同濟(jì)大學(xué)《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課件第

材料科學(xué)基礎(chǔ)本課程將探討材料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和性能之間的關(guān)系。涵蓋金屬、陶瓷、聚合物和復(fù)合材料等主要材料類型。課程簡(jiǎn)介本課程旨在向?qū)W生介紹材料科學(xué)的基本概念、原理和應(yīng)用，為學(xué)生未來(lái)學(xué)習(xí)材料科學(xué)相關(guān)專業(yè)知識(shí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。課程內(nèi)容涵蓋了材料的分類、結(jié)構(gòu)、性能、晶體結(jié)構(gòu)、缺陷、擴(kuò)散、相變等基本概念，并結(jié)合具體材料進(jìn)行講解，例如金屬、陶瓷、高分子和復(fù)合材料。通過(guò)學(xué)習(xí)本課程，學(xué)生將掌握材料科學(xué)的基本知識(shí)和方法，能夠識(shí)別不同材料的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)，并根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的材料。同時(shí)，本課程也培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和解決問(wèn)題的能力，為學(xué)生今后從事材料科學(xué)研究或應(yīng)用工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。1.材料科學(xué)的基本概念材料是由原子組成的，原子之間的排列方式?jīng)Q定了材料的結(jié)構(gòu)。原子結(jié)合形成分子，分子之間的相互作用影響材料的性質(zhì)。材料的結(jié)構(gòu)決定了它的物理和化學(xué)性質(zhì)，例如強(qiáng)度、硬度、電導(dǎo)率和磁性。材料科學(xué)是一門研究材料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、加工和應(yīng)用的學(xué)科，其目標(biāo)是創(chuàng)造出滿足人類需求的新材料。1.1材料的分類金屬材料金屬材料由金屬元素組成，具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和延展性。例如：鐵、鋁、銅。陶瓷材料陶瓷材料通常由金屬和非金屬元素組成，具有較高的熔點(diǎn)、硬度和耐腐蝕性。例如：氧化鋁、硅酸鹽。高分子材料高分子材料是由許多小分子通過(guò)化學(xué)鍵連接而成的長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)，具有輕質(zhì)、柔韌、絕緣等特性。例如：聚乙烯、聚酯。復(fù)合材料復(fù)合材料由兩種或多種不同材料組合而成，以獲得更好的性能。例如：玻璃纖維增強(qiáng)塑料、碳纖維復(fù)合材料。1.2材料的結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)是指材料內(nèi)部原子或分子的排列方式，它是決定材料性能的關(guān)鍵因素之一。材料的結(jié)構(gòu)可以分為宏觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)，宏觀結(jié)構(gòu)是指材料肉眼可見(jiàn)的結(jié)構(gòu)，如材料的形狀、尺寸、表面等，而微觀結(jié)構(gòu)是指材料內(nèi)部原子或分子的排列方式，它需要借助顯微鏡等儀器才能觀察到。材料的微觀結(jié)構(gòu)主要包括晶體結(jié)構(gòu)和非晶體結(jié)構(gòu)，晶體結(jié)構(gòu)是指材料內(nèi)部原子或分子按一定規(guī)律排列形成的周期性結(jié)構(gòu)，非晶體結(jié)構(gòu)是指材料內(nèi)部原子或分子排列無(wú)規(guī)律，沒(méi)有周期性。1.3材料的性能材料的性能是指材料在特定條件下表現(xiàn)出的特性，這些特性決定了材料的用途和應(yīng)用領(lǐng)域。材料性能是材料科學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容，也是選擇和設(shè)計(jì)材料的關(guān)鍵因素。1強(qiáng)度材料抵抗外力破壞的能力2硬度材料抵抗表面壓痕或劃痕的能力3韌性材料在斷裂前吸收能量的能力4塑性材料在斷裂前發(fā)生永久變形的能力除此之外，材料性能還包括導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、磁性、光學(xué)性能等。2.晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)是材料科學(xué)的基礎(chǔ)，它決定著材料的許多重要特性，例如強(qiáng)度、硬度、電導(dǎo)率和磁性等。了解晶體結(jié)構(gòu)對(duì)于理解材料的性能和設(shè)計(jì)新材料至關(guān)重要。晶體結(jié)構(gòu)研究主要涉及晶體的類型、晶格和晶胞，以及它們的分析方法。2.1晶體的定義和種類11.定義晶體是指原子或分子在三維空間呈周期性排列的固態(tài)物質(zhì)。這種排列方式形成有規(guī)則的幾何形狀，具有固定的熔點(diǎn)和獨(dú)特的物理性質(zhì)。22.種類晶體可以根據(jù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和對(duì)稱性分為不同的種類，如立方晶系、六方晶系、四方晶系、斜方晶系、單斜晶系和三斜晶系。33.舉例常見(jiàn)的晶體包括鹽、糖、冰、金剛石和石英等。這些物質(zhì)具有不同的形狀和性質(zhì)，反映了它們內(nèi)部結(jié)構(gòu)的差異。44.應(yīng)用晶體在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如，晶體管、激光器、傳感器等，都基于晶體的獨(dú)特物理性質(zhì)。2.2晶格和晶胞1晶格抽象概念，無(wú)限重復(fù)的空間點(diǎn)陣2晶胞晶格中最小的重復(fù)單元3晶胞參數(shù)描述晶胞大小和形狀4晶胞類型立方、六方、正方等晶胞參數(shù)和類型決定晶體的對(duì)稱性和物理性質(zhì)。2.3晶體結(jié)構(gòu)分析晶體結(jié)構(gòu)分析是材料科學(xué)中一項(xiàng)重要技術(shù)，它能夠幫助我們了解材料的微觀結(jié)構(gòu)，并預(yù)測(cè)其性能。常用的晶體結(jié)構(gòu)分析方法包括X射線衍射、電子衍射和中子衍射等。例如，X射線衍射可以用來(lái)確定晶體結(jié)構(gòu)中的原子排列，并測(cè)量晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)，如晶格常數(shù)和晶胞尺寸。這些信息可以用來(lái)解釋材料的物理和化學(xué)性質(zhì)，例如機(jī)械強(qiáng)度、電導(dǎo)率、磁性等。3.缺陷與晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)中的缺陷是材料微觀結(jié)構(gòu)中存在的偏差。這些缺陷會(huì)影響材料的機(jī)械性能、電性能和熱性能等。3.1點(diǎn)缺陷空位缺陷晶格中原子缺失形成空位?？瘴皇浅Ｒ?jiàn)的點(diǎn)缺陷。間隙原子原子占據(jù)晶格間隙位置，形成間隙原子缺陷。置換原子一種原子被另一種不同類型的原子取代，形成置換原子缺陷。3.2線缺陷刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)是晶體結(jié)構(gòu)中的一種常見(jiàn)的線缺陷，形成于晶體中原子排列的不連續(xù)性。螺旋位錯(cuò)螺旋位錯(cuò)是另一種重要的線缺陷，在晶體中形成螺旋形原子排列。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)在晶體中可以移動(dòng)，影響材料的機(jī)械性能，如強(qiáng)度、韌性等。3.3面缺陷晶界晶界是相鄰晶粒之間的界面，是晶體內(nèi)部的一種二維缺陷。晶界上原子排列不規(guī)則，導(dǎo)致晶界處強(qiáng)度降低，但同時(shí)晶界可以阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高材料的強(qiáng)度。孿晶界孿晶界是晶體內(nèi)部?jī)刹糠志Ц癯淑R像對(duì)稱的界面，是晶體內(nèi)部的一種特殊晶界。孿晶界可以增強(qiáng)材料的強(qiáng)度和塑性，但也可能導(dǎo)致材料的脆性。4.擴(kuò)散與相變擴(kuò)散是指物質(zhì)在濃度梯度或化學(xué)勢(shì)梯度驅(qū)動(dòng)下，從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域遷移的過(guò)程。相變是指材料在一定條件下，從一種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結(jié)構(gòu)的過(guò)程。4.1擴(kuò)散過(guò)程1原子遷移原子在晶格中移動(dòng)2濃度梯度高濃度區(qū)域到低濃度區(qū)域3熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)降低系統(tǒng)能量擴(kuò)散是一個(gè)重要的物理現(xiàn)象，在材料科學(xué)領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用。原子遷移是擴(kuò)散過(guò)程的基礎(chǔ)，原子從高濃度區(qū)域到低濃度區(qū)域的移動(dòng)，最終導(dǎo)致物質(zhì)的均勻分布，降低系統(tǒng)的總能量。4.2相變的基本概念1定義相變是指物質(zhì)在特定條件下，其物理狀態(tài)或化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的過(guò)程。例如，水在不同溫度下可以存在于固態(tài)（冰）、液態(tài)（水）和氣態(tài)（水蒸氣）。2類型相變可以分為第一類相變和第二類相變，它們?cè)跓崃W(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)變化上有區(qū)別。例如，水結(jié)冰是一個(gè)第一類相變，而鐵磁性材料在居里溫度以上轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判詣t是一個(gè)第二類相變。3影響因素影響相變的因素包括溫度、壓力、成分和外場(chǎng)。例如，加熱會(huì)使固體物質(zhì)熔化成液體，而增加壓力會(huì)使氣體液化。4應(yīng)用相變?cè)诓牧峡茖W(xué)、化學(xué)、物理學(xué)等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。例如，金屬的熱處理過(guò)程利用相變來(lái)改變材料的性能。4.3相圖及相變分析相圖是描述材料中不同相之間的平衡關(guān)系的圖表。它可以幫助我們預(yù)測(cè)不同溫度和成分下材料的相組成和結(jié)構(gòu)。例如，鐵碳合金相圖是研究鋼鐵材料的基礎(chǔ)，它可以幫助我們理解不同碳含量和溫度下鐵碳合金的相變過(guò)程，并選擇合適的熱處理工藝來(lái)制備具有特定性能的鋼鐵材料。相圖類型描述內(nèi)容二元相圖兩個(gè)組元的合金相變關(guān)系三元相圖三個(gè)組元的合金相變關(guān)系多元相圖多個(gè)組元的合金相變關(guān)系相變分析是利用相圖來(lái)理解和預(yù)測(cè)材料的相變行為，并指導(dǎo)材料的設(shè)計(jì)和制備。相變分析需要結(jié)合材料的成分、溫度、壓力等因素進(jìn)行分析。5.金屬材料金屬材料在現(xiàn)代工業(yè)中扮演著至關(guān)重要的角色，其優(yōu)異的機(jī)械性能和導(dǎo)電性使其在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。從日常使用的刀具到高精尖的航空航天器，金屬材料無(wú)處不在。5.1金屬的結(jié)構(gòu)與性能晶體結(jié)構(gòu)金屬原子以規(guī)則排列形成晶格，形成獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)，如面心立方、體心立方等。金屬鍵金屬原子之間通過(guò)自由電子共享形成金屬鍵，這種鍵合方式賦予金屬高導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和延展性等特性。合金化通過(guò)添加其他元素，形成合金，可以改善金屬的強(qiáng)度、硬度、耐腐蝕性等性能，拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。5.2金屬的相變和熱處理相變金屬材料在溫度變化過(guò)程中，會(huì)發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)的變化，稱為相變。熱處理通過(guò)控制加熱和冷卻速度，改變金屬材料的組織結(jié)構(gòu)和性能，以獲得期望的性能。熱處理種類包括退火、正火、淬火、回火等，根據(jù)不同的工藝參數(shù)，獲得不同的性能。熱處理應(yīng)用金屬材料的熱處理應(yīng)用廣泛，例如提高強(qiáng)度、硬度、韌性、可加工性等。5.3金屬合金及其應(yīng)用提高強(qiáng)度和硬度合金可以提高金屬的強(qiáng)度和硬度，使其更耐用。例如，碳鋼是一種常用的合金，它比純鐵更堅(jiān)固。改善耐腐蝕性合金可以提高金屬的耐腐蝕性，使其在惡劣環(huán)境中更耐用。例如，不銹鋼是一種耐腐蝕性強(qiáng)的合金，常用于建筑和醫(yī)療行業(yè)。增強(qiáng)導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性合金可以改善金屬的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。例如，青銅是一種常用的導(dǎo)電材料，用于制造電線和電子元件。降低成本合金可以降低金屬的成本，使其更具經(jīng)濟(jì)效益。例如，黃銅是一種比純銅更便宜的合金，常用于制造硬幣和管道。6.陶瓷材料陶瓷材料種類繁多，包括氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷等，在工業(yè)和生活中應(yīng)用廣泛。6.1陶瓷的結(jié)構(gòu)與性能晶體結(jié)構(gòu)陶瓷材料通常以離子鍵結(jié)合，形成有序的晶體結(jié)構(gòu)。性能陶瓷材料以高硬度、耐高溫、耐腐蝕和良好的絕緣性能著稱。應(yīng)用陶瓷材料廣泛應(yīng)用于電子、機(jī)械、航空航天等領(lǐng)域。6.2陶瓷的制備工藝1原料準(zhǔn)備首先，需要選擇合適的陶瓷原料，例如氧化鋁、氧化硅、氧化鋯等，并進(jìn)行粉碎、混合、造粒等預(yù)處理。2成型根據(jù)陶瓷產(chǎn)品的形狀和尺寸，采用不同的成型方法，例如壓制成型、注漿成型、擠出成型等，將粉末材料加工成所需的形狀。3燒結(jié)將成型的坯體在高溫下進(jìn)行燒結(jié)，使粉末顆粒相互結(jié)合，形成致密的陶瓷制品。燒結(jié)溫度和時(shí)間會(huì)影響陶瓷產(chǎn)品的性能。4后處理燒結(jié)后的陶瓷制品通常需要進(jìn)行表面處理、拋光、切割等后處理，以達(dá)到最終的尺寸和外觀要求。6.3先進(jìn)陶瓷材料先進(jìn)陶瓷材料是指具有優(yōu)異的物理、化學(xué)和力學(xué)性能的陶瓷材料。例如，超高強(qiáng)度陶瓷、超硬陶瓷、耐高溫陶瓷、耐腐蝕陶瓷和生物陶瓷等。先進(jìn)陶瓷材料在航空航天、機(jī)械制造、電子信息、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。其應(yīng)用前景十分廣闊，是未來(lái)材料科學(xué)發(fā)展的重要方向之一。7.高分子材料高分子材料是由許多小分子通過(guò)化學(xué)鍵連接而成的長(zhǎng)鏈狀分子，具有優(yōu)異的機(jī)械性能、電性能和熱性能，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域。7.1高分子的結(jié)構(gòu)與性能高分子結(jié)構(gòu)高分子由許多重復(fù)的結(jié)構(gòu)單元連接而成。這些單元稱為單體。高分子鏈的排列方式影響著材料的性質(zhì)。例如，線性結(jié)構(gòu)的聚合物通常具有更高的強(qiáng)度和延展性。高分子性能高分子材料通常具有較低的密度、高強(qiáng)度、良好的耐腐蝕性和絕緣性。它們還具有獨(dú)特的性能，例如良好的彈性、韌性和抗沖擊性。7.2高分子材料的種類與應(yīng)用塑料常見(jiàn)的塑料種類包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)等。塑料在包裝、建筑、電子等行業(yè)應(yīng)用廣泛。橡膠天然橡膠和合成橡膠是重要的橡膠材料。橡膠具有良好的彈性和耐磨性，在輪胎、密封材料等方面有廣泛應(yīng)用。纖維合成纖維包括聚酯纖維、尼龍纖維等，具有強(qiáng)度高、耐磨、易于染色等優(yōu)點(diǎn)。天然纖維包括棉花、羊毛等，具有柔軟、吸濕、透氣等特點(diǎn)。7.3聚合反應(yīng)與加工工藝1加成聚合單體分子通過(guò)加成反應(yīng)連接形成高分子鏈。2縮聚反應(yīng)單體分子通過(guò)縮合反應(yīng)形成高分子鏈，同時(shí)釋放出小分子。3開(kāi)環(huán)聚合環(huán)狀單體通過(guò)開(kāi)環(huán)反應(yīng)形成高分子鏈。4接枝聚合將單體接枝到已有的高分子鏈上。聚合反應(yīng)是合成高分子材料的關(guān)鍵步驟，不同的聚合反應(yīng)機(jī)制會(huì)影響最終產(chǎn)品的性質(zhì)。高分子材料的加工工藝涉及多種方法，例如擠出、注塑、吹塑等，用于將高分子材料塑造成所需的形狀。復(fù)合材料復(fù)合材料由兩種或多種材料組成，每種材料保留其自身特性。復(fù)合材料結(jié)合了不同材料的優(yōu)勢(shì)，創(chuàng)造出性能優(yōu)于單一材料的全新材料。8.1復(fù)合材料的定義和種類定義復(fù)合材料是由兩種或多種不同材料組成的材料體系，其中一種材料作為基體，另一種材料作為增強(qiáng)劑。種類復(fù)合材料可以分為多種類型，如纖維增強(qiáng)塑料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、以及碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料等。特點(diǎn)復(fù)合材料兼具多種材料的優(yōu)點(diǎn)，具有高強(qiáng)度、高剛度、輕質(zhì)、耐腐蝕等特性，在航空航天、汽車、建筑等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。8.2復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能11.增強(qiáng)相增強(qiáng)相通常是強(qiáng)度高、剛度好的材料，如纖維、顆粒等，增強(qiáng)復(fù)合材料的整體性能。22.基體相基體相將增強(qiáng)相結(jié)合在一起，并起到傳遞載荷的作用，