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1、Introduction to Materials,1Introduction,材料概论,DJTU Materials Science&Engineering,2023/7/30,2,目的、内容：,1.Course Objective.Introduce fundamental concepts in Materials Science&.Engineering2.You will learn about:material structure how structure dictates properties how processing can change structure3.This
2、course will help you to:general understanding of materials properly,DJTU Materials Science&Engineering,2023/7/30,3,课程背景（课改）,1）参照国外材料学科教学经验，专业课前移；2）部分采用国外课件，了解国外教学内容、方法；3）部分课件采用英文表述方法，便于将来学术交流；4）根据情况，对部分教材内容进行适当调整；5）预先建立完整材料学概念，提高后续基础与专业课主动性、目的性。,2023/7/30,4,Required textbook:材料概论，徐晓虹主编，高等教育出版社，普通高等教
3、育“十五”国家级规划教材，2006。References:1）Materials Science and Engineering:An Introduction W.D.Callister,Jr.,7th edition,John Wiley and Sons,Inc.(2007).2）Essentials of Mterials Science and Engineering，(材料科学与工程基础），4th edition,Donald R.Ashkeland,Pradeep P.Phule,清华大学出版社，2005。,COURSE MATERIALS,2023/7/30,5,平时成绩 20
4、%，笔记、听课纪律；考核成绩80%（课程结束时）；考勤，不定期点名。,DJTU Materials Science&Engineering,成绩考核：,Contact E-mails:Si Wei:Gao Hong:,2023/7/30,6,1.1 材料科学与工程的内容1.2 材料的定义与分类1.3 材料的键合与性能1.4 材料的应用,DJTU Materials Science&Engineering,本次课主要内容:,1 材料科学与工程概况,2023/7/30,7,2023/7/30,8,DJTU Materials Science&Engineering,1.1 材料科学与工程的发展史,
5、10,000 BC,5,000 BC,1,000 BC,Ceramics,芳纶纤维,2023/7/30,9,DJTU Materials Science&Engineering,2023/7/30,10,Firestone 燧石 2,500,000-5,000 BC,First melting fresco壁画In Egypt 3,500 BC,Bronze Age 2,000 BC,First Casting of Cu4,000 BC,Natural Au&.Cu5,500 BC,Pottery 陶器 10,000 BC,DJTU Materials Science&Engineering
6、,2023/7/30,11,Bessemer,Steel 1855 AD,Earliest iron-product1,000BC-1450 AD,Electrochemical,Al 1886 AD,Nylon,1939 AD,integrate circuit，1958 AD,High T Superconductor,1987 AD,DJTU Materials Science&Engineering,2023/7/30,12,Array of micro-lasers5x5 microns显微激光阵列,nanometers Si wires emit visible light可发射可
7、见光的纳米硅线,Hip Implant 人工骨,X-33 plane prototype美国空天飞机原型机,DJTU Materials Science&Engineering,2023/7/30,13,1986年科学的美国人杂志指出“材料科学的进步决定了经济关键部门增长速率的极限范围。”1990年美国总统的科学顾问Allany.Bromley明确指出“材料科学在美国是最重要的学科”。1991年日本为未来工业规划技术列举的11项主要项目中有7项是基于先进材料基础之上。材料科学历来是技术进步的支柱和物质基础！,DJTU Materials Science&Engineering,2023/7/3
8、0,14,Oxygen 46.60%Silicon 27.70Aluminum 8.13Iron 5.00Calcium 3.63Magnesium 2.09Titanium 0.44Hydrogen 0.14Phosphorus 0.11Manganese 0.095.Carbon 0.02Total 93.00%,ELEMENTS IN EARTHS CRUST,DJTU Materials Science&Engineering,2023/7/30,15,Production of Materials(tons)-Bauxite 101 millionCoal 4,573 million
9、Iron ore 943 millionCement 1121 millionDiamond 44.2 million carats 200毫克,World Production of Materials,DJTU Materials Science&Engineering,2023/7/30,16,Steel 1,200.0 millionAluminum 18.0 millionCopper 8.8 millionZinc 7.0 millionLead 3.5 millionNickel 839 thousandMg 350 thousandTin 210 thousand,Molybd
10、enum 121 thousandTitanium 95 thousandW 43 thousandUranium 39 thousandSilver 14 thousandGold 1.9 thousandPlatinum 270 ton,WORLD PRODUCTION OF METALS(TONS),DJTU Materials Science&Engineering,2023/7/30,17,自然材料(木头、骨头、石头等)烧制材料(陶器、青铜、钢等)合成材料(聚合物、纤维、半导 体、纳米粉等)智能材料(传感器、自诊断、自 还原、自调节材料、Intelligent material，Sm
11、art material),材料的发展,DJTU Materials Science&Engineering,“自然界为劳动提供材料，劳动把材料变为财富”马克思,超弹性形状记忆合金太空天线,2023/7/30,18,1.2 什么是材料科学与工程（MSE）?,材料科学,材料工程,DJTU Materials Science&Engineering,2023/7/30,19,The properties of materials are decided by:the nature of their chemical bonds;their atomic ordering;their microst
12、ructures.The use of materials depends on:their availability;their cost;the methods of synthesis and production.The use of materials is influenced by:processing techniques;the facility that the materials to be shaped;their environmental acceptability.,DJTU Materials Science&Engineering,2023/7/30,20,材
13、料科学（科学）：主要研究、认识、开发材料组成、加工、结构与性能之间的关系。,DJTU Materials Science&Engineering,材料工程（技术）：将材料转化成实用、有效的制品或构件，解决材料应用的经济技术可行性；,2023/7/30,21,学科、专业设置,一级学科、材料科学与工程（学院、系）二级学科1）材料物理与化学：由分子、原子、电子层次研究材料 组成、性能，环境行为，表征（微观）;2）材料学：合成、研制、开发出可应用的新材料（宏观）；金属、无机非金属、高分子材料、复合材料3）材料加工：将材料转换成可应用的形状和制品：铸造、锻压、焊接、粉末冶金、热处理。材料科学与工程人类从
14、微观与宏观上对研制、生产、使用材料的总结,2023/7/30,22,加入环境要素：强调循环利用；降低环境影响；实现可持续发展。促进了材料与环境关系研究。五要素间，交互影响，相辅相成。,材料科学与工程的五要素新说,成分、结构,性价比、应用,合成、加工,性能,环境生态,DJTU Materials Science&Engineering,2023/7/30,23,DJTU Materials Science&Engineering,1.3 Levels of Material Structure,10-19 m 0.1nm,10-9 m 0.1-100 nm,10-6 m 0.1-100 m,10
15、-3 m 0.1 mm,Sub-atomic Structure,Crystal Structure,Macro-Structure,Micro-Structure,2023/7/30,24,Subatomic levelElectronic structure of individual atoms that defines interaction among atoms(interatomic bonding).Atomic levelArrangement of atoms in materials for the same atoms can have different proper
16、ties,e.g.two forms of carbon:graphite and diamond.Microscopic structureArrangement of small grains of material that can be identified by microscopy.Macroscopic structureStructural elements that may be viewed with the naked eye.,2023/7/30,25,结构尺度与分析方法,DJTU Materials Science&Engineering,millimeter=10-
17、3=1mm,2023/7/30,26,DJTU Materials Science&Engineering,2023/7/30,27,DJTU Materials Science&Engineering,1.4 性能与结构,2023/7/30,28,化学键与 Tm的关系,Bond length,r Bond energy,Eo,Melting Temperature,Tm Energy(r),Tm is larger if Eo is larger.,r,DJTU Materials Science&Engineering,2023/7/30,29,Coeff.thermal expansio
18、n,Energy(r),is larger if Eo is smaller,Coefficient of thermal expansion,summitry at ro,DJTU Materials Science&Engineering,化学键与 的关系,2023/7/30,30,DJTU Materials Science&Engineering,2023/7/30,31,Carbon,DJTU Materials Science&Engineering,2023/7/30,32,1.5 材料的定义,材料：一般是指具一定组分、结构和性能,经某种加工、开采、运输,适于一定用途的固态物质。
19、通常燃料、化学原料、化学中间品、食物和药物等气体、液体和易燃固体等,都不算是材料。,DJTU Materials Science&Engineering,2023/7/30,33,按原子结构及价键，可分为：（1）金属及其合金（金属键）（2）有机聚合物（共价键及二次键合）（3）陶瓷（离子键或共价键）,DJTU Materials Science&Engineering,1.6 材料的分类,2023/7/30,34,DJTU Materials Science&Engineering,1）总体分类：金属、陶瓷、有机聚合物及其复合材料,2023/7/30,35,DJTU Materials Scie
20、nce&Engineering,2）按使用性能分类结构材料力学性能 主要是利用它的力学性能，用于需承受一定载荷的设备、零部件、建筑结构等。功能材料物理性能 主要利用其特殊物理性能（如电、热、磁、光、声等），用于制造各种电子器件、光敏元件绝缘材料等 结构功能一体化材料综合性能 考虑力学性能和物理性能统一，目前研究热点之一，复合结构/隐身材料、轻质复合防弹材料、高阻尼泡沫金属材料等。,2023/7/30,36,DJTU Materials Science&Engineering,3）按应用领域分类,2023/7/30,37,4）按材料内部原子排列情况分类：晶 态：原子或分子在空间规则排列；非晶态：
21、5）按材料热力学状态分类：稳 态：性能不受时间变化影响；非稳态：6）按材料尺寸分类：零维纳米粉体；一维纤维及晶须；二维薄膜；三维块体材料,DJTU Materials Science&Engineering,2023/7/30,38,黑色金属及合金（钢铁材料）碳 钢：C 0.02-1.7%合金钢：低合金钢:5%合金元素,不锈钢 铸 铁：C1.7%有色金属及合金 轻 金 属:Al,Mg,重 金 属:Cu,Pb,稀有金属:W,Ti,V,稀土,贵 金 属:Au,Ag,Pt,DJTU Materials Science&Engineering,（1）金属材料分类,2023/7/30,39,按用途分：塑
22、 料通用塑料：指产量大、用途广、成型性好、价格便宜的塑料,基本有五大品种,聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯及ABS 工程塑料：工程塑料是指满足机壳、齿轮、光学、密封等工业零件使用的塑料。主要有聚酰胺（尼龙）、ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料)、聚碳酸酯、尼龙、聚甲醛、改性聚苯醚热塑性聚酯等。合成纤维：人工合成的、具有适宜分子量并具有可溶性的线型聚合物，如聚丙烯腈、聚酯、聚酰胺等。橡 胶：由橡胶树等植物提取的胶乳,制成的具有弹性、绝缘性、不透水和空气的高弹性的高分子化合物。,DJTU Materials Science&Engineering,（2）有机聚合物材料分类,2023/7/30,4
23、0,Polymers include“Plastics”and rubber materials,DJTU Materials Science&Engineering,2023/7/30,41,reinforcing glass fibers in a polymer matrix.,Polymer composite materials:,2023/7/30,42,普通（传统）陶瓷材料：主要为为硅、铝氧化物的硅酸盐材料日用、建筑、洁卫材料；精细（新型）陶瓷材料：主要为高熔点的氧、碳、氮、硅化物等烧结材料，压电陶瓷、透明防弹、叶片、刀具、密封、轴承、火箭喷嘴、炉管等 优点：重量轻、强度高、硬度
24、高、熔点高、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、特殊功能、绝缘体、半导体、超导体。缺点：容易脆断，韧性差，不易加工成形。,DJTU Materials Science&Engineering,（3）陶瓷材料分类,、,2023/7/30,43,碳的同素异形体,金刚石、石墨、富勒烯,DJTU Materials Science&Engineering,碳纳米管,2023/7/30,44,碳纳米管,DJTU Materials Science&Engineering,2023/7/30,45,DJTU Materials Science&Engineering,WC,Si3N4,High Purity Al2O
25、3,Rotor(Alumina),2023/7/30,46,Machinable Glass Ceramics,DJTU Materials Science&Engineering,2023/7/30,47,按基底分类：高分子基复合材料 金属基复合材料 陶瓷基复合材料复合材料第一代：玻璃钢玻璃纤维增强树脂的材料 第二代：碳纤维增强塑料飞机、球拍第三代：硼纤维增强铝基体复合材料；SiC短纤维和Al2O3颗粒增强铝基复合材料；第四代：C/SiC表面改性轻质高强高温复合材料。,DJTU Materials Science&Engineering,（4）复合材料分类,2023/7/30,48,Give
26、 up valence electronsReadily accept electrons,在分子中，元素原子吸引电子的能力叫作元素的电负性。电负性越强的原子越容易接受电子。元素间电负性差X 1.7，发生电子转移，形成离子键；X 1.7，不发生电子转移，形成共价键,The Periodic Table of the Elements,1.7 材料的键合,DJTU Materials Science&Engineering,2023/7/30,49,DJTU Materials Science&Engineering,（1）金属键 Metallic bonding,金属材料具有1，2或3个价电子
27、 价电子不被任何原子束缚，在 整个金属中自由流动，形成围 绕离子核的“海洋”金属键可弱可强，没有饱和性、方向性 金属键使金属具有良好的导热 性、导电性、延展性和塑性,2023/7/30,50,DJTU Materials Science&Engineering,共用电子对 例:CH4 C:有4个价电子 H:有1个价电子,碳原子提供的电子,（2）共价键 Covalent boding,氢原子提供的电子,具有饱和性和方向性,H,2023/7/30,51,共价键,DJTU Materials Science&Engineering,非金属元素分子 金属和非金属构成的分子 元素单质 IVA复合物,20
28、23/7/30,52,出现在阴阳离子之间，发生了电子转移 元素间电负性差X 1.7 没有饱和性和方向性 例:NaCl,Na(metal)UnstableNa(cation)stable,Cl(nonmetal)unstable Cl(anion)stable,DJTU Materials Science&Engineering,（3）离子键 Ionic bonding,2023/7/30,53,DJTU Materials Science&Engineering,离子键,2023/7/30,54,Secondarybonding,Secondarybonding,偶极振动 Fluctuatin
29、g dipoles 不均匀电子云,+,Secondary bonding,H,H2,H,H,H,H2,Ex:liquid H2,Secondary bonding,永久偶极 Permanent dipoles,H Cl,H Cl,+,general case:ex:liquid HCl ex:polymer,+,secondary,bonding,DJTU Materials Science&Engineering,（4）二次键合 Secondary bonding,2023/7/30,55,1.9 材料综合应用,“黑匣子”-航空飞行记录器：装有飞行数据记录器和舱声录音器，飞机各机械部位和电子
30、仪器仪表都装有传感器与之相连，能把飞机停止工作或失事前半小时技术参数和舱内声音记录下来供事故分析之用。,DJTU Materials Science&Engineering,2023/7/30,56,DJTU Materials Science&Engineering,坠毁生存记录单元CSMU,2023/7/30,57,黑匣子欧洲标准：(1)能在5毫秒内经受住1kg的冲击力。(2)能在5分钟内,从长、宽、高3个方向经受住每平方英寸5000磅(2270公斤)的冲击力。(3)应能承受于从3.05米高度掉落在直径仅6.35毫米圆锥面（相当500磅冲击力）。(4)应能经受飞机上各种液体或在3米深海水里
31、连续浸泡30天。(5)在1小时内经受1100的高温考验。,DJTU Materials Science&Engineering,2023/7/30,58,电子黑匣子的CSMU使用三层保护内存的材料，隔离和保存存储数字信息内存片。铝壳，环绕内存卡有一铝薄层。高温绝缘体，1英寸（2.54cm）干石英材料提供高温保护。不锈钢外壳，厚0.64cm，通常用钛合金制成。存取记忆元件，集成电路、传感器、记录元器件等,DJTU Materials Science&Engineering,2023/7/30,59,第一课小结:,DJTU Materials Science&Engineering,三、材料的分类,一、材料科学与工程的研究内容与重要性,二、材料的定义材料与物质的区别,金属材料,有机聚合物,陶瓷材料,金属键,共价键或二次键合,离子键或共价键,复合材料,2023/7/30,60,WHAT IS MATERIALS SCIENCE&ENGINEERING(MSE)?,
