材料科學(xué)基礎(chǔ)緒 論

1、材料科學(xué)基礎(chǔ)Fundamentals of Materials Science 材料科學(xué)與工程學(xué)院*20 緒 論 Introduction材料科學(xué)基礎(chǔ)課程內(nèi)容 材料科學(xué)的 基礎(chǔ)理論*3 材料科學(xué)與工藝 的基礎(chǔ)理論 *4師昌旭 兩院資深院士 0 緒論 第1章 原子結(jié)構(gòu)與結(jié)合鍵 Atomic Structure and binding bond第2章 晶體學(xué)基礎(chǔ) Basis of Crystallography第3章 晶體結(jié)構(gòu) Crystal Structure第4章 晶體缺陷 Crystal defects第5章 非晶體與準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu) Amorphous and Quasicrystal Struc

2、ture第6章 相圖 Phase Diagram第7章 固體擴(kuò)散 Solid Diffusion第8章 凝固與結(jié)晶 Solidification and Crystallization第9章 燒結(jié)與聚合 Sintering and Polymerization第10章 固態(tài) 相變 Solid Phase Transformation 材料科學(xué)與工藝 的基礎(chǔ)理論 *60 緒 論 Introduction0.1 材料的歷史進(jìn)程 (Historical process of materials )0.2 材料分類 (Classification of Materials)0.3 材料性能 Prope

3、rty of Materials0.4 “材料科學(xué)與工程”學(xué)科的建立與發(fā)展Development of Materials science and engineering 0.5 材料科學(xué)基礎(chǔ)課程內(nèi)容 Contents of 0.6 學(xué)習(xí)目的與內(nèi)容 Learning objectives and content0.7 學(xué)習(xí)方法 learning method 0 緒 論Introduction材料的含義(Materials)廣義的材料：人類思想意識(shí)之外的所有物質(zhì)。(substance) *9*10時(shí)代制備技術(shù)材料與產(chǎn)業(yè)學(xué)科理論石器時(shí)代簡(jiǎn)單手工加工技術(shù)(1)天然石材；(2)簡(jiǎn)單粗糙工具。-陶器時(shí)

4、代(1)粘土配置成型；(2)燒結(jié)。(1)陶器； (2)瓷器。燒結(jié)理論青銅器時(shí)代(1)銅的冶煉；(2)鑄造技術(shù)。(1)天然礦石冶煉金屬銅；(2)兵器生活器皿發(fā)達(dá)；(3) 農(nóng)業(yè)畜牧業(yè)的發(fā)展。有色金屬冶金，凝固理論人類歷史階段、材料、制備技術(shù)和相關(guān)學(xué)科理論*11時(shí)代制備技術(shù)材料與產(chǎn)業(yè)學(xué)科理論鐵器時(shí)代(1)鐵的冶煉技術(shù)：木炭還原優(yōu)質(zhì)鐵礦石生產(chǎn)鐵；(2)鑄造技術(shù)；(3) 鍛造技術(shù)：半熔狀態(tài)下鍛造器具和武器。(1)大規(guī)模鑄鐵器皿工具；(2)武器的發(fā)達(dá)；(3)低熔點(diǎn)合金的釬焊；(4)混凝土等。冶金（冶煉），凝固理論，固態(tài)相變理論（熱處理）鋼鐵與合金化時(shí)代(1)高爐技術(shù)的發(fā)展和常和成熟。塊煉鋼生鐵脫碳鋼炒鋼百

5、煉鋼平爐煉鋼轉(zhuǎn)爐煉鋼電爐煉鋼。(2)純金屬的精煉和合金化。(1)大量鋼結(jié)構(gòu)（橋梁船|車建筑等）；(2)蒸汽機(jī)內(nèi)燃機(jī)機(jī)床等，機(jī)械行業(yè)迅速發(fā)展。(3)不銹鋼、銅、鋁等有色合金行業(yè)的發(fā)展。冶金，凝固理論，塑性成形理論（鍛造壓力加工等），焊接冶金理論，固態(tài)相變理論（熱處理）人類歷史階段、材料、制備技術(shù)和相關(guān)學(xué)科理論*12時(shí)代制備技術(shù)材料與產(chǎn)業(yè)學(xué)科理論電子信息時(shí)代合成材料時(shí)代：(1)功能陶瓷合金的合成與制備；(2) 高分子材料的合成制備技術(shù)：酚醛樹脂、尼龍、橡膠等的合成技術(shù)。(1)電子管二極管三極管，硅鍺半導(dǎo)體材料。信息技術(shù)、電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟發(fā)展。(2) 航空航天原子能農(nóng)業(yè)民用等領(lǐng)域的迅速發(fā)展。區(qū)域

6、提純理論，晶體生長(zhǎng)理論，外延生長(zhǎng)理論，氣相沉積理論，聚合反應(yīng)理論新材料時(shí)代(1)新材料的設(shè)計(jì)(成分性能工藝設(shè)計(jì))；(2)新材料的合成、制備與精密加工技術(shù)。(3)材料復(fù)合技術(shù)。(1)結(jié)構(gòu)/功能一體化材料；(2)高性能復(fù)合材料；(3)單晶微晶納米晶非晶等特殊性能材料；(4)薄膜超晶格量子（阱、點(diǎn)、線）微結(jié)構(gòu)線材材料等特殊性能材料?；瘜W(xué)合成法，外延生長(zhǎng)法，氣相沉積法，溶膠-凝膠，電沉積，高能球磨理論，材料設(shè)計(jì)理論人類歷史階段、材料、制備技術(shù)和相關(guān)學(xué)科理論技術(shù)革命的標(biāo)志 生物技術(shù)信息技術(shù) 新型材料 新能源 材料是社會(huì)進(jìn)步的 物質(zhì)基礎(chǔ)、先導(dǎo)、里程碑。特點(diǎn)：1.特殊性能（超強(qiáng)度、超塑性、超導(dǎo)性等); 2.

7、制備和生產(chǎn)和新技術(shù)、新工藝緊密相關(guān) 。 3.更新?lián)Q代快，式樣多變。 4.發(fā)展和理論的關(guān)系比傳統(tǒng)材料更密切。新材料的特點(diǎn)、趨勢(shì)：新材料的特點(diǎn)、趨勢(shì)： 趨勢(shì)：1.從均質(zhì)材料 復(fù)合材料； 2.由結(jié)構(gòu)材料 功能材料,多功能材料并重； 3.材料結(jié)構(gòu)的尺度向越來越小的方向發(fā)展； 4.由被動(dòng)性材料 具有主動(dòng)性的智能材料； 5.通過仿生途徑來發(fā)展新材料。重要性：國(guó)家科技與工業(yè)水平的標(biāo)志， 現(xiàn)代化程度標(biāo)志之一。材料的分類利用材料的力學(xué)性能，滿足工程結(jié)構(gòu)上的需要。 材料具有光、電、磁、熱等特殊的物理性能 。1. 性能特點(diǎn)和用途 Property and apllication功能材料 結(jié)構(gòu)材料 0.2 材料分類

8、(Classification of Materials)2. 原子之間的鍵合特點(diǎn) Binding between atoms 材料的分類金屬材料 （Metallic Materials)鋼鐵、鋁、銅、鈦合金陶瓷材料 （Ceramics）：Al2O3、SiC、SiN、SiO2無機(jī)非金屬材料（Inorganic Materials)高分子材料 （Polymers)：纖維、蛋白質(zhì)、聚乙烯、聚氯乙烯復(fù)合材料 Composites： Metal-Matrix， Polymer-Matrix *18離子鍵（Ionic bond）共價(jià)鍵（covalent bond）金屬鍵（Metallic bond）范德

9、華鍵(VanderWaals bond氫鍵 （Hydrogen-bond化學(xué)鍵物理鍵主價(jià)鍵primary interatomic bonds次價(jià)鍵(Secondary bonding)Chemical bonding physical bonding *20(1) 離子鍵Ionic bond 正負(fù)離子間的靜電作用。ClNa NaCl的晶體結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵在亞金屬（碳、硅、錫、鍺等）、聚合物和無機(jī)非金屬材料中均占有重要地位。(2) 共價(jià)鍵 covalent bond 硅原子四個(gè)價(jià)鍵P17-22*22金屬鍵動(dòng)畫（3）金屬鍵 Metallic bond 自由電子金屬正離子間 *23金屬的導(dǎo)電性 Metal

10、 conductivity *24 金屬鍵:無飽和性又無方向性，每個(gè)原子能同更多的原子相結(jié)合，形成低能量的密堆結(jié)構(gòu)。 當(dāng)金屬受力變形，原子之間的相互位置改變時(shí)，不破壞金屬鍵，具有良好的延展性。金屬變形動(dòng)畫金屬具有較高的強(qiáng)度和良好的塑性； 共價(jià)鍵的斷裂*25（4）范德華鍵 Van der Waals bond 特性：分子晶體結(jié)合鍵能 很低，熔點(diǎn)很低，硬度低。絕緣性良好。分子間以微弱靜電引力結(jié)合在一起。沒有方向性飽和性 （5）氫鍵Hydrogen bond 氫鍵既有飽和性又有方向性。極性共價(jià)鍵 氫鍵 XHYH2O氫鍵主要存在于高分子材料內(nèi)。1.金屬材料： 金屬鍵。 金屬特性：導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性好； 好

11、的延展性； 金屬光澤等。材料的鍵性2. 陶瓷村料：離子鍵和共價(jià)鍵。 高熔點(diǎn)和硬度，脆性大。3. 高分子材料：共價(jià)鍵、氫鍵和范德華鍵。 低的熔點(diǎn)、硬度、強(qiáng)度。 *303. 按使用領(lǐng)域建筑材料 能源材料 電子材料 醫(yī)用材料 儀表材料 包裝材料 等。*314. 原子排列結(jié)構(gòu)單晶材料多晶材料非晶態(tài)材料準(zhǔn)晶態(tài)材料*32性能使用性能化學(xué)性能 耐腐蝕和抗老化 力學(xué)性能 強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性、蠕變、疲勞 物理性能 熔點(diǎn)、密度、電、磁、光、熱 等0.3 材料性能 Property of Materials鑄造 塑性加工焊接 熱處理 粉末冶金 機(jī)械加工 工藝性能 *370.4 “材料科學(xué)與工程”學(xué)科的建立與發(fā)展

12、Development of Materials science and engineering 1956年蘇聯(lián)第一顆人造地球衛(wèi)星的發(fā)射成功；美國(guó)認(rèn)識(shí)到材料的重要性，提出了“材料科學(xué)”、“材料科學(xué)與工程”的概念，在大學(xué)相繼成立“材料科學(xué)研究中心”、“材料科學(xué)系”、“材料科學(xué)與工程系”。大學(xué)（MRL/MRC）建立時(shí)間大學(xué)（MRL/MRC）建立時(shí)間西北(Northwestern)1960年普度(Purdue)1961年賓西法尼亞(Pennsylvania)1960年斯坦福(Stanford)1961年康乃爾(Cornell)1960年依利諾伊斯(Illinois)1962年布朗(Brown)196

13、1年卡內(nèi)基梅隆(Carnegie Mellon)1973年芝加哥(Chicago)1961年馬薩諸塞(massachustts)1973年哈佛(Harvard)1961年賓西法尼亞州立(State)1974年馬里蘭(Maryland)1961年凱斯西儲(chǔ)(Case Westwen Reserve)1974年麻省理工學(xué)院(MIT)1961年俄亥厄州立(Ohio State)1982年北卡羅萊納(North Carolina)1961年17所美國(guó)材料研究實(shí)驗(yàn)室（MRL）和材料研究中心（MRC）的建立 *39Materials science and engineering is the knowle

14、dge and application of the relationship between material composition and structure, synthesis / processing, properties and performance. 1986年英國(guó)材料科學(xué)與工程百科全書美國(guó)麻省理工學(xué)院主編 ，英國(guó), Pergamon Publish*401986年英國(guó)材料科學(xué)與工程百科全書四要素成分（ 結(jié)構(gòu)）性能制備工藝使用效能材料科學(xué)與工程是研究材料成分與結(jié)構(gòu)、制備工藝流程與材料性能和使用效能關(guān)系的知識(shí)及應(yīng)用。（composition -structure）(synth

15、esis/processing) (properties)（performance）*41*42師昌旭 兩院資深院士材料科學(xué)核心問題？ 結(jié)構(gòu)和性能，研究“為什么？” *43材料科學(xué)的形成固體物理、無機(jī)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué) 等學(xué)科推動(dòng)了對(duì)材料本質(zhì)的了解。 冶金學(xué)金屬學(xué)陶瓷學(xué)高分子學(xué) 促進(jìn)了材料研究。 金屬基礎(chǔ)理論最成熟，研究金屬的思路和方法和理論，滲透到其他學(xué)科中去。 *44材料科學(xué)的核心問題？研究：材料本質(zhì) 的發(fā)現(xiàn)分析，解釋： 結(jié)構(gòu)與材料的性能 之間的關(guān)系。目的：材料結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一描繪或模型建立，為發(fā)展新型材料充分發(fā)揮材料的性能 奠定理論基礎(chǔ)。 材料工程*45材料工程屬技術(shù)范疇，目的在于采用經(jīng)濟(jì)的

16、、而又能為社會(huì)所接受的生產(chǎn)工藝、加工工藝控制材料的結(jié)構(gòu)、性能和形狀以達(dá)到使用要求。 *46材料工程材料制備與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)共存控制環(huán)境污染 材料工程水平的提高大大促進(jìn)材料的發(fā)展。 *47材料科學(xué)核心問題：結(jié)構(gòu)和性能，研究“為什么？” 材料科學(xué)材料工程物質(zhì)基礎(chǔ)，研究課題理論基礎(chǔ)方向與指導(dǎo)材料 工程：研究“怎么做？”考慮經(jīng)濟(jì)資源能源環(huán)保判據(jù)，側(cè)重合理的制備工藝與性能間關(guān)系。 0.5 材料科學(xué)基礎(chǔ)課程內(nèi)容 Contents of 1、定義：2、核心問題：結(jié)構(gòu)和性能 Structure and property3、結(jié)構(gòu)的三個(gè)水平： 研究材料的本質(zhì)，提供材料結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一模型，解釋材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。 *

17、49原子結(jié)構(gòu)原子的空間排列 顯微組織 結(jié)構(gòu)原子核外電子排布方式.影響原子結(jié)合方式，決定材料類型、電、磁、光和熱性能。 晶態(tài)和非晶態(tài)。結(jié)構(gòu)顯著影響材料的性能。 晶粒的大小、合金相的種類、數(shù)量和分布等。 P12最微細(xì)的水平 組成材料的原子結(jié)構(gòu)Atomic Structure （第一章） P12原子結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)（Discovery of atom structure ）量子理論電子云，波函數(shù)*53 第二個(gè)水平結(jié)構(gòu)構(gòu)成材料的基本質(zhì)點(diǎn)(離子、原子或分子等)是如何結(jié)合與排列的，表明材料的構(gòu)成方式。原子在空間的排列Spatial arrangement （第二三章）*54晶體非晶體準(zhǔn)晶體定義構(gòu)成材料的結(jié)構(gòu)基元

18、（原子、分子、離子、原子集團(tuán)或絡(luò)合離子等）在三維空間按周期性重復(fù)排列。構(gòu)成材料的結(jié)構(gòu)基元（原子、分子、離子、原子集團(tuán)或絡(luò)合離子等）在三維空間呈無序排列，又稱為無定形體。準(zhǔn)晶是介于晶體和非晶體之間的固體；具有完全有序的結(jié)構(gòu)，有晶體所不允許的五重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，但不具有晶體所應(yīng)有的平移周期性。特點(diǎn)（1）規(guī)則外形和宏觀對(duì)稱性；（2）均勻性；（3）各向異性；（4）穩(wěn)定性；（5）固定熔點(diǎn)。（1）各向同性；（2）介穩(wěn)性；（3）連續(xù)性；（4）無固定熔點(diǎn)。(1) 硬度高，耐磨;(2) 有一定彈性； (3) 無黏著力，低導(dǎo)熱性。類型（1）晶態(tài)金屬；（2）晶態(tài)陶瓷；（3）晶態(tài)高聚物。(1) 玻璃(2) 金屬玻璃(3)

19、非晶態(tài)高聚物；(1) Al-Mn合金；(2) Al65Cu23Fe12；(3) Cd57Yb10；(4) Al70Pd21Mn9；(5) Ti-V-Ni。晶體、非晶體與準(zhǔn)晶體的概念及特點(diǎn)第二個(gè)水平 原子在空間的排列Spatial arrangement晶體結(jié)構(gòu) crystal structure （石墨和金剛石） 晶體結(jié)構(gòu)缺陷 Crystal defects 影響性能P2*56碳的單質(zhì)結(jié)構(gòu) 石墨C60（富勒烯、足球烯）C36、C70、C76、C84、C240、C540等。金剛石碳納米管石墨烯混合物的碳單質(zhì)無定形炭木炭、焦炭、活性炭、炭黑、骨炭和糖炭等。碳*57 (a)金剛石結(jié)構(gòu) (b) 石墨結(jié)

20、構(gòu) (c) C60結(jié)構(gòu) (d) 碳納米管結(jié)構(gòu) (e)石墨烯結(jié)構(gòu)模型 (f) 石墨烯結(jié)構(gòu)TEM像重慶墨?？萍加邢薰?58影馳“SETTLER(開拓者)”中科院重慶綠色智能技術(shù)研究院第三個(gè)水平 材料的顯微組織microstructure （第五章） 組織借助于顯微鏡所觀察到的材料微觀組成與形貌-通常稱為顯微組織。工業(yè)純鐵F組織共析鋼P(yáng)組織聚苯乙烯球晶P2中國(guó)古代鐵器金相組織 湖南長(zhǎng)沙砂子塘 戰(zhàn)國(guó)凹形鐵鋤Al-Si合金定向凝固組織1864年，英國(guó)冶金學(xué)家Sorby巖相金相觀察組織方法： 研磨-拋光-浸蝕-金相顯微鏡豐富多彩的組織形貌： 若自然景觀、星云流水、花鳥草蟲。珠光體顯微照片，白色為基體鐵素

21、體，藍(lán)色為滲碳體*62早春鋼鐵指紋-P組織 指紋 *63位錯(cuò)繞過第二相粒子-奧羅萬（Orowan）機(jī)制*64梯田碳納米管 蒲公英*65Al合金陽(yáng)極氧化膜 蜂巢 *66*67納米棒棒糖： 鎳電極 硅納米線納米鎳金屬球*680.6 學(xué)習(xí)目的與內(nèi)容Learning objectives and content掌握有關(guān)材料學(xué)科的基本概念、基礎(chǔ)理論和基本方法專業(yè)基礎(chǔ)課材料現(xiàn)代分析方法材料性能學(xué)金屬材料無機(jī)非金屬材料高分子材料材料科學(xué)基礎(chǔ)專業(yè)課0.7 學(xué)習(xí)方法 learning method 培養(yǎng)能力為主，學(xué)習(xí)知識(shí)為輔。 掌握正確的思維方式和學(xué)科特點(diǎn)，不死記硬背。 抓住主線條，刪繁就簡(jiǎn)，不鉆牛角尖。牢固建立概念：材料的性能決定于材料的組織、結(jié)構(gòu)。熟悉常用術(shù)語(yǔ)和基本概念 認(rèn)真聽課，標(biāo)記重點(diǎn)難點(diǎn)，及時(shí)復(fù)習(xí)， 主動(dòng)完成作業(yè)。多做習(xí)題，多歸納總結(jié)。閉卷考試 考核 考試前及早復(fù)習(xí)，不要臨陣磨槍閉門復(fù)習(xí)。 積極答疑，多與教師溝通，多討論，多翻閱相關(guān)參考書，多講專業(yè)語(yǔ)言，多留心從專業(yè)角度看討論身邊的現(xiàn)象。*74閉卷考試 考核考核：平時(shí)成績(jī)占20%上課：出勤率、聽課情況、 交流與溝通；作業(yè)：態(tài)度、完成情況；期末考試占80%。閉卷：基本概念、基礎(chǔ)理論；*76作業(yè)1：一、填空題1. 材料科學(xué)主要研究的核心