材料科学与工程的基础知识

材料科学与工程的基础知识汇报人：XX2024-01-16目录材料科学与工程概述材料结构与性能材料制备与加工技术材料表面科学与工程材料腐蚀与防护材料科学与工程前沿领域01材料科学与工程概述定义与范围010203材料科学与工程是研究材料的制备、组织结构、性能、应用及其相互关系的学科。它涵盖了金属、陶瓷、高分子、复合材料等各类材料，以及材料的物理、化学、力学、热学等性能。材料科学与工程还涉及材料的合成、加工、改性、测试、评价和应用等方面。03当前，材料科学与工程正朝着跨学科、多功能、智能化的方向发展，不断推动着人类社会的进步。01材料科学与工程的发展经历了从经验到科学、从宏观到微观的历程。02随着科技的进步，现代材料科学与工程已经深入到原子、分子层面，借助先进的实验手段和计算机模拟技术进行研究。发展历程及现状材料是科技进步的先导和物质基础，材料科学与工程的发展对于推动社会进步具有重要意义。材料科学与工程的应用领域广泛，包括能源、环境、信息、生物医学、航空航天、国防等各个领域。例如，高性能材料的研发对于提高能源利用效率、减少环境污染具有重要作用；生物医用材料的开发对于提高医疗水平和人类健康水平具有重要意义。重要性及应用领域02材料结构与性能晶体结构晶体是由原子、离子或分子按一定规律在三维空间周期性排列构成的固体。常见的晶体结构有立方晶系、四方晶系、六方晶系等。晶体缺陷晶体缺陷是指晶体中原子排列的周期性被破坏的地方。根据缺陷的维度，可分为点缺陷（如空位、间隙原子）、线缺陷（如位错）和面缺陷（如晶界、相界）。晶体结构与缺陷相图是用来表示材料相平衡关系的图形，通常由温度、压力和成分等参数构成。常见的相图有二元相图、三元相图等。相变是指材料在固态下，由于温度或压力的变化，从一个相转变为另一个相的过程。常见的相变有熔化、凝固、升华、凝华以及固态相变等。相图与相变相变相图力学性能力学性能是指材料在外力作用下所表现出的性能，如强度、硬度、韧性、疲劳强度等。变形行为变形行为是指材料在受到外力作用时发生的形状和尺寸变化。常见的变形行为有弹性变形、塑性变形和蠕变等。力学性能与变形行为物理性能是指材料在力、热、光、电等物理因素作用下所表现出的性能，如密度、热导率、电导率、磁导率等。物理性能化学性能是指材料与周围介质发生化学反应时所表现出的性能，如耐腐蚀性、抗氧化性、催化活性等。化学性能物理化学性能03材料制备与加工技术冶炼与铸造技术冶炼通过高温熔炼矿石或金属氧化物，以获取金属或合金液体的过程。冶炼技术包括火法冶炼和湿法冶炼。铸造将熔融金属或合金倒入模具中，冷却凝固后得到所需形状和尺寸的金属件的过程。铸造技术包括砂型铸造、金属型铸造、压力铸造等。塑性变形金属在外力作用下发生形状改变而不断裂的现象。塑性变形加工技术包括锻造、轧制、挤压、拉拔等。锻造通过锤击或压力使金属坯料变形，以获得所需形状和尺寸的金属件的过程。锻造技术包括自由锻造和模锻。塑性变形加工技术010203粉末制备通过物理或化学方法将金属或非金属原料制成粉末的过程。粉末制备技术包括机械粉碎法、化学还原法、电解法等。压制成型将粉末放入模具中，施加压力使粉末紧密结合形成所需形状的过程。压制成型技术包括冷压成型和热压成型。烧结将压制成型后的粉末加热至一定温度，使其颗粒间发生冶金结合，从而提高制品的密度和强度的过程。烧结技术包括固相烧结和液相烧结。粉末冶金技术物理气相沉积利用物理过程将材料从源物质蒸发或升华，并在基体上冷凝形成薄膜的过程。物理气相沉积技术包括真空蒸镀、溅射镀膜等。化学气相沉积通过化学反应在基体表面生成薄膜的过程。化学气相沉积技术包括化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积等。液相沉积将材料溶解在溶剂中，通过控制溶液的浓度、温度和pH值等条件，使材料在基体上析出形成薄膜的过程。液相沉积技术包括溶胶-凝胶法、电镀法等。薄膜制备技术04材料表面科学与工程液体表面分子间相互作用力不平衡导致的张力，影响液体形状和界面行为。表面张力液体在固体表面铺展的能力，与表面张力、接触角和界面能有关。润湿现象不同相之间界面处的特殊现象，如吸附、界面反应和界面能等。界面效应表面现象与界面效应去除表面污染物，如油脂、氧化物和颗粒等，常用方法有溶剂清洗、化学清洗和超声波清洗等。清洗粗糙化钝化增加表面积和改变表面形貌，提高涂层附着力，常用方法有喷砂、酸蚀和激光刻蚀等。通过化学反应使金属表面形成一层难溶的保护膜，防止金属腐蚀，如钢铁的磷化和铝的阳极氧化等。030201表面处理技术ABDC电镀利用电解原理在金属表面沉积一层金属或合金，如镀锌、镀镍和镀铬等。化学镀通过化学反应在金属或非金属表面沉积一层金属或合金，如化学镀铜和化学镀镍等。喷涂利用喷枪将涂料喷涂到物体表面，形成一层保护或装饰涂层，如喷漆、喷粉和喷塑等。真空镀膜在真空环境下将金属或非金属材料蒸发并沉积到基体表面，形成一层薄膜，如真空蒸镀、溅射镀膜和离子镀等。涂层与薄膜技术显微镜观察X射线衍射分析电子能谱分析接触角测量利用光学显微镜、电子显微镜等观察表面形貌和微观结构。通过X射线在晶体中的衍射效应分析表面相组成和晶体结构。利用电子束与物质相互作用产生的特征X射线分析表面元素组成和化学状态。通过测量液体在固体表面的接触角评估表面润湿性和界面张力。0401表面分析测试方法020305材料腐蚀与防护金属与非电解质直接发生纯化学作用而引起的破坏。化学腐蚀金属与电解质溶液发生电化学作用而引起的破坏。电化学腐蚀金属由于单纯的物理溶解作用而引起的破坏。物理腐蚀金属受生物作用而引起的破坏。生物腐蚀腐蚀类型及机理选择具有耐蚀性的合金，如不锈钢、耐蚀合金等。耐蚀金属材料选择具有耐蚀性的非金属材料，如陶瓷、塑料等。耐蚀非金属材料通过复合技术将耐蚀材料与基体材料相结合，提高材料的耐蚀性能。耐蚀复合材料耐蚀材料选择与设计表面涂层在金属表面涂覆耐蚀涂层，如油漆、镀层等，以隔离腐蚀介质。阴极保护通过外加电流使金属成为阴极，从而抑制金属的腐蚀。缓蚀剂在腐蚀介质中添加少量能减缓金属腐蚀的物质。合理设计通过改变金属的结构和形状，减少或消除应力集中和缝隙等易引起腐蚀的因素。腐蚀防护技术与方法失重法电阻法电化学法声发射法腐蚀监测与评估通过测量金属在腐蚀前后的质量损失来评估腐蚀程度。通过测量金属在电解质溶液中的电化学参数来评估腐蚀程度。通过测量金属的电阻变化来评估腐蚀程度。通过监测金属在腐蚀过程中产生的声发射信号来评估腐蚀程度。06材料科学与工程前沿领域

纳米材料与技术纳米材料在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料。纳米效应纳米材料具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等，表现出许多独特的物理化学性质。纳米技术通过特定的技术设计，在纳米尺度上合成、加工和制备材料，以实现对材料性能的精确控制。生物医用材料需具有良好的生物相容性，即不引起人体排异反应和组织炎症。生物相容性生物医用材料应具有特定的生物功能，如药物载体、组织工程支架等。生物功能性生物医用材料在医疗器械、药物载体、组织工程、再生医学等领域具有广泛应用。医学应用生物医用材料与技术能源转换能源材料可将太阳能、风能等可再生能源转换为电能或化学能进行存储和利用。能源存储通过电池、超级电容器等能源存储器件，实现电能的储存和释放。节能技术通过提高材料的热导率、降低热膨胀系数等手段