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。
自然科学知识：材料科学的基础和发展
自然科学知识：材料科学的基础和发展材料科学是研究物质结构、性质、制备、加工和应用的一门学科，它是现代科学技术的基础和支撑，为实现人类经济、社会和文化的可持续发展提供了重要的支撑和保障。
本文将从材料科学的基础、发展和应用三个方面来阐述这门学科的重要性和前景。
一、材料科学的基础材料科学的基础是对物质的结构和组成进行研究。
物质主要由原子和分子组成，因此研究原子和分子结构、化学键以及它们之间的相互作用是材料科学的基础。
材料科学的基础还包括热力学、物理学和数学等学科的知识。
材料的性质、结构和功能与材料的化学平衡、热力学状态和物理性质有关。
因此，热力学、物理学等学科的基本理论和方法在材料科学中得到了广泛应用。
此外，材料科学的前沿研究需要借鉴多学科交叉的先进技术，例如纳米科学、生物技术、信息技术等。
这些先进技术可以用来制备新型材料、调控材料结构和性能，以及创新材料应用。
二、材料科学的发展材料科学在现代工业、科技和军事领域中扮演重要角色，因此材料科学的发展史也是现代科技发展史的缩影。
19世纪末到20世纪初，科学家们逐渐认识到研究物质组成和结构的重要性，材料科学开始形塑。
20世纪初到50年代，人工合成高分子材料和无机非金属材料迅速发展，并应用于工业生产和军事应用。
同时，材料分析技术和材料性能测试技术不断发展，为材料研究奠定了坚实基础。
50年代到70年代，金属结构材料和高温陶瓷材料的研究成果大幅提高，并开始应用于航空航天、核工业和汽车工业等领域。
70年代后，高性能材料开始获得广泛应用。
例如：微电子材料、信息储存材料、光电材料和生物材料等。
同时，材料制备技术又从粉末冶金、液相反应和薄膜技术向快速凝固、物理气相沉积、电化学反应和材料表面调控等方向转化，使材料制备手段更加多样化，同时也大大提高了材料的性能。
21世纪，材料科学发展将进入一个新时期，以机器学习和人工智能等技术为代表的新兴科技将与材料科学的融合，给材料制备，精细处理和分析带来全新的途径和新的创新。
“材料科学”的产生与发展初探
和热处理的反应方面取得了成功。 以Ｈｏｏ ｎ ｌ ｍｏ 为带头人的多学科团队， ｌ 取得 了 系列 与材 料相 关 的 重大进 步 。 人造 金 刚石 、 如 高性 能 热绝 缘 材料 、 空 电 真 路断 路器 、 于 辐照 固 体 中蚀刻 粒 子轨迹 的产 品 、 基 聚碳 酸 酯塑 料 和用 于 金属
射线晶体学、 生物材料 、 结构材料、 材料理论和凝聚态材料及器件等相关领 域 。 ９４ 麻省 理工 学 院（ Ｔ 也将 系名 以为 “ 金 与材 料 科学 系 ” １７ 年 １６ 年 ＭＩ ） 冶 ，９４
正 式 改名 为 “ 材料 科学 与 工程 系 ”２ 世纪 ６年 代 ， 料科 学 被 引 入欧 洲的 大 。０ ０ 材 学， 如北 威尔 士大 学 、 苏赛 克大 学和 伯 明翰 大学 。９６ ， １５ 年 中国在 西方 工作 过
蒸气 灯的 氧化铝 外膜 等 。
科学 家认 为 ， 使用主 要是 受到 材料的 限制而 不是设 计的 限制 。 设备 材料科 学研究的方向是充分利用和发掘现有材料的潜力， 继续开发新材料以及研究材
荷的设备、 零部件、 建筑结构等。 功能材料主要是利用其特殊物理性能（ 电学、 热学、 磁学 、 学性 能 等）用于 制造 各 种 电子器 件 、 光 ， 光敏 元 件 、 缘 材料 等 。 绝
根据 材料 内部 原子 排列情 况分为晶 态和非 晶态材料 ； 材料的 热力学状 态 分 根据
为稳态和亚稳态材料 ； 根据材料尺寸分为一维（ 纤维及晶须）二维（ 、 薄膜） 和三
维（ ） 等。 大块 材料
２ “ 料 科学 ”与 “ 材 材料 科 学与 工 程 ” 材料 科学 （ ｔｒｌ Ｓｉ ｃ） 科伴 随着生 产力发 展和科 技进 步 产生与 发 Ｍａｅｉｓ ｃ ｎｅ ａ ｅ ￣ 展 。 料 的各种 性 能是 其化学 成分 和 组织 结构 等内部 因 素在一 定 外界 条件 下 材 的行为表 现 。 究材料 主要 是为 了更有 效地使 用材料 ， 研 即了解影 响材料 性 能的 各 种 因素 ， 掌握提 高其性 能的途 径 。 从而 材料 科学 是阐 明材料 的性 能和行 为与 其 成分 及 内部 组织 材 料 科学 是 由多种 学科 分 化而产 生 ， 又通 过集 成走 向成 熟的 。 而
材料科学的发展与创新
材料科学的发展与创新材料科学是一门研究材料的物理、化学、结构和性质的学科，是现代科技的重要基础。
在工业技术的进步和社会经济的发展中，材料科学起着关键的作用。
在过去的几十年里，材料科学的研究和应用取得了巨大的成就，为人类的生产生活带来了极大的便利，同时也为人类探索宇宙、解决能源、环境和健康等问题提供了有力的支撑。
一、材料科学的历史和现状材料科学的历史可以追溯到古代文明时期，当时人们根据自然的材料制作各种实用工具和武器，如石器、陶器、青铜器等。
18世纪末到19世纪初，人类开始从实践中总结出一些实用经验，提出了材料的基本分类，并开始研究材料结构和性质之间的关系。
20世纪初，随着科学技术的飞速发展，材料科学得到了快速的发展。
材料科学以热力学、物理化学、物理学等专业知识为基础，研究材料的组成、结构、性质、制备、加工及其应用。
当前，在高科技领域中，30%~60%的技术进步依赖于材料技术的发展。
随着材料科学技术的飞速发展，各种新型的功能材料、结构材料和生物材料被开发出来并得到广泛应用，如高温合金、超导材料、纳米材料、薄膜材料、液晶材料、生物医用材料、高分子材料、复合材料等。
二、材料科学的创新随着科技的飞速发展，材料科学也不断地出现新的变化和创新。
以下是几种典型的创新方式：1.新型材料的研发新型材料是当前科技发展的重要方向。
它不仅改善了传统材料的性能，还能用于各种特殊场合。
新型材料往往具有特殊功能，具有很强的金属、陶瓷和高分子等材料所不具备的优点，如高导电性、高热阻、广泛的激光应用、抗辐射性、无污染性等。
目前新型材料的研究主要围绕高分子、无机、电子、光电、超导、晶体等领域展开。
这些新型材料的研制对于推动新技术、新产品的开发和推广具有重要作用。
2.跨学科合作随着科技的发展，材料科学越来越需要各个学科的交流和合作。
例如，材料的测试需要物理、化学、力学以及电子工程学等知识综合运用；材料的生产需要化学、机械、电子工程、计算机科学等的专业知识。
860材料科学基础
860材料科学基础材料科学是一门研究材料的结构、性能、制备和应用的学科，它涉及到物理学、化学、工程学等多个学科的知识。
在现代科技发展的背景下，材料科学的重要性日益凸显，它不仅对于新材料的研发具有重要意义，也对于现有材料的改良和应用具有重要意义。
本文将从材料科学的基础知识入手，介绍材料科学的相关概念和基本原理。
首先，材料科学的基础是研究材料的结构。
材料的结构决定了其性能和应用。
材料的结构可以从微观和宏观两个层面进行研究。
微观结构包括原子、分子、晶粒等，而宏观结构则包括晶体结构、晶粒大小和形状、晶界等。
不同的结构会导致材料具有不同的性能，因此对材料结构的研究是材料科学的基础之一。
其次，材料科学的基础还包括材料的性能。
材料的性能是指材料在特定条件下所表现出的特征，包括力学性能、热学性能、电学性能、光学性能等。
力学性能包括强度、硬度、韧性等，热学性能包括导热性能、膨胀性能等，电学性能包括导电性能、介电性能等，光学性能包括透光性、折射率等。
不同的材料具有不同的性能，这些性能是由材料的结构和成分决定的，因此对材料性能的研究也是材料科学的基础之一。
此外，材料科学的基础还包括材料的制备和加工。
材料的制备和加工是指将原材料通过一定的方法和工艺加工成具有一定形状和性能的材料。
制备方法包括物理方法、化学方法、机械方法等，加工方法包括铸造、锻造、轧制、焊接等。
不同的制备和加工方法会影响材料的结构和性能，因此对材料的制备和加工也是材料科学的基础之一。
最后，材料科学的基础还包括材料的应用。
材料的应用是指根据材料的性能和特点将其应用于特定的领域和行业。
材料的应用领域非常广泛，包括航空航天、汽车制造、电子电气、建筑材料、生物医药等。
不同的应用领域对材料的性能和要求不同，因此对材料的应用也是材料科学的基础之一。
综上所述，材料科学的基础包括材料的结构、性能、制备和应用。
这些基础知识对于材料科学的发展和应用具有重要意义，也为我们理解和掌握材料科学提供了基础。
材料科学发展与人类社会进步
材料在人类社会发展中的作用材料是人类生存和生活必不可缺少的部分，是人类文明的物质基础和先导，是直接推动社会发展的动力。
材料的发展及其应用是人类社会文明和进步的重要里程碑。
没有材料科学的发展，就不会有人类社会的进步和经济的繁荣。
所谓材料，是指经过某种加工，具有一定结构、组分和性能，并可应用于一定用途的物质。
在实践中，人们按用途把材料分成结构材料和功能材料。
结构材料主要是利用其强度、韧性、力学及热力学等性质。
功能材料则主要利用其声、光、电、磁、热等性能。
按化学成分分类，则可把材料分为金属材料、有机高分子材料、无机非金属材料及复合材料等。
某一种新材料的问世及其应用，往往会引起人类社会的重大变革。
人们把人类历史分为石器、青铜器和铁器时代。
在群居洞穴的猿人旧石器时代，通过简单加工获得石器帮助人类狩猎护身和生存，随着对石器加工制作水平的提高，出现了原始手工业如制陶和纺织，人们称之为新石器时代。
青铜时代大约源于4000-5000年前。
青铜是铜锡铝等元素组成的合金，与纯铜相比，青铜熔点低，硬度高，比石器易制作且耐用。
青铜器大大促进了农业和手工业的出现。
铁器时代则被认为是始于2000多年前，春秋战国时代，由铁制作的农具、手工工具及各种兵器，得以广泛应用，大大促进了当时社会的发展。
钢铁、水泥等材料的出现和广泛应用，人类社会开始从农业和手工业社会进入了工业社会。
本世纪半导体硅、高集成芯片的出现和广泛应用，则把人类由工业社会推向信息和知识经济社会。
基于材料对社会发展的作用，人们已提出信息。
能源和材料并列为现代文明和生活的三大支柱。
在三大支柱中，材料又是能源和信息的基础。
新材料既是当代高新技术的重要组成部分，又是发展高新技术的重要支柱和突破口。
正是因为有了高强度的合金，新的能源材料及各种非金属材料，才会有航空和汽车工业；正是因为有了光纤，才会有今天的光纤通讯；正是因为有了半导体工业化生产，才有今天高速发展计算机技术和信息技术。
科普材料科学与人类生活
科普材料科学与人类生活科学技术的发展改变了人类的生活方式，材料科学作为一个重要的学科领域，对人类生活产生了巨大的影响。
从远古时代的石器到现代高科技材料的应用，材料科学贯穿了人类历史的各个时期。
本文将介绍材料科学的基本概念和其在人类生活中的重要应用。
首先，什么是材料科学？材料科学是一门研究材料性质、结构、合成、制备和应用的学科。
它涉及了诸多领域，如金属、陶瓷、高分子、半导体等。
材料科学的研究目标是开发出具有特定性能和功能的材料，以满足工业、农业、医疗等多个领域的需求。
在人类的日常生活中，我们几乎无时无刻不在接触和使用各种材料。
最基本的是我们生活中使用的金属材料。
金属材料广泛应用于建筑、交通工具、家具等方面，如钢铁、铝合金等。
它们具有高强度、耐腐蚀等特点，能够满足人们对材料强度和耐用性的需求。
另一个重要的材料类别是陶瓷材料。
陶瓷材料不仅应用于传统的瓷器制作，还用于先进的陶瓷工艺和电子器件中。
例如，陶瓷材料可以用于制作高温炉具、刀具和磁性材料等。
在电子器件方面，陶瓷材料具有优异的电绝缘性和耐高温性能，可用于电子元件的绝缘层、封装和散热。
此外，高分子材料也是我们日常生活中常见的材料之一。
高分子材料包括塑料、橡胶、纤维等，它们具有轻、坚、柔的特点，在家居、服装、交通工具等方面发挥重要作用。
例如，我们所接触到的塑料杯、塑料袋、塑料玩具等都是高分子材料的应用。
此外，工程塑料在汽车零部件、手机壳等领域也有广泛的应用。
值得一提的是，半导体材料在信息技术领域的应用非常广泛。
半导体材料可以用于集成电路芯片、光电器件、光纤通信等，是推动信息时代发展的重要支撑。
我们使用的电脑、手机、电视等设备都离不开半导体技术的应用。
总的来说，材料科学在人类生活中扮演着重要的角色。
从金属到陶瓷、高分子再到半导体，材料科学的发展为人类提供了更多更好的产品和技术。
未来，随着科学技术的不断进步，材料科学必将继续发展，为人类创造更加美好的生活。
材料科学与工程的内涵及发展历程
因此材料科学与工程是密不可分的两个学科， 是一个整体。偏重于基础理论方面的就称为材料 科学、偏重于工艺方面的的就称为材料工艺（铸、 锻、焊、热处理）。
世界上第一部《材料科学与工程百科全书》 是在1986年由英国Pergamon出版社陆续出版，该 书对材料科学与工程下的定义是：
研究有关材料组织、结构、制备工艺流程与 材料性能和用途关系的生产及其应用。
材料科学的四要素与四面体
材料科学是科学技术中的重要学科，是一门影 响国民经济全局的综合科学技术，主要研究各种材 料结构与性能之间的关系，即集中了解材料的本质、 提出相关的理论和描述，说明材料结构是如何与其 成分、性能以及行为相联系的。
近年来，国内外材料界把材料的组成与结构、 合成与生产过程、性质（或性能）以及使用性能称 为材料科学的四个基本要素，把它们连接在一起， 便形成一个四面体。
材料科学这一名词出现之前，金属材料、陶 瓷材料高分子材料包括后来出现的复合材料的发 展是分别进行的，彼此之间互不相关，自成体系。 但到了20世纪60～70年代，为满足科学研究和生 产对高性能材料的需要，人们发现如果在把眼光 只局限在“小材料”的区域内，思路难以开阔。 不同类型材料，无论是理论基础、研究方法还是 生产手段，都存在一些相似之处，它们可以互相 借鉴、互相补充，取长补短，从而促使“小材料” 领域的发展，于是到了20 世纪80 年代诞生了材料 科学与工程学科。
Materials Tetrahedron
Properties
Performance
Composition/ Microstructure
Synthesis/ Processing
1 Composition/Microstructure
从不同层次（尺度）上对材料的成分、结构进 行深入了解，这是材料科学的基础部分。
材料科学的基础与应用
材料科学的基础与应用
材料科学是研究材料制备、结构、性质和应用的学科。
材料是构成人类生活和现代工业的基础，材料科学的发展是人类社会和科技进步的基础。
材料科学是一个涵盖极广的领域，它与其他学科如化学、物理学、数学、工程等都有着密切的联系。
材料科学的基础包括材料的组成、结构和性质。
材料的组成是指材料的化学成分，诸如金属、陶瓷、高分子材料等都是材料的基础组成。
材料的结构是指组成材料的各种微观组织，比如材料的晶格结构、晶粒构型、孪生体等。
材料的性质则是指材料的物理和化学特性，例如硬度、密度、热膨胀系数、热导率、抗拉强度等。
材料科学的应用非常广泛，它涉及到诸如建筑、交通、电子、航空、卫生等多个工业领域。
比如，高分子材料可以用来制造塑料袋、电缆绝缘层等；金属材料可以用来制造飞机、汽车、家用电器等。
材料科学还有着很多前沿研究领域，例如纳米材料、超材料、高温超导材料等，这些领域的研究对推动科技的进步和人类生产生活的改善有着重要的作用。
材料科学的研究方法与其他科学研究方法类似，需要了解材料
的结构、特性和制备方法，并且进行系统性的实验室研究。
因为
制备材料的成本往往十分昂贵，所以材料科学家通常会运用计算
机模拟的方法来预测材料的性能，这种方法可以使得研究工作更
加快速、便捷。
总的来说，材料科学是一门涵盖广泛的学科，它对于人类生产
和生活的发展有着至关重要的作用。
随着科技的不断发展和进步，材料科学的研究也日益深入，我们相信，材料科学的未来一定会
更加美好。
什么是材料科学
什么是材料科学
材料科学是一门研究材料的结构、性能、制备和应用的学科，它涉及了多个学
科领域，如化学、物理、工程等。
材料科学的研究对象包括金属、陶瓷、塑料、复合材料等各种材料，它的研究内容主要包括材料的结构与性能、材料的制备与加工、材料的应用与发展等方面。
首先，材料科学研究的一个重要内容是材料的结构与性能。
材料的结构包括原
子结构、晶体结构、微观结构和宏观结构等多个层次，而材料的性能包括力学性能、热学性能、电学性能、光学性能等多个方面。
通过研究材料的结构与性能，可以揭示材料的内在规律，为材料的设计、改性和应用提供科学依据。
其次，材料科学研究的另一个重要内容是材料的制备与加工。
材料的制备包括
材料的合成、提纯、成型等过程，而材料的加工包括材料的成形、热处理、表面处理等过程。
通过研究材料的制备与加工，可以探索高效、环保、节能的制备和加工工艺，为材料的大规模生产提供技术支持。
最后，材料科学研究的还包括材料的应用与发展。
材料的应用涉及到材料在各
种工程领域中的具体应用，如航空航天、汽车制造、电子器件等领域。
而材料的发展则包括新材料的研发、材料性能的改进、材料应用技术的创新等方面。
通过研究材料的应用与发展，可以促进材料科学的进步，推动材料在各个领域的广泛应用。
总之，材料科学是一门重要的交叉学科，它对人类社会的发展和进步起着重要
作用。
随着科技的不断发展，材料科学的研究领域和深度也在不断拓展，相信在不久的将来，材料科学将会取得更大的突破，为人类社会的可持续发展做出更大的贡献。
材料科学与工程的四个基本要素 教学PPT课件
显微结构
• 大部分金属和合金的力学性能受晶粒大小的影响很大， 晶粒和晶界是晶态材料显微结构特征的一部分。
• 通常，室温下，较细的晶粒具有较高的强度。材料很多 重要的性质也受到显微结构显著的影响。
• 10-8 ～10-6 m (10～1000 nm)。
材料原子间结合能与热膨胀系数之间的关系
• 材料的热膨胀系数（CTE）定义为 =(1/L)(dL/dT), 即材料在给定方向上的尺度L 随温度T 的升高而增加，其反映了材料尺寸随温度的变化。该宏观性质也与材料原 子间的键强有关。
• 材料中原子间结合能和原子间距的曲线形状反映了化学键的强度，进而反映了材料 热膨胀系数的大小。曲线越陡峭，最小值越低，其线性热膨胀系数越小。
范德华键 －分子之间的作用力
由于极化所产生的分子之间的静电作用力，较弱，作 用能在几十kJ/mol以下。
特征： 1. 由于极化，分子之间产生微量静电荷 2. 无方向性，但受分子大小的影响 3. 弱键 (是强键的1/100; <10 kcal/mol) 4. 氢键是范德华键的一种
氢键——范德华键的一种
纳米结构
• 纳米氧化铁(5～10 nm) 颗粒分散在液体中，制备铁磁流体和液态磁体， 用于扩音器的传热冷却。
• 10-9 ～ 10-7 m (1～100 nm)。
显微结构
• 大部分金属和合金的力学性能受晶粒大小的影响很大，晶粒和晶界是晶 态材料显微结构特征的一部分。
• 通常，室温下，较细的晶粒具有较高的强度。材料很多重要的性质也受 到显微结构显著的影响。
• 材料的结构决定材料的性能。 材料结构的描述：
1. 宏观组织结构: 1000,000 nm 2. 微观显微结构: 10 ～1000 nm 3. 纳米结构: 100nm 4. 键合结构: 原子/离子间的化学键 5. 原子结构: 原子的电子结构
材料科学与人类社会的关系与发展
材料科学与人类社会的关系与发展一、材料科学的概念与发展材料科学是研究材料的性质、结构、制备和应用的一门综合性学科。
它旨在提高材料的性能和质量，促进人类社会的进步和发展。
随着工业革命的到来，人类开始发掘自然资源，制造各种产品。
经过长时间的实践，人们逐渐认识到材料的重要性，并开始系统地研究各种材料的性质和应用。
20世纪初，材料科学逐渐成为一个独立的学科，并得到了迅速发展。
二、材料科学与人类社会的关系材料科学是人类社会发展的重要支撑和驱动力。
在现代工业生产、国防建设、科技创新和生活领域中，材料是不可或缺的一部分。
几乎所有的产品，从一颗芯片到一座大桥，都离不开材料。
材料的优劣直接影响着产品的性能和质量，因此，材料科学成为了现代社会的支柱之一。
1. 工业生产材料在工业生产中的作用是不可替代的。
多种材料的发明和应用，推动了工业生产的技术进步和效率提升。
例如，化工原料、金属、塑料、陶瓷、橡胶等材料的广泛应用，使得工业各领域的产品更加丰富多样，进一步满足人们需求的多样化。
2. 国防建设现代军事技术中，高科技材料的应用越来越广泛。
这些材料比如高强度、高韧性、高耐热、高耐腐蚀、低吸水率、高透光性等，在军事战争、航空航天、能源领域中发挥着重要作用。
例如，钛合金、碳纤维、陶瓷钢、高纯度硅等高科技材料的引入，大大提高了军事装备的性能，也保障了国家的国防安全。
3. 科技创新材料作为技术创新的重要支撑和先导，已经成为人类科学发展的必要条件。
过去，由于材料性能不足，科学家们面临着很多技术限制，但是现在有了保障材料性能的高科技材料，大大改善了科技创新的环境。
例如，高精度计量材料、纳米材料、生物材料、光电材料等，这些材料的发明和应用，催生了诸如机器人、信息技术、新能源等高新技术的发展。
4. 生活领域材料的发展改变了人类的生活方式和质量。
例如，亚克力材料改变了人们对室内设计的认识，让普通家庭也可以享受到豪华气派的家居生活；高科技纤维材料的出现，让人们感受到了舒适轻便的穿着体验；生物材料的应用，使得医学领域得到了突破性的进展，也为人们带来了健康和幸福。
材料科学与工程的发展与趋势
材料科学与工程的发展与趋势随着现代工业技术的不断进步，材料科学与工程也得以迅速发展。
从传统的金属材料、陶瓷材料，到如今的高分子材料、纳米材料、生物材料，我们对材料的应用和改性已经有了前所未有的可能性。
一、材料科学与工程的发展历程1. 人类早期的材料应用早期人类使用的材料主要是石头、木头、兽骨等天然材料。
这些材料并不具备较好的强度、韧性、耐磨性以及耐高温等性能。
但是，凭借着聪明才智，人类已经通过火制工艺技术改善了这些材料的性能，使其适应了更广泛的应用范围。
2. 青铜时代的到来在人类社会发展的历史长河中，青铜时代的到来被认为是人类文明史上一大里程碑。
青铜是铜和锡的合金，早在公元前3000年左右就已经被人们广泛应用。
青铜具有优异的强度、韧性、耐腐蚀等特性，它被广泛应用于航海、战争、建筑等领域。
3. 现代材料科学与工程的兴起随着科学技术的进步，人们逐渐注意到材料科学和工程方面的发展问题。
在20世纪下半叶，一系列的材料科学和工程方面的突破性发现和技术突破不断涌现，这些发现和技术成果极大地改变了我们对材料的认识，也提高了材料的应用范围和性能。
二、材料科学与工程的现状1. 材料种类不断增多随着科技的发展和人们对材料的了解不断加深，材料种类也在不断增多。
在现代科技领域中，各种高分子材料、纳米材料、生物材料等涌现，这不仅为人们的生产与生活带来了便利，同时也为科学家们带来了新的探索空间。
2. 材料的改性进一步提高材料的性能是人们对材料的认识和改性的结果。
材料的改性不仅包括“改变材料的化学成分”，还包括对材料的物理或者结构上的调整。
由此，各类新型材料在我们的生产与生活中不断涌现。
例如新型太阳能电池、碳纤维基复合材料等，这些新型材料在能源、交通运输等领域具有广阔的应用前景。
三、材料科学与工程的趋势1. 小尺度材料的研究迈向新阶段随着材料科学和工程技术的发展，我们已经不再满足于掌握传统材料的知识，也不再把注重点放在改性上。
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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