材料概論第一章材料與材料科學(xué)

1、材料概論第一章材料與材料科學(xué)第1頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四課程的性質(zhì)材料概論無(wú)機(jī)化學(xué)物理化學(xué)材料工學(xué)現(xiàn)代測(cè)試方法認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)畢業(yè)實(shí)習(xí)畢業(yè)論文進(jìn)一步深造分析化學(xué)有機(jī)化學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ)普通物理第2頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四教材與參考書(shū)周達(dá)飛材料概論 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001施惠生 主編 材料概論 上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2002顧家琳 主編 材料科學(xué)與工程概論 北京：清華大學(xué)出版社，2005李俊壽 主編 新材料概論 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004第3頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四教學(xué)內(nèi)容一. 材料與材料科學(xué)二

2、. 材料的組織、結(jié)構(gòu)與性能三. 材料的制備方法四.材料成型五.10種產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程概述六.材料應(yīng)用七.材料與環(huán)境八.比較與選擇第4頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四第5頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四第一章 材料與材料科學(xué)材料的地位、作用與發(fā)展材料的定義和分類材料的要素材料科學(xué)與工程的發(fā)展趨勢(shì)第6頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四材料是人類賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)； 人類的文明史以使用的主要材料來(lái)劃分為四個(gè)時(shí)代。1.1材料的地位、作用與發(fā)展石器時(shí)代 陶器 青銅器 鐵器250萬(wàn)年前 1萬(wàn)年前 公元前5000年 公元前1

3、200年第7頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四舊石器時(shí)代（10000年前）第8頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四新石器時(shí)代（距今10000-4000年）磨制石器 7000年前陶器第9頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四青銅時(shí)代 公元前5000年 第10頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四鐵器時(shí)代（1）公元前1200年第11頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四鐵器時(shí)代（2） 第12頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四人類的文明史就是材料的發(fā)展史是人類學(xué)習(xí)利用材料

4、、制造材料、創(chuàng)新材料的歷史。第13頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四材料發(fā)展近代史以1712年蒸汽機(jī)發(fā)明為起點(diǎn)，近300年來(lái)，人類經(jīng)歷了4次技術(shù)革命。蒸汽機(jī) 電 原子能 計(jì)算機(jī)、生物、 空間技術(shù)18世紀(jì)末 19世紀(jì)末 20世紀(jì)中期 20世紀(jì)70年代紡織冶金機(jī)械造船電子石油化工電氣合成材料半導(dǎo)體材料新型無(wú)機(jī)材料高分子材料新型金屬材料復(fù)合材料第14頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四材料是人類生存、社會(huì)發(fā)展、科技進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)、現(xiàn)代科技發(fā)展的先導(dǎo)我國(guó)是材料大國(guó)，但不是材料強(qiáng)國(guó)“神舟六號(hào)”飛船始返前后圖片 2005年，115小時(shí)飛行第15頁(yè)，共52頁(yè)，2

5、022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四第16頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四材料是當(dāng)代文明的三大支柱之一材料、能源、信息是當(dāng)代社會(huì)文明和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的三大支柱，是人類社會(huì)進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)先導(dǎo)。材料是全球新技術(shù)革命的四大標(biāo)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)。新型材料的研究、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用反映一個(gè)國(guó)家的科學(xué)技術(shù)與工業(yè)水平，關(guān)系到國(guó)家的綜合國(guó)力與安全。材料在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位第17頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)：以半導(dǎo)體材料為核心的計(jì)算機(jī)制造技術(shù)；以光導(dǎo)纖維為基礎(chǔ)的光纖通訊技術(shù)；以超導(dǎo)材料為基礎(chǔ)的磁懸

6、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。納米材料科學(xué)與技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的新興學(xué)科，成為21世紀(jì)新技術(shù)的主導(dǎo)中心。第18頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四鈦結(jié)構(gòu)自行車(chē)：“自行車(chē)發(fā)燒友” 選擇鈦合金制自行車(chē)。鈦合金的應(yīng)用場(chǎng)合很特殊。通常用于需要抗腐蝕，耐疲勞，高彈性的場(chǎng)合 19 材料和生活用品 第19頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四20 超級(jí)鋼 一種汽車(chē)用鋼，比原先的輕24%，強(qiáng)度高34%，稱為超級(jí)鋼。第20頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四磁懸浮列車(chē)速度：500km/h核磁共振儀南京北京只需4個(gè)小時(shí)

7、第21頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四第22頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四1.2、材料的定義和分類材料是由一種化學(xué)物質(zhì)為主要成分，并添加一定的助劑作為次要成分所組成的；-一定的組成和配比可以在一定的溫度和一定壓力下使之熔融，并在模具中塑制成一定形狀；-成型加工性冷卻后在室溫下能保持既定形狀，并可在一定條件下使用的物品；-形狀保持性其生產(chǎn)過(guò)程必須實(shí)現(xiàn)最高的生產(chǎn)率、最低的原料成本和能耗；-經(jīng)濟(jì)性最少地產(chǎn)生廢物和環(huán)境污染物，并且其廢棄物可以回收再利用。-回收和再生性一. 材料的定義第23頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四注

8、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(guò)一定的工藝過(guò)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.第24頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四激光材料寶石基板材料高溫爐管切削工具催化劑Al2O3第25頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四按化學(xué)組成分類按材料的應(yīng)用分類按材料的使用性能分類按材料結(jié)晶狀態(tài)分類二.材料的分類 第26頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四無(wú)機(jī)非金屬材料 ROX、RNX、碳化物 、硼化物及硅酸鹽、鋁酸鹽等 水泥、陶瓷

9、、玻璃、耐火材料金屬材料 金屬元素 黑色、有色 、特種金屬材料有機(jī)高分子材料 H、 C、 O、 N 塑料、橡膠、纖維、涂料、粘合劑復(fù)合材料 兩種或兩種以上材料組成 金屬基、陶瓷基、樹(shù)脂基 1、按化學(xué)組成分類第27頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四金屬陶瓷金屬金屬高分子無(wú)機(jī)非金屬高分子陶瓷高分子第28頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四各種金屬零部件第29頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四工程塑料制成的零件第30頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四高溫結(jié)構(gòu)陶瓷零件第31頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日

10、，22點(diǎn)16分，星期四復(fù)合材料 用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂制得的高爾夫球桿強(qiáng)度高、重量輕、剛性好。第32頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四復(fù)合材料第33頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四2、按材料的應(yīng)用領(lǐng)域分類建筑材料包裝材料農(nóng)用材料磁性材料 能源材料電子材料生物材料航空航天材料材料第34頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四航空、航天材料第35頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四能源材料生物材料電子材料第36頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四3、按材料的使用性能分類 結(jié)構(gòu)材料：力學(xué)性能

11、（彈性、塑性、硬度、抗拉等） 功能材料：除力學(xué)性能以外的其它性能 （光、聲、電、磁、超導(dǎo)等功能材料）第37頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四結(jié)構(gòu)材料第38頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四光學(xué)鏡片磁性材料光學(xué)聚合物材料鐵磁芯第39頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四40 形狀記憶合金 管件接頭衛(wèi)星天線第40頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四4、按材料的結(jié)晶狀態(tài)分類單晶材料：由一個(gè)比較完整的晶粒構(gòu)成的材料，如單晶纖維、單晶硅；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)有密切的關(guān)系。非晶

12、態(tài)材料：由原子或分子排列遠(yuǎn)程無(wú)序的固體材料，如玻璃、高分子材料。第41頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四單晶金剛石第42頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四液 晶第43頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四1.3、材料的要素結(jié)構(gòu)與成分使用性能性質(zhì)和現(xiàn)象（化學(xué)）（工程）（物理學(xué)）合成與加工 探索這四個(gè)要素之間的關(guān)系覆蓋從基礎(chǔ)學(xué)科到工程的全部?jī)?nèi)容。第44頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四1、性質(zhì)/性能力學(xué)性質(zhì) 強(qiáng)度、硬度、鋼度、塑性、韌性物理性質(zhì) 電學(xué)性質(zhì)、磁學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)化學(xué)性質(zhì) 催化性質(zhì)、防腐

13、性質(zhì)是材料功能特性和效用的定量度量和描述。（材料對(duì)電、磁、光、熱、機(jī)械載荷的反應(yīng)）性質(zhì)主要決定于材料的組成與結(jié)構(gòu)。第45頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四2. 使用性能 定義：材料在最終使用狀態(tài)下表現(xiàn)的行為。 內(nèi)容：可靠性、耐用度、有效壽命、性能價(jià)格比、安全性等各種性能指標(biāo)。它將材料的固有性質(zhì)與材料設(shè)計(jì)、工程環(huán)境及人類的需要融合一起。第46頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四3、結(jié)構(gòu)與成分每一種材料都含有一種以原子和電子尺度到宏觀尺度的結(jié)構(gòu)體系。 結(jié)構(gòu)與成分的變化是影響材料性能的基本因素。結(jié)構(gòu)與成分是材料采用的合成與加工方法的結(jié)果。 宏觀組織結(jié)構(gòu)：

14、 10-4 m 肉眼可見(jiàn) 顯微組織結(jié)構(gòu)： 10-4 10-8 m 顯微鏡觀察 原子或分子排列結(jié)構(gòu)：10-10 m 原子中的電子結(jié)構(gòu)： 10-13 m第47頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四4、合成與加工 合成與加工 建立原子、分子和分子聚集體的新排列，在從原子尺度到宏觀尺度的所有尺度上對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制以及高效而又競(jìng)爭(zhēng)地制造材料和零件的演變過(guò)程。合成把各種原子或分子結(jié)合起來(lái)，制成材料所采用的方法。加工是賦予制品一定的形狀或性能。合成與加工是新技術(shù)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵要素、人造材料的唯一實(shí)現(xiàn)途徑第48頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四例一、汽車(chē)底盤(pán)材料什么結(jié)構(gòu)特

15、性制約了強(qiáng)度和成型性能?什么性能控制強(qiáng)度?性質(zhì)/使用性能 成本比強(qiáng)大小?成型性能?汽車(chē)的防撞性如何?制造成本?鐵基?鋁基?使用何種合金元素?使用量?合成/制備如何制造空氣動(dòng)力學(xué)性能好的汽車(chē)底盤(pán)?如何控制制備過(guò)程以獲得高韌性、易成型的鋼鐵材料?組成結(jié)構(gòu)第49頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四制備汽車(chē)底盤(pán)的材料要求：極高的強(qiáng)度，易成型；考慮到能耗，鋼板必須薄而輕；為安全性，在撞車(chē)時(shí)，鋼板能吸收大量的能量。需考慮：成分、強(qiáng)度、重量、能量吸收性能以及延展性材料科學(xué)家需從顯微結(jié)構(gòu)上檢驗(yàn)鋼材，以確定該材料是否滿足上述要求；還需采用有成本效益的方式進(jìn)行制造。還必須考慮：成型過(guò)程是否影

16、響鋼材的力學(xué)性能？采用何種涂層可更好地提高鋼的抗腐蝕性能？這種鋼材是否易于焊接？第50頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四例二、三種不同的氧化鋁材料單晶多晶、低孔隙率多晶、高孔隙率制備加工過(guò)程對(duì)產(chǎn)品性能的影響第51頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期四1.4 材料科學(xué)與工程的發(fā)展趨勢(shì) 天然材料（木塊、石器、骨器） 簡(jiǎn)單合成材料（陶器、青銅和鐵） 高分子材料（合成塑料、橡膠）復(fù)合材料智能材料（隨環(huán)境和時(shí)間變化的復(fù)合材料）天然材料（木塊、石器、骨器） 簡(jiǎn)單合成材料（陶器、青銅和鐵） 高分子材料（合成塑料、橡膠）復(fù)合材料 簡(jiǎn)單合成材料（陶器、青銅和鐵） 高分

17、子材料（合成塑料、橡膠）復(fù)合材料智能材料（隨環(huán)境和時(shí)間變化的復(fù)合材料） 簡(jiǎn)單合成材料（陶器、青銅和鐵） 高分子材料（合成塑料、橡膠）復(fù)合材料天然材料（木塊、石器、骨器） 簡(jiǎn)單合成材料（陶器、青銅和鐵） 高分子材料（合成塑料、橡膠）復(fù)合材料智能材料（隨環(huán)境和時(shí)間變化的復(fù)合材料） 簡(jiǎn)單合成材料（陶器、青銅和鐵） 高分子材料（合成塑料、橡膠）復(fù)合材料智能材料（隨環(huán)境和時(shí)間變化的復(fù)合材料）復(fù)合材料 高分子材料（合成塑料、橡膠）智能材料（隨環(huán)境和時(shí)間變化的復(fù)合材料）復(fù)合材料 簡(jiǎn)單合成材料（陶器、青銅和鐵） 高分子材料（合成塑料、橡膠）智能材料（隨環(huán)境和時(shí)間變化的復(fù)合材料）復(fù)合材料天然材料（木塊、石器、骨器） 簡(jiǎn)單合成材料（陶器、青銅和鐵） 高分子材料（合成塑料、橡膠）智能材料（隨環(huán)境和時(shí)間變化的復(fù)合材料）復(fù)合材料天然材料（木塊、石器、骨器） 簡(jiǎn)單合成材料（陶器、青銅和鐵） 高分子材料（合成塑料、橡膠）智能材料（隨環(huán)境和時(shí)間變化的復(fù)合材料）復(fù)合材料天然材料（木塊、石器、骨器） 簡(jiǎn)單合成材料（陶器、青銅和鐵） 高分子材料（合成塑料、橡膠）智能材料