1、材料概论第PPT课件2022-11-302目的、内容：目的、内容：DJTU Materials Science&DJTU Materials Science&EngineeringEngineering2022-11-303课程背景（课改）1 1）参照国外材料学科教学经验，专业课前移；）参照国外材料学科教学经验，专业课前移；2 2）部分采用国外课件，了解国外教学内容、方法；）部分采用国外课件，了解国外教学内容、方法；3 3）部分课件采用英文表述方法，便于将来学术交流；）部分课件采用英文表述方法，便于将来学术交流；4 4）根据情况，对部分教材内容进行适当调整；）根据情况，对部分教材内容进行适当调
2、整；5 5）预先建立完整材料学概念，提高后续基础与专业课主动性、目的性。）预先建立完整材料学概念，提高后续基础与专业课主动性、目的性。2022-11-304Required textbook:Required textbook:材料概论，徐晓虹主编，高等教育出版社，普通高等教育材料概论，徐晓虹主编，高等教育出版社，普通高等教育“十五十五”国国家级规划教材，家级规划教材，20062006。References:References:1 1）Materials Science and Engineering:An Introduction Materials Science and Enginee
3、ring:An Introduction W.D.Callister,Jr.,7th edition,John Wiley and Sons,W.D.Callister,Jr.,7th edition,John Wiley and Sons,Inc.(2007).Inc.(2007).2 2）Essentials of Mterials Science and EngineeringEssentials of Mterials Science and Engineering，(材料科学与工材料科学与工程基础），程基础），4th edition,Donald R.Ashkeland,Pradee
4、p P.Phule,4th edition,Donald R.Ashkeland,Pradeep P.Phule,清华大学出版社，清华大学出版社，20052005。COURSE MATERIALSCOURSE MATERIALS2022-11-3051 1平时成绩平时成绩 20%20%，笔记、听课纪律；，笔记、听课纪律；2 2考核成绩考核成绩80%80%（课程结束时）；（课程结束时）；3 3考勤，不定期点名。考勤，不定期点名。DJTU Materials Science&DJTU Materials Science&EngineeringEngineering Contact E-mails:
5、Si Wei: Gao Hong: 2022-11-306DJTU Materials Science&DJTU Materials Science&EngineeringEngineering1 1 材料科学与工程概况材料科学与工程概况2022-11-3072022-11-308DJTU Materials Science&DJTU Materials Science&EngineeringEngineering芳纶纤维芳纶纤维2022-11-309DJTU Materials Science&DJTU Materials Science&EngineeringEngineering2022
6、-11-3010FirestoneFirestone 燧石燧石 2,500,000-5,000 BCFirst melting frescoFirst melting fresco壁画壁画In Egypt 3,500 BC Bronze AgeBronze Age 2,000 BC First Casting of CuFirst Casting of Cu4,000 BC Natural Au&.CuNatural Au&.Cu5,500 BC Pottery Pottery 陶器陶器 10,000 BCDJTU Materials Science&DJTU Materials Scienc
7、e&EngineeringEngineering2022-11-3011Bessemer,SteelBessemer,Steel 1855 AD Earliest iron-productEarliest iron-product1,000BC-1450 AD Electrochemical,AlElectrochemical,Al 1886 ADNylon,Nylon,1939 AD integrate circuit integrate circuit，19581958 AD High T Superconductor,High T Superconductor,1987 AD DJTU
8、Materials Science&DJTU Materials Science&EngineeringEngineering2022-11-3012Array of micro-lasersArray of micro-lasers5x5 microns5x5 microns显微激光阵列显微激光阵列nanometers Si wires nanometers Si wires emit visible lightemit visible light可发射可见光的纳米硅线可发射可见光的纳米硅线Hip Implant Hip Implant 人工骨人工骨X-33 plane prototypeX
9、-33 plane prototype美国空天飞机原型机美国空天飞机原型机DJTU Materials Science&DJTU Materials Science&EngineeringEngineering2022-11-301319861986年年科学的美国人科学的美国人杂志指出杂志指出“材料科学的进步决定材料科学的进步决定了经济关键部门增长速率的极限范围。了经济关键部门增长速率的极限范围。”19901990年美国总统的科学顾问年美国总统的科学顾问Allany.BromleyAllany.Bromley明确指出明确指出“材料科学在美国是最重要的学科材料科学在美国是最重要的学科”。1991
10、1991年日本为未来工业规划技术列举的年日本为未来工业规划技术列举的1111项主要项目中有项主要项目中有7 7项是基于先进材料基础之上。项是基于先进材料基础之上。材料科学历来是技术进步的支柱和物质基础！材料科学历来是技术进步的支柱和物质基础！DJTU Materials Science&DJTU Materials Science&EngineeringEngineering2022-11-3014Oxygen Oxygen 46.60%46.60%Silicon Silicon 27.7027.70Aluminum Aluminum 8.138.13Iron Iron 5.005.00Cal
11、cium Calcium 3.633.63Magnesium 2.09Magnesium 2.09Titanium Titanium 0.440.44Hydrogen Hydrogen 0.140.14Phosphorus Phosphorus 0.110.11Manganese 0.095Manganese 0.095.Carbon Carbon 0.020.02Total Total 93.00%93.00%ELEMENTS IN EARTHS CRUSTDJTU Materials Science&DJTU Materials Science&EngineeringEngineering
12、2022-11-3015Production of Materials(tons)-Bauxite 101 millionCoal 4,573 millionIron ore 943 millionCement 1121 millionDiamond 44.2 million carats 200毫克 World Production of MaterialsDJTU Materials Science&DJTU Materials Science&EngineeringEngineering2022-11-3016Steel 1,200.0 millionAluminum 18.0 mill
13、ionCopper 8.8 millionZinc 7.0 millionL e a d 3.5 millionNickel 839 thousandMg 350 thousandTin 210 thousandMolybdenum 121 thousandTitanium 95 thousandW 43 thousandUranium 39 thousandSilver 14 thousandGold 1.9 thousandPlatinum 270 tonWORLD PRODUCTION OF METALS(TONS)DJTU Materials Science&DJTU Material
14、s Science&EngineeringEngineering2022-11-3017Intelligent material，Smart material 材料的发展材料的发展DJTU Materials Science&DJTU Materials Science&EngineeringEngineering“自然界为劳动提供材料，劳动把材料变为财富自然界为劳动提供材料，劳动把材料变为财富”马克思马克思超弹性形状记忆合金太空天线超弹性形状记忆合金太空天线2022-11-30181.2 1.2 什么是材料科学与工程（什么是材料科学与工程（MSEMSE）?DJTU Materials Sci
15、ence&DJTU Materials Science&EngineeringEngineeringCompositionStructureStructureProcessingPerformancePerformance2022-11-3019The properties of materials are decided by:the nature of their chemical bonds;their atomic ordering;their microstructures.The use of materials depends on:their availability;thei
16、r cost;the methods of synthesis and production.The use of materials is influenced by:processing techniques;the facility that the materials to be shaped;their environmental acceptability.DJTU Materials Science&DJTU Materials Science&EngineeringEngineering2022-11-3020材料科学材料科学 （科学）：（科学）：主要研究、认识、开发材料组成、
17、加工、结构与主要研究、认识、开发材料组成、加工、结构与性能之间的关系。性能之间的关系。DJTU Materials Science&DJTU Materials Science&EngineeringEngineering 材料工程（技术）：材料工程（技术）：将材料转化成实用、有效的制品或构件，解决材料将材料转化成实用、有效的制品或构件，解决材料应用的经济技术可行性；应用的经济技术可行性；2022-11-3021学科、专业设置学科、专业设置一级学科、材料科学与工程（学院、系）一级学科、材料科学与工程（学院、系）二级学科二级学科1 1）材料物理与化学：由分子、原子、电子层次研究材料）材料物理与化
18、学：由分子、原子、电子层次研究材料 组成、性能，环境行为，表征（微观）组成、性能，环境行为，表征（微观）;2 2）材料学：合成、研制、开发出可应用的新材料（宏观）；）材料学：合成、研制、开发出可应用的新材料（宏观）；金属金属、无机非金属、高分子材料、复合材料无机非金属、高分子材料、复合材料3 3）材料加工：将材料转换成可应用的形状和制品：）材料加工：将材料转换成可应用的形状和制品：铸造、锻压、焊接、粉末冶金、铸造、锻压、焊接、粉末冶金、热处理热处理。材料科学与工程材料科学与工程人类从微观与宏观上对研制、生产、使用材料的总结人类从微观与宏观上对研制、生产、使用材料的总结2022-11-3022加
19、入环境要素：加入环境要素：强调循环利用；强调循环利用；降低环境影响；降低环境影响；实现可持续发展。实现可持续发展。促进了材料与环境促进了材料与环境关系研究。关系研究。五要素间，交互影五要素间，交互影响，相辅相成。响，相辅相成。材料科学与工程的五要素新说材料科学与工程的五要素新说成分、结构成分、结构性价比、应用性价比、应用合成、加工合成、加工性能性能环境生态环境生态DJTU Materials Science&DJTU Materials Science&EngineeringEngineering2022-11-3023DJTU Materials Science&DJTU Materials
20、 Science&EngineeringEngineering1.3 Levels of Material 1.3 Levels of Material StructureStructure1010-19-19 m m 0.1nm0.1nm1010-9-9 m m 0.1-100 0.1-100 nmnm1010-6-6 m m 0.1-100 m0.1-100 m1010-3-3 m m 0.1 mm0.1 mmSub-atomic Sub-atomic StructureStructureCrystal StructureCrystal StructureMacro-StructureMa
21、cro-StructureMicro-StructureMicro-Structure2022-11-3024 Subatomic levelSubatomic levelElectronic structure of individual atoms that defines interaction among atoms(interatomic bonding).Atomic levelAtomic levelArrangement of atoms in materials for the same atoms can have different properties,e.g.two
22、forms of carbon:graphite and diamond.Microscopic structureMicroscopic structureArrangement of small grains of material that can be identified by microscopy.Macroscopic structureMacroscopic structureStructural elements that may be viewed with the naked eye.2022-11-3025DJTU Materials Science&DJTU Mate
23、rials Science&EngineeringEngineeringmillimeter=10millimeter=10-3-3=1mm=1mm 2022-11-3026DJTU Materials Science&DJTU Materials Science&EngineeringEngineering2022-11-3027DJTU Materials Science&DJTU Materials Science&EngineeringEngineering1.4 1.4 性能与结构性能与结构2022-11-3028化学键与化学键与 T Tm m的关系的关系 Bond length,r
24、 Bond energy,Eon Melting Temperature,Tm Energy(r)Tm is larger if Eo is larger.r rEo=“bond energy”Energy(r)rounstretched lengthrrorsmaller Tmlarger TmEnergy(r)DJTU Materials Science&DJTU Materials Science&EngineeringEngineering2022-11-3029Length,LoLunheated,T 1heated,T 2Coeff.thermal expansion210LTTL
25、 rorlarger smaller Energy(r)is larger if Eo is smallern Coefficient of thermal expansion,n summitry at roDJTU Materials Science&DJTU Materials Science&EngineeringEngineering化学键与化学键与 的关系的关系2022-11-3030DJTU Materials Science&DJTU Materials Science&EngineeringEngineering2022-11-3031DJTU Materials Scien
26、ce&DJTU Materials Science&EngineeringEngineering2022-11-30321.5 1.5 材料的定义材料的定义材料：材料：一般是指具一定组分、结构和性能一般是指具一定组分、结构和性能,经某种加工、开采、经某种加工、开采、运输运输,适于一定用途的固态物质。适于一定用途的固态物质。通常燃料、化学原料、化学中间品、食物和药物等气体、通常燃料、化学原料、化学中间品、食物和药物等气体、液体和易燃固体等液体和易燃固体等,都不算是材料。都不算是材料。DJTU Materials Science&DJTU Materials Science&Engineering
27、Engineering2022-11-3033按原子结构及价键，可分为：按原子结构及价键，可分为：（1 1）金属及其合金（金属键）金属及其合金（金属键）（2 2）有机聚合物（共价键及二次键合）有机聚合物（共价键及二次键合）（3 3）陶瓷（离子键或共价键）陶瓷（离子键或共价键）DJTU Materials Science&DJTU Materials Science&EngineeringEngineering1.6 1.6 材料的分类材料的分类2022-11-3034DJTU Materials Science&DJTU Materials Science&EngineeringEnginee
28、ring1 1）总体分类：）总体分类：金属、陶瓷、有机聚合物及其复合材料金属、陶瓷、有机聚合物及其复合材料2022-11-3035 DJTU Materials Science&DJTU Materials Science&EngineeringEngineering2 2）按使用性能分类）按使用性能分类结构材料结构材料力学性能力学性能 主要是利用它的力学性能，用于需承受一定载荷的设备、零主要是利用它的力学性能，用于需承受一定载荷的设备、零部件、建筑结构等。部件、建筑结构等。功能材料功能材料物理性能物理性能 主要利用其特殊物理性能（如电、热、磁、光、声等），用主要利用其特殊物理性能（如电、热、
29、磁、光、声等），用于制造各种电子器件、光敏元件绝缘材料等于制造各种电子器件、光敏元件绝缘材料等 结构功能一体化材料结构功能一体化材料综合性能综合性能 考虑力学性能和物理性能统一，目前研究热点之一，考虑力学性能和物理性能统一，目前研究热点之一，复合结构复合结构/隐身材料、轻质复合防弹材料、高阻尼泡沫金属材料等。隐身材料、轻质复合防弹材料、高阻尼泡沫金属材料等。2022-11-3036DJTU Materials Science&DJTU Materials Science&EngineeringEngineering材料功材料功能分类能分类敏感敏感材料材料光学光学材料材料磁性磁性材料材料能源环能
30、源环境材料境材料电子电子材料材料生物生物材料材料结构结构材料材料航空航航空航天材料天材料3 3）按应用领域分类）按应用领域分类2022-11-30374 4）按材料内部原子排列情况分类：）按材料内部原子排列情况分类：晶晶 态：原子或分子在空间规则排列；态：原子或分子在空间规则排列；非晶态：非晶态：5 5）按材料热力学状态分类：）按材料热力学状态分类：稳稳 态：性能不受时间变化影响；态：性能不受时间变化影响；非稳态：非稳态：6 6）按材料尺寸分类：）按材料尺寸分类：零维零维纳米粉体；纳米粉体；一维一维纤维及晶须；纤维及晶须；二维二维薄膜；薄膜；三维三维块体材料块体材料 DJTU Material
31、s Science&DJTU Materials Science&EngineeringEngineering2022-11-3038u 黑色金属及合金（钢铁材料）黑色金属及合金（钢铁材料）碳碳 钢：钢：C 0.02-1.7%C 0.02-1.7%合金钢：合金钢：低合金钢低合金钢:5%:5%:5%合金元素合金元素,不锈钢不锈钢 铸铸 铁：铁：C1.7%C1.7%u 有色金属及合金有色金属及合金 轻轻 金金 属属:Al,Mg,:Al,Mg,重重 金金 属属:Cu,Pb,:Cu,Pb,稀有金属稀有金属:W,Ti,V,:W,Ti,V,稀土稀土,贵贵 金金 属属:Au,Ag,Pt,:Au,Ag,Pt,
32、DJTU Materials Science&DJTU Materials Science&EngineeringEngineering（1 1）金属材料分类金属材料分类2022-11-3039按用途分按用途分：塑塑 料料p通用塑料：通用塑料：指产量大、用途广、成型性好、价格便宜的塑料指产量大、用途广、成型性好、价格便宜的塑料,基本有五大品种基本有五大品种,聚聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯及乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯及ABSABS p工程塑料：工程塑料：工程塑料是指满足机壳、齿轮、光学、密封等工业零件使用的塑料。工程塑料是指满足机壳、齿轮、光学、密封等工业零件使用的塑料。主要有聚酰胺
33、（尼龙）、主要有聚酰胺（尼龙）、ABS(ABS(丙烯腈丙烯腈-丁二烯丁二烯-苯乙烯塑料苯乙烯塑料)、聚碳酸酯、聚碳酸酯、尼龙、聚甲醛、改性聚苯醚热塑性聚酯等。尼龙、聚甲醛、改性聚苯醚热塑性聚酯等。合成纤维：合成纤维：人工合成的、具有适宜分子量并具有可溶性的线型聚合物，如聚丙烯人工合成的、具有适宜分子量并具有可溶性的线型聚合物，如聚丙烯腈、聚酯、聚酰胺等。腈、聚酯、聚酰胺等。橡橡 胶：胶：由橡胶树等植物提取的胶乳由橡胶树等植物提取的胶乳,制成的具有弹性、绝缘性、不透水和制成的具有弹性、绝缘性、不透水和空气的高弹性的高分子化合物。空气的高弹性的高分子化合物。DJTU Materials Scien
34、ce&DJTU Materials Science&EngineeringEngineering（2 2）有机聚合物材料分类有机聚合物材料分类2022-11-3040Polymers include Polymers include“Plastics”and“Plastics”and rubber materialsrubber materialsDJTU Materials Science&DJTU Materials Science&EngineeringEngineering2022-11-3041reinforcing glass fibers in a polymer matrixr
35、einforcing glass fibers in a polymer matrix.Polymer composite materialsPolymer composite materials:2022-11-3042普通（传统）陶瓷材料：普通（传统）陶瓷材料：主要为为硅、铝氧化物的硅酸盐材料日用、建筑、洁卫材料；主要为为硅、铝氧化物的硅酸盐材料日用、建筑、洁卫材料；精细（新型）陶瓷材料：精细（新型）陶瓷材料：主要为高熔点的氧、碳、氮、硅化物等烧结材料，压电陶瓷、主要为高熔点的氧、碳、氮、硅化物等烧结材料，压电陶瓷、透明防弹、叶片、刀具、密封、轴承、火箭喷嘴、炉管等透明防弹、叶片、刀具、密
36、封、轴承、火箭喷嘴、炉管等 优点：优点：重量轻、强度高、硬度高、熔点高、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、重量轻、强度高、硬度高、熔点高、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、特殊功能、绝缘体、半导体、超导体。特殊功能、绝缘体、半导体、超导体。缺点：缺点：容易脆断容易脆断 ，韧性差，不易加工成形。，韧性差，不易加工成形。DJTU Materials Science&DJTU Materials Science&EngineeringEngineering（3 3）陶瓷材料分类陶瓷材料分类、2022-11-3043碳的同素异形体碳的同素异形体金刚石、金刚石、石墨、石墨、富勒烯富勒烯DJTU Materials Scie
37、nce&DJTU Materials Science&EngineeringEngineering2022-11-3044碳纳米管碳纳米管DJTU Materials Science&DJTU Materials Science&EngineeringEngineering2022-11-3045DJTU Materials Science&DJTU Materials Science&EngineeringEngineeringWCSi3N4High Purity Al2O3High Purity Al2O3Rotor(Alumina)2022-11-3046Machinable Glass
38、 CeramicsDJTU Materials Science&DJTU Materials Science&EngineeringEngineering2022-11-3047按基底分类：按基底分类：高分子基复合材料高分子基复合材料 金属基复合材料金属基复合材料 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料复合材料复合材料第一代：玻璃钢第一代：玻璃钢玻璃纤维增强树脂的材料玻璃纤维增强树脂的材料 第二代：碳纤维增强塑料第二代：碳纤维增强塑料飞机、球拍飞机、球拍第三代：硼纤维增强铝基体复合材料；第三代：硼纤维增强铝基体复合材料；SiCSiC短纤维和短纤维和AlAl2 2O O3 3颗粒增强铝基复合材料；颗粒增强
39、铝基复合材料；第四代：第四代：C/SiCC/SiC表面改性轻质高强高温复合材料。表面改性轻质高强高温复合材料。DJTU Materials Science&DJTU Materials Science&EngineeringEngineering（4 4）复合材料分类复合材料分类2022-11-3048Give up valence electronsReadily accept electrons在分子中，元素原子吸引电子的能力叫作元素的电负性。在分子中，元素原子吸引电子的能力叫作元素的电负性。电负性越强的原子越容易接受电子。电负性越强的原子越容易接受电子。元素间电负性差元素间电负性差X 1
40、.7X 1.7，发生电子转移，发生电子转移，形成离子键；形成离子键；X 1.7X 1.7 X 1.7 没有饱和性和方向性没有饱和性和方向性 例例:NaCl:NaClNa(metal)UnstableNa(cation)stable Cl(nonmetal)unstable Cl(anion)stableelectron+-CoulombicAttractionDJTU Materials Science&DJTU Materials Science&EngineeringEngineering（3 3）离子键）离子键 Ionic bondingIonic bonding2022-11-3053
41、11Na0.955Cs0.712Mg1.220Ca1.08O3.59F4.017Cl3.0Give up electrons Acquire electronsNaClMgOCaF2CsClDJTU Materials Science&DJTU Materials Science&EngineeringEngineering离子键离子键2022-11-3054SecondarybondingSecondarybonding 偶极振动偶极振动 Fluctuating dipolesFluctuating dipoles 不均匀电子云不均匀电子云+Secondary bondingHH2HHHH2
42、Ex:liquid H2Secondary bondingl Permanent dipolesPermanent dipoles H Cl H Cl+general case:general case:ex:liquid HCl ex:liquid HCl ex:polymer ex:polymer+secondary bondingDJTU Materials Science&DJTU Materials Science&EngineeringEngineering（4 4）二次键合）二次键合 Secondary bondingSecondary bonding2022-11-30551.
43、9 1.9 材料综合应用材料综合应用“黑匣子黑匣子”-航空飞行记录器：航空飞行记录器：装有飞行数据记录器和舱声录音器，飞机各机械部位和电子仪装有飞行数据记录器和舱声录音器，飞机各机械部位和电子仪器仪表都装有传感器与之相连，能把飞机停止工作或失事前半器仪表都装有传感器与之相连，能把飞机停止工作或失事前半小时技术参数和舱内声音记录下来供事故分析之用。小时技术参数和舱内声音记录下来供事故分析之用。DJTU Materials Science&DJTU Materials Science&EngineeringEngineering2022-11-3056DJTU Materials Science&
44、DJTU Materials Science&EngineeringEngineering坠毁生存记录单元坠毁生存记录单元CSMUCSMU2022-11-3057黑匣子欧洲标准：黑匣子欧洲标准：(1)(1)能在能在5 5毫秒内经受住毫秒内经受住1kg1kg的冲击力。的冲击力。(2)(2)能在能在5 5分钟内分钟内,从长、宽、高从长、宽、高3 3个方向经受住每平方英寸个方向经受住每平方英寸50005000磅磅 (2270(2270公斤公斤)的冲击力。的冲击力。(3)(3)应能承受于从应能承受于从3.053.05米高度掉落在直径仅米高度掉落在直径仅6.356.35毫米圆锥面毫米圆锥面（相当（相当5
45、00500磅冲击力）。磅冲击力）。(4)(4)应能经受飞机上各种液体或在应能经受飞机上各种液体或在3 3米深海水里连续浸泡米深海水里连续浸泡3030天。天。(5)(5)在在1 1小时内经受小时内经受11001100的高温考验。的高温考验。DJTU Materials Science&DJTU Materials Science&EngineeringEngineering2022-11-3058电子黑匣子的电子黑匣子的CSMUCSMU使用三层保护内存的材料，隔离和保存使用三层保护内存的材料，隔离和保存存储数字信息内存片。存储数字信息内存片。铝壳，环绕内存卡有一铝薄层。铝壳，环绕内存卡有一铝薄层
46、。高温绝缘体，高温绝缘体，1 1英寸（英寸（2.54cm2.54cm）干石英材料提供高温保护。）干石英材料提供高温保护。不锈钢外壳，厚不锈钢外壳，厚0.64cm0.64cm，通常用钛合金制成。，通常用钛合金制成。存取记忆元件，集成电路、传感器、记录元器件等存取记忆元件，集成电路、传感器、记录元器件等 DJTU Materials Science&DJTU Materials Science&EngineeringEngineering2022-11-3059第一课小结第一课小结:DJTU Materials Science&DJTU Materials Science&EngineeringEngineering三、材料的分类三、材料的分类一、材料科学与工程的研究内容与重要性一、材料科学与工程的研究内容与重要性二、材料的定义二、材料的定义材料与物质的区别材料与物质的区别金属材料金属材料有机聚合物有机聚合物陶瓷材料陶瓷材料金属键金属键共价键或二次键合共价键或二次键合离子键或共价键离子键或共价键复合材料复合材料2022-11-3060WHAT IS MATERIALS SCIENCE&ENGINEERING(MSE)?WHAT IS MATERIALS SCIENCE&ENGINEERING(MSE)?感谢下感谢下载载感谢下感谢下载载
