复旦材料科学导论课件第1章材料科学概论

《材料科学导论》“IntroductiontoMaterialsScience”5第一章材料科学概论1.1材料与物质1.2材料的分类1.3材料与社会发展1.4材料科学与工程1.5材料科学在工程中的作用1.6材料科学技术的发展重点2019年9月月61.1材料与物质●材料是一切科学技术的基础，是人类赖以生存和发展的物质基础，是人类社会文明程度的里程碑标志。■物质(matter)是任何具有时间、质量并占据空间的一种东西，可以分为能量、时空、形象等三类物质。■材料(material)是一切有形且有用的物质。它是采用适当的方法，把物质加工成各种有用的构件或工具。材料是物质，但是指有形并有用的物质。因而，有些物质如燃料、汽油、药品等就不能称为材料。●物质与材料的区别物质(matter)反映基本性质(property)；材料(material)反映宏观性能(performance)。●从现代科技发展来看，20世纪70年代把材料、信息和能源列为现代社会文明的三大支柱；20世纪80年代以高新技术为代表的新技术革命，再次把新材料、信息技术和生物技术列为重要标志；21世纪美国把与材料密切相关的四大技术：纳米技术、生物技术、信息技术和认知技术列为未来发展的重中之重，可见材料时刻影响着人们的生活质量和生活方式。●目前，材料品种有数千万种，每年还以20余万种新材料在不断发展。虽然它种类繁多，大致可分为五大类：金属、陶瓷、聚合物、复合材料和半导体材料。前三类是基础材料，后二类是经特殊加工的、面向现代生活的及不可或缺的基础材料。1.2材料的分类78●金属材料是以金属元素为主、通过冶炼方式制成的一类晶体材料，原子间键合是金属键。■特点：强度高、延展性好、导电导热，但易腐蚀、不透明。目前，金属材料占整个结构材料的80％以上。1)黑色金属（ferrousmetals）以Fe元素为基的钢铁材料，如碳钢、不锈钢、铸钢等。2)有色金属（non-ferrousmetals）除Fe元素以外的一些特殊金属，比如Mg、Al、Ti、Zn、Ni、Cu等6种金属。(1)金属材料(metallicmaterial）1.化学键合（chemicalbond）9(2)陶瓷材料(ceramicmaterials）●陶瓷材料是由非金属元素或金属元素与非金属元素组成的、采用烧结或合成工艺制备的一类无机非金属材料。普通陶瓷原子间键合是离子键，先进陶瓷是共价键。■特点：硬度高、耐高温、绝缘，但脆性、难加工。1）普通陶瓷(pottery,porcelain)以天然硅酸盐矿物为原料，通过烧结而成的普通陶瓷。例如，玻璃、水泥、耐火砖、陶器、瓷器等。2）先进陶瓷(ceramic):以高纯度无机粉末为原料，采用化学方法合成的先进陶瓷，比如Al2O3、SiC、Si3N4、TiB2、MoSi2等。10●聚合物是以C、H元素为主、主链由结构单元重复连接的通过聚合而成的一类高分子材料。原子间键合主要是共价键。■特点：质轻、绝缘、易加工，但强度低、耐热性差。1）塑料（plastic）a.热固性树脂（themosettingresin）：三维键合环氧树脂(EP)、不饱和聚酯(UP)、酚醛(PF)等。b.热塑性塑料(thermoplastic)：线性键合通用塑料(PE,PP,PVC,PS)、工程塑料(PET,PC,etc)和特种塑料(PEEK，PES，etc)。(3)聚合物(polymericmaterials）112）纤维（fiber）有机纤维,如PP,PA,PET,PAN等。3）橡胶（rubber）天然橡胶(NR)、丁苯橡胶(SBR)、丁腈橡胶(ABR)等；4）涂料（coating）5）粘接剂（adhesive）(3)聚合物(polymericmaterials）(4)复合材料(compositematerials）●复合材料是由二种以上不同材料组成的、通过特殊加工制成的面向工程应用的一类组合材料。原子间键合是混合键。金属基复合材料屏蔽功能复合材料复合材料结构复合材料功能复合材料陶瓷基复合材料聚合物基复合材料碳碳基复合材料导电导磁复合材料发光显示复合材料阻尼吸声复合材料■特点:比强度高，比模量高，性能可设计，但界面较薄弱。13图1-1B-2A隐形轰炸机表面吸波性好的碳纤维复合材料●半导体材料是以Si、Ge等元素以共价键方式结合的、电性能可控的一类单晶体材料,也包括化合物半导体、有机电子等多晶体材料或非晶体材料。■特点：导电性介于导体和绝缘体之间，化学纯度和表面加工精度高，但性能易受成分、尺寸、加工等影响。1）元素半导体材料(elementsemiconductormaterials）Si、Ge(IVA族元素)2）化合物半导体材料(compoundsemiconductormaterials)GaAs、InP(III-V族化合物)、CdTe(II-VI族化合物)3）非晶体有机半导体材料聚噻吩(P3TH)、聚苯胺(PANI)、聚对苯乙烯(PPV)等。(5)半导体材料(semiconductormaterials）2.材料形态(1)晶态材料:单晶材料(Si)、多晶材料(Fe-C)(2)非晶态材料:普通玻璃、金属玻璃、无规高分子材料(3)准晶态材料：液晶高分子(酸酯类、联苯类、环基类和碳酸酯类)压电材料、热释电材材、声光材料、电光材料、导电材料、结构材料等。3.物理效应15164.用途信息材料、能源材料、建筑材料、耐磨材料、核能材料、生物材料、医用材料等。●按材料的性能和用途，大致可以分为二大类：1）结构材料：以强度、刚度、硬度、韧度等力学性能为主的工程材料。2)功能材料：以光、电、磁、声、热等物理和化学性能为主的工程材料。●按使用性能的不同，材料还可以分为：传统材料和先进材料或基础材料和新材料17●材料是人类用来制造一切有用制品的物质，也是人类社会发展和时代进步的标志。●人类的发展历史表明：材料是人类文明进步程度的里程碑标志，可以分为五个时代:石器时代(StoneAge)，青铜器时代(BronzeAge)，铁器时代(IronAge)，合成时代(SyntheticAge)，信息时代(InformationAge)。1.3材料与社会发展（a）打制的石器（b)碾磨谷物的石盘石头、树枝等是远古时期原始社会的天然物品（旧石器时代）,还包括新石器时代人类利用石块加工碾磨成的石器工具、种棉、遮布等物品。图1-2天然石头加工的石器物品1.第一代材料：石器物品（石器时代）1819火的使用使人们把天然的粘土烧制成陶器、瓷器、砖等制品。6000多年前就有代表性的陶瓷制品。（a）陶器（b）瓷器图1-3烧结的陶瓷制品2.第二代材料：烧炼材料（新石器时代）（b）商代青铜鼎礼器（a）青铜兵器公元前3000多年，古巴比伦王国（Babylon）从天然矿石中冶炼出铜锡合金，制作兵器、工具等物品。这是人类使用金属的开始，进入了青铜器时代。图1-4烧炼的青铜器物品3.第三代材料：青铜材料（青铜器时代）20(a)战国铁犁头(b)战国铁锄(c)考古挖掘的铁锄图1-5烧炼的铁器制品3.第三代材料：铁器材料（铁器时代）青铜器使用1000多年后，人们又从铁矿石中冶炼出铁。铁比铜更易获得且价廉，应用普遍，我国从战国时期进入了铁器时代。21一直到了十八世纪蒸汽机的发明和十九世纪发电机的发明，才出现真正意义的钢铁冶炼工艺，进入了钢铁时代。(a)火车用蒸气机(b)特斯拉发明的交流发电机图1-6早期的蒸汽机和发电机原型22231907年：聚合物（高分子材料）合成工业的开始；第一个塑料产品是热固性酚醛树脂（PF）。1920年：H.Staudinger提出了长分子链的高分子概念。第一个热塑性塑料是聚苯乙烯PS(1920)及PVC(1931)、PA（1941）等。1930-40年:Staudinger的高分子概念得到承认,并以此理论为指导，研制出合成橡胶和纤维。1950-60年:Ziegler-Natta催化剂,生产通用塑料、橡胶.1960-70年:工程塑料、聚合物合金、各种改性聚合物.1970-80年：聚合物大规模工业化的产生。1980年起：分子设计，高性能、功能化的聚合物材料.4.第四代材料：合成材料（合成时代）24图1-7生活中常用的各种高分子材料制品自1947年12月发明半导体晶体管以及随后各种电子材料和高性能计算机研制成功后，人类进入了信息时代。通过复合技术，研制出高性能、低成本的电子信息材料，加速电子信息材料在各个生活领域中的应用。5.第五代材料:半导体材料（电子材料）（信息时代）图1-8高性能半导体的材料与器件（a）晶棒与硅片（b）晶圆（c）芯片封装（d）集成电路器件26材料名词早已存在，但材料学科是在20世纪60年代末期才出现。美国西北大学是在1959年1月在世界上第一个建立材料系的大学。在此以前，材料制备被看作是一门实验科学，是凭经验制造的。材料学科是1957年9月前苏联最先把人造卫星送上天后才开始的。当时美国朝野对此十分震惊，经调查分析后认为，材料的落后是导致美国卫星未能率先飞上天的主要原因。于是，美国的麻省、西北、宾州、康内尔等几十所大学相继成立了材料研究中心或材料科学系或材料科学与工程系。这些工作均得到了美国政府的财政资助。1.4材料科学与工程1.4.1材料科学的形成2010年9月27于是，“材料科学学报”（JournalofMaterialsScience(JMS)）于1966年创刊。从此,材料科学这个专有术语作为一门学科为公众所接受和研究。紧接着，另一份杂志“MaterialsScience&Engineering(MSE)”以及“JournalofMaterialsResearch”等也相继创刊出版。早期出版的冶金学专业期刊,比如“ActaMetallurgica”,“ScriptaMetallurgica”仍保留，只是在1996年后把Metallurgica替换为“Materialia”，分别改为当今材料领域的重要期刊：“ActaMaterialia”和“ScriptaMaterialia”。第一部《材料科学与工程百科全书》是由美国麻省（MIT）等科学家主编，由英国Pergamon出版社于1986年出版。2010年9月28事实上，材料学科的形成是科技发展的必然结果。四个方面的因素促使材料学科的形成、建立和发展。首先，一些基础学科如固体物理、无机化学、有机化学、结构化学等学科的发展，以及现代分析仪器的开发，对物质结构与性质有了深入的理解，加深了对材料本质的认识。同时，一些专业学科如冶金学、金属学、陶瓷学、高分子科学等的发展，对不同种类的材料研究也大为加强，材料的成分、制备、结构、性能及它们之间的相互关系也愈来愈深入的理解，为材料科学学科的建立奠定了重要的理论基础。2010年9月29其次是制备工艺。在材料科学出现之前，金属材料、陶瓷材料和聚合物材料（高分子材料）虽然自成体系,但相互间仍有一些共性和相似之处。比如，马氏体相变是由金属学家提出的，是钢铁热处理工艺的基础理论，但是氧化锆陶瓷也存在马氏体相变的现象，成为陶瓷增韧的一种手段。再比如，材料制备方法如溶胶-凝胶法（Sol－Gel）是用金属有机化合物分解获得纳米级氧化物陶瓷粒子，该方法也可用来改进陶瓷材料的性能；还有金属、陶瓷、高分子等都有相同的模压制备工艺等。因此，不同材料的制备工艺可以相互借鉴，有利于促进新材料的开发和材料科学的发展。2010年9月30第三，不同材料的表征分析仪器与设备，以及材料的制备工艺和生产方法也有许多相同之处。例如，光学显微镜、电子显微镜、透射电镜、光谱分析等方法可以用于分析不同的材料，不同材料的力学性能与物理性能的测试方法也基本相同。同时，在材料制品的成型加工中，许多设备可以通用，原理基本相同。例如，挤压机对于金属材料而言，既可成型制品，又可通过冷加工提高材料的强度。一些高分子材料用挤压工艺拉丝成型后，有机纤维的比强度、比模量可大幅度提高，并可用来制造管型制品和其它复合材料。2010年9月31第四，不同种类的材料可以相互替代和补充，充分发挥材料各自的优异性能。例如，通