同济大学《材料科学基础》课件第

材料科学基础本课程将探讨材料的结构、性质和性能之间的关系。涵盖金属、陶瓷、聚合物和复合材料等主要材料类型。课程简介本课程旨在向学生介绍材料科学的基本概念、原理和应用，为学生未来学习材料科学相关专业知识打下坚实基础。课程内容涵盖了材料的分类、结构、性能、晶体结构、缺陷、扩散、相变等基本概念，并结合具体材料进行讲解，例如金属、陶瓷、高分子和复合材料。通过学习本课程，学生将掌握材料科学的基本知识和方法，能够识别不同材料的结构和性能特点，并根据实际需求选择合适的材料。同时，本课程也培养学生的科学思维和解决问题的能力，为学生今后从事材料科学研究或应用工作打下坚实基础。1.材料科学的基本概念材料是由原子组成的，原子之间的排列方式决定了材料的结构。原子结合形成分子，分子之间的相互作用影响材料的性质。材料的结构决定了它的物理和化学性质，例如强度、硬度、电导率和磁性。材料科学是一门研究材料的结构、性质、加工和应用的学科，其目标是创造出满足人类需求的新材料。1.1材料的分类金属材料金属材料由金属元素组成，具有良好的导电性、导热性和延展性。例如：铁、铝、铜。陶瓷材料陶瓷材料通常由金属和非金属元素组成，具有较高的熔点、硬度和耐腐蚀性。例如：氧化铝、硅酸盐。高分子材料高分子材料是由许多小分子通过化学键连接而成的长链结构，具有轻质、柔韧、绝缘等特性。例如：聚乙烯、聚酯。复合材料复合材料由两种或多种不同材料组合而成，以获得更好的性能。例如：玻璃纤维增强塑料、碳纤维复合材料。1.2材料的结构材料的结构是指材料内部原子或分子的排列方式，它是决定材料性能的关键因素之一。材料的结构可以分为宏观结构和微观结构，宏观结构是指材料肉眼可见的结构，如材料的形状、尺寸、表面等，而微观结构是指材料内部原子或分子的排列方式，它需要借助显微镜等仪器才能观察到。材料的微观结构主要包括晶体结构和非晶体结构，晶体结构是指材料内部原子或分子按一定规律排列形成的周期性结构，非晶体结构是指材料内部原子或分子排列无规律，没有周期性。1.3材料的性能材料的性能是指材料在特定条件下表现出的特性，这些特性决定了材料的用途和应用领域。材料性能是材料科学的重要研究内容，也是选择和设计材料的关键因素。1强度材料抵抗外力破坏的能力2硬度材料抵抗表面压痕或划痕的能力3韧性材料在断裂前吸收能量的能力4塑性材料在断裂前发生永久变形的能力除此之外，材料性能还包括导电性、导热性、磁性、光学性能等。2.晶体结构晶体结构是材料科学的基础，它决定着材料的许多重要特性，例如强度、硬度、电导率和磁性等。了解晶体结构对于理解材料的性能和设计新材料至关重要。晶体结构研究主要涉及晶体的类型、晶格和晶胞，以及它们的分析方法。2.1晶体的定义和种类11.定义晶体是指原子或分子在三维空间呈周期性排列的固态物质。这种排列方式形成有规则的几何形状，具有固定的熔点和独特的物理性质。22.种类晶体可以根据其内部结构和对称性分为不同的种类，如立方晶系、六方晶系、四方晶系、斜方晶系、单斜晶系和三斜晶系。33.举例常见的晶体包括盐、糖、冰、金刚石和石英等。这些物质具有不同的形状和性质，反映了它们内部结构的差异。44.应用晶体在科学技术领域有着广泛的应用，例如，晶体管、激光器、传感器等，都基于晶体的独特物理性质。2.2晶格和晶胞1晶格抽象概念，无限重复的空间点阵2晶胞晶格中最小的重复单元3晶胞参数描述晶胞大小和形状4晶胞类型立方、六方、正方等晶胞参数和类型决定晶体的对称性和物理性质。2.3晶体结构分析晶体结构分析是材料科学中一项重要技术，它能够帮助我们了解材料的微观结构，并预测其性能。常用的晶体结构分析方法包括X射线衍射、电子衍射和中子衍射等。例如，X射线衍射可以用来确定晶体结构中的原子排列，并测量晶体结构参数，如晶格常数和晶胞尺寸。这些信息可以用来解释材料的物理和化学性质，例如机械强度、电导率、磁性等。3.缺陷与晶体结构晶体结构中的缺陷是材料微观结构中存在的偏差。这些缺陷会影响材料的机械性能、电性能和热性能等。3.1点缺陷空位缺陷晶格中原子缺失形成空位。空位是常见的点缺陷。间隙原子原子占据晶格间隙位置，形成间隙原子缺陷。置换原子一种原子被另一种不同类型的原子取代，形成置换原子缺陷。3.2线缺陷刃型位错刃型位错是晶体结构中的一种常见的线缺陷，形成于晶体中原子排列的不连续性。螺旋位错螺旋位错是另一种重要的线缺陷，在晶体中形成螺旋形原子排列。位错运动位错在晶体中可以移动，影响材料的机械性能，如强度、韧性等。3.3面缺陷晶界晶界是相邻晶粒之间的界面，是晶体内部的一种二维缺陷。晶界上原子排列不规则，导致晶界处强度降低，但同时晶界可以阻碍位错运动，提高材料的强度。孪晶界孪晶界是晶体内部两部分晶格呈镜像对称的界面，是晶体内部的一种特殊晶界。孪晶界可以增强材料的强度和塑性，但也可能导致材料的脆性。4.扩散与相变扩散是指物质在浓度梯度或化学势梯度驱动下，从高浓度区域向低浓度区域迁移的过程。相变是指材料在一定条件下，从一种结构转变为另一种结构的过程。4.1扩散过程1原子迁移原子在晶格中移动2浓度梯度高浓度区域到低浓度区域3热力学驱动降低系统能量扩散是一个重要的物理现象，在材料科学领域中具有广泛的应用。原子迁移是扩散过程的基础，原子从高浓度区域到低浓度区域的移动，最终导致物质的均匀分布，降低系统的总能量。4.2相变的基本概念1定义相变是指物质在特定条件下，其物理状态或化学结构发生改变的过程。例如，水在不同温度下可以存在于固态（冰）、液态（水）和气态（水蒸气）。2类型相变可以分为第一类相变和第二类相变，它们在热力学性质和结构变化上有区别。例如，水结冰是一个第一类相变，而铁磁性材料在居里温度以上转变为顺磁性则是一个第二类相变。3影响因素影响相变的因素包括温度、压力、成分和外场。例如，加热会使固体物质熔化成液体，而增加压力会使气体液化。4应用相变在材料科学、化学、物理学等领域都有广泛应用。例如，金属的热处理过程利用相变来改变材料的性能。4.3相图及相变分析相图是描述材料中不同相之间的平衡关系的图表。它可以帮助我们预测不同温度和成分下材料的相组成和结构。例如，铁碳合金相图是研究钢铁材料的基础，它可以帮助我们理解不同碳含量和温度下铁碳合金的相变过程，并选择合适的热处理工艺来制备具有特定性能的钢铁材料。相图类型描述内容二元相图两个组元的合金相变关系三元相图三个组元的合金相变关系多元相图多个组元的合金相变关系相变分析是利用相图来理解和预测材料的相变行为，并指导材料的设计和制备。相变分析需要结合材料的成分、温度、压力等因素进行分析。5.金属材料金属材料在现代工业中扮演着至关重要的角色，其优异的机械性能和导电性使其在各个领域得到广泛应用。从日常使用的刀具到高精尖的航空航天器，金属材料无处不在。5.1金属的结构与性能晶体结构金属原子以规则排列形成晶格，形成独特的晶体结构，如面心立方、体心立方等。金属键金属原子之间通过自由电子共享形成金属键，这种键合方式赋予金属高导电性、导热性和延展性等特性。合金化通过添加其他元素，形成合金，可以改善金属的强度、硬度、耐腐蚀性等性能，拓展其应用领域。5.2金属的相变和热处理相变金属材料在温度变化过程中，会发生晶体结构和物理性质的变化，称为相变。热处理通过控制加热和冷却速度，改变金属材料的组织结构和性能，以获得期望的性能。热处理种类包括退火、正火、淬火、回火等，根据不同的工艺参数，获得不同的性能。热处理应用金属材料的热处理应用广泛，例如提高强度、硬度、韧性、可加工性等。5.3金属合金及其应用提高强度和硬度合金可以提高金属的强度和硬度，使其更耐用。例如，碳钢是一种常用的合金，它比纯铁更坚固。改善耐腐蚀性合金可以提高金属的耐腐蚀性，使其在恶劣环境中更耐用。例如，不锈钢是一种耐腐蚀性强的合金，常用于建筑和医疗行业。增强导电性和导热性合金可以改善金属的导电性和导热性。例如，青铜是一种常用的导电材料，用于制造电线和电子元件。降低成本合金可以降低金属的成本，使其更具经济效益。例如，黄铜是一种比纯铜更便宜的合金，常用于制造硬币和管道。6.陶瓷材料陶瓷材料种类繁多，包括氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷等，在工业和生活中应用广泛。6.1陶瓷的结构与性能晶体结构陶瓷材料通常以离子键结合，形成有序的晶体结构。性能陶瓷材料以高硬度、耐高温、耐腐蚀和良好的绝缘性能著称。应用陶瓷材料广泛应用于电子、机械、航空航天等领域。6.2陶瓷的制备工艺1原料准备首先，需要选择合适的陶瓷原料，例如氧化铝、氧化硅、氧化锆等，并进行粉碎、混合、造粒等预处理。2成型根据陶瓷产品的形状和尺寸，采用不同的成型方法，例如压制成型、注浆成型、挤出成型等，将粉末材料加工成所需的形状。3烧结将成型的坯体在高温下进行烧结，使粉末颗粒相互结合，形成致密的陶瓷制品。烧结温度和时间会影响陶瓷产品的性能。4后处理烧结后的陶瓷制品通常需要进行表面处理、抛光、切割等后处理，以达到最终的尺寸和外观要求。6.3先进陶瓷材料先进陶瓷材料是指具有优异的物理、化学和力学性能的陶瓷材料。例如，超高强度陶瓷、超硬陶瓷、耐高温陶瓷、耐腐蚀陶瓷和生物陶瓷等。先进陶瓷材料在航空航天、机械制造、电子信息、生物医学等领域具有广泛的应用。其应用前景十分广阔，是未来材料科学发展的重要方向之一。7.高分子材料高分子材料是由许多小分子通过化学键连接而成的长链状分子，具有优异的机械性能、电性能和热性能，广泛应用于各种工业领域。7.1高分子的结构与性能高分子结构高分子由许多重复的结构单元连接而成。这些单元称为单体。高分子链的排列方式影响着材料的性质。例如，线性结构的聚合物通常具有更高的强度和延展性。高分子性能高分子材料通常具有较低的密度、高强度、良好的耐腐蚀性和绝缘性。它们还具有独特的性能，例如良好的弹性、韧性和抗冲击性。7.2高分子材料的种类与应用塑料常见的塑料种类包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)等。塑料在包装、建筑、电子等行业应用广泛。橡胶天然橡胶和合成橡胶是重要的橡胶材料。橡胶具有良好的弹性和耐磨性，在轮胎、密封材料等方面有广泛应用。纤维合成纤维包括聚酯纤维、尼龙纤维等，具有强度高、耐磨、易于染色等优点。天然纤维包括棉花、羊毛等，具有柔软、吸湿、透气等特点。7.3聚合反应与加工工艺1加成聚合单体分子通过加成反应连接形成高分子链。2缩聚反应单体分子通过缩合反应形成高分子链，同时释放出小分子。3开环聚合环状单体通过开环反应形成高分子链。4接枝聚合将单体接枝到已有的高分子链上。聚合反应是合成高分子材料的关键步骤，不同的聚合反应机制会影响最终产品的性质。高分子材料的加工工艺涉及多种方法，例如挤出、注塑、吹塑等，用于将高分子材料塑造成所需的形状。复合材料复合材料由两种或多种材料组成，每种材料保留其自身特性。复合材料结合了不同材料的优势，创造出性能优于单一材料的全新材料。8.1复合材料的定义和种类定义复合材料是由两种或多种不同材料组成的材料体系，其中一种材料作为基体，另一种材料作为增强剂。种类复合材料可以分为多种类型，如纤维增强塑料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、以及碳纤维增强树脂复合材料等。特点复合材料兼具多种材料的优点，具有高强度、高刚度、轻质、耐腐蚀等特性，在航空航天、汽车、建筑等领域应用广泛。8.2复合材料的结构与性能11.增强相增强相通常是强度高、刚度好的材料，如纤维、颗粒等，增强复合材料的整体性能。22.基体相基体相将增强相结合在一起，并起到传递载荷的作用，