复旦大学：《材料科学导论》课程教学资源（课件讲义）第一章 材料科学概论 Introduction to Materials Science（主讲：杨振国）

/OND 第一章材料科学概论 1.1材料与物质 1.2材料的分类 1.3材料与社会发展 1.4材料科学与工程 1.5材料科学在工程中的作用 1.6材料科学技术的发展重点 2021年9月 复旦大学材料科学系

5 第一章 材料科学概论 1.1 材料与物质 1.2 材料的分类 1.3 材料与社会发展 1.4 材料科学与工程 1.5 材料科学在工程中的作用 1.6 材料科学技术的发展重点 2021年9月 复旦大学材料科学系 月

/OND 1.1材料与物质 ●材料是一切科学技术的基础,是人类赖以生存和发 展的物质基础,也是人类社会文明程度的里程碑标志。 ■物质( matter)是具有时间、质量并占据空间的任何 东西,一般分为能量、时空、形象等三类物质。 材料( material)是指有形且有用的一种物质。 ●物质与材料的区别 物质( matter)反映基本性质( property); 材料( material)反映宏观性能( performance)

6 1.1 材料与物质 ● 材料是一切科学技术的基础, 是人类赖以生存和发 展的物质基础, 也是人类社会文明程度的里程碑标志。 ■ 物质 (matter) 是具有时间、质量并占据空间的任何 东西，一般分为能量、时空、形象等三类物质。 ■ 材料 (material) 是指有形且有用的一种物质。 ● 物质与材料的区别 物质 (matter) 反映基本性质 (property)； 材料 (material) 反映宏观性能 (performance)

/OND 1.2材料的分类 ●从现代科技发展来看,20世纪70年代把材料、信息 和能源列为现代社会文明的三大支柱;20世纪80年代以 高新技术为代表的新技术革命,再次把新材料、信息技 术和生物技术列为重要标志;21世纪美国把与材料密切 相关的四大技术:纳米技术、生物技术、信息技术和认 知技术列为未来发展的重中之重,材料时刻影响着人们 的生活质量及其生活方式。 ●目前,材料品种有数千万种,每年以20多万种新材料 不断增长。虽然材料种类繁多,但大致分为五类: 金属、陶瓷、聚合物、复合材料和半导体材料。前 三类是基础材料,后二类是经过特殊加工的、面向现代 生活的、不可或缺的基础材料

● 从现代科技发展来看，20世纪70年代把材料、信息 和能源列为现代社会文明的三大支柱；20世纪80年代以 高新技术为代表的新技术革命，再次把新材料、信息技 术和生物技术列为重要标志；21世纪美国把与材料密切 相关的四大技术：纳米技术、生物技术、信息技术和认 知技术列为未来发展的重中之重，材料时刻影响着人们 的生活质量及其生活方式。 ● 目前，材料品种有数千万种，每年以20多万种新材料 不断增长。虽然材料种类繁多，但大致分为五类： 金属、陶瓷、聚合物、复合材料和半导体材料。前 三类是基础材料，后二类是经过特殊加工的、面向现代 生活的、不可或缺的基础材料。 1.2 材料的分类 7

/OND 1.化学键合( chemical bond) (1)金属材料 metallic materials) ●金属材料是以金属元素为主、通过冶炼方式制成的一类 晶体材料,原子间键合是金属键 ■特点:强度高、延展性好、导电导热,但易腐蚀、不透明。 目前,金属材料占整个结构材料的80%以上。 1)黑色金属( ferrous metals) 以Fe元素为基的钢铁材料,如碳钢、不锈钢、铸钢等。 2)有色金属(non- -ferrous metals) 除Fe元素以外的一些特殊金属,比如Mg、Al、T Zn、Ni、Cu等6种金属

8 ● 金属材料是以金属元素为主、通过冶炼方式制成的一类 晶体材料，原子间键合是金属键。 ■ 特点：强度高、延展性好、导电导热，但易腐蚀、不透明。 目前， 金属材料占整个结构材料的 80％以上。 1) 黑色金属（ferrous metals） 以Fe元素为基的钢铁材料，如碳钢、不锈钢、铸钢等。 2) 有色金属（non-ferrous metals） 除Fe元素以外的一些特殊金属，比如Mg、Al、Ti 、 Zn、Ni、Cu等6种金属。 (1) 金属材料 (metallic materials） 1. 化学键合（chemical bond）

/OND (2)陶瓷材料( ceramic materials) 陶瓷材料是由非金属元素或金属元素与非金属元素 组成的、采用烧结或合成工艺制备的一类无机非金属材 料。普通陶瓷原子间键合是离子键,先进陶瓷是共价键。 ■特点:硬度高、耐高温、绝缘,但脆性、难加工 1)普通陶瓷{ pottery, porcelain) 以天然硅酸盐矿物为原料,通过烧结而成的普通陶 瓷。例如,玻璃、水泥、耐火砖、陶器、瓷器等。 2)先进陶瓷( ceramic 以高纯度无机粉末为原料,采用化学方法合成的先 进陶瓷,比如A2O3、SiC、Si3N4、TB2、MoSi2等

9 (2) 陶瓷材料 (ceramic materials） ● 陶瓷材料是由非金属元素或金属元素与非金属元素 组成的、采用烧结或合成工艺制备的一类无机非金属材 料。普通陶瓷原子间键合是离子键，先进陶瓷是共价键。 ■ 特点：硬度高、耐高温、绝缘，但脆性、难加工。 1）普通陶瓷(pottery, porcelain) 以天然硅酸盐矿物为原料，通过烧结而成的普通陶 瓷。例如，玻璃、水泥、耐火砖、陶器、瓷器等。 2）先进陶瓷(ceramic): 以高纯度无机粉末为原料，采用化学方法合成的先 进陶瓷，比如Al2O3 、SiC、 Si3N4 、TiB2、 MoSi2 等

/OND (3)聚合物( polymeric materials) ●聚合物是以碳、氢元素为主的、主链由结构单元重复连 接而成的一类高分子化合物。原子间键合主要是共价键。 ■特点:轻质、耐蚀、绝缘、易加工,但强度低、耐热性差。 1)塑料( plastic) a.热固性树脂( themosetting resin):三维健合 环氧树脂EP)、不饱和聚酯(UP)酚醛(PF等。 b.热塑性塑料( thermoplastic:线性健合 通用塑料(PE,P,PⅤC,PS)、工程塑料(PET,PC,ec) 和特种塑料(PI,PEEK,PES,etc)

10 ● 聚合物是以碳、氢元素为主的、主链由结构单元重复连 接而成的一类高分子化合物。原子间键合主要是共价键。 ■ 特点：轻质、耐蚀、绝缘、易加工，但强度低、耐热性差。 1）塑料（plastic） a. 热固性树脂（themosetting resin）：三维键合 环氧树脂(EP)、不饱和聚酯(UP)、酚醛(PF)等。 b. 热塑性塑料 (thermoplastic)：线性键合 通用塑料(PE, PP, PVC, PS)、工程塑料(PET, PC, etc) 和特种塑料 (PI, PEEK, PES, etc) 。 (3) 聚合物 (polymeric materials）

/OND 3)聚合物( polymeric materials) 2)纤维( fiber) 有机纤维,如PP,PA,PET,PAN等。 3)橡胶( rubber) 天然橡胶(NR)、丁苯橡胶(SBR)丶丁腈橡胶(ABR等; 4)涂料( coating) 5)米接剂( adhesive)

11 2）纤维 （fiber） 有机纤维 , 如 PP, PA, PET, PAN等。 3） 橡胶（rubber） 天然橡胶(NR)、丁苯橡胶(SBR)、丁腈橡胶(ABR)等； 4） 涂料（coating） 5） 粘接剂（adhesive） (3) 聚合物 (polymeric materials）

/OND (4)复合材料( composite materials ●复合材料是由二种以上材料组成的、采用特殊加工制 成的、面向工程应用的一类组合材料。原子间键合是混 合键。 ■特点:比强度高、比模量高、性能可设计,但界面较弱。 金属基复合材料 陶瓷基复合材料 结构复合材料聚合物基复合材料 碳碳基复合材料 复合材料 导电导磁复合材料 功能复合材料 发光显示复合材料 阻尼吸声复合材料 屏蔽功能复合材料

(4) 复合材料 (composite materials） ● 复合材料是由二种以上材料组成的、采用特殊加工制 成的、面向工程应用的一类组合材料。原子间键合是混 合键。 金属基复合材料 屏蔽功能复合材料 复合材料 结构复合材料 功能复合材料 陶瓷基复合材料 聚合物基复合材料 碳碳基复合材料 导电导磁复合材料 发光显示复合材料 阻尼吸声复合材料 ■ 特点: 比强度高、比模量高、性能可设计， 但界面较弱

/OND 图1-1B-2A隐形轰炸机表面吸波性好的 碳纤维复合材料

13 图 1-1 B-2A隐形轰炸机表面吸波性好的 碳纤维复合材料

/OND (5)半导体材料( semiconductor materials) ●半导体材料是以S、Ge等元素以共价键方式结合的、电 性能可控的一类单晶体材料,也包括化合物半导体、有机 电子等多晶体材料和非晶体材料。 ■特点:导电性介于导体和绝缘体之间,化学纯度和表 面加工精度高,但性能易受成分、尺寸、加工等影响。 1)元素半导体材料( (element semiconductor materials) Si、Ge(VA族元素) 2)化合物半导体材料( compound semiconductor materials GaAs、InP(IV族化合物)、CdTe(IⅥ族化合物) 3)非晶体有机半导体材料 聚噻吩(P3TH、聚苯胺(PAN、聚对苯乙烯(PP等

●半导体材料是以Si、Ge等元素以共价键方式结合的、电 性能可控的一类单晶体材料, 也包括化合物半导体、有机 电子等多晶体材料和非晶体材料。 ■ 特点：导电性介于导体和绝缘体之间，化学纯度和表 面加工精度高，但性能易受成分、尺寸、加工等影响。 1）元素半导体材料(element semiconductor materials） Si、Ge (IVA族元素) 2）化合物半导体材料(compound semiconductor materials) GaAs 、InP(III-V族化合物)、 CdTe(II-VI族化合物) 3）非晶体有机半导体材料 聚噻吩 (P3TH)、聚苯胺(PANI)、 聚对苯乙烯(PPV)等。 (5) 半导体材料 (semiconductor materials）