材料科技与创新课件.pdf

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1、1北京科技大学材料科学与工程学院北京科技大学材料科学与工程学院材料科技与创新材料科技与创新(非材料类专业选修课)(非材料类专业选修课)课程计划安排课程计划安排第一讲 材料概论（6学时）第一讲 材料概论（6学时）介绍材料学的基本情况，包括材料的定义、材料的地位和作用、材料科学与工程、材料的基本要素、材料的分类以及材料的应用等第二讲 结构材料（6学时）第二讲 结构材料（6学时）包括金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料第三讲 功能材料（3学时）第三讲 功能材料（3学时）包括导电材料、半导体材料、绝缘材料、超导材料、压电材料、铁电材料、磁性材料、光电材料和敏感材料等第四讲 纳米材料（3学时）第四讲

2、 纳米材料（3学时）纳米材料和纳米效应、碳纳米管碳纳米管、莲花效应莲花效应等第五讲 生物医用材料（3学时）第五讲 生物医用材料（3学时）生物降解与生物活性材料、生物医用金属材料、生物医用陶瓷材料、生物医用高分子材料、生物复合材料第六讲 纳米生物医用材料（3学时）第六讲 纳米生物医用材料（3学时）纳米生物技术、疾病的诊断和治疗、生物检测和分离、生物传感器和生物芯片1 杨瑞成 丁旭 陈奎编著 材料科学与材料世界 化学工业出版社 北京 2005；2 陈光 崔崇主编 新材料概论 科学出版社 北京2003；3张立德 牟季美编 纳米材料和纳米结构科学出版社 北京 2001；4 马如璋 蒋民华 徐祖雄主编

3、功能材料学 冶金工业出版社 北京 1999；5 阮建明 邹俭鹏 黄伯云编著生物材料学科学出版社 北京 2004第一讲 材料概论介绍材料学的基本情况，包括材料的定义、材料的地位和作用、材料科学与工程、材料的基本要素、材料的分类以及材料的应用等。一、材料一、材料一、材料一、材料1 1 1 1、材料的含义、材料的含义、材料的含义、材料的含义哥伦比亚号航天飞机哥伦比亚号航天飞机哥伦比亚号航天飞机哥伦比亚号航天飞机材料是指人类用以制造各种有用器件的材料是指人类用以制造各种有用器件的物质物质?经过人类劳动而取得的劳动对象称为经过人类劳动而取得的劳动对象称为原料原料；?经过二次加工的原料称为经过二次加工的原

4、料称为材料材料；?材料用于制造各种有用器件（材料用于制造各种有用器件（工具工具）。）。材料是人类生产和生活所必须的物质基础材料是人类生产和生活所必须的物质基础手锤手锤锉刀锉刀国产涡喷国产涡喷-7涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机2、材料与人类2、材料与人类“神舟神舟神舟神舟”七号飞船成功返回七号飞船成功返回七号飞船成功返回七号飞船成功返回2石器石器铁器铁器象形尊(西周)象形尊(西周)石器时代石器时代石器时代石器时代青铜器时代青铜器时代青铜器时代青铜器时代铁器时代铁器时代铁器时代铁器时代材料是人类进化的里程碑材料是人类进化的里程碑由于材料的重要性，历史学家根据人类所使用的材料来划分时代。由于材料的重要

5、性，历史学家根据人类所使用的材料来划分时代。材料的发展水平和利用程度是人类文明进步的标志材料的发展水平和利用程度是人类文明进步的标志?材料的发展与人类社会简图材料的发展与人类社会简图龙芯龙芯联想计算机联想计算机没有半导体材料的工业化生产，就不可能有目前的计算机技术没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤通讯没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤通讯没有高温高强度的结构材料，就不可能有今天的航空工业和宇航工业没有高温高强度的结构材料，就不可能有今天的航空工业和宇航工业在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片飞机发动机叶片飞机发动机叶片波音客机波音客机材料是人类现代文明的基石材料

6、是人类现代文明的基石材料是人类现代文明的基石材料是人类现代文明的基石现代文明现代文明生物技术生物技术信息技术信息技术能源技术能源技术材料科学与工程材料科学与工程3中华民族在人类历史上为材料的发展和应用作出过重大贡献。中华民族在人类历史上为材料的发展和应用作出过重大贡献。早在公元前早在公元前早在公元前早在公元前60006000600060005000500050005000年的新石器时年的新石器时年的新石器时年的新石器时代，中华民族的先代，中华民族的先代，中华民族的先代，中华民族的先人就能用黏土烧制人就能用黏土烧制人就能用黏土烧制人就能用黏土烧制成陶器，到东汉时成陶器，到东汉时成陶器，到东汉时成

7、陶器，到东汉时期又出现了瓷器，期又出现了瓷器，期又出现了瓷器，期又出现了瓷器，并流传海外。并流传海外。并流传海外。并流传海外。3、材料与中国3、材料与中国4000年前的夏朝我们的祖先已经能够炼铜，到殷、商时期，我国的青铜冶炼和铸造技术已达到很高水平4000年前的夏朝我们的祖先已经能够炼铜，到殷、商时期，我国的青铜冶炼和铸造技术已达到很高水平司母戊鼎司母戊鼎司母戊鼎司母戊鼎河南安阳晚商遗址出土河南安阳晚商遗址出土河南安阳晚商遗址出土河南安阳晚商遗址出土青铜铸造青铜铸造青铜铸造青铜铸造高高高高133133133133厘米厘米厘米厘米重重重重875kg875kg875kg875kg饰纹优美饰纹优美饰

8、纹优美饰纹优美越王勾践剑越王勾践剑越王勾践剑越王勾践剑春秋晚期越国青铜兵器出土于湖北江陵楚墓长55.7厘米剑锷锋芒犀利锋能割断头发春秋晚期越国青铜兵器出土于湖北江陵楚墓长55.7厘米剑锷锋芒犀利锋能割断头发古代剑刃制造中的特殊技术古代剑刃制造中的特殊技术古代剑刃制造中的特殊技术古代剑刃制造中的特殊技术春秋战国时代的青铜剑，剑身及剑锋由不同成分的青铜组成，是复合材料很好的例子春秋战国时代的青铜剑，剑身及剑锋由不同成分的青铜组成，是复合材料很好的例子梯度材料古已有之这是古代剑刃截面图梯度材料古已有之这是古代剑刃截面图黄石铜矿遗址黄石铜矿遗址黄石铜矿遗址黄石铜矿遗址春秋晚期春秋晚期春秋晚期春秋晚期矿

9、井深达矿井深达矿井深达矿井深达50m50m50m50m炼铜炉渣多达炼铜炉渣多达炼铜炉渣多达炼铜炉渣多达40404040万万万万吨吨吨吨实属罕见实属罕见实属罕见实属罕见我国从春秋战国时期便开始大量使用铁器，明朝科学家宋应星在天工开物一书中就记载了古代的我国从春秋战国时期便开始大量使用铁器，明朝科学家宋应星在天工开物一书中就记载了古代的渗碳热处理渗碳热处理等工艺。等工艺。生铁炒熟铁图生铁炒熟铁图宋应星宋应星4鞍钢攀钢夜景新中国成立后，先后建起了鞍山、攀枝花、宝钢等大型钢铁基地新中国成立后，先后建起了鞍山、攀枝花、宝钢等大型钢铁基地中国第一颗人造卫星中国第一颗人造卫星长征火箭中国第一颗原子弹爆炸中国

10、第一颗氢弹爆炸长征火箭中国第一颗原子弹爆炸中国第一颗氢弹爆炸原子弹、氢弹的爆炸，卫星、飞船的上天等都说明了我国在材料的开发、研究及应用等方面有了飞跃的发展。原子弹、氢弹的爆炸，卫星、飞船的上天等都说明了我国在材料的开发、研究及应用等方面有了飞跃的发展。中国的航天事业中国的航天事业中国的航天事业中国的航天事业-“神舟神舟神舟神舟”七号载人飞船七号载人飞船七号载人飞船七号载人飞船第一位第一位第一位第一位86208862088620886208水泥水泥水泥水泥(2003)(2003)(2003)(2003)第一位第一位第一位第一位27702277022770227702平板玻璃平板玻璃平板玻璃平板玻

11、璃（2003200320032003）第二位第二位第二位第二位1950195019501950合成树脂合成树脂合成树脂合成树脂第三位第三位第三位第三位139139139139合成橡胶合成橡胶合成橡胶合成橡胶第一位第一位第一位第一位1310131013101310合成纤维合成纤维合成纤维合成纤维第一位第一位第一位第一位96.2 96.2 96.2 96.2 亿件亿件亿件亿件陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷(2003)(2003)(2003)(2003)第一位第一位第一位第一位1430143014301430有色金属有色金属有色金属有色金属第一位第一位第一位第一位27246272462724627246钢铁钢铁钢

12、铁钢铁世界排名世界排名世界排名世界排名生产量（万生产量（万生产量（万生产量（万吨）吨）吨）吨）材料产业名称材料产业名称材料产业名称材料产业名称2004年中国各种材料总产量及世界排名2004年中国各种材料总产量及世界排名1863186318631863年，光学显微镜首次应年，光学显微镜首次应年，光学显微镜首次应年，光学显微镜首次应用于金属研究，诞生了金相用于金属研究，诞生了金相用于金属研究，诞生了金相用于金属研究，诞生了金相学，使人们能够将材料的宏观学，使人们能够将材料的宏观学，使人们能够将材料的宏观学，使人们能够将材料的宏观性能与微观组织联系起来。性能与微观组织联系起来。性能与微观组织联系起来

13、。性能与微观组织联系起来。灰铸铁的显微组织灰铸铁的显微组织光学显微镜光学显微镜Pb-Sn共晶组织共晶组织4、人类对材料的认识4、人类对材料的认识1932年发明了电子显微镜，把人们带到了微观世界的更深层次1932年发明了电子显微镜，把人们带到了微观世界的更深层次透射电子显微镜透射电子显微镜扫描电子显微镜扫描电子显微镜光镜下电镜下光镜下电镜下51912191219121912年发现了年发现了年发现了年发现了X X X X-射线对晶体的作用并在随后被用射线对晶体的作用并在随后被用射线对晶体的作用并在随后被用射线对晶体的作用并在随后被用于晶体衍射分析，使人们对固体材料微观结构的认于晶体衍射分析，使人们

14、对固体材料微观结构的认于晶体衍射分析，使人们对固体材料微观结构的认于晶体衍射分析，使人们对固体材料微观结构的认识从最初的假想到科学的现实。识从最初的假想到科学的现实。识从最初的假想到科学的现实。识从最初的假想到科学的现实。Si表面的重构图象表面的重构图象X-射线衍射仪射线衍射仪1934193419341934年位错理论的年位错理论的年位错理论的年位错理论的提出，解决了晶体理提出，解决了晶体理提出，解决了晶体理提出，解决了晶体理论计算强度与实验测论计算强度与实验测论计算强度与实验测论计算强度与实验测得的实际强度之间存得的实际强度之间存得的实际强度之间存得的实际强度之间存在的巨大差别的矛在的巨大差

15、别的矛在的巨大差别的矛在的巨大差别的矛盾，对于人们认识材盾，对于人们认识材盾，对于人们认识材盾，对于人们认识材料的力学性能及设计料的力学性能及设计料的力学性能及设计料的力学性能及设计高强度材料具有划时高强度材料具有划时高强度材料具有划时高强度材料具有划时代的意义。代的意义。代的意义。代的意义。金属钛中的位错金属钛中的位错二、材料科学与工程二、材料科学与工程二、材料科学与工程二、材料科学与工程前苏联第一颗人造卫星及其运载火箭前苏联第一颗人造卫星及其运载火箭前苏联在1957年把第一颗人造卫星送入太空，令美国人震惊不已，认识到在导弹火箭技术上落后了。因此在其后的十年里，在十多所大学中陆续建立了材料科

16、学研究中心，并把约2/3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学与工程系。其涉及的材料由金属扩展到了陶瓷和高分子聚合物材料。材料科学与工程（MSE)作为被公认的学科，于20世纪后半叶才形成。材料科学是以材料为研究对象的一门科学。具体研究材料的合成与制备、组成与结构、性能及使用效能各组元本身及四者之间的相互依赖关系的规律。材料科学是以材料为研究对象的一门科学。具体研究材料的合成与制备、组成与结构、性能及使用效能各组元本身及四者之间的相互依赖关系的规律。性能性能(properties)使用效能使用效能(performance)合成与加工合成与加工(synthesis andproces

17、sing)组成与结构组成与结构(components and structure)构成材料科学与工程的四组元四面体关系构成材料科学与工程的四组元四面体关系1、成分、结构和组织?成分：指构成材料物质的原子、分子及其在材料中的浓度。?结构：则指组成原子、分子在不同层次上彼此结合的形式、状态和空间分布，包括原子与电子结构、分子结构、晶体结构、相结构、晶粒结构、表面与晶界结构、缺陷结构等；?组织：用肉眼或借助于不同放大倍数的显微镜所观察到的材料内部的情景。材料的组成与结构是材料科学与工程的基本研究内容,它们指导材料的合成与制备,决定材料的性能和使用效能.Al的高分辨透射电镜象的高分辨透射电镜象纯铁晶体

18、的纯铁晶体的X-射线衍射谱射线衍射谱透射电镜衍射斑点透射电镜衍射斑点透射电镜衍射斑点透射电镜衍射斑点结构材料中各原子的具体组合状态。一般通过X-射线衍射或透射电镜研究。6金属的晶体结构金属的晶体结构 体心立方晶格 体心立方晶格（BCC Body-Centered Cube）有：钼、钨、钒、铬、铌、有：钼、钨、钒、铬、铌、-Fe等 面心立方晶格等 面心立方晶格（FCC Face-Centered Cube）密排六方晶胞（密排六方晶胞（HCP Hexagonal Close-Packed）有：铝、铜、镍、金、银、-Fe有：铝、铜、镍、金、银、-Fe等。有：镁、镉、锌、铍等有：镁、镉、锌、铍等。实际

19、金属中的晶体缺陷实际金属中的晶体缺陷（1）点缺陷三维尺度上都很小，不超过几个原子直径的缺陷。（1）点缺陷三维尺度上都很小，不超过几个原子直径的缺陷。空位空位、间隙原子、异类原子空位空位、间隙原子、异类原子间隙原子间隙原子异类原子异类原子（2）线缺陷二维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷。刃型位错、螺型位错（2）线缺陷二维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷。刃型位错、螺型位错刃型位错（3）面缺陷二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷刃型位错（3）面缺陷二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷。晶界、亚晶界晶界、亚晶界晶界晶界钢的钢的钢的钢的宏观组织、显宏观组织、显宏观组织、显宏观组织、显微组织和电镜组织微组织和电

20、镜组织微组织和电镜组织微组织和电镜组织钢锭的宏观组织显微组织电镜组织钢锭的宏观组织显微组织电镜组织2、性能和使用效能性能性能?性能性能指材料固有的物理、化学特性.如力学性能（强度、弹性、塑性、韧性）、电学性能、磁学性能、声学性能、光学性能、热学性能等指材料固有的物理、化学特性.如力学性能（强度、弹性、塑性、韧性）、电学性能、磁学性能、声学性能、光学性能、热学性能等使用效能使用效能?使用效能使用效能是材料以持定产品形式在使用条件下所表现的效能.通常以寿命、效率、可靠性、效益及成本等指标衡量.是材料以持定产品形式在使用条件下所表现的效能.通常以寿命、效率、可靠性、效益及成本等指标衡量.?材料的使用

21、效能是材料科学与工程所追求的最终目标、而且在很大程度上代表这一学科的发展水平.材料的使用效能是材料科学与工程所追求的最终目标、而且在很大程度上代表这一学科的发展水平.?材料的力学性能材料的力学性能是指金属材料在外力作用时表现出来的性能。力学性能：外力形式：拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转等。性能指标：强度、刚度、硬度、塑性、韧性和疲劳强度等。是指金属材料在外力作用时表现出来的性能。力学性能：外力形式：拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转等。性能指标：强度、刚度、硬度、塑性、韧性和疲劳强度等。?材料的热学性能材料的热学性能如熔点、热容、热导率、膨胀系数等如熔点、热容、热导率、膨胀系数等?材料的电学性能材料的

22、电学性能如电导率、电阻率、介电常数等如电导率、电阻率、介电常数等?材料的磁学性能材料的磁学性能磁导率、磁化率、矫顽力、剩磁等磁导率、磁化率、矫顽力、剩磁等?材料的热学性能材料的热学性能如折射率、透光率如折射率、透光率3、合成与加工合成与加工主要指在宏观尺度上制备、处理、装配和制造材料的一系列过程，使之具有所需的性能和使用效能.合成与加工主要指在宏观尺度上制备、处理、装配和制造材料的一系列过程，使之具有所需的性能和使用效能.合成从原料到材料金属材料：火法冶金、湿法冶金、电法冶金陶瓷材料：配料混合成形干燥烧成高分子材料：溶液聚合、乳液聚合、悬浮聚合加工从材料到零件成形、切削、热处理、表面改性7陶瓷

23、器制造过程示意图挤压挤压拉拔拉拔轧制轧制金属材料的加工4、材料四要素之间的相互关系?材料的结构决定材料的性能，材料的性能反材料的结构决定材料的性能，材料的性能反映材料的结构；映材料的结构；?根据应用需要选择性能，根据性能设计结根据应用需要选择性能，根据性能设计结构，进而合成材料；构，进而合成材料；?结构与性能的关系及其变化规律结构与性能的关系及其变化规律,是材料设是材料设计的基础计的基础,也是确定材料加工工艺的依据。也是确定材料加工工艺的依据。工艺-结构-性能之间关系的例子工艺-结构-性能之间关系的例子Steel with 0.4%C 不同结构的材料具有不同的性能不同结构的材料具有不同的性能(

24、a)铝（面心格子）(b)镁（六方格子）C60 巴氏碳球碳的三个同质多相体石墨、金刚石、巴氏碳球和碳纳米管具有相同的成分、不同的结构、不同的性能和不同的合成条件。81 按照材料的化学属性可以分为四类：黑色金属无机非金属材料有机高分子材料有色金属金属材料单晶形态晶体材料多晶形态传统陶瓷、新型陶瓷以脂肪族或芳香族的C-C共价键为基础结构的大分子组成。一般又分为塑料、橡胶和纤维。复合材料金属、陶瓷和高分子材料有机结合三、材料的分类体系三、材料的分类体系三、材料的分类体系三、材料的分类体系金属材料金属材料金属材料金属材料以以以以金属键金属键金属键金属键结合为主结合为主结合为主结合为主良好的导电性、导良好

25、的导电性、导良好的导电性、导良好的导电性、导热性、延展性和金热性、延展性和金热性、延展性和金热性、延展性和金属光泽属光泽属光泽属光泽用量最大、应用最用量最大、应用最用量最大、应用最用量最大、应用最广泛广泛广泛广泛黑色金属有色金属黑色金属有色金属轻金属、重金属、贵金属、稀有金属轻金属、重金属、贵金属、稀有金属铁、钢、铸铁和铁合金铁、钢、铸铁和铁合金铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已达10亿吨，在机械产品中的用量已占整个用材的60%以上铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已达10亿吨，在机械产品中的用量已占整个用材的60%以上带材异形材板材管材带材异形材板材管材H型钢型

26、钢钢筋钢筋钢丝钢丝钢铰线钢铰线金属材料制品金属材料制品金属材料制品金属材料制品陶瓷材料陶瓷材料以共价键和离子键以共价键和离子键以共价键和离子键以共价键和离子键为主为主为主为主熔点高、硬度高、熔点高、硬度高、熔点高、硬度高、熔点高、硬度高、耐腐蚀、脆性大耐腐蚀、脆性大耐腐蚀、脆性大耐腐蚀、脆性大分为传统陶瓷和特分为传统陶瓷和特分为传统陶瓷和特分为传统陶瓷和特种陶瓷两类种陶瓷两类种陶瓷两类种陶瓷两类9传统陶瓷传统陶瓷，是以天然材料(如黏土、石英、长石等)为原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。，是以天然材料(如黏土、石英、长石等)为原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。特种陶瓷特种陶瓷，是以人工合成材料为

27、原料的陶瓷，常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨结构零件，以及具有特定物理性质的功能元器件。是以人工合成材料为原料的陶瓷，常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨结构零件，以及具有特定物理性质的功能元器件。陶瓷发动机陶瓷发动机传统陶瓷特种陶瓷传统陶瓷特种陶瓷瓷 器玻 璃氧化铝陶瓷（人造刚玉Al2O3）熔点高，可作高级耐火材料；硬度高，可作研磨材料。经特殊烧结，可制成微晶氧化铝，透光性很强，用作高压钠灯灯管等高温透明部件。氮化硅陶瓷（Si3N4）是灰白色固体，硬度为9，是最硬的材料之一。它的导热性好且膨胀系数小，可经受低温高温、骤冷骤热反复上千次的变化而不破坏，因此是十分理想的高温结构材料。碳化硅SiC,俗称金

28、刚砂。熔点高(2450),硬度大(9.2),是重要的工业磨料。如其中掺入某些杂质,会使之出现半导体,作为高温半导体,用于电热元件。作为高温结构陶瓷,日益受到人们的重视。它最适宜的应用领域是高温、耐磨和耐蚀的环境,现已用作火箭喷嘴,热电偶保护管,热交换器和耐磨、耐蚀的零件。碳化硅制成的涡轮叶片10高分子材料高分子材料高分子材料高分子材料以以以以分子键分子键分子键分子键和共价键和共价键和共价键和共价键为主为主为主为主塑性、耐蚀性、电塑性、耐蚀性、电塑性、耐蚀性、电塑性、耐蚀性、电绝缘性、减振性绝缘性、减振性绝缘性、减振性绝缘性、减振性好，密度小好，密度小好，密度小好，密度小包括塑料、橡胶及包括塑料

29、、橡胶及包括塑料、橡胶及包括塑料、橡胶及合成纤维等合成纤维等合成纤维等合成纤维等分子键共价键分子键共价键聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）单体：单体：CH2 CCH3COOCH3CH2 CCH3COOCH3塑料橡胶合成纤维胶粘剂和涂料11复合材料复合材料复合材料复合材料包括：包括：包括：包括：金属基复合材料金属基复合材料金属基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料高分子复合材料高分子复合材料高分子复合材料高分子复合材料是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料是把两种或两种以上不同性质或不同结

30、构的材料以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料玻璃纤维增强高分子复合材料玻璃纤维增强高分子复合材料金属材料金属材料易腐蚀易腐蚀;高分子材料高分子材料易老化易老化,不耐不耐高温高温;无机非金属材料无机非金属材料韧性差韧性差,易碎裂。易碎裂。三三者优化组合者优化组合,制备性能优异的复合材料。制备性能优异的复合材料。复合材料大多是以复合材料大多是以连续相连续相存在的基体材料和存在的基体材料和分散分散于基体中的增强材料组成：于基体中的增强材料组成：增强材料增强材料:能提高材料基本力学性能的物能提高材料基本力学性能的物质质.包括粒子和纤维包括粒子和纤维.无机纳米粒子具有更无机纳米粒子具有更高的增强增韧

31、效应高的增强增韧效应;纤维具有良好的刚性和纤维具有良好的刚性和抗张强度抗张强度.在体系中构成复合材料的骨架在体系中构成复合材料的骨架,决定材料的刚性和强度决定材料的刚性和强度.基体材料基体材料:使增强材料粘合成型使增强材料粘合成型,且对承且对承受的外力起传导和分散作用受的外力起传导和分散作用.聚合物基复合材料聚合物基复合材料主要指纤维增强聚合物材料：主要指纤维增强聚合物材料：?环氧树脂环氧树脂包埋包埋碳纤维碳纤维复合材料，用做网球拍、高尔夫球复合材料，用做网球拍、高尔夫球棍和滑雪撬等。棍和滑雪撬等。?玻璃纤维玻璃纤维增强增强聚酯聚酯复合材料复合材料玻璃钢，应用极为广泛玻璃钢，应用极为广泛.陶瓷

32、基复合材料陶瓷基复合材料陶瓷包埋纤维或晶须复合材料可大幅度提高材料的韧性：陶瓷包埋纤维或晶须复合材料可大幅度提高材料的韧性：?碳纤维碳纤维增强增强石英石英复合材料复合材料,为我国航天事业为我国航天事业“再返大气再返大气层的超高温防热问题层的超高温防热问题”,提供了关键材料提供了关键材料.金属基复合材料金属基复合材料?现代航空发动机燃烧室温度最高的材料就是通过粉末冶现代航空发动机燃烧室温度最高的材料就是通过粉末冶金法制备的金法制备的氧化物粒子氧化物粒子弥散强化的弥散强化的镍基合金镍基合金复合材料。复合材料。2、按材料的性能分类任何材料在使用过程中都能提供可资利用的某种或某些功能。根据这些性能可以

33、将材料分为2大类：结构材料：以力学性能，如受力形变、脆性断裂和强度等作为应用性能，如制造工具、机器、车辆用的钢铁材料，建筑房屋、桥梁和铁路用的混凝土材料。功能材料：具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、化学和生物学功能及相互转化的性能，被用于非结构目的的高技术材料。结构材料高温结构陶瓷一般金属在几百度的高温下，强度会突然下降，就是合金金属耐高温性能也在1000度左右。以氮化硅、碳化硅为材料的陶瓷发动机就是遇到1800度高温，仍能保持足够的强度。这种陶瓷发动机能够节约33至45燃料，具有重量轻、无需润滑和冷卸水等优点！无水冷发动机车无水冷发动机车陶瓷发动机陶瓷发动机功能材料压电陶瓷压电陶瓷具有

34、压力和电之间转换的本领，当给陶瓷施以压力时，陶瓷两端就会产生几千伏的电势差，可以产生高压放电现象，反之也然。压力压力正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应电流电流变形变形在打火机、煤气灶、超声波清洗器等用具上都可以见到它的踪影。12纳米技术主要是针对尺度为1-100nm之间的分子世界的一门技术。该尺寸处在原子、分子为代表的微观世界和宏观物体交界的过渡区域，基于此尺寸的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，因此有着独特的化学性质和物理性质，如表面效应、微尺寸效应、量子效应和宏观量子隧道效应等。纳米材料纳米铜具纳米铜具纳米陶瓷纳米陶瓷碳纳米管纳米轴承碳纳米管纳米轴承1 1 纳米纳米(nano

35、meter)=(nanometer)=十億分之十億分之1 1 米米(1010-9 9 m)m)人高紅血球分子及DNA氫原子針頭1 纳米0.1 纳米1千 纳米100萬 纳米20億 纳米纳米纳米(Nanometer)(Nanometer)生物材料医学诊断与治疗纳米材料在生物医学领域，磁性载体可以用于药物的传递，负载有缓释药物的磁性颗粒能够借助于外加磁场的导向作用，将药物运送到人体预定的病变部位进行控制释放，这样既可以减少毒副作用，不会杀死正常细胞，又可以降低药物用量，极大地提高药物效率，被形象地称为“生物导弹”技术。1第二讲 结构材料1 金属材料2 陶瓷材料3 高分子材料4 复合材料结构材料是以力

36、学性能为基础，制造受力构件所用材料材料的力学性能外力形式材料的力学性能外力形式：拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转、循环应力等。：拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转、循环应力等。性能指标性能指标：弹性、刚度、强度、塑性、韧性、脆性、硬度和疲劳强度等。：弹性、刚度、强度、塑性、韧性、脆性、硬度和疲劳强度等。是指材料在外力作用下所表现出来的性能低碳钢拉伸应力低碳钢拉伸应力低碳钢拉伸应力低碳钢拉伸应力应变曲线应变曲线应变曲线:应变曲线:颈缩阶段颈缩阶段颈缩阶段颈缩阶段：到：到：到：到k k k k点发生断裂。点发生断裂。点发生断裂。点发生断裂。四个阶段：四个阶段：四个阶段：四个阶段：弹性弹性弹性弹性阶段阶段阶段

37、阶段：卸载后变形可恢复。：卸载后变形可恢复。：卸载后变形可恢复。：卸载后变形可恢复。屈服阶段屈服阶段屈服阶段屈服阶段：塑性变形迅速增大。：塑性变形迅速增大。：塑性变形迅速增大。：塑性变形迅速增大。强化阶段强化阶段强化阶段强化阶段：恢复抵抗塑性变形。恢复抵抗塑性变形。恢复抵抗塑性变形。恢复抵抗塑性变形。opesybk颈缩颈缩k 弹性弹性 屈服屈服强化强化颈缩颈缩1 1、弹性和刚度、弹性和刚度弹性弹性是指材料在外力作用下将产生变形，当外力消失是指材料在外力作用下将产生变形，当外力消失后具有恢复原来形状的性能。后具有恢复原来形状的性能。刚度刚度是指材料受力时抵抗弹性变形的能力。是指材料受力时抵抗弹性

38、变形的能力。弹性模量弹性模量弹性模量弹性模量(Elastic Modulus)(Elastic Modulus)(Elastic Modulus)E=/：op段直线的斜率,反映材料抵抗弹性变形的能力。弹性模量越大，刚度越强，如合金钢；弹性模量越小，弹性越好，如橡胶。(Elastic Modulus)E=/：op段直线的斜率,反映材料抵抗弹性变形的能力。弹性模量越大，刚度越强，如合金钢；弹性模量越小，弹性越好，如橡胶。度量材料弹性的重要指标度量材料弹性的重要指标度量材料弹性的重要指标度量材料弹性的重要指标2 2、强度：、强度：强度是指材料在静外力作强度是指材料在静外力作用下抵抗塑性变形或断裂破坏

39、用下抵抗塑性变形或断裂破坏的能力。的能力。由于外力的作用方式有拉由于外力的作用方式有拉伸、压缩、弯曲、剪切等形伸、压缩、弯曲、剪切等形式，所以强度也分为式，所以强度也分为抗拉强抗拉强度度、抗压强度、抗弯强度、抗、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。剪强度等。各种强度间常有一定的联各种强度间常有一定的联系，使用中一般较多以系，使用中一般较多以抗拉强抗拉强度度作为最基本的强度指标。作为最基本的强度指标。抗拉强度是指材料断裂前抗拉强度是指材料断裂前单位面积上能够承受的最大应单位面积上能够承受的最大应力（力（）。）。无颈缩无颈缩(脆性材料脆性材料)有颈缩有颈缩(塑性材料塑性材料)3 3、塑性和脆性、塑性和

40、脆性塑性是指材料在外力作用下，产生永久变形而不断裂破塑性是指材料在外力作用下，产生永久变形而不断裂破坏的能力。坏的能力。五万吨水压机五万吨水压机拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象2低碳钢压缩低碳钢压缩低碳钢压缩低碳钢压缩,愈压愈扁愈压愈扁愈压愈扁愈压愈扁铸铁压缩铸铁压缩铸铁压缩铸铁压缩,约约约约45454545 开裂开裂开裂开裂4、韧性冲击韧性：冲击韧性：以很大速度作用于机件上的载荷称为冲击载荷，材料在冲以很大速度作用于机件上的载荷称为冲击载荷，材料在冲击载荷作用下抵抗断裂破坏的能力叫做冲击韧性。击载荷作用下抵抗断裂破坏的能力叫做冲击韧性。如发动机活塞、连杆、曲轴等零件在作功行程中受到很大如

41、发动机活塞、连杆、曲轴等零件在作功行程中受到很大的冲击载荷；汽车起步、换档、制动时钢板弹簧、齿轮、的冲击载荷；汽车起步、换档、制动时钢板弹簧、齿轮、传动轴、半轴等零件会受到很大的冲击载荷。传动轴、半轴等零件会受到很大的冲击载荷。Titanic钢板近代船用钢板钢板近代船用钢板断裂韧性断裂韧性断裂韧性断裂韧性断裂韧性是材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。与材料中存在裂纹缺陷有关。断裂韧性是材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。与材料中存在裂纹缺陷有关。裂纹扩展的基本形式裂纹扩展的基本形式1943年美国年美国T-2油轮发生断裂油轮发生断裂5、硬度硬度是材料抵抗局部塑性变形的能力，是衡量材料软硬程度的指标。目前

42、生产中测定硬度方法最常用的是压入硬度法，它是用一定几何形状的压头在一定外力下压入被测试的材料表面，根据被压入程度来测定其硬度值。常用的方法有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC）和维氏硬度（HV）等方法。布氏硬度布氏硬度布氏硬度布氏硬度HBHBHBHB)(2102.022dDDDPHB=用钢球压入材料表面时，单位面积承受载荷的能力。6、疲劳前面所讨论的弹性、强度、塑性、韧性、硬度都是材料在静载荷作用下的力学性能指标。实际上，许多机器零件都是在循环载荷下工作的，在这种条件下零件会产生疲劳。通常用疲劳强度来表示。疲劳强度：材料在长期重复交变载荷作用下，而不致断裂的最大应力。金属材料的

43、疲劳断裂往往是突然发生的，具有很大的危险性。1 金属材料自然界中存在的九十多种化学元素中有三分之二是自然界中存在的九十多种化学元素中有三分之二是金属，金属材料在工程中一直是最重要的材料。金属，金属材料在工程中一直是最重要的材料。?优异的力学性能，如强度、塑性、韧性等，堪称优异的力学性能，如强度、塑性、韧性等，堪称“全全能冠军能冠军”；?既耐热，又耐寒；既耐热，又耐寒；?出色的工艺加工性能；出色的工艺加工性能；?良好的导热性、导电性和铁磁性。良好的导热性、导电性和铁磁性。金属材料的优点金属材料的优点3金属材料的分类金属材料的分类金属材料黑色金属有色金属铸铁（含碳2.11%）钢（含碳0.04-2.

44、11%）纯铁（含C0.6%C0.6%C低碳钢低碳钢0.25%C0.25%C低合金钢低合金钢合金元素总量5%合金元素总量10%合金元素总量10%碳素钢合金钢碳素钢合金钢黑色金属黑色金属钢钢0.0150.0150.0150.0150.0250.0250.0250.0250.0200.0200.0200.0200.0250.0250.0250.025特级优质钢特级优质钢特级优质钢特级优质钢0.0250.0250.0250.0250.0250.0250.0250.0250.0300.0300.0300.0300.0300.0300.0300.030高级优质钢高级优质钢高级优质钢高级优质钢0.0350.

45、0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.035优质钢优质钢优质钢优质钢0.0450.0450.0450.0450.0450.0450.0450.0450.0450.0450.0450.0450.0450.0450.0450.045普通钢普通钢普通钢普通钢S S S SP P P PS S S SP P P P合合合合金金金金钢钢钢钢碳碳碳碳素素素素钢钢钢钢钢钢钢钢 类类类类2 2 2 2、按质量分、按质量分、按质量分、按质量分钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。钢

46、的质量是以磷、硫的含量来划分的。钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。分为分为分为分为普通钢普通钢普通钢普通钢、优质钢优质钢优质钢优质钢、高级优质钢高级优质钢高级优质钢高级优质钢和和和和特级优质钢特级优质钢特级优质钢特级优质钢.根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下：根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下：根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下：根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下：3 3 3 3、按用途分、按用途分、按用途分、按用途分工程用钢建筑、桥梁、船舶、车辆工程用钢建筑、桥梁、船舶、车辆渗碳钢调质钢弹簧钢轴承钢耐磨钢机器用钢渗碳钢调质钢弹簧钢轴承钢耐磨钢机器用钢结 构 钢

47、结 构 钢刃具钢模具钢量具钢刃具钢模具钢量具钢工 具 钢工 具 钢不锈钢耐热钢不锈钢耐热钢特 殊 钢特 殊 钢挤压模具挤压模具1 1 1 1、成分：、成分：、成分：、成分：C0.4%,PC0.4%,PC0.4%,PCn2n1n2。纤芯和包层构成横截面很小的双层同心圆柱体，这个圆柱体称为。纤芯和包层构成横截面很小的双层同心圆柱体，这个圆柱体称为裸光纤裸光纤。4纤芯纤芯，石英玻璃，直径5-75m，材料：二氧化硅（主体），掺杂其他微量元素-提高折射率，石英玻璃，直径5-75m，材料：二氧化硅（主体），掺杂其他微量元素-提高折射率包层包层，直径100-200m；材料：二氧化硅（主体），折射率略低于纤芯

48、。，直径100-200m；材料：二氧化硅（主体），折射率略低于纤芯。涂敷层涂敷层，材料：硅酮或丙烯酸盐，隔离杂光。，材料：硅酮或丙烯酸盐，隔离杂光。护套护套，材料:尼龙/其他有机材料-提高机械强度，保护光纤。，材料:尼龙/其他有机材料-提高机械强度，保护光纤。光导纤维材料光导纤维材料(1)高纯度石英玻璃光纤(1)高纯度石英玻璃光纤这种材料的光损耗比较小，在波长1.2m时、最低损耗约为0.47dB/km。这种材料的光损耗比较小，在波长1.2m时、最低损耗约为0.47dB/km。(2)多组分玻璃光纤(2)多组分玻璃光纤用常规玻璃制成，损耗也很低。如硼硅酸钠玻璃 光 纤，在 波 长 0.84m 时，

49、最 低 损 耗 为3.4dB/km。用常规玻璃制成，损耗也很低。如硼硅酸钠玻璃 光 纤，在 波 长 0.84m 时，最 低 损 耗 为3.4dB/km。(3)人工合成塑料光纤(3)人工合成塑料光纤用人工合成导光塑料制成，其损耗较大。当0.63m时，损耗高达100-200 dB/km；但重量轻，成本低，柔软性好，适用于短距离导光。用人工合成导光塑料制成，其损耗较大。当0.63m时，损耗高达100-200 dB/km；但重量轻，成本低，柔软性好，适用于短距离导光。贮氢材料贮氢材料贮氢材料贮氢材料21212121世纪能源结构体系世纪能源结构体系世纪能源结构体系世纪能源结构体系太阳能风能海洋能地热能氢

50、气电力汽车、飞机、船舶工业、农业、民生一次能源二次能源最终用户氢氢氢氢理想能源理想能源理想能源理想能源普遍存在，普遍存在，宇宙质量，宇宙质量，90009000倍化石燃料倍化石燃料燃烧性能好；燃烧性能好；燃烧热值最高燃烧热值最高(1.21(1.21-1.43)1.43)10105 5kJ/kgHkJ/kgH2 2汽油的汽油的3 3倍，焦碳的倍，焦碳的4.54.5倍；倍；无毒、无污染无毒、无污染清洁能源；清洁能源；导热性最好的气体导热性最好的气体热泵；热泵；存在形式多样。存在形式多样。5氢能系统建立条件氢能系统建立条件氢能系统建立条件氢能系统建立条件规模制氢技术贮氢技术氢内燃机燃料电池技术关键环节