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1、绪论绪论 (Introduction)1.1 材料与人类文明材料与人类文明1.2 材料的分类材料的分类1.3 材料科学与工程材料科学与工程1.4 未来的材料未来的材料1.5 本课程的目的本课程的目的第1页/共52页什么是材料什么是材料n材料是指人类社会能接受的、经济的制造有用物品的物质。是具有一定性能，可以用来制作器件、构件、工具、装置等物品的物质。n世界万物，凡于我有用者，皆谓之材料。n材料存在于我们的周围，与我们的生活、生命息息相关。n材料是人类文明、社会进步、科技发展的物质基础。第2页/共52页l科学技术是第一生产力科学技术是第一生产力l政治家：生产力的进步是政治家：生产力的进步是社会发
2、展的根本原因，而社会发展的根本原因，而劳动工具的发展是生产力劳动工具的发展是生产力进步的主要因素进步的主要因素l材料学家：材料学家：材料是时代进材料是时代进步的标志步的标志材料对人类进步和现代科学技术的重要性材料是时代进步的标志认识工具材料 制造工具 使用工具第3页/共52页石 器 时 代第4页/共52页青 铜 器 时 代第5页/共52页铁铁 器器 时时 代代第6页/共52页历史回顾历史回顾n石器时代（公元前石器时代（公元前1010万年）万年）n青铜器时代（公元前青铜器时代（公元前30003000年）年）n铁器时代（公元前铁器时代（公元前10001000年）年）n钢时代（钢时代（1800180
3、0年）年）n硅时代（硅时代（19501950年）年）n新材料时代（新材料时代（19901990年）年）各种新材料不断涌各种新材料不断涌现，已经很难用一种材料来代表当今时代的特现，已经很难用一种材料来代表当今时代的特征征n材料是全球新技术革命的四大标志之一（新材材料是全球新技术革命的四大标志之一（新材料技术、新能源技术、信息技术、生物技术）料技术、新能源技术、信息技术、生物技术）第7页/共52页材料的分类材料的分类n按组成和化学键（或基本组成）分类按组成和化学键（或基本组成）分类n根据材料的性能分类根据材料的性能分类 n按材料服役的领域来分类按材料服役的领域来分类 n按材料结晶状态分类按材料结晶
4、状态分类n按材料材料的尺寸分类按材料材料的尺寸分类第8页/共52页按组成和化学键（或基本组成）分类：按组成和化学键（或基本组成）分类：1.金属材料金属材料2.无机非金属材料无机非金属材料3.高分子材料（聚合物）高分子材料（聚合物）4.复合材料复合材料第9页/共52页1.金属材料金属材料n金属材料是由化学元素周期表中的金属材料是由化学元素周期表中的金属元素组成的材料。金属元素组成的材料。n可分为由一种金属元素构成的单质可分为由一种金属元素构成的单质（纯金属）（纯金属）n由两种或两种以上的金属元素或金由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素构成的合金属与非金属元素构成的合金n合金又可分为固溶体
5、和金属间化合合金又可分为固溶体和金属间化合物物第10页/共52页金属材料金属材料n在在103种元素中，除种元素中，除6种惰性元素和种惰性元素和16种非金属元素种非金属元素外，外，81种为金属元素。种为金属元素。n除除Hg之外，单质金属在常温下呈现固体形态，外观不之外，单质金属在常温下呈现固体形态，外观不透明，具有特殊的金属光泽及良好的导电性和导热性。透明，具有特殊的金属光泽及良好的导电性和导热性。在力学性质方面，具有较高的强度、刚度、延展性及在力学性质方面，具有较高的强度、刚度、延展性及耐冲击性耐冲击性n合合金金是是由由两两种种或或两两种种以以上上的的金金属属元元素素，或或金金属属元元素素与与
6、非非金金属属元元素素熔熔合合在在一一起起形形成成的的具具有有金金属属特特性性的的新新物物质质。合合金金的的性性质质与与组组成成合合金金的的各各个个相相的的性性质质有有关关，同同时时也也与这些相在合金中的数量、形状及分布有关与这些相在合金中的数量、形状及分布有关第11页/共52页2.无机非金属材料无机非金属材料n是除金属材料、高分子材料以外所有材料的总称。它是除金属材料、高分子材料以外所有材料的总称。它与广义的陶瓷材料有等同的含义与广义的陶瓷材料有等同的含义n是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料和氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、料
7、和氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材料料n种类繁多，用途各异，目前还没有统一完善的分类方种类繁多，用途各异，目前还没有统一完善的分类方法。一般将其分为传统的（普通的）和新型的（先法。一般将其分为传统的（普通的）和新型的（先进的）无机非金属材料两大类进的）无机非金属材料两大类第12页/共52页n陶瓷按其概念和用途不同，可分为两大类，即普通陶瓷和特种陶瓷n根据陶瓷坯体结构及其基本物理性能的差异，陶瓷制品可分为陶器和瓷器 传统的无机非金属材料传统的无机非金属材料 之一：陶瓷之一：陶瓷第13页/共52页特种陶
8、瓷特种陶瓷n用于各种现代工业及尖用于各种现代工业及尖端科学技术领域的陶瓷端科学技术领域的陶瓷制品制品n包括结构陶瓷和功能陶包括结构陶瓷和功能陶瓷瓷n结构陶瓷主要用于耐磨结构陶瓷主要用于耐磨损、高强度、耐高温、损、高强度、耐高温、高刚性、低膨胀、隔热高刚性、低膨胀、隔热等场所等场所n功能陶瓷主要包括电磁功能陶瓷主要包括电磁功能、光学功能、生功能、光学功能、生物功能、核功能及其它物功能、核功能及其它功能的陶瓷材料功能的陶瓷材料第14页/共52页传统的无机非金属材料之二：玻璃传统的无机非金属材料之二：玻璃玻璃是由熔体过冷所制得的非晶态材料。根据其形玻璃是由熔体过冷所制得的非晶态材料。根据其形成网络的
9、组分不同可分为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、成网络的组分不同可分为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃等，其网络形成剂分为磷酸盐玻璃等，其网络形成剂分为SiO2、B2O3和和P2O5。习惯上玻璃态材料可分为普通玻璃和特种玻。习惯上玻璃态材料可分为普通玻璃和特种玻璃两大类璃两大类第15页/共52页传统的无机非金属材料传统的无机非金属材料 之三：水泥之三：水泥水泥是指加入适量水后可成水泥是指加入适量水后可成塑性浆体，既能在空气中硬塑性浆体，既能在空气中硬化又能在水中硬化，并能够化又能在水中硬化，并能够将砂、石等材料牢固地胶结将砂、石等材料牢固地胶结在一起的细粉状水硬性材料在一起的细粉状水硬性材料第16页/
10、共52页传统的无机非金属材料之四：耐火材料传统的无机非金属材料之四：耐火材料n耐耐火火材材料料是是指指耐耐火火度度不不低低于于1580的的无无机机非非金金属属材材料料。是高温技术服务的基础材料是高温技术服务的基础材料n尽尽管管各各国国对对其其定定义义不不同同，但但基基本本含含义义是是相相同同的的，即即耐耐火火材材料料是是用用作作高高温温窑窑炉炉等等热热工工设设备备的的结结构构材材料料，以以及及用用作作工工业业高高温温容容器器和和部部件件的的材材料料，并并能能承承受受相相应应的的物物理理化化学学变化及机械作用变化及机械作用n大部分耐火材料是以天然矿石（如耐火粘土、硅石、菱大部分耐火材料是以天然矿
11、石（如耐火粘土、硅石、菱镁矿、白云母等）为原料制造的镁矿、白云母等）为原料制造的第17页/共52页3.有机高分子材料（高聚物）有机高分子材料（高聚物）n高聚物是由一种或几种简单高聚物是由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成低分子化合物经聚合而组成的分子量很大的化合物的分子量很大的化合物n高聚物的种类繁多，性能各高聚物的种类繁多，性能各异，其分类的方法多种多样异，其分类的方法多种多样n按高分子材料来源分为天然按高分子材料来源分为天然高分子材料和合成高分子材高分子材料和合成高分子材料；按材料的性能和用途可料；按材料的性能和用途可将高聚物分为橡胶、纤维、将高聚物分为橡胶、纤维、塑料和胶粘剂等塑料和
12、胶粘剂等 第18页/共52页4.复合材料复合材料 n是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成料组合而成n是多相材料，主要包括基本相和增强相。基体相是是多相材料，主要包括基本相和增强相。基体相是一种连续相材料，它把改善性能的增强相材料固结一种连续相材料，它把改善性能的增强相材料固结成一体，并起传递应力的作用；增强相起承受应力成一体，并起传递应力的作用；增强相起承受应力（结构复合材料）和显示功能（功能复合材料）的（结构复合材料）和显示功能（功能复合材料）的作用作用n复合材料既能保持原组成材料的重要特色，又通过复合材料既能保持原组成材料的重要
13、特色，又通过复合效应使各组分的性能互相补充，获得原组分不复合效应使各组分的性能互相补充，获得原组分不具备的许多优良性能具备的许多优良性能 第19页/共52页n复合材料种类繁多，目前还没有统一的分类方复合材料种类繁多，目前还没有统一的分类方法法n按基体材料分类，有金属基复合材料，陶瓷基按基体材料分类，有金属基复合材料，陶瓷基复合材料，水泥、混凝土基复合材料，塑料复合材料，水泥、混凝土基复合材料，塑料基复合材料，橡胶基复合材料等；基复合材料，橡胶基复合材料等；n按增强剂形状可分为粒子、纤维及层状复合材按增强剂形状可分为粒子、纤维及层状复合材料料4.复合材料第20页/共52页根据材料的性能分类根据材
14、料的性能分类 根据材料在外场作用下其性质或性能对外场的响应根据材料在外场作用下其性质或性能对外场的响应不同，材料可分为结构材料和功能材料。不同，材料可分为结构材料和功能材料。第21页/共52页n结构材料：是指具有抵抗外场作用而保持自己的形状、结构材料：是指具有抵抗外场作用而保持自己的形状、结构不变的优良力学性能（强度和韧性等）的材料。结构不变的优良力学性能（强度和韧性等）的材料。是人们熟悉的机械制造材料、建筑材料，包括结构钢、是人们熟悉的机械制造材料、建筑材料，包括结构钢、工具钢、铸铁、普通陶瓷、耐火材料、工程塑料等传工具钢、铸铁、普通陶瓷、耐火材料、工程塑料等传统的结构材料（一般结构材料）以
15、及高温合金、结构统的结构材料（一般结构材料）以及高温合金、结构陶瓷等高级结构材料陶瓷等高级结构材料n功能材料：是具有优良的电学、磁学、光学、热学、功能材料：是具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学和生物学功能及其相互转化的功能，声学、力学、化学和生物学功能及其相互转化的功能，被用于非结构目的的高技术材料被用于非结构目的的高技术材料 根据材料的性能分类第22页/共52页按材料服役的领域来分类按材料服役的领域来分类 根据材料服役的技术领域可分为信息材料、航根据材料服役的技术领域可分为信息材料、航空航天材料、能源材料、生物医用材料等空航天材料、能源材料、生物医用材料等 第23页/共52页
16、材料按结晶状态分类材料按结晶状态分类 n单单晶晶材材料料是是由由一一个个比比较较完完整整的的晶晶粒粒构构成成的的材材料料，如如单单晶纤维、单晶硅；晶纤维、单晶硅；n多晶材料是由许多晶粒组成的材料，其性能与晶粒大多晶材料是由许多晶粒组成的材料，其性能与晶粒大小、晶界的性质有密切的关系。小、晶界的性质有密切的关系。n非晶态材料是由原子或分子排列无明显规律的固体材非晶态材料是由原子或分子排列无明显规律的固体材料，如玻璃、高分子材料。料，如玻璃、高分子材料。第24页/共52页按材料的尺寸分类按材料的尺寸分类 材料按材料的尺寸可分为：材料按材料的尺寸可分为：n零维材料零维材料n一维材料一维材料n二维材料
17、二维材料n三维材料三维材料第25页/共52页材料科学的核心材料观组成+加工工艺微观组织结构性能用途第26页/共52页铜器合金比例铜器合金比例 n铜：熔点高，铜：熔点高，1083，可塑性佳，可塑性佳 n锡：熔点低，锡：熔点低，232n锌：熔点锌：熔点419 n青青铜铜：85%Cu+15%Sn：熔熔点点960，延展性增加，硬度增加，具光泽度延展性增加，硬度增加，具光泽度 n黄黄铜铜：62%-68%Cu+Zn；熔熔点点934-967，具有良好的塑性，能承受冷热加工，具有良好的塑性，能承受冷热加工材料观材料观-组成组成公元前5000年，制陶中发现铜和锡的还原，创造了炼铜术第27页/共52页工艺过程结构
18、（显微结构）工艺过程结构（显微结构）aluminium after refinementaluminium before refinement第28页/共52页不同加工方法的工件组织与性能不同加工方法的工件组织与性能第29页/共52页结构的含义结构的含义n宏观结构（眼睛观察范围宏观结构（眼睛观察范围-0.1mm）n显微结构（显微结构（100 m-0.1 m)n晶体结构（晶体结构（Angstron）n原子结构（电子原子结构（电子+质子质子+中子）中子）第30页/共52页结构结构-宏观层次（宏观层次（0.1mm0.1mm）第31页/共52页结构结构-显微层次显微层次（显微结构（显微结构0.1mm-
19、0.1 m）AluminaDielectric ceramicEquiaxed FerriteMild Steel第32页/共52页结构结构显微层次显微层次第33页/共52页结构结构晶体结构层次（晶体结构层次（Angstron）Y-sialon grain boundaryHRTEM image of Quantum dot CaSe第34页/共52页结构结构晶体结构层次（晶体结构层次（Angstron）BaTiO3Ring diffraction pattern of polycrystalline goldY-Sialon第35页/共52页材料观材料观-结构结构n宏观结构n微观结构第36页
20、/共52页结构的含义结构的含义n宏观结构（眼睛观察范围宏观结构（眼睛观察范围-0.1mm）n显微结构（晶粒尺寸、分布、显微结构（晶粒尺寸、分布、100 m-0.1 m)n晶体结构（晶胞、晶格、晶体结构（晶胞、晶格、Angstron）n原子结构（电子原子结构（电子+质子质子+中子）中子）第37页/共52页结构分析的工具结构分析的工具第38页/共52页性能性能材料性能：材料对外界作用的响应材料性能：材料对外界作用的响应n力学性质：形变与断裂力学性质：形变与断裂n热学性质：热容量、热导率、热膨胀热学性质：热容量、热导率、热膨胀n电学性质：电导率，介电性质电学性质：电导率，介电性质n磁学性质：磁化率等
21、磁学性质：磁化率等n光学性质：折射或反射光学性质：折射或反射n劣化：材料的化学活性劣化：材料的化学活性第39页/共52页组成组成-工艺过程工艺过程-结构结构-性质之间关系性质之间关系 材料科学核心内材料科学核心内容容组成+加工工艺微观组织结构性能用途第40页/共52页组成组成-结构结构-性质性质-工艺过程之间的关系工艺过程之间的关系 材料科学与工程的四个基本要素：材料科学与工程的四个基本要素：组组成成+合合成成与与加加工工、结结构构、性性质质、使使用用性性能能。探探索索这这四四个个要要素素之之间间的的关关系系，覆覆盖盖从从基基础础学学科科到到工工程程的的全全部部内内容容。四四个个要要素素之之间
22、间的的密密切切关关系系确确定定了了材材料料科科学学与与工工程程这这一一领领域，确定了材料科学基础课程的教学线索域，确定了材料科学基础课程的教学线索第41页/共52页材料科学与工程材料科学与工程n材料科学具有材料科学具有 “研究为什么研究为什么”的性质。核心是建立结构性能的关系。的性质。核心是建立结构性能的关系。n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。是能为社会所接受地获得材料的的性质。是能为社会所接受地获得材料的结构、性能和形状。（要考虑结构、性能和形状。（要考虑5 5个判据：经济、质量、资源、环保、能源）个判据：经济、质量、资源、环保、能源）n材料科学为材料工程提供设计依
23、据，为更好地选择材料、使用材料、发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。展新材料提供理论基础。n材料工程为材料科学提供丰富的研究课题和物质基础。材料工程为材料科学提供丰富的研究课题和物质基础。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，不能将科学因素和工程因素独立考虑。因此，人们常将二者合问题中，不能将科学因素和工程因素独立考虑。因此，人们常将二者合称为材料科学与工程。称为材料科学与工程。第42页/共52页材料科学基础材料科学基础n材料科学基础是进行材料科学与工
24、程研究材料科学基础是进行材料科学与工程研究的基础理论的基础理论n它将各种材料（包括金属、陶瓷、高分子它将各种材料（包括金属、陶瓷、高分子材料）的微观结构和宏观性能的规律建立材料）的微观结构和宏观性能的规律建立在共同的理论基础上，用于指导材料的研在共同的理论基础上，用于指导材料的研究、生产、应用和发展究、生产、应用和发展第43页/共52页未来的材料未来的材料n智能材料：感知环境的变化并按照预定的方智能材料：感知环境的变化并按照预定的方式自动做出响应，类似于人体器官式自动做出响应，类似于人体器官n纳米材料纳米材料n环境材料环境材料第44页/共52页本课程的目的本课程的目的n本课程是针对材料学专业开
25、设的专业基础课本课程是针对材料学专业开设的专业基础课n通通过过这这门门课课程程的的学学习习，对对材材料料结结构构，尤尤其其是是无无机机材材料料结结构构方方面面的的基基本本概概念念、基基本本理理论论、结结构构与与性性能能的的关关系系有有一一个个初初步步的的认认识识，牢牢固固建建立立材材料料的的组组织织结结构构决决定定材材料料的的性性能能这这一一基基本本概概念念，了了解解不不同同材材料料的的共共性性与与特特性性，了了解解无无机机材材料料最最新新发发展展状状况况，为为今今后后从从事事材材料料科科学的研究工作打下必要的专业基础学的研究工作打下必要的专业基础第45页/共52页教学内容教学内容n固体结构（
26、晶体结构）固体结构（晶体结构）n晶体缺陷晶体缺陷n固体中的扩散固体中的扩散n形变与再结晶形变与再结晶n相变及相图相变及相图第46页/共52页参考书目参考书目n材料科学基础材料科学基础胡赓祥胡赓祥 蔡洵主编，上海蔡洵主编，上海交通大学出版社，交通大学出版社，20002000年年1111月第月第1 1版版n材料科学基础材料科学基础潘金生潘金生 仝健民仝健民 田民波田民波主编，清华大学出版社，主编，清华大学出版社，19981998年年6 6月第月第1 1版版n材料科学基础材料科学基础赵品赵品 谢辅洲谢辅洲 孙文山主孙文山主编，哈尔滨工业大学出版社，编，哈尔滨工业大学出版社，19991999年年8 8
27、月第月第1 1版版n材料科学基础材料科学基础谢希文谢希文 过梅丽主编，北过梅丽主编，北京航空航天大学出版社，京航空航天大学出版社，19991999年年1 1月第月第1 1版版n材料科学基础材料科学基础吴锵编著，东南大学出版社，吴锵编著，东南大学出版社，20002000年年8 8月第月第1 1版版第47页/共52页学习本课程的要求学习本课程的要求n材料科学是一门应用科学材料科学是一门应用科学n学习中需要理论联系实际学习中需要理论联系实际n在深入学习和牢固掌握基础知识、基础理论的同在深入学习和牢固掌握基础知识、基础理论的同时，要思考、探索它的应用时，要思考、探索它的应用n培养用实验去验证理论，提高
28、归纳实验规律的能培养用实验去验证理论，提高归纳实验规律的能力，发展理论研究的综合素质力，发展理论研究的综合素质第48页/共52页学习本课程的要求学习本课程的要求n应应修修过过或或具具有有普普通通物物理理学学，普普通通化化学学、基基础础数数学学等等课课程程的的基基本本知知识识。学学习习要要有有主主动动性性，善善于于理理论论联系实际联系实际n多学科交叉多学科交叉n采用多媒体教学，图文并茂，深入浅出（缺点）采用多媒体教学，图文并茂，深入浅出（缺点）第49页/共52页学习本课程的要求学习本课程的要求n基础学科发展奠定材料科学的基础基础学科发展奠定材料科学的基础n量子力学、固体物理、无机化学、有机化学、物理量子力学、固体物理、无机化学、有机化学、物理化学等基础学科的发展为材料科学奠定了重要基础化学等基础学科的发展为材料科学奠定了重要基础n现代分析技术和设备的更新，加深了对物质结构和现代分析技术和设备的更新，加深了对物质结构和物理化学性质的理解物理化学性质的理解n冶金学、金属学、陶瓷学、高分子科学等自身的发冶金学、金属学、陶瓷学、高分子科学等自身的发展也使对材料的本质认识大大系统化（组成展也使对材料的本质认识大大系统化（组成-制备制备-结构结构-性能的关系），为学科发展打下了坚实的基性能的关系），为学科发展打下了坚实的基础础第50页/共52页第51页/共52页感谢您的观看。第52页/共52页