南京大學(xué)材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)chapter

1、 工程材料科學(xué)與設(shè)計(jì)工程材料科學(xué)與設(shè)計(jì)（James P. SchafferJames P. Schaffer等著）等著）余永寧等翻譯余永寧等翻譯機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械工業(yè)出版社材料科學(xué)與工程緒論材料科學(xué)與工程緒論材料科學(xué)與工程講義2The study certainly is not the life complete. But, since continually life part of studies also is unable to conquer, what but also can make?學(xué)習(xí)并不是人生的全部。但，既然連人生的一部學(xué)習(xí)并不是人生的全部。但，既然連人生的一部分分學(xué)習(xí)

2、也無法征服，還能做什么呢？學(xué)習(xí)也無法征服，還能做什么呢？材料科學(xué)與工程講義3Advance materials and advanced processing of materials are critical to the nations quality of life, security, and economic strength. Advanced materials are the building blocks of advance technologies. Reprinted from Materials Science and Engineering for the 1990

3、s:Maintaining Competitivenese in the Age of Materials 材料科學(xué)與工程講義4I 從世界錦標(biāo)賽的泳衣說起從世界錦標(biāo)賽的泳衣說起材料科學(xué)與工程講義5從世界錦標(biāo)賽的泳衣說起從世界錦標(biāo)賽的泳衣說起據(jù)悉，據(jù)悉，Jaked兜售的新款泳衣確實(shí)有過人之處，該款泳衣表面兜售的新款泳衣確實(shí)有過人之處，該款泳衣表面布滿非滲透性材料之一的聚氨酯，其具有良好的伸縮性，在專業(yè)布滿非滲透性材料之一的聚氨酯，其具有良好的伸縮性，在專業(yè)泳衣中普遍使用。在去年幫助選手創(chuàng)造了泳衣中普遍使用。在去年幫助選手創(chuàng)造了73項(xiàng)世界紀(jì)錄的項(xiàng)世界紀(jì)錄的Speedo LZR Racer (“鯊魚

4、皮四代鯊魚皮四代”)正是擁有聚氨酯的尖端技正是擁有聚氨酯的尖端技術(shù)。術(shù)。Speedo中國網(wǎng)站曾分析說，中國網(wǎng)站曾分析說，Speedo LZR Racer表面多加一層表面多加一層聚氨酯，能夠有效將水阻力降低聚氨酯，能夠有效將水阻力降低10%，減少，減少5%的耗氧量，泳裝的耗氧量，泳裝整體吃水量得以減少約整體吃水量得以減少約69%，菲爾普斯曾形容自己穿上它后就，菲爾普斯曾形容自己穿上它后就“感覺自己像一支被發(fā)射的火箭感覺自己像一支被發(fā)射的火箭”。正因?yàn)檎驗(yàn)镴aked的聚氨酯分布，讓這次同場競技的一些運(yùn)動(dòng)員猜的聚氨酯分布，讓這次同場競技的一些運(yùn)動(dòng)員猜測這些驚人的世界紀(jì)錄與泳衣的作用不無關(guān)系。測這些

5、驚人的世界紀(jì)錄與泳衣的作用不無關(guān)系。材料科學(xué)與工程講義6伊辛巴耶娃的撐桿材料科學(xué)與工程講義7伊辛巴耶娃的撐桿1930年代，各國運(yùn)動(dòng)員使用的撐桿是日本產(chǎn)的竹子，跳躍高度不超過4米。第二次世界大戰(zhàn)后，出現(xiàn)了鋁合金金屬桿，成績提高到4.77米。1960年代，撐桿跳高發(fā)生了劃時(shí)代的變化，運(yùn)動(dòng)員改用尼龍撐桿，不久又換為碳纖維桿。從此，世界紀(jì)錄屢屢被刷新。材料科學(xué)與工程講義8 成績提高的原因就在于撐桿的力學(xué)特性。與竹竿和鋁合金桿相比，玻璃纖維桿和碳纖維桿在受到?jīng)_力時(shí)能產(chǎn)生大幅度的形變，這種形變可將接受的動(dòng)能迅速轉(zhuǎn)化為勢能，而當(dāng)撐桿恢復(fù)原來的形狀時(shí)，其勢能又以彈力的形式作用于運(yùn)動(dòng)員，將人體“彈”起。另外，由

6、于撐桿受力后能迅速彎曲，桿繞插頭向前轉(zhuǎn)動(dòng)的半徑減小，這樣就加大了轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，而使撐桿能較快地豎直。材料科學(xué)與工程講義9II II 材料在技術(shù)發(fā)達(dá)社會(huì)中的作用材料在技術(shù)發(fā)達(dá)社會(huì)中的作用-1-1光纖通訊光纖通訊 18801880年，貝爾發(fā)明了一種利用光波作載體的光電話，但是由于找不年，貝爾發(fā)明了一種利用光波作載體的光電話，但是由于找不到理想的光源和傳輸媒介，因此光纖通訊長期得不到發(fā)展。到理想的光源和傳輸媒介，因此光纖通訊長期得不到發(fā)展。19661966年高錕博士發(fā)現(xiàn)提高年高錕博士發(fā)現(xiàn)提高SiOSiO2 2的純度可以減少光傳播過程中的損耗。的純度可以減少光傳播過程中的損耗。19701970年康寧公司

7、用高純石英玻璃制造出光導(dǎo)纖維。年康寧公司用高純石英玻璃制造出光導(dǎo)纖維。19751975年，美國亞特蘭大實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的光纖通訊實(shí)驗(yàn)成功。年，美國亞特蘭大實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的光纖通訊實(shí)驗(yàn)成功。材料科學(xué)與工程講義10材料在技術(shù)發(fā)達(dá)社會(huì)中的作用材料在技術(shù)發(fā)達(dá)社會(huì)中的作用-2-2集成電路集成電路 integrated circuit 集成電路是采用專門的設(shè)計(jì)集成電路是采用專門的設(shè)計(jì)技術(shù)和特殊的集成工藝，把技術(shù)和特殊的集成工藝，把構(gòu)成半導(dǎo)體電路的晶體管、構(gòu)成半導(dǎo)體電路的晶體管、二極管、電阻、電容等基本二極管、電阻、電容等基本元器件，制作在一塊半導(dǎo)體元器件，制作在一塊半導(dǎo)體單晶片（例如硅或砷化鎵）單晶片（例如硅或砷化鎵）

8、或絕緣基片上，能完成特定或絕緣基片上，能完成特定功能或者系統(tǒng)功能的電路集功能或者系統(tǒng)功能的電路集合。合。材料科學(xué)與工程講義11材料在技術(shù)發(fā)達(dá)社會(huì)中的作用材料在技術(shù)發(fā)達(dá)社會(huì)中的作用-2-2CPU 45納米工藝納米工藝 英特爾、德州儀器、英特爾、德州儀器、AMD、中芯國際、中芯國際 CPU 32納米工藝納米工藝 英特爾完成英特爾完成32納米工藝開發(fā)納米工藝開發(fā) 計(jì)劃第四季度投產(chǎn)計(jì)劃第四季度投產(chǎn)CPU 28納米工藝納米工藝 臺灣半導(dǎo)體制造公司（臺灣半導(dǎo)體制造公司（TSMC）應(yīng)用金屬柵極解決方案的）應(yīng)用金屬柵極解決方案的 28納米節(jié)點(diǎn)納米節(jié)點(diǎn)可能可能已經(jīng)準(zhǔn)備就緒已經(jīng)準(zhǔn)備就緒 材料科學(xué)與工程講義12材料

9、在技術(shù)發(fā)達(dá)社會(huì)中的作用材料在技術(shù)發(fā)達(dá)社會(huì)中的作用-3-3F22猛禽戰(zhàn)斗機(jī)猛禽戰(zhàn)斗機(jī)材料科學(xué)與工程講義13材料在技術(shù)發(fā)達(dá)社會(huì)中的作用材料在技術(shù)發(fā)達(dá)社會(huì)中的作用-3-3航天工業(yè)航天工業(yè) 質(zhì)量輕、高強(qiáng)度的鋁，鈦合金質(zhì)量輕、高強(qiáng)度的鋁，鈦合金機(jī)架機(jī)架 鎳基高溫合金鎳基高溫合金強(qiáng)力高效的噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)力高效的噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī) 復(fù)合材料和陶瓷材料復(fù)合材料和陶瓷材料 隱身材料隱身材料材料科學(xué)與工程講義14材料在技術(shù)發(fā)達(dá)社會(huì)中的作用材料在技術(shù)發(fā)達(dá)社會(huì)中的作用-3-3殲殲10材料科學(xué)與工程講義15材料在技術(shù)發(fā)達(dá)社會(huì)中的作用材料在技術(shù)發(fā)達(dá)社會(huì)中的作用-4-4超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料 （例如超導(dǎo)（例如超導(dǎo)Nb-Ti導(dǎo)線導(dǎo)線）

10、全超導(dǎo)的托克馬克裝置全超導(dǎo)的托克馬克裝置 如何克服巨大的靜電斥力將原子核聚到一起，還要將它如何克服巨大的靜電斥力將原子核聚到一起，還要將它們的密度維持在一定水平以防不安全的能量爆發(fā)們的密度維持在一定水平以防不安全的能量爆發(fā)( (如氫彈就是如氫彈就是不可控的核聚變不可控的核聚變) )？ 前蘇聯(lián)科學(xué)家在前蘇聯(lián)科學(xué)家在2020世紀(jì)世紀(jì)5050年代初率先提出磁約束的概念，年代初率先提出磁約束的概念，并在并在19541954年建成了第一個(gè)磁約束裝置年建成了第一個(gè)磁約束裝置形如中空面包圈的環(huán)形如中空面包圈的環(huán)形容器形容器“托克馬克托克馬克(Tokamak(Tokamak)”)”，又稱環(huán)流器。，又稱環(huán)流器。

11、 材料科學(xué)與工程講義16材料在技術(shù)發(fā)達(dá)社會(huì)中的作用材料在技術(shù)發(fā)達(dá)社會(huì)中的作用-4-4全超導(dǎo)的托克馬克裝置全超導(dǎo)的托克馬克裝置EASTEAST 材料科學(xué)與工程講義17材料在技術(shù)發(fā)達(dá)社會(huì)中的作用材料在技術(shù)發(fā)達(dá)社會(huì)中的作用-4-4等離子體在托卡馬克裝置中的狀態(tài)等離子體在托卡馬克裝置中的狀態(tài) 材料科學(xué)與工程講義18材料在技術(shù)發(fā)達(dá)社會(huì)中的作用材料在技術(shù)發(fā)達(dá)社會(huì)中的作用-4-4可控核聚變：可控核聚變：(1)(1)超聲波核聚變超聲波核聚變(2)(2)激光約束（慣性約束）核聚變激光約束（慣性約束）核聚變: : 例如美國的國家點(diǎn)火裝置（例如美國的國家點(diǎn)火裝置（National Ignition Facility

12、National Ignition Facility） (3)(3)磁約束核聚變（托卡馬克）磁約束核聚變（托卡馬克） 例如例如 EASTEAST，ITERITER國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（International Thermonuclear Experimental International Thermonuclear Experimental ReactorReactor，縮寫為，縮寫為ITERITER）是規(guī)劃建設(shè)中的一個(gè)為驗(yàn)證全尺寸可控核聚變技術(shù)）是規(guī)劃建設(shè)中的一個(gè)為驗(yàn)證全尺寸可控核聚變技術(shù)的可行性而設(shè)計(jì)的國際托卡馬克試驗(yàn)。的可行性而設(shè)計(jì)的國際托卡馬克試驗(yàn)。它建立

13、在由它建立在由TFTRTFTR、JETJET、JT-60JT-60和和T-15T-15等裝置所引導(dǎo)的研究之上，并將顯著等裝置所引導(dǎo)的研究之上，并將顯著的超越所有前者。此項(xiàng)目預(yù)期將持續(xù)的超越所有前者。此項(xiàng)目預(yù)期將持續(xù)3030年：年：1010年用于建設(shè)，年用于建設(shè)，2020年用于操作，年用于操作，總花費(fèi)大約總花費(fèi)大約100100億歐元。億歐元?！癷ter”iter”在拉丁文中意為在拉丁文中意為“道路道路”，因此這個(gè)實(shí)驗(yàn)，因此這個(gè)實(shí)驗(yàn)的縮寫的縮寫“ITER”ITER”也意味著和平利用核聚變能源之路。也意味著和平利用核聚變能源之路。 材料科學(xué)與工程講義19III III 材料的主要類別材料的主要類別1

14、 1 金屬金屬 參考上海交大參考上海交大Metals and Alloys.ppsMetals and Alloys.pps 金屬通常是電的良好導(dǎo)體，強(qiáng)度高，較致密金屬通常是電的良好導(dǎo)體，強(qiáng)度高，較致密 應(yīng)用：結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用：結(jié)構(gòu)材料 導(dǎo)電材料導(dǎo)電材料 研究實(shí)例研究實(shí)例 超級鋼計(jì)劃超級鋼計(jì)劃 定向凝固技術(shù)定向凝固技術(shù) 粉末冶金技術(shù)粉末冶金技術(shù) 材料科學(xué)與工程講義20材料的主要類別材料的主要類別2 2 陶瓷陶瓷 參考上海交大參考上海交大ceramics.ppsceramics.pps 高溫穩(wěn)定性、抗化學(xué)侵蝕性、不吸收外來物質(zhì)高溫穩(wěn)定性、抗化學(xué)侵蝕性、不吸收外來物質(zhì) 脆性、良好的絕緣體脆性、良好的絕

15、緣體 陶瓷材料的重要影響：陶瓷材料的重要影響： 汽車工業(yè)汽車工業(yè) 陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī) 超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料 YBaYBa2 2CuCu3 3O O7 7 下一代計(jì)算機(jī)將采用陶瓷光下一代計(jì)算機(jī)將采用陶瓷光-電元件電元件 材料科學(xué)與工程講義21材料的主要類別材料的主要類別3 聚合物聚合物 參考上海交大參考上海交大Polymers.pps 強(qiáng)度低、易于加工、密度低強(qiáng)度低、易于加工、密度低 潛在應(yīng)用：潛在應(yīng)用： 可生物降解的聚合物可生物降解的聚合物 液晶聚合物技術(shù)有助開發(fā)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料液晶聚合物技術(shù)有助開發(fā)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料 導(dǎo)電聚合物導(dǎo)電聚合物(聚乙炔聚乙炔) 1977年年 白川英樹白川英樹 材料科學(xué)與工程講

16、義22材料的主要類別材料的主要類別4 復(fù)合材料復(fù)合材料 參考上海交大參考上海交大Composites.pps 碳纖維碳纖維 金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料 高溫陶瓷基復(fù)合材料高溫陶瓷基復(fù)合材料 重大挑戰(zhàn)重大挑戰(zhàn): 與傳統(tǒng)材料完全不同的實(shí)效模式與傳統(tǒng)材料完全不同的實(shí)效模式 材料科學(xué)與工程講義23材料的主要類別材料的主要類別5 半導(dǎo)體半導(dǎo)體 參考上海交大參考上海交大Semiconductor Materials.pps 主要挑戰(zhàn)：器件微型化并且被制造出來主要挑戰(zhàn)：器件微型化并且被制造出來 研究實(shí)例研究實(shí)例 能源材料能源材料 材料科學(xué)與工程講義24材料的性能與材料工程材料的性能與材料工程材料的性能是指

17、材料對光、電、磁、熱、機(jī)械載荷的反應(yīng)，而這些性材料的性能是指材料對光、電、磁、熱、機(jī)械載荷的反應(yīng)，而這些性能能主要取決于材料的組成與結(jié)構(gòu)，而組成結(jié)構(gòu)又取決于材料的成分和主要取決于材料的組成與結(jié)構(gòu)，而組成結(jié)構(gòu)又取決于材料的成分和制備與加工工藝制備與加工工藝。實(shí)例：實(shí)例：（1） 在鐵中加入在鐵中加入0.4%的碳可以使得材料的強(qiáng)度提高兩個(gè)量級；的碳可以使得材料的強(qiáng)度提高兩個(gè)量級；（2） 100萬個(gè)硅原子中加入萬個(gè)硅原子中加入2個(gè)磷原子，電導(dǎo)率提高個(gè)磷原子，電導(dǎo)率提高500萬倍萬倍; （3） 應(yīng)用抗靜電涂層或在大塊聚合物中加入離子，可使得紡織纖維應(yīng)用抗靜電涂層或在大塊聚合物中加入離子，可使得紡織纖維電

18、導(dǎo)率提高電導(dǎo)率提高5個(gè)數(shù)量級，防止降落傘打不開這樣嚴(yán)重的靜態(tài)放電問題。個(gè)數(shù)量級，防止降落傘打不開這樣嚴(yán)重的靜態(tài)放電問題。材料科學(xué)與工程講義25IV IV 本課程的主干本課程的主干材料的結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu) 原子鍵合、熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)、晶體結(jié)構(gòu)、原子鍵合、熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)、晶體結(jié)構(gòu)、 晶體缺陷、晶體缺陷、 晶體強(qiáng)度和非晶態(tài)結(jié)構(gòu)晶體強(qiáng)度和非晶態(tài)結(jié)構(gòu)顯微組織的演變顯微組織的演變 相圖和轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)相圖和轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)不同類別材料的工程性質(zhì)不同類別材料的工程性質(zhì)各類材料的加工方法、材料的設(shè)計(jì)和選擇工序各類材料的加工方法、材料的設(shè)計(jì)和選擇工序 材料科學(xué)與工程講義26 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning What is Materials Science and Engineering? Ref :D. R. Askeland and P. P. PhuleThe Science and Engineering of Materials (Fourth Edition)材料科學(xué)與工程講義27App