1-绪论(材料概论)

材料概论•40学时，2.5学分•1绪论2学时•2材料组成与结构6学时•3材料合成与制备4学时•4材料性能与使用效能8学时•5金属材料4学时•6无机非金属材料6学时•7高分子材料4学时•8复合材料2学时•辅导答疑4学时1教学目标及基本要求•材料概论：专门研究材料组成与结构、合成与制备、性能与使用效能之间基本规律和一般方法的科学，是培养材料类专业专门人才的一门必修的专业基础课程。•教学目标：通过了解和掌握材料科学的基础知识和基本理论，培养和提高同学们运用基本理论和方法分析和解决实际问题的能力，为相关专业课程的学习打下坚实基础。•基本要求：了解和掌握材料科学与工程，材料合成与制备、组成与结构、性能与使用效能，金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料等的基础知识和基本理论。2注意事项•1.不得迟到、早退、无故旷课，没有我的批准，任何人不得请假。•2.课堂上严禁做与本课程无关的事情，上课时，请将手机关闭或调至静音。•3.做好课前预习和课后复习，按时独立完成作业。•4.请穿戴整齐，注意仪表形象；•5.尽量与老师沟通交流。•6.联系电话：[phone]，QQ：1762212887，办公室：化工楼304#。3主要参考书目•1.周达飞，材料概论，化学工业出版社，2015年。•2.潘峰，新材料概论，中南大学出版社，2013年。•3.汪怀远，化工新材料概论，化学工业出版社，2012年。•4.陈光，新材料概论，国防工业出版社，2013年。•5.杜双明，材料科学与工程概论，西安电子科技大学出版社，2011年。•6.水中和，材料概论，武汉理工大学出版社，2014年。41绪论•1.1材料发展历程•1.2材料分类•1.3材料科学与工程•1.4材料与化学5教学目标及基本要求•掌握：材料及其含义；石器时代，铜器时代，铁器时代，水泥时代，钢时代，硅时代，新材料时代；材料的化学分类，材料的使用性能分类；材料科学，材料工程，材料科学与工程及其四要素。•熟悉：材料的应用和发展分类，材料的用途分类，材料的状态分类；材料与化学。61绪论•我们的周围到处都是材料(如图所示)。•材料是我们衣食住行的必备条件，是人类一切生活和生产活动的物质基础，它先于人类存在，并且与人类的出现和进化有着密切的联系。•材料是社会进步和经济发展的物质基础与先导，材料科学技术的发展是人类社会进步的里程碑。从石器时代、铜器时代、铁器时代发展到现在的信息时代，从超级市场五光十色的生活用品到航天飞机、人造卫星，都依赖于新材料的发展。71绪论•以航天飞机与载人飞船为例说明材料的重要性(如图所示)。•究竟什么是材料呢？•①材料(广义)：人类社会可接受的、能经济地制造有用器件的物质。•②材料(具体)：用来生产和构成(制造)功能更多、更强大的各种产品的物质。•这样的物质有天然生成的，如砂金、石头、橡胶、木材等；也有人工合成的，如钢铁、陶瓷、塑料、胶合板等。•而材料科学所探讨的材料一般是指固体物质。•那么液体物质、气体物质？81绪论•③材料的含义：原料、制品和中间产品。以钢铁生产为例，来理解材料的三层含义(如图所示)。•材料的发展与人类社会的进步息息相关，从某种意义上说，人类文明史可以称之为世界材料发展史。正是形形色色的材料构成了世间万物，人类的发明创造丰富了材料世界，而材料的不断更新与发展推动了人类社会的进步。•追踪人类文明的历史，可以确信，人类社会的进步是由材料的发展及其伴随着的生产力的提高控制的，材料的性质直接反映了人类社会文明水平。•人类利用材料的历史，就是一部人类进化和进步的历史。每一种重要新材料的发现和使用，都将人类支配自然的能力提高到一个新的水平。91.1材料发展历程•材料科学技术的每一次重大突破，都会引起生产技术的重大变革，甚至引起一次世界性的技术变革，从而将人类的物质文明和精神文明推向前进。•公元前1000年的铁材料，导致了规模农业生产，使人类从奴隶社会进入农业社会。•18世纪的钢材料，推动了机器制造工业的发展，使人类从农业社会进入工业社会。•20世纪50年代的锗、硅半导体材料，发展了微电子信息技术，使人类从工业社会进入信息社会。•自古以来，材料的发展水平就是人类社会文明程度的标志，因此，历史学家根据各时期有代表性的材料将人类社会划分为不同的时代。101.1材料发展历程•迄今为止，人类使用材料的历史已经历了七个时代，即石器时代、铜器时代、铁器时代、水泥时代、钢时代、硅时代、新材料时代。人类使用材料的七个时代的开始时间如表所示。•材料的发展也从第一代天然材料、第二代烧炼材料、第三代合成材料、第四代设计型材料到第五代智能材料。公元前10万年石器时代公元前3000年(青)铜器时代公元前1000年铁器时代公元0年水泥时代公元1800年钢时代公元1950年硅时代公元1990年新材料时代111.1材料发展历程•①石器时代：考古学对早期人类历史分期的第一个时代，即从出现人类到铜器的出现，大约始于距今二三百万年，止于距今5000年左右。这一时代是人类从猿人经过漫长的历史，逐步进化为现代人的时期。•史前，人类只会用天然的原材料，如皮革、木材、石块等。•公元前10万年，人类开始利用石材制造各种打猎和耕作的工具，这一时期即石器时代。石器时代又细分为旧石器和新石器时代。121.1材料发展历程•旧石器时代：距今约250万年至1万年，以使用打制石器为标志的人类文明发展阶段。如，四五十万年以前的北京猿人群居洞穴，以狩猎为生，以制作粗糙的石器和骨器为工具。•新石器时代：始于距今8000年前的人类原始(母系)氏族的繁荣时期。以磨制的石斧、石锛、石凿和石铲，琢制的磨盘和打制的石锤、石片、石器为主要工具。•到了新石器时代，人们逐渐掌握了从地层里开采石料的技术，熟悉了石料的选择、切割、磨制、钻孔、雕刻等工艺要求，获得了较为锐利的磨制石器(如图所示)。石器打制石器磨制石器骨器131.1材料发展历程•②(青)铜器时代：考古学分期法的一个时期，指主要以青铜为材料制造工具、用具、武器的人类文明发展阶段，处于新石器时代和铁器时代之间。•是继金石器并用时期(以铜器为主的金属器物，因冶炼技术较差，不能生成较坚硬的器物，仅作装饰用)之后的又一个历史时代。•人类根据长期的实践，到公元前6000年开始用天然矿石冶炼金属，创造了冶金术，在西亚出现了铜制品。公元前3000年，出现了青铜(铜基锡铅合金)。青铜的熔点低，铸造性能良好，作为制造武器、生活及生产工具等的材料，在人类文明史上产生过重要影响(如图所示)。141.1材料发展历程•③铁器时代：继青铜器时代之后的又一个时代，它以能够冶炼铁和制造铁器为标志，约始于公元前1000年。铁器的使用，促进了社会生产力的发展，加速了奴隶制社会的瓦解。•大约在公元前1500年，人类借助风箱，发明了在高温下用木炭还原优质铁矿石生产铁的方法，并在半熔状态下进行锻造，以制作各种器具，为开创铁器时代奠定了基础。•铁不仅具有和青铜不同的金属光泽，而且强度高、可加工性能(锻造性能)好，除了可用于制造武器外，还可用作结构材料制造器件(如图所示)。151.1材料发展历程•④水泥时代。人类大约在公元前50万年发现了火，这是人类第一个划时代的发现。随着对土壤可塑性的感性认识，以及对火的使用和控制经验的积累，人类开始用粘土制作简单的原始陶器。•陶器的出现是人类跨入新石器时代的重要标志。•随着金属冶炼技术的发展，人类在公元元年左右掌握了通过鼓风提高燃烧温度的技术，并发现一些高温烧制的陶器由于局部熔化而变得更加坚硬，从而改变了陶器多孔与透水的缺点而成为瓷器，这是无机非金属材料发展过程中的重大飞跃，人类文明的发展从此进入了水泥时代。瓷器是我国先民的伟大发明，比国外早1500年以上(如图所示)。161.1材料发展历程•⑤钢时代。到了17世纪，炼铁生产趋向大型化。欧洲在中世纪出现了高炉，燃料还原剂由木炭发展为煤炭，到18世纪又发展为焦炭。•随后，当人类发现钢铁在高温下也具有高强度这一事实后，便出现了以钢铁为结构材料，将蒸汽的热能转变为机械能的蒸汽机。从此，人类开始掌握了人工产生机械动力的方法，用于开动机械设备进行大规模生产，这使人类的思想和社会结构发生了巨大变革。•钢的使用极大地发展了社会生产力，人类从农业社会进入工业社会。人们称这个时期为钢时代。171.1材料发展历程•钢铁材料的广泛应用，导致了大规模机械化生产，极大地丰富了人类社会的物质文明，引起了第一次工业革命或产业革命。第一次工业革命开始的标志是珍妮纺纱机的发明和使用。第一次工业革命完成的标志则是蒸汽机的发明和使用(如图所示)。•第二次工业革命起源于19世纪70年代的电气化技术、新炼钢技术，电力技术、化学化工技术等工业技术革命，其主要标志是电力的广泛应用、内燃机和新交通工具的创制、新通讯手段的发明(如图所示)。181.1材料发展历程•⑥硅时代。伴随钢时代的发展，电子技术也得到了极大的发展。1883年，爱迪生发现的爱迪生效应(热电子发射)是电子工业的基础(如图所示)。•爱迪生效应：把一个和电路中阳极相连的金属板封在电灯泡里，当和阴极相连的灯丝通电发亮的时候，发现在互不接触的灯丝和金属板之间有电流通过的现象。191.1材料发展历程•利用这一原理，1904年，英国工程师弗莱明发明了二极管；1906年，美国发明家福雷斯特制成了世界上第一只三极管，开创了电子管时代，出现了无线电报、电话、导航、测距、雷达、电视等产品，甚至出现了ENIAC第一代电子计算机(如图所示)。•但是，电子管的体积较大，无法适应电子器件小型化的要求。20世纪中叶，随着硅、锗半导体材料出现，人类进入了硅时代。第三次产业革命的标志是微电子技术的发展和普遍应用(如图所示)。201.1材料发展历程•⑦新材料时代。20世纪90年代，人类不断发展和研制新材料，这些新材料具有一般传统材料所不可比拟的优异性能或独特性能，是发展信息、航天、能源、生物、海洋开发等高技术的重要基础，也是整个科学技术进步的突破口。•人类从此进入了新材料时代(如图所示)。•材料在人类社会发展中具有不可替代的作用和地位。人们往往用材料的发展和应用水平来衡量一个国家国力的强弱、科学技术的进步程度和人们生活水准的高低。材料在过去、现在和将来都必然是一切科学技术，尤其是高新技术发展的先导和支柱。211.2材料分类•一、材料的化学分类•根据其化学结合键类型，材料可分为金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料四大类，即材料的化学分类。也就是按材料的化学成分、生产工艺、结构与性能特点进行的分类。•这种分类方法，也是材料科学与工程学科划分的依据。221.2材料分类•①金属材料：以金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性(具有光泽、延展性、易导电导热性)的材料的统称。包括纯金属、合金、金属间化合物和特种金属材料等。•金属材料是目前用量最大、使用最广的结构材料(工程材料)。最简单的金属材料是纯金属，但用得不多。合金因可以改善所要求的性能或获得更好的综合性能而被广泛应用。•金属材料分为黑色金属(钢铁材料)、有色金属(非铁金属材料)和特种金属材料。231.2材料分类•黑色金属：铁、锰、铬及其合金，如钢、锰钢、不锈钢(铁铬合金)、生铁、铁合金、铸铁等。•黑色金属和有色金属这名字，常常使人误会，以为黑色金属一定是黑的，其实不然。黑色金属只有三种：铁、锰与铬。而它们三个都不是黑色的！纯铁和锰是银白色的，纯铬是灰白色的。因为铁的表面常常生锈，覆盖着一层黑色的Fe3O4与棕褐色的Fe2O3的混合物，看去是黑色的。因此，人们将之俗称为黑色金属(如图所示)。金属铬金属锰金属铁241.2材料分类•有色金属：黑色金属以外的所有金属及其合金。主要有铝、铜、钛、镁、镍及其合金等。•在有色金属中，还有各种分类方法。如，按比重分类，铝、镁、锂、钠、钾等的比重小于5，叫做轻金属，而铜、锌、镍、汞、锡、铅等的比重大于5，叫做重金属。像金、银、铂、锇、铱等价格较贵，叫做贵金属，像镭、铀、钍、钋等具有放射性，叫做放射性金属，像铌、钽、锆、镥、金、镭、铪、铀等地壳中含量少，叫做稀有金属(如图所示)。金