【大學課件】材料科學基礎(chǔ)

材料科學基礎(chǔ)材料科學是研究材料的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和性能的學科。它涵蓋了從金屬和陶瓷到聚合物和復合材料的廣泛領(lǐng)域。什么是材料科學？研究物質(zhì)材料科學研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用之間的關(guān)系。探索特性它探索各種材料的特性，包括力學、熱學、電學、磁學和光學性能。開發(fā)新材料材料科學致力于開發(fā)具有特定性能的新型材料，以滿足各種工程和技術(shù)需求。材料的分類金屬材料金屬材料通常具有良好的導電性、導熱性和延展性，廣泛應(yīng)用于建筑、制造、電子等領(lǐng)域。陶瓷材料陶瓷材料通常具有高硬度、耐高溫和耐腐蝕性，廣泛應(yīng)用于電子、航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域。高分子材料高分子材料通常具有輕質(zhì)、易加工、耐腐蝕和絕緣性能，廣泛應(yīng)用于包裝、汽車、電子等領(lǐng)域。復合材料復合材料通常是由兩種或多種材料組合而成，可以結(jié)合不同材料的優(yōu)點，實現(xiàn)更優(yōu)異的性能。金屬材料強度高金屬材料通常具有很高的強度和硬度，能夠承受較大的負荷和壓力，使其成為結(jié)構(gòu)材料的理想選擇。延展性好金屬材料具有良好的延展性，可以被塑造成各種形狀，這使得它們能夠滿足不同的設(shè)計要求。導電導熱性強金屬材料是良好的導電體和導熱體，這使得它們在電子和熱能應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。陶瓷材料耐高溫陶瓷材料具有很高的熔點，能夠承受高溫環(huán)境，因此常用于高溫應(yīng)用，如耐火材料和高溫爐襯。耐腐蝕陶瓷材料對許多化學物質(zhì)具有良好的耐腐蝕性，因此可用于制造化學反應(yīng)器、管道和容器。高硬度陶瓷材料具有很高的硬度，能夠耐磨損，因此常用于制造刀具、軸承和磨料。高分子材料塑料由單體通過聚合反應(yīng)形成的大分子化合物，具有柔韌性、可塑性、絕緣性等特點。橡膠具有高彈性和耐磨性，廣泛應(yīng)用于輪胎、密封件等。纖維由長鏈狀聚合物分子構(gòu)成，具有柔軟、耐用、吸濕性等特點，用于紡織品、服裝等。復合材料兩種或多種材料組合復合材料由兩種或多種材料組合而成，以獲得優(yōu)于單一材料的性能。增強材料和基體材料復合材料通常由增強材料和基體材料組成。增強材料提供強度和剛度，而基體材料則將增強材料結(jié)合在一起。廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域復合材料在航空航天、汽車、建筑和電子等多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。材料的結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)決定了材料的性能，是材料科學研究的重要內(nèi)容之一。原子結(jié)構(gòu)原子是構(gòu)成物質(zhì)的基本單元，原子核周圍有電子層，電子層上的電子決定了原子的化學性質(zhì)。晶體結(jié)構(gòu)固態(tài)物質(zhì)的原子按照一定的規(guī)律排列形成晶體結(jié)構(gòu)，晶體結(jié)構(gòu)對材料的性能有重要影響。原子結(jié)構(gòu)原子是構(gòu)成物質(zhì)的基本單元，由帶正電的原子核和帶負電的電子構(gòu)成。原子核由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子帶正電，中子不帶電。電子繞著原子核運動，其運動軌跡稱為電子軌道。晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)是指晶體中原子、離子或分子在空間中的排列方式。晶體結(jié)構(gòu)是材料最重要的結(jié)構(gòu)特征之一，它決定了材料的許多物理和化學性質(zhì)，例如強度、硬度、熔點、導電性等。晶格缺陷點缺陷空位、間隙原子、雜質(zhì)原子等，影響材料的力學性能、電學性能和熱學性能。線缺陷位錯，是晶體中原子排列的局部不規(guī)則，影響材料的強度、延展性和塑性。面缺陷晶界、孿晶界、堆垛層錯等，影響材料的強度、韌性和斷裂性能。材料的微觀結(jié)構(gòu)觀察1光學顯微鏡觀察材料的表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)2掃描電子顯微鏡獲得材料的表面形貌、成分和結(jié)構(gòu)信息3透射電子顯微鏡觀察材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和缺陷X射線衍射晶格結(jié)構(gòu)分析X射線衍射可以用來分析材料的晶格結(jié)構(gòu)，例如晶格常數(shù)、晶胞類型和晶體取向。材料識別通過分析X射線衍射圖樣，可以確定材料的成分和相組成。掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡(SEM)是一種用于觀察材料微觀結(jié)構(gòu)的高分辨率成像技術(shù)。SEM通過聚焦電子束掃描樣品表面，并通過檢測從樣品表面發(fā)射的次級電子信號來生成圖像。SEM可以提供樣品表面形貌、元素組成和晶體結(jié)構(gòu)等信息。透射電子顯微鏡透射電子顯微鏡(TEM)利用電子束穿透樣品并形成圖像，可以觀察到材料的微觀結(jié)構(gòu)，例如晶體結(jié)構(gòu)、晶界、缺陷等。TEM的分辨率比光學顯微鏡高得多，可以達到納米級，因此可以觀察到更細微的結(jié)構(gòu)特征。材料的物理性能材料的物理性能是指材料在各種物理作用下的響應(yīng)行為，是材料的重要特性之一，影響著材料的應(yīng)用范圍和使用壽命。力學性能材料在力學作用下的表現(xiàn)，例如強度、硬度、韌性、彈性等。熱學性能材料在溫度變化下的表現(xiàn)，例如熱膨脹系數(shù)、熔點、導熱系數(shù)等。力學性能強度材料抵抗斷裂的能力，反映材料承受外力而不發(fā)生破壞的能力。硬度材料抵抗表面壓痕或劃傷的能力，反映材料表面抵抗變形或破壞的能力。韌性材料吸收能量而不發(fā)生斷裂的能力，反映材料抵抗沖擊或斷裂的能力。熱學性能材料在熱量作用下的響應(yīng)。包括熔點、沸點、熱膨脹系數(shù)、比熱容等。影響材料的耐熱性、導熱性、熱穩(wěn)定性等。電學性能導電性材料傳輸電流的能力。電阻率材料抵抗電流流動的能力。介電常數(shù)材料儲存電荷的能力。磁學性能磁化強度材料在磁場作用下所能獲得的磁化程度，反映材料的磁性強弱。磁導率材料在磁場中對磁力的響應(yīng)程度，反映材料對磁場的敏感程度。矯頑力使材料的磁化強度降為零所需的磁場強度，反映材料抵抗磁場變化的能力。光學性能折射率材料對光線彎曲的程度，決定了光線在材料中的傳播方向。透光率光線通過材料的比例，影響材料的透明度和光澤度。反射率光線被材料反射的比例，影響材料的表面顏色和光澤度。吸收率光線被材料吸收的比例，影響材料的顏色和透明度。材料的制備方法熔融凝固將材料加熱至熔融狀態(tài)，然后冷卻固化，形成所需的形狀。粉末冶金將金屬粉末或非金屬粉末壓制成型，然后在高溫下燒結(jié)，制成所需材料。熔融凝固鑄造將金屬熔化后倒入模具中，冷卻后得到所需形狀的金屬制品。結(jié)晶金屬熔體冷卻過程中，原子排列發(fā)生變化，形成晶體結(jié)構(gòu)。凝固金屬熔體冷卻到凝固點以下，完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)。機械加工切削加工使用刀具切削材料，改變材料的形狀、尺寸或表面粗糙度。塑性加工通過施加外力，使材料發(fā)生塑性變形，改變材料的形狀或尺寸。表面處理對材料表面進行處理，改善材料的耐腐蝕性、耐磨性或外觀。化學沉積1化學反應(yīng)在特定溫度下，氣態(tài)反應(yīng)物在基材表面發(fā)生化學反應(yīng)，形成固態(tài)薄膜。2薄膜生長沉積的薄膜可以控制厚度，并根據(jù)應(yīng)用需求調(diào)整材料特性。3廣泛應(yīng)用適用于電子、光學、涂層等領(lǐng)域，可制備高性能材料。氣相沉積薄膜沉積在基板上沉積一層薄膜，用于改善材料的表面性質(zhì)。等離子體增強化學氣相沉積通過等離子體激發(fā)氣體分子，提高反應(yīng)效率，適用于更復雜的材料。原子層沉積逐層沉積原子，實現(xiàn)精確的薄膜厚度和成分控制。材料的性能測試材料性能測試是評估材料在特定應(yīng)用條件下的性能和可靠性的關(guān)鍵步驟，它在材料選擇和應(yīng)用中至關(guān)重要。拉伸試驗測量材料的抗拉強度、屈服強度和斷裂伸長率。硬度測試評估材料抵抗局部變形的能力。沖擊試驗測試材料在突然沖擊載荷下的抗沖擊性能。拉伸試驗力學性能測試拉伸試驗是一種常用的力學性能測試方法，可以測定材料的強度、韌性、彈性等性能。原理通過對試樣施加單向拉伸載荷，測定試樣在不同載荷下的變形，從而得到材料的力學性能參數(shù)。應(yīng)用拉伸試驗廣泛應(yīng)用于金屬、塑料、陶瓷等材料的力學性能測試，為材料的選擇和應(yīng)用提供依據(jù)。硬度測試定義硬度測試是一種評估材料抵抗局部變形的能力的測試方法。它通常通過壓入器在材料表面施加一定的力來測量。常用方法布氏硬度測試洛氏硬度測試維氏硬度測試肖氏硬度測試沖擊試驗測量材料抵抗沖擊載荷的能力。通過觀察材料斷裂時的能量吸收量。評估材料的韌性和抗沖擊性。材料的選擇與應(yīng)用材料的選擇與應(yīng)用是材料科學的重要組成部分。選擇合適的材料，可以使產(chǎn)品性能更優(yōu)越，成本更低，使用壽命更長。在實際應(yīng)用中，需要綜合考慮材料的性能、成本、加工工藝等因素，選擇最合適的材料。金屬材料的應(yīng)用建筑鋼鐵是現(xiàn)代建筑的主要結(jié)構(gòu)材料，用于橋梁、高樓、建筑框架等。交通汽車、飛機、火車、輪船等交通工具廣泛使用金屬材料，例如鋁合金、鋼材。電子金屬材料用于電子設(shè)備的各種部件，例如芯片、電路板、連接器。能源金屬材料在能源領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，例如發(fā)電廠的鍋爐、管道、風力發(fā)電機的葉片。陶瓷材料的應(yīng)用耐高溫陶瓷材料具有優(yōu)異的耐高溫性能，可用于高溫工業(yè)爐、陶瓷燃燒器等。耐腐蝕陶瓷材料的化學穩(wěn)定性高，不易被腐蝕，可用于化學反應(yīng)器、管道等。耐磨損陶