材料科学基础 顾宜版 第一章绪论

主要包括先进陶瓷、非晶态材料、人工晶体、无机 涂层、无机纤维等。
4. 复合材料

复合材料是由两种或两种以上化学成分或组织结构不同的材 料组合而成。

复合材料是多相材料，主要包括基体相和增强相。基体相是 一种连续相材料，它把改善性能的增强相材料固结成一体， 并起传递应力的作用；增强相起承受应力（结构复合材料） 和显示功能（功能复合材料）的作用。（教材表1-1）
第三次工业革命…

材料是当代文明的三大支柱之一
材料、能源、信息是当代社会文明和国民经
济的三大支柱，是人类社会进步和科学技术发展
的物质基础和技术先导。

材料是全球新技术革命的四大标志之一（新 材料技术、新能源技术、信息技术、生物技 术）。
未来最具潜力的新材料 1、石墨烯

突破性：非同寻常的导电性能、极低的电阻率极低和极快的电子迁移 的速度、超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性。 发展趋势：2010年诺贝尔物理学奖造就近年技术和资本市场石墨烯炙 手可热，未来5年将在光电显示、半导体、触摸屏、电子器件、储能 电池、显示器、传感器、半导体、航天、军工、复合材料、生物医药 等领域将爆发式增长。

复合材料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。
复合材料的分类

按基体材料分类：金属基复合材料，陶瓷基复合材
料，水泥、混凝土基复合材料，塑料基复合材料，
橡胶基复合材料等；

按增强体的维度可分为粒子、纤维及层状复合材料；
0.2.2 按材料的性能分类
主导材料作为标志，称当时所处的时代分别为石器 时代、青铜器时代和铁器时代。 在近代，材料的种类及其繁多，各种新材料不断 涌现，很难用一种材料来代表当今时代的特征。
中国古代许多宝刀、宝剑都是采用独特的加工方法制成的。三国时 期曹操有“百炼利器”五把。孙权有三把宝刀，其中有一把也命名 为“百炼”。刘备令蒲元造宝刀五千把，上刻有“七十二炼”。
材料科学基础
XX学院XX班
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绪 论

0.1 什么是材料？

材料与人类文明—材料的重要性 什么是材料科学与工程？


0.2 材料的分类
0.3 组成-结构-工艺过程-性质之间的关系
教学目标

了解材料的定义、分类与发展简史（现状 与趋势）。 掌握材料科学与工程的四要素及其相互之 间的逻辑关系。
了解本课程及其学习方法。


0.1 什么是材料？
世界万物，凡于我有用者，皆谓之材料
(Materials)。材料是具有一定性能，可以用来制作
器件、构件、工具、装置等物品的物质。材料存
在于我们的周围，与我们的生活、我们的生命息 息相关。
概念区别
原料（Raw Materials）与材料


原料一般不是为获得产品，而是生产材料，由原料到 材料的过程往往伴随化学变化。 材料的特点往往是为获得产品，一般从材料到产品的 转变过程不发生化学变化。
属在常温下呈现固体形态，外观不透明，具有特殊的金属光泽及
良好的导电性和导热性。在力学性质方面，具有较高的强度、刚 度、延展性及耐冲击性。 合金是由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属 元素熔合在一起形成的具有金属特性的新物质。合金的性质与组
成合金的各个相的性质有关，同时也与这些相在合金中的数量、
第一次工业革命（蒸汽时代）的突破口是推广
应用蒸汽机 ，但只有在开发了铁和铜等新材料以后，
蒸汽机才得以使用并逐步推广。
第二次工业革命（电气时代）一直延续到 20 世
纪中叶，以石油开发和新能源广泛使用为突破口，
大力发展飞机、汽车和其他工业，支持这个时期产
业革命的仍然是新材料开发。如合金钢、铝合金以 及各种非金属材料的发展。
10、形状记忆合金

突破性：预成型后，在受外界条件强制变形后，再经一定条件处理， 恢复为原来形状，实现材料的变形可逆性设计和应用。 发展趋势： 在空间技术、医疗器械、机械电子设备等领域潜力巨大。
什么是材料科学与工程？
材料科学与工程是一门以固体材料为研究对象，以固体 物理、热力学、动力学、量子力学、冶金、化学化工为理论 基础的边缘交叉的应用基础学科，它运用电子显微镜、X-射 线衍射、热谱、电子离子探针等各种精密仪器和技术，探讨 材料的组成、结构、制备工艺和加工使用过程与其机械、物
化不大。

常用的合成纤维有尼龙、涤纶、晴纶和维尼纶等。
塑料

弹性模量介于橡胶和纤维之间，约107~108 Pa。
受力形变可从百分之几至百分之几百。
有些塑料的形变是可逆的，有些塑料的形变是永久的。根 据塑料受热时行为的不同，分为热塑性和热固性塑料两类。

热塑性塑料：受热时可以软化和塑化，冷却时则凝固成形， 再加热又可软化塑化，如聚乙烯、聚氯乙烯和聚碳酸酯等。
4、气凝胶

突破性：高孔隙率、质轻、低热导率，隔热保温特性优异。 发展趋势：极具潜力的新材料，在节能环保、保温隔热电子电器、建 筑等领域有巨大潜力。
5、非晶合金

突破性：高强韧性、优良的导磁性和低的磁损耗、优异的液态流动性。 发展趋势：在高频低损耗变压器、移动终端设备的结构件等。
6、泡沫金属
根据材料在外场作用下其性质或性能对外场 的响应的不同，材料可分为结构材料和功能材料
两大类。
结构材料

指具有抵抗外场作用而保持自己的形状、结构不变的优良 力学性能（强度和韧性等），用于结构目的的材料。

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。

主要包括：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、工程塑料等传统结构材 料，以及高温合金、结构陶瓷等先进结构材料。
3. 无机非金属材料
无机非金属材料是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸
盐、锗酸盐等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼
化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备
而成的材料。是除金属材料、高分子材料以外所有材料的
总称，与广义的陶瓷材料有等同的含义。 无机非金属材料种类繁多，用途各异，目前还没有统 一完善的分类方法。一般将其分为传统的（普通的）和新 型的（先进的）无机非金属材料两大类。
1. 金属材料
金属材料是由化学元素周期 表中的金属元素组成的材料。可 分为由一种金属元素构成的单质 （纯金属）；由两种或两种以上 的金属元素或金属与非金属元素
构成的合金。合金又可分为固溶
体和金属间化合物。
在103种元素中，除He、Ne、Ar等6种惰性元素和C、Si、N
等16种非金属元素外，其余81种为金属元素。除Hg之外，单质金
0.2 材料的分类

0.2.1 按化学组成分类（重点） 0.2.2 根据材料的性能分类 0.2.3 按服役的领域来分类 0.2.4 按结晶状态分类 0.2.5 按材料的维度分类
0.2.1 按化学组成分类（重点）
1. 金属材料 2. 高分子材料（聚合物） 3. 无机非金属材料
4. 复合材料
理、化学性能之间的规律，是研究材料共性的一门学科。
概念区别
材料科学与材料工程


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 材料的潜力、发展新材料提供理论基础。 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（Materials Science and Engineering）
材料与物质（Matter）


材料可由一种或多种物质组成。 同一物质由于制备方法或加工方法不同可以得到用途 各异、类型不同的材料。 材料科学侧重于工程学（工科），物质科学侧重于基 础科学（理科）。

材料与人类文明
材料是科学技术发展和社会进步的物质基础，是
人类文明进步的标志。
在历史上，人们将石器、青铜器、铁器等当时的

突破性： 重量轻、密度低、孔隙率高、比表面积大。 发展趋势： 具有导电性，可替代无机非金属材料不能导电的应用领域；在 隔音降噪领域具有巨大潜力。
7、离子液体

突破性：具有高热稳定性，宽液态温度范围，可调的酸碱性、极性、配位 能力（“可设性”），易于与其他物质分离（循环利用率高），良好的导 电性等。 发展趋势：在绿色化工领域，以及生物和催化领域具有广阔的应用前景。
英国曼彻斯特大学科学家安德烈· 海姆
2、碳纳米管

突破性：高电导率、高热导率、高弹性模量、高抗拉强度等。 发展趋势：功能器件的电极、催化剂载体、传感器等。
3、3D打印材料

突破性：改变传统工业的加工方法，可快速实现复杂结构的成型等。 发展趋势：革命性成型方法，在复杂结构成型和快速加工成型领域，有很 大前景。 主要研究机构（公司）：Object公司，3DSystems公司，Stratasys公司，华 曙高科等。

热固性塑料：受热时软化和塑化，发生化学反应，并固化 成型，冷却后不能再加热软化塑化，如环氧塑料、酚醛塑
料（电木）和脲醛塑料等。
胶粘剂

常温下处于粘流态，当受到外力作用时，会产生永久 变形，外力撤去后又不能恢复原状的高聚物。

有时把聚合后未加工成型的高聚物称为树脂，以区分 加工后的塑料或纤维制品，如电木固化前称酚醛树脂， 涤纶纤维未纺织前称涤纶树脂。
传统的无机非金属材料

主要是指由SiO2及其硅酸盐化合 物为主要成分制成的材料。