《材料科学基础知识讲解》课件

材料科学基础知识讲解欢迎大家参加《材料科学基础知识讲解》课程在接下来的讲座中，我们将探索材料科学的核心概念，从传统材料到前沿创新材料科学作为现代工业的基础，其重要性不言而喻本课程将涵盖金属、无机非金属、高分子以及新型功能材料的基本特性、结构、性能与应用，带领大家了解这个支撑人类文明进步的关键学科通过本次学习，希望能激发大家对材料科学的兴趣与探索精神目录基础知识材料分类性能与应用绪论材料科学发展历程材料分类总览材料结构与性能•••材料科学定义与学科体系金属材料及其应用新材料与前沿技术•••材料科学研究的方法与工具无机非金属材料材料应用与可持续发展•••材料科学在国民经济中的地位高分子材料基础未来展望与总结•••本课程共包含五十个专题，将按照从基础到应用、从传统到前沿的逻辑进行讲解每个专题都包含理论知识与实际案例相结合的内容，帮助大家建立完整的材料科学知识体系绪论材料科学发展历程石器时代约公元前250万年至公元前3000年，人类开始使用石材制作工具，这标志着人类对材料的初步认识与利用青铜时代约公元前3000年至公元前1200年，人类掌握了冶炼技术，青铜工具的出现极大促进了生产力发展铁器时代约公元前1200年开始，铁器的普及使人类文明进入新阶段，农业生产力获得质的提升现代材料时代20世纪以来，新型材料如半导体、复合材料、纳米材料的涌现，推动了信息时代与航空航天等领域的飞速发展材料的发展与人类文明进程密不可分，每一次重大材料技术突破都伴随着社会生产方式的变革从打制石器到3D打印，材料科学的进步持续推动着人类社会向更高水平发展材料科学定义与学科体系材料性能材料在使用中表现出的各种特性材料结构从原子到宏观的多层次组织结构材料组成化学成分与元素构成材料加工制备、处理与改性方法材料科学是研究材料成分、结构、加工工艺与性能之间关系的一门交叉学科其核心是材料四要素模型，即组成-结构-加工-性能之间的相互关系这四个要素相互影响、缺一不可，构成了材料科学研究的基本框架作为一门跨学科领域，材料科学融合了物理学、化学、生物学、工程学等多学科知识，同时也渗透到能源、医疗、信息等各个应用领域这种交叉性是材料科学的重要特点，也是其持续创新的动力源泉材料科学研究的方法与工具表征技术分析方法测试技术包括射线衍射（）、扫描电子包括热分析（）、光谱分析包括力学性能测试（拉伸、压缩、硬X XRDTG-DSC显微镜（）、透射电子显微镜（、、）等，用于研究度）、电学性能测试、热学性能测试SEM IRUV-Vis XPS（）等，用于研究材料的微观结材料的化学组成、相结构和化学键合等，用于评价材料的各种实用性能TEM构、表面形貌和元素分布这些技术状态通过这些方法可以深入了解材这些测试模拟了材料在实际应用中的可将材料放大至原子尺度进行观察料的本质特性各种条件现代材料科学研究离不开先进的实验手段，从纳米尺度的分析到宏观性能的测定，都需要精密仪器的支持同时，计算材料学的发展也使基于第一原理计算、分子动力学模拟等方法成为材料研究的重要工具，极大加速了新材料的设计与开发过程材料科学在国民经济中的地位28%贡献率GDP材料产业链在我国GDP中的近似占比，是国民经济的重要支柱60%制造业关联度与材料科技直接相关的制造业领域比例35%技术创新贡献材料创新对国家技术进步的贡献率万亿

4.5产业规模我国材料产业年产值（人民币）材料产业作为国民经济的基础产业，不仅直接创造巨大经济价值，更通过支撑装备制造、电子信息、航空航天等领域发挥倍增效应以新能源汽车为例，其核心竞争力很大程度上依赖于电池材料、轻量化结构材料等的突破在全球产业链竞争中，材料产业的自主可控直接关系到国家经济安全因此，很多国家都将材料科技创新列为国家战略的优先发展领域，投入大量资源推动相关研发与产业化材料分类总览金属材料无机非金属材料包括黑色金属（钢铁）和有色金属（铝、铜等）包括陶瓷、玻璃、水泥、碳材料等特点耐高温、绝缘性好、化学稳定性高特点高强度、良好导电导热性、可塑性好新型材料高分子材料包括复合材料、纳米材料、智能材料等包括塑料、橡胶、纤维等特点性能优异、功能集成、应用领域广特点质轻、成本低、易加工按照用途，材料还可分为结构材料和功能材料结构材料主要利用其力学性能承受载荷，如建筑钢材、工程塑料等；功能材料则利用特殊的物理化学性能实现特定功能，如磁性材料、光电材料等不同类别的材料各有优势，在实际应用中往往需要根据具体需求进行选择和组合现代材料发展趋势是多功能集成、结构功能一体化金属材料分类黑色金属有色金属以铁为基础的金属材料，主要包括生铁、钢、铸铁等除铁和铁基合金以外的金属及其合金统称为有色金属全球年产量约亿吨轻金属铝、镁、钛等（密度小于）•18•

4.5g/cm³我国产量占全球以上重金属铜、铅、锌等（密度大于）•50%•

4.5g/cm³应用领域建筑、机械、交通等贵金属金、银、铂等（化学性质稳定）••稀有金属锂、镓、锗等（储量少、分散度高）•是用量最大、应用最广泛的金属材料类别金属材料的分类方式多样，除了上述分类外，还可按合金成分（如铝合金、钛合金）、性能特点（如耐热合金、耐蚀合金）或冶金状态（如铸态、锻态）等方式进行分类不同分类体系从不同角度反映了金属材料的特性与用途黑色金属介绍材料类型碳含量主要特点典型应用生铁C

2.11%脆性大，不可锻造炼钢原料钢

0.03%C

2.11%强度高，塑性好建筑、机械、汽车等铸铁C

2.11%铸造性好，耐磨性机床底座、汽缸体好铁素体钢C

0.02%韧性好，磁性好变压器铁芯不锈钢C

1.2%，Cr12%耐腐蚀，美观厨具、医疗器械黑色金属的本质区别在于碳含量的不同，这直接影响了其组织结构和性能特点钢是最重要的工程材料之一，通过调整成分和加工工艺可获得性能各异的数千种钢种，适应不同应用场合的需求值得注意的是，虽然铸铁和生铁的碳含量都高于

2.11%，但铸铁含有大量石墨，具有较好的铸造性能，可直接用于制造铸件；而生铁则主要作为炼钢的原料，不直接用于制造零部件钢铁材料发展与应用有色金属材料简介铝及铝合金密度为

2.7g/cm³，是应用最广泛的轻金属具有比强度高、耐腐蚀、导电导热性好等特点广泛应用于航空航天、交通运输、建筑装饰等领域主要合金系列有2000系（Al-Cu）、6000系（Al-Mg-Si）和7000系（Al-Zn）等铜及铜合金密度为

8.9g/cm³，具有优异的导电导热性和良好的耐蚀性广泛应用于电气工程、热交换设备等领域主要合金有黄铜（Cu-Zn）、青铜（Cu-Sn）、白铜（Cu-Ni）等铜合金种类多达数百种，可满足不同性能需求钛及钛合金密度为

4.5g/cm³，比强度极高，耐腐蚀性优异主要应用于航空航天、化工和医疗领域因加工难度大，被称为太空金属钛合金按相组成可分为α型、α+β型和β型三类，其中α+β型合金应用最广镁及镁合金密度仅为

1.74g/cm³，是工业应用中最轻的金属材料具有优良的减震性能和电磁屏蔽效果主要应用于汽车、电子等领域的轻量化部件但存在易燃、抗腐蚀性较差等缺点，应用受到一定限制有色金属因其独特的物理化学性能，在特定领域具有不可替代的作用随着工业技术的发展，有色金属合金化、复合化趋势明显，性能不断提升，应用领域不断拓展铝合金在航空航天中的应用机身结构2XXX和7XXX系铝合金用于机身蒙皮、长桁和框架机翼组件7075-T6铝合金用于承力结构，强度可达570MPa火箭燃料箱2219铝合金具有优异的焊接性和低温性能卫星结构件Al-Li合金密度比常规铝合金低10%，刚度高航空领域是铝合金最重要的应用领域之一以波音737客机为例，铝合金用量约占飞机结构重量的80%尽管近年来复合材料使用比例增加，但铝合金仍是航空结构的主要材料，特别是机身骨架、机翼、控制面等关键部位铝合金在航空航天领域成功的关键在于其出色的比强度和成熟的生产加工技术新一代铝-锂合金的开发进一步降低了密度、提高了比模量，使铝合金在与复合材料的竞争中保持优势铝合金通过精确控制成分和热处理工艺，可实现强度、韧性、抗疲劳性能的综合平衡铜及其合金的电工应用导电性能导热性能耐腐蚀性纯铜电导率为，铜的导热系数为铜在大气、淡水和海水中58MS/m仅次于银，是最经济的导，是大多数均具有良好的耐蚀性，使401W/m·K电材料在电气工业中用金属的数倍广泛用于散用寿命长铜制水管使用铜导体制造的电动机、变热器、热交换器，对提高寿命可达年以上，全生50压器效率更高，能耗更低设备效率和延长使用寿命命周期成本远低于其他材至关重要料铜及铜合金在电力工业中应用广泛，全球每年约有的铜用于电气电子工业中60%国电网每年需要铜材约万吨，用于输配电设备和电力电缆一辆普通电动汽车200含铜量约为，是传统燃油车的倍，新能源产业发展为铜材带来了巨大市场80kg4除纯铜外，黄铜（）用于电气插头、开关接点；青铜（）用于弹性电Cu-Zn Cu-Sn气触点；白铜（）用于电阻元件铜合金通过合理设计成分可兼顾导电性与Cu-Ni机械性能，满足不同电气设备的需求金属材料的微观结构晶体结构基础晶体缺陷与性能金属原子在空间按照规则的三维点阵排列，形成晶体结构常实际金属中存在各种晶体缺陷，这些缺陷显著影响材料性能见的金属晶体结构有点缺陷空位、间隙原子、替代原子•体心立方结构如、、等•BCCα-Fe CrMo线缺陷位错（刃位错、螺位错）•面心立方结构如、、等•FCC AlCuγ-Fe面缺陷晶界、孪晶界、堆垛层错•密排六方结构如、、等•HCP MgTi Zn体缺陷夹杂物、沉淀相、气孔•不同晶体结构导致金属具有不同的力学性能和物理性能例如，位错的运动是金属塑性变形的微观机制通过控制缺陷类型和结构金属通常塑性好，而结构金属塑性较差FCC HCP数量，可以调控金属的强度、韧性等性能金属材料的微观组织还包括相的分布和晶粒特征相是具有相同结构、成分和性质的物质区域，如铁碳合金中的铁素体、奥氏体、渗碳体等晶粒是具有相同晶体取向的区域，晶粒大小对金属性能有重要影响，一般晶粒细小有利于提高强度和韧性贵金属与特殊金属贵金属主要包括金（Au）、银（Ag）、铂（Pt）、钯（Pd）、铑（Rh）等，它们具有优异的化学稳定性、导电性和催化活性在现代工业中，贵金属应用领域包括电子工业（电接点材料）、医疗（植入物、牙科合金）、催化剂（汽车尾气净化器）、首饰和货币等特殊金属如稀土金属（镧系元素）在新能源、高端制造等领域有不可替代的作用钕铁硼永磁材料是高性能电机的核心材料；稀土发光材料用于LED照明和显示；锂、钴是锂离子电池的关键元素这些特殊金属虽用量不大，但对产品性能影响显著，是高技术产业的战略资源金属腐蚀与防护腐蚀类型防腐蚀技术•均匀腐蚀金属表面均匀减薄•材料选择使用耐蚀材料（不锈钢、铝合金）•点蚀局部深度腐蚀，危害性大•晶间腐蚀沿晶界腐蚀，强度降低•表面处理电镀、热浸镀、阳极氧化等•应力腐蚀开裂应力与腐蚀介质共同作•涂层保护防腐涂料、金属喷涂等用•阴极保护牺牲阳极、外加电流法•电化学腐蚀电偶作用导致的腐蚀•环境控制除氧、pH调节、缓蚀剂添加经济影响•全球每年腐蚀损失约达GDP的3-4%•中国每年因腐蚀造成的经济损失约

2.1万亿元•工业设备30%的故障源于腐蚀•采用防腐技术可节约15-35%的腐蚀成本•海洋工程腐蚀成本占总维护费用的60%以上金属腐蚀是金属材料在环境介质作用下发生的破坏现象，不仅造成巨大经济损失，还可能导致重大安全事故中国桥梁事故中约40%与腐蚀有关，油气管道70%的失效源于腐蚀因此，腐蚀防护是材料科学的重要研究领域无机非金属材料及分类玻璃材料陶瓷材料非晶态无机非金属材料，具有透明性、化学稳定性和可塑性主要包括传统陶瓷和先进陶瓷，具有高硬度、耐高温、耐腐蚀等特点水泥材料以硅酸钙为主要成分的水硬性胶凝材料，是建筑业的基础材料其他无机材料碳材料如耐火材料、保温材料、摩擦材料等，用于特殊工业环境包括石墨、金刚石、碳纤维、碳纳米管等，应用领域广泛无机非金属材料是不含碳氢化合物的非金属固体材料，通常由金属或非金属元素与氧、氮、碳等形成的化合物构成这类材料在高温、腐蚀性环境下具有优异的稳定性，但通常脆性较大，加工性能较差随着科技发展，无机非金属材料的应用领域不断拓展，从传统建筑领域扩展到电子信息、航空航天、能源环保、生物医学等高科技领域，成为现代工业体系中不可或缺的重要材料陶瓷材料基础成分与结构陶瓷材料主要由金属或半金属元素与非金属元素（如氧、氮、碳）形成的化合物构成常见的有氧化物陶瓷（Al₂O₃、ZrO₂）、氮化物陶瓷（Si₃N₄）、碳化物陶瓷（SiC）等结构上以离子键或共价键结合，晶格能高，结合强度大制备工艺传统陶瓷采用粉料-成型-烧结工艺，先进陶瓷增加了精密控制环节主要工艺包括干压、等静压、注浆成型、挤出成型等烧结是关键步骤，通过高温（1300-1800℃）使陶瓷颗粒结合，形成致密体产业规模全球先进陶瓷市场规模约700亿美元，年增长率6-8%中国陶瓷产量居世界首位，工业陶瓷年产量约300万吨，建筑陶瓷年产量超过80亿平方米电子陶瓷、结构陶瓷是增长最快的领域陶瓷材料按应用可分为结构陶瓷和功能陶瓷结构陶瓷利用其高硬度、耐磨性、耐高温等特点，用于切削工具、耐磨部件等；功能陶瓷利用其电学、磁学、光学等特性，应用于电子、能源等领域氧化铝陶瓷是应用最广泛的工程陶瓷，硬度仅次于金刚石，耐磨性是钢的10倍，绝缘性是云母的100倍氧化锆陶瓷具有优异的韧性和生物相容性，广泛用于医疗和光学领域陶瓷的性能与应用结构陶瓷应用电子陶瓷应用生物陶瓷应用氮化硅和碳化硅陶瓷切削刀具在高速切削钢材氧化铝陶瓷基片是集成电路封装的重要材料，氧化锆陶瓷具有优异的生物相容性和美观性，时，使用寿命是高速钢的倍陶瓷轴导热性是树脂的倍，绝缘性好，热膨胀系牙科修复体市场份额逐年提高，已超过50-1005-1020%承在极端温度和腐蚀环境下仍能保持稳定性能，数小压电陶瓷（）能实现电能机械能羟基磷灰石陶瓷化学成分与人体骨骼相似，可PZT-摩擦系数低，使用寿命是钢轴承的倍，广转换，用于传感器、执行器等铁电陶瓷用于促进骨组织生长，用于骨修复材料和人工关节3-10泛用于航空航天和化工装备电容器，储能密度高，温度特性稳定涂层，减少排异反应，延长使用寿命陶瓷材料的应用范围正从传统领域向高科技领域拓展透明陶瓷在军事防护、高温窗口和激光器件领域表现出色；纳米陶瓷在催化、能源存储和环保领域有突破性应用；功能梯度陶瓷通过结构设计实现多功能集成，满足复杂工况需求玻璃材料百科成分与结构玻璃是一种非晶态固体，不具有长程有序结构最常见的硅酸盐玻璃主要由SiO₂（70-75%）、Na₂O（12-15%）、CaO（5-10%）等组成硅氧四面体构成了玻璃的基本网络结构，网络修饰离子（Na⁺、Ca²⁺等）填充在网络间隙制备工艺玻璃制备包括配料、熔制（1450-1550℃）、成型、退火等工序成型方法有浮法（平板玻璃）、压制（器皿）、吹制（艺术品）、拉丝（光纤）等退火是消除内应力、增强性能的关键工序现代玻璃生产已实现高度自动化，年产能可达数十万吨物理性能玻璃密度通常在

2.2-

6.0g/cm³之间；透光率可达90%以上；软化点根据成分在600-1200℃范围内；热膨胀系数在5-100×10⁻⁷/℃；导热系数

0.6-

1.2W/m·K；硬度5-7（莫氏）；弹性模量50-90GPa不同成分的玻璃性能差异显著光学玻璃光学玻璃通过精确控制成分实现特定的折射率和色散特性常见的有冕牌玻璃（低折射率，低色散）和火石玻璃（高折射率，高色散）现代光学仪器镜头组合多种光学玻璃，可有效校正色差和像差，提高成像质量玻璃因其透明性、化学稳定性和可塑性，被广泛应用于建筑、日用品、光学仪器、电子通信等领域通过调整成分和工艺，可赋予玻璃特殊功能，如耐热玻璃（硼硅酸盐）、电气绝缘玻璃（铝硅酸盐）、激光玻璃（掺钕磷酸盐）等特种玻璃与技术进步超薄玻璃防弹玻璃手机和平板电脑屏幕使用的钢化玻璃厚防弹玻璃通常采用多层结构，玻璃层与度仅为

0.3-

0.7mm，具有优异的透光性聚碳酸酯（PC）或聚乙烯醇缩丁醛和触控体验康宁大猩猩玻璃通过离子（PVB）膜交替叠合厚度从25mm到交换工艺提高表面强度，抗划伤性是普75mm不等，重量是普通玻璃的5-10倍通玻璃的4倍，已应用于超过60亿台设可抵抗9mm手枪到

7.62mm步枪子弹，备柔性玻璃厚度可达

0.05mm，弯曲广泛用于银行、使馆和高级安全车辆半径小于5mm，是可折叠显示设备的关最新研发的透明陶瓷-玻璃复合防弹材料键材料厚度减少30%，重量减轻40%智能玻璃电致变色玻璃可通过施加电压改变透光率，从透明状态（80%透光率）变为深色状态（5%透光率）仅需3-5秒安装此类玻璃的建筑能耗可降低25-30%热敏变色玻璃根据温度自动调节透光率，无需外部能源光致变色玻璃受紫外线照射后变暗，已广泛应用于高端眼镜和汽车天窗玻璃技术的进步极大推动了多个领域的创新光纤通信使用超纯二氧化硅玻璃，传输损耗仅为

0.2dB/km，单根光纤可传输数十太比特数据；微通道板玻璃用于夜视设备和医学影像；激光玻璃是高能量密度激光系统的核心组件水泥与建筑材料成分与分类性能与应用水泥是以硅酸钙为主要成分的水硬性无机胶凝材料，主要由石灰石、水泥是混凝土的主要胶凝材料，全球年产量约亿吨，中国产量约42粘土等原料经高温煅烧、粉磨而成按组成可分为硅酸盐水泥、普通亿吨，占全球中国人均水泥消费量约吨年，远高于世界2355%

1.6/硅酸盐水泥、矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥等平均水平水泥的主要矿物组成包括水泥主要性能指标₃（硅酸三钙）约，水化快，早期强度高强度等级、、兆帕，数字表示天抗压强度•C S50-60%•

32.

542.

552.528₂（硅酸二钙）约，水化慢，后期强度高凝结时间初凝分钟，终凝小时•C S15-25%•≥45≤10•C₃A（铝酸三钙）约5-10%，水化热高，耐硫酸盐性差•安定性不允许有膨胀、开裂现象•C₄AF（铁铝酸四钙）约5-8%，水化速度中等•耐久性抗冻融、抗硫酸盐、抗碳化等特种水泥包括快硬水泥、油井水泥、低热水泥、膨胀水泥、白色水泥等，用于特殊环境和用途水泥工业是碳排放大户，占全球人为₂排放的约绿色水泥技术正在研发，如使用工业废料替代部分熟料、开发低碳新型胶凝材料、应CO8%用碳捕获技术等，目标是到年实现碳中和2050碳材料发展与应用碳材料是单质碳的不同同素异形体和人工合成碳材料的总称天然碳材料包括金刚石和石墨；人工碳材料包括活性炭、碳纤维、碳纳米管、石墨烯、富勒烯等碳原子可形成sp³、sp²、sp杂化，赋予碳材料多样的结构和性能石墨烯是由单层碳原子组成的二维材料，具有超高导电率~10⁶S/m、导热率~5000W/m·K和力学强度抗拉强度~130GPa碳纤维强度可达3500-7000MPa，比钢高5-7倍，密度仅为钢的1/4碳纳米管在航空航天、能源储存和生物医学领域有广泛应用人造金刚石年产量约20亿克拉，主要用于工业切削、抛光和电子器件高分子材料基础高分子结构特点由上千甚至上万个重复单元组成的大分子分类方式天然/合成、热塑性/热固性、结构/功能天然高分子纤维素、淀粉、蛋白质、核酸、天然橡胶合成高分子塑料、合成橡胶、合成纤维、胶粘剂、涂料高分子材料是以高分子化合物为基础的材料，分子量通常在上万到上百万高分子通过聚合反应从低分子单体合成，聚合方式包括加聚合、缩聚合、开环聚合等高分子结构有线型、支链型、交联型、网状型等，不同结构导致性能差异高分子材料的特点是质量轻、加工性好、成本低、可设计性强、性能多样与传统材料相比，高分子材料的力学性能通常较低，但具有独特的柔韧性、绝缘性和耐腐蚀性通过分子设计和共聚、共混、填充等技术，可以获得性能各异的高分子材料，满足不同应用需求塑料材料的分类与特点热固性塑料弹性体特点一旦固化成型，不能再熔融加工特点具有橡胶弹性，变形后能恢复原状•酚醛树脂（PF）耐热、绝缘、难燃•环氧树脂（EP）粘接强度高，收缩小•热塑性弹性体（TPE）可反复熔融加工•不饱和聚酯（UP）成型简便，价格低•合成橡胶丁苯橡胶、丁腈橡胶等热塑性塑料•三聚氰胺树脂（MF）耐热水，硬度高•硅橡胶耐高低温，生物相容性好改性与共混特点加热变软，冷却变硬，可重复加工特点通过物理、化学方法改善性能•通用型PE、PP、PS、PVC（占塑料总量80%以上）•增强改性加入玻璃纤维、碳纤维等•工程型PA、PC、PMMA、POM、PET等•增韧改性加入弹性体提高韧性•特种型PEEK、PSU、LCP、PEI等•共混合金两种或多种树脂混合塑料是最大宗的高分子材料，全球年产量超过

3.8亿吨聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）因其价格低廉、性能优良，产量最大，分别占塑料总量的约30%和20%工程塑料虽然价格较高，但具有优异的力学性能和耐热性，在汽车、电子电气等领域替代金属应用塑料在生活中的应用包装领域塑料是最主要的包装材料，占包装材料总量的42%食品包装中PET饮料瓶年产量约5000亿个；PE保鲜膜因优异的气密性和透明度广泛应用；复合塑料薄膜可实现高阻隔性，延长食品保质期2-3倍包装用塑料约占塑料总用量的40%，其中半数以上为一次性使用电子电器领域现代电器外壳多采用ABS、PS、PP等塑料，具有轻量化、绝缘、成本低等优势电视机外壳从金属到塑料的转变减轻了重量40%以上电子元器件封装用环氧树脂年用量超过25万吨塑料在家电中的用量占材料总量的30-50%，且比例不断提高汽车领域现代汽车中塑料用量约为150-200kg，占整车重量的15-20%主要应用部位包括内饰件（PP、ABS）、保险杠（PP+EPDM）、油箱（HDPE）、进气歧管（PA66+GF）等塑料零部件比金属减重40-50%，每减重100kg可降低油耗

0.4L/100km预计2030年汽车塑料用量将增至整车重量的25%塑料材料因其优异的成型加工性和可设计性，已经渗透到生活的方方面面建筑领域的PVC管材、医疗领域的一次性注射器、农业领域的地膜和大棚膜，都是塑料应用的重要方面然而，塑料的广泛使用也带来了环境污染问题，推动了可降解塑料和塑料回收技术的发展橡胶材料与弹性应用天然橡胶（）合成橡胶NR天然橡胶是从橡胶树（）割取的胶乳经凝固、干合成橡胶是通过化学合成方法制得的具有橡胶弹性的高分子材料全Hevea brasiliensis燥等加工制得的弹性体材料主要成分是顺聚异戊二烯球年产量约万吨-1,4-1500特点主要品种优异的弹性和拉伸性能（拉伸强度可达以上）丁苯橡胶（）轮胎胎面主要材料•25MPa•SBR•较低的生热性和优良的疲劳抗性•丁腈橡胶（NBR）耐油性好，用于油封•耐磨性好，粘合性强•氯丁橡胶（CR）耐候性好，用于建筑密封•耐油性和耐候性较差•乙丙橡胶（EPDM）耐候性优异，用于汽车密封硅橡胶（）耐温范围宽（℃）•Si-R-60~250全球年产量约万吨，主要产地为东南亚泰国、印度尼西亚、1300氟橡胶（）耐化学品性、耐热性最佳马来西亚产量占全球以上•FKM70%轮胎是橡胶最大的应用领域，全球年产量约亿条一条普通轿车轮胎含橡胶约，其中天然橡胶占，合成橡胶占此外，橡胶还2010kg40%60%广泛用于传送带、胶管、密封件、减震件等工业产品和日用品中硫化是橡胶加工的核心工艺，通过在分子链间建立交联结构，使橡胶从塑性状态转变为弹性状态纤维与纺织材料天然纤维合成纤维棉纤维是最重要的天然纤维，年产量约聚酯纤维（PET）是最大宗的合成纤维，年2600万吨，占纤维总量的24%主要成分产量约5500万吨，占纤维总量的50%以上为纤维素（95%以上），具有吸湿性好、透具有强度高、耐磨、易洗快干等特点，广泛气性佳、穿着舒适等特点毛纤维包括羊毛、用于服装和家纺尼龙纤维（PA）强度和羊绒等，具有保暖性好、弹性好等特点，是耐磨性优异，主要用于运动服装、尼龙袜和高档服装面料的首选丝纤维强度高，光泽工业用途腈纶（PAN）质轻、保暖性好，美丽，手感柔软，但产量仅占纤维总量的常用于仿毛织物氨纶（PU）弹性优异，

0.2%左右伸长率可达500%以上，主要用于弹力面料高性能纤维芳纶（aramid）纤维强度是钢的5倍，热分解温度达500℃以上，主要用于防弹材料、高温过滤、防护服等碳纤维强度高、质量轻、耐腐蚀，广泛用于航空航天、体育器材等领域超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE）比强度是钢的15倍，主要用于防弹材料、缆绳等这些高性能纤维价格高，但在特殊领域不可替代纤维材料是高分子材料的重要分支，全球年产量约

1.1亿吨中国是世界最大的纤维生产国，产量占全球总量的70%以上纺织工业是纤维材料的主要应用领域，产业链长，就业人数多，在国民经济中占有重要地位未来纤维材料发展趋势是功能化、差别化和绿色化，如抗菌纤维、相变储能纤维、可降解纤维等工程塑料与特种高分子材料分类代表材料主要特点典型应用价格区间（元/kg）通用工程塑料聚酰胺（PA/尼龙）强度高，耐磨，自齿轮，轴承，汽车20-40润滑零件通用工程塑料聚碳酸酯（PC）透明，抗冲击，阻安全帽，光学镜片，25-45燃CD通用工程塑料聚甲醛（POM）刚性好，尺寸稳定精密齿轮，弹簧，22-35汽车组件特种工程塑料聚酰亚胺（PI）耐高温（长期使用航空零件，绝缘材800-1500260℃）料特种工程塑料聚醚醚酮（PEEK）耐化学品，自润滑半导体设备，医疗1200-1800植入物特种工程塑料聚砜（PSF）透明，耐热水解医疗器械，膜分离80-120工程塑料是能承受一定机械负荷和外界环境影响的结构型塑料，具有优异的综合力学性能和加工性能全球工程塑料市场规模约2000万吨，年增长率6-8%特种工程塑料虽然价格昂贵，但在航空航天、电子电气、医疗器械等高端领域有不可替代的作用随着科技发展，工程塑料朝着高性能化、功能化方向发展，如纳米复合、导电、自修复等特性不断涌现特别是在汽车轻量化、电子元器件小型化等领域，高性能工程塑料替代金属的趋势越来越明显高分子材料环境影响亿吨

3.8全球年塑料产量相当于全人类体重总和的一半9%全球塑料回收率大部分塑料被填埋或进入环境年400塑料降解时间普通塑料在自然环境中的分解周期万吨1500年入海塑料量相当于每分钟倾倒一辆垃圾车塑料污染已成为全球性环境问题海洋中累积的塑料垃圾形成了太平洋垃圾带，面积约为160万平方公里微塑料（直径小于5mm的塑料颗粒）已在海洋生物、饮用水甚至人体内被检测到，其潜在健康风险引起广泛关注为应对塑料污染，生物可降解材料快速发展聚乳酸（PLA）、聚羟基烷酸酯（PHA）、淀粉基塑料等可在特定条件下降解为水和二氧化碳中国已禁止部分一次性塑料制品，并计划到2025年使可降解塑料产能达到200万吨塑料循环利用技术也在进步，包括机械回收和化学回收（热解、溶剂法等），目标是建立塑料的闭环经济体系材料的结构层次原子结构（）

0.1-

0.5nm原子排列和键合方式决定基本性质分子晶胞结构（）/

0.5-10nm分子构型或晶胞排列影响物理性能晶粒相结构（）/1-100μm晶粒大小、形状和相分布影响力学性能微观组织（）10-1000μm缺陷分布、第二相、孔隙等决定宏观性能宏观结构（）mm-m几何形状、尺寸影响最终使用性能材料科学的核心是理解和控制材料在不同尺度的结构，以调控其性能原子尺度的键合类型（离子键、共价键、金属键、范德华力等）决定了材料的本质特性；纳米尺度的结构对材料的光学、电学、磁学性能有显著影响；微米尺度的组织结构主导材料的力学性能现代材料表征技术使我们能够观察和分析不同尺度的结构X射线衍射（XRD）用于分析晶体结构；透射电子显微镜（TEM）可观察纳米尺度的材料形貌；扫描电子显微镜（SEM）适合微米尺度的表面形貌观察；光学显微镜用于观察微观组织多尺度研究方法是材料科学研究的重要特点材料的物理性能材料的化学性能耐腐蚀性耐酸碱性•金属腐蚀常见形式均匀腐蚀、点蚀、晶间腐蚀、•陶瓷材料如氧化铝、氧化锆对大多数酸碱具有优应力腐蚀开裂异的耐蚀性•不锈钢中Cr含量≥12%形成钝化膜，提高耐腐蚀性•玻璃除HF外对大多数酸有良好的耐蚀性，但碱性介质会腐蚀玻璃•铝在空气中自发形成氧化膜，具有良好耐大气腐蚀性•塑料如PTFE、PVC对几乎所有化学品具有优异的耐蚀性•高分子材料不发生电化学腐蚀，但可能发生溶胀、溶解、降解•橡胶中EPDM耐碱性好，FKM耐多种化学品环境适应性•紫外线对大多数高分子材料造成光降解，引起黄变、开裂•氧化会使金属表面失效，油脂变质，橡胶硬化龟裂•生物环境下材料可能受到微生物侵蚀，如木材霉变、混凝土藻类滋生•温湿度循环可能导致材料内部应力积累和性能衰减材料的化学性能是指材料在与各种化学介质接触时所表现出的特性和行为，主要包括耐腐蚀性、耐酸碱性、耐氧化性等不同材料的化学性能差异巨大，如黄金在自然环境中几乎不发生化学反应，而普通钢铁在潮湿环境中很快锈蚀在实际应用中，材料的化学性能往往是使用寿命的决定性因素据统计，工业设备80%以上的失效与材料的化学损伤有关因此，正确评估使用环境的化学特性并选择适当的材料至关重要此外，表面处理、防护涂层、阴极保护等技术可以有效提高材料的环境适应性功能材料简介导电材料磁性材料光学材料除传统金属导体外，新型导永磁材料如钕铁硼光电材料如GaN基LED内量电材料包括导电高分子（Nd₂Fe₁₄B）最大磁能子效率达90%以上；光纤通（聚苯胺、PEDOT:PSS）积达56MGOe，是铁氧体的信用石英玻璃纯度达电导率可达10³-10⁴S/m；碳10倍；软磁材料如纳米晶

99.9999%，传输损耗仅

0.2纳米管薄膜可制备透明电极，Fe-Si-B合金在高频下损耗极dB/km；液晶材料响应时间用于柔性显示；石墨烯电导低；磁记录材料存储密度已小于5ms；光敏玻璃在特定率高达10⁶S/m，是铜的10达到1Tb/in²以上；磁流变液光照条件下可选择性结晶；倍以上；印刷电子用导电油在磁场作用下粘度可变化光子晶体可实现光的精确操墨市场规模超过20亿美元100倍，用于智能减震系统控热电材料热电材料可直接实现热能与电能转换Bi₂Te₃基材料ZT值达

1.5以上；纳米结构热电材料有效提高转换效率；柔性热电材料可收集人体热能；相变材料如石蜡在融化时可存储潜热200-250J/g，用于建筑节能功能材料是利用其物理、化学性能为主要目的的材料，与以机械性能为主的结构材料相对随着科技发展，功能材料在电子信息、能源、医疗等领域发挥着越来越重要的作用多功能材料将多种功能集成，如压电-磁电复合材料、光-电-磁多功能薄膜等，是材料领域的前沿方向材料性能的检测技术材料表征与测试是材料科学研究的重要手段X射线衍射（XRD）是研究晶体结构的基本工具，可确定物相组成和晶格参数；电子显微镜包括扫描电子显微镜（SEM，分辨率约5nm）和透射电子显微镜（TEM，分辨率可达

0.1nm），能直接观察材料的微观结构和形貌；力学测试包括拉伸、压缩、弯曲、硬度、疲劳和断裂韧性测试等，是评价材料力学性能的标准方法热分析技术如差示扫描量热法（DSC）、热重分析（TGA）用于研究材料的热性能和相变；光谱分析如红外光谱（FTIR）、紫外-可见光谱（UV-Vis）、X射线光电子能谱（XPS）用于分析材料的化学组成和结构；电学性能测试如电导率、介电常数、霍尔效应测试用于评价材料的电学特性先进的表征技术是材料科学研究的基础，也是材料创新的重要工具材料失效与寿命疲劳失效蠕变失效材料老化疲劳是材料在循环载荷作用下逐渐损伤直至断蠕变是材料在恒定载荷和高温条件下随时间发老化是材料在环境因素作用下性能随时间退化裂的过程，是最常见的失效形式，约占机械失生的永久变形，主要发生在高温工作的部件中的过程，特别显著的是高分子材料效的80%主要老化形式特点蠕变三阶段•热老化高温导致交联或链断裂•应力水平低于材料静态强度•瞬时变形和一次蠕变•光老化紫外线引起化学键断裂•断口有明显的贝壳纹•稳态蠕变（速率恒定）•氧化老化氧气导致材料氧化•无明显宏观塑性变形•加速蠕变直至断裂•臭氧老化臭氧攻击不饱和键影响因素应力幅值、平均应力、频率、环境、影响因素温度、应力、材料微观结构案例橡胶管线在高温油环境中2年后硬化开裂表面质量等案例汽轮机高温部件长期服役后的尺寸变形案例1954年英国彗星客机空中解体事故，和断裂机身因舱压循环导致疲劳裂纹扩展材料寿命预测是可靠性设计的核心问题基于失效机理的寿命预测模型包括Paris公式用于疲劳裂纹扩展寿命计算；Larson-Miller参数法用于高温蠕变寿命估算；Arrhenius方程用于化学老化过程加速测试通过加速老化实验和数据外推，可以在合理时间内评估材料的长期使用性能材料加工技术概述铸造技术将熔融金属浇注到模具中，冷却后获得接近最终形状的零件常见工艺包括砂型铸造（适合大型零件，表面粗糙度Ra

12.5-25μm）、压力铸造（高效率，尺寸精度±

0.1mm）、精密铸造（又称失蜡铸造，可获得复杂形状，表面粗糙度Ra

1.6-

3.2μm）、连续铸造（用于生产金属坯料，效率高）等铸件占金属制品总量的约30%塑性加工利用金属塑性变形获得所需形状和性能的加工方法主要工艺有锻造（通过锤击或压制改变金属形状，提高力学性能）、轧制（通过轧辊对金属坯料压延，生产板材、型材等，年产量最大的加工方法）、挤压（使金属通过模具获得各种截面形状）、拉拔（用于生产金属丝、管等细长产品）等焊接与连接将分离的部件连接成整体的技术熔焊包括电弧焊（最常用，连接效率高）、气焊（设备简单）、激光焊（精度高，热影响区小）、电子束焊（真空环境，适合活泼金属）；压焊包括摩擦焊、爆炸焊、超声波焊等；钎焊使用低熔点填充材料连接，不熔化母材；机械连接如螺纹、铆接等适用于需拆卸的场合打印技术3D增材制造技术通过逐层堆积材料制造三维物体金属3D打印主要有选择性激光熔融（SLM）和电子束熔融（EBM）等；高分子3D打印包括熔融沉积成型（FDM，最普及）、光固化（SLA，精度高）、选择性激光烧结（SLS，性能好）等3D打印特别适合复杂结构和小批量定制化生产，全球市场规模超过120亿美元合理选择加工工艺对材料性能有决定性影响同一成分的材料，采用不同加工方法可获得差异显著的性能例如，铝合金锻件的强度通常比铸件高20-30%；热轧钢和冷轧钢的强度和塑性差异明显；焊接区域容易成为性能薄弱点先进制造技术如精密成形、近净成形正逐步减少材料浪费和后续加工需求先进制造与材料创新金属增材制造选择性激光熔融（SLM）技术可直接从金属粉末制造复杂结构零件，减少90%以上的材料浪费航空发动机燃料喷嘴通过增材制造将25个零件整合为1个，重量减轻25%，成本降低30%钛合金、高温合金、铝合金是应用最广泛的金属3D打印材料粉末粒度分布、激光参数和扫描策略对零件质量有决定性影响复合材料自动化制造自动铺带技术（AFP）可精确控制碳纤维预浸料的铺放角度和位置，生产效率比手工铺层提高10倍以上树脂传递模塑（RTM）实现了复合材料零件的高效批量生产，周期从数小时缩短至数十分钟波音787客机机身使用自动化生产的复合材料构件，占飞机结构重量的50%，显著提高了燃油效率数字化工厂数字孪生技术实现材料从原料到产品全生命周期的跟踪和模拟，可预测材料性能演变人工智能算法用于优化材料配方和加工参数，减少试错成本90%以上工业物联网技术使材料生产设备实现自诊断和预测性维护，平均故障间隔时间提高40%大数据分析帮助发现材料加工和性能之间的隐藏关系，加速新材料开发智能制造与材料创新相互促进，共同推动工业升级自适应加工系统能根据材料性能实时调整工艺参数，确保产品质量一致性；梯度功能材料通过精确控制成分和结构分布，实现性能空间分布最优化；生物启发制造借鉴自然界结构，创造出轻量高强的新型材料结构材料的服役环境与可靠性航空航天环境高速铁路环境飞机机身要承受-60°C至+80°C的温度循环、高铁车轮在350km/h速度下反复承受制动热冲高达

2.5g的过载和低气压环境航空发动机涡击，表面温度可达500°C以上，同时承受高达轮叶片在1100°C高温下旋转，线速度高达1500MPa的接触应力受电弓碳滑板在复杂气400m/s，要求材料具有优异的高温蠕变抗力和流和结冰条件下与接触网保持稳定接触，要求热疲劳性能航天器外表面遭受原子氧侵蚀、材料导电性能稳定且耐磨损高速轴承滚动接紫外辐射和微流星体撞击，温度在+150°C到-触疲劳寿命要求达到1200万公里以上防火材150°C之间剧烈变化，对材料的稳定性要求极料必须在30分钟内承受850°C的火灾而不破坏高或释放有毒气体深海工程环境深海结构在高达100MPa的水压下工作，相当于1000个大气压海水环境中的氯离子导致钢材腐蚀加速，每年腐蚀速率可达

0.1-

0.3mm海洋平台经受海浪、风暴的长期反复作用，结构疲劳成为主要失效模式深海环境温度低（约4°C），许多密封材料弹性下降，容易泄漏海洋生物附着会增加阻力并加速腐蚀，要求材料具有防污性能极端环境下材料可靠性评估必须考虑多因素耦合效应例如，核电站压力容器长期受中子辐照导致脆化，同时承受热应力和高压，安全评估需综合考虑这些因素高可靠性材料通常采用多重屏障设计理念，即使部分功能失效，仍能保证整体安全材料服役性能评估方法包括加速老化试验，在强化条件下模拟长期使用效果；实时监测技术，如声发射、电导率监测等，及时发现材料损伤；概率统计模型，评估材料失效的风险概率；数字孪生技术，实现材料全生命周期行为的虚拟仿真与预测材料循环与可持续发展环保设计绿色生产从源头考虑材料的全生命周期环境影响，选择低采用清洁生产工艺，减少能耗和废弃物排放毒、可回收的材料资源再生回收利用通过物理或化学方法将废弃材料转化为新材料或废弃材料的分类回收和二次利用，减少原材料需能源求材料循环利用是实现可持续发展的关键金属材料回收率较高，铝的回收再利用可节省95%的能源；钢的回收率在发达国家达到85%以上，回收1吨钢可节约

1.5吨铁矿石和

0.65吨煤玻璃回收再熔化可节省25%能源；纸张回收可减少森林砍伐和污染但塑料回收仍面临分类困难、降解质量等问题，全球回收率仅9%左右循环经济模式正在改变传统的生产-使用-丢弃线性经济碳足迹和生命周期评价成为材料选择的重要依据；共享经济延长产品使用寿命；产品服务化将物质消费转变为服务消费城市矿山（从废弃电子产品中回收贵金属）已成为重要的资源来源，中国每年从废弃电子产品中回收的金属价值超过500亿元新材料前沿纳米材料:纳米颗粒粒径在1-100nm范围内的颗粒，比表面积极大（可达数百m²/g）纳米二氧化钛在防晒霜中可有效阻挡紫外线同时保持透明；纳米银因其强大的抗菌性能（对400多种病菌有效）广泛用于医疗和抗菌产品；纳米铁粉用于地下水污染修复，比表面积可达35m²/g，反应活性是普通铁粉的1000倍一维纳米材料碳纳米管是最具代表性的一维纳米材料，直径约1-100nm，长度可达毫米级，抗拉强度高达63GPa（是钢的100倍），电导率可达10⁶S/m单壁碳纳米管可表现为金属性或半导体性，用于高性能复合材料、电子器件和传感器纳米纤维和纳米线在能源存储、催化剂和光电器件中有广泛应用二维纳米材料石墨烯是单层碳原子组成的二维材料，厚度仅

0.34nm，室温下电子迁移率可达20万cm²/V·s（是硅的140倍），导热系数高达5000W/m·K（是铜的10倍以上）除石墨烯外，过渡金属二硫化物（MoS₂、WS₂等）、氮化硼、黑磷等二维材料在电子、光电、能源等领域有重要应用量子点直径通常在2-10nm的半导体纳米晶体，由于量子限域效应，能带结构可通过尺寸调控CdSe、CdTe、PbS等量子点用于高色彩饱和度显示器，量子效率可达98%；量子点太阳能电池理论效率可达44%（远高于硅太阳能电池）；碳量子点因其低毒性和荧光特性，在生物成像和传感领域有独特优势纳米材料展现出与常规材料显著不同的性能，这主要源于量子尺寸效应、表面效应和小尺寸效应纳米材料合成方法包括自上而下法（如机械研磨、激光烧蚀）和自下而上法（如化学气相沉积、溶胶-凝胶法）纳米材料已进入商业化应用阶段，全球市场规模超过500亿美元，年增长率约15%复合材料简介复合材料类增强相基体相密度g/cm³比强度主要应用型MPa·cm³/g碳纤维/环氧碳纤维环氧树脂

1.61000航空航天、运动器材玻璃纤维/不玻璃纤维不饱和聚酯

1.8350船舶、汽车、饱和聚酯建筑芳纶纤维/环芳纶纤维环氧树脂

1.4900防弹产品、氧航空碳化硅/铝碳化硅颗粒铝合金

2.9310电子封装、散热器钢筋混凝土钢筋混凝土

2.540建筑、桥梁复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料复合而成的新材料，通常包括增强相和基体相通过合理设计两相的性质和结构，可获得优于单一材料的综合性能碳纤维增强环氧树脂复合材料是应用最广泛的先进复合材料，其比强度是钢的5倍以上，已在航空航天领域广泛应用复合材料的减重效果显著，波音787客机机身50%以上采用复合材料，减重20%，降低燃油消耗25%；风力发电叶片长度从20世纪80年代的10米发展到现在的100米以上，主要归功于复合材料的应用未来复合材料发展趋势包括降低成本以拓展应用领域；改进回收技术以满足环保要求；开发智能复合材料，集成传感和自修复功能智能材料与自修复材料形状记忆材料•形状记忆合金（SMA）如镍钛合金，变形后加热可恢复原形•回复力可达700MPa，应变可达8%•应用于航空舵机、医疗支架、智能眼镜架•全球市场规模超过100亿元，年增长率15%压电智能材料•PZT陶瓷在电场作用下产生形变，反之亦然•电-机械转换效率可达75%•用于精密定位、超声波传感器、能量收集•薄膜压电器件厚度可小至几微米自修复材料•内含微胶囊型断裂释放修复剂•微血管网络型持续供应修复物质•本征自修复型材料本身具有修复能力•可修复裂纹宽度达200μm其他智能材料•电致变色材料通电改变透光率（5%-80%）•磁流变液磁场下粘度可变化100倍•光致变色材料紫外线下颜色变深•相变材料在特定温度吸收/释放热量智能材料是能够感知外界环境变化并做出相应响应的新型功能材料温控玻璃通过改变透光率调节室内温度，可降低建筑能耗30%；形状记忆聚合物在医疗领域用于可降解缝合线和可展开支架；压电材料在微机电系统和能量收集装置中发挥关键作用自修复材料是智能材料的重要分支，能够自动修复损伤，延长使用寿命自修复沥青路面可延长使用寿命30-40%；自修复混凝土通过细菌钙化作用填补裂缝；自修复涂层可防止金属腐蚀，年经济效益超过100亿美元当前研究热点是提高自修复效率、扩大应用温度范围和实现多次修复能力生物材料与医学应用人工关节钛合金（Ti-6Al-4V）是人工关节的主要材料，弹性模量（110GPa）接近骨骼，生物相容性优异氧化锆或氧化铝陶瓷用于关节球头，摩擦系数低（

0.002-

0.06），磨损率比金属低10倍超高分子量聚乙烯（UHMWPE）作为关节臼，具有优异的耐磨性，但使用15-20年后可能需要更换全球每年进行超过200万例人工关节置换手术心血管植入材料冠状动脉支架从最初的316L不锈钢发展到钴铬合金，壁厚从150μm减小到65μm，提高了血流通畅性药物洗脱支架表面涂覆聚合物控释药物，可将再狭窄率从30%降至5%以下新一代可降解支架使用聚乳酸或镁合金，在完成支撑功能后（6-12个月）逐渐降解，避免长期异物植入的风险每年全球约有300万患者接受冠脉支架植入口腔修复材料牙科植入体主要使用纯钛或Ti-6Al-4V合金，表面经过喷砂酸蚀处理形成微纳米粗糙结构，促进骨整合，成功率达98%二氧化锆全瓷冠因其美观性和生物相容性正逐渐取代金属烤瓷冠，强度达900-1200MPa，可承受600N以上的咀嚼力CAD/CAM技术和3D打印使个性化口腔修复成为可能，减少了临床就诊次数，提高了精度生物材料是设计用于与生物系统接触并评估、治疗、增强或替代人体组织、器官或功能的材料按材料来源可分为自体（来自患者本人）、同种异体（来自同种其他个体）、异种（来自不同物种）和人工合成材料按照与生物体的相互作用可分为生物惰性、生物活性和可降解材料组织工程是生物材料研究的前沿领域，通过将支架材料、细胞和生长因子相结合，构建功能性组织3D打印技术使复杂结构的个性化支架制备成为可能；纳米材料和表面改性技术可精确调控细胞行为；生物活性因子控释系统可指导组织再生这些技术进步为重建功能性器官、治疗目前难以治愈的疾病提供了新思路能源材料创新锂离子电池材料太阳能电池材料锂离子电池作为最主要的可充电电池，其关键材料包括太阳能电池技术路线多样，各有优势•正极材料LiCoO₂能量密度高（140mAh/g）但钴资源有限；•晶硅电池市场份额95%以上，实验室效率达

26.7%，商业组件效率22-LiFePO₄安全性好，循环寿命长（2000次）；高镍三元材料24%（NCM811）能量密度可达220mAh/g•薄膜电池CdTe、CIGS材料用量少，可制成柔性电池，但效率较低•负极材料石墨是主流负极，理论容量372mAh/g；硅基负极理论容量高（15-18%）达4200mAh/g，但体积膨胀高达300%•钙钛矿电池效率从2009年的

3.8%迅速提高到2023年的

25.7%，但稳定•电解质有机液态电解质导电率高，但易燃；固态电解质安全性好，是性待提高未来发展方向•叠层电池晶硅/钙钛矿叠层效率已达

33.7%，接近单结电池理论极限氢能源材料是未来能源体系的重要组成部分质子交换膜燃料电池（PEMFC）使用铂基催化剂，但铂用量已从早期的4-8mg/cm²降至

0.1-

0.3mg/cm²；固态氧化物燃料电池（SOFC）工作温度从1000℃降至600-700℃，使用寿命超过40000小时电解水制氢效率从60%提高到80%以上，新型催化剂如NiFe层状双氢氧化物可替代部分贵金属催化剂储能材料是能源转型的关键钠离子电池成本低于锂离子电池30-40%，适合大规模储能；流体电池可实现能量与功率独立设计，单个系统规模可达100MW级；超级电容器功率密度高达10kW/kg，充放电循环可达100万次能源材料的持续创新，为可再生能源大规模应用和能源系统转型提供了坚实的物质基础电子信息材料集成电路材料5nm工艺节点晶体管密度达

1.7亿个/mm²显示与光电材料OLED像素响应时间小于10微秒电子封装材料支持5G信号传输的低损耗材料数据存储材料相变材料存储速度达纳秒级半导体材料是电子信息产业的基础，硅仍是主流材料，但新型半导体不断涌现碳化硅（SiC）禁带宽度（

3.2eV）是硅（

1.1eV）的3倍，击穿场强是硅的10倍，在高压高温应用中优势明显；氮化镓（GaN）迁移率高达2000cm²/Vs，适合高频高功率器件；石墨烯电子迁移率高达200,000cm²/Vs，是硅的140倍，但带隙为零限制了其在逻辑器件中的应用随着5G/6G、人工智能等技术发展，对材料提出更高要求高频通信基板材料介电损耗极低（tanδ

0.001）；新型存储器如MRAM、PCRAM用于突破冯·诺依曼架构的瓶颈；柔性电子材料使可穿戴设备成为现实；量子点材料将显示色域提升到传统LCD的

1.5倍电子信息材料的创新是推动数字经济发展的关键驱动力材料科学中的前沿难题高温超导体低碳高强材料自1986年发现铜氧化物高温超导体以来，室温超钢铁工业是碳排放大户，占全球人为CO₂排放导一直是物理学和材料学的圣杯目前无压力条的约8%开发低碳高强钢意义重大，但面临强件下最高超导转变温度为165K度与韧性的矛盾传统上，钢的强度每提高（HgBa₂Ca₂Cu₃O₈+δ），距离室温仍有差100MPa，韧性和延展性会下降15-20%纳米晶距超导机理尚未完全阐明，特别是高温超导体与相变强化相结合的第三代先进高强钢展现出突的电子配对机制存在争议超导材料的另一挑战破这一瓶颈的潜力，强度可达

1.5GPa同时保持是提高临界电流密度，目前最高可达10⁶A/cm²，15%以上的延伸率然而，批量稳定生产纳米尺但工程应用中的接头和弱连接问题限制了大尺寸度组织和控制偏析仍是工业化难题应用能源存储瓶颈锂离子电池能量密度提升遇到瓶颈，当前商业电池能量密度约250-300Wh/kg，理论极限约为700Wh/kg固态电池被视为突破口，但离子电导率低（10⁻⁴-10⁻⁵S/cm，低于液态电解质的10⁻²S/cm）和界面接触问题限制了性能锂金属负极理论容量高（3860mAh/g），但枝晶生长导致安全隐患新型电池体系如锂硫电池理论能量密度高达2600Wh/kg，但多硫化锂穿梭效应导致循环寿命短生物材料与生命系统的深度融合是另一前沿挑战材料表面的免疫调控能力直接影响植入物长期存留；具有多级结构的生物矿化过程难以在实验室精确模拟；器官芯片所需的微环境控制精度要达到细胞尺度这些问题需要材料学、生物学、工程学等多学科交叉才能解决材料计算模拟虽然取得长足进步，但多尺度建模仍面临挑战从第一原理计算到宏观性能预测存在尺度跨越困难；人工智能材料设计受限于高质量数据集不足；材料服役中的退化行为预测需考虑极其复杂的环境因素这些科学问题的突破将引领下一代材料革命，对经济社会发展产生深远影响未来材料科学前景展望复习与考点梳理基础概念重点•材料四要素模型（成分-结构-加工-性能）及其相互关系•主要材料类别（金属、陶瓷、高分子、复合材料）的特点对比•各类材料的典型代表、性能特点和主要应用•材料的结构层次及其对性能的影响机制性能测试重点•力学性能测试原理及指标解释（强度、硬度、韧性、模量）•材料表征技术的适用范围（XRD、SEM、TEM等）•材料失效机制（疲劳、蠕变、腐蚀）及防护原理•材料服役环境与性能退化关系应用案例重点•航空航天材料、汽车轻量化材料的选择依据•能源材料（电池、太阳能电池）的工作原理•电子信息材料的发展趋势与技术瓶颈•生物医用材料的生物相容性要求前沿知识重点•纳米材料与纳米技术的基本概念•增材制造（3D打印）的材料要求•智能材料与自修复材料的工作机制•材料计算与人工智能设计方法易错点提示材料性能数据需结合使用环境理解，不可孤立看待；材料分类系统有多种，注意区分分类标准；材料性能与结构的关系是多尺度的，不同尺度的结构对不同性能有决定性影响；新材料技术往往需要跨学科知识，注意从多角度思考结语与提问交流创新思维深入交流实践应用材料科学是一门融合多学科知识的综合性学科，需要打学习材料科学不仅需要掌握基础知识，更需要通过交流理论联系实际是材料科学学习的重要环节鼓励大家关破传统思维局限，从不同角度思考问题许多重大材料碰撞出新的火花欢迎同学们就课程内容提出疑问，分注身边的材料应用案例，思考不同材料为何被选用于特突破来自跨学科视角，如生物材料借鉴自然界的设计原享自己的见解可以围绕材料性能与应用、材料发展前定场合通过参观实验室、企业实习等方式，了解材料理，半导体材料结合物理理论和化学工艺创新思维是景、材料与可持续发展等主题展开讨论通过相互启发，从实验室到工业化的全过程实践中的问题往往最能激成为优秀材料科学家的关键素质，鼓励大家关注学科前加深对材料科学的理解，培养分析问题和解决问题的能发学习兴趣和创新思维，也是检验知识掌握程度的最佳沿，敢于提出新观点力方式本课程通过系统介绍材料科学的基础知识、主要材料种类、性能测试方法以及前沿发展方向，希望能帮助大家建立完整的材料科学知识体系，培养材料分析和应用能力材料科学是一门不断发展的学科，今天的前沿可能成为明天的常识，持续学习的能力比掌握特定知识更为重要衷心希望本课程能够激发大家对材料科学的兴趣和热情，为未来的学习和工作打下坚实基础材料科学与我们的日常生活紧密相连，也是支撑国家创新发展的关键领域期待大家在材料科学的广阔天地中有所建树，为材料科学的发展和应用贡献自己的力量！。