自然科学概论材料1课件

材料科学与技术概论人类最早用来制造工具的

材料是石头砍砸器（旧石器时代）

石镰(新石器时代)

材料及其器具作为划分时代的标志（公元前250万至前1万年）（公元前5千至前1200年）（公元前1200年至17世纪末）（18至20世纪）（20世纪始）材料与文明发展什么是材料？世界万物，凡于我有用者，皆谓之材料。材料是具有一定性能，可以用来制作器件、构件、工具、装置等物品的物质。材料存在于我们的周围，与我们的生活和生命息息相关。材料是人类文明、社会进步、科技发展的物质基础。目前世界上传统材料已有几十万种，而新材料的品种正以每年5%的速度增长。

合成与制备过程使用性能性质组成与结构（化学）（工程）（物理学）材料与其它学科的关系按学科分类根据材料的性能分类按服役的领域来分类按材料的维度分类

材料分类

按学科分类1.金属材料2.无机非金属材料3.高分子材料（聚合物）4.复合材料

在103种元素中，除He,Ne,Ar等6种惰性元素和C、Si、N等16种非金属元素外，其余81种为金属元素。除Hg之外，单质金属在常温下呈现固体形态，外观不透明，具有特殊的金属光泽及良好的导电性和导热性。在力学性质方面，具有较高的强度、刚度、延展性及耐冲击性。

合金是由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素熔合在一起形成的具有金属特性的新物质。合金的性质与组成合金的各个相的性质有关，同时也与这些相在合金中的数量、形状及分布有关。元素周期表Group12

3456789101112131415161718周期

11

H

氢

2

He

氦23

Li

锂4

Be

铍

5

B

硼6

C

碳7

N

氮8

O

氧9

F

氟10

Ne

氖311

Na

钠12

Mg

镁

13

Al

铝14

Si

硅15

P

磷16

S

硫17

Cl

氯18

Ar

氩419

K

钾20

Ca

钙

21

Sc

钪22

Ti

钛23

V

钒24

Cr

铬25

Mn

锰26

Fe

铁27

Co

钴28

Ni

镍29

Cu

铜30

Zn

锌31

Ga

镓32

Ge

锗33

As

砷34

Se

硒35

Br

溴36

Kr

氪537

Rb

铷38

Sr

锶

39

Y

钇40

Zr

锆41

Nb

铌42

Mo

钼43

Tc

锝44

Ru

钌45

Rh

铑46

Pd

钯47

Ag

银48

Cd

镉49

In

铟50

Sn

锡51

Sb

锑52

Te

碲53

I

碘54

Xe

氙655

Cs

铯56

Ba

钡56-70

镧系

*71

Lu

镥72

Hf

铪73

Ta

钽74

W

钨75

Re

铼76

Os

锇77

Ir

铱78

Pt

铂79

Au

金80

Hg

汞81

Tl

铊82

Pb

铅83

Bi

铋84

Po

钋85

At

砹86

Rn

氡787

Fr

钫88

Ra

镭89-102

锕系

**103

Lr

铹*104

Rf105

Db106

Sg107

Bh108

Hs109

Mt110

Uun111

Uuu112

Uub113

Uut114

Uuq115

Uup116

Uuh117

Uus118

Uuo2.

无机非金属材料

无机非金属材料是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材料。是除金属材料、高分子材料以外所有材料的总称。它与广义的陶瓷材料有等同的含义。一般将其分为传统的（普通的）和新型的（先进的）无机非金属材料两大类。

3.有机高分子材料（高聚物）

高聚物是由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成的分子量很大的化合物。高聚物的种类繁多，性能各异，其分类的方法多种多样。按材料的性能和用途可将高聚物分为橡胶、纤维、塑料和胶粘剂等。4.复合材料复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成。复合材料是多相材料，主要包括基本相和增强相。基本相是一种连续相材料，它把改善性能的增强相材料固结成一体，并起传递应力的作用；增强相起承受应力（结构复合材料）和显示功能（功能复合材料）的作用。复合材料既能保持原组成材料的重要特色，又通过复合效应使各组分的性能互相补充，获得原组分不具备的许多优良性能。

根据材料的性能分类

根据材料在外场作用下其性质或性能对外场的响应不同，材料可分为结构材料和功能材料。

功能材料是具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、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。以陶瓷为例：压电陶瓷、磁性陶瓷、热敏、气敏陶瓷、电致伸缩陶瓷等为功能陶瓷，主要用作一些功能传感器，如电子仪表、普通通讯设备、航空通讯卫星等中的温度传感器和温度补偿元件等等。

材料按服役的领域来分类

根据材料服役的技术领域可分为信息材料、航空航天材料、能源材料、生物医用材料等。按材料的维度来分类0维粉体1维纤维2维薄膜3维块材奥迪A8quattro轿车是12缸轿车型号中采用ASF全铝制车身的一款车。这一领导潮流的轻重量技术首次在1994年崭露头角，开创了让豪华轿车也具备安全而轻捷特性的独特前景。由于ASF的成功,轿车重量持续下降，性能改进，而油耗降低。汽车的轻量化、安全舒适、洁净能源是当前及未来汽车发展考虑的主要因素，为节约能源并提高车速，减轻自重是关键。这就要求具有优良的抗蚀性和高的比强度的铝合金及镁合金。

材料是国防实力的保证精确制导武器，包括制导炮弹、制导炸弹、制导子母弹、巡航导弹、末制导导弹等以全固态化惯性技术为发展方向，其核心器件是半导体加速度传感器。因此，高敏感度的半导体材料的研制，成为精确制导的重要技术之一。钛合金是目前最重要的航空、航天和导弹材料。超塑性钛合金（钛-铝-钒的合金）使飞机部件的重量减轻了约30%；制造成本降低一半；简化工序，一次成形；产品质量十分优秀。

全天候的现代高科技战争用于侦察、识别与目标选择、跟踪与制导的设备都离不开锗、钕、钇和砷化镓等材料。

材料是高新技术的依托

太空站上的记忆合金天线

美国国家航空和宇宙航行局的月面天线计划

。首先用形状记忆材料Ti-Ni合金丝制成庞大的月面天线，经稍许冷却，便变成了柔软、容易折叠的天线，然后把它揉成小团放入阿波罗11号舱内，发射并在月球表面进行安装后，在太阳光照射下，回到原来的抛物面形状。形状记忆合金套管

美国F-14型战斗机上的油压系统接头，用形状记忆合金制造，无泄漏与破损。采用方法是将低温扩张的管接头，套在要连接的二个管子上，让温度上升至室温，套管的内径便恢复成原来的大小，并把二个管子咬紧，实现了管连接。

百年不遇的发明——光导纤维

用高纯石英玻璃制造出的光导纤维比头发还细，一根细丝就能同时传输2000路通话，并且不失真、不受环境干扰、不易被窃听、传输速度快，光缆一秒钟传输的距离若改用铜缆则要花上20个小时，快了72000倍。因此光导纤维的出现使信息传输发生了巨大变化。

TheNobelPrizeinPhysics2009"forgroundbreakingachievementsconcerningthetransmissionoflightinfibersforopticalcommunication"CharlesK.KaoWillardS.BoyleGeorgeE.Smith1/2oftheprize1/4oftheprize1/4oftheprizeStandardTelecommunicationLaboratories

Harlow,UnitedKingdom;ChineseUniversityofHongKong

HongKong,ChinaBellLaboratories

MurrayHill,NJ,USABellLaboratories

MurrayHill,NJ,USAb.1933

(inShanghai,China)b.1924

(inAmherst,NS,Canada)b.1930物质七态

无论是有机界，还是无机界，就它们的基本结构特点来说，可以分为七类，每一类称为物质的一种状态。

物质七态是：固态、液态、气态、等离子态、中子态、场和反物质。不同的物质状态来源于微观粒子不同的聚集状态。

固体固体最显著的特征是具有确定的体积和形状。固体又分为晶体和非晶体。晶体的特征是其内部原子按一定的规则排列，在大范围内原子的有规则排列称为长程有序，例如天然钻石（金刚石）、水晶（石英）、岩盐（食盐）等；非晶态固体具有短程有序、长程无序的特征。例如，玻璃、橡胶都是非晶态材料。晶态结构非晶态结构美丽的固态晶体硼砂玛瑙刚玉

切割前后及镶在王冠和手杖上的钻石

流动的液体

液体的明显特征是具有流动性，无确定的外部形状，但其体积是一定的。液体内部分子之间可以相对移动，但液体内部近邻分子的排列是有规则的，也就是说近程有序，这一点与非晶态固体很相像。液晶，是一种内部分子排列有序程度相当高的液体。它既具有流动性，又在很多方面像晶体，所以称为液晶。固体、液体和液晶的比较

液晶在电子计算器、电子手表、各种电子仪表、薄型液晶显示、掌上电视和温度显示等，有广泛的应用。

可以认为液晶之语是液体和晶体的结合，它的特点是内部的分子或者原子之间距离像液体内部分子距离一样，距离较远，但是每个个体分布又像晶体一样排列有规则。任性的气体

气体分子之间的距离比固体和液体分子间的距离大得多，因此分子之间的相互作用力小得多。气体分子之间的相对位置完全不固定，形成完全混乱的分子状态。改变压力和温度，可以使固态、液态、和气态互相转化。

等离子态

加热气体使它的温度升高时，所有的气体分子都高速运动。当分子相互碰撞时，只要碰撞的能量足够大，就会使分子撞“碎”，形成以原子为基本单元的原子气体。原子气体再继续加热，就会发生原子被撞“碎”的情况，形成自由电子和正离子。在几千度的高温下，气体中几乎所有的原子都电离了，变成电子和正离子。电子和正离子的数量基本上相等，所以，称这种等量高速运动的电子和正离子组成的物体为等离子体。宇宙空间的绝大部分物质都是以等离子体状态存在的。中子态

中子星的状态就是中子态，它是在异常巨大的压力作用下，完全由中子聚集成的物质状态。

场电荷的周围有电场，而运动的电荷周围产生磁场，电场与磁场交互在一起形成电磁场，当它传播的时候就形成电磁波。天体之间有引力场。电场、磁场、引力场等等都是场。场既有质量，也有动量。场总是弥漫于较大的空间。场运动总是以波动的形式出现。无论是实体物质，还是场，它们只是结构不同，但都是独立于我们意识之外的客观存在，也就是说，都是物质。

反物质