材料科学导论-绪论教材

材料科学导论IntroductiontoMaterialsScience12绪论1·材料的定义与分类2·材料与社会发展3·材料科学的研究内容4·材料科学与工程1材料的定义与分类3发动机底盘铸铁铝合金钛合金镁合金陶瓷等车身钢板铝合金工程塑料碳纤维复合材料等钢材铝合金增强纤维陶瓷等塑料橡胶玻璃涂料等内外装饰件1材料的定义与分类4车体转向架轮轨系统车辆内装1材料的定义与分类56材料是人类用于制造机器、工具、构件和产品等有用的固态物质。什么是材料？1材料的定义与分类1材料的定义与分类03040501化学组成服役领域结晶状态应用发展02材料性能06尺寸与维度7金属材料

无机非金属材料高分子材料

复合材料半导体材料单晶材料多晶材料非晶态材料准晶材料结构材料功能材料传统材料

新材料信息材料航天航空材料能源材料生物医用材料……….零维材料一维材料二维材料三维材料块体纳米团簇2材料与社会发展公元前10万年公元前1000年公元19世纪1950年代石器时代铁器时代钢铁时代硅时代1990年代新材料时代材料发展史即人类史8

石器时代燧石：神奇的石头人面鱼纹彩陶盆裴李岗文化锯齿石镰9BC1450铁制车轮AD1500廉价的冶铁业铁器时代“中华第一剑”10钢铁时代1850年代贝西默炼钢法人类最伟大50项发明之一1875，全世界生铁产量为1400万吨，钢产量190万吨1913，全世界生铁产量8000万吨，钢产量7650万吨1950~1974，发展了氧气顶吹转炉炼钢和连续铸钢技术、带钢热连轧机和冷连轧机，钢铁生产能力提高。全世界生铁产量为5.05亿吨，钢产量7.10亿吨2016年，全球钢铁产量超过16亿吨11硅时代1947第一个锗晶体管1956年Nobel物理奖1958年第一块锗集成电路2000年Nobel物理奖1952年直拉法硅单晶1953年区熔法硅单晶从沙子到芯片12基极锗发射极集电极新材料时代

21世纪是以新材料为重要基础的知识经济时代，谁掌握了最先进的材料，谁就能在高技术及其产业的发展上占有主动权。新材料信息

新能源航空航天生物

当前全球经济进入战略转型期。美国、欧洲、日本等国家纷纷制定“新发展战略”，大力培育和发展新能源、生物、新一代信息技术等新兴产业，努力抢占新一轮经济繁荣期制高点。13美国的全面领先战略：重视信息技术、生物技术、航天技术、核能技术、氢能技术、甲烷市场化伙伴计划、纳米技术、先进制造技术等.俄罗斯将新材料与化学工艺列为9个优先发展方向，重点发展陶瓷和玻璃、膜技术、特种合金、超导技术、微型冶金生产技术等日本04年发布“新产业创造”战略，率先发展燃料电池、信息家电、机器人等技术产业“中国制造2025”重点发展的十大领域：新一代信息技术产业、高档数控机床和机器人、航空航天装备、海洋工程装备及高技术船舶、先进轨道交通装备、节能与新能源汽车、电力装备、农机装备、新材料、生物医药及高性能医疗器械韩国的国际争先战略：重点发展微电子、机械制造、先进材料、精细化工、能源及生命科学等欧盟的前沿技术发展战略：重视信息技术、航天技术、生命科学、氢能源和燃料电池技术、纳米科技等七大战略新兴产业:节能环保、新兴信息产业、生物产业、新能源、新能源汽车、高端装备制造业和新材料142材料与社会发展材料是现代文明的支撑新材料技术信息能源材料信息技术新能源技术生物技术152材料与社会发展材料是现代文明的支撑Titanic的沉没是必然还是偶然？尴尬的泳衣16MoreThanSkin2材料与社会发展一件材料足以影响人类文明进程玻璃为什么是透明的玻璃与玻璃态材料改变生活方式17美国F-35战斗机－机体、发动机均采用钛合金制造国产歼11B战斗机机体采用钛合金比例达到15％18航空用钛合金飞机发动机桨叶采用钛合金和碳纤维复合材料，以抵抗高温腐蚀1920中国航空发动机材料重大突破寿命优于美国1~2个数量级认识：材料的性质3材料科学的研究内容材料性质：是功能特性和效用的描述符，是材料对电.磁.光.热.机械载荷的反应。力学性质物理性质化学性质强度硬度刚度塑性韧性电学性质磁学性质光学性质热学性质催化性质腐蚀性氧化性赋予了材料的价值和应用性外涂吸波材料的隐形飞机看是看不出名堂的21认识：材料的化学组成3材料科学的研究内容FCCCB金银铜的原子都是这么堆砌的同样是FCC结构，金不锈，铜就生锈，为什么？A22认识：材料的晶体结构3材料科学的研究内容同样是碳，金刚石和石墨的价格差多少？23金刚石石墨金刚石结构石墨结构认识：材料的电子结构3材料科学的研究内容Eg=5.5eVEg=1.12eV24图2导体，半导体，绝缘体的能级结构

图1能带的形成认识：材料的组织结构3材料科学的研究内容飞蛾的眼部结构飞蛾复眼的微米-纳米双重结构(a)-(e)

(a)(b)(c)(d)(e)(f)25显示器减反效果人造复眼结构(f)3材料科学的研究内容认识：材料的性质与结构

晶体结构组织结构化学成分电子结构结构决定性质263材料科学的研究内容创造：新材料热缩冷胀材料27Invar解释

Fe-Fe磁交换中饱和磁化强度的改变Invar合金水3材料科学的研究内容创造：新材料热缩冷胀材料28ThesecanbedescribedasvibrationsinwhichtheconstituentZrO6

octahedraandWO4

tetrahedraofZrW2O8

areundistorted.

ManyofthesemodeshaveanegativeGruneisenparameterandthustendtocauseacontractionofthestructurewhenpopulated.

Thesearelowenergymodesandthusremainpopulatedevenatverylowtemperatures.ZrW2O8

锆酸钨3材料科学的研究内容创造：新材料拉胀材料29世界上最光滑的材料BAM3材料科学的研究内容创造：新材料剪切变稠材料Shearthickeningfluid30淀粉液防弹衣剪切增稠原理3材料科学的研究内容创造：新材料泡泡和泡沫材料开尔文猜想31洗涤剂泡泡泡沫金属泡沫塑料3材料科学的研究内容创造：新材料超疏水材料32荷叶及其微观结构牢固的超疏水材料3材料科学的研究内容创造：新材料33金属氢金刚石对顶砧实验示意图试验装置不同压力下的氢3材料科学的研究内容创造：新材料左手材料Left-Handed

MaterialsRHM(ε>0,μ>0)右手关系LHM(ε<0,μ<0)

左手关系a.RHM普通折射b.LHM负折射2024/3/15343材料科学的研究内容创造：新材料35隐身衣原理及实物展示金和硅蚀刻的左手材料元件哈利波特与隐身衣4材料科学与工程36

量子力学、固体物理、无机化学、有机化学、物理化学等基础学科的发展为材料科学奠定了重要基础。现代分析技术和设备的更新，加深了对物质结构和物理化学性质的理解。冶金学、金属学、陶瓷学、高分子科学等自身的发展也使对材料的本质认识大大系统化（组成-制备-结构-性能的关系），为学科发展打下坚实的基础。

基础学科发展奠定材料科学的基础4材料科学与工程MaterialsSciencePhysicsChemistryEngineeringMathematicsForunderstanding,measurementtesting,making,characterization,etc.MaterialsScienceisaJointAdventureForprocessing,actualization,application,etcFordesign,makingandprocessingForformulation,processingcomputationandunderstanding374材料科学与工程1865美国(1865)年建立第一批矿冶系1956美国和英国大学相继组建冶金与材料系1980美国大学相应系多以材料科学与工程命名(MSE)1870英国（1865-1870）大学开始设立矿冶系1959美国西北大学建立世界上第一个材料科学系1990英国著名大学牛津、剑桥、伯明翰大学均以冶金材料系命名材料学科的演变与发展－欧美国家384材料科学与工程1949年前寥寥几所培养矿冶人才，不划分专业，宽领域培养模式1978-1990年代末向欧美学习，相继设立材料科学与工程系本世纪初至今厚基础、宽专业、高素质、强能力，以适应市场需要材料学科的演变与发展－中国1949-1966苏联模式，专业分割严重，分属于冶金、机械、化工等系394材料科学与工程40

《材料科学与工程百科全书》对材料科学与工程下的定义材料科学与工程就是研究有关材料组成、结构、制备工艺流程与材料性能和用途的关系的知识的产生及其作用。换言之，材料科学与工程是研究材料组成、结构、生产过程、材料性能与使用效能以及它们之间的关系。

因而把组成与结构（composition-structure）、合成与生产过程（synthesis-processing）、性质（properties）及使用效能（performance）称之为材料科学与工程的四个基本要素。4材料科学与工程41材料科学与工程四要素效能合成/制备

性质结构/成分4材料科学与工程42合成与制备

合成主要指促使原子、分子结合而构成材料的化学与物理过程。既包括有关寻找新合成方法的科学问题、也包括以适用的数量和形态合成材料的技术问题；既包括新材料的合成,也应包括已有材料的新合成方法及其新形态的合成。制备主要指材料在宏观尺度上加工、处理、装配和制造等一系列过程，使之具有所需的性质和使用效能。合成与制备是提高材料质量、降低生产成本和提高经济效益的关键,也是开发新材料、新器件的中心环节。4材料科学与工程43组成和结构

组成指构成材料物质的原子、分子及其分布;除主要组成以外,杂质及对材料结构与性能有重要影响的微量添加物亦不能忽略。结构则指组成原子、分子在不同层次上彼此结合的形式、状态和空间分布，包括原子与电子结构、分子结构、晶体结构、相结构、晶粒结构、表面与界面结构、缺陷结构等；材料的组成与结构是材料科学与工程的基本研究内容,它们指导材料的合成与制备,决定材料的性能和使用效能。4材料科学与工程44性质

性质指材料固有的物理、化学特性,也是确定材料用途的依据。广义地说,性质是材料在一定的条件下对外部作用的反应的定量表述。

例如,对外力作用的反应为力学性质,对外电场作用的反应为电学性质,对光波作用的反应为光学性质等等。4材料科学与工程45使用效能

使用效能是材料以特定产品形式在使用条件下所表现的效能。

它是材料的固有性性质、产品设计、使用环境和效益的综合表现,通常以寿命、效率、可靠性、效益及成本等指标衡量。

因此与工程设计及生产制造过程密切相关,不仅有宏观的工程问题,还包括复杂的材料科学问题。例如,材料部件的损