材料的定義、發(fā)展、地位和作用

1、材料的定義、發(fā)展、地位和作用Introduction to Materials材料概論的主要任務材料科學與工程專業(yè)的重要基礎(chǔ)課、第一門專業(yè)課；著重介紹材料科學與工程學科的內(nèi)涵、基本問題和共性問題；介紹無機非金屬、高分子、金屬、復合材料的個性和特點，對材料科學與工程建立整體而又具體的認識；介紹材料學科前沿領(lǐng)域和新材料的發(fā)展趨勢。課程的性質(zhì)材料概論無機化學物理化學材料工學材料工程原理認識實習畢業(yè)實習畢業(yè)論文進一步深造分析化學有機化學材料科學基礎(chǔ)普通物理現(xiàn)代測試方法材料物理性能固體物理教學內(nèi)容1. 緒論2. 材料科學與工程的 四個基本要素 3. 無機非金屬材料 4. 高分子材料 5. 金屬材料6.

2、復合材料 7. 材料、環(huán)境資源 與可持續(xù)發(fā)展 8. 新材料和前沿材料 9. 國家新材料發(fā)展戰(zhàn) 略 第一章 緒 論材料的定義材料的發(fā)展、地位和作用材料的分類材料科學與工程的形成與發(fā)展環(huán)境及其它影響材料的因素1.什么是材料?材料是由一定配比的若干相互作用的元素組成、具有一定結(jié)構(gòu)層次和確定性能，并能用于制造物品、器件、構(gòu)件、機器或其他產(chǎn)品的物質(zhì)。 注意:材料是物質(zhì)，但不是所有物質(zhì)都可以稱為材料.大多數(shù)的物質(zhì)需通過一定的工藝過程才能轉(zhuǎn)化為材料.材料可由一種物質(zhì)或若干種物質(zhì)構(gòu)成.同一種物質(zhì),由于制備或加工方法不同,可成為用途不同不同類型的材料.催化劑載體寶石基板材料切削工具激光材料高溫爐管Al2O3生活

3、中的材料 可口可樂容器鋁金屬材料玻璃無機非金屬材料塑料高分子材料材料是人類文明的里程碑，是人類進化的重要標志之一，人類歷史曾以使用的主要材料來加以劃分。2. 材料的發(fā)展、地位與作用舊石器時代 新石器時代 青銅器時代 鐵器時代 材料是人類賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)；舊石器時代（10000年前）新石器時代（距今10000-4000年）磨制石器 7000年前陶器青銅器時代 公元前5000年 青銅器時代鐵器時代 公元前1200年鐵器時代人類的文明史材料的發(fā)展史人類學習利用材料、制造材料、創(chuàng)新材料的歷史。材料發(fā)展近現(xiàn)代史1712年 4次技術(shù)革命蒸汽機 電 原子能 計算機、生 物、空間技術(shù)紡織冶金機械造

4、船電子石油化工電氣通訊合成材料半導體材料新型無機材料高分子材料新型金屬材料復合材料18世紀末 19世紀末 20世紀中期 20世紀70年代現(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展更離不開材料的發(fā)展, 只有開發(fā)制備出滿足性能需要的新材料后, 技術(shù)創(chuàng)新才可能實現(xiàn), 我們的生活才會更加豐富多彩.材料是人類生存、社會發(fā)展、科技進步的物質(zhì)基礎(chǔ)，是現(xiàn)代科技發(fā)展的先導。材料在當今國民經(jīng)濟中的地位材料是當代文明的三大支柱之一材料、能源、信息是當代社會文明和國民經(jīng)濟的三大支柱，是人類社會進步和科學技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)先導。新材料的研究、開發(fā)與應用反映一個國家的科學技術(shù)與工業(yè)水平，關(guān)系到國家的綜合國力與安全。材料是全球新技術(shù)革命的四

5、大標志之一 新材料技術(shù)、新能源技術(shù)、信息技術(shù)、生物技術(shù)。以半導體材料為核心的計算機制造技術(shù)；以光導纖維為基礎(chǔ)的光纖通訊技術(shù)；以超導材料為基礎(chǔ)的磁懸浮技術(shù)；以耐熱輕質(zhì)材料為結(jié)構(gòu)材料的航空航天技術(shù)等，構(gòu)成了現(xiàn)代科學技術(shù)的基礎(chǔ)；納米材料科學與技術(shù)是20世紀80年代發(fā)展起來的新興學科，成為21世紀新技術(shù)的主導中心。磁懸浮列車核磁共振儀1946年世界第一臺計算機占地面積為170平方米左右，重量30噸。運算速度5000次/秒;經(jīng)過了電子管、晶體管、集成電路和超大規(guī)模集成電路四個階段?，F(xiàn):幾百億次/秒。鈦合金自行車26 材料和生活用品 現(xiàn)代渦輪噴氣發(fā)動機年代氣冷式航空發(fā)動機蒸汽機1490C3150C6490

6、C10930C19270C發(fā)動機溫度一次大戰(zhàn)水冷式30年代空冷式風扇噴氣發(fā)動機渦輪噴氣發(fā)動機超音速燃燒沖壓式噴氣發(fā)動機溫度（0C）航空材料 30 波音777客機上的發(fā)動機的壓縮機、葉片及緊固件。 30年代教練機二次大戰(zhàn)戰(zhàn)斗機80年代截擊機航天飛機東方快車號1093164953849oC93.3oC427oC1093oC1649oC不同類型的飛行器蒙皮溫度溫度（0C）小飛機 直升機 運輸機 波音707戰(zhàn)斗機噴氣式機 超音速飛機近地衛(wèi)星衛(wèi)星飛機速率速度與效益10102103104每減少1kg所收獲效益 +175+390+595金屬玻璃纖維KavlarC/C復合材料K m導彈射程火箭殼體材料與導彈射

7、程責任重大 大有作為2004年度 國家技術(shù)發(fā)明一等獎張立同院士耐高溫長壽命抗氧化陶瓷基復合材料應用技術(shù)黃伯云院士高性能炭炭航空制動材料的制備技術(shù)2006年度 國家自然科學一等獎閔乃本院士介電體超晶格材料的設(shè)計、制備、性能和應用3.材料的分類 按化學組成分類按材料的性能分類按材料的應用分類按材料結(jié)晶狀態(tài)分類按材料的尺寸分類 金屬材料 純金屬(單質(zhì))、合金 黑色、有色、特殊金屬材料 無機非金屬材料 水泥、陶瓷、玻璃、耐火材料 高分子材料 塑料、橡膠、纖維、涂料、粘合劑 復合材料 金屬基、陶瓷基、樹脂基、C/C材料1)按化學組成分類金屬陶瓷Co+WC（硬質(zhì)合金）金屬、合金Fe,Al,Cu鋼鐵金屬高分

8、子橡膠（輪胎）無機非金屬Al2O3Si3N4，SiC玻璃有機高分子熱塑性塑料彈性體有機纖維陶瓷高分子玻璃纖維樹脂碳纖維+環(huán)氧樹脂四大類傳統(tǒng)材料各種金屬零部件高溫結(jié)構(gòu)陶瓷零件工程塑料制成的零件復合材料 用碳纖維增強環(huán)氧樹脂制得的高爾夫球桿強度高、重量輕、剛性好。復合材料2) 根據(jù)材料的性能分類 結(jié)構(gòu)材料功能材料 導電材料、半導體材料絕緣材料、超導材料磁性材料、透光材料隔熱材料、催化材料壓電材料、熱電材料鐵電材料、非線性光學材料磁致伸縮材料、光電材料形狀記憶材料、變色材料按物理效應分為：按物理性質(zhì)分為：結(jié)構(gòu)材料 具有抵抗外場作用而保持自己的形狀、結(jié)構(gòu)不變的優(yōu)良力學性能（強度和韌性等），用于結(jié)構(gòu)目的

9、的材料。結(jié)構(gòu)材料杭州灣跨海鋼鐵大橋，橋長36公里 青藏鐵路 1142公里功能材料具有優(yōu)良的電學、磁學、光學、熱學、聲學、化學和生物學功能及其相互轉(zhuǎn)化的功能，被用于非結(jié)構(gòu)目的的高技術(shù)材料。結(jié)構(gòu)材料智能材料光學材料磁性材料 能源材料電子材料生物材料航空、航天材料功能材料按材料的性能分類 磁存儲 電飯鍋：利用磁性材料的居里點特性。壓電晶體和光電晶體PZT Fibers56 形狀記憶合金 3）按材料的應用分類電子材料、電工材料、信息材料、航空航天材料、能源材料、生物醫(yī)用材料、建筑材料 、光學材料、感光材料、耐蝕材料、研磨材料、耐火材料、結(jié)構(gòu)材料、包裝材料等。航空、航天材料能源材料電子材料光學材料生物材

10、料建筑材料4）按材料的結(jié)晶狀態(tài)分類單晶材料：由一個比較完整的晶粒構(gòu)成的材料， 如金剛石、單晶硅、單晶纖維；多晶材料：由許多晶粒組成的材料，其性能與晶 粒大小、晶界的性質(zhì)有密切關(guān)系, 如各種陶瓷。非晶態(tài)材料：由原子或分子排列遠程無序的固體 材料，如玻璃、高分子材料。單晶金剛石單晶單晶硅棒 (直拉法)多晶非晶液 晶5）按材料的尺寸分類 零維材料 超微粒子(大小1100nm的超微粒) 一維材料 光導纖維、碳纖維、硼纖維、陶瓷纖維; 晶須強度和剛度最高。 二維材料 金剛石薄膜、高溫超導薄膜、半導體薄膜 三維材料 塊狀材料。 鐵基納米晶帶材材料科學與工程的定義 材料科學與工程：是關(guān)于材料成分、結(jié)構(gòu)、工藝

11、和它們性能與應用之間有關(guān)知識開發(fā)和應用的科學。它是一個多學科的交叉領(lǐng)域，是從科學到工程的一個專業(yè)連續(xù)領(lǐng)域。材料科學：專注于理解材料成分、結(jié)構(gòu)和它們性能及使用性能之間的關(guān)系。材料工程：著重于將物質(zhì)或原料轉(zhuǎn)變成具有適當結(jié)構(gòu)、滿足使用性能要求的材料材料化過程。4.材料科學與工程的形成與發(fā)展材料科學的形成社會經(jīng)濟需求科學技術(shù)發(fā)展的持續(xù)推動不同材料的諸多共性有必要形成一門材料科學材料科學與工程的形成材料科學與工程是多學科性的交叉學科。20年代A 固體物理B 材料工程40年代AB60年代ABMS材料科學70年代以后BMSMSE材料科學與工程材料學科的交叉和滲透三大材料的交叉，衍生出許多復合材料。基礎(chǔ)學科向

12、各材料學科的交叉和滲透。各材料學科之間的相互滲透、移植與借鑒。在制造技術(shù)上也是互相滲透和借鑒。新技術(shù)在各類材料中得到廣泛應用。金屬基陶瓷基樹脂基復合材料粉末冶金 金屬陶瓷術(shù)塑料壓延成型金屬板材軋制成型如等離子技術(shù)在冶金工業(yè)、金屬材料焊接、表面化學熱處理、氣相沉積、高分子和無機非金屬材料等領(lǐng)域得到廣泛應用。物理、化學、力學、物理化學、晶體學 金屬學 無機材料科學基礎(chǔ) 高分子物理與化學Materials Science and Engineering材料科學與工程的形成與發(fā)展，反映了學科發(fā)展從細分到整合（綜合）的基本規(guī)律。材料學科的分合圖地 質(zhì)采 礦礦 冶化 工冶 金陶 瓷高分子物 冶化 冶物 冶

13、力 冶物 理社會科學 材料學MSE化 學力 學礦 187918881888193719371966198619891975 美國MIT礦冶及材料系名稱的演變年系名稱18651879地質(zhì)與采礦工程18791884采礦工程18841888采礦工程（地質(zhì)、采礦、冶金）18881890采礦與冶金18901927采礦工程與冶金19271937采礦與冶金19371966冶金19661975冶金與材料科學1975現(xiàn)在材料科學與工程金屬材料材料硅酸鹽材料高分子材料科學與工程金屬材料及熱處理、粉末冶金高溫合金、精密合金金屬腐蝕與防護、金屬物理水泥、玻璃陶瓷、耐火材料高分子化學、高分子材料、高分子化工、化學纖維

14、、橡膠制品、塑料成型加工工藝工程金屬材料材料工程無機非金屬材料與工程高分子材料科學與工程材料學 材料物理與化學 材料加工工程 一級學科二級學科結(jié)論：不同的材料二級學科曾為社會培養(yǎng)了大量的專業(yè)人才；已不能滿足21世紀人才培養(yǎng)的需求，必須進行改革；按照“四要素”原則重新構(gòu)建材料科學與工程的大材料學科。材料科學與工程的四要素合成與加工性質(zhì)/使用性能結(jié)構(gòu)（化學）（工程）（物理學）組成材料科學與工程的內(nèi)涵使用性能組成、結(jié)構(gòu)材料科學與工程加工性能四要素陶瓷金屬高分子材料復合材料材料科學與工程例一、汽車底盤材料什么結(jié)構(gòu)特性制約了強度和成型性能?什么性能控制強度?性質(zhì)/使用性能 成本比強大小?成型性能?汽車的

15、防撞性如何?制造成本?鐵基?鋁基?使用何種合金元素?使用量?合成/制備如何控制制備過程以獲得高韌性、易成型的鋼鐵材料?如何制造空氣動力學性能好的汽車底盤?組成結(jié)構(gòu)制備汽車底盤的材料要求：具有極高的強度，但易于成型，以制造出滿足空氣動力學要求的外形輪廓；考慮到能耗，鋼板必須薄而輕；為增加汽車的安全性，在撞車情況下鋼板還必須能夠吸收大量的能量。需考慮：成分、強度、重量、能量吸收性能以及延展性材料科學家需從顯微結(jié)構(gòu)上檢驗鋼材，以確定該材料是否滿足上述要求；他們還需采用低成本的制造方式。在材料選擇和設(shè)計過程中還必須考慮：成型過程是否影響鋼材的力學性能？采用何種涂層可更好地提高鋼的抗腐蝕性能？這種鋼材是

16、否易于焊接？等等。例二、三種不同的氧化鋁材料制備加工過程對產(chǎn)品性能的影響單晶多晶、低孔隙率多晶、高孔隙率5.環(huán)境及其它影響材料的因素 材料設(shè)計及選用時需考慮溫度、循環(huán)應力、突然撞擊、以及腐蝕和氧化等環(huán)境因素的影響。金屬材料在高溫下突然失去強度溫度: 溫度的猛然變化會改變材料的性能。材料強度隨溫度的變化Titanic號破裂和沉沒TITANIC極低溫度下，金屬材料和高分子材料亦發(fā)生脆化。 “挑戰(zhàn)者”號載人航天飛機失事疲勞損傷: 當材料在使用過程中經(jīng)歷反復的加載和卸載，其內(nèi)部微裂紋擴展而導致的材料損傷稱為疲勞損傷。腐蝕: 大多數(shù)金屬和高分子材料與氧氣和其它氣體均會發(fā)生反應，尤其是在較高溫度下。材料也會受腐蝕性液體的侵蝕而永久損壞。應變速率: 材料選擇和應用中，也應考慮應變速率。如silly Putty是一種硅橡膠，當被緩慢拉伸，可以變形很大，而被快速拉伸時，則很容易破裂。很多金屬也有此現(xiàn)象。 在大多數(shù)情況下，溫度、疲勞損傷、應力和腐蝕是互相相關(guān)的。材料除受到上述因素影響外，還受到其它自然環(huán)境的影響，需根據(jù)材料使用的具體環(huán)境進行選擇和處理。材料的選擇何種材料是恰當?shù)?？金屬、陶瓷、高分子、復合材料？具有滿足性能的可選擇材料。例一、液體容