《材料科学基础知识课件》教案

材料科学基础知识欢迎来到北京大学材料科学与工程学院开设的《材料科学基础知识》课程本课程旨在帮助您全面了解材料科学的基本原理、材料分类及其应用，为您今后的专业学习打下坚实基础本课程将由材料科学系专业教师团队授课，结合理论教学与实验实践，帮助您深入理解材料科学的核心概念及其在现代工程领域的重要应用2025年春季学期，我们期待与您共同探索材料科学的奥秘！课程概述教学目标课程安排通过本课程的学习，学生将全每周两次理论课（周

二、周四面掌握材料科学的基本理论与上午8:00-9:50），每两周一概念，能够识别和理解不同类次实验课（周五下午13:30-型材料的结构与性能关系，培17:30）总计16周教学时养材料选择和应用的基本能间，包含14周理论教学和7次力实验教材与评分主教材《材料科学基础》，辅以国内外经典参考书目成绩评定平时作业20%、实验报告20%、期中考试20%和期末考试40%什么是材料科学？材料科学是研究材料的成分、结构、性能及其相互关系的学科，它结合了物理学、化学、生物学和工程学的原理，致力于理解现有材料并开发新型材料材料科学的发展历程可追溯至远古时代，从石器时代、青铜时代到铁器时代，人类文明的进步始终与材料科学的发展息息相关现代材料科学则起源于19世纪末，随着现代化学和物理学的发展而迅速发展在当今世界，材料科学已成为推动技术革新的关键学科从航空航天、电子信息到生物医药，几乎所有高科技领域的突破都依赖于材料科学的创新材料科学的跨学科特性使其成为连接基础科学与工程应用的重要桥梁材料科学的基本概念材料性能材料在特定条件下表现出的行为和特性材料结构从原子到宏观尺度的组织排列材料成分构成材料的化学元素及其比例材料科学研究的核心是理解材料的成分、结构与性能三者之间的关系原子结构与化学键决定了材料的微观结构，微观结构则直接影响材料的宏观性能材料科学家通过调控材料的成分和结构，设计出具有预期性能的材料材料可按不同标准分类，常见的分类方法包括按化学成分（金属、陶瓷、聚合物等）、按结构特征（晶体、非晶态等）以及按功能特性（导电、绝缘、磁性等）进行分类对材料性能的测量是材料科学研究的基础工作，包括力学性能、物理性能、化学性能等多方面的测试与表征材料的分类陶瓷材料金属材料主要由非金属元素组成，通常具有高硬度、具有金属键结合，导电导热性好，多具有延高脆性，耐高温，如氧化铝、碳化硅等展性，如钢铁、铝、铜等聚合物材料由长链分子组成，质轻、柔性好，如聚乙烯、尼龙、橡胶等半导体材料复合材料导电性介于导体与绝缘体之间，如硅、锗、砷化镓等由两种或多种不同物质组合而成，如玻璃钢、碳纤维复合材料等材料的分类方法多种多样，上述分类是基于材料成分和结构特征的主要分类法每类材料都有其独特的性能特点和应用领域，也存在许多交叉和复合类型随着材料科学的发展，新型材料不断涌现，分类体系也在不断完善和扩展原子结构基础原子模型元素周期表原子间作用现代原子模型将原子描述为由带正电的原元素周期表按原子序数排列元素，反映了原子之间存在着复杂的相互作用，这些相子核和围绕其运动的电子云组成原子核元素性质的周期性变化同族元素具有相互作用决定了材料的化学键类型和结构特包含质子和中子，而电子则按照量子力学似的化学性质，这对于理解材料的化学成征原子半径和离子半径是描述原子尺寸规律分布在不同能级的轨道上分和性能关系至关重要的重要参数，直接影响材料的密度和堆积方式化学键类型键类型形成机制特性典型材料离子键电子完全转移强度大，方向性弱，NaCl离子性达89%氧化物、盐类共价键电子共享强度大，方向性强，C-C键能为金刚石、硅348kJ/mol金属键自由电子的共享非定向性，自由电子密度约10²²/cm³各种金属次级键分子间弱相互作用强度弱，氢键强度约20kJ/mol聚合物、水范德华力瞬时偶极矩作用极弱，作用距离为

0.3-

0.5nm石墨、层状材料化学键是原子之间形成稳定联系的方式，决定了材料的基本特性不同类型的化学键赋予材料不同的物理和化学性质，如熔点、硬度、导电性等在实际材料中，常常同时存在多种类型的化学键，它们的共同作用决定了材料的综合性能晶体结构基础点阵与单元格晶体结构由规则排列的点阵组成，最小重复单元称为单元格点阵点代表原子、离子或分子的平衡位置布拉维点阵布拉维点阵是描述晶体空间点阵的14种基本类型，包括简单立方、体心立方、面心立方等基本类型晶格参数描述单元格的几何特征，包括三边长度a、b、c和三个夹角α、β、γ通过X射线衍射等方法可以精确测量晶态与非晶态晶态材料具有长程有序结构，而非晶态材料仅有短程有序单晶是整个材料具有一致取向的晶体，多晶由许多取向不同的晶粒组成金属晶体结构体心立方结构面心立方结构密排六方结构BCC FCCHCP在立方体的八个顶点和体心各有一个原在立方体的八个顶点和六个面中心各有一由两个六方形底面和三个菱形侧面组成，子，配位数为8，空间填充率为68%典型个原子，配位数为12，空间填充率达配位数为12，空间填充率也为74%典型金属有铁α、钨、铬、钼等BCC结构的74%典型金属有铜、铝、镍、铅、银、金属有镁、钛、锌、钴等HCP结构的金金属通常硬度较高，塑性较差，但具有良金等FCC结构的金属通常具有良好的延属通常具有各向异性，塑性介于BCC和好的强度展性和韧性FCC之间晶面与晶向米勒指数米勒指数是描述晶体中晶面和晶向的标准表示法晶面的米勒指数hkl是晶面截距倒数的最小整数比，而晶向[uvw]则直接使用截距的最小整数比例如，111面表示与三个轴的截距相等的面米勒指数不仅提供了晶面和晶向的几何描述，还与材料的物理性质密切相关例如，在体心立方结构中，

[111]方向通常是最密排方向，而在面心立方结构中，{111}面是最密排面晶面族和晶向族用花括号{hkl}和尖括号〈uvw〉表示，包含所有由对称操作产生的等效晶面或晶向晶面间距d可通过晶格参数和米勒指数计算，这在X射线衍射分析中非常重要材料的许多物理性质，如弹性模量、热膨胀系数、电导率等，在不同晶向上可能有显著差异，这称为各向异性理解晶面和晶向的性质差异，对材料的加工和应用具有重要指导意义晶体缺陷点缺陷线缺陷•空位晶格点上缺少原子•刃位错额外半原子面的边缘•间隙原子原子位于正常晶格点之外•螺位错螺旋状原子排列•替代型杂质其他元素原子替代正常原子•混合位错同时具有刃位错和螺位错特征•间隙型杂质杂质原子处于间隙位置•位错密度通常为10^6-10^12/cm²面缺陷体缺陷•晶界相邻晶粒的接触界面•孔洞三维空隙•孪晶界镜像对称的两部分晶体的界面•裂纹内部断裂•堆垛层错晶体堆垛顺序的局部改变•夹杂异质颗粒•相界不同相之间的界面•析出相第二相颗粒晶体缺陷是晶体结构中的不完整或不规则部分，显著影响材料的物理和机械性能实际材料中总是存在各种缺陷，它们既可能有害（如引起应力集中），也可能有益（如强化材料）通过控制缺陷的类型和数量，可以调控材料的性能以满足特定需求位错与材料强度位错类型1刃位错、螺位错和混合位错位错移动滑移系统和攀移机制位错强化通过阻碍位错移动增加强度位错是晶体中最重要的线缺陷，对材料的力学性能有决定性影响位错密度（单位体积内位错线的总长度）可从10^6/cm²（退火状态）到10^12/cm²（严重塑性变形）不等位错的存在使得金属的实际强度远低于理论强度，但同时也是金属塑性变形的基础位错在应力作用下可通过滑移或攀移方式移动滑移是位错沿着特定晶面（滑移面）上的特定方向（滑移方向）移动的过程，是塑性变形的主要机制位错强化是通过各种方法阻碍位错移动来提高材料强度的重要手段，包括固溶强化、析出强化、细晶强化和形变强化等扩散现象1扩散基本概念原子在材料中从高浓度区域向低浓度区域的迁移现象，是热激活过程，受温度影响显著菲克定律第一定律描述稳态扩散J=-D∂C/∂x，表示扩散通量与浓度梯度成正比；第二定律描述非稳态扩散∂C/∂t=D∂²C/∂x²，描述浓度随时间的变化扩散系数D=D₀exp-Q/RT，其中D₀为频率因子，Q为扩散激活能，R为气体常数，T为绝对温度扩散系数随温度升高而迅速增大扩散机制空位扩散原子跳入相邻空位；间隙扩散间隙原子在间隙位置间移动在不同晶体结构和不同材料中，扩散机制和扩散速率有很大差异相图基础热力学平衡相的概念相图描述在平衡条件下，材料系统中各相的相是物质系统中物理性质和化学成分均匀的组成和相对量部分相图类型吉布斯相律单组元相图、二元相图（共晶、包晶、偏F=C-P+2，其中F为自由度，C为组元数，P晶）、三元相图等为相数相图是材料科学中的重要工具，用于预测和解释材料在不同温度、压力和成分条件下的相结构和转变单组元相图描述纯物质在不同温度和压力下的相变，如水的相图包含固、液、气三相区域二元相图描述由两种组元组成的系统的平衡状态，常见类型包括完全互溶型、共晶型、包晶型和偏晶型等相图可通过热分析、X射线衍射、金相分析等方法实验测定理解和应用相图是材料加工处理和性能控制的基础铁碳相图关键温度点关键成分点A₁=727°C（共析转变温共析点（

0.77%C），共晶点度），A₃（奥氏体转变为铁（

4.3%C）按碳含量分为亚素体的温度曲线），Acm共析钢（C

0.77%）、共析钢（奥氏体转变为渗碳体的温度（C=

0.77%）和过共析钢曲线），A₄=1394°C（δ铁（

0.77%与铁转变温度）γ主要相与组织α铁（铁素体，最大溶碳量

0.022%），γ铁（奥氏体，最大溶碳量

2.11%），Fe₃C（渗碳体或称西门太尔体），珠光体（铁素体与渗碳体的共析组织）金属材料的热处理退火工艺正火工艺淬火与回火完全退火加热至A₃或Acm以上30-将钢件加热至A₃或Acm以上30-50°C淬火加热至A₃或Acm以上，保温后快50°C，保温后缓慢冷却，获得接近平衡状（通常860-900°C），保温后在空气中冷速冷却（冷却速率大于临界冷却速率，约态的组织，降低硬度，提高塑性球化退却正火组织比退火组织细小，强度和硬250°C/s），获得马氏体组织，显著提高火在共析温度附近长时间保温，使片状度略高，但塑性和韧性略低正火工艺简硬度和强度回火将淬火钢在低于A₁温渗碳体球化，提高切削加工性能应力消单，成本低，常用于中碳钢和低合金钢的度下加热保温后冷却，降低脆性，调整力除退火在较低温度（500-650°C）保预处理学性能回火温度从150°C到650°C不等，温，消除内应力温度越高，硬度越低，韧性越好相变基础理论形核新相的小晶核在母相中形成，克服界面能和弹性能垒生长晶核通过原子迁移不断长大，形成新相相变完成新相完全替代原有相，达到新的平衡状态相变过程受热力学和动力学因素共同控制热力学因素决定相变的方向和驱动力，而动力学因素决定相变的速率过冷度或过饱和度越大，相变驱动力越大，相变速率越快相变可分为扩散型和非扩散型两大类扩散型相变如珠光体转变，需要原子长距离扩散；非扩散型相变如马氏体转变，无需原子扩散，仅通过原子协同剪切运动完成TTT曲线（等温转变曲线）和CCT曲线（连续冷却转变曲线）是描述钢在不同温度和时间条件下相变行为的重要工具，广泛应用于热处理工艺设计马氏体相变具有不依赖时间、只依赖温度的特点，表现为快速、非扩散的军事型转变，产生高硬度但脆性大的马氏体组织金属强化机制5-10MPa/%固溶强化溶质原子引起晶格畸变，阻碍位错移动30-100%形变强化冷加工增加位错密度，提高强度100-300MPa析出强化细小析出相阻碍位错滑移

0.5-1mm晶粒细化通过增加晶界面积阻碍位错移动金属强化是通过各种方法阻碍位错移动，从而提高金属材料强度的过程固溶强化利用溶质原子与溶剂原子的尺寸差异引起的晶格畸变来阻碍位错移动，每增加1%的合金元素，可使强度提高5-10MPa晶粒细化则利用晶界阻碍位错运动的特性，遵循霍尔-佩奇关系σy=σ0+kd^-1/2，其中d为晶粒尺寸形变强化（也称加工硬化或应变硬化）是通过塑性变形增加位错密度，使位错之间相互纠缠阻碍，从而提高强度冷加工可使强度提高30-100%，但会降低塑性析出强化和弥散强化则是通过在基体中引入第二相粒子来阻碍位错移动，如Al-Cu合金的时效硬化和氧化物弥散强化钢金属的腐蚀与防护腐蚀机理腐蚀类型电化学反应导致金属溶解，形成阳极区和阴极区均匀腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀开裂等腐蚀监测防护方法重量损失法、电化学法、表面分析等覆盖保护、阴极保护、阳极保护、环境控制金属腐蚀是金属在环境作用下发生的电化学反应，导致金属的损失或性能退化电化学腐蚀机理涉及阳极反应（金属失去电子被氧化）和阴极反应（环境中氧化剂获得电子被还原），两者同时进行形成腐蚀电池腐蚀类型多样，包括均匀腐蚀（整个表面均匀减薄）和各种局部腐蚀（如点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀等）应力腐蚀开裂（SCC）是一种特殊类型的腐蚀，由腐蚀环境和拉应力共同作用引起，可导致突发性断裂腐蚀防护技术包括材料选择、涂层保护、电化学保护（如阴极保护）和环境控制等方法不同金属适用不同的防护方法，如铝可通过阳极氧化形成保护膜，钢铁可通过镀锌提供牺牲阳极保护合金系统简介钢铁合金铝合金按碳含量分为低碳钢（

0.25%C）、中碳钢（

0.25-

0.6%C）和按主要合金元素分为2xxx（Cu）、3xxx（Mn）、4xxx（Si）、高碳钢（

0.6%C）不锈钢含铬

10.5%，具有优异耐腐蚀性5xxx（Mg）、6xxx（Mg和Si）、7xxx（Zn）系列7xxx系铝工具钢含碳高，常含W、Mo、V等合金元素，硬度高，耐磨性合金强度最高，可达600MPa以上，用于航空结构好铜合金钛合金与镁合金黄铜（Cu-Zn）导热性好，易加工成形；青铜（Cu-Sn）硬度和钛合金分为α型、β型和α+β型，强度高，耐腐蚀性好，密度低，耐磨性好；白铜（Cu-Ni）耐腐蚀性优异铍青铜（Cu-Be）强应用于航空航天和生物医疗镁合金是最轻的工程金属，密度仅度高，具有优良的弹性为

1.74g/cm³，强度较低，但比强度高，应用于轻量化结构陶瓷材料基础陶瓷的结构特征陶瓷材料主要由金属元素和非金属元素通过离子键或共价键结合形成离子陶瓷（如氧化铝Al₂O₃）中阴阳离子通过强静电作用力结合，而共价陶瓷（如碳化硅SiC）则通过电子共享形成定向性强的键由于键合力强且定向性明显，陶瓷材料通常表现出高硬度、高熔点、高化学稳定性等特点同时，这种强键合也限制了离子或原子的移动，使陶瓷在室温下几乎没有塑性变形能力，导致典型的脆性断裂行为陶瓷材料具有许多优异特性高硬度（莫氏硬度8-9），耐高温（熔点可达2000°C以上），低热导率，良好的绝缘性能和耐腐蚀性但其主要缺点是脆性大，抗冲击能力差，加工难度高随着先进陶瓷技术的发展，陶瓷材料广泛应用于结构工程（切削工具、耐磨部件）、电子电气（绝缘体、电容器）、能源（燃料电池、太阳能电池）和生物医学（人工关节、牙科材料）等领域陶瓷的制备工艺粉末制备通过化学合成、机械粉碎或溶胶-凝胶法等方法制备高纯度、细小均匀的陶瓷粉末，并添加分散剂、粘结剂等助剂形成可加工的料浆成型将粉末或料浆通过各种方法成型，包括干压成型（压力5-300MPa），湿压成型（泥浆在半渗透模具中脱水），注浆成型（泥浆倒入多孔模具），注射成型（热塑性载体混合物）等烧结在高温（通常为熔点的

0.5-

0.9倍）下保温，使颗粒间形成颈部连接并逐渐致密化烧结驱动力来自表面能减少，可通过添加烧结助剂、调整气氛或施加压力等方法促进烧结后处理根据需要进行机械加工（如研磨、抛光）、表面处理或组装等工序，制成最终产品先进陶瓷可能需要精密加工以获得特定尺寸和表面质量玻璃材料玻璃的应用建筑、光学、电子、医疗等多领域玻璃的性能透明度、硬度、热膨胀系数、化学稳定性玻璃的结构无序网络结构，短程有序，长程无序玻璃形成理论临界冷却速率与网络形成体系玻璃是一种非晶态固体材料，通过熔融物快速冷却而形成，没有规则的晶体结构玻璃形成理论认为，当熔体冷却速率超过临界冷却速率时，原子或分子来不及排列成规则晶体结构，就会形成玻璃态玻璃转变温度（Tg）是玻璃从橡胶态转变为脆性固体态的温度区间，是玻璃材料的重要特性参数常见的玻璃包括钠钙玻璃（Na₂O-CaO-SiO₂，用于窗户和容器）、硼硅酸盐玻璃（耐热性好，用于实验室器皿）、铅玻璃（折射率高，用于光学器件）等玻璃可通过化学强化、热强化、夹层等方法改性增强，提高强度和安全性玻璃陶瓷是一种通过控制结晶而成的特殊材料，兼具玻璃和陶瓷的优点聚合物材料基础聚合物分类•热塑性聚合物可重复加热软化成型•热固性聚合物一旦固化就不可再熔化•弹性体具有大弹性变形能力的聚合物分子量特征•数均分子量Mn=ΣNiMi/ΣNi•重均分子量Mw=ΣNiMi²/ΣNiMi•分子量分布指数PDI=Mw/Mn聚合物结构•线型结构长直链分子•支链结构主链上有侧链•交联结构链间形成化学键连接•网络结构高度交联形成三维网络立体规整度•全同立构侧基全部在同一侧•间同立构侧基交替排列•无规立构侧基随机排列聚合物是由许多重复单元（单体）通过共价键连接而成的大分子化合物聚合度表示一个聚合物分子中单体单元的数目，通常在几百到几万之间聚合物的性能不仅取决于化学成分，还与分子量、分子量分布、分子链结构、立体规整度等因素密切相关聚合机理加聚反应单体中的双键或环打开，直接相连形成长链链增长过程引发、增长、终止三个基本步骤缩聚反应两个官能团反应，同时释放小分子共聚合两种或多种单体一起聚合形成共聚物加聚反应（链式聚合）是不饱和单体通过自由基、阴离子或阳离子机制进行的聚合反应典型的加聚反应包括引发剂分解产生活性中心，活性中心与单体反应形成活性聚合物链，聚合物链不断与单体反应增长，最后通过终止反应停止增长加聚反应速度快，聚合度高，但对杂质敏感缩聚反应（逐步聚合）是具有两个或多个官能团的单体通过反应脱去小分子（如水、氨等）而逐步形成聚合物缩聚反应速度慢，需要较长时间才能获得高聚合度共聚物类型包括随机共聚物（单体随机分布）、交替共聚物（单体交替排列）、嵌段共聚物（不同单体形成连续段）和接枝共聚物（一种聚合物链接在另一种主链上）聚合物的结晶与玻璃化聚合物结晶玻璃化转变结晶动力学聚合物结晶是分子链排列成有序结构的过玻璃化转变是聚合物从橡胶态转变为玻璃聚合物结晶过程可用Avrami方程描述程由于分子链长且缠结，聚合物很难达态的过程，发生在一个温度范围内，称为Xt=1-exp-kt^n，其中Xt是结晶到100%结晶，结晶度通常在40-90%之玻璃化转变温度（Tg）Tg以下，聚合物度，k是结晶速率常数，n是Avrami指数间影响结晶度的因素包括分子链规整分子链段运动受限，表现为硬而脆；Tg以结晶速率与温度的关系呈钟形曲线，在最性、分子间力、冷却速率等聚合物通常上，分子链段可自由运动，表现为软而佳结晶温度附近结晶速率最快聚合物结形成球晶结构，由放射状排列的片晶组韧Tg受分子链刚性、侧基大小、分子间晶对性能有重要影响，如增加强度和刚成作用力及交联度等因素影响度，但可能降低透明度和韧性常见工程塑料塑料类型密度g/cm³熔点/Tg°C主要特性典型应用聚乙烯PE

0.91-

0.97105-140耐化学腐蚀，电绝缘性好包装膜，管道，容器聚丙烯PP

0.90-

0.91165力学性能好，耐热汽车零件，家电外壳聚氯乙烯PVC

1.35-

1.45Tg约80阻燃，耐候性好管材，电线电缆，地板聚对苯二甲酸乙二醇酯PET

1.38-

1.40245-265强度高，透明度好饮料瓶，纤维，薄膜尼龙PA6，PA

661.12-

1.14215-265强韧，耐磨，自润滑齿轮，轴承，纤维工程塑料是指具有优良机械性能和耐热性，可用于工程结构或功能部件的塑料与通用塑料相比，工程塑料具有更高的强度、刚度、耐热性和尺寸稳定性，但价格也较高上表列出了几种最常见的工程塑料及其主要特性和应用领域聚合物的改性技术物理改性通过添加填料、增强剂等物理方法改变聚合物性能如玻璃纤维增强可提高强度和刚度；碳黑填充可提高导电性和抗紫外线性能；增塑剂添加可改善柔韧性化学改性通过共聚合、接枝、交联等化学反应改变聚合物结构共聚可调节聚合物的Tg、结晶性、亲水性等；交联可提高耐热性和尺寸稳定性；接枝可引入特定功能基团共混与合金化将两种或多种聚合物混合形成具有协同效应的新材料如ABS是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共混物，兼具耐热性和韧性；PC/ABS合金结合了PC的强度和ABS的加工性功能改性添加特殊功能添加剂，赋予聚合物特定功能如阻燃剂（提高氧指数LOI26%）、抗氧化剂、着色剂、导电填料等，使聚合物具备特殊性能以满足特定应用需求复合材料基础复合材料的定义与特点复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学方法复合而成的新材料它们保持各组分的基本特性，又具有单一组分所不具备的性能复合材料通常由增强相和基体相组成，前者提供强度和刚度，后者传递应力和保护增强相复合材料的主要优点包括高比强度和比刚度、可设计性强（可根据需要调整组分比例和排列方式）、优异的疲劳性能和抗腐蚀性能但也存在界面结合问题、加工难度大、成本高等缺点复合材料可按基体材料分为金属基复合材料、陶瓷基复合材料和聚合物基复合材料；按增强相形状分为颗粒增强、纤维增强（连续纤维和短纤维）和层状复合材料；按增强机制分为弥散强化型和增强型复合材料在复合材料中，界面特性与相容性至关重要，直接影响材料的整体性能良好的界面结合可确保应力有效传递；而界面失效则是复合材料失效的主要原因之一复合材料的设计原则是充分发挥各组分的优势，实现整体性能的优化，同时考虑成本、制造工艺和使用寿命纤维增强复合材料400-1200MPa玻璃纤维强度玻璃纤维是最常用的增强纤维，价格低，绝缘性好230-830GPa碳纤维模量碳纤维具有超高强度和模量，重量轻

1.44g/cm³芳纶纤维密度芳纶纤维抗冲击性能突出，耐热性好30-70%纤维体积分数典型复合材料中纤维的含量范围纤维增强复合材料是利用高强度、高模量的纤维作为增强体，嵌入在基体材料中形成的复合材料玻璃纤维复合材料（GFRP）是应用最广泛的复合材料，具有良好的强度、绝缘性和耐腐蚀性，价格适中，广泛用于汽车部件、船舶和建筑领域碳纤维复合材料（CFRP）强度和刚度极高，密度低，但价格昂贵，主要用于航空航天、高档运动器材和汽车工业芳纶纤维（如Kevlar）复合材料具有优异的抗冲击性能和耐热性，主要用于防弹制品、防护服装和航空结构件天然纤维（如麻、竹、棉等）复合材料环保可再生，成本低，近年来应用日益增多纤维的排列方式（单向、编织、毡等）和体积分数对复合材料性能有重大影响，通常体积分数在30-70%之间性能最佳复合材料制备工艺湿法成型手糊成型手工将树脂涂布到纤维上；喷射成型将切碎的纤维与树脂同时喷射到模具上工艺简单，投资少，但质量一致性差，适合小批量生产模压成型将浸渍好树脂的纤维预制体放入模具，在120-180°C温度和

0.5-2MPa压力下固化包括热压、冷压和SMC/BMC压制等，适合形状复杂的部件大批量生产注射与传递RTM（树脂传递模塑）将干燥纤维预制体置于封闭模具中，注入低粘度树脂；VARTM利用真空辅助树脂注入可获得双面光洁表面，纤维含量高，适合中等批量生产4高级成型工艺预浸料技术使用预先浸渍树脂的纤维，通过热压或高温高压釜成型；拉挤工艺连续纤维通过树脂浴后拉入加热模具；缠绕工艺树脂浸渍纤维按设计角度缠绕在芯模上用于高性能要求场合半导体材料基础能带理论掺杂机制1电子能级形成能带，价带与导带间存在禁带N型掺杂引入电子，P型掺杂引入空穴2PN结形成载流子特性P型和N型半导体结合形成势垒和耗尽区载流子浓度和迁移率决定电导率半导体材料的电导率介于导体和绝缘体之间，通常在10^-6到10^3S/cm范围内，且强烈依赖于温度、光照和掺杂等外部条件半导体的核心特性是具有适中的禁带宽度（通常为

0.1-

6.0eV），使电子在特定条件下可以从价带跃迁到导带，成为导电载流子本征半导体是纯净的、未掺杂的半导体材料，其导电性主要由温度决定外延半导体是通过掺杂形成的，N型半导体中引入施主杂质（如Si中掺入P），使电子成为多数载流子；P型半导体中引入受主杂质（如Si中掺入B），使空穴成为多数载流子载流子浓度（单位体积内自由电子或空穴的数量）和载流子迁移率（在电场作用下的漂移速度）是表征半导体电学性能的重要参数典型半导体材料硅锗Si Ge禁带宽度

1.1eV，为间接带隙半禁带宽度

0.67eV，载流子迁移导体储量丰富，提纯技术成率高于硅历史上最早使用的熟，是集成电路和太阳能电池半导体材料，现主要用于高频的主要材料单晶硅纯度可达器件、红外探测器和太阳能电

99.999999999%，是地球上最池与硅形成SiGe合金，可调纯净的商业材料表面易形成节能带结构，用于高速电子器自然氧化层SiO₂，为器件制造件提供良好的绝缘和钝化层化合物半导体砷化镓GaAs禁带宽度

1.4eV，直接带隙，电子迁移率高，适合高频和光电器件氮化镓GaN禁带宽度

3.4eV，适合蓝光LED和高功率器件碳化硅SiC禁带宽度

3.0-

3.2eV，耐高温高压，用于功率电子器件这些材料具有特殊性能，应用于特定领域半导体器件与应用结与二极管晶体管技术集成电路制造PNPN结是半导体器件的基本结构，由P型区晶体管是现代电子学的基石，主要包括双集成电路制造涉及光刻、氧化、扩散、离和N型区接触形成在结区附近形成耗尽层极型晶体管BJT和场效应晶体管FET子注入、刻蚀、薄膜沉积等复杂工艺现和内建电场，产生单向导电特性基于PN BJT由两个PN结组成，利用少数载流子的代芯片制程已达5nm以下，单芯片可集成结原理，形成二极管、发光二极管注入和扩散实现电流放大FET则通过电数十亿个晶体管超大规模集成电路LED、光电二极管、太阳能电池等多种场控制导电沟道，具有高输入阻抗和低功VLSI是信息技术的核心，推动了计算器件，广泛应用于整流、发光、探测等领耗特点，是集成电路的主要器件机、通信和人工智能等领域的发展域功能材料概述功能材料定义•利用材料的物理、化学效应实现特定功能•功能性优先于结构性•对环境刺激有特定响应•具有信息、能量转换等功能光学功能材料•光折射材料（透镜、光纤）•光发射材料（激光晶体、发光材料）•光转换材料（光电材料、非线性光学材料）•光存储材料（光盘记录材料）电磁功能材料•电子材料（半导体、超导体）•磁性材料（软磁、硬磁材料）•介电材料（电容器材料）•铁电与压电材料（传感器、执行器）智能响应材料•形状记忆材料（形状记忆合金、聚合物）•热敏/光敏/电敏材料•自修复材料•仿生智能材料功能材料是以功能性为主要目的的材料，根据功能特性可分为电子功能材料、光学功能材料、磁性功能材料、声学功能材料、热功能材料等与结构材料相比，功能材料更注重特定物理化学性能，而非力学性能功能材料在现代科技中扮演着至关重要的角色，是信息技术、能源技术、生物医学等高科技领域的关键支撑材料光学材料材料类型典型材料关键参数主要应用光学玻璃硼硅酸盐、钾钙、折射率

1.5-

2.0透镜、棱镜、窗口铅玻璃光纤材料石英玻璃损耗

0.2dB/km光通信、传感器SiO₂、塑料光电材料GaAs、带隙

0.7-

3.4eV LED、激光器、光InGaAsP、CdS检测器光存储材料相变合金、光致变反射率变化15%光盘、全息存储色材料非线性光学材料LiNbO₃、KDP、非线性系数频率转换、光开关有机晶体d10pm/V光学材料是与光的传输、调制、转换和存储相关的功能材料光学玻璃是最基本的光学材料，其折射率、色散、透过率等参数决定了其光学性能不同成分的光学玻璃具有不同的折射率和阿贝数，可设计制造各种光学元件光纤是现代通信系统的基础，由芯层和包层组成，利用全反射原理传输光信号，超低损耗使远距离通信成为可能磁性材料磁性基本概念磁性材料可按磁矩排列方式分为铁磁性、亚铁磁性、反铁磁性和顺磁性等类型铁磁材料（如铁、钴、镍）中磁矩平行排列；亚铁磁材料（如铁氧体）中不同亚晶格磁矩大小不等；反铁磁材料（如Cr、MnO）中相邻磁矩反平行排列且大小相等磁性材料的重要参数包括饱和磁感应强度Bs、剩余磁感Br、矫顽力Hc、最大磁能积BHmax、磁导率μ等不同用途的磁性材料对这些参数有不同要求软磁材料具有高磁导率（μ=5000-30000）和低矫顽力，易于磁化和退磁，主要用于电磁铁、变压器和电机铁芯等常见软磁材料包括硅钢、坡莫合金（Permalloy）、非晶合金和铁氧体等介电与铁电材料介电材料具有电极化能力的绝缘材料铁电材料2具有自发极化且可反转的材料压电材料3应力与电极化相互转换的材料电子陶瓷4具有特殊电性能的功能陶瓷介电材料是在电场作用下发生极化的绝缘材料介电常数（ε）表示材料储存电荷的能力，介电损耗（tanδ）表示能量损失程度高介电常数材料（如BaTiO₃，ε=1000-10000）用于电容器；低损耗材料（如Al₂O₃，tanδ

0.0001）用于微波器件；高击穿强度材料用于绝缘体铁电材料具有自发极化，且极化方向可通过外电场反转典型铁电材料包括钛酸钡（BaTiO₃）、锆钛酸铅（PZT）等铁电材料在居里温度以上转变为顺电相，失去铁电性压电效应是机械应力与电极化之间的可逆转换，是许多传感器和执行器的工作原理压电材料（如石英、PZT）广泛应用于超声换能器、压力传感器、精密定位器等电子陶瓷是现代电子工业的关键材料，包括电容器陶瓷、压电陶瓷、热敏陶瓷等生物材料金属生物材料高分子生物材料生物陶瓷与组织工程金属生物材料主要包括不锈钢（316L型）、钛高分子生物材料包括UHMWPE（超高分子量聚生物陶瓷包括生物惰性陶瓷（如氧化铝、氧化及钛合金、钴铬合金等钛合金因其优异的比乙烯）、PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）、聚氨锆）、生物活性陶瓷（如羟基磷灰石、生物玻强度、耐腐蚀性和生物相容性成为骨科植入物酯、PTFE（聚四氟乙烯）等这类材料具有良璃）和可降解陶瓷（如磷酸钙）羟基磷灰石的首选材料表面改性技术如阳极氧化、等离好的加工性能和可调节的性能，可用作人工关[Ca₁₀PO₄₆OH₂]与骨的矿物成分相子喷涂可进一步提高其生物活性和骨整合能节的关节面、心脏瓣膜、血管、缝合线等可似，具有优异的生物活性，可促进骨整合组力金属生物材料主要用于承重部位的植入降解高分子如PLA、PGA可在体内逐渐降解，织工程材料结合生物材料和细胞技术，通过多物，如人工关节、牙种植体、骨板和骨钉等被新生组织替代，广泛用于组织工程和药物缓孔支架、种子细胞和生长因子的协同作用，构释系统建功能性组织替代物能源材料15-25%太阳能电池效率晶体硅和薄膜太阳能电池转换效率250Wh/kg锂电池能量密度商用锂离子电池典型能量密度10kW/kg超级电容器功率密度碳基超级电容器的放电功率能力

6.5wt%氢存储材料容量金属氢化物的理论氢存储能力能源材料是能源转换、储存和利用的关键材料太阳能电池材料包括晶体硅（单晶、多晶）、薄膜材料（非晶硅、CdTe、CIGS）和新型材料（钙钛矿、有机太阳能电池）高效太阳能电池需要优化光吸收、载流子分离和电荷收集过程锂离子电池材料包括正极材料（LiCoO₂、LiFePO₄等）、负极材料（石墨、硅、锂钛氧化物等）、电解质和隔膜电极材料的结构和组成决定了电池的能量密度、功率密度和循环寿命燃料电池材料包括电极催化剂（如Pt基材料）、质子交换膜（如Nafion）和电极支撑材料高效低成本的催化剂和耐久性膜是燃料电池商业化的关键超级电容器材料主要是高比表面积碳材料（如活性炭、石墨烯）和赝电容材料（如MnO₂、RuO₂）氢存储材料包括金属氢化物、复合氢化物和吸附型材料，追求高储氢容量和合适的操作温度压力能源材料的发展直接影响新能源技术的进步和可持续发展纳米材料纳米材料是至少在一个维度上尺寸在1-100纳米范围内的材料在这一尺度上，材料表现出与宏观材料显著不同的特性，如量子效应、表面效应和小尺寸效应纳米材料可按维度分为零维（纳米颗粒）、一维（纳米线、纳米管）、二维（纳米薄膜、石墨烯）和三维纳米结构材料纳米材料合成方法主要有自上而下（如机械粉碎、激光烧蚀）和自下而上（如化学气相沉积、溶液化学合成）两类纳米复合材料是将纳米材料作为填料加入基体材料中，可显著改善力学、热学、电学等性能纳米材料表征需要高分辨电镜、扫描探针显微镜、X射线衍射等先进技术纳米材料已广泛应用于电子信息、能源环境、生物医药等领域，是现代材料科学的前沿热点材料性能测试方法机械性能测试硬度测试耐久性测试拉伸测试测定材料的弹性模布氏硬度HB用硬钢球或硬疲劳测试评估材料在循环载量、屈服强度、抗拉强度和延质合金球压入材料表面；洛氏荷下的行为和寿命；蠕变测伸率压缩测试评估材料在硬度HRA/HRB/HRC用金试测定材料在恒定应力和高压缩荷载下的行为弯曲测刚石圆锥体或钢球压入，测量温下随时间的变形；断裂韧性试测定材料的弯曲模量和弯压痕深度；维氏硬度HV用测试评估材料抵抗裂纹扩展曲强度，特别适用于脆性材金刚石四棱锥体压入，测量压的能力；冲击测试测量材料料扭转测试确定材料的剪痕对角线；显微硬度用于测吸收冲击能量的能力；磨损测切模量和剪切强度试微小区域或薄层的硬度试评估材料表面的耐磨性物理性能测试热分析包括差示扫描量热法DSC、热重分析TGA、热机械分析TMA等；电性能测试测量电阻率、介电常数、铁电性能等；磁性测试测定磁滞回线、磁导率、矫顽力等；光学性能测试测量折射率、透过率、反射率等材料微观结构表征微观结构表征是材料科学研究的基础工作，通过各种先进仪器观察和分析材料的微观组织、相结构、缺陷等特征光学显微镜是最基本的材料表征工具，放大倍数可达500-1000倍，可观察经腐蚀后的金相组织扫描电子显微镜SEM利用电子束与样品相互作用产生的二次电子或背散射电子成像，分辨率可达1-5nm，具有大景深和三维立体感，适合观察材料表面形貌透射电镜TEM利用透过样品的电子束成像，分辨率可达

0.1-

0.2nm，能够观察晶格排列、位错等细微结构，但样品制备复杂X射线衍射XRD是分析材料晶体结构和相组成的重要手段，基于布拉格定律2dsinθ=nλ电子探针微区分析EPMA可实现微区元素定量分析，检测精度高此外还有扫描隧道显微镜STM、原子力显微镜AFM、拉曼光谱等多种表征技术，它们相互补充，共同揭示材料微观世界的奥秘材料选择原则功能要求分析明确产品功能和使用环境，提出关键性能指标性能指标筛选根据设计要求筛选满足力学、物理、化学性能的材料工艺评估考虑材料的可加工性、成型性和经济性环境适应性评估材料在使用环境中的稳定性和使用寿命综合优化权衡各项指标，考虑成本效益比，做出最优选择材料选择是工程设计中的关键环节，直接影响产品性能、成本和寿命合理的材料选择需要综合考虑多方面因素功能需求（如强度、刚度、耐热性）、经济因素（材料成本、加工成本、维护成本）、制造工艺限制（如可铸性、可焊性、表面处理）、环境因素（如耐腐蚀性、耐辐射性、环保要求）等材料选择图（如Ashby图）是一种有效的材料选择工具，可以在多个性能参数空间中直观地比较不同材料案例分析是材料选择的重要方法，通过分析成功和失败的案例，积累经验并避免重复错误在材料选择过程中，常常需要权衡多个相互矛盾的性能要求，寻找最佳平衡点，有时还需要开发新材料或对现有材料进行改性以满足特殊需求材料加工技术金属成形技术铸造将熔融金属浇入模具中冷却成形，包括砂型铸造、压力铸造、离心铸造等适用于形状复杂或大型部件锻造通过对金属施加压力使其发生塑性变形，形成所需形状，可提高材料强度挤压将金属坯料置于密闭容器中，通过挤压使其从模具孔口流出形成连续截面产品焊接与连接焊接是通过加热或压力使材料在分子水平上结合的工艺，包括熔焊（如电弧焊、激光焊）和压焊（如摩擦焊、超声波焊）钎焊和粘接是利用填充材料连接部件的方法机械连接（如螺栓、铆钉）适用于需要拆卸或异种材料连接的场合不同连接方法各有优缺点，选择时需考虑材料类型、强度要求和使用环境特种加工技术粉末冶金通过粉末成型和烧结制造复杂零件，特别适合难熔金属和复合材料表面处理包括表面涂层（如电镀、喷涂）、表面改性（如渗碳、氮化）和表面硬化（如感应淬火）等，改善表面性能3D打印（增材制造）是近年发展迅速的新型制造技术，可直接从数字模型构建复杂形状部件，适用于定制化和小批量生产材料失效分析断裂机理疲劳失效脆性断裂与韧性断裂的区别循环载荷下裂纹萌生与扩展2腐蚀失效4蠕变破坏环境介质作用下的材料劣化高温持久应力下的变形与失效材料失效分析是研究材料在服役条件下损坏或功能丧失的原因和机制断裂力学是研究含裂纹材料力学行为的学科，关键参数包括应力强度因子K、J积分和断裂韧性KIC根据断裂韧性和工作应力，可以确定材料中临界裂纹尺寸，预测部件的安全服役条件疲劳失效是工程结构最常见的失效形式，约占机械失效的80%疲劳过程包括裂纹萌生、稳态扩展和快速断裂三个阶段，其特征是在低于材料静态强度的循环应力下发生断裂蠕变是材料在高温和持久应力作用下随时间缓慢变形的现象，可导致尺寸变化或最终断裂实际工程中，失效往往是多种机制共同作用的结果，如疲劳-腐蚀、蠕变-疲劳等复合失效系统的失效分析方法包括宏观检查、微观分析、成分分析和应力分析等，目的是确定根本原因并提出预防措施材料与环境可持续性材料生命周期评估材料从原料开采、制造、使用到废弃处理的全过程评估，包括能源消耗、碳排放、资源消耗和环境影响等方面通过生命周期评估，可以识别材料生产和使用过程中的环境热点问题，为优化设计提供科学依据可持续材料开发可回收材料设计考虑材料的分离、回收和再利用，如易拆解的产品结构设计、单一材料使用、避免复合材料等可降解材料在特定条件下能被自然分解的材料，如生物可降解塑料（PLA、PHB等）、可降解复合材料等，可减少环境负担材料节能减排优化材料生产工艺，降低能耗和排放；开发轻量化材料，减少交通工具燃料消耗；提高材料使用效率，减少废料产生；延长材料使用寿命，降低更换频率通过材料创新，为节能减排和碳中和目标做出贡献绿色材料设计采用无毒无害原料，替代重金属和有害物质；减少稀缺资源使用，转向丰富可再生资源；考虑材料的能量密集度，优先选择低能耗材料；关注材料与人体健康的关系，避免有害物质释放；实现材料的闭环循环，构建循环经济材料体系前沿材料研究方向石墨烯与二维材料石墨烯是由单层碳原子构成的二维材料，厚度仅为

0.335nm，具有超高的电子迁移率200,000cm²/V·s、热导率~5000W/m·K和力学强度130GPa除石墨烯外，过渡金属二硫化物MoS₂、WS₂等、六方氮化硼h-BN等新型二维材料也展现出独特的物理化学性质，在电子器件、能源存储、复合材料等领域具有广阔应用前景高熵合金高熵合金是含有5种或以上主元素（通常接近等摩尔比）的新型合金体系，熵稳定效应使其形成简单固溶体结构而非传统的金属间化合物这类材料表现出优异的强度-韧性组合、耐高温性能、抗辐射损伤能力和抗腐蚀性能，为极端环境下的材料应用提供了新思路当前研究热点包括构效关系解析、微结构调控和工业化制备技术仿生与智能材料仿生材料模仿自然界生物材料的结构和功能，如蝶翼光子晶体、莲叶超疏水表面、贝壳层状复合结构等智能材料能够响应环境刺激并改变自身性能，如形状记忆合金/聚合物、压电材料、磁流变材料、自修复材料等这些材料具有感知、响应、适应、自愈等智能特性，可用于智能结构、软体机器人、生物医学工程等领域元宇宙材料技术面向元宇宙应用的新型材料，包括增强现实AR和虚拟现实VR所需的显示材料、柔性电子材料、超薄透明导电材料、人机交互传感材料等这些材料需要同时满足功能性、舒适性和可持续性要求，是支撑元宇宙技术发展的物质基础相关研究包括高分辨率微显示材料、柔性透明电子材料、触觉反馈材料和传感器阵列等材料科学的未来发展跨学科融合创新材料科学与生物、信息、能源等领域深度融合数字化智能化材料制造与表征的数字化转型和智能化升级计算材料科学从材料基因组到人工智能辅助材料设计计算材料科学正变得越来越重要，通过第一性原理计算、分子动力学模拟、相场模拟等多尺度计算方法，可以预测材料性能并指导实验设计材料基因组计划旨在加速新材料的发现和应用，将计算方法、高通量实验和材料数据库相结合，大幅缩短材料从发现到应用的时间材料信息学将大数据、机器学习和人工智能技术应用于材料研究，通过数据挖掘发现材料结构-性能关系，并实现材料性能的精确预测和反向设计材料制造的智能化与数字化，如数字孪生、智能工厂、3D打印等技术，正推动材料生产模式变革跨学科融合是未来材料科学发展的重要趋势，如材料-生物学（生物材料、生物启发材料）、材料-信息学（信息材料、智能材料）、材料-能源学（能源材料、低碳材料）等交叉领域不断涌现创新成果总结与展望基础知识掌握材料科学的核心概念和基本原理分析能力建立材料成分-结构-性能-应用的系统思维实践技能培养材料制备、表征和性能测试的实验能力创新思维发展材料设计与创新的科学思维方法通过本课程的学习，我们系统介绍了材料科学的基本概念、材料分类、结构与性能关系以及典型材料的制备与应用，建立了材料科学的知识框架材料科学的重要性体现在它是现代工业和科技发展的基础，几乎所有技术创新都离不开材料的突破从航空航天到微电子，从能源环境到生物医学，材料创新始终是推动人类文明进步的关键力量学习材料科学需要理论与实践相结合，建议同学们积极参与实验实践，培养动手能力；关注学科前沿，拓展国际视野；加强跨学科学习，培养综合创新能力随着新技术革命的深入发展，材料科学家将面临更多机遇和挑战希望同学们在未来的学习和工作中，能够将所学知识与创新思维相结合，为材料科学的发展和人类社会的进步做出贡献。