材料科学基础B绪论

绪论,姚宝殿材料工程学院,办公室：行政楼1615室，电话：67791474Email:yaobd,材料科学基础B,内容,1、材料2、材料科学3、材料科学基础课程的性质及学习方法4、教学安排与考核,1、材料1.1什么是材料?1.2材料的种类,材料与人类文明,1.1什么是材料？,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。,材料是人类生产和生活所必须的物质基础。,七个时代造就材料辉煌,石器时代,青铜器时代,铁器时代,水泥时代,钢时代,硅时代,新材料时代,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。,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,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。,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。,在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片,没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤通讯。,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。,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。,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,前苏联在1957年把第一颗人造卫星送入太空，令美国人震惊不已，认识到在导弹火箭技术上落后了。因此在其后的十年里，在十多所大学中陆续建立了材料科学研究中心，并把约2/3大学的冶金系或矿冶系改建成了冶金材料科学系或材料科学与工程系。其涉及的材料由金属扩展到了陶瓷和高分子聚合物材料。可见，高技术需要先进材料的支持。,前苏联第一颗人造卫星及其运载火箭,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60005000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。,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,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,古代剑刃制造中的特殊技术,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,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。,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。,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。,中国的航天事业-“神舟”号飞船,中国的航天事业-“神舟”号飞船,中国的航天事业-“神舟”五号载人飞船,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。,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,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）,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,1.2材料分类,按化学组成(或结合键）分类：根据材料的性能分类：功能材料，结构材料按服役的领域来分类：信息材料、航空航天材料、能源材料、生物医用材料等按结晶状态分类：晶体(单晶和多晶），准晶，非晶按材料的尺寸分类：纳米材料，块体材料,按物理性质可分为：导电材料、绝缘材料、半导体材料、磁性材料、透光材料、高强度材料、高温材料、超硬材料等。按物理效应分为：压电材料、热电材料、铁电材料、非线性光学材料、磁光材料、电光材料、声光材料、激光材料等。按用途分为：电子材料、电工材料、光学材料、感光材料、耐酸材料、研磨材料、耐火材料、建筑材料、结构材料、包装材料等。,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,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,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。,金属材料制品,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,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。,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,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,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,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。,材料科学研究各种材料的组成、结构、制备加工工艺与性能之间关系的科学材料工程目的在于经济地而又能为社会所能接受地控制材料地结构、性能和形状,2.材料科学,组成-结构-性质-工艺过程之间关系示意图,材料的四要素：,四个层次：,结合键,原子,显微组织,材料的组成和结构,原子排列方式,组成指构成材料物质的原子、分子及其分布；元素组成（element)相组成（phase）结构则指组成原子、分子在不同层次上彼此结合的形式、状态和空间分布，包括原子与电子结构、分子结构、晶体结构、相结构、晶粒结构等。,材料科学是一个跨物理、化学等的学科。材料科学的核心问题是材料的结构(Structure)和性能(Property)以及它们之间的关系。所以，先要了解结构是什么？,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,挑战者号爆炸瞬间,2.材料科学,化学组成,结构,性能,决定,决定,材料科学的研究方法基本思路：,工艺,影响,材料科学与工程,科学方面偏重于研究材料的合成与制备、组成与结构、性能与使用效能各组员本身及其相互间关系的规律；,工程方面着重与研究如何利用这些规律性的研究成果以新的或更有效的方式开发并生产出材料，提高材料的使用效能，以满足社会的需要。,工程研究中还应包括材料制备与表征所需的仪器、设备的设计与制造。在材料科学与工程的发展中，科学与工程彼此密切结合，构成一个学科整体。,3.课程的性质及学习方法,本课程的基本特点是基本概念多，定性描述多，这与我们在前面学的数学，物理等课程有所区别。希望大家在学习时一定要弄懂、吃透基本概念及基本理论。要在理解的基础上记忆。此外，这门课程的实践性很强，与生产实际较为紧密。因此在学习时，大家要注意理论联系实际。特别要重视实验课的学习,以巩固和深化对基本理论的理解。,4.教学安排96学时，课堂授课82学时，实验12学时（5次实验课）,2学时习题课。考核方式：考试平时30，（包括出勤，上课纪律，回答问题，实验报告情况，平时作业等）期终笔试考核70,教材及参考书1.教材：材料科