【大学课件】材料科学基础

材料科学基础材料科学是研究材料的组成、结构、性质和性能的学科。它涵盖了从金属和陶瓷到聚合物和复合材料的广泛领域。什么是材料科学？研究物质材料科学研究物质的组成、结构、性能和应用之间的关系。探索特性它探索各种材料的特性，包括力学、热学、电学、磁学和光学性能。开发新材料材料科学致力于开发具有特定性能的新型材料，以满足各种工程和技术需求。材料的分类金属材料金属材料通常具有良好的导电性、导热性和延展性，广泛应用于建筑、制造、电子等领域。陶瓷材料陶瓷材料通常具有高硬度、耐高温和耐腐蚀性，广泛应用于电子、航空航天、医疗等领域。高分子材料高分子材料通常具有轻质、易加工、耐腐蚀和绝缘性能，广泛应用于包装、汽车、电子等领域。复合材料复合材料通常是由两种或多种材料组合而成，可以结合不同材料的优点，实现更优异的性能。金属材料强度高金属材料通常具有很高的强度和硬度，能够承受较大的负荷和压力，使其成为结构材料的理想选择。延展性好金属材料具有良好的延展性，可以被塑造成各种形状，这使得它们能够满足不同的设计要求。导电导热性强金属材料是良好的导电体和导热体，这使得它们在电子和热能应用中发挥重要作用。陶瓷材料耐高温陶瓷材料具有很高的熔点，能够承受高温环境，因此常用于高温应用，如耐火材料和高温炉衬。耐腐蚀陶瓷材料对许多化学物质具有良好的耐腐蚀性，因此可用于制造化学反应器、管道和容器。高硬度陶瓷材料具有很高的硬度，能够耐磨损，因此常用于制造刀具、轴承和磨料。高分子材料塑料由单体通过聚合反应形成的大分子化合物，具有柔韧性、可塑性、绝缘性等特点。橡胶具有高弹性和耐磨性，广泛应用于轮胎、密封件等。纤维由长链状聚合物分子构成，具有柔软、耐用、吸湿性等特点，用于纺织品、服装等。复合材料两种或多种材料组合复合材料由两种或多种材料组合而成，以获得优于单一材料的性能。增强材料和基体材料复合材料通常由增强材料和基体材料组成。增强材料提供强度和刚度，而基体材料则将增强材料结合在一起。广泛的应用领域复合材料在航空航天、汽车、建筑和电子等多个领域得到广泛应用。材料的结构材料的结构决定了材料的性能，是材料科学研究的重要内容之一。原子结构原子是构成物质的基本单元，原子核周围有电子层，电子层上的电子决定了原子的化学性质。晶体结构固态物质的原子按照一定的规律排列形成晶体结构，晶体结构对材料的性能有重要影响。原子结构原子是构成物质的基本单元，由带正电的原子核和带负电的电子构成。原子核由质子和中子组成，质子带正电，中子不带电。电子绕着原子核运动，其运动轨迹称为电子轨道。晶体结构晶体结构是指晶体中原子、离子或分子在空间中的排列方式。晶体结构是材料最重要的结构特征之一，它决定了材料的许多物理和化学性质，例如强度、硬度、熔点、导电性等。晶格缺陷点缺陷空位、间隙原子、杂质原子等，影响材料的力学性能、电学性能和热学性能。线缺陷位错，是晶体中原子排列的局部不规则，影响材料的强度、延展性和塑性。面缺陷晶界、孪晶界、堆垛层错等，影响材料的强度、韧性和断裂性能。材料的微观结构观察1光学显微镜观察材料的表面形貌和微观结构2扫描电子显微镜获得材料的表面形貌、成分和结构信息3透射电子显微镜观察材料的内部结构和缺陷X射线衍射晶格结构分析X射线衍射可以用来分析材料的晶格结构，例如晶格常数、晶胞类型和晶体取向。材料识别通过分析X射线衍射图样，可以确定材料的成分和相组成。扫描电子显微镜扫描电子显微镜(SEM)是一种用于观察材料微观结构的高分辨率成像技术。SEM通过聚焦电子束扫描样品表面，并通过检测从样品表面发射的次级电子信号来生成图像。SEM可以提供样品表面形貌、元素组成和晶体结构等信息。透射电子显微镜透射电子显微镜(TEM)利用电子束穿透样品并形成图像，可以观察到材料的微观结构，例如晶体结构、晶界、缺陷等。TEM的分辨率比光学显微镜高得多，可以达到纳米级，因此可以观察到更细微的结构特征。材料的物理性能材料的物理性能是指材料在各种物理作用下的响应行为，是材料的重要特性之一，影响着材料的应用范围和使用寿命。力学性能材料在力学作用下的表现，例如强度、硬度、韧性、弹性等。热学性能材料在温度变化下的表现，例如热膨胀系数、熔点、导热系数等。力学性能强度材料抵抗断裂的能力，反映材料承受外力而不发生破坏的能力。硬度材料抵抗表面压痕或划伤的能力，反映材料表面抵抗变形或破坏的能力。韧性材料吸收能量而不发生断裂的能力，反映材料抵抗冲击或断裂的能力。热学性能材料在热量作用下的响应。包括熔点、沸点、热膨胀系数、比热容等。影响材料的耐热性、导热性、热稳定性等。电学性能导电性材料传输电流的能力。电阻率材料抵抗电流流动的能力。介电常数材料储存电荷的能力。磁学性能磁化强度材料在磁场作用下所能获得的磁化程度，反映材料的磁性强弱。磁导率材料在磁场中对磁力的响应程度，反映材料对磁场的敏感程度。矫顽力使材料的磁化强度降为零所需的磁场强度，反映材料抵抗磁场变化的能力。光学性能折射率材料对光线弯曲的程度，决定了光线在材料中的传播方向。透光率光线通过材料的比例，影响材料的透明度和光泽度。反射率光线被材料反射的比例，影响材料的表面颜色和光泽度。吸收率光线被材料吸收的比例，影响材料的颜色和透明度。材料的制备方法熔融凝固将材料加热至熔融状态，然后冷却固化，形成所需的形状。粉末冶金将金属粉末或非金属粉末压制成型，然后在高温下烧结，制成所需材料。熔融凝固铸造将金属熔化后倒入模具中，冷却后得到所需形状的金属制品。结晶金属熔体冷却过程中，原子排列发生变化，形成晶体结构。凝固金属熔体冷却到凝固点以下，完全转变为固态。机械加工切削加工使用刀具切削材料，改变材料的形状、尺寸或表面粗糙度。塑性加工通过施加外力，使材料发生塑性变形，改变材料的形状或尺寸。表面处理对材料表面进行处理，改善材料的耐腐蚀性、耐磨性或外观。化学沉积1化学反应在特定温度下，气态反应物在基材表面发生化学反应，形成固态薄膜。2薄膜生长沉积的薄膜可以控制厚度，并根据应用需求调整材料特性。3广泛应用适用于电子、光学、涂层等领域，可制备高性能材料。气相沉积薄膜沉积在基板上沉积一层薄膜，用于改善材料的表面性质。等离子体增强化学气相沉积通过等离子体激发气体分子，提高反应效率，适用于更复杂的材料。原子层沉积逐层沉积原子，实现精确的薄膜厚度和成分控制。材料的性能测试材料性能测试是评估材料在特定应用条件下的性能和可靠性的关键步骤，它在材料选择和应用中至关重要。拉伸试验测量材料的抗拉强度、屈服强度和断裂伸长率。硬度测试评估材料抵抗局部变形的能力。冲击试验测试材料在突然冲击载荷下的抗冲击性能。拉伸试验力学性能测试拉伸试验是一种常用的力学性能测试方法，可以测定材料的强度、韧性、弹性等性能。原理通过对试样施加单向拉伸载荷，测定试样在不同载荷下的变形，从而得到材料的力学性能参数。应用拉伸试验广泛应用于金属、塑料、陶瓷等材料的力学性能测试，为材料的选择和应用提供依据。硬度测试定义硬度测试是一种评估材料抵抗局部变形的能力的测试方法。它通常通过压入器在材料表面施加一定的力来测量。常用方法布氏硬度测试洛氏硬度测试维氏硬度测试肖氏硬度测试冲击试验测量材料抵抗冲击载荷的能力。通过观察材料断裂时的能量吸收量。评估材料的韧性和抗冲击性。材料的选择与应用材料的选择与应用是材料科学的重要组成部分。选择合适的材料，可以使产品性能更优越，成本更低，使用寿命更长。在实际应用中，需要综合考虑材料的性能、成本、加工工艺等因素，选择最合适的材料。金属材料的应用建筑钢铁是现代建筑的主要结构材料，用于桥梁、高楼、建筑框架等。交通汽车、飞机、火车、轮船等交通工具广泛使用金属材料，例如铝合金、钢材。电子金属材料用于电子设备的各种部件，例如芯片、电路板、连接器。能源金属材料在能源领域发挥重要作用，例如发电厂的锅炉、管道、风力发电机的叶片。陶瓷材料的应用耐高温陶瓷材料具有优异的耐高温性能，可用于高温工业炉、陶瓷燃烧器等。耐腐蚀陶瓷材料的化学稳定性高，不易被腐蚀，可用于化学反应器、管道等。耐磨损陶