《材料概论第》课件

1、材料概论第PPT课件材料概论第PPT课件2022/9/212目的、内容： 1. Course Objective. Introduce fundamental concepts in Materials Science &. Engineering2. You will learn about: material structure how structure dictates properties how processing can change structure3. This course will help you to: general understanding of mater

2、ials properlyDJTU Materials Science & Engineering2022/9/214目的、内容： 1. Course Obj2022/9/213课程背景（课改）1）参照国外材料学科教学经验，专业课前移；2）部分采用国外课件，了解国外教学内容、方法；3）部分课件采用英文表述方法，便于将来学术交流；4）根据情况，对部分教材内容进行适当调整；5）预先建立完整材料学概念，提高后续基础与专业课主动性、目的性。2022/9/215课程背景（课改）1）参照国外材料学科教学2022/9/214Required textbook:材料概论，徐晓虹主编，高等教育出版社，普通高等教

3、育“十五”国家级规划教材，2006。References:1）Materials Science and Engineering: An Introduction W.D. Callister, Jr., 7th edition, John Wiley and Sons, Inc. (2007). 2）Essentials of Mterials Science and Engineering，(材料科学与工程基础），4th edition, Donald R. Ashkeland, Pradeep P. Phule, 清华大学出版社，2005。COURSE MATERIALS2022/9/2

4、16Required textbook:CO2022/9/215平时成绩 20%，笔记、听课纪律；考核成绩80%（课程结束时）；考勤，不定期点名。DJTU Materials Science & Engineering成绩考核： Contact E-mails: Si Wei: Gao Hong: 2022/9/217平时成绩 20%，笔记、听课纪律；DJ2022/9/2161.1 材料科学与工程的内容1.2 材料的定义与分类1.3 材料的键合与性能1.4 材料的应用DJTU Materials Science & Engineering本次课主要内容:1 材料科学与工程概况2022/9/21

5、81.1 材料科学与工程的内容DJTU 2022/9/2172022/9/2192022/9/218DJTU Materials Science & Engineering1.1 材料科学与工程的发展史10,000 BC5,000 BC1,000 BCCeramics芳纶纤维2022/9/2110DJTU Materials Scie2022/9/219DJTU Materials Science & Engineering2022/9/2111DJTU Materials Scie2022/9/2110Firestone 燧石 2,500,000-5,000 BCFirst melting

6、fresco壁画In Egypt 3,500 BC Bronze Age 2,000 BC First Casting of Cu4,000 BC Natural Au &. Cu5,500 BC Pottery 陶器 10,000 BCDJTU Materials Science & Engineering2022/9/2112Firestone 燧石 First 2022/9/2111Bessemer, Steel 1855 AD Earliest iron-product1,000BC-1450 AD Electrochemical, Al 1886 ADNylon, 1939 AD i

7、ntegrate circuit，1958 AD High T Superconductor, 1987 AD DJTU Materials Science & Engineering2022/9/2113Bessemer, Steel Ear2022/9/2112Array of micro-lasers5x5 microns显微激光阵列nanometers Si wires emit visible light可发射可见光的纳米硅线Hip Implant 人工骨X-33 plane prototype美国空天飞机原型机DJTU Materials Science & Engineering

8、2022/9/2114Array of micro-lase2022/9/21131986年科学的美国人杂志指出“材料科学的进步决定了经济关键部门增长速率的极限范围。”1990年美国总统的科学顾问Allany. Bromley明确指出“材料科学在美国是最重要的学科”。1991年日本为未来工业规划技术列举的11项主要项目中有7项是基于先进材料基础之上。材料科学历来是技术进步的支柱和物质基础！ DJTU Materials Science & Engineering2022/9/21151986年科学的美国人杂志指出“材2022/9/2114Oxygen 46.60 %Silicon 27.70A

9、luminum 8.13Iron 5.00Calcium 3.63Magnesium 2.09Titanium 0.44Hydrogen 0.14Phosphorus 0.11Manganese 0.095.Carbon 0.02Total 93.00% ELEMENTS IN EARTHS CRUSTDJTU Materials Science & Engineering2022/9/2116Oxygen 2022/9/2115Production of Materials (tons)-Bauxite 101 millionCoal 4,573 millionIron ore 943 mi

10、llionCement 1121 millionDiamond 44.2 million carats 200毫克 World Production of MaterialsDJTU Materials Science & Engineering2022/9/2117Production of Mater2022/9/2116Steel 1,200.0 millionAluminum 18.0 millionCopper 8.8 millionZinc 7.0 millionLead 3.5 millionNickel 839 thousandMg 350 thousandTin 210 th

11、ousandMolybdenum 121 thousandTitanium 95 thousandW 43 thousandUranium 39 thousandSilver 14 thousandGold 1.9 thousandPlatinum 270 tonWORLD PRODUCTION OF METALS (TONS)DJTU Materials Science & Engineering2022/9/2118Steel 1,200.0 m2022/9/2117 自然材料 (木头、骨头、石头等) 烧制材料 (陶器、青铜、钢等) 合成材料 (聚合物、纤维、半导 体、纳米粉等) 智能材料

12、 (传感器、自诊断、自 还原、自调节材料、Intelligent material，Smart material ) 材料的发展DJTU Materials Science & Engineering“自然界为劳动提供材料，劳动把材料变为财富”马克思超弹性形状记忆合金太空天线2022/9/2119 材料的发展DJTU Mat2022/9/21181.2 什么是材料科学与工程（MSE）?材料科学材料工程DJTU Materials Science & EngineeringCompositionStructureProcessingPerformance2022/9/21201.2 什么是材料科

13、学与工程（MSE）2022/9/2119The properties of materials are decided by: the nature of their chemical bonds; their atomic ordering; their microstructures. The use of materials depends on: their availability; their cost; the methods of synthesis and production. The use of materials is influenced by: processin

14、g techniques; the facility that the materials to be shaped; their environmental acceptability.DJTU Materials Science & Engineering2022/9/2121The properties of m2022/9/2120材料科学 （科学）： 主要研究、认识、开发材料组成、加工、结构与性能之间的关系。DJTU Materials Science & Engineering 材料工程（技术）： 将材料转化成实用、有效的制品或构件，解决材料应用的经济技术可行性；2022/9/21

15、22材料科学 （科学）：DJTU Mate2022/9/2121学科、专业设置一级学科、材料科学与工程（学院、系） 二级学科1）材料物理与化学：由分子、原子、电子层次研究材料 组成、性能，环境行为，表征（微观）;2）材料学：合成、研制、开发出可应用的新材料（宏观）； 金属、无机非金属、高分子材料、复合材料3）材料加工：将材料转换成可应用的形状和制品： 铸造、锻压、焊接、粉末冶金、热处理。材料科学与工程人类从微观与宏观上对研制、生产、使用材料的总结2022/9/2123学科、专业设置一级学科、材料科学与工程2022/9/2122加入环境要素：强调循环利用；降低环境影响；实现可持续发展。促进了材料

16、与环境关系研究。五要素间，交互影响，相辅相成。材料科学与工程的五要素新说成分、结构性价比、应用合成、加工性能环境生态DJTU Materials Science & Engineering2022/9/2124加入环境要素：材料科学与工程的五要素新2022/9/2123DJTU Materials Science & Engineering1.3 Levels of Material Structure10-19 m 0.1nm10-9 m 0.1 -100 nm10-6 m 0.1 -100 m10-3 m 0.1 mmSub-atomic StructureCrystal Structur

17、eMacro-StructureMicro-Structure2022/9/2125DJTU Materials Scie2022/9/2124 Subatomic levelElectronic structure of individual atoms that defines interaction among atoms (interatomic bonding). Atomic levelArrangement of atoms in materials for the same atoms can have different properties, e.g. two forms

18、of carbon: graphite and diamond. Microscopic structureArrangement of small grains of material that can be identified by microscopy. Macroscopic structureStructural elements that may be viewed with the naked eye.2022/9/2126 Subatomic level2022/9/2125结构尺度与分析方法DJTU Materials Science & Engineeringmillim

19、eter = 10-3 = 1mm 2022/9/2127结构尺度与分析方法DJTU Mater2022/9/2126DJTU Materials Science & Engineering2022/9/2128DJTU Materials Scie2022/9/2127DJTU Materials Science & Engineering1.4 性能与结构2022/9/2129DJTU Materials Scie2022/9/2128化学键与 Tm的关系 Bond length, r Bond energy, Eo Melting Temperature, Tm Energy (r)Tm

20、 is larger if Eo is larger.rEo = “bond energy”Energy (r) rounstretched lengthrrorsmaller Tmlarger TmEnergy (r)DJTU Materials Science & Engineering2022/9/2130化学键与 Tm的关系 Bond len2022/9/2129Length, LoLunheated,T 1heated, T 2Coeff. thermal expansionrorlarger smaller Energy (r) is larger if Eo is smaller

21、 Coefficient of thermal expansion, summitry at roDJTU Materials Science & Engineering化学键与 的关系2022/9/2131Length, LoLunheated2022/9/2130DJTU Materials Science & Engineering2022/9/2132DJTU Materials Scie2022/9/2131CarbonDJTU Materials Science & Engineering2022/9/2133CarbonDJTU Material2022/9/21321.5 材料

22、的定义 材料： 一般是指具一定组分、结构和性能,经某种加工、开采、运输, 适于一定用途的固态物质。 通常燃料、化学原料、化学中间品、食物和药物等气体、液体和易燃固体等, 都不算是材料。DJTU Materials Science & Engineering2022/9/21341.5 材料的定义 材料：2022/9/2133按原子结构及价键，可分为： （1）金属及其合金（金属键） （2）有机聚合物（共价键及二次键合） （3）陶瓷（离子键或共价键）DJTU Materials Science & Engineering1.6 材料的分类2022/9/2135按原子结构及价键，可分为：DJTU M

23、2022/9/2134DJTU Materials Science & Engineering1）总体分类：金属、陶瓷、有机聚合物及其复合材料2022/9/2136DJTU Materials Scie2022/9/2135 DJTU Materials Science & Engineering2）按使用性能分类结构材料力学性能 主要是利用它的力学性能，用于需承受一定载荷的设备、零部件、建筑结构等。 功能材料物理性能 主要利用其特殊物理性能（如电、热、磁、光、声等），用于制造各种电子器件、光敏元件绝缘材料等 结构功能一体化材料综合性能 考虑力学性能和物理性能统一，目前研究热点之一，复合结构/

24、隐身材料、轻质复合防弹材料、高阻尼泡沫金属材料等。2022/9/2137 DJTU Ma2022/9/2136DJTU Materials Science & Engineering材料功能分类敏感材料光学材料磁性材料能源环境材料电子材料生物材料结构材料航空航天材料3）按应用领域分类2022/9/2138DJTU Materials Scie2022/9/21374）按材料内部原子排列情况分类： 晶 态：原子或分子在空间规则排列； 非晶态： 5）按材料热力学状态分类： 稳 态：性能不受时间变化影响； 非稳态： 6）按材料尺寸分类：零维纳米粉体；一维纤维及晶须；二维薄膜；三维块体材料 DJTU

25、Materials Science & Engineering2022/9/21394）按材料内部原子排列情况分类：DJT2022/9/2138 黑色金属及合金（钢铁材料） 碳 钢：C 0.02-1.7% 合金钢： 低合金钢:5%合金元素,不锈钢 铸 铁：C1.7% 有色金属及合金 轻 金 属:Al, Mg, 重 金 属:Cu, Pb, 稀有金属:W, Ti, V, 稀土, 贵 金 属:Au, Ag, Pt, DJTU Materials Science & Engineering（1） 金属材料分类2022/9/2140 黑色金属及合金（钢铁材料） DJT2022/9/2139按用途分：塑

26、料通用塑料： 指产量大、用途广、成型性好、价格便宜的塑料, 基本有五大品种, 聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯及ABS 工程塑料： 工程塑料是指满足机壳、齿轮、光学、密封等工业零件使用的塑料。 主要有聚酰胺（尼龙）、 ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料)、聚碳酸酯、尼龙、聚甲醛、改性聚苯醚热塑性聚酯等。 合成纤维： 人工合成的、具有适宜分子量并具有可溶性的线型聚合物，如聚丙烯腈、聚酯、聚酰胺等。 橡 胶： 由橡胶树等植物提取的胶乳, 制成的具有弹性、绝缘性、不透水和空气的高弹性的高分子化合物。 DJTU Materials Science & Engineering（2） 有机聚合物材料分类

27、2022/9/2141按用途分：DJTU Materials2022/9/2140Polymers include “Plastics” and rubber materialsDJTU Materials Science & Engineering2022/9/2142Polymers include “P2022/9/2141reinforcing glass fibers in a polymer matrix.Polymer composite materials:2022/9/2143Polymer composite m2022/9/2142普通（传统）陶瓷材料： 主要为为硅、铝氧

28、化物的硅酸盐材料日用、建筑、洁卫材料； 精细（新型）陶瓷材料： 主要为高熔点的氧、碳、氮、硅化物等烧结材料，压电陶瓷、透明防弹、叶片、刀具、密封、轴承、火箭喷嘴、炉管等 优点： 重量轻、强度高、硬度高、熔点高、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、特殊功能、绝缘体、半导体、超导体。缺点： 容易脆断 ，韧性差，不易加工成形。DJTU Materials Science & Engineering（3） 陶瓷材料分类、2022/9/2144普通（传统）陶瓷材料：DJTU Mat2022/9/2143碳的同素异形体金刚石、 石墨、 富勒烯DJTU Materials Science & Engineering碳纳

29、米管2022/9/2145碳的同素异形体金刚石、 石墨、 2022/9/2144碳纳米管DJTU Materials Science & Engineering2022/9/2146碳纳米管DJTU Materials 2022/9/2145DJTU Materials Science & EngineeringWCSi3N4High Purity Al2O3Rotor (Alumina)2022/9/2147DJTU Materials Scie2022/9/2146Machinable Glass CeramicsDJTU Materials Science & Engineering20

30、22/9/2148Machinable Glass Ce2022/9/2147按基底分类： 高分子基复合材料 金属基复合材料 陶瓷基复合材料复合材料第一代：玻璃钢玻璃纤维增强树脂的材料 第二代：碳纤维增强塑料飞机、球拍第三代：硼纤维增强铝基体复合材料； SiC短纤维和Al2O3颗粒增强铝基复合材料；第四代：C/SiC表面改性轻质高强高温复合材料。 DJTU Materials Science & Engineering（4） 复合材料分类2022/9/2149按基底分类：DJTU Material2022/9/2148Give up valence electronsReadily accep

31、t electrons在分子中，元素原子吸引电子的能力叫作元素的电负性。电负性越强的原子越容易接受电子。元素间电负性差X 1.7，发生电子转移， 形成离子键； X 1.7 没有饱和性和方向性 例: NaClNa (metal)UnstableNa (cation)stable Cl (nonmetal) unstable Cl (anion) stableelectron+ -CoulombicAttractionDJTU Materials Science & Engineering（3）离子键 Ionic bonding2022/9/2154 出现在阴阳离子之间，发生了电子转移N2022/

32、9/215311Na0.955Cs0.712Mg1.220Ca1.08O3.59F4.017Cl3.0Give up electrons Acquire electronsNaClMgOCaF2CsClDJTU Materials Science & Engineering离子键2022/9/2155115512208917Give up2022/9/2154SecondarybondingSecondarybonding 偶极振动 Fluctuating dipoles 不均匀电子云 + + Secondary bondingHH2HHHH2Ex: liquid H2Secondary bonding 永久偶极 Permanent dipoles H Cl H Cl+ general case: ex: liquid HCl ex: polymer+ secondary bondingDJTU Materials S