材料科学导论-绪论

,材料科学导论IntroductiontoMaterialsScience,1,2,1材料的定义与分类,2材料与社会发展,3材料科学的研究内容,4材料科学与工程,材料的定义与分类,3,发动机,底盘,铸铁铝合金钛合金镁合金陶瓷等,车身,钢板铝合金工程塑料碳纤维复合材料等,钢材铝合金增强纤维陶瓷等,塑料橡胶玻璃涂料等,内外装饰件,材料的定义与分类,4,车体,转向架,轮轨系统,车辆内装,材料的定义与分类,5,6,材料是人类用于制造机器、工具、构件和产品等有用的固态物质。,什么是材料？,材料的定义与分类,材料的定义与分类,03,04,05,服役领域,结晶状态,应用发展,7,材料与社会发展,公元前10万年,公元前1000年,公元19世纪,1950年代,石器时代,铁器时代,钢铁时代,硅时代,1990年代,新材料时代,材料发展史即人类史,8,石器时代,燧石：神奇的石头,人面鱼纹彩陶盆,裴李岗文化锯齿石镰,9,BC1450铁制车轮,AD1500廉价的冶铁业,铁器时代,“中华第一剑”,10,钢铁时代,1850年代贝西默炼钢法人类最伟大50项发明之一,1875，全世界生铁产量为1400万吨，钢产量190万吨1913，全世界生铁产量8000万吨，钢产量7650万吨19501974，发展了氧气顶吹转炉炼钢和连续铸钢技术、带钢热连轧机和冷连轧机，钢铁生产能力提高。全世界生铁产量为5.05亿吨，钢产量7.10亿吨2016年，全球钢铁产量超过16亿吨,11,硅时代,1947第一个锗晶体管1956年Nobel物理奖,1958年第一块锗集成电路2000年Nobel物理奖,1952年直拉法硅单晶,1953年区熔法硅单晶,从沙子到芯片,12,新材料时代,21世纪是以新材料为重要基础的知识经济时代，谁掌握了最先进的材料，谁就能在高技术及其产业的发展上占有主动权。,当前全球经济进入战略转型期。美国、欧洲、日本等国家纷纷制定“新发展战略”，大力培育和发展新能源、生物、新一代信息技术等新兴产业，努力抢占新一轮经济繁荣期制高点。,13,美国的全面领先战略：重视信息技术、生物技术、航天技术、核能技术、氢能技术、甲烷市场化伙伴计划、纳米技术、先进制造技术等.,俄罗斯将新材料与化学工艺列为9个优先发展方向，重点发展陶瓷和玻璃、膜技术、特种合金、超导技术、微型冶金生产技术等,日本04年发布“新产业创造”战略，率先发展燃料电池、信息家电、机器人等技术产业,“中国制造2025”重点发展的十大领域：新一代信息技术产业、高档数控机床和机器人、航空航天装备、海洋工程装备及高技术船舶、先进轨道交通装备、节能与新能源汽车、电力装备、农机装备、新材料、生物医药及高性能医疗器械,韩国的国际争先战略：重点发展微电子、机械制造、先进材料、精细化工、能源及生命科学等,欧盟的前沿技术发展战略：重视信息技术、航天技术、生命科学、氢能源和燃料电池技术、纳米科技等,七大战略新兴产业:节能环保、新兴信息产业、生物产业、新能源、新能源汽车、高端装备制造业和新材料,14,材料与社会发展,材料是现代文明的支撑,新材料技术,信息,能源,材料,信息技术,新能源技术,生物技术,15,材料与社会发展,材料是现代文明的支撑,Titanic的沉没是必然还是偶然？,尴尬的泳衣,16,MoreThanSkin,材料与社会发展,一件材料足以影响人类文明进程,玻璃为什么是透明的玻璃与玻璃态,材料改变生活方式,17,美国F-35战斗机机体、发动机均采用钛合金制造,国产歼11B战斗机机体采用钛合金比例达到15,18,航空用钛合金,飞机发动机桨叶采用钛合金和碳纤维复合材料，以抵抗高温腐蚀,19,20,中国航空发动机材料重大突破寿命优于美国12个数量级,认识：材料的性质,材料科学的研究内容,材料性质：是功能特性和效用的描述符，是材料对电.磁.光.热.机械载荷的反应。,力学性质,物理性质,化学性质,赋予了材料的价值和应用性,外涂吸波材料的隐形飞机,看是看不出名堂的,21,认识：材料的化学组成,材料科学的研究内容,FCC,C,B,金银铜的原子都是这么堆砌的,同样是FCC结构，金不锈，铜就生锈，为什么？,A,22,认识：材料的晶体结构,材料科学的研究内容,同样是碳，金刚石和石墨的价格差多少？,23,金刚石,石墨,金刚石结构,石墨结构,认识：材料的电子结构,材料科学的研究内容,Eg=5.5eV,Eg=1.12eV,24,图2导体，半导体，绝缘体的能级结构,图1能带的形成,认识：材料的组织结构,材料科学的研究内容,飞蛾的眼部结构,飞蛾复眼的微米-纳米双重结构(a)-(e),(a),(b),(c),(d),(e),(f),25,显示器减反效果,人造复眼结构(f),材料科学的研究内容,认识：材料的性质与结构,晶体结构,组织结构,化学成分,电子结构,结构决定性质,26,材料科学的研究内容,创造：新材料,热缩冷胀材料,27,Invar解释Fe-Fe磁交换中饱和磁化强度的改变,Invar合金,水,材料科学的研究内容,创造：新材料,热缩冷胀材料,28,ThesecanbedescribedasvibrationsinwhichtheconstituentZrO6octahedraandWO4tetrahedraofZrW2O8areundistorted.ManyofthesemodeshaveanegativeGruneisenparameterandthustendtocauseacontractionofthestructurewhenpopulated.Thesearelowenergymodesandthusremainpopulatedevenatverylowtemperatures.,ZrW2O8锆酸钨,材料科学的研究内容,创造：新材料,拉胀材料,29,世界上最光滑的材料BAM,材料科学的研究内容,创造：新材料,30,淀粉液,防弹衣,剪切增稠原理,材料科学的研究内容,创造：新材料,泡泡和泡沫材料,开尔文猜想,31,洗涤剂泡泡,泡沫金属,泡沫塑料,材料科学的研究内容,创造：新材料,超疏水材料,32,荷叶及其微观结构,牢固的超疏水材料,材料科学的研究内容,创造：新材料,33,金属氢,金刚石对顶砧实验示意图,试验装置,不同压力下的氢,材料科学的研究内容,创造：新材料,左手材料Left-HandedMaterials,RHM(0,0)右手关系,LHM(0,0)左手关系,a.RHM普通折射b.LHM负折射,2020/6/7,34,材料科学的研究内容,创造：新材料,35,隐身衣原理及实物展示,金和硅蚀刻的左手材料元件,哈利波特与隐身衣,材料科学与工程,36,量子力学、固体物理、无机化学、有机化学、物理化学等基础学科的发展为材料科学奠定了重要基础。现代分析技术和设备的更新，加深了对物质结构和物理化学性质的理解。冶金学、金属学、陶瓷学、高分子科学等自身的发展也使对材料的本质认识大大系统化（组成-制备-结构-性能的关系），为学科发展打下坚实的基础。,基础学科发展奠定材料科学的基础,材料科学与工程,Physics,Chemistry,Engineering,Mathematics,Forunderstanding,measurementtesting,making,characterization,etc.,MaterialsScienceisaJointAdventure,Forprocessing,actualization,application,etc,Fordesign,makingandprocessing,Forformulation,processingcomputationandunderstanding,37,材料科学与工程,材料学科的演变与发展欧美国家,38,材料科学与工程,材料学科的演变与发展中国,39,材料科学与工程,40,材料科学与工程百科全书对材料科学与工程下的定义材料科学与工程就是研究有关材料组成、结构、制备工艺流程与材料性能和用途的关系的知识的产生及其作用。换言之，材料科学与工程是研究材料组成、结构、生产过程、材料性能与使用效能以及它们之间的关系。因而把组成与结构（composition-structure）、合成与生产过程（synthesis-processing）、性质（properties）及使用效能（performance）称之为材料科学与工程的四个基本要素。,材料科学与工程,41,材料科学与工程四要素,效能,合成/制备,性质,结构/成分,材料科学与工程,42,合成与制备,合成主要指促使原子、分子结合而构成材料的化学与物理过程。既包括有关寻找新合成方法的科学问题、也包括以适用的数量和形态合成材料的技术问题；既包括新材料的合成,也应包括已有材料的新合成方法及其新形态的合成。制备主要指材料在宏观尺度上加工、处理、装配和制造等一系列过程，使之具有所需的性质和使用效能。合成与制备是提高材料质量、降低生产成本和提高经济效益的关键,也是开发新材料、新器件的中心环节。,材料科学与工程,43,组成和结构,组成指构成材料物质的原子、分子及其分布;除主要组成以外,杂质及对材料结构与性能有重要影响的微量添加物亦不能忽略。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、表面与界面结构、缺陷结构等；材料的组成与结构是材料科学与工程的基本研究内容,它们指导材料的合成与制备,决定材料的性能和使用效能。,材料科学与工程,44,性质,性质指材料固有的物理、化学特性,也是确定材料用途的依据。广义地说,性质是材料在一定的条件下对外部作用的反应的定量表述。例如,对外力作用的反应为力学性质,对外电场作用的反应为电学性质,对光波作用的反应为光学性质等等。,材料科学与工程,45,使用效能,使用效能是材料以特定产品形式在使用条件下所表现的效能。它是材料的固有性性质、产品设计、使用环境和效益的综合表现,通常以寿命、效率、可靠性、效益及成本等指标衡量。因此与工程设计及生产制造过程密切相关,不仅有宏观的工程问题,还包括复杂的材料科学问题。例如,材料部件的损毁过程和可靠性往往涉及在特定的温度、气氛、应力和疲劳环境厂材料中的缺陷形成和裂纹扩展的微观机理。材料的使用效能是材料科学与工程所追求的最终目标，在很大程度上代表学科的发展水平。,材料科学与工程,多学科交叉。它是物理学、化学、冶金学、金属学、陶瓷学、高分子化学及计算科学相互融合和交叉的结果；与实际使用结合非常紧密的科学。发展材料科学的目的在于开发新材料，提高材料的性能和质量，合理使用材料，同时降低材料成本和减少污染；材料科学是一个正在发展中的科学。不像物理学、化学已有很成熟的体系，它将随着各有关学科的发展而得到充实和发展。,46,47,教学内容,第一章材料科学基本研究内容材料制备科学材料结构与性能材料研究方法与手段,第二章结构材料简介金属