【大學(xué)課件】材料科技

材料科技什么是材料科技研究材料科技是研究材料的組成、結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用的一門科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域。探索它探索材料的微觀結(jié)構(gòu)如何影響其宏觀性能，并開發(fā)新的材料和工藝以滿足人類的需求。關(guān)鍵材料科技是現(xiàn)代科技進(jìn)步的基礎(chǔ)，它與許多領(lǐng)域息息相關(guān)，例如電子、能源、航空航天等。材料科技的發(fā)展歷程古代人類使用材料的歷史可以追溯到石器時(shí)代。近代隨著工業(yè)革命的興起，材料科技取得了重大進(jìn)展。現(xiàn)代現(xiàn)代材料科技正在不斷發(fā)展，新材料層出不窮。材料科學(xué)與材料工程的關(guān)系材料科學(xué)研究材料的結(jié)構(gòu)、性能和加工過程，以及它們之間的關(guān)系材料工程應(yīng)用材料科學(xué)原理設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用新材料，并解決工程問題相互依存材料科學(xué)為材料工程提供理論基礎(chǔ)，材料工程推動材料科學(xué)發(fā)展材料學(xué)科的構(gòu)成基礎(chǔ)學(xué)科物理學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科為材料學(xué)科提供理論基礎(chǔ)和研究方法。材料科學(xué)研究材料的組成、結(jié)構(gòu)、性能和加工之間的關(guān)系，以及材料的制備、改性和應(yīng)用。材料工程將材料科學(xué)的研究成果應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用各種材料，解決實(shí)際問題。材料的基本性能強(qiáng)度材料抵抗外力破壞的能力，如抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度等。硬度材料抵抗表面壓痕的能力，如布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等。彈性材料在外力作用下發(fā)生形變后，去除外力能恢復(fù)原狀的能力。材料的分類金屬材料由金屬元素或金屬間化合物組成的材料，具有高強(qiáng)度、延展性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性等特點(diǎn)。陶瓷材料由金屬和非金屬元素組成的無機(jī)非金屬材料，具有高硬度、耐高溫、耐腐蝕等特點(diǎn)。高分子材料由高分子化合物組成的材料，具有輕質(zhì)、耐腐蝕、易加工等特點(diǎn)。復(fù)合材料由兩種或兩種以上材料組合而成的材料，具有多種性能的優(yōu)點(diǎn)。金屬材料金屬材料是人類最早使用的材料之一，具有強(qiáng)度高、延展性好、導(dǎo)電導(dǎo)熱性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于建筑、機(jī)械、電子、航空航天等領(lǐng)域。常見的金屬材料包括鐵、鋁、銅、金、銀、鉑等。近年來，新型金屬材料不斷涌現(xiàn)，如耐高溫合金、形狀記憶合金、超導(dǎo)合金等，為材料科技的發(fā)展注入了新的活力。陶瓷材料陶瓷材料是由金屬和非金屬元素組成的無機(jī)非金屬材料。它們通常具有高硬度、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、建筑、電子、航空航天等領(lǐng)域。常見的陶瓷材料包括氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷等。氧化物陶瓷，例如氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷、氧化鎂陶瓷，具有優(yōu)異的耐高溫、耐腐蝕性能，廣泛應(yīng)用于高溫爐、耐磨零件、電子器件等。高分子材料塑料由石油或天然氣提煉而成，具有輕便、耐腐蝕、易加工等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于包裝、建筑、汽車等領(lǐng)域。橡膠由天然橡膠或合成橡膠制成，具有彈性好、耐磨、耐油等特點(diǎn)，用于輪胎、密封件、絕緣材料等。纖維以天然纖維（如棉花、羊毛）或合成纖維（如尼龍、滌綸）為原料，具有吸濕性好、透氣性好、耐用等特點(diǎn)，用于紡織、服裝、工業(yè)制品等。復(fù)合材料復(fù)合材料是由兩種或多種不同材料組成的材料，它們相互結(jié)合在一起，形成具有優(yōu)異性能的整體材料。復(fù)合材料的性能優(yōu)于單一材料，并且具有多種優(yōu)越性，如高強(qiáng)度、高剛度、耐腐蝕、耐高溫、輕質(zhì)等。復(fù)合材料在航空航天、汽車、建筑、電子等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。先進(jìn)材料先進(jìn)材料是指具有優(yōu)異性能的材料，例如高強(qiáng)度、高韌性、耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞、輕質(zhì)、多功能等。先進(jìn)材料的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，包括航空航天、能源、電子、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)等。材料的原子結(jié)構(gòu)原子核原子核由質(zhì)子和中子組成，決定了原子的種類和質(zhì)量。電子云電子在原子核外以一定的規(guī)律運(yùn)動，形成電子云，參與化學(xué)反應(yīng)。材料的晶體結(jié)構(gòu)原子以周期性的方式排列形成晶格晶格具有三維周期性結(jié)構(gòu)晶體具有確定的熔點(diǎn)和幾何形狀材料的缺陷點(diǎn)缺陷原子在晶格中的空位或間隙原子。線缺陷晶格中的一維缺陷，例如位錯(cuò)。面缺陷晶格中二維缺陷，例如晶界或?qū)\晶界。體缺陷晶格中三維缺陷，例如孔洞或裂紋。材料的相變固態(tài)原子排列緊密，以固定的模式振動。液態(tài)原子排列不規(guī)則，原子可以自由移動。氣態(tài)原子排列非常稀疏，原子可以自由運(yùn)動。材料的相圖相圖是表示物質(zhì)在不同溫度、壓力等條件下存在的相態(tài)和相互關(guān)系的圖形。它可以幫助我們理解材料在不同條件下的相變過程、相平衡狀態(tài)以及材料的性能變化。相圖中包含了材料的相變溫度、相組成、相平衡關(guān)系等信息。例如，金屬材料的相圖可以告訴我們不同溫度下金屬的固態(tài)相、液態(tài)相和氣態(tài)相的范圍，以及不同溫度下金屬合金的相組成和相平衡關(guān)系。材料的強(qiáng)化機(jī)理改變材料的微觀結(jié)構(gòu),比如晶粒細(xì)化,增加位錯(cuò)密度等。添加合金元素,形成固溶體或第二相,提高材料的強(qiáng)度和硬度。熱處理,通過控制加熱和冷卻速度,改變材料的相組成和微觀結(jié)構(gòu)。材料的力學(xué)性能強(qiáng)度材料在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力。分為抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等。韌性材料斷裂前吸收能量的能力。韌性高的材料，斷裂前能吸收更多能量。硬度材料抵抗外力壓入或刻劃的能力。硬度高的材料，更不容易被壓入或刻劃。材料的熱學(xué)性能熱導(dǎo)率材料傳導(dǎo)熱量的能力，影響熱量傳遞效率和溫度分布。比熱容材料升高單位溫度所需的熱量，影響材料的溫度變化速率。熱膨脹系數(shù)材料溫度變化導(dǎo)致體積變化的程度，影響材料在熱應(yīng)力下的穩(wěn)定性。熔點(diǎn)材料從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的溫度，影響材料在高溫環(huán)境下的適用性。材料的電學(xué)性能1導(dǎo)電性材料允許電流通過的能力，例如銅和銀是良好的導(dǎo)體。2電阻率材料抵抗電流流動的能力，例如橡膠和玻璃是良好的絕緣體。3介電常數(shù)材料儲存電荷的能力，例如陶瓷和塑料具有較高的介電常數(shù)。材料的磁學(xué)性能鐵磁性鐵磁性材料具有強(qiáng)磁性，如鐵、鈷、鎳。順磁性順磁性材料在磁場中會被弱磁化，如鋁、鉑?？勾判钥勾判圆牧显诖艌鲋袝蝗醮呕?，但磁化方向與磁場方向相反，如金、水。材料的光學(xué)性能折射率光線通過材料時(shí)彎曲的程度，影響光的傳播方向。透光率材料允許光線通過的程度，決定材料的透明度和不透明度。反射率光線從材料表面反射的程度，影響材料的表面光澤度。吸收率材料吸收光線的程度，影響材料的顏色和光學(xué)特性。材料的腐蝕和防護(hù)腐蝕材料與周圍環(huán)境發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致材料的破壞防護(hù)通過表面處理、涂層等方法，阻止或減緩材料的腐蝕措施選擇耐腐蝕材料、改變環(huán)境條件、采用防護(hù)措施材料的成型加工1鑄造將熔融金屬或合金澆入模具中，冷卻凝固成型2鍛造利用錘擊或壓力使金屬材料變形3焊接利用熱或壓力使金屬材料連接在一起4粉末冶金將金屬粉末壓制成型并燒結(jié)5切削加工用刀具切除材料，形成零件材料的新技術(shù)納米材料納米材料具有獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，例如高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性、高表面積和高催化活性，在電子、能源、醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。生物材料生物材料是與生物體有良好相容性的材料，可用于人工器官、組織工程、藥物傳遞等領(lǐng)域，為人類健康和生命科學(xué)發(fā)展提供新的可能性。智能材料智能材料能夠感知外界環(huán)境的變化并做出相應(yīng)的響應(yīng)，例如形狀記憶合金、光敏材料和電致變色材料，為制造更智能化的產(chǎn)品提供了新的途徑。材料的環(huán)境和能源應(yīng)用1可再生能源材料太陽能電池板、風(fēng)力渦輪機(jī)葉片等材料用于可再生能源的開發(fā)利用，促進(jìn)能源的可持續(xù)發(fā)展。2環(huán)境友好材料生物降解塑料、環(huán)保涂料等材料能夠減少環(huán)境污染，促進(jìn)生態(tài)平衡。3節(jié)能材料高性能保溫材料、節(jié)能玻璃等材料能夠提高能源效率，降低能源消耗。材料的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用心臟瓣膜生物材料可以用于制造人工心臟瓣膜，以替代受損的心臟瓣膜，改善患者的生活質(zhì)量。骨骼修復(fù)生物材料可以用于制造骨骼修復(fù)材料，用于修復(fù)骨折或骨缺損，促進(jìn)骨骼再生。藥物載體生物材料可以用于制造藥物載體，將藥物輸送到特定部位，提高治療效果，降低副作用。材料的智能化應(yīng)用自修復(fù)材料能夠自行修復(fù)損傷的材料，延長使用壽命并減少維護(hù)需求。形狀記憶合金能夠在特定溫度下恢復(fù)到預(yù)設(shè)形狀的材料，廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。傳感器材料能夠感知環(huán)境變化并做出相應(yīng)反應(yīng)的材料，如壓力、溫度、光線等。材料科技的發(fā)展趨勢1智能化材料的智能化是未來發(fā)展的重要方向，例如自