《李晓东材料学》课件

《李晓东材料学》欢迎来到《李晓东材料学》课程，这是一门由李晓东教授主讲的材料科学与工程基础课程本课程将系统地介绍材料科学的基本概念、理论和应用，帮助学生建立扎实的材料学知识体系课程概述教学目标课程内容评分标准掌握材料科学的基本理论和概念，理课程涵盖材料科学导论、原子结构与平时作业占，实验报告占，30%20%解材料微观结构与宏观性能的关系，化学键、晶体缺陷、扩散、相图与相期中考试占，期末考试占20%30%培养材料分析和选择能力，为后续专变、金属材料、陶瓷材料、高分子材要求按时完成所有作业和实验，积极业课程奠定基础料、复合材料、材料测试与表征等重参与课堂讨论要内容第一章材料科学导论史前时期人类开始使用石器、骨器等天然材料，开启材料利用历史青铜时代人类掌握金属冶炼技术，青铜制品广泛应用工业革命钢铁生产技术突破，材料规模化生产现代材料科学纳米材料、智能材料等新型材料快速发展材料科学是研究材料成分、结构、制备工艺、性能及其相互关系的科学它融合了物理、化学、冶金学等多学科知识，是现代工程技术的基础材料的发展历史反映了人类文明的进步历程，从石器时代到信息时代，每一次重大技术突破都伴随着材料的创新材料的分类与应用金属材料•钢铁材料建筑、机械、交通•有色金属电子、航空、能源•特种合金航天、国防、医疗陶瓷材料•传统陶瓷建筑、日用品•结构陶瓷高温部件、切削工具•功能陶瓷电子、光学、生物医学高分子材料•通用塑料包装、日用品•工程塑料机械、电子、汽车•特种高分子航空、医疗、环保复合材料•纤维增强航空、运动器材•颗粒增强工业部件、建筑•功能复合电子、能源、医疗材料按其组成和结构可分为金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料等主要类别每类材料因其独特的原子结构和键合方式，表现出不同的物理化学性能，适用于不同的应用场景近年来，随着科技发展，新型功能材料如智能材料、纳米材料、生物材料等不断涌现，拓展了材料的应用边界材料学的基本概念材料性能材料在外界条件下表现出的特性微观组织材料的晶粒、相组成及分布状态晶体结构原子排列的周期性空间结构原子结构与键合原子间的相互作用与结合方式材料学的核心在于理解材料从原子尺度到宏观性能的多层次结构关系原子结构与键合方式决定了材料的基本晶体结构，如金属的密堆积结构、陶瓷的离子晶体结构等晶体结构中不可避免地存在各种缺陷，如点缺陷、位错、晶界等，这些缺陷与材料的微观组织共同影响材料的宏观性能材料性能概述机械性能强度、硬度、韧性、弹性、塑性、疲劳、蠕变等物理性能密度、熔点、热导率、电导率、磁性、光学性能等化学性能耐腐蚀性、氧化性、还原性、化学稳定性等材料性能是材料在特定条件下表现出的特性，是材料应用的基础机械性能描述材料在外力作用下的行为，如钢铁的高强度使其成为理想的结构材料物理性能反映材料的物理特性，如铜的高导电性使其广泛用于电线电缆化学性能则关系到材料的使用寿命和适用环境，如不锈钢的耐腐蚀性能使其适用于潮湿环境第二章原子结构与化学键原子模型发展电子构型特点元素周期表•道尔顿原子模型原子的电子按能级和轨道排布，遵循元素按原子序数排列，同族元素具有泡利不相容原理、洪特规则和能量最相似的电子外层结构和化学性质，周•汤姆孙葡萄干模型低原则，决定了元素的化学性质期表反映了元素性质的周期性变化规•卢瑟福行星模型律•玻尔模型•现代量子力学模型原子结构是理解材料性质的基础原子由带正电的原子核和围绕其运动的电子组成，电子分布在不同能级的轨道上原子的电子构型决定了其化学活性和成键能力，对材料的形成和性质有重要影响化学键类型离子键共价键金属和非金属原子间的电子转移形成，具有方向非金属原子间的电子共享形成，具有饱和性，如性，如NaCl C-C键金属键次级键金属原子间的自由电子形成，具有非方向性，如分子间的弱相互作用，如氢键、范德华力等Cu、Fe化学键是原子间形成稳定结合的力，不同类型的化学键导致材料具有不同的特性离子键由电负性差异大的原子之间的电子转移形成，如氯化钠中Na+和Cl-之间的强烈吸引力，使得离子晶体通常具有高熔点和脆性共价键则是原子间共享电子对形成的，键能高，方向性强，如金刚石中碳原子间的共价键赋予其极高的硬度晶体结构基础晶体结构是研究材料微观组织的基础晶格是描述晶体中原子排列的空间网络，而晶胞是构成晶格的基本重复单元通过晶胞参数（晶格常数和夹角）可以完整描述晶体的几何特征密勒指数是表示晶体中晶面的标准方法，用三个整数表示，这些指数与晶面hkl截距成反比关系金属晶体结构体心立方结构面心立方结构六方密堆积结构BCC FCCHCP在立方晶胞的八个顶点和体心各有一个原子，在立方晶胞的八个顶点和六个面心各有一个原原子排列成六方形，配位数为12，空间利用率配位数为8，空间利用率为68%典型金属有铁子，配位数为12，空间利用率为74%典型金为74%典型金属有镁Mg、钛Ti、锌Zn等α-Fe、钨W、铬Cr等属有铝Al、铜Cu、镍Ni等金属晶体结构是金属材料性能的微观基础体心立方结构BCC的晶格常数较小，原子排列较为紧密但不是最紧密排列，因此具有一定的塑性但不如FCC结构面心立方结构FCC是最紧密堆积结构之一，具有良好的塑性和延展性，这是由于其滑移系统多，容易发生塑性变形陶瓷晶体结构离子晶体结构由带相反电荷的离子通过静电力结合形成共价晶体结构由原子通过共享电子对形成定向键硅酸盐结构以[SiO4]四面体为基本单元的复杂结构陶瓷材料的晶体结构多样且复杂，这是由其键合特性决定的离子晶体结构如氧化镁MgO、氧化铝Al2O3等，由金属离子和非金属离子通过强静电力结合，形成有规则排列的晶体这种结构通常导致陶瓷材料具有高熔点、高硬度但脆性大的特点共价晶体结构如碳化硅SiC、氮化硼BN等，由原子通过共享电子对形成强力定向键，赋予材料极高的硬度和化学稳定性聚合物结构103-

1070.1-

0.5分子量范围结晶度典型高分子的分子量级别道尔顿半结晶聚合物的典型结晶度范围1-100nm链径高分子链段尺寸范围聚合物结构的基本特征是由长链分子组成，这些分子链的长度、取向和排列方式决定了聚合物的性能分子量和分子量分布是表征聚合物的重要参数，高分子量通常带来更好的力学性能，而分子量分布则影响加工性能链结构的形式多样，包括线性、支化、交联和网络结构等，不同结构导致材料性能的显著差异第三章晶体缺陷点缺陷线缺陷尺寸约为原子尺度的局部缺陷沿某一方向延伸的一维缺陷体缺陷面缺陷三维空间中的大尺寸缺陷在二维平面上延伸的缺陷晶体缺陷是晶体结构中的不完整或不规则区域，普遍存在于所有实际材料中点缺陷包括空位（原子缺失）、间隙原子（原子处于正常晶格位置之外）和置换原子（异种原子占据正常晶格位置）等线缺陷主要是指位错，它是晶体滑移变形的载体，对材料的力学性能有显著影响面缺陷包括晶界、孪晶界、堆垛层错等，这些界面结构影响材料的扩散、相变和力学行为点缺陷详解空位间隙原子置换原子晶格点上原子缺失形成原子占据晶格间隙位置异种原子替代晶格中的的缺陷，影响材料的扩形成的缺陷，通常导致正常原子，形成固溶体散和电导率晶格畸变复合缺陷Frenkel缺陷（空位-间隙原子对）和Schottky缺陷（成对离子空位）点缺陷是晶体中最简单的缺陷类型，但对材料性能有着重要影响空位是最常见的点缺陷，在热平衡状态下，晶体中总存在一定浓度的空位，其浓度随温度升高而增加空位的存在促进了原子扩散，是热处理、蠕变等过程的基础间隙原子通常形成于原子半径较小的元素或高能辐照条件下，导致局部晶格畸变和应力场，影响材料的弹性和力学性能位错基本概念刃位错螺位错混合位错由晶体中额外的半原子面插入形成，伯格斯矢量与位错线垂直由晶体沿切变方向错位形成，伯格斯矢量与位错线平行同时具有刃位错和螺位错特征的复合位错，在实际材料中最为常见位错是晶体中最重要的线缺陷，是理解金属塑性变形机制的关键刃位错可以形象地理解为在完整晶体中插入或移除一个半原子面，在位错线周围形成压缩和拉伸应力场螺位错则像螺旋楼梯一样，沿位错线处晶体发生错位，形成剪切应力场实际材料中的位错通常是混合型，兼具刃位错和螺位错的特征位错与材料强化位错相互作用位错与杂质原子相互作用位错之间通过应力场相互作用，可能杂质原子形成应力场或电子云扭曲，形成位错网络、位错壁或位错环，增阻碍位错运动，实现固溶强化加位错运动的阻力，提高材料强度位错与晶界相互作用晶界阻碍位错运动，细化晶粒可提高材料强度，遵循Hall-Petch关系位错与材料强化密切相关，通过控制位错的运动可以实现材料的强韧化位错相互作用是工作硬化的基础原理当材料受到塑性变形时，位错密度增加，位错之间的相互作用增强，形成位错缠结和位错网，阻碍了位错的进一步运动，使材料变得更硬更强位错与杂质原子（溶质原子）的相互作用则是固溶强化的机制溶质原子在晶格中形成畸变场，与位错的应力场相互作用，钉住位错，提高材料强度晶界与界面第四章扩散扩散机制1原子在材料中迁移的微观过程和路径定律Fick2描述扩散过程的数学模型和基本规律扩散系数表征扩散速率的物理量，受温度和微观结构影响扩散是原子或分子在材料中的迁移过程，是许多材料现象和工艺过程的基础扩散机制主要包括空位扩散、间隙扩散、交换扩散等，不同机制在不同材料和条件下起主导作用Fick第一定律描述稳态扩散，指出扩散通量与浓度梯度成正比，比例系数为扩散系数Fick第二定律则描述非稳态扩散，给出浓度随时间和位置的变化规律，是解决实际扩散问题的基础方程固体中的扩散机制空位扩散•原子跳入相邻空位位置•最常见的金属自扩散机制•扩散速率与空位浓度相关间隙扩散•间隙原子在晶格间隙间跳跃•适用于小原子如H、C、N等•扩散速率通常高于空位扩散晶界扩散•原子沿晶界优先扩散•活化能低于晶内扩散•在低温下扩散的主要路径表面扩散•原子在材料表面迁移•活化能最低，扩散速率最高•对表面现象如烧结初期至关重要固体中的扩散机制决定了原子迁移的路径和速率空位扩散是金属和许多陶瓷材料中最主要的扩散机制，原子从正常晶格位置跳入相邻空位，留下新的空位，通过这种连续的跳跃实现宏观扩散空位扩散速率与空位浓度密切相关，温度升高导致空位浓度增加，扩散加速间隙扩散则多发生在间隙原子如氢、碳、氮等在金属晶格中的迁移，由于间隙位置较多且间隙原子结合能较低，这种扩散通常比空位扩散更快影响扩散的因素温度效应扩散系数随温度呈指数增长，遵循阿伦尼乌斯关系D=D₀exp-Q/RT微观结构影响晶粒尺寸、位错密度、界面特性等影响扩散路径和速率应力状态影响应力梯度产生额外的驱动力，影响扩散方向和速率浓度梯度影响浓度梯度是扩散的主要驱动力，梯度越大扩散越快温度是影响扩散最关键的因素，遵循阿伦尼乌斯关系D=D₀exp-Q/RT温度升高时，原子热振动加剧，克服扩散能垒的概率增加，扩散系数呈指数级增长例如，钢铁中碳的扩散系数从室温的约10⁻²⁰m²/s增至900°C的约10⁻¹¹m²/s，变化约9个数量级这就是为什么许多依赖扩散的工艺如热处理、烧结等需要在高温下进行固体扩散的应用热处理工艺退火、正火、淬火和回火等热处理过程都依赖于碳和合金元素在固态钢中的扩散，通过控制扩散程度调整微观组织和性能表面强化处理渗碳、渗氮等表面强化技术利用元素在材料表面的扩散形成硬化层，提高表面硬度和耐磨性，同时保持核心韧性半导体掺杂半导体制造中的扩散掺杂工艺利用杂质原子在硅晶片中的扩散，形成特定浓度分布的掺杂区域，是集成电路制造的关键工序固体扩散在材料加工和制造领域有着广泛应用热处理是最典型的应用，如钢铁的退火过程中，碳原子的再分布和扩散使得共析体分解，形成均匀的珠光体组织；淬火和回火过程中，碳的短程扩散控制着马氏体的形成和分解表面强化处理如渗碳、渗氮、渗硼等工艺，通过控制活性元素在材料表面的扩散深度和浓度，形成梯度化的表面硬化层，提高零件的耐磨性和疲劳强度第五章相图与相变相与相平衡相是系统中物理和化学性质均匀的部分，相平衡是多相系统达到热力学平衡的状态相律F=C-P+2，描述系统自由度与组元数、相数的关系二元相图描述二元系统中温度、成分与相关系的图形表示相变应用利用相变控制材料组织和性能的工程实践相图与相变是材料科学的核心内容，提供了理解和设计材料组织与性能的理论基础相是指物理和化学性质均匀的物质部分，如纯金属、固溶体或金属间化合物等相平衡是指在给定条件下，系统中各相的性质不随时间变化的稳定状态相律（F=C-P+2）揭示了组元数C、相数P和自由度F之间的关系，是理解相平衡的基本准则相图基础相图构建方法杠杆定则相图解读技巧•热分析法•识别单相和两相区域•X射线衍射分析•分析相变温度和成分•金相组织观察•理解冷却路径和组织演变•理论计算方法•注意亚稳相和非平衡条件通过系统测量不同成分合金的相变温度，结合组织分析和理论计算，绘制完整相图利用杠杆原理计算两相区域中各相的相对量Wα=C₂-C₀/C₂-C₁Wβ=C₀-C₁/C₂-C₁相图是材料科学家的地图，提供了材料在不同温度和成分条件下的平衡状态信息相图的构建通常结合多种实验和理论方法热分析法通过测量合金的冷却曲线确定相变温度；X射线衍射分析识别存在的晶体结构和相；金相组织观察直接检验微观结构；理论计算则基于热力学参数预测相平衡完整相图的建立需要大量系统性的实验数据和精确的分析典型二元相图完全互溶系统共晶系统包晶系统组元在固态下完全互溶，如Cu-Ni系统这类系统具特定成分下存在共晶反应L→α+β，如Pb-Sn系统包含包晶反应L+α→β，如Fe-C系统部分区域包有连续的固溶体区域，没有中间相，冷却过程中只有共晶组织由两相交替排列形成，具有独特的力学和物晶反应涉及液相和固相反应生成新相，动力学较慢，液相到固溶体的转变理性能常不完全二元相图根据组元间的相互作用和反应类型可分为多种类型完全互溶系统如铜-镍合金，两种金属在任何比例下都能形成均匀的固溶体，其相图特征是简单的液相线和固相线，冷却过程中只有液态到固态的转变，没有其他相变这类系统的合金性能通常随成分变化平稳，遵循混合规则共晶系统如铅-锡合金，在特定成分和温度下发生共晶反应，液态直接凝固为两种固态相的混合物三元相图相变基础形核长大1新相晶核的形成阶段，克服能垒，形成稳定核心晶核吸收原子长大阶段，取决于界面迁移和原子扩散达到平衡粗化4系统趋于热力学平衡，相和组织稳定3相变后期大晶粒吞并小晶粒，降低总界面能相变是材料从一种相态转变为另一种相态的过程，是控制材料微观组织和性能的关键机制相变通常包括形核和长大两个基本阶段形核是新相初始出现的过程，需要克服能垒，可分为均匀形核（在完整母相中自发形成）和非均匀形核（在缺陷、界面等处优先形成）非均匀形核的能垒较低，在实际材料中更为常见形核率受过冷度、界面能和扩散激活能等因素影响，决定了最终相的数量和分布第六章金属材料特种合金形状记忆合金、高温合金、非晶态金属等有色金属2铝、铜、镁、钛等轻金属及其合金钢铁材料碳钢、合金钢、不锈钢、工具钢等金属合金体系金属及其合金的基本分类和特性金属材料是人类最早使用的工程材料之一，也是现代工业的基础材料金属合金体系多种多样，根据基体金属可分为铁基、铝基、铜基、镁基、钛基等合金系统每种合金系统都有其独特的元素组合和性能特点，适用于不同的应用场景钢铁材料是使用最广泛的金属材料，按碳含量可分为钢（C

2.11%）和铸铁（C

2.11%）碳钢根据碳含量进一步分为低碳钢、中碳钢和高碳钢，合金钢则通过添加合金元素如Cr、Ni、Mo等改善特定性能钢铁材料铁碳相图描述Fe-C系统中相平衡关系，是理解钢铁组织和性能的基础碳钢分类低碳钢（C

0.25%）韧性好，用于板材、型材中碳钢（C

0.25-

0.6%）强韧性平衡，用于机械零件高碳钢（C

0.6%）高硬度，用于工具、弹簧合金钢低合金钢合金元素5%，提高强度和韧性不锈钢Cr11%，耐腐蚀，分奥氏体、铁素体、马氏体型工具钢高硬度和耐磨性，用于切削刀具铸铁灰铸铁石墨呈片状，减震性好球墨铸铁石墨呈球状，强韧性好白铸铁碳以Fe₃C形式存在，硬而脆铁碳相图是理解钢铁材料组织和性能的基础，描述了铁-碳合金在不同温度和碳含量下的相平衡关系纯铁在加热过程中经历从α铁（体心立方）到γ铁（面心立方）再到δ铁（体心立方）的同素异构转变碳在γ铁中的最大溶解度为

2.11%（共晶温度下），而在α铁中仅为

0.0218%（共析温度下）这种溶解度差异是钢铁热处理的理论基础热处理基本工艺铝合金与铜合金铝合金分类铝合金热处理铜合金种类•1xxx纯铝，导电性好•固溶处理溶解强化相•黄铜Cu-Zn，加工性好•2xxx Al-Cu系，热处理强化•淬火保持过饱和固溶体•青铜Cu-Sn，耐磨、耐蚀•3xxx Al-Mn系，加工硬化型•时效析出强化相•白铜Cu-Ni，耐蚀性好•4xxx Al-Si系，铸造性能好•典型处理状态T

4、T6等•铍青铜高强度、弹性好•5xxx Al-Mg系，耐蚀性好•铬锆铜高导电、高强度•6xxx Al-Mg-Si系，挤压性好•7xxx Al-Zn系，高强度铝合金是除钢铁外使用最广泛的金属结构材料，具有密度低、比强度高、耐蚀性好等优点根据合金成分和加工方式，铝合金分为九个系列（1xxx-9xxx）其中，2xxx、6xxx和7xxx系列是可热处理强化的合金，通过固溶-时效处理获得高强度；而3xxx、5xxx系列则主要通过加工硬化提高强度铝合金的热处理主要包括固溶处理（将强化相元素溶入铝基体）、淬火（快速冷却保持过饱和固溶体）和时效（控制沉淀相析出）三个步骤镁、钛及特种合金镁合金是最轻的工程结构金属材料，密度仅为

1.8g/cm³，具有比强度高、减震性好、散热性好等优点常见镁合金系统包括Mg-Al系（如AZ91）、Mg-Zn系、Mg-RE（稀土）系等镁合金的主要挑战是耐蚀性和阻燃性较差，通常需要表面处理和合金化改善镁合金广泛应用于航空航天、汽车轻量化、电子产品外壳等领域钛合金兼具轻量化（密度

4.5g/cm³）和超高强度，同时耐蚀性极佳，是航空航天和生物医学的重要材料第七章陶瓷材料陶瓷材料分类陶瓷材料特点•传统陶瓷黏土制品、玻璃、水泥•高硬度和耐磨性•先进陶瓷结构陶瓷、功能陶瓷、生物陶瓷•高温稳定性好•化学稳定性高陶瓷材料是无机非金属材料，通常由金属或半金属元素与非金属元素形成的化合物构成•绝缘性好•脆性大，抗冲击能力差陶瓷材料在建筑、电子、能源、生物医学等领域有广泛应用，是现代高科技产业的关键材料之一陶瓷材料是由无机非金属材料经过高温烧结而成的材料，具有独特的物理化学性能从成分上看，陶瓷材料主要由氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等组成；从结构上看，陶瓷多为离子键或共价键结合，结构紧密且稳定，导致其高硬度、高熔点和化学稳定性好等特点，但也造成了脆性大的缺点陶瓷材料的制备通常包括原料处理、成型、干燥和烧结等工艺步骤传统陶瓷1450°C600-1100°C瓷器烧结温度玻璃转变温度高温烧结形成致密微晶结构不同类型玻璃软化范围42MPa高强度水泥抗压强度现代建筑常用水泥标准传统陶瓷是人类最早使用的工程材料之一，至今仍在日常生活和工业生产中广泛应用黏土基陶瓷包括陶器、瓷器和砖瓦等，主要由黏土矿物（如高岭土）、长石和石英组成陶器烧结温度较低（800-1100°C），吸水性强，强度低；瓷器烧结温度高（1300-1450°C），致密度高，半透明，强度好黏土基陶瓷的制备工艺包括原料准备、成型（如注浆、可塑成型、干压成型）、干燥和烧结等步骤，每个步骤都影响最终产品的质量和性能先进陶瓷结构陶瓷功能陶瓷生物陶瓷以承受机械载荷为主要功能以特殊物理化学性能为主要用于人体组织修复或替代的的陶瓷材料，如氧化铝、氧功能的陶瓷材料，如压电陶陶瓷材料，如羟基磷灰石、化锆、碳化硅、氮化硅等，瓷、铁电陶瓷、磁性陶瓷、生物玻璃、生物陶瓷-聚合物具有高强度、高硬度、耐高介电陶瓷、超导陶瓷、光电复合材料等，具有良好的生温和耐磨损性能陶瓷等物相容性纳米陶瓷晶粒尺寸在纳米级的陶瓷材料，表现出特殊的力学、电学、光学和生物学性能，是陶瓷材料发展的前沿方向先进陶瓷是采用高纯度化学原料，通过精确控制的工艺制备的性能优异的陶瓷材料结构陶瓷主要用于承受机械载荷的场合，如氧化铝陶瓷用于切削工具和耐磨部件；氧化锆因其高韧性被用于刀具和发动机部件；碳化硅和氮化硅等非氧化物陶瓷耐高温、抗氧化，用于燃气轮机、发动机部件等通过引入增韧机制如相变增韧、纤维增韧等，现代结构陶瓷已大大改善了传统陶瓷的脆性问题陶瓷制备工艺粉末制备化学合成、机械粉碎、雾化等方法获得高纯度、细粒度、均匀粉末成型技术干压、等静压、注浆、挤出、注射成型等形成所需几何形状的生坯烧结过程高温热处理使颗粒结合，降低孔隙率，增强强度后处理精加工、表面处理等优化最终性能和外观陶瓷制备工艺是决定陶瓷材料最终性能的关键因素粉末制备是陶瓷制造的起点，高质量的粉末应具有高纯度、细粒度和均匀性制备方法包括固相反应法（如机械研磨）、液相法（如溶胶-凝胶法、水热合成法）和气相法（如化学气相沉积）等先进陶瓷通常采用化学合成方法获得纳米级、高纯度粉末，传统陶瓷则多采用天然矿物经破碎、精选获得原料粉末经过混合、球磨、造粒等预处理，使其具有良好的流动性和成型性第八章高分子材料聚合反应链式聚合和逐步聚合两种基本机制，形成各种不同结构的高分子链高分子材料分类热塑性塑料、热固性塑料、弹性体和纤维四大类，各具特点和应用领域高分子材料性能分子量、结晶度、取向性、交联度等微观结构决定宏观性能高分子材料加工多种成型方法将高分子加工成各种形状和尺寸的制品高分子材料是由大量重复结构单元（单体）通过化学键连接而成的长链分子构成的材料，具有轻质、绝缘、耐腐蚀等特点聚合反应是形成高分子链的基本过程，主要包括链式聚合（如自由基聚合、离子聚合）和逐步聚合（如缩聚、加聚）两种机制链式聚合的特点是反应速度快，单体浓度迅速降低，如聚乙烯、聚苯乙烯的形成；逐步聚合则是各种官能团逐步反应形成高分子，如聚酯、聚酰胺的合成重要聚合物种类热固性塑料弹性体一旦固化就不能再熔融的交联聚合物在室温下可大幅变形并能恢复的聚合物•环氧树脂粘合剂、复合材料•天然橡胶轮胎、密封件•酚醛树脂电气绝缘件•丁苯橡胶轮胎、鞋底热塑性塑料•不饱和聚酯船舶、建筑材料•硅橡胶医疗器械、密封件特种聚合物可反复加热软化和冷却固化的聚合物•聚氨酯泡沫、涂料•热塑性弹性体鞋类、工具把手•聚乙烯PE包装、容器具有特殊性能的高性能聚合物•聚丙烯PP汽车部件、家电•聚四氟乙烯PTFE不粘涂层•聚氯乙烯PVC管道、电线•聚醚醚酮PEEK高温工程塑料•聚苯乙烯PS一次性餐具•液晶聚合物LCP电子元件•聚酰胺PA工程塑料热塑性塑料是最常见的聚合物类型，可反复加热成型聚乙烯PE分为高密度HDPE和低密度LDPE两种，广泛用于包装材料、容器和薄膜；聚丙烯PP具有良好的耐热性和化学稳定性，用于汽车部件和家电外壳；聚氯乙烯PVC成本低廉，主要用于建筑材料如管道和型材；聚苯乙烯PS质硬透明，常见于一次性餐具和包装；聚酰胺PA即尼龙，具有高强度和耐磨性，是重要的工程塑料热固性塑料经过热固化后形成三维网络结构，不能再熔融加工环氧树脂具有优良的粘接性和化学稳定性，广泛用于复合材料和粘合剂；酚醛树脂是最早的合成塑料，具有良好的耐热性和电绝缘性；不饱和聚酯价格经济，用于玻璃钢制品；聚氨酯可制成硬质泡沫、软质泡沫和弹性体，应用广泛弹性体或橡胶类材料在常温下可大幅变形并能恢复原状，包括天然橡胶和各种合成橡胶特种聚合物如聚四氟乙烯特氟龙、聚醚醚酮PEEK等具有特殊性能，虽然价格昂贵，但在特定领域不可替代不同聚合物的选择取决于具体应用需求、性能要求和经济因素聚合物性能调控高分子加工技术挤出成型将熔融塑料通过模具连续挤出形成固定截面的产品，如管材、型材、薄膜等挤出机主要由螺杆、料筒、模具和冷却系统组成，适用于大多数热塑性塑料注射成型将熔融塑料高压注入闭合模具中，冷却固化后得到成品适合生产形状复杂、尺寸精确的塑料制品，是最常用的塑料加工方法之一吹塑成型将热塑性塑料管坯置于分开的模具中，通入压缩空气使管坯膨胀贴合模壁，冷却后得到中空制品主要用于生产各种塑料瓶、容器等高分子加工技术是将聚合物原料转化为有用产品的关键工艺挤出成型是一种连续生产工艺，适用于生产截面形状一致的制品挤出过程中，聚合物在螺杆的剪切作用下熔融，并在压力驱动下通过特定形状的模具，形成所需截面形状，然后经冷却定型挤出成型广泛用于生产管材、电缆外皮、薄膜和片材等注射成型是最常用的塑料加工方法，特别适合生产形状复杂、尺寸精确的产品注射过程包括熔融塑料注入闭合模具、保压、冷却和脱模等步骤注射成型的优点是生产效率高、自动化程度高、产品尺寸精确第九章复合材料复合材料基本概念由两种或多种不同性质的材料组合而成，保持各组分的物理和化学特性，并表现出优于单一组分的综合性能增强相承担主要负荷的组分，通常为高强度、高模量的纤维、颗粒或片状材料基体将增强相连接在一起的连续相，保护增强相并传递载荷，可以是金属、陶瓷或聚合物界面增强相与基体之间的结合区域，对复合材料的性能有决定性影响复合材料是由两种或多种不同性质的材料通过物理或化学方法组合而成的新型材料，各组分在宏观上仍保持其特性，但复合后的材料表现出优于单一组分的综合性能复合材料的设计原则是利用各组分的优势，规避其缺点，获得特定的性能组合典型的复合材料由增强相和基体两部分组成增强相通常具有高强度和高模量，是承担主要载荷的组分，常见形式包括连续纤维、短纤维、颗粒、晶须和片状材料等不同形状和尺寸的增强相赋予复合材料不同的性能特点典型复合材料系统纤维增强复合材料利用连续或短切纤维提供方向性增强颗粒增强复合材料利用分散颗粒提供各向同性增强层状复合材料不同材料层叠组合获得特殊性能功能梯度材料4组成或结构沿某一方向连续变化纤维增强复合材料是最重要的复合材料类型，利用高强度纤维提供方向性增强连续纤维复合材料具有最高的比强度和比模量，但各向异性明显，常见形式包括单向板、交叉层合板和编织复合材料代表性材料有玻璃纤维增强塑料（GFRP）、碳纤维增强塑料（CFRP）和芳纶纤维增强塑料（AFRP）等短纤维复合材料则通过随机分布的短纤维提供准各向同性增强，加工性更好，但强度低于连续纤维复合材料纤维增强复合材料广泛应用于航空航天、体育用品和汽车工业先进复合材料碳纤维复合材料陶瓷基复合材料金属基复合材料碳纤维具有高比强度和比模量，与环氧树脂等基体结合形成通过纤维增强或颗粒增强提高陶瓷材料的韧性，克服传统陶结合金属基体的韧性和增强相的高强度，获得优异的综合性轻质高强复合材料，广泛应用于航空航天、体育休闲和高端瓷脆性大的缺点，主要用于高温结构材料、热防护系统和刹能，如SiC增强铝合金用于航天结构件，碳纤维增强铝用于传汽车等领域车系统等输线等先进复合材料代表着材料科学的前沿发展方向，通过精心设计微观结构，实现了卓越的力学性能和特殊功能碳纤维复合材料是最成功的先进复合材料之一，碳纤维本身强度可达3-7GPa，模量达230-600GPa，密度仅为

1.7-

2.0g/cm³，与环氧树脂等基体结合后形成的复合材料具有极高的比强度和比刚度，远超传统金属材料碳纤维复合材料制造工艺包括预浸料热压成型、树脂传递模塑、缠绕成型和拉挤成型等，可以根据性能要求和结构复杂性选择合适的工艺第十章材料测试与表征微观结构表征分析材料内部结构、相组成和缺陷特征化学性能测试评估材料在化学环境中的稳定性和耐久性物理性能测试测量材料的密度、热学、电学和磁学等特性力学性能测试确定材料在外力作用下的行为和极限状态材料测试与表征是材料科学与工程的基础，为材料设计、选择和质量控制提供重要依据力学性能测试是最基本的材料评价方法，主要包括静态力学测试（如拉伸、压缩、弯曲）和动态力学测试（如冲击、疲劳、蠕变）这些测试可确定材料的强度、刚度、塑性和韧性等关键参数，对工程设计至关重要力学性能测试方法拉伸试验•测定强度、模量、延伸率•绘制应力-应变曲线•评估材料韧性和塑性•标准GB/T

228、ASTM E8压缩试验•测量抗压强度和压缩模量•评估脆性材料的强度•分析塑性变形与破坏模式•标准GB/T

7314、ASTM E9弯曲试验•测定抗弯强度和弯曲模量•适用于脆性材料如陶瓷•三点和四点弯曲两种方式•标准GB/T

232、ASTM D790硬度试验•布氏硬度大负荷，适合铸铁•洛氏硬度通用性强，操作简便•维氏硬度精度高，适合精密测量•邵氏硬度适用于弹性体和塑料力学性能测试是评估材料承受载荷能力的基本方法拉伸试验是最常用的力学性能测试，通过将标准试样拉伸至断裂，测量应力-应变关系，获取屈服强度、抗拉强度、弹性模量和断裂伸长率等参数从曲线形状还可分析材料的韧性和加工硬化特性压缩试验主要用于评估材料在压缩载荷下的行为，特别适合测试脆性材料（如陶瓷、混凝土）的强度，也用于分析金属在大塑性变形下的流动特性微观结构表征技术光学显微镜利用可见光成像，放大倍数一般在1000倍以下，分辨率约

0.2μm适合观察晶粒尺寸、相分布和缺陷等微观组织特征，样品制备简单，操作方便，是最基础的表征手段扫描电子显微镜利用电子束与样品表面相互作用产生的各种信号成像，放大倍数可达10万倍，分辨率可达1-10nm提供样品表面形貌的三维效果图像，并可通过能谱分析仪进行元素分析透射电子显微镜利用透过样品的电子束成像，放大倍数可达100万倍，分辨率可达

0.1nm能观察材料的原子排列、晶格缺陷、相界面等亚微观结构，是研究材料精细结构的强大工具微观结构表征技术是研究材料内部结构与性能关系的重要手段光学显微镜是最基础的微观表征工具，利用光的反射或透射原理观察材料表面经腐蚀后显现的微观组织金相显微镜主要用于金属材料，可观察晶粒大小、相分布、析出物等；偏光显微镜则适合观察具有双折射性的材料，如聚合物和矿物扫描电子显微镜SEM利用电子束扫描样品表面，收集二次电子或背散射电子信号成像，提供高分辨率的表面形貌信息，具有景深大、分辨率高的特点第十一章材料选择与设计需求分析材料筛选1明确性能要求和使用环境使用性能指数和约束条件进行初选方案优化4详细评估结构设计与材料选择协同优化考虑加工性、经济性和环保性材料选择与设计是材料科学与工程设计的桥梁，对产品性能、成本和可靠性具有决定性影响材料选择方法遵循系统化的流程首先明确性能需求和使用环境，包括力学性能、物理性能、化学性能等要求；然后根据这些要求建立材料选择指标和约束条件性能指数是材料选择的重要工具，如轻质刚性构件选用E¹/²/ρ（E为弹性模量，ρ为密度），轻质高强度构件选用σ²/³/ρ（σ为强度）等通过这些指数可以在材料性能图（Ashby图）上筛选出最佳候选材料材料选择案例分析航空航天材料需求高比强度、耐高低温、抗疲劳、可靠性高选择铝锂合金、钛合金、碳纤维复合材料、特种钢、耐热合金案例波音787使用50%以上复合材料，减重20%，提高燃油效率生物医用材料需求生物相容性好、力学匹配、耐腐蚀、无毒选择钛合金植入物、羟基磷灰石陶瓷、医用不锈钢、超高分子量聚乙烯案例髋关节假体采用钛合金-陶瓷-超高分子量聚乙烯组合设计电子信息材料需求导电/半导体特性、热稳定性、微细加工性选择高纯硅、化合物半导体、铜互连、低k介电材料案例从单晶硅到SiGe、GaN等新型半导体材料的演进能源材料需求高效能量转换与存储、长寿命、环保选择锂离子电池材料、光伏材料、燃料电池材料、超级电容器案例锂电池从钴酸锂向磷酸铁锂、三元材料等多元化发展航空航天材料选择面临极其严苛的性能要求，尤其需要高比强度和可靠性现代飞机结构从传统的铝合金逐步向先进复合材料转变，如波音787和空客A350大量采用碳纤维增强环氧树脂复合材料，使机体减重约20%，显著提高燃油效率航空发动机热端部件则选用镍基高温合金和陶瓷基复合材料，满足高温、高压、高速工作条件材料选择需综合考虑性能、加工性、检测难度和服役条件，建立科学的评估体系第十二章材料与可持续发展54%38%建筑与基础设施领域材料回收率全球金属材料循环利用率混凝土、钢材等建筑废弃物钢铁、铝、铜等金属回收比例9%塑料废弃物有效回收率塑料回收面临的最大挑战材料与可持续发展是当前材料科学研究的重要方向，面对资源短缺和环境污染的全球挑战，材料的生命周期管理变得越来越重要材料生命周期包括原材料获取、材料生产、产品制造、使用和废弃处理等阶段，每个阶段都涉及能源消耗和环境影响通过生命周期评价LCA方法，可以量化分析材料从摇篮到坟墓的全过程环境足迹，为可持续设计提供科学依据前沿材料研究方向纳米材料智能材料与结构能源材料研究尺度在1-100nm范围内的材料，表能够感知和响应外界刺激的材料，如形用于能量转换、存储和节约的功能材现出不同于常规材料的特殊性质，如纳状记忆合金、压电材料、磁流变材料、料，包括光伏材料、电池材料、超级电米粒子、纳米管、纳米线、纳米薄膜自修复材料等，是智能机器人、柔性电容器、热电材料等，对解决能源危机和等，在电子、能源、医学等领域有广泛子等新兴领域的关键材料环境问题具有重要意义应用前景生物材料用于医疗、保健和生物技术的特殊材料，如组织工程支架、药物递送系统、生物传感器等，是推动精准医疗和个性化治疗的基础纳米材料是当前材料科学研究的热点领域，由于量子尺寸效应和表面效应，纳米材料表现出独特的光学、电学、磁学和力学性能碳纳米材料如石墨烯、碳纳米管具有优异的导电性、导热性和力学性能，在复合材料增强、超级电容器、传感器等方面有广泛应用金属和金属氧化物纳米颗粒则在催化、医学诊断、药物递送等领域展现出独特优势智能材料与结构能够感知环境变化并做出相应响应，如形状记忆合金可通过温度变化恢复预设形状，压电材料能在机械形变和电荷之间相互转换，自修复材料能够自动修复损伤总结与展望材料科学发展历程从经验选材到理性设计，从宏观研究到微观机制，从单一材料到多功能集成当前研究热点纳米材料、智能材料、能源材料、生物材料、计算材料科学等未来发展趋势多学科交叉、绿色可持续、仿生设计、材料基因组、智能制造等4面临的挑战与机遇资源能源短缺、环境污染、气候变化、健康老龄化等重大问题驱动材料创新通过本课程的学习，我们系统地掌握了材料科学与工程的基本概念、理论和方法从原子结构与化学键开始，到晶体结构、相图、微观组织和各类材料体系，再到材料性能表征和材料设计，构建了完整的材料科学知识体系材料科学的发展历程反映了人类对物质世界认识的不断深化，从最初的经验选材发展到今天的理性设计和精准调控，材料科学已成为现代科技创新的重要基础和前沿领域。