材料科學(xué)基礎(chǔ)-緒論-原子結(jié)構(gòu)與結(jié)合鍵-

材料科學(xué)基礎(chǔ)FundamentalsofMaterialsScience

2023/11/112緒論Introduction2023/11/113材料科學(xué)與工藝

的基礎(chǔ)理論2023/11/114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AtomicStructureand

bindingbond第2章晶體學(xué)基礎(chǔ)BasisofCrystallography第3章晶體結(jié)構(gòu)CrystalStructure第4章晶體缺陷Crystaldefects第5章非晶體與準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)AmorphousandQuasicrystalStructure第6章相圖PhaseDiagram第7章固體擴(kuò)散SolidDiffusion第8章凝固與結(jié)晶SolidificationandCrystallization第9章燒結(jié)與聚合SinteringandPolymerization第10章

固態(tài)

相變SolidPhaseTransformation

材料科學(xué)與工藝

的基礎(chǔ)理論2023/11/1160緒論Introduction0.1材料的歷史進(jìn)程(Historicalprocessofmaterials)0.2材料分類(ClassificationofMaterials)0.3材料性能PropertyofMaterials0.4“材料科學(xué)與工程”學(xué)科的建立與發(fā)展

Developmentof

Materialsscienceandengineering

0.5《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程內(nèi)容Contentsof<FundamentalsofMaterialsScience>0.6學(xué)習(xí)目的與內(nèi)容Learningobjectivesandcontent0.7學(xué)習(xí)方法learningmethod0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)

2023/11/1192023/11/1110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)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2023/11/1111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2023/11/1112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(shù)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。化學(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.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(lái)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(guò)仿生途徑來(lái)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

Propertyandapllication功能材料

結(jié)構(gòu)材料

0.2材料分類(ClassificationofMaterials)2.

原子之間的鍵合特點(diǎn)

Bindingbetweenatoms

材料的分類金屬材料

（MetallicMaterials)鋼鐵、鋁、銅、鈦合金陶瓷材料

（Ceramics）：Al2O3、SiC、SiN、SiO2無(wú)機(jī)非金屬材料（InorganicMaterials)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

2023/11/1118離子鍵（Ionicbond）共價(jià)鍵（covalentbond）金屬鍵（Metallicbond）范德華鍵(VanderWaalsbond氫鍵（Hydrogen-bond化學(xué)鍵物理鍵主價(jià)鍵primaryinteratomicbonds次價(jià)鍵(Secondarybonding)Chemicalbonding

physicalbonding

2023/11/1120(1)離子鍵Ionicbond

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(wú)機(jī)非金屬材料中均占有重要地位。(2)共價(jià)鍵covalentbond

硅原子四個(gè)價(jià)鍵P17-222023/11/1122金屬鍵動(dòng)畫（3）金屬鍵Metallicbond

自由電子——金屬正離子間2023/11/1123金屬的導(dǎo)電性Metalconductivity

2023/11/1124金屬鍵:無(wú)飽和性又無(wú)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2023/11/1125（4）范德華鍵VanderWaalsbond

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(méi)有方向性\飽和性

（5）氫鍵Hydrogenbond

氫鍵既有飽和性又有方向性。極性共價(jià)鍵氫鍵X——H…YH2O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。

2023/11/11303.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。2023/11/11314.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2023/11/1132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PropertyofMaterials鑄造

塑性加工焊接

熱處理

粉末冶金

機(jī)械加工

工藝性能

2023/11/11370.4“材料科學(xué)與工程”學(xué)科的建立與發(fā)展

Developmentof

Materialsscienceandengineering

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)1961年卡內(nèi)基·梅隆(CarnegieMellon)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)(CaseWestwenReserve)1974年麻省理工學(xué)院(MIT)1961年俄亥厄州立(OhioState)1982年北卡羅萊納(NorthCarolina)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2023/11/1139Materialsscienceandengineering

istheknowledgeandapplicationoftherelationshipbetweenmaterialcompositionandstructure,synthesis/processing,propertiesandperformance.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),PergamonPublish2023/11/11401986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）(synthesis/processing)(properties)（performance）2023/11/11412023/11/1142師昌旭

兩院資深院士材料科學(xué)核心問(wèn)題？

結(jié)構(gòu)和性能，研究“為什么？”

2023/11/1143材料科學(xué)的形成⑴固體物理、無(wú)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。

⑵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。

2023/11/1144材料科學(xué)的核心問(wèn)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2023/11/1145材料工程屬技術(shù)范疇，目的在于采用經(jīng)濟(jì)的、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。

2023/11/1146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。2023/11/1147材料科學(xué)核心問(wèn)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

Contentsof<FundamentalsofMaterialsScience>1、定義：2、核心問(wèn)題：結(jié)構(gòu)和性能Structureandproperty3、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。

2023/11/1149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。P1~2⑴最微細(xì)的水平－－組成材料的原子結(jié)構(gòu)AtomicStructure

（第一章）P1~2原子結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)（Discoveryofatomstructure）量子理論電子云，波函數(shù)2023/11/112023/11/1153⑵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Spatialarrangement

（第二～三章）2023/11/1154晶體非晶體準(zhǔn)晶體定義構(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(wú)序排列，又稱為無(wú)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(wú)固定熔點(diǎn)。(1)硬度高，耐磨;(2)有一定彈性；(3)無(wú)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)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)⑵第二個(gè)水平－－原子在空間的排列Spatialarrangement晶體結(jié)構(gòu)crystalstructure

（石墨和金剛石）晶體結(jié)構(gòu)缺陷Crystaldefects

——影響性能P22023/11/1156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(wú)定形炭木炭、焦炭、活性炭、炭黑、骨炭和糖炭等。碳2023/11/1157

(a)金剛石結(jié)構(gòu)

(b)石墨結(jié)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像重慶墨希科技有限公司2023/11/1158影馳“SETTLERα(開(kāi)拓者α)”中科院重慶綠色智能技術(shù)研究院⑶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(niǎo)草蟲(chóng)。珠光體顯微照片，

白色為基體鐵素體，

藍(lán)色為滲碳體2023/11/1162早春鋼鐵指紋-P組織指紋

2023/11/1163位錯(cuò)繞過(guò)第二相粒子

--奧羅萬(wàn)（Orowan）機(jī)制2023/11/1164梯田

碳納米管

蒲公英2023/11/1165

Al合金陽(yáng)極氧化膜

蜂巢

2023/11/11662023/11/1167納米棒棒糖：

鎳電極——硅納米線——納米鎳金屬球2023/11/11680.6學(xué)習(xí)目的與內(nèi)容Learningobjectivesandcontent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(wú)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learningmethod

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(tīng)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