材料科學(xué)基礎(chǔ)第0章緒論

1、材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ)緒論緒論 什么是材料 材料的地位 材料的分類 材料的發(fā)展歷史 材料的未來(lái)一、材料的定義 材料是人類用于制造物品、器件、構(gòu)件、機(jī)器或其他產(chǎn)品的那些物質(zhì)。上海磁懸浮列車電磁鐵、導(dǎo)軌南京長(zhǎng)江三橋，僅橋塔用鋼就達(dá)1.44萬(wàn)噸，總用鋼量約10萬(wàn)噸，混凝土百萬(wàn)方，水泥約50萬(wàn)噸蘇通大橋長(zhǎng)江第一橋。美國(guó)國(guó)家地理無(wú)與倫比的工程：共用鋼蘇通大橋長(zhǎng)江第一橋。美國(guó)國(guó)家地理無(wú)與倫比的工程：共用鋼材約材約25萬(wàn)噸，混凝土萬(wàn)噸，混凝土140萬(wàn)方，填方萬(wàn)方，填方320萬(wàn)方。高萬(wàn)方。高300.4米的混凝土米的混凝土塔，拉索長(zhǎng)達(dá)塔，拉索長(zhǎng)達(dá)577米。米。目前世界聚酯總產(chǎn)量約5000萬(wàn)噸，棉花產(chǎn)量約200

2、0余萬(wàn)噸用于織物的纖維總產(chǎn)量約6000萬(wàn)噸，不粘鍋鋼鐵特富龍（含氟碳?xì)錁渲?，如聚四氟乙烯CF4）Ti6Al4V+羥基磷灰石涂層高氮不銹鋼鈷鉻鉬球頭骨水泥（聚甲基丙烯酸甲酯）含能材料二、材料的地位 當(dāng)代文明的三大支柱：信息、材料和能源 新技術(shù)革命的重要標(biāo)志：新材料、信息技術(shù)和生物技術(shù)挑戰(zhàn)者，1986.1哥倫比亞號(hào)，2003.2三、材料的分類三、材料的分類 材料具有重要性、普遍性、多樣性。材料具有重要性、普遍性、多樣性。 分類方法沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。分類方法沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。 從物理化學(xué)屬性來(lái)分，可分為金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、從物理化學(xué)屬性來(lái)分，可分為金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料和不同類型材料

3、所組成的復(fù)合材料。有機(jī)高分子材料和不同類型材料所組成的復(fù)合材料。 從用途來(lái)分，又分為電子材料、航空航天材料、核材料、從用途來(lái)分，又分為電子材料、航空航天材料、核材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。建筑材料、能源材料、生物材料等。 更常見(jiàn)的兩種分類方法則是結(jié)構(gòu)材料與功能材料更常見(jiàn)的兩種分類方法則是結(jié)構(gòu)材料與功能材料 傳統(tǒng)材料與新材料。傳統(tǒng)材料與新材料。 四、結(jié)構(gòu)材料與功能材料 結(jié)構(gòu)材料：力學(xué)性能 鳥巢鋼結(jié)構(gòu)4.2萬(wàn)噸 寶馬汽車功能材料：物理、化學(xué)性質(zhì)或生物功能 如磁性材料、發(fā)光材料、微電子和光電子材料等。五、傳統(tǒng)材料與新材料 傳統(tǒng)材料：鋼鐵、水泥、塑料等。又稱為基礎(chǔ)材料。 新材料(先進(jìn)材料)是

4、指那些正在發(fā)展，且具有優(yōu)異性能和應(yīng)用前景的一類材料。如：超導(dǎo)材料、納米材料、生物材料、生態(tài)環(huán)境材料、基因材料等 新材料與傳統(tǒng)材料之間并沒(méi)有明顯的界限。六、 材料是人類社會(huì)進(jìn)步的里程碑 1、 舊石器時(shí)代(約250萬(wàn)年-1萬(wàn)年前) 早在一兩百萬(wàn)年以前，人類開(kāi)始用石頭做工具，使人類進(jìn)入舊石器時(shí)代。舊石器時(shí)代工具砍砸器（中國(guó)國(guó)家博物館藏品） 2、新石器時(shí)代（約1.2萬(wàn)-5000年前） 大約一萬(wàn)年以前，人類知道對(duì)石頭進(jìn)行加工，使之成為精致的器皿或工具，從而使人類進(jìn)入新石器時(shí)代。大約在9000年前，人類已發(fā)明了陶器。陶器的出現(xiàn)、不但用于器皿，而且成為裝飾品，歷史上雖無(wú)陶器時(shí)代的名稱，但其對(duì)人類文明的貢獻(xiàn)是

5、不可估量的。地球上已發(fā)現(xiàn)的最大的天然金塊“大三角”，重達(dá)36公斤。這個(gè)金塊是被一位名叫尼科夫爾.希烏特金的礦工1842年在烏拉爾山脈的薩萊沃-亞歷山德羅夫斯基礦發(fā)現(xiàn)的。 3、 青銅器時(shí)代（約公元前40001000年） 在燒制陶器過(guò)程中，偶然發(fā)現(xiàn)金屬銅和錫，從而使人類進(jìn)入青銅時(shí)代。這是人類較大量利用金屬的開(kāi)始，也是人類文明發(fā)展的重要里程碑。4、 鐵器時(shí)代（約公元前1400年近代） 公元前1314世紀(jì)前，人類己開(kāi)始用鐵，3000年前鐵工具比青銅工具更為普迫，人類開(kāi)始進(jìn)入了鐵器時(shí)代。中國(guó)最早出土的人工冶鐵制品約在公元前9世紀(jì)。到春秋(公元前770476年)末期，生鐵技術(shù)有較大突破，遙遙領(lǐng)先于世界其他

6、地區(qū)。長(zhǎng)治縣蔭城鎮(zhèn)春秋冶鐵遺址中發(fā)現(xiàn)的農(nóng)具“鐵镈”。5、 現(xiàn)代社會(huì)金屬材料 隨著世界文明的進(jìn)步，18世紀(jì)發(fā)明了蒸汽機(jī)，19世紀(jì)發(fā)明了電動(dòng)機(jī)，對(duì)金屬材料提出了更高要求，同時(shí)對(duì)鋼鐵冶金技術(shù)產(chǎn)生了更大的推動(dòng)作用。1854年和年和1864年先后發(fā)明了轉(zhuǎn)爐和平爐煉鋼使世界鋼產(chǎn)量年先后發(fā)明了轉(zhuǎn)爐和平爐煉鋼使世界鋼產(chǎn)量有一個(gè)飛速發(fā)展。如有一個(gè)飛速發(fā)展。如1850年世界鋼產(chǎn)量為年世界鋼產(chǎn)量為6萬(wàn)噸，萬(wàn)噸，1890年達(dá)年達(dá)2800萬(wàn)噸，大大促進(jìn)了機(jī)械制造、鐵道交通及紡織工業(yè)的發(fā)展。萬(wàn)噸，大大促進(jìn)了機(jī)械制造、鐵道交通及紡織工業(yè)的發(fā)展。 隨之電爐冶煉開(kāi)始，不同類型的特殊鋼相繼問(wèn)世，如隨之電爐冶煉開(kāi)始，不同類型的特殊

7、鋼相繼問(wèn)世，如1887年年高錳鋼、高錳鋼、1900年年W18Cr4V高速鋼、高速鋼、1903年硅鋼及年硅鋼及1910年奧氏年奧氏體鎳鉻體鎳鉻(Crl8Ni8)不銹鋼等。不銹鋼等。 在此前后，銅、鋁也得到大量應(yīng)用，而后鎂、鈦和很多稀有在此前后，銅、鋁也得到大量應(yīng)用，而后鎂、鈦和很多稀有金屬都相繼出現(xiàn)，從而金屬材料在整個(gè)金屬都相繼出現(xiàn)，從而金屬材料在整個(gè)20世紀(jì)占據(jù)了結(jié)構(gòu)材料世紀(jì)占據(jù)了結(jié)構(gòu)材料的主導(dǎo)地位。的主導(dǎo)地位。5、現(xiàn)代社會(huì)有機(jī)合成材料、現(xiàn)代社會(huì)有機(jī)合成材料19世紀(jì)末葉西方科學(xué)家仿制中國(guó)絲綢發(fā)明了人造絲世紀(jì)末葉西方科學(xué)家仿制中國(guó)絲綢發(fā)明了人造絲1909年的酚醛樹脂年的酚醛樹脂(電木電木)192

8、0年的聚苯乙烯年的聚苯乙烯1931年的聚氯乙烯年的聚氯乙烯1941年的尼龍等。年的尼龍等。目前世界三大有機(jī)合成材料目前世界三大有機(jī)合成材料(樹脂、纖維和橡膠樹脂、纖維和橡膠)年產(chǎn)量逾億噸。年產(chǎn)量逾億噸。現(xiàn)代社會(huì)陶瓷材料 陶瓷本來(lái)用作建筑材料、容器或裝飾品等。由于其資源豐富、密度小、高模量、高硬度、耐腐蝕、膨脹系數(shù)小、耐高溫、耐磨等特點(diǎn)，到了20世紀(jì)中葉，通過(guò)合成及其他制備方法，做出各種類型的先進(jìn)陶瓷(如Si3N4，SiC、ZrO2等)，成為近幾十年來(lái)材料中非常活躍的研究領(lǐng)域，有人甚至認(rèn)為“新陶器時(shí)代”即將到來(lái)。但由于其脆性問(wèn)題難以解決，且價(jià)格過(guò)高，作為結(jié)構(gòu)材料沒(méi)有得到如鋼鐵或高分子材料一樣的廣

9、泛應(yīng)用。現(xiàn)代社會(huì)復(fù)合材料 復(fù)合材料是20世紀(jì)后期發(fā)展的另一類材料。 天然材料很多是復(fù)合材料，人類很早就制造復(fù)合材料。 復(fù)合材料定義：兩種或更多不同類型材料的混合 復(fù)合材料種類：一般依基體分為高分子基、金屬基、陶瓷基等波音787首先在結(jié)構(gòu)部分采用了復(fù)合材料，總復(fù)合材 料 用 量 達(dá)50%，而以前僅20%。 自19世紀(jì)中葉現(xiàn)代煉鋼技術(shù)出現(xiàn)以后，金屬材料的重要性急劇增加，一直到20世紀(jì)中葉，人工合成有機(jī)材料、陶瓷材料及先進(jìn)復(fù)合材料迅速發(fā)展，金屬材料的重要性逐漸下降，但一直到21世紀(jì)上半葉，金屬材料仍將占重要位置。 而功能材料自古就受到重視，早在戰(zhàn)國(guó)(公元前3世紀(jì))已利用天然磁鐵礦來(lái)制造司南，到宋代用鋼針磁化制出了羅盤，為航海的發(fā)展提供了關(guān)鍵技術(shù)。功能材料是信息技術(shù)及自動(dòng)化的基礎(chǔ)。1947年發(fā)明了第一只具有放大作用的晶體管10余年后又研制成功集成電路激光材料與光導(dǎo)纖維因?yàn)楣枋俏㈦娮蛹夹g(shù)的關(guān)鍵材料，所以有人稱之為“硅片為代表的電子材料時(shí)代” 。6、材料的未來(lái)、材料的未來(lái)（1）先進(jìn)材料）先進(jìn)材料 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料 生物材料生物材料 納米材料納米材料 智能材料智能材料（2）、材料的需求）、材料的