材料科学的重要地位
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• 崭新技术的实现需要崭新材料的支持 例如，人们早就知道了喷气航空发动机比螺旋桨航 空发动机有很多优点，但由于没有材料能承受喷射出燃 气的高温，使这种理想只能是空中楼阁。直到1942年制 成了镍基耐热合金这种新材料，才使喷气发动机的制造 得以实现。 同样，如果没有1970年制成的使光强度衰减降低 到可以实用的光导纤维，也不会有现代的光通信； 如果不能制成高纯度大直径的硅单晶，就不会有高 度发展的集成电路，也不会有今天如此先进的计算机和 一切电子设备。这样的例子可以说举不胜举。
库利南1号
库利南2号
中国最大的天然金刚石 中国发现的最大的一颗天然金刚石——1977 年12月21日在山东临沐县岌山乡发现的一颗 重达158.7860克拉的天然金刚石。 我国目前展示的最大天然钻石，重达26.62克 拉，名字叫“北极光”标价为4120万元．它 是1912年出产于北极的一个钻石矿区，钻坯 重达162克拉，在比利时由世界首席划线师亲 自标记，在首席切割师的指导下，经过数十 名高级技师两个月的精心劳作，才切割成了 目前26.62克拉的大钻石．
材料科学的发展过程
1669, N. Steno, 晶面角守恒定律
1885, A. Bravais, 晶体空间点阵学说 1912, M. Laue*, 晶体的X射线衍射 1915, W. H. Bragg and W. L. Bragg** X射线晶体结构分析方法
电子显微镜（SEM、TEM）
扫描探针显微术***（STM、AFM）
三 大 支 柱
能源、信息和材料（1998） 生物工程，信息技术和新材料
二、材料的发展史，就是科学技术的发展史。
中国的四大发明：纸、火药、指南针、活字印刷
表1 科学原理的发现时间与其产业化时间的对照 原理 电机 真空管 1821 1882 成品 1886 1915 发展时间 65 33
无线电 X光 雷达 原子堆 半导体 激光
什么是材料(materials)?
材料是人类社会所能接受的、可经济地制造有 用物品的物质。
Materials is the stuff from which a thing is made for using.
天然材料
人工材料
材料的分类
用途：结构材料（受力，承载） 功能材料（半导体，超导体，以及光、电、声、磁、应力转换，等） 属性：金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料 物理形态：晶体材料、非晶态材料和纳米材料 几何形态：三维材料、二维材料、一维材料和零维材料
材料是一切事物的物质基础
1、 人类历史阶段是根据使用材料划分的 从过去到现在 共经历了七个时代 • 1 石器时代 公元前10万年 • 2 青铜时代 公元前3000年 • 3 铁器时代 公元前1000年 • 4 水泥时代 公元0年 • 5 钢时代 1800年 • 6 硅时代 1950年 • 7 新材料时代 1990年
发展：传统材料（钢铁，铜，铝，水泥，塑料，陶瓷，... ） 新材料（金属间化合物，高温超导材料，非晶态合金，纳米材料, ...）
一、材料的发展史，就是人类社会的发展史。 人类历史的划分
石器时代陶器时代青铜器时代铁器时代。 Computer Aluminum in 19th century.
现代社会
材料科学的重要地位
材料科学的重要地位
材料科学的重要地位
• 技术离不开材料 使用任何一种技术更离不开材料。人最原始 最简单的技术到最尖端、最复杂的技术，莫不如 此。在人类社会爱憎分明的早期，往往用那一时 代主要生产工具使用的材料来代表那一时代、新 石器时代、青铜器时代、铁器时代等等。
材料科学的重要地位
世界最大的天然金刚石 1908年初，库利南被送到当时琢磨钻石最权 威的城市荷兰的阿姆斯特丹，交给约ּ阿斯查 尔公司加工．被劈开后，由三个熟练的工匠， 每天工作14小时，琢磨了8个月．一共磨成了 9粒大钻石和96粒小钻石．九个较大钻石中最 大的一粒名叫库利南1号，重530.2克拉，为 水滴形，琢磨了74个面，它也是现今世界上 最大的钻石，镶在英国国王的权杖上．
现代社会使用的材料种类繁多，无 法简单地用某一种甚至某一类材料来象 征社会的发展水平、技术水平，但材料 是一切东西的物质基础仍然没有改变， 而且今后也永远不会改变。正是因为有 千姿百态、数不清的材料，世界才会如 此丰富多彩。
人类文明社会的先导--新材料
一、材料的发展史，就是人类社会的发展史 二、材料的发展史，就是科学技术的发展史
什么是材料科学
• “材料科学”至今人无明确定义。 • 有人认为材料科学是研究各种材料的结构，制备加 工工艺与性能之间的科学。 • 本着这一关系可用一四面体表示
如图
材料科学与工程四要素
材料固有性能
制备合成 与/加工工艺 成分/组织结构
材料使用性能
* 1914’s Nobel prize; **1915’s, ***1987’s.
• 新材料时代特征：
不象以前的各个材料时代，它 是一个由多种材料决定社会和经济 发展的时代；新材料以人造为特征； 新材料科学根据我们对材料的物理 和化学性能的了解，为了特定的需 要设计和加工而成的。
材料的分类
• 现在的材料种类繁多，按材料本身的性 质分，主要有金属材料、陶瓷材料、高 分子材料、复合材料、液晶材料等。 • 按材料的作用分，有结构材料和功能材 料。
Baidu Nhomakorabea
结构材料
用于制造各种结构，通俗地说就是要受力， 因此对它的要求主要是机械性能，如强度、延伸 率(达到极限强度断裂时伸长了多少，延伸率小 的材料便容易脆断)、硬度、韧性( 受冲击力时 容不容易断裂)、刚性(容不容易保持形状不变) 等等。有时不要求其能经受住严峻的环境条件， 如要求耐热性、抗腐蚀性等等。
材料技术的发展趋势
当前，材料技术的发展趋势有以下几种： • 第一，从均质材料向复合材料发展。 以前人们只使用金属材料、高分子材料 等均质材料，现在开始越来越多地使用 诸如把金属材料和高分子材料结合在一 起的复合材料。
材料技术的发展趋势之
• 第二，由结构材料为方向往功能材料、多 功能材料并重的方向发展。 以前讲材料，实际上都是指结构材料。但 是随着高技术的发展，其他高技术要求材料技 术为它们提供更多更好的功能材料，而材料技 术也越来越有能力满足这一要求。所以现在各 种功能材料越来越多，终会有一天功能材料将 同结构材料在材料领域平分秋色。
功能材料
主要用于完成某种特殊功能，如液 晶材料用于显示，但有时也要求有一定机 械强度，如光导纤维主要用于传输光线， 同时也要求有一定机械强度，否则连自己 的重量都承受不了，也就无法构成长的通 信线路。
材料基本用途
金属材料绝大部分都是结构材料， 但近来也出现一些功能材料，如形状记 忆合金、储氢合金、金属超导材料等。 陶瓷材料有的作为结构材料，有的作为 功能材料。液晶材料目前还只能作为功 能材料。
材料技术的发展趋势之
• 第五，通过仿生途径来发展新材料。 生物通过千百万年的进化，在严峻的 自然界环境中经过优胜劣汰，适者生存 而发展到今天，自有其独特之处。通过 “师法自然”并揭开其奥秘，会给我们 以无穷的启发，为开发新材料又提供了 一条广阔的途径。
材料性能与内部结构的关系
三种基本类型材料中： • 金属有好的导电性，有高的塑性和韧性； • 陶瓷材料则有高的硬度但很脆，且大多是电的绝 缘材料； • 而高分子材料的弹性模量，强度，塑性都很低， 多数也是不导电的。 • 这些材料的不同都是由其内部结构决定的。即： 原子结构、结合键、原子的排列方式（晶体和非 晶体）以及显微组织。
材料科学的重要地位
• 过日子离不开材料 俗话说：“开门七件事，柴、米、油、盐、 酱、醋、茶。”这七样东西，样样都是过日 子必不可少的物质，它们都是材料。所以人 类首先最需要的就是材料。正因为这样，在 生产力还处在很低水平的农业社会里，材料 便比能源、信息都要早地占据了主导地位。
材料科学的重要地位
• 周围随处可见材料，如沙、木材、石头等。
1、古代中国：
“日取其半，万世不竭” “道生一，一生二，二生三，三生万物”（《老子》）； “以土与金、木、水、火杂以成百物”（《国语· 正语》）； “太极生两仪，两仪生四象，四象生八卦，八卦交而生万物” （《易经》）
晶体的结构与形状
晶体的结构 晶体的形状
介 观
宏 观
金刚石的晶面和抛光面呈现夺目的光彩，它 在紫外线或X射线照射下会发出天蓝色、紫色 荧光，经曝晒后，置于暗室内，能发出淡青 色磷光，所以我国古代人们称它为“夜明 珠”。珍贵的钻石，就是金刚石琢成的。 金刚石的导热能力比铜高4倍，是电子技 术和激光技术中的优良散热材料。由于它的 硬度高，所以常被用作地质钻探的钻头和切 削金属的工具，既锋利又不发热。
世界最大的天然金刚石 1905年1月25日，南非的普列米尔矿山（亦 称总理矿），有一个名叫威尔士的经理人员， 偶尔看见矿场的地上半露出一块闪闪发光的 东西，他用小刀将它挖出来一看，是一块巨 大的宝石金刚石。它的重量为3106克拉，即 621.2克（1克拉=0.2克），相当于一个成年 男子的拳头．它纯净透明，带有淡蓝色调， 是最佳品级的宝石金刚石．一直到现在，它 还是世界上发现的最大的天然金刚石．在 1907年12月9日，为祝贺英王爱德华三世的生 日而赠送给英国王室．
材料技术的发展趋势之
• 第三，材料结构的尺度向越来越小的方向 发展。 如以前组成材料的颗粒，尺寸都在微米 (100万分之一米)方向发展的材料。由于颗粒 极度细化，使有些性能发生了截然不同的变化。 如以前给人以极脆印象的陶瓷，居然可以用来 制造发动机零件。
材料技术的发展趋势之
• 第四，由被动性材料向具有主动性的 智能材料方向发展。 过去的材料不会对外界环境的作用 作出反应，完全是被动的。新的智能材 料能够感知外界条件变化、进行判断并 主动作出反应。
材料科学的重要地位
• 先进的技术又促使了具有前所未有性能的新材料的诞生
例如，利用巨型计算机可以计算出要求什么样的性能 便应该有什么样的成分组成，甚至还没有制造出来便可 以先用虚拟现实技术观看所制成的零件在工作时的表现 如何。这就使得在研制新材料时，具有更大的主动性、 预见性，避免盲目地作大量无益的探索。 更进一步，还可以算出原子之间应该怎样排列才能具 有所需要的性能，并利用可以操作单个原子层的技术将 其制造出来。这就体现在处于电子器件制造技术最前沿 的超晶格材料。这样的例子，同样不胜枚举。所以，现 代的材料技术正同其他高技术互相支持、共同发展．
1887 1895 1935 1939 1948 1958
1922 1913 1940 1942 1951 1960
35 18 5 3 3 2
人类对材料微观结构认识的发展过程
1）逻辑推理(古代哲学家，432 BC.)
2）宏观形貌观察、观测（by eye, 1669）
3）数学理论计算 4）科学测定（X-ray diffraction, electron diffraction,等）
库利南1号
库利南2号
中国最大的天然金刚石 中国发现的最大的一颗天然金刚石——1977 年12月21日在山东临沐县岌山乡发现的一颗 重达158.7860克拉的天然金刚石。 我国目前展示的最大天然钻石，重达26.62克 拉，名字叫“北极光”标价为4120万元．它 是1912年出产于北极的一个钻石矿区，钻坯 重达162克拉，在比利时由世界首席划线师亲 自标记，在首席切割师的指导下，经过数十 名高级技师两个月的精心劳作，才切割成了 目前26.62克拉的大钻石．
材料科学的发展过程
1669, N. Steno, 晶面角守恒定律
1885, A. Bravais, 晶体空间点阵学说 1912, M. Laue*, 晶体的X射线衍射 1915, W. H. Bragg and W. L. Bragg** X射线晶体结构分析方法
电子显微镜（SEM、TEM）
扫描探针显微术***（STM、AFM）
三 大 支 柱
能源、信息和材料（1998） 生物工程，信息技术和新材料
二、材料的发展史，就是科学技术的发展史。
中国的四大发明：纸、火药、指南针、活字印刷
表1 科学原理的发现时间与其产业化时间的对照 原理 电机 真空管 1821 1882 成品 1886 1915 发展时间 65 33
无线电 X光 雷达 原子堆 半导体 激光
什么是材料(materials)?
材料是人类社会所能接受的、可经济地制造有 用物品的物质。
Materials is the stuff from which a thing is made for using.
天然材料
人工材料
材料的分类
用途：结构材料（受力，承载） 功能材料（半导体，超导体，以及光、电、声、磁、应力转换，等） 属性：金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料 物理形态：晶体材料、非晶态材料和纳米材料 几何形态：三维材料、二维材料、一维材料和零维材料
材料是一切事物的物质基础
1、 人类历史阶段是根据使用材料划分的 从过去到现在 共经历了七个时代 • 1 石器时代 公元前10万年 • 2 青铜时代 公元前3000年 • 3 铁器时代 公元前1000年 • 4 水泥时代 公元0年 • 5 钢时代 1800年 • 6 硅时代 1950年 • 7 新材料时代 1990年
发展：传统材料（钢铁，铜，铝，水泥，塑料，陶瓷，... ） 新材料（金属间化合物，高温超导材料，非晶态合金，纳米材料, ...）
一、材料的发展史，就是人类社会的发展史。 人类历史的划分
石器时代陶器时代青铜器时代铁器时代。 Computer Aluminum in 19th century.
现代社会
材料科学的重要地位
材料科学的重要地位
材料科学的重要地位
• 技术离不开材料 使用任何一种技术更离不开材料。人最原始 最简单的技术到最尖端、最复杂的技术，莫不如 此。在人类社会爱憎分明的早期，往往用那一时 代主要生产工具使用的材料来代表那一时代、新 石器时代、青铜器时代、铁器时代等等。
材料科学的重要地位
世界最大的天然金刚石 1908年初，库利南被送到当时琢磨钻石最权 威的城市荷兰的阿姆斯特丹，交给约ּ阿斯查 尔公司加工．被劈开后，由三个熟练的工匠， 每天工作14小时，琢磨了8个月．一共磨成了 9粒大钻石和96粒小钻石．九个较大钻石中最 大的一粒名叫库利南1号，重530.2克拉，为 水滴形，琢磨了74个面，它也是现今世界上 最大的钻石，镶在英国国王的权杖上．
现代社会使用的材料种类繁多，无 法简单地用某一种甚至某一类材料来象 征社会的发展水平、技术水平，但材料 是一切东西的物质基础仍然没有改变， 而且今后也永远不会改变。正是因为有 千姿百态、数不清的材料，世界才会如 此丰富多彩。
人类文明社会的先导--新材料
一、材料的发展史，就是人类社会的发展史 二、材料的发展史，就是科学技术的发展史
什么是材料科学
• “材料科学”至今人无明确定义。 • 有人认为材料科学是研究各种材料的结构，制备加 工工艺与性能之间的科学。 • 本着这一关系可用一四面体表示
如图
材料科学与工程四要素
材料固有性能
制备合成 与/加工工艺 成分/组织结构
材料使用性能
* 1914’s Nobel prize; **1915’s, ***1987’s.
• 新材料时代特征：
不象以前的各个材料时代，它 是一个由多种材料决定社会和经济 发展的时代；新材料以人造为特征； 新材料科学根据我们对材料的物理 和化学性能的了解，为了特定的需 要设计和加工而成的。
材料的分类
• 现在的材料种类繁多，按材料本身的性 质分，主要有金属材料、陶瓷材料、高 分子材料、复合材料、液晶材料等。 • 按材料的作用分，有结构材料和功能材 料。
Baidu Nhomakorabea
结构材料
用于制造各种结构，通俗地说就是要受力， 因此对它的要求主要是机械性能，如强度、延伸 率(达到极限强度断裂时伸长了多少，延伸率小 的材料便容易脆断)、硬度、韧性( 受冲击力时 容不容易断裂)、刚性(容不容易保持形状不变) 等等。有时不要求其能经受住严峻的环境条件， 如要求耐热性、抗腐蚀性等等。
材料技术的发展趋势
当前，材料技术的发展趋势有以下几种： • 第一，从均质材料向复合材料发展。 以前人们只使用金属材料、高分子材料 等均质材料，现在开始越来越多地使用 诸如把金属材料和高分子材料结合在一 起的复合材料。
材料技术的发展趋势之
• 第二，由结构材料为方向往功能材料、多 功能材料并重的方向发展。 以前讲材料，实际上都是指结构材料。但 是随着高技术的发展，其他高技术要求材料技 术为它们提供更多更好的功能材料，而材料技 术也越来越有能力满足这一要求。所以现在各 种功能材料越来越多，终会有一天功能材料将 同结构材料在材料领域平分秋色。
功能材料
主要用于完成某种特殊功能，如液 晶材料用于显示，但有时也要求有一定机 械强度，如光导纤维主要用于传输光线， 同时也要求有一定机械强度，否则连自己 的重量都承受不了，也就无法构成长的通 信线路。
材料基本用途
金属材料绝大部分都是结构材料， 但近来也出现一些功能材料，如形状记 忆合金、储氢合金、金属超导材料等。 陶瓷材料有的作为结构材料，有的作为 功能材料。液晶材料目前还只能作为功 能材料。
材料技术的发展趋势之
• 第五，通过仿生途径来发展新材料。 生物通过千百万年的进化，在严峻的 自然界环境中经过优胜劣汰，适者生存 而发展到今天，自有其独特之处。通过 “师法自然”并揭开其奥秘，会给我们 以无穷的启发，为开发新材料又提供了 一条广阔的途径。
材料性能与内部结构的关系
三种基本类型材料中： • 金属有好的导电性，有高的塑性和韧性； • 陶瓷材料则有高的硬度但很脆，且大多是电的绝 缘材料； • 而高分子材料的弹性模量，强度，塑性都很低， 多数也是不导电的。 • 这些材料的不同都是由其内部结构决定的。即： 原子结构、结合键、原子的排列方式（晶体和非 晶体）以及显微组织。
材料科学的重要地位
• 过日子离不开材料 俗话说：“开门七件事，柴、米、油、盐、 酱、醋、茶。”这七样东西，样样都是过日 子必不可少的物质，它们都是材料。所以人 类首先最需要的就是材料。正因为这样，在 生产力还处在很低水平的农业社会里，材料 便比能源、信息都要早地占据了主导地位。
材料科学的重要地位
• 周围随处可见材料，如沙、木材、石头等。
1、古代中国：
“日取其半，万世不竭” “道生一，一生二，二生三，三生万物”（《老子》）； “以土与金、木、水、火杂以成百物”（《国语· 正语》）； “太极生两仪，两仪生四象，四象生八卦，八卦交而生万物” （《易经》）
晶体的结构与形状
晶体的结构 晶体的形状
介 观
宏 观
金刚石的晶面和抛光面呈现夺目的光彩，它 在紫外线或X射线照射下会发出天蓝色、紫色 荧光，经曝晒后，置于暗室内，能发出淡青 色磷光，所以我国古代人们称它为“夜明 珠”。珍贵的钻石，就是金刚石琢成的。 金刚石的导热能力比铜高4倍，是电子技 术和激光技术中的优良散热材料。由于它的 硬度高，所以常被用作地质钻探的钻头和切 削金属的工具，既锋利又不发热。
世界最大的天然金刚石 1905年1月25日，南非的普列米尔矿山（亦 称总理矿），有一个名叫威尔士的经理人员， 偶尔看见矿场的地上半露出一块闪闪发光的 东西，他用小刀将它挖出来一看，是一块巨 大的宝石金刚石。它的重量为3106克拉，即 621.2克（1克拉=0.2克），相当于一个成年 男子的拳头．它纯净透明，带有淡蓝色调， 是最佳品级的宝石金刚石．一直到现在，它 还是世界上发现的最大的天然金刚石．在 1907年12月9日，为祝贺英王爱德华三世的生 日而赠送给英国王室．
材料技术的发展趋势之
• 第三，材料结构的尺度向越来越小的方向 发展。 如以前组成材料的颗粒，尺寸都在微米 (100万分之一米)方向发展的材料。由于颗粒 极度细化，使有些性能发生了截然不同的变化。 如以前给人以极脆印象的陶瓷，居然可以用来 制造发动机零件。
材料技术的发展趋势之
• 第四，由被动性材料向具有主动性的 智能材料方向发展。 过去的材料不会对外界环境的作用 作出反应，完全是被动的。新的智能材 料能够感知外界条件变化、进行判断并 主动作出反应。
材料科学的重要地位
• 先进的技术又促使了具有前所未有性能的新材料的诞生
例如，利用巨型计算机可以计算出要求什么样的性能 便应该有什么样的成分组成，甚至还没有制造出来便可 以先用虚拟现实技术观看所制成的零件在工作时的表现 如何。这就使得在研制新材料时，具有更大的主动性、 预见性，避免盲目地作大量无益的探索。 更进一步，还可以算出原子之间应该怎样排列才能具 有所需要的性能，并利用可以操作单个原子层的技术将 其制造出来。这就体现在处于电子器件制造技术最前沿 的超晶格材料。这样的例子，同样不胜枚举。所以，现 代的材料技术正同其他高技术互相支持、共同发展．
1887 1895 1935 1939 1948 1958
1922 1913 1940 1942 1951 1960
35 18 5 3 3 2
人类对材料微观结构认识的发展过程
1）逻辑推理(古代哲学家，432 BC.)
2）宏观形貌观察、观测（by eye, 1669）
3）数学理论计算 4）科学测定（X-ray diffraction, electron diffraction,等）