材料科学基础ppt课件.ppt

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1、材料科学基础Fundamentals of Materials Science,绪论 (Introduction),1.1 材料与人类文明1.2 材料的分类1.3 材料科学与工程1.4 未来的材料1.5 本课程的目的,什么是材料,材料是指人类社会能接受的、经济的制造有用物品的物质。是具有一定性能，可以用来制作器件、构件、工具、装置等物品的物质。世界万物，凡于我有用者，皆谓之材料。材料存在于我们的周围，与我们的生活、生命息息相关。材料是人类文明、社会进步、科技发展的物质基础。,科学技术是第一生产力政治家：生产力的进步是社会发展的根本原因，而劳动工具的发展是生产力进步的主要因素材料学家：材料是时代

2、进步的标志,材料对人类进步和现代科学技术的重要性材料是时代进步的标志,认识工具材料 制造工具 使用工具,石 器 时 代,青 铜 器 时 代,铁 器 时 代,历史回顾,石器时代（公元前10万年）青铜器时代（公元前3000年）铁器时代（公元前1000年）钢时代（1800年）硅时代（1950年）新材料时代（1990年）各种新材料不断涌现，已经很难用一种材料来代表当今时代的特征材料是全球新技术革命的四大标志之一（新材料技术、新能源技术、信息技术、生物技术）,材料的分类,按组成和化学键（或基本组成）分类根据材料的性能分类 按材料服役的领域来分类 按材料结晶状态分类按材料材料的尺寸分类,按组成和化学键（或

3、基本组成）分类：,1. 金属材料2. 无机非金属材料3. 高分子材料（聚合物）4. 复合材料,1. 金属材料,金属材料是由化学元素周期表中的金属元素组成的材料。可分为由一种金属元素构成的单质（纯金属）由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素构成的合金合金又可分为固溶体和金属间化合物,金属材料,在103种元素中，除6种惰性元素和16种非金属元素外，81种为金属元素。除Hg之外，单质金属在常温下呈现固体形态，外观不透明，具有特殊的金属光泽及良好的导电性和导热性。在力学性质方面，具有较高的强度、刚度、延展性及耐冲击性合金是由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素熔合在一起形成的具有金属

4、特性的新物质。合金的性质与组成合金的各个相的性质有关，同时也与这些相在合金中的数量、形状及分布有关,2. 无机非金属材料,是除金属材料、高分子材料以外所有材料的总称。它与广义的陶瓷材料有等同的含义是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料和氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材料种类繁多，用途各异，目前还没有统一完善的分类方法。一般将其分为传统的（普通的）和新型的（先进的）无机非金属材料两大类,陶瓷按其概念和用途不同，可分为两大类，即普通陶瓷和特种陶瓷根据陶瓷坯体结构及其基本物理性能的差异，陶瓷制品可分为陶器和瓷器,传统的无机非金属材料 之一

5、：陶瓷,特种陶瓷用于各种现代工业及尖端科学技术领域的陶瓷制品包括结构陶瓷和功能陶瓷结构陶瓷主要用于耐磨损、高强度、耐高温、高刚性、低膨胀、隔热等场所功能陶瓷主要包括电磁功能、光学功能、生物功能、核功能及其它功能的陶瓷材料,传统的无机非金属材料之二：玻璃,玻璃是由熔体过冷所制得的非晶态材料。根据其形成网络的组分不同可分为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃等，其网络形成剂分为SiO2、B2O3和P2O5。习惯上玻璃态材料可分为普通玻璃和特种玻璃两大类,传统的无机非金属材料 之三：水泥,水泥是指加入适量水后可成塑性浆体，既能在空气中硬化又能在水中硬化，并能够将砂、石等材料牢固地胶结在一起的细粉状水硬

6、性材料,传统的无机非金属材料之四：耐火材料,耐火材料是指耐火度不低于1580的无机非金属材料。是高温技术服务的基础材料尽管各国对其定义不同，但基本含义是相同的，即耐火材料是用作高温窑炉等热工设备的结构材料，以及用作工业高温容器和部件的材料，并能承受相应的物理化学变化及机械作用大部分耐火材料是以天然矿石（如耐火粘土、硅石、菱镁矿、白云母等）为原料制造的,3. 有机高分子材料（高聚物）,高聚物是由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成的分子量很大的化合物高聚物的种类繁多，性能各异，其分类的方法多种多样按高分子材料来源分为天然高分子材料和合成高分子材料；按材料的性能和用途可将高聚物分为橡胶、纤维、塑

7、料和胶粘剂等,4.复合材料,是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成是多相材料，主要包括基本相和增强相。基体相是一种连续相材料，它把改善性能的增强相材料固结成一体，并起传递应力的作用；增强相起承受应力（结构复合材料）和显示功能（功能复合材料）的作用复合材料既能保持原组成材料的重要特色，又通过复合效应使各组分的性能互相补充，获得原组分不具备的许多优良性能,复合材料种类繁多，目前还没有统一的分类方法按基体材料分类，有金属基复合材料，陶瓷基复合材料，水泥、混凝土基复合材料，塑料基复合材料，橡胶基复合材料等；按增强剂形状可分为粒子、纤维及层状复合材料,4. 复合材料,根据材料的性能分类,

8、根据材料在外场作用下其性质或性能对外场的响应不同，材料可分为结构材料和功能材料。,结构材料：是指具有抵抗外场作用而保持自己的形状、结构不变的优良力学性能（强度和韧性等）的材料。是人们熟悉的机械制造材料、建筑材料，包括结构钢、工具钢、铸铁、普通陶瓷、耐火材料、工程塑料等传统的结构材料（一般结构材料）以及高温合金、结构陶瓷等高级结构材料功能材料：是具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学和生物学功能及其相互转化的功能，被用于非结构目的的高技术材料,根据材料的性能分类,按材料服役的领域来分类,根据材料服役的技术领域可分为信息材料、航空航天材料、能源材料、生物医用材料等,材料按结晶状态分类,

9、单晶材料是由一个比较完整的晶粒构成的材料，如单晶纤维、单晶硅；多晶材料是由许多晶粒组成的材料，其性能与晶粒大小、晶界的性质有密切的关系。非晶态材料是由原子或分子排列无明显规律的固体材料，如玻璃、高分子材料。,按材料的尺寸分类,材料按材料的尺寸可分为：零维材料一维材料二维材料三维材料,材料科学的核心材料观,组成+加工工艺,微观组织结构,性能,用途,铜器合金比例 铜：熔点高，1083，可塑性佳 锡：熔点低，232锌：熔点419 青铜：85% Cu+15% Sn：熔点960，延展性增加，硬度增加，具光泽度 黄铜：62%-68% Cu+Zn；熔点934-967 ，具有良好的塑性，能承受冷热加工,材料观

10、-组成,公元前5000年，制陶中发现铜和锡的还原，创造了炼铜术,工艺过程结构（显微结构）,aluminium after refinement,aluminium before refinement,不同加工方法的工件组织与性能,结构的含义,宏观结构（眼睛观察范围-0.1mm）显微结构（100m-0.1 m)晶体结构（Angstron）原子结构（电子+质子+中子）,结构-宏观层次（0.1mm）,结构-显微层次（显微结构0.1mm-0.1m）,Alumina,Dielectric ceramic,Equiaxed Ferrite,Mild Steel,结构显微层次,结构晶体结构层次（Angstr

11、on）,Y-sialon grain boundary,HRTEM image of Quantum dot CaSe,结构晶体结构层次（Angstron）,BaTiO3,Ring diffraction pattern of polycrystalline gold,Y-Sialon,材料观-结构,宏观结构微观结构,结构的含义,宏观结构（眼睛观察范围-0.1mm）显微结构（晶粒尺寸、分布、100m-0.1 m)晶体结构（晶胞、晶格、Angstron）原子结构（电子+质子+中子）,结构分析的工具,性能,材料性能：材料对外界作用的响应力学性质：形变与断裂热学性质：热容量、热导率、热膨胀电学性质：

12、电导率，介电性质磁学性质：磁化率等光学性质：折射或反射劣化：材料的化学活性,组成-工艺过程-结构-性质之间关系 材料科学核心内容,组成+加工工艺,微观组织结构,性能,用途,组成-结构-性质-工艺过程之间的关系,材料科学与工程的四个基本要素：组成+合成与加工、结构、性质、使用性能。探索这四个要素之间的关系，覆盖从基础学科到工程的全部内容。四个要素之间的密切关系确定了材料科学与工程这一领域，确定了材料科学基础课程的教学线索,材料科学与工程,材料科学具有 “研究为什么”的性质。核心是建立结构性能的关系。材料工程具有 “解决怎样做”的性质。是能为社会所接受地获得材料的结构、性能和形状。（要考虑5个判据

13、：经济、质量、资源、环保、能源）材料科学为材料工程提供设计依据，为更好地选择材料、使用材料、发展新材料提供理论基础。材料工程为材料科学提供丰富的研究课题和物质基础。 材料科学和材料工程紧密联系，它们之间没有明显的界线。在解决实际问题中，不能将科学因素和工程因素独立考虑。因此，人们常将二者合称为材料科学与工程。,材料科学基础,材料科学基础是进行材料科学与工程研究的基础理论它将各种材料（包括金属、陶瓷、高分子材料）的微观结构和宏观性能的规律建立在共同的理论基础上，用于指导材料的研究、生产、应用和发展,未来的材料,智能材料：感知环境的变化并按照预定的方式自动做出响应，类似于人体器官纳米材料环境材料,

14、本课程的目的,本课程是针对材料学专业开设的专业基础课通过这门课程的学习，对材料结构，尤其是无机材料结构方面的基本概念、基本理论、结构与性能的关系有一个初步的认识，牢固建立材料的组织结构决定材料的性能这一基本概念，了解不同材料的共性与特性，了解无机材料最新发展状况，为今后从事材料科学的研究工作打下必要的专业基础,教学内容,固体结构（晶体结构）晶体缺陷固体中的扩散形变与再结晶相变及相图,参考书目,材料科学基础胡赓祥 蔡洵主编，上海交通大学出版社，2000年11月第1版材料科学基础潘金生 仝健民 田民波主编，清华大学出版社，1998年6月第1版材料科学基础赵品 谢辅洲 孙文山主编，哈尔滨工业大学出版

15、社，1999年8月第1版材料科学基础谢希文 过梅丽主编，北京航空航天大学出版社，1999年1月第1版材料科学基础吴锵编著，东南大学出版社，2000年8月第1版,学习本课程的要求,材料科学是一门应用科学学习中需要理论联系实际在深入学习和牢固掌握基础知识、基础理论的同时，要思考、探索它的应用培养用实验去验证理论，提高归纳实验规律的能力，发展理论研究的综合素质,学习本课程的要求,应修过或具有普通物理学，普通化学、基础数学等课程的基本知识。学习要有主动性，善于理论联系实际多学科交叉采用多媒体教学，图文并茂，深入浅出（缺点）,学习本课程的要求,基础学科发展奠定材料科学的基础量子力学、固体物理、无机化学、有机化学、物理化学等基础学科的发展为材料科学奠定了重要基础现代分析技术和设备的更新，加深了对物质结构和物理化学性质的理解冶金学、金属学、陶瓷学、高分子科学等自身的发展也使对材料的本质认识大大系统化（组成-制备-结构-性能的关系），为学科发展打下了坚实的基础,谢谢,