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单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,材料科学基础,(,上,),The Fundamentals(Elements,Principles)of,Materials Science,An Introduction to,Materials Science,主讲人,:,李洪波,前言,Introduction,什么是材料,?,世界万物，凡于我有用者，皆谓之材料。,材料具有一定性能，可以用来制作器件、构件、工具、装置等物品的物质。,广义的材料包括人们的思想意识之外的所有物质(,substance),材料存在于我们的周围，与我们的生活、我们的生命息息相关。材料是人类文明、社会进步、科技发展的物质基础。,前言,Introduction,材料,(,Materials),是国民经济的物质基础。,材料无处不在，无处不有,我国材料的历史进程,(,Historical perspective),漫长而又曲折的历程：,石斧,湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑,中国古代铁器的金相组织,湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄,水泥时代,(Cement Age),钢时代,(Steel Age),明代后：封建统治、帝国主义侵略束缚了材料的发展 停滞状态,解放后：材料科学受到重视和发展，被列为现代技术三大支柱之一。,一整套材料体系 门类全齐 数量 质量,钢铁突破亿吨大关 世界第一,原子弹、氢弹、人造卫星、火箭,长征三号运载火箭在发射架上的图片,宝钢高炉,硅时代,新材料时代,什么是材料科学,?,材料科学是一门以固体材料为研究对象，以固体物理热力学、动力学、量子力学、冶金、化工为基础的边缘交叉基础应用学科。,它运用电子显微镜、,X,射线衍射、热谱、电子离子探针等各种精密仪器和技术，探讨材料的组成、结构、制备工艺和加工使用过程于其机械、物理、化学性能之间的一门基础应用学科，是研究材料共性的一门学科。,材料科学基础课程的教学内容,?,材料科学基础课程是材料科学与工程专业的重要的学科基础课之一，主要介绍材料科学中的共性规律，即材料的组成形成（工艺）条件结构性能材料用途之间相互关系及制约规律。所以材料科学基础是研究材料的成分、组织结构与性能之间关系。,内容包括：材料种类、晶体结构、缺陷化学、非晶体结构、材料的表面与界面、相图、扩散、相变、固相反应及烧结等基础知识。,材料分类,(,Classification of,aterials,),1.,按化学组成（或基本组成分类）,2.,按材料的性能分类,3.,按服役的领域分类,4.,按结晶状态分类,5.,按材料的尺寸分类,按化学组成分类,1.,金属材料,2.,无机非金属材料,3.,高分子材料（聚合物）,4.,复合材料,金属材料是由化学元素周期表中的金属元素组成的材料。可分为由一种金属元素构成的单质（纯金属）；由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素构成的合金。合金可以分为固溶体和金属间化合物。,.,金属材料,.,无机金属材料,无机金属材料是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材料。是除金属材料、高分子材料以外所有材料的总称。它与广义的陶瓷材料有等同的含义。无机非金属材料种类繁多，用途各异，目前还没有统一完善的分类方法。一般将其分为传统的（普通的）和新型的（先进的）无机非金属材料两大类。,传统的无机非金属材料,传统的无机非金属材料主要是由,SiO,2,及其硅酸盐化合物为主要成分制成的材料，包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。此外，搪瓷、磨料、铸石（辉绿岩、玄武岩等）、碳素材料、非金属矿（石棉、云母、大理石等）也属于传统的无机非金属材料。,先进（或新型）的无机非金属材料,先进（或新型）的无机非金属材料是用氧化物、氮化物、碳化钨、硼化物、硫化物、硅化物以及各种无机非金属化合物经特殊的先进工艺制成的材料。主要包括先进陶瓷、非晶态材料、人工晶体、无机涂层、无机纤维等。,传统的无机非金属材料之一：陶瓷,陶瓷按其概念和用途不同，可分为两大类，即普通陶瓷和特种陶瓷。根据陶瓷坯体结构及其基本物理性能的差异，陶瓷制品可分为陶瓷和瓷器。,普通陶瓷即传统陶瓷，是指以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉粹混炼、成型、锻烧等过程而制成的各种制品。包括日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、电瓷以及其它工业陶瓷。特种陶瓷是用于各种现代工业及尖端科学技术领域的陶瓷制品。包括结构陶瓷和功能陶瓷。结构陶瓷主要用于耐磨损、高强度、耐高温、耐热冲击、硬质、高刚性、低膨胀、隔热等场所。功能陶瓷主要包括电磁功能、光学功能、生物功能、核功能及其它功能的陶瓷材料,传统的无机非金属材料之二：玻璃,玻璃是由熔体过冷所制得的非晶态材料。根据其形成网络的组分不同可分为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃等，其网络形成剂分为,SiO,2,、,B,2,O,3,和,P,2,O,5,。习惯上玻璃态材料可分为普通玻璃和特种玻璃两大类。普通玻璃是指采用天然原料，能够大规模生产的玻璃。普通玻璃包括日用玻璃、建筑玻璃、微晶玻璃、光学玻璃和玻璃纤维等。特种玻璃是指采用精制、高纯或新型原料，通过新工艺在特殊条件下或严格控制形成过程制成的一些具有特殊功能或特殊用途的玻璃。根据用途不同，特种玻璃分为防辐射玻璃、激光玻璃、生物玻璃、多孔玻璃、非线性玻璃和光纤玻璃等。,传统的无机非金属材料之三：水泥,水泥是指加入适量水后可成塑性浆体，既能在空气中硬化又能在水中硬话，并能够将砂、石等材料牢固地胶结在一起的细粉状水硬性材料。,水泥的种类很多，按其用途和性能可分为：通用水泥、专用水泥和特性水泥三大类；按其所含的主要水硬性矿物，水泥可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥以及以工业废渣和地方材料为主要组分的水泥。目前水泥品种已达一百多种。通用水泥为大量土木工程所使用的一般用途的水泥，如硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥等。专用水泥指有专门用途的水泥，如油井水泥、砌筑水泥等。特性水泥则是某种性能比较突出的一类水泥，如快硬硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥、自应力铝酸盐水泥等。,传统的无机非金属材料之四：耐火材料,耐火材料是指耐火度不低于,1580,的无机非金属材料。它是为高温技术服务的基础材料。尽管各国对其定义不同，但基本含义是相同的，即耐火材料是用作高温窑炉等热工设备的机构材料，以及用作工业高温容器和部件的材料，并能承受相应的物理化学变化及机械作用。大部分耐火材料是以天然矿石（如耐火粘土、硅石、菱镁矿、白云母等）为原料制造的。,.,有机高分子材料（高聚物）,高聚物是由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成的分子量很大的化合物。高聚物的种类繁多，性能各异，其分类的方法多种多样。按高分子来源分为天然高分子材料和合成高分子材料；按材料的性能和用途可将高聚物分为橡胶、纤维、塑料和胶粘剂等。,高聚物是由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成的分子量很大的化合物。高聚物的种类繁多，性能各异，其分类的方法多种多样。按高分子来源分为天然高分子材料和合成高分子材料；按材料的性能和用途可将高聚物分为橡胶、纤维、塑料和胶粘剂等。常用的橡胶有天然橡胶（异戊橡胶）、丁苯橡胶、顺丁橡胶（聚丁二烯）、乙丙橡胶和硅橡胶等。常用的合成纤维有尼龙、涤纶、晴纶和维尼纶等。塑料的弹性模量介于橡胶和纤维之间，根据塑料受热时行为的不同，分为热塑性和热固性塑料两类。,胶粘剂是指在常温下处于粘流态，当受到外力作用时，会产生永久变形，外力撤去后又不能恢复原状的高聚物。有时把聚合后为加工成型的高聚物称为树脂，以区分加工后的塑料或纤维制品，如电木为固化前称酚醛树脂，涤纶纤维为纺织前称涤纶树脂。,4,.,复合材料,复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成。复合材料是多相材料，主要包括基本相和增强相。基体相是一种连续相材料，它把改善性能的增强相固结成一体，并起传递应力的作用；增强相起承受应力和显示功能作用。复合材料既能保持原组成材料的重要特色，又通过复合材料效应使各组分的性能互相补充，或得原组分不具备的许多优良性能。复合材料的种类繁多，按基体材料分类，有金属基复合材料，陶瓷基复合材料，水泥、混凝土基复合材料，塑料基复合材料，橡胶基复合材料等；按增强剂形状可分为粒子、纤维及层状复合材料；依据复合材料的性能可分为结构复合材料和功能复合材料。,复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成。复合材料是多相材料，主要包括基本相和增强相。基体相是一种连续相材料，它把改善性能的增强相固结成一体，并起传递应力的作用；增强相起承受应力和显示功能作用。复合材料既能保持原组成材料的重要特色，又通过复合材料效应使各组分的性能互相补充，或得原组分不具备的许多优良性能。复合材料的种类繁多，按基体材料分类，有金属基复合材料，陶瓷基复合材料，水泥、混凝土基复合材料，塑料基复合材料，橡胶基复合材料等；按增强剂形状可分为粒子、纤维及层状复合材料；依据复合材料的性能可分为结构复合材料和功能复合材料。,按材料的性能分类,根据材料在外场作用下其性质或性能对外场的响应不同，材料可分为结构材料和功能材料。结构材料是指具有低抗外场作用而保持自己的形状、结构不变的优良力学性能（强度和韧性等），用于结构目的的的材料。功能材料是具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学和生物学功能及其相互转化的功能，被用于非结构目的的高科技术材料。,按材料服役的领域来分类,根据材料根据材料服役的技术领域可分为信息材料、航空航天材料、能源材料、生物医用材料等。信息材料是指用于信息的探测、传输、显示、运算和处理的光电信息材料。航空航天材料主要包括新型金属材料、烧蚀防热材料和新型复合材料。能源材料是指能源工业和能源技术所使用的材料，按使用目的不同分为新能源材料、节能材料和储氢材料等。生物医用材料是一类合成物质或天然物质或这些物质的复合，它能作用一个系统的整体或部分，在一定时期内治疗、增强或替换机体的组织、器官或功能。,按材料结晶状态分类,单晶材料是由一个比较完整的晶粒构成的材料，如单晶纤维、单晶硅；多晶材料是由许多晶粒组成的材料，其性能与晶粒大小、晶界的性质有密切的关系。非晶态材料是由原子或分子排列无明显规律的固体材料，如玻璃、高分子材料。准晶材料,按材料的尺寸分类,材料按材料的尺寸可分为零维材料、一维材料、二维材料、三维材料。零维材料即超微粒子。一维材料如光导纤维。二维材料如金刚石薄膜、高温超导薄膜、半导体薄膜。三维材料即块状材料。,