材料科学与工程基础课件introduction

材料科学与工程基础经典课件本课程将带领您探索材料科学与工程的基础知识，涵盖材料的分类、性能、制备工艺、相变、结构与性能以及材料的选择与设计。从宏观到微观，从理论到实践，帮助您全面了解材料科学与工程领域的奥秘。课程简介课程名称材料科学与工程基础课程性质专业基础课程学分3学分授课方式课堂讲授、实验教学、课后讨论课程目标掌握材料科学与工程的基本概念、基本原理和基本方法。了解材料的分类、性能、制备工艺、相变、结构与性能以及材料的选择与设计。培养学生对材料科学与工程的兴趣和学习能力，为后续专业课程学习和工程实践奠定基础。知识体系架构1材料科学基础材料的分类、结构、性能、制备工艺、相变2金属材料金属材料的组织与性能、热处理、塑性变形3陶瓷材料陶瓷材料的结构与性能、制备工艺及应用4高分子材料高分子材料的结构与性能、聚合反应与加工、性能表征与应用5复合材料复合材料的结构与性能、性能预测与应用材料的分类金属材料由金属元素组成的材料，具有良好的导电性、导热性和延展性。陶瓷材料由金属元素和非金属元素组成的材料，具有较高的硬度、耐高温性和耐腐蚀性。高分子材料由有机高分子化合物组成的材料，具有轻质、绝缘、柔韧等特性。复合材料由两种或多种不同材料组合而成，以获得优越的综合性能。金属材料铁广泛应用于建筑、机械、汽车等领域。铜良好的导电性，应用于电线、电缆等领域。铝轻质、耐腐蚀，应用于航空航天、汽车等领域。陶瓷材料1氧化物陶瓷例如氧化铝、氧化锆，具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损等特性。2氮化物陶瓷例如氮化硅、氮化铝，具有高硬度、高强度、耐高温等特性。3碳化物陶瓷例如碳化钨、碳化硅，具有高熔点、高硬度、耐磨损等特性。高分子材料热塑性塑料例如聚乙烯、聚丙烯，可反复加热塑形。热固性塑料例如环氧树脂、酚醛树脂，加热后发生不可逆的化学反应。弹性体例如橡胶，具有弹性，可反复拉伸变形。复合材料增强材料例如纤维、颗粒、片状材料，提高复合材料的强度、刚度、耐热性等。基体材料例如树脂、金属、陶瓷，起到连接增强材料的作用。界面增强材料和基体材料之间的结合层，影响复合材料的性能。材料的性能指标力学性能强度、硬度、韧性、弹性模量等。热学性能熔点、热膨胀系数、热导率等。电磁性能电阻率、介电常数、磁导率等。化学性能耐腐蚀性、化学稳定性等。力学性能1强度材料抵抗破坏的能力。2硬度材料抵抗压痕的能力。3韧性材料抵抗断裂的能力。4弹性模量材料在弹性范围内抵抗形变的能力。热学性能123熔点材料从固态转变为液态的温度。热膨胀系数材料温度变化时体积变化的程度。热导率材料传递热量的能力。电磁性能电阻率材料抵抗电流的能力。介电常数材料储存电荷的能力。磁导率材料被磁化的能力。化学性能耐腐蚀性材料抵抗腐蚀介质的能力。化学稳定性材料在化学反应中保持稳定性的能力。表面性能表面粗糙度：材料表面凹凸起伏的程度。表面能：材料表面原子不饱和键的能量。润湿性：材料表面与液体接触时发生润湿的程度。材料的制备工艺熔融法将材料加热至熔融状态，然后冷却成型。粉末治金将粉末材料压制成型，然后烧结成致密体。化学法利用化学反应合成材料。物理沉积法利用物理过程将材料沉积在基体上。熔融法铸造将熔融金属倒入模具中，冷却凝固成型。锻造利用锤击或压力使金属变形，提高材料的强度和塑性。轧制利用轧辊将金属压成板材或带材。粉末治金粉末制备通过机械粉碎、化学沉淀等方法制备金属粉末。粉末成型将金属粉末压制成型，得到坯体。粉末烧结将坯体在高温下烧结，使粉末颗粒之间相互结合。化学法沉淀法利用化学反应使金属离子沉淀析出。水解法利用金属盐的水解反应制备金属氧化物或氢氧化物。还原法利用还原剂将金属氧化物还原成金属。物理沉积法1真空镀膜在真空中将材料蒸发或溅射到基体上。2离子注入利用离子束将材料原子注入到基体中。3激光烧蚀利用激光束将材料蒸发或溅射到基体上。材料的相变相变是指材料的物理状态或结构发生变化的过程。相变可以是固相到液相、液相到气相、固相到固相等。相变可以是可逆的，也可以是不可逆的。相变的类型固-液相变例如冰融化成水。液-气相变例如水沸腾成水蒸气。固-固相变例如铁在不同温度下晶体结构发生改变。相变动力学1成核新相的形成过程。2生长新相的长大过程。3相变速率相变进行的快慢。相图的绘制与应用相图的绘制根据材料的相变温度和成分绘制相图。相图的应用预测材料的相变过程、控制材料的性能。金属材料的组织与性能晶体结构金属原子在空间排列的规律。晶体缺陷金属晶体结构中存在的各种缺陷。热处理通过加热和冷却处理改变金属的组织结构，从而改变其性能。塑性变形金属在外力作用下发生永久形变的过程。晶体结构晶格金属原子在空间排列的规律性，可以形成不同的晶格类型，例如面心立方、体心立方、密排六方等。晶胞晶格中最小的重复单元。晶向晶格中原子排列方向。晶面晶格中原子排列的平面。晶体缺陷点缺陷晶格中单个原子位置的偏差，例如空位、间隙原子。线缺陷晶格中原子排列的错位，例如刃型位错、螺型位错。面缺陷晶格中原子排列的界面，例如晶界、孪晶界。金属的热处理退火加热到一定温度并保温，然后缓慢冷却，目的是降低材料的硬度，提高其塑性。1淬火加热到一定温度后，迅速冷却，目的是提高材料的硬度，降低其塑性。2回火将淬火后的材料再加热到一定温度并保温，然后冷却，目的是降低材料的硬度，提高其韧性。3塑性变形与回复1塑性变形金属在载荷作用下发生永久形变的过程，会导致材料的强度和硬度提高，塑性降低。2回复在塑性变形后加热，使材料的部分缺陷消失，降低材料的内应力，提高其塑性。陶瓷材料的结构与性能晶体结构陶瓷材料的原子排列方式，可以是离子晶体、共价晶体或混合型晶体。晶界及缺陷陶瓷晶体之间的界面，以及晶体结构中存在的各种缺陷，对陶瓷材料的性能有重要影响。电子结构与性能陶瓷材料的电子结构决定了其化学性能、电学性能、光学性能等。制备工艺及应用陶瓷材料的制备工艺多种多样，应用领域广泛，例如耐火材料、电子陶瓷、结构陶瓷等。晶体结构离子晶体：由金属阳离子和非金属阴离子通过静电引力结合而成，例如氧化铝、氧化镁。共价晶体：由非金属原子之间通过共用电子对结合而成，例如二氧化硅、金刚石。混合型晶体：由离子键和共价键共同作用形成的晶体，例如氮化硅、碳化硅。晶界及缺陷晶界陶瓷晶体之间的界面，影响陶瓷材料的强度、韧性、耐高温性等。点缺陷陶瓷晶体中单个原子位置的偏差，例如空位、间隙原子。线缺陷陶瓷晶体中原子排列的错位，例如刃型位错、螺型位错。电子结构与性能能带理论解释陶瓷材料的电学、光学性能。电子结构陶瓷材料的电子结构决定了其化学性能、电学性能、光学性能等。制备工艺及应用1粉末制备通过机械粉碎、化学沉淀等方法制备陶瓷粉末。2粉末成型将陶瓷粉末压制成型，得到坯体。3烧结将坯体在高温下烧结，使粉末颗粒之间相互结合。4应用领域耐火材料、电子陶瓷、结构陶瓷等。高分子材料的结构与性能分子结构高分子材料是由许多重复的结构单元组成的长链分子，其结构决定了材料的性能。热塑性与热固性热塑性塑料可以反复加热塑形，而热固性塑料加热后发生不可逆的化学反应，无法再塑形。聚合反应与加工高分子材料的制备过程，包括聚合反应和加工成型过程。性能表征与应用高分子材料的性能可以通过各种测试方法来表征，其应用领域非常广泛，例如包装、建筑、汽车、航空航天等。分子结构1链结构高分子链可以是直链、支链、环状等。2链段高分子链的结构单元之间通过化学键连接。3分子量高分子链的平均分子量，影响材料的强度、韧性等。热塑性与热固性热塑性塑料加热后软化，冷却后固化，可反复加热塑形，例如聚乙烯、聚丙烯。热固性塑料加热后发生不可逆的化学反应，形成固态网络结构，无法再塑形，例如环氧树脂、酚醛树脂。聚合反应与加工聚合反应将单体分子通过化学反应连接成高分子链的过程。加工成型将聚合物熔融或溶解后，通过模具或其他方法成型。性能表征与应用拉伸强度、弯曲强度、冲击强度、硬度、熔点、玻璃化转变温度等。包装、建筑、汽车、航空航天等。复合材料的结构与性能复合材料的定义由两种或多种不同材料组合而成，以获得优越的综合性能。增强材料例如纤维、颗粒、片状材料，提高复合材料的强度、刚度、耐热性等。基体材料例如树脂、金属、陶瓷，起到连接增强材料的作用。界面增强材料和基体材料之间的结合层，影响复合材料的性能。复合材料的定义复合材料由两种或多种不同材料组成，每种材料保持其自身特性。复合材料的性能优于组成材料的简单叠加，展现出协同效应。复合材料的结构设计灵活，可以根据需要调整材料的成分和结构，以满足不同的性能要求。纤维增强复合材料纤维例如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维，具有高强度、高模量、耐高温等特性。基体例如树脂、金属、陶瓷，将纤维固定并提供整体结构。界面纤维和基体之间的结合层，影响复合材料的性能。层状复合材料1层板由增强材料和基体材料组成的薄层，可以是单向的或多向的。2层间结合层板之间通过粘合剂或其他方式结合，形成层状复合材料。3性能层状复合材料具有良好的抗弯强度、抗剪强度、抗冲击强度等。性能预测与应用性能预测通过理论计算和实验测试预测复合材料的性能。应用领域航空航天、汽车、船舶、建筑、体育器材等。材料的选择与设计性能需求分析明确材料需要满足的性能指标。材料选择原则根据性能需求选择合适的材料，考虑材料的成本、可加工性、环保性等因素。材料设计方法通过改变材料的结构、成分、制备工艺等来设计符合性能要求的材料。案例分析通过具体案例分析材料的选择与设计过程。性能需求分析强度、硬度、韧性、弹性模量、耐高温性、耐腐蚀性、耐磨损性等。电阻率、介电常数、磁导率、光学性能等。加工性、成本、环保性等。材料选择原则性能优先选择能够满足性能需求的材料，优先考虑性能指标。成本控制选择成本合理的材料，考虑材料的采购成本、加工成本等。可加工性选择易于加工成型的材料，考虑材料的加工工艺、加工设备等。环保性选择环保的材料，考虑材料的生产、使用、回收等环节对环境的影响。材料设计方法材料模拟利用计算机模拟材料的结构和性能，预测材料的性能。实验验证通过实验验证材料的性能，优化材料的设计。性能测试对材料进行各种性能测试，确保材料能够满足性能要求。案例分析1案例1航空航天材料的设计与选择。2案例2新能源汽车材料的设计与选择。3案例3生物医用材料的设计与选择。课程总结知识要点回顾本课程主要介绍了材料科学与工程的基础知识，包括材料的分类、性能、制备工艺、相变、结构与性能以及材料的选择与设计。重点难点解析课程中的一些重点难点，例如相图的绘制与应用、金属的热处理、陶瓷材料的电子结构与性能、复合材料的性能预测等。未来发展趋势材料科学与工程领域不断发展，未来将会出现更多新型材料，例如纳米材料、生物材料、智能材料等。知识要点回顾材料的分类：金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料。材料的性能指标：力学性能、热学性能、电磁性能、化学性能、表面性能。材料的制备工艺：熔融法、粉末治金、化学法、物理沉积法。材料的相变：相变的类型、相变动力学、相图的绘制与应用。材料的选择与设计：性能需求分析、材料选择原则、材料设计方法。重点难点解析相图相图的绘制和应用是材料科学与工程的重要内容，需要掌握不同类型相图的绘制方法，并能根据相图预测材料的相变过程和控制材料的性能。热处理金属的热处理是改变金属材料组织结构，从而改变其性能的