材料与材料科学课件

第一章第一章 材料与材料科学材料与材料科学n什么是材料什么是材料?q 材料与人类文明材料与人类文明q 什么是材料科学？什么是材料科学？n0.1 材料分类材料分类 n0.2 组成组成-结构结构-性质性质-工艺过程之间的关系工艺过程之间的关系 n0.3 材料的发展趋势材料的发展趋势1.第一章 材料与材料科学什么是材料?1.什么是材料什么是材料?n世界万物，凡于我有用者，皆谓之材料。材料世界万物，凡于我有用者，皆谓之材料。材料是具有一定性能，可以用来制作器件、构件、工具、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。材料存在于我们的周围，与我装置等物品的物质。材料存在于我们的周围，与我们的生活、我们的生命息息相关。们的生活、我们的生命息息相关。n一定的组成和配比一定的组成和配比n 成型加工性成型加工性n 形状保持性形状保持性n 经济性经济性n 回收和再生性回收和再生性2.什么是材料?世界万物，凡于我有用者，皆谓之材料。材料是具有一材料与人类文明材料与人类文明 材材料料是是人人类类文文明明、社社会会进进步步、科科学学技技术术发发展展的的物物质质基基础础和和技技术术先先导导。在在历历史史上上，人人们们将将石石器器、青青铜铜器器、铁铁器器等等当当时时的的主主导导材材料料作作为为时时代代的的标标志志，称称其其为为石石器器时时代代、青青铜铜器器时时代代和和铁铁器器时时代代。在在近近代代，材材料料的的种种类类及及其其繁繁多多，各各种种新新材材料料不不断断涌涌现现，很很难难用一种材料来代表当今时代的特征。用一种材料来代表当今时代的特征。3.材料与人类文明 材料是人类文明、社会进步、科学技术发展 第第一一次次技技术术革革命命18世世纪纪后后期期蒸蒸汽汽机机的的发发明明及及广广泛泛的的应应用用，但但只只有有在在开开发发了了铁铁和和铜铜等等新新材材料料以以后后，蒸蒸汽汽机机才才得得以以使使用用并并逐逐步步推推广广。使使人人类类从从手手工工工工艺艺进进入入机机器器工工业业时时代代，开开创创了了工工业社会的文明。业社会的文明。第第二二次次技技术术革革命命始始于于19世世纪纪未未，以以电电的的发发明明和和广广泛泛应应用用为为标标志志，实实现现了了电电气气化化。以以石石油油开开发发和和新新能能源源广广泛泛使使用用为为突突破破口口，大大力力发发展展飞飞机机、汽汽车车和和其其他他工工业业，支支持持这这个个时时期期产产业业革革命命的的仍仍然然是是新新材材料料开开发发。如如合合金金钢钢、铝铝合合金金以以及及各各种种非非金金属材料的发展。属材料的发展。4.第一次技术革命18世纪后期蒸汽机的发明及广泛的应 第三次技术革命始于第三次技术革命始于20世纪中期，以原子能应用为主要世纪中期，以原子能应用为主要标志。标志。1942年在美国建立第一个核反应堆，实现了核能的年在美国建立第一个核反应堆，实现了核能的利用；实现了合成材料、半导体材料等大规模工业化，把利用；实现了合成材料、半导体材料等大规模工业化，把工业文明推到了顶点，开启了信息社会文明的大门。工业文明推到了顶点，开启了信息社会文明的大门。第四次技术革命开始于第四次技术革命开始于20世纪世纪70年代，以计算机，特别年代，以计算机，特别是微电子技术、生物工程技术和空间技术为主要标志。这是微电子技术、生物工程技术和空间技术为主要标志。这是人类历史上规模最大和最深刻的一次革命。是人类历史上规模最大和最深刻的一次革命。5.第三次技术革命始于20世纪中期，以原子能应用为主要n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材料、能源、信息材料、能源、信息是当代社会文明和国民经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济的三大支柱，是人类社会进步和科学技术发展的物质基础和技术先导。的物质基础和技术先导。n 材料是全球新技术革命的材料是全球新技术革命的四大标志四大标志之一（之一（新材新材料技术、新能源技术、信息技术、生物技术料技术、新能源技术、信息技术、生物技术）。）。6.材料是当代文明的三大支柱之一6.什么是材料科学？什么是材料科学？材料科学是一门以固体材料为研究对象，以固体物理、材料科学是一门以固体材料为研究对象，以固体物理、热力学、动力学、量子力学、冶金、化工为理论基础的边缘热力学、动力学、量子力学、冶金、化工为理论基础的边缘交叉基础应用学科，它运用电子显微镜、交叉基础应用学科，它运用电子显微镜、X-射线衍射、热谱、射线衍射、热谱、电子离子探针等各种精密仪器和技术，探讨材料的组成、结电子离子探针等各种精密仪器和技术，探讨材料的组成、结构、制备工艺和加工使用过程与其机械、物理、化学性能之构、制备工艺和加工使用过程与其机械、物理、化学性能之间的规律的一门基础应用学科，是研究材料共性的一门学科。间的规律的一门基础应用学科，是研究材料共性的一门学科。7.什么是材料科学？材料科学是一门以固体材料为研究对象n0.1.1 材料按化学组成（或基本组成）分类材料按化学组成（或基本组成）分类n0.1.2 根据材料的性能分类根据材料的性能分类 n0.1.3 材料按服役的领域来分类材料按服役的领域来分类 n0.1.4 材料按结晶状态分类材料按结晶状态分类n0.1.5 材料按材料的尺寸分类材料按材料的尺寸分类 0.1 材料分类材料分类 8.0.1.1 材料按化学组成（或基本组成）分类0.1 材料分类0.1.1 按化学组成（或基本组成）分类：按化学组成（或基本组成）分类：1.金属材料金属材料2.无机非金属材料无机非金属材料3.高分子材料（聚合物）高分子材料（聚合物）4.复合材料复合材料9.0.1.1 按化学组成（或基本组成）分类：1.金属材料1.金属材料金属材料 金属材料是由化学元素周期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（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。合金又可分为固溶构成的合金。合金又可分为固溶体和金属间化合物体和金属间化合物。10.1.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 在在103种元素中，除种元素中，除He,Ne,Ar等等6种惰性元素和种惰性元素和C、Si、N等等16种非金属元素外，其余种非金属元素外，其余81种为金属元素。除种为金属元素。除Hg之外，单质金属在之外，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、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。延展性及耐冲击性。合合金金是是由由两两种种或或两两种种以以上上的的金金属属元元素素，或或金金属属元元素素与与非非金金属属元元素素熔熔合合在在一一起起形形成成的的具具有有金金属属特特性性的的新新物物质质。合合金金的的性性质质与与组组成成合合金金的的各各个个相相的的性性质质有有关关，同同时时也也与与这这些些相相在在合合金金中中的的数数量量、形状及分布有关。形状及分布有关。11.在103种元素中，除He,Ne,Ar等6种惰性元素和C2.无机非金属材料无机非金属材料 无机非金属材料是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸无机非金属材料是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼盐、锗酸盐等原料和（或）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。是除金属材料、高分子材料以外所有材料的而成的材料。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。无机非金属材总称。它与广义的陶瓷材料有等同的含义。无机非金属材料种类繁多，用途各异，目前还没有统一完善的分类方法。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。非金属材料两大类。12.2.无机非金属材料 无机非金属材料是由硅酸盐、铝酸盐、传传统统的的无无机机非非金金属属材材料料主主要要是是指指由由SiO2及及其其硅硅酸酸盐盐化化合合物物为为主主要要成成分分制制成成的的材材料料，包包括括陶陶瓷瓷、玻玻璃璃、水水泥泥和和耐耐火火材材料料等等。此此外外，搪搪瓷瓷、磨磨料料、铸铸石石（辉辉绿绿岩岩、玄玄武武岩岩等等）、碳碳素素材材料料、非非金金属属矿矿（石石棉棉、云云母母、大大理理石石等等）也属于传统的无机非金属材料。也属于传统的无机非金属材料。13.传统的无机非金属材料主要是指由SiO2及其硅酸盐化合物为主n普通陶瓷普通陶瓷即传统陶瓷，是指以粘土为主要原料与其它即传统陶瓷，是指以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎混练、成型、煅烧等过程而制天然矿物原料经过粉碎混练、成型、煅烧等过程而制成的各种制品。包括日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、成的各种制品。包括日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、电瓷以及其它工业用陶瓷。化工陶瓷、电瓷以及其它工业用陶瓷。14.普通陶瓷即传统陶瓷，是指以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经表表0-1 普通陶瓷的分类方法普通陶瓷的分类方法 15.表0-1 普通陶瓷的分类方法 15.先进（或新型）无机非金属材料先进（或新型）无机非金属材料是用氧化物、是用氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以及各氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以及各种无机非金属化合物经特殊的先进工艺制成的材料。种无机非金属化合物经特殊的先进工艺制成的材料。主要包括先进陶瓷、非晶态材料、人工晶体、无机主要包括先进陶瓷、非晶态材料、人工晶体、无机涂层、无机纤维等。涂层、无机纤维等。16.先进（或新型）无机非金属材料是用氧化物、氮化物、碳化物、硼化n特种陶瓷特种陶瓷是用于各种现代工业及尖端科学技术领域是用于各种现代工业及尖端科学技术领域的陶瓷制品。的陶瓷制品。包括结构陶瓷和功能陶瓷包括结构陶瓷和功能陶瓷。结构陶瓷。结构陶瓷主要用于耐磨损、高强度、耐高温、耐热冲击、硬主要用于耐磨损、高强度、耐高温、耐热冲击、硬质、高刚性、低膨胀、隔热等场所。功能陶瓷主要质、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。它功能的陶瓷材料。17.特种陶瓷是用于各种现代工业及尖端科学技术领域的陶瓷制品。包括常见常见高温结构陶瓷高温结构陶瓷包括：高熔点氧化物、碳化物、包括：高熔点氧化物、碳化物、硼化物、氮化物、硅化物。硼化物、氮化物、硅化物。功能陶瓷功能陶瓷包括包括:装置瓷（即电绝缘瓷）、电容器陶装置瓷（即电绝缘瓷）、电容器陶瓷、压电陶瓷、磁性陶瓷（又称为铁氧体）、导电陶瓷、瓷、压电陶瓷、磁性陶瓷（又称为铁氧体）、导电陶瓷、超导陶瓷、半导体陶瓷（又称为敏感陶瓷）、热学功能超导陶瓷、半导体陶瓷（又称为敏感陶瓷）、热学功能陶瓷（热释电陶瓷、导热陶瓷、低膨胀陶瓷、红外辐射陶瓷（热释电陶瓷、导热陶瓷、低膨胀陶瓷、红外辐射陶瓷等）、化学功能陶瓷（多孔陶瓷载体等）、生物功陶瓷等）、化学功能陶瓷（多孔陶瓷载体等）、生物功能陶瓷等。能陶瓷等。18.常见高温结构陶瓷包括：高熔点氧化物、碳化物、硼化物、氮化物、传统的无机非金属材料传统的无机非金属材料 之二：玻璃之二：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，其网络形成剂分为璃等，其网络形成剂分为SiO2、B2O3和和P2O5。习惯上玻璃态。习惯上玻璃态材料可分为材料可分为普通玻璃普通玻璃和和特种玻璃特种玻璃两大类。两大类。普通玻璃是指采用天然原料，能够大规模生产的玻璃。普通玻璃是指采用天然原料，能够大规模生产的玻璃。普通玻璃包括日用玻璃、建筑玻璃、微晶玻璃、光学玻璃和普通玻璃包括日用玻璃、建筑玻璃、微晶玻璃、光学玻璃和玻璃纤维等。玻璃纤维等。19.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特特种种玻玻璃璃（亦亦称称为为新新型型玻玻璃璃）是是指指采采用用精精制制、高高纯纯或或新新型型原原料料，通通过过新新工工艺艺在在特特殊殊条条件件下下或或严严格格控控制制形形成成过过程程制制成成的的一些具有特殊功能或特殊用途的玻璃。一些具有特殊功能或特殊用途的玻璃。特特种种玻玻璃璃包包括括SiO2含含量量在在85%以以上上或或55%以以下下的的硅硅酸酸盐盐玻玻璃璃、非非硅硅酸酸盐盐氧氧化化物物玻玻璃璃（硼硼酸酸盐盐、磷磷酸酸盐盐、锗锗酸酸盐盐、碲碲酸酸盐盐、铝铝酸酸盐盐及及氧氧氮氮玻玻璃璃、氧氧碳碳玻玻璃璃等等）、非非氧氧化化物物玻玻璃璃（卤卤化化物物、氮氮化化物物、硫硫化化物物、硫硫卤卤化化物物、金金属属玻玻璃璃等等）以以及及光光学学纤纤维维等。等。根根据据用用途途不不同同，特特种种玻玻璃璃分分为为防防辐辐射射玻玻璃璃、激激光光玻玻璃璃、生物玻璃、多孔玻璃、非线性光学玻璃和光纤玻璃等。生物玻璃、多孔玻璃、非线性光学玻璃和光纤玻璃等。20.特种玻璃（亦称为新型玻璃）是指采用精制、高纯或新型原料，通过传统的无机非金属材料传统的无机非金属材料 之三：水泥之三：水泥水泥是指加入适量水后水泥是指加入适量水后可成塑性浆体，既能在空气中可成塑性浆体，既能在空气中硬化又能在水中硬化，并能够硬化又能在水中硬化，并能够将砂、石等材料牢固地胶结在将砂、石等材料牢固地胶结在一起的细粉状水硬性材料。一起的细粉状水硬性材料。21.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水泥的种类很多，按其用途和性能可分为：水泥的种类很多，按其用途和性能可分为：通用通用水泥、专用水泥和特性水泥水泥、专用水泥和特性水泥三大类；按其所含的主要三大类；按其所含的主要水硬性矿物，水泥又可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、水硬性矿物，水泥又可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥以及以工业废渣和地方硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥以及以工业废渣和地方材料为主要组分的水泥。目前水泥品种已达一百多种。材料为主要组分的水泥。目前水泥品种已达一百多种。22.水泥的种类很多，按其用途和性能可分为：通用水泥、专用水泥和特传统的无机非金属材料传统的无机非金属材料 之四：耐火材料之四：耐火材料耐耐火火材材料料是是指指耐耐火火度度不不低低于于1580的的无无机机非非金金属属材材料料。它它是是为为高高温温技技术术服服务务的的基基础础材材料料。尽尽管管各各国国对对其其定定义义不不同同，但但基基本本含含义义是是相相同同的的，即即耐耐火火材材料料是是用用作作高高温温窑窑炉炉等等热热工工设设备备的的结结构构材材料料，以以及及用用作作工工业业高高温温容容器器和和部部件件的的材材料料，并并能能承受相应的物理化学变化及机械作用。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。镁矿、白云母等）为原料制造的。23.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3.有机高分子材料（高聚物）高聚物是由一种或几种简单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，其分类的方类繁多，性能各异，其分类的方法多种多样。按高分子材料法多种多样。按高分子材料来源来源分为天然高分子材料和合成高分分为天然高分子材料和合成高分子材料；按材料的子材料；按材料的性能和用途性能和用途可可将高聚物分为橡胶、纤维、塑料将高聚物分为橡胶、纤维、塑料和胶粘剂等。和胶粘剂等。24.3.有机高分子材料（高聚物）高聚物是由一种或几种简单低分n橡橡胶胶的的特特点点是是室室温温弹弹性性高高，即即使使在在很很小小的的外外力力作作用用下下，也也能能产产生生很很大大的的形形变变（可可达达1000%），外外力力去去除除后后，能能迅迅速速恢恢复复原原状状。其其弹弹性性模模量量小小，约约105104Pa。常常用用的的橡橡胶胶有有天天然然橡橡胶胶（异异戊戊橡橡胶胶）、丁丁苯苯橡橡胶胶、顺顺丁丁橡橡胶胶（聚聚丁丁二二烯烯）、乙乙丙橡胶和硅橡胶等。丙橡胶和硅橡胶等。25.橡胶的特点是室温弹性高，即使在很小的外力作用下，也能产生很大n纤维纤维的弹性模量较大，约的弹性模量较大，约1091010Pa。受力时，形。受力时，形变不超过百分之二十。纤维大分子沿轴向作规则变不超过百分之二十。纤维大分子沿轴向作规则排列，其长径比较大，在较广的温度范围（排列，其长径比较大，在较广的温度范围（-50150）内，机械性能变化不大。常用的合成）内，机械性能变化不大。常用的合成纤维有尼龙、涤纶、晴纶和维尼纶等。纤维有尼龙、涤纶、晴纶和维尼纶等。26.纤维的弹性模量较大，约1091010Pa。受力时，形变不超n塑料塑料的弹性模量介于橡胶和纤维之间，约的弹性模量介于橡胶和纤维之间，约107108Pa。温。温度稍高些，受力形变可达百分之几至几百。有些塑料的度稍高些，受力形变可达百分之几至几百。有些塑料的形变是可逆的，有些塑料的形变是永久的。形变是可逆的，有些塑料的形变是永久的。根据塑料受热时行为的不同，分为根据塑料受热时行为的不同，分为热塑性热塑性和和热固性热固性塑料塑料两类。前者受热时可以塑化和软化，冷却时则凝固成形，两类。前者受热时可以塑化和软化，冷却时则凝固成形，再加热又可塑化软化。聚乙烯、聚氯乙烯和聚碳酸酯等再加热又可塑化软化。聚乙烯、聚氯乙烯和聚碳酸酯等都属于此类；后者在受热时可塑化和软化，并通过化学都属于此类；后者在受热时可塑化和软化，并通过化学反应，使之固定成型，但冷却后不能再加热软化，酚醛反应，使之固定成型，但冷却后不能再加热软化，酚醛塑料和脲醛塑料就属此类。塑料和脲醛塑料就属此类。27.塑料的弹性模量介于橡胶和纤维之间，约107108Pa。温度n胶粘剂胶粘剂是指在常温下处于粘流态，当受到外力作用时，是指在常温下处于粘流态，当受到外力作用时，会产生永久变形，外力撤去后又不能恢复原状的高聚会产生永久变形，外力撤去后又不能恢复原状的高聚物。有时把聚合后未加工成型的高聚物称为树脂，以物。有时把聚合后未加工成型的高聚物称为树脂，以区分加工后的塑料或纤维制品，如电木未固化前称酚区分加工后的塑料或纤维制品，如电木未固化前称酚醛树脂，涤纶纤维未纺织前称涤纶树脂。醛树脂，涤纶纤维未纺织前称涤纶树脂。28.胶粘剂是指在常温下处于粘流态，当受到外力作用时，会产生永久变4.复合材料复合材料 复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织结构不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。同的材料组合而成。复合材料是多相材料，主要包括基本相复合材料是多相材料，主要包括基本相和增强相。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。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。能。29.4.复合材料 复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织结构复合材料的种类繁多，目前还没有统一的分类方法，复合材料的种类繁多，目前还没有统一的分类方法，下面根据复合材料的三要素来分类。按下面根据复合材料的三要素来分类。按基体材料基体材料分类，有分类，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；按材料，塑料基复合材料，橡胶基复合材料等；按增强剂形增强剂形状状可分为粒子、纤维及层状复合材料；依据复合材料的性可分为粒子、纤维及层状复合材料；依据复合材料的性能可分为结构复合材料和功能复合材料。能可分为结构复合材料和功能复合材料。30.复合材料的种类繁多，目前还没有统一的分类方法，下面根据复合材0.1.2 根据材料的性能分类根据材料的性能分类 根据材料在外场作用下其性质或性能对外场根据材料在外场作用下其性质或性能对外场的响应不同，材料可分为的响应不同，材料可分为结构材料结构材料和和功能材料功能材料。31.0.1.2 根据材料的性能分类 根据材料在外场作用下其性质或n结构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），用于结构目构不变的优良力学性能（强度和韧性等），用于结构目的的材料。这种材料通常用来制造工具、机械、车辆和的的材料。这种材料通常用来制造工具、机械、车辆和修建房屋、桥梁、铁路等。是人们熟悉的机械制造材料、修建房屋、桥梁、铁路等。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）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。以及高温合金、结构陶瓷等高级结构材料。32.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n功能材料功能材料是具有优良的电学、磁学、光学、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相互转化的功能，被用于非结构目的的高技术材料。术材料。33.功能材料是具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学0.1.3 材料按服役的领域来分类材料按服役的领域来分类 根据材料服役的技术领域可分为根据材料服役的技术领域可分为信信息材料息材料、航空航天材料航空航天材料、能源材料能源材料、生生物医用材料物医用材料等。等。34.0.1.3 材料按服役的领域来分类 根据材料服役的技术领域可n信息材料信息材料是指用于信息的探测、传输、显示、是指用于信息的探测、传输、显示、运算和处理的光电信息材料。信息材料主要运算和处理的光电信息材料。信息材料主要包括信息的监测和传感（获取）材料、信息包括信息的监测和传感（获取）材料、信息的传输材料、信息的存储材料、信息的运算的传输材料、信息的存储材料、信息的运算和处理材料。和处理材料。35.信息材料是指用于信息的探测、传输、显示、运算和处理的光电信息n航空航天材料航空航天材料主要包括新型金属材料（如先进铝合主要包括新型金属材料（如先进铝合金、超高强度钢、高温合金、高熔点合金、铍及其金、超高强度钢、高温合金、高熔点合金、铍及其合金）、烧蚀防热材料和新型复合材料。此外，还合金）、烧蚀防热材料和新型复合材料。此外，还包括一些功能材料，如涂层材料、隔热材料、透明包括一些功能材料，如涂层材料、隔热材料、透明材料、阻尼材料、密封材料、润滑材料、粘合剂材材料、阻尼材料、密封材料、润滑材料、粘合剂材料等。这些材料大部分属于高分子材料和陶瓷材料，料等。这些材料大部分属于高分子材料和陶瓷材料，也有少量是阻尼合金等金属材料。也有少量是阻尼合金等金属材料。36.航空航天材料主要包括新型金属材料（如先进铝合金、超高强度钢、n能源材料能源材料是指能源工业和能源技术所使用的材料，按使用是指能源工业和能源技术所使用的材料，按使用目的不同分为新能源材料、节能材料和储氢材料等。新能目的不同分为新能源材料、节能材料和储氢材料等。新能源材料包括增值堆用核材料、聚变堆材料、太阳能电池源材料包括增值堆用核材料、聚变堆材料、太阳能电池（单晶硅、多晶硅、非晶硅等）；节能材料包括非晶体金（单晶硅、多晶硅、非晶硅等）；节能材料包括非晶体金属磁性材料（用作变压器铁芯的属磁性材料（用作变压器铁芯的Fe-Mn-B-Si合金）和超导合金）和超导材料（材料（Nb-Ti、Nb-Sn巨型磁体用材料）；储氢材料，以及巨型磁体用材料）；储氢材料，以及高比能电池（如钠硫电池）等。目前钠硫电池的比能量达高比能电池（如钠硫电池）等。目前钠硫电池的比能量达137W.h/Kg，而铅蓄电池的比能量只有，而铅蓄电池的比能量只有30W.h/Kg。37.能源材料是指能源工业和能源技术所使用的材料，按使用目的不同分n 生生物物医医用用材材料料是是一一类类合合成成物物质质或或天天然然物物质质或或这这些些物物质质的的复复合合，它它能能作作用用一一个个系系统统的的整整体体或或部部分分，在在一一定定时时期期内内治治疗疗、增增强强或或替替换换机机体体的的组组织、器官或功能。织、器官或功能。医用金属及合金医用金属及合金 医医用用高高分分子子材材料料包包括括合合成成和和天天然然高高分分子子，已已被被广广泛泛用用于于韧韧带带、肌肌腱腱、皮皮肤肤、血血管管、角角膜膜、人人工工脏脏器器、骨骨和和牙牙等等人人体体软软、硬硬组组织织及及器器官官的的修修复复和制造。和制造。医医用用生生物物陶陶瓷瓷包包括括惰惰性性和和活活性性生生物物陶陶瓷瓷、生生物物玻玻璃璃等等，如如氧氧化化铝铝瓷瓷、氧化锆瓷、生物碳等以及羟基磷灰石、磷酸三钙陶瓷等。氧化锆瓷、生物碳等以及羟基磷灰石、磷酸三钙陶瓷等。医用复合材料医用复合材料:表面涂层生物活性人工牙根、人工心脏瓣膜人造血管等。表面涂层生物活性人工牙根、人工心脏瓣膜人造血管等。38.生物医用材料是一类合成物质或天然物质或这些物质的复合，它能0.1.4 材料按结晶状态分类材料按结晶状态分类 q单晶材料单晶材料q多晶材料多晶材料q非晶态材料非晶态材料q准晶材料准晶材料39.0.1.4 材料按结晶状态分类 单晶材料39.q单单晶晶材材料料是是由由一一个个比比较较完完整整的的晶晶粒粒构构成成的的材材料料，如单晶纤维、单晶硅；如单晶纤维、单晶硅；q多晶材料多晶材料是由许多晶粒组成的材料，其性能与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。晶粒大小、晶界的性质有密切的关系。q非晶态材料非晶态材料是由原子或分子排列无明显规律的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。固体材料，如玻璃、高分子材料。40.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q准准晶晶材材料料是是指指准准周周期期性性晶晶体体材材料料的的简简称称，准准晶晶仍仍然然是是晶晶体体，准准晶晶中中的的原原子子分分布布有有严严格格的的位位置置序序，但但位位置置序序无无周周期期性性，即即没没有有周周期期性性平平移移对对称称关关系系，在在准准晶晶材材料料中中存存在在不不符符合合传传统统晶晶体体学学的的五五次次、八八次次、十十二次对称轴。二次对称轴。准准晶晶从从结结构构角角度度看看是是一一种种新新的的物物质质形形态态，但但实实际际上上它它们们仅仅在在特特定定的的金金属属合合金金中中形形成成，是是成成分分范范围围较窄的金属间化合物。较窄的金属间化合物。41.准晶材料是指准周期性晶体材料的简称，准晶仍然是晶体，准晶中的0.1.5按材料的尺寸分类按材料的尺寸分类 材料按材料的尺寸可分为零维材料、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。一维材料、二维材料、三维材料。42.0.1.5按材料的尺寸分类 材料按材料的尺寸可分为零维材料、n零维材料零维材料即超微粒子，通过即超微粒子，通过Sol-gel法、多相沉积或激光法、多相沉积或激光等方法，可以制备出亚微米级的陶瓷或金属粉末，大小等方法，可以制备出亚微米级的陶瓷或金属粉末，大小1100nm的超微粒比表面积大（可作为高效催化剂）、的超微粒比表面积大（可作为高效催化剂）、比表面能高、熔点低、烧结温度下降、扩散速度快、强比表面能高、熔点低、烧结温度下降、扩散速度快、强度高而塑性下降慢、电子态由连续能带变为不连续、光度高而塑性下降慢、电子态由连续能带变为不连续、光吸收也发生异常现象（可以成为高效微波吸收材料）。吸收也发生异常现象（可以成为高效微波吸收材料）。43.零维材料即超微粒子，通过Sol-gel法、多相沉积或激光等方n一维材料一维材料，如光导纤维由于其信息传输量远比铜、铅，如光导纤维由于其信息传输量远比铜、铅的同轴电缆大，而且光纤有很强的保密性，所以发展的同轴电缆大，而且光纤有很强的保密性，所以发展很快。再比如脆性块状材料在变成细丝后便增加了韧很快。再比如脆性块状材料在变成细丝后便增加了韧性，可以用来增强其它的块状。实用纤维为碳纤维、性，可以用来增强其它的块状。实用纤维为碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维。纤维中强度和刚度最高的要算晶硼纤维、陶瓷纤维。纤维中强度和刚度最高的要算晶须。须。44.一维材料，如光导纤维由于其信息传输量远比铜、铅的同轴电缆大，n二维材料（薄膜），二维材料（薄膜），如金刚石薄膜、高温超导薄膜、半如金刚石薄膜、高温超导薄膜、半导体薄膜。由于薄膜的电子所处状态和外界环境的影响，导体薄膜。由于薄膜的电子所处状态和外界环境的影响，可表现出不同的电子迁移规律，完成特定的电学、光学可表现出不同的电子迁移规律，完成特定的电学、光学或电子学功能，如成为绝缘体、铁电体、导体或半导体或电子学功能，如成为绝缘体、铁电体、导体或半导体等，从而有可能作为光学薄膜用于非线性光学、光开关、等，从而有可能作为光学薄膜用于非线性光学、光开关、放大或调幅、敏感与传感元件，用于显示或探测器，用放大或调幅、敏感与传感元件，用于显示或探测器，用于环保或表面改性的保护膜。于环保或表面改性的保护膜。n三维材料三维材料即块状材料。即块状材料。45.二维材料（薄膜），如金刚石薄膜、高温超导薄膜、半导体薄膜。由0.2 组成组成-结构结构-性质性质-工艺过程之间的关系工艺过程之间的关系 材料科学与工程的四个基本要素：材料科学与工程的四个基本要素：组组成成与与结结构构、性性质质、使使用用性性能能、合合成成与与加加工工。探探索索这这四四个个要要素素之之间间的的关关系系(图图0.2)，覆覆盖盖从从基基础础学学科科到到工工程程的的全全部部内内容容。四四个个要要素素之之间间的的密密切切关关系系确确定定了了材材料料科科学学与与工工程程这这一一领领域域，确定了材料科学基础课程的教学线索。确定了材料科学基础课程的教学线索。46.0.2 组成-结构-性质-工艺过程之间的关系 材料科学与工图图0.2组成组成-结构结构-性质性质-工艺过程之间工艺过程之间关系示意图关系示意图合成与加工合成与加工使用性能使用性能性质性质组组成成与与结结构构（化学）（化学）（工程）（工程）（物理学）（物理学）47.图0.2组成-结构-性质-工艺过程之间关系示意图合成与加工性质 材料功能特性和效用（如电、磁、光、热、力学等性质）的定量度量和描述材料对外界刺激（如电场、磁场、温度场、力场等）的整体响应是合成或加工后材料结构和成分所产生的结果48.性质48.使用性能包括可靠性、有效寿命、速度、能量利用率、安全性和寿命期费用等材料在最终使用状态时的行为材料固有性质与产品设计、工程能力和人类需要相融合在一起的一个要素取决于材料的基本性能，也应注意加工工艺技术的影响49.使用性能49.结构与成分每个特定的材料都含有一个以原子和电子尺度到宏观尺度的结构体系大多数材料结构尺度上的化学成分和分布是立体变化的结构上几乎无限的变化同样会引起与此相应的一系列复杂的材料性质50.结构与成分50.合成和加工 是指建立原子、分子和分子聚集体的新排列，在从原子尺度到宏观尺度的所有尺度上对结构进行控制以及高效而有竞争力地制造材料和零件的演变过程 合成 指原子和分子组合在一起制造新材料的物理和化学方法，包括合成新材料、用新技术合成已知的材料或将已知材料合成为新的形式、将已知材料按特殊用途的要求来合成 加工 除了上述三个方面外，还包括在较大尺度上的改变，有时也包括材料制造等工程问题。合成和加工的区别已变得模糊51.合成和加工51.两个关键仪器设备 表15分析和建模技术 处理微观尺度的最基本模型 处理中间尺度（微米级或更大尺度）上的连续模型 宏观尺度上材料总体性质作为制造过程和使用过程的定量模型52.两个关键52.0.3材料的发展趋势材料的发展趋势 第一代材料第一代材料石器时代的木片、石器、骨器等天然材料。石器时代的木片、石器、骨器等天然材料。第二代材料第二代材料陶、青铜和铁等从矿物中提炼出来的材料。陶、青铜和铁等从矿物中提炼出来的材料。第三代材料第三代材料高分子材料，可由高分子材料，可由1909年年Bakeland第一个人第一个人工合成的塑料酚醛塑料算起；高分子材料的原料主要从石工合成的塑料酚醛塑料算起；高分子材料的原料主要从石油、煤等矿物资源中来。油、煤等矿物资源中来。第四代材料第四代材料复合材料。第一到第三代材料都是各向同性的，复合材料。第一到第三代材料都是各向同性的，而复合材料以各向异性为特征。而复合材料以各向异性为特征。54.0.3材料的发展趋势54.材料的发展趋势复合化、功能化、智能化、低维化建立定量的结构与性能关系分子设计先进制造技术：低成本、高质量、高效率节省资源、节约能源、回收再生55.材料的发展趋势55.第五代材料第五代材料 材料的特征随环境和时间而变化的复合材料。材料的特征随环境和时间而变化的复合材料。它能检测到材料受环境变化引起的破坏作用，随即作出相应的它能检测到材料受环境变化引起的破坏作用，随即作出相应的对策。补强型、降解型。对策。补强型、降解型。从材料从材料4个要素出发，深入到原子、电子尺度，研究材料结个要素出发，深入到原子、电子尺度，研究材料结构和性质的关系，实现定量化；按使用性能逐个原子对材料进构和性质的关系，实现定量化；按使用性能逐个原子对材料进行组装和裁剪，得到一系列具有理想性质的或新的、甚至出乎行组装和裁剪，得到一系列具有理想性质的或新的、甚至出乎预料现象的新颖材料或功能材料。预料现象的新颖材料或功能材料。从设计、材料和工艺一体化出发，开发材料的先进制造技术，从设计、材料和工艺一体化出发，开发材料的先进制造技术，实现材料的高性能化和复合化，达到材料生产的低成本、高质实现材料的高性能化和复合化，达到材料生产的低成本、高质量、高效率。量、高效率。56.第五代材料 材料的特征随环境和时间而变化的复合材个人观点供参考，欢迎讨论！个人观点供参考，欢迎讨论！