材料科学与工程导论课件
材料科学与工程导论
材料科学与工程导论
材料科学与工程是一门研究材料的性能、结构、制备和应用的学科，它涉及到各种材料，包括金属、陶瓷、高分子材料和复合材料等。
材料科学与工程的发展对于现代工业、能源、医疗、环境等领域都具有重要意义。
首先，材料科学与工程的研究对象是各种材料的性能和结构。
通过对材料的组成、微观结构和宏观性能进行研究，可以揭示材料的内在规律，为材料的设计、制备和应用提供科学依据。
其次，材料科学与工程的研究内容包括材料的制备和加工技术。
材料的制备和加工技术直接影响到材料的性能和应用范围，因此对于材料的制备和加工技术的研究具有重要意义。
另外，材料科学与工程还涉及到材料的应用和性能调控。
通过对材料的应用和性能进行研究，可以开发出具有特定功能和性能的材料，满足不同领域的需求。
总的来说，材料科学与工程是一门重要的交叉学科，它涉及到多个领域，对于现代社会的发展具有重要意义。
随着科学技术的不断发展，材料科学与工程也在不断取得新的进展，为人类社会的发展做出了重要贡献。
在材料科学与工程领域，我们需要不断深化对材料的认识，推动材料科学与工程的发展，为人类社会的可持续发展做出更大的贡献。
希望通过我们的努力，能够推动材料科学与工程领域的发展，为人类社会的进步做出更大的贡献。
材料科学和工程导论PPT(16张)
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8、世上的事，只要肯用心去学，没有一件是太晚的。要始终保持敬畏之心，对阳光，对美，对痛楚。
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9、别再去抱怨身边人善变，多懂一些道理，明白一些事理，毕竟每个人都是越活越现实。
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10、山有封顶，还有彼岸，慢慢长途，终有回转，余味苦涩，终有回甘。
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11、人生就像是一个马尔可夫链，你的未来取决于你当下正在做的事，而无关于过去做完的事。
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4、世界上只有想不通的人，没有走不通的路。将帅的坚强意志，就像城市主要街道汇集点上的方尖碑一样，在军事艺术中占有十分突出的地位。
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5、世上最美好的事是：我已经长大，父母还未老;我有能力报答，父母仍然健康。
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6、没什么可怕的，大家都一样，在试探中不断前行。
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7、时间就像一张网，你撒在哪里，你的收获就在哪里。纽扣第一颗就扣错了，可你扣到最后一颗才发现。有些事一开始就是错的，可只有到最后才不得不承认。
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18、无论是对事还是对人，我们只需要做好自己的本分，不与过多人建立亲密的关系，也不要因为关系亲密便掏心掏肺，切莫交浅言深，应适可而止。
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19、大家常说一句话，认真你就输了，可是不认真的话，这辈子你就废了，自己的人生都不认真面对的话，那谁要认真对待你。
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20、没有收拾残局的能力，就别放纵善变的情绪。
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15、如果没有人为你遮风挡雨，那就学会自己披荆斩棘，面对一切，用倔强的骄傲，活出无人能及的精彩。
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16、成功的秘诀在于永不改变既定的目标。若不给自己设限，则人生中就没有限制你发挥的藩篱。幸福不会遗漏任何人，迟早有一天它会找到你。
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17、一个人只要强烈地坚持不懈地追求，他就能达到目的。你在希望中享受到的乐趣，比将来实际享受的乐趣要大得多。
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复合材料的基本理论
复合原理
1。纤维增强复合材料的复合原理
外载荷与纤维方向垂直
σc= σf = σm。 εc = εfVf＋εmVm。 1/Ec = Vf/Ef＋Vm/Em。
材料科学与工程学导论
复合材料的基本理论
复合原理
2。颗粒增强复合材料的复合原理 ρc = ρpVp＋ρmVm。
复合材料的基本理论
复合原理
1。纤维增强复合材料的复合原理
外载荷与纤维方向一致
Fc=σcAc = σfAf ＋σmAm。
σc = σfVf＋σmVm。
Ec = EfVf＋EmVm。
条件是复合材料中基体是连续的、均匀的，纤维的性质和 直径都是均匀的，且平行连续排列，同时纤维与基体间的 结合为理想结合，在界面上不产生滑移。
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复合材料的基本理论
颗粒增强复合材料的机理：
弥散分布在金属或合金中基体中的硬颗粒可以有效地阻止 位错运动，产生显著的强化作用。这种复合强化机制类似 与合金的析出强化机理，基体乃是承受载荷的主体。 不同的是，这些细小弥散的硬颗粒并非借助于相变产生的 硬颗粒，他们在温度升高时仍保持其原有尺寸，因而，增 强效果可在高温下持续较长时间，使复合材料的抗蠕变性 能明显优于金属或合金基体。
复合材料的基本理论
增强机理
颗粒增强
颗粒增强复合材料是指由高强度、高弹性模量的脆性颗粒 作增强体与韧性基体或脆性基体经一定工艺复合而成的多 相材料。 颗粒增强复合材料的种类： 纳米微细硬颗粒弥散增强，微米颗粒增强。
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复合材料的基本理论
弥散强化复合材料中弥散颗粒种类 金属氧化物 碳化物 硼化物
4。由被动复合向主动复合材料发展
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太空行走
可编辑课件PP火T 星探测
太空攻19 防
世界前沿科技领域的发展动向
航空技术发展面临历史性机遇，应用前景广阔
高超声速导弹、飞机有望在2020年左右进入实际应用 高效、环保发动机的研制倍受关注 智能结构技术开始得到应用，如智能蒙皮、变形飞机等 无人驾驶飞机称为研究热点
航空发动机 可编辑课件PPT
卫星
经济和社会发展对材料科技的重大需求
信息
基础及支柱产业的发展
机械计算机 电子计算机 晶体管计算机 当代计算机
电子管
晶体管 计算机的发展
集成电路
可编电辑课话件PP的T 演变历史
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经济和社会发展对材料科技的重大需求
能源
基础及支柱产业的发展
铅酸电池 镍镉电池 镍氢电池
锂
电 池
锂离子电池 燃料电池 太阳能电池
可编辑课件PPT
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经济和社会发展对材料科技的重大需求
基础及支柱产业的发展
材料 科技
重大 前沿科技的发展 需求 生活质量的提高
外 力
材料科学自身的发展
可编辑课件PPT
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经济和社会发展对材料科技的重大需求
制备
工业原料
制备
开采
原材料
矿产
再生循环
工程材料 分类/再制造
产品设计 制造装配
废料
农业、建筑、环境
无人机20
世界前沿科技领域的发展动向
能源技术将变革未来社会的动力基础，促进人类实 现可持续发展
煤炭的高效清洁利用成为化石能源技术研发热点 核能技术酝酿新的突破 氢能技术研发和商业应用加速 新能源和可再生能源技术展现良好前景
核电站
可编辑课件PP燃T 料电池车
材料科学与工程导论 第6章 高分子材料
聚酰胺（PA） 聚碳酸酯（PC） 聚甲醛（POM） 聚对苯二甲酸丁二醇酯 （PBT） 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯 （ABS） PC
挡 风 板
6.1.3 高分子材料简介
ABS树脂（丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物，ABS是 Acrylonitrile Butadiene Styrene的首字母缩写）是一 种强度高、韧性好、易于加工成型的热塑型高分子材料。
有机玻璃顶棚
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6.1.3 高分子材料简介
▲工程塑料
热稳定性高是其最突出 的特点。使用温度 150~174℃。 用于机械设备等工业。
聚砜（PSU） 聚醚砜（PES） 聚醚醚酮（PEEK） 聚苯硫醚（PPS） 聚四氟乙烯 （PTFE）
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又称尼龙。强 度较高，耐磨、 自润滑性好， 广泛用作机械、 化工及电气零 件。 优良的机械性能， 透明无毒，应用 广泛。
初～40年代末）。
●现代高分子科学阶段（20世纪50年代初～20世纪末）。 ●21世纪的高分子科学—分子设计。
——高分子的概念始于20世纪20年代，但应用更早。1920年， 德国人Staudinger (施陶丁格)发表了“论聚合”的论文，提 出了高分子的概念。
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6.1.1 高分子材料科学发展简史
高分子科学既是一门应用学科，也是一门基础学科，它
▲单体 用来制备高分子的小分子物质称单体。 高分子的单体： 通过聚合反应能制备高分
子化合物的物质称做单体。
例如乙烯是单体，能聚合 生成聚乙烯。
[ CH2–CH2 ]n
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6.1.2 高分子材料基本概念
▲结构单元 构成大分子的最小重复结构单元，简称结构 单元，或称链节。
[ CH2–CH2 ]n
▲聚合度
材料科学与工程导论 第1章 材料与社会(1)
• 第二篇 传统材料
–第四章 金属材料 –第五章 无机非金属材料 –第六章 高分子材料 –第七章 复合材料
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–第十二章 纳米材料
–第十三章 智能材料 • 第四篇 材料专业的设置 –第十四章 材料类专业设置
主要参考书目
许并社. 材料概论[M]. 北京: 机械工业出版社, 2012 (￥29.0元). 施惠生. 材料概论[M]. 上海: 同济大学出版社, 2009 (￥26.0元). 杜双明, 王晓刚. 材料科学与工程概论[M]. 西安: 西安电子科技大学出版 社, 2011 (￥30.0元). 郑子樵, 封孝信,方鹏飞. 新材料概论[M]. 长沙: 中南大学出版社, 2009 (￥38.0元). 徐晓虹, 等. 材料概论[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006 (￥28.4元). 顾家琳, 等. 材料科学与工程概论[M]. 北京: 清华大学出版社, 2005 (￥32.0元). 杜彦良, 张光磊. 现代材料概论[M]. 重庆: 重庆大学出版社, 2009 (￥45.0 元). 许并社. 材料科学概论[M]. 北京: 北京工业大学出版社, 2002 (￥19.0元) .
总之，"导论"的作用已由概要介绍一篇文章或一
本书，发展到用一本书来介绍一门学科专业了。
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本课程的主要内容
• 第一篇 概论
–第一章 材料与社会 –第二章 材料科学与工程 纲要 –第三章 材料工艺
• 第三篇 新材料
–第八章 高性能结构材料 –第九章 新能源材料 –第十章 信息功能材料 –第十一章 生物医用材料什么是“ Nhomakorabea能材料” ？
以特殊的电学性能或各种电效应作为主要性能指标的一 类材料。
1.1.2 材料的分类
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calculated from the dimensions of the unit cell, using closepacked directions (depends upon coordination number).
Lect.4 Lect.5 Lect.6
Part 3:
Engineering Materials
Chapt.13 Heat Treatment of Steels & Cast Irons Chapt.14 Nonferrous Alloys Chapt.17 Composites
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basis, and crystal structure • Points, directions & planes in unit cells or crystal structure
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Classification of materials based on the type of atomic order
structure-property relationships.
• Materials Science:
• • Investigate the material structures • • Understand how the material behaves/works in a scientific way
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Atomic & Ionic Arrangements
— Lattice(晶格/点阵), basis (阵型), unit cells(晶胞),
材料科学与工程学导论 (6)
专注今天，好好努力，剩下的交给时 间。20.12.2720.12.2703:0303:03:4903:03:49Dec-20
牢记安全之责，善谋安全之策，力务 安全之 实。2020年12月27日 星期日3时3分49秒Sunday, December 27, 2020
聚乙烯生产线
聚氯乙烯（PVC）
聚苯乙烯（PS）
PS保温板
PS光纤
氟塑料
是各种含氟塑料的总称。
聚四氟乙烯（PTFE）。1950年首先由杜邦公 司投产。有“塑料王”之称。
是高结晶度聚合物，无熔融态，分解温度400 ℃ ，可 在260 ℃以下长期下使用，耐低温达-200 ℃ ，力学 性能优异。光滑不粘，摩擦系数极小，具有自润滑性。 耐化学腐蚀性极强，耐强酸、强碱、有机溶剂，能耐 王水及沸腾的氢氟酸。具有塑料中最好的电绝缘性能。
表 三大高分子材料的比较
纤维
塑料
橡胶
分子量 加工方法
一般 1~7 万 熔融纺丝
一般 6~30 万 一般 15~30 万
挤出、注塑、 硫化交联
吹塑成型等
机械性能
高强度
介于两者之
（>35000N/cm2）
间
高模量
(>35000N/cm2)低
伸长率（<5~50%）
初始模量 很低，高弹
性形变 （500-100
聚氯乙烯（PVC）保鲜膜存在的问题
聚合物盘基片
性能要求
高的透光率、光学纯度、尺寸稳定性和热变 形温度，较好的机械性能和加工性能、低的 双折射和成本等。
主要材料：
聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、 改性双酚A环氧树脂、非晶态聚烯烃等
功能高分子材料
医用高分子 导电高聚物 液晶高分子 智能聚合物 高吸水性树脂等等
材料科学与工程导论
材料科学与工程导论一、材料的定义与分类材料是人类用于制造机器、构件和产品的物质，是人类赖以生存和发展的物质基础新材料，主要是指那些正在发展，且具有优异性能和应用前景的一类材料。
为了规范新材料的含义，一般把具备以下三个条件之一的材料称为新(1.新出现或正在发展中的具有传统材料所不具备的优良性能的材料。
如：C60 2.高技术发展需要，具有特殊性能的材料。
如：形状记忆合金 3.由于采用新技术（工艺、装备）明显提高了性能，或者出现了新的功能的材料。
如：超级钢、纳米、超导材料、智能材料、生物医用材料）分类一：按组成与结构划分（金属材料无机非金属材料高分子材料复合材料）分类二：按用途分（电子信息材料航空航天材料能源材料生物医用材料等）分类三：按性能分结构材料（高温合金、难熔金属、金属间化合物、金属基复合材料、高分子材料、钛合金、镁合金）功能材料（吸波材料、单晶硅、形状记忆材料）分类四：按应用与发展分（传统材料新材料如纳米铜、超导电缆）二、材料的地位和作用当代文明：能源材料信息新技术革命：信息技术新材料生物技术材料是人类社会发展的基础和先导1>新材料技术是工业革命和产业发展的先导两次工业革命都是以新材料的发明和广泛应用为先导第一次工业革命（18世纪）：制钢工业的发展为蒸汽机的发明和应用奠定了物质基础。
第二次工业革命（20世纪中叶以来）：单晶硅材料对电子技术的发明和应用起了核心作用。
2>新材料技术是社会现代化的先导21世纪重点发展的高技术领域的进展与趋势21世纪重点发展的高技术领域的材料选择新材料技术是高技术发展的基础21世纪重点发展的高技术领域的进展与趋势环境科学技术：探求人类与环境和谐共存方式空间科学技术：探索宇宙空间（多种用途的人货分离的新一代航天飞行器、小卫星技术、太空攻防技术）新材料科学技术：探索物质结构（纳米技术、光电子材料、光子材料、新型功能材料、新型结构材料）新能源与再生能源：实现人类可持续发展（化石能源高效清洁利用技术、新能源‘核能、氢能’和可再生能源技术、天然气水合物的开发）信息科学技术：信网络技术、宽带通信技术、半导体技术、计算机智能技术生物科学技术：探索生命本质（基因组学、蛋白质科学、干细胞及再生医学）海洋科学技术：探索海洋奥秘七大高新技术领域1.信息科学技术：正在发生结构性变革，仍然是经济持续增长的主导力量。
材料科学与工程导论
材料科学与工程导论1. 引言材料科学与工程是研究材料的组成、结构、性能和制备工艺的学科。
它涉及到许多领域，如化学、物理、生物学和工程学等。
材料科学与工程的开展对现代社会的各个方面都具有重要的意义，包括能源、环境、医疗、电子等。
2. 材料的分类根据材料的性质和组成，可以将材料分为金属、陶瓷、聚合物和复合材料四大类。
金属材料具有良好的导电性和导热性，常见的金属材料有铁、铜、铝等。
陶瓷材料具有高的硬度和抗腐蚀能力，常见的陶瓷材料有瓷器、玻璃等。
聚合物材料具有良好的可塑性和绝缘性能，常见的聚合物材料有塑料、橡胶等。
复合材料是由两种或更多种材料组合而成，具有综合性能优于单一材料。
3. 材料的性能材料的性能是指材料在特定条件下所表现出的特性。
常见的材料性能包括力学性能、热性能、电性能、磁性能等。
力学性能包括强度、韧性、硬度等。
热性能包括热导率、热膨胀系数等。
电性能包括导电性、介电常数等。
磁性能包括磁导率、磁饱和磁感应强度等。
4. 材料的制备工艺材料的制备工艺是指将原始材料经过一系列加工和处理步骤转变为所需的最终产品的过程。
常见的材料制备工艺包括熔炼、成型、烧结、合成等。
熔炼是将固态材料加热至熔点并冷却固化的过程。
成型是将熔融或可塑性材料加工成所需形状的过程。
烧结是将粉末材料在高温条件下进行烧结以获得致密结构的过程。
合成是在化学反响条件下将原始物质转化为目标材料的过程。
5. 材料科学的应用材料科学的应用非常广泛，几乎涉及到所有的工业和技术领域。
在能源领域，材料科学的应用可以提高电池的储能密度和光伏电池的效率。
在汽车领域，材料科学的应用可以降低汽车的重量和提高汽车的平安性能。
在医疗领域，材料科学的应用可以改善医疗器械的生物相容性和可植入性。
在电子领域，材料科学的应用可以制备出更小、更快、更节能的电子设备。
6. 材料科学的开展趋势随着科学技术的不断开展，材料科学也在不断进步。
未来的材料科学开展将更加注重材料的可持续开展和综合性能的提升。
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➢ 20世纪80年代，又把新材料技术、信息技术、 生物技术作为新技术革命的主要标志
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二、材料的分类
❖ 用 途：结构材料、功能材料 ❖ 结晶状态：单晶材料、多晶材料、非晶态材料 ❖ 几何形态：三维材料、二维材料、一维材料和
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普通陶瓷的分类
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三、材料与人类文明
➢ 材料的发展史，就是人类社会的发展史 ➢ 材料的发展史，就是科学技术的发展史 ➢ 历史学家根据当时所使用的最重要材料来命名
早期人类时代（如：石器、青铜、铁器时代）
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材料的发展水平和利用程度已成为人类文明 进步的标志。
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1. 石器时代（Stone Age） （1）天然材料
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后周（953年）沧州铁狮 （中国现存最早的大型铸件艺术品，重约40吨）
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湖北当阳宋代铁塔 （不用砖石木料，完全用生铁铸成，重53吨，不 加焊接；形体瘦削挺拔，稳健玲珑；塔身向北倾
斜，以抵御北风）
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钢
❖ 含碳量在0.0218~2.11%之间的铁碳合金称为钢 ❖ 冶炼温度更高，强度更高，用途更广 ❖ 距今1800年前出现了两步炼钢技术，即先炼成
材料科学和材料工程紧密联系，它们之间没 有明显的界线；在解决实际问题中，不能将科学 因素和工程因素独立考虑。
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材料科学
设备 工艺
结构
性能 构件行为
材料工程 材料科学与工程是研究有关材料的成分、结 构和制造工艺与其性能和使用性能间相互关系的 知识及这些知识的应用，是一门应用基础科学。
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材料科学与工程的四要素
从兴隆战国铁器遗址中发掘出了浇铸农具用 的铁模，冶铸技术已由泥砂造型水平进入铁模铸 造的高级阶段。
材料科学与工程导论 第1章 材料与社会(2)
1.2.1 材料与人类文明
新材料时代 1900 —：
20世纪90年代后，现代复合材料、各种新材料层出不 穷，并得到快速发展，标志着人类已进入新材料时代。
新材料使新技术得以产生和应用，而新技术又促进了 新工业的出现和发展。
1.2.1 材料与人类文明
从人类利用材料的历史中可以清楚地看到：每一种重要 新材料的发现和应用，都会把人类支配自然的能力提高到一 个新的水平。材料科学技术的每一次重大突破都将引起生产 技术的重大变革，甚至引发一场世界性的技术革命，大大加 速社会发展的进程，给社会生产力和人类生活带来巨大的变 革，把人类物质文明推向前进。
1.2.1 材料与人类文明
400,000 BC — 4,500 BC 石器时代 (Stone Age) 人类主要以石头、骨 头、木制作简单的工具。
燧石：神奇的石头
1.2.1 材料与人类文明
陶器(Pottery)
• 陶器的出现是人类跨 入新石器时代的重要 标志之一
• 据考古资料，中国陶 器制作历史至少有 8000年以上
1950，制出第1只硅晶体管。 1952，用直拉法培育硅单晶成功。 1953，用无坩埚区域熔化法拉制单晶。 1955，采用Zn还原SiCl4法生产纯硅，但不能满足制造晶体管的要求 1956，氢还原SiHCl3法。 1960，用氢还原SiHCl3法进行工业生产，已具规模。 硅整流器、硅闸流管问世，促使硅材料的生产一跃而居半导体材料的 首位。 1960年代，硅外延生长单晶技术和硅平面工艺。 硅晶体管制造技术趋于成熟，集成电路迅速发展。 1980年代初，全世界多晶硅产量达2500吨。
突目面具 铸于商代晚期，高64.5cm，宽
138cm，眼球柱状外突长达13.5cm
1.2.1 材料与人类文明 司母戊鼎
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凝聚态原子间作用力和结合能
不同类型的固体有不同的结合键，但它们在定 性上具有共同的规律。
当原子间距很大时，原子间的作用 力很小；当原子离开得更远时（无限 距离），相互作用力趋近于零，位能 也是如此。 当原子间距离较小时，存在着很 大的吸引力，势必把原子拉在一起， 原子更接近吸引力和排斥力相平衡时 ，换言之，力的和。
第二节 原子间的作用力与结合能
原子的聚集态
凝聚态
定义：一般条件下，元素难以原子态存在，基本上以分子 或液态及固态存在,液态和固态就称为凝聚态。
结合键
定义：凝聚态之所以成为物质常见的存在状态，说明原子 间存在着把他们束缚在一起的相互作用力，或成为它们之 间存在结合键。
根据结合键的不同状态，可以把凝聚态分为五大 类：液态，液晶，橡胶态，玻璃态和晶态。
液态：体积模量很大，但切变模量却为零，这是由于内部结合键已经 熔化。原子处于无序运动中，故只能承受压力，经不起剪切力的作用。
液晶：结合键基本熔化，它的切变模量和弹性模量基本都为零。
晶态和玻璃态：结合键处于固化状态，体积模量和弹性模量很大。
橡胶态：虽然是固态，体积模量很大，但弹性模量却很小，这是由于 材料内大量二次键已经熔化所致。
EB=EN-EO
式中，Eo为晶体的总能量，EN为组成该晶体的N个原子在自由状态时的总能量。
一些晶体的结合能可粗略的表示为：
E（r）=-A/r^m+B/r^n
式中，A、B、m、n为常数。右边第一项为吸引能，第二项 为排斥能。不同类型的材料，有不同的m和n，这说明不同 晶体的结合性质（结合键）在定性上具有共同的性质，而 在定量上却是不同的。
与原子之间的键合有关的能量，强烈地取决于原子间距离。由 于功或能等于力与距离的乘积，故相邻原子间相互作用势能可 用数学表示为：
VN=∫FAdr+∫FRdr=VA+VR
其中FA、FR为吸引力和排斥力， VN、VA、VR分别为总作用势能、吸引能和排斥 能。
对于多原子间的相互作用来说，要复杂得多。其结合能的大小 以及势能曲线的形状是随材料的类型而变化的，这二者取决于 原子间结合的性质。多数固体材料都是晶体。晶体的结合能可 定义为