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1、UJSDai QX,材料科学与研究方法 (第1章) 主要内容 了解材料学科的发展形成和基本研究方法是材料科学与工程（MSE） （Materials Science and Engineering，简称MSE）素质教育的一个组成部分。 方法是创新的基本保证, 掌握材料的共性规律、共同效应. 材料结构是材料研究的核心，材料制备是材料开发应用的关键。 结构-性能是材料的核心关键, 学科的交叉与融合是现代科学研究与发展的一大特点，这是现代材料科学与工程大学科的基础特点,应充分认识。 交叉融合是创新的主要源头,UJSDai QX, 材料的资源和环境污染是一个迫切的新课题，带来了新观念、新思路、新方法。
2、资源和环境是世界性问题, 材料的“设计-制备-结构-性能-使用-环境”组成了材料研究的闭环系统，这是材料研究的主线，其内涵、思路与方法是MSE素质教育的核心。 系统概念是辩证创新的前提, 材料科学要从经验科学走向理性科学，新的学科领域“计算材料学”正在逐步形成。 材料计算设计是学科发展趋势,UJSDai QX,本课程主要内容及体系,UJSDai QX,1 材料发展简史,1.1 材料的分类 1、金属材料,黑色金属,有色金属,铁、锰、铬等及其合金。钢铁最广泛,重金属:Cu、Zn、Ni等,轻金属:A1、Mg等,贵金属:Au、Ag等,稀有金属:Mo、Cr等,稀土金属:La 、 Ce等,重金属:Cu、Z
3、n、Ni等,稀有金属:Mo、Cr等,稀土金属:La 、 Ce等,贵金属:Au、Ag等,重金属:Cu、Zn、Ni等,稀有金属:Mo、Cr等,稀土金属:La 、 Ce等,轻金属:A1、Mg等,贵金属:Au、Ag等,重金属:Cu、Zn、Ni等,稀有金属:Mo、Cr等,稀土金属:La 、 Ce等,UJSDai QX,2、无机非金属材料,天然无机非金属材料，如石料等,硅酸盐材料：玻璃、水泥、耐火 材料和陶瓷等,新型硅酸盐材料：精细陶瓷、高 技术陶瓷，如刚玉、碳化物、硼化 物、氧化物陶瓷、功能玻璃等。,UJSDai QX,3、有机高分子材料,高分子聚合物以碳、氢、氧、硫、硅、硼等元素 的不同组成 ，其分子
4、量大,天然 高分子材料,棉、麻等天然纤维、石油、 天然气等化学燃料以及天然 橡胶等,合成 高分子材料,合成橡胶，合成纤维和塑 料等，被称为三大有机合成 材料,UJSDai QX,4、复合材料,由两种或两种以上不同类材料以特殊方式组织起 来的新兴材料,强化相 形态,纤维增强复合材料 颗粒增强复合材料 晶须增强复合材料,基体相 材料,金属基复合材料 陶瓷基复合材料 高分子基复合材料,UJSDai QX,1.2 材料发展史,材料、能源、信息、生物是现代文明的三(四)大支柱,人类的文明史,旧石器时代,新石器时代,青铜器时代,铁器时代,多样化时代,微芯片时代,材料设计时代,人造材料时代,UJSDai Q
5、X,一、材料发展古代史 1、石器时代,天然 材料 使用,石器：劳动生产工具。如石 矢、石刀、石铲、石凿、石斧等 石器的制造 磨光石器,发展了制陶技术，陶器是人类 第一个人工合成材料。,利用野生葛、苎麻等原料制成 织品。用石头做建筑材料,UJSDai QX,2、青铜器时代,人类知道使用 天然的金和铜,炼铜技术 铸造技术,烧制陶器,青铜时代,铜是人类获得的第二种人造材料。 青铜铜锡合金，是人类历史上发现的第一个合金。,UJSDai QX,3、铁器时代,天然陨铁敲打成 最早使用铁器,发现海棉状铁 凝固在炉渣中,炼青铜,铁器时代,发现烧红的钢淬入冷 水，可使钢变得更硬， 现在叫淬火工艺。,反复锻打钢,
6、UJSDai QX,二、材料的近代发展史,18世纪后期，以蒸汽机的发明为主要标志，促进了钢铁材料发展。,19世纪末，以电的发明为标志，促进了无机材料发展和高分子材料出现。,20世纪中期，以原子能应用为重要标志，实现了合成材料、半导体材料的工业化。,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，促进了各类新型材料发展。,第一次技术革命,第二次技术革命,第三次技术革命,第四次技术革命,UJSDai QX,例1-9 新型聚合物更具应用前景,俄罗斯 发明,新型聚合物：硅合成+表面涂层。 不怕水泡、防蚀和耐高低温，具有可溶 性。化学稳定性和热稳定性好。,结构特点,一部分
7、具有弹性，使材料在100下 不结晶； 另一部分则具有很好的硬性，并能耐 受400 的高温。,应用前景,新合成的聚合物比聚四氟乙烯更具有 应用前景，预期在食品业、航空航天工 业上有很好的应用。 2006年报道,UJSDai QX,1、 金属材料 1856年和1864年先后发明了转炉和平炉炼钢，开 始了大规模钢铁生产新时代。 1887年 高锰钢； 1910年 18-4-1高速钢； 1903年 硅钢； 1910年 铬镍不锈钢等。 钢冶炼技术突破后，使铝及铝合金成为仅次于 铁的第二大金属。其它非铁金属也陆续实现了工业 化，金属材料在20世纪中占据了主导地位。,三、主要材料的近代发展史,UJSDai Q
8、X,2、无机非金属材料 20世纪以来，认为进入“新陶瓷时代” 。 玻璃的制造技术得到了很大发展，日用玻璃 和技术玻璃发展迅速； 19世纪初在英国出现了硅酸盐水泥，也称为 波特兰水泥。20世纪开始逐渐出现了各种硅酸盐 水泥。 耐火材料与金属冶炼、陶瓷、玻璃等材料的 制造同时发展起来的。,UJSDai QX,3、 高分子材料 19世纪以前人类利用天然高分子材料，但对本 质毫无所知。天然橡胶是人类最早发现和利用的天然 高分子材料。火棉或硝化棉，实质上是纤维素上的很 多羟基与硝酸反应生成的硝化纤维素。 1870年，赛璐珞是历史上首次出现的塑料。 酚醛树脂的发明标志着高分子时代的开始，并形 成了系统的高
9、分子理论。这个时期，开发出各种塑 料、合成纤维、合成橡胶等。 高分子材料是材料领域中历史最短、发展最快的 一类材料。,UJSDai QX,4、 复合材料 自然界的奇妙：几乎所有的生物和植物体都是 以复合材料或复合结构的方式构成的。 人类使用复合材料很早，如墙壁和火灶，盔 甲等。 20世纪中期，出现了金属基复合材料， 20世纪后期出现陶瓷基复合材料。 目前已形成了金属基、陶瓷基和高分子基三 大基体复合材料并开始得到应用。,UJSDai QX,材料科学与研究方法 (第2章) 材料科学共性,主要内容 2.1 全材料科学的形成 材料学科的细分化到综合,材料学科的交叉和渗透,材料 科学与工程的形成 ,材
10、料的作用、地位和特点. 2.2 材料科学的共性规律 晶体学结构规律,材料缺陷与强度,材料的相变原理,材料 的形变与断裂,材料的强韧化原理. 2.3 材料的共同效应 界面效应,表面效应,复合效应,形状记忆效应,动态效应,环 境效应和纳米效应.,UJSDai QX,2.1 全材料科学的形成 一、材料学科的细分化到综合 表 美国麻省理工学院材料学科专业演变的情况 年 系 科 名 称 1865 1879 地质与采矿工程 1879 1884 采矿工程 1884 1888 采矿工程（地质、采矿、冶金） 1888 1890 采矿与冶金 1890 1927 采矿工程与冶金 1927 1937 采矿与冶金 19
11、37 1966 冶金 1966 1975 冶金与材料科学 1975 现在 材料科学与工程,UJSDai QX,金属材料及热处理、粉末冶金、高温合金、精密合金、金属腐蚀与防护、金属物理等专业知识面窄. 金属物理专业材料物理专业，内容面向三大材料。 包含金属材料、热处理及表面技术和粉末冶金三大专业方向,无机化工学硅酸盐材料学（陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等）后来氧化物等新型陶瓷、单晶硅、人造金刚石等也归入。,有机化学及化工学高分子化学、高分子物理和高分子物理化学高分子化学、高分子材料、高分子化工、化学纤维、橡胶制品、塑料成型加工工艺等专业,金属材料工程,无机非金属材料工程,高分子材料工程,本科专业举
12、例,UJSDai QX,材料科学与工程学科以数学、力学及物理、化 学等自然科学为基础，以工程学科为服务和支撑 对象，是一个理工结合、多学科交叉的新兴学 科，其研究领域涉及自然科学、应用科学和工程 科学。,材料科学与工程学科定义,UJSDai QX,材料科学与工程,一级学科,二级学科,本科专业,相关学科,材料物理与化学,材料学,材料加工工程,材料物理 材料化学,金属材料工程 高分子材料与工程 无机非金属材料工程 复合材料工程,材料成型 与控制,物理/化学,材料科学类/材料类,机械工程,材 料 科 学 与 工 程,UJSDai QX,以凝聚态物理和固体化学等为理论基础，从电子、原子、分子等层次上着
13、重研究材料的微观组织结构的转变规律及其与性能间的关系，研究开发先进材料与器件，发展基础理论，探索从基本理论出发进行材料设计。,研究材料组成-结构-工艺-性质和使用性能间的关系，致力于材料的性能、工艺优化及材料开发与应用。是实用性比较强的应用基础学科. 研究范围包括金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料。,研究控制材料外形和内部组织，将材料加工成各种零部件的应用技术。范围：各种材料。主要有先进技术，材料再循环，加工过程自动化、智能化及集成化等。与材料其他学科有密切联系，是多学科交叉的学科。,材料物理与化学,材料学,材料加工工程,学科分类及内涵,UJSDai QX,二、材料学科的交叉和渗透
14、,三大材料,交叉 渗透 移植 借鉴,全材料科学 形成的基础,各类材料的融合 共同的理论基础； 相近的测试技术； 基础技术,新的 综合科学,UJSDai QX,材料科学与工程的内涵： 美国国家科学院 材料科学与工程（MSE）是关于材料成分-制备与工艺-组 织与结构-性能与使役行为之间有关知识开发和应用的科学。它 是从科学到工程的一个专业连续领域，各专业贯串整个体系。,材料科学与工程,材料科学,材料工程,材料现象本质发现与分析 培养科学家,材料的制备、改性和 应用 培养工程师,理、工交叉学科。 趋势: 科学技术化，技术科学化,UJSDai QX,英国材料教育网首页(2006年) : What is
15、 Materials Science and Materials Engineering?,Materials Science and Engineering involves the study of the structure, properties and behaviour of all materials, the development of processes to manufacture useful products from them, and research into recycling and environmentally friendly disposal.,循环,环境友好相处,UJSDai QX,Materials Scientists test the mechanical, physical, chemical and electrical properties of materials and explore how these properties depend on the microstructures they engineer and observe
