材料科学综合概述
材料科学概述 ppt课件
材料：社会文明进步的里程碑 材料和材料学科 材料科学研究内容 高技术新材料
一、材料：
社会文明进步的里程碑
物质基础
•石器时代、铜器时代、铁器时代
西汉：人口6千万， 占当时世界人口的40%
• 中国古代的四大发明 • 当代文明的三大支柱 • 全球新技术革命的三大标志
德国柏林某打铁铺
重要支柱
钫87 Fr
镭88 Ra
Ac
La 镧 57 铈 58 镨 59 钕 60 钷 61 钐 62 铕 63 钆 64 铽 65 镝 66 钬 67 铒 68 铥 69 镱 70 镥 71
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
Ac 锕 89 钍 90 镤 91 铀 92 镎 93 钚 94 镅 95 锔 96 锫 97 锎 98 锿 99 镄100钔101锘102铹103
Na Mg IIIB IVB VB VIB VIIB
VIII
IB IIB Al Si P S Cl Ar
钾19 钙20 钪21 钛22 钒23 铬24 锰25 铁26 钴27 镍28 铜29 锌30 镓31 锗32 砷33 硒34 溴35 氪36
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
美国国家科学研究委员会的报告： 美国若在新材料的开发、制造及市场开 拓方面不做出更大的努力，就极可能在当
今这个时代中失去有效参与竞争的能力。
技术先导
★ 钢铁材料：现代文明开始的标志
1856年平炉炼钢，1864年转炉炼钢
蒸汽机（1888年） 纺织、交通（20世纪初）
★ 半导体材料：当代信息技术的起点
材料科学概论
材料科学概论材料科学是一门研究材料的结构、性能、制备和应用的学科，是现代工程技术和工业生产的基础。
材料科学的发展对于推动科技进步、促进经济发展具有重要意义。
本文将从材料科学的基本概念、发展历程、研究内容和应用前景等方面进行介绍。
首先，材料科学是一门跨学科的学科，它涉及物理学、化学、力学、工程学等多个学科的知识。
材料科学的研究对象包括金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料等。
材料科学的研究内容主要包括材料的结构与性能、材料的制备与加工、材料的性能测试与评价以及材料的应用等方面。
其次，材料科学的发展历程可以追溯到人类社会的发展史。
从最早的石器时代、青铜时代到铁器时代，材料的发展推动了人类社会的进步。
随着工业革命的到来，材料科学得到了迅猛的发展，新材料的不断涌现为工业生产和科技创新提供了重要支撑。
材料科学的研究内容主要包括材料的结构与性能、材料的制备与加工、材料的性能测试与评价以及材料的应用等方面。
材料的结构与性能研究主要包括材料的晶体结构、微观结构、宏观结构以及材料的力学性能、热学性能、电学性能、光学性能等。
材料的制备与加工研究主要包括材料的制备工艺、材料的加工工艺以及材料的表面处理等。
材料的性能测试与评价主要包括材料的物理性能测试、化学性能测试、机械性能测试以及材料的可靠性评价等。
材料的应用研究主要包括材料在电子、航空航天、能源、环保、生物医药等领域的应用。
最后，随着科技的不断进步，材料科学的应用前景将更加广阔。
新材料的不断涌现将推动工业生产的转型升级，提高产品的质量和性能。
同时，材料科学的发展也将为环境保护、能源开发、生物医药等领域提供重要支撑，推动社会的可持续发展。
综上所述，材料科学作为一门重要的交叉学科，对于推动科技进步、促进经济发展具有重要意义。
我们应该加强对材料科学的研究和应用，不断推动材料科学的发展，为人类社会的进步和发展做出更大的贡献。
材料科学及其应用研究
材料科学及其应用研究一、材料科学概述材料科学是研究材料的内在特性及其与实际应用之间的联系的学科，涉及材料的结构、性能、制备和应用等方面。
在现代工业、医疗、通讯、能源等领域中，材料科学的应用越来越广泛。
二、材料分类按照结构来分类：1.纳米材料：其尺寸小于100纳米，具有特殊的化学、物理和生物性质。
2.超材料：通过设计材料的微结构来实现想要的物理性质，如负折射、超透射等。
3.多孔材料：通过制备具有大量孔隙空间的结构，可以应用在催化剂、吸附剂等领域。
4.晶界材料：是金属、聚合物等材料的晶界所组成的基础材料，其性质受晶界结构控制和调控。
按照用途来分类：1.结构材料：如钢铁、水泥等，主要用于建筑和桥梁等工程。
2.功能材料：如半导体、发光二极管等，主要用于电子产品和光电显示等领域。
3.生物材料：如人工关节、心脏起搏器等，主要用于医疗健康领域。
4.环境材料：如油污吸附材料、水处理材料等，主要用于环保领域。
三、材料制备技术材料的制备是材料科学的核心技术之一，目前主要有以下几种制备技术：1.化学蒸汽沉积法：在炉内将需要制备的原材料加热蒸发，然后在衬底上沉积出薄膜或纳米棒材料。
2.溶胶-凝胶法：将溶胶溶解后通过一系列化学反应转化成凝胶，再通过高温烘干或煅烧等过程制备出纳米结构材料，如二氧化硅凝胶、氧化铝凝胶等。
3.物理气相沉积法：通过热蒸发或电子束加热等方式将原材料气化，然后在衬底上沉积出薄膜或纳米棒材料。
4.化学还原法：将金属离子还原成金属颗粒，常见的应用场景是制备具有高比表面积的金属纳米材料，如银纳米颗粒等。
5.离子交换法：利用离子交换树脂对原料中离子进行固定和交换，并去除其他成分，常用于水处理中。
四、材料性能测试材料的性能测试是材料科学的重要方面之一，主要通过以下几种测试手段：1.拉伸测试：测量材料在拉伸过程中的拉伸强度和拉伸变形等性能指标，常用于金属材料的性能测试中。
2.硬度测试：通过硬度测试机对材料表面的应力感受进行测试，可以得到硬度等性能参数，常用于金属材料中。
材料科学综合概述(ppt 79页)
原 子 （ atom) rH = 3 . 7 1 0 -2 n m rAl = 1 . 4 3 1 0 -1 n m
原 子 核 （ nucleus)： 位 于 原 子 中 心 、 带 正 电 中 质 子 子 （ （ n pe ru ot tr oo nn ） ） ： ： 正 电 电 中 荷 性 mm＝ ＝ 11..66772468× × 1100-- 22 77kkgg
电 子 （ electron） ： 核 外 高 速 旋 转 ， 带 负 电 ， 按 能 量 高 低 排 列 ， 如 电 子 云 （ electron cloud）
m＝ 9.109516
描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数（quantum numbers）表示
1、计算机经历：电子管→晶体管→集成电路时代 2、个人电脑移动存储器的比较
材料科学的发展是计算机飞速发展的基础。
种类 使用的材料 存储容量 特点
软盘 氧化铁
1.44 Mb
容量小，文本文件存 储
CD－RW
以 ZnS 等 为 650 Mb 主的陶瓷材 料
CD光盘，价低，用量 大
MO( 磁 光 TbFeCo 合 金 650 Mb ， 需专用驱动器，价格
w1990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”。 w 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。 w 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。” w 可见，材料科学历来是技术进步的支柱
复合科学材料 碳、硼纤维及环氧化合物复合材料非常轻，可以在某 特定方向上增加强度（用于特殊目的）。
材料科学概论
材料科学概论
材料科学概论的内容主要包括以下几个方面：
首先是介绍材料科学的概念，材料科学是应用物理、化学、生物学和工程技术去分析、认识、制造及开发物质结构和性质。
它将物理学，化学，物理化学，物理气体学，有机化学，材料物理，构筑物理结合起来，涉及材料特性，本质式结构，加工方法，安全性等方面，是工程技术解决实际问题的基础。
其次，介绍材料科学的应用领域，材料科学的应用非常广泛，涉及工业，航空，军工，能源，生物技术和计算机技术等，它能提供实际的物理和化学物质的结构与性质的解释，从而更加充分地利用各种材料，满足科研和工业生产所需。
最后，简要概括材料科学和材料工程之间的相互关系，材料科学作为基础科学，提供材料物理和化学的本质，材料工程利用材料科学研究成果，制定适用于特定目的材料性质，实用工程技术，研制出符合市场需求的先进材料，材料科学和材料工程是用于解决实际问题的有效工具。
总之，材料科学涉及到各个方面的物理和化学物质，其应用为工业提供了重要支持，材料科学和材料工程之间的相互关系也一直在发挥着重要作用。
材料科学的内容
材料科学的内容材料科学是一门研究材料的性质、结构、性能和制备方法的学科。
它涵盖了多个领域，包括物理学、化学、工程学和生物学等。
随着科技的不断发展和人类对材料需求的日益增长，材料科学变得越来越重要。
本文将讨论材料科学的内涵、应用以及未来发展。
1. 材料科学的内涵材料科学的核心内容是研究材料的性质和结构。
在这个领域中，科学家们通过实验和理论研究探索材料的物理、化学和力学特性。
他们研究不同材料的化学组成、晶体结构、电子结构以及相互作用等。
通过这些研究，科学家们能够了解材料的性质和行为，从而设计和开发具有特定功能和性能的新材料。
2. 材料科学的应用材料科学在各个领域都有广泛的应用。
在工程学中，材料科学的研究成果被用于设计和制造各种机械、结构和器件。
例如，金属合金、高分子材料和陶瓷材料等被广泛应用于汽车制造、建筑结构和电子设备等领域。
在能源领域，材料科学的发展带来了更高效的太阳能电池、锂离子电池和燃料电池等新能源技术。
此外，材料科学也在医学、生物学和环境科学等领域发挥着重要的作用，例如生物材料、药物传递系统和环保材料等。
3. 材料科学的未来发展随着科技的不断进步和社会的需求变化，材料科学将继续发展和创新。
未来，材料科学研究的重点将聚焦于环境友好型和可持续发展的材料。
例如，可降解材料、太阳能材料和新型储能材料等将成为研究热点。
此外，纳米技术的发展也将对材料科学带来新的突破。
纳米材料具有独特的物理和化学性质，广泛应用于电子、光电子和生物医学等领域。
材料科学在未来的发展中还将与人工智能、机器学习和大数据等技术相结合，加速材料的研发和应用。
综上所述，材料科学是一门涉及多学科的综合性学科，它的研究内容包括材料的性质、结构、性能和制备方法等。
材料科学在各个领域都有广泛的应用，为我们的生活和科技进步做出了重要贡献。
随着科技和社会的不断发展，材料科学将继续发展和创新，并与其他学科相互交叉，推动科技的进步和社会的发展。
材料科学与工程的一级学科
材料科学与工程的一级学科摘要：一、材料科学与工程概述二、材料科学与工程的学科分支三、材料科学与工程的的应用领域四、我国材料科学与工程的发展现状与展望正文：一、材料科学与工程概述材料科学与工程是一门研究材料的设计、制备、结构、性能、加工、应用等方面的综合性学科。
它涵盖了材料的化学、物理、生物学、力学、电子学等多个学科领域，是一门跨学科、多领域、高度综合的学科。
二、材料科学与工程的学科分支材料科学与工程专业主要包括以下几个学科分支：1.材料物理与化学：研究材料的物理、化学性质及其应用。
2.材料力学与工程：研究材料在各种载荷下的力学性能及其应用。
3.材料加工工程：研究材料的制备、加工工艺及其优化。
4.材料学：研究材料的组成、结构、性能及其相互关系。
5.纳米材料与技术：研究纳米材料的制备、性能及其应用。
6.生物材料：研究生物相容性材料及其在生物医学、生物工程等领域的应用。
三、材料科学与工程的的应用领域材料科学与工程专业具有广泛的应用领域，如电子信息、航空航天、汽车制造、生物医药、能源环保等。
以下列举几个典型的应用领域：1.电子信息：集成电路、光电子器件、显示器件等。
2.航空航天：飞行器结构材料、发动机材料、涂层与防护材料等。
3.汽车制造：汽车车身材料、零部件材料、摩擦材料等。
4.生物医药：生物医用材料、药物载体材料、组织工程材料等。
5.能源环保：太阳能电池、燃料电池、核能材料、环境监测材料等。
四、我国材料科学与工程的发展现状与展望近年来，我国材料科学与工程取得了举世瞩目的成果。
在纳米材料、生物材料、高性能结构材料等领域具有国际领先水平。
然而，在材料制备、加工、应用等方面仍存在一定差距。
未来，我国材料科学与工程将继续加大研发力度，提高自主创新能力，努力实现从材料大国向材料强国的跨越。
总之，材料科学与工程是一门具有重要理论和实践价值的学科。
材料基础-第一章材料科学概论
第 四，不同类型的材料是可以相互替代和 补充，充分发挥各种材料特有的优异性能。 例如，通过对不同材料之间的复合，可以 获得结构与性能明显优于原组分材料的性能。 此外，金属材料、高分子材料和 陶瓷材料 如果一直自成体系，缺乏沟通，互不了解，就 不利于学科的协调发展和创新，更不利于集各 个单一材料的优异性能于一体，研制出性能更 为优越的新型复合材料。 正是在这样的背景下，一门新的综合性学 科－材料科学诞生了。
1.4. 2 材料科学与工程 1. 材料科学 材料科学是研究材料的组成、结构与材 料性质之间关系的一门学科。 简言之，材料科学是研究材料的组织、 结构与性质的相互关系。 它是从化学的角度，研究材料的化学组 成、原子结构、原子结合键、物相及合成方 法； 从晶体学和固体物理学的角度，分析和 讨论材料的形态、结构及其性能。
2. 材料科学与工程 材料科学与工程是研究有关材料的组成、 结构、制备工艺与其性能及使用效能以及它们 之间相互关系的技术开发及其应用的科学。 材料科学与工程的研究内容可用四面体图 来表示（图1-1）, 即材料科学与工程四要素的 相互关系： 合成与制备（synthesis-preparation）、 组成与结构（composition - structure）、 性质（property） 性能（performance）以及它们之间的关系。
1.2 材料的分类 材料是人类赖以生存和发展的物质基础，是 社会进步文明程度的标志，是一切科学技术与工 程技术的物质基础。它与世界科技发展、国家经 济建设和日常生活密切相关。 在20世纪70年代，人们已把信息、材料和能 源列为现代文明的三大支柱；20世纪80年代以高 新技术为代表的新技术革命，把新材料、信息技 术和生物技术列为重要标志；21世纪，美国把与 材料密切相关的四大技术：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。 材料不仅非常重要，而且种类繁多，目前主 要有如下几种分类方法：
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2、材料科学基础的地位
人类社会发展的历史阶段常常用当时主要使用的材 料来划分。从古代到现在人类使用材料的历史共经 历了七个时代，各时代的开始时间： w 石器时代（公元前10万年） w 青铜器时代（公元前3000年） w 铁器时代（公元前1000年） w 水泥时代（公元0年） w 钢时代（1800年） w 硅时代（1950年） w 新材料时代（1990年）
3. 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？
材料结构关系
w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。 w材料的性能包括物理性能、化学性能、力学性能。
1、计算机经历：电子管→晶体管→集成电路时代 2、个人电脑移动存储器的比较
材料科学的发展是计算机飞速发展的基础。
种类 软盘
CD－ RWΒιβλιοθήκη MO(磁 光盘)DVD－ RW
使用的材料 氧化铁
以ZnS等为 主的陶瓷材 料 TbFeCo合 金磁光材料
ZnS等为主 的陶瓷材料
存储容量 1.44 Mb
650 Mb
(二）材料科学与材料工程的关系
w 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。 w 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。 w 材料科学和材料工程之间的区别主要在于着眼点的不同或者 说各自强调的中心不同，它们之间并没有一条明确的界线，因 此，后来人们常常将二者放在一起，采用一个复合名词－材料 科学与工程（MSE，Material Science and Engineering）
材料和生活用品
钛结构自行车：“自行车发烧友” 选择钛合金制自行 车。钛合金的应用场合很特殊。通常用于需要抗腐蚀 ，耐疲劳，高弹性的场合
生命科学材料 原来使用专用的汞合金，为防止金属合金的分解已经
开发出一种可以满足口腔中特殊的物理及化学环境的新 型陶瓷。具体来讲，它需要满足下列要求：耐口腔中的 酸；低热导率（这对你吃冷饮有好处）；尽得住数年的 咀嚼力；耐骤冷骤热；当然还要口感舒适
金属材料：黑色金属材料（钢铁）、有色黑色金属材料（除钢铁 以外的） 陶瓷材料：氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷 高分子材料：塑料、橡胶合成纤维 复合材料：金属基复合材料、陶瓷基复合材料、树脂基复合材料 功能材料：电子材料、光电子材料、超导材料
（四）材料的应用
让我们回顾几项有影响的事例，以便加深理解材料的 发展在人类社会发展中起了举足轻重的作用。 w计算机与材料
特点
容量小，文本文件存 储
CD光盘，价低，用 量大
650 Mb， 需专用驱动器，价格
1.3G
高，局限在广告图形
用户
单面单层为 CD－RW和CD光盘
4.7 Gb
，用量大
w飞机和材料 从莱特兄弟实现飞行的梦想以来，航空和航天器发生了
巨变。为了飞得快和远，就要采用强度高和比重小的材料， 重视材料的比强度，即强度/比重之比。因此，航空和航天 器中铝、镁合金用量大。随着航空技术的进一步发展，轻质 和高比强度的钛合金、碳纤维
材料工程
设备 工艺 结构 性能 构件行为
(三） 材料的分类
通常根据材料的结构和用途来分类。 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。 功能材料是以声，光，电，磁，热等物理性能为 特征的材料。 又可按金属、陶瓷、高分子和它 们的复合材料来。
结构材料实际上是一种按结合键种类来分类的方法。 由此可将材料分为金属、陶瓷、高分子和由金属、陶 瓷和高分子分别组合成的各种复合材料材料。
实例 材料
压气机叶 片
铝合金
强度范 150－ 围 MPa 450
比强度 55－160 MPa
压气机 机匣 钛合金
350－ 1100
80－ 245
飞机尾翼 硼纤维铝合 金板和管
碳纤维复合 硼纤维增强
材料
铝合金
1000－ 1500（顺纤 1200 （顺 维方向） 纤维方向）
625－750
570
美国待升空的航天飞机
第一章材料科学概述
一、材料与材料科学 二、材料结构简述 三、材料的性能 四、材料工艺及其与结构和性能的关系 五、材料的强化机制
一、材料与材料科学
1.《材料科学基础》的基本概念 2.《材料科学基础》的地位 3. 学习《材料科学基础》的意义
1. 《材料科学基础》的基本概念
材料是指人类社会能接受地，经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。
复合科学材料 碳、硼纤维及环氧化合物复合材料非常轻，可以在某 特定方向上增加强度（用于特殊目的）。
航空材料 材料的主要性能取决于母体，加入合金元素成分将 改善金属的物理及机械性能——强度、耐力、使用 寿命。在飞机发动机中一种掺镍化合物制成称作718 合金被广泛的用于制造波音777客机上的发动机的压 缩机、叶片及紧固件。
材料科学 ：是一门科学，它从事与材料本质的发现 、分析和了解方面的研究，其目的在于提供材料结 构的统一描绘或模型，以及解释这种结构与性能之 间的关系。它包括下面的三个环节，核心是结构和 性能。
材料科学
工艺 结构 性能
材料工程：是工程的一个领域，其目的在于经济地，而又 为社会所能接受地控制材料的结构、性能和形状。它包括 下面的五个环节。