材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)課件introduction

材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)經(jīng)典課件本課程將帶領(lǐng)您探索材料科學(xué)與工程的基礎(chǔ)知識，涵蓋材料的分類、性能、制備工藝、相變、結(jié)構(gòu)與性能以及材料的選擇與設(shè)計(jì)。從宏觀到微觀，從理論到實(shí)踐，幫助您全面了解材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的奧秘。課程簡介課程名稱材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)課程性質(zhì)專業(yè)基礎(chǔ)課程學(xué)分3學(xué)分授課方式課堂講授、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課后討論課程目標(biāo)掌握材料科學(xué)與工程的基本概念、基本原理和基本方法。了解材料的分類、性能、制備工藝、相變、結(jié)構(gòu)與性能以及材料的選擇與設(shè)計(jì)。培養(yǎng)學(xué)生對材料科學(xué)與工程的興趣和學(xué)習(xí)能力，為后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)和工程實(shí)踐奠定基礎(chǔ)。知識體系架構(gòu)1材料科學(xué)基礎(chǔ)材料的分類、結(jié)構(gòu)、性能、制備工藝、相變2金屬材料金屬材料的組織與性能、熱處理、塑性變形3陶瓷材料陶瓷材料的結(jié)構(gòu)與性能、制備工藝及應(yīng)用4高分子材料高分子材料的結(jié)構(gòu)與性能、聚合反應(yīng)與加工、性能表征與應(yīng)用5復(fù)合材料復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能、性能預(yù)測與應(yīng)用材料的分類金屬材料由金屬元素組成的材料，具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和延展性。陶瓷材料由金屬元素和非金屬元素組成的材料，具有較高的硬度、耐高溫性和耐腐蝕性。高分子材料由有機(jī)高分子化合物組成的材料，具有輕質(zhì)、絕緣、柔韌等特性。復(fù)合材料由兩種或多種不同材料組合而成，以獲得優(yōu)越的綜合性能。金屬材料鐵廣泛應(yīng)用于建筑、機(jī)械、汽車等領(lǐng)域。銅良好的導(dǎo)電性，應(yīng)用于電線、電纜等領(lǐng)域。鋁輕質(zhì)、耐腐蝕，應(yīng)用于航空航天、汽車等領(lǐng)域。陶瓷材料1氧化物陶瓷例如氧化鋁、氧化鋯，具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等特性。2氮化物陶瓷例如氮化硅、氮化鋁，具有高硬度、高強(qiáng)度、耐高溫等特性。3碳化物陶瓷例如碳化鎢、碳化硅，具有高熔點(diǎn)、高硬度、耐磨損等特性。高分子材料熱塑性塑料例如聚乙烯、聚丙烯，可反復(fù)加熱塑形。熱固性塑料例如環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂，加熱后發(fā)生不可逆的化學(xué)反應(yīng)。彈性體例如橡膠，具有彈性，可反復(fù)拉伸變形。復(fù)合材料增強(qiáng)材料例如纖維、顆粒、片狀材料，提高復(fù)合材料的強(qiáng)度、剛度、耐熱性等?；w材料例如樹脂、金屬、陶瓷，起到連接增強(qiáng)材料的作用。界面增強(qiáng)材料和基體材料之間的結(jié)合層，影響復(fù)合材料的性能。材料的性能指標(biāo)力學(xué)性能強(qiáng)度、硬度、韌性、彈性模量等。熱學(xué)性能熔點(diǎn)、熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率等。電磁性能電阻率、介電常數(shù)、磁導(dǎo)率等?；瘜W(xué)性能耐腐蝕性、化學(xué)穩(wěn)定性等。力學(xué)性能1強(qiáng)度材料抵抗破壞的能力。2硬度材料抵抗壓痕的能力。3韌性材料抵抗斷裂的能力。4彈性模量材料在彈性范圍內(nèi)抵抗形變的能力。熱學(xué)性能123熔點(diǎn)材料從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的溫度。熱膨脹系數(shù)材料溫度變化時體積變化的程度。熱導(dǎo)率材料傳遞熱量的能力。電磁性能電阻率材料抵抗電流的能力。介電常數(shù)材料儲存電荷的能力。磁導(dǎo)率材料被磁化的能力?；瘜W(xué)性能耐腐蝕性材料抵抗腐蝕介質(zhì)的能力?；瘜W(xué)穩(wěn)定性材料在化學(xué)反應(yīng)中保持穩(wěn)定性的能力。表面性能表面粗糙度：材料表面凹凸起伏的程度。表面能：材料表面原子不飽和鍵的能量。潤濕性：材料表面與液體接觸時發(fā)生潤濕的程度。材料的制備工藝熔融法將材料加熱至熔融狀態(tài)，然后冷卻成型。粉末治金將粉末材料壓制成型，然后燒結(jié)成致密體?；瘜W(xué)法利用化學(xué)反應(yīng)合成材料。物理沉積法利用物理過程將材料沉積在基體上。熔融法鑄造將熔融金屬倒入模具中，冷卻凝固成型。鍛造利用錘擊或壓力使金屬變形，提高材料的強(qiáng)度和塑性。軋制利用軋輥將金屬壓成板材或帶材。粉末治金粉末制備通過機(jī)械粉碎、化學(xué)沉淀等方法制備金屬粉末。粉末成型將金屬粉末壓制成型，得到坯體。粉末燒結(jié)將坯體在高溫下燒結(jié)，使粉末顆粒之間相互結(jié)合?；瘜W(xué)法沉淀法利用化學(xué)反應(yīng)使金屬離子沉淀析出。水解法利用金屬鹽的水解反應(yīng)制備金屬氧化物或氫氧化物。還原法利用還原劑將金屬氧化物還原成金屬。物理沉積法1真空鍍膜在真空中將材料蒸發(fā)或?yàn)R射到基體上。2離子注入利用離子束將材料原子注入到基體中。3激光燒蝕利用激光束將材料蒸發(fā)或?yàn)R射到基體上。材料的相變相變是指材料的物理狀態(tài)或結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的過程。相變可以是固相到液相、液相到氣相、固相到固相等。相變可以是可逆的，也可以是不可逆的。相變的類型固-液相變例如冰融化成水。液-氣相變例如水沸騰成水蒸氣。固-固相變例如鐵在不同溫度下晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。相變動力學(xué)1成核新相的形成過程。2生長新相的長大過程。3相變速率相變進(jìn)行的快慢。相圖的繪制與應(yīng)用相圖的繪制根據(jù)材料的相變溫度和成分繪制相圖。相圖的應(yīng)用預(yù)測材料的相變過程、控制材料的性能。金屬材料的組織與性能晶體結(jié)構(gòu)金屬原子在空間排列的規(guī)律。晶體缺陷金屬晶體結(jié)構(gòu)中存在的各種缺陷。熱處理通過加熱和冷卻處理改變金屬的組織結(jié)構(gòu)，從而改變其性能。塑性變形金屬在外力作用下發(fā)生永久形變的過程。晶體結(jié)構(gòu)晶格金屬原子在空間排列的規(guī)律性，可以形成不同的晶格類型，例如面心立方、體心立方、密排六方等。晶胞晶格中最小的重復(fù)單元。晶向晶格中原子排列方向。晶面晶格中原子排列的平面。晶體缺陷點(diǎn)缺陷晶格中單個原子位置的偏差，例如空位、間隙原子。線缺陷晶格中原子排列的錯位，例如刃型位錯、螺型位錯。面缺陷晶格中原子排列的界面，例如晶界、孿晶界。金屬的熱處理退火加熱到一定溫度并保溫，然后緩慢冷卻，目的是降低材料的硬度，提高其塑性。1淬火加熱到一定溫度后，迅速冷卻，目的是提高材料的硬度，降低其塑性。2回火將淬火后的材料再加熱到一定溫度并保溫，然后冷卻，目的是降低材料的硬度，提高其韌性。3塑性變形與回復(fù)1塑性變形金屬在載荷作用下發(fā)生永久形變的過程，會導(dǎo)致材料的強(qiáng)度和硬度提高，塑性降低。2回復(fù)在塑性變形后加熱，使材料的部分缺陷消失，降低材料的內(nèi)應(yīng)力，提高其塑性。陶瓷材料的結(jié)構(gòu)與性能晶體結(jié)構(gòu)陶瓷材料的原子排列方式，可以是離子晶體、共價晶體或混合型晶體。晶界及缺陷陶瓷晶體之間的界面，以及晶體結(jié)構(gòu)中存在的各種缺陷，對陶瓷材料的性能有重要影響。電子結(jié)構(gòu)與性能陶瓷材料的電子結(jié)構(gòu)決定了其化學(xué)性能、電學(xué)性能、光學(xué)性能等。制備工藝及應(yīng)用陶瓷材料的制備工藝多種多樣，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，例如耐火材料、電子陶瓷、結(jié)構(gòu)陶瓷等。晶體結(jié)構(gòu)離子晶體：由金屬陽離子和非金屬陰離子通過靜電引力結(jié)合而成，例如氧化鋁、氧化鎂。共價晶體：由非金屬原子之間通過共用電子對結(jié)合而成，例如二氧化硅、金剛石?；旌闲途w：由離子鍵和共價鍵共同作用形成的晶體，例如氮化硅、碳化硅。晶界及缺陷晶界陶瓷晶體之間的界面，影響陶瓷材料的強(qiáng)度、韌性、耐高溫性等。點(diǎn)缺陷陶瓷晶體中單個原子位置的偏差，例如空位、間隙原子。線缺陷陶瓷晶體中原子排列的錯位，例如刃型位錯、螺型位錯。電子結(jié)構(gòu)與性能能帶理論解釋陶瓷材料的電學(xué)、光學(xué)性能。電子結(jié)構(gòu)陶瓷材料的電子結(jié)構(gòu)決定了其化學(xué)性能、電學(xué)性能、光學(xué)性能等。制備工藝及應(yīng)用1粉末制備通過機(jī)械粉碎、化學(xué)沉淀等方法制備陶瓷粉末。2粉末成型將陶瓷粉末壓制成型，得到坯體。3燒結(jié)將坯體在高溫下燒結(jié)，使粉末顆粒之間相互結(jié)合。4應(yīng)用領(lǐng)域耐火材料、電子陶瓷、結(jié)構(gòu)陶瓷等。高分子材料的結(jié)構(gòu)與性能分子結(jié)構(gòu)高分子材料是由許多重復(fù)的結(jié)構(gòu)單元組成的長鏈分子，其結(jié)構(gòu)決定了材料的性能。熱塑性與熱固性熱塑性塑料可以反復(fù)加熱塑形，而熱固性塑料加熱后發(fā)生不可逆的化學(xué)反應(yīng)，無法再塑形。聚合反應(yīng)與加工高分子材料的制備過程，包括聚合反應(yīng)和加工成型過程。性能表征與應(yīng)用高分子材料的性能可以通過各種測試方法來表征，其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，例如包裝、建筑、汽車、航空航天等。分子結(jié)構(gòu)1鏈結(jié)構(gòu)高分子鏈可以是直鏈、支鏈、環(huán)狀等。2鏈段高分子鏈的結(jié)構(gòu)單元之間通過化學(xué)鍵連接。3分子量高分子鏈的平均分子量，影響材料的強(qiáng)度、韌性等。熱塑性與熱固性熱塑性塑料加熱后軟化，冷卻后固化，可反復(fù)加熱塑形，例如聚乙烯、聚丙烯。熱固性塑料加熱后發(fā)生不可逆的化學(xué)反應(yīng)，形成固態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，無法再塑形，例如環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂。聚合反應(yīng)與加工聚合反應(yīng)將單體分子通過化學(xué)反應(yīng)連接成高分子鏈的過程。加工成型將聚合物熔融或溶解后，通過模具或其他方法成型。性能表征與應(yīng)用拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、硬度、熔點(diǎn)、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等。包裝、建筑、汽車、航空航天等。復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能復(fù)合材料的定義由兩種或多種不同材料組合而成，以獲得優(yōu)越的綜合性能。增強(qiáng)材料例如纖維、顆粒、片狀材料，提高復(fù)合材料的強(qiáng)度、剛度、耐熱性等?；w材料例如樹脂、金屬、陶瓷，起到連接增強(qiáng)材料的作用。界面增強(qiáng)材料和基體材料之間的結(jié)合層，影響復(fù)合材料的性能。復(fù)合材料的定義復(fù)合材料由兩種或多種不同材料組成，每種材料保持其自身特性。復(fù)合材料的性能優(yōu)于組成材料的簡單疊加，展現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng)。復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活，可以根據(jù)需要調(diào)整材料的成分和結(jié)構(gòu)，以滿足不同的性能要求。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料纖維例如碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維，具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫等特性?；w例如樹脂、金屬、陶瓷，將纖維固定并提供整體結(jié)構(gòu)。界面纖維和基體之間的結(jié)合層，影響復(fù)合材料的性能。層狀復(fù)合材料1層板由增強(qiáng)材料和基體材料組成的薄層，可以是單向的或多向的。2層間結(jié)合層板之間通過粘合劑或其他方式結(jié)合，形成層狀復(fù)合材料。3性能層狀復(fù)合材料具有良好的抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度等。性能預(yù)測與應(yīng)用性能預(yù)測通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測試預(yù)測復(fù)合材料的性能。應(yīng)用領(lǐng)域航空航天、汽車、船舶、建筑、體育器材等。材料的選擇與設(shè)計(jì)性能需求分析明確材料需要滿足的性能指標(biāo)。材料選擇原則根據(jù)性能需求選擇合適的材料，考慮材料的成本、可加工性、環(huán)保性等因素。材料設(shè)計(jì)方法通過改變材料的結(jié)構(gòu)、成分、制備工藝等來設(shè)計(jì)符合性能要求的材料。案例分析通過具體案例分析材料的選擇與設(shè)計(jì)過程。性能需求分析強(qiáng)度、硬度、韌性、彈性模量、耐高溫性、耐腐蝕性、耐磨損性等。電阻率、介電常數(shù)、磁導(dǎo)率、光學(xué)性能等。加工性、成本、環(huán)保性等。材料選擇原則性能優(yōu)先選擇能夠滿足性能需求的材料，優(yōu)先考慮性能指標(biāo)。成本控制選擇成本合理的材料，考慮材料的采購成本、加工成本等?？杉庸ば赃x擇易于加工成型的材料，考慮材料的加工工藝、加工設(shè)備等。環(huán)保性選擇環(huán)保的材料，考慮材料的生產(chǎn)、使用、回收等環(huán)節(jié)對環(huán)境的影響。材料設(shè)計(jì)方法材料模擬利用計(jì)算機(jī)模擬材料的結(jié)構(gòu)和性能，預(yù)測材料的性能。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證材料的性能，優(yōu)化材料的設(shè)計(jì)。性能測試對材料進(jìn)行各種性能測試，確保材料能夠滿足性能要求。案例分析1案例1航空航天材料的設(shè)計(jì)與選擇。2案例2新能源汽車材料的設(shè)計(jì)與選擇。3案例3生物醫(yī)用材料的設(shè)計(jì)與選擇。課程總結(jié)知識要點(diǎn)回顧本課程主要介紹了材料科學(xué)與工程的基礎(chǔ)知識，包括材料的分類、性能、制備工藝、相變、結(jié)構(gòu)與性能以及材料的選擇與設(shè)計(jì)。重點(diǎn)難點(diǎn)解析課程中的一些重點(diǎn)難點(diǎn)，例如相圖的繪制與應(yīng)用、金屬的熱處理、陶瓷材料的電子結(jié)構(gòu)與性能、復(fù)合材料的性能預(yù)測等。未來發(fā)展趨勢材料科學(xué)與工程領(lǐng)域不斷發(fā)展，未來將會出現(xiàn)更多新型材料，例如納米材料、生物材料、智能材料等。知識要點(diǎn)回顧材料的分類：金屬材料、陶瓷材料、高分子材料、復(fù)合材料。材料的性能指標(biāo)：力學(xué)性能、熱學(xué)性能、電磁性能、化學(xué)性能、表面性能。材料的制備工藝：熔融法、粉末治金、化學(xué)法、物理沉積法。材料的相變：相變的類型、相變動力學(xué)、相圖的繪制與應(yīng)用。材料的選擇與設(shè)計(jì)：性能需求分析、材料選擇原則、材料設(shè)計(jì)方法。重點(diǎn)難點(diǎn)解析相圖相圖的繪制和應(yīng)用是材料科學(xué)與工程的重要內(nèi)容，需要掌握不同類型相圖的繪制方法，并能根據(jù)相圖預(yù)測材料的相變過程和控制材料的性能。熱處理金屬的熱處理是改變金屬材料組織結(jié)構(gòu)，從而改變其性能的