材料科学的产生与
材料科学的新发现与应用
材料科学的新发现与应用材料科学是研究材料的性质、结构、制备与应用的一门交叉学科。
近年来，随着科技的迅猛发展，材料科学在众多领域取得了显著的新发现，并找到了广泛的应用。
本文将探讨一些当前材料科学的重要发现及其在各个行业中的应用，包括纳米材料、高性能复合材料、智能材料以及生物材料等。
纳米材料的崛起纳米材料是指至少有一个维度在1到100纳米范围内的材料。
在过去几十年间，纳米材料因其独特的物理、化学特性，被广泛关注并迅速发展。
1. 纳米粒子的制备与特性纳米粒子的制备方法有多种，包括物理法、化学法和生物法等。
其中，化学合成方法因其简单、高效，被广泛应用。
纳米粒子展示出许多优异的特性，如增强的强度、良好的电导性和独特的光学特性，使其在电子器件、催化剂和生物医药等领域具有广泛应用。
2. 在能源领域的应用纳米材料在能源领域展现出巨大的潜力。
例如，钙钛矿太阳能电池中的纳米结构能够显著提高光电转化效率，相比传统太阳能电池，其效率提升可达25%以上。
此外，使用纳米催化剂可以提高氢气生产的效率，促进清洁能源的发展。
高性能复合材料复合材料由两种或两种以上的不同材料组合而成，这种组合使得复合材料具有优于单一材料的性能。
近年来，高性能复合材料得到了深入研究和快速发展。
1. 结构与性能高性能复合材料通常由增强相和基体相组成，其中增强相提供强度或刚度，而基体相则提供韧性和其他功能属性。
例如，碳纤维增强塑料（CFRP）是一种轻量化且强度极高的复合材料，其在航空航天和汽车工业中的应用越来越普遍。
2. 在航空航天领域的应用因其优异的性能，高性能复合材料在航空航天领域发挥着重要作用。
现代飞机机身采用大量碳纤维复合材料，大幅降低了自重并提高了燃油效率。
此外，在航空航天器中使用这些复合材料还可以提高抗疲劳性和抗腐蚀性，延长使用寿命。
智能材料的发展智能材料是指那些能够对外界刺激（如温度、压力、电场等）做出适应性响应的材料。
这类材料拥有自我修复、自我调节和自我感知等功能，显示出深远的应用前景。
材料科学的新进展和发展前景
材料科学的新进展和发展前景材料科学是一门研究材料的结构、性能和制备的学科，是现代工业和科技发展不可或缺的重要领域。
在过去的几十年里，材料科学研究已经取得了巨大的进展，不断推动着科技进步和人类文明的发展。
本文将探讨材料科学的新进展和发展前景。
一、材料科学的发展历程材料科学的发展历程可以追溯到人类文明的起始阶段，从最早的石器到当今的高新技术材料，人类不断地寻求着更好的材料用于生产和生活。
然而，真正的材料科学学科始于20世纪初，随着科学技术的不断发展，材料科学的研究领域也不断拓展。
传统的材料科学研究包括金属、陶瓷、聚合物等材料的制备、加工和性能研究，近年来，材料科学的研究领域已经不断拓展，涉及到新型材料、纳米材料、生物材料等多个领域。
二、新型材料新型材料是近年来材料科学研究的热点领域之一。
新型材料指的是在传统材料基础上，通过改变结构、制备方法等方式制备而成的材料。
新型材料具有传统材料所没有的特殊性能，比如高强度、高韧性、高温稳定性、阻尼性等。
目前，新型材料包括以碳纳米管、石墨烯等为代表的碳纳米材料、以半导体材料为代表的光电材料、以超导材料、磁性材料等为代表的功能材料等。
这些材料的应用涉及到电子信息、能源、生物医学等多个领域。
三、纳米材料纳米材料是指粒径小于100纳米的材料。
由于其特殊的尺度效应和表面效应，纳米材料表现出了许多传统材料所没有的特殊性质。
比如，纳米金属材料具有高比表面积和电导率，纳米陶瓷材料具有高强度和韧性，纳米复合材料具有多功能性。
目前，纳米材料已经广泛应用于制备纳米电子器件、生物传感器、新型催化剂和高强度材料等领域。
四、生物材料生物材料是指与生物体相互作用的材料，如医用材料、生物纳米材料、生物仿生材料等。
生物材料的特殊性质是在兼顾生理相容性和机械性能的前提下，具有优异的治疗效果和生物相容性。
目前，生物材料已经广泛应用于骨科、牙科、心脑血管等大型组织移植领域，为人类健康和医学研究带来了巨大的贡献。
材料科学与工程学科的发展历程和趋势
材料科学与工程学科发展历程和趋势摘要：本文结合国内几所高校材料学科的具体实例，综述了材料科学与工程学科的国内外发展的历史进程，讨论了材料科学与工程学科的发展趋势，同时展望了材料科学与工程学科在未来的发展前景。
关键词：材料科学与工程，发展历程，趋势AbstractIn this paper,on the basis of practice of materials science and engineering discipline in several domestic universities, the development process of materials science and engineering at home and abroad were reviewed, and the development trend of this discipline were discussed. Meanwhile, the prospect of this subject in the future were prospected.Keywords:materials science and engineering,development process,trend1 引言上个世纪70年代以来，人们把信息、材料和能源作为社会文明的支柱。
80年代又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。
随着科学技术的高速发展，新技术、新产品及新工艺对新材料的要求越来越强烈，也促进了当代材料科学技术的飞速发展。
现在，材料学科及教育的重要性已被人们认识，国内外许多工科院校及综合性大学都相继成立了材料科学与工程学院（系）。
2 材料科学与工程学科发展历程“材料科学”这个名词在20世纪60年代由美国学者首先提出。
1957年，苏联人造地球卫星发射成功之后，美国政府及科技界为之震惊，并认识到先进材料对于高技术发展的重要性，于是一些大学相继成立了十余个材料科学研究中心，从此，“材料科学”这一名词开始被人们广泛使用。
材料科学与工程学科的发展历程和趋势
材料科学与工程学科的发展历程和趋势本页仅作为文档页封面，使用时可以删除This document is for reference only-rar21year.March材料科学与工程学科发展历程和趋势摘要：本文结合国内几所高校材料学科的具体实例，综述了材料科学与工程学科的国内外发展的历史进程，讨论了材料科学与工程学科的发展趋势，同时展望了材料科学与工程学科在未来的发展前景。
关键词：材料科学与工程，发展历程，趋势AbstractIn this paper,on the basis of practice of materials science and engineering discipline in several domestic universities, the development process of materials science and engineering at home and abroad were reviewed, and the development trend of this discipline were discussed. Meanwhile, the prospect of this subject in the future were prospected.Keywords:materials science and engineering,development process,trend1 引言上个世纪70年代以来，人们把信息、材料和能源作为社会文明的支柱。
80年代又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。
随着科学技术的高速发展，新技术、新产品及新工艺对新材料的要求越来越强烈，也促进了当代材料科学技术的飞速发展。
现在，材料学科及教育的重要性已被人们认识，国内外许多工科院校及综合性大学都相继成立了材料科学与工程学院（系）。
2 材料科学与工程学科发展历程“材料科学”这个名词在20世纪60年代由美国学者首先提出。
材料科学的历史地位和发展历程
材料科学的历史地位和发展历程
- 材料科学的历史地位
- 材料科学是一门研究物质结构、性质和制备方法的学科，是现代科技的基础和支撑。
- 材料科学涉及到各种物质，包括金属、陶瓷、高分子材料、半导体材料等，广泛应用于工业、医疗、能源、交通等领域。
- 20世纪以来，材料科学的发展推动了现代科技的进步，例如计算机、通信、航空航天、新能源等领域的发展都离不开材料科学的支持。
- 材料科学的发展历程
- 古代：人们开始使用天然材料，如木材、石头、骨头等，制作工具和器物。
- 中世纪：发展了制陶技术，开始使用陶器和玻璃器皿。
- 工业革命时期：发展了冶金学和机械加工技术，开始使用金属材料制造机械和工具。
- 20世纪初：发展了高分子化学，开发出塑料等新材料。
- 20世纪中期：发展了半导体材料和光电子技术，推动了电子工业的发展。
- 当代：发展了纳米材料和生物材料等新领域，开拓了新的应用领域。
- 材料科学的未来发展趋势
- 研究更加复杂、多功能的材料，例如智能材料、超材料等。
- 开发更加环保、可持续的材料，例如生物可降解材料、可再生能源材料等。
- 推动材料科学与其他学科的交叉融合，例如材料与生物学、材料与计算机科学等。
- 加强材料科学的基础研究，探索更加深入的物质本质和结构规律。
材料科学基础报告 金属材料的发展与展望
金属材料的发展和展望一、金属材料的发展过程材料的发展史就是人类社会的发展史，经历了石器、陶器、青铜器、铁器时代。
我们正处于多元材料时代，材料、能源、信息是现代社会的三大支柱。
金属材料是指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。
包括纯金属、合金、金属材料金属间化合物和特种金属材料等。
金属材料一直扮演着重要的角色，例如陆、海、空、各类运输工具，桥梁、建筑、机械工具，国防重工业等。
金属材料发展的四个阶段：由公元前4300年用金、铜、铁铸造锻打制作出大马士革刀、日本武士剑等原始钢铁到十九世纪铁桥铁路的修筑建立学科基础，又由十九世纪中金属学、金相学发展到合金相图、位错理论等微观组织理论的发展。
微观理论的深入研究有原子扩散、马氏体相变、位错滑移，原子显微镜、电子显微镜等新仪器的产生又为进一步研究微观组织提供了可能性，随之产生了表面和界面科学。
材料科学研究了材料的核心关系，即结构和性能的关系，制造工艺决定了材料的结构，结构又决定了材料的性能，性能决定了它的用途。
材料科学和技术进入世界科技发展优先领域的第五位。
在面临环境保护、节约能源的情况下，新材料便应运而生。
现代金属材料有铝镁合金等先进结构材料、钛铝合金等高温合金材料、复合材料、超导材料、能源材料、智能材料、磁性材料、纳米材料等。
材料力学性能有强度、弹性、塑性、硬度等，物理性能有电学、磁学、热学、光学性质等。
对材料的研究方向正由力学性能慢慢向物性转变。
金属材料具有高强度、优良的塑性和韧性，耐热、耐寒。
可铸造、锻造、冲压和焊接，还有良好的导电性、导热性和铁磁性，因此是一切工业和现代科学技术中最重要的材料。
二、金属材料的现状金属材料作为人类推动社会发展的重要载体之一，作为原料在人类的生产生活中已经被广泛应用，金属材料作为原料具有以下等特征，金属材料本身具备高弹性的模量，金属材料具有高强度的韧性，金属材料的强度硬度是其他同类原料所无法比拟的，在当代金属材料科学的不断成长下金属材料在所有材料的范畴中占据了非常非常重要的位置，在现实中，最常见的金属材料应用的领域有航天航空以及建筑工程等行业。
材料学概论1-绪论
材料是人类文明 发展的物质基础
内容：学习材料学的基本知识。主要涉及 到各种材料的组成、结构、性能、应用以 及它们之间的关系。 目的：材料类专业的入门课及专业基础课 之一。了解材料的基本知识，逐步扩大材 料的专业知识面，培养分析和解决有关材 料问题的初步能力。
第一章 绪论
1. 材料的定义与分类 2. 材料的地位和作用 3. 材料学的形成和发展
晶体管小到用 电子显微镜都 难以观察！
第三代半导体材料－宽禁带半导体
SiC, GaN, ZnO 等，半导体是一种宽禁带半导体材 料，是继第一代半导体材料硅（Si）和第二代半导 体材料砷化镓（GaAs）后，发展起来的第三代半导 体材料。 在高技术中，尤其是军用和光电子 领域有优势，可以应用于： 1）高温器件
2）高功率器件
3）高频高速 4）发光与激光
SiC与Si使用范围比较
击穿电压
SiC
电子漂移速度
Si
导热率
使用温度
(使用温度>500 º C)
SiC研究和应用现状
高质量大尺寸的 SiC 晶体几乎被美国 Cree公司垄断。我国生产器件用的SiC 晶体全部依赖进口。 2英寸晶片售价为：500－800美元/片
1927~1937 1937~1966 1966~1975 1975~现在
采矿工程与冶金
采矿与冶金 冶金 冶金与材料科学 材料科学与工程
3.3 材料科学的内容
材料科学的内容可以用一个四面体来表示，也就 是材料科学是研究一种材料的成分（结构）、合
成（工艺）、性质与效能及它们之间的关系。
效能(performance)
2010
2020
在发动机上叶片材料应用的年份
合金晶粒结构的变化（约1970年代）
材料学背景和培养方向
材料学背景和培养方向
材料学是一门研究材料性质、结构、组成、制备、应用以及它们之间相互关系的科学。
它涉及到多个学科领域，包括化学、物理、工程学等。
材料学背景和培养方向可以涵盖以下方面：
学科基础：材料学的基础包括化学、物理和工程学等学科。
学生需要掌握这些学科的基本理论和实践技能，以便能够深入理解材料的性质和行为。
材料制备与加工：材料制备与加工是材料学中的重要内容。
学生需要了解各种材料的制备方法和工艺，包括金属、陶瓷、高分子材料等。
同时，他们还需要了解材料的加工技术，如铸造、焊接、注塑等。
材料性能与测试：材料的性能是评价其适用性的关键因素。
学生需要掌握各种材料的性能特点，如力学性能、热性能、电性能、磁性能等。
此外，他们还需要了解材料的测试和表征方法，如显微镜、X 射线衍射、光谱分析等。
材料应用：材料的应用是材料学的重要目的之一。
学生需要了解各种材料的用途和适用范围，如航空航天、汽车、电子、生物医疗等领域的材料应用。
同时，他们还需要了解市场需求和未来发展趋势，以便能够为未来的应用提供更好的解决方案。
创新与开发：创新与开发是推动材料科学和技术发展的重要动力。
学生需要具备创新思维和创新能力，通过实验和实践来发现和解决材料科学和技术中的问题。
同时，他们还需要了解相关的知识产权保护和商业化运作，以便能够将创新成果转化为实际产品。
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• 一门新学科或者是从一个现存的、宽泛的领域进一步的细化分离； 或者截然相反，从若干固有的、狭窄的领域中拓展组合而成。
• 在19世纪物理化学从合成有机化学中分离出来便是前者的范例，而 材料科学的出现由冶金学、固体物理学和物理化学等结合而成。
学科形成标志
• 大学设置相应专业 • 学会期刊 • 国际性学术会议 • 学会 • 学术著作 • 自成体体系研究领域
材料科学四要素
• 组成：化学组成和矿物组成 • 结构：微观结构、介观结构和宏观结构 • 合成与加工（制备工艺） • 性能：材料本身所固有的性质
按材料尺度
• 零维材料 • 一维材料 • 二维材料 • 三维材料
材料的发展史，就是人类社会的发展史
从古代到现代人类使用材料的历
史共经历7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（公元0年）
•
钢时代（1800年）
•
硅时代（1950年）
从技术到科学
• 揭示生长速度-冷却速度-成分过冷-液固界面以及 结晶物结构之间的关系——指导铸造
• 冶金学原理 • 陶瓷导论 • 组成-结构-性能-制备工艺-使用性能之间关系
材料科学三个重要属性
• 多学科交叉 • 与实际使用紧密结合 • 正在发展中的科学
学科与学科的形成
学科：相对独立的知识体系 。
信息功能材料
• 信息储存材料
• 数据传输材料
先进结构材料
• 超高温合金材料与制备技术 • 超高温复合材料 • 结构功能一体化材料 • 核反应堆用材料 • 高性能纤维
能源材料
• 超导材料 • 电池材料 • 储氢材料 • 太阳能材料
纳米材料
• 纳米材料的制备与合成 • 纳米材料的结构表征 • 纳米材料的奇异性能 • 纳米材料的实用化
高分子材料
• 通用高分子材料的高性能化新技术、新原理 • 功能高分子材料的研究 • 纳米复合新技术 • 聚合物成型理论与技术 • 废弃高分子材料回收与利用
参考文献
• 材料科学导论 徐祖耀 科学出版社 • 走进材料科学 罗伯特 W.康 化学工业出版社
构成一门独立学科的三个基本要素： （1）研究的对象或研究的领域，即独特的、不可替代的研究对象。
（2）理论体系，即特有的概念、原理、命题、规律等所构成的严密的逻辑化的知识系统。 （3）方法论，即学科知识的生产方式。
专业：一般指高校或中等专业学校根据社会分工需要而划分的学业门类。
高校的专业是社会分工、学科知识和教育结构三位一体的组织形态，其中，社会分工是 专业存在的基础，学科知识是专业的内核，教育结构是专业表现形式。
材料科学的由来
• 20世纪50年代产生于美国 • 1958年美国伊利诺伊州(Illinois)西北大学招收材料科学研究生 • 1957年Frankel教授开设《材料性能原理》(principles of the
properties of materials) • 1964年美国已有11所大学有材料科学系 • 20世纪60年代材料科学引入欧洲，1962年英国北威尔士大学 • 1978年浙江大学成立材料科学与工程系 • 1993年我校成立材料科学与工程系
• 金属材料 • 无机非金属材料 • 有机高分子材料 • 复合材料
按功能分类
• 结构材料 • 功能材料
根据服役领域
• 信息材料 • 航空航天材料 • 能源材料 • 生物医用材料 • 建筑材料 • 机械工程材料 • 纺织材料● ● ●
材料服役领域所占比例
根据结晶状态
• 单晶材料 • 多晶材料 • 非晶态材料 • 准晶材料
材料科学诞生的基础
• 物理冶金学 • 陶瓷导论 • 高分子物理与化学 • 位错理论 • 体视金相学
材料科学产生基础——材料表征
• 金相学（metallography)--金相学课本1912 • 1865年Sorby发明光学显微镜 • 1920s用光学显微镜研究相图 • 1926~1927年发明电子显微镜（原理性） • 1937年西门子公司第一台透射电子显微镜 • 1939年扫描电子显微镜样机出现 • 1948年发明闪烁计数器 • 1963年商品化生产 • 1947年微探针分析仪
材料科学导论
材料科学研究所 尹洪峰
课程内容与教学过程
➢ 材料科学的产生与发展 4
➢ 材料中的界面及其控制 6
➢ 相变及其控制
6
➢ 科学指导下的材料（同学报告）4
➢ 陶瓷材料增韧
4
➢ 金属材料强化
4
➢ 金属玻璃
4
➢ 形形色色的功能材料（同学报告）4
➢ 材料的复合化
4
材料科学的产生与发展
按化学组成
材料科学产生基础——材料表征
• 原子吸收光谱 • 拉曼光谱仪 • 质谱仪 • 色谱仪 • 热分析-差热分析（DTA）1887
-差热扫描量热分析（DSC）1965 • 硬度计-1908年布氏硬度计雏形
材料科学产生基础——聚合物
• 球晶 • 层状聚合物 • 半结晶性 • 串晶 • 半结晶聚合物存在弹性变形和塑性变形以及应变硬化 • 1935年美国杜邦公司生产尼龙，包括拉拔工艺 • 聚合物中的扩散和蠕动 • 聚合物共聚物——聚合物合金 • 聚合物相变
• 使用性能：与使用性能相关联的性能
材料科学技术发展的重点
• 材料制备工艺与技术的开发 • 材料应用研究与开发 • 开发先进材料，发展高技术产业 • 材料设计 • 科学仪器与检测装置
先进材料开发
• 信息功能材料 • 先进结构材料 • 能源材料 • 有机高分子材料 • 纳米材料 • 生物材料 • 环境友好材料 • 仿生材料
材料科学实验室
• 1954年提交建立交叉学科实验室报告 • 1957年10月前苏联发射人造卫星 • 1957年美国政府批准建立12个交叉学科实验室，后更名
为材料研究实验室，由空军研究署空军办公室负责 • 1972年材料研究实验室由国家科学基金会管理
材料科学诞生的基础
• 原子和晶体 • 相平衡与亚稳态 • 显微组织 • 相变与同素异构现象 • 晶体缺陷 • 晶体化学与物理 • 矿物学 • 量子理论与固体电子理论 • 统计力学
•
新材料时代（1990年）
材料科学发展进程
• 1669，N.Steno, 晶面角守恒定律 • 1885，A.Bravais, 晶体空间点阵学说 • 1912，ue,晶体X-射线衍射 • 1915,W.H.Bragg and W.L.Bragg
X-射线晶体结构分析 电子显微技术 扫描隧道镜，原子力显微镜