材料科學基礎

FoundationsofMaterialsScience

2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室2教學目標與要求1.掌握材料科學研究內(nèi)容及其要素之間邏輯關系.2.了解材料發(fā)展現(xiàn)實狀況與發(fā)展趨勢.3.了解本課程主要內(nèi)容和學習方法.緒論2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室3

緒論部分主要介紹以下幾個方面內(nèi)容:

一.什么是材料和材料科學基礎?

二.材料科學地位和作用。三.材料分類。四.為何要學習《材料科學基礎》?

五.《材料科學基礎》課程主要內(nèi)容。六.《材料科學基礎》課程特點、學習方法和安排。2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室4

請同學們能不能依據(jù)材料發(fā)展來劃分歷史？假如能，是怎樣劃分？提到“材料”，同學們會想到什么？列舉一下當代生活中用到了哪些材料？給材料下個定義。

材料科學與材料工程有什么區(qū)分？

請問同學們材料是怎樣分類？

怎樣認識材料科學問題？（鏈接）2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室5一.什么是材料和材料科學基礎?

材料（Materials）是指人類社會能接收地，經(jīng)濟地制造有用物品物質(zhì)。是含有滿足指定工作條件下使用要求形態(tài)和物理性狀物質(zhì)。廣義材料：包含人們思想意識之外全部物質(zhì)(substance)。材料是國民經(jīng)濟物質(zhì)基礎。材料包含：天然材料和人工材料。

材料無處不在，無處不有：工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防、科學技術、人民生活。

材料、能源和信息是當代技術三大支柱(1998)。生物工程、信息技術和新材料是當代技術三大支柱。材料品種、數(shù)量和質(zhì)量是國家當代化程度標志之一。2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室6

材料科學（MaterialsScience）是研究材料成份、組織結(jié)構(gòu)、制備工藝、加工工藝、材料性能與材料應用之間相互關系科學。材料科學是當代科學技術發(fā)展基礎、工業(yè)生產(chǎn)支柱，是當今世界帶頭學科之一。材料科學基礎(FoundationsofMaterialsScience）是進行材料科學研究基礎理論，它將各種材料（包含金屬、陶瓷、高分子材料等）微觀結(jié)構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)規(guī)律建立在共同理論基礎上，用于指導材料研究、生產(chǎn)、應用和發(fā)展。它涵蓋了材料科學和材料工程基礎理論。2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室7二、材料地位和性質(zhì)

每一個新材料應用是人類進化和發(fā)展里程碑。材料是人類社會發(fā)展巨大推進力，生產(chǎn)工具制造物質(zhì)基礎是材料材料發(fā)展史就是人類社會發(fā)展史。材料發(fā)展史就是科學技術發(fā)展史。2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室8因為材料主要性，歷史學家經(jīng)常依據(jù)人類使用材料來劃分人類社會發(fā)展歷史階段。從古代到現(xiàn)在人類使用材料歷史共經(jīng)歷了七個時代，其中有些時代連續(xù)了幾個世紀，各時代開始時間：舊、新石器時代（公元前10萬年）陶器時代青銅器時代（公元前30）鐵器時代（公元前10）水泥時代（公元0年）鋼時代（18）硅時代（1950年）新材料時代（1990年、特征是各種材料并存）1.材料發(fā)展史，就是人類社會發(fā)展史材料發(fā)展動力：社會需求（市場拉動）

技術發(fā)展（技術推進）

科學發(fā)展（對物質(zhì)了解，是創(chuàng)新源泉）

2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室92022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室10材料歷史：300,000BC—3,500BC

燧石：神奇石頭，這種輕易制成工具石頭，開始了制陶業(yè)發(fā)展（300000BC)。天然金與銅被用作工具與武器，開始了人類金屬使用（5500BC）熔煉和錘擊改變了銅性能-材料開始發(fā)展（5000BC）石斧、鑿、刀、鏟、箭頭、紡輪、缽等（西安半坡遺址）2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室11金屬鑄造工藝-人們得到了他們需要形狀(4000BC、最早模鑄件：一個銅制杖頭)從礦石中提煉銅-冶金業(yè)拂曉（3500BC、埃及古墓壁畫是

人類冶金業(yè)最早紀錄之一）青銅使用-制造合金（3000BC、青銅：第一個合金）2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室12

湖北江陵楚墓出土越王勾踐寶劍2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室13三星堆遺址文化距今4800～28，延續(xù)時間近(1986年四川廣漢三星堆)

青銅立人像：商代晚期，人像人像高172厘米，底座高90厘米，通高261,厘米,整體由立人像和臺座兩大部分接鑄而成。

青銅辮索冠人頭像：高13.7厘米祭奠坑出土圓頭頂，頭戴辮索狀帽箍，耳較圓，兩耳各有三個穿孔，耳上端鬢發(fā)清楚可見。頗具土著格調(diào)

青銅鷹形鈴:高14.24厘米，寬6.5厘米，厚3.55厘米,鈴呈鷹蹲棲狀，兩側(cè)有翼狀扉棱，兩面有羽翅狀陰紋。2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室14神獸:春秋時期，高48厘米，1990年河南省淅川徐家?guī)X楚墓出土。龍首、虎頸、虎身、虎尾、龜足，張口吐舌，牙齒犀利。龍首上附六條蛇形龍。脊背上有有一方座，座上有一神獸也為龍首，口銜一條龍，龍首。通身飾動物紋和云紋，滿嵌綠松石編鐘：春秋中期，1978年河南淅川出土，最大鐘通高120.4厘米，舞修52.3厘米，銑間59.7厘米。該鐘一組26件，形制相同，大小依次遞減。2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室15蓮鶴方壺：春秋，1923年河南新鄭李家園出土。高117厘米，口長30.5厘米，口寬24.9厘米。云紋銅禁：春秋中期，1978年河南淅川下寺出土。高28.8厘米，器身長103厘米，寬46厘米，禁為承置酒器案，其器身以粗細不一樣銅梗支撐多層鏤空云紋，十二只龍形異獸攀緣于禁四面，另十二只蹲于禁下為足。這是我國迄今發(fā)覺用失蠟法鑄造時代最早銅器，其工藝精湛復雜，令人嘆為觀止。2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室16秦陵兵馬俑銅馬車2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室17中國古代鐵器金相組織湖南長沙砂子塘戰(zhàn)國凹形鐵鋤2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室18乳釘紋爵唐三彩裂紋釉景德鎮(zhèn)陶瓷2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室192022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室20材料歷史：3,000BC——1,855AD

鐵發(fā)覺（1450BC、鐵制車輪）煉鐵需要促使了鼓風機與熔爐創(chuàng)造（1500AD、廉價冶鐵業(yè)）HenryBessemer(1813-1898)擁有鋼鐵冶煉專利-當代鋼鐵冶煉出現(xiàn)。他方法是鋼鐵制品信能大大改觀而成本也降低不少。（1855AD）

2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室212022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室22材料歷史：1,886AD——NOW

電化學方法冶煉鋁：使鋁成為一個慣用金屬（1866）尼龍商業(yè)發(fā)展，高分子材料發(fā)展關鍵時期（1939、尼龍創(chuàng)造）高溫合金發(fā)展：摻鎳合金促進了噴氣發(fā)動機發(fā)展（1950’s)鋼鐵冶煉新技術發(fā)展：2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室232022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室24制作越來越小硅芯片(1960’S、硅芯片變得更小了）高溫超導體，高溫超導革命時代(1980’S、高溫超導體）2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室25總之，材料發(fā)展是：天然→人工2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室26

材料在人類社會當代化過程中發(fā)揮了關鍵作用。讓我們回顧幾項有影響事例，方便加深了解材料發(fā)展在人類社會發(fā)展中起了舉足輕重作用。2.材料發(fā)展史，就是科學技術發(fā)展史2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室27計算機與材料：1.計算機經(jīng)歷：電子管19→晶體管1948年→集成電路時代1958年2.個人電腦移動存放器比較。材料科學發(fā)展是計算機飛速發(fā)展基礎。種類使用材料存放容量特點軟盤氧化鐵1.44Mb容量小，文本文件存放CD－RW以ZnS等為主陶瓷材料650MbCD光盤，價低，用量大MO(磁光盤)TbFeCo合金磁光材料650Mb，1.3G需專用驅(qū)動器，價格高，局限在廣告圖形用戶DVD－RWZnS等為主陶瓷材料單面單層為4.7GbCD－RW和CD光盤，用量大2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室28集成電路發(fā)展歷程2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室2911月，NVIDIA公布全新含30億晶體管GF110關鍵晶體管之父,williamshockle2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室30器件縮小100萬倍，單價下降100萬倍。信息與材料：材料將人類社會帶入了信息時代。

信息獲?。▊鞲衅鳎夯衔铮畔鬟f（光纖：無機、有機材料）－信息貯存（金屬與合金）－信息顯示（用于液晶顯示非晶硅、有機液晶材料）－信息處理（處理器芯片硅－鍺）。

能源與材料：

貯氫材料(hydrogenstoragematerial)：鎂系貯氫合金，主要有鎂鎳、鎂銅、鎂鐵、鎂鈦等合金；稀土系貯氫合金，主要是鑭鎳合金;鈦系貯氫合金，有鈦錳、鈦鉻、鈦鎳、鈦鈮、鈦鋯、鈦銅及鈦錳氮、鈦錳鉻、鈦鋯鉻錳等合金;鋯系貯氫合金，有鋯鉻、鋯錳等二元合金和鋯鉻鐵錳、鋯鉻鐵鎳等多元合金;鐵系貯氫合金，主要有鐵鈦和鐵鈦錳等合金。

太陽能電池材料（硅、合金、化合物半導體GaAs,InP，Cds系，Zn3P2等）

核能用材料（鋯合金等）。2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室33航空、航天材料和材料

從萊特弟兄實現(xiàn)飛行夢想以來，航空和航天器發(fā)生了巨變。為了飛得快和遠，就要采取強度高和比重小材料，重視材料比強度，即強度/比重之比。伴隨航空技術深入發(fā)展，輕質(zhì)鋁、鎂合金和高比強度鈦合金、碳纖維高分子復合材料、硼纖維金屬復合材料等得到愈來愈多采取。發(fā)動機（高溫合金，金屬基復合材料，陶瓷與陶瓷基復合材料）、汽輪機部件（纖維增強金屬基復合材料、陶瓷基復合材料）、火箭噴嘴（難熔金屬）等。實例壓氣機葉片壓氣機機匣飛機尾翼硼纖維鋁合金板和管材料鋁合金鈦合金碳纖維復合材料硼纖維增強鋁合金強度范圍MPa150－450350－11001000－1200（順纖維方向）1500（順纖維方向）比強度MPa55－16080－245625－7505702022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室34

高溫材料選?。汗潭ㄊ交蛞苿邮桨l(fā)動機熱效率都隨介質(zhì)工作溫度提升而提升。30多年來，大型噴氣式飛機發(fā)動機推力提升了5倍多，而發(fā)動機重量只增加1－2倍，這主要靠高溫合金采取。下列圖是不一樣時期飛機發(fā)動機工作溫度。

噴氣發(fā)動機起源于上世紀40年代初，當初工作溫度在700℃左右，而今民用機靠近1500℃，而軍用機在℃左右。這就要求發(fā)展耐高溫材料，稱之為高溫合金。2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室35

材料主要性能取決于母體，加入合金元素成份將改進金屬物理及機械性能——強度、耐力、使用壽命。在飛機發(fā)動機中一個摻鎳化合物制成稱作718合金被廣泛用于制造波音777客機上發(fā)動機壓縮機、葉片及緊固件。航空發(fā)動機示意圖

2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室36神州飛船及運載火箭2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室37形狀記憶合金2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室38材料和生活用具鈦結(jié)構(gòu)自行車：“自行車發(fā)燒友”選擇鈦合金制自行車。鈦合金應用場所很特殊。通慣用于需要抗腐蝕，耐疲勞，高彈性場所

2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室39生命科學材料

原來使用專用汞合金，為預防金屬合金分解已經(jīng)開發(fā)出一個能夠滿足口腔中特殊物理及化學環(huán)境新型陶瓷。詳細來講，它需要滿足以下要求：耐口腔中酸；低熱導率（這對你吃冷飲有好處）；盡得住多年咀嚼力；耐驟冷驟熱；當然還要口感舒適。2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室40復合材料碳、硼纖維及環(huán)氧化合物復合材料非常輕，可以在某特定方向上增加強度（用于特殊目）。2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室41超級鋼

最近，鋼鐵工業(yè)已經(jīng)開發(fā)出一個汽車用鋼，比原先輕24%，而強度高34%，稱為超級鋼。優(yōu)點：高撞擊能量吸收率；高強度-質(zhì)量比；實用新型制造工藝；能夠有各種不一樣性能(壽命、防銹等）。國家大劇院設計圖(頂部采取納米材料制造)納米材料：通向月球碳納米管天梯想象圖

納米原子像納米泵納米紅血球納米探針2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室44

1990年美國總統(tǒng)科學顧問Allany.Bromley明確指出：“材料科學在美國是最主要學科”。

1986年《科學美國人》雜志指出：“先進材料對未來宇航、電子設備、汽車以及其它工業(yè)發(fā)展是必要，材料科學進步?jīng)Q定了經(jīng)濟關鍵部門增加速率極限范圍?！辈牧峡茖W家?guī)煵w院士：“發(fā)展高技術新材料要十分重視應用開發(fā)，從而促進材料產(chǎn)業(yè)化?！辈牧峡茖W家徐祖耀院士：“科技創(chuàng)新推進材料科學進步。”

《功勛卓越金屬材料》指出：“材料科學是何等主要，它能夠使飛機重返藍天，能夠讓許多科技構(gòu)想變成現(xiàn)實，它與國民經(jīng)濟、國防工業(yè)、人民生活親密相關，它必將為人類進步作出主要貢獻。”不過現(xiàn)在不論是主要材料種類還是性能都發(fā)展越來越快?，F(xiàn)在每個月都有新概念產(chǎn)生，而不是每個年代或每個世紀。3.中外相關材料評論材料科學從來是技術進步支柱2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室45

新材料階段是一個由各種材料決定社會和經(jīng)濟發(fā)展時代；新材料以人造為特征，非自然界中現(xiàn)成有;

新材料是依據(jù)我們對材料物理和化學性能了解，為了特定需要設計和加工而成；這些新材料使新技術得以產(chǎn)生和應用，而新技術又促進了新工業(yè)出現(xiàn)和發(fā)展，從而使國家財富和就業(yè)增加。4.新材料階段特征2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室46●按物態(tài)劃分：氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)?！癜词褂妙I域：建筑材料、電子材料、醫(yī)用材料、儀表材料、能源材料等?！褚罁?jù)材料結(jié)構(gòu)和用途來分類。結(jié)構(gòu)材料是以強度，剛度，韌性，耐勞性，硬度，疲勞強度等力學性能為特征材料。功效材料是以聲，光，電，磁，熱等物理性能為特征材料?！癜唇M成和結(jié)合健性質(zhì)(屬性)：金屬材料、陶瓷（無機非金屬）材料、有機高分子材料以及它們分別組合成復合材料，還有半導體材料?！癜次锢硇螒B(tài)：晶體材料、非晶態(tài)材料和納米材料?！癜磶缀涡螒B(tài)：三維材料、二維材料、一維材料和零維材料。●按材料發(fā)展：傳統(tǒng)材料（鋼鐵，銅，鋁，水泥，塑料，陶瓷，...）和新材料（金屬間化合物，高溫超導材料，非晶態(tài)合金，納米材料,...）本課程按金屬、陶瓷、高分子和它們復合材料來組織教材內(nèi)容。三.材料分類2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室47金屬材料：黑色金屬材料、有色金屬材料

無機非金屬材料(或陶瓷材料)：氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷

高分子材料：塑料、橡膠合成纖維

復合材料：金屬基復合材料、陶瓷基復合材料、樹脂基復合材料

功效材料：電子材料、光電子材料、超導材料

價鍵四面體金屬材料

用量最大、應用最廣泛材料！

黑色金屬（鋼和鑄鐵）

鋼：碳素鋼和合金鋼（按成份）；普通鋼、優(yōu)質(zhì)鋼和高級優(yōu)質(zhì)鋼（按品質(zhì)）；平爐鋼、轉(zhuǎn)爐鋼、電爐鋼和奧氏體鋼（按冶煉法）；結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊鋼及專用鋼（按用途）。

鑄鐵：灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵和特殊性能鑄鐵等。

有色金屬(非鐵材料：輕金屬,重金屬,貴金屬,稀有金屬)

輕金屬(密度﹤5)、重金屬(密度﹥5)、貴金屬、類金屬和稀有金屬，如A1、Cu、Zn、Sn、Pb、Mg、Ni、Ti及其合金。在工程上占有主要地位。

金屬材料基本屬性

結(jié)合健為金屬健，熔點較高，含有金屬光澤，范性、展性、延性大，強度較高，結(jié)構(gòu)中存在自由電子，導熱和導電性好，在空氣中易被氧化。

2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室49鋁合金主要應用領域戰(zhàn)機艦船導彈火箭人造衛(wèi)星戰(zhàn)車高速列車汽車高層建筑無機非金屬材料

●主要包含陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。主要原料是硅酸鹽礦物，又稱硅酸鹽材料。

●按性能和用途：傳統(tǒng)陶瓷和特種陶瓷。

特種陶瓷也稱精細陶瓷、高技術陶瓷、先進陶瓷。特種陶瓷是以人工合成化合物為原料制備，用于技術和工程領域，如電子信息、能源、生物、航天航空和其它高新技術領域。

機非金屬材料基本屬性

化學健主要是離于鍵、共價健以及它們混合鍵；

硬而脆、韌性低、抗壓不抗拉、對缺點敏感；熔點高，含有優(yōu)良耐高溫和化學穩(wěn)定性；普通自由電子數(shù)目少、導熱性和導電性較小；耐化學腐蝕性好；耐磨損。2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室51窗口陶瓷材料應用2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室52f導彈頭罩窗口窗口材料：藍寶石金剛石ZnS/金剛石導彈眼睛——窗口材料（ZnS,ZnSe,Al2O3,diamond,…）高分子材料

●以C、H、N、O元素為基礎，由大量結(jié)構(gòu)相同小單元聚合組成，分子量大，并在某一范圍內(nèi)改變。

高分子材料基本屬性：

結(jié)合健主要為共價健，部分范德華鍵；分子量大，無顯著熔點，有玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、粘流溫度；力學狀態(tài)有玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)；強度較高；質(zhì)量輕；良好絕緣性；優(yōu)越化學穩(wěn)定性。

高分子材料分類

●按起源普通分為天然高分子材料(蛋白、淀粉、纖維素等)和人工合成高分子材料(合成塑料、合成橡膠、合成纖維)兩大類；

●按性能和使用性質(zhì)：塑料、橡膠、纖維、粘合劑、涂料等；

●按鏈結(jié)構(gòu)：碳鏈、雜鏈、元素高聚物；

●按熱性質(zhì)：熱塑性、熱固性及熱穩(wěn)定性高聚物；

●按用途：結(jié)構(gòu)材料、電絕緣材料、耐高溫材料、導電高分子、高分子建筑材料、生物醫(yī)用高分子材料、高分子催化劑、包裝材料等。

●塑料是主要高分子材料，分為通用塑料和工程塑料。

通用塑料包含：聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料和氨基塑料。工程塑料：ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、聚砜、聚苯硫醚、聚酰亞胺和氟塑料等。2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室55復合材料由基體材料增強材料復合而成?；w材料有金屬、陶瓷、塑料等，增強材料有各種纖維和無機化合物等。2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室56

功效材料

是以光、聲、電、磁、熱等物理性能為指標，用來制造特殊性能元件材料。有電子材料、光電子材料、超導材料。2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室57四.為何學習料料科學基礎

（一）材料科學內(nèi)涵

材料科學是一個跨物理、化學等學科。材料科學關鍵問題是材料組織結(jié)構(gòu)（Structure）和性能（Property）以及它們之間關系。右圖為材料科學與工程四要素。所以，先要了解材料結(jié)構(gòu)是什么？

2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室58材料科學關鍵

●經(jīng)過過程現(xiàn)象揭示材料組成-工藝-結(jié)構(gòu)-性能關聯(lián)。

●過程是了解結(jié)構(gòu)和性能主要步驟。

●結(jié)構(gòu)決定性能，組成與工藝決定結(jié)構(gòu)形成。

●結(jié)構(gòu)原因包含：組成基元、排列、結(jié)合類型和運動方式。。

●結(jié)構(gòu)層次：原子結(jié)構(gòu)、原子排列、相結(jié)構(gòu)、顯微組織、結(jié)構(gòu)缺點等。材料結(jié)構(gòu)關系2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室59

微觀(Micro-)

介觀(Meso-)

宏觀(Macro-)10-910-810-710-610-510-410-310-210-1100m10-1010-1110-12101納米(Nano-)2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室602022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室611669,N.Steno,晶面角守恒定律

材料科學發(fā)展過程

1885,A.Bravais,晶體空間點陣學說

1912,M.Laue*,晶體X射線衍射

1915,W.H.BraggandW.L.Bragg**X射線晶體結(jié)構(gòu)分析方法*1914’sNobelprize;**1915’s,***1987’s.電子顯微鏡（SEM、TEM）掃描探針顯微術***（STM、AFM）2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室62（二）材料科學與材料工程關系

材料科學形成：“材料”一詞早存在，“材料科學”提出于20世紀60年代，1957年10月4日和11月3日蘇聯(lián)兩顆人造衛(wèi)星上天，分別重80千克和500千克。美國震動很大，1958年1月31日美國發(fā)射“探測者1號”人造衛(wèi)星僅8千克。美國相關部門聯(lián)合向總統(tǒng)提出匯報認為美國在先進材料研究方面落后于蘇聯(lián)是關鍵。對此58年3月18日總統(tǒng)經(jīng)過科學顧問委員會公布“全國材料規(guī)劃”，決定在大學相繼建立12材料科學研究中心（試驗室），自此開始，“材料科學與工程”一詞廣泛應用。2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室63

普通科學是研究“為何Why”學問，而工程是處理“怎么做Howdo”學問。材料科學基礎理論，為材料工程指明方向，為更加好地選擇、使用材料，發(fā)揮現(xiàn)有材料潛力、發(fā)展新材料提供理論基礎。材料科學和材料工程之間區(qū)分主要在于著眼點不一樣或者說各自強調(diào)中心不一樣，它們之間并沒有一條明確界限，所以，以后人們將二者放在一起形成復合名詞－材料科學與工程（MaterialScienceandEngineering）2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室64

材料工程：是工程一個領域，其目標在于經(jīng)濟地，而又為社會所能接收地控制材料結(jié)構(gòu)、性能和形狀。它包含五個步驟。

材料科學

：是一門科學，它從事與材料本質(zhì)發(fā)覺、分析、認識、分析和控制方面理論體系，其目標在于揭示材料行為，提供材料結(jié)構(gòu)統(tǒng)一描繪或模型，以及解釋這種結(jié)構(gòu)與性能之間關系。它包含下面三個步驟，關鍵是結(jié)構(gòu)和性能。（三）材料科學歷史基礎

●18世紀蒸汽機創(chuàng)造和19世紀電動機創(chuàng)造，使材料在新品種開發(fā)和規(guī)模生產(chǎn)等方面發(fā)生了飛躍。

●金屬材料：1856年-轉(zhuǎn)爐鋼；1864年-平爐鋼；1887年-高錳鋼、19-硅鋼；19-鎳鉻不銹鋼。銅、鉛、鋅、鋁、鎂、鈦和稀有金屬相繼問世，世界鋼產(chǎn)量從1850年6萬噸突增到192800萬噸，使人類進人了輝煌鋼鐵時代。

●無機非金屬材料：主要包含晶體、陶瓷、水泥、玻璃、耐火材料等，資源豐富，性能價格比高。20世紀中后期，經(jīng)過合成原料和新制備技術，出現(xiàn)了一系列特殊功效先進陶瓷。

●高分子材料：20世紀初，人工合成高分子材料問世，19-酚醛樹脂(膠木)；1925年-聚苯乙烯；1931年-聚氯乙烯；1941年-尼龍，如今世界年產(chǎn)量在1億噸以上。1.基礎學科發(fā)展奠定材料科學基礎

●量子力學、固體物理、無機化學、有機化學、物理化學等基礎學科發(fā)展為材料科學奠定了主要基礎。

●當代分析技術和設備更新，加深了對物質(zhì)結(jié)構(gòu)和物理化學性質(zhì)了解。

●冶金學、金屬學、陶瓷學、高分子科學等本身發(fā)展也使對材料本質(zhì)認識大大系統(tǒng)化（組成-制備-結(jié)構(gòu)-性能關系），為學科發(fā)展打下堅實基礎。2.材料科學范圍下不一樣材料應用理論交叉融合

●作為鋼熱處理馬氏體相變理論由金屬學科建立，以后氧化鋯增韌陶瓷中一樣發(fā)覺了馬氏體相變現(xiàn)象，并用來解釋相變增韌機理。

●缺點行為、平衡熱力學、擴散、塑性變形和斷裂機理、界面精細結(jié)構(gòu)與行為、晶體和玻璃結(jié)構(gòu)以及它們之間關系、材料中電子遷移與約束、原子聚集體統(tǒng)計力學等概念，在材料中得到應用。3.材料測試技術及工藝技術交叉融合

●

材料結(jié)構(gòu)與性能表征參數(shù)相通，如顯微鏡、電子顯微鏡、表面測試及物理性能測試等。

●材料制備與加工中，許多工藝相通，如擠壓對金屬材料用于成型或冷加工硬化；對高分子材料，經(jīng)過擠壓成絲可使有機纖維比強度和比剛度大幅度提升。

●粉末冶金和當代陶瓷制造已經(jīng)極難找出顯著區(qū)分。

●溶膠—凝膠法應用于各種材料制備，這是利用金屬有機化合物水解而得到納米高純氧化物粒子方法。4.當代材料技術從多樣化、單一化走向一體化、復合化

●打破了單一材料間界限，許多不一樣類型材料相互代替和補充，充分發(fā)揮各種材料優(yōu)越性。

●復合材料在多數(shù)情況下是不一樣類型材料組合。

●假如對不一樣類型材料沒有一個較全方面認識，對復合材料設計及性質(zhì)了解必定受到影響。（四）材料科學發(fā)展動力（四個方面）

1.應用需求牽引推進力

●信息技術:從電子信息處理到光電子信息處理，以至于光子信息處理，需要電子材料、光電子材料、非線性光學材料、波導纖維、薄膜與器件等。

●能源工程技術:要求耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、高可靠以及壽命可預測結(jié)構(gòu)材料。

2.多學科交叉推進力

●材料科學含有多學科交叉滲透特征，包含著豐富內(nèi)涵。

●材料組分設計與合成，包括化學學科各分支－高溫過程熱力學、動力學以至在溫和條件下仿生合成等。

3.基礎學科發(fā)展推進力

●研究微觀結(jié)構(gòu)與性能關系，包括物理學、凝聚態(tài)物理及非連續(xù)介質(zhì)微觀力學等。

4.科技與經(jīng)濟發(fā)展推進力

●信息功能材料、高溫結(jié)構(gòu)材料、復合材料、生物材料、智能材料和納米材料等是新技術革命先導材料。

●毫米時代發(fā)明了拖拉機，微米時代發(fā)明了計算機，納米時代，人類將會創(chuàng)造出更大輝煌。

●二十一世紀科技發(fā)展，將以先進材料技術、先進能源技術、信息技術和生物技術等四大學科為中心，經(jīng)過其相互交叉發(fā)展，為人類創(chuàng)造出完全不一樣生態(tài)環(huán)境。

●新型材料將是與生物和自然具有更好適應性、相容性和環(huán)境友好材料。2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室72五.本課程主要內(nèi)容

本課程主要內(nèi)容：

1.材料結(jié)構(gòu)學：主要是材料微觀結(jié)構(gòu)，包含原子排列方式(原子結(jié)構(gòu)與鍵合)，理想完整結(jié)構(gòu)(固體結(jié)構(gòu))、不完整結(jié)構(gòu)（晶體缺點）、固體中原子和分子運動（擴散）。實際材料狀態(tài)，包含晶體、非晶體、亞穩(wěn)態(tài)。

2.材料相變學：主要是材料組織結(jié)構(gòu)改變規(guī)律，包含凝固和相圖(單元系相圖、二元合金系相圖與凝固、三元合金系相圖和凝固)、熱處理(固態(tài)相變)。

3.材料變形學：材料變形、回復與再結(jié)晶

4.材料學：金屬材料、非金屬材料、復合材料等

試驗內(nèi)容：《材料科學與工程基礎》平臺試驗13個2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室73六.本課程特點、學習方法和安排本課程特點：概念術語多。相關學科多（物理、化學、熱力學、礦物學、金屬學、陶瓷學以及高分子學等），如：金屬材料：金屬學無機材料：陶瓷學高分子材料：高分子物理材料科學基礎→突出共性教學2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室74

學習方法：作為專業(yè)基礎理論課程，重視培養(yǎng)能力和學習知識?；A理論和基本概念要掌握，注意重點；抓住根本條，不鉆牛角尖。掌握例題解題方法；獨立完成作業(yè)。認真記好筆記，課后短時復習。考試前及早復習，不要臨陣磨槍。在深入學習和牢靠掌握基礎知識、基礎理論同時，要思索、探索它應用，要理論聯(lián)絡實際；

掌握正確思維方式，不要死記硬背，要學以致用，善于歸納總結(jié)規(guī)律。教與學互動：課堂演示試驗、提問、動畫制作、案例設計、材料與生活、專題討論。2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室75金相檢驗能為火災起火原因認定提供科學依據(jù)原始組織輕度過火組織嚴重過火組織火燒熔痕組織一次短路熔痕組織二次短路熔痕組織2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室76飛天遺夢碳碳復合材料蠕墨鑄鐵春蠶覓食馬氏體組織芭蕉翠葉超導材料組織地毯天成2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室77課程安排：課程性質(zhì)：必修課，專業(yè)基礎課課程課時：96課時考評成績：閉卷考試成績、適當考慮平時成績和試驗成績課程教材：《材料科學基礎》，胡賡祥、蔡珣、戎詠華編著，上海交通大學出版社輔導教材：《材料科學基礎》，蔡珣、戎詠華編著，上海交通大學出版社2022/11/12材料科學與工程學院材料學教研室78參考書目《EssentialsofMaterialsScienceandEngineering》DonaldR.Askeland,PradeepP.Phule.清華大學出版社《FundamentalsofMaterialsScienceandEngineering》WilliamD.Calli