[材_料_概_论]_周达飞_ver2_Charpter 1.ppt

材料概论 1 1材料的地位 作用与发展材料是人类文明的里程碑材料是人类赖以生存和得以发展的重要物质基础材料是一个国家经济实力 科学技术进步程度 人民生活水准的度量 第一章材料与材料科学 材料与人类文明石器时代 旧石器时代和新石器时代玉器时代青铜器时代铁器时代四次技术革命高分子时代复合材料时代 第一章材料与材料科学 石器 第一章材料与材料科学 玉器 第一章材料与材料科学 青铜器 第一章材料与材料科学 四次技术革命第一次技术革命18世纪后期蒸汽机的发明及广泛应用为主要标志高炉 转炉 平炉制造优质钢材的工业化第二次技术革命19世纪末电的发明和广泛应用为标志远距离输送电材料以及通讯 照明用材料第三次技术革命20世纪中期原子能应用为主要标志合成材料 半导体材料等大规模工业化 民用化第四次技术革命20世纪70年代计算机 特别是微电子 生物工程和空间技术为主要标志相关的新型结构与功能材料 第一章材料与材料科学 高分子表1 1普通 小型乘用车的原材料构成比例 年份19731977198019831986198919921997黑色金属生铁3 23 22 82 21 71 72 11 8普通钢材60 461 460 559 557 756 954 952 1特种钢材17 516 114 714 315 015 115 316 9有色金属电解铜1 00 90 10 20 10 10 10 1铅合金0 60 60 80 91 21 01 11 9锌合金0 50 50 30 40 40 40 30 2铝合金2 82 63 33 53 94 96 07 5其他0 10 10 40 20 20 20 20 2非金属材料PF0 10 10 10 20 10 10 10 1PUR0 50 50 80 91 21 01 10 9PVC0 91 11 41 71 71 61 11 1PE0 20 20 30 40 50 40 30 4PP0 50 50 91 22 02 42 52 8ABS0 40 70 50 50 70 80 70 6其他塑料0 30 40 70 60 40 30 40 3高性能塑料0 20 70 91 11 3涂料2 11 61 81 71 71 41 51 7橡胶4 84 33 73 53 02 73 13 3玻璃2 82 73 13 23 33 02 82 8纤维0 71 21 31 41 21 21 1木材0 20 30 50 40 40 3其他1 31 61 72 72 32 73 42 9合计13 914 416 418 419 518 919 719 6 第一章材料与材料科学 高分子表1 2美国八个工业部门对材料的要求所需特性工业部门航空航天汽车生物材料化工电子能源金属通讯质轻高强 耐高温 耐腐蚀 迅速开关 高效加工 近无余量成形 材料回收 预测使用寿命 预测物理性能 材料数据库 第一章材料与材料科学 复合材料表1 3美国商业部对2000年时12项新兴技术的预测项目产值 亿美元 所占比例 分类先进材料 注 1 50042 1新兴材料超导材料501 4新兴材料先进半导体器件75021 1新兴电子与信息技术数字图像技术401 1新兴电子与信息技术高密度数据存储器1504 2新兴电子与信息技术高功能计算机50014 0新兴电子与信息技术光电子401 1新兴电子与信息技术人工智能501 4新兴生产系统柔性集成加工2005 6新兴生产系统传感技术501 4新兴生产系统生物技术1504 2新兴生命科学技术医疗与诊断装置802 3新兴生命科学技术合计3 560100 注 先进材料包括特种陶瓷 陶瓷基和金属基复合材料 金属间化合物与轻合金 先进塑料 表面改性材料 金刚石薄膜 膜材料及生物材料等 第一章材料与材料科学 第一章材料与材料科学 1 2材料的定义和分类什么叫材料 一定的组成和配比成型加工性形状保持性经济性回收和再生性 第一章材料与材料科学 材料分类按组成 结构特点分类 图1 1按时期分类传统材料 新型材料按使用方法分类结构材料 功能材料按用途分类航天航空材料 信息材料 电子材料 能源材料 生物材料 建筑材料 包装材料 电工电器材料 机械材料 农用材料 日用品及办公用品材料等等 第一章材料与材料科学 图1 1材料的分类 金属材料 第一章材料与材料科学 图1 1材料的分类 无机非金属材料 第一章材料与材料科学 图1 1材料的分类 高分子材料 第一章材料与材料科学 图1 1材料的分类 复合材料 第一章材料与材料科学 1 3材料的要素已经发现的材料达800余万种 每年还以25万种的速度增长着 具有实际工业价值的也有8万余种表1 4各种材料的主要物性性能金属塑料无机材料钢铁铝聚丙烯玻纤增强尼龙 6陶瓷玻璃熔点 C1 5356601752152 050密度g cm37 82 70 91 44 02 6拉伸强度 MPa46080 2803515012090比拉伸强度 拉伸强度 密度 5930 104391073035拉伸模量 GPa210701 31039070热变形温度 C 60120 膨胀系数 105 1 K1 32 48 102 30 850 9传热系数 W m2 K0 402 00 00110 00240 0170 0083韧性 注 体积电阻率 cm10 53 10 6 10165 10117 1041012燃烧性不燃不燃燃烧难燃不燃不燃注 优 良 差 第一章材料与材料科学 四个要素 性质和现象 使用性能 结构与成分 合成和加工 第一章材料与材料科学 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 第一章材料与材料科学 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 第一章材料与材料科学 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 第一章材料与材料科学 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 第一章材料与材料科学 两个关键仪器设备表1 5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 第一章材料与材料科学 表1 5显微技术的比较参数OM法SEM法TEM法放大倍数1 50010 105102 5 106分辨率 1 nm500 1 0005 100 1 0 2维数2 332景深 2 m 110 100 1观察尺寸范围 3 m103 1051 1040 1 100适用的试样固体 液体固体固体注 1 指能分清邻近两个小质点的最短距离 2 指垂直于电场方向可分辨的深度 3 指观察范围的对角线尺寸 第一章材料与材料科学 1 4材料科学与工程的发展趋势第一代材料 石器时代的木片 石器 骨器等天然材料第二代材料 陶 青铜和铁等从矿物中提炼出来的材料第三代材料 高分子材料 从石油 煤等矿物资源中来第四代材料 复合材料 第一到第三代材料都是各向同性的 而复合材料