材料科学基础上海交大版讲义绪论ppt课件.ppt

绪论 材料科学基础A 2012 2013 1 FoundationsofMaterialsScience 1 一 材料和工程材料1 材料 哥伦比亚号航天飞机 材料是指人类用以制造各种有用器件的物质 2 材料是人类生产和生活所必须的物质基础 3 石器时代青铜器时代铁器时代 材料是人类进化的里程碑 由于材料的重要性 历史学家根据人类所使用的材料来划分时代 4 材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志 材料的发展与人类社会简图 5 没有半导体材料的工业化生产 就不可能有目前的计算机技术 高纯度大直径的硅单晶的研制成功 促使了集成电路和计算机及其他电子设备的进步 6 没有高温高强度的结构材料 就不可能有今天的航空工业和宇航工业 碳 碳复合材料的发展促进了航空航天技术的进步 在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片 飞机发动机叶片 1942年 镍基高温合金的研制成功 促使了航空发动机的进步 7 没有低消耗的光导纤维 也就没有现代的光纤通讯 现代光纤是在英籍华人高琨博士的研究工作基础上发展起来的 1966年高博士发现提高玻璃的纯度可以减少光传播过程中的损耗 1970年美国康宁公司将这一科研成果开发为商品 用高纯石英玻璃制造出了现代光导纤维 这种光纤是一种比头发还细的高纯度玻璃丝 一根细丝就能同时传输2000路通话 并且不 失真 不受环境干扰 不易被窃听 还传输特别快 光缆一秒钟传输的距离若改用铜缆则要花上20个小时 快了72000倍 8 2009年10月6日瑞典皇家科学院宣布 将2009年诺贝尔物理学奖授予英国华裔科学家高锟以及美国科学家威拉德 博伊尔和乔治 史密斯 瑞典皇家科学院说 高锟在 有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面 取得了突破性成就 他将获得今年物理学奖一半的奖金 共500万瑞典克朗 约合70万美元 博伊尔和史密斯发明了半导体成像器件 电荷耦合器件 CCD 图像传感器 将分享今年物理学奖另一半奖金 光纤之父 高锟 9 二十世纪七十年代 人们把材料与能源和信息并列 称作现代文明的三大支柱之一 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 10 中华民族在人类历史上为材料的发展和应用作出过重大贡献 早在公元前6000 5000年的新石器时代 中华民族的先人就能用黏土烧制成陶器 到东汉时期又出现了瓷器 并流传海外 11 4000年前的夏朝我们的祖先已经能够炼铜 到殷 商时期 我国的青铜冶炼和铸造技术已达到很高水平 司母戊鼎河南安阳晚商遗址出土青铜铸造高133厘米重875kg饰纹优美 12 越王勾践剑 春秋晚期越国青铜兵器出土于湖北江陵楚墓长55 7厘米剑锷锋芒犀利锋能割断头发 13 古代剑刃制造中的特殊技术 14 黄石铜矿遗址春秋晚期矿井深达50m炼铜炉渣多达40万吨实属罕见 15 我国从春秋战国时期便开始大量使用铁器 明朝科学家宋应星在 天工开物 一书中就记载了古代的渗碳热处理等工艺 这说明早在欧洲工业革命之前 我国在金属材料及热处理方面就已经有了较高的成就 16 新中国成立后 先后建起了鞍山 攀枝花 宝钢等大型钢铁基地 钢产量由49年的15 8万吨上升到现在的一亿吨 17 原子弹 氢弹的爆炸 卫星 飞船的上天等都说明了我国在材料的开发 研究及应用等方面有了飞跃的发展 18 图航天飞机 19 图磁悬浮列车 20 图复合材料 21 国家大剧院设计图 顶部采用纳米材料制造 22 新材料产业 十二五 发展规划 我国新材料产业总体发展水平仍与发达国家有较大差距 产业发展面临一些亟待解决的问题 主要表现在 1 新材料自主开发能力薄弱 大型材料企业创新动力不强 关键新材料保障能力不足 2 产学研用相互脱节 产业链条短 新材料推广应用困难 产业发展模式不完善 3 新材料产业缺乏统筹规划和政策引导 研发投入少且分散 基础管理工作比较薄弱 23 发达国家高度重视新材料产业的培育和发展 1 发达国家高度重视新材料产业的培育和发展 具有完善的技术开发和风险投资机制 2 大型跨国公司以其技术研发 资金 人才和专利等优势 在高技术含量 高附加值新材料产品中占据主导地位 24 战略性新兴产业对部分新材料的需求预测 1 新能源 十二五 期间 我国风电新增装机6000万千瓦以上 建成太阳能电站1000万千瓦以上 核电运行装机达到4000万千瓦 预计共需要稀土永磁材料4万吨 高性能玻璃纤维50万吨 高性能树脂材料90万吨 多晶硅8万吨 低铁绒面压延玻璃6000万平方米 需要核电用钢7万吨 年 核级锆材1200吨 年 锆及锆合金铸锭2000吨 年 25 2 节能和新能源汽车2015年 新能源汽车累计产销量将超过50万辆 需要能量型动力电池模块150亿瓦时 年 功率型30亿瓦时 年 电池隔膜1亿平方米 年 六氟磷酸锂电解质盐1000吨 年 正极材料1万吨 年 碳基负极材料4000吨 年 乘用车需求超过1200万辆 需要铝合金板材约17万吨 年 镁合金10万吨 年 26 3 高端装备制造 十二五 期间 航空航天 轨道交通 海洋工程等高端装备制造业 预计需要各类轴承钢180万吨 年 油船耐腐蚀合金钢100万吨 年 轨道交通大规格铝合金型材4万吨 年 高精度可转位硬质合金切削工具材料5000吨 到2020年 大型客机等航空航天产业发展需要高性能铝材10万吨 年 碳纤维及其复合材料应用比重将大幅增加 27 4 新一代信息技术预计到2015年 需要8英寸硅单晶抛光片约800万片 年 12英寸硅单晶抛光片480万片 年 平板显示玻璃基板约1亿平方米 年 TFT混合液晶材料400吨 年 28 5 节能环保 十二五 期间 稀土三基色荧光灯年产量将超过30亿只 需要稀土荧光粉约1万吨 年 新型墙体材料需求将超过230亿平方米 年 保温材料产值将达1200亿元 年 火电烟气脱硝催化剂及载体需求将达到40亿元 年 耐高温 耐腐蚀袋式除尘滤材和水处理膜材料等市场需求将大幅增长 29 30 31 建造中的Titanic号 可以看到船身上长长的焊缝 Titanic的沉没是必然还是偶然 32 Titanic号钢板 左图 和近代船用钢板 右图 的冲击试验结果 Titanic的沉没是必然还是偶然 33 1863年 光学显微镜首次应用于金属研究 诞生了金相学 使人们能够将材料的宏观性能与微观组织联系起来 人类对材料的认识是逐步深入的 34 1912年发现了X 射线对晶体的作用并在随后被用于晶体衍射分析 使人们对固体材料微观结构的认识从最初的假想到科学的现实 Si表面的重构图象 35 1932年发明了电子显微镜 把人们带到了微观世界的更深层次 10 7m 36 1934年位错理论的提出 解决了晶体理论计算强度与实验测得的实际强度之间存在的巨大差别的矛盾 对于人们认识材料的力学性能及设计高强度材料具有划时代的意义 金属钛中的位错 37 2 材料科学 主要研究内容 研究材料的化学组成 结构与性能的关系 研究材料的形成机理和制取方法 研究材料物理性能的测试方法和技术 分析材料的损坏机理 研究材料的合理加工方法和最佳使用方案 材料科学是以材料为研究对象的一门科学 挑战者号爆炸瞬间 38 二 材料的分类 按组成与结合键分 1 金属材料2 高分子材料3 陶瓷材料4 复合材料 39 金属材料 以金属键结合为主良好的导电性 导热性 延展性和金属光泽用量最大 应用最广泛 40 铁及铁合金称为黑色金属 即钢铁材料 其世界年产量已达10亿吨 在机械产品中的用量已占整个用材的60 以上 41 金属材料制品 42 陶瓷材料 以共价键和离子键为主熔点高 硬度高 耐腐蚀 脆性大分为传统陶瓷 特种陶瓷和金属陶瓷三类 43 传统陶瓷又称普通陶瓷 是以天然材料 如黏土 石英 长石等 为原料的陶瓷 主要用作建筑材料使用 特种陶瓷又称精细陶瓷 是以人工合成材料为原料的陶瓷 常用作工程上的耐热 耐蚀 耐磨零件 44 高分子材料 以分子键和共价键为主塑性 耐蚀性 电绝缘性 减振性好 密度小包括塑料 橡胶及合成纤维等 45 高分子材料在机械 电气 纺织 汽车 飞机 轮船等制造工业和化学 交通运输 航空航天等工业中被广泛应用 烯丙酰氯 苯乙烯 46 复合材料 包括 金属基复合材料陶瓷基复合材料高分子复合材料 是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料 玻璃纤维增强高分子复合材料 47 现代航空发动机燃烧室温度最高的材料就是通过粉末冶金法制备的氧化物粒子弥散强化的镍基合金复合材料 很多高级游艇 赛艇及体育器械等是由碳纤维复合材料制成的 它们具有重量轻 弹性好 强度高等优点 48 Properties MechanicalAndFunctional Processing Synthesis Andphasetransformation Structureandcharacterization TheoryandModeling 49 50 材料科学与工程及其与其他学科的关系 SmithWF FoundationsofMaterialsScienceandEngineering McGRAW HILL 3 E 51 举例1金刚石 钻石 和石墨 都是由碳原子组成 但前者是自然界中最坚硬的固体 而后者却很软 因晶体结构不同 举例2同样长的一段铁丝和钢丝 经弯曲后发现铁丝易弯曲 而钢丝不易弯曲 即塑性不同 因两者成分不同 举例3两根锯条 同时加热 800 然后一根水冷 一根空冷 用手折时 发现前者很脆 后者很韧 因组织不同 举例4若断开一根铁丝 可反复弯曲 在应变处发热 变硬 脆 断 因塑性变形 52 作为一名工程师 学习如何选择和应用金属材料的一般原理 即金属材料的内部结构及对性能的影响 只有掌握金属材料科学的基础理论和知识 材料对任一种金属材料进行研究和应用 课程的主线 纲 金属材料的性能与化学成分 相结构 组织结构之间的关系及其在各种条件下的变化规律 材料科学基础的应用价值 53 教学目的与要求 1掌握材料科学研究的内容及其要素之间的逻辑关系 2了解材料发展的现状与发展趋势 3了解本课程的学习方法 4为后续专业课打下牢固的基础 同时为将来从事材料的研究与开发打下坚实的理论基础 54 课程性质专业基础课 考研需要 研究对象 金属材料先修课程要求 物理化学