材料科学和工程导论市公开课金奖市赛课一等奖课件

1、材料分类分类一：按物理化学属性划分无机非金属材料 金属材料 高分子材料 复合材料分类二：按用途分电子信息材料 航空航天材料 核材料建筑材料 生物医用材料 能源材料分类三：按性能分结构材料：力学性能为基础，制造受力构件所需材料。功效材料：利用物质独特物理化学性质或生物功效而形成材料。第1页二十一世纪材料生产模式材料单项循环：材料产业：资源 能源 消耗大户 环境污染主要起源第2页材料循环 材料双向循环模式废物在不一样生产过程中循环 多产品共生工业模式 三废综合利用第3页材料科学与工程定义材料科学：研究材料组织结构与性质之间关系。材料工程：是研究材料在制备、处理加工过程中工艺和各种工程问题。材料科学

2、与工程：是指出研究相关材料组成、结构、制备工艺流程与材料性能和用途关系知识和它应用。第4页材料科学与工程特点基础科学研究结构 性能 使用特征社会需求和经验科学知识经验积累MSE工艺第5页材料科学与工程特点一是多学科交叉。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结果；二是一个与实际使用结合非常紧密科学。发展材料科学目标在于开发新材料，提升材料性能和质量，合理使用材料，同时降低材料成本和降低污染；三是材料科学是一个正在发展中科学。不像物理学、化学已经有很成熟体系，它将伴随各相关学科发展而得到充实和发展。第6页材料科学与工程内涵组成要素：成份结构合成加工使用效能第

3、7页是各学科综合发展必定结果固体物理、无机有机化学、物理化学物质结构和性质冶金学、金属学陶瓷学、高分子学材料制备结构与性能金属材料、高分子材料与陶瓷材料之间共性规律材料科学第8页材料性质：是功效特征和效用描述符，是材料 对电.磁.光.热.机械载荷反应。9材料性质描述力学性质物理性质化学性质强度硬度刚度塑性韧性电学性质磁学性质光学性质热学性质催化性质腐蚀性氧化性第9页10材料力学性能在外加载荷或与环境原因联合作用下表现出各种行为。第10页11结构材料性质表征-材料力学性质强度：材料抵抗外应力能力。塑性：外力作用下，材料发生不可逆永久 性变形而不破坏能力。硬度：材料在表面上小体积内抵抗变形或 破裂

4、能力。刚度：外应力作用下材料抵抗弹性变形能力。第11页12结构材料性质表征-材料力学性质疲劳强度：材料抵抗交变应力作用下断 裂破坏能力。抗蠕变性：材料在恒定应力（或恒定载 荷）作用下抵抗变形能力。韧性：材料从塑性变形到断裂全过程中 吸收能量能力。第12页13强度范围刚度范围塑性范围韧性范围应 力应 变第13页142. 强度表征： 弹性极限 屈服强度 抗拉强度 断裂强度 强 度1. 强度定义： 抵抗变形和断 裂能力第14页强度指标意义弹性极限：发生弹性形变中最大应力。弹性结束 塑性变形开始。 理论值。 0.01残留 塑 性变形0.01应力。15弹性变形是物体卸载后就完全消失那种变形,而塑性变形则

5、是指卸载后不能消失而残留下来那部分变形又称残余变形。第15页强度指标及意义屈服强度：屈服现象开始发生时应力，是材料发生显著塑性变形抗力。屈服：试样继续拉长载荷却不增加。条件屈服强度：一定残余伸长对应应力。0.01 0.2 应用：制品设计材料加工如 高压气密容器 紧锢螺栓 密封圈 橡胶垫16第16页强度指标意义抗拉强度：开始发生颈缩时应力。断裂强度：断裂时应力值。17bf比较各种材料性能。但对材料选择和加工意义不大。屈服强度决定第17页18材料力学性能 塑性表征及意义塑性：断裂前材料发生塑性变形能力。指卸载后不能消失而残留下来那部分变形 延伸率断面收缩率第18页19延伸率 是塑性伸长量度 =L/

6、L0=（L-L0）/L0 原始标距长度 断裂后试样标距长度断面收缩率 是塑性收缩量度=Af/A0第19页加工硬化金属材料在再结晶温度以下经加工（压锻）产生塑性变形时强度和硬度升高，而塑性和韧性降低现象。20第20页加工硬化有利：它可提升金属强度、硬度和耐磨性。如冷拉高强度钢丝和冷卷弹簧负面：深入加工带来困难。冷轧钢板愈轧愈硬 切削加工使工件表层变脆硬使刀具磨损、增大切削力21第21页22材料力学性能硬度：材料表面局部抵抗变形能力。测量：压痕法 压头 一定压力 材料表面压痕尺寸。布氏试验 -布氏硬度洛氏试验-洛氏硬度维氏试验 -维氏硬度硬度表征及意义第22页布氏硬度：淬火钢球 载荷 压痕总面积维

7、氏硬度：金刚石棱锥 载荷 压痕总面积洛氏硬度：金刚石圆锥 压入深度23第23页24材料力学性能 刚度 表征和意义刚度：外应力作用下材料抵抗弹性变形能力。弹性变形：外载荷撤去后，能完全消失恢复试样原样变形。 第24页刚度表征弹性模量：弹性变形阶段应力和应变比值，E取决于材料本质，内部原子结合键强弱。与组织改变关系不大25弹性行为：载荷取消后，试样尺寸恢复原样行为。第25页刚度表征和意义弹性行为 分类26线形 非线性 滞弹性阻尼 减震第26页27材料力学性能 疲劳强度表征疲劳强度：材料抵抗交变应力作用下断裂破坏能力。 疲劳：承受载荷低于屈服强度，但在交变应力下长时间工作材料失效现象。疲劳失效过程：

8、裂纹形成，裂纹发展和突然断裂。第27页28疲劳寿命：在一定交变应力下，不发生断裂最大时间疲劳极限：材料能够经受无限屡次（108）循环应力而不停裂最大应力。第28页29材料力学性能 抗蠕变性能表征意义抗蠕变性：材料在恒定应力（或恒定载 荷）作用下抵抗变形能力。蠕变：高温下受到应力，随时间发生迟缓塑性变形现象。第29页抗蠕变性表征：蠕变极限 持久强度蠕变极限：在一定温T度和要求时间t内,式样产生一定蠕变伸长量应力。 符号表示和意义持久强度：在一定温度下，要求时间内发生断裂应力。符号表示和意义30第30页31材料力学性能 韧性表征和意义韧性表征：冲击韧性 KIC断裂韧性 KIC韧性：材料从塑性变形到

9、断裂全过程中 吸收能量能力。是强度和塑性 综合量度。第31页韧性表征和意义断裂韧性：抵抗裂纹失稳扩展而断裂能力。断裂：裂纹产生，扩展超出临界尺寸，失稳快速扩展断裂。KI 应力场强因子KIC 临界应力场强因子裂纹扩展临界状态对应场强因子，代表材料断裂韧性。32第32页33KI 应力场强因子外加应力第33页决定电导率基本参数 parameters 载流子类型 charge carrier 电子、空穴、正离子、负离子 载流子数 charge carrier density-n, 个/m3 载流子迁移率 electron mobility 第34页聚合物电导性结构型 共轭效应 双键 环添加型 参杂 添

10、加或去掉电子 卤族原子 碱金属离子 复合 导电纳米粉体 石墨 碳纳米管 金属粉末等第35页导电聚合物应用理想情况下，导电聚合物含有金属导电性，且重量轻、易加工、材料起源广等特点 。用作电极、电磁波屏蔽、抗静电材料等 半导体器件和发光器件方面得应用 聚合物电池、电致变色显示器、 电化学传感器、场效应管、 聚合物发光二极管（LED）第36页超导电性在一定低温下材料突然失去电阻现象 （小于10-25cm）19 , 超导现象发觉, 诺贝尔物理奖 1987年, 在陶瓷（金属氧化物）中发觉超导现象，超导研究取得重大突破, 诺贝尔物理奖第37页超导体两种特征： 完全导电性 完全抗磁性磁场强度一直为零三个性能

11、指标 超导转变温度Tc 愈高愈好 临界磁场Hc 破坏超导态最小磁场。 随温度降低，Hc将增加； 当TTc时, Hc=Hc临界电流密度Jc 第38页材料分类及其电导率 材料 电阻率 电导率 超导体 导体 半导体 绝缘体 0 10-8-10-5 10-5-107 107-1018 105-108 10-7-105 10-18-10-7 第39页40材料物理性能 磁性2. 磁学性：磁化 强度 外磁场，物质被磁化程度。磁化: 在外磁场作用下,各磁矩规则取向，宏观呈磁性 磁导率 磁感应强度和磁场强度比值，表征物质被磁化程度物理量 磁化率 磁化强度和磁场比值第40页磁矩表征磁性物体磁性大小物理量。m 电子

12、轨道磁矩 电子自旋磁矩磁感应强度：物质在外磁场中，会被磁化并感生一附加磁场，其磁场强度H与外磁场强度H之和称为该物质磁感应强度B第41页磁性本质 电子磁矩 电子自旋磁矩轨道磁矩 孤立原子 含有“永久磁矩” 有未被填满电子壳层 不具磁性 原子各层都充满电子 第42页 抗磁性 外磁场中，感生一个磁矩，与外磁场方向相反 顺磁性 原子内部存在永久磁矩 有外磁场，显示极弱磁性 无外磁场，宏观无磁性铁磁性 强磁性物质，Fe，Co，Ni 室温下磁化率可达103。 较弱磁场 较高磁化强度； 外磁场移去保留较强磁性第43页44矫顽力：使剩磁降低为零所需要磁场强度。 磁滞特征 软磁材料 硬磁材料第44页无机非金属

13、材料磁学性能 磁性无机材料普通是含铁及其它元素复合氧化物，通常称为铁氧体 亚铁磁性 第45页高分子材料磁学性能1、大多数体系为抗磁性材料 2、顺磁性仅存在于两类有机物 含有过渡金属 含有属于定域态或较少离域未成对电子 （不饱和键、自由基等）第46页47材料物理性能 热学性能表征：热导率热膨胀系数熔点比热 热应力 耐热性第47页热导率：单位温度梯度下， 单位时间内经过单位垂直 面积上热量 耐热性指在受负荷下，材料失去其物理机械性能而发生永久变形温度。 耐热性指在受负荷下，材料失去其物理机械性能而发生永久变形温度。 各种 材料使用上限温度 高分子材料 常温及中温条件下使用，v0淬火工艺经过快速冷却

14、，取得远离平衡态不稳定组织，到达强化材料目标。第103页104时 间温 度淬火正火正火工艺在奥氏体状态下，空气或保护气体冷却取得珠光体均匀组织，提升强度，改进韧性。第104页105时 间温 度退火工艺经过迟缓冷却，取得靠近平衡态组织，到达均匀化、消除内应力目标。第105页106时 间温 度回火工艺淬火或正火材料重新加热。目标在于松懈淬火应力和使组织向稳态过分，改进材料延展性和韧性，并稳定工件尺寸。第106页107目标：实现材料间整体结合内容: 1. 焊接 3. 铆接 2. 粘接 4. 栓接材料联接第107页108三材料表面工程表面改性表面防护薄膜技术第108页109-改变材料表面性质三束表面改

15、性化学表面改性（化学热处理）表面淬火表面改性第109页110从工艺机理上分析，表面改性同整体材料改性是相同，即：在表面实现材料成份、组织与结构改变，到达改变材料表面性能目标。不一样点就是采取了特殊能量输入方式，使能量作用效果或成份改变仅发生在表面。第110页111三束表面改性激光束 - 组织改变电子束 -组织改变离子束 - 成份、组织改变细晶化均匀化非晶化金属元素合金化第111页112化学表面改性（化学热处理）改变材料表面化学成份 - 化学渗透成 分温 度ABC + 心部浓 度表面C+N+Me+C0第112页113表面淬火 高频淬火电磁能集肤电流表面热能 火焰淬火气体化学反应表面热能热处理组织

16、改变性能改变第113页114 腐蚀防护 摩擦磨损防护表面防护第114页115腐蚀防护 大气腐蚀 海水腐蚀 工业介质腐蚀第115页116化学反应-腐蚀原因主动防护被动防护合金化非晶化高纯度表面涂镀表面改性表面钝化电化学保护抗蚀材料第116页117摩擦磨损防护 增加抗磨损性 增加润滑性第117页118薄膜技术有许各种薄膜技术能够在基材表面覆盖薄膜材料层，其中最主要两种方法是：物理气相沉积 PVD化学气相沉积 CVD液相沉积 LD第118页119四材料复合金属基复合材料陶瓷基复合材料高分子复合材料第119页120材料复合主要目标就是依据不一样材料性能优势互补、协调作用标准，进行材料设计与制备。所以材

17、料复合过程就是材料制备、改性、加工统一过程。复合材料制备过程融合了金属、陶瓷、高分子材料制备基本原理。当前材料科学发展，复合概念越来越主要，出现了许多新型复合材料及制备方法。第120页121与其它要素关系从材料产生到进入使用过程，直至损耗，四大要素存在着逻辑上因果次序，即：合成与加工结构与成份材料性质使用性能产生具备提供第121页122定向凝固技术在熔模铸造型壳中建立特定方向温度梯度，使熔融合金沿着与热流相反方向按照要求结晶取向凝固一个铸造工艺。定向凝固技术最突出成就是在航空工业中应用。第122页123 在极端化条件下，完成合成与加 工过程，取得更多功效特征。 超纯条件-单晶硅晶片高压条件-人

18、工金刚石低温条件-超导体超细条件-纳米材料4.发展趋势第123页第三章结构材料钢铁材料有色金属材料陶瓷材料玻璃材料水泥材料高分子材料复合材料第124页什么是“结构材料” ？结构材料是主要利用材料强度、韧性、弹性等力学性能，用于制造在不一样环境下工作时承受载荷各种结构件和零部件一类材料，即机械结构材料和建筑结构材料。第125页碳钢常规热处理退火将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后迟缓冷却（随炉冷却），以取得靠近于平衡状态组织热处理工艺。正火完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火、去应力退火将钢件加热到AC3和Acm以上3050度，保持适当初间后，在空气中冷却，得到珠光体类组织热处理工艺。第12

19、6页碳钢常规热处理淬火将钢件加热到奥氏体化后，快速冷却，使组织转变为马氏体热处理工艺。所得马氏体形态与钢成份、原始奥氏体晶粒大小以及形成条件有亲密关系。奥氏体晶粒越小，马氏体越细。回火将钢件淬火后，为了消除内应力并取得所要求性能，将其加热到AC1以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温热处理工艺。第127页合金钢合金钢分类铁及铁基合金在碳钢中加入一个或各种合金元素，形成钢称之为合金钢。按所含合金元素多少分：低合金钢（总质量分数低于5）、中合金钢（总质量分数510）、高合金钢（总质量分数高于10）。按主要合金元素种类分：铬钢、铬镍钢、锰钢、硅锰钢等。按用途分：结构钢、工具钢、特殊性能钢。第12

20、8页铸铁铁及铁基合金碳质量分数大于2.11%铁碳合金称之为铸铁，通常还含有较多Si、Mn、S、P等元素。用 途铸铁时工程上最惯用金属材料，广泛应用在机械制造、冶金、矿上、石油化工。交通等领域。铸铁生产设备和工艺简单，价格廉价。第129页铁及铁基合金铁碳合金中碳存在形式间隙固溶于铁化合态渗碳体游离态石墨亚稳态，在一定条件下分解为铁和石墨稳定态，能够从铸铁熔液中析出，也能够从奥氏体中析出Fe3C碳溶解在Fe中间隙固溶体第130页铁及铁基合金铸铁种类依据石墨化程度不一样，铸铁类型和组织也不一样。灰口铸铁白口铸铁可煅铸铁球墨铸铁蠕墨铸铁第131页铸铁白口铸铁：碳绝大部分以化合物 存在， 断口银白色。性

21、能：硬而脆，难于加工，使用价值低。灰口铸铁：碳以 形式存在，断口呈暗灰色。性能：价格低廉，易切削加工，惯用于气缸，支座机床等。铁及铁基合金渗碳体Fe3C 片状石墨第132页铁及铁基合金铸铁可锻铸铁：由一定成份白口铸铁经石墨化退火处理而取得，其中碳大部分或全部以团絮状石墨形式存在，因为含有较灰口铸铁高得多塑性和韧性，习惯上称为可锻铸铁，实际上并不可锻。渗碳体团絮石墨生产周期长，单件成本高，普通制作形状复杂薄壁小件。第133页铸铁特征：球化减小应力集中，基体强度利用率高，能够进行热处理加工，屈强比高。机械性能高，生产工艺比可锻铸铁简单，近年来日益得到广泛应用。“以铁代钢，以铸代锻”球墨铸铁：铁水在

22、浇注前经球化处理，其中碳大部分或全部以球状石墨形式存在。铁及铁基合金第134页铸铁碳以蠕虫状石墨存在，介于片状和球状之间，所以性能在在灰铸铁和球墨铸铁之间。优点：导热性和耐疲劳性好，高部件。合金铸铁：铸铁中加入合金元素如Cr、Cu、Al、等，可得到耐蚀、耐热及耐磨等特征合金铸铁。铁及铁基合金蠕墨铸铁：蠕化处理不宜控制第135页石墨存在对铸铁特殊作用减弱晶粒间振动能传递，并将振动能转变为热能流动性好，凝固过程中析出比容较大石墨，减小凝固收缩减摩、断屑作用；脱落形成显微凹穴，起储油作用，可维持油膜连续性片状石墨相当于许多微小缺口良好润滑剂，脱落在摩擦面第136页高分子材料分类按材料起源分类天然高分

23、子合成高分子按材料性能和用途分类塑料橡胶纤维涂料粘合剂功效高分子称为三大合成材料第137页通用高分子材料塑料、橡胶、纤维，称为三大合成材料全世界产量1亿多吨塑料主要品种有：合成橡胶主要用途为制造轮胎，约占60%合成纤维主要品种有：涤纶（PET）、尼龙、聚丙烯腈、聚丙烯等聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等第138页工程塑料性能：坚硬、韧性、耐磨、耐热水及蒸气，加工时尺寸稳定性好、化学稳定性好。主要有：尼龙（聚酰胺）、聚碳酸酯（PC）、聚苯醚（PPO）、聚甲醛（POM）、饱和聚酯（PET、PBT）等第139页材料应力应变曲线第140页 热塑性塑料：受热后软化，冷却后又变硬，可重复循环。热固性塑料

24、：由单体直接形成网状聚合物或经过交联线型预聚体而形成，一旦形成交联聚合物，受热后不能再回到可塑状态。制品不溶不熔。优点：质轻、电绝缘、耐化学腐蚀、轻易成形加工等；缺点：力学性能比金属材料差，表面硬度低，大多数品种易燃，耐热性差。热塑性与热固性第141页聚合物分子运动特点聚合物分子运动含有多重性。运动单元：侧基、支链、链节、链段及整个大分子等。运动方式：键长、键角振动或扭曲；侧基、支链或链节摇摆、旋转；分子内旋转及整个大分子重心位移等。聚合物分子运动含有显著松弛特征。含有时间依赖性过程称为松弛过程。分子运动是一个速度过程，要到达一定运动状态，提升温度和延长时间含有相同效果，这称为时-温等效原理，

25、或时-温转化效应。第142页玻璃化转变聚合物玻璃化转变是指从玻璃态到高弹态之间转变。从分子运动角度看，玻璃化温度Tg是大分子链段开始运动温度。玻璃化转变是一个松弛过程。在时间尺度不变时，凡是加速链段运动速度原因，如大分子链柔性增大、分子间作用力减小等结构原因，都使Tg下降。第143页聚乙烯（PE）聚乙烯从1939年开始工业化生产，是当前产量最大，应用最广泛品种。低密度聚乙烯（LDPE）在各种聚乙烯中产量最大，主要用于生产薄膜（制造食品袋、垃圾袋、地膜、大鹏膜等）；约10%用于生产注塑用具。线型低密度聚乙烯（LLDPE）主要用于生产薄膜，厚度比低密度聚乙烯更薄，制品性能更加好。还用于生产扁丝，制

26、造编织袋。第144页高密度聚乙烯注塑制品：工业容器、家用器皿、玩具等。中空吹塑制品：食品、药品、化装品包装瓶等。薄膜制品（约占20%）：大量用于食品包装。聚乙烯管材应用领域主要有：生活用水和煤气管道、农业排灌用管道以及圆珠笔内油墨管子等。质轻、坚韧耐磨，力学性能良好，使用寿命长，施工安装简便，输送阻力小、安全可靠，铺设费用低。第145页超高分子量聚乙烯（UHMWPE）可作为工程塑料在汽车、机械、原子能以及宇宙飞行等领域得到主要应用。含有优异耐冲击和自润滑性，耐腐蚀、抗磨损、不粘着等特征。可作齿轮、轴套、滑板、储罐衬里等。催化剂决定材料性能 齐格勒 茂金属聚乙烯 韧性、透明度、热粘性、热封温度、

27、低气味方面等显著优于传统聚乙烯第146页PVC，是耗石油最少热塑性树脂。含有阻燃及较高机械强度。PVC能够兼有两种截然不同性能，从软质到硬质，含有不一样用途。 应用： 农用塑料制品：农地膜、渔用单丝、绳缆等； 包装材料，保鲜、防锈、防霉等，塑料编织袋、包装容器等；日用具，塑料鞋、塑料袋、人造革、塑料玩具等； 化学建材，塑钢门窗、水管、电线穿线管等。第147页PS，无色透明，相对密度1.05，电绝缘性能优异，耐热性好，吸湿性低、质硬、刚性强，耐化学性好，易被染色，有良好加工性。 应用： 世界市场上，PS主要用于包装，其次是电子、电器。发泡聚苯乙烯（EPS）质轻、隔热、防震、价廉，用于建筑和包装。

28、国内最大市场是家电行业。国内彩色电视机外壳有60% 使用高抗冲聚苯乙烯（HIPS）。第148页氟塑料是各种含氟塑料总称。聚四氟乙烯（PTFE）。1950年首先由杜邦企业投产。有“塑料王”之称。是高结晶度聚合物，无熔融态，分解温度400 ，可在260 以下长久下使用，耐低温达-200 ，力学性能优异。光滑不粘，摩擦系数极小，含有自润滑性。耐化学腐蚀性极强，耐强酸、强碱、有机溶剂，能耐王水及沸腾氢氟酸。含有塑料中最好电绝缘性能。广泛用于化工机械和容器防腐、耐磨密封、电绝缘等。四氟乙烯、六氟丙烯、三氟氯乙烯等单体第149页纤维涤纶尼龙（锦纶）聚丙烯腈（腈纶、人造羊毛）第150页保鲜膜性能要求保鲜、保

29、洁、自粘安全、无毒市场上保鲜膜聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、偏聚氯乙烯及其它材质聚氯乙烯（PVC）保鲜膜存在问题第151页聚合物光盘基片性能要求高透光率、光学纯度、尺寸稳定性和热变形温度，很好机械性能和加工性能、低双折射和成本等。主要材料：聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、改性双酚A环氧树脂、非晶态聚烯烃等第152页铝及铝合金铝及铝合金特点密度低、比强度高。纯铝密度只有2700kg/m3，仅为铁1/3。优良物理、化学性能。导电性能好、磁化率低、耐腐蚀等。加工性能好。铸造性能好、易于塑性变形，经热处理后还含有很高强度。有色金属材料第153页铝及铝合金合金元素作用铝中加入合金元素后，可

30、提升合金强度，并保持良好加工性能。提升强度妨碍位错运动第154页铜及铜合金纯铜纯铜为紫色，又称紫铜。主要用于制作电导体及配制合金。工业纯铜分为4种：T1、T2、T3、T4。编号越大，纯度越低。纯铜强度低，不宜用作结构材料第155页钛及钛合金钛及钛合金特点密度低、比强度高，生物相容性。耐高温、耐腐蚀性能、低温韧性好等。加工条件复杂，成本较高。第156页镁及镁合金纯镁特点密度低、比强度高。纯镁密度只有1749kg/m3，仅为铁1/4、铝2/3。镁电极电位较低，抗腐蚀性能差。镁属于密排六方结构，所以塑性变形能力差。第157页镁及镁合金镁合金特点低比重：工业用材料中最轻量材料（铝2/3重）高比强度：优

31、于钢和铝 震动吸收性好：可将震动能吸收并转化成热放出易机械加工：切削力为铝和软钢1/2 耐冲击性好：优于铝合金和软钢电磁屏蔽性好可再生利用：有利于环境优化第158页镁及镁合金二十一世纪绿色工程材料第159页镁冶炼第160页什么是无机非金属材料？金属材料和有机高分子材料以外固体材料通称为无机非金属材料。主要特征：熔点高、硬度高、化学稳定性好、耐高温、耐腐蚀、耐磨损、耐氧化、弹性模量大、强度高。普通为脆性材料第161页陶瓷材料物质结构陶瓷材料相组成晶体相晶体相是陶瓷材料最主要组成相，主要是一些固溶体或化合物，其结构、形态、数量及分布决定了陶瓷材料特征和应用。晶体相又分为主晶相、次晶相和第三相。陶瓷

32、中晶体相主要有含氧酸盐（硅酸盐、钛酸盐等）、氧化物（MgO、Al2O3）、非氧化物（SiC，Si3N4）等。硅氧四面体是硅酸盐陶瓷中最基本结构单元。第162页陶瓷材料物质结构陶瓷材料相组成玻璃相玻璃相是陶瓷材料中原子不规则排列组成部分，其结构类似于玻璃。玻璃相作用是：将分散晶体相粘结起来，填充晶体之间空隙，提升材料致密度；降低烧成温度，加紧烧结过程；阻止晶体转变、抑止晶粒长大。玻璃相对陶瓷强度、介电常数、耐热性能是不利。第163页陶瓷材料物质结构陶瓷材料相组成气相（气孔）陶瓷中气孔主要是坯体各成份在加热过程中单独或相互发生物理、化学作用所生成空隙。这些空隙可由玻璃相来填充，还有少部分残留下来形

33、成气孔。气孔对陶瓷性能是不利。它降低材料强度，是造成裂纹根源。第164页陶瓷材料性能特点力学性能硬度陶瓷硬度很高，多为1000Hv1500Hv（普通淬火钢硬度500800Hv）。陶瓷硬度高原因是离子晶体中离子堆积密度大、以及共价晶体中电子云重合程度高引发。刚度陶瓷刚度很高。刚度是由弹性模量衡量，而弹性模量又反应其化学键键能。离子键和共价键键能都要高于金属键，所以陶瓷材料弹性模量要高于金属材料。第165页陶瓷材料性能特点力学性能强度陶瓷材料强度取决于键结协力，理论强度很高。但陶瓷中因为组织不均匀性，内部杂质和各种缺点存在，使得陶瓷材料实际强度要比理论强度低100多倍。陶瓷材料强度也受晶粒大小影响

34、。晶粒越细，强度越高。另外，陶瓷材料普通含有优于金属材料高温强度，高温抗蠕变能力强，且有很高抗氧化性。惯用于高温材料。第166页陶瓷材料性能特点力学性能塑性与韧性陶瓷材料塑性和韧性较低，这是陶瓷最大弱点。陶瓷材料受到载荷时在不发生塑性变形情况下，就发生断裂。陶瓷内部和表面所产生微裂纹，因为裂纹尖端应力集中，内部裂纹在受到外应力时扩展很快，这是造成陶瓷材料断裂根本原因。第167页陶瓷材料性能特点热学性能熔点陶瓷材料由离子键和共价键结合，所以含有较高熔点。热容热膨胀陶瓷材料在低温下热容小，在高温下热容增大。陶瓷材料热膨胀系数小，这是由晶体结构和化学键决定。普通为105106/K。第168页陶瓷材料

35、加工方法配料成形煅烧第169页结构陶瓷材料结构陶瓷种类氧化物结构陶瓷炭化物结构陶瓷氮化物结构陶瓷第170页功效陶瓷材料什么是功效陶瓷功效陶瓷是指含有电、光、磁以及部分化学功效多晶无机固体材料，其功效实现主要来自于它所含有特定电绝缘性、半导体性、导电性、压电性、铁电性、磁性、生物适应性等第171页功效陶瓷材料功效陶瓷种类电子陶瓷超导陶瓷磁性陶瓷光学陶瓷生物陶瓷敏感陶瓷第172页功效陶瓷材料电子陶瓷压电陶瓷当外力作用于晶体时，发生与应力成百分比介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷，这种因为形变而产生电效应，称为压电效应。反之，当在晶体上施加电场引发极化时，将产生与电场成百分比变形或压力，称之为逆

36、压电效应。材料压电效应取决于晶体结构不对称性，晶体必须有极轴，才有压电效应。压电陶瓷是含有压电效应陶瓷材料第173页压电陶瓷晶体结构随温度改变而改变。对钛酸钡和钛酸铅，当温度高于居里温度Tc时，为立方晶体，含有对称性，无压电效应；低于Tc时，为四方晶体，含有非对称性，有压电效应。第174页功效陶瓷材料压电陶瓷应用压电陶瓷有点是价格廉价，能够批量生产，能控制极化方向，添加不一样成份，可改变压电特征。压电陶瓷可用作超声波发生源振子或水下测声仪器上振子；也可用作声电转换器。压电陶瓷收到机械应力作用时，由压电效应发生电能可用于煤气灶点火器和打火机等；压电陶瓷还可用于滤波器等。第175页功效陶瓷材料磁性

37、陶瓷什么是铁氧体？铁氧体是铁和其它金属复合氧化物， MO-Fe2O3，M代表一价、二价金属。铁氧体属半导体，电阻率在1-1010m。因为电阻率高，涡流损失小，介质耗损低，故广泛用于高频和微波领域。磁性陶瓷主要指铁氧体铁氧体软磁铁氧体硬磁铁氧体第176页功效陶瓷材料生物陶瓷种类1。生物惰性陶瓷2。生物活性陶瓷该陶瓷物理、化学性能稳定，在生物体内完全呈惰性状态含有优异生物相容性，能与骨形成结合面，结合强度高，稳定性好，参加代谢。第177页功效陶瓷材料生物活性陶瓷1。磷酸钙陶瓷：含有生物降解性，能被人体吸收。2。生物活性玻璃陶瓷3。Na2O-K2O-MgO-CaO-SiO2-P2O5陶瓷4。BCG人

38、工骨头第178页功效陶瓷材料敏感陶瓷1。热敏电阻陶瓷指一些性能随外界条件（温度、湿度、气氛）改变而发生改变陶瓷材料2。压敏电阻陶瓷3。磁敏电阻陶瓷4。气敏电阻陶瓷5。湿敏电阻陶瓷第179页功效陶瓷材料气敏电阻陶瓷将气体参量转化成电信号陶瓷材料。它能以物理或化学吸附方式吸附气体分子。气敏陶瓷有氧化铁系气敏陶瓷、氧化锌系气敏陶瓷、氧化锡系气敏陶瓷等。应用：可燃气体和毒气检测、检漏、报警、监控等。它 灵敏度高，对被测气体以外气体不敏感。第180页功效陶瓷材料湿敏电阻陶瓷将湿度信号转化成电信号陶瓷材料。应用：用于湿度指示、统计、预报、控制和 自动化等。MgCr2O4TiO2陶瓷ZnOCr2O3陶瓷Zn

39、Cr2O3Fe2O3陶瓷第181页传统日用、建筑材料水泥什么是水泥？水泥是一个加入适量水后，成为塑性浆体，既能在空气中硬化，又能在水中硬化，并能把砂、石等材料牢靠地胶结在一起水硬性胶凝材料。水泥种类硅酸盐水泥铝酸盐水泥硫铝酸盐水泥氟铝酸盐水泥火山灰水泥第182页传统日用、建筑材料硅酸盐水泥原料：石灰石、黏土、铁粉、煤粉、矿化剂等CaOAl2O3SiO2Fe2O3工艺：配料粉磨成球煅烧粉磨包装第183页传统日用、建筑材料硅酸盐水泥配料粉磨成球煅烧矿渣水泥生料水泥熟料13001450度粉煤灰火山灰普通水泥矿渣水泥粉煤灰水泥火山灰水泥粉磨包装第184页传统日用、建筑材料衡量水泥性质和质量指标密度容重

40、细度需水性凝结时间安定性强度标号水化热第185页传统日用、建筑材料玻璃什么是玻璃？凡熔融体经过一定方式冷却，因黏度逐步增加而含有固体性质与一定结构特征非晶态物质，都称为玻璃。玻璃种类钠钙玻璃铅玻璃硼硅酸盐玻璃石英玻璃钢化玻璃微晶玻璃彩色玻璃变色玻璃磨光玻璃磨砂玻璃压花玻璃夹层玻璃第186页传统日用、建筑材料耐火材料性能指标耐火度材料在高温下不熔化性质。荷重软化温度指耐火材料在温度和荷重作用下抵抗变形能力。高温体积稳定性在高温下外形体积及线度保持稳定能力。抗热震性抗渣性在高温下，温度急剧改变不破坏能力。抵抗熔渣或熔融液侵蚀能力。耐真空性在真空和高温下服役能力。第187页一、填空题：陶瓷材料晶体缺

41、点有 、 、 ，其中导电性与 有直接关系。陶瓷材料 和 较低，这是陶瓷材料最大弱点。陶瓷材料热膨胀系数小，这是由 和 决定。 ，称为压电效应。材料压电效应取决于晶体结构 ，晶体必须有 ，才有压电效应。制造透明陶瓷关键是 和 。第188页简答题：1、举例说明陶瓷材料结合键主要有哪两种，各有什么特点？ 2、陶瓷材料主要有哪些相组成，各有什么作用？ 4、简述陶瓷材料力学性能特点。 6、什么是水泥，水泥种类主要有哪些？ 7、衡量耐火材料性能指标主要有哪些？第189页什么是复合材料？复合材料是由两种或两种以上物理、化学、力学性能不一样物质，经人工组合而成多相固体材料。第190页复合材料种类力学复合材料功

42、效复合材料树脂基复合材料金属基复合材料无机非金属基复合材料导电导磁复合材料阻尼吸声复合材料屏蔽功效复合材料摩擦磨损复合材料基体 材料不一样增强材料形状分布长纤维增强复合材料短纤维/晶须颗粒强化复合材料弥散强化复合材料积层结构复合材料纤维/颗粒混杂复合材料粒度1-50微米100纳米第191页复合材料组成第192页2，抗疲劳与断裂安全性能好a 基体中初始裂纹 b 裂纹扩展受阻于增强纤维纤维增强复合材料中疲劳裂纹扩展过程示意图第193页3，良好减震性能1，纤维增强复合材料含有较高自震频率，不易产生共振现象2，复合材料相界面对振动有反射和吸收作用钢、碳纤维复合材料振动衰减特征比较第194页纤维增强复合

43、材料纤维种类纤维增强复合材料中主要新型纤维与晶须有：碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维以及碳化硅晶须、氧化铝晶须和氧化锌晶须等。这些纤维与晶须主要特点是：密度低、强度高、弹性模量高、线膨胀系数小等特点。第195页复合材料基本理论1。纤维增强复合材料复合原理假设复合材料中基体是连续、均匀，纤维性质和直径都是均匀，且平行连续排列，同时纤维与基体间结合为理想结合，在界面上不产生滑移。外载荷与纤维方向一致c=f=m则：在外载荷作用下纤维和基体处于等应变状态第196页Fc=cAc = fAf mAm。c = fVfmVmEc c = EffVfEmmVm复合材料上总力等于纤维和基体受力和F

44、c= Ff + Fm因为 c=f=m则 Ec = EfVfEmVm说明：F 力， 应力， 应变，E 弹性模量，A 横截面积，V 体积含量 C 复合材料， f 纤维填料，m 基体材料 1。纤维增强复合材料复合原理第197页普通复合材料变形过程：1。纤维增强复合材料复合原理纤维和基体均为线弹性变形纤维继续线弹性变形，基体塑性变形纤维和基体都是塑性变形随纤维断裂，复合材料断裂第198页复合材料基本理论颗粒增强颗粒增强复合材料是指由高强度、高弹性模量颗粒作增强体与韧性基体或脆性基体经一定工艺复合而成多相材料。纳米微细硬颗粒弥散增强，微米颗粒增强。颗粒增强复合材料种类：第199页颗粒增强复合材料机理： 依据颗粒尺寸大小，可分为弥散增强复合材料和真正颗粒增强复合材料。前者通常是指尺寸为纳米数量级微细硬颗粒弥散分布在基体中；后者是指微米数量级颗粒增强复合材料。纯颗粒增强在这种复合材料中，颗粒不是经过妨碍位错运动使材料强化，而是借助于限制