材料科學(xué)導(dǎo)論-緒論教材

材料科學(xué)導(dǎo)論IntroductiontoMaterialsScience12緒論1·材料的定義與分類2·材料與社會發(fā)展3·材料科學(xué)的研究內(nèi)容4·材料科學(xué)與工程1材料的定義與分類3發(fā)動機底盤鑄鐵鋁合金鈦合金鎂合金陶瓷等車身鋼板鋁合金工程塑料碳纖維復(fù)合材料等鋼材鋁合金增強纖維陶瓷等塑料橡膠玻璃涂料等內(nèi)外裝飾件1材料的定義與分類4車體轉(zhuǎn)向架輪軌系統(tǒng)車輛內(nèi)裝1材料的定義與分類56材料是人類用于制造機器、工具、構(gòu)件和產(chǎn)品等有用的固態(tài)物質(zhì)。什么是材料？1材料的定義與分類1材料的定義與分類03040501化學(xué)組成服役領(lǐng)域結(jié)晶狀態(tài)應(yīng)用發(fā)展02材料性能06尺寸與維度7金屬材料

無機非金屬材料高分子材料

復(fù)合材料半導(dǎo)體材料單晶材料多晶材料非晶態(tài)材料準晶材料結(jié)構(gòu)材料功能材料傳統(tǒng)材料

新材料信息材料航天航空材料能源材料生物醫(yī)用材料……….零維材料一維材料二維材料三維材料塊體納米團簇2材料與社會發(fā)展公元前10萬年公元前1000年公元19世紀1950年代石器時代鐵器時代鋼鐵時代硅時代1990年代新材料時代材料發(fā)展史即人類史8

石器時代燧石：神奇的石頭人面魚紋彩陶盆裴李崗文化鋸齒石鐮9BC1450鐵制車輪AD1500廉價的冶鐵業(yè)鐵器時代“中華第一劍”10鋼鐵時代1850年代貝西默煉鋼法人類最偉大50項發(fā)明之一1875，全世界生鐵產(chǎn)量為1400萬噸，鋼產(chǎn)量190萬噸1913，全世界生鐵產(chǎn)量8000萬噸，鋼產(chǎn)量7650萬噸1950~1974，發(fā)展了氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼和連續(xù)鑄鋼技術(shù)、帶鋼熱連軋機和冷連軋機，鋼鐵生產(chǎn)能力提高。全世界生鐵產(chǎn)量為5.05億噸，鋼產(chǎn)量7.10億噸2016年，全球鋼鐵產(chǎn)量超過16億噸11硅時代1947第一個鍺晶體管1956年Nobel物理獎1958年第一塊鍺集成電路2000年Nobel物理獎1952年直拉法硅單晶1953年區(qū)熔法硅單晶從沙子到芯片12基極鍺發(fā)射極集電極新材料時代

21世紀是以新材料為重要基礎(chǔ)的知識經(jīng)濟時代，誰掌握了最先進的材料，誰就能在高技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展上占有主動權(quán)。新材料信息

新能源航空航天生物

當前全球經(jīng)濟進入戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型期。美國、歐洲、日本等國家紛紛制定“新發(fā)展戰(zhàn)略”，大力培育和發(fā)展新能源、生物、新一代信息技術(shù)等新興產(chǎn)業(yè)，努力搶占新一輪經(jīng)濟繁榮期制高點。13美國的全面領(lǐng)先戰(zhàn)略：重視信息技術(shù)、生物技術(shù)、航天技術(shù)、核能技術(shù)、氫能技術(shù)、甲烷市場化伙伴計劃、納米技術(shù)、先進制造技術(shù)等.俄羅斯將新材料與化學(xué)工藝列為9個優(yōu)先發(fā)展方向，重點發(fā)展陶瓷和玻璃、膜技術(shù)、特種合金、超導(dǎo)技術(shù)、微型冶金生產(chǎn)技術(shù)等日本04年發(fā)布“新產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造”戰(zhàn)略，率先發(fā)展燃料電池、信息家電、機器人等技術(shù)產(chǎn)業(yè)“中國制造2025”重點發(fā)展的十大領(lǐng)域：新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)、高檔數(shù)控機床和機器人、航空航天裝備、海洋工程裝備及高技術(shù)船舶、先進軌道交通裝備、節(jié)能與新能源汽車、電力裝備、農(nóng)機裝備、新材料、生物醫(yī)藥及高性能醫(yī)療器械韓國的國際爭先戰(zhàn)略：重點發(fā)展微電子、機械制造、先進材料、精細化工、能源及生命科學(xué)等歐盟的前沿技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略：重視信息技術(shù)、航天技術(shù)、生命科學(xué)、氫能源和燃料電池技術(shù)、納米科技等七大戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè):節(jié)能環(huán)保、新興信息產(chǎn)業(yè)、生物產(chǎn)業(yè)、新能源、新能源汽車、高端裝備制造業(yè)和新材料142材料與社會發(fā)展材料是現(xiàn)代文明的支撐新材料技術(shù)信息能源材料信息技術(shù)新能源技術(shù)生物技術(shù)152材料與社會發(fā)展材料是現(xiàn)代文明的支撐Titanic的沉沒是必然還是偶然？尷尬的泳衣16MoreThanSkin2材料與社會發(fā)展一件材料足以影響人類文明進程玻璃為什么是透明的玻璃與玻璃態(tài)材料改變生活方式17美國F-35戰(zhàn)斗機－機體、發(fā)動機均采用鈦合金制造國產(chǎn)殲11B戰(zhàn)斗機機體采用鈦合金比例達到15％18航空用鈦合金飛機發(fā)動機槳葉采用鈦合金和碳纖維復(fù)合材料，以抵抗高溫腐蝕1920中國航空發(fā)動機材料重大突破壽命優(yōu)于美國1~2個數(shù)量級認識：材料的性質(zhì)3材料科學(xué)的研究內(nèi)容材料性質(zhì)：是功能特性和效用的描述符，是材料對電.磁.光.熱.機械載荷的反應(yīng)。力學(xué)性質(zhì)物理性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)強度硬度剛度塑性韌性電學(xué)性質(zhì)磁學(xué)性質(zhì)光學(xué)性質(zhì)熱學(xué)性質(zhì)催化性質(zhì)腐蝕性氧化性賦予了材料的價值和應(yīng)用性外涂吸波材料的隱形飛機看是看不出名堂的21認識：材料的化學(xué)組成3材料科學(xué)的研究內(nèi)容FCCCB金銀銅的原子都是這么堆砌的同樣是FCC結(jié)構(gòu)，金不銹，銅就生銹，為什么？A22認識：材料的晶體結(jié)構(gòu)3材料科學(xué)的研究內(nèi)容同樣是碳，金剛石和石墨的價格差多少？23金剛石石墨金剛石結(jié)構(gòu)石墨結(jié)構(gòu)認識：材料的電子結(jié)構(gòu)3材料科學(xué)的研究內(nèi)容Eg=5.5eVEg=1.12eV24圖2導(dǎo)體，半導(dǎo)體，絕緣體的能級結(jié)構(gòu)

圖1能帶的形成認識：材料的組織結(jié)構(gòu)3材料科學(xué)的研究內(nèi)容飛蛾的眼部結(jié)構(gòu)飛蛾復(fù)眼的微米-納米雙重結(jié)構(gòu)(a)-(e)

(a)(b)(c)(d)(e)(f)25顯示器減反效果人造復(fù)眼結(jié)構(gòu)(f)3材料科學(xué)的研究內(nèi)容認識：材料的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)

晶體結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu)化學(xué)成分電子結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)263材料科學(xué)的研究內(nèi)容創(chuàng)造：新材料熱縮冷脹材料27Invar解釋

Fe-Fe磁交換中飽和磁化強度的改變Invar合金水3材料科學(xué)的研究內(nèi)容創(chuàng)造：新材料熱縮冷脹材料28ThesecanbedescribedasvibrationsinwhichtheconstituentZrO6

octahedraandWO4

tetrahedraofZrW2O8

areundistorted.

ManyofthesemodeshaveanegativeGruneisenparameterandthustendtocauseacontractionofthestructurewhenpopulated.

Thesearelowenergymodesandthusremainpopulatedevenatverylowtemperatures.ZrW2O8

鋯酸鎢3材料科學(xué)的研究內(nèi)容創(chuàng)造：新材料拉脹材料29世界上最光滑的材料BAM3材料科學(xué)的研究內(nèi)容創(chuàng)造：新材料剪切變稠材料Shearthickeningfluid30淀粉液防彈衣剪切增稠原理3材料科學(xué)的研究內(nèi)容創(chuàng)造：新材料泡泡和泡沫材料開爾文猜想31洗滌劑泡泡泡沫金屬泡沫塑料3材料科學(xué)的研究內(nèi)容創(chuàng)造：新材料超疏水材料32荷葉及其微觀結(jié)構(gòu)牢固的超疏水材料3材料科學(xué)的研究內(nèi)容創(chuàng)造：新材料33金屬氫金剛石對頂砧實驗示意圖試驗裝置不同壓力下的氫3材料科學(xué)的研究內(nèi)容創(chuàng)造：新材料左手材料Left-Handed

MaterialsRHM(ε>0,μ>0)右手關(guān)系LHM(ε<0,μ<0)

左手關(guān)系a.RHM普通折射b.LHM負折射2024/3/15343材料科學(xué)的研究內(nèi)容創(chuàng)造：新材料35隱身衣原理及實物展示金和硅蝕刻的左手材料元件哈利波特與隱身衣4材料科學(xué)與工程36

量子力學(xué)、固體物理、無機化學(xué)、有機化學(xué)、物理化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展為材料科學(xué)奠定了重要基礎(chǔ)?，F(xiàn)代分析技術(shù)和設(shè)備的更新，加深了對物質(zhì)結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)的理解。冶金學(xué)、金屬學(xué)、陶瓷學(xué)、高分子科學(xué)等自身的發(fā)展也使對材料的本質(zhì)認識大大系統(tǒng)化（組成-制備-結(jié)構(gòu)-性能的關(guān)系），為學(xué)科發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)。

基礎(chǔ)學(xué)科發(fā)展奠定材料科學(xué)的基礎(chǔ)4材料科學(xué)與工程MaterialsSciencePhysicsChemistryEngineeringMathematicsForunderstanding,measurementtesting,making,characterization,etc.MaterialsScienceisaJointAdventureForprocessing,actualization,application,etcFordesign,makingandprocessingForformulation,processingcomputationandunderstanding374材料科學(xué)與工程1865美國(1865)年建立第一批礦冶系1956美國和英國大學(xué)相繼組建冶金與材料系1980美國大學(xué)相應(yīng)系多以材料科學(xué)與工程命名(MSE)1870英國（1865-1870）大學(xué)開始設(shè)立礦冶系1959美國西北大學(xué)建立世界上第一個材料科學(xué)系1990英國著名大學(xué)牛津、劍橋、伯明翰大學(xué)均以冶金材料系命名材料學(xué)科的演變與發(fā)展－歐美國家384材料科學(xué)與工程1949年前寥寥幾所培養(yǎng)礦冶人才，不劃分專業(yè)，寬領(lǐng)域培養(yǎng)模式1978-1990年代末向歐美學(xué)習(xí)，相繼設(shè)立材料科學(xué)與工程系本世紀初至今厚基礎(chǔ)、寬專業(yè)、高素質(zhì)、強能力，以適應(yīng)市場需要材料學(xué)科的演變與發(fā)展－中國1949-1966蘇聯(lián)模式，專業(yè)分割嚴重，分屬于冶金、機械、化工等系394材料科學(xué)與工程40

《材料科學(xué)與工程百科全書》對材料科學(xué)與工程下的定義材料科學(xué)與工程就是研究有關(guān)材料組成、結(jié)構(gòu)、制備工藝流程與材料性能和用途的關(guān)系的知識的產(chǎn)生及其作用。換言之，材料科學(xué)與工程是研究材料組成、結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)過程、材料性能與使用效能以及它們之間的關(guān)系。

因而把組成與結(jié)構(gòu)（composition-structure）、合成與生產(chǎn)過程（synthesis-processing）、性質(zhì)（properties）及使用效能（performance）稱之為材料科學(xué)與工程的四個基本要素。4材料科學(xué)與工程41材料科學(xué)與工程四要素效能合成/制備

性質(zhì)結(jié)構(gòu)/成分4材料科學(xué)與工程42合成與制備

合成主要指促使原子、分子結(jié)合而構(gòu)成材料的化學(xué)與物理過程。既包括有關(guān)尋找新合成方法的科學(xué)問題、也包括以適用的數(shù)量和形態(tài)合成材料的技術(shù)問題；既包括新材料的合成,也應(yīng)包括已有材料的新合成方法及其新形態(tài)的合成。制備主要指材料在宏觀尺度上加工、處理、裝配和制造等一系列過程，使之具有所需的性質(zhì)和使用效能。合成與制備是提高材料質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本和提高經(jīng)濟效益的關(guān)鍵,也是開發(fā)新材料、新器件的中心環(huán)節(jié)。4材料科學(xué)與工程43組成和結(jié)構(gòu)

組成指構(gòu)成材料物質(zhì)的原子、分子及其分布;除主要組成以外,雜質(zhì)及對材料結(jié)構(gòu)與性能有重要影響的微量添加物亦不能忽略。結(jié)構(gòu)則指組成原子、分子在不同層次上彼此結(jié)合的形式、狀態(tài)和空間分布，包括原子與電子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、相結(jié)構(gòu)、晶粒結(jié)構(gòu)、表面與界面結(jié)構(gòu)、缺陷結(jié)構(gòu)等；材料的組成與結(jié)構(gòu)是材料科學(xué)與工程的基本研究內(nèi)容,它們指導(dǎo)材料的合成與制備,決定材料的性能和使用效能。4材料科學(xué)與工程44性質(zhì)

性質(zhì)指材料固有的物理、化學(xué)特性,也是確定材料用途的依據(jù)。廣義地說,性質(zhì)是材料在一定的條件下對外部作用的反應(yīng)的定量表述。

例如,對外力作用的反應(yīng)為力學(xué)性質(zhì),對外電場作用的反應(yīng)為電學(xué)性質(zhì),對光波作用的反應(yīng)為光學(xué)性質(zhì)等等。4材料科學(xué)與工程45使用效能

使用效能是材料以特定產(chǎn)品形式在使用條件下所表現(xiàn)的效能。

它是材料的固有性性質(zhì)、產(chǎn)品設(shè)計、使用環(huán)境和效益的綜合表現(xiàn),通常以壽命、效率、可靠性、效益及成本等指標衡量。

因此與工程設(shè)計及生產(chǎn)制造過程密切相關(guān),不僅有宏觀的工程問題,還包括復(fù)雜的材料科學(xué)問題。例如,材料部件的損