材料与人类文明以及材料工程关系

1.3 材料分类（Classes of Materials）
1.3.1 材料按化学组成（或基本组成）分类 1.3.2 根据材料的性能分类 1.3.3 材料按服役的领域来分类 1.3.4 材料按结晶状态分类 1.3.5 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。
材料科学基础课程的教学内容
无机材料科学基础课程是无机非金属材料工程专业 的重要的学科基础课之一，主要介绍无机材料科学中的 共性规律，即材料的组成-形成（工艺）条件-结构-性能材料用途之间相互关系及制约规律。内容主要包括：材 料种类、晶体结构、缺陷化学、非晶体结构、材料的表 面与界面、相图、扩散、相变、固相反应、烧结和材料 的环境文明、社会进步、科学技术发展的 物质基础和技术先导。在历史上，人们将石器、青 铜器、铁器等当时的主导材料作为时代的标志，称 其为石器时代、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。
第一次产业革命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。
材料科学的核问题是结构和性能的关系。 材料的性能是由材料的内部结构决定的。 材料的结构有三个层次：即原子及电子结构；原子 的空间排列；组织结构或相结构。每个层次的结构都以 不同的方式决定着材料的性能。 另外尺寸的影响：体材料、低维材料、0维材料。
材料科学的形成
材料科学的形成是科学技术发展的结果。 首先，固体物理、无机化学、有机化学、物理化学等学科 的发展，对物质结构和物性的深入研究，推动了对材料本质的 了解；同时，冶金学、金属学、陶瓷学、高分子科学等的发展， 也使对材料本身的研究大大加强，从而对材料的制备、结构和 性能以及它们之间的相互关系的研究也越来越深入，为材料科 学的形成打下了比较坚实的基础。 其次，各材料之间的相互有机联系。 另外，各类材料的研究设备与生产手段由相同之处。
材料与人类文明以及材料工程关系
1.1 引言( Introduction)
什么是材料?
材料与人类文明 什么是材料科学？ 材料科学的形成 材料科学与材料工程的关系
什么是材料?
世界万物，凡于我有用者，皆谓之材料。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。材料 是人类文明、社会进步、科技发展的物质基础。
按物理效应分为：压电材料、热电材料、铁电材料、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。
1.3.1 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
第二次产业革命一直延续到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。
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。
1.2 组成-结构-性质-工艺过程之间的关系
材料科学与工程的四个基本要素： 合成与加工、组成与结构、性质、使用性能。探索
这四个要素之间的关系(图1)，覆盖从基础学科到工程 的全部内容。四个要素之间的密切关系确定了材料科 学与工程这一领域，确定了材料科学基础课程的教学 线索。
图1组成-结构-性质-工艺过程之间 关系示意图
材料科学与材料工程的关系
材料工程是工程的一个领域，其目的在于经济地而又能为 社会所能接受地控制材料的结构、性能和形状。
材料科学的核问题是结构和性能的关系。研究“为什么” 的学问。
材料工程则要全面考虑材料的5个判据：经济判据、资源判 据、环保判据、能源判据和质量判据。解决“怎么做”的问题 的学问。
材料科学的基础理论为材料工程指明方向， 为更好的选择材料、使用材料、发挥现有材料的 潜力、发展新材料提供了理论基础，可以节省时 间、少走弯路、提高质量、降低成本和能源、减 少对环境的污染。
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。
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）。
什么是材料科学？
材料科学是自然科学的一个分支。 材料科学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、化工为理论基础的边缘交叉基 础应用学科，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、物理、化学性能之间的规律 的一门基础应用学科，是研究材料共性的一门学科。
使用性能
组
成
与
（工程）
结
性质
构 （化学）
（物理学）
合成与制备过程
材料的性质是指材料对电、磁、光、热、机械载荷 的反应，主要决定于材料的组成与结构。
使用性能是材料在使用状态下表现的行为，它与材 料设计、工程环境密切相关。实用性能包括可靠性、耐 用性、寿命预测及延寿措施等。
合成与制备过程包括传统的冶炼、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。