材料科学与人类文明第2章课件

材料的使用史第一代：天然材料

第二代：烧炼材料第三代：合成材料第四代：设计型材料第五代：智能材料材料的使用史第一代：天然材料

1第一代：天然材料

木片、石器、骨器等旧石器是利用一块较硬的石头坎砸到另一块较软的石头打击而成，其形状既不规则又不稳定，加工十分粗糙，是人类第一种原始材料新石器时代的标志是，打制的石器更加精美、陶和玉器工艺品的出现、用石头和砖瓦作建筑材料材料的使用史第一代：天然材料

材料的使用史2人们用火将天然粘土烧制砖瓦和陶瓷用烧结技术制造出了玻璃和水泥从各种天然矿石中提炼出铜及其合金、青铜和铁等冶炼材料铜是人类社会最早出现的金属铜熔点低，技术层次比较容易处理，铜器色泽优美，满足人类视觉的享受，质柔声清，满足触觉与听觉的美感中国青铜器分别精炼铜、锡、铅，将熔浆倾入陶制坩埚铸形铜-锡合金(青铜)85%Cu(熔点1083ºC)、15%Sn(熔点232ºC)

熔点960ºC，延展性增加，硬度增加，具光泽度加入部分锡，使原来较软的铜制品变得更坚硬、更耐磨铜-锌合金(黄铜)

锌熔点420ºC，沸点900ºC，精炼时应小心控制，否则会沸腾材料的使用史第二代：烧炼材料砖瓦、陶瓷、青铜人们用火将天然粘土烧制砖瓦和陶瓷材料的使用史第二代：烧炼材料3铁器时代从铁矿石中冶炼铁依含C量和杂质多少，铁分三类铸铁：含碳2.5~4.5%，不适于展延﹑锻接，适于铸造器物锻铁：含S、P、Si，质强韧具延展性，可锻造、焊接成器物钢铁：质强而韧，适当热处理可改变硬度、脆度，制刀剑、枪炮﹑铁轨非铁金属(金﹑银等贵重金属)：加工技术繁复，造型美化金质地细密、具光泽，熔点1063ºC，比重19.3，延展性强，在空气中不氧化，不受一般弱酸腐蚀，只溶于王水，可做饰品﹑货币，永保色泽材料的使用史第二代：烧炼材料铁、钢铁器时代从铁矿石中冶炼铁材料的使用史第二代：烧炼材料铁、钢4原料主要从石油、煤等矿物资源中来高分子材料在今天发挥的作用越来越大从1909年第个人工合成的塑料—酚醛树脂算起，高分子材料时代至今不足100年20世纪90年代初，塑料产量已经超过1亿吨，按体积已经超过钢铁产量材料的使用史第三代：合成材料高分子材料原料主要从石油、煤等矿物资源中来材料的使用史第三代：合成材料5“材料设计”思想始于上世纪50年代，其目的是“按照指定性能定做”新材料，按生产要求“设计”最佳制备和加工方法

采用新的物理、化学方法，根据实际需要设计出具有特殊性能的材料从设计、材料和工艺一体化出发，开发材料的先进制造技术，实现材料的高性能化和复合化，达到材料生产的低成本、高质量和高效率材料的使用史第四代：设计型材料通信产业、生物技术、新能源技术、宇航技术、环境工程等，对材料提出了更新的要求“材料设计”思想始于上世纪50年代，其目的是“按照指定性能定6①功能材料智能化智能凝胶、机械化学系统②结构材料智能化自行诊断、损伤自显示、自修复和自愈合、自组装功能、自分解性③生物材料智能化微球功能的智能化(药物控制释放)、智能生物材料与组织工程材料的使用史第五代：智能材料能感知外部刺激(传感功能)、能判断并适当处理(处理功能)、本身可执行(执行功能)的材料①功能材料智能化智能凝胶、机械化学系统材料的使用史第五代7从古到今，材料与人类日常生活密切相关就现代生活而言，人们的衣、食、住、行、休闲、娱乐样样离不开材料，新材料的出现使人们的生活质量发生了极大的变化材料与食物、居住空间、能源、信息共同组成了人类生活的基本资源以穿衣为例，衣料早已由天然的棉、毛、丝、麻发展到各种的人造纤维(人造棉)、合成纤维(尼龙、的确凉、腈纶等)、混纺纤维材料的重要性从古到今，材料与人类日常生活密切相关材料的重要性8①传统滤水材料材料的重要性例1：滤水材料PP不织布滤网—仅过滤水中粗大悬浮物、沙粒(>5

m)，无法过滤离子、重金属、有机毒素、细菌硅藻土—功能与不织布滤网类似，过滤颗粒较小活性碳—去除水中色素、异味(挥发性者)、部份金属离子，无法去除重金属污染、无杀菌力离子交换树脂—以钠型树脂去除水中Ca2+、Mg2+离子，所得水含钠量偏高，对糖尿病、心脏病患者不利，影响肾脏功能半透膜—去除水中杂质及矿物质紫外线——利用UV辐射能破坏细菌DNA抑制其繁殖碘素——可适用于较广的pH值，存在时间久银活性碳——银杀菌速度慢，但可抑制其生长(银不可过量)②新型滤水材料③杀菌①传统滤水材料材料的重要性例1：滤水材料PP不织布滤网—仅9①冬暖夏凉的羊毛—羊毛纤维是由两种性质不同细胞组成，呈螺旋状蜷曲羊毛纤维表面被膜状角质层覆盖，具有吸收湿气、扩散水分功能②柔软细致的纯棉—触感良好、易吸湿性且散发性良好、凉爽且保温性高、安全又卫生、耐于洗涤③冬暖夏凉的衣料(多丽丝)—聚乙二醇附着在织品纤维上

PEG在21ºC融解软化，吸收体热，觉得凉熔融的PEG在~0ºC凝固，散热，觉得温暖材料的重要性例2：服饰①冬暖夏凉的羊毛—羊毛纤维是由两种性质不同细胞组成，呈10材质的改变，设计的创新—

考量硬度、重量、合脚、磨损、保护性、支撑、透气、避震、散热等材料的重要性例3：鞋子①超轻跑鞋—将橡胶和塑料结合、再发泡，比重只有0.36(一般橡胶底比重为1.3)，将鞋底打薄，增加长跑速度②抗冲鞋底—天然橡胶和EVA制成海绵，置于鞋底之中间层③气垫鞋底—将高分子透明胶囊灌满气体，埋入鞋底里，脚跟用力时产生的压力压缩气体胶囊，脚跟离地时，气囊反弹，反弹力将脚跟往上提材质的改变，设计的创新—材料的重要性例3：鞋子①超轻11①安全镜片—采用光学树脂，成像品质高，重量较玻璃轻40%②超硬安全镜片—加上超硬层，抗刮性、耐磨性强四倍③超硬安全树脂多层加膜镜片—以石英膜层镀在镜片表面，提供防反光效果，防止紫外线透入④超薄超硬安全树脂多层加膜镜片—采用高折射率超薄材质，比一般树脂片薄20%、平25%、轻25%⑤多焦点镜片—由远至近聚合无数个焦点，使任何距离都能透过适合的焦点看清楚，没有影像跳跃、无错觉⑥隐形镜片—高分子水凝胶材料的重要性例4：眼镜①安全镜片—采用光学树脂，成像品质高，重量较玻璃轻40%材12材料由不同元素组成，由不同原子、离子或分子结合而成原子、离子或分子之间的结合力称为结合键一般可把结合键分为四种材料的结合键结合键的分类离子键共价健金属键分子键材料由不同元素组成，由不同原子、离子或分子结合而成材料的结合13离子键周期表中相隔较远的正电性原子和负电性原子接触时，前者失去最外层价电子，变成正离子；后者获得电子，变成负离子正离子和负离子由静电引力相互吸引；同时当它们十分接近时发生排斥，引力和斥力相等即形成稳定的离子键NaCl、CaO、Al2O3等由离子键组成离子键示意图氯化钠结构材料的结合键结合键的分类离子键离子键示意图氯化钠结构材料的结合键结合键的分类14离子键离子键键能很大，离子晶体硬度高、强度大、热膨胀系数小，但脆性大离子键中很难产生可自由运动的电子，离子晶体是良好的绝缘体离子的外层电子受到较牢固的束缚，可见光的能量一般不足以使其受激发，不吸收可见光典型的离子晶体无色透明结合键的分类材料的结合键离子键离子键键能很大，离子晶体硬度高、强度大、热膨胀系数小，15共价键处于周期表中间位置的三、四、五价元素，原子既可获得电子变为负离子，也可丢失电子变为正离子原子之间可共用价电子、形成稳定的电子满壳层，从而形成分子或晶体这种由共用价电子对产生的结合键叫共价键共价键示意图材料的结合键结合键的分类共价键共价键示意图材料的结合键结合键的分类16最具有代表性的共价晶体为金刚石。金刚石由C原子组成，每个碳原子贡献出4个价电子与周围的4个碳原子共有，形成4个共价键，构成正四面体：一个碳原子在中心，与它共价的另外4个碳原子在4个顶角上材料的结合键共价键结合键的分类金刚石结构硅、锗、锡等元素也可构成共价晶体属于共价晶体的还有SiC、Si3N4、BN等化合物共价键结合力很大，所以共价晶体强度高、硬度高、脆性大、熔点高、沸点高和挥发性低最具有代表性的共价晶体为金刚石。金刚石由C原子组成，每个碳原17周期表中I、II、III族元素，原子容易丢失其价电子而成为正离子被丢失的价电子为全体原子所公有。这些公有化的电子叫做自由电子，在正离子之间自由运动，形成所谓的“电子气”正离子在电子气中呈高度对称的规则分布。正离子和电子气之间产生强烈的静电吸引力，使全部离子结合起来。这种结合力就叫做金属键金属键示意钼的结构材料的结合键金属键结合键的分类周期表中I、II、III族元素，原子容易丢失其价电子而成为正18原子状态形成稳定电子壳体的惰性气体元素，在低温下可结合成固体甲烷分子在固态也能相互结合成为晶体在它们的结合过程中，没有电子的得失、共有或公有化，价电子的分布不变，原子或分子间是靠范特瓦尔斯力结合起来，这种结合键叫分子键甲烷结构分子键示意图材料的结合键分子键结合键的分类范特瓦尔斯力很弱，因此由分子键结合的固体材料熔点低、硬度也很低因无自由电子，材料有良好的绝缘性原子状态形成稳定电子壳体的惰性气体元素，在低温下可结合成固体19在含氢物质特别是含氢聚合物中，一个氢原子可同时与两个电子亲合力大、半径小的原子(如F、O、N等)结合,形成氢键氢健是一种较强的、有方向性的范特瓦尔斯键尼龙66的结构分子键结合键的分类材料的结合键在含氢物质特别是含氢聚合物中，一个氢原子可同时与两个电子亲合20按化学组成，可分为金属材料、无机非金属材料、高分子材料及复合材料金属材料中，原子间结合以金属键为主陶器中，原子间结合以离子键为主高分子材料中，原子间结合以共价键为主材料有机材料无机材料材料的分类按化学组成，可分为金属材料、无机非金属材料、高分子材料及复合21材料材料的分类材料材料的分类22由金属元素组成的材料在103种元素中，81种为金属元素除Hg外，单质金属在常温下呈固体态，外观不透明，金属光泽、良好的导电性、导热性可分为由一种金属元素构成的单质(纯金属)、由两种或两种以上金属元素、或金属与非金属元素构成的合金合金又分为固溶体和金属间化合物材料的分类金属材料由金属元素组成的材料材料的分类金属材料23材料的分类金属材料材料的分类金属材料24金属材料在不断地推陈出新，许多新兴金属材料应运而生。例如，微合金钢、低合金高强度钢、双相钢等新钢种有色金属及合金方面，出现了高纯高韧铝合金、高强高模铝合金、高温铝合金，先进的高强、高韧和高温钛合金，先进的镍基、铁镍、铬基高温合金，铜合金、难熔金属合金及稀有金属合金等还涌现了高性能金属材料，如快速冷凝金属非晶和微晶材料、纳米金属材料、有序金属间化合物、定向凝固柱晶和单晶合金等新型金属功能材料，如磁性材料中的钕-铁-硼稀土永磁合金及非晶态磁合金、形状记忆合金、新型铁氧体及超细金属隐身材料、贮氢材料、活性生物医用材料等材料的分类金属材料金属材料在不断地推陈出新，许多新兴金属材料应运而生。例如，微25当金属的晶体结构保持溶剂组元的晶体结构时，这种合金称为一次固溶体或端际固溶体，简称固溶体金属元素与其它金属元素或非金属元素形成合金时，除固溶体外，还可能形成金属间化合物固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体在置换固溶体中，溶质原子位于溶剂晶体的晶格格点上在间隙固溶体中，溶质原子位于溶剂晶体的晶格间隙材料的分类金属材料当金属的晶体结构保持溶剂组元的晶体结构时，这种合金称为一次固26由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料和/或氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材料无机非金属材料与广义的陶瓷材料有等同的含义无机非金属材料种类繁多，没有统一的分类方法一般将其分为传统的(普通的)和新型的(先进的)无机非金属材料两大类材料的分类无机非金属材料是除金属材料、高分子材料外所有材料的总称由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料和/或氧化物、27先进(或新型)无机非金属材料是用氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物及各种无机非金属化合物经特殊的先进工艺制成的材料主要包括先进陶瓷、非晶态材料、人工晶体、无机涂层、无机纤维等传统无机非金属材料是指由SiO2、硅酸盐化合物为主要成分制成的材料包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料此外，搪瓷、磨料、铸石(辉绿岩、玄武岩等)、碳素材料、非金属矿(石棉、云母、大理石等)也属于传统无机非金属材料材料的分类无机非金属材料先进(或新型)无机非金属材料是用氧化物、氮化物、碳化物、硼化28材料的分类无机非金属材料材料的分类无机非金属材料29从陶器到瓷器，是陶瓷发展史上第一次重大飞跃低熔点的长石和粘土等成分配合，在焙烧过程中形成了流动性很好的液相，冷却后成为玻璃态的釉，使瓷器更加坚硬、致密和不透水从传统陶瓷到先进陶瓷，是陶瓷发展史上第二次重大飞跃先进陶瓷主要是指利用材料的电、磁、声、光、热、弹性等方面直接的或耦合的效应以实现某种使用功能的陶瓷材料的分类无机非金属材料陶瓷材料从先进陶瓷到纳米陶瓷是陶瓷发展史上第三次重大飞跃纳陶瓷有可能解决陶瓷的致命弱点-脆性从陶器到瓷器，是陶瓷发展史上第一次重大飞跃材料的分类无机非金30普通陶瓷包括日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、电瓷材料的分类无机非金属材料普通陶瓷包括日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、电瓷材料31包括结构陶瓷和功能陶瓷结构陶瓷主要用于耐磨损、高强度、耐高温、耐热冲击、硬质、高刚性、低膨胀、隔热等场所

常见高温结构陶瓷包括：高熔点氧化物、碳化物、硼化物、氮化物、硅化物功能陶瓷主要包括电磁功能、光学功能、生物功能、核功能及其它功能的陶瓷材料电学功能瓷：电绝缘瓷、导电陶瓷、半导体瓷、电容器瓷、压电瓷磁学功能瓷：磁性瓷(又称铁氧体)、超导瓷热学功能瓷：热释电瓷、导热瓷、低膨胀瓷、红外辐射瓷化学功能瓷：多孔陶瓷载体生物功能瓷材料的分类无机非金属材料特种陶瓷包括结构陶瓷和功能陶瓷材料的分类无机非金属材料特种陶瓷32玻璃是由熔体过冷所制得的非晶态材料根据其形成网络的组分不同，可分为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃等，其网络形成剂分为SiO2、B2O3和P2O5玻璃材料习惯上分为普通玻璃和特种玻璃两大类材料的分类无机非金属材料玻璃材料玻璃是由熔体过冷所制得的非晶态材料材料的分类无机非金属材料玻33普通玻璃是指采用天然原料大规模生产的玻璃。普通玻璃包括日用玻璃、建筑玻璃、微晶玻璃、光学玻璃和玻璃纤维等特种玻璃(亦称新型玻璃)是指采用精制、高纯或新型原料，通过新工艺，在特殊条件下或严格控制形成过程而制成的一些具有特殊功能或特殊用途的玻璃根据用途不同，特种玻璃分为防辐射玻璃、激光玻璃、生物玻璃、多孔玻璃、非线性光学玻璃、光纤玻璃等根据成分不同，特种玻璃包括SiO2含量>85%或<55%的硅酸盐玻璃、非硅酸盐氧化物玻璃(硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐、碲酸盐、铝酸盐及氧氮玻璃、氧碳玻璃等)、非氧化物玻璃(卤化物、氮化物、硫化物、硫卤化物、金属玻璃等)材料的分类无机非金属材料玻璃材料普通玻璃是指采用天然原料大规模生产的玻璃。普通玻璃包括日用玻34加入适量水后可成塑性浆体，既能在空气中硬化又能在水中硬化，并能够将砂、石等材料牢固地胶结在一起按性能可分为：通用水泥、专用水泥和特性水泥三大类材料的分类无机非金属材料水泥材料通用水泥大量土木工程所使用的水泥，如普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥等专用水泥有专门用途的水泥，如油井水泥特性水泥某种性能比较突出的水泥，如快硬硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥等加入适量水后可成塑性浆体，既能在空气中硬化又能在水中硬化，并35指耐火度>1580℃的无机非金属材料，用作高温窑炉等热工设备的结构材料，也可用作工业高温容器和部件的材料大部分耐火材料的原料为天然矿石

如耐火粘土、硅石、菱镁矿、白云母等

材料的分类无机非金属材料耐火材料按矿物组成氧化硅质、硅酸铝质、镁质、白云石质、橄榄石质、尖晶石质、含碳质、含锆质耐火材料按制造方法天然矿石和人造制品按形状块状制品和不定形制品按热处理方式不烧制品、烧成制品和熔铸制品分类指耐火度>1580℃的无机非金属材料，用作高温窑炉等热工设备36高分子材料是由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成的分子量很大的化合物，或高分子是由碳、氢、氧、氮、硅、硫等元素组成的分子量足够高的化合物高聚物的种类繁多，性能各异，其分类的方法多种多样材料的分类高分子材料按来源天然高分子材料合成高分子材料按性能和用途橡胶、纤维、塑料、胶粘剂高分子材料是由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成的分子量37材料的分类高分子材料材料的分类高分子材料38常用高分子材料的分子量在几百到几百万之间塑料、合成纤维、合成橡胶被称为现代高分子三大合成材料功能高分子材料主要包括物理功能高分子材料、化学功能高分了材料如导电高分子、高分子半导体、光导电高分子、压电高分子、磁性高分子、光功能高分子、液晶高分子、信息高分子材料、反应性高分子、离子交换树脂、高分子分离膜、螯合高分子、高分子催化剂、高分子试剂及人工脏器、生物功能和医用高分子材料、高分子药物等材料的分类高分子材料常用高分子材料的分子量在几百到几百万之间材料的分类高分子材料39橡胶室温弹性高，在很小的外力作用下能产生很大的形变(可达1000%)，外力去除后，能迅速恢复原状。其弹性模量小，约105~106Pa

常用的橡胶有天然橡胶(聚异戊二烯橡胶)、丁苯橡胶、顺丁橡胶(聚丁二烯)、乙丙橡胶和硅橡胶等纤维弹性模量较大，约109~1010Pa，受力时形变<20%，在较广的温度范围(-50~150℃)内机械性能变化不大

常用的合成纤维有尼龙、涤纶、晴纶和维尼纶等材料的分类高分子材料橡胶室温弹性高，在很小的外力作用下能产生很大的形变(可达1040塑料的弹性模量介于橡胶和纤维之间，约107~108Pa。温度稍高些，受力形变可达百分之几至几百

有些塑料的形变是可逆的，有些塑料的形变是永久的

根据塑料受热时行为的不同，分为热塑性和热固性塑料两类

材料的分类高分子材料热塑性塑料受热时可以塑化和软化，冷却时则凝固成形，再加热又可塑化软化，如聚乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸酯热固性塑料受热发生化学反应，使之固定成型，但冷却后不能再加热软化。如酚醛塑料和脲醛塑料塑料的弹性模量介于橡胶和纤维之间，约107~108Pa。温度41金属、陶瓷和高分子材料各有其固有的优、缺点复合材料是由高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺而成的新型材料，既能保留原组成材料的主要特色，又能通过复合效应获得原组分所不具备的性能，还可通过材料设计使各组分的性能互补，从而获得新的优越性能材料的分类复合材料金属、陶瓷和高分子材料各有其固有的优、缺点材料的分类复合材料42材料之间复合的形式在自然界广泛存在，如动物骨头(由原胶纤维与无机材料复合)、植物茎干(树木、竹)、叶(微纤维与木质素复合)等

骨盆上的纤维取向针叶树的木材的组织细胞壁的复合材料结构材料的分类复合材料材料之间复合的形式在自然界广泛存在，如动物骨头(由原胶纤维与43古代复合材料以中国的漆器最为引人注目，它是以丝、麻等天然纤维作增强材料、用火漆作粘结剂而制成的复合材料材料的分类复合材料茅草与泥土混合作为建筑材料、战国时期的越王剑和吴王矛是金属包层复合材料、三国时期的藤甲是用藤浸渍桐油后形成的纤维增强聚合物基复合材料越王剑吴王矛古代复合材料以中国的漆器最为引人注目，它是以丝、麻等天然纤维44现代复合材料包括软质复合材料(纤维增强的橡胶)、硬质复合材料(即纤维增强树脂，如玻璃钢等)上世纪60年代来，航空、航天工业迅猛发展，需要高强度、高模量、耐高温和低密度的复合材料，于是先进复合材料应运而生

复合材料可分为结构复合材料和功能复合材料功能复合材料一般由功能体和基体组成，基体不仅起到构成整体的作用，而且能产生协同或加强功能的作用目前形成产业规模的主要是结构复合材料材料的分类复合材料玻璃钢赛车壳体玻璃钢储液罐作为一种先进材料，现代复合材料始于上世纪40年代的玻璃纤维增强塑料为了与天然的、古代出现的复合材料区分，称之为现代复合材料现代复合材料包括软质复合材料(纤维增强的橡胶)、硬质复合材料45从理论上说，金属材料、陶瓷材料或高分子材料相互之间或同种材料之间均可复合形成新的复合材料事实上，在高分子/高分子、陶瓷/高分子、金属/高分子、金属/金属、陶瓷/金属、陶瓷/陶瓷之间的复合都已获得许多种高性能新型复合材料

材料的分类复合材料从理论上说，金属材料、陶瓷材料或高分子材料相互之间或同种材料46为了清晰表示复合材料，一般把占主要组分的材料称为基体(matrix)，其它组分称为增强材料或增强相(reinforcement)在复合材料的分类上，以基体分类时分成为四大类复合材料，即聚合物基复合材料(PMC)

金属基复合材料(MMC)

陶瓷基复合材料(CMC)

碳/碳复合材料(C/C)以增强材料的形态分类，纤维增强复合材料、晶须增强复合材料、颗粒增强复合材料材料的分类复合材料为了清晰表示复合材料，一般把占主要组分的材料称为基体(mat47航空航天技术要求制成飞行器材料高比强度、比模量，以减轻其重量，提高飞行速度、增加运载火箭有效负载、保证气动特性等现代复合材料首先在航空航天领域、现代国防工业中得到广泛应用复合材料在航天领域中的应用材料的分类复合材料航空航天技术要求制成飞行器材料高比强度、比模量，以减轻其重量48复合材料在国产军用飞机中的应用复合材料前机身段（黑色部分）复合材料垂直安定面（黑色部分）材料的分类复合材料复合材料在国产军用飞机中的应用复合材料前机身段（黑色部分）49金属材料—主要为金属键热和电的良导体具有良好的强度、延展性、金属光泽陶瓷材料—通常为离子键或共价键绝缘体而且比较耐热高分子材料—以共价键为主，有的含分子键通常密度较低，在高温下不稳定复合材料—性能的复合，可设计玻璃纤维增强高分子复合材料基体材料相比，复合材料比强度(强度/密度)和比模量(弹性模量/密度)高抗疲劳性能好高韧性和抗热冲击性(PMC和CMC中尤为重要)耐热性高减振性能好耐烧蚀性、耐磨损、导电和导热材料的分类各类材料的主要性能比较金属材料—主要为金属键玻璃纤维增强高分子复合材料基体材料相比50按使用性能或服役要求，材料可分为结构材料、功能材料结构材料主要要求其力学性能，是以强度、硬度、刚度、韧性、疲劳强度等力学性能为特征的材料钢是用途最广、用量最大的金属结构材料功能材料主要利用其特殊的物理性能，是以声、光、电、磁、热等物理性能为特征的材料如电子材料、光电子材料、超导材料等吸声材料可控制噪声污染及潜艇消音光学材料包括光导纤维、彩电荧光屏中所加入的稀土材料半导体材料和磁性材料利用其电学和磁学性能航天航空技术要求发展各类耐高温合金材料的分类结构材料、功能材料按使用性能或服役要求，材料可分为结构材料、功能材料材料的分类51材料的功能，确切地说是向材料输入某种能量，经过材料的传输或转换，再向外部输出一种能量包括一次功能和二次功能材料的分类功能材料具有任一种功能的材料都可称之为功能材料在国民经济各行业中，功能材料的用量虽然不如结构材料那样多，但作用非常大，尤其是在高科技领域近十多年来，功能材料成为材料科学与工程领域最活跃的部分，以约5%/年速度增长，相当于年每有1.25万种新材料问世材料的功能，确切地说是向材料输入某种能量，经过材料的传输或转52当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于同一种形式时，材料仅起能量传递的作用，此种功能为一次功能材料的分类功能材料力学性能：惯性、粘性、流动性、超流动性、润滑性、制动性、成型性、超塑性、高弹性、恒弹性、超弹性、粘弹性、防振性等声学性能：吸音性、隔音性等热学性能：隔热性、传热性、吸热性、蓄热性等光学性能：透光性、遮光性、反射性、折射性、光吸收性、光偏振性、聚光性、分光性等电学性能：导电性、超导性、绝缘性等磁学性能：软磁性、硬磁性等化学性能：催化作用、吸附作用、生化作用、酶反应、气体吸收性等其他性能：电磁波特性、放射特性等当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于同一种形式时，材料仅53当向材料输入的能量和材料输出的能量属于不同形式时，材料起能量转换作用，此种功能为二次功能材料的分类功能材料机械能与其他能量的转换：

(反)压电、(反)磁致伸缩、摩擦发热(光)、冲击发热、热弹性、光弹性、形状记忆、感应发光、冲压发光、声光、(反)机械化学效应电能与其他能量的转换：电磁、电阻发热、热电、光电、场致发光、电化学磁场与其他能量的转换：

热磁、磁冷冻、光磁热能与其他能量的转换：

激光加热、热刺激发光光能与其他能量的转换：光化学反应、光致抗蚀、化学发光、感光反应、光致伸缩、光电效应当向材料输入的能量和材料输出的能量属于不同形式时，材料起能量54如何获得新材料■将从未结合在一起的元素结合起来(复合新材料)■改进现有的材料(改性材料)材料改性思路□使用要求促进了材料的发展，如针对飞机用轻型材料，研制成了Al-Li合金；考虑到发动机需要耐高温材料，研制新型精密陶瓷；许多场合要求材料内部具有高韧性，而表面要耐磨、耐腐蚀，因而进行材料表面改性等□工艺手段的进步，使材料改进成为可能，新材料才能由理想变成现实。石英玻璃纯度提高，大直径单晶硅片的制造都涉及工艺问题□向大自然学习。虽然人类改造自然、征服宇宙取得了巨大的成功，但人类对自然的认识和模拟还远远不够材料的分类如何获得新材料■将从未结合在一起的元素结合起来(复合新材55传统材料与国民经济支柱产业密不可分传统材料的特点

量大、面广矿产资源消耗大户制备过程中污染严重材料的分类按发展历史，可分为传统材料、先进材料开发节约资源、低污染的生产流程发展环境友好材料开发高性能、长寿命材料用新技术改造传统材料生产流程在新形势下，应关注传统材料的可持续发展策略传统材料与国民经济支柱产业密不可分传统材料的特点材料的分类按56电子光电技术航空航天技术水陆运输技术材料的分类先进材料是社会现代化的先导全球经济一体化信息功能材料将得到更高的重视先进结构材料的研究与开发是永恒的主题能源材料的开发有广阔的前景有机高分子材料有更多发展生物材料受到更大的重视纳米材料及制备技术的研究与开发先进材料的开发，是发展高技术产业的先导电子光电技术材料的分类先进材料是社会现代化的先导全球经济一体57材料的选择动机

首次开发、生产一种新产品、新零件或新装置现有产品的改进和更新换代零件过早失效甚至灾难性事故发生后，需改变用材基本过程材料的选择动机首次开发、生产一种新产品、新零件或581.大多数设计中创新部分很少2.设计的理论基础不完善，设计中存在着许多未知因素3.把选材归入设计过程的后期

—根据前人的经验进行设计和选材

—采用过大的安全系数

—过分依赖手册，把材料看成一种抽象的性能

—倾向于选用所谓“万能材料”在材料科学与工程科学理论的指导下进行设计过程计算机化、系统化材料的选择传统设计观念现代设计观念在材料科学与工程科学理论的指导下进行材料的选择传统设计观念现59材料选用原则(一)使用性能原则首要原则(二)工艺性能原则(三)经济性原则(四)环境与资源原则根本原则材料的选择——材料选用原则(一)使用性能原则首要原则(二)工艺性能原60■工作条件分析■失效分析■确定制品对使用性能的要求■根据工作应力、使用寿命或安全性，确定性能指标(如强度、韧性、塑性、硬度等)具体数值但是，在利用具体性能指标时，须注意□有的可直接用于设计计算，例如屈服强度等有些则不能直接应用于设计计算，如冲击韧性及塑性指标□材料的性能不能简单等同于手册上的某一个确定的数值材料选用原则使用性能原则首要原则材料的选择—■工作条件分析材料选用原则使用性能原则首要原则材料的选择61工艺性能原则设计中的选材决定必然影响整个生产过程的技术要求选材在某种程度上“决定”了制造方法一旦发现不能很经济地将材料加工成所要求的形状，选材变得毫无意义机械制造—采用适当的工艺方法，改变材料的形状和性质，获得合格的制品并加以合理组装的过程流动、切削、连接成形在各阶段会有变化，可借助于热处理等调控制造过程的基本目的

一定的形状和尺寸一定的性能一定的精度材料选用原则材料的选择工艺性能原则设计中的选材决定必然影响整个生产过程的技术要求62金属材料的工艺性能粉末冶金焊接塑性成形铸造毛坯预先热处理制品切削加工最终热处理材料选用原则材料的选择金属材料的工艺性能粉末冶金焊塑性成形铸毛坯预先热处理63粉末成形加工配料压制烧结磨削加工制品热处理陶瓷材料的工艺性能材料选用原则材料的选择粉末成形加工配料压制烧结磨削加工制品热处理陶瓷材料的工艺64切削加工高分子材料的工艺性能材料选用原则材料的选择喷射挤出注塑热压真空成型毛坯制品热处理焊接等切削加工高分子材料的工艺性能材料选用原则材料的选择喷射挤出65经济性原则——根本原则产品消费的总成本购置价格使用成本固定成本制造厂利润维护费维修费保险费折旧费日常开支行政费批发零售费研发费可变成本(生产成本)基本材料成本制造成本材料选用原则材料的选择经济性原则——根本原则产品消费的总成本购置价格使用成本固定成66环境与资源原则能源和资源消耗少世界能源储藏量石油天然气煤铀可开采储量9970亿桶138万亿m3104万吨200万吨可开采年限45.56421974主要产地及储量中东66.4%独联体、中东70%美、俄、中、澳>70%重要金属的世界储量储量(106t)可用年数再生率(%)Fe1×10610931.7Al11703516.9Cu3082440.9Zn1231821.2Mo5.436Ag0.21441.0Cr775112Ti14751材料选用原则材料的选择环境与资源原则能源和资源消耗少世界能源储藏量石油天然67环境污染小材料矿物燃料能耗排碳量MJ/KgMJ/m3Kg/tKg/m3木材1.5~2.8750~139030~5615~28混凝土2.0480050120钢材35266,0007005320一次铝4351,100,000870022,000再生铝1333,000木材混凝土钢塑料铝、镁及钛合金E

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b24145100~500475~1002710~1029一定性能水平下的材料能耗E─生产每kg材料的能耗;

─材料密度;

b─抗拉强度生产各种材料消耗的能量及碳的排放量环境与资源原则材料选用原则材料的选择环境污染小矿物燃料能耗排碳量MJ/KgMJ/m3Kg/tKg68■性质指材料对电、磁、光、热、机械载荷的反应，是材料功能特性和效用（如电、磁、光、热、力学等性质）的定量度量和描述，或对外界刺激（如电场、磁场、温度场、力场等）的整体响应■效能是材料固有性质与产品设计、工程能力和人类需求相融合在一起的一个要素，必须以使用性能为基础进行设计才能得到最佳的方案材料的要素■性质材料的要素69■结构/成分材料含有从原子和电子尺度到宏观尺度的结构体系在这些结构尺度上，化学成分和分布是立体变化的，这是所采用的合成和加工的结果■合成/制备建立原子、分子和分子聚集体的新排列，在从原子尺度到宏观尺度的所有尺度上对结构进行控制，以高效而有竞争力地制造材料和零件

合成与制备过程内容很丰富，包括传统的冶炼、铸锭、制粉、压力加工、焊接等，也包括新发展的真空溅射、气相沉积等工艺；从微观水平到宏观水平，从制取高纯单一元素到多种材料复合，各种化学的、物理的、机械加工的方法均应综合应用，这对实现