上海交通大學(xué) 材料科學(xué)基礎(chǔ)ppt

《材料科學(xué)基礎(chǔ)》

《FoundationsofMaterialsScience》

主講:韓寶軍Copyright1996-98?DaleCarnegie&Associates,Inc.10/5/20231緒論

一.《材料科學(xué)基礎(chǔ)》的基本概念

二.《材料科學(xué)基礎(chǔ)》的地位

三.學(xué)習(xí)《材料科學(xué)基礎(chǔ)》的意義

四.《材料科學(xué)基礎(chǔ)》的內(nèi)容

五.如何學(xué)好《材料科學(xué)基礎(chǔ)》10/5/202321、什么是材料材料是指人類社會(huì)能接受的，經(jīng)濟(jì)地制造有用物品的物質(zhì)（世界萬物，凡于我有用者，皆謂之材料。材料是具有一定性能，可以用來制作器件、構(gòu)件、工具、裝置等物品的物質(zhì)。材料存在于我們的周圍，與我們的生活、我們的生命息息相關(guān)）。衛(wèi)星發(fā)射，節(jié)省1公斤重量將降低費(fèi)用$20000。一次發(fā)射節(jié)約費(fèi)用20%。鋁合金的主要應(yīng)用領(lǐng)域如下：一.《材料科學(xué)基礎(chǔ)》的基本概念10/5/20233鋁合金的主要應(yīng)用領(lǐng)域戰(zhàn)機(jī)艦船導(dǎo)彈火箭人造衛(wèi)星戰(zhàn)車高速列車汽車高層建筑10/5/20234塑料水管電線被覆

塑料膜

汽車側(cè)板日常用品主機(jī)外殼塑料的應(yīng)用10/5/202352、什么是材料科學(xué)材料科學(xué)是一門以固體材料為研究對象，以固體物理、熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、量子力學(xué)、冶金、化工為理論基礎(chǔ)的邊緣交叉基礎(chǔ)應(yīng)用學(xué)科，它運(yùn)用電子顯微鏡、X-射線衍射、熱譜、電子離子探針等各種精密儀器和技術(shù)，探討材料的組成、結(jié)構(gòu)、制備工藝和加工使用過程與其機(jī)械（力學(xué)性能）、物理、化學(xué)性能之間的規(guī)律的一門基礎(chǔ)應(yīng)用學(xué)科，是研究材料共性的一門學(xué)科。材料科學(xué)是研究材料的成分、組織結(jié)構(gòu)、制備工藝、加工工藝、材料的性能與材料應(yīng)用之間的相互關(guān)系的科學(xué)。材料科學(xué)是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)、工業(yè)生產(chǎn)的支柱，是當(dāng)今世界的帶頭學(xué)科之一。納米材料科學(xué)與技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的新興學(xué)科，成為21世紀(jì)新技術(shù)的主導(dǎo)中心。10/5/202363、什么是材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ)是進(jìn)行材料科學(xué)研究的基礎(chǔ)理論，它將各種材料（包括金屬、陶瓷、高分子材料）的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)規(guī)律建立在共同的理論基礎(chǔ)上，用于指導(dǎo)材料的研究、生產(chǎn)、應(yīng)用和發(fā)展。它涵蓋了材料科學(xué)和材料工程的基礎(chǔ)理論。

材料工程是研究、開發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用金屬材料、無機(jī)非金屬材料、高分子材料和復(fù)合材料的工程領(lǐng)域。

10/5/20237二、材料科學(xué)基礎(chǔ)的地位

1、材料的發(fā)展史，就是人類社會(huì)的發(fā)展史人類社會(huì)發(fā)展的歷史階段常常用當(dāng)時(shí)主要使用的材料來劃分。從古代到現(xiàn)在人類使用材料的歷史共經(jīng)歷了七個(gè)時(shí)代，各時(shí)代的開始時(shí)間：

石器時(shí)代（公元前10萬年）

青銅器時(shí)代（公元前3000年）(爐火純青)

鐵器時(shí)代（公元前1000年）水泥時(shí)代（公元0年）鋼時(shí)代（1800年）硅時(shí)代（1950年）

新材料時(shí)代（1990年）10/5/20238

石器時(shí)代（

StoneAge）：石斧、鑿、刀、鏟、箭頭紡輪、缽等（西安半坡遺址）

10/5/20239湖北江陵楚墓出土越王勾踐寶劍青銅器時(shí)代（公元前3000年）巨型司母戊大方鼎（河南安陽晚商遺址）10/5/202310《考工記》——成書于春秋時(shí)期，作為我國第一部手工業(yè)工藝技術(shù)典籍，包含著大量的手工制作技術(shù)、工藝過程及豐富的科技思想?！犊脊び洝返木?、經(jīng)典之處在“金有六齊”。“六分其金而錫居一，謂之鐘鼎之齊；五分其金而錫居一，謂之斧斤之齊；四分其金而錫居一，謂之戈戟之齊；三分其金而錫居一，謂之大刃之齊；五分其金而錫居二，謂之削殺矢之齊；金、錫半，謂之鑒（意為鏡）燧之齊?！煞帧茶T金之狀，金與錫，黑濁之氣竭，黃白次之；黃白之氣竭，青白次之；青白之氣竭，青氣次之；然后可鑄也。（爐火純青）——準(zhǔn)確地記述了冶銅過程中顏色隨爐溫變化的規(guī)律。這種用肉眼來觀測的光測高溫技術(shù)，只有在青銅技術(shù)相當(dāng)成熟的情況下，才有可能辦到。

10/5/202311中國古代鐵器的金相組織湖南長沙砂子塘戰(zhàn)國凹形鐵鋤

鐵器時(shí)代（IronAge）10/5/202312長征三號運(yùn)載火箭在發(fā)射架上10/5/202313新材料階段的特征是一個(gè)由多種材料決定社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的時(shí)代；新材料以人造為特征，非自然界中現(xiàn)成有的;

新材料是根據(jù)我們對材料的物理和化學(xué)性能的了解，為了特定的需要設(shè)計(jì)和加工而成的；這些新材料使新技術(shù)得以產(chǎn)生和應(yīng)用，而新技術(shù)又促進(jìn)了新工業(yè)的出現(xiàn)和發(fā)展，從而使國家財(cái)富和就業(yè)增加。

1986年《科學(xué)的美國人》雜志指出“先進(jìn)材料對未來的宇航、電子設(shè)備、汽車以及其他工業(yè)的發(fā)展是必要的，材料科學(xué)的進(jìn)步?jīng)Q定了經(jīng)濟(jì)關(guān)鍵部門增長速率的極限范圍?！?/p>

1990年美國總統(tǒng)的科學(xué)顧問Allany.Bromley明確指出“材料科學(xué)在美國是最重要的學(xué)科”。

1991年日本為未來工業(yè)規(guī)劃技術(shù)列舉的11項(xiàng)主要項(xiàng)目中有7項(xiàng)是基于先進(jìn)材料之上?？梢?，材料科學(xué)歷來是技術(shù)進(jìn)步的支柱.10/5/2023142、材料的發(fā)展史，就是科學(xué)技術(shù)的發(fā)展史原理 成品 發(fā)展時(shí)間電機(jī) 1821 1886 65真空管 1882 1915 33無線電 1887 1922 35X光 1895 1913 18雷達(dá) 1935 1940 5原子堆 1939 1942 3半導(dǎo)體 1948 1951 3激光 1958 1960 2表1科學(xué)原理的發(fā)現(xiàn)時(shí)間與其產(chǎn)業(yè)化時(shí)間的對照中國的四大發(fā)明：紙、火藥、指南針、活字印刷10/5/2023151）邏輯推理(古代哲學(xué)家，432BC.)2）宏觀形貌觀察、觀測（byeye,1669）3）數(shù)學(xué)理論計(jì)算4）科學(xué)測定（X-raydiffraction,electrondiffraction,等）古代中國有：“日取其半，萬世不竭”“道生一，一生二，二生三，三生萬物”（《老子》）；“以土與金、木、水、火雜以成百物”（《國語·正語》）；“太極生兩儀，兩儀生四象，四象生八卦，八卦交而生萬物”（《易經(jīng)》）人類對材料微觀結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的發(fā)展過程10/5/202316宋（960-1279A.D.）?樓鑰,《謝林景思和韻》黃昏門外六花飛，因倚胡床醉不知。南朝?陳（557-589A.D.）?徐陵，《詠雪》豈苦天庭瑞，輕雪帶風(fēng)斜。三農(nóng)喜盈尺，六出舞崇花。雪花—“六出”、“六花”西漢（206B.C.-24A.D.）,《韓詩外傳》：凡草木花五出，獨(dú)雪花六出1mm10/5/2023172、Europe:Plato(428-348B.C.)andEuclid(330-275?B.C.)5regularpolyhedronsstandfor5originalelements(fire,air,earth,water,ether)whichwereusedfordescribingeverythingintheworld.Fire-tetrahedronAir-octahedronEther-dodecahedronEarth-cubeWater-icosahedron10/5/2023181669,N.Steno,晶面角守恒定律材料科學(xué)的發(fā)展過程1885,A.Bravais,晶體空間點(diǎn)陣學(xué)說1912,M.Laue*,晶體的X射線衍射1915,W.H.BraggandW.L.Bragg**

X射線晶體結(jié)構(gòu)分析方法電子顯微鏡（SEM、TEM）掃描探針顯微術(shù)***（STM、AFM）10/5/202319三、學(xué)習(xí)料料科學(xué)基礎(chǔ)的意義材料科學(xué)是一個(gè)跨物理、化學(xué)等的學(xué)科。材料科學(xué)的核心問題是材料的組織結(jié)構(gòu)（Structure）和性能（Property）以及它們之間的關(guān)系。右圖為材料科學(xué)與工程四要素。所以，先要了解材料的結(jié)構(gòu)是什么？

合成與制備過程使用性能性質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)（化學(xué)）（工程）（物理學(xué)）1、材料科學(xué)的內(nèi)涵10/5/202320材料結(jié)構(gòu)關(guān)系

材料的結(jié)構(gòu)包括不同晶體結(jié)構(gòu)和非晶體，以及顯微鏡下的微觀結(jié)構(gòu)，哪些主要因素能夠影響和改變結(jié)構(gòu)？只有了解了這些才能實(shí)現(xiàn)控制結(jié)構(gòu)的目的。材料的性能包括物理性能、化學(xué)性能、力學(xué)性能。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括四個(gè)層次：①原子結(jié)構(gòu)；②結(jié)合鍵；③原子的排列方式；④顯微組織10/5/202321微觀(Micro-)介觀(Meso-)宏觀(Macro-)10-910-810-710-610-510-410-310-210-1100m10-1010-1110-12101納米(Nano-)10/5/202322

材料科學(xué)的形成：“材料”早存在，“材料科學(xué)”提出于20世紀(jì)60年代，1957年蘇聯(lián)衛(wèi)星上天，美國震動(dòng)很大，在大學(xué)相繼建立十余個(gè)材料科學(xué)研究中心，自此開始，“材料科學(xué)”一詞廣泛應(yīng)用。一般來講，科學(xué)是研究“為什么”的學(xué)問，而工程是解決“怎么做”的學(xué)問。材料科學(xué)的基礎(chǔ)理論，為材料工程指明方向，為更好地選擇、使用材料，發(fā)揮現(xiàn)有材料的潛力、發(fā)展新材料提供理論基礎(chǔ)。材料科學(xué)和材料工程之間的區(qū)別主要在于著眼點(diǎn)的不同或者說各自強(qiáng)調(diào)的中心不同，它們之間并沒有一條明確的界線，因此，后來人們常常將二者放在一起，采用一個(gè)復(fù)合名詞－材料科學(xué)與工程（MSE，MaterialScienceandEngineering）2、材料科學(xué)與材料工程的關(guān)系10/5/202323材料科學(xué)工藝結(jié)構(gòu)性能材料工程設(shè)備構(gòu)件行為結(jié)構(gòu)工藝性能

材料工程：是工程的一個(gè)領(lǐng)域，其目的在于經(jīng)濟(jì)地，而又為社會(huì)所能接受地控制材料的結(jié)構(gòu)、性能和形狀。它包括下面的五個(gè)環(huán)節(jié)。

材料科學(xué)：是一門科學(xué)，它從事與材料本質(zhì)的發(fā)現(xiàn)、分析和了解方面的研究，其目的在于提供材料結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一描繪或模型，以及解釋這種結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。它包括下面的三個(gè)環(huán)節(jié)，核心是結(jié)構(gòu)和性能。10/5/202324

材料按化學(xué)組成（或基本組成）分類根據(jù)材料的性能分類材料按服役的領(lǐng)域來分類材料按結(jié)晶狀態(tài)分類材料按材料的尺寸分類

3、材料的分類10/5/202325按化學(xué)組成（或基本組成）分類金屬材料是由化學(xué)元素周期表中的金屬元素組成的材料?？煞譃榧兘饘伲蓛煞N或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素構(gòu)成的合金。無機(jī)非金屬材料是由硅酸鹽、鋁酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽、鍺酸鹽等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、鹵化物等原料經(jīng)一定的工藝制備而成的材料。它與廣義的陶瓷材料有等同的含義。一般將其分為傳統(tǒng)的（普通的）和新型的（先進(jìn)的）無機(jī)非金屬材料兩大類。有機(jī)高分子材料（高聚物）是由一種或幾種簡單低分子化合物經(jīng)聚合而組成的分子量很大的化合物。按材料的性能和用途可將高聚物分為橡膠、纖維、塑料和膠粘劑等。復(fù)合材料是由兩種或兩種以上化學(xué)性質(zhì)或組織結(jié)構(gòu)不同的材料組合而成。由一種連續(xù)相（基體相）和增強(qiáng)相復(fù)合而成，既能保持原組成材料的重要特色，又通過復(fù)合效應(yīng)使各組分的性能互相補(bǔ)充，獲得原組分不具備的許多優(yōu)良性能。10/5/202326根據(jù)材料的性能分類根據(jù)材料在外場作用下其性質(zhì)或性能對外場的響應(yīng)不同，材料可分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料。

結(jié)構(gòu)材料是以強(qiáng)度，剛度，韌性，耐勞性，硬度，疲勞強(qiáng)度等力學(xué)性能為特征的材料。這種材料通常用來制造工具、機(jī)械、車輛和修建房屋、橋梁、鐵路等。是人們熟悉的機(jī)械制造材料、建筑材料，包括結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、鑄鐵、普通陶瓷、耐火材料、工程塑料等傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料（一般結(jié)構(gòu)材料）以及高溫合金、結(jié)構(gòu)陶瓷等高級結(jié)構(gòu)材料。

功能材料是以聲，光，電，磁，熱等物理性能為特征的材料。被用于非結(jié)構(gòu)目的的高技術(shù)材料。10/5/202327材料按服役的領(lǐng)域來分類根據(jù)材料服役的技術(shù)領(lǐng)域可分為信息材料、航空航天材料、能源材料、生物醫(yī)用材料等。信息材料是指用于信息的探測、傳輸、顯示、運(yùn)算和處理的光電信息材料。航空航天材料主要包括新型金屬材料（如先進(jìn)鋁合金、超高強(qiáng)度鋼、高溫合金、高熔點(diǎn)合金、鈹及其合金）、燒蝕防熱材料和新型復(fù)合材料。還包括一些功能材料，如涂層材料、隔熱材料、透明材料、阻尼材料、密封材料、潤滑材料、粘合劑材料等。能源材料是指能源工業(yè)和能源技術(shù)所使用的材料，按使用目的不同分為新能源材料、節(jié)能材料和儲(chǔ)氫材料等。生物醫(yī)用材料是一類合成物質(zhì)或天然物質(zhì)或這些物質(zhì)的復(fù)合，它能作用一個(gè)系統(tǒng)的整體或部分，在一定時(shí)期內(nèi)治療、增強(qiáng)或替換機(jī)體的組織、器官或功能。醫(yī)用高分子材料包括合成和天然高分子，已被廣泛用于韌帶、肌腱、皮膚、血管、角膜、人工臟器、骨和牙等人體軟、硬組織及器官的修復(fù)和制造。10/5/202328材料按結(jié)晶狀態(tài)分類單晶材料是由一個(gè)比較完整的晶粒構(gòu)成的材料，如單晶纖維、單晶硅。多晶材料是由許多晶粒組成的材料，其性能與晶粒大小、晶界的性質(zhì)有密切的關(guān)系。非晶態(tài)材料是由原子或分子排列無明顯規(guī)律的固體材料，如玻璃、高分子材料。準(zhǔn)晶材料是指準(zhǔn)周期性晶體材料的簡稱，準(zhǔn)晶仍然是晶體，準(zhǔn)晶中的原子分布有嚴(yán)格的位置序，但位置序無周期性，即沒有周期性平移對稱關(guān)系，在準(zhǔn)晶材料中存在不符合傳統(tǒng)晶體學(xué)的五次、八次、十二次對稱軸。準(zhǔn)晶從結(jié)構(gòu)角度看是一種新的物質(zhì)形態(tài)，但實(shí)際上它們僅在特定的金屬合金中形成，是成分范圍較窄的金屬間化合物。（如：Mg-Zn-Y）10/5/202329材料按材料的尺寸分類按材料的尺寸可分為零維材料、一維材料、二維材料、三維材料。

零維材料即超微粒子，通過Sol-gel法、多相沉積或激光等方法，可以制備出亞微米級的陶瓷或金屬粉末，大小1—100nm的超微粒。

一維材料：如光導(dǎo)纖維由于其信息傳輸量遠(yuǎn)比銅、鉛的同軸電纜大，而且光纖有很強(qiáng)的保密性，所以發(fā)展很快。實(shí)用纖維為碳纖維、硼纖維、陶瓷纖維。纖維中強(qiáng)度和剛度最高的要算晶須。

二維材料（薄膜）：如金剛石薄膜、高溫超導(dǎo)薄膜、半導(dǎo)體薄膜。由于薄膜的電子所處狀態(tài)和外界環(huán)境的影響，可表現(xiàn)出不同的電子遷移規(guī)律，完成特定的電學(xué)、光學(xué)或電子學(xué)功能。

三維材料即塊狀材料。（等徑角擠壓法制備塊體超細(xì)晶材料的工藝研究）10/5/2023304、材料的應(yīng)用讓我們回顧幾項(xiàng)有影響的事例，以便加深理解材料的發(fā)展在人類社會(huì)發(fā)展中起了舉足輕重的作用。計(jì)算機(jī)與材料