材料科學(xué)基礎(chǔ)

FundamentalsofMaterialsScience學(xué)習(xí)目的了解新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的國(guó)家戰(zhàn)略、現(xiàn)狀和我國(guó)新材料的重點(diǎn)發(fā)展方向，理解關(guān)鍵新材料在引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)和支持制造強(qiáng)國(guó)目標(biāo)中的戰(zhàn)略意義；建立起材料的組成與結(jié)構(gòu)、合成與加工、性質(zhì)、以及使用效能之間的整體關(guān)系；掌握晶體學(xué)基本理論、質(zhì)點(diǎn)間的作用力與堆積方式、以及影響晶體結(jié)構(gòu)的內(nèi)外因素；掌握晶體結(jié)構(gòu)缺陷的類型、特征、形成機(jī)理與運(yùn)動(dòng)方式，能夠利用晶體學(xué)和缺陷理論分析固溶體形成條件與固溶強(qiáng)化；掌握硅酸鹽熔體結(jié)構(gòu)理論、熔體粘度與表面張力、以及玻璃的形成條件；熟練掌握單元相圖和二元相圖的特征、結(jié)構(gòu)與分析方法。1.緒論材料(Materials)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的物質(zhì)基礎(chǔ)，廣義的材料包括人們的思想意識(shí)之外的所有物質(zhì)(substance)。1.1什么是材料定義一：材料是從原料中取得的并且是生產(chǎn)產(chǎn)品的原始物料。定義二：材料是可以直接制成成品的東西。實(shí)例：金屬、石料、木材、塑料、陶瓷材料無(wú)處不在，無(wú)處不有現(xiàn)代技術(shù)的三大支柱（材料、能源、信息）國(guó)家現(xiàn)代化程度的標(biāo)志之一（數(shù)量、品種、質(zhì)量）1.2材料與人類社會(huì)發(fā)展的關(guān)系生產(chǎn)力總量年代前50萬(wàn)年前1萬(wàn)年前2000年公元元年1800年代現(xiàn)代

舊石器新石器青銅器鐵器鋼鐵高分子單晶硅中國(guó)歷史上的材料發(fā)明與創(chuàng)新始于夏代的青銅文明曾經(jīng)傲世獨(dú)立。當(dāng)時(shí)生產(chǎn)出的大量的渾厚典雅的禮器，剛韌適度的兵器，各具用途的使用雜器和生產(chǎn)工具等，以其奇特生動(dòng)的造型，繁復(fù)華麗的紋飾，體現(xiàn)出中華民族雄偉渾厚的氣魄。這些融合當(dāng)時(shí)的文化、工藝技巧于一體的精巧器物是中華民族古代文明高度發(fā)達(dá)的象征。時(shí)代楷模與身邊榜樣師昌緒院士（1918年11月15日—2014年11月10日）：中國(guó)著名材料科學(xué)家，在金屬材料領(lǐng)域取得了系列重大研究成果，為新中國(guó)航空用金屬材料做出了杰出貢獻(xiàn)。胸懷家國(guó)：從西北工學(xué)院畢業(yè)后，師昌緒赴美國(guó)深造。新中國(guó)成立后，他排除萬(wàn)難回國(guó)工作。先后在沈陽(yáng)金屬所、科學(xué)院等單位任職，于2010年榮獲國(guó)家最高科技獎(jiǎng)。實(shí)事求是：師老先生專門為母校題寫了校訓(xùn)“實(shí)事求是”，并談了自己的理解：實(shí)事求是是做人、做事及做學(xué)問(wèn)所要遵守的第一要義，也是富民強(qiáng)國(guó)的重要基礎(chǔ)。精神傳承：設(shè)置師昌緒榮譽(yù)學(xué)位計(jì)劃就是要培養(yǎng)具有家國(guó)情懷、全球視野、創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力的材料事業(yè)卓越人才。重大工程中的材料問(wèn)題盾構(gòu)機(jī)主軸承，有全斷面隧道盾構(gòu)機(jī)的“心臟”之稱，承擔(dān)著掘進(jìn)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程的主要載荷，是刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，掘進(jìn)機(jī)主軸承工作環(huán)境非常惡劣，要承受高速旋轉(zhuǎn)、巨大載荷和強(qiáng)烈溫升。我國(guó)掘進(jìn)機(jī)年生產(chǎn)規(guī)模約為450臺(tái)，僅進(jìn)口軸承一項(xiàng)即達(dá)近10億元。作為國(guó)內(nèi)唯一的滾動(dòng)軸承綜合性研究機(jī)構(gòu)，擁有盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)（軸承）國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，洛陽(yáng)軸承研究所正加速實(shí)現(xiàn)技術(shù)研發(fā)步伐，目前已掌握直徑3米的主軸承核心技術(shù)，實(shí)驗(yàn)壽命等同國(guó)外同類產(chǎn)品，力爭(zhēng)2018年裝機(jī)試用。材料領(lǐng)域卡脖子技術(shù)：半導(dǎo)體材料、碳纖維、環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料、聚酰亞胺薄膜、高溫高強(qiáng)合金等習(xí)近平總書記指出關(guān)鍵核心技術(shù)必須牢牢掌握在我們自己手中材料領(lǐng)域的“卡脖子”技術(shù)1.3材料分類材料科學(xué)是研究材料的成分、組織結(jié)構(gòu)、制備工藝與材料性能和應(yīng)用之間相互關(guān)系的科學(xué)金屬材料：鋼鐵、鋁、銅、鈦合金；無(wú)機(jī)非金屬材料：Al2O3、SiC、Si3N4、SiO2、TiN或稱陶瓷材料；高分子材料：纖維、蛋白質(zhì)、聚乙烯、聚氯乙烯；復(fù)合材料：鋼筋水泥混凝土、玻璃鋼等材料來(lái)源木材石材天然人工制備人工晶體高性能陶瓷化學(xué)纖維塑料鋼材半天然紙張布料陶器材料的化學(xué)組成有機(jī)材料木材化學(xué)纖維塑料紙張布料無(wú)機(jī)材料石材人工晶體高性能陶瓷鋼材磚瓦陶器1.3.1金屬材料合金又分為固溶體和金屬間化合物。固溶體：金屬的晶體結(jié)構(gòu)保持溶劑組元的晶體結(jié)構(gòu)置換固溶體：溶質(zhì)原子位于溶劑晶體結(jié)構(gòu)的晶格格點(diǎn)上間隙固溶體：溶質(zhì)原子位于溶劑晶體結(jié)構(gòu)的晶格間隙合金：由兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬元素與非金屬元素熔合在一起形成的具有金屬特性的新物質(zhì)。金屬間化合物原子價(jià)化合物（價(jià)化合物）：即由負(fù)電性決定的（價(jià)化合物），符合原子價(jià)規(guī)則，八電子組態(tài)；按結(jié)合鍵的性質(zhì)分為離子化合物、共價(jià)化合物和離子-共價(jià)化合物；按價(jià)電子是否都是鍵合電子又可分為正常價(jià)化合物和一般價(jià)化合物。電子化合物：由電子濃度決定的（電子相），指具有一定的電子濃度值，結(jié)構(gòu)相同的相。尺寸因素化合物：晶體結(jié)構(gòu)取決于組成元素的原子半徑比。晶體結(jié)構(gòu)：密排相、間隙相傳統(tǒng)材料：水泥、玻璃、陶瓷和耐火材料，以二氧化硅及其硅酸鹽化合物為主要成分；新型材料：先進(jìn)陶瓷、人工晶體、無(wú)機(jī)涂層、無(wú)機(jī)纖維等，以氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等無(wú)機(jī)非金屬化合物經(jīng)先進(jìn)工藝制備而成。1.3.2無(wú)機(jī)非金屬材料陶瓷：普通陶瓷和特種陶瓷。普通陶瓷：即傳統(tǒng)陶瓷，是指以粘土為主要原料經(jīng)過(guò)粉碎混練、成型、煅燒等過(guò)程而制成的各種制品。特種陶瓷：用于各種現(xiàn)代工業(yè)及尖端科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的陶瓷制品，包括結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷。1.3.3高分子材料高聚物：高分子、聚合物，是由一種或幾種簡(jiǎn)單低分子化合物經(jīng)聚合而組成的分子量很大的化合物。高分子材料分類：來(lái)源：天然高分子材料和合成高分子材料；性能和用途：橡膠、纖維、塑料和膠粘劑名稱彈性模量形變特征橡膠104~105Pa很大，可逆塑料107~108Pa較大，部分可逆纖維109~1010Pa小，不超過(guò)20%按基體材料分類：金屬基、陶瓷基、水泥（混凝土）基、塑料基、橡膠基復(fù)合材料；按增強(qiáng)劑形狀分類：粒子、纖維及層狀復(fù)合材料；按復(fù)合材料性能分類：結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料。1.3.4復(fù)合材料復(fù)合材料：由兩種或更多的組分材料結(jié)合在一起，復(fù)合后的整體性能應(yīng)超過(guò)組分材料，保留了所期望的性能(高強(qiáng)度、剛度、輕的重量)，抑制了所不期望的特性(低延性)。1.4材料組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、工藝及其與環(huán)境的關(guān)系組成(化學(xué)組成、礦物組成、相組成)制備與加工(制備工藝和后期加工工藝)