徐恒钧《材料科学基础》课件讲义
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《材料科学基础讲义》PPT课件
2）共价键(covalent bonding)： 相邻原子共享电子对 来达到稳定结构-----SiO2 熔点高、强度高、塑性低
3）金属键(metallic bonding)： 金属原子容易失去外层价电子形成 阳离子在空间整齐排列，远离核的 电子在正离子之间形成“电子气” 导电、导热、塑性好、固溶能力强
开发新材料
挖掘现有材料的潜力
成分 合 成 /加 工
性能
受环境影响 （气氛﹑温度﹑受力状态）
组织结构
理论﹑材料 或工艺设计
使用效能
编辑版ppt
5
第一章 材料的晶体结构
(Chapter 1 The structure of crystalline solids) §1.1 材料结构的基本知识
(Fundamental concepts) 1 原子结合键(atomic bonding) 1.1 结合键和能量
材料科学基础
Foundations of Materials Science
编辑版ppt
1
材料科学的发展概况
金属材料
{ 按照物理化学属性
无机非金属材料 高分子材料
复合材料
{ 按用途
电子材料，航空航天材料，核材料
建筑材料，能源，生物材料等等
{ 其它分类
结构材料和功能材料
传统材料和新型材料
编辑版ppt
2.2 单晶体（single crystal） 如果晶体周期性的规则排列贯穿整个试样而没有中断，则形成单晶 2.3 多晶体材料（polycrystalline materials） 如果材料是由小晶体或晶粒组成，则称其为多晶体材料。
L Lo
= a (T2-T 1)
• a ~ asymmetry at ro
2019-上海交通大学材料科学基础pptppt课件-文档资料
结构材料是以强度，刚度，韧性，耐劳性，硬度， 疲劳强度等力学性能为特征的材料。这种材料通常 用来制造工具、机械、车辆和修建房屋、桥梁、铁 路等。是人们熟悉的机械制造材料、建筑材料，包 括结构钢、工具钢、铸铁、普通陶瓷、耐火材料、 工程塑料等传统的结构材料（一般结构材料）以及 高温合金、结构陶瓷等高级结构材料。
——准确地记述了冶铜过程中颜色随炉温变化的规律。这种用
肉眼来观测的光测高温技术，只有在青铜技术相当成熟的情况下， 才有可能办到。
5/18/2019
11
铁器时代（Iron Age）
湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄
中国古代铁器的金相组织
5/18/2019
12
长征三号运载火箭在发射架上
5/18/2019
13
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。由一种连续相（基体相）和增强相复合而成，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。
5/18/2019
26
根据材料的性能分类
根据材料在外场作用下其性质或性能对外场的响 应不同，材料可分为结构材料和功能材料。
5/18/2019
14
2、材料的发展史，就是科学技术的发展史
中国的四大发明：纸、火药、指南针、活字印刷
表1 科学原理的发现时间与其产业化时间的对照
电机 真空管 无线电 X光 雷达 原子堆 半导体 激光
5/18/2019
原理 1821 1882 1887 1895 1935 1939 1948 1958
5/18/2019
8
石器时代（ Stone Age）：石斧、凿、刀、铲、箭头纺轮、钵等
5/18/2019
——准确地记述了冶铜过程中颜色随炉温变化的规律。这种用
肉眼来观测的光测高温技术，只有在青铜技术相当成熟的情况下， 才有可能办到。
5/18/2019
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铁器时代（Iron Age）
湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄
中国古代铁器的金相组织
5/18/2019
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长征三号运载火箭在发射架上
5/18/2019
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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。由一种连续相（基体相）和增强相复合而成，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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根据材料的性能分类
根据材料在外场作用下其性质或性能对外场的响 应不同，材料可分为结构材料和功能材料。
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2、材料的发展史，就是科学技术的发展史
中国的四大发明：纸、火药、指南针、活字印刷
表1 科学原理的发现时间与其产业化时间的对照
电机 真空管 无线电 X光 雷达 原子堆 半导体 激光
5/18/2019
原理 1821 1882 1887 1895 1935 1939 1948 1958
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石器时代（ Stone Age）：石斧、凿、刀、铲、箭头纺轮、钵等
5/18/2019
《材料科学基础》课件
THANKS
感谢观看
稳定性
材料在化学环境中保持其组成和结构的能力。
腐蚀性
材料与化学物质反应的能力，一些材料容易受到腐蚀。
活性
材料参与化学反应的能力和程度。
耐候性
材料在各种气候条件下的稳定性，如耐紫外线、耐风雨等。
材料的力学性质
弹性模量
描述材料抵抗弹性变形的能力。
硬度
材料表面抵抗被压入或划痕的能力。
韧性
材料吸收能量并抵抗断裂的能力。
材料科学的发展历程
总结词
概述材料科学的发展历程，包括重要的里程碑和代表 性人物。
详细描述
材料科学的发展历程可以追溯到古代，如中国的陶瓷和 青铜器制作，古埃及的石材加工等。然而，材料科学作 为一门独立的学科是在20世纪中期才开始形成的。在 这个时期，一些重要的里程碑包括开发出高温超导材料 、纳米材料和光电子材料等新型材料，这些材料的出现 极大地推动了科技的发展。同时，一些杰出的科学家如 诺贝尔奖得主也在这个领域做出了卓越的贡献。随着科 技的不断进步，材料科学的发展前景将更加广阔。
。
绿色材料与可持续发展
绿色材料
采用环保的生产方式，开发具有环保性能的新型材料，如可降解 塑料、绿色建材等。
节能减排
通过采用新型材料和技术，降低能源消耗和减少污染物排放，实现 节能减排的目标。
可持续发展
推动材料科学的发展，实现经济、社会和环境的协调发展，促进可 持续发展。
非晶体结构与性质
非晶体的结构特征
非晶体中的原子或分子的排列是无序的，不遵循长程有序的晶体 结构。
非晶体的物理和化学性质
非晶体的物理和化学性质与晶体不同，如玻璃态物质具有较好的化 学稳定性和机械强度。
材料科学基础第5章 材料的相结构与相图 ppt课件[1]
![材料科学基础第5章 材料的相结构与相图 ppt课件[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/534d1746700abb68a882fb0c.png)
一、纯金属特点
1、优良的导电、导热性能； 2、高的化学稳定性； 3、美观的金属光泽； 4、但强度、硬度较低； 5、制取困难；价格高；资源有限
2020/10/28
4
二、合金的基本概念
1、定义
是由两种或两种以上金属元素， 或金属元素与非金属元素，经熔 炼、烧结等方法组合而成并具有 金属特性的物质。
2020/10/28
5
钢：Fe-C合金；
黄铜：Cu-Zn合金； 黄铜 防锈铝：Al-Mg合金。
2、合金的特点 Al-Cu两相合金 强度高、硬度高；性能可大幅 度调节；价格较低、应用广。
2020/10/28
6
3、相
是合金中具有晶体结构相同、 成分相同和性能相同，并以界 面相互分开的组成部分。
2020/10/28
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纯铁：由α-Fe（铁素体相） 单相构成，为单相合金；
3、作用：为合金的强化相。
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（二）金属间化合物
1、定义
合金结晶时，当其溶质浓度大 于溶解度时，将析出结构不同于任 何组元的新相，该相具有一定的金 属特征，称为金属间化合物。
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3、分类：
正常价化合物、电子化合物 、 间隙相和间隙化合物 。
1）正常价化合物
P（珠光体）= F + Fe3C Fe3C形状：片状和球状。
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12
❖ 当Fe3C为片状 时，构成P片状
❖ HB≈200 ❖ δ=15% ❖ Ψ=30%
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珠光体
13
当Fe3C为球状 时，构成P球状
HBS≈163 δ=20% Ψ=40%
2020/10/28
材料科学基础完整ppt课件
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
离子% 结 ）= [-1 e 合 -1 4(X A 键 X B )（ 2 1% 00
另一种混合键表现为两种类型的键独立 纯在例如一些气体分子以共价键结合，而 分子凝聚则依靠范德瓦力。聚合物和许多 有机材料的长链分子内部是共价键结合， 链与链之间则是范德瓦力或氢键结合。石 墨碳的上层为共价键结合，而片层间则为 范德瓦力二次键结合。
.
5
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
八.材料科学研究的内容：材料结构的基础知识、
晶体结构、晶体缺陷、材料的相结构及相图、材
料的凝固、材料中的原子扩散、热处理、工程材
料概论等主要内容。 .
子，因此，它们都是良好的电绝缘体。但当
.
16
处在
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
高温熔融状态时，正负离子在外电场作用 下可以自由运动，即呈现离子导电性。
2.共价键
（1）通过共用电子对形成稳定结构
.
13
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
三.结论
1.原子核周围的电子按照四个量子数的规定 从低能到高能依次排列在不同的量子状态 下，同一原子中电子的四个量子数不可能 完全相同。
《材料科学基础》课件——第五章相平衡与相图第一节第二节第三节第四节
相和相平衡
Байду номын сангаас四、自由度与相律
1、自由度：平衡系统中独立可变的因素
自由度数：独立可变的强度变量的最大数目
(强度变量与广度变量的区别）
2、相律：自然规律
在平衡系统中由于受平衡条件的制约，系统内
存在的相数有一定限制。 组元数 相数P≥1
吉布斯相律：不可为负数
f=c-p+n
外界影 响因素
通常外界影响因素只考虑T、P，所以f=c-p+2
• 掌握匀晶，包晶，共晶相图的特点，进而了解二元合金的一些平衡凝固，固 相转变的规律。
• 重点难点： • 二元系相图的建立，杠杆定律 • 包晶相图，共晶相图，共晶合金 • 相图分析，各种液固，固相转变的判断
材料的性能决定于内部的组织结构，而组织结构
又由基本的相所组成。
相：均匀而具有物理特性的部分，并和体系的其他 部分有明显界面。
晶型转变过程都是在恒温下进行，并伴随有体 积、密度的变化。 2、SiO2系统相图 α-石英与β-石英相变相当慢， β-石英常因冷却过快而被保留 到室温，在常压下，低于573℃
单元系相图
β-石英很稳定，所以自然界或低温时最常见的是 β-石英。晶型转变时，体积效应特别显著。 Al2O3、ZrO2也具有多晶型转变。 3、聚合物相图 （1）状态由分子间作用力决定，分子间约束力弱
共晶相图，平衡凝固，共晶合金，包晶相图，形成化合物的相图，含有双液 共存区的相图，熔晶相图等 ，二元相图的几何规律 ，单相，双相及三相共 存区，相图特征 ，二元系相图的分析，分析的方法与步骤，分析举例。
• 教学目的： • 学习相平衡与相图的基本知识，了解相图在材料科学学习中的重要性，学会
相图的使用。
材料科学基础PPT精品课件幻灯片
❖ 材料发展动力： ▪ 社会需求（市场拉动） ▪ 技术发展（技术推动） ▪ 科学发展（对物质的了 解，是创新的源泉）
• 硅时代（1950年）
• 20新20/材12/1料9 时代（1990年材、料科特学征与工是程多学院种材材料学料教研并室存）
8
2020/12/19
材料科学与工程学院材料学教研室
9
材料的历史：300,000 BC—3,500 BC
川徐家岭楚墓出土。龙首、虎颈、虎身、虎尾、
编钟：春秋中期，1978年河南淅川出土， 龟足，张口吐舌，牙齿犀利。龙首上附六条蛇
最大钟通高120.4厘米，舞修52.3厘米，
形龙。脊背上有有一方座，座上有一神兽也为
铣间59.7厘米。该钟一组26件，形制相同， 龙首，口衔一条龙，龙 首。通身饰动物纹和
大2小02依0/1次2/递19减。
2020/12/19
材料科学与工程学院材料学教研室
3
提到“材料”，同学们会想到什么？列举一下现 代生活中用到了哪些材料？给材料下个定义。
请同学们能不能根据材料的发展来划分历史？如 果能，是怎样划分的？ 材料科学与材料工程有什么区别？
请问同学们材料是怎样分类的？
如何认识材料的科学问题？ （链接）
2020/12/19
•
由于材料的重要性，历史学家常常根据人类使用的材料来划分
人类社会发展的历史阶段。从古代到现在人类使用材料的历史共经
历了七个时代，其中的有些时代持续了几个世纪，各时代的开始时
间：
• 旧、新石器时代（公元前10万年） • 陶器时代 • 青铜器时代（公元前3000年） • 铁器时代（公元前1000年） • 水泥时代（公元0年） • 钢时代（1800年）
6
材料科学基础绪论PPT课件
• 材料的结构包括不同晶体结构和非晶体，以及显微镜下的微 观结构，哪些主要因素能够影响和改变结构？只有了解了这 些才能实现控制结构的目的。
• 材料的性能包括物理性能、化学性能、力学性能。 • 其内部结构包括
四个层次：①原 子结构；②结合 键；③原子的排 列方式；④显微 组织
第4页/共26页
（二）材料科学与材料工程的关系
第2页/共26页
学习料料科学基础的意义 （一）材料科学的内涵
材料科学是一个跨物理、化学等 的学科。材料科学的核心问题是材 料的组织结构（Structure）和性 能（Property）以及它们之间的关 系。右图为材料科学与工程四要素。 所以，先要了解材料的结构是什么？
第3页/共26页
材料结构关系
第24页/共26页
• 1990年美国总统的科学顾问Allany Bromley明确指出“材料科学在美 国是最重要的学科”。
• 1991年日本为未来工业规划技术列举的11项主要项目中有7项是基于先 进材料之上。
• 1986年《科学的美国人》杂志指出“先进材料对未来的宇航、电子设备、 汽车以及其他工业的发展是必要的，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。”
• 材料科学的形成：“材料”早存在，“材料科学”提出于 20世纪60年代，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研究中心，自此开始， “材料科学”一词广泛应用。
• 一般来讲，科学是研究“为什么”的学问，而工程是解决 “怎么做”的学问。材料科学的基础理论，为材料工程指 明方向，为更好地选择、使用材料，发挥现有材料的潜力、 发展新材料提供理论基础。
《济地的制造有用物品的物质。 材料科学是研究材料的成分、组织结构、制备工艺、加工工艺、材料 的性能与材料应用之间的相互关系的科学。材料科学是当代科学技术发展 的基础、工业生产的支柱，是当今世界的带头学科之一。纳米材料科学与 技术是20世纪80年代发展起来的新兴学科，成为21世纪新技术的主导中 心。 材料科学基础是进行材料科学研究的基础理论，它将各种材料（包括 金属、陶瓷、高分子材料）的微观结构和宏观结构规律建立在共同的理论 基础上，用于指导材料的研究、生产、应用和发展。它涵盖了材料科学和 材料工程的基础理论。
• 材料的性能包括物理性能、化学性能、力学性能。 • 其内部结构包括
四个层次：①原 子结构；②结合 键；③原子的排 列方式；④显微 组织
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（二）材料科学与材料工程的关系
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学习料料科学基础的意义 （一）材料科学的内涵
材料科学是一个跨物理、化学等 的学科。材料科学的核心问题是材 料的组织结构（Structure）和性 能（Property）以及它们之间的关 系。右图为材料科学与工程四要素。 所以，先要了解材料的结构是什么？
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材料结构关系
第24页/共26页
• 1990年美国总统的科学顾问Allany Bromley明确指出“材料科学在美 国是最重要的学科”。
• 1991年日本为未来工业规划技术列举的11项主要项目中有7项是基于先 进材料之上。
• 1986年《科学的美国人》杂志指出“先进材料对未来的宇航、电子设备、 汽车以及其他工业的发展是必要的，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。”
• 材料科学的形成：“材料”早存在，“材料科学”提出于 20世纪60年代，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研究中心，自此开始， “材料科学”一词广泛应用。
• 一般来讲，科学是研究“为什么”的学问，而工程是解决 “怎么做”的学问。材料科学的基础理论，为材料工程指 明方向，为更好地选择、使用材料，发挥现有材料的潜力、 发展新材料提供理论基础。
《济地的制造有用物品的物质。 材料科学是研究材料的成分、组织结构、制备工艺、加工工艺、材料 的性能与材料应用之间的相互关系的科学。材料科学是当代科学技术发展 的基础、工业生产的支柱，是当今世界的带头学科之一。纳米材料科学与 技术是20世纪80年代发展起来的新兴学科，成为21世纪新技术的主导中 心。 材料科学基础是进行材料科学研究的基础理论，它将各种材料（包括 金属、陶瓷、高分子材料）的微观结构和宏观结构规律建立在共同的理论 基础上，用于指导材料的研究、生产、应用和发展。它涵盖了材料科学和 材料工程的基础理论。
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21
3.高分子材料
塑料：薄膜，包装用品，工程塑料等 合成纤维：尼龙 橡胶
4.复合材料
塑料基复合材料：玻璃钢，玻璃纤维增强树脂 金属基复合材料：金属陶瓷，航空航天，汽车 陶瓷基复合材料：航天
22
火箭发动机的燃烧室与 喷嘴，需要承受2000℃的 高温而不氧化，它是用石墨 表面喷涂一层二硅化钼材料 制成。石墨已被大量用作核 能工业的“减速剂”。雷达 中大型电子管外，壳，既要 耐高温，又要有优良的超高 频和绝缘性能，它是用氧化 铝高频陶瓷制成。核反应堆 外部的防护层是用一种含钡 的特种水泥筑成的。
24
b.高铝陶瓷是有名的”硬骨头”，用作机器上的耐磨参件，耐磨 性能比金属高两三倍，由刚玉瓷，氧化硼陶瓷做成瓷刀，更 能”削铁如泥”.
c.陶瓷在熔融状态时经X射线和γ射线处理，使其迅速结晶成 为微晶陶瓷，能和金属一样切削加工，不碎不裂，已用于人 造关节，骨骼等。微晶玻璃即玻璃陶瓷。
项目订购单晶创汇800万美元。PbWO4
发
激光工作物质：
光
Cr3+ ：Al2O3红宝石， Nd3+: Y3Al5O12。目
材
前已有200多种晶体出激光。半导体LD泵浦晶体：
料
Nd:YVO4, Yb:YAG,用途：测距，通讯，激光雷
达，激光医学，激光致冷，核聚变.
阴极射线发光：
彩电Ag: ZnS, 绿Cu: (ZnCd)S, 红Eu:Y2O123S
新石器时代(原始社会） 青铜器时代（奴隶社会） 铁器时代（封建社会） 水泥时代 钢时代 半导体时代
材料科学的发展推动了整个世界文明的发展，在某 种程度上决定了一个国家的发达水平。
3
材料科学，信息科学，与能源科学是新技术 革命的三个支柱，是实现新技术革命的关键。
2.材料是各种物理效应产生的物质基础
周光召：材料是高技术发展以及现代文明的物质 基础。材料科学一直是活跃的科学前沿。
23
a.金属陶瓷：
将陶瓷粉与金属末混匀，经高温烧结，即可得金属陶 瓷。它兼有金属与陶瓷的优点，韧而不脆，硬而耐热。例 如，含20%的钴粉的金属陶瓷，是制造火箭喷口。在高温 中，陶瓷里的金属能量发挥，热能被带走，温度随着降低， 因而能在高温环境工作。美国哥伦比亚号航天飞机的外壳， 即是由三万一千块这样的金属陶瓷耐热瓦片铺砌而成，经受 了返回大气层时所产生的白热化高温的严峻考验。
材料科学基础
Materials Science and Engineering
1
绪论
一.材料与材料科学的定义
何谓材料？ 人类社会所能接受的，可经济地制造有用
器件或物品的物质。 材料科学？
研究材料的结构，制备与加工工艺和性 能之间关系的科学。
2
二.材料科学的重要性
1.生产力水平的标志
历史时期的划分 以材料为标志
0.1dB/Km。光纤通信，棱镜分光，偏光，透镜，天 文望远镜。
一条光缆可同时容纳十亿人通话，同时传送电视节 目，抗干扰，不发生电辐射。 光窗口材料：
红外滤光 NaCl,LiF,CsI,石英玻璃透紫外
11
非线性光参量： 光倍频，β-BaB2O4(BBO)偏硼酸钡， LiB3O5(LBO), DKDP，KTP
光折变材料： 强光作用下，折射率变化，用于遥感去掉紊流影响，
全息存储，体存储， Baபைடு நூலகம்iO3, LiNbO3
高清晰彩电，节能灯, LED. 声光材料：用于声光调制 PbMoO4，TeO2，
12
闪烁晶体：
CaWO4用于X射线检测，BGO锗酸铋用于高能 粒子检测(西欧核子中心，丁肇中教授领导的L3合作
e.生物材料和环境材料. 生物材料主要是指取代骨材料的过磷酸钙为基质的材
料，包括牙材料，涉及牙的晶体生长和腐蚀，此外，还有医 学心瓣膜等，要求尽可能减少与生物体的排斥性。
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三.材料科学研究的内容
成分/组织结构：原子结构，结合能， 晶体结构，显微结构
1.
制备与合成加工工艺
研
物理：电，磁，光，热
究
内
铁氧体(尖晶石，石榴石) 天线 软磁（电机） 磁材料 : ，钕硼铁(王震西) 磁记录材料 计算机存储 巨磁阻效应：利用磁场变换，电阻率发生变化，
高存储密度的硬盘。 6G硬盘，650M光盘，1999年IBM公司实现商业化
10
c.光学材料(光介质材料和光功能材料）
光传导材料： 光纤，纯度要求杂质含量低于10-19，光损耗
19
四.材料的分类
1. 以主 要化 学键 分类
以金属 键结合
以离子键 和共价键 结合
以共价 键结合
金属 材料
无机非金 属材料
复合 材料
高分子 材料
20
1.金属材料
钢铁材料：制造工业的基础 有色金属：铝等
重量轻，导热，导电性能好，耐腐蚀
2.无机非金属材料
水泥，混凝土，玻璃，陶瓷，单晶 高温结构陶瓷：转子发动机； 氮化硅陶瓷制造柴油机：耐高温，散热小
从科学与技术关系来看，材料往往是科学 理论过渡到技术应用的成败关键，直接影响着许 多科技领域的进展。
4
以材料性能与内部结构的关系分类
组织是指用金相观察的方法，观察材料中不同相结 构，晶粒大小，方向，形状和排列。如铁素体，珠光体， 热处理和热加工。
a.与电性能有关的材料 半导体材料 银河计算机每秒运行上亿次 绝缘材料 AlN 绝缘高导热，金刚石材料 导电材料
激光二极管(LD)泵浦的钒酸钆(GdVO4:Nd3+)激光晶体
14
YAG:Nd3+ 掺钕钇铝石榴石
15
掺 铬 红 宝 石
16
d.气敏元件(化学功能元件）：
SnO2氯化钯混合物，吸氧引起电阻变化，变色材料 PTC材料：Positive Temperature Coefficiency.
低阻化，大功率发热材料，限流元件。
固有 化学：抗氧化与抗腐蚀
容
性能 力学：强度，塑性，任性
复合：
使用性能：寿命，工艺，能量利用率，安全 可靠性，成本。
18
2.材料科学核心问题
材料结构
关系
材料性能
原 原子 显 子 结构 微 结 在空 结 构 间的 构
排列
简单
复杂：
物 化 力 力学性能，使 理 学 学 用性能，简单 性 性 性 性能的复合 能 能能
5
硅锭
6
单晶生长
7
8
超导材料: Y1Ba2Cu3O7 Bi2Sr2CaCu2O8 C60 K
1987:91K
1996,美国朱经武161K 1989:130K
磁悬浮 快离子导体:电池
美国杜克大学锂硼化合物Tc=39K
光电材料：太阳能电池
压电材料：遥控，超声，精密测量，地震预报
9
b.与磁性能有关的材料
3.高分子材料
塑料：薄膜，包装用品，工程塑料等 合成纤维：尼龙 橡胶
4.复合材料
塑料基复合材料：玻璃钢，玻璃纤维增强树脂 金属基复合材料：金属陶瓷，航空航天，汽车 陶瓷基复合材料：航天
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火箭发动机的燃烧室与 喷嘴，需要承受2000℃的 高温而不氧化，它是用石墨 表面喷涂一层二硅化钼材料 制成。石墨已被大量用作核 能工业的“减速剂”。雷达 中大型电子管外，壳，既要 耐高温，又要有优良的超高 频和绝缘性能，它是用氧化 铝高频陶瓷制成。核反应堆 外部的防护层是用一种含钡 的特种水泥筑成的。
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b.高铝陶瓷是有名的”硬骨头”，用作机器上的耐磨参件，耐磨 性能比金属高两三倍，由刚玉瓷，氧化硼陶瓷做成瓷刀，更 能”削铁如泥”.
c.陶瓷在熔融状态时经X射线和γ射线处理，使其迅速结晶成 为微晶陶瓷，能和金属一样切削加工，不碎不裂，已用于人 造关节，骨骼等。微晶玻璃即玻璃陶瓷。
项目订购单晶创汇800万美元。PbWO4
发
激光工作物质：
光
Cr3+ ：Al2O3红宝石， Nd3+: Y3Al5O12。目
材
前已有200多种晶体出激光。半导体LD泵浦晶体：
料
Nd:YVO4, Yb:YAG,用途：测距，通讯，激光雷
达，激光医学，激光致冷，核聚变.
阴极射线发光：
彩电Ag: ZnS, 绿Cu: (ZnCd)S, 红Eu:Y2O123S
新石器时代(原始社会） 青铜器时代（奴隶社会） 铁器时代（封建社会） 水泥时代 钢时代 半导体时代
材料科学的发展推动了整个世界文明的发展，在某 种程度上决定了一个国家的发达水平。
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材料科学，信息科学，与能源科学是新技术 革命的三个支柱，是实现新技术革命的关键。
2.材料是各种物理效应产生的物质基础
周光召：材料是高技术发展以及现代文明的物质 基础。材料科学一直是活跃的科学前沿。
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a.金属陶瓷：
将陶瓷粉与金属末混匀，经高温烧结，即可得金属陶 瓷。它兼有金属与陶瓷的优点，韧而不脆，硬而耐热。例 如，含20%的钴粉的金属陶瓷，是制造火箭喷口。在高温 中，陶瓷里的金属能量发挥，热能被带走，温度随着降低， 因而能在高温环境工作。美国哥伦比亚号航天飞机的外壳， 即是由三万一千块这样的金属陶瓷耐热瓦片铺砌而成，经受 了返回大气层时所产生的白热化高温的严峻考验。
材料科学基础
Materials Science and Engineering
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绪论
一.材料与材料科学的定义
何谓材料？ 人类社会所能接受的，可经济地制造有用
器件或物品的物质。 材料科学？
研究材料的结构，制备与加工工艺和性 能之间关系的科学。
2
二.材料科学的重要性
1.生产力水平的标志
历史时期的划分 以材料为标志
0.1dB/Km。光纤通信，棱镜分光，偏光，透镜，天 文望远镜。
一条光缆可同时容纳十亿人通话，同时传送电视节 目，抗干扰，不发生电辐射。 光窗口材料：
红外滤光 NaCl,LiF,CsI,石英玻璃透紫外
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非线性光参量： 光倍频，β-BaB2O4(BBO)偏硼酸钡， LiB3O5(LBO), DKDP，KTP
光折变材料： 强光作用下，折射率变化，用于遥感去掉紊流影响，
全息存储，体存储， Baபைடு நூலகம்iO3, LiNbO3
高清晰彩电，节能灯, LED. 声光材料：用于声光调制 PbMoO4，TeO2，
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闪烁晶体：
CaWO4用于X射线检测，BGO锗酸铋用于高能 粒子检测(西欧核子中心，丁肇中教授领导的L3合作
e.生物材料和环境材料. 生物材料主要是指取代骨材料的过磷酸钙为基质的材
料，包括牙材料，涉及牙的晶体生长和腐蚀，此外，还有医 学心瓣膜等，要求尽可能减少与生物体的排斥性。
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三.材料科学研究的内容
成分/组织结构：原子结构，结合能， 晶体结构，显微结构
1.
制备与合成加工工艺
研
物理：电，磁，光，热
究
内
铁氧体(尖晶石，石榴石) 天线 软磁（电机） 磁材料 : ，钕硼铁(王震西) 磁记录材料 计算机存储 巨磁阻效应：利用磁场变换，电阻率发生变化，
高存储密度的硬盘。 6G硬盘，650M光盘，1999年IBM公司实现商业化
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c.光学材料(光介质材料和光功能材料）
光传导材料： 光纤，纯度要求杂质含量低于10-19，光损耗
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四.材料的分类
1. 以主 要化 学键 分类
以金属 键结合
以离子键 和共价键 结合
以共价 键结合
金属 材料
无机非金 属材料
复合 材料
高分子 材料
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1.金属材料
钢铁材料：制造工业的基础 有色金属：铝等
重量轻，导热，导电性能好，耐腐蚀
2.无机非金属材料
水泥，混凝土，玻璃，陶瓷，单晶 高温结构陶瓷：转子发动机； 氮化硅陶瓷制造柴油机：耐高温，散热小
从科学与技术关系来看，材料往往是科学 理论过渡到技术应用的成败关键，直接影响着许 多科技领域的进展。
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以材料性能与内部结构的关系分类
组织是指用金相观察的方法，观察材料中不同相结 构，晶粒大小，方向，形状和排列。如铁素体，珠光体， 热处理和热加工。
a.与电性能有关的材料 半导体材料 银河计算机每秒运行上亿次 绝缘材料 AlN 绝缘高导热，金刚石材料 导电材料
激光二极管(LD)泵浦的钒酸钆(GdVO4:Nd3+)激光晶体
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YAG:Nd3+ 掺钕钇铝石榴石
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掺 铬 红 宝 石
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d.气敏元件(化学功能元件）：
SnO2氯化钯混合物，吸氧引起电阻变化，变色材料 PTC材料：Positive Temperature Coefficiency.
低阻化，大功率发热材料，限流元件。
固有 化学：抗氧化与抗腐蚀
容
性能 力学：强度，塑性，任性
复合：
使用性能：寿命，工艺，能量利用率，安全 可靠性，成本。
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2.材料科学核心问题
材料结构
关系
材料性能
原 原子 显 子 结构 微 结 在空 结 构 间的 构
排列
简单
复杂：
物 化 力 力学性能，使 理 学 学 用性能，简单 性 性 性 性能的复合 能 能能
5
硅锭
6
单晶生长
7
8
超导材料: Y1Ba2Cu3O7 Bi2Sr2CaCu2O8 C60 K
1987:91K
1996,美国朱经武161K 1989:130K
磁悬浮 快离子导体:电池
美国杜克大学锂硼化合物Tc=39K
光电材料：太阳能电池
压电材料：遥控，超声，精密测量，地震预报
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b.与磁性能有关的材料