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1、材料科学与技术概论自然科学概论材料人类最早用来制造工具的材料是石头砍砸器（旧石器时代） 自然科学概论材料石镰(新石器时代) 自然科学概论材料制陶技术是人类材料技术的发端制陶技术是人类材料技术的发端自然科学概论材料材料及其器具作为划分时代的标志（公元前250万至前1万年）（公元前5千至前1200年）（公元前1200年至17世纪末）（18至20世纪）（20世纪始）自然科学概论材料材料与文明发展自然科学概论材料什么是材料？什么是材料？世界万物，凡于我有用者，皆谓之材料。材材料是具有一定性能，可以用来制作器件、构料是具有一定性能，可以用来制作器件、构件、工具、装置等物品的物质。件、工具、装置等物品的物
2、质。材料存在于我们的周围，与我们的生活和生命息息相关。材料是人类文明、社会进步、科技发展的物质基础。目前世界上传统材料已有几十万种，而新材料的品种正以每年5%的速度增长。 自然科学概论材料什么是材料科学？什么是材料科学？ 材料科学是一门材料科学是一门以固体材料为研究对象以固体材料为研究对象，以固体，以固体物理、热力学、动力学、量子力学、冶金、化工为物理、热力学、动力学、量子力学、冶金、化工为理论基础的边缘交叉基础应用学科，它运用电子显理论基础的边缘交叉基础应用学科，它运用电子显微镜、微镜、X-射线衍射、热谱、电子离子探针等各种精射线衍射、热谱、电子离子探针等各种精密仪器和技术，密仪器和技术，探
3、讨材料的组成、结构、制备工艺探讨材料的组成、结构、制备工艺和加工使用过程与其机械、物理、化学性能之间的和加工使用过程与其机械、物理、化学性能之间的规律的一门基础应用学科，是研究材料共性的一门规律的一门基础应用学科，是研究材料共性的一门学科。学科。 自然科学概论材料合成与制备过程合成与制备过程使用性能使用性能性质性质组成组成与结与结构构（化学）（化学）（工程）（工程）（物理学）（物理学）材料与其它学科的关系自然科学概论材料按学科分类按学科分类根据材料的性能分类根据材料的性能分类 按服役的领域来分类按服役的领域来分类 按材料的维度分类按材料的维度分类 材料分类材料分类 自然科学概论材料按学科分类按
4、学科分类1. 金属材料金属材料2. 无机非金属材料无机非金属材料3. 高分子材料（聚合物）高分子材料（聚合物）4. 复合材料复合材料自然科学概论材料1. 金属材料金属材料 金属材料是由化学元素周金属材料是由化学元素周期表中的金属元素组成的材料。期表中的金属元素组成的材料。可分为由一种金属元素构成的可分为由一种金属元素构成的单质（纯金属）；由两种或两单质（纯金属）；由两种或两种以上的金属元素或金属与非种以上的金属元素或金属与非金属元素构成的合金。金属元素构成的合金。自然科学概论材料 在在103种元素中，除种元素中，除He, Ne, Ar等等6种惰性元素和种惰性元素和C、Si、N等等16种非金属元
5、素外，其余种非金属元素外，其余81种为金属元素种为金属元素。除。除Hg之外，之外，单质金属在常温下呈现固体形态，外观不透明，具有特殊单质金属在常温下呈现固体形态，外观不透明，具有特殊的金属光泽及良好的导电性和导热性。在力学性质方面，的金属光泽及良好的导电性和导热性。在力学性质方面，具有较高的强度、刚度、延展性及耐冲击性。具有较高的强度、刚度、延展性及耐冲击性。 合合金金是是由由两两种种或或两两种种以以上上的的金金属属元元素素，或或金金属属元元素素与与非非金金属属元元素素熔熔合合在在一一起起形形成成的的具具有有金金属属特特性性的的新新物物质质。合合金金的的性性质质与与组组成成合合金金的的各各个个
6、相相的的性性质质有有关关，同同时时也也与与这这些些相在合金中的数量、形状及分布有关。相在合金中的数量、形状及分布有关。自然科学概论材料元素周期表元素周期表GroupGroup1 12 23 34 45 56 67 78 89 9101011111212131314141515161617171818周期周期1 11H氢2He氦2 23Li锂4Be铍5B硼6C碳7N氮8O氧9F氟10Ne氖3 311Na钠12Mg镁13Al铝14Si硅15P磷16S硫17Cl氯18Ar氩4 419K钾20Ca钙21Sc钪22Ti钛23V钒24Cr铬25Mn锰26Fe铁27Co钴28Ni镍29Cu铜30Zn锌31G
7、a镓32Ge锗33As砷34Se硒35Br溴36Kr氪5 537Rb铷38Sr锶39Y钇40Zr锆41Nb铌42Mo钼43Tc锝44Ru钌45Rh铑46Pd钯47Ag银48Cd镉49In铟50Sn锡51Sb锑52Te碲53I碘54Xe氙6 655Cs铯56Ba钡56-70镧系*71Lu镥72Hf铪73Ta钽74W钨75Re铼76Os锇77Ir铱78Pt铂79Au金80Hg汞81Tl铊82Pb铅83Bi铋84Po钋85At砹86Rn氡7 787Fr钫88Ra镭89-102锕系*103Lr铹*104Rf105Db106Sg107Bh108Hs109Mt110Uun111Uuu112Uub113Uu
8、t114Uuq115Uup116Uuh117Uus118Uuo自然科学概论材料2. 无机非金属材料无机非金属材料 无机非金属材料是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、无机非金属材料是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料和（或）氧化物、氮化物、碳磷酸盐、锗酸盐等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一化物、硼化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材料。是除金属材料、高分子材定的工艺制备而成的材料。是除金属材料、高分子材料以外所有材料的总称。它与广义的陶瓷材料有等同料以外所有材料的总称。它与广义的陶瓷材料有等同的含义。一般将其分为传统的（普通的
9、）和新型的的含义。一般将其分为传统的（普通的）和新型的（先进的）无机非金属材料两大类。（先进的）无机非金属材料两大类。 自然科学概论材料 传传统统的的无无机机非非金金属属材材料料主主要要是是指指由由SiO2及及其其硅硅酸酸盐盐化化合合物物为为主主要要成成分分制制成成的的材材料料，包包括括陶陶瓷瓷、玻玻璃璃、水水泥泥和和耐耐火火材材料料等等。此此外外，搪搪瓷瓷、磨磨料料、铸铸石石（辉辉绿绿岩岩、玄玄武武岩岩等等）、碳碳素素材材料料、非非金金属属矿矿（石石棉棉、云云母母、大大理理石石等等）也也属属于于传传统统的无机非金属材料。的无机非金属材料。自然科学概论材料3. 有机高分子材料（高聚物）有机高分
10、子材料（高聚物） 高聚物是由一种或几种简高聚物是由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成单低分子化合物经聚合而组成的的分子量很大的化合物分子量很大的化合物。高聚。高聚物的种类繁多，性能各异，其物的种类繁多，性能各异，其分类的方法多种多样。按材料分类的方法多种多样。按材料的的性能和用途性能和用途可将高聚物分为可将高聚物分为橡胶、纤维、塑料和胶粘剂等。橡胶、纤维、塑料和胶粘剂等。 自然科学概论材料4. 复合材料复合材料 复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织结复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成。构不同的材料组合而成。复合材料是多相材料，主要包复合材料是多相材料，主要包
11、括基本相和增强相。基本相是一种连续相材料，它把改括基本相和增强相。基本相是一种连续相材料，它把改善性能的增强相材料固结成一体，并起传递应力的作用；善性能的增强相材料固结成一体，并起传递应力的作用；增强相起承受应力（结构复合材料）和显示功能（功能增强相起承受应力（结构复合材料）和显示功能（功能复合材料）的作用。复合材料）的作用。复合材料既能保持原组成材料的重复合材料既能保持原组成材料的重要特色，又通过复合效应使各组分的性能互相补充，获要特色，又通过复合效应使各组分的性能互相补充，获得原组分不具备的许多优良性能。得原组分不具备的许多优良性能。 自然科学概论材料根据材料的性能分类根据材料的性能分类
12、根据材料在外场作用下其性根据材料在外场作用下其性质或性能对外场的响应不同，材质或性能对外场的响应不同，材料可分为料可分为结构材料结构材料和和功能材料功能材料。 自然科学概论材料结构材料结构材料是指具有抵抗外场作用而保持自己的形状、是指具有抵抗外场作用而保持自己的形状、结构不变的优良力学性能（强度和韧性等），用于结构不变的优良力学性能（强度和韧性等），用于结构目的的材料。结构目的的材料。通常用来制造工具、机械、车辆和修建房屋、桥梁、铁路等。是人们熟悉的机械制造材料、建筑材料，包括结构钢、工具钢、铸铁、普通陶瓷、耐火材料、工程塑料等传统的结构材料以及高温合金、结构陶瓷等高级结构材料。 自然科学概论
13、材料 功能材料功能材料是具有优良的电学、磁学、光学、热是具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学和生物学功能及其相互转学、声学、力学、化学和生物学功能及其相互转化的功能，被用于非结构目的的高技术材料。化的功能，被用于非结构目的的高技术材料。以陶瓷为例：压电陶瓷、磁性陶瓷、热敏、气敏陶瓷、电致伸缩陶瓷等为功能陶瓷，主要用作一些功能传感器，如电子仪表、普通通讯设备、航空通讯卫星等中的温度传感器和温度补偿元件等等。 自然科学概论材料 材料按服役的领域来分类材料按服役的领域来分类 根据材料服役的技术领域可分根据材料服役的技术领域可分为为信息材料信息材料、航空航天材料航空航天材料、能源能源材料
14、材料、生物医用材料生物医用材料等。等。 自然科学概论材料按材料的维度来分类按材料的维度来分类0维 粉体1维 纤维2维 薄膜3维 块材自然科学概论材料材料是经济发展的基础材料是经济发展的基础原子能工业迫切要求耐辐射和耐腐蚀材料耐辐射和耐腐蚀材料； 电子工业的发展要求提供超高纯、超薄膜、特超高纯、超薄膜、特纤细、特均匀的电子材料纤细、特均匀的电子材料； 海洋开发需要耐腐蚀、耐高压的材料需要耐腐蚀、耐高压的材料； 能源技术同样要求新型的高性能材料，如太阳能的利用，需要寻找光电转换效率高的材料光电转换效率高的材料。 自然科学概论材料奥迪A8quattro轿车是12缸轿车型号中采用ASF全铝制车身的一款
15、车。这一领导潮流的轻重量技术首次在1994年崭露头角，开创了让豪华轿车也具备安全而轻捷特性的独特前景。由于ASF的成功,轿车重量持续下降，性能改进，而油耗降低。 汽车的轻量化、安全舒适、洁净能源是当前及未来汽车发展考虑的主要因素，为节约能源并提高车速，减轻自重是关键。这就要求具有优良的抗蚀性和高的比强度的铝合金及镁合金。 自然科学概论材料材料是国防实力的保证材料是国防实力的保证精确制导武器，包括制导炮弹、制导炸弹、制导子母弹、巡航导弹、末制导导弹等以全固态化惯性技术为发展方向，其核心器件是半导体加速度传感器。因此，高敏感高敏感度的半导体材料的研制，成为精确制导的重要技术之一度的半导体材料的研制
16、，成为精确制导的重要技术之一 。钛合金是目前最重要的航空、航天和导弹材料。钛合金是目前最重要的航空、航天和导弹材料。超塑性钛合金（钛-铝-钒的合金）使飞机部件的重量减轻了约30%；制造成本降低一半；简化工序，一次成形；产品质量十分优秀。 全天候的现代高科技战争用于侦察、识别与目标选择、跟踪与制导的设备都离不开锗、钕、钇和砷化镓等材料。锗、钕、钇和砷化镓等材料。 自然科学概论材料材料是高新技术的依托 太空站上的记忆合金天线 美国国家航空和宇宙航行局的月面天线计划。首先用形状记忆材料Ti -Ni合金丝制成庞大的月面天线，经稍许冷却，便变成了柔软、容易折叠的天线，然后把它揉成小团放入阿波罗11号舱内
17、，发射并在月球表面进行安装后，在太阳光照射下，回到原来的抛物面形状。自然科学概论材料唤醒记忆的故事 不同合金的变形行为 当环境温度远离转变温度时镍-钛合金是没有“知觉”的， 环境温度一旦达到转变温度转变温度时镍-钛合金丝即被“唤醒”，具有了“记忆力”，立即恢复到本来的面目。科学家把这种现象称为形状记忆效应形状记忆效应。具有这种效应的合金称为形状记忆合金形状记忆合金。 自然科学概论材料形状记忆合金套管 美国F-14 型战斗机上的油压系统接头，用形状记忆合金制造，无泄漏与破损。采用方法是将低温扩张的管接头，套在要连接的二个管子上，让温度上升至室温，套管的内径便恢复成原来的大小，并把二个管子咬紧，实
18、现了管连接。 自然科学概论材料百年不遇的发明 光导纤维 用高纯石英玻璃制造出的光导纤维比头发还细，一根细丝就能同时传输2000路通话，并且不失真、不受环境干扰、不易被窃听、传输速度快，光缆一秒钟传输的距离若改用铜缆则要花上20个小时，快了72000倍。因此光导纤维的出现光导纤维的出现使信息传输发生了巨大变化使信息传输发生了巨大变化。 自然科学概论材料The Nobel Prize in Physics 2009for groundbreaking achievements concerning the transmission of light in fibers for optical co
19、mmunication Charles K. KaoWillard S. BoyleGeorge E. Smith1/2 of the prize1/4 of the prize1/4 of the prizeStandard Telecommunication Laboratories Harlow, United Kingdom; Chinese University of Hong Kong Hong Kong, ChinaBell Laboratories Murray Hill, NJ, USABell Laboratories Murray Hill, NJ, USAb. 1933
20、(in Shanghai, China)b. 1924(in Amherst, NS, Canada)b. 1930自然科学概论材料物质七态 无论是有机界，还是无机界，就它们的基本结构特点来说，可以分为七类，每一类称为物质的一种状态。 物质七态是：固态固态、液态液态、气态、等离气态、等离子态、中子态、场和反物质子态、中子态、场和反物质。不同的物质状态来源于微观粒子不同的不同的物质状态来源于微观粒子不同的聚集状态聚集状态。 自然科学概论材料固体固体最显著的特征是具有确定的体积和形状 。固体又分为晶体和非晶体。晶体的特征是其内部原子按一定的规则排列，在晶体的特征是其内部原子按一定的规则排列，在大范
21、围内原子的有规则排列称为长程有序大范围内原子的有规则排列称为长程有序，例如天然钻石（金刚石）、水晶（石英）、岩盐（食盐）等 ；非晶态固体具有短程有序、长程无序的特征非晶态固体具有短程有序、长程无序的特征。例如，玻璃、橡胶都是非晶态材料。 自然科学概论材料 晶态结构 非晶态结构 自然科学概论材料美丽的固态晶体 硼砂 玛瑙 刚玉 切割前后及镶在王冠和手杖上的钻石 自然科学概论材料流动的液体流动的液体 液体的明显特征是具有流动性，无确定的外部形状，但其体积是一定的。 液体内部分子之间可以相对移动，但液体内部近邻分子的排列是有规则的，也就是说近程有序，这一点与非晶态固体很相像。液晶，是一种内部分子排列
22、有序程度相当高的液体。它既具有流动性，又在很多方面像晶体，所以称为液晶。自然科学概论材料固体、液体和液晶的比较 液晶在电子计算器、电子手表、各种电子仪表、薄型液晶显示、掌上电视和温度显示等，有广泛的应用。 可以认为液晶之语是液体和晶体的结合，它的特点是内部的分子或者原子之间距离像液体内部分子距离一样，距离较远，但是每个个体分布又像晶体一样排列有规则。自然科学概论材料任性的气体 气体分子之间的距离比固体和液体分子间的距离大得多，因此分子之间的相互作用力小得多。气体分子之间的相对位置完全不固定，形成完全混乱的分子状态。改变压力和温度，可以使固态、液态、和气态互相转化。 自然科学概论材料等离子态 加
23、热气体使它的温度升高时，所有的气体分子都高速运动。当分子相互碰撞时，只要碰撞的能量足够大，就会使分子撞“碎”，形成以原子为基本单元的原子气体。原子气体再继续加热，就会发生原子被撞“碎”的情况，形成自由电子和正离子。在几千度的高温下，气体中几乎所有的原子都电离了，变成电子和正离子。电子和正离子的数量基本上相等，所以，称这种等量高速运动的电子和正离子组成的物体为等离子体。宇宙空间的绝大部分物质都是以等离子体状态存在的。 自然科学概论材料中子态中子态 中子星的状态就是中子态，它是在异常巨大的压力作用下，完全由中子聚集成的物质状态。 自然科学概论材料场场电荷的周围有电场，而运动的电荷周围产生磁场，电场
24、与磁场交互在一起形成电磁场，当它传播的时候就形成电磁波。天体之间有引力场。电场、磁场、引力场等等都是场。场既有质量，也有动量。场总是弥漫于较大的场既有质量，也有动量。场总是弥漫于较大的空间。场运动总是以波动的形式出现空间。场运动总是以波动的形式出现 。无论是实体物质，还是场，它们只是结构不同，但都是独立于我们意识之外的客观存在，也就是说，都是物质。 自然科学概论材料反物质 物理学家经过长期的研究证明，已经发现的已经发现的300多种基本粒子都是正反成对存在的。所有多种基本粒子都是正反成对存在的。所有的反粒子和它们所构成的世界称为反物质。的反粒子和它们所构成的世界称为反物质。在实验室里已经得到了正电子、反质子和反中子。但在地球上，自然的反粒子和反物质是不在地球上，自然的反粒子和反物质是不存在的存在的，这并不是说，在地球之外也不存在反物质，只是人类至今还没有发现有反物质组成的星球而已。 自然科学概论材料思考题“百炼成钢”是一个文学词汇，其科学依据是什么？（请查阅有关文献，然后回答。）试举出日常生活中复合材料的一两个典型例子，说明其利用了原有单一材料的哪些优点，克服了哪些缺点？以光纤通信技术的发展历史为例，说明新材料研究与开发的重要意义。自然科学概论材料
