第2章--材料科学共性(4学时)

材料科学与研究方法第2章材料科学共性UJS—DaiQX2材料科学共性主要内容2.1全材料科学的形成材料学科的细分化到综合,材料学科的交叉和渗透,材料科学与工程的形成,材料的作用、地位和特点.2.2材料科学的共性规律晶体学结构规律,材料缺陷与强度,材料的相变原理,材料的形变与断裂,材料的强韧化原理.2.3材料的共同效应界面效应,表面效应,复合效应,形状记忆效应,动态效应,环境效应和纳米效应.UJS—DaiQX基本要求:掌握金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料等三大类各类材料组织、性能和应用的主要特点及其共同的特性。了解三大材料交叉与融合这一现代科学研究发展的特点。熟悉形成现代材料科学与工程大学科的基础。材料定义；材料是人类用以做成有用东西的物质。有用——必然具有某种性能；东西——肯定要加工；使用——应有良好表现；表现——显然是有内因。UJS—DaiQX2.1全材料科学的形成一、材料学科的细分化到综合表美国麻省理工学院材料学科专业演变的情况年系科名称1865~1879地质与采矿工程1879~1884采矿工程1884~1888采矿工程（地质、采矿、冶金）1888~1890采矿与冶金1890~1927采矿工程与冶金1927~1937采矿与冶金1937~1966冶金1966~1975冶金与材料科学1975~现在材料科学与工程UJS—DaiQX金属材料及热处理、粉末冶金、高温合金、精密合金、金属腐蚀与防护、金属物理等专业→知识面窄.金属物理专业→材料物理专业，内容面向三大材料。包含金属材料、热处理及表面技术和粉末冶金三大专业方向无机化工学→硅酸盐材料学（陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等）→后来氧化物等新型陶瓷、单晶硅、人造金刚石等也归入。有机化学及化工学→高分子化学、高分子物理和高分子物理化学→高分子化学、高分子材料、高分子化工、化学纤维、橡胶制品、塑料成型加工工艺等专业金属材料工程无机非金属材料工程高分子材料工程本科专业举例UJS—DaiQX材料科学与工程学科以数学、力学及物理、化学等自然科学为基础，以工程学科为服务和支撑对象，是一个理工结合、多学科交叉的新兴学科，其研究领域涉及自然科学、应用科学和工程科学。材料科学与工程学科定义UJS—DaiQX材料科学与工程一级学科二级学科本科专业相关学科材料物理与化学材料学材料加工工程材料物理材料化学金属材料工程高分子材料与工程无机非金属材料工程复合材料工程材料成型与控制物理/化学材料科学类/材料类机械工程材料科学与工程UJS—DaiQX以凝聚态物理和固体化学等为理论基础，从电子、原子、分子等层次上着重研究材料的微观组织结构的转变规律及其与性能间的关系，研究开发先进材料与器件，发展基础理论，探索从基本理论出发进行材料设计。研究材料组成-结构-工艺-性质和使用性能间的关系，致力于材料的性能、工艺优化及材料开发与应用。是实用性比较强的应用基础学科.研究范围包括金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料。研究控制材料外形和内部组织，将材料加工成各种零部件的应用技术。范围：各种材料。主要有先进技术，材料再循环，加工过程自动化、智能化及集成化等。与材料其他学科有密切联系，是多学科交叉的学科。材料物理与化学材料学材料加工工程学科分类及内涵UJS—DaiQX二、材料学科的交叉和渗透三大材料交叉渗透移植借鉴全材料科学形成的基础各类材料的融合——共同的理论基础；相近的测试技术；基础技术新的综合科学UJS—DaiQX三、材料科学与工程的形成图固体物理与材料工程的结合过程UJS—DaiQX材料科学与工程的内涵：——美国国家科学院材料科学与工程（MSE）是关于材料成分-制备与工艺-组织与结构-性能与使役行为之间有关知识开发和应用的科学。它是从科学到工程的一个专业连续领域，各专业贯串整个体系。材料科学与工程材料科学材料工程材料现象本质发现与分析→培养科学家材料的制备、改性和应用→培养工程师理、工交叉学科。趋势:科学技术化，技术科学化UJS—DaiQX英国材料教育网首页(2006年):WhatisMaterialsScienceandMaterialsEngineering?MaterialsScienceandEngineeringinvolvesthestudyofthestructure,propertiesandbehaviourofallmaterials,thedevelopmentofprocessestomanufactureusefulproductsfromthem,andresearchintorecyclingandenvironmentallyfriendlydisposal.循环环境友好相处UJS—DaiQXMaterialsScientiststestthemechanical,physical,chemicalandelectricalpropertiesofmaterialsandexplorehowthesepropertiesdependonthemicrostructurestheyengineerandobserveusinghighpoweredmicroscopes.MaterialsEngineersapplythisknowledgetoselectthemostappropriatematerialandmanufacturingprocessforanygivenapplication,topredicthowacomponentwillperforminservice,andtoinvestigatehowandwhymaterialsfail.设计失效UJS—DaiQX高校设立院系成立研究学会开展学术交流1975年美国麻省理工学院成立了材料科学与工程系后，世界上许多国家的著名高校也相继设立了相应的院系。1973美国首先成立材料研究学会1983年成立欧洲材料研究学会1988年日本成立了材料研究学会印度、澳大利亚等国也纷纷成立了材料学会1990年成立了“材料研究学会国际联盟”1991年中国成立材料研究学会1992年英国将金属学会改名为材料学会大规模的学术交流在世界范围内不断。随后许多期刊杂志也陆续扩大内容并改了名称。UJS—DaiQX四、材料科学与工程学科的地位和特点1、材料的作用与地位新材料不断涌现是新技术革命的物质基础。我国是材料生产大国，但不是材料强国。如：我国制造飞机，需要大量进口高性能的铝材高性能高质量的汽车用钢板却长期依赖进口我国是稀土大国,但目前世界上稀土新材料没有一个是我国原创的.UJS—DaiQX事实表明：历史上每一次重大新技术的发现和某种新产品的研制成功，都往往有赖于新型材料的发现和应用。新材料又被誉为“发明之母”。→没有材料科学发展，就不会有高新技术产品出现，也就失去了人类社会进步的物质基础。2007年，温家宝总理审批了大型飞机研制重大科技专项。国防部长曹刚川：一代飞机一代材料→一代材料一代飞机UJS—DaiQX——新材料是当代社会经济的先导和基础材料——现代工业骨肉；高技术提出更高要求原子能工业需要耐辐射和耐腐蚀材料电子工业海洋开发需要超纯、薄、细、匀材料需要耐腐蚀和耐高压的材料农业也是这样。农业电气化、机械化、水利化、工厂化等都离不开材料的支持。UJS—DaiQX——新材料是国防现代化的保证国防现代化关键是武器—性能优异新材料谁能更快地开发和应用具有特定性能的新材料，谁就拥有更强大的技术潜力。典型实例1991年的海湾战争是一个很好的典型：反辐射导弹、精确制导武器、复合装甲坦克等高技术武器装备纷纷亮相，也可以说是一次“最新军用材料展览会和竞赛表演”。UJS—DaiQX——新型材料是科技进步的关键现代技术的进展都和新型材料开发应用有着密切的联系。没有高纯的半导体材料，就不会有微电子技术；没有耐高温的材料和涂层材料，人类遨游太空的梦想就无法成为现实；没有低损耗的光导纤维，便不会出现光通信技术……。如太阳能利用问题，目前还没有找到一种价格低、寿命长、光电转换效率很高的材料把光能转变为电能。问题举例UJS—DaiQX——材料发展改变着人类的思维和实践方式辩证逻辑的思维形式使人类在发展材料科学新概念、新构思、新方法的进程中永无止境.如金属氧化物陶瓷超导体的发现，改变了人们对导电物质的传统认识，带来科技史革命；各种新型材料发现,正向自然界各种极限逼近，如超高温、超低温、超净、超导等。——极限化带来一系列新效应，出现传统科学原理的突破。以运动变化的观点认识研究新材料，改进传统材料。UJS—DaiQX——材料科技水平代表着一个国家的综合实力日本把发展新材料作为技术立国的基础，把新材料发展与微电子技术放在同等重要地位，把新材料看做是走向未来的关键技术.美国则把新材料研究重点放在军事高技术领域，政府部门纷纷制定发展现划和研究课题。为了在军事工业中占优势，并保持领先地位，新型材料的研究与开发已进入白热化程度.西欧各国意识到新材料开发的重要性，在尤里卡计划中，包括了新材料。德、法等国都有政府部门制定的“新材料开发计划”等，耗资巨大.UJS—DaiQXThetechnologicaladvancesthathavetransformedourWorldoverthelast20yearshavebeenfoundedondevelopmentsinMaterialsScienceandEngineering.Materialsareevolvingfastertodaythanatanytimeinhistory.MaterialsScienceandEngineeringhasbecomeakeydisciplineinthecompetitiveglobaleconomyandisrecognisedasoneofthetechnicaldisciplineswiththemostexcitingcareeropportunities.英国材料教育网首页(2006年):WhatisMaterialsScienceandMaterialsEngineering?在竞争的全球经济中,材料科学与工程已成为关键的学科,是公认的最具有快速发展机会(职业)的技术学科之一.就业很好UJS—DaiQX主要发达国家都制定了材料开发和研究计划,如美国：500多位资深科学家历经数年得出“新材料关系到美国的经济发展和国家安全防卫”。1991年海湾战争后仅三周，美国就公布了一份长达172页的国家关键技术报告。六大关键技术共22项技术攻关项目，新材料位居六大关键技术之首。日本：组织3000名专家讨论并提出2020年的科技计划和发展预测：特别在电子产业、新材料、生物技术和核能与太阳能等能源技术的几个领域取得的进展将对世界经济和人类生活产生巨大影响。UJS—DaiQX麻省理工（MIT）材料研究特点：（1）学科具有悠久的发展历史和良好的研究基础（2）学科起源于传统材料起源于冶金和采矿→教学和研究内涵不断扩展，创新。起步于金属材料…→光子器件；→生物材料和特殊疫苗；→纳米技术研究新型军事装备等。（3）纯科学研究与应用研究相结合（4）多学科交叉渗透（5）有一批杰出的研究人员和队伍（6）研究领域和兴趣十分宽泛从生物技术、计算材料学、腐蚀和环境、缺陷、器件、材料经济学、电化学等21个研究领域。例2-1国际著名大学的材料研究UJS—DaiQX卡内基-梅隆大学（CMU）：卡内基-梅隆大学（CMU）与MIT的最大区别在于：材料研究遍布学校很多科学与工程系。发动全校力量，从事与本学科相关的材料研究，形成跨学科大行动。跨学科研究单位和机构以材料科学与工程系为主，联合化学工程、机械工程、土木和环境工程、计算机工程、化学、物理、数学等。跨学科的研究中心有数据存储系统中心，钢铁研究中心和胶体、高分子和表面工程中心等。UJS—DaiQX2、材料研究开发趋势单一材料向多种材料扬长避短的复合化；结构材料和功能材料的整体化；材料多功能的集成化，功能材料和器件一体化；材料制备加工的智能化、敏捷化、功能仿生化；材料科