第一章 材料科學(xué)導(dǎo)論緒論

第一章緒論第一節(jié)材料的發(fā)展與人類的文明第二節(jié)材料的分類第三節(jié)材料科學(xué)與工程第四節(jié)材料的發(fā)展趨勢(shì)什么是材料(materials)?Materialsisthestufffromwhichathingismadeforusing.材料是人類社會(huì)所能接受的、可經(jīng)濟(jì)地制造有用物品的物質(zhì)。天然材料人工材料人工材料第一節(jié)材料的發(fā)展與人類文明一、材料與人類文明及社會(huì)現(xiàn)代化1.材料與物質(zhì)

2.材料是人類文明的里程碑

人類歷史的劃分

材料是人類進(jìn)步的里程碑材料是社會(huì)進(jìn)步的基礎(chǔ)，是人類進(jìn)步程度的主要標(biāo)志，所以人類社會(huì)的進(jìn)步是以材料為里程碑。每當(dāng)出現(xiàn)一種新材料，社會(huì)生產(chǎn)就獲得一次大發(fā)展，整個(gè)人類社會(huì)也就隨著產(chǎn)生一次新的飛躍。因此，歷史學(xué)家往往把制造工具的原材料作為社會(huì)發(fā)展的標(biāo)志。2.材料是人類文明的里程碑

航空航天的物質(zhì)基礎(chǔ)三高一低的結(jié)構(gòu)材料（高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、低密度)b(MPa) 0.2(MPa) (%)382 310 6488 478 12360 280 4482 472 9330 250 2440 290 6縱向橫向高鍛鋁2014（LD10）的力學(xué)性能衛(wèi)星發(fā)射，節(jié)省1公斤重量將降低費(fèi)用$20000。一次發(fā)射節(jié)約費(fèi)用20%。鋁的理論強(qiáng)度為4700MPa，當(dāng)今高強(qiáng)鋁合金的最高強(qiáng)度沒有超過1000MPa。鋁合金的主要應(yīng)用領(lǐng)域戰(zhàn)機(jī)艦船導(dǎo)彈火箭人造衛(wèi)星戰(zhàn)車高速列車汽車高層建筑f導(dǎo)彈頭罩窗口窗口材料：藍(lán)寶石金剛石ZnS/金剛石導(dǎo)彈的眼睛——窗口材料（ZnS,ZnSe,Al2O3,diamond,…）4.材料的發(fā)展史，就是科學(xué)技術(shù)的發(fā)展史。

原理 成品 發(fā)展時(shí)間電機(jī) 1821 1886 65真空管 1882 1915 33無線電 1887 1922 35X光 1895 1913 18雷達(dá) 1935 1940 5原子堆 1939 1942 3半導(dǎo)體 1948 1951 3激光 1958 1960 2表1科學(xué)原理的發(fā)現(xiàn)時(shí)間與其產(chǎn)業(yè)化時(shí)間的對(duì)照中國(guó)的四大發(fā)明：紙、火藥、指南針、活字印刷1.材料的單向循環(huán)

三、材料、能源與環(huán)境

2.材料的雙向循環(huán)3.材料的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略與生態(tài)環(huán)境材料

材料生產(chǎn)的能源消耗材料產(chǎn)業(yè)的能源消耗也可分為直接消耗和間接消耗兩類。鋁材主要用電解法生產(chǎn)，用煤發(fā)電，再用電來生產(chǎn)鋁。由于發(fā)電和送電效率的影響，造成鋁材生產(chǎn)的能起要比一般材料能耗高很多。我國(guó)1999年水泥產(chǎn)量已達(dá)5.76億t，列世界第－。盡管生產(chǎn)1t水泥的能耗只有200多千克標(biāo)準(zhǔn)煤，我國(guó)建材業(yè)總能耗1991年為1.279億t標(biāo)準(zhǔn)煤，至1994年達(dá)1.900億t標(biāo)準(zhǔn)煤，增幅達(dá)48.6％。材料生產(chǎn)的資源消耗材料生產(chǎn)的能源消耗其中黑色金屬冶煉，主要是煉鋼煉鐵，所消耗的能源占整個(gè)工業(yè)能耗的1/6強(qiáng)；其次是非金屬礦物制造，如水泥、瓷磚等，占整個(gè)工業(yè)能耗的1／7。這些數(shù)據(jù)表明，材料產(chǎn)業(yè)是我國(guó)資源消耗、能源消耗的主要大戶。提高材料產(chǎn)業(yè)的資源效率、能源效率對(duì)整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的影響都十分巨大。鋼鐵生產(chǎn)的環(huán)境影響以鋼鐵冶金生產(chǎn)為例，1億噸鋼鐵的能耗占工業(yè)總能耗的17.5％，居產(chǎn)業(yè)能耗之首；排放的廢水占工業(yè)總排放量的14.1％；廢氣占工業(yè)總排放量的30.0％，為僅次于化工的第二污染大戶。有色金屬生產(chǎn)的環(huán)境影響有色金屬工業(yè)是以品位很低的礦產(chǎn)資源為對(duì)象進(jìn)行提取、加工的產(chǎn)業(yè)。年產(chǎn)500萬噸的有色金屬產(chǎn)品，所造成的以尾礦和廢渣為主的工業(yè)固體廢棄物每年超過6000萬噸，尾礦總庫(kù)容達(dá)10億立方米。另外，有色金屬生產(chǎn)過程中排放的二氧化硫、氟化氫、砷等廢氣，是有毒廢氣的主要源頭之一。水泥生產(chǎn)的環(huán)境影響以水泥、玻璃、陶瓷、粘土磚為主的傳統(tǒng)材料的產(chǎn)量均居世界首位，其中1994年水泥年產(chǎn)量達(dá)4.9億噸，占世界總產(chǎn)量的31％。全國(guó)水泥工業(yè)平均粉塵、煙塵排放量達(dá)23.2公斤／噸，年排放量達(dá)98萬噸，是造成城鎮(zhèn)嚴(yán)重污染的首要責(zé)任者。第二節(jié)材料的分類按組成分類按狀態(tài)分類按化學(xué)狀態(tài)分類按物理性質(zhì)分類按物理效應(yīng)分類按用途分類按化學(xué)狀態(tài)分類金屬材料無機(jī)非金屬材料有機(jī)高分子材料復(fù)合材料

按物理性質(zhì)分類高強(qiáng)度材料耐高溫材料超硬材料導(dǎo)電材料絕緣材料磁性材料透光材料半導(dǎo)體材料按狀態(tài)分類單晶材料多晶質(zhì)材料非晶態(tài)材料準(zhǔn)晶態(tài)材料

按物理效應(yīng)分類壓電材料熱電材料鐵電材料光電材料電光材料聲光材料磁光材料激光材料按用途分類功能材料結(jié)構(gòu)材料按用途分類建筑材料結(jié)構(gòu)材料研磨材料耐火材料耐酸材料電工材料電子材料光學(xué)材料感光材料包裝材料

按組成分類單組分材料復(fù)合材料

金屬材料的分類按組成成分分類純金屬合金按實(shí)用分類黑色金屬材料（鐵及鐵合金）有色金屬材料（非鐵金屬）貴金屬、稀有金屬金屬材料的分類金屬材料黑色金屬普碳鋼合金鋼滲碳鋼、工具鋼、彈簧鋼、模具鋼、不銹鋼、低合金高強(qiáng)鋼有色金屬重有色金屬銅、鎳、錫、鉛、鋅稀有色金屬鈦、鋯輕金屬鋁、鎂稀土金屬貴金屬金、銀、鉑難熔金屬鎢、鉬、鉭、鈮無機(jī)非金屬材料無機(jī)非金屬材料傳統(tǒng)材料陶瓷日用陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、電瓷玻璃平板玻璃、儀器玻璃、光學(xué)玻璃水泥耐火材料新型材料高溫材料新型玻璃玻璃纖維、微晶玻璃特種陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷、功能陶瓷人工晶體半導(dǎo)體材料非晶態(tài)材料有機(jī)高分子材料高分子材料塑料聚乙烯、聚四氟乙烯、工程塑料、泡沫塑料橡膠通用合成橡膠、特種合成橡膠纖維維綸、滌綸、腈綸、氯綸、尼龍、氨綸其他涂料、功能高分子材料復(fù)合材料復(fù)合材料以基體材料分類樹脂基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料以增強(qiáng)體分類纖維增強(qiáng)復(fù)合材料晶須增強(qiáng)復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料金屬纖維增強(qiáng)復(fù)合材料塑鋼塑鋼是對(duì)塑鋼型材的簡(jiǎn)稱，主要化學(xué)成分是PVC，因此也叫PVC型材。主要用途：在房屋建筑中主要用于推拉，平開門窗、護(hù)欄、管材和吊頂材料的應(yīng)用。主要配方：PVC（100份）、CaCO3（14~20份）、CPE（6~12份）、ACR（0.4~0.8份）、鈦白粉（3~6份）、穩(wěn)定劑（3~8份）、色母料（0.8~1.5份）。穩(wěn)定劑主要有鉛鹽穩(wěn)定劑、有機(jī)錫穩(wěn)定劑、鈣鋅穩(wěn)定劑、稀土穩(wěn)定劑。玻璃鋼FRP(FiberglassReinforcedPlastics)GRP(GlassReinforcedPlastics)GFRP(Glassfibrereinforcedplastics)玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料以玻璃纖維或其制品作增強(qiáng)材料的增強(qiáng)塑料，稱謂為玻璃纖維增強(qiáng)塑料，或稱謂玻璃鋼。由于所使用的樹脂品種不同，因此有聚酯玻璃鋼、環(huán)氧玻璃鋼、酚醛玻璃鋼之稱。特點(diǎn)：質(zhì)輕而硬，不導(dǎo)電，機(jī)械強(qiáng)度高，耐腐蝕。用途：可以代替鋼材制造機(jī)器零件和汽車、船舶外殼等。

光纖光纖是光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)寫，是一種利用光在玻璃或塑料制成的纖維中的全反射原理而達(dá)成的光傳導(dǎo)工具。前香港中文大學(xué)校長(zhǎng)高錕和GeorgeA.Hockham首先提出光纖可以用于通訊傳輸?shù)脑O(shè)想，高錕因此獲得2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。防爆玻璃彈簧鋼彈簧鋼是指由于在淬火和回火狀態(tài)下的彈性，而專門用于制造彈簧和彈性元件的鋼。鋼的彈性取決于其彈性變形的能力，即在規(guī)定的范圍之內(nèi)，彈性變形的能力使其承受一定的載荷，在載荷去除之后不出現(xiàn)永久變形。據(jù)GB/T13304標(biāo)準(zhǔn)，彈簧鋼按照其化學(xué)成分分為非合金彈簧鋼(碳素彈簧鋼)和合金彈簧鋼。尼龍?zhí)?yáng)能假牙心臟支架人工晶體

壓電陶瓷形狀記憶合金第三節(jié)材料科學(xué)與工程一、材料科學(xué)的興起1.固體物理、無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理學(xué)等相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)和物性的深入研究，促進(jìn)了對(duì)材料本質(zhì)的了解；2.在材料科學(xué)這個(gè)名詞出現(xiàn)以前，金屬材料、高分子材料與陶瓷材料都已自成體系，目前復(fù)合材料也正在形成學(xué)科體系。3.各類材料的研究設(shè)備與生產(chǎn)手段有頗多共同之處。4.許多不同類型的材料可以相互代替和補(bǔ)充，能更充分發(fā)揮各種材料的優(yōu)越性，達(dá)到物盡其用的目的。5.復(fù)合材料的影響二、材料科學(xué)與工程三、材料科學(xué)與工程的特點(diǎn)材料科學(xué)與工程具有物理學(xué)、化學(xué)、冶金學(xué)、金屬學(xué)、陶瓷學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)等多學(xué)科交叉與結(jié)合的特點(diǎn)，并具有鮮明的工程性。現(xiàn)在，材料科學(xué)與工程被看做是知識(shí)的開發(fā)和知識(shí)的傳輸體系，這個(gè)體系包括從基礎(chǔ)科學(xué)和基本研究，直到人類的需要和社會(huì)的經(jīng)驗(yàn)這樣的知識(shí)鏈。四、材料成分—結(jié)構(gòu)—合成與加工—性能—使用效能1.材料科學(xué)與工程的組成要素四要素：五要素：材料科學(xué)家將成分、結(jié)構(gòu)、合成與加工、性能及使用效能這五者視為材料科學(xué)與工程的五要素，把他們連接在一起，組成一個(gè)六面體，而使用效能就是材料性能在工作狀態(tài)（受力狀態(tài)、氣氛、溫度）下的表現(xiàn)。2.材料加工工藝方法利用材料的加工工藝可以將未經(jīng)過成型的坯料加工成型零件所要求的形狀。其中金屬的加工方法很多：有鑄造、焊接、膠接、鍛、拉、擠、軋、彎等。3.性能與使用效能成品狀態(tài)的材料具有一整套滿足實(shí)際設(shè)計(jì)要求的性能—強(qiáng)度、硬度、導(dǎo)電性、密度、