材料科学基础1市公开课一等奖省赛课微课金奖课件

材料科学基础

FundamentalsofMaterialsScience

第1页绪论(Introduction)1.1材料与人类文明1.2材料分类1.3材料科学与工程1.4未来材料1.5本课程目标第2页什么是材料材料是指人类社会能接收、经济制造有用物品物质。是含有一定性能，能够用来制作器件、构件、工具、装置等物品物质。世界万物，凡于我有用者，皆谓之材料。材料存在于我们周围，与我们生活、生命息息相关。材料是人类文明、社会进步、科技发展物质基础。第3页科学技术是第一生产力政治家：生产力进步是社会发展根本原因，而劳开工具发展是生产力进步主要原因材料学家：材料是时代进步标志材料对人类进步和当代科学技术主要性——材料是时代进步标志认识工具材料制造工具使用工具第4页石器时代第5页青铜器时代第6页铁器时代第7页历史回顾石器时代（公元前10万年）青铜器时代（公元前3000年）铁器时代（公元前1000年）钢时代（1800年）硅时代（1950年）新材料时代（1990年）——各种新材料不停涌现，已经极难用一个材料来代表当今时代特征材料是全球新技术革命四大标志之一（新材料技术、新能源技术、信息技术、生物技术）第8页材料分类按组成和化学键（或基本组成）分类依据材料性能分类按材料服役领域来分类按材料结晶状态分类按材料材料尺寸分类第9页按组成和化学键（或基本组成）分类：1.金属材料2.无机非金属材料3.高分子材料（聚合物）4.复合材料第10页1.金属材料金属材料是由化学元素周期表中金属元素组成材料。可分为由一个金属元素组成单质（纯金属）由两种或两种以上金属元素或金属与非金属元素组成合金合金又可分为固溶体和金属间化合物第11页金属材料在103种元素中，除6种惰性元素和16种非金属元素外，81种为金属元素。除Hg之外，单质金属在常温下展现固体形态，外观不透明，含有特殊金属光泽及良好导电性和导热性。在力学性质方面，含有较高强度、刚度、延展性及耐冲击性合金是由两种或两种以上金属元素，或金属元素与非金属元素熔合在一起形成含有金属特征新物质。合金性质与组成合金各个相性质相关，同时也与这些相在合金中数量、形状及分布相关第12页2.无机非金属材料是除金属材料、高分子材料以外全部材料总称。它与广义陶瓷材料有等同含义是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料和氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定工艺制备而成材料种类繁多，用途各异，当前还没有统一完善分类方法。普通将其分为传统（普通）和新型（先进）无机非金属材料两大类第13页陶瓷按其概念和用途不一样，可分为两大类，即普通陶瓷和特种陶瓷依据陶瓷坯体结构及其基本物理性能差异，陶瓷制品可分为陶器和瓷器传统无机非金属材料之一：陶瓷第14页特种陶瓷用于各种当代工业及尖端科学技术领域陶瓷制品包含结构陶瓷和功效陶瓷结构陶瓷主要用于耐磨损、高强度、耐高温、高刚性、低膨胀、隔热等场所功效陶瓷主要包含电磁功效、、光学功效、生物功效、核功效及其它功效陶瓷材料第15页传统无机非金属材料之二：玻璃玻璃是由熔体过冷所制得非晶态材料。依据其形成网络组分不一样可分为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃等，其网络形成剂分为SiO2、B2O3和P2O5。习惯上玻璃态材料可分为普通玻璃和特种玻璃两大类第16页传统无机非金属材料之三：水泥水泥是指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、石等材料牢靠地胶结在一起细粉状水硬性材料第17页传统无机非金属材料之四：耐火材料耐火材料是指耐火度不低于1580℃无机非金属材料。是高温技术服务基础材料尽管各国对其定义不一样，但基本含义是相同，即耐火材料是用作高温窑炉等热工设备结构材料，以及用作工业高温容器和部件材料，并能承受对应物理化学改变及机械作用大部分耐火材料是以天然矿石（如耐火粘土、硅石、菱镁矿、白云母等）为原料制造第18页3.有机高分子材料（高聚物）高聚物是由一个或几个简单低分子化合物经聚合而组成分子量很大化合物高聚物种类繁多，性能各异，其分类方法各种多样按高分子材料起源分为天然高分子材料和合成高分子材料；按材料性能和用途可将高聚物分为橡胶、纤维、塑料和胶粘剂等

第19页4.复合材料

是由两种或两种以上化学性质或组织结构不一样材料组合而成是多相材料，主要包含基本相和增强相。基体相是一个连续相材料，它把改进性能增强相材料固结成一体，并起传递应力作用；增强相起承受应力（结构复合材料）和显示功效（功效复合材料）作用复合材料既能保持原组成材料主要特色，又经过复合效应使各组分性能相互补充，取得原组分不具备许多优良性能第20页复合材料种类繁多，当前还没有统一分类方法按基体材料分类，有金属基复合材料，陶瓷基复合材料，水泥、混凝土基复合材料，塑料基复合材料，橡胶基复合材料等；按增强剂形状可分为粒子、纤维及层状复合材料4.复合材料第21页依据材料性能分类

依据材料在外场作用下其性质或性能对外场响应不一样，材料可分为结构材料和功效材料。

第22页结构材料：是指含有抵抗外场作用而保持自己形状、结构不变优良力学性能（强度和韧性等）材料。是人们熟悉机械制造材料、建筑材料，包含结构钢、工具钢、铸铁、普通陶瓷、耐火材料、工程塑料等传统结构材料（普通结构材料）以及高温合金、结构陶瓷等高级结构材料功效材料：是含有优良电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学和生物学功效及其相互转化功效，被用于非结构目标高技术材料依据材料性能分类第23页按材料服役领域来分类

依据材料服役技术领域可分为信息材料、航空航天材料、能源材料、生物医用材料等

第24页材料按结晶状态分类

单晶材料是由一个比较完整晶粒组成材料，如单晶纤维、单晶硅；多晶材料是由许多晶粒组成材料，其性能与晶粒大小、晶界性质有亲密关系。非晶态材料是由原子或分子排列无显著规律固体材料，如玻璃、高分子材料。

第25页按材料尺寸分类

材料按材料尺寸可分为：零维材料一维材料二维材料三维材料第26页材料科学关键——材料观组成+加工工艺微观组织结构性能用途第27页铜器合金百分比铜：熔点高，1083℃，可塑性佳锡：熔点低，232℃锌：熔点419℃青铜：85%Cu+15%Sn：熔点960℃，延展性增加，硬度增加，具光泽度黄铜：62%-68%Cu+Zn；熔点934-967℃，含有良好塑性，能承受冷热加工材料观-组成公元前5000年，制陶中发觉铜和锡还原，创造了炼铜术第28页工艺过程－结构（显微结构）aluminiumafterrefinementaluminiumbeforerefinement第29页不一样加工方法工件组织与性能第30页结构含义宏观结构（眼睛观察范围-0.1mm）显微结构（100m-0.1m)晶体结构（Angstron）原子结构（电子+质子+中子）第31页结构-宏观层次（0.1mm）第32页结构-显微层次（显微结构0.1mm-0.1m）AluminaDielectricceramicEquiaxedFerriteMildSteel第33页结构——显微层次第34页结构——晶体结构层次（Angstron）Y-sialongrainboundaryHRTEMimageofQuantumdotCaSe第35页结构——晶体结构层次（Angstron）BaTiO3RingdiffractionpatternofpolycrystallinegoldY-Sialon第36页材料观-结构宏观结构微观结构第37页结构含义宏观结构（眼睛观察范围-0.1mm）显微结构（晶粒尺寸、分布、100m-0.1m)晶体结构（晶胞、晶格、Angstron）原子结构（电子+质子+中子）第38页结构分析工具第39页性能材料性能：材料对外界作用响应力学性质：形变与断裂热学性质：热容量、热导率、热膨胀电学性质：电导率，介电性质磁学性质：磁化率等光学性质：折射或反射劣化：材料化学活性第40页组成-工艺过程-结构-性质之间关系材料科学关键内容组成+加工工艺微观组织结构性能用途第41页组成-结构-性质-工艺过程之间关系

材料科学与工程四个基本要素：组成+合成与加工、结构、性质、使用性能。探索这四个要素之间关系，覆盖从基础学科到工程全部内容。四个要素之间亲密关系确定了材料科学与工程这一领域，确定了材料科学基础课程教学线索第42页材料科学与工程材料科学含有“研究为何”性质。关键是建立结构－性能关系。材料工程含有“处理怎样做”性质。是能为社会所接收地取得材料结构、性能和形状。（要考虑5个判据：经济、质量、资源、环境保护、能源）材料科学为材料工程提供设计依据，为更加好地选择材料、使用材料、发展新材料提供理论基础。材料工程为材料科学提供丰富研究课题和物质基础。

材料科学和材料工程紧密联络，它们之间没有显著界限。在处理实际问题中，不能将科学原因和工程原因独立考虑。所以，人们常将二者合称为材料科学与工程。第43页材料科学基础材料科学基础是进行材料科学与工程研究基础理论它将各种材料（包含金属、陶瓷、高分子材料）微观结构和宏观性能规律建立在共同理论基础上，用于指导材料研究、生产、应用和发展第44页未来材料智能材料：感知环境改变并按照预定方式自动做出响应，类似于人体器官纳米材料环境材料第45页本课程目标本课程是针对材料学专业开设专业基础课经过这门课程学习，对材料结构，尤其是无机材料结构方面基本概念、基本理论、结构与性能关系有一个初步认识，牢靠建立材料组织结构决定材料性能这一基本概念，了解不一样材料共性与特征，了解无机材料最新发展情况，为今后从事材料科学研究工作打下必要专业基础第46页教学内容固体结构（晶体结构）晶体缺点固体中扩散形变与再结晶相变及相图第47页参考书目《材料科学基础》胡赓祥蔡洵主编，上海交通大学出版社，年11月第1版《材料科学基础》潘金生仝健民田民波主编，清华大学出版社，1998年6月第1版《材料科学基础》赵品谢辅洲孙文山主编，哈尔滨工业大学出版社，1999年8月第1版《材料科学基础》谢希文过梅丽主编，北京航空航天大学出版社，1999年1月第1版《材料科学基础》吴锵编著，东南大学出版社，年8月第1版第48页学习本课程要求材料科学是一门应用科学学习中需要理论联络实际在深入学习和牢靠掌握基础知识、基础理论同时，要思索、探索它应用培养用试验去验证理论，提升归纳试验规律能力，发展理论研究综合素质第49页学习本课程要求应修过或含有普