第1章-材料科学与工程概述

思考题,1、材料科学与材料工程研究的对象有何异同？2、为什么材料是人类赖以生存和发展的物质基础？3、为什么材料是科学技术进步的先导？4、材料的制备技术或方法主要有哪些？5、材料的加工技术主要包括哪些内容？,思考题,6、进行材料设计时应考虑哪些因素？7、在材料选择和应用时，应考虑哪些因素？8、简述金属、陶瓷和高分子材料的主要加工方法。9、材料设计包括哪几个层次？进行材料设计时应遵循哪些原则？10、如何区分传统材料与先进材料？,思考题,11、钢铁材料是如何分类的？其主要发展趋势？12、有色金属材料分为哪些类别？各有何特点？13、化工材料主要有哪些？14、建筑材料有何特点？15、电子信息材料主要有哪些？其发展特点？,思考题,16、航空航天材料的性能特点如何？17、先进陶瓷材料如何分类？各有何特点？18、什么是复合材料？如何设计和制备复合材料？19、新能源材料有哪些？各有何特点？20、超导材料的三个临界参数是什么？如何区分低温超导与高温超导？,思考题,21、纳米材料与纳米技术的异同？它们对科技发展的作用？22、生物医用材料有哪些？应具备什么特性？23、什么是生态环境材料？如何对其生命周期进行评价？,材料是人类赖以生存和发展的物质基础信息、材料、能源当代文明的三大支柱(20世纪70年代)新材料、信息技术、生物技术新技术革命的重要标志（80年代）战略性新兴产业：节能环保、新一代信息技术、生物、高端装备制造、新能源、新材料、新能源汽车、文化创意（湖南）（2010年代）材料分类：理化属性：金属、无机非金属、高分子、复合材料用途：电子、航天航空、建筑、核、能源、生物等功能属性：结构、功能（一体化）年代属性：传统、新型（相互转化）新型材料：新出现或正发展中具有优异性能的材料；高技术发展需要、具有特殊性能的材料；采用新技术（工艺、装备）明显提高了性能或出现新功能的材料,1-1材料科学与工程概述,材料是人类社会进步的里程碑一百万年前（旧石器时代）由猿进化为原始人，直立，使用工具一万年前（新石器时代）熟食，皮毛遮身，发明陶器、丝绸、青铜器3000年前：出现铁器，炼铁技术逐步推广2000年前：开始炼钢，刀剑等兵器快速发展18世纪：发明蒸汽机，工业革命19世纪：发明电动机，研制出特种钢材，进入现代物质文明时代20世纪：发明人造丝（合成纤维）、电子管、晶体管，计算机等，进入科技快速发展的年代。21世纪：纳米材料，光计算机，,1-1材料科学与工程概述,先进材料是社会现代化的先导科技发展社会进步材料是基础、是先导电子材料电子技术自动控制智能机器人光导纤维光纤通讯信息产业互联网宇航材料航天技术卫星通讯GPS定位纳米材料纳米技术传统材料性能提升节能减排可持续发展,1-1材料科学与工程概述,材料科学：表征和发现材料的基本属性（结构、性能）材料工程：研究材料的制备与加工技术进行材料剪裁和设计材料制备技术：从气态、从液态、从固态制备材料材料加工技术：材料成型、材料加工、材料改性材料设计：材料复合（剪裁）、材料结构或功能设计,1-1材料科学与工程概述,1-2材料制备工艺与技术从气态制备材料：物理气相沉积（PVD）化学气相沉积（CVD）从液态制备材料：铸造、注浆、注塑、熔融纺丝、凝胶注模、溶胶凝胶、溶液沉淀、聚合、从固态制备材料：固相合成、粉末冶金、陶瓷烧结,1-2材料制备工艺与技术新材料从科研到应用：产业化制备工艺与技术突破成功：分子束外延，纳米技术，停滞：高温超导，C60，材料应用：性能，寿命，可靠性，环境适应性，价格。在工艺性能价格上找到平衡点。先进材料推动高科技产业：纳米材料电子信息产业，敏感材料遥感测控，新能源材料新能源，生物材料生物工程，环境材料环境工程,1-3材料的加工技术金属：煅造、退火、回火、淬火等热处理车、刨、镗、磨等加工，焊接陶瓷：切割研磨、抛光、腐蚀、金属化等玻璃：钢化、刻蚀、抛光、吹拉加工等聚合物：热塑焊接、热塑加工等,1-4材料设计量子设计：最基础，基于电子运动，光学性能原子设计：基于原子操纵的纳米技术，实用化微观设计：微米级结构设计，相变，晶界控制宏观设计：毫米以上尺度，产品及宏观性能材料设计：涉及材料科学、材料工程，需数学、物理、化学、材料学知识，建模十分复杂，计算量大，需理论与实验相结合。,1-5基础材料与新材料概述1-5-1钢铁材料分类：铁、铁合金、非合金钢、低合金钢、合金钢、高合金钢，还可按用途、冶炼方法、材型、碳含量分类。产业现状：2012年我国大陆粗钢产量7.16亿吨，占全球的15.48亿吨的46%。加上台湾的钢产量，约占50%。宝钢4374万吨，销售收入2856亿元，利润112亿元。存在问题：中低档钢多，高性能钢少，能耗高，需结构调整发展趋势：高洁净度，超细晶，高均匀性，微合金化,1-5-2有色金属材料分类：黑色金属：铁、铬、锰及其合金，其他64种金属及其合金均为有色金属。重有色金属（4.5g/cm3，铜、铅锌、镍、钴、锡、汞、镉、铋)；轻有色金属（铝、镁、钛、钠、钾、钙、锶、钡）；贵金属（金、银、铂族）；稀有金属（丰度0.01%，稀有轻金属：铍、锂、伽、铯；难熔金属：锆、铪、钒、钼、铌、钨；稀散金属：镓、铟、铊、锗、铼、硒、碲；稀土金属：钪、钇和镧系共17种；放射性金属：钫、镭、锕、钍、镤、铀）；半金属（硼、硅、砷、碲）,1-5-2有色金属材料产业现状：2002年以来，我国10种常用有色金属（铝、铜、镁、钛、锌、锡、锑、铅、钨、钼）产量稳居世界第一。2003年1205万吨，2012年为3696万吨。发展趋势：高性能、高效益、高质量、低成本、低能耗、低环境污染，可持续发展。,1-5-3化工材料分类：主要是高分子材料，包括：天然高分子：棉、麻、木、丝、天然橡胶；半合成高分子：硫化橡胶、醋酸纤维、粘胶纤维；合成高分子：聚乙烯、聚丙烯、尼龙、聚酰亚胺、环氧树脂等塑料：即合成树脂，分热塑性和热固性。橡胶：弹性体，分天然橡胶和合成橡胶。纤维：天然纤维和合成纤维。涂料：由成膜物质、颜料、填料、助剂、功能组分及分散介质组成，分水性和溶剂性。胶粘剂：热塑性和热固性，组成：树脂、固化剂、增韧剂、填料、溶剂功能高分子：高分子试剂、催化剂、药物、导电高分子等,1-5-3化工材料产业现状：2003年我国三大合成材料总产量1069万吨，进入世界前三位，2010年超过3000万吨，成世界第一。涂料、胶粘剂、催化材料、微电子化工材料、新型化工材料发展迅速。发展趋势：调整产品结构，提高产品质量，解决瓶颈技术问题，增加产品牌号，增强市场竞争力。,1-5-4建筑材料分类：涉及金属、无机非金属、高分子、复合材料，用量最大。水泥及其制品：通用、专用、特种水泥；硅酸盐、铝酸盐、矿渣水泥建筑玻璃：平板玻璃（真空、隔音、隔热、透光、多色）建筑卫生陶瓷：外墙砖、内墙砖、地砖、瓦、广场砖、卫生洁具（便器、面盆等）金属材料：建筑钢材（钢筋、结构钢）、有色金属门窗及装饰材料等。高分子材料：给排水塑料管、涂料、密封防水材料等。非金属矿物材料：墙体材料、隔热保温材料、装饰材料（如石膏制品）。建筑涂料：内墙涂料、外墙涂料、家具涂料等。天然建材：木材，石材，芦草等复合建材：塑钢门窗、玻璃钢、搪瓷制品等,1-5-4建筑材料产业现状：主要建材产品产量均为世界第一，是建材生产大国，但不是强国。建材属于“三高一低”产品：高资耗、高能耗、高污染、低附加值。发展趋势：淘汰落后产能，提高劳动生产率，降低生产能耗，加强环境保护，提高产品附加值。,1-5-5电子信息材料分类：指在微电子技术、光电子技术和新型电子元器件生产中所用的材料，包括微电子材料、光电子材料、电子陶瓷、电池材料等，如各种半导体、芯片材料、基片材料、光刻材料、连线或引线、封装材料等。产业现状：年年有更新，35年换代，58年性能提高一个数量级。产业与国外差距510年，主要是原料基础差，装备水平较低，产业规模小，产品质量可靠性差。发展趋势：在新型电子材料开发方面加强研发，建立高品质电子信息材料的产业化基地，通过引进消化吸收再创新培育一批龙头骨干企业。,1-5-6航空航天材料分类：指用于飞机、火箭、导弹、卫星制造的关键材料，要求具有高性能、高可靠性、高比强度、高比刚度、高比容重等，需耐受超高温、超低温、高真空、高辐射、高应力等极端苛刻环境。航空材料：高强铝合金（机身等）、钛合金（发动机）、高强度钢（起落架）、C/C（刹车）、树脂基复合材料（座椅、内饰）、隐身涂料（战机），陶瓷基复合材料（燃烧室）。航天材料：C/C复合材料，Cf/SiC复合材料，C/环氧复合材料，高性能铝合金（铝-锂合金），耐烧蚀材料，超高温材料等。太空反射镜、太阳能电池材料等。,1-5-7先进陶瓷材料先进陶瓷：为满足现代科学技术和工业应用需求而开发的各种新型陶瓷的总称，亦称：特种陶瓷、现代陶瓷、精细陶瓷、工程陶瓷、高技术陶瓷等。结构陶瓷：利用陶瓷材料耐高温、耐磨、耐腐蚀等特性。如氧化铝、氧化锆、碳化硅、氮化硅等。功能陶瓷：利用陶瓷材料特殊的电、热、光、敏感、生物等功能特性，如高温超导陶瓷、高导热陶瓷、绝热陶瓷、压电陶瓷、光电陶瓷、光导纤维、电子陶瓷、生物陶瓷等。,1-5-8先进复合材料复合材料：将两种或两种以上不同特性的材料通过特定的制备工艺进行复合而取得性能互补的新型材料。可分为树脂基、陶瓷基、金属基复合材料。结构复合材料：聚合物基（聚酯、环氧树脂）：玻纤、碳纤、Kevlar纤维，拉伸强度：1000MPa。金属基（铝、镁、钛）：硼纤、碳纤、SiCf、SiCw、SiCp，拉伸强度：400MPa。陶瓷基（玻璃、陶瓷）：Cf、SiCf、SiCw、SiCp、Al2O3等。功能复合材料：利用复合材料的电学、磁学、光学、热学、生物等功能，如压电复合材料、导电高分子复合材料、隐身材料、耐烧蚀材料等。,1-5-9新能源材料二次电池材料：可充式电池，主要有铅酸、镍镉、镍氢、锂离子电池，材料包括正极、负极、隔膜、电解质。Ni/MH：正：Ni(OH)2，泡沫镍，负：LaNi5H6,锂离子：正：LiCoO2，LiMn2O4，LiFePO4,负：C燃料电池材料：质子交换膜型（PEMFC）、熔融碳酸盐型（MCFC）、固体氧化物型（SOFC）。太阳能电池材料：单晶硅、多晶硅、非晶硅薄膜、GaAs型、颜料敏化柔性等。核能材料：核裂变（U-235或Pu-239)：核聚变（氘和氚）,临界温度Tc：材料出现超导特性的最高温度金属超导材料：Nb3Ge的Tc:23.2K陶瓷超导材料：Tl2Ca2Ba2Cu3O10:125K临界磁场Hc：破坏超导态的最小磁场强度Hc=Hc0(1-T2/Tc2)(TTc)迈斯纳效应：材料处于超导态，外加磁场的磁通全部排出体外。临界电流Ic：超导态允许流动的最大电流Ic=1/2aHca超导线的半径,超导体的迈斯纳效应,1-5-10超导材料,元素超导体超导性金属元素：28种,Nb的Tc最高，为9.24K，实用价值不大过渡族18：Ti,V,Zr,Nb,Mo,Ta,W,Re非过渡族10种：Bi,Al,Sn,Cd,Pb合金超导体,从金属超导到陶瓷超导的飞跃1911年Hg：4.2K1986年Nb3Ge:23.2K75年19K1986年4月LaBaCuO:35K/13K瑞士IBM,缪勒、柏诺兹1986.12.15LaBaCuO:40.2K美国休斯敦朱经武1986.12.26SrLaCuO:48.6K中国物理所赵忠贤1987.2.16YBaCuO:92K美国休斯敦朱经武1987.2.24YBaCuO:100K/78.5K中国物理所赵忠贤1989TlBaCuO:120K1987年10月14日，诺贝尔物理学奖授予柏诺兹和朱经武,1-5-11纳米材料纳米材料：主要指结构尺寸在1100nm范围内的材料，包括单晶、非晶、准晶，也可以是零维、一维、二维、三维。,1-5-12生物医用材料特点：生物相容性、抗血栓、耐蚀性、灭菌性、耐久性等。分类：医用金属和合金、医用高分子、生物陶瓷、生物衍生（加工）材料、生物医用复合材料，也可分为生物惰性材料、生物活性材料、可降解生物材料。主要产品：人工心瓣膜、人造血管、支架；人工关节、人工骨、假牙；人工乳房、皮肤等整形材料；血液透析（过滤分离）材料；计划生育材料；药物控释材料（生物导弹）；临床诊断