材料导论 课程 第一讲 材料概论
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1、材料的定义与分类材料是人类用来制造有用的构件、器件或物品的物质。
材料与物质的区别:①对材料而言,可采用“好”或“不好”等字眼加以评价,对物质则不能这样;②材料总是和一定的用途相联系的;③材料可由一种物质或若干种物质构成;④同一种物质,由于制备方法或加工方法的不同,可成为用途各异的不同类型的材料。
按化学组成和结构特点:金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料按材料性能:结构材料、功能材料按使用领域:建筑材料、电子材料、耐火材料、医用材料...2、材料的地位和作用材料是人类社会发展的基础和先导,是人类社会进步的里程碑和划时代的标志。
材料、能源、信息被称为人类社会的“三大支柱” 。
纵观人类利用材料的历史,可以清楚地看到,每一种重要新材料的发现和应用,都把人类支配自然的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重大变革,甚至引起一次世界性的技术革命,大大地加速社会发展的进程,从而把人类物质文明推向前进。
人类文明的发展史就是材料的发展史材料的发展史就是人类文明的发展史石器时代、青铜器时代、铁器时代、? ? ?、半导体时代新材料是高技术发展的基础,是工业革命和产业发展的先导3、材料的性质材料性质:是材料的功能特性和效应的描述,是材料对电.磁.光.热.机械载荷的反应。
材料性质描述:力学性质:强度、硬度、刚度、塑性、韧性材料在力的作用下所表现出的特性即为材料的力学性质。
(1)弹性模量弹性模量是指材料在弹性极限范围内,应力与应变(即与应力相对应的单位变形量)的比值,用E 表示,即:(2)强度在外力作用下,材料抵抗变形和断裂的能力称为强度。
(有多种强度类型)材料在外力作用下发生塑性变形的最小应力叫屈服强度,用 d S表示。
工程上规定,试样产生0.2%塑性变形时的应力值为该材料的条件屈服强度,记为 d 0.2。
抗拉强度是将试样在拉力机上施以静态拉伸负荷,使其破坏(断裂)时的载荷。
材料科学导论课后习题答案第一章材料科学概论1.氧化铝既牢固又坚硬且耐磨,但为什么不能用来制造榔头?答:氧化铝脆性较高,且抗震性不佳。
2.将下列材料按金属、陶瓷、聚合物和复合材料进行分类:黄铜、环氧树脂、混泥土、镁合金、玻璃钢、沥青、碳化硅、铅锡焊料、橡胶、纸杯答:金属:黄铜、镁合金、铅锡焊料;陶瓷:碳化硅;聚合物:环氧树脂、沥青、橡胶、纸杯;复合材料:混泥土、玻璃钢3.下列用品选材时,哪些性能特别重要?答:汽车曲柄:强度,耐冲击韧度,耐磨性,抗疲劳强度;电灯泡灯丝:熔点高,耐高温,电阻大;剪刀:硬度和高耐磨性,足够的强度和冲击韧性;汽车挡风玻璃:透光性,硬度;电视机荧光屏:光学特性,足够的发光亮度。
第二章材料结构的基础知识1.下列电子排列方式中,哪一个是惰性元素、卤族元素、碱族、碱土族元素及过渡金属? (1)1s22s22p6 3s2 3p6 3d7 4s2(2)1s22s22p63s2 3p6(3)1s22s22p5(4)1s22s2 2p63s2(5)1s2 2s2 2p63s2 3p63d2 4s2(6)1s22s22p63s23p6 4s1答:惰性元素:(2);卤族元素:(3);碱族:(6);碱土族:(4);过渡金属:(1),(5)2.稀土族元素电子排列的特点是什么?为什么它们处于周期表的同一空格内?答:稀土族元素的电子在填满6s态后,先依次填入远离外壳层的4f、5d层,在此过程中,由于电子层最外层和次外层的电子分布没有变化,这些元素具有几乎相同的化学性质,故处于周期表的同一空格内.3.描述氢键的本质,什么情况下容易形成氢键?答:氢键本质上与范德华键一样,是靠分子间的偶极吸引力结合在一起.它是氢原子同时与两个电负性很强、原子半径较小的原子(或原子团)之间的结合所形成的物理键。
当氢原子与一个电负性很强的原子(或原子团)X结合成分子时,氢原子的一个电子转移至该原子壳层上;分子的氢变成一个裸露的质子,对另外一个电负性较大的原子Y表现出较强的吸引力,与Y之间形成氢键。
新材料导论材料概论材料的定义:材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其它产品的物质。
材料的分类按物理、化学属性分:金属(Metals),非金属(non-ferrous),高分子化合物(Polymers),复合材料(Composites)材料概况按组成与结构划分:金属材料,无机非金属材料,高分子材料,复合材料。
按用途划分:电子信息材料,航空航天材料,能源材料,生物医用材料。
按性能划分:结构材料,功能材料。
按应用与发展划分:传统材料,新材料。
材料在汽车上的各种成分:塑料10%--20%,铝合金5%--10%,铁合金60%--75%,15%--20%低合金高强钢,其它。
汽车材料:价廉,易成形,长寿,高可靠性,低油耗,低污染,便于回收。
新材料的发展趋势1.注重多学科交叉,综合利用现代科学技术最新成就,促进材料科学与材料工程、各大类材料之间的交叉、借鉴、互补,充实和完善以成分与结构、性质、合成与加工、使用性能为核心知识,能指导各类材料研究与开发的材料科学与工程学科。
2.整体向着高性能化、多功能化、复合化、智能化和经济实用化方向发展。
3.结构材料仍然是研究与开发的主体,高技术新材料研究与开发与现有材料提升改造并重,以满足工业经济和国防安全的基础产业的需求;功能材料是21世纪新材料研究与开发的热点,其动力主要来自于高技术需求和有关材料行为深层次的认识和控制的科学进展。
4.重视基础性研究,实现在微观、介观和宏观不同层次上,在分子、原子、电子层次上按预定性能设计和制备新材料。
5.高度重视材料及其制品和生态环境与资源的协调性。
6.新材料的合成与加工技术(制备技术)和表征评价技术及其装备的研究与开发是新材料发展的重要基础,倍受重视。
高性能结构材料高分子材料的分类按用途分塑料、橡胶、纤维、胶粘剂、涂料等。
高分子材料的应用进展高分子材料因具有从可流动的凝胶体到柔软弹性体再到刚性固体的极宽的力学状态而获得了广泛应用。
现在,以塑料、合成橡胶和合成纤维为代表的三大合成材料的体积已经超过了所有金属材料的总和,并继续高速发展。
材料科学导论作业第一章材料科学概论1.氧化铝既牢固又坚硬而且耐磨,为什么不用来制造榔头?[答]因为Al2O3的耐震性不佳,且脆性较高,不适合做榔头的材料。
2.将下列材料按金属、陶瓷、聚合物或复合材料进行分类:黄铜、氯化钠、环氧树脂、混凝土、镁合金、玻璃钢、沥青、碳化硅、铅-锡焊料、橡胶、纸杯[答]金属有黄铜、铅-锡焊料、镁合金。
陶瓷有氯化钠、碳化硅。
聚合物有环氧树脂、橡胶、沥青、纸杯。
复合材料有混凝土、玻璃钢。
3.下列用品选材时,哪些力学性能和物理性能具有特别重要性:汽车曲柄轴、电灯泡灯丝、剪刀、汽车挡风玻璃、电视机荧光屏[答]汽车曲柄轴的疲劳寿命最为重要。
电灯泡灯丝的熔点需高,其发光性能要强。
剪刀的刀刃的硬度要强。
汽车挡风玻璃的光的穿透性要强。
电视机荧光屏光学的颜色及其他穿透性各种光学特性极重要。
4. 什么是纳米材料?纳米材料有哪些效应?请举例说明。
[答] 通常把粒子尺寸小于0.1μm(10nm)的颗粒称为纳米材料纳米材料有以下效应:⑴小尺寸效应⑵表面效应⑶量子尺寸效应⑷宏观量子隧道效应举例略第二章原子结构1.原子序数为12的Mg有三个同位素:78.70%的Mg原子有12个中子,10.13%的Mg原子有13个中子,11.17%的Mg原子有14个中子,计算Mg的原子量。
[答]M = 0.7870×(12+12)+0.1013×(12+13)+0.1117×(12+14) = 24.3247 g/mol2.试计算原子N壳层内的最大电子数,若K、L、M和N壳层中所有的能级都被填满,试确定该原子的原子序数。
[答]N壳层内最大电子数为2×42= 32。
但考虑能级交错:N壳层内刚刚达到最大电子数时的电子排布为:1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f14,该原子的原子数为70。
(本题目书上原解:N壳层中电子最多有2+6+10+14 = 32个,K、L、M、N壳层中电子共有2+8+18+32 = 60个,故原子序数为60。
《材料科学导论》“Introduction to Materials Science”小时))课程类型:专业平台课(54(54小时主讲人:杨振国室407室办公室:先进材料楼407电话:65642523话: zgyang@ 电子信箱:电子信箱电子信箱::本课程主要教学参考书课教参考1. W. F. Smith & J. Hasgemi, Foundations of Materials Science and Engineering (4ed)McGraw Hill and Engineering (4th ed) , McGraw Hill , ed) , McGraw Hill , 20062006 2. 石德珂主编,材料科学基础材料科学基础,机械工业出版社,,机械工业出版社,2003 3. R.W. Cahn, The Coming of Materials Science, Elsevier, 2001化学工业出版社2001注:(中译本)《走进材料科学走进材料科学》》,化学工业出版社, 2001 4. 冯端、师昌绪、刘治国,材料科学导论,化学工业出版社, 20025潘金生仝建民田民波材料科学基础5. 潘金生、仝建民、田民波,材料科学基础,清华大学出版社,2000.46. 胡赓祥、蔡珣主编,材料科学基础,上海交通大学出版社,2000.11课教参考本课程主要教学参考书7. 顾家琳编著,材料科学与工程概论,清华大学出版社,20058. J. P. Schaffer,The Science and Design of EngineeringMcGraw--Hill Companies Inc., 1999Materials,McGraw注:《工程材料科学与设计工程材料科学与设计》》(中译本) ,机械工业出版社,20039. D. R. AskelandAskeland,The Science and Engineering of Materials’9. D. R.9D R The Science and Engineering of Materials’(5th), Nelson , Division of Thomson Limited, 200610. W. D. CallisterCallister,Materials Science and Engineering: an 10. W. D.Introduction, John Wiley & Songs Inc.,200711. Y.W. Chuang,Introduction to Materials Science andEngineering, Taylor & Francis Group, 2007本课程网址:http://10.108.0.74/s/255/t/550/main.jspy第一章材料科学概论材料与物质1.1 材料与物质材料的分类1.2 材料的分类会1.3 材料与社会发展1.4 材料科学与工程1.5 材料科学在工程中的作用1.6 材料科学技术的发展重点1.1 材料与物质●材料是人类赖以生存和发展的物质基础, 也是一切科学技术的基础。
材料导论Instructor:蔡艳ycai@March 4 4, 2010前言材料是人类赖以生存和发展的物质基础。
Material is the basis of human civilization and social development. 20世纪70年代人们把信息 材料和能源誉为当代文明的三大支柱 20世纪70年代人们把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱。
Information, Material and Energy are three mainstays in modern civilization since 1970. 80年代以高技术群为代表的新技术革命把新材料技术、信息技术和生物技术并 列为新技术革命的重要标志。
With information technology and biotechnology, new material is listed as the marks k of f th the N New T Technological h l i lR Revolution. l ti2超纯硅、砷化镓研制成功,导致大规模和超大规模集成电路的诞生, 使 计算机运算速度从每秒几十万次提高到现在的每秒百亿次以上; 计算机运算速度从每秒几十万次提高到现在的每秒百亿次以上 航空发动机材料的工作温度每提高100℃,推力可增大24%; 隐身材料能吸收电磁波或降低武器装备的红外辐射,使敌方探测系统 难以发现。
难以发现雷达隐身 材料可见光隐 身材料红外隐身 材料3课程目标To know basic knowledge regarding Materials Science and Engineering. 了解材料科学与工程的基本概念与知识 To develop p interest of Material Science and Engineering. g g 培养对材料科学与工程的兴趣和热爱 To cultivate capability to study further professional English papers in material fields fields. 具备阅读材料专业英语论文的初步能力 To be confident in group cooperation, presenting and other social actives. 提高团队合作、英语演讲等社会活动素质4教学大纲| | | | | | | | | |材料科学的定义和研究范畴 Definition f and research range of f material science 材料发展史上的重要里程碑 Greatest milestones in history 材料的分类以及对生活和文明的影响 Classification and its effect on human society 材料制备和加工手段、表征工具 Methodologies g of fabricating g materials 学科交叉及发展前景 I t di i li Interdisciplinary development d l t and d prospects t5参考书籍1. R. W. Cahn, “The Coming of Materials Science”, 2001. , Jr., , “Materials Science and Engineering: g g An introduction”, , 2. W. D. Callister, Wiley, 7th Ed., 2006. 3. P. A. Thrower, “Materials in Today’s World”, 3rd Ed., 2008/wiki/Materials_science26https:///matse081/starthere/l1.html课程安排ScheduleEvaluation7in life eWhy computers become cheaper while its performance better?1906年:发明电子管,出现了无线电技术、电视机和电子计算机; 1948年:发明半导体晶体管 电子设备的小型化 轻量化 性能提高; 1948年:发明半导体晶体管,电子设备的小型化、轻量化,性能提高; 1958年:集成电路出现,电子设备发展飞跃,硅半导体材料迅速发展; 20世纪90年代:集成电路加工技术达0.3μm,存储器价格下降; ……9What are differences between metals and ceramics ?Metals Crystal structure Large number of free electrons Metallic bond Good electric conductivity Opaque Uniform atoms High tensile strength Low shear strength Good ductility Plastic flow high Impact strength Relative high g weight g Moderate hardness Ceramics Crystal structure Captive electrons Ionic / covalent bond Poor conductivity Transparent(in thin sections) Different-size atoms Poor tensile strength High shear strength Poor ductility (brittle) None Poor impact strength Relative low weight g Extreme hardness10聚合物与塑料Repeated chemical unitsCarbon atom Tetrahedron h d (pyramid) ( d)Monomer5~500 atomsP l Polymer> 50 monomersCells g growing g on p polymer y → artificial tissues11光纤Glass fibers —— telecommunication, composites Carbon fibers —— reinforcement Metallic fibers Polymer fibers —— composites, textiles Natural fibers12材料的多样性金属与合金 Metals and alloys 金属与合金,Metals 金属与合金, 陶瓷,Ceramics 陶瓷, Ceramics 复合材料,Composites 复合材料, Composites 聚合物与塑料 Polymers 聚合物与塑料,Polymers 聚合物与塑料, P l and d plastics l ti 光纤,Fibers 光纤, Fibers 碳,Carbon 碳, Carbon 生物材料,Biomaterials 生物材料, Biomaterials …1314A Shape Memory Alloy (SMA, memory alloy, muscle wire, smart alloy,形状记忆合金) is an alloy that "remembers" its original, cold, forged shape, and which returns to that shape after being deformed by applying heat. ft b i d f db l i h t This material is a lightweight, solid-state alternative to conventional actuators such as 水压的 气压的 hydraulic(水压的), pneumatic(气压的), and motor-based systems. Shape memory alloys have applications in industries including medical and aerospace. The difference between the heating transition and the cooling transition give rise to the shape of the curve depends on the material properties of the shape memory alloy, such as the alloying and work hardening.15气凝胶(Aerogels 气凝胶( Aerogels) )通常是指以纳米量级超微颗粒相互聚集构成纳米多孔网络结构,并在 网络孔隙中充满气态分散介质的轻质纳米固态材料。
Aerogel is a manufactured material with the lowest bulk density (体积密度) of any known porous solid. It is derived from a gel in which the liquid component of the gel has b been replaced l d with ith a gas. Th The result lt i is an extremely t l l low-density d it solid lid with ith several l remarkable properties, most notably its effectiveness as a thermal insulator and its extremely low density.A demonstration of aerogel's insulation propertiesA 2.5 kg g brick is supported pp by yap piece of aerogel weighing only 2 grams16Light Amplification by Stimulated Emission of Radiationmirror 2excitation it ti Optical Resonator Active environment excitationmirror 1Laser beam17Bei M in Material t i lS Science i & Engineering E i i f from now on! !MSE = Material Science and Engineering工程材料(Engineering material)指那些具有专门设计的结构、专 门的性能 专门用于某 领域的材料 门的性能、专门用于某一领域的材料。