第一章 材料与材料科学.ppt

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,*,第一章 材料与材料科学,什么是材料,?,材料与人类文明,什么是材料科学？,0.1,材料分类,0.2,组成,-,结构,-,性质,-,工艺过程之间的关系,0.3,材料的发展趋势,什么是材料,?,世界万物，凡于我有用者，皆谓之材料。材料是具有一定性能，可以用来制作器件、构件、工具、装置等物品的物质。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。,一定的组成和配比,成型加工性,形状保持性,经济性,回收和再生性,材料与人类文明,材料是人类文明、社会进步、科学技术发展的物质基础和技术先导。在历史上，人们将石器青铜器、铁器等当时的主导材料作为时代的标志，称其为石器时代、青铜器时代和铁器时代。在近代，材料的种类及其繁多，各种新材料不断涌现，很难用一种材料来代表当今时代的特征。,第一次技术革命,18,世纪后期蒸汽机的发明及广泛的应用，但只有在开发了铁和铜等新材料以后，蒸汽机才得以使用并逐步推广。使人类从手工工艺进入机器工业时代，开创了工业社会的文明。,第二次技术革命始于,19,世纪未，以电的发明和广泛应用为标志，实现了电气化。以石油开发和新能源广泛使用为突破口，大力发展飞机、汽车和其他工业，支持这个时期产业革命的仍然是新材料开发。如合金钢、铝合金以及各种非金属材料的发展。,第三次技术革命始于,20,世纪中期，以原子能应用为主要标志。,1942,年在美国建立第一个核反应堆，实现了核能的利用；实现了合成材料、半导体材料等大规模工业化，把工业文明推到了顶点，开启了信息社会文明的大门。,第四次技术革命开始于,20,世纪,70,年代，以计算机，特别是微电子技术、生物工程技术和空间技术为主要标志。这是人类历史上规模最大和最深刻的一次革命。,材料是当代文明的三大支柱之一,材料、能源、信息,是当代社会文明和国民经济的三大支柱，是人类社会进步和科学技术发展的物质基础和技术先导。,材料是全球新技术革命的,四大标志,之一（,新材料技术、新能源技术、信息技术、生物技术,）。,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、化工为理论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与其机械、物理、化学性能之间的规律的一门基础应用学科，是研究材料共性的一门学科。,0.1.1,材料按化学组成（或基本组成）分类,0.1.2,根据材料的性能分类,0.1.3,材料按服役的领域来分类,0.1.4,材料按结晶状态分类,0.1.5,材料按材料的尺寸分类,0.1,材料分类,0.1.1,按化学组成（或基本组成）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,1.,金属材料,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。合金又可分为固溶体和金属间化合物,。,在,103,种元素中，除,He,Ne,Ar,等,6,种惰性元素,和,C,、,Si,、,N,等,16,种非金属元素外，其余,81,种为金属元素。,除,Hg,之外，单质金属在常温下呈现固体形态，外观不透明，具有特殊的金属光泽及良好的导电性和导热性。在力学性质方面，具有较高的强度、刚度、延展性及耐冲击性。,合金是由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素熔合在一起形成的具有金属特性的新物质。合金的性质与组成合金的各个相的性质有关，同时也与这些相在合金中的数量、形状及分布有关。,2.,无机非金属材料,无机非金属材料是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、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,主要是指由,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。,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碎混练、成型、煅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、电瓷以及其它工业用陶瓷。,表,0-1,普通陶瓷的分类方法,先进（或新型）无机非金属材料,是用氧化物、氮化物、碳化物、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。,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。,常见,高温结构陶瓷,包括：高熔点氧化物、碳化物、硼化物、氮化物、硅化物。,功能陶瓷,包括,:,装置瓷（即电绝缘瓷）、电容器陶瓷、压电陶瓷、磁性陶瓷（又称为铁氧体）、导电陶瓷、超导陶瓷、半导体陶瓷（又称为敏感陶瓷）、热学功能陶瓷（热释电陶瓷、导热陶瓷、低膨胀陶瓷、红外辐射陶瓷等）、化学功能陶瓷（多孔陶瓷载体等）、生物功能陶瓷等。,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（亦称为新型玻璃）,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。,特种玻璃包括,SiO,2,含量在,85%,以上或,55%,以下的硅酸盐玻璃、非硅酸盐氧化物玻璃（硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐、碲酸盐、铝酸盐及氧氮玻璃、氧碳玻璃等）非氧化物玻璃（卤化物、氮化物、硫化物、硫卤化物、金属玻璃等）以及光学纤维等。,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、非线性光学玻璃和光纤玻璃等。,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化，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，水泥又可分为硅酸盐水泥、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。,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结构材料，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。,3.,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。按高分子材料,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。,橡胶,的特点是室温弹性高，即使在很小的外力作用下，也能产生很大的形变（可达,1000%,），外力去除后，能迅速恢复原状。其弹性模量小，约,10,5,10,4,Pa,。,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。,纤维,的弹性模量较大，约,10,9,10,10,Pa,。,受力时，形变不超过百分之二十。纤维大分子沿轴向作规则排列，其长径比较大，在较广的温度范围（,-50,150,）内，机械性能变化不大。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，约,10,7,10,8,Pa,。,温度稍高些，受力形变可达百分之几至几百。有些塑料的形变是可逆的，有些塑料的形变是永久的。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。前者受热时可以塑化和软化，冷却时则凝固成形，再加热又可塑化软化。聚乙烯、聚氯乙烯和聚碳酸酯等都属于此类；后者在受热时可塑化和软化，并通过化学反应，使之固定成型，但冷却后不能再加热软化，酚醛塑料和脲醛塑料就属此类。,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。有时把聚合后未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，如电木未固化前称酚醛树脂，涤纶纤维未纺织前称涤纶树脂。,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材料固结成一体，并起传递应力的作用；增强相起承受应力（结构复合材料）和显示功能（功能复合材料）的作用。复合材料既能保持原组成材料的重要特色，又通过复合效应使各组分的性能互相补充，获得原组分不具备的许多优良性能。,复合材料的种类繁多，目前还没有统一的分类方法，下面根据复合材料的三要素来分类。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。,0.1.2,根据材料的性能分类,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,是指具有抵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），用于结构目的的材料。这种材料通常用来制造工具、机械、车辆和修建房屋、桥梁、铁路等。是人们熟悉的机械制造材料、建筑材料，包括结构钢、工具钢、铸铁、普通陶瓷、耐火材料、工程塑料等传统的结构材料（一般结构材料）以及高温合金、结构陶瓷等高级结构材料。,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技术材料。,0.1.3,材料按服役的领域来分类,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。信息材料主要包括信息的监测和传感（获取）材料、信息的传输材料、信息的存储材料、信息的运算和处理材料。,航空航天材料,主要包括新型金属材料（如先进铝合金、超高强度钢、高温合金、高熔点合金、铍及其合金）、烧蚀防热材料和新型复合材料。此外，还包括一些功能材料，如涂层材料、隔热材料、透明材料、阻尼材料、密封材料、润滑材料、粘合剂材料等。这些材料大部分属于高分子材料和陶瓷材料，也有少量是阻尼合金等金属材料。,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。新能源材料包括增值堆用核材料,、,聚变堆材料、太阳能电池（单晶硅、多晶硅、非晶硅等）；节能材料包括非晶体金属磁性材料（用作变压器铁芯的,Fe-,Mn,-B-Si,合金）和超导材料,（,Nb,-Ti,、,Nb-Sn,巨型磁体用材料）；储氢材料，以及高比能电池（如钠硫电池）等。目前钠硫电池的比能量达,137W.h/Kg,，,而铅蓄电池的比能量只有,30W.h/Kg,。,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。,医用金属及合金,医用高分子材料包括合成和天然高分子，已被广泛用于韧带、肌腱、皮肤、血管、角膜、人工脏器、骨和牙等人体软、硬组织及器官的修复和制造。,医用生物陶瓷,包括惰性和活性生物陶瓷、生物玻璃等，如氧化铝瓷、氧化锆瓷、生物碳等以及羟基磷灰石、磷酸三钙陶瓷等。,医用复合材料,:,表面涂层生物活性人工牙根、人工心脏瓣膜人造血管等。,0.1.4,材料按结晶状态分类,单晶材料,多晶材料,非晶态材料,准晶材料,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,是指准周期性晶体材料的简称，准晶仍然是晶体，准晶中的原子分布有严格的位置序，但位置序无周期性，即没有周期性平移对称关系，在准晶材料中存在不符合传统晶体学的五次、八次、十二次对称轴。,准晶从结构角度看是一种新的物质形态，但实际上它们仅在特定的金属合金中形成，是成分范围较窄的金属间化合物。,0.1.5,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，通过,Sol-gel,法、多相沉积或激光等方法，可以制备出亚微米级的陶瓷或金属粉末，大小,1,100nm,的超微粒比表面积大（可作为高效催化剂）、比表面能高、熔点低、烧结温度下降、扩散速度快、强度高而塑性下降慢、电子态由连续能带变为不连续、光吸收也发生异常现象（可以成为高效微波吸收材料,）。,一维材料,，如光导纤维由于其信息传输量远比铜、铅的同轴电缆大，而且光纤有很强的保密性，所以发展很快。再比如脆性块状材料在变成细丝后便增加了韧性，可以用来增强其它的块状。实用纤维为碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维。纤维中强度和刚度最高的要算晶须。,二维材料（薄膜），,如金刚石薄膜、高温超导薄膜、半导体薄膜。由于薄膜的电子所处状态和外界环境的影响，可表现出不同的电子迁移规律，完成特定的电学、光学或电子学功能，如成为绝缘体、铁电体、导体或半导体等，从而有可能作为光学薄膜用于非线性光学、光开关、放大或调幅、敏感与传感元件，用于显示或探测器，用于环保或表面改性的保护膜。,三维材料,即块状材料。,0.2,组成,-,结构,-,性质,-,工艺过程之间的关系,材料科学与工程的四个基本要素：,组成与结构,、,性质,、,使用性能,、,合成与加工,。探索这四个要素之间的关系,(,图,0,.2,),，覆盖从基础学科到工程的全部内容。四个要素之间的密切关系确定了材料科学与工程这一领域，确定了材料科学基础课程的教学线索。,图,0.2,组成,-,结构,-,性质,-,工艺过程之间关系示意图,合成与加工,使用性能,性质,组成与结构,（化学）,（工程）,（物理学）,性质,材料功能特性和效用（如电、磁、光、热、力学等性质）的定量度量和描述,材料对外界刺激（如电场、磁场、温度场、力场等）的整体响应,是合成或加工后材料结构和成分所产生的结果,使用性能,包括可靠性、有效寿命、速度、能量利用率、安全性和寿命期费用等,材料在最终使用状态时的行为,材料固有性质与产品设计、工程能力和人类需要相融合在一起的一个要素,取决于材料的基本性能，也应注意加工工艺技术的影响,结构与成分,每个特定的材料都含有一个以原子和电子尺度到宏观尺度的结构体系,大多数材料结构尺度上的化学成分和分布是立体变化的,结构上几乎无限的变化同样会引起与此相应的一系列复杂的材料性质,合成和加工,是指建立原子、分子和分子聚集体的新排列，在从原子尺度到宏观尺度的所有尺度上对结构进行控制以及高效而有竞争力地制造材料和零件的演变过程,合成,指原子和分子组合在一起制造新材料的物理和化学方法，包括合成新材料、用新技术合成已知的材料或将已知材料合成为新的形式、将已知材料按特殊用途的要求来合成,加工,除了上述三个方面外，还包括在较大尺度上的改变，有时也包括材料制造等工程问题。,合成和加工的区别已变得模糊,两个关键,仪器设备,表,1,5,分析和建模技术,处理微观尺度的最基本模型,处理中间尺度（微米级或更大尺度）上的连续模型,宏观尺度上材料总体性质作为制造过程和使用过程的定量模型,表,1,5,显微技术的比较,参数,OM,法,SEM,法,TEM,法,放大倍数,1-500 10-10,5,10,2,-5,10,6,分辨率,1,nm 500-1,0005-10 0.1-0.2,维数,2-3 3 2,景深,2,m,1 10-100,1,观察尺寸范围,3,m 10,3,-10,5,1-10,4,0.1-100,适用的试样 固体，液体固体 固体,注：,1,指能分清邻近两个小质点的最短距离。,2,指垂直于电场方向可分辨的深度。,3,指观察范围的对角线尺寸。,0.3,材料的发展趋势,第一代材料,石器时代的木片、石器、骨器等天然材料。,第二代材料,陶、青铜和铁等从矿物中提炼出来的材料。,第三代材料,高分子材料，可由,1909,年,Bakeland,第一个人工合成的塑料酚醛塑料算起；高分子材料的原料主要从石油、煤等矿物资源中来。,第四代材料,复合材料。第一到第三代材料都是各向同性的，而复合材料以各向异性为特征。,材料的发展趋势,复合化、功能化、智能化、低维化,建立定量的结构与性能关系,分子设计,先进制造技术：低成本、高质量、高效率,节省资源、节约能源、回收再生,第五代材料,材料的特征随环境和时间而变化的复合材料。它能检测到材料受环境变化引起的破坏作用，随即作出相应的对策。补强型、降解型。,从材料,4,个要素出发，深入到原子、电子尺度，研究材料结构和性质的关系，实现定量化；按使用性能逐个原子对材料进行组装和裁剪，得到一系列具有理想性质的或新的、甚至出乎预料现象的新颖材料或功能材料。,从设计、材料和工艺一体化出发，开发材料的先进制造技术，实现材料的高性能化和复合化，达到材料生产的低成本、高质量、高效率。,