材料科學(xué)與專業(yè)概論

1、材料與人類文明Part 1一、什么是材料一、什么是材料Materials所有的物質(zhì)（substance）都是材料？如燃料和化學(xué)原料、工業(yè)化學(xué)品、食物和藥物材料是物質(zhì)，但不是所有的物質(zhì)都可以成為材料材料總是和一定的應(yīng)用場(chǎng)合相聯(lián)系材料是人類用以制成生活和生產(chǎn)中的材料是人類用以制成生活和生產(chǎn)中的物品、器件、構(gòu)件、機(jī)器和其他產(chǎn)品物品、器件、構(gòu)件、機(jī)器和其他產(chǎn)品的那些物質(zhì)。的那些物質(zhì)。材料可由一種物質(zhì)或若干種物質(zhì)構(gòu)成；同一種物質(zhì)，由于制備方法或加工方法的不同，可成為用場(chǎng)迥異的不同類型的材料。碳材料碳纖維、石墨、金剛石、富勒烯（碳纖維、石墨、金剛石、富勒烯（19961996化學(xué)獎(jiǎng)）、納米化學(xué)獎(jiǎng)）、納米碳管

2、、焦炭、炭黑、活性碳、石墨烯（碳管、焦炭、炭黑、活性碳、石墨烯（20102010物理獎(jiǎng)）等物理獎(jiǎng)）等氧化鋁、礬土單晶體：寶石或激光材料多孔多晶體：催化劑載體或敏感材料致密的多晶體，就可成為集成電路用的放熱基板材料、高速或硬材料機(jī)械切削用的工具材料化學(xué)上是同一種物質(zhì)，工程上是不同的材料氧化鋁陶瓷 根據(jù)氧化鋁含量不同分為75、95、99瓷；75 瓷屬于剛玉莫來石瓷， 95、99瓷則屬于剛玉瓷，它們的性能是不同的。剛玉瓷的性能最佳，一般能在1600高溫下長期使用，高溫下的蠕 變很??；并且具有優(yōu)良的電絕緣性能，特別是高頻下的電 絕緣性能很好，每毫米厚度可耐電壓 8000V以 上電壓，即只有1/3頭發(fā)直

3、徑的厚度就可耐220V的電壓。美國材料科學(xué)與工程調(diào)查委員會(huì)，把材料定義為在機(jī)器、結(jié)構(gòu)件、器件和產(chǎn)品中因其性能而成為有用的物質(zhì)。換句話說，材料是人們可用來制作物品的宇宙中物質(zhì)的子集。人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的材料已達(dá)800余萬種，每年還以25萬種的速度增長著，材料的種類繁多，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。二、材料是人類文明的里程碑每一種重要材料的發(fā)現(xiàn)和利用，都會(huì)把人類支配和改造自然的能力提高到一個(gè)新的水平，給社會(huì)生產(chǎn)力和人類生活帶來巨大的變化，把人類物質(zhì)文明和精神文明向前推進(jìn)一步。100萬年前5000B.C.1200B.C.1800A.D.1950A.D.鋼鋼鐵器鐵器青銅器青銅器石器石器高分子材料高分子材料硅硅在新石器

4、時(shí)代，人類已經(jīng)知道使用天然金和銅，但因其尺寸較小，數(shù)量也少，不能成為大量使用的材料。后來人類在找尋石料的過程中認(rèn)識(shí)了礦石，在燒制陶器過程中又還原出金屬銅和錫，創(chuàng)造了煉銅技術(shù)。大約在公元前6000年，古巴比倫王國出現(xiàn)了銅錫合金，俗稱青銅，生產(chǎn)出各種青銅器物，開始有武器、工具和生活用具，從而進(jìn)入青銅器時(shí)代。這是人類大量利用金屬的開始，是人類文 明發(fā)展的重要里程碑。中國在商周（公元前17世紀(jì)初-公元前256年）就進(jìn)入青銅器的鼎盛時(shí)期，在技術(shù)上達(dá)到了當(dāng)時(shí)世界頂峰。材料與新技術(shù)革命第一次技術(shù)革命 鋼鐵-蒸汽機(jī)第二次技術(shù)革命電氣革命，電燈、電器材料第三次技術(shù)革命電子革命，新導(dǎo)電、導(dǎo)磁材料和半導(dǎo)體材料，計(jì)算

5、機(jī)第四次技術(shù)革命？以信息科學(xué)、材料科學(xué)、生物科學(xué)為前沿，更是以各種新材料的出現(xiàn)和應(yīng)用為前提的。新型材料新型材料-當(dāng)代新技術(shù)革命的先鋒當(dāng)代新技術(shù)革命的先鋒新型材料，通常是指對(duì)現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及提高綜合國力有重大推動(dòng)作用的最新發(fā)展或正在發(fā)展的材料。具有優(yōu)異的性能和特定的功能，是發(fā)展信息、航天、生物、能源以及海洋開發(fā)等高技術(shù)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。材料- 現(xiàn)代工業(yè)的骨肉。o原子能工業(yè)、電子工業(yè)、海洋開發(fā)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)材料提出了更新、更高的要求o原子能工業(yè)需要耐輻射和耐腐蝕材料；電子工業(yè)需要超純、特薄、特細(xì)、特均勻的電子材料；海洋開發(fā)需要耐腐蝕和耐高壓的材料。倘若沒有符合要求的高質(zhì)量的材料作

6、基礎(chǔ)，便無現(xiàn)代工業(yè)可言。農(nóng)業(yè)的電氣化、機(jī)械化、化學(xué)化、水利化、工廠化等，都離不開材料的支持。新型材料是國防現(xiàn)代化的保證。o國防現(xiàn)代化的關(guān)鍵是武器裝備現(xiàn)代化。無論是常規(guī)武器還是核武器，都需要性能優(yōu)異的新型材料。o世界各國都把新型材料作為國防高技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和突破口，誰能更快地開發(fā)和應(yīng)用具有特定性能的新材料， 誰就擁有更強(qiáng)大的技術(shù)潛力。1991年海灣戰(zhàn)爭F117A隱身飛機(jī)、反輻射導(dǎo)彈、精確制導(dǎo)武器、復(fù)合裝甲坦克等性能優(yōu)異的高技術(shù)武器裝備，不難看出正是那些日新月異的結(jié)構(gòu)材料、不斷發(fā)展的高溫材料、一物多用的復(fù)合材料、巧妙神奇的功能材料等構(gòu)成了這一“現(xiàn)代高技術(shù)武器試驗(yàn)場(chǎng)”，也可以說是一次“最新軍用材

7、料展覽會(huì)和競賽表演”新型材料是科技進(jìn)步的關(guān)鍵沒有高純度的半導(dǎo)體材料，就不會(huì)有微電子技術(shù)；沒有耐數(shù)千度高溫的內(nèi)燒蝕材料和涂層材料，人類遨游太空的夢(mèng)想就無法成為現(xiàn)實(shí)；沒有低損耗的光導(dǎo)纖維，便不會(huì)出現(xiàn)光通信技術(shù)。相反，由于某些新材料不過關(guān)，有許多新技術(shù)的研究功虧一簣，難以實(shí)現(xiàn)。如太陽能的利用問題，因目前還沒有能夠找到一種價(jià)格低、壽命長、光電轉(zhuǎn)換效率很高的材料把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽灾荒堋巴柵d嘆”材料科技水平，新型材料的發(fā)展，與一個(gè)國家的經(jīng)濟(jì)活力、軍事實(shí)力和科技能力都有著十分密切的關(guān)系。各發(fā)達(dá)國家都把新材料的研究與開發(fā)放在突出的地位，競相制訂發(fā)展規(guī)劃，采取各種措施，力爭搶占新材料技術(shù)“制高點(diǎn)”，以推動(dòng)

8、本國在各個(gè)高技術(shù)領(lǐng)域持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)展。日本一馬當(dāng)先，把發(fā)展新材料 作為“技術(shù)立國”的基礎(chǔ)，并把新型材料的發(fā)展放在與微電子技術(shù) 同等重要的地位，日本政府已經(jīng)把新材料看做是走向未來的關(guān)鍵技 術(shù);美國政府則把新材料研究的重點(diǎn)放在軍事高技術(shù)領(lǐng)域，新型材料的研究與開發(fā)已進(jìn)入 “白熱化”的程度。在其國家關(guān)鍵技術(shù)報(bào)告中，美國政府列舉 了六大關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域共22項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目，而新材料技術(shù)位居六 大關(guān)鍵技術(shù)之首;西歐各國意識(shí)到新材料開發(fā)的重要性，在“尤里卡”計(jì)劃中，新材料也包括在內(nèi)。德、法等國都有政府部門制定的材料科研10年規(guī)劃”，“新材料開發(fā)計(jì)劃”等，耗資巨大。我國高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（“863 ”計(jì)劃）中，把新

9、材料領(lǐng)域列為七個(gè)重點(diǎn)研究發(fā)展領(lǐng)域之一，為國家高技術(shù)各相關(guān)領(lǐng)域提供關(guān)鍵新材料并促進(jìn)我國材料科技的發(fā)展。在國家計(jì)委新近制訂的未來十年中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)中，材料也被列為十大領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。除中長期高技術(shù)計(jì)劃外，我國新材料的研究發(fā)展工作還有國家攻關(guān)計(jì)劃、攀登計(jì)劃、火炬計(jì)劃、星火計(jì)劃等。第二部分 金屬材料 長盛不衰BC5000, 石器-銅器時(shí)代BC1200，鐵器時(shí)代銅熔點(diǎn)低，有天然銅合金-青銅（9銅1錫），黃銅（銅鋅）鉛、錫、金、銀貴金屬-賤金屬（公元初期中東煉金術(shù)）發(fā)現(xiàn)了利用木炭把礦石還原成金屬的方法哲學(xué)家弗朗西斯.培根形象的比喻：一個(gè)老人告訴他的兒子說，他把留給他們的金子埋到葡萄園里了，找不到

10、卻獲得了葡萄的豐收。中世紀(jì)-工業(yè)革命時(shí)期，向規(guī)?；l(fā)展1711年，英國 高6m，2.5m2高爐，日產(chǎn)6t鐵；1856.8英國人亨利.貝塞爾把鐵煉成鋼，他把空氣直接鼓入鐵水中，把雜質(zhì)燒掉。確遭到嘲諷；20多年后，1879.12.29 日夜，一列火車經(jīng)過曾被稱為世界工程奇跡之一的蘇格蘭泰河大鐵橋時(shí)，大橋坍塌，78 人喪生，橋斷的主要原因是鑄造缺陷和材質(zhì)問題。 血的教訓(xùn)使人們正視到當(dāng)時(shí)已能大規(guī)模生產(chǎn)的鋼是更適合的工程材料，于是，鋼軌、鋼橋、鋼船、鋼槍、鋼炮逐步取代了鑄鐵。電的產(chǎn)生與應(yīng)用-金屬是階梯1831 年邁克爾法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)原理，解決了電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)的原理；1861年安東尼奧帕西諾蒂發(fā)明了

11、用銅做的環(huán)狀繞組系統(tǒng)，使發(fā)電機(jī)的制造切實(shí)可行；1870吉諾伯格拉姆在上述基礎(chǔ)上才做成了發(fā)電機(jī)；1879年一臺(tái)發(fā)電機(jī)在柏林展覽會(huì)上表演，驅(qū)動(dòng)了一輛載載有 20名乘客的三節(jié)小型電氣機(jī)車。正是由于金屬材料優(yōu)良的導(dǎo)電性，使得電的產(chǎn)生與應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。19世紀(jì)末-20世紀(jì)中葉，合金鋼和其他金屬材料飛速發(fā)展低合金高強(qiáng)度鋼、超高強(qiáng)度鋼、合金工具鋼、高速鋼、不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼、電工用鋼等等相繼研究成功，加上鋁合金、銅合金、鈦合金、鎢合金、鉬合金、鎳合金，以及各種稀有合金，全世界合金的品種達(dá)到數(shù)萬種，生產(chǎn)量和消費(fèi)量大幅度增長。在全社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮了主導(dǎo)的作用。1910 年新的工具鋼工具鋼W18Cr4V的發(fā)

12、明震撼了世界，很高的硬度，600不下降；“高速鋼” 不銹鋼-是材料發(fā)展史上又一項(xiàng)重大成就，從20 世紀(jì)20 年代開始工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)，至今全世界年產(chǎn)量近2000 萬噸；超高強(qiáng)度鋼-20世紀(jì)40年代年代開始，一直是合金鋼發(fā)展中的熱點(diǎn)之一，和鋼的強(qiáng)韌性理論并駕齊驅(qū)，人們千方百計(jì)利用一切手段，如：固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化、彌散第二相強(qiáng)化、相變強(qiáng)化等，提高鋼的強(qiáng)度并維持良好的韌性，屢有新的突破，在制造固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、高壓容器、飛機(jī)起落架、飛機(jī)機(jī)身大梁、原子能離心分離機(jī)筒體等國防與高新技術(shù)領(lǐng)域中熠熠生輝，令人矚目。 沒有金屬材料哪能有蒸汽機(jī)、柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、切削機(jī)床？哪能有火車、汽車、拖拉機(jī)

13、、遠(yuǎn)洋輪船和飛機(jī)？哪能有坦克、大炮、火箭、導(dǎo)彈和衛(wèi)星？我們今天的物質(zhì)文明和生活質(zhì)量有多少是依賴于金屬材料的呢？金屬材料直到今天仍然是一切工業(yè)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。金屬材料的風(fēng)采金屬的力學(xué)性能堪稱“全能冠軍”。它的模量和強(qiáng)度可以和陶瓷比美，比高分子材料高得多；它的塑性和韌性則可以與高分子材料比美，是陶瓷所望塵莫及的；綜合起來，金屬在具有高強(qiáng)度的同時(shí)，具有優(yōu)良的塑性和韌性，這是其他材料所不及的。因此它作為工程材料使用時(shí)最可靠、最安全。既耐熱，又耐寒。金屬材料可以在很高的溫度下使用，雖然使用溫度比不上陶瓷，但由于陶瓷可靠性差，在重要部件上的應(yīng)用還有很大局限。因此金屬在高溫領(lǐng)域中仍然是主力

14、，而高分子材料則只能在300以下應(yīng)用。金屬又可以在很低的溫度下使用，例如液氫（-253）的容器，既有高強(qiáng)度，又有足夠的韌性，陶瓷不管在高溫還是低溫都是脆的。金屬材料有很出色的工藝性能。如鑄造、鍛造、冷沖壓性、可焊性、可切削性和可以通過各種各樣的熱處理方法或者表面處理方法調(diào)整和改變其性能的特點(diǎn)。金屬有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和鐵磁性，在電力工業(yè)中有不可替代的作用。鋼鐵-現(xiàn)代工業(yè)化的基礎(chǔ)自工業(yè)革命以來，鋼鐵一直是人類使用的最主要的結(jié)構(gòu)材料，是國家工業(yè)化的基礎(chǔ)，在這一歷史時(shí)期，鋼鐵的生產(chǎn)能力和消費(fèi)水平往往是國家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志。電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)中的工業(yè)鍋爐、高壓鍋爐及其熱交換管道，發(fā)電機(jī)中的大型轉(zhuǎn)子和葉輪，變壓器的鐵芯等。汽車工業(yè)：機(jī)床與工程機(jī)械；鐵路、橋梁；船舶、海上鉆井平臺(tái)；兵器；石油開采機(jī)械、輸油管道和泵站；化工壓力容器、反應(yīng)釜和管道；建筑鋼筋和構(gòu)架。熵判據(jù)（孤立系統(tǒng)）isosysSSS a