材料科学与人类文明第2章课件.pptx

1、材料的使用史材料的使用史第一代：天然材料第一代：天然材料第二代：烧炼材料第二代：烧炼材料第三代：合成材料第三代：合成材料第四代：设计型材料第四代：设计型材料第五代：智能材料第五代：智能材料第一代：天然材料第一代：天然材料木片、石器、骨器等木片、石器、骨器等旧石器是利用一块较硬的石头坎砸到另一块较软的石头打击旧石器是利用一块较硬的石头坎砸到另一块较软的石头打击而成，其形状既不规则又不稳定，加工十分粗糙，是人类第而成，其形状既不规则又不稳定，加工十分粗糙，是人类第一种原始材料一种原始材料新石器时代的标志是，打制的石器更加精美、陶和玉器工艺新石器时代的标志是，打制的石器更加精美、陶和玉器工艺品的出现

2、、用石头和砖瓦作建筑材料品的出现、用石头和砖瓦作建筑材料材料的使用史材料的使用史人们用火将天然粘土烧制砖瓦和陶瓷人们用火将天然粘土烧制砖瓦和陶瓷 用烧结技术制造出了玻璃和水泥用烧结技术制造出了玻璃和水泥 从各种天然矿石中提炼出铜及其合金、青铜和铁等冶炼材料从各种天然矿石中提炼出铜及其合金、青铜和铁等冶炼材料铜是人类社会最早出现的金属铜是人类社会最早出现的金属铜熔点低，技术层次比较容易处理，铜器色泽优美，满足人类视铜熔点低，技术层次比较容易处理，铜器色泽优美，满足人类视觉的享受，质柔声清，满足触觉与听觉的美感觉的享受，质柔声清，满足触觉与听觉的美感中国青铜器中国青铜器 分别精炼铜、锡、铅，将熔浆

3、倾入陶制坩埚铸形分别精炼铜、锡、铅，将熔浆倾入陶制坩埚铸形铜铜-锡合金锡合金(青铜青铜)85%Cu(熔点熔点1083 C)、15%Sn(熔点熔点232 C)熔点熔点960 C，延展性增加，硬度增加，具光泽度，延展性增加，硬度增加，具光泽度 加入部分锡，使原来较软的铜制品变得更坚硬、更耐磨加入部分锡，使原来较软的铜制品变得更坚硬、更耐磨铜铜-锌合金锌合金(黄铜黄铜)锌熔点锌熔点420 C，沸点，沸点900 C，精炼时应小心控制，否则会沸腾，精炼时应小心控制，否则会沸腾材料的使用史材料的使用史第二代：烧炼材料第二代：烧炼材料砖瓦、陶瓷、青铜砖瓦、陶瓷、青铜铁器时代从铁矿石中冶炼铁铁器时代从铁矿石中

4、冶炼铁依含依含C量和杂质多少，铁分三类量和杂质多少，铁分三类铸铁：含碳铸铁：含碳2.5 4.5%，不适于展延，不适于展延锻接，适于铸造器物锻接，适于铸造器物锻铁：含锻铁：含S、P、Si，质强韧具延展性，可锻造、焊接成器物，质强韧具延展性，可锻造、焊接成器物钢铁：质强而韧，适当热处理可改变硬度、脆度，制刀剑、钢铁：质强而韧，适当热处理可改变硬度、脆度，制刀剑、枪炮枪炮铁轨铁轨非铁金属非铁金属(金金银等贵重金属银等贵重金属)：加工技术繁复，造型美化：加工技术繁复，造型美化金质地细密、具光泽，熔点金质地细密、具光泽，熔点1063 C，比重，比重19.3，延展性强，在空气中不氧，延展性强，在空气中不氧

5、化，不受一般弱酸腐蚀，只溶于王水，可做饰品化，不受一般弱酸腐蚀，只溶于王水，可做饰品货币，永保色泽货币，永保色泽材料的使用史材料的使用史第二代：烧炼材料第二代：烧炼材料铁、钢铁、钢原料主要从石油、煤等矿物资源中来原料主要从石油、煤等矿物资源中来高分子材料在今天发挥的作用越来越大高分子材料在今天发挥的作用越来越大从从19091909年第个人工合成的塑料年第个人工合成的塑料酚醛树脂算起，高分子材料酚醛树脂算起，高分子材料时代至今不足时代至今不足100100年年2020世纪世纪9090年代初，塑料产量已经超过年代初，塑料产量已经超过1 1亿吨，按体亿吨，按体积已经超过钢铁产量积已经超过钢铁产量材料的

6、使用史材料的使用史第三代：合成材料第三代：合成材料高分子材料高分子材料“材料设计材料设计”思想始于上世纪思想始于上世纪5050年代，其目的是年代，其目的是“按照指定按照指定性能定做性能定做”新材料，按生产要求新材料，按生产要求“设计设计”最佳制备和加工方最佳制备和加工方法法 采用新的物理、化学方法，根据实际需要设计出具有特殊性采用新的物理、化学方法，根据实际需要设计出具有特殊性能的材料能的材料从设计、材料和工艺一体化出发，开发材料的先进制造技从设计、材料和工艺一体化出发，开发材料的先进制造技术，实现材料的术，实现材料的高性能化和复合化高性能化和复合化，达到材料生产的低成，达到材料生产的低成本、

7、高质量和高效率本、高质量和高效率材料的使用史材料的使用史第四代：设计型材料第四代：设计型材料通信产业、生物技术、新能源技术、宇航技术、环通信产业、生物技术、新能源技术、宇航技术、环境工程等，对材料提出了更新的要求境工程等，对材料提出了更新的要求功能材料智能化功能材料智能化 智能凝胶、机械化学系统智能凝胶、机械化学系统结构材料智能化结构材料智能化 自行诊断、损伤自显示、自修复自行诊断、损伤自显示、自修复 和自愈合、自组装功能、自分解性和自愈合、自组装功能、自分解性生物材料智能化生物材料智能化 微球功能的智能化微球功能的智能化(药物控制释放药物控制释放)、智能生物材料与组织工程智能生物材料与组织工

8、程材料的使用史材料的使用史第五代：智能材料第五代：智能材料能感知外部刺激能感知外部刺激(传感功能传感功能)、能判断并适当处理、能判断并适当处理(处理功能处理功能)、本身可执行本身可执行(执行功能执行功能)的材料的材料从古到今，材料与人类日常生活密切相关从古到今，材料与人类日常生活密切相关就现代生活而言，人们的衣、食、住、行、休闲、就现代生活而言，人们的衣、食、住、行、休闲、娱乐样样离不开材料，新材料的出现使人们的生活娱乐样样离不开材料，新材料的出现使人们的生活质量发生了极大的变化质量发生了极大的变化材料与食物、居住空间、能源、信息共同组成了人材料与食物、居住空间、能源、信息共同组成了人类生活的

9、基本资源类生活的基本资源以穿衣为例，衣料早已由天然的棉、毛、丝、麻发以穿衣为例，衣料早已由天然的棉、毛、丝、麻发展到各种的人造纤维展到各种的人造纤维(人造棉人造棉)、合成纤维、合成纤维(尼龙、的尼龙、的确凉、腈纶等确凉、腈纶等)、混纺纤维、混纺纤维材料的重要性材料的重要性 传统滤水材料材料的重要性材料的重要性例1：滤水材料PP不织布滤网不织布滤网仅过滤水中粗大悬浮物、沙粒仅过滤水中粗大悬浮物、沙粒(5 m)，无法过滤，无法过滤 离子、重金属、有机毒素、细菌离子、重金属、有机毒素、细菌硅硅 藻藻 土土 功能与不织布滤网类似，过滤颗粒较小功能与不织布滤网类似，过滤颗粒较小活活 性性 碳碳 去除水中

10、色素、异味去除水中色素、异味(挥发性者挥发性者)、部份金属离子，、部份金属离子，无法去除重金属污染、无杀菌力无法去除重金属污染、无杀菌力离子交换树脂离子交换树脂以钠型树脂去除水中以钠型树脂去除水中Ca2+、Mg2+离子，所得水含钠量离子，所得水含钠量偏高，对糖尿病、心脏病患者不利，影响肾脏功能偏高，对糖尿病、心脏病患者不利，影响肾脏功能半半 透透 膜膜去除水中杂质及矿物质去除水中杂质及矿物质紫紫 外外 线线利用利用UV辐射能破坏细菌辐射能破坏细菌DNA抑制其繁殖抑制其繁殖碘碘 素素可适用于较广的可适用于较广的pH值，存在时间久值，存在时间久银活性碳银活性碳银杀菌速度慢，但可抑制其生长银杀菌速度

11、慢，但可抑制其生长(银不可过量银不可过量)新型滤水材料 杀 菌 冬暖夏凉的羊毛冬暖夏凉的羊毛 羊毛纤维是由两种性质不同细胞组成，呈螺羊毛纤维是由两种性质不同细胞组成，呈螺旋状蜷曲旋状蜷曲 羊毛纤维表面被膜状角质层覆盖，具有吸收湿气、扩散水分功能羊毛纤维表面被膜状角质层覆盖，具有吸收湿气、扩散水分功能 柔软细致的纯棉柔软细致的纯棉 触感良好、易吸湿性且散发性良好、凉爽且触感良好、易吸湿性且散发性良好、凉爽且保温性高、安全又卫生、耐于洗涤保温性高、安全又卫生、耐于洗涤 冬暖夏凉的衣料冬暖夏凉的衣料(多丽丝多丽丝)聚乙二醇附着在织品纤维上聚乙二醇附着在织品纤维上 PEG在在21C融解软化，吸收体热，

12、觉得凉融解软化，吸收体热，觉得凉 熔融的熔融的PEG在在0C凝固，散热，觉得温暖凝固，散热，觉得温暖材料的重要性材料的重要性例例2：服：服饰饰材质的改变，设计的创新材质的改变，设计的创新 考量硬度、重量、合脚、磨损、保护考量硬度、重量、合脚、磨损、保护性、支撑、性、支撑、透气、避震、散热等透气、避震、散热等材料的重要性材料的重要性例例3：鞋鞋 子子 超轻跑鞋超轻跑鞋将橡胶和塑料结合、再发泡，比重只有将橡胶和塑料结合、再发泡，比重只有0.36(一般一般橡胶底比重为橡胶底比重为1.3)，将鞋底打薄，增加长跑速度，将鞋底打薄，增加长跑速度 抗冲鞋底抗冲鞋底天然橡胶和天然橡胶和EVA制成海绵，置于鞋底

13、之中间层制成海绵，置于鞋底之中间层 气垫鞋底气垫鞋底将高分子透明胶囊灌满气体，埋入鞋底里，脚跟将高分子透明胶囊灌满气体，埋入鞋底里，脚跟用力时产生的压力压缩气体胶囊，脚跟离地时，用力时产生的压力压缩气体胶囊，脚跟离地时，气囊反弹，反弹力将脚跟往上提气囊反弹，反弹力将脚跟往上提 安全镜片安全镜片采用采用光学树脂光学树脂，成像品质高，重量较玻璃轻，成像品质高，重量较玻璃轻40%超硬安全镜片超硬安全镜片加上加上超硬层超硬层，抗刮性、耐磨性强四倍，抗刮性、耐磨性强四倍 超硬安全树脂多层加膜镜片超硬安全树脂多层加膜镜片以以石英膜石英膜层镀在镜片表面，提层镀在镜片表面，提供防反光效果，防止紫外线透入供防反

14、光效果，防止紫外线透入 超薄超硬安全树脂多层加膜镜片超薄超硬安全树脂多层加膜镜片采用高采用高折射率超薄材质折射率超薄材质，比一般树脂片薄比一般树脂片薄20%、平、平25%、轻、轻25%多焦点镜片多焦点镜片由远至近聚合无数个焦点，使任何距离都能透由远至近聚合无数个焦点，使任何距离都能透过适合的焦点看清楚，没有影像跳跃、无错觉过适合的焦点看清楚，没有影像跳跃、无错觉 隐形镜片隐形镜片高分子水凝胶高分子水凝胶材料的重要性材料的重要性例例4：眼眼 镜镜材料由不同元素组成，由不同原子、离子或分子结合材料由不同元素组成，由不同原子、离子或分子结合而成而成原子、离子或分子之间的结合力称为原子、离子或分子之间

15、的结合力称为结合键结合键一般可把结合键分为四种一般可把结合键分为四种材料的结合键材料的结合键结合键的分类结合键的分类离子键离子键共价健共价健金属键金属键分子键分子键离子键离子键周期表中相隔较远的正电性原子和负电性原子接触时，前者失周期表中相隔较远的正电性原子和负电性原子接触时，前者失去最外层价电子，变成正离子；后者获得电子，变成负离子去最外层价电子，变成正离子；后者获得电子，变成负离子正离子和负离子由静电引力相互吸引；同时当它们十分接近时正离子和负离子由静电引力相互吸引；同时当它们十分接近时发生排斥，引力和斥力相等即形成稳定的离子键发生排斥，引力和斥力相等即形成稳定的离子键NaCl、CaO、A

16、l2O3等由离子键组成等由离子键组成离子键示意图氯化钠结构材料的结合键材料的结合键结合键的分类结合键的分类离子键离子键离子键键能很大，离子晶体硬度高、强度大、热膨胀离子键键能很大，离子晶体硬度高、强度大、热膨胀系数小，但脆性大系数小，但脆性大离子键中很难产生可自由运动的电子，离子晶体是良离子键中很难产生可自由运动的电子，离子晶体是良好的绝缘体好的绝缘体离子的外层电子受到较牢固的束缚，可见光的能量一离子的外层电子受到较牢固的束缚，可见光的能量一般不足以使其受激发，不吸收可见光般不足以使其受激发，不吸收可见光典型的离子晶体无色透明典型的离子晶体无色透明结合键的分类结合键的分类材料的结合键材料的结合

17、键共价键共价键处于周期表中间位置的三、四、处于周期表中间位置的三、四、五价元素，原子既可获得电子五价元素，原子既可获得电子变为负离子，也可丢失电子变变为负离子，也可丢失电子变为正离子为正离子原子之间可共用价电子、形成原子之间可共用价电子、形成稳定的电子满壳层，从而形成稳定的电子满壳层，从而形成分子或晶体分子或晶体这种由这种由共用价电子对共用价电子对产生产生的结合键叫共价键的结合键叫共价键共价键示意图材料的结合键材料的结合键结合键的分类结合键的分类最具有代表性的共价晶体为金刚石。金最具有代表性的共价晶体为金刚石。金刚石由刚石由C原子组成，每个碳原子贡献出原子组成，每个碳原子贡献出4个价电子与周围

18、的个价电子与周围的4个碳原子共有，形个碳原子共有，形成成4个共价键，构成正四面体：一个碳个共价键，构成正四面体：一个碳原子在中心，与它共价的另外原子在中心，与它共价的另外4个碳原个碳原子在子在4个顶角上个顶角上材料的结合键材料的结合键共价键共价键结合键的分类结合键的分类金刚石结构硅、锗、锡等元素也可构成共价晶体硅、锗、锡等元素也可构成共价晶体属于共价晶体的还有属于共价晶体的还有SiC、Si3N4、BN等化合物等化合物共价键结合力很大，所以共价晶体强度高、硬度高、脆性大、共价键结合力很大，所以共价晶体强度高、硬度高、脆性大、熔点高、沸点高和挥发性低熔点高、沸点高和挥发性低周期表中周期表中I、II

19、、III族元素，原子容易丢失其价电子而成为正离子族元素，原子容易丢失其价电子而成为正离子被丢失的价电子为全体原子所公有。这些公有化的电被丢失的价电子为全体原子所公有。这些公有化的电子叫做自由电子，在正离子之间自由运动，形成所谓子叫做自由电子，在正离子之间自由运动，形成所谓的的“电子气电子气”正离子在电子气中呈高度对称的规则分布。正离子和电子气之间产生正离子在电子气中呈高度对称的规则分布。正离子和电子气之间产生强烈的静电吸引力，使全部离子结合起来。这种结合力就叫做金属键强烈的静电吸引力，使全部离子结合起来。这种结合力就叫做金属键金属键示意 钼的结构材料的结合键材料的结合键金属键金属键结合键的分类

20、结合键的分类原子状态形成稳定电子壳体的惰性气体元素，在低温下可结合原子状态形成稳定电子壳体的惰性气体元素，在低温下可结合成固体成固体甲烷分子在固态也能相互结合成为晶体甲烷分子在固态也能相互结合成为晶体在它们的结合过程中，没有电子的得失、共有或公有化，价电在它们的结合过程中，没有电子的得失、共有或公有化，价电子的分布不变，原子或分子间是靠范特瓦尔斯力结合起来，这子的分布不变，原子或分子间是靠范特瓦尔斯力结合起来，这种结合键叫分子键种结合键叫分子键甲烷结构分子键示意图材料的结合键材料的结合键分子键分子键结合键的分类结合键的分类范特瓦尔斯力很弱，范特瓦尔斯力很弱，因此由分子键结合的因此由分子键结合的

21、固体材料熔点低、硬固体材料熔点低、硬度也很低度也很低因无自由电子，材料因无自由电子，材料有良好的绝缘性有良好的绝缘性在含氢物质特别是含氢聚合物中，一个氢原子可同时与两个在含氢物质特别是含氢聚合物中，一个氢原子可同时与两个电子亲合力大、半径小的原子电子亲合力大、半径小的原子(如如F、O、N等等)结合结合,形成氢键形成氢键氢健是一种较强的、有方向性的范特瓦尔斯键氢健是一种较强的、有方向性的范特瓦尔斯键尼龙尼龙66的结构的结构分子键分子键结合键的分类结合键的分类材料的结合键材料的结合键按化学组成，可分为按化学组成，可分为金属材料金属材料、无机非金属材料无机非金属材料、高分子材高分子材料料及及复合材料

22、复合材料 金金 属属 材材 料料 中，中，原子间结合以金属键为主原子间结合以金属键为主 陶陶 器中，器中，原子间结合以离子键为主原子间结合以离子键为主 高分子材料中，高分子材料中，原子间结合以共价键为主原子间结合以共价键为主材材 料料有机材料有机材料无机材料无机材料 材料的分类材料的分类材料材料的分类材料的分类由金属元素组成的材料由金属元素组成的材料在103种元素中，81种为金属元素除Hg外，单质金属在常温下呈固体态，外观不透明，金属光泽、良好的导电性、导热性可分为由一种金属元素构成的单质可分为由一种金属元素构成的单质(纯金属纯金属)、由两种或两种以、由两种或两种以上金属元素、或金属与非金属元

23、素构成的合金上金属元素、或金属与非金属元素构成的合金合金又分为固溶体和金属间化合物合金又分为固溶体和金属间化合物材料的分类材料的分类金属材料金属材料材料的分类材料的分类金属材料金属材料金属材料在不断地推陈出新，许多新兴金属材料应运而生。例如，金属材料在不断地推陈出新，许多新兴金属材料应运而生。例如，微合金钢、低合金高强度钢、双相钢等新钢种微合金钢、低合金高强度钢、双相钢等新钢种有色金属及合金方面，出现了高纯高韧铝合金、高强高模铝合金、有色金属及合金方面，出现了高纯高韧铝合金、高强高模铝合金、高温铝合金，先进的高强、高韧和高温钛合金，先进的镍基、铁高温铝合金，先进的高强、高韧和高温钛合金，先进的

24、镍基、铁镍、铬基高温合金，铜合金、难熔金属合金及稀有金属合金等镍、铬基高温合金，铜合金、难熔金属合金及稀有金属合金等还涌现了高性能金属材料还涌现了高性能金属材料，如快速冷凝金属非晶和微晶材料、纳，如快速冷凝金属非晶和微晶材料、纳米金属材料、有序金属间化合物、定向凝固柱晶和单晶合金等米金属材料、有序金属间化合物、定向凝固柱晶和单晶合金等新型金属功能材料新型金属功能材料，如磁性材料中的钕，如磁性材料中的钕-铁铁-硼稀土永磁合金及非硼稀土永磁合金及非晶态磁合金、形状记忆合金、新型铁氧体及超细金属隐身材料、晶态磁合金、形状记忆合金、新型铁氧体及超细金属隐身材料、贮氢材料、活性生物医用材料等贮氢材料、活

25、性生物医用材料等材料的分类材料的分类金属材料金属材料当金属的晶体结构保持溶剂组元的晶体结构时，这种合金称当金属的晶体结构保持溶剂组元的晶体结构时，这种合金称为一次固溶体或端际固溶体，简称固溶体为一次固溶体或端际固溶体，简称固溶体金属元素与其它金属元素或非金属元素形成合金时，除固溶金属元素与其它金属元素或非金属元素形成合金时，除固溶体外，还可能形成金属间化合物体外，还可能形成金属间化合物固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体在置换固溶体中，溶质原子位于溶剂晶体的在置换固溶体中，溶质原子位于溶剂晶体的晶格格点上晶格格点上在间隙固溶体中，溶质原子位于溶剂晶体的在间隙固溶

26、体中，溶质原子位于溶剂晶体的晶格间隙晶格间隙材料的分类材料的分类金属材料金属材料由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料和和/或氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅或氧化物、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化物、卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材料无机非金属材料与广义的陶瓷材料有等同的含义无机非金属材料与广义的陶瓷材料有等同的含义无机非金属材料种类繁多，没有统一的分类方法无机非金属材料种类繁多，没有统一的分类方法一般将其分为传统的一般将其分为传统的(普通的普通的)和新型的和新型的(先进的先

27、进的)无机无机非金属材料两大类非金属材料两大类 材料的分类材料的分类无机非金属材料无机非金属材料是除金属材料、高分子材料外是除金属材料、高分子材料外所有材料的总称所有材料的总称先进先进(或新型或新型)无机非金属材料无机非金属材料是用氧化物、氮是用氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物及各化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物及各种无机非金属化合物经特殊的先进工艺制成的种无机非金属化合物经特殊的先进工艺制成的材料材料主要包括先进陶瓷、非晶态材料、人工晶体、主要包括先进陶瓷、非晶态材料、人工晶体、无机涂层、无机纤维等无机涂层、无机纤维等传统无机非金属材料传统无机非金属材料是指由是指由SiO2

28、、硅酸盐化、硅酸盐化合物为主要成分制成的材料合物为主要成分制成的材料包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料此外，搪瓷、磨料、铸石此外，搪瓷、磨料、铸石(辉绿岩、玄武岩辉绿岩、玄武岩等等)、碳素材料、非金属矿、碳素材料、非金属矿(石棉、云母、大石棉、云母、大理石等理石等)也属于传统无机非金属材料也属于传统无机非金属材料材料的分类材料的分类无机非金属材料无机非金属材料材料的分类材料的分类无机非金属材料无机非金属材料从陶器到瓷器，是陶瓷发展史上第一次重大飞跃从陶器到瓷器，是陶瓷发展史上第一次重大飞跃低熔点的长石和粘土等成分配合，在焙烧过程中形成了流动性很好低熔点的长石和粘土等成

29、分配合，在焙烧过程中形成了流动性很好的液相，冷却后成为玻璃态的釉，使瓷器更加坚硬、致密和不透水的液相，冷却后成为玻璃态的釉，使瓷器更加坚硬、致密和不透水从传统陶瓷到先进陶瓷，是陶瓷发展史上第二次重大飞跃从传统陶瓷到先进陶瓷，是陶瓷发展史上第二次重大飞跃先进陶瓷主要是指利用材料的电、磁、声、光、热、弹性等方面直先进陶瓷主要是指利用材料的电、磁、声、光、热、弹性等方面直接的或耦合的效应以实现某种使用功能的陶瓷接的或耦合的效应以实现某种使用功能的陶瓷材料的分类材料的分类无机非金属材料无机非金属材料陶瓷材料陶瓷材料从先进陶瓷到纳米陶瓷是从先进陶瓷到纳米陶瓷是陶瓷发展史上第三次重大陶瓷发展史上第三次重大

30、飞跃飞跃纳陶瓷有可能解决陶瓷的致纳陶瓷有可能解决陶瓷的致命弱点命弱点-脆性脆性普通陶瓷普通陶瓷包括日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、电瓷包括日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、电瓷材料的分类材料的分类无机非金属材料无机非金属材料包括结构陶瓷和功能陶瓷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、耐热冲击、硬结构陶瓷主要用于耐磨损、高强度、耐高温、耐热冲击、硬质、高刚性、低膨胀、隔热等场所质、高刚性、低膨胀、隔热等场所 常见高温结构陶瓷包括：高熔点氧化物、碳化物、常见高温结构陶瓷包括：高熔点氧化物、碳化物、硼化物、氮化物、硅化物硼化物、氮化物、硅化物功能陶瓷主要包括电磁

31、功能、光学功能、生物功能、核功能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及其它功能的陶瓷材料电学功能瓷：电绝缘瓷、导电陶瓷、半导体瓷、电容器瓷、压电瓷电学功能瓷：电绝缘瓷、导电陶瓷、半导体瓷、电容器瓷、压电瓷磁学功能瓷：磁性瓷磁学功能瓷：磁性瓷(又称铁氧体又称铁氧体)、超导瓷、超导瓷热学功能瓷：热释电瓷、导热瓷、低膨胀瓷、红外辐射瓷热学功能瓷：热释电瓷、导热瓷、低膨胀瓷、红外辐射瓷化学功能瓷：多孔陶瓷载体化学功能瓷：多孔陶瓷载体生物功能瓷生物功能瓷材料的分类材料的分类无机非金属材料无机非金属材料特种陶瓷特种陶瓷玻璃是由熔体过冷所制得的非晶态材料玻璃是由熔体过冷所

32、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、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，其网络形成剂分为硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃等，其网络形成剂分为SiO2、B2O3和和P2O5玻璃材料习惯上分为玻璃材料习惯上分为普通玻璃普通玻璃和和特种玻璃特种玻璃两大类两大类材料的分类材料的分类无机非金属材料无机非金属材料玻璃材料玻璃材料普通玻璃是指采用天然原料大规模生产的玻璃。普通玻璃包普通玻璃是指采用天然原料大规模生产的玻璃。普通玻璃包括日用玻璃、建筑玻璃、微晶玻璃、光学玻璃和玻璃纤维等括日用玻璃、建筑玻璃、微晶玻璃、光学玻璃和玻璃纤维等 特种玻璃特种玻璃(亦称新

33、型玻璃亦称新型玻璃)是指采用精制、高纯或新型原料，通是指采用精制、高纯或新型原料，通过新工艺，在特殊条件下或严格控制形成过程而制成的一些过新工艺，在特殊条件下或严格控制形成过程而制成的一些具有特殊功能或特殊用途的玻璃具有特殊功能或特殊用途的玻璃根据用途不同，根据用途不同，特种玻璃分为防辐射玻璃、激光玻璃、生物玻璃、多孔玻璃、非线性光学玻璃、光纤玻璃等根据成分不同，根据成分不同，特种玻璃包括SiO2含量85%或1580的无机非金属材料，用作高温窑炉等热工设的无机非金属材料，用作高温窑炉等热工设备的结构材料，也可用作工业高温容器和部件的材料备的结构材料，也可用作工业高温容器和部件的材料大部分耐火材

34、料的原料为天然矿石大部分耐火材料的原料为天然矿石 如耐火粘土、硅石、菱镁矿、白云母等如耐火粘土、硅石、菱镁矿、白云母等 材料的分类材料的分类无机非金属材料无机非金属材料耐火材料耐火材料按按矿物组成矿物组成氧化硅质、硅酸铝质、镁质、白云石质、氧化硅质、硅酸铝质、镁质、白云石质、橄榄石质、尖晶石质、橄榄石质、尖晶石质、含碳质、含碳质、含锆质耐火材料含锆质耐火材料按按制造方法制造方法天然矿石和人造制品天然矿石和人造制品按按形状形状块状制品和不定形制品块状制品和不定形制品按按热处理方式热处理方式不烧制品、烧成制品和熔铸制品不烧制品、烧成制品和熔铸制品分类分类高分子材料是由一种或几种简单低分子化高分子材

35、料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，合物经聚合而组成的分子量很大的化合物，或高分子是由碳、氢、氧、氮、硅、硫等或高分子是由碳、氢、氧、氮、硅、硫等元素组成的分子量足够高的化合物元素组成的分子量足够高的化合物高聚物的种类繁多，性能各异，其分类的高聚物的种类繁多，性能各异，其分类的方法多种多样方法多种多样材料的分类材料的分类高分子材料高分子材料按来源 天然高分子材料 合成高分子材料按性能和用途 橡胶、纤维、塑料、胶粘剂 材料的分类材料的分类高分子材料高分子材料常用常用高分子材料高分子材料的分子量在几百到几百万之间的分子量在几百到几百万之间塑料、合成纤维、合成橡胶塑料、

36、合成纤维、合成橡胶被称为现代高分子三大合成材料被称为现代高分子三大合成材料功能高分子材料主要包括物理功能高分子材料、化学功能高功能高分子材料主要包括物理功能高分子材料、化学功能高分了材料分了材料如导电高分子、高分子半导体、光导电高分子、压电高分子、磁性高分子、光功能高分子、液晶高分子、信息高分子材料、反应性高分子、离子交换树脂、高分子分离膜、螯合高分子、高分子催化剂、高分子试剂及人工脏器、生物功能和医用高分子材料、高分子药物等材料的分类材料的分类高分子材料高分子材料橡胶橡胶室温弹性高，在很小的外力作用下能产生很大的形室温弹性高，在很小的外力作用下能产生很大的形变变(可达可达1000%)，外力去

37、除后，能迅速恢复原状。其弹性，外力去除后，能迅速恢复原状。其弹性模量小，约模量小，约105106Pa 常用的橡胶有天然橡胶常用的橡胶有天然橡胶(聚异戊二烯橡胶聚异戊二烯橡胶)、丁苯橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶顺丁橡胶(聚丁二烯聚丁二烯)、乙丙橡胶和硅橡胶等、乙丙橡胶和硅橡胶等纤维纤维弹性模量较大，约弹性模量较大，约1091010Pa，受力时形变，受力时形变 70%重要金属的世界储量重要金属的世界储量储量储量(106t)可用年数可用年数再生率再生率(%)Fe110610931.7Al11703516.9Cu3082440.9Zn1231821.2Mo5.436Ag0.21441.0Cr775112T

38、i14751材料选用原则材料选用原则 材料的选择材料的选择环境污染小材材 料料矿物燃料能耗排碳量MJ/KgMJ/m3Kg/tKg/m3木木 材材 1.52.8 750139030561528混凝土混凝土 2.0480050120钢钢 材材 35266,0007005320一次铝一次铝 4351,100,000870022,000再生铝再生铝 1333,000木材混凝土钢塑料塑料铝、镁及钛合金铝、镁及钛合金E/b241451005004751002 7101029一定性能水平下的材料能耗一定性能水平下的材料能耗E生产每kg材料的能耗;材料密度;b抗拉强度生产各种材料消耗的能量及碳的排放量生产各种

39、材料消耗的能量及碳的排放量环境与资源原则环境与资源原则 材料选用原则材料选用原则 材料的选择材料的选择 性质性质 指材料对电、磁、光、热、机械载荷的反应，是指材料对电、磁、光、热、机械载荷的反应，是材料功能特性和效用（如电、磁、光、热、力学材料功能特性和效用（如电、磁、光、热、力学等性质）的定量度量和描述，或对外界刺激（如等性质）的定量度量和描述，或对外界刺激（如电场、磁场、温度场、力场等）的整体响应电场、磁场、温度场、力场等）的整体响应 效能效能 是材料固有性质与产品设计、工程能力和人类需是材料固有性质与产品设计、工程能力和人类需求相融合在一起的一个要素，必须以使用性能为求相融合在一起的一个

40、要素，必须以使用性能为基础进行设计才能得到最佳的方案基础进行设计才能得到最佳的方案材料的要素材料的要素 结构结构/成分成分 材料含有从原子和电子尺度到宏观尺度的结构体材料含有从原子和电子尺度到宏观尺度的结构体系在这些结构尺度上，化学成分和分布是立体变系在这些结构尺度上，化学成分和分布是立体变化的，这是所采用的合成和加工的结果化的，这是所采用的合成和加工的结果 合成合成/制备制备 建立原子、分子和分子聚集体的新排列，在从原建立原子、分子和分子聚集体的新排列，在从原子尺度到宏观尺度的所有尺度上对结构进行控制，子尺度到宏观尺度的所有尺度上对结构进行控制，以高效而有竞争力地制造材料和零件以高效而有竞争

41、力地制造材料和零件 合成与制备过程内容很丰富，包括传统的冶炼、铸锭、制粉、压力加合成与制备过程内容很丰富，包括传统的冶炼、铸锭、制粉、压力加工、焊接等，也包括新发展的真空溅射、气相沉积等工艺；从微观水工、焊接等，也包括新发展的真空溅射、气相沉积等工艺；从微观水平到宏观水平，从制取高纯单一元素到多种材料复合，各种化学的、平到宏观水平，从制取高纯单一元素到多种材料复合，各种化学的、物理的、机械加工的方法均应综合应用，这对实现新材科的生产应用物理的、机械加工的方法均应综合应用，这对实现新材科的生产应用往往起决定性的影响往往起决定性的影响材料的要素材料的要素 材料科学的提出20世纪60年代初 “材料材

42、料”早以存在早以存在 1957年苏联卫星上天，美国震动很大，在大学相继建立十余个材料科学年苏联卫星上天，美国震动很大，在大学相继建立十余个材料科学研究中心。自此，研究中心。自此，“材料科学材料科学”一词广泛应用一词广泛应用 材料科学的形成是科学技术发展的结果材料科学材料科学是当代科学技术发展的基础、工业生产的支柱，是是当代科学技术发展的基础、工业生产的支柱，是当今世界的带头学科之一当今世界的带头学科之一材料科学的形成材料科学的形成 材料学的三个重要特性材料学的三个重要特性 多学科交叉多学科交叉 密切结合实际应用密切结合实际应用 发展中的学科发展中的学科材料科学是一门以材料科学是一门以固体材料固

43、体材料为研究对象，运用各种精密仪器为研究对象，运用各种精密仪器和技术，探讨材料的组成、结构、制备工艺、使用过程与其和技术，探讨材料的组成、结构、制备工艺、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研究材料共性的一门学科材料科学的内涵材料科学的内涵定定 义义材料科学材料科学 包括下面的三个环节，核心是包括下面的三个环节，核心是结构结构和和性能性能。材料科学以物理、化学、物理化学等学科为基础，涉及材料晶体结构、材料科学以物理、化学、物理化学等学科为基础，涉及材料晶体结构、材料热力学、材料动力学、材料性能

44、等系统的材料科学知识材料热力学、材料动力学、材料性能等系统的材料科学知识 揭示材料结构和性能，解释结构揭示材料结构和性能，解释结构-性能关系性能关系目目 的的 利用现有的、已知的物质利用现有的、已知的物质 发现自然界未知的物质发现自然界未知的物质 创造自然界没有的新物质创造自然界没有的新物质 寻求廉价的生产方法和工艺，最终实现工业生产寻求廉价的生产方法和工艺，最终实现工业生产筛选出能够用作筛选出能够用作材料的化学物质材料的化学物质材料科学的内涵材料科学的内涵材料的结构与性能材料的结构与性能材料结构包括材料结构包括晶体结构、非晶体结构晶体结构、非晶体结构，以及显微镜下的，以及显微镜下的微观微观结

45、构结构内部结构包括四个层次：内部结构包括四个层次：原子结构；结合键；原子的原子结构；结合键；原子的排列方式；显微组织排列方式；显微组织材料性能包括材料性能包括物理性能、化学性能、力学性能物理性能、化学性能、力学性能材料科学的内涵材料科学的内涵材料的结构层次由宏观向介观尺寸发展材料的结构层次由宏观向介观尺寸发展人们对于固态物质的性质认识，首先是从宏观现象开始，观测到物质的熔点、硬度、强度、电导、磁性、化学反应活性等；随后又深入到原子、分子的层次，用原子结构、晶体结构和化学键理论来阐明物性和结构之间的关系近年来，纳米科技发展显示，材料的性质并不是直接决定于原子和分子，在物质的宏观固体和微观原子分子

46、之间还存在着一些介观的层次，这些层次对材料的物性起着决定性的作用材料科学的内涵材料科学的内涵材料工程材料工程是工程的一个领域，其目的在于经济而又为社会所是工程的一个领域，其目的在于经济而又为社会所能接受地控制材料的结构、性能和形状能接受地控制材料的结构、性能和形状材料工程材料工程 包括下面的五个环节包括下面的五个环节材料科学的内涵材料科学的内涵材料科学材料科学和和材料工程之间材料工程之间的区别主要在于着眼点不同，或者说各的区别主要在于着眼点不同，或者说各自强调的重点不同，两者间并无明确的界限自强调的重点不同，两者间并无明确的界限材料科学的基础理论，为材料工程指明方向，为更好地选用材料、材料科学

47、的基础理论，为材料工程指明方向，为更好地选用材料、发挥现有材料潜力、发展新材料提供理论基础发挥现有材料潜力、发展新材料提供理论基础常采用复合名词常采用复合名词材料科学与工程材料科学与工程(MSE，Material Science and Engineering)材料制备工艺与技术的开发 材料的应用研究与开发 开发先进材料，发展高技术产业 科学仪器与检测装置材料科学与技术发展的重点微电子材料和器件微电子材料和器件DNA生物芯片生物芯片其包含密度比硅芯片高其包含密度比硅芯片高100万倍万倍超导材料超导材料室温超导是室温超导是21世纪的重大研究课题世纪的重大研究课题新型纳米陶瓷新型纳米陶瓷解决脆性、耐高温、提高热效率，引发交通和电力业重大变革解决脆性、耐高温、提高热效率，引发交通和电力业重大变革光纤通讯材料光纤通讯材料ZrF4、LaF4和和BaF2三元混和体的氟玻璃，性能优于三元混和体的氟玻璃，性能优于SiO2材料材料聚合物结构材料聚合物结构材料高强度结构材料，如聚高强度结构材料，如聚(对苯二甲酰对苯二胺对苯二甲酰对苯二胺)的强度的强度/质量比是钢铁的质量比是钢铁的6倍倍医用材料医用材料模拟和合成与人体相容性的医用材料模拟和合成与人体相容性的医用材料21世纪新材料展望世纪新材料展望材料科学技术发展的重点