材料科学与工程概述上

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1、材料科学与工程概述熊国兴催化基础国家重点实验室2008.04.11《咨询委员会讲座》主要内容一、材料的定义与分类二、所内材料领域相关工作简介三、材料发展趋势及建议材料的定义与分类材料：人类用于制造物品，器件，构件，机器或其它产品的那些物质。材料是物质，但不是所有物质都可以称为材料。材料是人类技术进步的标志，常常被用来区分人类文明史的不同阶段。材料的定义在人类的生活和生产中，材料是必需的物质基础。新材料的使用对人类历史的发展起了重要的作用。20世纪70年代人们曾把材料、信息、能源归纳为现代文明的三大支柱，现在又预言新的技术

2、革命即将来临，并且把信息技术、生物技术和新型材料作为这次革命的重要标志。材料与人类文明史石器时代青铜器时代铁器时代新材料时代中国中东欧美050010001500180019001950199020001000500200030004000500060009000公元前石斧司母戊鼎沧州铁狮子Intel双核处理器电子材料先进陶瓷复合材料软材料…中国四大发明另一项重大发明：陶瓷（China中国，china瓷器）8000～9000年前，处于新石器时代的人类发明了用粘土成型，再火烧固化的陶器。目前，陶瓷材料已经广泛应用于从航空航天

3、到日常生活等许多领域。造纸术司南（磁性材料）火药（含能材料）四大发明中三项直接与材料相关，活字印刷也与材料有关2006年9月，美国《金属杂志》发起了评选材料科学与工程历史上“最伟大的材料事件”活动,经半年多轮的评选后,于2007年3月1日，美国矿物、金属与材料学会的年会上，揭晓了评选结果。前50项“最伟大的材料事件”中，材料制备技术及工艺占17项，新材料和新器件的发明占12项，提出新原理、新规律与揭示新结构、新现象占18项，先进仪器设备的发明占3项。从此50项可以看出，古代材料与技术方面的重大事件大多出自中国、埃及、伊朗

4、、印度和土耳其等东方国家，包括炼铁术、炼钢术、铜提取术及炼铜术、铁铸造技术、玻璃的发明等等。中国古代金属业劳动者开发的铁铸造工艺和制陶艺人使用高岭土制备首批精细陶瓷榜上有名。然而，近代材料发展中的重大事件（1900年后）几乎全部由美、英、德等西方科学家与发明家包揽，表明西方工业发达国家主导着近代材料科学与工程的发展。材料的作用1.制造生产工具及武器，改造自然。2.制造生活用具，改善生活条件。3.记录人类活动信息。能够长久保存的材料常常被用来制造特殊器物，用作宗教，民族，国家权力的象征。《汉书·郊祀志》：“禹收九牧之金，铸

5、九鼎，象九州。”自古以来，能够长久保存的材料就被人们用来记录历史上发生的重大事件以及人类文明的重要成果（信息材料）。石刻龟板磁盘，光盘DNA金属丝绸竹简纸电磁波?结构材料与功能材料材料的分类（以成分）金属：金，银，铜，铁，合金…非金属：陶瓷（氧化物，氮化物，碳化物等）、玻璃、半导体、碳材料C60(1996年诺贝尔化学奖)等。高分子：塑料（聚乙烯，聚苯乙烯等）、树脂（酚醛树脂等）、橡胶、有机光电子材料、有机信息材料等用于烯烃聚合的Zigeler-Natta催化剂(1963年诺贝尔化学奖)复合材料：包括不同组分的复合，具有不

6、同结构功能的材料天然复合材料(木材，竹子)钢筋混凝土树脂基复合材料(粘土聚合物复合材料)碳碳复合材料(2004年国家技术发明奖一等奖)材料的分类（以晶相）晶体：内部原子以规则，对称并周期性重复排列的状态存在的物体称为晶体，晶体具有各向异性的特点。人们对材料晶相结构的认识经历漫长曲折的过程：★古希腊人认为水晶是硬化的冰，给水晶取名为“晶体”，希腊语中“因冷而凝结的意思”。★西汉时代《韩诗外传》：“凡草木花五出，独雪花六出”。★1669年，N.Steno发现晶面角守恒定律。E.Bartolins发现方解石的光学各向异性和可解

7、理性。★1774-1784年，R.J.Hauy提出晶胞的概念，认为它是构成晶体的基本单元。★十九世纪，A.Bravais提出空间点阵学说，认为所有晶体可分为7个晶系，14种空间点阵和32种晶类。非晶体：内部原子取向和位置短程有序，长程无序的物体称为非晶体，又称为玻璃态。大部分材料都可以采用熔融态淬火的方法制备为非晶态。大部分有机聚合物是非晶态，没有凝点只有软化点温度。材料的分类（以晶相）晶体：★1912年，V.Laue利用ZnS晶体作为光栅，得到了最早的X射线衍射照片。金属和陶瓷是我们最常见的晶体。衍射花样反映了沿ZnS

8、立方晶体的一个主轴的四次旋转对称性，Laue的结果从实验上证实了晶体点阵的客观存在和X射线的波动性，被誉为物理学历史上最美的实验之一。单晶、多晶、微晶与非晶材料。同样组成不同晶体结构材料性质完全不同液晶：一些物质的晶态结构受热熔融或被溶剂溶解后，变成具有流动性的液体，分子位置无序，但结构上仍然保持有序排列（分子取向仍