材料科学基础课件

材料科学基础Fundamentals of Materials Science

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绪论

(Introduction) 1.1 材料与人类文明1.2 材料的分类

1.3 材料科学与工程1.4 未来的材料

1.5 本课程的目的

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什么是材料 材料是指人类社会能接受的、经济的制造有用 物品的物质。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。 世界万物，凡于我有用者，皆谓之材料。 材料存在于我们的周围，与我们的生活、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。

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材料对人类进步和现代科学技术的重要性 ——材料是时代进步的标志 科学技术是第一生产力 政治家：生产力的进步是 社会发展的根本原因，而 劳动工具的发展是生产力 进步的主要因素 材料学家：材料是时代进 步的标志

认识工具材料

制造工具

使用工具

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石

器

时

代

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青 铜 器 时 代

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铁 器 时 代

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历史回顾 石器时代(公元前10万年) 青铜器时代(公元前3000年) 铁器时代(公元前1000年) 钢时代(1800年) 硅时代(1950年)

新材料时代(1990年)——各种新材料不断涌现， 已经很难用一种材料来代表当今时代的特征 材料是全球新技术革命的四大标志之一(新材料 技术、新能源技术、信息技术、生物技术)

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材料的分类

按组成和化学键(或基本组成)分类

根据材料的性能分类 按材料服役的领域来分类 按材料结晶状态分类 按材料材料的尺寸分类

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按组成和化学键(或基本组成)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

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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 合金又可分为固溶体和金属间化合物

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金属材料 在103种元素中，除6种惰性元素和16种非金属元素外，

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

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2. 无机非金属材料 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 是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料 和氧化物、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

种类繁多，用途各异，目前还没有统一完善的分类方法。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

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传统的无机非金属材料 之一：陶瓷 陶瓷按其概念和用途不同，

可分为两大类，即普通陶瓷和特种陶瓷

根据陶瓷坯体结构及其基本物理性能的差异，陶瓷制品

可分为陶器和瓷器

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特种陶瓷 用于各种现代工业及尖端 科学技术领域的陶瓷制品 包括结构陶瓷和功能陶瓷

结构陶瓷主要用于耐磨损、高强度、耐高温、高刚性、 低膨胀、隔热等场所

功能陶瓷主要包括电磁功能、、光学功能、生物功 能、核功能及其它功能的

陶瓷材料

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传统的无机非金属材料之二：玻璃玻璃是由熔体过冷所制得的非晶态材料。根据其形成网 络的组分不同可分为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐

玻璃等，其网络形成剂分为SiO2、B2O3和P2O5。习惯上玻璃态材料可分为普通玻璃和特种玻璃两大类

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传统的无机非金属材料 之三：水泥水泥是指加入适量水后可成 塑性浆体，既能在空气中硬 化又能在水中硬化，并能够 将砂、石等材料牢固地胶结 在一起的细粉状水硬性材料

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传统的无机非金属材料之四：耐火材料 耐火材料是指耐火度不低于1580℃的无机非金属材料。是高温技术服务的基础材料 尽管各国对其定义不同，但基本含义是相同的，即耐火材 料是用作高温窑炉等热工设备的结构材料，以及用作工业 高温容器和部件的材料，并能承受相应的物理化学变化及 机械作用 大部分耐火材料是以天然矿石(如耐火粘土、硅石、菱镁 矿、白云母等)为原料制造的

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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 按高分子材料来源分为天然高 分子材料和合成高分子材料；

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

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4.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 是多相材料，主要包括基本相和增强相。基体相是一 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

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4. 复合材料

复合材料种类繁多，目前还

没有统一的分类方法 按基体材料分类，有金属基复合材料，陶瓷基复 合材料，水泥、混凝土基复合材料，塑料基复合 材料，橡胶基复合材料等； 按增强剂形状可分为粒子、纤维及层状复合材料