材料科学导论 (重庆大学) 2002.10
材 料 科 学 导 论 (重庆大学) 2002.10
绪论 材料的发展过程 材料是人类用来制作各种产品的物质,是先于人类存在的, 是人类赖以生存和发展,征服自然和改造自然的物质基础;是 人类进步的里程碑。人类社会发展史表明,生产中使用材料性 质直接反映人类社会文明水平;每一种重要新材料的发展和应 用,都把人类支配自然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会引起生产技术的革命,大大加速社会 发展的进程,给社会生产和人们生活带来巨大变化,把人类物 质文明推向前进
绪 论 材料的发展过程 材料是人类用来制作各种产品的物质，是先于人类存在的， 是人类赖以生存和发展，征服自然和改造自然的物质基础；是 人类进步的里程碑。人类社会发展史表明，生产中使用材料性 质直接反映人类社会文明水平；每一种重要新材料的发展和应 用，都把人类支配自然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会引起生产技术的革命，大大加速社会 发展的进程，给社会生产和人们生活带来巨大变化，把人类物 质文明推向前进
▲天然材料自然界中动、植物和矿物,如兽皮、甲骨、羽毛、 树木、草叶、石块、泥土等。人们利用天然的石器、骨器为工 具,最多也进行切割、钻孔、雕刻等工序获得锐利的磨制石器。 ▲烧炼材料是烧结材料和冶炼材料的总称,随着生产技术进 步,人类早已能够用天然的矿土烧制砖瓦和陶瓷,以后又制击 了玻璃和水泥,属于烧结材料。从各种天然矿石中提炼岀Cu、 Fe等金属则属于冾炼金属。陶器、瓷器制作:景泰兰(北京); 宜兴紫砂陶(江苏);景德镇瓷器(江西);醛陵瓷器(湖南);石湾 彩陶(广东);耀州青瓷(陕西)。青铜器:Cu与Sn、Pb等金属组 成的合金,与纯Cu相比,熔点降低,硬度增高,用于工具、兵 器、食器、如:司母戊鼎、越王勾剑、吴王夫差的宝剑等。铁 器:春秋战国时期开始大量使用铁器,西汉时期,采用煤为燃 料炼铁比欧州早1700多年
天然材料 自然界中动、植物和矿物，如兽皮、甲骨、羽毛、 树木、草叶、石块、泥土等。人们利用天然的石器、骨器为工 具，最多也进行切割、钻孔、雕刻等工序获得锐利的磨制石器。 烧炼材料 是烧结材料和冶炼材料的总称，随着生产技术进 步，人类早已能够用天然的矿土烧制砖瓦和陶瓷，以后又制击 了玻璃和水泥，属于烧结材料。从各种天然矿石中提炼出Cu、 Fe等金属则属于冶炼金属。陶器、瓷器制作： 景泰兰(北京)； 宜兴紫砂陶(江苏)；景德镇瓷器(江西)； 醛陵瓷器(湖南)；石湾 彩陶(广东) ；耀州青瓷(陕西)。青铜器：Cu与Sn、Pb等金属组 成的合金，与纯 Cu相比，熔点降低，硬度增高，用于工具、兵 器、食器、如：司母戊鼎、越王勾剑、吴王夫差的宝剑等。铁 器：春秋战国时期开始大量使用铁器，西汉时期，采用煤为燃 料炼铁比欧州早1700多年
▲合成材料20世纪初已出现化工合成产品,其中合成塑料、合 成橡胶、合成纤维已广泛用于生产生活中。1907年小型酚酯树 脂厂建立;1927年热塑性PVC塑料生产实现商品化; 1940~1957年研制成功合成橡胶、合成纤维、聚丙烯睛、聚酯 纤维、低压PE、PIFE,维尼龙等;1950~1980年工程塑料、聚 合物合金、功能聚合物材料的工业化应用;1990年分子设计、 高性能、高功能聚合物合成。 ▲可设计材料用新的物理、化学方法,根据实际需要去设计特 殊性能的材料,如金属陶瓷、铝塑薄膜等复合材料。古代:木 材、竹材、土砖、纤维增强复合材料;近代:软质复合材料 (各种纤维增强的橡胶)以及硬质复合材料(纤维增强树脂、 玻璃钢);先进:比强应大,比模量高的结构复合材料,促进 了航空、航天等高技术产业的发展,被公认为是当代科学技术 中的重大关键技术;
合成材料 20世纪初已出现化工合成产品，其中合成塑料、合 成橡胶、合成纤维已广泛用于生产生活中。1907年小型酚酯树 脂厂建立； 1927 年热塑性 PVC 塑 料 生 产 实 现 商 品 化 ； 1940~1957年研制成功合成橡胶、合成纤维、聚丙烯睛、聚酯 纤维、低压PE、PTFE，维尼龙等；1950~1980年 工程塑料、聚 合物合金、功能聚合物材料的工业化应用；1990年 分子设计、 高性能、高功能聚合物合成。 可设计材料 用新的物理、化学方法，根据实际需要去设计特 殊性能的材料，如金属陶瓷、铝塑薄膜等复合材料。古代：木 材、竹材、土砖、纤维增强复合材料；近代：软质复合材料 （各种纤维增强的橡胶）以及硬质复合材料（纤维增强树脂、 玻璃钢）；先进：比强应大，比模量高的结构复合材料，促进 了航空、航天等高技术产业的发展，被公认为是当代科学技术 中的重大关键技术；
▲智能材料近30年研制岀的一些新型功能材料,它们能随 环境,时间变化改变自己的性能式形状,好像具有智能, 其中形状记忆合金已崭露头角。智能材料是为21世纪准备 的尖端技术,现已成为材料科学的一个重要前沿领域,有 关研究及发展受到人们的很大重视。(Cr有自愈能力,Ni T合金为形状记忆合金)
智能材料 近30年研制出的一些新型功能材料，它们能随 环境，时间变化改变自己的性能式形状，好像具有智能， 其中形状记忆合金已崭露头角。智能材料是为21世纪准备 的尖端技术，现已成为材料科学的一个重要前沿领域，有 关研究及发展受到人们的很大重视。(Cr有自愈能力，Ni、 Ti合金为形状记忆合金)
人类使用材料的发展史 大然 合成 10000BC500°BC010001500180019001940196019801990 2000 20102020 金属 金属 铁 铸铁 高分子材料 钢 木材 皮革 纤维 皮胶 1860 合金钢 轻合金 高分子材料 复合材料 橡胶 导电聚合物 稻草泥巴 纸 高温合金 高温聚合物 钛合金 胶木 高模量聚合物 火石 锥合金 乘酯复合材料 陶器 尼龙 聚醚 环氧树脂 陶瓷基复合材料 玻璃水泥 匚陶 耐火材料 个、有机丙烯酸金属基复合材粗 芳纶增强树脂 这6两能纤维增强 陶瓷 树脂 韧性工程陶瓷先进功能陶瓷 硅酸盐水泥石英金属陶瓷耐火陶瓷(Al4O)、SiN 10000BC5000BC010001500180019001940196019801990200020102020 年代(年代坐标非线性
人类使用材料的发展史
材料的分类 目前世界上传统材料已有十万种,而新材料品种正以每 年大约5%的速度在增长。2从1950年到现在,已知的化合 物已从200万种增至1000万种,而且还在以每年25万种速 度递增,其中相当一部分有发展成为新材料的潜力。 材料就大的类别来说,可以分为金属材料、非金属材料 合成材料、复合材料和功能材料等五类,其中前四类为结 构材料,以其所具有的强度为特征被广泛应用;最后一类 功能材料,则主要以其所具有的电、光、声、磁、热等效 应和功能为特征被应用
材料的分类 目前世界上传统材料已有十万种，而新材料品种正以每 年大约5%的速度在增长。2从1950年到现在，已知的化合 物已从200万种增至1000万种，而且还在以每年25万种速 度递增，其中相当一部分有发展成为新材料的潜力。 材料就大的类别来说，可以分为金属材料、非金属材料、 合成材料、复合材料和功能材料等五类，其中前四类为结 构材料，以其所具有的强度为特征被广泛应用；最后一类 功能材料，则主要以其所具有的电、光、声、磁、热等效 应和功能为特征被应用
▲金属材料金属材料是最重要的工程材料(包括金属和以金属 为基的合金),最简单的金属材料是纯金属,周期表中金属元 素分为简单金属和过渡金属。简单金属结合键完全为金属键; 过渡金属结合键为金属键和共价键的混合键,以金属为主的金 属材料均为金属晶体材料。一般金属及其合金可分为两大类, 黑色金属:以Fe和Fe为基的合金(钢、铸铁、铁合金);有色 金属:黑色金属以外的所有金属及其合金,包括轻金属、易熔 金属、难溶金属、贵金属、铀金属、稀土金属、碱土金属。 近30年来,相继出现了金属玻璃、准晶、定向共晶合金、微 晶、低维合金、以及纳米晶体等一系列从结构到物理力学性能 均特色的新金属材料
金属材料 金属材料是最重要的工程材料（包括金属和以金属 为基的合金），最简单的金属材料是纯金属，周期表中金属元 素分为简单金属和过渡金属。简单金属结合键完全为金属键； 过渡金属结合键为金属键和共价键的混合键，以金属为主的金 属材料均为金属晶体材料。一般金属及其合金可分为两大类， 黑色金属：以Fe和Fe为基的合金（钢、铸铁、铁合金）；有色 金属：黑色金属以外的所有金属及其合金，包括轻金属、易熔 金属、难溶金属、贵金属、铀金属、稀土金属、碱土金属。 近30年来，相继出现了金属玻璃、准晶、定向共晶合金、微 晶、低维合金、以及纳米晶体等一系列从结构到物理力学性能 均特色的新金属材料
▲非金属材料一般无机非金属材料含有Si及其它元素化合物, 又称硅酸盐材料,包括无杋玻璃、玻璃陶瓷、陶瓷三大类,工 业上应用最广泛的陶瓷又可分为 普通陶瓷:含SO2、Al2O3的硅酸盐材料;新型陶瓷:为高 熔点氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等烧结材料;金属陶 瓷:陶瓷生产方法制取金属与碳化物或其它化合物的粉沫制 陶瓷材料坚硬、稳定,但脆性大,用于制造工具、用具。 该材料内部键型是氧原子与金属原子形成离子键,且尺寸大 的氧原子为陶瓷基质,较小的金属原子处于氧原子之间空隙外
非金属材料 一般无机非金属材料含有Si及其它元素化合物， 又称硅酸盐材料，包括无机玻璃、玻璃陶瓷、陶瓷三大类，工 业上应用最广泛的陶瓷又可分为： 普通陶瓷：含SiO2、Al2O3的硅酸盐材料；新型陶瓷：为高 熔点氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等烧结材料；金属陶 瓷 ：陶瓷生产方法制取金属与碳化物或其它化合物的粉沫制 品。 陶瓷材料坚硬、稳定，但脆性大，用于制造工具、用具。 该材料内部键型是氧原子与金属原子形成离子键，且尺寸大 的氧原子为陶瓷基质，较小的金属原子处于氧原子之间空隙外
▲合成材料是指合成塑料、合成纤维和合成橡胶等有机聚合物合 成材料,它们质地轻巧、原料丰富、加工简便、性能良好、用途 广泛,其发展速度大大超过钢铁、水泥、木材等传统的三大基本 材料 1.塑料是合成材料中用量最多的一类,常用于制造机器零件 或构件,分为热塑料和热固性塑料。热塑性塑料:PE、P、PB (聚丙乙烯)、PV℃,具有加热熔融特征。热固性塑料:醇酸树 脂、氨基树脂、酚醛树脂、环氧树脂、不饱和聚脂和聚氨酯等。 不能反复溶融,而且一次固化; 2.橡胶指经硫化处理,弹性特别良好的聚合物,有通用橡胶 和特种橡胶两种。 3.合成纤维由单体聚合成强度很高的聚合物,通过机械处理 获得纤维材料
合成材料 是指合成塑料、合成纤维和合成橡胶等有机聚合物合 成材料，它们质地轻巧、原料丰富、加工简便、性能良好、用途 广泛，其发展速度大大超过钢铁、水泥、木材等传统的三大基本 材料。 1．塑料 是合成材料中用量最多的一类，常用于制造机器零件 或构件，分为热塑料和热固性塑料。热塑性塑料：PE、PP、PB （聚丙乙烯）、PVC，具有加热熔融特征。热固性塑料：醇酸树 脂、氨基树脂、酚醛树脂、环氧树脂、不饱和聚脂和聚氨酯等。 不能反复溶融，而且一次固化； 2．橡胶 指经硫化处理，弹性特别良好的聚合物，有通用橡胶 和特种橡胶两种。 3．合成纤维 由单体聚合成强度很高的聚合物，通过机械处理 获得纤维材料