材料科学基础1.ppt

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1、一、什么是材料一、什么是材料?材料材料是具有一定性能，可以用来制作器件、构件、工是具有一定性能，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，与我们的生活息息相关。的生活息息相关。材料是人类文明、社会进步、科技发展的物质基础。材料是人类文明、社会进步、科技发展的物质基础。现代科学技术的三大支柱现代科学技术的三大支柱现代科学技术的三大支柱现代科学技术的三大支柱能源、材料、信息能源、材料、信息能源、材料、信息能源、材料、信息，其中材其中材其中材其中材料是基础。料是基础。料是基础。料是基础。材料是全球新技术革命的四大标志之一（

2、材料是全球新技术革命的四大标志之一（新材新材料技术、新能源技术、信息技术、生物技术料技术、新能源技术、信息技术、生物技术）。）。材料的重要性材料的重要性？1.1 材料科学概论材料科学概论二、材料与人类文明二、材料与人类文明材料是人类文明进步的里程碑材料是人类文明进步的里程碑材料是人类文明进步的里程碑材料是人类文明进步的里程碑 早期历史按早期历史按早期历史按早期历史按石器、陶器、青铜器、铁器石器、陶器、青铜器、铁器石器、陶器、青铜器、铁器石器、陶器、青铜器、铁器时代来划分，材料代表着当时代来划分，材料代表着当时代来划分，材料代表着当时代来划分，材料代表着当时的生产能力和生活水平。时的生产能力和生

3、活水平。时的生产能力和生活水平。时的生产能力和生活水平。第一、二次产业革命的基础：开发铁和铜、第一、二次产业革命的基础：开发铁和铜、第一、二次产业革命的基础：开发铁和铜、第一、二次产业革命的基础：开发铁和铜、合金钢、铝合金以及各合金钢、铝合金以及各合金钢、铝合金以及各合金钢、铝合金以及各种非金属材料种非金属材料种非金属材料种非金属材料等新材料。等新材料。等新材料。等新材料。现代的核和信息时代是与元素现代的核和信息时代是与元素现代的核和信息时代是与元素现代的核和信息时代是与元素U U和和和和SiSi的开发紧密联系。的开发紧密联系。的开发紧密联系。的开发紧密联系。人类通过使用新的材料去改进生产工具

4、、生活用具以及武器，并伴人类通过使用新的材料去改进生产工具、生活用具以及武器，并伴人类通过使用新的材料去改进生产工具、生活用具以及武器，并伴人类通过使用新的材料去改进生产工具、生活用具以及武器，并伴随着科技革命的不断发展。随着科技革命的不断发展。随着科技革命的不断发展。随着科技革命的不断发展。石石 器器 时时 代代青青 铜铜 器器 时时 代代铁铁 器器 时时 代代三、什么是材料科学？三、什么是材料科学？材料科学材料科学主要是指从事对材料本质规律的主要是指从事对材料本质规律的发现发现、分析、分析、认识、设计及控制认识、设计及控制等方面研究的一门科学。其目的在于揭示等方面研究的一门科学。其目的在于

5、揭示材料的行为，给予材料结构、性质等的统一描绘或材料的行为，给予材料结构、性质等的统一描绘或建立模型建立模型，以及解释结构与性能之间的基本关系。以及解释结构与性能之间的基本关系。材料科学的提出材料科学的提出:美国认为在发射人造卫星的先进材料的研究方面落后于苏联，于美国认为在发射人造卫星的先进材料的研究方面落后于苏联，于58年年3月月18日总统通过科学顾问委员会发布日总统通过科学顾问委员会发布“全国材料规划全国材料规划”，决定，决定12所所大学成立材料研究实验室，从此出现了大学成立材料研究实验室，从此出现了“材料科学与工程材料科学与工程”学科的提法。学科的提法。基础学科与材料科学的关系基础学科与

6、材料科学的关系 量子力学、固体物理、无机化学、有机化学、物理化学等基础量子力学、固体物理、无机化学、有机化学、物理化学等基础学科的发展为材料科学奠定了重要基础。学科的发展为材料科学奠定了重要基础。现代分析技术和设备的更新，加深了对物质结构和物理化学性现代分析技术和设备的更新，加深了对物质结构和物理化学性质的理解。质的理解。冶金学、金属学、陶瓷学、高分子科学等自身的发展也使对材冶金学、金属学、陶瓷学、高分子科学等自身的发展也使对材料的本质认识大大系统化（组成料的本质认识大大系统化（组成-制备制备-结构结构-性能的关系），为学科性能的关系），为学科发展打下了坚实的基础。发展打下了坚实的基础。材料科

7、学范畴下不同材料应用理论的交叉融合。材料科学范畴下不同材料应用理论的交叉融合。现代材料技术从现代材料技术从多样化、单一化走向一体化、复合化多样化、单一化走向一体化、复合化。1.2 材料的分类材料的分类 一、材料的化学组成分类一、材料的化学组成分类二、材料的性能分类二、材料的性能分类 三、材料服役的领域来分类三、材料服役的领域来分类四、材料的结晶状态分类四、材料的结晶状态分类五、材料的尺寸分类五、材料的尺寸分类一、一、按化学组成分类：按化学组成分类：1.金属材料金属材料2.无机非金属材料无机非金属材料3.高分子材料（聚合物）高分子材料（聚合物）4.复合材料复合材料1、金属材料、金属材料 金属材料

8、是由元素周期表中金属材料是由元素周期表中的金属元素组成的材料。可分为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属元素或金属与非金属元素构成的的合金合金。合金又可分为。合金又可分为固溶体固溶体和和金属间化合物金属间化合物。当金属的晶体结构保持溶剂组元的晶体结构时，这种合当金属的晶体结构保持溶剂组元的晶体结构时，这种合金称为一次固溶体或端际固溶体，简称为金称为一次固溶体或端际固溶体，简称为固溶体固溶体。根据溶质。根据溶质原子在溶剂晶体结构中的位置，固溶体可分为原子在溶剂晶体

9、结构中的位置，固溶体可分为置换固溶体置换固溶体和和间隙固溶体间隙固溶体。金属元素与其它金属元素或非金属元素之间形成合金时，金属元素与其它金属元素或非金属元素之间形成合金时，除固溶体外，还可能形成除固溶体外，还可能形成金属间化合物金属间化合物。金属间化合物可分。金属间化合物可分为三类，即由负电性决定的为三类，即由负电性决定的原子价化合物原子价化合物（简称价化合物）、（简称价化合物）、由电子浓度决定的由电子浓度决定的电子化合物电子化合物（亦称为电子相）以及由原子（亦称为电子相）以及由原子尺寸决定的尺寸决定的尺寸因素化合物尺寸因素化合物。除了这三类由单一元素决定的。除了这三类由单一元素决定的典型金属

10、间化合物外，还有许多金属间化合物，其结构由两典型金属间化合物外，还有许多金属间化合物，其结构由两个或多个因素决定，称之为个或多个因素决定，称之为复杂化合物复杂化合物。金属材料的基本属性金属材料的基本属性 结合健为金属健；结合健为金属健；熔点较高；熔点较高；具有金属光泽；具有金属光泽；范性、展性、延性大；范性、展性、延性大；强度较高；强度较高；结构中存在自由电子，导热和导电性好；结构中存在自由电子，导热和导电性好；在空气中易被氧化。在空气中易被氧化。2、无机非金属材料无机非金属材料 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）

11、氧化物、氮化物、碳化物、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。无机非金属材料种类繁多，用途各异，一材料的总称。无机非金属材料种类繁多，用途各异，一般将其分为般将其分为传统的（普通的）传统的（普通的）和和新型的（先进的）新型的（先进的）无机无机非金属材料两大类。非金属材料两大类。主主要要是是指指由由SiO2及及其其硅硅酸酸盐盐化化合合物物为为主主要要成成分分制制成成的的材材料料，包包

12、括括陶陶瓷瓷、玻玻璃璃、水水泥泥和和耐耐火火材材料料等等。此此外外，搪搪瓷瓷、磨磨料料、铸铸石石（辉辉绿绿岩岩、玄玄武武岩岩等等）、碳碳素素材材料料、非非金金属属矿矿（石石棉棉、云云母母、大大理理石石等等）也也属属于于传传统统的的无无机机非非金金属材料。属材料。传统无机非金属材料传统无机非金属材料是用氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、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

13、维等。机涂层、无机纤维等。先进（或新型）无机非金属材料先进（或新型）无机非金属材料陶瓷按其概念和用途不同，陶瓷按其概念和用途不同，可分为两大类，即可分为两大类，即普通陶瓷普通陶瓷和和特种陶瓷特种陶瓷。根据陶瓷坯体结构及其基根据陶瓷坯体结构及其基本物理性能的差异，陶瓷制品本物理性能的差异，陶瓷制品可分为可分为陶器和瓷器陶器和瓷器。陶瓷陶瓷 普通陶瓷：普通陶瓷：即传统陶瓷，是指以粘土为主要原料与其它天即传统陶瓷，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、建筑陶成的各种制品。包括日用陶瓷、

14、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、电瓷以及其它工业用陶瓷。瓷、化工陶瓷、电瓷以及其它工业用陶瓷。见见表表0-1。表表0-1 普通陶瓷的分类方法普通陶瓷的分类方法 特种陶瓷：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。包括制品。包括结构陶瓷结构陶瓷和和功能陶瓷功能陶瓷。结构陶瓷主要用于耐。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。功能、

15、生物功能、核功能及其它功能的陶瓷材料。常见常见高温结构陶瓷高温结构陶瓷包括：高熔点氧化物、碳化包括：高熔点氧化物、碳化物、硼化物、氮化物、硅化物。物、硼化物、氮化物、硅化物。功能陶瓷功能陶瓷包括包括:装置瓷（即电绝缘瓷）、电容器装置瓷（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、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）、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、红外辐射陶瓷等）、化

16、学功能陶瓷（多孔陶瓷载体等）、生物功能陶瓷等。等）、生物功能陶瓷等。玻璃玻璃玻璃玻璃是由熔体过冷所制得的非晶态材料。根据其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、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，其网络形成剂分为磷酸盐玻璃等，其网络形成剂分为SiO2、B2O3和和P2O5。习惯上玻璃态材料可分为习惯上玻璃态材料可分为普通玻璃普通玻璃和和特种玻璃特种玻璃两大类。两大类。普通玻璃普通玻璃是指采用天然原料，能够大规模生产的玻是指采用天然原料，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、光学璃。普通玻璃包括日

17、用玻璃、建筑玻璃、微晶玻璃、光学玻璃和玻璃纤维等。玻璃和玻璃纤维等。特特种种玻玻璃璃（亦亦称称为为新新型型玻玻璃璃）是是指指采采用用精精制制、高高纯纯或或新新型型原原料料，通通过过新新工工艺艺在在特特殊殊条条件件下下或或严严格格控控制制形形成成过过程程制制成成的的一一些些具具有有特特殊殊功功能能或或特特殊殊用用途途的的玻玻璃璃。特特种种玻玻璃璃分分为为防防辐辐射射玻玻璃璃、激激光光玻玻璃璃、生生物物玻玻璃璃、多多孔孔玻玻璃璃、非非线性光学玻璃和光纤玻璃等。线性光学玻璃和光纤玻璃等。水泥水泥指加入适量水后可成塑性浆体，既能在空气中硬化又能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

18、，并能将砂、石等材料牢固地胶结在一起的水硬性胶在水中硬化，并能将砂、石等材料牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料。凝材料。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。一百多种。水泥水泥耐火材料耐火材

19、料耐耐火火材材料料是是指指耐耐火火度度不不低低于于1580的的无无机机非非金金属属材材料料。它它是是为为高高温温技技术术服服务务的的基基础础材材料料。耐耐火火材材料料是是用用作作高高温温窑窑炉炉等等热热工工设设备备的的结结构构材材料料，以以及及用用作作工工业业高高温温容容器器和和部部件件的的材材料料，并并能能承承受受相相应应的的物物理理化化学学变变化化及及机机械械作用。作用。大部分耐火材料是以天然矿石（如耐火粘土、硅石、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。菱镁矿、白云母等）为原料制造的。无机非金属材料的基本属性无机非金属材料的基本属性 化学健主要是离于

20、键、共价健以及它们的混合键；化学健主要是离于键、共价健以及它们的混合键；硬而脆、韧性低、抗压不抗拉、对缺陷敏感；硬而脆、韧性低、抗压不抗拉、对缺陷敏感；熔点高，具有优良的耐高温和化学稳定性；熔点高，具有优良的耐高温和化学稳定性；一般自由电子数目少、导热性和导电性较小；一般自由电子数目少、导热性和导电性较小；耐化学腐蚀性好；耐化学腐蚀性好；耐磨损。耐磨损。3.有机高分子材料（高聚物）有机高分子材料（高聚物）高聚物是由一种或几种简单低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，很大的化合物。高聚物的种类繁多，性能各异，其分类

21、的方法多种多样。性能各异，其分类的方法多种多样。按高分子材料按高分子材料来源来源分为天然高分子分为天然高分子材料和合成高分子材料；按材料的材料和合成高分子材料；按材料的性能和用途性能和用途可将高聚物分为可将高聚物分为橡胶、橡胶、纤维、塑料和胶粘剂纤维、塑料和胶粘剂等。等。4.复合材料复合材料 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，主要包括的材料组合而成。复合材料是多相材料，主要包括基本相基本相和和增增强相强相。复合材料的种类繁多按复合材料的种类繁多按基体材料基体材料分类，有金属基复分类，有金属基复合材

22、料，陶瓷基复合材料，水泥、混凝土基复合材料，塑合材料，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；按料基复合材料，橡胶基复合材料等；按增强剂形状增强剂形状可分为可分为粒子、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。结构复合材料和功能复合材料。二、材料的性能分类二、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，根据材料在外场作用下其性质或性能对外场的响应不同，材料可分为材料可分为结构材料结构材料和和功能材料功能材料。结构材料结构材料是指具有抵抗外场作用而保持自己的形状、

23、结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。材料。功能材料功能材料是具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、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。构目的的高技术材料。三、材料服役的领域来分类三、材料服役的领域来分类根据材料服役的技术领域可分为：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、信息材料、航空航天材料、能源材料、生物医用材料生物医用材

24、料等。等。信息材料信息材料是指用于信息的探测、传输、显示、运算和处理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、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。信息的运算和处理材料。航空航天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

25、涂层料和新型复合材料。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、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。陶瓷材料，也有少量是阻尼合金等金属材料。能源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源材料包括增值堆用核材料、聚变堆材料、太阳

26、能电池；聚变堆材料、太阳能电池；节能材料包括非晶体金属磁性材料（用作变压器铁芯的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；储氢材料如钠硫电池的合金）和超导材料；储氢材料如钠硫电池的比能量达比能量达137W.h/Kg，而铅蓄电池的比能量只有而铅蓄电池的比能量只有30W.h/Kg。生物医用材料生物医用材料是是一一类类合合成成物物质质或或天天然然物物质质或或这这些些物物质质的的复复合合，它它能能作作用用一一个个系系统统的的整整体体或或部部分分，在在一一定定时时期期内内治治疗疗、增增强强或或替换机体的组织、器官或功能。替换机体的组织、器官或功能。包包括括医医

27、用用金金属属及及合合金金、医医用用高高分分子子材材料料、医医用用生生物物陶陶瓷、医用复合材料等。瓷、医用复合材料等。四、四、材料按结晶状态分类材料按结晶状态分类 n单单晶晶材材料料是是由由一一个个比比较较完完整整的的晶晶粒粒构构成成的的材材料料，如如单单晶晶纤纤维、单晶硅；维、单晶硅；n多晶材料多晶材料是由许多晶粒组成的材料，其性能与晶粒大小、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。晶界的性质有密切的关系。n非晶态材料非晶态材料是由原子或分子排列无明显规律的固体材料，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。如玻璃、高分子材料。n准晶材料准晶材料介于

28、介于晶体晶体和和非晶体非晶体之间的之间的固体固体。五、五、按材料的尺寸分类按材料的尺寸分类 材料按材料的尺寸可分为：材料按材料的尺寸可分为：零维材料、一维材料、二维材料、三维零维材料、一维材料、二维材料、三维材料材料？1.3 组成组成-结构结构-性质性质-工艺过程工艺过程及其与环境的关系及其与环境的关系 Solar Radiation Spectra1.4 教学内容与要求教学内容与要求教学内容主要包括：材料引言、晶体结构、晶体结构缺陷、非晶教学内容主要包括：材料引言、晶体结构、晶体结构缺陷、非晶体结构与性质、相平衡和相图、基本动力学过程体结构与性质、相平衡和相图、基本动力学过程扩散、材料中扩散、材料中的相变、烧结等基础知识。的相变、烧结等基础知识。教学目的：通过本课程的学习，掌握材料科学的基本理论即教学目的：通过本课程的学习，掌握材料科学的基本理论即材料的成分、组织、与性能之间的关系，了解不同材料的共性材料的成分、组织、与性能之间的关系，了解不同材料的共性与特性，从而掌握材料设计与应用的基本原则与特性，从而掌握材料设计与应用的基本原则。考试、作业、实验报告、平时及考勤考试、作业、实验报告、平时及考勤