材料科学概述 ppt课件
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材料科学概述
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
铷37 锶38 钇39 锆40 铌41 钼42 锝43 钌44 铑45 钯46 银47 镉48 铟49 锡50 锑51 碲52 碘53 氙54 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
La 铯55 钡56
Cs Ba
铪72 钽73 钨74 铼75 锇76 铱77 铂78 金79 汞80 铊81 铅82 铋83 钋84 砹85 氡86 Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
光电子材料：迅速发展
敏感材料：人类感官的延伸和加强
Flooding around Macon, France, 2001-03-27
生物医用材料：永恒的需求
〖例1〗骨骼替Байду номын сангаас材料
不锈钢 钛合金 生物相容性材料 生理活性材料
〖例2〗药物载体材料
缓释胶囊
生物导弹
纳米材料：学科前沿
材料 >1 cm
绿色制冷
International Space Station
Columbus Laboratory
01/16/2003
制约因素
lost on Feb.1, 2003
建造中的“泰坦尼克号”
沉没在3658m 海底的“泰坦尼克号”
二、材料和材料学科
材料
materials:
—— anything from which something is or may be made
Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
结构
简单立方
面心立方
体心 立方
clathrate compound
Al, Ga, In, Si, Ge, Sn
alkali or alkali-earth
组织
200 mm Al-3wt%Mg, 95% cold-rolled, 500°C 320 seconds annealed
平均材料价格 (元/公斤)
汽车
飞机
40
4 000
航天器 400 000
效用（资源问题）
一次性木筷
这个地球不是我们从上一辈继承下来的, 而是向下一辈借来的!!!
高技术新材料
信息材料：最活跃的领域
硅材料：信息产业的钢铁
晶体管(1947) 集成电路(1958) 大规模集成电路(1967) 超大规模集成电路(1977) 极大规模集成电路(90年代)
材料疲劳问题
智能材料：“活”的材料
•自感知 •自适应 •自诊断 •自修复
能源材料：人类活动的基础
超导材料、储能材料、太阳能材料、 核电材料、燃料电池材料、
热
Heat Source
电
p e+
e-
n
材
Heat Sink
料
I
余热发电
Active Cooling
p e+
e-
n
Heat Rejection I
晶粒 >10 mm
原子
(1 Å) 10-10m
纳米材料：晶粒(颗粒)尺寸 <100 nm 的材料
C60：12个五边形和20个六边形组成的空心球
性能独特：K3C60 (最好的导体), K6C60 (绝缘体)
高速自转（最好的润滑剂） 空心球（仓库和载体）
C60
仿生材料：巧夺天工
复合材料：天然材料的模仿
三、材料科学研究内容
成分
合成
组织
MSE
结构
性能
效用
成分
IA
O
氢1
氦2
H IIA 锂3 铍4
元素周期表
He IIIA IVA VA VIA VIIA 硼 5 碳 6 氮 7 氧 8 氟 9 氖10
Li Be
Periodic Table of Elements
B C N O F Ne
钠11 镁12
铝13 硅14 磷15 硫16 氯17 氩18
● 中国（1978年）：
浙江大学等成立材料系，形成独立的材料学科
❖ 全国一百多所大学有博士点
❖ 国家自然科学基金2002年批准经费
材料学科：
6133 万元
通讯与电子信息： 2844 万元
计算机与网络： 控制与系统工程：
2012 万元 2058 万元
9440 万元
光电信息与器件： 2470 万元
❖ 浙大材料学科SCI论文位居全校前列
世间万物，凡于我有用， 皆谓之“材料”
按成分分类
金属、无机非金属、有机高分子、复合材料
按功能分类
结构材料 功能材料
按应用分类
建筑材料、信息材料、 能源材料、航空材料、 生物医用材料
材料学科
● 触发事件（1957年）：
原苏联人造地球卫星上天，美国朝野震惊
● 美国（1960年）：
材料研究中心、材料科学(与工程)系
获得材料的途径，产业化的关键
工匠
技术单传
技术失传
莫邪剑：技术失传
石蜡铸造：地摊上的发现
主要材料生产能耗：比欧美高一倍
性能
力学性能：密度、硬度、强度、韧性、延伸率 物理性能：电学、磁学、热学、光学、声学 化学性能、生物学性能、经济学性能 环境学性能、社会学性能
效用（物尽其用）
❖ 纸中加泥土 ❖ 好钢用在刀刃上
第一代电子管计算机（1945年，ENIAC）
1947年锗晶体管，1958年硅集成电路
第二代晶体管计算机（1959年） 第三代集成电路计算机（1964年） 第四代大规模集成电路计算机（1970年代初）
核反应器内腔（镍基合金材料）
Space Life Boat Ariane D503
International Space Station (2001-08-20)
160 nm
2 mm Mn-doped Fe2Si5 thermoelectric material
750 nm
37 nm
37 nm
single SWCNT crystal
Science, Vol. 292, 1136-1139, May 11, 2001
螺旋状碳纳米管
硅片表面形貌
合成与制备
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
铷37 锶38 钇39 锆40 铌41 钼42 锝43 钌44 铑45 钯46 银47 镉48 铟49 锡50 锑51 碲52 碘53 氙54 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
La 铯55 钡56
Cs Ba
铪72 钽73 钨74 铼75 锇76 铱77 铂78 金79 汞80 铊81 铅82 铋83 钋84 砹85 氡86 Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
光电子材料：迅速发展
敏感材料：人类感官的延伸和加强
Flooding around Macon, France, 2001-03-27
生物医用材料：永恒的需求
〖例1〗骨骼替Байду номын сангаас材料
不锈钢 钛合金 生物相容性材料 生理活性材料
〖例2〗药物载体材料
缓释胶囊
生物导弹
纳米材料：学科前沿
材料 >1 cm
绿色制冷
International Space Station
Columbus Laboratory
01/16/2003
制约因素
lost on Feb.1, 2003
建造中的“泰坦尼克号”
沉没在3658m 海底的“泰坦尼克号”
二、材料和材料学科
材料
materials:
—— anything from which something is or may be made
Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
结构
简单立方
面心立方
体心 立方
clathrate compound
Al, Ga, In, Si, Ge, Sn
alkali or alkali-earth
组织
200 mm Al-3wt%Mg, 95% cold-rolled, 500°C 320 seconds annealed
平均材料价格 (元/公斤)
汽车
飞机
40
4 000
航天器 400 000
效用（资源问题）
一次性木筷
这个地球不是我们从上一辈继承下来的, 而是向下一辈借来的!!!
高技术新材料
信息材料：最活跃的领域
硅材料：信息产业的钢铁
晶体管(1947) 集成电路(1958) 大规模集成电路(1967) 超大规模集成电路(1977) 极大规模集成电路(90年代)
材料疲劳问题
智能材料：“活”的材料
•自感知 •自适应 •自诊断 •自修复
能源材料：人类活动的基础
超导材料、储能材料、太阳能材料、 核电材料、燃料电池材料、
热
Heat Source
电
p e+
e-
n
材
Heat Sink
料
I
余热发电
Active Cooling
p e+
e-
n
Heat Rejection I
晶粒 >10 mm
原子
(1 Å) 10-10m
纳米材料：晶粒(颗粒)尺寸 <100 nm 的材料
C60：12个五边形和20个六边形组成的空心球
性能独特：K3C60 (最好的导体), K6C60 (绝缘体)
高速自转（最好的润滑剂） 空心球（仓库和载体）
C60
仿生材料：巧夺天工
复合材料：天然材料的模仿
三、材料科学研究内容
成分
合成
组织
MSE
结构
性能
效用
成分
IA
O
氢1
氦2
H IIA 锂3 铍4
元素周期表
He IIIA IVA VA VIA VIIA 硼 5 碳 6 氮 7 氧 8 氟 9 氖10
Li Be
Periodic Table of Elements
B C N O F Ne
钠11 镁12
铝13 硅14 磷15 硫16 氯17 氩18
● 中国（1978年）：
浙江大学等成立材料系，形成独立的材料学科
❖ 全国一百多所大学有博士点
❖ 国家自然科学基金2002年批准经费
材料学科：
6133 万元
通讯与电子信息： 2844 万元
计算机与网络： 控制与系统工程：
2012 万元 2058 万元
9440 万元
光电信息与器件： 2470 万元
❖ 浙大材料学科SCI论文位居全校前列
世间万物，凡于我有用， 皆谓之“材料”
按成分分类
金属、无机非金属、有机高分子、复合材料
按功能分类
结构材料 功能材料
按应用分类
建筑材料、信息材料、 能源材料、航空材料、 生物医用材料
材料学科
● 触发事件（1957年）：
原苏联人造地球卫星上天，美国朝野震惊
● 美国（1960年）：
材料研究中心、材料科学(与工程)系
获得材料的途径，产业化的关键
工匠
技术单传
技术失传
莫邪剑：技术失传
石蜡铸造：地摊上的发现
主要材料生产能耗：比欧美高一倍
性能
力学性能：密度、硬度、强度、韧性、延伸率 物理性能：电学、磁学、热学、光学、声学 化学性能、生物学性能、经济学性能 环境学性能、社会学性能
效用（物尽其用）
❖ 纸中加泥土 ❖ 好钢用在刀刃上
第一代电子管计算机（1945年，ENIAC）
1947年锗晶体管，1958年硅集成电路
第二代晶体管计算机（1959年） 第三代集成电路计算机（1964年） 第四代大规模集成电路计算机（1970年代初）
核反应器内腔（镍基合金材料）
Space Life Boat Ariane D503
International Space Station (2001-08-20)
160 nm
2 mm Mn-doped Fe2Si5 thermoelectric material
750 nm
37 nm
37 nm
single SWCNT crystal
Science, Vol. 292, 1136-1139, May 11, 2001
螺旋状碳纳米管
硅片表面形貌
合成与制备