材料科学基础绪 论

1、材料科学基础Fundamentals of Materials Science 材料科学与工程学院*20 绪 论 Introduction材料科学基础课程内容 材料科学的 基础理论*3 材料科学与工艺 的基础理论 *4师昌旭 两院资深院士 0 绪论 第1章 原子结构与结合键 Atomic Structure and binding bond第2章 晶体学基础 Basis of Crystallography第3章 晶体结构 Crystal Structure第4章 晶体缺陷 Crystal defects第5章 非晶体与准晶结构 Amorphous and Quasicrystal Struc

2、ture第6章 相图 Phase Diagram第7章 固体扩散 Solid Diffusion第8章 凝固与结晶 Solidification and Crystallization第9章 烧结与聚合 Sintering and Polymerization第10章 固态 相变 Solid Phase Transformation 材料科学与工艺 的基础理论 *60 绪 论 Introduction0.1 材料的历史进程 (Historical process of materials )0.2 材料分类 (Classification of Materials)0.3 材料性能 Prope

3、rty of Materials0.4 “材料科学与工程”学科的建立与发展Development of Materials science and engineering 0.5 材料科学基础课程内容 Contents of 0.6 学习目的与内容 Learning objectives and content0.7 学习方法 learning method 0 绪 论Introduction材料的含义(Materials)广义的材料：人类思想意识之外的所有物质。(substance) *9*10时代制备技术材料与产业学科理论石器时代简单手工加工技术(1)天然石材；(2)简单粗糙工具。-陶器时

4、代(1)粘土配置成型；(2)烧结。(1)陶器； (2)瓷器。烧结理论青铜器时代(1)铜的冶炼；(2)铸造技术。(1)天然矿石冶炼金属铜；(2)兵器生活器皿发达；(3) 农业畜牧业的发展。有色金属冶金，凝固理论人类历史阶段、材料、制备技术和相关学科理论*11时代制备技术材料与产业学科理论铁器时代(1)铁的冶炼技术：木炭还原优质铁矿石生产铁；(2)铸造技术；(3) 锻造技术：半熔状态下锻造器具和武器。(1)大规模铸铁器皿工具；(2)武器的发达；(3)低熔点合金的钎焊；(4)混凝土等。冶金（冶炼），凝固理论，固态相变理论（热处理）钢铁与合金化时代(1)高炉技术的发展和常和成熟。块炼钢生铁脱碳钢炒钢百

5、炼钢平炉炼钢转炉炼钢电炉炼钢。(2)纯金属的精炼和合金化。(1)大量钢结构（桥梁船|车建筑等）；(2)蒸汽机内燃机机床等，机械行业迅速发展。(3)不锈钢、铜、铝等有色合金行业的发展。冶金，凝固理论，塑性成形理论（锻造压力加工等），焊接冶金理论，固态相变理论（热处理）人类历史阶段、材料、制备技术和相关学科理论*12时代制备技术材料与产业学科理论电子信息时代合成材料时代：(1)功能陶瓷合金的合成与制备；(2) 高分子材料的合成制备技术：酚醛树脂、尼龙、橡胶等的合成技术。(1)电子管二极管三极管，硅锗半导体材料。信息技术、电子计算机技术的成熟发展。(2) 航空航天原子能农业民用等领域的迅速发展。区域

6、提纯理论，晶体生长理论，外延生长理论，气相沉积理论，聚合反应理论新材料时代(1)新材料的设计(成分性能工艺设计)；(2)新材料的合成、制备与精密加工技术。(3)材料复合技术。(1)结构/功能一体化材料；(2)高性能复合材料；(3)单晶微晶纳米晶非晶等特殊性能材料；(4)薄膜超晶格量子（阱、点、线）微结构线材材料等特殊性能材料。化学合成法，外延生长法，气相沉积法，溶胶-凝胶，电沉积，高能球磨理论，材料设计理论人类历史阶段、材料、制备技术和相关学科理论技术革命的标志 生物技术信息技术 新型材料 新能源 材料是社会进步的 物质基础、先导、里程碑。特点：1.特殊性能（超强度、超塑性、超导性等); 2.

7、制备和生产和新技术、新工艺紧密相关 。 3.更新换代快，式样多变。 4.发展和理论的关系比传统材料更密切。新材料的特点、趋势：新材料的特点、趋势： 趋势：1.从均质材料 复合材料； 2.由结构材料 功能材料,多功能材料并重； 3.材料结构的尺度向越来越小的方向发展； 4.由被动性材料 具有主动性的智能材料； 5.通过仿生途径来发展新材料。重要性：国家科技与工业水平的标志， 现代化程度标志之一。材料的分类利用材料的力学性能，满足工程结构上的需要。 材料具有光、电、磁、热等特殊的物理性能 。1. 性能特点和用途 Property and apllication功能材料 结构材料 0.2 材料分类

8、(Classification of Materials)2. 原子之间的键合特点 Binding between atoms 材料的分类金属材料 （Metallic Materials)钢铁、铝、铜、钛合金陶瓷材料 （Ceramics）：Al2O3、SiC、SiN、SiO2无机非金属材料（Inorganic Materials)高分子材料 （Polymers)：纤维、蛋白质、聚乙烯、聚氯乙烯复合材料 Composites： Metal-Matrix， Polymer-Matrix *18离子键（Ionic bond）共价键（covalent bond）金属键（Metallic bond）范德

9、华键(VanderWaals bond氢键 （Hydrogen-bond化学键物理键主价键primary interatomic bonds次价键(Secondary bonding)Chemical bonding physical bonding *20(1) 离子键Ionic bond 正负离子间的静电作用。ClNa NaCl的晶体结构共价键在亚金属（碳、硅、锡、锗等）、聚合物和无机非金属材料中均占有重要地位。(2) 共价键 covalent bond 硅原子四个价键P17-22*22金属键动画（3）金属键 Metallic bond 自由电子金属正离子间 *23金属的导电性 Metal

10、 conductivity *24 金属键:无饱和性又无方向性，每个原子能同更多的原子相结合，形成低能量的密堆结构。 当金属受力变形，原子之间的相互位置改变时，不破坏金属键，具有良好的延展性。金属变形动画金属具有较高的强度和良好的塑性； 共价键的断裂*25（4）范德华键 Van der Waals bond 特性：分子晶体结合键能 很低，熔点很低，硬度低。绝缘性良好。分子间以微弱静电引力结合在一起。没有方向性饱和性 （5）氢键Hydrogen bond 氢键既有饱和性又有方向性。极性共价键 氢键 XHYH2O氢键主要存在于高分子材料内。1.金属材料： 金属键。 金属特性：导电性、导热性好； 好

11、的延展性； 金属光泽等。材料的键性2. 陶瓷村料：离子键和共价键。 高熔点和硬度，脆性大。3. 高分子材料：共价键、氢键和范德华键。 低的熔点、硬度、强度。 *303. 按使用领域建筑材料 能源材料 电子材料 医用材料 仪表材料 包装材料 等。*314. 原子排列结构单晶材料多晶材料非晶态材料准晶态材料*32性能使用性能化学性能 耐腐蚀和抗老化 力学性能 强度、硬度、塑性、韧性、蠕变、疲劳 物理性能 熔点、密度、电、磁、光、热 等0.3 材料性能 Property of Materials铸造 塑性加工焊接 热处理 粉末冶金 机械加工 工艺性能 *370.4 “材料科学与工程”学科的建立与发展

12、Development of Materials science and engineering 1956年苏联第一颗人造地球卫星的发射成功；美国认识到材料的重要性，提出了“材料科学”、“材料科学与工程”的概念，在大学相继成立“材料科学研究中心”、“材料科学系”、“材料科学与工程系”。大学（MRL/MRC）建立时间大学（MRL/MRC）建立时间西北(Northwestern)1960年普度(Purdue)1961年宾西法尼亚(Pennsylvania)1960年斯坦福(Stanford)1961年康乃尔(Cornell)1960年依利诺伊斯(Illinois)1962年布朗(Brown)196

13、1年卡内基梅隆(Carnegie Mellon)1973年芝加哥(Chicago)1961年马萨诸塞(massachustts)1973年哈佛(Harvard)1961年宾西法尼亚州立(State)1974年马里兰(Maryland)1961年凯斯西储(Case Westwen Reserve)1974年麻省理工学院(MIT)1961年俄亥厄州立(Ohio State)1982年北卡罗莱纳(North Carolina)1961年17所美国材料研究实验室（MRL）和材料研究中心（MRC）的建立 *39Materials science and engineering is the knowle

14、dge and application of the relationship between material composition and structure, synthesis / processing, properties and performance. 1986年英国材料科学与工程百科全书美国麻省理工学院主编 ，英国, Pergamon Publish*401986年英国材料科学与工程百科全书四要素成分（ 结构）性能制备工艺使用效能材料科学与工程是研究材料成分与结构、制备工艺流程与材料性能和使用效能关系的知识及应用。（composition -structure）(synth

15、esis/processing) (properties)（performance）*41*42师昌旭 两院资深院士材料科学核心问题？ 结构和性能，研究“为什么？” *43材料科学的形成固体物理、无机、有机化学、物理化学 等学科推动了对材料本质的了解。 冶金学金属学陶瓷学高分子学 促进了材料研究。 金属基础理论最成熟，研究金属的思路和方法和理论，渗透到其他学科中去。 *44材料科学的核心问题？研究：材料本质 的发现分析，解释： 结构与材料的性能 之间的关系。目的：材料结构的统一描绘或模型建立，为发展新型材料充分发挥材料的性能 奠定理论基础。 材料工程*45材料工程属技术范畴，目的在于采用经济的

16、、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。 *46材料工程材料制备与生态环境的协调共存控制环境污染 材料工程水平的提高大大促进材料的发展。 *47材料科学核心问题：结构和性能，研究“为什么？” 材料科学材料工程物质基础，研究课题理论基础方向与指导材料 工程：研究“怎么做？”考虑经济资源能源环保判据，侧重合理的制备工艺与性能间关系。 0.5 材料科学基础课程内容 Contents of 1、定义：2、核心问题：结构和性能 Structure and property3、结构的三个水平： 研究材料的本质，提供材料结构的统一模型，解释材料结构与性能的关系。 *

17、49原子结构原子的空间排列 显微组织 结构原子核外电子排布方式.影响原子结合方式，决定材料类型、电、磁、光和热性能。 晶态和非晶态。结构显著影响材料的性能。 晶粒的大小、合金相的种类、数量和分布等。 P12最微细的水平 组成材料的原子结构Atomic Structure （第一章） P12原子结构的发现（Discovery of atom structure ）量子理论电子云，波函数*53 第二个水平结构构成材料的基本质点(离子、原子或分子等)是如何结合与排列的，表明材料的构成方式。原子在空间的排列Spatial arrangement （第二三章）*54晶体非晶体准晶体定义构成材料的结构基元

18、（原子、分子、离子、原子集团或络合离子等）在三维空间按周期性重复排列。构成材料的结构基元（原子、分子、离子、原子集团或络合离子等）在三维空间呈无序排列，又称为无定形体。准晶是介于晶体和非晶体之间的固体；具有完全有序的结构，有晶体所不允许的五重旋转对称，但不具有晶体所应有的平移周期性。特点（1）规则外形和宏观对称性；（2）均匀性；（3）各向异性；（4）稳定性；（5）固定熔点。（1）各向同性；（2）介稳性；（3）连续性；（4）无固定熔点。(1) 硬度高，耐磨;(2) 有一定弹性； (3) 无黏着力，低导热性。类型（1）晶态金属；（2）晶态陶瓷；（3）晶态高聚物。(1) 玻璃(2) 金属玻璃(3)

19、非晶态高聚物；(1) Al-Mn合金；(2) Al65Cu23Fe12；(3) Cd57Yb10；(4) Al70Pd21Mn9；(5) Ti-V-Ni。晶体、非晶体与准晶体的概念及特点第二个水平 原子在空间的排列Spatial arrangement晶体结构 crystal structure （石墨和金刚石） 晶体结构缺陷 Crystal defects 影响性能P2*56碳的单质结构 石墨C60（富勒烯、足球烯）C36、C70、C76、C84、C240、C540等。金刚石碳纳米管石墨烯混合物的碳单质无定形炭木炭、焦炭、活性炭、炭黑、骨炭和糖炭等。碳*57 (a)金刚石结构 (b) 石墨结

20、构 (c) C60结构 (d) 碳纳米管结构 (e)石墨烯结构模型 (f) 石墨烯结构TEM像重庆墨希科技有限公司*58影驰“SETTLER(开拓者)”中科院重庆绿色智能技术研究院第三个水平 材料的显微组织microstructure （第五章） 组织借助于显微镜所观察到的材料微观组成与形貌-通常称为显微组织。工业纯铁F组织共析钢P组织聚苯乙烯球晶P2中国古代铁器金相组织 湖南长沙砂子塘 战国凹形铁锄Al-Si合金定向凝固组织1864年，英国冶金学家Sorby岩相金相观察组织方法： 研磨-抛光-浸蚀-金相显微镜丰富多彩的组织形貌： 若自然景观、星云流水、花鸟草虫。珠光体显微照片，白色为基体铁素

21、体，蓝色为渗碳体*62早春钢铁指纹-P组织 指纹 *63位错绕过第二相粒子-奥罗万（Orowan）机制*64梯田碳纳米管 蒲公英*65Al合金阳极氧化膜 蜂巢 *66*67纳米棒棒糖： 镍电极 硅纳米线纳米镍金属球*680.6 学习目的与内容Learning objectives and content掌握有关材料学科的基本概念、基础理论和基本方法专业基础课材料现代分析方法材料性能学金属材料无机非金属材料高分子材料材料科学基础专业课0.7 学习方法 learning method 培养能力为主，学习知识为辅。 掌握正确的思维方式和学科特点，不死记硬背。 抓住主线条，删繁就简，不钻牛角尖。牢固建立概念：材料的性能决定于材料的组织、结构。熟悉常用术语和基本概念 认真听课，标记重点难点，及时复习， 主动完成作业。多做习题，多归纳总结。闭卷考试 考核 考试前及早复习，不要临阵磨枪闭门复习。 积极答疑，多与教师沟通，多讨论，多翻阅相关参考书，多讲专业语言，多留心从专业角度看讨论身边的现象。*74闭卷考试 考核考核：平时成绩占20%上课：出勤率、听课情况、 交流与沟通；作业：态度、完成情况；期末考试占80%。闭卷：基本概念、基础理论；*76作业1：一、填空题1. 材料科学主要研究的核心