【大学课件】材料科技

材料科技什么是材料科技研究材料科技是研究材料的组成、结构、性能和应用的一门科学和技术领域。探索它探索材料的微观结构如何影响其宏观性能，并开发新的材料和工艺以满足人类的需求。关键材料科技是现代科技进步的基础，它与许多领域息息相关，例如电子、能源、航空航天等。材料科技的发展历程古代人类使用材料的历史可以追溯到石器时代。近代随着工业革命的兴起，材料科技取得了重大进展。现代现代材料科技正在不断发展，新材料层出不穷。材料科学与材料工程的关系材料科学研究材料的结构、性能和加工过程，以及它们之间的关系材料工程应用材料科学原理设计、制造和应用新材料，并解决工程问题相互依存材料科学为材料工程提供理论基础，材料工程推动材料科学发展材料学科的构成基础学科物理学、化学、数学等基础学科为材料学科提供理论基础和研究方法。材料科学研究材料的组成、结构、性能和加工之间的关系，以及材料的制备、改性和应用。材料工程将材料科学的研究成果应用到实际生产中，设计、制造和应用各种材料，解决实际问题。材料的基本性能强度材料抵抗外力破坏的能力，如抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等。硬度材料抵抗表面压痕的能力，如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。弹性材料在外力作用下发生形变后，去除外力能恢复原状的能力。材料的分类金属材料由金属元素或金属间化合物组成的材料，具有高强度、延展性、导电性和导热性等特点。陶瓷材料由金属和非金属元素组成的无机非金属材料，具有高硬度、耐高温、耐腐蚀等特点。高分子材料由高分子化合物组成的材料，具有轻质、耐腐蚀、易加工等特点。复合材料由两种或两种以上材料组合而成的材料，具有多种性能的优点。金属材料金属材料是人类最早使用的材料之一，具有强度高、延展性好、导电导热性强等优点，广泛应用于建筑、机械、电子、航空航天等领域。常见的金属材料包括铁、铝、铜、金、银、铂等。近年来，新型金属材料不断涌现，如耐高温合金、形状记忆合金、超导合金等，为材料科技的发展注入了新的活力。陶瓷材料陶瓷材料是由金属和非金属元素组成的无机非金属材料。它们通常具有高硬度、耐高温、耐腐蚀等优异性能，广泛应用于工业、建筑、电子、航空航天等领域。常见的陶瓷材料包括氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷等。氧化物陶瓷，例如氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、氧化镁陶瓷，具有优异的耐高温、耐腐蚀性能，广泛应用于高温炉、耐磨零件、电子器件等。高分子材料塑料由石油或天然气提炼而成，具有轻便、耐腐蚀、易加工等优点，广泛应用于包装、建筑、汽车等领域。橡胶由天然橡胶或合成橡胶制成，具有弹性好、耐磨、耐油等特点，用于轮胎、密封件、绝缘材料等。纤维以天然纤维（如棉花、羊毛）或合成纤维（如尼龙、涤纶）为原料，具有吸湿性好、透气性好、耐用等特点，用于纺织、服装、工业制品等。复合材料复合材料是由两种或多种不同材料组成的材料，它们相互结合在一起，形成具有优异性能的整体材料。复合材料的性能优于单一材料，并且具有多种优越性，如高强度、高刚度、耐腐蚀、耐高温、轻质等。复合材料在航空航天、汽车、建筑、电子等领域得到广泛应用。先进材料先进材料是指具有优异性能的材料，例如高强度、高韧性、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳、轻质、多功能等。先进材料的应用领域非常广泛，包括航空航天、能源、电子、生物医学、环境保护等。材料的原子结构原子核原子核由质子和中子组成，决定了原子的种类和质量。电子云电子在原子核外以一定的规律运动，形成电子云，参与化学反应。材料的晶体结构原子以周期性的方式排列形成晶格晶格具有三维周期性结构晶体具有确定的熔点和几何形状材料的缺陷点缺陷原子在晶格中的空位或间隙原子。线缺陷晶格中的一维缺陷，例如位错。面缺陷晶格中二维缺陷，例如晶界或孪晶界。体缺陷晶格中三维缺陷，例如孔洞或裂纹。材料的相变固态原子排列紧密，以固定的模式振动。液态原子排列不规则，原子可以自由移动。气态原子排列非常稀疏，原子可以自由运动。材料的相图相图是表示物质在不同温度、压力等条件下存在的相态和相互关系的图形。它可以帮助我们理解材料在不同条件下的相变过程、相平衡状态以及材料的性能变化。相图中包含了材料的相变温度、相组成、相平衡关系等信息。例如，金属材料的相图可以告诉我们不同温度下金属的固态相、液态相和气态相的范围，以及不同温度下金属合金的相组成和相平衡关系。材料的强化机理改变材料的微观结构,比如晶粒细化,增加位错密度等。添加合金元素,形成固溶体或第二相,提高材料的强度和硬度。热处理,通过控制加热和冷却速度,改变材料的相组成和微观结构。材料的力学性能强度材料在断裂前所能承受的最大应力。分为抗拉强度、抗压强度、抗剪强度等。韧性材料断裂前吸收能量的能力。韧性高的材料，断裂前能吸收更多能量。硬度材料抵抗外力压入或刻划的能力。硬度高的材料，更不容易被压入或刻划。材料的热学性能热导率材料传导热量的能力，影响热量传递效率和温度分布。比热容材料升高单位温度所需的热量，影响材料的温度变化速率。热膨胀系数材料温度变化导致体积变化的程度，影响材料在热应力下的稳定性。熔点材料从固态转变为液态的温度，影响材料在高温环境下的适用性。材料的电学性能1导电性材料允许电流通过的能力，例如铜和银是良好的导体。2电阻率材料抵抗电流流动的能力，例如橡胶和玻璃是良好的绝缘体。3介电常数材料储存电荷的能力，例如陶瓷和塑料具有较高的介电常数。材料的磁学性能铁磁性铁磁性材料具有强磁性，如铁、钴、镍。顺磁性顺磁性材料在磁场中会被弱磁化，如铝、铂。抗磁性抗磁性材料在磁场中会被弱磁化，但磁化方向与磁场方向相反，如金、水。材料的光学性能折射率光线通过材料时弯曲的程度，影响光的传播方向。透光率材料允许光线通过的程度，决定材料的透明度和不透明度。反射率光线从材料表面反射的程度，影响材料的表面光泽度。吸收率材料吸收光线的程度，影响材料的颜色和光学特性。材料的腐蚀和防护腐蚀材料与周围环境发生化学或电化学反应，导致材料的破坏防护通过表面处理、涂层等方法，阻止或减缓材料的腐蚀措施选择耐腐蚀材料、改变环境条件、采用防护措施材料的成型加工1铸造将熔融金属或合金浇入模具中，冷却凝固成型2锻造利用锤击或压力使金属材料变形3焊接利用热或压力使金属材料连接在一起4粉末冶金将金属粉末压制成型并烧结5切削加工用刀具切除材料，形成零件材料的新技术纳米材料纳米材料具有独特的物理和化学性质，例如高强度、高导电性、高表面积和高催化活性，在电子、能源、医疗等领域具有广阔应用前景。生物材料生物材料是与生物体有良好相容性的材料，可用于人工器官、组织工程、药物传递等领域，为人类健康和生命科学发展提供新的可能性。智能材料智能材料能够感知外界环境的变化并做出相应的响应，例如形状记忆合金、光敏材料和电致变色材料，为制造更智能化的产品提供了新的途径。材料的环境和能源应用1可再生能源材料太阳能电池板、风力涡轮机叶片等材料用于可再生能源的开发利用，促进能源的可持续发展。2环境友好材料生物降解塑料、环保涂料等材料能够减少环境污染，促进生态平衡。3节能材料高性能保温材料、节能玻璃等材料能够提高能源效率，降低能源消耗。材料的生物医学应用心脏瓣膜生物材料可以用于制造人工心脏瓣膜，以替代受损的心脏瓣膜，改善患者的生活质量。骨骼修复生物材料可以用于制造骨骼修复材料，用于修复骨折或骨缺损，促进骨骼再生。药物载体生物材料可以用于制造药物载体，将药物输送到特定部位，提高治疗效果，降低副作用。材料的智能化应用自修复材料能够自行修复损伤的材料，延长使用寿命并减少维护需求。形状记忆合金能够在特定温度下恢复到预设形状的材料，广泛应用于航空航天、医疗器械等领域。传感器材料能够感知环境变化并做出相应反应的材料，如压力、温度、光线等。材料科技的发展趋势1智能化材料的智能化是未来发展的重要方向，例如自