中国矿业大学《材料科学基础》绪论省公开课金奖全国赛课一等奖微课获奖课件

2024/4/13材料科学基础Ⅰ张亚非83884742zyafei11@126.com1/252024/4/13绪论0.1材料定义0.2材料学发展史0.3研究内容及方法0.4材料科学研究意义0.5本课程特点和学习方法2/252024/4/130.1材料定义广义：人们思想意识之外全部物质。

结构物质世界基础要素——材料狭义：当人们注意到物质含有特征，并试图将这些特征加以利用时，才把“物质”看作“材料”。有用物质——材料通常意义材料：在工业和尖端技术中广泛而着重应用物质。含有主要用途物质——材料3/252024/4/13基础材料无机非金属（玻璃、陶瓷）氧化物及硅酸盐等金属（各种金属及合金）矿石高分子（塑料、纤维、橡胶）石油、天燃气等复合材料：由上述三种基础材料合理组合而成。分类4/252024/4/13材料特征性能—材料对外部刺激抵抗能力。如：外力、环境温度、腐蚀性物质刺激。

强度、硬度、塑性、韧性、耐热性、耐腐蚀性…功效—材料对外部刺激特异反应能力。对材料输入信号时，物质因发生质或量改变，所产生输出效应。如：热电、光电、压电、分离吸附、催化…材料减震、导热、导电、导磁也归入功效范围5/252024/4/13功能材料举例材料信号转换应用液晶热或电颜色测温、液晶显示热电温度热电势或电流热电偶（阻）光电光照电势或电流光电管石英振子电流固定频率振荡石英钟6/252024/4/13按用途分类结构材料—利用材料良好力学、热学、化学性能。制备工程构件、机械零件等。功效材料—利用材料特殊功效性。制备含有特殊电、磁、声、光等器件，及各种传感器等。材料是制造业基础，在工业链中处于上游产业。7/252024/4/130.2材料学发展史一门古老而又新兴学科。材料应用可追溯到数千年以前。陶瓷、金属、羊毛、兽皮、木材等。材料使用可作为人类历史时期划分标志：石器→青铜器→铁器时代。当代技术三大支柱：材料、信息、能源。新技术革命标志：新材料、信息技术、生物技术。8/252024/4/13金属材料19世纪以前，不论从材料制备工艺水平、生产规模，还是在产品数量上都非常低下。材料学完全处于原始“技艺”状态，根本谈不上科学。因为当初科技水平限制，人们只能依据经验，对材料加工制造工艺与性能之间关系进行粗浅探索归纳。在工业上应用进行了半个世纪，历史上曾出现过“工程材料”、“材料工学”等科目，但未能在理论上说明材料科学规律。制备工艺性能9/252024/4/1319世纪以后，反射式金相显微镜诞生，矿物学家索拜拍下了第一张钢显微组织照片，随即各种金属材料显微组织得以一一显示。从此人们开始对材料微观及宏观组织，加工制造工艺与性能之间关系进行归纳总结，于是诞生了“金相学”。亚共析钢组织金相图工艺性能组织10/252024/4/13金相学诞生，使人们从中得到了不少好处，开发了一批更高性能金属材料，同时也刺激了人们了解探索材料精细结构欲望。19世纪后期到20世纪中期：伦琴发觉了X射线，劳埃和布拉格创建了晶体X射线衍射分析方法。尤其近几十年来，其它近代试验伎俩如：透射、扫描电子显微镜，电子衍射和电子探针等得到发展与应用。大大加深了人们对材料内部精细结构认识。11/252024/4/13伴随当代科学技术和工业生产快速发展，学科间相互渗透：从热力学、金属物理、弹塑性理论等学科中吸收了必要理论基础。使人们对金属材料化学成份、加工过程与组织结构和性能之间关系有了深入了解，形成了完整学科体系。此时“金相学”远远不能囊括本学科研究内容，于是诞生了

——“金属学”。制备加工性能成份组织结构12/252024/4/13无机非金属材料经历了长久寂静古老材料。直到20世纪后期，伴随无机化学蓬勃发展，“陶瓷工学”、“陶瓷化学”应运而生。尤其在近几十年取得了惊人发展。当代陶瓷概念已远远超出了传统陶与瓷范围。它主要采取人工精制高纯超细无机粉末为原料，经过准确化学计量来配制高性能硅酸盐、氧化物、碳化物和氮化物等新型陶瓷材料。13/252024/4/13它以其卓越性能（功效）、繁多品种、强大功效和广泛用途进入国民经济各个领域，尤其在电子技术、核技术和空间技术中占有十分主要，甚至是关键不可替换地位。依据日本通产省和美国商务部对新材料需求预测，在近几十年内，无机非金属材料增加率将是最快，“被誉为二十一世纪材料”。14/252024/4/13高分子材料——

年轻新型材料在有机化学基础上，“高分子化学”、“高分子物理”脱颖而出。经历了以下标志性里程碑式发展：尼龙66、聚脂、丙烯酸类三大合成纤维问世。

一扫人们认为高聚物等于粗劣代用具坏印象。齐格勒—纳塔催化剂创造。

确立了人工控制“立构规整性”及“分子量分布”合成方法。15/252024/4/13差示扫描量热法DSC和差热分析DTA发展。大幅提升了高分子检测技术速度和准确度。

近几十年来，可与金属挑战各种工程塑料制品已经普及。相关高聚物“分子设计”及“材料设计”科学及关键技术，已到达了相当成熟水平。16/252024/4/13新时代诞生在应用方面：各种材料相互配合、替用日渐广泛。如：聚合物或金属+无机纤维组成高性能复合材料；陶瓷替换金属作高温材料；塑料替换金属作轻型材料；

——迎来了灵活应用新时代17/252024/4/13材料科学材料学材料工程—工艺学（加工与制造）金属学陶瓷（结构、化学）高分子（物理、化学）学科间相互渗透，人们逐步发觉，金属学、陶瓷学

和高分子物理中一些规律能够相互借鉴，而且还

有许多共性。于是提出了“材料科学”作为研究材料共

性规律学科。这么有利于在工业各个领域中更有效

施用材料，也有利于学科发展。18/252024/4/130.3研究内容及方法1、内容材料科学：（回答为何）研究成份—

加工工艺—

组织结构—性能之间关系。含有一定可预见性。材料工程：（该怎样做）依据使用性能要求，怎样科学设计，制订合理加工路线和工艺参数，制备高性价比材料。成份加工工艺性能材料四要素组织结构19/252024/4/132.方法材料科学——

基础研究以科学构想为基础，经试验研究，探索材料共性规律，创造性地制做新材料，将其性能（功效）评价作为研究结果。特点：不确定性，重大结果经常是“意外收获”。材料工程——

应用研究从事材料开发应用。以材料科学结果为基础，经试验研究，寻求愈加合理新工艺，完善现有工艺。以生产高性价比产品为目标。20/252024/4/130.4材料科学研究意义材料是国民经济基础，当代化标致。当代技术三大支柱：材料、能源、信息。新技术革命标志：新材料、信息技术、生物技术。重大技术革命产生，依赖于新材料突破。21/252024/4/13历史见证半导体材料---集成电路、计算机技术。跨入当代化门槛。

光导纤维---光通讯。步入了高信息时代。高强度复合材料---太空探测器、宇宙飞船。冲出地球在太空遨游。超导材料---超高速计算机、低能耗超导电机、磁悬浮列车。22/252024/4/13超导体优势:载流能力高:比Cu、Al线高2-3个数量级。重量轻:5万高斯中型磁体,常规电磁铁重达20吨,超导体仅几千克。电能损耗小:磁场强度为17.5万高斯