同济大学第00章 材料科学基础绪论

半导体薄膜。由于薄膜的电子所处状态和外界环境的 影响，可表现出不同的电子迁移规律，完成特定的电 学、光学或电子学功能，如成为绝缘体、铁电体、导 体或半导体等，从而有可能作为光学薄膜用于非线性 光学、光开关、放大或调幅、敏感与传感元件，用于 显示或探测器，用于环保或表面改性的保护膜。
• 三维材料即块状材料。
程环境密切相关。实用性能包括可靠性、耐用性、寿
命预测及延寿措施等。
• （D）合成和加工（制备）
• 包括传统的冶炼、铸锭、制粉、压力加工、焊接等，
也包括新发展的真空溅射、气相沉积等新工艺，使人 工合成材料如超晶格、薄膜材料成为可能。
（2）材料科学与材料工程的关系
• 一般来讲，科学是研究“为什么”的学问，而工
材料按结晶状态分类
– 单晶材料是由一个比较完整的晶粒构成的材料，如 单晶纤维、单晶硅；
– 多晶材料是由许多晶粒组成的材料，其性能与晶粒 大小、晶界的性质有密切的关系。
– 非晶态材料是由原子或分子排列无明显规律的固体 材料，如玻璃、高分子材料。
– 准晶材料是指准周期性晶体材料的简称，准晶仍然 是晶体，准晶中的原子分布有严格的位置序，但位 置序无周期性，即没有周期性平移对称关系，在准 晶材料中存在不符合传统晶体学的五次、八次、十 二次对称轴。
分子及其运动状态与各种物性之间的关系
• （3）在此基础上为材料的合成、加工工艺及应
用提出科学的依据。
归纳：
• 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。
• 能源材料是指能源工业和能源技术所使用的材
料，按使用目的不同分为新能源材料、节能材
料和储氢材料等。新能源材料包括增值堆用核
材料、聚变堆材料、太阳能电池（单晶硅、多
晶硅、非晶硅等）；节能材料包括非晶体金属 磁性材料（用作变压器铁芯的Fe-Mn-B-Si合金） 和超导材料（Nb-Ti、Nb-Sn巨型磁体用材 料）；储氢材料，以及高比能电池（如钠硫电 池）等。目前钠硫电池的比能量达137W.h/Kg， 而铅蓄电池的比能量只有30W.h/Kg。
《材料科学基础》
《Foundations of Materials Science》
主讲 ：教授
同济大学材料科学与工程学院 无机非金属材料研究所
绪论
• 有关材料的一些话题
• 有关构建材料科学体系的一些话题
•
学习《材料科学基础》的目的与意义
•
本期《材料科学基础》的基本内容
•
如何学好《材料科学基础》
•
准晶从结构角度看是一种新的物质形态，但实 际上它们仅在特定的金属合金中形成，是成分范围 较窄的金属间化合物。
按材料的尺寸分类
材料按材料的尺寸可分为零维材料、一维材 料、二维材料、三维材料。
• 零维材料即超微粒子，通过Sol-gel法、多相沉
积或激光等方法，可以制备出亚微米级的陶瓷 或金属粉末，大小1—100nm的超微粒比表面 积大（可作为高效催化剂）、比表面能高、熔 点低、烧结温度下降、扩散速度快、强度高而 塑性下降慢、电子态由连续能带变为不连续、 光吸收也发生异常现象（可以成为高效微波吸 收材料）。
• （3） 材料的分类 （P1－2） • 材料按化学组成（或基本组成）分类 • 根据材料的性能分类 • 材料按服役的领域来分类 • 材料按结晶状态分类 • 材料按材料的尺寸分类
• 按物理性质可分为：导电材料、绝缘材料、半导
体材料、磁性材料、透光材料、高强度材料、高 温材料、超硬材料等。
• 按物理效应分为：压电材料、热电材料、铁电材
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。
• 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）
• 信息材料是指用于信息的探测、传输、显示、运
算和处理的光电信息材料。信息材料主要包括信 息的监测和传感（获取）材料、信息的传输材料、 信息的存储材料、信息的运算和处理材料。
• 航空航天材料主要包括新型金属材料（如先进铝合金、超高强
度钢、高温合金、高熔点合金、铍及其合金）、烧蚀防热材料 和新型复合材料。此外，还包括一些功能材料，如涂层材料、 隔热材料、透明材料、阻尼材料、密封材料、润滑材料、粘合 剂材料等。这些材料大部分属于高分子材料和陶瓷材料，也有 少量是阻尼合金等金属材料。
DVD － ZnS 等 为 主 的 单面单层为4.7 CD－RW和CD光盘，用
RW
陶瓷材料
Gb
量大
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、 碳纤维高分子复合材料、 硼纤维金属复合材料等得 到愈来愈多的采用。
在材料科学基础这门课程 中通常都是按金属、陶瓷、 高分子和它们的复合材料来 组织教材内容的 。
• （4）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。 计算机与材料 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。
三、学习《材料科学基础》 的目的和意义
《材料科学基础》是材料科学与工程专业本科生的 一门重要的专业基础课，以介绍材料的基础理论 为目的，既有较强的理论性，又与生产实际有紧 密的联系。
• 正是这样的背景条件促使了材料学科——
一门新的综合性学科的诞生。
什么是材料科学 ？
• 材料科学是一门以材料为研究对象，介于基础科
学与应用科学之间的称之为应用基础科学的学科。
• 基本内容： • （1）从化学的角度出发，研究材料的化学组成、
键性、结构与性能的关系及其规律
• （2）从物理的角度出发，研究材料的组成原子、
• （A）组织结构： • 包含着决定材料性质和使用性能的原子、
离子或分子等的排列形式或方式。
• （B）性质： • 赋予材料的价值和应用性.
• 指材料对电、磁、光、热、机械载荷的反应，
主要决定于材料的组成与结构。
• （C）使用性能： • 是材料在使用条件下应用性能的度量.
也指在使用状态下表现的行为，它与材料设计、工
• 根据材料服役的技术领域可分为信息材料、
航空航天材料、能源材料、生物医用材料 等。
• 生物医用材料是一类合成物质或天然物质或这些物质的复合，它能
作用一个系统的整体或部分，在一定时期内治疗、增强或替换机体 的组织、器官或功能。 医用金属及合金 医用高分子材料包括合成和天然高分子，已被广泛用于韧带、肌腱、 皮肤、血管、角膜、人工脏器、骨和牙等人体软、硬组织及器官的 修复和制造。 医用生物陶瓷包括惰性和活性生物陶瓷、生物玻璃等，如氧化铝 瓷、氧化锆瓷、生物碳等以及羟基磷灰石、磷酸三钙陶瓷等。 医用复合材料:表面涂层生物活性人工牙根、人工心脏瓣膜人造血 管等。
• 一维材料，如光导纤维由于其信息传输量远比
铜、铅的同轴电缆大，而且光纤有很强的保密 性，所以发展很快。再比如脆性块状材料在变 成细丝后便增加了韧性，可以用来增强其它的 块状。实用纤维为碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维。 纤维中强度和刚度最高的要算晶须。
• 二维材料（薄膜），如金刚ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ薄膜、高温超导薄膜、
材料科学学科形成的 深层次原因分析（2）
• 在材料科学这个名词出现以前，金属材料、
高分子材料与陶瓷材料以及复合材料都已 自成体系，但它们之间存在着颇为相似之 处，不同类型的材料可以相互借鉴，从而 促进本学科的发展。
材料科学学科形成的 深层次原因分析（3）
各类材料的研究设备与生产手段有颇多共 同之处
（从以下的4个方面来理解这些内容）
三、学习《材料科学基础》
的目的和意义
（1）材料科学的内函
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。其中结 构是最重要的因素。所以， 先要了解材料的结构是什 么这一基本问题。
料、非线性光学材料、磁光材料、电光材料、声 光材料、激光材料等。
• 按用途分为：电子材料、电工材料、光学材料、
感光材料、耐酸材料、研磨材料、耐火材料、建 筑材料、结构材料、包装材料等。
按化学组成（或基本组成）分类：
1. 金属材料 2. 无机非金属材料 3. 高分子材料（聚合物） 4. 复合材料
材料按服役的领域来分类
材料科学学科形成的 深层次原因分析（4）
许多不同类型的材料可以相互代替和补充， 能更充分发挥各种材料的优越性，达到物 尽其用的目的。（复合材料的原理问题的 提出）
材料科学学科形成的 深层次原因分析（5）
• 最后，复合材料在多数情况下是不同类型
材料的组合，如果对不同类型材料没有一 个全面的了解，作为新材料发展之一的复 合材料的研究开发必然受到影响。对各类 材料有一个深入的了解是复合材料发展的 基础。