材料概论材料与材料科学课件

材料概论材料概论Introduction to Material Science王艳芬王艳芬材料概论Introduction to Material S1课程的性质课程的性质材料概论材料概论无机化学无机化学物理化学物理化学材料工学材料工学现现代代测试测试方法方法认识实习认识实习毕业实习毕业实习毕业论毕业论文文进进一步深造一步深造分析化学分析化学有机化学有机化学材料科学基材料科学基础础普通物理普通物理课程的性质材料概论无机化学物理化学材料工学现代测试方法认2教材与参考书教材与参考书周达飞周达飞材料概论材料概论 北京：化学工业出版社，北京：化学工业出版社，20012001施惠生施惠生 主编主编 材料概论材料概论 上海：同济大学出版社，上海：同济大学出版社，20022002顾家琳顾家琳 主编主编 材料科学与工程概论材料科学与工程概论 北京：清华大学出版社，北京：清华大学出版社，20052005李俊寿李俊寿 主编主编 新材料概论新材料概论 北京：国防工业出版社，北京：国防工业出版社，20042004教材与参考书周达飞材料概论 3教学内容教学内容一一.材料与材料科学材料与材料科学二二.材料的组织、结构与性能材料的组织、结构与性能三三.材料的制备方法材料的制备方法四四.材料成型材料成型五五.10.10种产品的生产过程概述种产品的生产过程概述六六.材料应用材料应用七七.材料与环境材料与环境八八.比较与选择比较与选择教学内容一.材料与材料科学五.10种产品的生产过程概述4材料概论材料与材料科学课件5第一章第一章 材料与材料科学材料与材料科学一.一.材料的地位、作用与发展材料的地位、作用与发展二.二.材料的定义和分类材料的定义和分类三.三.材料的要素材料的要素四.四.材料科学材料科学与工程的发展趋势与工程的发展趋势第一章 材料与材料科学材料的地位、作用与发展6材料是人类材料是人类赖以生存和发展赖以生存和发展的重要物质基础；的重要物质基础；人类的文明史以使用的主要材料来划分人类的文明史以使用的主要材料来划分为为四个四个时代时代。1.1材料的地位、作用与发展材料的地位、作用与发展石器时代石器时代 陶器陶器 青铜器青铜器 铁器铁器250250万年前万年前 1 1万年前万年前 公元前公元前50005000年年 公元前公元前12001200年年材料是人类赖以生存和发展的重要物质基础；1.1材料的地位、作7旧石器时代旧石器时代（10000年前）年前）旧石器时代（10000年前）8新石器时代新石器时代（距今（距今（距今（距今10000-400010000-4000年）年）年）年）磨制石器磨制石器 7000 7000年前年前陶器陶器新石器时代（距今10000-4000年）磨制石器 70009青铜时代青铜时代 公元前公元前50005000年年 青铜时代 公元前5000年 10铁器时代（铁器时代（1）公元前公元前12001200年年铁器时代（1）公元前1200年11铁器时代（铁器时代（2）铁器时代（2）12人类的文明史就是人类的文明史就是材料材料的发展史的发展史是人类学习利用材料、制造是人类学习利用材料、制造材料、创新材料的历史。材料、创新材料的历史。人类的文明史就是材料的发展史13材料发展近代史材料发展近代史n以以17121712年蒸汽机发明为起点，近年蒸汽机发明为起点，近300300年来，人类经年来，人类经历了历了4 4次次技术革命。技术革命。n蒸汽机蒸汽机 电电 原子能原子能 计算机、生物、计算机、生物、n 空间技术空间技术n1818世纪末世纪末 19 19世纪末世纪末 20 20世纪中期世纪中期 20 20世纪世纪7070年代年代纺织纺织冶金冶金机械机械造船造船电子电子石油石油化工化工电气电气合成材料合成材料半导体材料半导体材料新型无机材料新型无机材料高分子材料高分子材料新型金属材料新型金属材料复合材料复合材料材料发展近代史以1712年蒸汽机发明为起点，近300年来，人14材料是人类材料是人类生存生存、社会、社会发展发展、科技、科技进步进步的的物质物质基础、基础、现代科技发展的现代科技发展的先导先导我国是我国是材料大国材料大国，但不是，但不是材料强国材料强国“神神神神舟舟舟舟六号六号六号六号”飞船飞船飞船飞船始返始返始返始返前后前后前后前后图片图片图片图片 2005年，年，115小时飞行小时飞行材料是人类生存、社会发展、科技进步的物质基础、现代科技发展的15材料概论材料与材料科学课件16n材料是当代文明的三大支柱之一材料是当代文明的三大支柱之一q材料、能源、信息材料、能源、信息是当代社会文明和国民经济是当代社会文明和国民经济的三大支柱，是人类社会进步和科学技术发展的的三大支柱，是人类社会进步和科学技术发展的物质基础和技术先导。物质基础和技术先导。n材料是全球新技术革命的四大标志之一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。新材料技术、新能源技术、信息技术、生物技术。n新型材料的研究、开发与应用反映一个国家的科学新型材料的研究、开发与应用反映一个国家的科学技术与工业水平，关系到国家的综合国力与安全。技术与工业水平，关系到国家的综合国力与安全。材料在国民经济中的地位材料在国民经济中的地位材料是当代文明的三大支柱之一材料在国民经济中的地位17现代科学技术的基础：现代科学技术的基础：以以半导体材料半导体材料为核心的计算机制造技术；为核心的计算机制造技术；以以光导光导纤维为纤维为基础基础的光纤通讯技术；的光纤通讯技术；以以超导超导材料为材料为基础基础的磁悬浮技术；的磁悬浮技术；以以耐热轻质耐热轻质材料为材料为结构材料结构材料的航空航天技术等。的航空航天技术等。纳米材料科学与技术纳米材料科学与技术是是2020世纪世纪8080年代发展起来的年代发展起来的新兴学科，成为新兴学科，成为2121世纪新技术的世纪新技术的主导中心主导中心。现代科学技术的基础：18钛结构自行车钛结构自行车：“自行车发烧友”选择钛合金制自行车。钛合金的应用场合很特殊。通常用于需要抗腐蚀，耐疲劳，高弹性的场合 19 w材料和生活用品材料和生活用品材料和生活用品材料和生活用品 钛结构自行车：“自行车发烧友”选择钛合金制自行车。钛合金的1920 超级钢超级钢超级钢超级钢 一种汽车用钢，比原先的轻一种汽车用钢，比原先的轻24%24%，强度高，强度高34%34%，称为，称为超级钢超级钢超级钢超级钢。20 超级钢 20磁悬浮列车磁悬浮列车速度：速度：500km/h核磁共振仪核磁共振仪南京北京只需南京北京只需4个小时个小时磁悬浮列车核磁共振仪南京北京只需4个小时21材料概论材料与材料科学课件221.2、材料的定义和分类、材料的定义和分类n材料是由一种化学物质为主要成分，并添加一定的助剂作为次要材料是由一种化学物质为主要成分，并添加一定的助剂作为次要成分所成分所组成组成的；的；-一定的组成和配比一定的组成和配比n可以在一定的温度和一定压力下使之熔融，并在模具中塑制成一可以在一定的温度和一定压力下使之熔融，并在模具中塑制成一定形状；定形状；-成型加工性成型加工性n冷却后在室温下能保持既定形状，并可在一定条件下使用的物品；冷却后在室温下能保持既定形状，并可在一定条件下使用的物品；-形状保持性形状保持性n其生产过程必须实现最高的生产率、最低的原料成本和能耗；其生产过程必须实现最高的生产率、最低的原料成本和能耗；-经济性经济性n最少地产生废物和环境污染物，并且其废弃物可以回收再利用。最少地产生废物和环境污染物，并且其废弃物可以回收再利用。-回收和再生性回收和再生性一一.材料的定义材料的定义1.2、材料的定义和分类材料是由一种化学物质为主要成分，并添23注意注意:n材料是物质，但不是所有物质都可以称为材材料是物质，但不是所有物质都可以称为材料。料。n大多数的物质需通过一定的工艺过程才能转大多数的物质需通过一定的工艺过程才能转化为材料化为材料.n材料可由一种物质或若干种物质构成材料可由一种物质或若干种物质构成.n同一种物质同一种物质,由于制备或加工方法不同由于制备或加工方法不同,可成可成为用途不同为用途不同不同类型的材料不同类型的材料.注意:材料是物质，但不是所有物质都可以称为材料。24激光材料激光材料宝石宝石基板材料基板材料高温炉管高温炉管切削工具切削工具催化剂催化剂Al2O3激光材料宝石基板材料高温炉管切削工具催化剂Al2O325按按化学组成化学组成分类分类按材料的按材料的应用应用分类分类按材料的按材料的使用性能使用性能分类分类按材料按材料结晶状态结晶状态分类分类二二.材料的分类材料的分类 按化学组成分类二.材料的分类 26无机非金属材料无机非金属材料 ROX、RNX、碳化物、碳化物、硼化物及硅酸盐、铝酸盐等 水泥、陶瓷、玻璃、耐火材料水泥、陶瓷、玻璃、耐火材料金属材料金属材料 金属元素金属元素 黑色、有色黑色、有色 、特种金属材料、特种金属材料有机有机高分子材料高分子材料 H、C、O、N 塑料、橡胶、纤维、涂料、粘合剂塑料、橡胶、纤维、涂料、粘合剂复合材料复合材料 两种或两种以上材料组成两种或两种以上材料组成 金属基、陶瓷基、树脂基金属基、陶瓷基、树脂基 1 1、按化学组成分类、按化学组成分类无机非金属材料 ROX、RNX、碳化物、硼化物及硅酸盐、铝27金属陶瓷金属陶瓷金属金属金属高分子金属高分子无机非金属无机非金属高分子高分子陶瓷高分子陶瓷高分子金属金属高分子无机非金属高分子陶瓷高分子28各种金属零部件各种金属零部件各种金属零部件29工程塑料制成的零件工程塑料制成的零件工程塑料制成的零件30高温结构陶瓷零件高温结构陶瓷零件高温结构陶瓷零件31复合材料复合材料 用碳用碳纤维纤维增增强强环环氧氧树树脂制得的高脂制得的高尔尔夫球杆夫球杆强强度高、重量度高、重量轻轻、刚刚性好。性好。复合材料 用碳纤维增强环氧树脂制得的高尔夫球杆32复合材料复合材料332 2、按材料的应用领域分类、按材料的应用领域分类建筑材料建筑材料包装材料包装材料农用材料农用材料磁性材料磁性材料 能源材料能源材料电子材料电子材料生物材料生物材料航空航天航空航天材料材料材料材料2、按材料的应用领域分类建筑材料包装材料农用材料磁性材料 能34航空、航天材料航空、航天材料航空、航天材料35能源材料能源材料生物材料生物材料电子材料电子材料能源材料生物材料电子材料363、按材料的、按材料的使用性能使用性能分类分类 结构材料：力学性能（弹性、塑性、硬度、抗拉等）结构材料：力学性能（弹性、塑性、硬度、抗拉等）功能材料：除力学性能以外的其它性能功能材料：除力学性能以外的其它性能 （光、声、电、磁、超导等功能材料）（光、声、电、磁、超导等功能材料）3、按材料的使用性能分类 结构材料：力学性能（弹性37结构材料结构材料结构材料38光学镜片光学镜片磁性材料磁性材料光学聚合物材料光学聚合物材料铁磁芯铁磁芯光学镜片磁性材料光学聚合物材料铁磁芯3940 形状记忆合金形状记忆合金形状记忆合金形状记忆合金 管件接头管件接头卫星天线卫星天线40 形状记忆合金 管件接头卫星天线404、按材料的结晶状态分类、按材料的结晶状态分类单晶材料：单晶材料：由一个比较由一个比较完整的晶粒完整的晶粒构成的材料，如构成的材料，如单晶纤维、单晶硅；单晶纤维、单晶硅；多晶材料：多晶材料：由由许多晶粒许多晶粒组成的材料，其性能与晶粒组成的材料，其性能与晶粒大小、晶界的性质有密切的关系。大小、晶界的性质有密切的关系。非晶态材料：非晶态材料：由原子或分子排列由原子或分子排列远程无序远程无序的固体材的固体材料，如玻璃、高分子材料。料，如玻璃、高分子材料。4、按材料的结晶状态分类单晶材料：由一个比较完整的晶粒构成的41单单晶金晶金刚刚石石单晶金刚石42液液 晶晶液 晶431.3、材料的要素、材料的要素结构与成分结构与成分使用性能使用性能性质和性质和现象现象（化学）（化学）（工程）（工程）（物理学）（物理学）合成与合成与加工加工n 探索这四个要素之间的关系覆盖从基础学科到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。工程的全部内容。1.3、材料的要素结构与成分使用性能性质和现象（化学）（工程441、性质、性质/性能性能力学性质力学性质 强度、硬度、钢度、塑性、韧性强度、硬度、钢度、塑性、韧性物理性质物理性质 电学性质、磁学性质、光学性质、热学性质电学性质、磁学性质、光学性质、热学性质化学性质化学性质 催化性质、防腐性质催化性质、防腐性质是材料功能特性和效用的定量度量和描述。是材料功能特性和效用的定量度量和描述。（材料对电、磁、光、热、机械载荷的反应）（材料对电、磁、光、热、机械载荷的反应）性质性质主要决定于材料的主要决定于材料的组成与结构组成与结构。1、性质/性能力学性质 强度、硬度、钢度、塑性、韧性是452.使用性能使用性能 定义定义：材料在最终使用状态下表现的行为。材料在最终使用状态下表现的行为。内容：内容：可靠性、耐用度、有效寿命、性能价格可靠性、耐用度、有效寿命、性能价格比比、安全性安全性等各种性能指标。等各种性能指标。它将材料的固有性质与材料设计、工程环境及它将材料的固有性质与材料设计、工程环境及人类的需要融合一起。人类的需要融合一起。2.使用性能 定义：材料在最终使用状态下表现的行为。463 3、结构与成分、结构与成分每一种材料都含有一种以每一种材料都含有一种以原子和电子尺度到宏观尺度原子和电子尺度到宏观尺度的结构的结构体系。体系。结构与成分的变化是影响材料性能的基本因素。结构与成分的变化是影响材料性能的基本因素。结构与成分是材料采用的合成与加工方法的结果结构与成分是材料采用的合成与加工方法的结果。宏观组织结构：宏观组织结构：10-4 m 肉眼可见肉眼可见 显微组织结构：显微组织结构：10-4 10-8 m 显微镜观察显微镜观察 原子或分子排列结构：原子或分子排列结构：10-10 m 原子中的电子结构：原子中的电子结构：10-13 m3、结构与成分每一种材料都含有一种以原子和电子尺度到宏观尺度474、合成与加工合成与加工 合成与加工合成与加工 建立建立原子、分子和分子聚集体的原子、分子和分子聚集体的新排列，在从新排列，在从原子尺度到宏观尺度的所有尺度上对原子尺度到宏观尺度的所有尺度上对结构结构进行控制以及高效进行控制以及高效而又竞争地而又竞争地制造制造材料和零件的演变过程。材料和零件的演变过程。合成合成把各种把各种原子或分子结合原子或分子结合起来，起来，制成材料所采用的方法制成材料所采用的方法。加工加工是赋予制品一定的形状或性能。是赋予制品一定的形状或性能。合成与加工合成与加工是新技术开发的关键要素、人造材料的唯一实现途是新技术开发的关键要素、人造材料的唯一实现途径径4、合成与加工 合成与加工 建立原子、分子和分子聚集体的新排48例一、汽车底盘材料例一、汽车底盘材料什么结构特性制约了什么结构特性制约了强度和成型性能强度和成型性能?什么性能控制强度什么性能控制强度?性质性质/使用性能使用性能 成本成本比强大小比强大小?成型性能成型性能?汽车的防撞性如何汽车的防撞性如何?制造成本制造成本?铁基铁基?铝基铝基?使用何种合金元素使用何种合金元素?使用量使用量?合成合成/制备制备如何制造空气动力学性能好的汽车底盘如何制造空气动力学性能好的汽车底盘?如何控制制备过程以获得高韧性、易成如何控制制备过程以获得高韧性、易成型的钢铁材料型的钢铁材料?组成组成结构结构例一、汽车底盘材料什么结构特性制约了强度和成型性能?性质/使49n制备汽车底盘的材料要求：制备汽车底盘的材料要求：1)极高的极高的强度强度，易成型易成型；2)考虑到能耗，钢板必须考虑到能耗，钢板必须薄而轻薄而轻；3)为安全性，在撞车时，钢板能吸收大量的为安全性，在撞车时，钢板能吸收大量的能量能量。n需考虑：成分、强度、重量、能量吸收性能以及延展性需考虑：成分、强度、重量、能量吸收性能以及延展性n材料科学家需材料科学家需从显微结构上检验钢材从显微结构上检验钢材，以确定该材料是否满，以确定该材料是否满足上述要求；还需采用有足上述要求；还需采用有成本效益成本效益的方式进行制造。的方式进行制造。n还必须考虑：成型过程是否影响钢材的力学性能？采用何种还必须考虑：成型过程是否影响钢材的力学性能？采用何种涂层可更好地提高钢的抗腐蚀性能？这种钢材是否易于焊接涂层可更好地提高钢的抗腐蚀性能？这种钢材是否易于焊接？制备汽车底盘的材料要求：50例二、三种不同的氧化铝材料例二、三种不同的氧化铝材料单晶单晶多晶、低孔隙率多晶、低孔隙率多晶、高孔隙率多晶、高孔隙率制备加工过程对产品性能的影响制备加工过程对产品性能的影响例二、三种不同的氧化铝材料单晶多晶、低孔隙率多晶、高孔隙率制511.4 1.4 材料科学与工程的发展趋势材料科学与工程的发展趋势 天然材料（木块、石器、骨器）天然材料（木块、石器、骨器）简单合成材料（陶器、青铜和铁）简单合成材料（陶器、青铜和铁）高分子材料（合成塑料、橡胶）高分子材料（合成塑料、橡胶）复合材料复合材料智能材料（随环境和时间变化的复合材料）智能材料（随环境和时间变化的复合材料）天然材料（木块、石器、骨器）天然材料（木块、石器、骨器）简单合成材料（陶器、青铜和铁）简单合成材料（陶器、青铜和铁）高分子材料（合成塑料、橡胶）高分子材料（合成塑料、橡胶）复合材料复合材料 简单合成材料（陶器、青铜和铁）简单合成材料（陶器、青铜和铁）高分子材料（合成塑料、橡胶）高分子材料（合成塑料、橡胶）复合材料复合材料智能材料（随环境和时间变化的复合材料）智能材料（随环境和时间变化的复合材料）简单合成材料（陶器、青铜和铁）简单合成材料（陶器、青铜和铁）高分子材料（合成塑料、橡胶）高分子材料（合成塑料、橡胶）复合材料复合材料天然材料（木块、石器、骨器）天然材料（木块、石器、骨器）简单合成材料（陶器、青铜和铁）简单合成材料（陶器、青铜和铁）高分子材料（合成塑料、橡胶）高分子材料（合成塑料、橡胶）复合材料复合材料智能材料（随环境和时间变化的复合材料）智能材料（随环境和时间变化的复合材料）简单合成材料（陶器、青铜和铁）简单合成材料（陶器、青铜和铁）高分子材料（合成塑料、橡胶）高分子材料（合成塑料、橡胶）复合材料复合材料智能材料（随环境和时间变化的复合材料）智能材料（随环境和时间变化的复合材料）复合材料复合材料 高分子材料（合成塑料、橡胶）高分子材料（合成塑料、橡胶）智能材料（随环境和时间变化的复合材料）智能材料（随环境和时间变化的复合材料）复合材料复合材料 简单合成材料（陶器、青铜和铁）简单合成材料（陶器、青铜和铁）高分子材料（合成塑料、橡胶）高分子材料（合成塑料、橡胶）智能材料（随环境和时间变化的复合材料）智能材料（随环境和时间变化的复合材料）复合材料复合材料天然材料（木块、石器、骨器）天然材料（木块、石器、骨器）简单合成材料（陶器、青铜和铁）简单合成材料（陶器、青铜和铁）高分子材料（合成塑料、橡胶）高分子材料（合成塑料、橡胶）智能材料（随环境和时间变化的复合材料）智能材料（随环境和时间变化的复合材料）复合材料复合材料天然材料（木块、石器、骨器）天然材料（木块、石器、骨器）简单合成材料（陶器、青铜和铁）简单合成材料（陶器、青铜和铁）高分子材料（合成塑料、橡胶）高分子材料（合成塑料、橡胶）智能材料（随环境和时间变化的复合材料）智能材料（随环境和时间变化的复合材料）复合材料复合材料天然材料（木块、石器、骨器）天然材料（木块、石器、骨器）简单合成材料（陶器、青铜和铁）简单合成材料（陶器、青铜和铁）高分子材料（合成塑料、橡胶）高分子材料（合成塑料、橡胶）智能材料（随环境和时间变化的复合材料）智能材料（随环境和时间变化的复合材料）复合材料复合材料天然材料（木块、石器、骨器）天然材料（木块、石器、骨器）简单合成材料（陶器、青铜和铁）简单合成材料（陶器、青铜和铁）高分子材料（合成塑料、橡胶）高分子材料（合成塑料、橡胶）智能材料（随环境和时间变化的复合材料）智能材料（随环境和时间变化的复合材料）复合材料复合材料天然材料（木块、石器、骨器）天然材料（木块、石器、骨器）简单合成材料（陶器、青铜和铁）简单合成材料（陶器、青铜和铁）高分子材料（合成塑料、橡胶）高分子材料（合成塑料、橡胶）智能材料（随环境和时间变化的复合材料）智能材料（随环境和时间变化的复合材料）复合材料复合材料天然材料（木块、石器、骨器）天然材料（木块、石器、骨器）简单合成材料（陶器、青铜和铁）简单合成材料（陶器、青铜和铁）高分子材料（合成塑料、橡胶）高分子材料（合成塑料、橡胶）智能材料（随环境和时间变化的复合材料）智能材料（随环境和时间变化的复合材料）复合材料复合材料五代材料五代材料目标：目标：复合化、功能化、智能化、低维化复合化、功能化、智能化、低维化1.4 材料科学与工程的发展趋势 天然52