材料科学与工程基础课件introduction

材料科学与工程基础经典课件本课程将带领您探索材料科学与工程的基础知识，涵盖材料的分类、性能、制备工艺、相变、结构与性能以及材料的选择与设计从宏观到微观，从理论到实践，帮助您全面了解材料科学与工程领域的奥秘课程简介课程名称课程性质学分授课方式材料科学与工程基础专业基础课程学分课堂讲授、实验教学、课后3讨论课程目标掌握材料科学与工程的基本概念、基了解材料的分类、性能、制备工艺、培养学生对材料科学与工程的兴趣和本原理和基本方法相变、结构与性能以及材料的选择与学习能力，为后续专业课程学习和工设计程实践奠定基础知识体系架构材料科学基础1材料的分类、结构、性能、制备工艺、相变金属材料2金属材料的组织与性能、热处理、塑性变形陶瓷材料3陶瓷材料的结构与性能、制备工艺及应用高分子材料4高分子材料的结构与性能、聚合反应与加工、性能表征与应用复合材料5复合材料的结构与性能、性能预测与应用材料的分类金属材料由金属元素组成的材料，具有良好的导电性、导热性和延展性陶瓷材料由金属元素和非金属元素组成的材料，具有较高的硬度、耐高温性和耐腐蚀性高分子材料由有机高分子化合物组成的材料，具有轻质、绝缘、柔韧等特性复合材料由两种或多种不同材料组合而成，以获得优越的综合性能金属材料铁铜铝广泛应用于建筑、机械良好的导电性，应用于轻质、耐腐蚀，应用于、汽车等领域电线、电缆等领域航空航天、汽车等领域陶瓷材料氧化物陶瓷1例如氧化铝、氧化锆，具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损等特性氮化物陶瓷2例如氮化硅、氮化铝，具有高硬度、高强度、耐高温等特性碳化物陶瓷3例如碳化钨、碳化硅，具有高熔点、高硬度、耐磨损等特性高分子材料热塑性塑料例如聚乙烯、聚丙烯，可反复加热塑形热固性塑料例如环氧树脂、酚醛树脂，加热后发生不可逆的化学反应弹性体例如橡胶，具有弹性，可反复拉伸变形复合材料增强材料例如纤维、颗粒、片状材料，提高复合材料的强度、刚度、耐热性等基体材料例如树脂、金属、陶瓷，起到连接增强材料的作用界面增强材料和基体材料之间的结合层，影响复合材料的性能材料的性能指标力学性能热学性能电磁性能化学性能强度、硬度、韧性、弹性模熔点、热膨胀系数、热导率电阻率、介电常数、磁导率耐腐蚀性、化学稳定性等量等等等力学性能12强度硬度材料抵抗破坏的能力材料抵抗压痕的能力34韧性弹性模量材料抵抗断裂的能力材料在弹性范围内抵抗形变的能力热学性能热膨胀系数材料温度变化时体积变化的程度熔点热导率材料从固态转变为液态的温度材料传递热量的能力213电磁性能电阻率材料抵抗电流的能力介电常数材料储存电荷的能力磁导率材料被磁化的能力化学性能耐腐蚀性化学稳定性材料抵抗腐蚀介质的能力材料在化学反应中保持稳定性的能力表面性能表面粗糙度材料表面凹凸起伏的程表面能材料表面原子不饱和键的能润湿性材料表面与液体接触时发生度量润湿的程度材料的制备工艺熔融法将材料加热至熔融状态，然后冷却成型粉末治金将粉末材料压制成型，然后烧结成致密体化学法利用化学反应合成材料物理沉积法利用物理过程将材料沉积在基体上熔融法铸造锻造轧制将熔融金属倒入模具中，冷却凝固成型利用锤击或压力使金属变形，提高材料利用轧辊将金属压成板材或带材的强度和塑性粉末治金粉末制备通过机械粉碎、化学沉淀等方法制备金属粉末粉末成型将金属粉末压制成型，得到坯体粉末烧结将坯体在高温下烧结，使粉末颗粒之间相互结合化学法沉淀法水解法还原法利用化学反应使金属离子沉淀析出利用金属盐的水解反应制备金属氧化物或利用还原剂将金属氧化物还原成金属氢氧化物物理沉积法真空镀膜1在真空中将材料蒸发或溅射到基体上离子注入2利用离子束将材料原子注入到基体中激光烧蚀3利用激光束将材料蒸发或溅射到基体上材料的相变相变是指材料的物理状态或结构发生相变可以是固相到液相、液相到气相相变可以是可逆的，也可以是不可逆变化的过程、固相到固相等的相变的类型固液相变液气相变固固相变---例如冰融化成水例如水沸腾成水蒸气例如铁在不同温度下晶体结构发生改变相变动力学123成核生长相变速率新相的形成过程新相的长大过程相变进行的快慢相图的绘制与应用相图的绘制根据材料的相变温度和成分绘制相图相图的应用预测材料的相变过程、控制材料的性能金属材料的组织与性能晶体结构晶体缺陷热处理塑性变形金属原子在空间排列的规律金属晶体结构中存在的各种通过加热和冷却处理改变金金属在外力作用下发生永久缺陷属的组织结构，从而改变其形变的过程性能晶体结构晶格金属原子在空间排列的规律性，可以形成不同的晶格类型，例如面心立方、体心立方、密排六方等晶胞晶格中最小的重复单元晶向晶格中原子排列方向晶面晶格中原子排列的平面晶体缺陷点缺陷线缺陷晶格中单个原子位置的偏差，例晶格中原子排列的错位，例如刃如空位、间隙原子型位错、螺型位错面缺陷晶格中原子排列的界面，例如晶界、孪晶界金属的热处理淬火加热到一定温度后，迅速冷却，目的是2提高材料的硬度，降低其塑性退火1加热到一定温度并保温，然后缓慢冷却，目的是降低材料的硬度，提高其塑性回火将淬火后的材料再加热到一定温度并保温，然后冷却，目的是降低材料的硬度3，提高其韧性塑性变形与回复塑性变形1金属在载荷作用下发生永久形变的过程，会导致材料的强度和硬度提高，塑性降低回复2在塑性变形后加热，使材料的部分缺陷消失，降低材料的内应力，提高其塑性陶瓷材料的结构与性能晶体结构晶界及缺陷电子结构与性能制备工艺及应用陶瓷材料的原子排列方式，陶瓷晶体之间的界面，以及陶瓷材料的电子结构决定了陶瓷材料的制备工艺多种多可以是离子晶体、共价晶体晶体结构中存在的各种缺陷其化学性能、电学性能、光样，应用领域广泛，例如耐或混合型晶体，对陶瓷材料的性能有重要学性能等火材料、电子陶瓷、结构陶影响瓷等晶体结构离子晶体由金属阳离子和非共价晶体由非金属原子之间金属阴离子通过静电引力结合通过共用电子对结合而成，例而成，例如氧化铝、氧化镁如二氧化硅、金刚石混合型晶体由离子键和共价键共同作用形成的晶体，例如氮化硅、碳化硅晶界及缺陷晶界点缺陷陶瓷晶体之间的界面，影响陶瓷陶瓷晶体中单个原子位置的偏差材料的强度、韧性、耐高温性等，例如空位、间隙原子线缺陷陶瓷晶体中原子排列的错位，例如刃型位错、螺型位错电子结构与性能能带理论解释陶瓷材料的电学、光学性能电子结构陶瓷材料的电子结构决定了其化学性能、电学性能、光学性能等制备工艺及应用1粉末制备通过机械粉碎、化学沉淀等方法制备陶瓷粉末2粉末成型将陶瓷粉末压制成型，得到坯体3烧结将坯体在高温下烧结，使粉末颗粒之间相互结合4应用领域耐火材料、电子陶瓷、结构陶瓷等高分子材料的结构与性能分子结构热塑性与热固性聚合反应与加工性能表征与应用高分子材料是由许多重复的热塑性塑料可以反复加热塑高分子材料的制备过程，包高分子材料的性能可以通过结构单元组成的长链分子，形，而热固性塑料加热后发括聚合反应和加工成型过程各种测试方法来表征，其应其结构决定了材料的性能生不可逆的化学反应，无法用领域非常广泛，例如包装再塑形、建筑、汽车、航空航天等分子结构链结构1高分子链可以是直链、支链、环状等链段2高分子链的结构单元之间通过化学键连接分子量3高分子链的平均分子量，影响材料的强度、韧性等热塑性与热固性热塑性塑料加热后软化，冷却后固化，可反复加热塑形，例如聚乙烯、聚丙烯热固性塑料加热后发生不可逆的化学反应，形成固态网络结构，无法再塑形，例如环氧树脂、酚醛树脂聚合反应与加工聚合反应将单体分子通过化学反应连接成高分子链的过程加工成型将聚合物熔融或溶解后，通过模具或其他方法成型性能表征与应用拉伸强度、弯曲强度、冲击强度、硬度、熔点、玻璃化转变温度等包装、建筑、汽车、航空航天等复合材料的结构与性能复合材料的定义增强材料基体材料界面由两种或多种不同材料组合例如纤维、颗粒、片状材料例如树脂、金属、陶瓷，起增强材料和基体材料之间的而成，以获得优越的综合性，提高复合材料的强度、刚到连接增强材料的作用结合层，影响复合材料的性能度、耐热性等能复合材料的定义复合材料由两种或多种不同材料组成复合材料的性能优于组成材料的简单复合材料的结构设计灵活，可以根据，每种材料保持其自身特性叠加，展现出协同效应需要调整材料的成分和结构，以满足不同的性能要求纤维增强复合材料纤维例如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维，具有高强度、高模量、耐高温等特性基体例如树脂、金属、陶瓷，将纤维固定并提供整体结构界面纤维和基体之间的结合层，影响复合材料的性能层状复合材料层板1由增强材料和基体材料组成的薄层，可以是单向的或多向的层间结合2层板之间通过粘合剂或其他方式结合，形成层状复合材料性能3层状复合材料具有良好的抗弯强度、抗剪强度、抗冲击强度等性能预测与应用性能预测通过理论计算和实验测试预测复合材料的性能应用领域航空航天、汽车、船舶、建筑、体育器材等材料的选择与设计性能需求分析材料选择原则材料设计方法案例分析明确材料需要满足的性能指根据性能需求选择合适的材通过改变材料的结构、成分通过具体案例分析材料的选标料，考虑材料的成本、可加、制备工艺等来设计符合性择与设计过程工性、环保性等因素能要求的材料性能需求分析强度、硬度、韧性、弹性模量电阻率、介电常数、磁导率、、耐高温性、耐腐蚀性、耐磨光学性能等损性等加工性、成本、环保性等材料选择原则性能优先成本控制选择能够满足性能需求的材料，优先考虑性能指标选择成本合理的材料，考虑材料的采购成本、加工成本等可加工性环保性选择易于加工成型的材料，考虑材料的加工工艺、加工设备等选择环保的材料，考虑材料的生产、使用、回收等环节对环境的影响材料设计方法材料模拟利用计算机模拟材料的结构和性能，预测材料的性能实验验证通过实验验证材料的性能，优化材料的设计性能测试对材料进行各种性能测试，确保材料能够满足性能要求案例分析12案例案例12航空航天材料的设计与选择新能源汽车材料的设计与选择3案例3生物医用材料的设计与选择课程总结知识要点回顾重点难点解析未来发展趋势本课程主要介绍了材料科学与工程的基课程中的一些重点难点，例如相图的绘材料科学与工程领域不断发展，未来将础知识，包括材料的分类、性能、制备制与应用、金属的热处理、陶瓷材料的会出现更多新型材料，例如纳米材料、工艺、相变、结构与性能以及材料的选电子结构与性能、复合材料的性能预测生物材料、智能材料等择与设计等知识要点回顾材料的分类金属材料、陶瓷材料、材料的性能指标力学性能、热学性材料的制备工艺熔融法、粉末治金高分子材料、复合材料能、电磁性能、化学性能、表面性能、化学法、物理沉积法材料的相变相变的类型、相变动力学、相图的绘制与应用材料的选择与设计性能需求分析、材料选择原则、材料设计方法重点难点解析相图相图的绘制和应用是材料科学与工程的重要内容，需要掌握不同类型相图的绘制方法，并能根据相图预测材料的相变过程和控制材料的性能热处理金属的热处理是改变金属材料组织结构，从而改变其性能的重要方法，需要掌握不同热处理工艺的原理、操作方法和应用范围复合材料复合材料的性能预测和应用是材料科学与工程的重要研究方向，需要掌握复合材料的性能预测方法，以及不同类型复合材料的应用领域未来发展趋势纳米材料具有独特的物理化学性质，在电子、能源、生物生物材料与生物体相容性好，可用于制造人工器官、组织医药等领域具有广阔的应用前景工程等智能材料能够感知环境变化并做出响应，在航空航天、机未来材料科学与工程的发展方向是不断探索和开发新型材料器人、医疗等领域具有重要应用价值，满足社会发展和科技进步的需求。