材料科学与工程导论第一章绪论

材料科学与工程导论主讲：贺沁婷参考书目1.杨瑞成，张建斌，陈奎，居春艳.材料科学与工程导论.北京：科学出版社，20122.顾宜，赵长生.材料科学与工程基础.北京：化学工业出版社，2011第一章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(materials)?Materialsisthestufffromwhichathingismadeforusing.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。天然材料人工材料人工材料第一节材料的发展与人类文明一、材料的发展史，就是人类社会的发展史。

人类历史的划分

石器时代陶器时代青铜器时代铁器时代。

现代社会

三大支柱能源、信息和材料（1998）生物工程，信息技术和新材料Aluminumin19thcentury.Computer

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2014（LD10）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4700MPa，当今高强铝合金的最高强度没有超过1000MPa。铝合金的主要应用领域战机舰船导弹火箭人造卫星战车高速列车汽车高层建筑f导弹头罩窗口窗口材料：蓝宝石金刚石ZnS/金刚石导弹的眼睛——窗口材料（ZnS,ZnSe,Al2O3,diamond,…）二、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 1821 1886 65真空管 1882 1915 33无线电 1887 1922 35X光 1895 1913 18雷达 1935 1940 5原子堆 1939 1942 3半导体 1948 1951 3激光 1958 1960 2表1科学原理的发现时间与其产业化时间的对照中国的四大发明：纸、火药、指南针、活字印刷1）逻辑推理(古代哲学家，432BC.)2）宏观形貌观察、观测（byeye,1669）3）数学理论计算4）科学测定（X-raydiffraction,electrondiffraction,等）1、古代中国：“日取其半，万世不竭”“道生一，一生二，二生三，三生万物”（《老子》）；“以土与金、木、水、火杂以成百物”（《国语·正语》）；“太极生两仪，两仪生四象，四象生八卦，八卦交而生万物”（《易经》）人类对材料微观结构认识的发展过程2、Europe:Plato(428-348B.C.)andEuclid(330-275?B.C.)5regularpolyhedronsstandfor5originalelements(fire,air,earth,water,ether)whichwereusedfordescribingeverythingintheworld.Fire-tetrahedronAir-octahedronEther-dodecahedronEarth-cubeWater-icosahedron1669,N.Steno,晶面角守恒定律

材料科学的发展过程

1885,A.Bravais,晶体空间点阵学说1912,M.Laue*,晶体的X射线衍射

1915,W.H.BraggandW.L.Bragg**X射线晶体结构分析方法*1914’sNobelprize;**1915’s,***1987’s.电子显微镜（SEM、TEM）扫描探针显微术***（STM、AFM）

晶体的微观周期性结构

电子在周期势场中的运动量子力学Schrödinger方程

能带理论固体半导体理论2Ψ+U(r)ΨihΨth2

晶体点阵中的缺陷

金属材料强化理论

位错在晶体中运动

晶体的宏观几何形貌晶体生长理论

表面组装

第二节材料的分类按组成分类按状态分类按化学状态分类按物理性质分类按物理效应分类按用途分类按化学状态分类金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功能材料结构材料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无机非金属材料有机高分子材料复合材料塑钢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（14~20份）、CPE（6~12份）、ACR（0.4~0.8份）、钛白粉（3~6份）、稳定剂（3~8份）、色母料（0.8~1.5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(FiberglassReinforcedPlastics)GRP(GlassReinforcedPlastics)GFRP(Glassfibrereinforcedplastics)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GeorgeA.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/T13304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

压电陶瓷形状记忆合金第三节材料科学与工程一、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。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实际设计要求的性能—强度、硬度、导电性、密度、色彩