材料概論第一章-材料與材料科學.ppt

1、材料概論,Introduction to Material Science,王艷芬 ,課程的性質,材料概論,無機化學,物理化學,材料工學,現(xiàn)代測試方法,認識實習 畢業(yè)實習,畢業(yè)論文,進一步深造,分析化學,有機化學,材料科學基礎,普通物理,教材與參考書,周達飛材料概論 北京：化學工業(yè)出版社，2001 施惠生 主編 材料概論 上海：同濟大學出版社，2002 顧家琳 主編 材料科學與工程概論 北京：清華大學出版社，2005 李俊壽 主編 新材料概論 北京：國防工業(yè)出版社，2004,教學內容,第一章 材料與材料科學,材料的地位、作用與發(fā)展 材料的定義和分類 材料的要素 材料科學與工程的發(fā)展趨勢,材料是

2、人類賴以生存和發(fā)展的重要物質基礎； 人類的文明史以使用的主要材料來劃分為四個時代。,1.1材料的地位、作用與發(fā)展,石器時代 陶器 青銅器 鐵器 250萬年前 1萬年前 公元前5000年 公元前1200年,舊石器時代（10000年前）,新石器時代（距今10000-4000年）,磨制石器 7000年前,陶器,青銅時代 公元前5000年,鐵器時代（1）公元前1200年,鐵器時代（2）,人類的文明史就是材料的發(fā)展史 是人類學習利用材料、制造 材料、創(chuàng)新材料的歷史。,材料發(fā)展近代史,以1712年蒸汽機發(fā)明為起點，近300年來，人類經歷了4次技術革命。 蒸汽機 電 原子能 計算機、生物、 空間技術 18世

3、紀末 19世紀末 20世紀中期 20世紀70年代,紡織 冶金 機械 造船,電子 石油 化工 電氣,合成材料 半導體材料,新型無機材料 高分子材料 新型金屬材料 復合材料,材料是人類生存、社會發(fā)展、科技進步的物質基礎、現(xiàn)代科技發(fā)展的先導 我國是材料大國，但不是材料強國,“神舟 六號” 飛船 始返 前后 圖片,2005年，115小時飛行,材料是當代文明的三大支柱之一 材料、能源、信息是當代社會文明和國民經濟的三大支柱，是人類社會進步和科學技術發(fā)展的物質基礎和技術先導。 材料是全球新技術革命的四大標志之一 新材料技術、新能源技術、信息技術、生物技術。 新型材料的研究、開發(fā)與應用反映一個國家的科學技術

4、與工業(yè)水平，關系到國家的綜合國力與安全。,材料在國民經濟中的地位,現(xiàn)代科學技術的基礎： 以半導體材料為核心的計算機制造技術； 以光導纖維為基礎的光纖通訊技術； 以超導材料為基礎的磁懸浮技術； 以耐熱輕質材料為結構材料的航空航天技術等。 納米材料科學與技術是20世紀80年代發(fā)展起來的 新興學科，成為21世紀新技術的主導中心。,鈦結構自行車：“自行車發(fā)燒友” 選擇鈦合金制自行車。鈦合金的應用場合很特殊。通常用于需要抗腐蝕，耐疲勞，高彈性的場合,19,材料和生活用品,20,超級鋼 一種汽車用鋼，比原先的輕24%，強度高34%，稱為超級鋼。,磁懸浮列車 速度：500km/h,核磁共振儀,南京北京只需4

5、個小時,1.2、材料的定義和分類,材料是由一種化學物質為主要成分，并添加一定的助劑作為次要成分所組成的；-一定的組成和配比 可以在一定的溫度和一定壓力下使之熔融，并在模具中塑制成一定形狀；-成型加工性 冷卻后在室溫下能保持既定形狀，并可在一定條件下使用的物品；-形狀保持性 其生產過程必須實現(xiàn)最高的生產率、最低的原料成本和能耗；-經濟性 最少地產生廢物和環(huán)境污染物，并且其廢棄物可以回收再利用。-回收和再生性,一. 材料的定義,注意:,材料是物質，但不是所有物質都可以稱為材料。 大多數(shù)的物質需通過一定的工藝過程才能轉化為材料. 材料可由一種物質或若干種物質構成. 同一種物質,由于制備或加工方法不同

6、,可成為用途不同不同類型的材料.,按化學組成分類 按材料的應用分類 按材料的使用性能分類 按材料結晶狀態(tài)分類,二.材料的分類,無機非金屬材料 ROX、RNX、碳化物 、硼化物及硅酸鹽、鋁酸鹽等 水泥、陶瓷、玻璃、耐火材料金屬材料 金屬元素 黑色、有色 、特種金屬材料有機高分子材料 H、 C、 O、 N 塑料、橡膠、纖維、涂料、粘合劑復合材料 兩種或兩種以上材料組成 金屬基、陶瓷基、樹脂基,1、按化學組成分類,各種金屬零部件,工程塑料制成的零件,高溫結構陶瓷零件,復合材料,用碳纖維增強環(huán)氧樹脂制得的高爾夫球桿強度高、重量輕、剛性好。,復合材料,2、按材料的應用領域分類,航空、航天材料,能源材料,

7、生物材料,電子材料,3、按材料的使用性能分類,結構材料：力學性能（彈性、塑性、硬度、抗拉等） 功能材料：除力學性能以外的其它性能 （光、聲、電、磁、超導等功能材料）,結構材料,光學鏡片,磁性材料,光學聚合物材料,鐵磁芯,40,形狀記憶合金,管件接頭,衛(wèi)星天線,4、按材料的結晶狀態(tài)分類,單晶材料：由一個比較完整的晶粒構成的材料，如單晶纖維、單晶硅； 多晶材料：由許多晶粒組成的材料，其性能與晶粒大小、晶界的性質有密切的關系。 非晶態(tài)材料：由原子或分子排列遠程無序的固體材料，如玻璃、高分子材料。,單晶金剛石,液 晶,1.3、材料的要素,探索這四個要素之間的關系覆蓋從基礎學科到工程的全部內容。,1、性

8、質/性能,力學性質 強度、硬度、鋼度、塑性、韌性 物理性質 電學性質、磁學性質、光學性質、熱學性質 化學性質 催化性質、防腐性質,是材料功能特性和效用的定量度量和描述。 （材料對電、磁、光、熱、機械載荷的反應）,性質,主要決定于材料的組成與結構。,2. 使用性能,定義：材料在最終使用狀態(tài)下表現(xiàn)的行為。 內容：可靠性、耐用度、有效壽命、性能價格比、安全性等各種性能指標。 它將材料的固有性質與材料設計、工程環(huán)境及人類的需要融合一起。,3、結構與成分,每一種材料都含有一種以原子和電子尺度到宏觀尺度的結構體系。 結構與成分的變化是影響材料性能的基本因素。 結構與成分是材料采用的合成與加工方法的結果。

9、宏觀組織結構： 10-4 m 肉眼可見 顯微組織結構： 10-4 10-8 m 顯微鏡觀察 原子或分子排列結構：10-10 m 原子中的電子結構： 10-13 m,4、合成與加工,合成與加工 建立原子、分子和分子聚集體的新排列，在從原子尺度到宏觀尺度的所有尺度上對結構進行控制以及高效而又競爭地制造材料和零件的演變過程。 合成把各種原子或分子結合起來，制成材料所采用的方法。 加工是賦予制品一定的形狀或性能。 合成與加工是新技術開發(fā)的關鍵要素、人造材料的唯一實現(xiàn)途徑,例一、汽車底盤材料,制備汽車底盤的材料要求： 極高的強度，易成型； 考慮到能耗，鋼板必須薄而輕； 為安全性，在撞車時，鋼板能吸收大量

10、的能量。 需考慮：成分、強度、重量、能量吸收性能以及延展性 材料科學家需從顯微結構上檢驗鋼材，以確定該材料是否滿足上述要求；還需采用有成本效益的方式進行制造。 還必須考慮：成型過程是否影響鋼材的力學性能？采用何種涂層可更好地提高鋼的抗腐蝕性能？這種鋼材是否易于焊接？,例二、三種不同的氧化鋁材料,單晶,多晶、低孔隙率,多晶、高孔隙率,制備加工過程對產品性能的影響,1.4 材料科學與工程的發(fā)展趨勢,天然材料（木塊、石器、骨器）,簡單合成材料（陶器、青銅和鐵）,高分子材料（合成塑料、橡膠）,復合材料,智能材料（隨環(huán)境和時間變化的復合材料）,天然材料（木塊、石器、骨器）,簡單合成材料（陶器、青銅和鐵）

11、,高分子材料（合成塑料、橡膠）,復合材料,簡單合成材料（陶器、青銅和鐵）,高分子材料（合成塑料、橡膠）,復合材料,智能材料（隨環(huán)境和時間變化的復合材料）,簡單合成材料（陶器、青銅和鐵）,高分子材料（合成塑料、橡膠）,復合材料,天然材料（木塊、石器、骨器）,簡單合成材料（陶器、青銅和鐵）,高分子材料（合成塑料、橡膠）,復合材料,智能材料（隨環(huán)境和時間變化的復合材料）,簡單合成材料（陶器、青銅和鐵）,高分子材料（合成塑料、橡膠）,復合材料,智能材料（隨環(huán)境和時間變化的復合材料）,復合材料,高分子材料（合成塑料、橡膠）,智能材料（隨環(huán)境和時間變化的復合材料）,復合材料,簡單合成材料（陶器、青銅和鐵）

12、,高分子材料（合成塑料、橡膠）,智能材料（隨環(huán)境和時間變化的復合材料）,復合材料,天然材料（木塊、石器、骨器）,簡單合成材料（陶器、青銅和鐵）,高分子材料（合成塑料、橡膠）,智能材料（隨環(huán)境和時間變化的復合材料）,復合材料,天然材料（木塊、石器、骨器）,簡單合成材料（陶器、青銅和鐵）,高分子材料（合成塑料、橡膠）,智能材料（隨環(huán)境和時間變化的復合材料）,復合材料,天然材料（木塊、石器、骨器）,簡單合成材料（陶器、青銅和鐵）,高分子材料（合成塑料、橡膠）,智能材料（隨環(huán)境和時間變化的復合材料）,復合材料,天然材料（木塊、石器、骨器）,簡單合成材料（陶器、青銅和鐵）,高分子材料（合成塑料、橡膠）,智能