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1、1材料科学导论材料科学导论Introduction2一、材料和材料科学一、材料和材料科学1. 材料的定义材料的定义v材料是人类社会所能接受的、可经济地制造有材料是人类社会所能接受的、可经济地制造有用物品的物质，包括用物品的物质，包括天然材料天然材料和和人工材料人工材料v材料是物质，但不是所有物质都可以称为材料材料是物质，但不是所有物质都可以称为材料v如燃料和化学原料、工业化学品、食物和药物，如燃料和化学原料、工业化学品、食物和药物，一般都不算是材料一般都不算是材料3“材料科学材料科学”的提出要追溯到的提出要追溯到20世纪世纪50年代年代末。末。1957年年10月月4日和日和11月月3日苏联发射
2、两颗人造日苏联发射两颗人造卫星，分别重卫星，分别重80千克和千克和500千克。千克。1958年年1月月31日美国发射日美国发射“探测者探测者1号号”人造人造卫星仅卫星仅8千克。千克。对此美国有关部门联合向美国总统提出报告，对此美国有关部门联合向美国总统提出报告，认为美国在先进材料的研究方面落后于苏联是关认为美国在先进材料的研究方面落后于苏联是关键。键。2. 材料科学与工程学科材料科学与工程学科41958年年3月月15日，美国总统艾森豪威尔通过日，美国总统艾森豪威尔通过科学顾问委员会发布科学顾问委员会发布“全国材料规划全国材料规划”，决定在，决定在12所大学成立所大学成立材料研究实验室材料研究实
3、验室。在其后的十年里，美国在十多所大学中陆续在其后的十年里，美国在十多所大学中陆续建立了建立了材料科学研究中心材料科学研究中心，并把约，并把约2/3大学的冶大学的冶金系或矿冶系改建成了冶金材料科学系或材料科金系或矿冶系改建成了冶金材料科学系或材料科学与工程系。学与工程系。从此，从此，“材料科学材料科学”这个名词便开始流行。这个名词便开始流行。5“材料科学材料科学”所包括的内容往往被理解为研所包括的内容往往被理解为研究材料的组织、结构与性质的关系，探索自然规究材料的组织、结构与性质的关系，探索自然规律，这属于基础研究。律，这属于基础研究。实际上，材料是面向实际、为经济建设服务实际上，材料是面向实
4、际、为经济建设服务的，是一门应用科学，研究与发展材料的目的在的，是一门应用科学，研究与发展材料的目的在于应用，而材料又必须通过合理的工艺流程才能于应用，而材料又必须通过合理的工艺流程才能制备出具有实用价值的材料来，通过批量生产才制备出具有实用价值的材料来，通过批量生产才能成为工程材料。能成为工程材料。所以，在所以，在“材料科学材料科学”这个名词出现后不久，这个名词出现后不久，就提出了就提出了“材料科学与工程材料科学与工程”工程是指研究工程是指研究材料在制备过程中的工艺和工程技术问题。材料在制备过程中的工艺和工程技术问题。6材料科学与工程学科分类材料科学与工程学科分类v材料科学：材料科学：是一门
5、研究材料成分、结构、组织是一门研究材料成分、结构、组织和性能以及它们之间关系的科学。和性能以及它们之间关系的科学。目的在于经济地、而又为社会所能接受地控目的在于经济地、而又为社会所能接受地控制材料的结构、性能和形状，生产出的一个安全制材料的结构、性能和形状，生产出的一个安全而有效的构件。而有效的构件。 核心是建立结构核心是建立结构-性能的关系。性能的关系。v材料工程：材料工程：是工程中的一个领域，包括从材料是工程中的一个领域，包括从材料设计、选用、加工、工艺、质量控制与检测到设计、选用、加工、工艺、质量控制与检测到工程应用及失效分析全过程。工程应用及失效分析全过程。7材料科学具有材料科学具有
6、“研究为什么研究为什么”的性质的性质材料科学为材料工程提供设计依据，为更好地选材料科学为材料工程提供设计依据，为更好地选择材料、使用材料、发展新材料提供理论基础。择材料、使用材料、发展新材料提供理论基础。材料工程具有材料工程具有 “解决怎样做解决怎样做”的性质的性质材料工程为材料科学提供丰富的研究课题和物质材料工程为材料科学提供丰富的研究课题和物质基础。基础。材料科学和材料工程紧密联系，它们之间没材料科学和材料工程紧密联系，它们之间没有明显的界线；在解决实际问题中，不能将科学有明显的界线；在解决实际问题中，不能将科学因素和工程因素独立考虑。因素和工程因素独立考虑。8材料科学材料科学设备设备工艺
7、工艺结构结构性能性能构件行为构件行为材料工程材料工程材料科学与工程是研究有关材料的成分、结材料科学与工程是研究有关材料的成分、结构和制造工艺与其性能和使用性能间相互关系的构和制造工艺与其性能和使用性能间相互关系的知识及这些知识的应用，是一门知识及这些知识的应用，是一门应用基础科学应用基础科学。9材料科学与工程的四要素材料科学与工程的四要素五要素新说：五要素新说：加入加入环境要素环境要素，强调材料研究人员，强调材料研究人员必须考虑必须考虑材料的循环利用材料的循环利用和和降低对环境的影响降低对环境的影响，达到可持续发展的目的。达到可持续发展的目的。10 材料在工农业生产、国防、科学技术、人民生材料
8、在工农业生产、国防、科学技术、人民生活等各个领域无处不在，无处不有，是活等各个领域无处不在，无处不有，是国民经国民经济的物质基础济的物质基础 使用材料品种、数量、质量使用材料品种、数量、质量一个国家现代化一个国家现代化程度标志之一程度标志之一 20世纪世纪70年代，人们把材料科学与能源科学和年代，人们把材料科学与能源科学和信息科学并列，称作信息科学并列，称作现代文明的三大支柱现代文明的三大支柱 20世纪世纪80年代，又把年代，又把新材料技术、信息技术、新材料技术、信息技术、生物技术作为生物技术作为新技术革命的主要标志新技术革命的主要标志3. 材料及材料科学的重要性材料及材料科学的重要性11二、
9、材料的分类二、材料的分类v用用 途：途：结构材料、功能材料结构材料、功能材料v结晶状态：结晶状态：单晶材料、多晶材料、非晶态材料单晶材料、多晶材料、非晶态材料v几何形态：几何形态：三维材料、二维材料、一维材料和三维材料、二维材料、一维材料和零维材料零维材料v使用领域：使用领域：建筑材料、电子材料、医用材料、建筑材料、电子材料、医用材料、仪表材料、能源材料等仪表材料、能源材料等v组成与结合键属性：组成与结合键属性：金属材料、无机非金属材金属材料、无机非金属材料、高分子材料、（复合材料）料、高分子材料、（复合材料）12金属材料分类金属材料分类v最高价氧化物的颜色：最高价氧化物的颜色：黑色金属（铁、
10、铬、黑色金属（铁、铬、锰）、有色金属锰）、有色金属v工程应用上的分类：工程应用上的分类：钢铁（钢和铸铁）、有色钢铁（钢和铸铁）、有色金属（非铁金属）金属（非铁金属）v密度：密度：重金属（重金属（4.5g/cm3）、轻金属）、轻金属v熔点：熔点：低熔点金属（低熔点金属（700）、难熔金属）、难熔金属v储量和价值：储量和价值：稀有金属、贵重金属稀有金属、贵重金属13普通陶瓷的分类普通陶瓷的分类14三、材料与人类文明三、材料与人类文明 材料的发展史，就是材料的发展史，就是人类社会的发展史人类社会的发展史 材料的发展史，就是材料的发展史，就是科学技术的发展史科学技术的发展史 历史学家根据历史学家根据当
11、时所使用的最重要材料来命名当时所使用的最重要材料来命名早期早期人类时代（如：人类时代（如：石器、青铜、铁器时代石器、青铜、铁器时代）15材料的发展水平和利用程度已成为材料的发展水平和利用程度已成为人类文明人类文明进步的标志进步的标志。161. 石器时代（石器时代（Stone Age） 包括竹、木、骨、牙、皮、毛、石等材料包括竹、木、骨、牙、皮、毛、石等材料 自然界当中大量存在，人类可以直接从自然当自然界当中大量存在，人类可以直接从自然当中获取中获取 经过比较简单的加工就可以为人类所利用经过比较简单的加工就可以为人类所利用（1）天然材料）天然材料17典型的天然材料典型的天然材料石器石器人类的祖先
12、用坚硬的容易纵裂成薄片的燧石人类的祖先用坚硬的容易纵裂成薄片的燧石和石英石等天然材料制成石刀、石斧、石锄等。和石英石等天然材料制成石刀、石斧、石锄等。石刀石刀石斧石斧18西安半坡遗址出土的石器西安半坡遗址出土的石器19陶器是由粘土或以粘土、长石、石英等为主陶器是由粘土或以粘土、长石、石英等为主的混合物，经成型、干燥、烧制（烧制温度低于的混合物，经成型、干燥、烧制（烧制温度低于1200）而成的制品的总称。）而成的制品的总称。约约50万年前人类学会了用火。万年前人类学会了用火。公元前公元前6000年年公元前公元前5000年，我国境内的年，我国境内的原始人开始用火烧制成陶器。原始人开始用火烧制成陶器
13、。陶土可塑性强，可以获得人们希望形状的器陶土可塑性强，可以获得人们希望形状的器物。物。（2）陶器）陶器20西安半坡遗址出土的陶器西安半坡遗址出土的陶器21陶器出现的意义陶器出现的意义 陶器的出现，使蒸煮食物更为方便，促进人类陶器的出现，使蒸煮食物更为方便，促进人类进化进化 陶俑的出现，代替了以人殉葬的野蛮做法陶俑的出现，代替了以人殉葬的野蛮做法 人类第一次有意识地创造发明了自然界没有的，人类第一次有意识地创造发明了自然界没有的，并且全新性能的并且全新性能的“新新”材料材料22（3）瓷器）瓷器中国文化的象征中国文化的象征我国是最早生产瓷器的国家，东汉时期发明我国是最早生产瓷器的国家，东汉时期发明
14、了瓷器。了瓷器。于于9世纪传到非洲东部和阿拉伯国家，世纪传到非洲东部和阿拉伯国家，13世世纪传到日本，纪传到日本，15世纪传到欧洲。世纪传到欧洲。瓷器成为中国文化的象征，对世界文明产生瓷器成为中国文化的象征，对世界文明产生了极大的影响。了极大的影响。23什么什么是是瓷器瓷器？在设计陶瓷配方时，根据使用要求，加入了在设计陶瓷配方时，根据使用要求，加入了较多的熔剂原料，并且配方中所使用的原料在焙较多的熔剂原料，并且配方中所使用的原料在焙烧过程中所产生的气体也较少，这样焙烧后产生烧过程中所产生的气体也较少，这样焙烧后产生的空洞少，有足够的玻璃相物质填充，制品形成的空洞少，有足够的玻璃相物质填充，制品
15、形成的气孔较少，这种吸水率小于的气孔较少，这种吸水率小于0.5%的陶瓷称的陶瓷称瓷瓷器器。另外，瓷器一般另外，瓷器一般表面有釉表面有釉，也是属于烧制产，也是属于烧制产生的玻璃质物质。生的玻璃质物质。24青花瓷器青花瓷器以钴的化合物为发色剂，绘制在烧以钴的化合物为发色剂，绘制在烧制过的胎体上，挂釉后再经过一次烧制而最终完制过的胎体上，挂釉后再经过一次烧制而最终完成。成。252. 青铜时代（青铜时代（Bronze Age）青铜即铜锡合金，其冶炼温度较低，制作器青铜即铜锡合金，其冶炼温度较低，制作器具的成型性好，是人类最早大规模利用的金属材具的成型性好，是人类最早大规模利用的金属材料。料。我国青铜的
16、冶炼在公元前我国青铜的冶炼在公元前21401711年开始。年开始。殷、西周时期已发展到很高的水平。殷、西周时期已发展到很高的水平。26河南安阳殷墟出土的河南安阳殷墟出土的司母戊鼎司母戊鼎（重量（重量857kg，迄今为止世界上最古老的大型青，迄今为止世界上最古老的大型青铜器）铜器）27青铜人头像青铜人头像（四川广汉（四川广汉三星堆遗址三星堆遗址出土）出土）28世界上最古老的青铜成分的文字记载：春秋世界上最古老的青铜成分的文字记载：春秋战国时期战国时期周礼周礼考工记考工记。中国的先人已经认识到了青铜的成分、性能中国的先人已经认识到了青铜的成分、性能与应用之间的密切关系。与应用之间的密切关系。六分其
17、金而锡居一，谓之钟鼎之齐（剂）；六分其金而锡居一，谓之钟鼎之齐（剂）；五分其金而锡居一，谓之斧斤之齐；五分其金而锡居一，谓之斧斤之齐；四分其金而锡居一，谓之戈戟之齐；四分其金而锡居一，谓之戈戟之齐；三分其金而锡居一，谓之大刃之齐；三分其金而锡居一，谓之大刃之齐；五分其金而锡居二，谓之削杀矢之齐；五分其金而锡居二，谓之削杀矢之齐；金、锡半，谓之鉴燧之齐。金、锡半，谓之鉴燧之齐。29湖北江陵楚墓出土湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑越王勾践宝剑，此剑锋芒，此剑锋芒犀利，寒光闪闪。犀利，寒光闪闪。经分析测定，剑身含锡低（经分析测定，剑身含锡低（10%），韧性好），韧性好而不易折断；刃部含锡高（而不易折断；
18、刃部含锡高（20%），刚而锋利。），刚而锋利。这种这种复合金属制造技术复合金属制造技术其他国家直到近代才掌握。其他国家直到近代才掌握。303. 铁器时代（铁器时代（Iron Age）春秋战国时期春秋战国时期（公元前（公元前770年年公元前公元前221年）年）发发明了生铁冶炼技术，用铁水浇铸成农具、工具，明了生铁冶炼技术，用铁水浇铸成农具、工具，开始大量使用铁器。开始大量使用铁器。从兴隆战国铁器遗址中发掘出了浇铸农具用从兴隆战国铁器遗址中发掘出了浇铸农具用的铁模，冶铸技术已由泥砂造型水平进入铁模铸的铁模，冶铸技术已由泥砂造型水平进入铁模铸造的高级阶段。造的高级阶段。31湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄
19、湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄32西汉时期，炼铁技术有很大的提高，采用煤西汉时期，炼铁技术有很大的提高，采用煤作为炼铁的燃料，比欧洲早作为炼铁的燃料，比欧洲早1700多年。多年。在河南巩县汉代冶铁遗址中，发掘出在河南巩县汉代冶铁遗址中，发掘出20多座多座冶铁炉和锻炉，炉型庞大，结构复杂，并有鼓风冶铁炉和锻炉，炉型庞大，结构复杂，并有鼓风装置和铸造坑，生产规模壮观装置和铸造坑，生产规模壮观。33后周（后周（953年）沧州铁狮年）沧州铁狮（中国现存最早的大型铸件艺术品，重约（中国现存最早的大型铸件艺术品，重约40吨）吨）34湖北当阳宋代铁塔湖北当阳宋代铁塔（不用砖石木料，完全用生铁铸成，重（不用砖石木
20、料，完全用生铁铸成，重53吨，不吨，不加焊接；形体瘦削挺拔，稳健玲珑；塔身向北倾加焊接；形体瘦削挺拔，稳健玲珑；塔身向北倾斜，以抵御北风）斜，以抵御北风）35v含碳量在含碳量在0.02182.11%之间的铁碳合金称为钢之间的铁碳合金称为钢v冶炼温度更高冶炼温度更高，强度更高强度更高，用途更广用途更广v距今距今1800年前出现了两步炼钢技术，即先炼成年前出现了两步炼钢技术，即先炼成铁，再炼成钢，并一直沿用至今铁，再炼成钢，并一直沿用至今，但其工艺复但其工艺复杂，未能大面积推广杂，未能大面积推广v一直到一直到19世纪前半期，人类始终生活在世纪前半期，人类始终生活在“铁器铁器时代时代”钢钢361）从
21、矿石中直接炼出自然钢从矿石中直接炼出自然钢。用这种钢做的剑。用这种钢做的剑在东方各国享有盛誉，东汉时传入了欧洲在东方各国享有盛誉，东汉时传入了欧洲2）炒钢炒钢：把生铁加热到液态半液态后，利用鼓：把生铁加热到液态半液态后，利用鼓风中的氧使生铁脱碳到钢或熟铁的成分范围。风中的氧使生铁脱碳到钢或熟铁的成分范围。这项技术我国要比其它国家早这项技术我国要比其它国家早1600多年多年3）西汉时期的经过）西汉时期的经过“百次百次”冶炼锻打的冶炼锻打的百炼钢百炼钢4）南北朝时期生产的）南北朝时期生产的灌钢（团钢法、生熟法）灌钢（团钢法、生熟法） 我国古代炼钢方法我国古代炼钢方法37钢的应用钢的应用384. 新
22、材料时代（新材料时代（New Materials Age）现代人们并不局限于只使用一种主要的材料，现代人们并不局限于只使用一种主要的材料，而是使用许多复杂的材料。而是使用许多复杂的材料。材料由材料由单一性能向综合性能单一性能向综合性能、由、由结构材料向结构材料向功能材料功能材料、由、由单一材料向复合材料单一材料向复合材料发展。发展。39v从单一均质材料向从单一均质材料向复合材料复合材料发展发展v高性能材料高性能材料的研究与开发是永恒的主题的研究与开发是永恒的主题v材料材料结构的尺度向越来越小结构的尺度向越来越小的方向发展的方向发展v从被动性材料向主动性的从被动性材料向主动性的智能材料智能材料发
23、展发展v生物材料生物材料将有很大发展将有很大发展v环境材料环境材料越来越受重视越来越受重视材料科学技术的发展趋势材料科学技术的发展趋势401. 超导材料超导材料具有在一定的低温条件下呈现出具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零电阻等于零以以及及排斥磁力线排斥磁力线的性质的材料的性质的材料现已发现有现已发现有28种元素和几千种合金和化合物可种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体以成为超导体应用前景非常诱人，但受临界温度制约应用前景非常诱人，但受临界温度制约四、材料科学前沿技术四、材料科学前沿技术412. 燃料电池燃料电池组成燃料电池基本单元示意图组成燃料电池基本单元示意图423. 吸波材料吸波
24、材料能够有效吸收人射电磁波并使其散射衰减的能够有效吸收人射电磁波并使其散射衰减的一类材料。一类材料。通过材料的各种不同的损耗机制将人射电磁通过材料的各种不同的损耗机制将人射电磁波转化成热能或者是其它能量形式，而达到吸波波转化成热能或者是其它能量形式，而达到吸波隐身的目的。隐身的目的。美国美国B2轰炸机轰炸机434. 纳米材料（纳米技术）纳米材料（纳米技术）纳米科学技术是研究由尺寸在纳米科学技术是研究由尺寸在0.1100nm之之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用，以间的物质组成的体系的运动规律和相互作用，以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。 纳米材料大致可分为纳米材料大致可分为纳米粉末纳米粉末、纳米纤维纳米纤维、纳米膜纳米膜、纳米块体纳米块体等四类，其中纳米粉末是生产等四类，其中纳米粉末是生产其他三类产品的基础。其他三类产品的基础。它的特殊性主要来源于表面效应、小尺寸效它的特殊性主要来源于表面效应、小尺寸效应和量子效应。应和量子效应。44中国国家大剧院玻璃幕墙涂有一层纳米材料，中国国家大剧院玻璃幕墙涂有一层纳米材料，雨水落到玻璃面上后不会留下水渍。雨水落到玻璃面上后不会留下水渍。