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1、新材料概论主讲人：杜宇雷聚合物和纳米多孔碳中扩散行为的分子动力学模拟聚合物和纳米多孔碳中扩散行为的分子动力学模拟纳米国际象棋001纳米跳棋击剑运动剑身所用的材料是碳钢，其结构极易产生微裂纹导致剑身折断而造成运动员的误伤，现在剑身采用的铁镍和钛的合金材料，并经长时间的时效与弯曲处理，内部微裂只有碳钢的1/20，极不容易折断，运动员能无所畏惧地完成各种动作。 聚氨酯跑道:100米短跑时运动员在聚氨酯跑道上要比在传统跑道上快02秒以上，跳远成绩可提高2030厘米。栏架，新的轻合金栏架一套就要花几十万元。红色魔鞋：重量不到99克，碳纤维复合材料鞋底，鞋钉采用轻合金 材料是人类赖以生存和发展的物质基础，
2、是所有科技进步的核心，是高新技术发展和社会现代化的先导，是一个国家科学技术和工业水平的反映和标志。新材料的出现和使用往往会给技术进步、新产业的形成，乃至整个经济和社会的发展带来重大影响。不断开发和有效使用材料的能力是衡量社会技术水平和未来技术发展的重要尺度。著名材料学家、两院院士 师昌绪现代科技与现代文明现代科技与现代文明信信息息材材料料能能源源新技术革命新技术革命信信息息新新材材料料生生物物 20世纪世纪90年代的材料科学技术年代的材料科学技术 在材料的时代里保持竞争力在材料的时代里保持竞争力 美国国家研究委员会 先进材料和先进材料工艺对国家的生活水平、安全及经济实力起着关键性的作用。先进材
3、料是先进技术的奠基石。材料科学与工程对影响美国经济及国防力量的重要工业部门的兴旺发展是至关重要的。 日本对材料科学与工程也采用了类似的定位，并且宣称将开发、加工和制造先进材料作为保持技术领先地位的国家战略的基石。美国工程和技术评估委员会对工美国工程和技术评估委员会对工程的定义程的定义: 工程是这样的专业,其中将通过学习、经验和实践获得的数学和自然科学的知识，依据判断来用于建立经济地利用材料和自然力以造福于人类的方法。 没有材料就没有工学。美、日等发达国家的大学基于这样的认识，为所有工科专业的大学生，甚至文科设置材料概述课程。 南京理工大学经过全校教育教学思想大讨论，于2001年在非材料类工科专
4、业培养计划中设置了新材料概论通识教育基础课。这在国内是值得称道的战略性举措，具有示范价值，随着时间的推移，必将显示出推动我国科技进步和社会发展的重要作用。 课程设置的目的：对材料科学与工程建对材料科学与工程建立整体与全貌的认识，了解现有材料的立整体与全貌的认识，了解现有材料的分类、特性、应用范围及其与相关学科分类、特性、应用范围及其与相关学科领域的关系，把握高技术新型先进材料领域的关系，把握高技术新型先进材料的发展趋势的发展趋势 。 课程考察方法： 以课堂教学和教材内容为基础开卷考试。什么是材料？什么是材料？ 材料是人类用于制造物品、材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其它产品器件、构件
5、、机器或其它产品的那些物质。的那些物质。 材料是物质，但不是所有物质都可以称为材料。如燃料和化学原料、工业化学品、食物和药物，一般都不算是材料。 材料总是和一定的用场相联系，可由一种或若干种物质构成。同一种物质，由于制备方法或加工方法的不同，可成为用途迥异的不同类型和性质的材料。 从从物理化学属性物理化学属性来分，可分为金属来分，可分为金属材料、无机非金属材料、有机高分材料、无机非金属材料、有机高分子材料和不同类型材料所组成的复子材料和不同类型材料所组成的复合材料。合材料。 从从用途用途来分，又分为电子材料、航来分，又分为电子材料、航空航天材料、核材料、建筑材料、空航天材料、核材料、建筑材料、
6、能源材料、生物材料等。能源材料、生物材料等。 更常见的两种分类方法是更常见的两种分类方法是结构材料结构材料与与功能材料功能材料；传统材料传统材料与与新型材料新型材料。 材料的分类方法？材料的分类方法？ 结构材料是以力学性能为基础，制造受力构件所用材料。 功能材料则主要是利用物质的独特物理、化学性质或生物功能等而形成的一类材料。 一种材料往往既是结构材料又是功能材料，如铁、铜、铝等。 结构材料对物理或化学性能也有一定要求，如光泽、热导率、抗辐照、抗腐蚀、抗氧化等。 传统材料是指那些已经成熟且在工业中已批量生产并大量应用的材料，如钢铁、水泥、塑料等。这类材料由于其量大、产值高、涉及面广泛，又是很多
7、支柱产业的基础，所以又称为基础材料。 新型材料(先进材料)是指那些正在发展，且具有优异性能和应用前景的一类材料。 新型材料与传统材料之间并没有明显的界限，传统材料通过采用新技术，提高技术含量，提高性能，大幅度增加附加值而成为新型材料；新材料在经过长期生产与应用之后也就成为传统材料。传统材料是发展新材料和高技术的基础，而新型材料又往往能推动传统材料的进一步发展。材料科学与工程？材料科学与工程？ 1957 1957年前苏联人造卫星首先上天，美国朝年前苏联人造卫星首先上天，美国朝野上下为之震惊，认为自己落后的主要原因之野上下为之震惊，认为自己落后的主要原因之一是先进材料落后，于是在一些大学相继成立一
8、是先进材料落后，于是在一些大学相继成立了十余个材料研究中心。采用先进的科学理论了十余个材料研究中心。采用先进的科学理论与实验方法对材料进行深入的研究，取得重要与实验方法对材料进行深入的研究，取得重要成果。从此，成果。从此，“材料科学材料科学”这个名词便开始流这个名词便开始流行。行。 “材料科学材料科学”所包括的内容往往被理解为所包括的内容往往被理解为研究材料的组织、结构与性质的关系，探索自研究材料的组织、结构与性质的关系，探索自然规律。这属于基础研究。然规律。这属于基础研究。 实际上，材料是面向实际、为经济建设实际上，材料是面向实际、为经济建设服务的，是一门应用科学，研究与发展材料服务的，是一
9、门应用科学，研究与发展材料的目的在于应用，而材料又必须通过合理的的目的在于应用，而材料又必须通过合理的工艺流程才能制备出具有实用价值的材料来，工艺流程才能制备出具有实用价值的材料来，通过批量生产才能成为工程材料。所以，在通过批量生产才能成为工程材料。所以，在“材料科学材料科学”这个名词出现后不久，就提出这个名词出现后不久，就提出了了“材料科学与工程材料科学与工程”。工程是指研究材料。工程是指研究材料在制备过程中的工艺和工程技术问题。在制备过程中的工艺和工程技术问题。 材材料料科科学学与与工工程程是是研研究究材材料料组组成成、结结构构、生生产产过过程程、材材料料性性能能与与使使用用效效能能以以及
10、及它它们们之之间间的的关关系系。因因而而把把组组成成与与结结构构（composition-structurecomposition-structure）、合合成成与与生生产产过过程程（synthesis-processingsynthesis-processing）、性性 质质 （ propertiesproperties） 及及 使使 用用 效效 能能（performanceperformance）称称之之为为材材料料科科学学与与工工程程的的四四个个基基本本要要素素（basic basic elementselements）。把把四四要要素素连连结结在在一一起起，便便形形成成一一个个四四面面
11、体（体（tetrahedrontetrahedron） 性质合成/制备结构/成份 性能 材料科学材料科学研究材料的结构和性研究材料的结构和性质之间的关系质之间的关系 材料工程材料工程通过结构设计和加工通过结构设计和加工以达到利用材料的某以达到利用材料的某一特殊性质的目的一特殊性质的目的 合成/制备结构/成份 性质 性能材料科学与工程四面体材料科学与工程四面体材料科学有三个重要属性：材料科学有三个重要属性：一是一是多学科交叉多学科交叉，它是物理学、化学、冶金学、金，它是物理学、化学、冶金学、金属学、陶瓷、高分子化学及计算科学相互融合与交属学、陶瓷、高分子化学及计算科学相互融合与交叉的结果，如生物
12、医用材料要涉及医学、生物学及叉的结果，如生物医用材料要涉及医学、生物学及现代分子生物学等学科；现代分子生物学等学科；二是一种二是一种与实际使用结合非常密切与实际使用结合非常密切的科学，发展材的科学，发展材料科学的目的在于开发新材料，提高材料的性能和料科学的目的在于开发新材料，提高材料的性能和质量，合理使用材料，同时降低材料成本和减少污质量，合理使用材料，同时降低材料成本和减少污染等；染等；三是材料科学是一个三是材料科学是一个正在发展中的正在发展中的科学，不像物理科学，不像物理学、化学已经有一个很成熟的体系，材料科学将随学、化学已经有一个很成熟的体系，材料科学将随各有关学科的发展而得到充实和完善
13、。各有关学科的发展而得到充实和完善。 人类从猿人发展为现代人、发展人类从猿人发展为现代人、发展到有文字记载的文明人的历史，可以到有文字记载的文明人的历史，可以说就是一部材料和技术的演变史。说就是一部材料和技术的演变史。 材料材料人类社会进步的里程碑人类社会进步的里程碑人类、材料和技术的演变史人类、材料和技术的演变史 综观人类发现材料和利用材料的历史，每一种重要材料的发现和广泛利用，都会把人类支配和改造自然的能力提高到一个新水平，给社会生产力和人类生活水平带来巨大变化，把人类的物质文明和精神文明向前推进一步。石器时代石器时代用于碾磨谷物的石盘用于碾磨谷物的石盘原始人打制的石器原始人打制的石器陶器
14、时代世界上第一種人造材料-製出的陶器，盛裝液體的容器和煮食物的陶罐-吃不完的東西有了儲存的地方-便於人們定居-進一步發展農牧業-劃時代之偉大發明秦兵马俑秦兵马俑瓷器-純淨的黏土（又叫瓷土、高嶺土）和石英、長石等原料配成泥漿，作成毛坯-燒好粗坯，再上釉-在一千三百度左右高溫下，經過複雜的化學變化，同釉密切的結合而成-質地細緻，半透明，不吸水从从陶陶器器到到瓷瓷器器青铜器时代青铜器时代温文尔雅的四羊方尊温文尔雅的四羊方尊青铜乐器青铜乐器锋披天下的秦国青铜兵器锋披天下的秦国青铜兵器秦剑秦剑秦剑的佩戴方式秦剑的佩戴方式越王勾践剑的主要的成份是青铜和锡，还含有少量的铅、铁、镍和硫等，剑身的黑色菱形花纹是
15、经过硫化处理的，剑刃精磨技艺水平可同现在精密磨床生产的产品相媲美，充分显示了当时越国铸剑工匠的高超的技艺。 举世闻名的越王勾践青铜剑，1965年12月出土于湖北省江陵望山的一号楚国贵族墓（距春秋时代楚国别都纪南城故址七公里）。考古工作者在墓主人身体的左手边，发现一柄装在黑色漆木箱鞘内的名贵青铜剑。青铜剑与剑鞘吻合得十分紧密。拔剑出鞘寒光耀目，而且毫无锈蚀，刃薄锋利。试之以纸，20余层一划而破。剑全长为55.6厘米，其中剑身长45.6厘米，剑格宽5厘米。剑身满饰黑色菱形几何暗花纹，剑格正面和反面还分别用蓝色琉璃和绿松石镶嵌成美丽的纹饰，剑柄以丝绳缠缚，剑首向外形翻作圆箍，内铸有极其精细的11道同
16、心圆圈 曾侯乙编钟（战国），钟架长7.48米，宽3.35米，高2.73米，1978年湖北省随县擂鼓墩出土，现藏湖北省博物馆 曾侯乙编钟是我国目前出土数量最多、重量最重、音律最全、气势最宏伟的一套编钟，堪称“编钟之王”。凡有机会耳闻目睹过的人，无不为此千古绝响惊叹叫绝，赞誉它不愧是中华民族文化艺术之瑰宝，世界音乐史之奇迹。 在曾侯乙编钟上，刻有关于记事、标音、律名关系的错金铭文2828字，加上钟架笋梁（横梁）、编悬配件上的铭文、磬铭文、磬盒铭文总字数3775字，其内容是先秦乐律的重要资料，被专家学者称之为“一部珍贵的音乐理论论著”，“一部不朽的古代乐律学典籍”。 64件编钟（楚惠王送给曾侯乙的
17、钟除外），每件都能发出两个乐音，全套编钟音质纯正、音色优美、音域宽广，能旋宫转调，演奏各种 采用和声、复调以及转调手法的中个乐曲。实践证明：早在春秋战国时期（而不是此前有些专家认为是秦汉时代，更不是来自古希腊传入的泊来品），我国音乐就已发展到了相当成熟的阶段，在7声音阶、5个8度音、12个半音以及旋宫转调的表现手法上，就已形成理论与实践。四川三星堆青铜器四川三星堆青铜器铁器时代铁器时代战国铁犁头战国铁犁头战国铁锄战国铁锄氮化硅结构陶瓷被用作航天飞机的防热瓦氮化硅结构陶瓷被用作航天飞机的防热瓦多多元元材材料料时时代代硼纤维金属基复合材料制成的火箭履轴的管道输送部件硼纤维金属基复合材料制成的火箭履
18、轴的管道输送部件美国美国B-2隐形轰炸机表面为具有良好吸波性能的隐形轰炸机表面为具有良好吸波性能的碳纤维复合材料碳纤维复合材料由光导纤维构成的光缆由光导纤维构成的光缆先进橡胶轮胎使汽车成为先进橡胶轮胎使汽车成为交通主宰交通主宰一级方程式赛车上使用的一级方程式赛车上使用的特殊轮胎特殊轮胎人工合成的金刚石人工合成的金刚石高分子分离膜已被用来制造高高分子分离膜已被用来制造高效家庭净水器效家庭净水器人工肾脏人工肾脏生物陶瓷人造关节生物陶瓷人造关节可调节的太阳镜可调节的太阳镜耐高温纤维制成的消防人员的服装耐高温纤维制成的消防人员的服装1.2 nmMOSFET小型化进程中的瓶颈及材料解决方案新材料在电光器
19、件中的应用基于纳米碳管的纳米电机纳米激光器ZnO 纳米线激光器量子阱结构的应用：蓝绿半导体激光二极管蓝绿半导体激光二极管块状的硅是间接能隙材料，只能发射微弱的红外光，因而虽在微电子学材料中独占鳌头，而在光电子学中一直无立足之地。多孔硅可见光发射的发现，改变了这一情况，引起研发硅基材料光电子学器件的热潮。年底美国演示了在硅片上制成的电致发光器件列阵的原型。多孔硅的可见光发射电化学阳极氧化多孔硅及其室温可见光发射电化学阳极氧化多孔硅及其室温可见光发射纳米碳管显示器纳米碳管具有优异的场发射性能，而且在空气中稳定同时具有较低工作电压和大的发射电流等优点，直径细小的纳米碳管可以用来制作极细的电子枪，在室温及低于80伏的偏置电压下，即可获得0.11微安的发射电流。另外，开口纳米碳管比封闭纳米碳管具有更好的场发射特性。与目前的商用电子枪相比，纳米碳管电子枪具有尺寸小、发射电压低、发射密度大、稳定性高、无需加热和无需高真空等优点。
