Functional material 功能材料专业 Fundamentals of Materials Science 材料科学基础

Contents contents Chapter 1 Introduction 2 128 class hours，8 credits / 64 class hours，4 credits Contents Chapter 1 Introduction 2 Chapter 2 Basic Crystallology 10 Chapter 3 Structure of Solid Material 12 Chapter 4 Crystal Defects 20 Chapter 5 Phase diagrams and electric diagrams 20 Chapter 6 Diffusion 8 Chapter 7 Solidification and crystal growth 8 Chapter 8 Deformation and recrystallization 18 Chapter 9 Solid phase transformation 18 Chapter 10 Physic Basis of functional materials 8 Chapter 11 Materials of Low-demension and amorphous 4

目录 第一章 绪论 2 第二章 晶体学基础 10 第三章 固体材料的结构 12 第四章 晶体缺陷 20 第五章 热力学相图和电子相图 20 128学时，8学分 / 64学时， 4学分 第一章 绪论 2 第二章 晶体学基础 10 第三章 固体材料的结构 12 第四章 晶体缺陷 20 第五章 热力学相图和电子相图 20 第六章 扩散 8 第七章 凝固与晶体生长 8 第八章 材料的变形和再结晶 18 第九章 固态相变 18 第十章 功能材料的基本物理性质 8 第十一章 低微材料和非晶态材料简介 4

Chapter1 Introduction 绪 论 Ⅰ.Material historical perspective 绪 论 Ⅰ.Material historical perspective Ⅱ. Material classification, properties and applications Ⅲ. Advanced materials Ⅳ. Introduction of materials science and engineering Ⅴ. Functinal materials

Ⅰ. Material historicalperspective 材料发展概论 Materials are probably more deep-seated in our culture than most of us realize.Transportation, housing, clothing, communication, recreation, and food produc-tion—virtually every segment of our everyday lives is influenced to one degree or another by materials. Historically, the development and advancement of societies have been intimately tied to the members’ ability to produce and manipulate materi-als to fill their needs. In fact, early civilizations have been designated by the levelof their materials development (i.e., Stone Age, Bronze Age).

人类社会的发展伴随着材料的发明和发展，材料的发展推动这人类社会的进步，成为人类文明发展的里程碑。 材料：人类用于制造各种产品和有用物件的物质， 人类生产和生活的物质基础。 人类社会的发展伴随着材料的发明和发展，材料的发展推动这人类社会的进步，成为人类文明发展的里程碑。 石头、兽皮等 天然材料 陶器、瓷器、青铜器和铁器 人工合成新材料 金属材料、高分子材料、陶瓷材料、复合材料、信息材料、能源材料、催化材料和生物医学材料等各类新材料得到了迅速发展，材料、能源和信息成为现代科学技术的三大支柱，奠定了现代社会发展重要的物质基础。

1. 石器时代 Stone age 2. 青铜器时代 bronze age 青铜~铜锡合金 人类进入文明社会的开始 经历了200～300万年漫长历史。 石器,人类最早使用的工具。 从投掷石块袭击猎物，到将天然石材打制成石矢、 石刀、石锤、石斧、石础、石球等石器作为工具使用。 玉器 陶器 瓷器 2. 青铜器时代 bronze age 青铜~铜锡合金 人类进入文明社会的开始 公元前4000年,古埃及人掌握了炼铜技术 公元前2000年,中国青铜的冶炼开始,晚商和西周是鼎 盛时期。

3. 铁器时代 Iron age The period in which man learnt to make tools of iron is called the Iron Age. 铸铁经历了5000年漫长发展历史. 陨石铁,来自宇宙空间,是人类最早使用的铁,主要成分是Fe和Ni. 古埃及,5000年前,磨制 Ni7.5%的陨石铁球. 中国,春秋战国时期,公元前770-221年,已开始大量使用铁器. 我国在铁器时代对人类作出了积极贡献，创造了三种炼钢方法: (1).从矿石中直接炼出自然钢 (2).西汉时期,经过百次冶炼锻打的百炼钢.千锤百炼,百炼成钢 (3).南北朝时期生产的灌钢. 先炼铁后炼钢的两步炼钢技术,我国要比其他国家早1600年;钢的 热处理技术也达到相当的高的水平,如制剑技术:钢铁加热,水冷的淬火 热处理，楚国时期干将莫邪 雌雄双剑.

4. 钢铁工业和有色金属的发展 铸铁：直到瓦特发明蒸汽机以后，由于在铁轨，铸铁管制造中的大量应用，才走上工业发展的道路。 Metals ：ferrous metals and nonferrous metals. 铸铁：直到瓦特发明蒸汽机以后，由于在铁轨，铸铁管制造中的大量应用，才走上工业发展的道路。 炼钢技术：在蒸汽机出现的18世纪(1755年），能够提供强大鼓风和动力以后才得以发展的。 19世纪后半叶，钢铁工业得到发展是由于当时欧洲社会生产力和科学技术的进步，对钢的产生提供了更高的要求。 各种炼钢方法的发明扩大了钢的生产规模，并提高了钢材的质量，特别是到了20世纪50年代，出现了氧气顶吹炼钢技术，钢的生产得到迅速的发展，从20世纪50-70年代末，钢产量2.1亿吨-7.5亿吨。 我国钢产量已跃居世界首位 国际钢协： 2009年全球产钢12.2亿吨，中国钢产量占全球比重升至47%；2009年，全球产生铁8.98亿吨，中国产生铁5.44亿吨，占全球的60.5%。中国的钢铁产量和消费占全球半壁江山。

有色金属也得到了发展，电解铝自1866年被发明以来已成为用量仅 次于钢铁的金属。 云南省，Cu、Al、Zn、Pb等有色金属的开采冶炼、加工工业有好 的发展，比重较大。 钛工业，核工业~铀，核燃料的发展。 电子半导体工业—单晶硅等超纯材料的发展，多晶硅。 5. 非金属材料的发展 non metallic materials 1. 高分子材料：polymers 聚合物 天然和人工合成 天然高分子材料：丝绸，中国丝绸名扬四海；皮革。 人工合成高分子材料：塑料、橡胶、合成纤维。 20世纪90年代，塑料产量已逾一亿吨。 2. 陶瓷：ceramics 结构陶瓷：力学性能。 功能陶瓷：物理，化学性能。

6. 复合材料 Composite materials 随着航空、航天、电子通信等技术的发展，机械、化工、能源等工业的发展，对材料的性能提出了越来越高的要求，单一材料已经不能满足要求。把不同材料适当的复合在一起，往往产生比原来材料性能都要好的新材料。 复合材料：由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种 多相固体材料。 复合材料在轿车上应用已达50Kg 半导体 Semiconductors 生物材料 Biomaterials 7.新材料技术的发展 我国新材料研究、加工、发展重大成果： 新型结构钢； TC=128.7K的Ti-Ca-Ba-Cu-O高温超导体；C60，碳纳米管。 材料快速成型技术，材料表面处理、激光表面淬火、激光熔覆技术。 PVD、CVD、PLD、MBE等薄膜制备技术。 零维，一维，二维材料； 单晶，多晶，非晶，准晶，液晶等材料

Ⅱ. Material classification, properties and applications 材料的分类、性质和应用 1. 材料的分类 建筑材料、航空航天材料 金属材料 无机非金属材料 有机高分子材料 复合材料 天然材料 人工材料 结构材料 功能材料 气态材料 液态材料 固态材料 单晶材料 多晶材料 非晶材料 信息材料、能源材料 生物医学材料、超导材料 电子材料、耐酸耐碱材料等 按使用领域分类 按化学组成分类 按来源分类 按用途分类 按状态分类 按结晶状态分类 材料的类别

2. 材料的性质

3. 材料的应用 用量最大的材料依次是：钢铁、铝合金、铜合金、钛合金、镍合金等。 高分子材料：高聚物，工程塑料。 陶瓷材料：高技术领域。 复合材料：金属基，用于航空航天，汽车工业等。在不同的工业部门都有一定的应用。 汽车工业，支柱产业涉及10大类材料：钢板，特种钢，结构用塑料和复合材料。非结构用塑料和复材，橡胶、涂料、有色金属合金、铸件、陶瓷和玻璃、合金基复合材料。 其中，钢铁比例下降，有色金属（铝合金等），非金属（塑料）上升。 陶瓷材料制作活塞，活塞环，汽车套，排气管等 复合材料在轿车上应用已达50Kg

4. 材 料 环 material cycle

材料环的缺口 imperfection of material cycle

Ⅲ. 新材料及应用 Advanced materials and applications Materials that are utilized in high-technology (or high-tech) applications are some-times termed advanced materials. By high technology we mean a device or product that operates or functions using relatively intricate and sophisticated principles; examples include electronic equipment (VCRs, CD players, etc.), computers, fiber-optic systems, spacecraft, aircraft, and military rocketry.These advanced materials are typically either traditional materials whose properties have been enhanced or newly developed, high-performance materials. Furthermore, they may be of allmaterial types (e.g., metals, ceramics, polymers), and are normally relatively expen-sive. In subsequent chapters are discussed the properties and applications of a number of advanced materials—for example, materials that are used for lasers,integrated circuits, magnetic information storage, liquid crystal displays (LCDs),fiber optics, and the thermal protection system for the Space Shuttle Orbiter.

金属材料 1. 钢铁材料 2. 高硬度材料 3. 形状记忆合金 4. 贮氢合金（金属氢化物） 5. 非晶态金属 6. 泡沫金属 7. 环境材料

先进陶瓷材料 Advanced ceramics 纳米材料及其应用 陶瓷材料的结合键 2. 陶瓷发动机 3. 陶瓷刀具与自动机床 2. 陶瓷发动机 3. 陶瓷刀具与自动机床 4. 新能源－陶瓷材料 5. 压电陶瓷---钟表革命 6. 电子计算机用陶瓷 7. 超导材料---四次诺贝尔奖 8. 光导纤维——通信革命 纳米材料及其应用

Ⅳ. 材料科学与工程简介 1. Materials science 材料科学 研究材料的科学，多学科交叉,产生于20世纪60年代。 1957年，苏联卫星上天，美国受到震惊之后成立“材料研究中心” 取得重要成果而流行。 The discipline of materials science involves investigating the relationships that exist between the structures and properties of materials. materials engineering 材料工程 In contrast, materials engineering is, on the basis of these structure–property correlations, designing or engineering the structure of a material to produce a predetermined set of properties.

2. Materials science and engineering, MSE 材料科学与工程 材料的获得，质量的改进，使材料成为可用的器件或构件， 都离不开生产工艺和制造技术，所以与工程密不可分。 特点： （1）是多学科交叉的新兴学科。 （2）与工程技术有不可分割的联系。 （3）有很强的应用目的和明确的应用背景。

特点：characters （1）材料科学是多学科的新兴学科 作为每类学科来说，各自早就是一门科学了，如与金属材料有关的物理冶金与冶金学等，有机高分子材料是有机化学的一个分支，陶瓷材料则是无机化学的一部分，都积累了丰富的专门知识和基础理论，材料科学理所当然地继承了其中的精华。此外，材料科学与许多基础学科有不可分割的关系，如固体物理学、电子学、光学、声学、固体化学、量子化学、有机化学、无机化学、胶体化学、数学、计算科学、生物学和医学等。因此，材料科学的边界并不是固定的，其范围随科学技术的发展而不断的变化，研究对象的内涵也不断的深化。

（2）材料科学与工程技术有不可分割的联系 材料科学是研究材料的组织结构与性能的关系，从而发展新兴材料，并合理有效的使用材料。但是，材料的商品化要经过一定经济合理的工艺流程才能制成，这就是材料工程。反之，工程要发展，也需要研制出新的材料才能实现。因此，材料科学与工程是相辅相成的。

（3）材料科学与工程有很强的应用目的和明确的应用背景 研究材料中的基本规律，目的在于为发展新型材料提供新的途径和新技术、新方法或新流程，或者为更好的使用已有材料，以充分发挥其作用，进而能对使用寿命做出正确的估算。因此，材料科学与工程是一门应用基础科学，它既要探讨材料的普遍规律，又有很强的针对性。材料学研究往往通过对具体材料的研究找出普遍规律，进而推动材料的发展和推广使用。

材料科学与工程是研究材料组成、结构、生产过程、材料性能与使用效能以及它们之间的关系的，其工作目标是通过对材料组成、结构及工艺的设计，达到提高材料性能及使用效能、节约能源、减少污染、降低成本的最佳状态。

四要素 4 essentials 材料性能 使用性能 组成与结构 制备与加工 （化学） （物理学） （工程） 核心是结构与性能及其关系

材料科学 materials science 研究材料的结构与性能 材料加工 material process 把材料加工成型，得到可供使用的产品 金属材料加工工艺 铸造：砂型、压铸、永久铸型、熔模铸型、连续铸造。 连接：气焊、纤焊、氩弧焊、锡焊、摩擦焊、扩散焊。 机械加工：车，铣、刨、钻、磨、切割。 粉末冶金 宝石材料加工工艺 减法出造型 琢：切开 磨：磨削

Ⅴ. functional material 功能材料 具有除力学性能以外的其他物理性能的特殊材料。 Materials with special physical properties excepted mechanical properti. 具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。 功能材料是新材料领域的核心，是国民经济、社会发展及国防建设的基础和先导。它涉及信息技术、生物工程技术、能源技术、纳米技术、环保技术、空间技术、计算机技术、海洋工程技术等现代高新技术及其产业。功能材料不仅对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，还对我国相关传统产业的改造和升级，实现跨越式发展起着重要的促进作用。

Classification of functional materials 羟磷灰石 [haidrɔksiæpətait]

功能材料及其应用技术正面临新的突破，诸如超导材料、微电子材料、光子材料、信息材料、能源转换及储能材料、生态环境材料、生物医用材料及材料的分子、原子设计等正处于日新月异的发展之中，发展功能材料技术正在成为一些发达国家强化其经济及军事优势的重要手段。

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