材料科學與工程導論主講：賀沁婷參考書目1.楊瑞成，張建斌，陳奎，居春艷.材料科學與工程導論.北京：科學出版社，20122.顧宜，趙長生.材料科學與工程基礎.北京：化學工業出版社，2011第一章緒論第一節材料的發展與人類的文明第二節材料的分類第三節材料科學與工程第四節材料的發展趨勢什么是材料(materials)?Materialsisthestufffromwhichathingismadeforusing.材料是人類社會所能接受的、可經濟地制造有用物品的物質。天然材料人工材料人工材料第一節材料的發展與人類文明一、材料的發展史，就是人類社會的發展史。

人類歷史的劃分

石器時代陶器時代青銅器時代鐵器時代。

現代社會

三大支柱能源、信息和材料（1998）生物工程，信息技術和新材料Aluminumin19thcentury.Computer

航空航天的物質基礎三高一低的結構材料（高強度、高模量、耐高溫、低密度)b(MPa) 0.2(MPa) (%)382 310 6488 478 12360 280 4482 472 9330 250 2440 290 6縱向橫向高鍛鋁2014（LD10）的力學性能衛星發射，節省1公斤重量將降低費用$20000。一次發射節約費用20%。鋁的理論強度為4700MPa，當今高強鋁合金的最高強度沒有超過1000MPa。鋁合金的主要應用領域戰機艦船導彈火箭人造衛星戰車高速列車汽車高層建筑f導彈頭罩窗口窗口材料：藍寶石金剛石ZnS/金剛石導彈的眼睛——窗口材料（ZnS,ZnSe,Al2O3,diamond,…）二、材料的發展史，就是科學技術的發展史。

原理 成品 發展時間電機 1821 1886 65真空管 1882 1915 33無線電 1887 1922 35X光 1895 1913 18雷達 1935 1940 5原子堆 1939 1942 3半導體 1948 1951 3激光 1958 1960 2表1科學原理的發現時間與其產業化時間的對照中國的四大發明：紙、火藥、指南針、活字印刷1）邏輯推理(古代哲學家，432BC.)2）宏觀形貌觀察、觀測（byeye,1669）3）數學理論計算4）科學測定（X-raydiffraction,electrondiffraction,等）1、古代中國：“日取其半，萬世不竭”“道生一，一生二，二生三，三生萬物”（《老子》）；“以土與金、木、水、火雜以成百物”（《國語·正語》）；“太極生兩儀，兩儀生四象，四象生八卦，八卦交而生萬物”（《易經》）人類對材料微觀結構認識的發展過程2、Europe:Plato(428-348B.C.)andEuclid(330-275?B.C.)5regularpolyhedronsstandfor5originalelements(fire,air,earth,water,ether)whichwereusedfordescribingeverythingintheworld.Fire-tetrahedronAir-octahedronEther-dodecahedronEarth-cubeWater-icosahedron1669,N.Steno,晶面角守恒定律

材料科學的發展過程

1885,A.Bravais,晶體空間點陣學說1912,M.Laue*,晶體的X射線衍射

1915,W.H.BraggandW.L.Bragg**X射線晶體結構分析方法*1914’sNobelprize;**1915’s,***1987’s.電子顯微鏡（SEM、TEM）掃描探針顯微術***（STM、AFM）

晶體的微觀周期性結構

電子在周期勢場中的運動量子力學Schr?dinger方程

能帶理論固體半導體理論2Ψ+U(r)ΨihΨth2

晶體點陣中的缺陷

金屬材料強化理論

位錯在晶體中運動

晶體的宏觀幾何形貌晶體生長理論

表面組裝

第二節材料的分類按組成分類按狀態分類按化學狀態分類按物理性質分類按物理效應分類按用途分類按化學狀態分類金屬材料無機非金屬材料有機高分子材料復合材料

按物理性質分類高強度材料耐高溫材料超硬材料導電材料絕緣材料磁性材料透光材料半導體材料按狀態分類單晶材料多晶質材料非晶態材料準晶態材料

按物理效應分類壓電材料熱電材料鐵電材料光電材料電光材料聲光材料磁光材料激光材料按用途分類功能材料結構材料按用途分類建筑材料結構材料研磨材料耐火材料耐酸材料電工材料電子材料光學材料感光材料包裝材料

按組成分類單組分材料復合材料

金屬材料的分類按組成成分分類純金屬合金按實用分類黑色金屬材料（鐵及鐵合金）有色金屬材料（非鐵金屬）貴金屬、稀有金屬金屬材料的分類無機非金屬材料有機高分子材料復合材料塑鋼塑鋼是對塑鋼型材的簡稱，主要化學成分是PVC，因此也叫PVC型材。主要用途：在房屋建筑中主要用于推拉，平開門窗、護欄、管材和吊頂材料的應用。主要配方：PVC（100份）、CaCO3（14~20份）、CPE（6~12份）、ACR（0.4~0.8份）、鈦白粉（3~6份）、穩定劑（3~8份）、色母料（0.8~1.5份）。穩定劑主要有鉛鹽穩定劑、有機錫穩定劑、鈣鋅穩定劑、稀土穩定劑。玻璃鋼FRP(FiberglassReinforcedPlastics)GRP(GlassReinforcedPlastics)GFRP(Glassfibrereinforcedplastics)玻璃纖維增強樹脂基復合材料以玻璃纖維或其制品作增強材料的增強塑料，稱謂為玻璃纖維增強塑料，或稱謂玻璃鋼。由于所使用的樹脂品種不同，因此有聚酯玻璃鋼、環氧玻璃鋼、酚醛玻璃鋼之稱。特點：質輕而硬，不導電，機械強度高，耐腐蝕。用途：可以代替鋼材制造機器零件和汽車、船舶外殼等。

光纖光纖是光導纖維的簡寫，是一種利用光在玻璃或塑料制成的纖維中的全反射原理而達成的光傳導工具。前香港中文大學校長高錕和GeorgeA.Hockham首先提出光纖可以用于通訊傳輸的設想，高錕因此獲得2009年諾貝爾物理學獎。防爆玻璃彈簧鋼彈簧鋼是指由于在淬火和回火狀態下的彈性，而專門用于制造彈簧和彈性元件的鋼。鋼的彈性取決于其彈性變形的能力，即在規定的范圍之內，彈性變形的能力使其承受一定的載荷，在載荷去除之后不出現永久變形。據GB/T13304標準，彈簧鋼按照其化學成分分為非合金彈簧鋼(碳素彈簧鋼)和合金彈簧鋼。尼龍太陽能假牙心臟支架人工晶體

壓電陶瓷形狀記憶合金第三節材料科學與工程一、材料科學的興起1.固體物理、無機化學、有機化學、物理學等相關基礎學科對物質結構和物性的深入研究，促進了對材料本質的了解；2.在材料科學這個名詞出現以前，金屬材料、高分子材料與陶瓷材料都已自成體系，目前復合材料也正在形成學科體系。3.各類材料的研究設備與生產手段有頗多共同之處。4.許多不同類型的材料可以相互代替和補充，能更充分發揮各種材料的優越性，達到物盡其用的目的。二、材料科學與工程三、材料科學與工程的特點材料科學與工程具有物理學、化學、冶金學、金屬學、陶瓷學、計算數學等多學科交叉與結合的特點，并具有鮮明的工程性。現在，材料科學與工程被看做是知識的開發和知識的傳輸體系，這個體系包括從基礎科學和基本研究，直到人類的需要和社會的經驗這樣的知識鏈。四、材料成分—結構—合成與加工—性能—使用效能1.材料科學與工程的組成要素材料科學家將成分、結構、合成與加工、性能及使用效能這五者視為材料科學與工程的五要素，把他們連接在一起，組成一個六面體，而使用效能就是材料性能在工作狀態（受力狀態、氣氛、溫度）下的表現。2.材料加工工藝方法利用材料的加工工藝可以將未經過成型的坯料加工成型零件所要求的形狀。其中金屬的加工方法很多：有鑄造、焊接、膠接、鍛、拉、擠、軋、彎等。3.性能與使用效能成品狀態的材料具有一整套滿足實際設計要求的性能—強度、硬度、導電性、密度、色彩