材料科学与工程基础绪论pptx

材料科学与工程学院材料物理教研室李艳红目录第一章绪论第二章材料结构基础第三章材料组成与结构第四章材料的性质第五章材料的制备与成型加工aluminum(metal)cans,glassbottlesandplastic(polymer)bottles1-1材料的定义、分类及基本性质1-2材料科学与工程概述1-3本课程的内容和学习方法1-1-1定义1.材料Materials•我们的周围到处都是材料•我们的衣食住行的必备条件•人类一切生活和生产活动的物质基础•先于人类存在，并且与人类的出现和进化有着密切的联系。陶瓷艺术结束动画图片玻璃瓶结束动画图片结束动画图片结束动画图片塑料布结束动画图片特种工程塑料结束动画图片结束动画图片一些典型的高聚物材料结束动画图片结束动画图片结束动画图片人类使用材料是一巨大的、全球性的、时空无限的去动画图片开始什么是材料？具体地说，材料是用来制造各种产品的物质，这些物质用来生产和构成功能更多、更强大的产品。金属、陶瓷、玻璃、半导体、超导体、塑料、橡胶、纤维、砂子、石块，还有许多复合材料都属于材料的范畴。矿物燃料、空气和水，是否是材料？Material：材料科学（工科）物质科学（理科）•材料是指具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状的物质。原料（RawMaterials）•由原料到材料。•原料一般不是为获得产品，而是生产材料，往往伴随化学变化。•材料的特点往往是为获得产品，一般从材料到产品的转变过程不发生化学变化。材料与物质(MaterialsandMatter)材料可由一种或多种物质组成。同一物质由于制备方法或加工方法不同可以得到用途各异、类型不同的材料。1-1-2类别类别材料可以根据化学组成、状态、作用和使用领域分类。化学组成分类状态分类金属材料无机非金属材料有机高分子材料气态固态液态单晶多晶复晶非晶作用分类Function功能材料结构(工程)材料应用领域分类Application建筑电子医用仪表包装耐火能源等等(1)黑色金属材料钢Steel化学成分——碳素钢、合金钢品质——普通、优质、高级优质钢金相组织或组织结构——珠光体、贝氏体、马氏体和奥氏体用途——建筑工程、结构、工具、特殊性能、专业用钢冶炼方法——平炉、转炉、电炉、沸腾炉钢铸铁灰铸铁可锻铸铁球墨铸铁蠕墨铸铁特殊性能铸铁(2)有色金属五大类轻金属（4.5g/cm3）铝、镁、钠、钙重金属(4.5g/cm3)铜、镍、铅、锌贵金属金、银、铂、铑类金属（半）硅、硒、砷、硼稀有金属钛、锂、钨、钼、镭常用的有色金属材料有：Al、Cu、Zn、Sn、Pb、Mg、Ni……(3)基本特性PrincipalPropertiesa.金属键，常规法生产的金属为晶体结构；b.常温下固体，熔点较高；c.金属光泽；d.纯金属范性大、展性、延性大；e.强度较高；f.自由电子的存在，导热、导电性好；g.空气中易氧化，如钢、铁等生成氧化膜，合金可改性抗氧化性。(4)用途Applicationa.结构材料:如机床,建筑机械设备、工程交通工具；b.导体材料，电线芯（铜）c.工具(1)分类（按成分，化学结构和用途分四大类）混凝土（水泥）玻璃Glass硅及耐火材料Silicon陶瓷（器）Ceramics传统陶瓷（天然硅酸盐矿）：各中粘土烧制而成。(SilicateCeramics)特种陶瓷（人工化合物：氧化物、氮化物、硼化物、碳化物）(2)基本特性以陶瓷为例a.离子键、共价键及其混合键；b.硬而脆；c.熔点高、耐高温抗氧化d.导热、导电性差；e.耐化学腐蚀性好；f.耐磨；g.成型方式为粉末制坏、烧制成型(3)用途建筑卫生陶瓷：瓷砖、浴缸。工程陶瓷工程结构陶瓷：反应釜（耐酸、耐腐蚀）绝缘瓷瓶。功能陶瓷：磁性、导电。Polymers,Macromolecules(1)分类按主链结构Backbonechain碳链–C–C–C–杂链–C–N–C=O；–C–O–C–元素Si、P、B按使用性质塑料Plastics橡胶Rubber天然、合成纤维Fiber天然、合成粘合剂Adhesive涂料Coating通用塑料、工程塑料热塑性、热固性以C、H、N、O等元素为基础，由许多结构相同的小单位重复连接组成，含有成千上万个原子，分子量很大，并在某一个范围内变化着。(2)基本性质a.共价键，部分范氏键b.分子量大，无明显熔点，有玻璃化转变温度Tg和粘流温度Tf；c.力学状态有三态：玻璃态、高弹态、粘流态d.比重小e.绝缘性好f.优越的化学稳定性g.成型方法多(3)用途结构材料：电视机壳体、冰箱壳体、轴承、机械零件绝缘材料：漆包线、电缆、绝缘版、电器零件建筑材料：贴面板、地贴包装材料：塑料袋、薄膜、泡沫塑料涂装：涂料粘合剂：粘合剂日用：织物（衣服）胶鞋运输：轮胎，传送带Composites定义：由两种以上组分组成，并且具有与其组成不同的新的性能的材料(1)分类按性能：结构复合材料功能复合材料按增强剂形状及增强机理：粒子增强纤维增强基体Matrix增强体Reinforcement按复合方式分类金属金属、无机非金属无机非金属金属、无机非金属高分子(塑料、橡胶)金属、无机非金属、高分子(纤维)(2)基本性质a.抗疲劳性能良好；b.结构件减震性好；c.比强度和比模量高；d.耐烧能性和耐高温性能好e.具有良好的减摩、耐摩和耐润滑性能•生物材料Biomaterials用于人体组织和器官的诊断、修复或增进其功能的一类高技术材料，即用于取代、修复活组织的天然或人造材料，其作用药物不可替代。生物材料能执行、增进或替换因疾病、损伤等失去的某种功能，而不能恢复缺陷部位。先进材料Advancedmaterials纳米材料，LED用材料，光纤等1-2-1材料的重要作用材料是人类社会发展的巨大推动力，制造生产工具的物质基础是材料。石器时代——陶器时代——青铜时代——铁期时代——复合材料（图）自古以来，材料的发展水平就是人类社会文明程度的标志.人类文明史划分依据:当时的代表性材料1.石器时代2.铜器时代3.铁器时代4.……石器陶器铜器编钟铁器1764年工业革命，第一部机器（手摇）1769年，水力纺纱机1782年，蒸汽机为动力的纺纱机，纺织业（动力）瓦特发动机、传动机、工作机——机器系列机器制造铁——冶炼业木炭—大量砍伐；水土流失——煤采矿业搅炼法（鼓风）炼钢交通运输业下一页蒸汽机上一页1945年电子管计算机，几间大屋半导体——集成电路——小型芯片、液晶、分子器件、计算机（PC）手提电脑，掌上电脑材料品种：几十万种（手册中）科学技术发展的三大支柱：80年代能源、材料、信息90年代信息技术、新材料、生物技术高速民航客机使用的复合材料，高比强、代替金属、重量轻耐摩擦、热氧稳定、力学性能生物降解材料（环境保护）计算机、液晶显示屏（低电压）信息社会要术各种各样光、电、磁、声材料各种材料相互替换、复合、共性、特性，纳米材料下一页返回1-2-2材料科学与工程基础的范畴和任务（1）学科建立EstablishmentofMaterialScienceandEngineering1960’s金属材料——金相学——金属学无机材料——无机化学——陶瓷学高分子材料——高分子化学——高分子物理卫星上天引发的震动“材料科学”概念的提出只是20世纪50年代末到60年代初的事情。1957年，前苏联人造卫星首先上天，对美国人触动很大。1957年10月和11月，苏联先后发射了两颗重量分别为80kg和500kg的人造卫星。直到第二年的1月底，美国才发射了一个重量仅8kg的人造卫星。58由于当时正是苏美两国争夺世界霸权的冷战时代，这件事在美国朝野引起很大震动。各有关部门联合向总统提出报告，认为美国落后于苏联的原因主要在于先进材料的研究开发方面。1958年3月，美国总统发布了“全国材料规划”，决定由12所大学成立材料科学研究中心，采用先进的科学理论和实验方法对材料进行深入研究，从此出现了“材料科学”一词。1966年，美国麻省理工学院将“冶金系”改为“冶金与材料科学系”，1975年又将其更名为“材料科学与工程系”。这标志着人们开始把材料的研究作为自然科学的一个分支，从此“材料科学”学科开始兴起。材料的获得，质量的改进和使材料成为人们可用的器件或构件都离不开生产工艺和制造技术等工程知识，因此将材料科学与工程相提并论了592.20世纪上半叶基础学科的发展奠定了材料科学的基础量子力学、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的形成奠定了重要的理论基础；而各种现代分析技术的进步，加深了人们对物质结构和材料的物理化学性质的理解；同时，冶金学、金属学、陶瓷学、高分子科学等应用科学的发展也使人们对材料本身的研究大大加强。这使人们对材料的制备、结构、性能以及它们之间的相互关系的研究也越来越深入。3.不同材料应用理论的交叉融合促进了材料科学的形成在“材料科学”概念出现以前，金属、陶瓷和高分子都已自成体系，但它们之间存在颇多相似之处，不同材料之间可以相互借鉴，促使了该学科的发展。604.不同材料测试技术及工艺技术的交叉融合也促进了材料科学的形成虽然不同类型的材料各有其专用的生产设备和测试手段，但它们在许多方面是相同或相近的。一方面，不同材料的结构与性能表征方法大体上是相通的。例如，光学显微镜、电子显微镜、表面测试设备、力学性能及其他物理性能测试设备等，对不同类型的材料而言是通用的。另一方面，在材料的制备与加工中，有许多工艺也是通用的。例如，挤压工艺常用于金属材料的成形加工以提高强度，而某些高分子材料通过挤压法形成纤维同样能使其比强度和比刚度大幅度提高。(2)内容和任务ContentsandObjective材料科学：从理论上研究金属、无机非金属和有机高分子等材料的成分、结构、加工工艺同材料性能及材料应用之间的相互关系。材料科学与工程：关于材料组成、结构、制备工艺与其性能及使用过程间相互关系的知识开发及应用的科学学科性质：是介于基础科学与应用科学之间的应用基础科学（边缘学科）。使用性能Performance合成与制备过程SynthesisandProcessing组成与结构CompositionsandStructures性质Properties（工程）（化学）（物理学）材料科学与工程定义为：关于材料组成、结构、制备工艺与其性能及使用过程间相互关系的知识开发及应用的科学。研究内容科学性a.从化学角度出发，研究材料的化学组成、键性、结构与性能的关系b.从物理角度，阐述材料的组成原子、分子及其运动状态与各物性之间的关系c.材料的制备工艺技术性d.材料的性能表征e.材料的应用返回目录(3)材料工程MaterialsEngineering对于工程技术人员：如何选择特定应用环境下需要的材料，来满足使用要求，如何按实际要求设计新材料，须弄清以下三个关系（材质）——材料内部结构与性能（内部形态）——加工工艺与性能（使用环境，耐久性）——材料的性能与使用过程材料科学与材料工程的区别材料科学：集中于认识材料的本质，提出有关的理论和描述，说明材料结构是如何与其成分，性质及行为相联系的。材料工程：瞄准基础科学和经验知识的综合和运用，以便发展、制备、改善和使用材料，满足具体需要。两者之间很难划出明确的界限，主要区别在于着眼的不同或者说各自强调的中心不同1-3-1目的专业基础课：奠定学科基础，建立整体概念为什么学？学什么？怎么学？第一章绪论材料的定义、分类及基本内容第二章材料结构基础各类材料结构上的共性基础、原子分子、聚集态、表面、转变第三章材料组成及结构从材料的组成入手，阐述各种材料的聚集态结构和宏观组织结构。第四章材料的性能阐明在应力、热、光、电、声、化学介质等各种外界因素下，各类材料所表现的宏观性质、破坏形式及其内部结构的变化规律。第五章材料的制备和成型加工从不同种类材料出发，阐明材料的制备原理和方法。教材和参考教材相结合，课堂讲授、课堂讨论和课外作业、课前预习相结合通过物质结构与组成的基本理论的学习，掌握材料的结构——性能内在关系；通过对比，了解高分子材料与金属和无机非金属材料在材