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1、材料科学基础材料科学基础Fundamentals of Materials Science学习目的p了解新材料产业发展的国家战略、现状和我国新材料的重点发展方向，理解关键新材料在引领产业升级和支持制造强国目标中的战略意义；p建立起材料的组成与结构、合成与加工、性质、以及使用效能之间的整体关系；p掌握晶体学基本理论、质点间的作用力与堆积方式、以及影响晶体结构的内外因素；p掌握晶体结构缺陷的类型、特征、形成机理与运动方式，能够利用晶体学和缺陷理论分析固溶体形成条件与固溶强化；p掌握硅酸盐熔体结构理论、熔体粘度与表面张力、以及玻璃的形成条件；p熟练掌握单元相图和二元相图的特征、结构与分析方法。1.绪
2、论绪论材料(Materials)是国民经济的物质基础，广义的材料包括人们的思想意识之外的所有物质(substance)。1.1 什么是材料什么是材料定义一：材料是从原料中取得的并且是生产产品的原始物料。定义二：材料是可以直接制成成品的东西。实例：金属、石料、木材、塑料、陶瓷p材料无处不在，无处不有p现代技术的三大支柱（材料、能源、信息）p国家现代化程度的标志之一（数量、品种、质量）1.2 材料与人类社会发展的关系生产力总量生产力总量年代前50万年前1万年 前2000年公元元年 1800年代 现代 旧石器旧石器新石器新石器青铜器青铜器铁器铁器钢铁钢铁高分子高分子单晶硅单晶硅中国历史上的材料发明与
3、创新始于夏代的青铜文明曾经傲世独立。当时生产出的大量的浑厚典雅的礼器，刚韧适度的兵器，各具用途的使用杂器和生产工具等，以其奇特生动的造型，繁复华丽的纹饰，体现出中华民族雄伟浑厚的气魄。这些融合当时的文化、工艺技巧于一体的精巧器物是中华民族古代文明高度发达的象征。时代楷模与身边榜样师昌绪院士（1918年11月15日2014年11月10日）：中国著名材料科学家，在金属材料领域取得了系列重大研究成果，为新中国航空用金属材料做出了杰出贡献。胸怀家国：从西北工学院毕业后，师昌绪赴美国深造。新中国成立后，他排除万难回国工作。先后在沈阳金属所、科学院等单位任职，于2010年荣获国家最高科技奖。实事求是：师老
4、先生专门为母校题写了校训“实事求是”，并谈了自己的理解：实事求是是做人、做事及做学问所要遵守的第一要义，也是富民强国的重要基础。精神传承：设置师昌绪荣誉学位计划就是要培养具有家国情怀、全球视野、创新精神、实践能力的材料事业卓越人才。重大工程中的材料问题盾盾构构机机主主轴承承，有全断面隧道盾构机的“心脏”之称，承担着掘进机运转过程的主要载荷，是刀盘驱动系统的关键部件，掘进机主轴承工作环境非常恶劣，要承受高速旋转、巨大载荷和强烈温升。我国掘进机年生产规模约为450台，仅进口轴承一项即达近10亿元。作为国内唯一的滚动轴承综合性研究机构，拥有盾构及掘进技术（轴承）国家重点实验室，洛阳轴承研究所正加速实
5、现技术研发步伐，目前已掌握直径3米的主轴承核心技术，实验寿命等同国外同类产品，力争2018年装机试用。材料领域卡脖子技术：半导体材料、碳纤维、环氧树脂复合材料、聚酰亚胺薄膜、高温高强合金等习近平近平总书记指出关指出关键核心技核心技术必必须牢牢掌握牢牢掌握在我在我们自己手中自己手中材料领域的“卡脖子”技术1.3 材料分类材料科学是研究材料的成分、组织结构、制备工艺与材料性能和应用之间相互关系的科学p金属材料：钢铁、铝、铜、钛合金；p无机非金属材料：Al2O3、SiC、Si3N4、SiO2、TiN或称陶瓷材料；p高分子材料：纤维、蛋白质、聚乙烯、聚氯乙烯；p复合材料：钢筋水泥混凝土、玻璃钢等材料来
6、源木材石材天然人工制备人工晶体高性能陶瓷化学纤维塑料钢材半天然纸张布料陶器材料的化学组成有机材料木材化学纤维塑料纸张布料无机材料石材人工晶体高性能陶瓷钢材砖瓦陶器1.3.1 金属材料合金又分为固溶体和金属间化合物。固溶体：金属的晶体结构保持溶剂组元的晶体结构置换固溶体：溶质原子位于溶剂晶体结构的晶格格点上间隙固溶体：溶质原子位于溶剂晶体结构的晶格间隙合金：由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素熔合在一起形成的具有金属特性的新物质。金属间化合物原子价化合物（价化合物）：即由负电性决定的（价化合物），符合原子价规则，八电子组态；按结合键的性质分为离子化合物、共价化合物和离子-共价化合物
7、；按价电子是否都是键合电子又可分为正常价化合物和一般价化合物。电子化合物：由电子浓度决定的（电子相），指具有一定的电子浓度值，结构相同的相。尺寸因素化合物：晶体结构取决于组成元素的原子半径比。晶体结构：密排相、间隙相传统材料：水泥、玻璃、陶瓷和耐火材料，以二氧化硅及其硅酸盐化合物为主要成分；新型材料：先进陶瓷、人工晶体、无机涂层、无机纤维等，以氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等无机非金属化合物经先进工艺制备而成。1.3.2 无机非金属材料陶瓷：普通陶瓷和特种陶瓷。普通陶瓷：即传统陶瓷，是指以粘土为主要原料经过粉碎混练、成型、煅烧等过程而制成的各种制品。特种陶瓷：用于各种现代工业及尖端科学技术领域
8、的陶瓷制品，包括结构陶瓷和功能陶瓷。1.3.3 高分子材料高聚物：高分子、聚合物，是由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成的分子量很大的化合物。高分子材料分类：来源：天然高分子材料和合成高分子材料；性能和用途：橡胶、纤维、塑料和胶粘剂名称弹性模量形变特征橡胶104105Pa很大，可逆塑料107108Pa较大，部分可逆纤维1091010Pa小，不超过20%v按基体材料分类：金属基、陶瓷基、水泥（混凝土）基、塑料基、橡胶基复合材料；v按增强剂形状分类：粒子、纤维及层状复合材料；v按复合材料性能分类：结构复合材料和功能复合材料。1.3.4 复合材料复合材料：由两种或更多的组分材料结合在一起，复合后的整整体体性性能能应超过组分材料，保留了所期望的性能(高强度、刚度、轻的重量)，抑制了所不期望的特性(低延性)。1.4 材料组成、结构、性质、工艺及其与环境的关系组成组成(化学组成、矿物组成、相组成)制备与加工制备与加工(制备工艺和后期加工工艺)使用环境、服务条件性 能(满足设计要求的多种性能强度、导电性、硬度、色彩等)性性 质质(力学、电学、光学、磁学、声学、热学等)结结 构构(微观结构、显微结构、组织结构、相结构)思考题：P12，1.4、1.6、1.8、1.9