单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,材料科学与技术概论,人类最早用来制造工具的材料是石头,砍砸器（旧石器时代）,石镰(新石器时代),制陶技术是人类材料技术的发端,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）,材料与文明发展,什么是材料？,世界万物，凡于我有用者，皆谓之材料。,材料是具有一定性能，可以用来制作器件、构件、工具、装置等物品的物质。,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。,什么是材料科学？,材料科学是一门,以固体材料为研究对象,，以固体物理、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，它运用电子显微镜、,X-,射线衍射、热谱、电子离子探针等各种精密仪器和技术，,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、化学性能之间的规律的一门基础应用学科，是研究材料共性的一门学科。,合成与制备过程,使用性能,性质,组成与结构,（化学）,（工程）,（物理学）,材料与其它学科的关系,按学科分类,根据材料的性能分类,按服役的领域来分类,按材料的维度分类,材料分类,按学科分类,1.,金属材料,2.,无机非金属材料,3.,高分子材料（聚合物）,4.,复合材料,1.,金属材料,金属材料是由化学元素周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单质（纯金属）；由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素构成的合金。,在,103,种元素中，除,He,Ne,Ar,等,6,种惰性元素和,C,、,Si,、,N,等,16,种非金属元素外，其余,81,种为金属元素,。除,Hg,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。,合金是由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素熔合在一起形成的具有金属特性的新物质。,合金的性质与组成合金的各个相的性质有关，同时也与这些相在合金中的数量、形状及分布有关。,元素周期表,Group,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,周期,1,1,H,氢,2,He,氦,2,3,Li,锂,4,Be,铍,5,B,硼,6,C,碳,7,N,氮,8,O,氧,9,F,氟,10,Ne,氖,3,11,Na,钠,12,Mg,镁,13,Al,铝,14,Si,硅,15,P,磷,16,S,硫,17,Cl,氯,18,Ar,氩,4,19,K,钾,20,Ca,钙,21,Sc,钪,22,Ti,钛,23,V,钒,24,Cr,铬,25,Mn,锰,26,Fe,铁,27,Co,钴,28,Ni,镍,29,Cu,铜,30,Zn,锌,31,Ga,镓,32,Ge,锗,33,As,砷,34,Se,硒,35,Br,溴,36,Kr,氪,5,37,Rb,铷,38,Sr,锶,39,Y,钇,40,Zr,锆,41,Nb,铌,42,Mo,钼,43,Tc,锝,44,Ru,钌,45,Rh,铑,46,Pd,钯,47,Ag,银,48,Cd,镉,49,In,铟,50,Sn,锡,51,Sb,锑,52,Te,碲,53,I,碘,54,Xe,氙,6,55,Cs,铯,56,Ba,钡,56-70,镧系,*,71,Lu,镥,72,Hf,铪,73,Ta,钽,74,W,钨,75,Re,铼,76,Os,锇,77,Ir,铱,78,Pt,铂,79,Au,金,80,Hg,汞,81,Tl,铊,82,Pb,铅,83,Bi,铋,84,Po,钋,85,At,砹,86,Rn,氡,7,87,Fr,钫,88,Ra,镭,89-102,锕系,*,103,Lr,铹,*,104,Rf,105,Db,106,Sg,107,Bh,108,Hs,109,Mt,110,Uun,111,Uuu,112,Uub,113,Uut,114,Uuq,115,Uup,116,Uuh,117,Uus,118,Uuo,2.,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、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。,传统的无机非金属材料,主要是指由,SiO,2,及其硅酸盐化合物为主要成分制成的材料，包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。此外，搪瓷、磨料、铸石（辉绿岩、玄武岩等）、碳素材料、非金属矿（石棉、云母、大理石等）也属于传统的无机非金属材料。,3.,有机高分子材料（高聚物）,高聚物是由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成的,分子量很大的化合物,。高聚物的种类繁多，性能各异，其分类的方法多种多样。按材料的,性能和用途,可将高聚物分为,橡胶、纤维、塑料和胶粘剂等。,4.,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构不同的材料组合而成。,复合材料是多相材料，主要包括基本相和增强相。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；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，获得原组分不具备的许多优良性能。,根据材料的性能分类,根据材料在外场作用下其性质或性能对外场的响应不同，材料可分为,结构材料,和,功能材料,。,结构材料,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。,功能材料,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。,材料按服役的领域来分类,根据材料服役的技术领域可分为,信息材料,、,航空航天材料,、,能源材料,、,生物医用材料,等。,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,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,；,电子工业的发展要求提供,超高纯、超薄膜、特纤细、特均匀的电子材料,；,海洋开发,需要耐腐蚀、耐高压的材料,；,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,。,奥迪,A8quattro,轿车是12缸轿车型号中采用,ASF,全铝制车身的一款车。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。,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，,高敏感度的半导体材料的研制，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。,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。,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，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。,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,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,。具有这种效应的合金称为,形状记忆合金,。,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，实现了管连接。,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,光导纤维的出现使信息传输发生了巨大变化,。,The Nobel Prize in Physics 2009,for groundbreaking achievements concerning the transmission of light in fibers for optical communication,Charles K.Kao,Willard S.Boyle,George E.Smith,1/2 of the prize,1/4 of the prize,1/4 of the prize,Standard Telecommunication Laboratories Harlow,United Kingdom;Chinese University of Hong Kong Hong Kong,China,Bell Laboratories Murray Hill,NJ,USA,Bell Laboratories Murray Hill,NJ,USA,b.1933(in Shanghai,China),b.1924(in Amherst,NS,Canada),b.1930,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,、,液态,、,气态、等离子态、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聚集状态,。,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,。例如，玻璃、橡胶都是非晶态材料。,晶态结构 非晶态结构,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,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。,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。,任性