材料工程基础1

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1、材料工程基础 A 1 0 材料工程概论 材料： 信息化 工业化 成熟农业化 农业化雏形 狩猎 生产方式 核能、芯片 钢铁机械 青铜器、铁器 陶器 石器 物质载体具体概念：各种工具的 生活的物质基础抽象概念：人类生产和 对应 材料成为人类社会技术进步的里程碑！ ? 现代科技的支柱 信息 生物 能源 材料 0.1 材料的发展进程 0.1.1 石器时代 标志：原始人类学会利用石英等天然石材打造工具，200300万年前 火（加热）的作用的发现：? 陶器/瓷器开始发展 ? 新石器时代同时出现玉器、陶器和瓷器。 中国：最早 安徽繁易县人字洞出土，约200210万年前； 最典型的应用：以粘土（SiO2?Al

2、2O3） ? 烧制陶器： 1）仰韶文化（豫） 、龙山文化（鲁、豫） ： 红陶：氧化气氛窑烧制（950） ； 薄胎墨陶和白陶：还原气氛窑烧制（1050） 。 2）兵马俑（Terracotta Warrior） ：彩陶 3）瓷器技术： 中国，东汉 9 世纪 ? 东非和阿拉伯地区 13 世纪 ? 日本 15 世纪 ? 欧洲 0.1.2 青铜时代 人类进入文明社会的标志：开始使用青铜器。 埃及：公元前 4000 年，CuSn 合金（青铜） ? 人类发明的第一种合金! 中国：始于公元前 2000 年（夏） ? 晚商和西周 ? 鼎盛时期！ 例如：1、司母戊方鼎（河南安阳，晚商） ，875 kg，1.331

3、.10m，现存最古老的青铜器！ 2、越王勾践宝剑（湖北江陵楚墓） 锋利异常！ 3、曾侯乙编钟（湖北随州，战国） ：64 件， 2500 kg 4、秦陵铜车马，8 马 2 车 2 俑 材 051、052、053、054 班 2 0.1.3 铁器时代 铁器坚硬、韧性高、锋利 青铜器 最早：天然陨石铁，Fe + Ni，98 wt% 古埃及人称为“神物” 冶铁技术的掌握： 1、最早：小亚细亚，赫梯人，前年左右 2、希腊、罗马：前年左右 3、欧洲：前年左右 4、中国：冶铁业出现时间晚于西亚和欧洲，但其后发展迅速； 先炼铁后炼钢的两步炼钢技术比其他国家早 1600 多年，钢铁的热处理技术也达到相当高水平：

4、 西汉史记 ： “水与火合为淬” ? 钢铁淬火工艺要点！ 汉书王褒传 ： “巧冶铸干将之朴，清水淬其锋” ? 先进的铸剑技术！ 铁器广泛使用 ? 人类工具制造技术水平 ? 农业生产力 铁器发展 推动工业发展 。 铁管 铁轨 之后 推动农业生产 （祭器） 工艺品 兵器 农具 之前 余年，瓦特发明蒸汽机5000 0.1.4 钢铁和有色金属 钢铁： 炼铁高炉 ? 15 世纪初，欧洲 炼钢技术 ? 开始于 1755 年，欧洲 （技术支撑：动力强劲的鼓风设备） 19 世纪后期钢铁工业发展迅速： 酸性 ? 1856 年 平炉炼钢 ? 1864 年 转炉炼钢 碱性 ? 1879 年 电弧炉炼钢 ? 1899

5、 年 有色金属： 电解铝：始于 1866 年，目前是用量仅次于钢铁的金属； 纯钛：1910 年首次用钠还原法得到，满足了航空航天工业需求 核工业的需求促进了铀及其他核燃料的发展。 电子和半导体工业则促进了单晶硅等超纯材料的发展。 0.1.5 非金属材料 材料工程基础 A 3 人工合成高分子材料： 1）起源：上个世纪 20 年代开始应用； 2）发展：196070 年代，年均增长 14%，同比金属年均增长仅 4%； 3）现状：目前其发展速度、利用量均超过钢铁材料； （1990 年代初产量已逾 1 亿吨，按体积计超过钢铁） 4）应用：? 可作为结构材料代替钢铁；? 未来：导电性和耐高温性更好。 先进

6、（特种）陶瓷材料（Advanced Ceramics）： 1）非古老、传统意义上的陶器、瓷器，近年发展迅速。 2）材料脆性和热震性显著改善，已成为最有前途的高温结构材料 3）在冶金、建筑、化工以及尖端技术领域，已成为耐高温、耐腐蚀和各种功能材料的主要用材。 0.1.6 复合材料 起源：传统单一材料不能满足使用要求 ? 复合材料 = 基体材料 + 增强体材料 。 颗粒 晶须 纤维 例如：1、玻璃纤维增强树脂（俗称玻璃钢） ? 1940 年代 2、碳纤维增强树脂 ? 1960 年代 应用：1、宇航/航空工业：航天器、卫星壳体、飞机机身、螺旋桨等 2、交通运输业：汽车车身、轻型船艇壳体等 3、石油化

7、工业：耐酸、碱、油的容器、管道等 问题：界面问题、成本问题、质量控制与寿命评估、复合材料的连接等。 0.2 材料应用的现状与新材料的发展趋势 0.2.1 材料应用的现状 现代结构材料的范畴： 。 复合材料 无机非金属材料 有机高分子材料 非金属材料 。其它：镍基金属材料。 ）（ 钛合金 铜合金 铝合金 主流： 有色金属 ）钢铁材料（ 金属材料%5 %90 用量排序：钢铁材料 ? 铝、铜、钛、镍及其合金 ? 高分子材料 ?陶瓷材料 ?复合材料 材 051、052、053、054 班 4 0.2.2 新材料发展趋势 烯零维：纳米粉末、足球 米管一维：光导纤维、碳纳 二维：薄膜 低维材料 非线性光学

8、材料 生物光电子材料 量子材料 光电子信息材料 金属基复合材料 陶瓷基复合材料 树脂基复合材 先进复合材料 压电陶瓷、超导陶瓷功能陶瓷：铁电陶瓷、 韧性、耐热震结构陶瓷：耐高温、高 先进陶瓷 耐高温树脂 导电塑料 超高强度塑料 高性能塑料 非晶态 准晶 、钼基。高温合金：镍基、钴基 新型金属材料 ：新材料的发展方兴未艾 一、新型金属材料 高性能金属新材料近期发展方向，主要是通过新技术、新工艺，提高合金化程度或改变 组织，从而大幅度提高材料的性能，开发出新的品种。 例如：1、快速凝固技术 ? 非晶态/微晶合金 ? 提高合金化程度和强化； 2、定向凝固技术 ? 提高高温合金使用温度范围，延长使用寿

9、命； 3、金属间化合物 ? 高熔点、抗氧化、低密度 ? 高温材料研究热点 4、准晶 ? 光子晶体、热障涂层 二、高性能塑料 发展方向：高强度 + 功能性 高强塑料：强度金属，更耐蚀，生产耗能低，成型工艺性好，成本低 导电塑料：具备导体性质 功能塑料：变色塑料：随电压、温度而改变颜色 水溶塑料：可溶解于水 三、先进陶瓷材料 材料工程基础 A 5 特点：与传统陶瓷截然不同 ? 对原料纯度和物理形态有更严格的要求 ? 要采用化学合成法或激光、CVD、等离子等新技术制备 ? 具有特定的精细显微结构和性能 ? 要求严格的制备工艺控制 结构陶瓷 高强度、耐磨损、耐腐蚀 机械、化工、金属加工、冶金、矿业领域

10、应用广泛 例如：高温结构陶瓷 ? 内燃机 ? 工作温度 ? 热机效率 ? 污染 燃料使用范围 先进陶瓷材料 功能陶瓷 利用材料的绝缘、介电、电或其他物理性能（力、声、光、热等）间的耦 合和转换功能 ? 机敏材料 ? 换能/作动器件 例如：传感器、智能材料、YBaCuO 高温超导材料 （Tc 92K液氮，电流密度 J 70 kA/cm2） 四、先进复合材料 航空航天技术的发展促进了轻质、高强、高韧先进复合材料。 五、光电子信息材料 意义：满足计算机、通信、航天和国防需求 领域：光通信、光计算机、光存储、激光技术 代表：高纯玻璃、新型半导体、先进薄膜、非线性光学材料、激光材料、多功能材料 六、低维

11、材料 概念：超微粒子（零维，100 nm） 、纤维（一维）和薄膜（二维）材料。 1、零维纳米粒子： 1）大小只有几个到几百个原子（1-100 nm） 2）有很大的比表面及和比表面能 3）具有很强的表面效应、尺寸效应和量子效应，物理、化学性能独特: 【如】纳米颗粒 ? 强度 塑性 韧性，纳米铝硬度是块状铝的 8 倍 ? 熔点低（纳米 Ni 粉 铜、铝同轴电缆，保密性好 高纯石英玻璃光损耗 至 10-1 dB/km 中继距离：200-500km； 多组分氟化物玻璃 可至 10-210-3 dB/km，中继距离2500km。 强化纤维：脆性材料纤维化后韧性 ? 复合材料增强体 碳纤维、硼纤维及陶瓷纤

12、维，如 SiCf、Al2O3 f等；高强高分子纤维：凯夫拉 晶须：强度和刚度最高，接近理论强度（金属、陶瓷和有机物都可制成晶须） 。 3、薄膜（二维材料） ：金刚石薄膜、高温超导薄膜、半导体薄膜、光学薄膜等当前发展最快 材 051、052、053、054 班 6 0.3 材料科学与工程的内容 0.3.1 材料科学与工程的要素 概念：材料科学与工程是关于材料制备与加工工艺、组成与结构、材料性能和使用性能之间 相互关系的知识及应用的科学。 要素：材料科学与工程包括四个要素，即 使用性能 材料性能 制备与加工 组成与结构 相互关系： 现代材料科学与工程基本要素四面体 更清晰的表示： 包括了必要的学科

13、基础和应用对象， 更清楚表现出材料科学与工程所涉及的范围及其相 互关系。 ） 核心：结构与性能的关系 本质：材料的组成与结构 基础：材料科学理论（Why）和工程技术（How） 方法： 通过制备和加工 调整组成和结构获得期望的材料性能满足使用性能 目的：成本最低，效率最高地满足使用性能 0.3.2 材料加工工艺方法 一、各种加工工艺的应用，首先取决于材料性能，其次是材料的组织结构。二者同时也是有 机对应，互相依存的： 典型的材料加工工艺： 材料工程基础 A 7 粉末冶金 磨、滚、钻、镗。机加工：车、铣、刨、 、摩擦焊、氩弧焊接触焊、钎焊、压力焊连接（焊接）：气焊、 。造、拉拔、冲压、弯曲流变成型

14、（锻压）：锻 连续铸型。型、压铸、永久铸型、液态成型（铸造）：砂 成型 金属材料 ）烧结（ 静压压制：挤压、模压、等 铸造：包括涂泥釉 陶瓷材料 Sintering ）烧结（ 空成型成型：旋压、挤压、真 注模制：注塑法、转移浇 聚合物 Sintering 等、扩散压制连接、烧结连接：胶结、爆炸连接 成型 铸造：包括浸渗 复合材料 二、加工在直接改变材料性状的基础上，也可能影响材料的组织结构，进一步影响材料性能 因此：必须掌握材料在加工过程中的结构变化规律，从而确定适合的加工方法与步骤， 才能获得所需要的材料性能。 三、材料的原始组织和性能决定着能采用何种方法将材料加工成所需要的形状 例如：1）含有大缩孔的铸件，在随后的压力加工过程中可能开裂； 2）通过增加微观结构缺陷而强化的合金，在成型过程中也可能变脆和破裂； 3）热塑性塑料可以流变成型，热固性塑料则无法流变成型。 0.3.3 材料设计和选用的基本思想与原则 一、材料设计：应用已知理论与信息，选用具有预期性能的材料，并提出其制备合成方案。 根据设计对象所涉尺度划分为： 多尺度复合设计 电子层次设计 分子层次设计原子 显微结构层次设计 综合考虑 / 工程角度考虑：1）依据产品所需材料的各项性能指标，利用各种有用信息，建立相关模型 2）依据模型制定“具有预想