第1章 新材料概论

新材料概论

课程设置的指导思想：

材料是人类赖以生存和发展的物质基础，是所有科技进步的核心，是高新技术发展和社会现代化的先导，是一个国家科学技术和工业水平的反映和标志。新材料的出现和使用往往会给技术进步、新产业的形成，乃至整个经济和社会的发展带来重大影响。不断开发和有效使用材料的能力是衡量社会技术水平和未来技术发展的重要尺度。著名材料学家、两院院士师昌绪现代科技与现代文明信息材料能源新技术革命信息新材料生物美国国家研究委员会一份提交美国国会的题为“20世纪90年代的材料科学技术：在材料的时代里保持竞争力”的研究报告指出：先进材料和先进材料工艺对国家的生活水平、安全及经济实力起着关键性的作用。先进材料是先进技术的奠基石。材料的影响不仅限于具体的产品，千千万万的就业机会就依赖于我们所拥有的高质量特殊材料。材料也是处理诸如环境污染、自然资源的不断减少及其价格膨胀等一些紧迫问题的工具。材料科学与工程对影响美国经济及国防力量的重要工业部门的兴旺发展是至关重要的。

但是，新材料和新材料技术能够切实充分发挥推动社会和科技进步的作用，就不仅仅是材料科技工作者所能完成的，开发和使用材料的能力是衡量社会技术水平和未来技术发展的尺度。

开发新材料是材料科技工作者的任务，但仅仅研制出具有优异性能的材料还远远不够，只有当新材料被广泛应用，才能真正发挥其应有的作用。

因为，合理选择和使用材料是所有工程的各个领域及其设计部门的任务，而准确判断与资助优先发展方向又是政府的职能。所有这些，都应建立在相关人员对材料的总体把握与正确认识的基础上。显然，这就要求从所有工程领域的专业人员到政府官员都要对材料全貌有比较正确的了解。课程设置的目的：

对材料科学建立整体与全貌的认识，了解现有材料的分类、特性、应用范围及其与相关学科领域的关系，把握高技术新型先进材料发展的趋势，进而拓宽知识结构，提高自身的综合素质。第一章材料科学与工程综论1.1材料及其分类材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其它产品的那些物质。1、物理化学属性：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料。材料的分类方法金属原子间以金属键结合，由于金属键无方向性，因而金属材料具有良好的延展性、导热性、导电性并具有金属光泽等特点，此外，金属材料资源丰富，生产工艺成熟，工艺性能好，价格便宜，因此按使用重量来说，在工程材料中仍占主导地位，而且预计在相当长的历史时期内，金属材料的主导地位是不会改变的。

无机非金属材料即陶瓷材料，多是由兼有离子键和共价键的结晶体构成的，具有质地脆、硬度高、强度高、抗化学腐蚀性强、对电和热的绝缘性良好等特点。陶瓷材料发展很快，其成分已由以硅酸盐为主发展为不含硅酸盐的新型陶瓷材料。作为区别，欧美各国将硅酸盐材料称为“陶瓷”，而将新型无机材料称为“新型陶瓷”或“精细陶瓷”。高分子聚合物材料即有机材料是以碳-碳共价键为其基本结构，具有重量轻、耐腐蚀、绝缘性良好、易于加工成型等特点。其体积用量已超过金属材料。

C

C

C

C

C

C

C复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成的材料。复合材料综合了上述材料的某些特点，具有广泛应用前景。2、按使用性能分可分为结构材料和功能材料两大类。结构材料是以力学性能为基础，制造受力构件所用的一类材料，即利用材料的力学性能，所制备的各类器件或构件是为了承受各种形式的载荷。陶瓷轴承功能材料，即利用物质的独特物理和化学性质或生物功能，如声、光、电、磁、热及化学反应特征。光学元件软磁铁氧体3、从发展观点区分可分为传统材料和新型材料。传统材料是指那些已经成熟且在工业中已批量生产并大量应用的材料，如钢铁、水泥、普通陶瓷、砖瓦、塑料等，也称基础材料。新型材料正在发展、具有优异性能和应用前景的一类材料。人造软骨

新型材料与传统材料之间没有明显的界限。传统材料通过采用新技术，提高技术含量，提高性能，大幅度增加附加值而成为新型材料；新材料在经过长期生产与应用之后也就成为传统材料。传统材料是发展新材料和高技术的基础，而新型材料又往往能推动传统材料的进一步发展。（超级钢、块体纳米）

1.2材料是人类社会进步的里程碑

材料是人类文明的物质基础，从远古的石器时代到青铜器时代，然后再进入铁器时代，每一种新材料的出现和使用，都伴随着生产力和科学技术的发展，标志着人类文明的进步。人类、材料和技术的演变史人类社会的几个时代

1．石器时代：公元前100万年2．青铜器时代：公元前5000年3．铁器时代：公元前3000年4．钢时代：1800年5．硅时代：1950年6．新材料时代：1990年

综观人类发现材料和利用材料的历史，每一种重要材料的发现和广泛利用，都会把人类支配和改造自然的能力提高到一个新水平，给社会生产力和人类生活水平带来巨大变化，把人类的物质文明和精神文明向前推进一步。公元前100万年左右旧石器时代：人类为了生存、抵御猛兽袭击和猎取食物开始用石头做工具，如石刀、石铲、石斧、石球等，工具制作粗糙，用途尚未分化。新石器时代：主要标志是出现经过加工的刀口锋利的石器及陶器（黏土成型），并伴随着人类开始应用砖瓦等建筑材料（石头、土瓦、植物枯杆等），以及出现了纺织品、丝织品（皮毛、棉花、蚕丝等）。1.石器时代原始人打制的石器用于碾磨谷物的石盘石斧旧石器时代各种石制品

2.青铜器时代公元前5000年左右这是人类较大量利用金属的开始，青铜—铜锡合金，这是最原始的合金，而且添加锡、铅的铜合金熔点低，铸造性能良好，主要用作武器、生活用具、生产工具等。世界各地开始青铜器时代的时间各不相同，希腊在公元前3000年前；埃及在公元前2500年前；巴比伦在公元前19世纪中叶；印度大约在公元前3000年已广泛使用青铜器；中国在公元前2700年已经使用青铜器了，到商周进入了鼎盛时期，并将青铜器的冶炼和铸造技术推向了世界顶峰。温文尔雅的四羊方尊青铜乐器秦剑越王勾践剑的主要的成份是青铜和锡，还含有少量的铅、铁、镍和硫等，剑身的黑色菱形花纹是经过硫化处理的，剑刃精磨技艺水平可同现在精密磨床生产的产品相媲美，充分显示了当时越国铸剑工匠的高超的技艺。

举世闻名的越王勾践青铜剑，1965年12月出土于湖北省江陵望山的一号楚国贵族墓（距春秋时代楚国别都纪南城故址七公里）。考古工作者在墓主人身体的左手边，发现一柄装在黑色漆木箱鞘内的名贵青铜剑。青铜剑与剑鞘吻合得十分紧密。拔剑出鞘寒光耀目，而且毫无锈蚀，刃薄锋利。试之以纸，20余层一划而破。剑全长为55.6厘米，其中剑身长45.6厘米，剑格宽5厘米。剑身满饰黑色菱形几何暗花纹，剑格正面和反面还分别用蓝色琉璃和绿松石镶嵌成美丽的纹饰，剑柄以丝绳缠缚，剑首向外形翻作圆箍，内铸有极其精细的11道同心圆圈四川三星堆青铜器3.铁器时代

公元前3000年左右人类开始进入了铁器时代，中国最早出土的人工冶炼铁制品约在公元前9世纪。高温下用木炭还原铁矿石生产的铁，具有较高的强度，可加工性能良好，用作武器和器件等。中国是世界上最早发明并使用生铁的国家，始于公元前8世纪，到春秋末期，生铁技术有较大的突破，遥遥领先于世界其它地区。铁器的推广与使用，是古代历史上一件大事。铁作为耕器使用，提高了农业生产力，促进了井田制的崩溃，从而加速了奴隶制的崩溃，对当时的社会经济具有重要意义。铁器时代战国铁犁头战国铁锄4.钢时代

1800年左右钢的性能及利用有了飞速发展。钢：含碳量0.2%-2.11%，①高温下具有高强度的蒸汽机的发明②农业经济社会进入工业经济社会③导致了大规模的机械化生产，引起了第一次产业革命，即工业革命。5.硅时代

1950年①二极管、三极管的发明，进入电子管时代。②硅、锗半导体材料的出现，使晶体管取代电子管，进入硅时代。③单晶硅生产集成电路，开始向微型化方向发展。6.新材料时代

1990年新材料是指那些正在发展，且具有一般传统材料所不可比拟的优异性能或特定功能、应用前景良好的一类材料。时代特征：由多种材料决定社会和经济发展以人造为特征为了特定的需要可设计和加工而成氮化硅结构陶瓷被用作航天飞机的防热瓦多元材料时代