80年代，将2090用于C-

28、47军用运输机的隔框、地板、蒙皮、垂直尾翼，总量2846公斤。 90年代末，将第三代铝锂合金2197/2097用于F-16后隔框、BL19 大梁，已装机850架。2022-6-12022-6-1击剑运动剑身所用的材料是碳钢，其结构极易产生微裂纹导致剑身折断而造成运动员的误伤，现在剑身采用的铁镍和钛的合金材料，并经长时间的时效与弯曲处理，内部微裂只有碳钢的1/20，极不容易折断，运动员能无所畏惧地完成各种动作。 运运动动场场上上的的材材料料技技术术2022-6-1 可以说，没有半导体和其它功能材可以说，没有半导体和其它功能材料的发现和发展，就不会有今天的计料的发现和发展，就不会有今天的计算机技术

29、和今天的信息社会；没有高算机技术和今天的信息社会；没有高强度、耐高温的轻质结构材料，就不强度、耐高温的轻质结构材料，就不会有今天的航空、航天技术。运动场会有今天的航空、航天技术。运动场上的竞争也是材料技术的竞争！上的竞争也是材料技术的竞争！2022-6-1美国美国“深度撞击深度撞击”彗星彗星2022-6-1高温合金的发展，掺镍合金促进了喷气发动机的发展2022-6-1制作越来越小的硅芯片2022-6-1高温超导体，高温超导的革命时代 2022-6-1 现代社会使用的材料种类繁多，无法简单地用某一种甚至某一类材料来象征社会的发展水平、技术水平，但材料是一切东西的物质基础仍然没有改变，而且今后也永

30、远不会改变。正是因为有千姿百态、数不清的 材料，世界才会如此丰富多彩。2022-6-1我国材料的历史进程(Historical perspective)漫长而又曲折的历程：漫长而又曲折的历程：简单复杂单一性能综合性能结构材料功能材料单一材料复合材料2022-6-1 材料科研与开发是科技发展计划的重材料科研与开发是科技发展计划的重点领域点领域 国家重大科技计划中材料都作为国家重大科技计划中材料都作为单列的资助领域，投入的经费比例高，单列的资助领域，投入的经费比例高，成果显著。成果显著。2022-6-1三、材料科学的发展三、材料科学的发展w 当前，一场全方位、多层次的新技术革命，正在全世当前，一场

31、全方位、多层次的新技术革命，正在全世界范围内蓬勃兴起，其中界范围内蓬勃兴起，其中新型材料新型材料作为新技术革命的作为新技术革命的支柱也在飞速发展，支柱也在飞速发展，所谓新型材料或者新材料，是指所谓新型材料或者新材料，是指那些新近发展或正在发展中的，具有优异性能和特殊那些新近发展或正在发展中的，具有优异性能和特殊功能，对加速科学技术进步，促进国民经济发展，增功能，对加速科学技术进步，促进国民经济发展，增强国防实力具有重大推动作用的材料。强国防实力具有重大推动作用的材料。w 新型材料新型材料是相对于是相对于传统材料传统材料而言的，二者之间并没有而言的，二者之间并没有截然的分界，新型材料的发展往往以

32、传统材料为基础，截然的分界，新型材料的发展往往以传统材料为基础，传统材料的进一步发展也可以成为新型材料。然而，传统材料的进一步发展也可以成为新型材料。然而，由于新型材料是以科学技术的最新成就为基础，性能由于新型材料是以科学技术的最新成就为基础，性能超群，应用广泛，因此对发展经济、科技、国防都具超群，应用广泛，因此对发展经济、科技、国防都具有特殊重要的作用。有特殊重要的作用。w 2022-6-1新材料时代特征新材料时代特征： 不象以前的各个材料时代，它是不象以前的各个材料时代，它是一个由多种材料决定社会和经济发展一个由多种材料决定社会和经济发展的时代；新材料以人造为特征；新材的时代；新材料以人造

33、为特征；新材料科学根据我们对材料的物理和化学料科学根据我们对材料的物理和化学性能的了解，为了特定的需要设计和性能的了解，为了特定的需要设计和加工而成的加工而成的2022-6-1新材料与制造技术w 材料与制造技术是人类社会文明大厦的基石，是人类社会进化的里程碑。w 在新的世纪将发展功能化、复合化、智能化、环境友好、可再生材料，纳米材料与加工技术，表面技术、微细工艺、微机电系统、智能、柔性、虚拟制造体系等，使人类走向富裕。2022-6-1四、材料技术的发展趋势四、材料技术的发展趋势 当前，材料技术的发展趋势有以下几当前，材料技术的发展趋势有以下几种：种：1 1，从均质材料向复合材料发展，从均质材料

34、向复合材料发展 以前人们只使用金属材料、高分子材以前人们只使用金属材料、高分子材料等均质材料，现料等均质材料，现 在开始越来越多地使在开始越来越多地使用诸如把金属材料和高分子材料结合在用诸如把金属材料和高分子材料结合在一起的复合材料一起的复合材料 2022-6-12 2、由结构材料为主向功能材料、由结构材料为主向功能材料、多功能材料并重的方向发展多功能材料并重的方向发展 以前讲材料，实际上都 是指结构材料。但是随着高技术的发展，其他高技术要求材料技术为它们提供更多更好的功 能材料，而材料技术也越来越有能力满足这一要求。所以现在各种功能材料越来越多，终 会有一天功能材料将同结构材料在材料领域平分

35、秋色2022-6-13 3、材料结构的尺度向越来越小、材料结构的尺度向越来越小的方向发展的方向发展w 如以前组成材料的颗粒，尺寸都在微米(100 万分之一米)方向发展的材料。由于颗粒极度细化，使有些性能发生了截然不同的变化。如以前给人以极脆印象的陶瓷，居然可以用来制造发动机零件。w 2022-6-14 4、由被动性材料向具有主动性的、由被动性材料向具有主动性的智能材料方向发展智能材料方向发展 过去的材料不会对外界环境的作用过去的材料不会对外界环境的作用 作出反应，完全是被动的。新的智能材作出反应，完全是被动的。新的智能材料能够感知外界条件变化、进行判断并料能够感知外界条件变化、进行判断并主动作

36、出反应主动作出反应2022-6-15 5、通过仿生途径来发展新材料、通过仿生途径来发展新材料 生物通过千百万年的进化，在严峻的自然界环境中经过 优胜劣汰，适者生存而发展到今天，自有其独特之处。通过“师法自然”并揭开其奥秘，会给我们以无穷的启发，为开发新材料又提供了一条广阔的途径2022-6-1取代传统轮胎，一家制造公司开发出一种经久耐用的新型轮胎，可以和钢或铝制轮胎一决高下。这种轮胎的优点可不仅仅是时髦漂亮，聚酯材料提供了优良的抗腐耐磨性能，可以有效的抑制化学物对轮胎的侵蚀 轮胎 2022-6-1五、材料的分类五、材料的分类 现在的材料种类繁多，分类没有统没有统一标准一标准2022-6-1 从

37、从物理化学属性物理化学属性来分来分 金属材料金属材料 无机非金属材料无机非金属材料 有机高分子材料有机高分子材料 复合材料复合材料 从从用途用途来分来分 电子材料、航空航天材料电子材料、航空航天材料 核材料、建筑材料核材料、建筑材料 能源材料、生物材料等能源材料、生物材料等2022-6-1更常见的两种分类：更常见的两种分类： 结构材料结构材料 传统材料传统材料 功能材料功能材料 新型材料新型材料 2022-6-1 结构材料与功能材料无明显界限。结构材料与功能材料无明显界限。 功能材料需有一定的力学性能。功能材料需有一定的力学性能。（电线）（电线） 结构材料对物理或化学性能也有一定要求。结构材料

38、对物理或化学性能也有一定要求。（钢筋：抗辐照、抗腐蚀、抗氧化）（钢筋：抗辐照、抗腐蚀、抗氧化）2022-6-1 传统材料传统材料：已经成熟且在工业中已批量生产并：已经成熟且在工业中已批量生产并大量应用的材料，如钢铁、水泥、塑料等。这类材大量应用的材料，如钢铁、水泥、塑料等。这类材料由于用量大、产值高、涉及面广泛，又是很多支料由于用量大、产值高、涉及面广泛，又是很多支柱产业的基础，所以又称为柱产业的基础，所以又称为基础材料基础材料。（国民经济）（国民经济） 新型材料新型材料( (先进材料先进材料) )：正在发展、具有优异性：正在发展、具有优异性能和应用前景的一类材料。能和应用前景的一类材料。 2

39、022-6-1 新型材料与传统材料之间没有明显的界限。新型材料与传统材料之间没有明显的界限。传传统材料通过采用新技术，提高技术含量，提高性能，统材料通过采用新技术，提高技术含量，提高性能，大幅度增加附加值而成为新型材料；新材料在经过大幅度增加附加值而成为新型材料；新材料在经过长期生产与应用之后也就成为传统材料。传统材料长期生产与应用之后也就成为传统材料。传统材料是发展新材料和高技术的基础，而新型材料又往往是发展新材料和高技术的基础，而新型材料又往往能推动传统材料的进一步发展。能推动传统材料的进一步发展。（超级钢、块体纳米）（超级钢、块体纳米） 2022-6-1材料的分类材料的分类工程材料工程材

40、料：主要利用其力学性能制作结构件。：主要利用其力学性能制作结构件。建筑材料建筑材料 结构材料结构材料 工具材料工具材料按材料用途（性能）按材料用途（性能）功能材料功能材料：主要利用其物理、化学性能或：主要利用其物理、化学性能或效应制作具有特定功效的器件。效应制作具有特定功效的器件。半导体材料半导体材料 磁性材料磁性材料 激光材料激光材料热电材料热电材料 光电材料光电材料 声电材料声电材料 等等等等2022-6-1结构材料 用于制造各种结构，通俗地说就是要受力，因此对它的要求主要是机械性能，如强度、延伸率(达到极限强度断裂时伸长了多少，延伸率小的材料便容易脆断)、硬度、韧性( 受冲击力时容不容易

41、断裂)、刚性(容不容易保持形状不变)等等。有时不要求其能经受住严峻的环境条件，如要求耐热性、抗腐蚀性等等2022-6-1功能材料 主要用于完成某种特殊功能，如液 晶材料用于显示，但有时也要求有一定机械强度，如光导纤维主要用于传输光线，同时也要求有一定机械强度，否则连自己的 重量都承受不了，也就无法构成长的通信线路2022-6-11.1. 金属材料金属材料：纯金属及其合金。：纯金属及其合金。合金是由两种或合金是由两种或两种以上元素组成，其中至少有一种为金属元素组两种以上元素组成，其中至少有一种为金属元素组成具有成具有金属性金属性的材料。金属性的关键特征是具有正的材料。金属性的关键特征是具有正的电

42、阻温度系数，这是由于它的导电是自由电子的的电阻温度系数，这是由于它的导电是自由电子的运动所决定的。运动所决定的。钢铁材料钢铁材料( (黑色金属黑色金属) )按材料成分：按材料成分：钢钢铸铁铸铁非铁金属材料非铁金属材料( (有色金属有色金属) )轻金属轻金属 Al Mg Ca Na Al Mg Ca Na 重金属重金属 Cu Ni Pb SnCu Ni Pb Sn Zn Zn 贵金属贵金属 Ag Au Pb Rb IrAg Au Pb Rb Ir稀有金属稀有金属 Zr Ti NbZr Ti Nb 稀土金属稀土金属 Re(Y NdRe(Y Nd ) )放射性金属放射性金属 Ra U ThRa U

43、Th 2022-6-12.2. 高分子材料高分子材料：有机聚合物。：有机聚合物。热塑性塑料：尼龙热塑性塑料：尼龙 聚乙烯聚乙烯 聚氯乙稀聚氯乙稀 聚丙烯聚丙烯 按材料成分：按材料成分：瓷：以氧化铝为主瓷：以氧化铝为主陶：陶： 硅酸盐为主硅酸盐为主广义广义陶瓷陶瓷( (特种陶瓷特种陶瓷) )：金属与氧、碳、氮、硅等化合物：金属与氧、碳、氮、硅等化合物 热固性塑料：树脂热固性塑料：树脂 聚氨酯聚氨酯 弹性材料：天然橡胶弹性材料：天然橡胶 合成橡胶合成橡胶3.3. 陶瓷材料陶瓷材料：一种或多种金属氧化物或其他化：一种或多种金属氧化物或其他化合物。合物。4.4. 复合材料复合材料：两种或两种以上性质不

44、同的材：两种或两种以上性质不同的材料组合起来的一种固体材料。料组合起来的一种固体材料。2022-6-1材料基本用途 金属材料绝大部分都是结构材料，但近来也出现一些功能材料，如形状记忆合金、储氢合金、金属超导材料等。陶瓷材料有的作为结构材料，有的作为功能材料。液晶材料目前还只能 作为功能材料2022-6-1六、材料性能与内部结构的关系三种基本类型材料中：w 金属有好的导电性，有高的塑性和韧性；w 陶瓷材料则有高的硬度但很脆，且大多是电的绝缘材料；w 而高分子材料的弹性模量，强度，塑性都很低，多数也是不导电的。w 这些材料的不同都是由其内部结构决定的。即：原子结构，结合键，原子的排列方式（晶体和非

45、晶体）以及显微组织。2022-6-1七、七、 材料的性能材料的性能 材料的性能是指材料的性质和功能。性质材料的性能是指材料的性质和功能。性质是本身所具有的特质或本性；功能是人们对材是本身所具有的特质或本性；功能是人们对材料的某种期待与要求种可以承担功效，以及承料的某种期待与要求种可以承担功效，以及承担该功效下的表现或能力。担该功效下的表现或能力。1.1. 力学性能力学性能2. 物理性能物理性能3. 化学性能化学性能4. 工艺性能工艺性能材料的性能：材料的性能：2022-6-1力学性能力学性能 材料的力学性能是指材料处于特定环境因材料的力学性能是指材料处于特定环境因素素(温度、介质等温度、介质等

46、)时，在外力或能量以及作用时，在外力或能量以及作用下表现出来的变形和破坏的特征。下表现出来的变形和破坏的特征。材料的性能材料的性能 通常把作用在材料上的外力或能量称为通常把作用在材料上的外力或能量称为载荷或负荷。材料的主要力学性能有载荷或负荷。材料的主要力学性能有： 弹性弹性 强度强度 塑性塑性 硬度硬度 冲击韧性冲击韧性 疲劳特性疲劳特性 耐磨性耐磨性2022-6-1物理性能物理性能 材料的物理性能是指材料本身的具有各种材料的物理性能是指材料本身的具有各种物理量物理量(热、电、光、磁等热、电、光、磁等)以及环境变化时他以及环境变化时他们的变化程度们的变化程度材料的性能材料的性能密度与比容密度

47、与比容导热性导热性 热膨胀系数热膨胀系数单位体积物质的质量 Kg/M3单位质量的物质所占的体积 M3/Kg物体内温度梯度为1/M时，在单位时间、单位面积内传递的热量 W/(M.K) 温度上升1时，单位长度的伸长量 mm/(.mm)或-1 2022-6-1物理性能物理性能材料的性能材料的性能电阻与电导电阻与电导电阻温电阻温度系数度系数熔点熔点 导磁率导磁率物质由固态转变为液态的温度，反映固态下原子间结合力。电阻率为单位长度和单位截面积导体的电阻。单位是M，其倒数称为电导率 S/M西门子/米温度上升1时，电阻率 的变化系数，单位-1 电子导电的特点是温度升高，电阻率上升；离子导电是热激活过程，温度

48、升高，电阻率下降。 超导现象是材料在很低温度下，电阻突然从某个值降为零的特征。每种材料有自己的转变温度，某些化合物的转变温度达到100K以上。从铁合金、化合物(铁氧体)特有性能。2022-6-1化学性能化学性能 反映材料与各种化学试剂发生化学反应的可反映材料与各种化学试剂发生化学反应的可能性和反应速度大小的相关参数。能性和反应速度大小的相关参数。材料的性能材料的性能 工程材料主要考虑其耐腐蚀性，电化学材料有的考察电极电位、储能密度等。 材料由于周围环境介质侵蚀而造成的损伤和材料由于周围环境介质侵蚀而造成的损伤和破坏均称为腐蚀。破坏均称为腐蚀。 发生腐蚀的化学过程有化学腐蚀发生腐蚀的化学过程有化

49、学腐蚀( (氧化氧化) )、电、电化学腐蚀和应力腐蚀等不同形式。腐蚀速度与材化学腐蚀和应力腐蚀等不同形式。腐蚀速度与材料、介质、温度、应力、辐照料、介质、温度、应力、辐照因素有关。腐因素有关。腐蚀不仅影响零件表明质量，并且可以造成零件早蚀不仅影响零件表明质量，并且可以造成零件早期损坏，防腐设计应考虑材料的选择和防腐措施期损坏，防腐设计应考虑材料的选择和防腐措施相结合。相结合。2022-6-1工艺性能工艺性能 材料的工艺性能是材料力学、物理、化学材料的工艺性能是材料力学、物理、化学性能的综合表现。主要反映材料生产或零部件性能的综合表现。主要反映材料生产或零部件加工过程的可能性或难易程度。加工过程

50、的可能性或难易程度。材料的性能材料的性能1. 材料可生产性材料可生产性：得到材料可能性和制备方法。：得到材料可能性和制备方法。2. 铸造性铸造性：将材料加热得到熔体，注入较复杂的：将材料加热得到熔体，注入较复杂的型腔后冷却凝固，获得零件的方法。型腔后冷却凝固，获得零件的方法。流动性：充满型腔能力流动性：充满型腔能力收缩率：缩孔数量的多少和分布特征收缩率：缩孔数量的多少和分布特征偏析倾向：材料成分的均匀性偏析倾向：材料成分的均匀性2022-6-1工艺性能工艺性能材料的性能材料的性能3. 锻造性锻造性：材料进行压力加工：材料进行压力加工(锻造、压延、锻造、压延、轧制、拉拔、挤压等轧制、拉拔、挤压等)的可能性或难易程度的可能性或难易程度的度量。的度量。4. 焊接性焊接性：利用部分熔体，将两块材料连接在：利用部分熔体，将两块材料连接在一起。一起。塑性变形能力：塑性变形能力：材料不破坏的前提下的最大变形量。材料不破坏的前提下的最大变形量。塑性变形抗力：塑性变形抗力：发生塑性变形所需要的最小外力。发生塑性变形