材料科学及其发展现状

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1、1,第一章 材料科学概述,材料科学及其发展现状 高分子材料基础知识及发展现状,2,材料科学及发展现状,材料基本知识及发展历史 材料结构简述 材料的性能、工艺、结构之间 的关系,3,材料与原料,材料：经过人类劳动获得的、在进一步加 工过程仍然保持原质的劳动对象 原料：经过人类劳动取得的劳动对象 如：开采出来的矿砂是冶炼金属的原料 种植出的小麦是制造面粉的原料,4,材料与物质,材料:满足指定工作条件下使用要求的形态和物 理性状的物质 材料：热敏材料、压电材料、激光材料 物质：SiO2、矾土（Al2O3） 例：Al2O3 -单晶，宝石或激光材料 -多晶，集成电路的放热基版材料 -多孔多晶，催化剂的载

2、体、敏感材料,5,材料化过程,由化学物质或原料转变为一定用场的材料的过程 例：从SiO2和Na2CO3制备玻璃的过程,例:玻璃钢的制备 织玻璃布 制胶（环氧树脂、稀释剂、固化剂） 将布放入模具中，涂胶，固化,6,材料分类,7,材料分类中的概念,复合材料：由两种或两种以上，物理和化学性质不同的物质，用适当的工艺方法组合起来，而得到的具有复合效应的多相固体材料，分类如下： 按原料在复合材料中的形态：基质材料、分散材料 按复合材料的形态和形状：颗粒状、纤维状、层状 按复合性质：物理复合，化学复合 复合效果：结构复合，功能复合,8,2. 结构材料：使用其机械力学性能，用于机械制造、工程建筑、交通运输等

3、 3. 功能材料：利用各种物理和化学性质，用于电子、红外、激光、通讯等方面,材料分类中的概念,9,材料结构概述,宏观组织结构：用肉眼或放大镜能观察到的晶粒、相的集合状态 显微组织结构：借助光学显微镜、电子显微镜可观察到的晶粒、相的集合状态或材料内部的微区结构，尺寸为10-710-4m 微观结构：原子及分子的结构以及原子和分子的排列结构,10,材料结构概述原子结构,原子由原子核和电子组成，电子质量可以忽略，元素的原子序数等于原子中质子的数目。 根据量子力学原理，电子具有不连续能级，每个电子的能级和状态由主量子数、角量子数、磁量子数、自旋量子数决定。 电子分布遵从原理： 泡利不相容原理，能量最低原

4、理，洪特规则,11,原子或分子之间的结合键 化学结合键 离子键 金属键 共价键 物理结合键 偶极之间的静电力、诱导 力、色散力 氢键,材料结构概述原子结构,12,材料结构概述非晶态结构,非晶态结构或无定形结构的定义： 原子排列近程有序而远程无序的结构，也叫玻璃态结构 非晶态结构的特点： 结构长程无序，各向异性 没有固定的熔点,13,材料结构概述晶态结构,晶体：原子在三维空间呈周期性的无限有序排列的结 构，也称为点阵 晶胞（晶格）：周期性排列的最小单位 7大晶系，14种空间点阵 晶面：晶体中由原子组成的任一平面成为晶面 晶向：原子组成的任一直线 单晶：有序性贯穿整块晶体 孪晶：晶体的长程有序性在

5、某一确定的平面突然发生转 折并以这一平面为界的两部分晶体有各自的长程 有序性 多晶：许多取向不同的晶粒组成的晶体,14,材料结构概述结构缺陷,定义：物质中不均匀的部分。但结构缺陷 并不意味着材料有缺陷 分类（从几何学的角度） 点缺陷（零维缺陷） 线缺陷（位错） 面缺陷（二维缺陷） 体缺陷（三维缺陷） 这些缺陷对塑性变形、强度及断裂等力学性能起决定性作用,15,结构缺陷点缺陷,点缺陷,定义：涉及一个或几个原子范围的点阵结构局部扰乱，是热运动引起的 点缺陷对光电等性能有很大影响 将间隙原子或置换原子有意加入材料结构中是材料固溶强化的基础,16,结构缺陷线缺陷,线缺陷,定义：以一条线为中心的结构错乱

6、 位错在晶体内形成应力场，位错线附近的原子平均能量高于其它区域，故这些原子稳定性较差，容易被杂质原子替代，因此位错附近的区域易受腐蚀 金属材料的应变强化是由于金属在形变过程中会使其所含位错数目增值，位错密度提高，因此得到强化,17,结构缺陷面、体缺陷,面缺陷 定义：原子或分子在一个交界面的两侧出现不同排列而形成的缺陷 界面与表面 相和相接触的面为界面 表面原子或分子一般比内部原子或分子具有过剩的能量，为表面能 表面及界面的特性对材料及器件影响极大，如金属氧化与腐蚀 晶界 不同取向晶粒之间的接触面 细晶强化：晶界可使位错运动受 阻，从而使材料强度提 高,体缺陷 指材料宏观的结构缺陷，如空洞、裂纹

7、、沉淀相、包裹物等 对材料的力学性能有很大的影响,18,材料的工艺、结构和性能,相互依赖、相互制约 例：高压聚乙烯和低压聚乙烯 例：铜棒：铸造法和轧制成型工艺 例：提高塑料强度，可采用与橡胶共混的办法来提高冲击强度，采用加添加剂或增强剂来提高抗拉强度 例：金属强化主要是提高屈服强度，屈服强度指材料开始塑性流动的应力。要么尽可能减少位错，使其接近于完整晶体；要么尽可能设法阻止位错运动，如冷变形强化、细晶强化等,19,材料在人类历史进程中的巨大作用,材料是人类赖以生活和生产的物质基础 例：木材，玻璃，水泥， 钢铁，陶瓷，塑料，橡胶，棉，麻，毛 材料是生产力发展的重要支柱 1903，美国莱特兄弟发明

8、了第一架飞机，材料为木材和帆布，航速只有16公里/小时 1911年，制造出金属结构的飞机，材料为轻质铝合金（提高发动机的温度） 1939年，螺旋桨式代替活塞式，材料为耐700度高温的镍合金，航速为最初的47倍，755公里/小时 40年代中期，可耐800度以上的高温合金 航天用聚合物： 烧蚀材料（耐高温的增强塑料，借本身熔化、升华或分解而消耗大量热量 结构材料：玻璃纤维-环氧树脂，可以减轻约1/3的重量 胶结材料：结构胶粘剂，环氧树脂-丁腈橡胶 涂层材料：耐高温绝缘涂层，防潮湿、防霉菌涂层，耐磨涂层 吸振材料，固体推进剂材料，密封材料,20,材料是划分人类社会不同历史时期的重要依据,石器时代：石头 旧石器时期：比较粗糙打制石器 中石器时期：局部磨光的石器、弓箭 新石器时期：第一种人造材料-陶 铜器时代：铜 铜石并用时期：红铜，自然铜，质软，不适于制作工具 青铜器时期：铜锡合金，易于制造，硬度比红铜高 铁器时代：铁 铁在地壳中的含量为第四位，氧化物都易于还原，赤铁矿（Fe2O3） 褐铁矿（Fe2O3.3H2O） 磁铁矿（Fe3O4）菱铁矿（FeCO3） 19世纪末至20世纪初，电业材料 1879年，爱迪生发明了电灯，最初用的灯丝材料是碳纤维后改为钨丝 本世纪，科学技术发展的重要标志：核能 飞机 汽车 化工电子计算机,