材料科学基础-顾宜版-第一章绪论PPT课件.ppt

材料科学基础 XX学院XX班主讲教师 XXXTel XXXE mail XXX 1 绪论 0 1什么是材料 材料与人类文明 材料的重要性什么是材料科学与工程 0 2材料的分类0 3组成 结构 工艺过程 性质之间的关系 2 教学目标 了解材料的定义 分类与发展简史 现状与趋势 掌握材料科学与工程的四要素及其相互之间的逻辑关系 了解本课程及其学习方法 3 0 1什么是材料 世界万物 凡于我有用者 皆谓之材料 Materials 材料是具有一定性能 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 与我们的生活 我们的生命息息相关 4 原料 RawMaterials 与材料原料一般不是为获得产品 而是生产材料 由原料到材料的过程往往伴随化学变化 材料的特点往往是为获得产品 一般从材料到产品的转变过程不发生化学变化 材料与物质 Matter 材料可由一种或多种物质组成 同一物质由于制备方法或加工方法不同可以得到用途各异 类型不同的材料 材料科学侧重于工程学 工科 物质科学侧重于基础科学 理科 概念区别 5 材料与人类文明 材料是科学技术发展和社会进步的物质基础 是人类文明进步的标志 在历史上 人们将石器 青铜器 铁器等当时的主导材料作为标志 称当时所处的时代分别为石器时代 青铜器时代和铁器时代 在近代 材料的种类及其繁多 各种新材料不断涌现 很难用一种材料来代表当今时代的特征 6 7 中国古代许多宝刀 宝剑都是采用独特的加工方法制成的 三国时期曹操有 百炼利器 五把 孙权有三把宝刀 其中有一把也命名为 百炼 刘备令蒲元造宝刀五千把 上刻有 七十二炼 8 第一次工业革命 蒸汽时代 的突破口是推广应用蒸汽机 但只有在开发了铁和铜等新材料以后 蒸汽机才得以使用并逐步推广 第二次工业革命 电气时代 一直延续到20世纪中叶 以石油开发和新能源广泛使用为突破口 大力发展飞机 汽车和其他工业 支持这个时期产业革命的仍然是新材料开发 如合金钢 铝合金以及各种非金属材料的发展 9 材料是当代文明的三大支柱之一材料 能源 信息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物质基础和技术先导 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 第三次工业革命 10 1 石墨烯 突破性 非同寻常的导电性能 极低的电阻率极低和极快的电子迁移的速度 超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性 发展趋势 2010年诺贝尔物理学奖造就近年技术和资本市场石墨烯炙手可热 未来5年将在光电显示 半导体 触摸屏 电子器件 储能电池 显示器 传感器 半导体 航天 军工 复合材料 生物医药等领域将爆发式增长 未来最具潜力的新材料 英国曼彻斯特大学科学家安德烈 海姆 11 2 碳纳米管 突破性 高电导率 高热导率 高弹性模量 高抗拉强度等 发展趋势 功能器件的电极 催化剂载体 传感器等 12 3 3D打印材料 突破性 改变传统工业的加工方法 可快速实现复杂结构的成型等 发展趋势 革命性成型方法 在复杂结构成型和快速加工成型领域 有很大前景 主要研究机构 公司 Object公司 3DSystems公司 Stratasys公司 华曙高科等 13 4 气凝胶 突破性 高孔隙率 质轻 低热导率 隔热保温特性优异 发展趋势 极具潜力的新材料 在节能环保 保温隔热电子电器 建筑等领域有巨大潜力 14 5 非晶合金 突破性 高强韧性 优良的导磁性和低的磁损耗 优异的液态流动性 发展趋势 在高频低损耗变压器 移动终端设备的结构件等 15 6 泡沫金属 突破性 重量轻 密度低 孔隙率高 比表面积大 发展趋势 具有导电性 可替代无机非金属材料不能导电的应用领域 在隔音降噪领域具有巨大潜力 16 7 离子液体 突破性 具有高热稳定性 宽液态温度范围 可调的酸碱性 极性 配位能力 可设性 易于与其他物质分离 循环利用率高 良好的导电性等 发展趋势 在绿色化工领域 以及生物和催化领域具有广阔的应用前景 17 8 超材料 突破性 具有常规材料不具有的物理特性 如负磁导率 负介电常数等 发展趋势 改变传统根据材料的性质进行加工的理念 未来可根据需要来设计材料的特性 潜力无限 革命性 18 9 超导材料 突破性 超导状态下 材料零电阻 电流不损耗 材料在磁场中表现抗磁性等 发展趋势 未来如突破高温超导技术 有望解决电力传输损耗 电子器件发热等难题 以及绿色新型传输磁悬技术 19 10 形状记忆合金 突破性 预成型后 在受外界条件强制变形后 再经一定条件处理 恢复为原来形状 实现材料的变形可逆性设计和应用 发展趋势 在空间技术 医疗器械 机械电子设备等领域潜力巨大 20 什么是材料科学与工程 材料科学与工程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 化学化工为理论基础的边缘交叉的应用基础学科 它运用电子显微镜 X 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 是研究材料共性的一门学科 21 概念区别 科学是研究 为什么 的学问 而工程是解决 怎么做 的学问 材料科学的基础理论 为材料工程指明方向 为更好地选择 使用材料 发挥材料的潜力 发展新材料提供理论基础 材料科学和材料工程之间的区别主要在于着眼点的不同或者说各自强调的中心不同 它们之间并没有一条明确的界线 因此 后来人们常常将二者放在一起 采用一个复合名词 材料科学与工程 MaterialsScienceandEngineering 材料科学与材料工程 22 0 2 1按化学组成分类 重点 0 2 2根据材料的性能分类0 2 3按服役的领域来分类0 2 4按结晶状态分类0 2 5按材料的维度分类 0 2材料的分类 23 0 2 1按化学组成分类 重点 1 金属材料2 高分子材料 聚合物 3 无机非金属材料4 复合材料 24 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 25 在103种元素中 除He Ne Ar等6种惰性元素和C Si N等16种非金属元素外 其余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 26 2 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 塑料和胶粘剂等 27 室温弹性高 即使在很小的外力作用下 也能产生很大的形变 可达1000 外力去除后 能迅速恢复原状 其弹性模量小 约105 104Pa 常用的橡胶有天然橡胶 异戊橡胶 丁苯橡胶 顺丁橡胶 聚丁二烯 乙丙橡胶和硅橡胶等 橡胶 28 弹性模量较大 约109 1010Pa 受力时 形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 50 150 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 29 弹性模量介于橡胶和纤维之间 约107 108Pa 受力形变可从百分之几至百分之几百 有些塑料的形变是可逆的 有些塑料的形变是永久的 根据塑料受热时行为的不同 分为热塑性和热固性塑料两类 热塑性塑料 受热时可以软化和塑化 冷却时则凝固成形 再加热又可软化塑化 如聚乙烯 聚氯乙烯和聚碳酸酯等 热固性塑料 受热时软化和塑化 发生化学反应 并固化成型 冷却后不能再加热软化塑化 如环氧塑料 酚醛塑料 电木 和脲醛塑料等 塑料 30 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 如电木固化前称酚醛树脂 涤纶纤维未纺织前称涤纶树脂 胶粘剂 31 3 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 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 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 32 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要成分制成的材料 包括陶瓷 玻璃 水泥和耐火材料等 此外 搪瓷 磨料 铸石 辉绿岩 玄武岩等 碳素材料 非金属矿 石棉 云母 大理石等 也属于传统的无机非金属材料 33 新型 或先进 无机非金属材料 用氧化物 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 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 34 4 复合材料 复合材料是由两种或两种以上化学成分或组织结构不同的材料组合而成 复合材料是多相材料 主要包括基体相和增强相 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 教材表1 1 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 35 按基体材料分类 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 按增强体的维度可分为粒子 纤维及层状复合材料 复合材料的分类 36 0 2 2按材料的性能分类 根据材料在外场作用下其性质或性能对外场的响应的不同 材料可分为结构材料和功能材料两大类 37 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 主要包括 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 工程塑料等传统结构材料 以及高温合金 结构陶瓷等先进结构材料 结构材料 38 指具有优良的电学 磁学 光学 热学 声学 力学 化学和生物学等功能及其相互转化的功能 用于非结构目的的高技术材料 功能材料 39 0 2 3按服役的领域来分类 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 40 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材料 信息材料主要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 信息的运算和处理材料 41 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 高温合金等 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 透明材料 阻尼材料 密封材料 润滑材料 粘合剂材料等 42 能源材料是指能源工业和能源技术所使用的材料 按使用目的不同分为新能源材料 节能材料和储氢材料等 新能源材料包括核反应堆材料 太阳能电池 节能材料包括非晶体金属磁性材料 用作变压器铁芯的Fe Mn B Si合金 和超导材料 Nb Ti Nb Sn巨型磁体用材料 储氢材料 以及高比能电池 如钠硫电池 锂离子电池 等 43 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 它能作用一个系统的整体或部分 在一定时期内治疗 增强或替换机体的组织 器官或功能 医用金属及合金医用高分子材料 合成和天然高分子 已被广泛用于韧带 肌腱 皮肤 血管 角膜 人工脏器 骨和牙等人体软 硬组织及器官的修复和制造 医用生物陶瓷 惰性和活性生物陶瓷 生物玻璃等 如氧化铝瓷 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 表面涂层生物活性人工牙根 人工心脏瓣膜人造血管等 44 0 2 4材料按结晶状态分类 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 单晶硅等 多晶材料是由许多晶粒组成的材料 如多晶硅等 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 准晶材料是指准周期性晶体材料的简称 准晶中的原子分布有严格的位置序 但不具备晶体的平移周期性 是处于晶体与非晶体之间的一种材料 45 准晶 晶体与非晶 单晶 多晶 46 0 2 5按材料的维度分类 材料按材料的维度可分为零维材料 一维材料 二维材料 三维材料 47 零维材料即超微粒子 纳米粒子 通过溶胶 凝胶 sol gel 法 多相沉积或激光等方法 可以制备出亚微米级 1 100nm 的陶瓷或金属粉末 它们具有比表面积巨大 可作为高效催化剂 比表面能超高 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 光吸收出现异常现象 可以成为高效微波吸收材料 等特性 48 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 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性 实用纤维为碳纤维 硼纤维 陶瓷纤维 它们都可以在复合材料中作为增强体 来优化复合材料的性能 49 二维材料 薄膜 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 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 用于环保或表面改性的保护膜 三维材料即块状材料 50 0 3组成 结构 工艺过程 性质之间的关系 材料的合成与制备过程 组成与结构 性质 使用性能 被称为材料科学与工程的四要素 51 材料的合成与制备过程包括传统的冶炼 铸锭 制粉 压力加工 焊接等 也包括新发展的真空溅射 气相沉积等新工艺 材料的组成与结构是指构成材料的基本单元 成分 以及各单元在空间的几何排列 材料的性质是指材料对电 磁 光 热 机械载荷的反应 材料的使用性能是材料在使用状态下表现的行为 它与材料设计