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1、上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 材料科学基础材料科学基础 王 晓 虹 E-mail：matinbow 导论导论 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 章目录章目录 0.1 材料的定义 0.2 材料学的发展史 0.3 研究内容及方法 0.4 材料科学研究的意义 0.5 本课程的特点和学习方法 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 0.1 材料的定义 广义：人们思想意识之外的所有物质。 物质世界的所有物质 广义：人们思想意识之外的所有物质。 物质世界的所有物质材料材料 狭义：当人们注意到物质具有的特性，并试图将这些 特性加以利用时，
2、才把 狭义：当人们注意到物质具有的特性，并试图将这些 特性加以利用时，才把“物质物质”看作看作“材料材料”。 有用的物质 。 有用的物质材料材料 通常意义的材料：在工业和尖端技术中广泛而着重应 用的材料。 具有重要用途的物质 通常意义的材料：在工业和尖端技术中广泛而着重应 用的材料。 具有重要用途的物质材料材料 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 0.1 材料的定义 分类 基 础 材 料 无机非金属 金属 高分子 基 础 材 料 无机非金属 金属 高分子 复合材料：由上述三种基础材料合理组合而成。复合材料：由上述三种基础材料合理组合而成。 氧化物及硅酸盐等 矿石 石油、天
3、然气等 （玻璃、陶瓷、水泥） （各种金属及合金） （塑料、纤维、橡胶） 氧化物及硅酸盐等 矿石 石油、天然气等 （玻璃、陶瓷、水泥） （各种金属及合金） （塑料、纤维、橡胶） 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 材料的有用特性 性能性能 如：外力、环境温度、腐蚀性物质的刺激。 强度、硬度、塑性、韧性、耐热性、耐腐蚀性 如：外力、环境温度、腐蚀性物质的刺激。 强度、硬度、塑性、韧性、耐热性、耐腐蚀性 对材料输入信号时，物质因发生质或量的变 化，所产生的输出作用。 如：热电、光电、压电、分离吸附、催化 对材料输入信号时，物质因发生质或量的变 化，所产生的输出作用。 如：热电、
4、光电、压电、分离吸附、催化 材料的减震、导热、导电、导磁也归入功能范围材料的减震、导热、导电、导磁也归入功能范围 0.1 材料的定义 材料对外部刺激的抵抗能力。 功能 材料对外部刺激的抵抗能力。 功能 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 按 用 途 分 类 利用材料良好的力学、热学、化学性能。 制备工程构件、机械零件等。 利用材料良好的力学、热学、化学性能。 制备工程构件、机械零件等。 利用材料特殊的功能性。 制备导电、磁、声、光及各种传感器等。 利用材料特殊的功能性。 制备导电、磁、声、光及各种传感器等。 材料是制造业的基础， 在工业链中处于上游产业。 0.1 材料的定
5、义 结构材料结构材料 功能材料功能材料 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 0.2 材料学的发展史 一门古老而又新兴的学科。一门古老而又新兴的学科。 材料的应用可追溯到数千年以前。 陶瓷、金属、羊毛、兽皮、木材等。 材料的应用可追溯到数千年以前。 陶瓷、金属、羊毛、兽皮、木材等。 材料的使用可作为人类历史时期划分的标志： 石器青铜器铁器 灵活应用时代。 材料的使用可作为人类历史时期划分的标志： 石器青铜器铁器 灵活应用时代。 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 金属材料方面金属材料方面 19世纪以前，材料学处于原始 的 世纪以前，材料学处于原始 的“
6、技艺技艺”状态。 对加工工艺 与性能之间关系 进行粗浅的探索与归纳。 状态。 对加工工艺 与性能之间关系 进行粗浅的探索与归纳。 19世纪以后，反射式金相显微 镜的诞生，矿物学家索拜拍下 了第一张钢的显微组织照片， 制备加工 世纪以后，反射式金相显微 镜的诞生，矿物学家索拜拍下 了第一张钢的显微组织照片， 制备加工性能性能 0.2 材料学的发展史 使用性能使用性能 制备加工性能 成分、结构 制备加工性能 成分、结构 “金相学金相学”诞生。诞生。 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 19世纪后期到世纪后期到20世纪中期：伦琴发现了世纪中期：伦琴发现了X射线，劳埃 和布拉格创
7、立了晶体 射线，劳埃 和布拉格创立了晶体X射线衍射分析方法。射线衍射分析方法。 近几十年来：近代实验手段的发展与应用。 如：透射、扫描电子显微镜和电子探针等。 近几十年来：近代实验手段的发展与应用。 如：透射、扫描电子显微镜和电子探针等。 学科间相互渗透：从热力学、金属物理、弹塑性理论 等学科中吸取了丰富的营养。 学科间相互渗透：从热力学、金属物理、弹塑性理论 等学科中吸取了丰富的营养。 确立了成分、组织结构、加工工艺 与性能 之间关系的研究模式。 确立了成分、组织结构、加工工艺 与性能 之间关系的研究模式。 形成了完整的理论体系形成了完整的理论体系 “金属学金属学”。 制备加工性能 成分组织
8、结构 制备加工性能 成分组织结构 0.2 材料学的发展史 金属材料方面金属材料方面 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 无机材料方面无机材料方面 20世纪后期，世纪后期，“陶瓷工学陶瓷工学”、“陶瓷化学陶瓷化学”应运而生。应运而生。 现代陶瓷的概念远远超出了传统陶与瓷的范畴。现代陶瓷的概念远远超出了传统陶与瓷的范畴。 人工合成原料，精确计量，品种繁多，功能强大。人工合成原料，精确计量，品种繁多，功能强大。 在高技术领域占有不可替代的核心地位。在高技术领域占有不可替代的核心地位。 被誉为二十一世纪的材料 0.2 材料学的发展史 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目
9、录返回返回 高分子材料方面高分子材料方面 “高分子化学高分子化学”、“高分子物理高分子物理”脱颖而出。脱颖而出。 尼龙尼龙66、聚脂、丙烯酸类三大合成纤维问世。、聚脂、丙烯酸类三大合成纤维问世。 齐格勒齐格勒纳塔催化剂发明。纳塔催化剂发明。 DSC和和DTA热分析法的发展。热分析法的发展。 聚合物聚合物“分子设计分子设计”和和“材料设计材料设计”，达到相当成熟的水平。，达到相当成熟的水平。 0.2 材料学的发展史 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 新时代的诞生新时代的诞生 应用方面：各种材料相互配合、替用日渐广泛。 如：聚合物或金属 + 无机纤维组成高性能的复合材料；
10、陶瓷替代金属作高温材料； 塑料替代金属作轻型材料； 应用方面：各种材料相互配合、替用日渐广泛。 如：聚合物或金属 + 无机纤维组成高性能的复合材料； 陶瓷替代金属作高温材料； 塑料替代金属作轻型材料； 迎来了灵活应用的新时代迎来了灵活应用的新时代 学科间的相互渗透与依赖，促使学科间的相互渗透与依赖，促使“材料科学材料科学”的诞生。的诞生。 研究材料共性规律的学科研究材料共性规律的学科 0.2 材料学的发展史 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 材料科学 材料学 材料工程 金属学 陶瓷 高分子物理、化学 材料科学 材料学 材料工程 金属学 陶瓷 高分子物理、化学 工艺学（制
11、备、成形与加工） （结构、化学） 工艺学（制备、成形与加工） （结构、化学） （材料加工 材料成形） （材料加工 材料成形） 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 0.3 研究内容及方法 1、内容1、内容 材料科学： 研究成分 材料科学： 研究成分/组织结构组织结构 加工工艺加工工艺 性能之间的关系； 具有一定的可预见性。 性能之间的关系； 具有一定的可预见性。 材料工程： 重点关注使用性能，进行 材料设计，制定加工工艺路线和 参数。 材料工程： 重点关注使用性能，进行 材料设计，制定加工工艺路线和 参数。 成分结构 加 工 工 艺 使用性能 材 料 性 能 材料的四要素
12、（回答为什么） （该如何做） 成分结构 加 工 工 艺 使用性能 材 料 性 能 材料的四要素 （回答为什么） （该如何做） 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 2.方法2.方法 材料科学 研究材料共性规律，创造性地制做新材 料，将其性能（功能）的评价作为研究成果。 材料科学 研究材料共性规律，创造性地制做新材 料，将其性能（功能）的评价作为研究成果。 材料工程 从事材料的开发应用，寻求更加合理的 新工艺，完善现有工艺。 材料工程 从事材料的开发应用，寻求更加合理的 新工艺，完善现有工艺。 0.3 研究内容及方法 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回
13、0.4 材料科学的研究意义 材料是国民经济的基础，现代化的标志。材料是国民经济的基础，现代化的标志。 现代技术的三大支柱：材料、信息、能源。现代技术的三大支柱：材料、信息、能源。 新技术革命标志：新材料、信息技术、生物技术。新技术革命标志：新材料、信息技术、生物技术。 重大技术革命的产生，依赖于新材料的突破。重大技术革命的产生，依赖于新材料的突破。 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 历 史 的 见 证历 史 的 见 证 半导体材料 - 集成电路、计算机技术。跨入现代化 的门栏。 半导体材料 - 集成电路、计算机技术。跨入现代化 的门栏。 光导纤维 - 光通讯。步入了高信
14、息时代。光导纤维 - 光通讯。步入了高信息时代。 高强度复合材料 - 太空探测器、宇宙飞船。冲出地 球在太空遨游。 高强度复合材料 - 太空探测器、宇宙飞船。冲出地 球在太空遨游。 超导材料 - 超高速计算机、低能耗超导电机、磁悬 浮列车。 超导材料 - 超高速计算机、低能耗超导电机、磁悬 浮列车。 新能源材料 - 低碳经济新能源材料 - 低碳经济 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 人与材料人与材料 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 纤维纳米发电机 (a) 两个互相缠绕的、表面长有氧化锌纳米线阵列的纤维 (b) 两纤维界面处的纳米线对纳米线结构。
15、 (c) 纤维纳米发电机的串/并连式连接 纤维纳米发电机 (a) 两个互相缠绕的、表面长有氧化锌纳米线阵列的纤维 (b) 两纤维界面处的纳米线对纳米线结构。 (c) 纤维纳米发电机的串/并连式连接 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 0.5 本课程的特点和学习方法 本专业最重要的专业基础课程。本专业最重要的专业基础课程。 理论与实际相结合，承上启下。理论与实际相结合，承上启下。 理论性、逻辑性不如数、理、化，强调综合分析能力。理论性、逻辑性不如数、理、化，强调综合分析能力。 三大材料的基本理论难以系统柔和。三大材料的基本理论难以系统柔和。 以金属学为主，剥离有关陶瓷及高分子个性知识。以金属学为主，剥离有关陶瓷及高分子个性知识。 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 参考书： 材料科学基础 石德珂主编 机械工业出版社 材料科学基础 候增寿主编 上海科技出版社 材料科学基础 潘金生主编 清华大学出版社 材料科学基础胡庚祥主编 上海交通大学出版社 金属学与热处理 崔忠析主编 机械工业出版社 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 功 能 材 料 举 例功 能 材 料 举
