1材料科学概述

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1、第一章材料科学概述一、材料科学的发展背景1.什么是材料和材料科学是人类赖依生存和发展的物质基础，是国民经济的物质基础。（人的衣、食、住、行、通讯等）材料：广义的材料包括人们的思想意识之外的所有物质(substance)，材料无处不在，无处不有。材料是物质，但不是任何物质都可称为材料。“材料是为人类社会所能接受的，经济地制造有用器件的物质”（肖纪美）“材料是经过萃取、反应、加工、处理后具有某种确定的物理和化学性质的物质。”（李景德）以材料的性能、结构及相关应用为研究对象，介于基础科学与应用科学之间的基础应用科学。集物

2、理学、化学和冶金学等于一体的一门的综合性或交叉性学科。材料科学：生命科学（生物科学）也已渗入并将更为深刻地渗入2、材料对人类社会发展起到的作用（1）材料的发明、研制和应用在很多情况下被用作人类社会发展时代划分的标志。如对古代历史从物质、生产力发展角度往往依据使用工具的材料而划分为石器时代、陶器时代、铜器时代、铁器时代等。材料是人类社会生存和发展的重要基础，自远古至现代，人类都在不断地发明、研究和应用各种材料，材料对人类社会发展所起的作用在各个历史阶段虽表现出不同的特性，但都是重要、广泛和划时代的，大致表现在以下三个

3、方面。以材料的发展划分人类历史:旧石器时代:（B.C.10～1万年）以天然石块凿成棱边锋利的新石器时代:（B.C.6000～4000年）出现磨光的工具。工具或武器。石器时代：（公元前10万年）石斧、凿、刀、铲、箭头、纺轮、钵等（西安半坡遗址）石斧人类文明史与材料的发展阶段密切相关的陶瓷时代：（B.C.6000～4000年）出现了烧炉。青铜器时代：（（公元前3000年））B.C.8000年，纯铜的发现和加工；B.C.2000～1500年铜矿石的开采和冶炼。铁器时代：（公元前1000年）B.C.1000年之后欧洲进入“

4、铁器时代”。湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄中国古代铁器的金相组织理论上：量子理论、统计物理、固体电子论、晶体结构近代物理使材料科学进入一个崭新的阶段：实验上：劳厄X射线法窥探晶体结构。可在超高真空、等理论的建立和发展使深入、正确地描述晶体内微观粒子运动成为可能。超低温或超高压下借助各类电子显微镜观察、甚至操纵、安排原子分子的排列。近代：玻璃、瓷器、及铝工业；现代：高分子聚合物材料、超导材料、纳米材料等水泥时代（公元0年）钢时代（1800年）硅时代（1950年）新材料时代（1990年）（2）材料的发展推进着人类物质文明的

5、发展。人类从原始的野蛮时代发展到今天的文明时代，一个重要的原因就是人们不断地发明、研制和利用了各种新的材料。例如：建筑材料的出现和发展使人类从洞穴生活中走了出来，并不断地改善自己的居住环境。纺织材料的发展使人类改变了衣不蔽体的形象，并不断地在外观上美化自身。金属材料的发展使人类制造出各种工具，极大地减轻了人们手、脚、肢体的负担，并且增强了人们征服自然的能力。能源材料的发展使人类生活得越来越来方便，越来越来舒服。电力、电工材料的发展是人类走进电时代的重要基础，电现在成了文明社会最不可缺的东西。电子、信息材料的发展现在

6、正在极大地改变着人们交流和活动的方式。“秀才不出门，全知天下事”到现在才应该说能真正实现了。(3)新材料是现代科技发展的生长点现代科技的兴起和发展常常是与某种或某类新材料的出现相联系的。例如：铀等核材料→原子能科技；半导体材料→电子科技→计算机科技；激光材料→激光科技及现代光学；光纤材料→光纤通讯；高温超导材料→超导科技的高潮；敏感材料→传感器技术磁性记录材料→高密度存储器技术纳米材料→纳米技术，C60→富勒烯科技的大发展。（一）材料科学的内涵材料科学是一个跨物理、化学等的学科。材料科学的核心问题是材料的组织结构（

7、Structure）和性能（Property）以及它们之间的关系。右图为材料科学与工程四要素。所以，先要了解材料的结构是什么？材料结构关系材料的结构包括不同晶体结构和非晶体，以及显微镜下的微观结构，哪些主要因素能够影响和改变结构？只有了解了这些才能实现控制结构的目的。材料的性能包括物理性能、化学性能、力学性能。其内部结构包括四个层次：①原子结构；②结合键；③原子的排列方式；④显微组织（二）材料科学与材料工程的关系材料科学的形成：“材料”早存在，“材料科学”提出于20世纪60年代，1957年苏联卫星上天，美国震动很大

8、，在大学相继建立十余个材料科学研究中心，自此开始，“材料科学”一词广泛应用。一般来讲，科学是研究“为什么”的学问，而工程是解决“怎么做”的学问。材料科学的基础理论，为材料工程指明方向，为更好地选择、使用材料，发挥现有材料的潜力、发展新材料提供理论基础。材料科学和材料工程之间的区别主要在于着眼点的不同或者说各自强调的中心不同，它们之间并没有一条明确的界线，因此