材料的定义、发展、地位和作用

1、材料的定义、发展、地位和作用Introduction to Materials材料概论的主要任务材料科学与工程专业的重要基础课、第一门专业课；着重介绍材料科学与工程学科的内涵、基本问题和共性问题；介绍无机非金属、高分子、金属、复合材料的个性和特点，对材料科学与工程建立整体而又具体的认识；介绍材料学科前沿领域和新材料的发展趋势。课程的性质材料概论无机化学物理化学材料工学材料工程原理认识实习毕业实习毕业论文进一步深造分析化学有机化学材料科学基础普通物理现代测试方法材料物理性能固体物理教学内容1. 绪论2. 材料科学与工程的 四个基本要素 3. 无机非金属材料 4. 高分子材料 5. 金属材料6.

2、复合材料 7. 材料、环境资源 与可持续发展 8. 新材料和前沿材料 9. 国家新材料发展战 略 第一章 绪 论材料的定义材料的发展、地位和作用材料的分类材料科学与工程的形成与发展环境及其它影响材料的因素1.什么是材料?材料是由一定配比的若干相互作用的元素组成、具有一定结构层次和确定性能，并能用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的物质。 注意: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为材料.材料可由一种物质或若干种物质构成.同一种物质,由于制备或加工方法不同,可成为用途不同不同类型的材料.催化剂载体宝石基板材料切削工具激光材料高温炉管Al2O3生活

3、中的材料 可口可乐容器铝金属材料玻璃无机非金属材料塑料高分子材料材料是人类文明的里程碑，是人类进化的重要标志之一，人类历史曾以使用的主要材料来加以划分。2. 材料的发展、地位与作用旧石器时代 新石器时代 青铜器时代 铁器时代 材料是人类赖以生存和发展的重要物质基础；旧石器时代（10000年前）新石器时代（距今10000-4000年）磨制石器 7000年前陶器青铜器时代 公元前5000年 青铜器时代铁器时代 公元前1200年铁器时代人类的文明史材料的发展史人类学习利用材料、制造材料、创新材料的历史。材料发展近现代史1712年 4次技术革命蒸汽机 电 原子能 计算机、生 物、空间技术纺织冶金机械造

4、船电子石油化工电气通讯合成材料半导体材料新型无机材料高分子材料新型金属材料复合材料18世纪末 19世纪末 20世纪中期 20世纪70年代现代高新技术的发展更离不开材料的发展, 只有开发制备出满足性能需要的新材料后, 技术创新才可能实现, 我们的生活才会更加丰富多彩.材料是人类生存、社会发展、科技进步的物质基础，是现代科技发展的先导。材料在当今国民经济中的地位材料是当代文明的三大支柱之一材料、能源、信息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的物质基础和技术先导。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安全。材料是全球新技术革命的四

5、大标志之一 新材料技术、新能源技术、信息技术、生物技术。以半导体材料为核心的计算机制造技术；以光导纤维为基础的光纤通讯技术；以超导材料为基础的磁悬浮技术；以耐热轻质材料为结构材料的航空航天技术等，构成了现代科学技术的基础；纳米材料科学与技术是20世纪80年代发展起来的新兴学科，成为21世纪新技术的主导中心。磁悬浮列车核磁共振仪1946年世界第一台计算机占地面积为170平方米左右，重量30吨。运算速度5000次/秒;经过了电子管、晶体管、集成电路和超大规模集成电路四个阶段。现:几百亿次/秒。钛合金自行车26 材料和生活用品 现代涡轮喷气发动机年代气冷式航空发动机蒸汽机1490C3150C6490

6、C10930C19270C发动机温度一次大战水冷式30年代空冷式风扇喷气发动机涡轮喷气发动机超音速燃烧冲压式喷气发动机温度（0C）航空材料 30 波音777客机上的发动机的压缩机、叶片及紧固件。 30年代教练机二次大战战斗机80年代截击机航天飞机东方快车号1093164953849oC93.3oC427oC1093oC1649oC不同类型的飞行器蒙皮温度温度（0C）小飞机 直升机 运输机 波音707战斗机喷气式机 超音速飞机近地卫星卫星飞机速率速度与效益10102103104每减少1kg所收获效益 +175+390+595金属玻璃纤维KavlarC/C复合材料K m导弹射程火箭壳体材料与导弹射

7、程责任重大 大有作为2004年度 国家技术发明一等奖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黄伯云院士高性能炭炭航空制动材料的制备技术2006年度 国家自然科学一等奖闵乃本院士介电体超晶格材料的设计、制备、性能和应用3.材料的分类 按化学组成分类按材料的性能分类按材料的应用分类按材料结晶状态分类按材料的尺寸分类 金属材料 纯金属(单质)、合金 黑色、有色、特殊金属材料 无机非金属材料 水泥、陶瓷、玻璃、耐火材料 高分子材料 塑料、橡胶、纤维、涂料、粘合剂 复合材料 金属基、陶瓷基、树脂基、C/C材料1)按化学组成分类金属陶瓷Co+WC（硬质合金）金属、合金Fe,Al,Cu钢铁金属高分

8、子橡胶（轮胎）无机非金属Al2O3Si3N4，SiC玻璃有机高分子热塑性塑料弹性体有机纤维陶瓷高分子玻璃纤维树脂碳纤维+环氧树脂四大类传统材料各种金属零部件高温结构陶瓷零件工程塑料制成的零件复合材料 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。复合材料2) 根据材料的性能分类 结构材料功能材料 导电材料、半导体材料绝缘材料、超导材料磁性材料、透光材料隔热材料、催化材料压电材料、热电材料铁电材料、非线性光学材料磁致伸缩材料、光电材料形状记忆材料、变色材料按物理效应分为：按物理性质分为：结构材料 具有抵抗外场作用而保持自己的形状、结构不变的优良力学性能（强度和韧性等），用于结构目的

9、的材料。结构材料杭州湾跨海钢铁大桥，桥长36公里 青藏铁路 1142公里功能材料具有优良的电学、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，被用于非结构目的的高技术材料。结构材料智能材料光学材料磁性材料 能源材料电子材料生物材料航空、航天材料功能材料按材料的性能分类 磁存储 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 Fibers56 形状记忆合金 3）按材料的应用分类电子材料、电工材料、信息材料、航空航天材料、能源材料、生物医用材料、建筑材料 、光学材料、感光材料、耐蚀材料、研磨材料、耐火材料、结构材料、包装材料等。航空、航天材料能源材料电子材料光学材料生物材

10、料建筑材料4）按材料的结晶状态分类单晶材料：由一个比较完整的晶粒构成的材料， 如金刚石、单晶硅、单晶纤维；多晶材料：由许多晶粒组成的材料，其性能与晶 粒大小、晶界的性质有密切关系, 如各种陶瓷。非晶态材料：由原子或分子排列远程无序的固体 材料，如玻璃、高分子材料。单晶金刚石单晶单晶硅棒 (直拉法)多晶非晶液 晶5）按材料的尺寸分类 零维材料 超微粒子(大小1100nm的超微粒) 一维材料 光导纤维、碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维; 晶须强度和刚度最高。 二维材料 金刚石薄膜、高温超导薄膜、半导体薄膜 三维材料 块状材料。 铁基纳米晶带材材料科学与工程的定义 材料科学与工程：是关于材料成分、结构、工艺

11、和它们性能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，是从科学到工程的一个专业连续领域。材料科学：专注于理解材料成分、结构和它们性能及使用性能之间的关系。材料工程：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材料化过程。4.材料科学与工程的形成与发展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。20年代A 固体物理B 材料工程40年代AB60年代ABMS材料科学70年代以后BMSMSE材料科学与工程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。基础学科向

12、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。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。金属基陶瓷基树脂基复合材料粉末冶金 金属陶瓷术塑料压延成型金属板材轧制成型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、高分子和无机非金属材料等领域得到广泛应用。物理、化学、力学、物理化学、晶体学 金属学 无机材料科学基础 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。材料学科的分合图地 质采 矿矿 冶化 工冶 金陶 瓷高分子物 冶化 冶物 冶

13、力 冶物 理社会科学 材料学MSE化 学力 学矿 187918881888193719371966198619891975 美国MIT矿冶及材料系名称的演变年系名称18651879地质与采矿工程18791884采矿工程18841888采矿工程（地质、采矿、冶金）18881890采矿与冶金18901927采矿工程与冶金19271937采矿与冶金19371966冶金19661975冶金与材料科学1975现在材料科学与工程金属材料材料硅酸盐材料高分子材料科学与工程金属材料及热处理、粉末冶金高温合金、精密合金金属腐蚀与防护、金属物理水泥、玻璃陶瓷、耐火材料高分子化学、高分子材料、高分子化工、化学纤维

14、、橡胶制品、塑料成型加工工艺工程金属材料材料工程无机非金属材料与工程高分子材料科学与工程材料学 材料物理与化学 材料加工工程 一级学科二级学科结论：不同的材料二级学科曾为社会培养了大量的专业人才；已不能满足21世纪人才培养的需求，必须进行改革；按照“四要素”原则重新构建材料科学与工程的大材料学科。材料科学与工程的四要素合成与加工性质/使用性能结构（化学）（工程）（物理学）组成材料科学与工程的内涵使用性能组成、结构材料科学与工程加工性能四要素陶瓷金属高分子材料复合材料材料科学与工程例一、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/使用性能 成本比强大小?成型性能?汽车的

15、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/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?组成结构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。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

16、否易于焊接？等等。例二、三种不同的氧化铝材料制备加工过程对产品性能的影响单晶多晶、低孔隙率多晶、高孔隙率5.环境及其它影响材料的因素 材料设计及选用时需考虑温度、循环应力、突然撞击、以及腐蚀和氧化等环境因素的影响。金属材料在高温下突然失去强度温度: 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Titanic号破裂和沉没TITANIC极低温度下，金属材料和高分子材料亦发生脆化。 “挑战者”号载人航天飞机失事疲劳损伤: 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伤称为疲劳损伤。腐蚀: 大多数金属和高分子材料与氧气和其它气体均会发生反应，尤其是在较高温度下。材料也会受腐蚀性液体的侵蚀而永久损坏。应变速率: 材料选择和应用中，也应考虑应变速率。如silly Putty是一种硅橡胶，当被缓慢拉伸，可以变形很大，而被快速拉伸时，则很容易破裂。很多金属也有此现象。 在大多数情况下，温度、疲劳损伤、应力和腐蚀是互相相关的。材料除受到上述因素影响外，还受到其它自然环境的影响，需根据材料使用的具体环境进行选择和处理。材料的选择何种材料是恰当的？金属、陶瓷、高分子、复合材料？具有满足性能的可选择材料。例一、液体容