材料科学基础第一章Word下载.docx
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6、材料研究的外延------相关学科
7、材料的学科定位
材料性能提高材料的使用范围扩大
材料是用来制造器件的物质。
人类文明的发展依赖于材料的进步。
旧石器时代:
约170万年前~约公元前8000年新石器时代:
约公元前8000年~约公元前3000年青铜器时代:
约公元前3000年~约公元前1000年铁器时代:
约公元前1000以后钢铁时代:
1850年以后
钢铁时代1854和1864年发明了转炉和平炉炼钢。
新材料时代
半导体材料的发展
制作越来越小的硅芯片
新材料时代,这一时代的特征是:
不像以前的各个材料时代,它是一个由多种材料决定社会
和经济发展的时代;
新材料以人造为特征,而不是在自然界中有现成的。
尼龙的商业发展是高
分子材料发展的关键
时期
高温合金的
发展,掺镍合
金促进了喷气
发动机的发展
高温超导体,高温
超导的革命时代。
人类文明社会的先导--新材料
1、材料的发展史,就是人类社会的发展史
2、材料的发展史,就是科学技术的发展史
材料的分类
从化学组成和原子结构角度分类
金属材料
(Metals)
无机非金属材料
(Ceramics)
高分子材料
(Polymers)
复合材料
(Composites)
从特性和性质角度分类
结构材料
(力学性能)
功能材料
(化学性能和物理性能)
从应用角度分类
航空材料
建筑材料
电子材料
半导体材料
生物材料
智能材料
纳米材料
…
主要材料的特性和用途
金属材料
化学组成和原子结构
金属材料是由一种或几种金属元素以及少量的非金属元素的无机物。
合金是由两种或两种以上的金属元素和非金属元素构成的,其中至少一种是金属元素。
金属元素:
iron(Fe),copper(Cu),aluminum(Al),
magnesium(Mg),
nickel(Ni),titanium(Ti)
非金属元素:
Carbon(C),nitrogen(N),oxygen(O),
晶体结构是原子定向排列。
具有大量的自由电子。
金属的性质
具有一定的强度塑性,
好的延展性,
电和热的良导体,
对可见光不透明,
表面有金属光泽。
金属的分类
黑色金属金属铁、铬、锰及其合金。
有色金属
其他金属及合金。
又分为重金属、轻金属、贵金属和稀有金属等。
例如:
铜、铅、锌、镍;
铝、镁、钛;
金、银、铂;
钨、钼、钽、铌、铀、铟、锗及稀土金属等。
典型金属材料品种
:
低碳钢、高碳钢、合金钢、不锈钢、工具钢、耐热钢、弹簧钢
铸铁铝合金镁合金铜合金锌合金镍合金硬质合金
无机非金属材料
化学组成和原子结构
无机非金属材料是由金属元素和非金属元素的化合物组成的。
氧化物,氮化物,碳化物等等
晶体,非晶体和它们的混合物。
粘土砖,玻璃,氧化铝陶瓷等等。
无机非金属材料的性质
重量轻硬度高抗磨损强度高可塑性差高的化学和高温稳定性电和热的不良导体热膨胀率低
无机非金属材料的分类
水泥玻璃传统陶瓷特种陶瓷耐火材料人工晶体
通用高分子材料
塑料:
聚乙烯,聚丙烯,聚四氟乙烯
橡胶:
丁苯橡胶
纤维:
尼龙
特殊高分子材料
满足特殊需求
产量较小
高附加值
高分子材料
高分子材料是由有机化合物构成。
大部分是非晶体,少部分是晶体和非晶体的混合物。
主要分为塑料、纤维和橡胶。
聚乙烯,聚氯乙烯等等。
高分子材料的性质
大范围的延展性
重量轻
电和热的不良导体
较低的软化和分解温度
热膨胀率高
复合材料
复合材料是两种或多种材料构成的,具有新结构或功能特性并且不再保留单个元素性质的材料。
它的性能每个组元所决定。
复合材料的分类-按相的排列方式
颗粒状的纤维状的层片状的
两种优异的现代复合材料:
玻璃钢碳纤维增强
传感器:
感知环境变化,信号输入。
半导体材料
电阻率介于导体和绝缘体之间。
电性能对化学组分极端敏感。
智能材料是一类很有趣的材料,它们能感知环境的变化,并且能根据预先的设置作出相应的反应。
智能材料的类型
压电/铁电材料各种传感器形状记忆合金形状记忆高分子电流变体
敏感材料光纤传感器压电材料……
驱动器(执行器):
执行响应行为,结果输出。
形状记忆合金
压电材料
电光材料
磁致伸缩材料……
纳米材料:
纳米材料、纳米结构指的是尺度在纳米(10-9m)范围内的材料或结构,一般认为要小于100nm。
材料科学与工程研究的内涵:
所有的器件都是由材料制成的。
材料的性质决定了它的用途。
性质
合成制备
使用性能
组成与结构
1.材料科学与工程的四要素
2.材料科学与工程
材料的性质依赖于材料的结构,而材料的结构有利赖于它的组成与合成制备工艺。
性质
结构合成制备
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。
性质(Properties):
材料的功能特性和效用(力、电、热、磁、光等性质)。
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合成制备(Processing):
实现了特定的原子排列(微观),从微观尺度到宏观尺度的所多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成分所产生的结果。
合成制备(Processing):
实现了特定的原子排列(微观),从微观尺度到宏观尺度的所多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。
使用性能(Performance):
可靠性、安全性、有效寿命等。
材料在最终使用状态下的行为,是材料固有性质与产品设计、工程能力和人类需要相融合的一个要素。
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
3.为什么要研究材料科学与工程?
材料研究的途径
从研究微观结构入手,从最小的因素着手,
研究合成制备工艺对微观结构的影响,
研究微观结构与性质之间的关系。
为什么要研究材料科学与工程
把材料科学与材料工程两方面的知识结合起来,使工程师能够把材料制成社会需要的产品。
材料科学与工程建立起从基础科学到应用科学之间的知识桥梁。
材料科学与工程研究的外延
1.材料合成制备所相关的学科
2.材料测试表征所相关的学科
3.材料应用研究所相关的学科
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
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- 材料科学 基础 第一章