材料科學基礎第0章緒論

1、材料科學基礎材料科學基礎緒論緒論 什么是材料 材料的地位 材料的分類 材料的發(fā)展歷史 材料的未來一、材料的定義 材料是人類用于制造物品、器件、構件、機器或其他產(chǎn)品的那些物質。上海磁懸浮列車電磁鐵、導軌南京長江三橋，僅橋塔用鋼就達1.44萬噸，總用鋼量約10萬噸，混凝土百萬方，水泥約50萬噸蘇通大橋長江第一橋。美國國家地理無與倫比的工程：共用鋼蘇通大橋長江第一橋。美國國家地理無與倫比的工程：共用鋼材約材約25萬噸，混凝土萬噸，混凝土140萬方，填方萬方，填方320萬方。高萬方。高300.4米的混凝土米的混凝土塔，拉索長達塔，拉索長達577米。米。目前世界聚酯總產(chǎn)量約5000萬噸，棉花產(chǎn)量約200

2、0余萬噸用于織物的纖維總產(chǎn)量約6000萬噸，不粘鍋鋼鐵特富龍（含氟碳氫樹脂，如聚四氟乙烯CF4）Ti6Al4V+羥基磷灰石涂層高氮不銹鋼鈷鉻鉬球頭骨水泥（聚甲基丙烯酸甲酯）含能材料二、材料的地位 當代文明的三大支柱：信息、材料和能源 新技術革命的重要標志：新材料、信息技術和生物技術挑戰(zhàn)者，1986.1哥倫比亞號，2003.2三、材料的分類三、材料的分類 材料具有重要性、普遍性、多樣性。材料具有重要性、普遍性、多樣性。 分類方法沒有統(tǒng)一標準。分類方法沒有統(tǒng)一標準。 從物理化學屬性來分，可分為金屬材料、無機非金屬材料、從物理化學屬性來分，可分為金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料和不同類型材料

3、所組成的復合材料。有機高分子材料和不同類型材料所組成的復合材料。 從用途來分，又分為電子材料、航空航天材料、核材料、從用途來分，又分為電子材料、航空航天材料、核材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。建筑材料、能源材料、生物材料等。 更常見的兩種分類方法則是結構材料與功能材料更常見的兩種分類方法則是結構材料與功能材料 傳統(tǒng)材料與新材料。傳統(tǒng)材料與新材料。 四、結構材料與功能材料 結構材料：力學性能 鳥巢鋼結構4.2萬噸 寶馬汽車功能材料：物理、化學性質或生物功能 如磁性材料、發(fā)光材料、微電子和光電子材料等。五、傳統(tǒng)材料與新材料 傳統(tǒng)材料：鋼鐵、水泥、塑料等。又稱為基礎材料。 新材料(先進材料)是

4、指那些正在發(fā)展，且具有優(yōu)異性能和應用前景的一類材料。如：超導材料、納米材料、生物材料、生態(tài)環(huán)境材料、基因材料等 新材料與傳統(tǒng)材料之間并沒有明顯的界限。六、 材料是人類社會進步的里程碑 1、 舊石器時代(約250萬年-1萬年前) 早在一兩百萬年以前，人類開始用石頭做工具，使人類進入舊石器時代。舊石器時代工具砍砸器（中國國家博物館藏品） 2、新石器時代（約1.2萬-5000年前） 大約一萬年以前，人類知道對石頭進行加工，使之成為精致的器皿或工具，從而使人類進入新石器時代。大約在9000年前，人類已發(fā)明了陶器。陶器的出現(xiàn)、不但用于器皿，而且成為裝飾品，歷史上雖無陶器時代的名稱，但其對人類文明的貢獻是

5、不可估量的。地球上已發(fā)現(xiàn)的最大的天然金塊“大三角”，重達36公斤。這個金塊是被一位名叫尼科夫爾.希烏特金的礦工1842年在烏拉爾山脈的薩萊沃-亞歷山德羅夫斯基礦發(fā)現(xiàn)的。 3、 青銅器時代（約公元前40001000年） 在燒制陶器過程中，偶然發(fā)現(xiàn)金屬銅和錫，從而使人類進入青銅時代。這是人類較大量利用金屬的開始，也是人類文明發(fā)展的重要里程碑。4、 鐵器時代（約公元前1400年近代） 公元前1314世紀前，人類己開始用鐵，3000年前鐵工具比青銅工具更為普迫，人類開始進入了鐵器時代。中國最早出土的人工冶鐵制品約在公元前9世紀。到春秋(公元前770476年)末期，生鐵技術有較大突破，遙遙領先于世界其他

6、地區(qū)。長治縣蔭城鎮(zhèn)春秋冶鐵遺址中發(fā)現(xiàn)的農(nóng)具“鐵镈”。5、 現(xiàn)代社會金屬材料 隨著世界文明的進步，18世紀發(fā)明了蒸汽機，19世紀發(fā)明了電動機，對金屬材料提出了更高要求，同時對鋼鐵冶金技術產(chǎn)生了更大的推動作用。1854年和年和1864年先后發(fā)明了轉爐和平爐煉鋼使世界鋼產(chǎn)量年先后發(fā)明了轉爐和平爐煉鋼使世界鋼產(chǎn)量有一個飛速發(fā)展。如有一個飛速發(fā)展。如1850年世界鋼產(chǎn)量為年世界鋼產(chǎn)量為6萬噸，萬噸，1890年達年達2800萬噸，大大促進了機械制造、鐵道交通及紡織工業(yè)的發(fā)展。萬噸，大大促進了機械制造、鐵道交通及紡織工業(yè)的發(fā)展。 隨之電爐冶煉開始，不同類型的特殊鋼相繼問世，如隨之電爐冶煉開始，不同類型的特殊

7、鋼相繼問世，如1887年年高錳鋼、高錳鋼、1900年年W18Cr4V高速鋼、高速鋼、1903年硅鋼及年硅鋼及1910年奧氏年奧氏體鎳鉻體鎳鉻(Crl8Ni8)不銹鋼等。不銹鋼等。 在此前后，銅、鋁也得到大量應用，而后鎂、鈦和很多稀有在此前后，銅、鋁也得到大量應用，而后鎂、鈦和很多稀有金屬都相繼出現(xiàn)，從而金屬材料在整個金屬都相繼出現(xiàn)，從而金屬材料在整個20世紀占據(jù)了結構材料世紀占據(jù)了結構材料的主導地位。的主導地位。5、現(xiàn)代社會有機合成材料、現(xiàn)代社會有機合成材料19世紀末葉西方科學家仿制中國絲綢發(fā)明了人造絲世紀末葉西方科學家仿制中國絲綢發(fā)明了人造絲1909年的酚醛樹脂年的酚醛樹脂(電木電木)192

8、0年的聚苯乙烯年的聚苯乙烯1931年的聚氯乙烯年的聚氯乙烯1941年的尼龍等。年的尼龍等。目前世界三大有機合成材料目前世界三大有機合成材料(樹脂、纖維和橡膠樹脂、纖維和橡膠)年產(chǎn)量逾億噸。年產(chǎn)量逾億噸?，F(xiàn)代社會陶瓷材料 陶瓷本來用作建筑材料、容器或裝飾品等。由于其資源豐富、密度小、高模量、高硬度、耐腐蝕、膨脹系數(shù)小、耐高溫、耐磨等特點，到了20世紀中葉，通過合成及其他制備方法，做出各種類型的先進陶瓷(如Si3N4，SiC、ZrO2等)，成為近幾十年來材料中非?；钴S的研究領域，有人甚至認為“新陶器時代”即將到來。但由于其脆性問題難以解決，且價格過高，作為結構材料沒有得到如鋼鐵或高分子材料一樣的廣

9、泛應用。現(xiàn)代社會復合材料 復合材料是20世紀后期發(fā)展的另一類材料。 天然材料很多是復合材料，人類很早就制造復合材料。 復合材料定義：兩種或更多不同類型材料的混合 復合材料種類：一般依基體分為高分子基、金屬基、陶瓷基等波音787首先在結構部分采用了復合材料，總復合材 料 用 量 達50%，而以前僅20%。 自19世紀中葉現(xiàn)代煉鋼技術出現(xiàn)以后，金屬材料的重要性急劇增加，一直到20世紀中葉，人工合成有機材料、陶瓷材料及先進復合材料迅速發(fā)展，金屬材料的重要性逐漸下降，但一直到21世紀上半葉，金屬材料仍將占重要位置。 而功能材料自古就受到重視，早在戰(zhàn)國(公元前3世紀)已利用天然磁鐵礦來制造司南，到宋代用鋼針磁化制出了羅盤，為航海的發(fā)展提供了關鍵技術。功能材料是信息技術及自動化的基礎。1947年發(fā)明了第一只具有放大作用的晶體管10余年后又研制成功集成電路激光材料與光導纖維因為硅是微電子技術的關鍵材料，所以有人稱之為“硅片為代表的電子材料時代” 。6、材料的未來、材料的未來（1）先進材料）先進材料 半導體材料半導體材料 生物材料生物材料 納米材料納米材料 智能材料智能材料（2）、材料的需求）、材料的