1、材料科学基础材料科学基础孙丰强孙丰强华南师范大学化学与环境学院材料科学与工程研究所绪论绪论2导论一、什么是材料？一、什么是材料？二、材料科学的研究对象及内容？二、材料科学的研究对象及内容？三、材料性能及决定因素？三、材料性能及决定因素？ 五、材料领域几个常见的概念五、材料领域几个常见的概念四、材料科学的定义四、材料科学的定义3一、什么是材料一、什么是材料 (materials)？ 材料（材料（materials)是指经过某种加工（包括开采和运输），是指经过某种加工（包括开采和运输），具有一定的组分、结构和性能，适合于一定用途的具有一定的组分、结构和性能，适合于一定用途的物质物质，它，它是人类生
2、活和生产活动的重要物质基础。是人类生活和生产活动的重要物质基础。 反映宏观性能。反映宏观性能。1. 基本概念基本概念 物质物质 （matter)：是指任何具有时间、质量并占据空间是指任何具有时间、质量并占据空间的一种东西。反映基本性质。的一种东西。反映基本性质。42. 材料分类材料分类 分类方法：分类方法：材料内部的主要化学键、材料的内部原子排列、物理效应和功材料内部的主要化学键、材料的内部原子排列、物理效应和功能用途能用途. 当今的材料品种已超过数千万种且每年以增加当今的材料品种已超过数千万种且每年以增加2020多万种新材多万种新材料的速度增长料的速度增长 材料虽然种类繁多，但总体上仍可以分
3、成五大类：材料虽然种类繁多，但总体上仍可以分成五大类：金属、陶金属、陶瓷、聚合物、瓷、聚合物、复合材料和半导体材料复合材料和半导体材料。前三类属于基础材料，。前三类属于基础材料，后二类是面向加工和工程应用的、在现代生活中必不可少的后二类是面向加工和工程应用的、在现代生活中必不可少的基础材料。基础材料。5（1）以材料内部的主要化学键分类）以材料内部的主要化学键分类1) 金属材料金属材料 金属材料是由金属元素或以金属元素为主、通过冶炼方法金属材料是由金属元素或以金属元素为主、通过冶炼方法制成的一类晶体材料。原子间键合是金属键。制成的一类晶体材料。原子间键合是金属键。特点：强度特点：强度高、延展性好
4、、导电导热，但不透明、易腐蚀。高、延展性好、导电导热，但不透明、易腐蚀。目前，目前， 金金属材料占属材料占整个结构材料的整个结构材料的8080以上。以上。 常见金属材料：常见金属材料： 黑色金属：黑色金属：以以FeFe元素为基的钢铁材料，如碳钢、不锈钢、元素为基的钢铁材料，如碳钢、不锈钢、铸钢等。铸钢等。 有色金属：有色金属：除除FeFe元素以外的一些金属材料，但主要指元素以外的一些金属材料，但主要指AlAl、CuCu、NiNi、MgMg、Ti Ti 、ZnZn等等6 6种金属，也包括其他一类金属，种金属，也包括其他一类金属，如轻金属如轻金属(Li)(Li)、重金属、重金属(W)(W)、贵金属
5、、贵金属(Au)(Au)、稀有金属、稀有金属(Y)(Y)等等(metallic materials）6液态或固态液态或固态氢氢在上百万在上百万大气压大气压的高的高压下变成的导电体。由于导电是金压下变成的导电体。由于导电是金属的特性，故称金属氢。属的特性，故称金属氢。 金属氢是金属氢是一种高密度、高储能材料，之前的一种高密度、高储能材料，之前的预测中表明，金属氢是一种室温超预测中表明，金属氢是一种室温超导体。金属氢内储藏着巨大的能量，导体。金属氢内储藏着巨大的能量，比普通比普通TNT炸药大炸药大3040倍。倍。2017年年1月月26日日, 杂志报杂志报道哈佛大学实验室成功制造出金道哈佛大学实验室
6、成功制造出金属氢属氢72）陶瓷材料）陶瓷材料 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、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。采用烧结或合成工艺制备的一类无机非金属材料。普通陶普通陶瓷的原子间键合是离子键。瓷的原子间键合是离子键。特点：硬度高、耐高温、绝缘、特点：硬度高、耐高温、绝缘、隔热，但脆性、难加工。隔热，但脆性、难加工。 主要陶瓷材料：主要陶瓷材料： 普通陶瓷普通陶瓷: :天然硅酸盐矿物原料天然硅酸盐矿物原料( (粘土、石英（粘土、石英（SiOSiO2 2）) )通过通过烧结而成的普通陶瓷。例如，玻璃、耐火砖、陶器、瓷
7、器烧结而成的普通陶瓷。例如，玻璃、耐火砖、陶器、瓷器等。等。 先进陶瓷先进陶瓷: :采用高纯度原料，用化学合成方法制备的先进陶采用高纯度原料，用化学合成方法制备的先进陶瓷。瓷。 例如，例如， AlAl2 2O O3 3 、SiCSiC、SiSi3 3N N4 4 、TiBTiB2 2、MoSiMoSi2 2 等。等。83) 聚合物聚合物 聚合物是以聚合物是以C C、H H元素为主的元素为主的、主链由许多结构单元以共价键主链由许多结构单元以共价键方式重复连接而成的高分子材料。方式重复连接而成的高分子材料。特点：质轻、绝缘、易成特点：质轻、绝缘、易成型，但强度低、耐热性差。型，但强度低、耐热性差。
8、 主要聚合物材料：主要聚合物材料： 塑料：塑料： a. a. 热固性树脂（热固性树脂（themosetting resinthemosetting resin） 环氧树脂环氧树脂(EP)、不饱、不饱和聚酯和聚酯(UP)、酚醛、酚醛(PF)等等 ； b. b. 热塑性塑料热塑性塑料(thermoplastic) (thermoplastic) 通用塑料通用塑料(PE, PP, PVC, PS)、工程塑料工程塑料(PET, PC, etc)(PET, PC, etc)和特种塑料和特种塑料(PEEK，PES，etc) 。 橡胶：橡胶： 天然橡胶天然橡胶(NR) (NR) 丁苯橡胶丁苯橡胶(SBR)
9、丁腈橡胶丁腈橡胶(ABR )等；等； 聚合物还包括涂料聚合物还包括涂料(coating)(coating)、粘接剂、粘接剂(adhesive)(adhesive)等。等。94）复合材料）复合材料 复合材料是由二种或二种以上不同的材料组成的复合材料是由二种或二种以上不同的材料组成的、通过通过特殊加工工艺制成的一类面向应用的新材料。原子间键特殊加工工艺制成的一类面向应用的新材料。原子间键合方式是混合键。合方式是混合键。特点特点: : 比强度比模量高性能可设计但比强度比模量高性能可设计但界面较弱界面较弱105）半导体材料）半导体材料 半导体材料是以半导体材料是以SiSi、GeGe等元素用共价键方式结
10、合的、电性等元素用共价键方式结合的、电性能可调的一类单晶体材料。也包括化合物半导体材料、有能可调的一类单晶体材料。也包括化合物半导体材料、有机电子材料等多晶体或非晶体材料。机电子材料等多晶体或非晶体材料。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、加工等因素的影响。加工精度高，但性能易受成分、尺寸、加工等因素的影响。 元素半导体材料元素半导体材料(Si(Si和和Ge (IVAGe (IVA族元素族元素) )） 化合物半导体材料化合物半导体材料( (GaAs , InP(III-V(III-V族化合物族化合物)
11、 )和和CdTe(II-VI(II-VI族化合物族化合物) ) 如今半导体材料还包括些非如今半导体材料还包括些非2晶的有机半导体材料，晶的有机半导体材料，如聚噻吩如聚噻吩(P3TH),(P3TH),聚苯胺聚苯胺(PANI),(PANI),聚对苯撑乙烯聚对苯撑乙烯(PPV)(PPV)等。等。1211（2）以材料内部的原子排列方式分类）以材料内部的原子排列方式分类(1) (1) 晶态材料晶态材料: : 单晶材料单晶材料(Si)(Si)、多晶材料、多晶材料(Fe-C)(Fe-C)(2(2) ) 非晶态材料非晶态材料: : 普通玻璃、金属玻璃、无规型高分子普通玻璃、金属玻璃、无规型高分子材料。材料。(
12、3) (3) 准晶态材料准晶态材料：液晶高分子：液晶高分子( (酸酯类、联苯类、环基类酸酯类、联苯类、环基类和碳酸酯类和碳酸酯类) )（3）以物理效应分类）以物理效应分类压电材料、热释电材材、声光材料、电光材料、导电材压电材料、热释电材材、声光材料、电光材料、导电材料结构材料料结构材料（4）按用途分类）按用途分类信息材料、能源材料、建筑材料、耐磨材料、核能材信息材料、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。料、生物材料、医用材料等。12人类使用材料的人类使用材料的七个时代七个时代石器时代（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）水泥时代（
13、公元0年）钢时代（1800年）硅时代（1950年）新材料时代（1990年）3. 材料的发展历史材料的发展历史13燧石，这种容易制成工具的石头，开始了制陶业的发展。（300，000BC） 天然金与铜被用作工具与武器，开始了人类金属的使用。（5500BC） 熔炼和锤击改变了铜的性能-材料开始发展（5000BC） 金属铸造工艺-人们得到了他们需要的形状。（4000BC） 从矿石中提炼铜-冶金业的黎明 （3500BC）青铜的使用-制造合金（3000BC） 14铁的发现（1450BC） 炼铁的需要促使了鼓风机与熔炉的发明（1500AD） Henry Bessemer拥有钢铁冶炼的专利-当代钢铁冶炼的出现
14、。（1855AD） 电化学方法冶炼铝-使铝成为一种常用金属(1886AD) 尼龙的商业发展，高分子材料发展的关键时期）（1939） 高温合金的发展，掺镍合金促进了喷气发动机的发展。（1950s) 15制作越来越小的硅芯片(1960s) 高温超导体，高温超导的革命时代（1980s） 新材料时代16现代生活中的材料现代生活中的材料17 机身通常有许多种材料制成。历史上机身几乎无一例外的由铝制成，用钢加固关键部位，如发动机衬里和起落架。自从喷气发动机使用以来，钛用于抵御机身的高温。钛之后是更高级的复合材料，通常是碳、硼纤维及环氧化合物。这种复合材料非常轻，可以在某特定方向上增加强度（用于特殊目的）。
15、今天的飞机就是使用这种化合物而且还在随着新材料的诞生而不断发展。当为飞机部件选择材料时，设计师要时时考虑“权衡”，也就是要选择重量最轻而强度也要满足一定要求，此外还要考虑预算的问题。18磁悬浮列车磁悬浮列车超导电性磁力线不能穿过超导体19材料在现代社会中的地位材料在现代社会中的地位 2020世纪世纪7070年代把年代把材料、信息和能源材料、信息和能源列为现代社会文明列为现代社会文明的三大支柱；的三大支柱； 2020世纪世纪8080年代以高新技术为代表的新技术革命，再次年代以高新技术为代表的新技术革命，再次把把新材料、信息技术和生物技术新材料、信息技术和生物技术列为重要标志；列为重要标志； 21
16、21世纪美国把世纪美国把与材料密切相关的四大技术与材料密切相关的四大技术：纳米技术、：纳米技术、生物技术、信息技术和认知技术列为发展的重中之重。生物技术、信息技术和认知技术列为发展的重中之重。20二、材料研究对象及内容二、材料研究对象及内容金属材料陶瓷材料高分子材料复合材料主要是工程材料主要是工程材料研究对象研究对象 作为一个工程师可以学习如何选择和应用材料的一般原理，即材料的内部结构及对性能的影响。只有掌握材料科学的基础理论和知识，才能对任一种材料进行研究和应用 。 21研究内容研究内容从目的看从目的看,要 解 决 材要 解 决 材料的性能料的性能 使用性能：机械性能、物理、化学性能；工艺性
17、能：铸、锻、焊、热处理、切削等性能 实质，是研究材料的成分组织、结构性能之间的关系！实质，是研究材料的成分组织、结构性能之间的关系！ 22举例举例1金刚石（钻石）和石墨，都是由碳原子组成，但前者是自然界中最坚硬的固体，而后者却很软 （因晶体结构不同） 石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料，是碳的二维结构，是一种“超级材料”，硬度超过钻石，同时又像橡胶一样可以伸展。它的导电和导热性能超过任何铜线，重量几乎为零。这种石墨晶体薄膜的厚度只有0.335纳米，把20万片薄膜叠加到一起，也只有一根头发丝那么厚。23举例举例2同样长的一段铁丝和钢丝，经弯曲后发现铁丝易弯曲，而钢丝不易弯曲，即塑性
18、不同.（因两者成分不同因两者成分不同）。24举例举例3两根锯条，同时加热（800），然后一根水冷，一根空冷，用手折时，发现前者很脆，后者很韧 （因组织不同）25举例举例4若断开一根铁丝，可反复弯曲，在应变处发热变硬（脆）断.（因塑性变形塑性变形）。26材料科学基础材料科学基础的主要任务的主要任务，是从材料内部结构探讨其性质与行为，阐明材料结构与性能之间的内在联系及规律，为认识和改进材料的性能提供必备的基础知识。27三、三、 材料的性能材料的性能 材料的性能是指材料的性质和功能。性质是本身所具有的特质或材料的性能是指材料的性质和功能。性质是本身所具有的特质或本性；功能是人们对材料的某种期待与要求
19、中可以承担功效，以及承本性；功能是人们对材料的某种期待与要求中可以承担功效，以及承担该功效下的表现或能力。担该功效下的表现或能力。1.1. 力学性能力学性能2. 物理性能物理性能3. 化学性能化学性能4. 工艺性能工艺性能材料的性能：材料的性能：由其内部结由其内部结构决定，构决定，原子结构结合键原子的排列方式显微组织（四层次）材料性能由四个层次决定！材料性能由四个层次决定！281、力学性能、力学性能 材料的力学性能是指材料处于特定环境因素材料的力学性能是指材料处于特定环境因素(温度、介质温度、介质等等)时，在外力或能量作用下表现出来的变形和破坏的特征。时，在外力或能量作用下表现出来的变形和破坏
20、的特征。材料的性能材料的性能 通常把作用在材料上的外力或能量称为载荷或负荷。材料通常把作用在材料上的外力或能量称为载荷或负荷。材料的主要力学性能有的主要力学性能有： 弹性弹性 强度强度 塑性塑性 硬度硬度 冲击韧性冲击韧性 疲劳特性疲劳特性 耐磨性耐磨性292、物理性能、物理性能 材料的物理性能是指材料本身具有的各种物理量材料的物理性能是指材料本身具有的各种物理量(热、电、热、电、光、磁等光、磁等)以及环境变化时他们的变化程度。以及环境变化时他们的变化程度。材料的性能材料的性能1 1）密度与比容）密度与比容2 2）导热性）导热性 3 3）热膨胀系数）热膨胀系数单位体积物质的质量 kg/m3单位
21、质量的物质所占的体积 m3/Kg物体内温度梯度为1/m时，在单位时间、单位面积内传递的热量 W/(mK) 温度上升1时，单位长度的伸长量 mm/(mm)或-1 30材料的性能材料的性能5 5）电阻与电导）电阻与电导6 6）电阻温度系数）电阻温度系数4 4）熔点）熔点 7 7）导磁率）导磁率物质由固态转变为液态的温度，反映固态下原子间结合力。电阻率为单位长度和单位截面积导体的电阻。单位是m，其倒数称为电导率 S/m西门子/米温度上升1时，电阻率 的变化系数，单位-1 电子导电的特点是温度升高，电阻率上升；离子导电是热激活过程，温度升高，电阻率下降。 超导现象是材料在很低温度下，电阻突然从某个值降
22、为零的特征。每种材料有自己的转变温度，某些化合物的转变温度达到100K以上。铁合金、化合物(铁氧体)特有性能。是衡量物质的导磁性能的一个系数，以字母表示，单位是亨/米313、 化学性能化学性能 反映材料与各种化学试剂发生化学反应的可能性和反应速度大反映材料与各种化学试剂发生化学反应的可能性和反应速度大小的相关参数。小的相关参数。材料的性能材料的性能 工程材料主要考虑其耐腐蚀性，电化学材料有的考察电极电工程材料主要考虑其耐腐蚀性，电化学材料有的考察电极电位、储能密度等。位、储能密度等。 材料由于周围环境介质侵蚀而造成的损伤和破坏均称为腐蚀。材料由于周围环境介质侵蚀而造成的损伤和破坏均称为腐蚀。
23、发生腐蚀的化学过程有化学腐蚀发生腐蚀的化学过程有化学腐蚀( (氧化氧化) )、电化学腐蚀和应力腐、电化学腐蚀和应力腐蚀等不同形式。腐蚀速度与材料、介质、温度、应力、辐照蚀等不同形式。腐蚀速度与材料、介质、温度、应力、辐照因因素有关。腐蚀不仅影响零件表明质量，并且可以造成零件早期损坏，素有关。腐蚀不仅影响零件表明质量，并且可以造成零件早期损坏，防腐设计应考虑材料的选择和防腐措施相结合。防腐设计应考虑材料的选择和防腐措施相结合。324、工艺性能、工艺性能 材料的工艺性能是材料力学、物理、化学性能的综合表现。材料的工艺性能是材料力学、物理、化学性能的综合表现。主要反映材料生产或零部件加工过程的可能性
24、或难易程度。主要反映材料生产或零部件加工过程的可能性或难易程度。材料的性能材料的性能1） 材料可生产性材料可生产性：得到材料的可能性和制备方法。：得到材料的可能性和制备方法。2） 铸造性铸造性：将材料加热得到熔体，注入较复杂的型腔后冷却凝：将材料加热得到熔体，注入较复杂的型腔后冷却凝固，获得零件的方法。固，获得零件的方法。流动性：充满型腔能力流动性：充满型腔能力收缩率：缩孔数量的多少和分布特征收缩率：缩孔数量的多少和分布特征偏析倾向：材料成分的均匀性偏析倾向：材料成分的均匀性33材料的性能材料的性能3） 锻造性锻造性：材料进行压力加工：材料进行压力加工(锻造、压延、轧制、拉拔、挤锻造、压延、轧
25、制、拉拔、挤压等压等)的可能性或难易程度的度量。的可能性或难易程度的度量。4） 焊接性焊接性：利用部分熔体，将两块材料连接在一起。：利用部分熔体，将两块材料连接在一起。塑性变形能力：材料不破坏的前提下的最大变形量。塑性变形能力：材料不破坏的前提下的最大变形量。塑性变形抗力：发生塑性变形所需要的最小外力。塑性变形抗力：发生塑性变形所需要的最小外力。连接能力：焊接头部位强度与母材的差别程度。连接能力：焊接头部位强度与母材的差别程度。焊接缺陷：焊接处出现气孔、裂纹可能性的大小或母材变形程度。焊接缺陷：焊接处出现气孔、裂纹可能性的大小或母材变形程度。34材料的性能材料的性能5） 切削加工性切削加工性：
26、材料进行切削加工的难易程度。它与材料的：材料进行切削加工的难易程度。它与材料的种类、成分、硬度、韧性、导热性等有关。种类、成分、硬度、韧性、导热性等有关。6） 热处理性能热处理性能：可以实施的热处理方法和材料在热处理时性能：可以实施的热处理方法和材料在热处理时性能改变的程度。改变的程度。切削抗力切削抗力加工表面质量加工表面质量排屑难易程度排屑难易程度切削刀具的使用寿命切削刀具的使用寿命 随着科技进步的发展，对材料工艺性能的评价标准也在不断发展和随着科技进步的发展，对材料工艺性能的评价标准也在不断发展和变化。变化。35研究的意义：研究的意义：1. 性能决定了材料的用途。性能决定了材料的用途。2.
27、 性能决定了材料和零部件生产方法。性能决定了材料和零部件生产方法。3. 性能的变化规律为改变材料性能达到人们需求提供途径。性能的变化规律为改变材料性能达到人们需求提供途径。36四、四、 材料科学定义材料科学定义 材料科学是研究材料科学是研究材料的成分、加工工艺与组织、性能之材料的成分、加工工艺与组织、性能之间的关系及其相关规律的科学。间的关系及其相关规律的科学。（四个层次）（物理、化学、力学）+产品设计、工程应用能力（寿命、速度、能量利用率、安全、成本）37了解和学会现有材料的使用方法了解和学会现有材料的使用方法研究开辟现有材料的新工艺、新用途研究开辟现有材料的新工艺、新用途研究和创建新材料研
28、究和创建新材料材料科学研究的目的材料科学研究的目的38补充：补充：与材料科学相关的几个概念与材料科学相关的几个概念1、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能为社会所能接受地控制材料的结构、性能和形状；是解决“怎么做”的问题的学问，要全面考虑材料的5个判据：经济为社会所能接受环保资源能源质量结构性能形状内在质量（外在质量）392、材料科学与工程的区别和联系、材料科学与工程的区别和联系材料科学的核心问题是结构与性能的关系；材料工程要全面考虑材料的5个判据：科学研究“为什么”的学问；工程是解决“怎样做”的问题的学问一般地说，具体说，客观地说，紧密联系、互相促进材料科学的基础理论，
29、为材料工程知名方向，为更好地选择、使用、发挥现有材料的潜力、发展新材料提供理论基础；材料工程为材料科学提出了丰富的研究课题40 材料科学与材料工程二者的区别主要在于着眼点的不同，各自强调的中心不同，之间并没有一条明确的分界线 材料科学与工程（MSE）往往就作为课程和专业的名称413、材料化学、材料化学 材料化学是研究材料的制备、组成、结合、性质及其应用的科学是材料学的重要分支，而材料制备技术与合成方法是材料化学研究的核心内容。 既是材料科学的一个重要分支，又是化学学科的一个组成部分，具有明显的交叉学科、边缘学科的性质，并且是材料科学的核心部分。424、材料物理、材料物理 凝聚态物理学与材料科学
30、的一个交叉学科，属于理科的技术科学类。 它以物理学的基础理论和现代科学技术为背景，主要研究范围包括材料的制备、结构特征、 物性测定、性能分析及开发应用等方面。 43传统材料：生产工艺已经成熟，并已投入工业生产的材料；新型材料：是指新发展和正在发展的材料，具有特殊功能的材料，如高温超导材料、功能高分子材料、工程陶瓷、纳米材料等；新型材料从设计到生产，需要专门的设备和技术，它自身新型材料从设计到生产，需要专门的设备和技术，它自身形成了一个独特的领域，称为新材料技术！形成了一个独特的领域，称为新材料技术！5、传统材料与新材料、传统材料与新材料44五、课程的特点和学习方法五、课程的特点和学习方法 这是一门理论性和实践性都很强的课程这是一门理论性和实践性都很强的课程,与基础课相比与基础课相比,有很有很大不同：大不同：书中概念多，术语多；公式、定律少，定性的描述多；内容多，需要记忆和理解的知识多。考核方式：考核方式：平时（平时（30%）+考试（考试（70%）=总成绩总成绩 学习时注意理解基本概念，掌握基本知识，并通过例题和学习时注意理解基本概念，掌握基本知识，并通过例题和习题，举一反三，加深理解。习题，举一反三，加深理解。作业缺交一次，当次没成绩；旷课作业缺交一次，当次没成绩；旷课2次及以上总成绩次及以上总成绩-5分；分；旷课旷课4次及以上取消考试资格！次及以上取消考试资格！
