材料科学基础 第0章 绪论
材料合成与制备 第0章 绪论
G MgCl2
-668.10 -678.37 -703.98 -735.01 -770.78 -818.27
G MgO
-1172.15 -1188.08 -1228.54 -1279.90 -1339.57 -1408.42
G CaCl2
-826.98 -838.79 -867.37 -901.28 -939.31 -985.15
-678.37
-41.24
-612.64
-89.74
600
-703.98
-63.30
-622.34
-137.92
800
-735.01
-86.44
-635.26
-188.55
1000
-770.78
-110.42
-650.69
-241.04
1200
-8185.01
X射线衍射（晶胞参数）、电子衍射、γ射线衍射、中子 衍射（材料缺陷、空穴、位错、沉淀相磁不匀性的大小及分 布）。
3、形貌观察
光学显微镜 扫锚电子显微镜 透射电子显微镜
（微米尺度） （亚微米尺度）
（纳米尺度）
1.12 1.10
-750
1.08 1.06
1.04
-800
1.02
1.00 200 300 400 500 60T0 (K7)00 800 900 1000 1100
25 20 15 10
5 0 -5 -10 -15 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
二、材料合成基础
Pco (MPa) 2
1、热力学基础（反应可行性判断）
CaCO3(s) MgCl2(s) CaCl2(s) MgO(s) CO2(g) 标准态下碳酸钙与氯化镁反应的热力学数据如表1所示：
材料科学基础绪论
2017/2/14
绪论 Introduction
• • • • • What is Materials? Classfication of Materials What is Materials Science ? What is Materials Engineering? Importance of Materials on Progress of Human History and Modern Science and Technology • Objective and Methods of Learning this Course
2017/2/14
1-1 材料的定义和分类(Definition and Classfication)
• 1-1-1定义 • 材料 Materials
Webster编著“New International Dictionary（1971年）”中关于 材料（Materials）的定义为：材料是指用来制造某些有形物体（如： 机械、工具、建材、织物等的整体或部分）的基本物质（如金属、木 料、塑料、纤维等） • 迈尔《新百科全书》中材料的含义：材料是从原材料中取得的，为生 产半成品、工件、部件和成品的初始物料，如金属、石块、木料、皮 革、塑料、纸、天然纤维和化学纤维等等。
单晶
多晶 非晶 复晶
•
• • •
state
用途分类
功能 结构（工程） 建筑、仪表、电子、医用 包装、耐火．．．．能源等等。
•
•
function
应用领域分类
•
application
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1. 金属材料 metals (1) 黑色金属材料 • 化学成分——碳素钢、合金钢
《材料科学基础教案》课件
《材料科学基础教案》PPT课件第一章：材料科学导论1.1 材料科学的定义和发展历程1.2 材料的分类和特性1.3 材料科学的研究内容和方法1.4 材料科学在工程中的应用第二章：材料的力学性能2.1 弹性、塑性和脆性2.2 材料的强度、硬度和韧性2.3 材料的热膨胀和导热性2.4 材料的疲劳和腐蚀性能第三章：材料的结构3.1 原子结构与元素的电子配置3.2 金属晶体结构3.3 非金属晶体结构3.4 材料的微观结构与宏观性能的关系第四章：材料的热处理和加工4.1 材料的热处理工艺和性能4.2 金属的铸造、焊接和热轧4.3 非金属材料的加工方法4.4 新型材料的加工技术和应用第五章：材料的选择与应用5.1 材料的选用原则和标准5.2 工程常用金属材料的选择与应用5.3 常用非金属材料的选择与应用5.4 新型材料在工程中的应用案例分析第六章：金属的腐蚀与防护6.1 金属腐蚀的基本类型和机理6.2 金属腐蚀的影响因素6.3 金属的腐蚀防护方法6.4 实例分析：金属腐蚀与防护的应用第七章：陶瓷材料7.1 陶瓷材料的定义和特性7.2 陶瓷材料的制备方法7.3 陶瓷材料的分类与应用7.4 先进陶瓷材料的最新发展第八章：高分子材料8.1 高分子材料的定义和结构8.2 高分子材料的制备方法8.3 高分子材料的性能与应用8.4 生物基高分子材料和可持续发展的关系第九章：复合材料9.1 复合材料的定义和特点9.2 复合材料的制备方法9.3 常见复合材料的类型与应用9.4 复合材料在航空航天和汽车工业中的应用第十章：纳米材料10.1 纳米材料的定义和特性10.2 纳米材料的制备方法10.3 纳米材料的应用领域10.4 纳米材料的发展趋势和挑战重点和难点解析重点一：材料科学的定义和发展历程解析：理解材料科学的定义是掌握整个学科的基础，对材料科学的发展历程有一个全面的了解，能够帮助我们更好地理解其在不同历史阶段的重要性。
重点二：材料的分类和特性解析：材料的分类是理解不同材料性质的基础，而特性则是材料应用的关键。
同济大学材料科学基础绪论资料
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、
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。
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
程环境密切相关。实用性能包括可靠性、耐用性、寿
材料结构关系
• 材料的结构包括不同晶体结构和非晶体，以及显微镜下
的微观结构，哪些主要因素能够影响和改变结构？只有 了解了这些才能实现控制结构的目的。
• 材料的性能包括物理性能、化学性能、力学性能。 • 其内部结构包括四个层次：①原子结构；②结合键；③
原子的排列方式；④显微组织
• （A）组织结构： • 包含着决定材料性质和使用性能的原子、
材料科学学科形成的 深层次原因分析（2）
材料科学基础_01
2. Atomic size
3. Electron configurations
Lesson one
Materials Science deals with the relationship between the macroscopic properties and the microscopic structures.
Chapter I
Atomic Structure and Bonding §1.1 Atomic structure
Electrons with the same subsidiary quantum number have as many parallel spins as possible.
3. Electronegativity
Electronegative elements are nonmetallic in nature and accept electrons in chemical reactions to produce negative ions, or anions.
Electronegativity describes the tendency of an atom to gain an electron.
Example problem 1.1
Calculate the energy in joules(J) and electron volts(eV) of the photon whose wavelength λ is 121.6 nanometers (nm). (1.00eV=1.60×10-19J; h=6.63×10-34J·S; 1 nm=10-9m)
材料科学基础-绪论
航空材料 材料的主要性能取决 于 母 体 ， 加 入 合 金元 素 成 分 将 改善 金 属 的物 理 及 机 械 性能 — 强 度 、 耐 力 、 使 用寿 命 。 在飞 机 发 动 机 中一 种 掺 镍化 合 物制成称作718合金被广 泛的用于制造波音777客 机上的发动机的压缩机 、 叶片及紧固件。
• 《材料科学基础》 潘金生主编 清华大学出版社
• 《金属材料及热处理》 崔忠圻主编
新材料阶段的特征
• 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，非自然界中现成有的; • 新材料是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； • 这些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，从而使国家财富和就业增加。
（四）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 材料科学的发展是计算机飞速发展的基础
种类 软盘 CD－RW MO(磁光盘) 使用的材料 氧化铁 以ZnS等为主的陶 瓷材料 TbFeCo合金磁光 材料 存储容量 1.44 Mb 650 Mb 650 Mb，1.3G 特点 容量小，文本文件存储 CD光盘，价低，用量大 需专用驱动器，价格高，局限 在广告图形用户
•
•
硅时代（1950年）
新材料时代（1990年）
材料科学基础的地位
• 材料(Materials)是国民经济的物质基础。 • 材料无处不在，无处不有
工农业生产 国防 科学技术 人民生活
材料 材料品种 能源 现代技术的三大支柱 数量 国家现代化程度标志之一 信息 质量
材料科学基础 第1章 绪论
人造卫星上天，美国震惊，认为落后的主
要原因之一是先进材料的落后，于是在一
些大学相继成立了材料研究中心——采用
先进的科学理论与实验方法对材料进行深
入的研究，取得重要成果，从此“材料科
学
”
名词开始流行。
工程材料：用于工程结构和机器零件及元
器件的材料。
材料科学基础－绪论
工程的定义：通过学习，经验和实践获得的 数学和自然科学知识，依据判断来建立经济 利用材料和自然力得以造福人类的方法。
材料的品种、数量和质量已是衡量一个国家 技术和国民经济以及国防力量的重要标志之 一。
材料科学基础－绪论
工程材料科学与工设程计
The ScienceMaantedriDaelssiSgcnieonfcEenagnindeEenrignigneMearitnegrials
材料科学基础－绪论
材料科学：20世纪60年代初，1957年苏联
材料科学基础－绪论
材料科学基础－绪论
以玻璃纤维或其制品作增强材料的增强塑料，称谓为玻璃纤维增强塑料，或 称谓玻璃钢。由于所使用的树脂品种不同，因此有聚酯玻璃钢、环氧玻璃钢、酚 醛玻璃钢之称。
材料科学基础－绪论
2、分类
A、按用途分类 结构复合材料： 以其力学性能如强度、刚度、形变等特性为工程所 应用，主要用于结构承力或维持结构外形。 功能复合材料： 以其声、光、电、热、磁等物理特性为工程所应用， 用于如绝热、透波、耐腐蚀、耐磨、减振或热变形等热、声、光、电、 磁的功能要求。 B、按基体分类
材料科学基础－绪论
基本性质
➢ 主链为共价键，分子间为二次键结合 ➢ 分子量大，无明显熔点，有玻璃化转变温度
Tg和粘流温度Tf； ➢ 力学状态有三态(玻璃态、高弹态、粘流态) ➢ 密度小 ➢ 绝缘性好(也有部分可以导电) ➢ 优越的化学稳定性 ➢ 成型方法多
武汉理工大学材料科学基础(第2版)课后习题和答案
武汉理工大学材料科学基础（第2版）课后习题和答案第一章绪论1、仔细观察一下白炽灯泡，会发现有多少种不同的材料？每种材料需要何种热学、电学性质？2、为什么金属具有良好的导电性和导热性？3、为什么陶瓷、聚合物通常是绝缘体？4、铝原子的质量是多少？若铝的密度为2.7g/cm3，计算1mm3中有多少原子？5、为了防止碰撞造成纽折，汽车的挡板可有装甲制造，但实际应用中为何不如此设计？说出至少三种理由。
6、描述不同材料常用的加工方法。
7、叙述金属材料的类型及其分类依据。
8、试将下列材料按金属、陶瓷、聚合物或复合材料进行分类：黄铜钢筋混凝土橡胶氯化钠铅-锡焊料沥青环氧树脂镁合金碳化硅混凝土石墨玻璃钢9、Al2O3陶瓷既牢固又坚硬且耐磨，为什么不用Al2O3制造铁锤？第二章晶体结构1、解释下列概念晶系、晶胞、晶胞参数、空间点阵、米勒指数（晶面指数）、离子晶体的晶格能、原子半径与离子半径、配位数、离子极化、同质多晶与类质同晶、正尖晶石与反正尖晶石、反萤石结构、铁电效应、压电效应.2、（1）一晶面在某、y、z轴上的截距分别为2a、3b、6c，求出该晶面的米勒指数；（2）一晶面在某、y、z轴上的截距分别为a/3、b/2、c，求出该晶面的米勒指数。
3、在立方晶系的晶胞中画出下列米勒指数的晶面和晶向：（001）与[210]，（111）与[112]，（110）与[111]，（322）与[236]，（257）与[111]，（123）与[121]，（102），（112），（213），[110]，[111]，[120]，[321]4、写出面心立方格子的单位平行六面体上所有结点的坐标。
5、已知Mg2+半径为0.072nm，O2-半径为0.140nm，计算MgO晶体结构的堆积系数与密度。
6、计算体心立方、面心立方、密排六方晶胞中的原子数、配位数、堆积系数。
7、从理论计算公式计算NaC1与MgO的晶格能。
MgO的熔点为2800℃，NaC1为80l℃,请说明这种差别的原因。
材料科学基础 绪论
Bi2Sr2CaCu2O8
C60 K
1987:91K
1989:130K
1996,美国朱经武161K
美国杜克大学锂硼化合物Tc=39K 磁悬浮 快离子导体:电池 光电材料：太阳能电池 压电材料：遥控，超声，精密测量，地震预报
9
b.与磁性能有关的材料 铁氧体(尖晶石，石榴石) 天线 磁材料 : ，钕硼铁(王震西) 磁记录材料 计算机存储 巨磁阻效应：利用磁场变换，电阻率发生变化， 高存储密度的硬盘。 6G硬盘，650M光盘，1999年IBM公司实现商业化
21
3.高分子材料
塑料：薄膜，包装用品，工程塑料等 合成纤维：尼龙 橡胶
4.复合材料
塑料基复合材料：玻璃钢，玻璃纤维增强树脂 金属基复合材料：金属陶瓷，航空航天，汽车 陶瓷基复合材料：航天
22
火箭发动机的燃烧室与 喷嘴，需要承受2000℃的 高温而不氧化，它是用石墨 表面喷涂一层二硅化钼材料 制成。石墨已被大量用作核 能工业的“减速剂”。雷达 中大型电子管外，壳，既要 耐高温，又要有优良的超高 频和绝缘性能，它是用氧化 铝高频陶瓷制成。核反应堆 外部的防护层是用一种含钡 的特种水泥筑成的。
历史时期的划分 以材料为标志 新石器时代(原始社会） 青铜器时代（奴隶社会） 铁器时代（封建社会） 水泥时代 钢时代 半导体时代
材料科学的发展推动了整个世界文明的发展，在某 种程度上决定了一个国家的发达水平。
3
材料科学，信息科学，与能源科学是新技术 革命的三个支柱，是实现新技术革命的关键。 2.材料是各种物理效应产生的物质基础 周光召：材料是高技术发展以及现代文明的物质 基础。材料科学一直是活跃的科学前沿。 从科学与技术关系来看，材料往往是科学 理论过渡到技术应用的成败关键，直接影响着许 多科技领域的进展。
材料科学基础1绪论
材料科学基础1绪论材料科学是研究材料的性质、结构、制备、性能和应用的学科，具有广泛的领域和深远的影响。
材料是构成物质世界的基本单元，不同材料具有不同的特性和用途。
材料科学基础就是研究材料的基本原理和基础知识，为后续的材料科学研究和应用打下坚实的基础。
材料科学基础研究的内容包括材料的组成、结构、性质以及制备和加工技术等方面。
首先，材料的组成是指材料的成分和元素的种类和比例。
不同的元素组合可以形成不同的材料，例如金属、陶瓷、塑料等。
其次，材料的结构是指材料内部的原子、分子或晶体的排列方式。
不同的结构决定了材料的性质。
再次，材料的性质是指材料特定条件下所表现出来的特征和行为。
例如，强度、硬度、导电性、热传导性等都是材料的性质。
最后，材料的制备和加工技术是指制备材料的方法和工艺，例如熔炼、凝固、烧结、激光制造等。
制备和加工技术可以改变材料的结构和性质，从而满足不同的需求和应用。
材料科学在许多领域中都起着关键的作用。
首先，在材料工程领域，材料科学的基础研究为新材料的设计和开发提供了理论支持和指导。
新材料的研发可以改善产品的性能和功能，从而推动技术进步和社会发展。
其次，在能源领域，材料科学的研究可以帮助开发高效的能源材料和设备，例如太阳能电池、锂离子电池等，促进可再生能源的利用和节能减排。
此外，在医学领域，材料科学的研究为生物材料的设计和应用提供了基础，例如人工关节、组织工程材料等，改善了医疗技术和治疗效果。
材料科学基础的研究方法包括实验研究和理论分析。
实验研究是获取材料性质和行为的主要方法，通过实验可以测试材料的力学性能、导电性能、光学性能等。
实验结果可以用于验证理论模型和假设，并指导材料的设计和制备。
理论分析是对材料的组成、结构和性质进行推断和预测的一种方法，通过数学模型和计算机模拟可以分析材料的行为和相互作用。
实验研究和理论分析相互补充，在材料科学的研究中起着重要的作用。
总之，材料科学基础是研究材料的组成、结构、性质和制备技术的学科，对于材料科学的研究和应用具有重要的意义。
材料科学与工程基础
材料科学与工程基础（第2版）《材料科学与工程基础（第2版）》是“十一五”国家级规划教材，是教育部“面向21世纪课程教材”的修订版本。
本书共分5章。
绪论、材料结构基础、材料组成与结构、材料的性能、材料的制备与成型加工。
从材料科学与工程的基本原理出发，综合介绍了各种材料组成、结构、制备工艺、性能及应用的共性规律及金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料的个性特点和多种组分复合体系的基本特征。
本书供材料类专业本科学生使用，可供研究生、教师和工程技术人员阅读参考，也可供其他与材料专业相关的学生选读。
第1章绪论1.1材料的定义、分类及基本性质1.1.1金属材料1.1.2无机非金属材料1.1.3高分子材料1.1.4复合材料1.2材料科学与工程概述1.2.1材料科学的由来1.2.2材料科学与工程的性质与范围1.2.3材料科学在工程中的作用第2章材料结构基础2.1物质的组成、状态及材料结构2.1.1物质的组成和状态2.1.2材料结构的含义2.2材料的原子结构2.2.1量子力学的几个基本概念2.2.2原子核结构2.2.3原子核外电子2.3原子之间相互作用和结合2.3.1基本结合（化学键合）2.3.2派生结合（物理键合）2.3.3各种键性的比较2.3.4原子间距和空间排列2.4多原子体系中电子的相互作用与稳定性2.4.1杂化轨道和分子轨道理论2.4.2费米能级2.4.3固体中的能带2.5固体中的原子有序2.5.1结晶体的特点与晶体的性质2.5.2晶体几何学基础2.5.3晶体的类型2.6固体中的原子无序2.6.1固溶体2.6.2晶体结构缺陷2.6.3非晶体2.7固体中的转变2.7.1固体中的转变类型2.7.2平衡和相变2.7.3相图2.8固体的表面结构2.8.1表面力和表面力场2.8.2表面能和表面张力2.8.3表面结构及几何形状2.8.4固体表面的特性第3章材料组成与结构3.1材料组成和结构的基本内容3.2金属材料的组成与结构3.2.1金属材料3.2.2合金材料3.2.3铁碳合金的基本知识3.2.4非铁金属及合金3.2.5非晶态合金3.2.6金属材料的再结晶3.3无机非金属材料的组成与结构3.3.1无机非金属材料的组成与结合键3.3.2无机非金属材料中的简单晶体结构3.3.3硅酸盐结构3.3.4无机非金属材料的非晶体结构3.3.5陶瓷3.3.6碳化合物3.4高分子材料的组成和结构3.4.1高分子材料组成和结构的基本特征3.4.2高分子链的组成和结构3.4.3高分子链的聚集态结构3.4.4高分子材料的组成和织态结构及微区结构3.4.5聚合物共混材料3.5复合材料的组成与结构3.5.1复合材料定义及分类3.5.2复合材料的组成3.5.3复合材料的结构3.5.4复合材料的界面第4章材料的性能4.1固体材料的力学性能4.1.1材料的力学状态4.1.2应力和应变4.1.3弹性形变4.1.4永久形变4.1.5强度、断裂及断裂韧性4.1.7摩擦和磨损4.1.8疲劳4.2材料的热性能4.2.1热导率和比热容4.2.2热膨胀性4.2.3耐热性4.2.4热稳定性4.2.5高分子材料的燃烧特性4.3材料的电学性能4.3.1电导率和电阻率4.3.2材料的结构与导电性4.3.3材料的超导电性4.3.4材料的介电性4.4材料的磁学性能4.4.1物质的磁性4.4.2磁畴与磁滞回线4.4.3金属材料的磁学性能4.4.4非金属材料的磁学性能4.4.5高分子材料的磁学性能4.5材料的光学性能4.5.1电磁辐射及其与原子的相互作用4.5.2反射、吸收和透射4.5.3材料的光学性质4.5.4旋光性及非线性光学性4.5.5光泽4.5.6发光4.5.7光敏性4.6材料的耐腐蚀性4.6.1物理腐蚀4.6.2化学腐蚀4.6.3电化学腐蚀4.7复合材料的性能4.7.1复合材料的特性4.7.2复合材料性质的复合效应4.7.3复合材料的力学性能4.8纳米材料及效应4.8.1纳米材料的结构4.8.2纳米材料的基本物理效应4.8.3纳米材料的应用第5章材料的制备与成型加工5.1材料制备原理及方法5.1.1金属材料的制备5.1.2无机非金属材料的制备5.1.3高分子材料的制备5.2材料的成型加工性5.2.1金属材料的加工工艺性5.2.2聚合物的成型加工特性及成型加工方法参考文献。
【同济大学】【材料学院】材料科学与工程基础-绪论
e kBT 1
式中f(E)称为费米分布函数，EF即是费米能量或 化学势
分布函数f具有下列性质： 当T=0K, 若E<EF，f（E）=1；
而E>EF，f（E）=0； 当T >0K，若E=EF，f（E）=1/2；
而E>EF，f（E） > 0； 若E<EF，f（E） < 1
可见，当T > 0K时，在EF附近的少量电子（比EF小kBT）因 吸收热能而跃迁到能量较高的状态。在室温下kBT ≈0.025ev, 而EF有几个电子伏特，即kBT ≈10-2 EF，因此只有少量和EF接 近的电子能跃迁。
形成库柏电子对的最佳状态是： K1+ K2= K1'+ K2'=0
5、极化子 在离子晶体中，电子的运动会影响离子的平
衡位置；它吸引正离子使之内移，排斥负离子 使之外移，从而产生离子的位移极化，导致所 在区域内电子静电势的下降，出现趋于束缚电 子的势阱，构成电子的束缚态——电子的自陷 态。这可以看成是一个准粒子（电子+晶格畸 变），称为极化子
杂化轨道：原子在化合成分子的过程中，原有（能量相近） 的原子轨道线性地组合成新的原子轨道，称为杂化轨道，但 轨道数目不变，轨道在空间的分布方向和分布情况发生改变。 原子轨道经杂化后，可使成键的相对强度加大。
分子轨道：分子中每个电子是在各个原子核和其余电子组成的 势能中运动，它的运动状态可用分子轨道描述（波函数）。 分子轨道可近似地用能量相近的原子轨道组合得到。轨道数 不变，能量改变。
晶向指数是从原点出发到达某一阵点，其方向
用该阵点的坐标来表示，并取互质的最小整数倍，
微观粒子的状态用波函数ψ（r，t）描述， 当时间改变时粒子状态（波函数）将按照薛定谔 （Schrodinger）方程进行变化.