第1章新材料概论课件.ppt

1、新材料概论新材料概论课程设置的指导思想：课程设置的指导思想： 材料是人类赖以生存和发展的物质基础，是所有科技进步的核心，是高材料是人类赖以生存和发展的物质基础，是所有科技进步的核心，是高新技术发展和社会现代化的先导，是一个国家科学技术和工业水平的反映和新技术发展和社会现代化的先导，是一个国家科学技术和工业水平的反映和标志。新材料的出现和使用往往会给技术进步、新产业的形成，乃至整个经标志。新材料的出现和使用往往会给技术进步、新产业的形成，乃至整个经济和社会的发展带来重大影响。不断开发和有效使用材料的能力是衡量社会济和社会的发展带来重大影响。不断开发和有效使用材料的能力是衡量社会技术水平和未来技术

2、发展的重要尺度。技术水平和未来技术发展的重要尺度。著名材料学家、两院院士著名材料学家、两院院士师昌绪师昌绪现代科技与现代文明现代科技与现代文明信信息息材材料料能能源源新技术革命新技术革命信信息息新新材材料料生生物物美国国家研究委员会一份提交美国国会的题为美国国家研究委员会一份提交美国国会的题为“2020世纪世纪9090年代年代的材料科学技术：在材料的时代里保持竞争力的材料科学技术：在材料的时代里保持竞争力”的研究报告指的研究报告指出：先进材料和先进材料工艺对国家的生活水平、安全及经济出：先进材料和先进材料工艺对国家的生活水平、安全及经济实力起着关键性的作用。先进材料是先进技术的奠基石。材料实力

3、起着关键性的作用。先进材料是先进技术的奠基石。材料的影响不仅限于具体的产品，千千万万的就业机会就依赖于我的影响不仅限于具体的产品，千千万万的就业机会就依赖于我们所拥有的高质量特殊材料。材料也是处理诸如环境污染、自们所拥有的高质量特殊材料。材料也是处理诸如环境污染、自然资源的不断减少及其价格膨胀等一些紧迫问题的工具。材料然资源的不断减少及其价格膨胀等一些紧迫问题的工具。材料科学与工程对影响美国经济及国防力量的重要工业部门的兴旺科学与工程对影响美国经济及国防力量的重要工业部门的兴旺发展是至关重要的。发展是至关重要的。 但是，新材料和新材料技术能够切实充分发挥推但是，新材料和新材料技术能够切实充分发

4、挥推动社会和科技进步的作用，就不仅仅是材料科技工作动社会和科技进步的作用，就不仅仅是材料科技工作者所能完成的，开发和使用材料的能力是衡量社会技者所能完成的，开发和使用材料的能力是衡量社会技术水平和未来技术发展的尺度。术水平和未来技术发展的尺度。 开发新材料是材料科技工作者的任务，但仅仅研开发新材料是材料科技工作者的任务，但仅仅研制出具有优异性能的材料还远远不够，只有当新材料制出具有优异性能的材料还远远不够，只有当新材料被广泛应用，才能真正发挥其应有的作用。被广泛应用，才能真正发挥其应有的作用。 因为，合理选择和使用材料是所有工程的各个领因为，合理选择和使用材料是所有工程的各个领域及其设计部门的

5、任务，而准确判断与资助优先发展域及其设计部门的任务，而准确判断与资助优先发展方向又是政府的职能。所有这些，都应建立在相关人方向又是政府的职能。所有这些，都应建立在相关人员对材料的总体把握与正确认识的基础上。显然，这员对材料的总体把握与正确认识的基础上。显然，这就要求从所有工程领域的专业人员到政府官员都要对就要求从所有工程领域的专业人员到政府官员都要对材料全貌有比较正确的了解。材料全貌有比较正确的了解。进而拓宽知识结构，提高自进而拓宽知识结构，提高自身的综合素质。身的综合素质。 1、物理化学属性：物理化学属性：金属材料、无机非金属材料、金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料。有机高分

6、子材料和复合材料。材料的分类方法材料的分类方法o 金属金属原子间以金属键结合，由于金属键无方向性，因而原子间以金属键结合，由于金属键无方向性，因而金属材料具有良好的延展性、导热性、导电性并具有金金属材料具有良好的延展性、导热性、导电性并具有金属光泽等特点，此外，金属材料资源丰富，生产工艺成属光泽等特点，此外，金属材料资源丰富，生产工艺成熟，工艺性能好，价格便宜，因此按使用重量熟，工艺性能好，价格便宜，因此按使用重量来说，在工程材料中仍来说，在工程材料中仍占主导地位，而且预计占主导地位，而且预计在相当长的历史时期内，在相当长的历史时期内，金属材料的主导地位是金属材料的主导地位是不会改变的。不会改

7、变的。 o 无机非金属材料无机非金属材料即陶瓷材料，多是由兼有离子键和共价即陶瓷材料，多是由兼有离子键和共价键的结晶体构成的，具有质地脆、硬度高、强度高、抗键的结晶体构成的，具有质地脆、硬度高、强度高、抗化学腐蚀性强、对电和热的绝缘性良好等特点。陶瓷材化学腐蚀性强、对电和热的绝缘性良好等特点。陶瓷材料发展很快，其成分已由以硅酸盐为主发展为不含硅酸料发展很快，其成分已由以硅酸盐为主发展为不含硅酸盐的新型陶瓷材料。作为区别，欧美各国将硅酸盐材料盐的新型陶瓷材料。作为区别，欧美各国将硅酸盐材料称为称为“陶瓷陶瓷”，而将新型无机材料称为，而将新型无机材料称为“新型陶瓷新型陶瓷”或或“精细陶瓷精细陶瓷”

8、。o 高分子聚合物材料高分子聚合物材料即有机材料是以碳即有机材料是以碳- -碳共价键为其基本碳共价键为其基本结构，具有重量轻、耐腐蚀、绝缘性良好、易于加工成结构，具有重量轻、耐腐蚀、绝缘性良好、易于加工成型等特点。其体积用量已超过金属材料。型等特点。其体积用量已超过金属材料。 C C C C C C Co 复合材料复合材料是由两种或两种以上是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材化学性质或组织结构不同的材料组合而成的材料。复合材料料组合而成的材料。复合材料综合了上述材料的某些特点，综合了上述材料的某些特点，具有广泛应用前景。具有广泛应用前景。2、按使用性能分、按使用性能分 可分为可分为结构

9、材料结构材料和和功能材料功能材料两大类。两大类。o 结构材料结构材料是是以力学性能为基础，制造受力构件所用的以力学性能为基础，制造受力构件所用的一类材料一类材料，即利用材料的力学性能，所制备的各类器，即利用材料的力学性能，所制备的各类器件或构件是为了承受各种形式的载荷。件或构件是为了承受各种形式的载荷。陶瓷轴承陶瓷轴承o 功能材料功能材料，即利用物质的独特物理和化学性质或生，即利用物质的独特物理和化学性质或生物功能，如声、光、电、磁、热及化学反应特征。物功能，如声、光、电、磁、热及化学反应特征。 光学元件光学元件软磁铁氧体软磁铁氧体3、从发展观点区分、从发展观点区分 可分为可分为传统材料传统材

10、料和和新型材料新型材料。o 传统材料传统材料是指那些已经成熟且在工业中已批量生产并是指那些已经成熟且在工业中已批量生产并大量应用的材料，如钢铁、水泥、普通陶瓷、砖瓦、大量应用的材料，如钢铁、水泥、普通陶瓷、砖瓦、塑料等，也称基础材料。塑料等，也称基础材料。o 新型材料新型材料正在发展、具有优异性能和应用前景正在发展、具有优异性能和应用前景的一类材料。的一类材料。 人造软骨人造软骨 新型材料新型材料与与传统材料传统材料之间没有明显的界限。传之间没有明显的界限。传统材料通过采用新技术，提高技术含量，提高性能，统材料通过采用新技术，提高技术含量，提高性能，大幅度增加附加值而成为新型材料；新材料在经过

11、大幅度增加附加值而成为新型材料；新材料在经过长期生产与应用之后也就成为传统材料。传统材料长期生产与应用之后也就成为传统材料。传统材料是发展新材料和高技术的基础，而新型材料又往往是发展新材料和高技术的基础，而新型材料又往往能推动传统材料的进一步发展。能推动传统材料的进一步发展。（超级钢、块体纳米）（超级钢、块体纳米） 材料是人类文明的物质基础材料是人类文明的物质基础 ，从远古的石器时，从远古的石器时代到青铜器时代，然后再进入铁器时代，每一代到青铜器时代，然后再进入铁器时代，每一种新材料的出现和使用，都伴随着生产力和科种新材料的出现和使用，都伴随着生产力和科学技术的发展，标志着人类文明的进步。学技

12、术的发展，标志着人类文明的进步。人类、材料和技术的演变史人类、材料和技术的演变史人类社会的几个时代人类社会的几个时代 1 1石器时代：公元前石器时代：公元前100100万年万年2 2青铜器时代：公元前青铜器时代：公元前50005000年年3 3铁器时代：公元前铁器时代：公元前30003000年年 4 4钢时代：钢时代：18001800年年5 5硅时代：硅时代：19501950年年 6 6新材料时代：新材料时代：19901990年年 综观人类发现材料和利用材料的历史，综观人类发现材料和利用材料的历史，每一种重要材料的发现和广泛利用，都会每一种重要材料的发现和广泛利用，都会把人类支配和改造自然的能

13、力提高到一个把人类支配和改造自然的能力提高到一个新水平，给社会生产力和人类生活水平带新水平，给社会生产力和人类生活水平带来巨大变化，把人类的物质文明和精神文来巨大变化，把人类的物质文明和精神文明向前推进一步。明向前推进一步。公元前公元前10100 0万年左右万年左右旧石器时代：人类为了生存、抵御猛兽袭击和猎取食旧石器时代：人类为了生存、抵御猛兽袭击和猎取食物开始用石头做工具，如石刀、石铲、石斧、石球等，物开始用石头做工具，如石刀、石铲、石斧、石球等，工具制作粗糙，用途尚未分化。工具制作粗糙，用途尚未分化。新石器时代：主要标志是出现经过加工的刀口锋利的新石器时代：主要标志是出现经过加工的刀口锋利

14、的石器及陶器（黏土成型），并伴随着人类开始应用砖石器及陶器（黏土成型），并伴随着人类开始应用砖瓦等建筑材料（石头、土瓦、植物枯杆等），以及出瓦等建筑材料（石头、土瓦、植物枯杆等），以及出现了纺织品、丝织品（皮毛、棉花、蚕丝等）。现了纺织品、丝织品（皮毛、棉花、蚕丝等）。1.1.石器时代石器时代原始人打制的石器原始人打制的石器用于碾磨谷物的石盘用于碾磨谷物的石盘石斧石斧旧石器时代各种石制品旧石器时代各种石制品 2.2.青铜器时代青铜器时代公元前公元前50005000年左右年左右这是人类较大量利用金属的开始，青铜这是人类较大量利用金属的开始，青铜铜锡合金，这是铜锡合金，这是最原始的合金，而且添加锡

15、、铅的铜合金熔点低，铸造性最原始的合金，而且添加锡、铅的铜合金熔点低，铸造性能良好，主要用作武器、生活用具、生产工具等能良好，主要用作武器、生活用具、生产工具等 。世界各地开始青铜器时代的时间各不相同，希腊在公元前世界各地开始青铜器时代的时间各不相同，希腊在公元前30003000年前；埃及在公元前年前；埃及在公元前25002500年前；巴比伦在公元前年前；巴比伦在公元前1919世纪中叶；印度大约在公元前世纪中叶；印度大约在公元前30003000年已广泛使用青铜器；年已广泛使用青铜器；中国在公元前中国在公元前27002700年已经使用青铜器了，到商周进入了鼎年已经使用青铜器了，到商周进入了鼎盛时

16、期，并将青铜器的冶炼和铸造技术推向了世界顶峰。盛时期，并将青铜器的冶炼和铸造技术推向了世界顶峰。温文尔雅的四羊方尊温文尔雅的四羊方尊青铜乐器青铜乐器秦剑秦剑越王勾践剑的主要的成越王勾践剑的主要的成份是青铜和锡，还含有份是青铜和锡，还含有少量的铅、铁、镍和硫少量的铅、铁、镍和硫等，剑身的黑色菱形花等，剑身的黑色菱形花纹是经过硫化处理的，纹是经过硫化处理的，剑刃精磨技艺水平可同剑刃精磨技艺水平可同现在精密磨床生产的产现在精密磨床生产的产品相媲美，充分显示了品相媲美，充分显示了当时越国铸剑工匠的高当时越国铸剑工匠的高超的技艺。超的技艺。 举世闻名的越王勾践青铜剑，举世闻名的越王勾践青铜剑，19651

17、965年年1212月出土于湖北省江陵望山的一号楚国贵族墓（距春秋月出土于湖北省江陵望山的一号楚国贵族墓（距春秋时代楚国别都纪南城故址七公里）。考古工作者在墓主人身体的左手边，发现一柄装在黑色漆时代楚国别都纪南城故址七公里）。考古工作者在墓主人身体的左手边，发现一柄装在黑色漆木箱鞘内的名贵青铜剑。青铜剑与剑鞘吻合得十分紧密。拔剑出鞘寒光耀目，而且毫无锈蚀，木箱鞘内的名贵青铜剑。青铜剑与剑鞘吻合得十分紧密。拔剑出鞘寒光耀目，而且毫无锈蚀，刃薄锋利。试之以纸，刃薄锋利。试之以纸，2020余层一划而破。剑全长为余层一划而破。剑全长为55.655.6厘米，其中剑身长厘米，其中剑身长45.645.6厘米，

18、剑格宽厘米，剑格宽5 5厘米。剑身满饰黑色菱形几何暗花纹，剑格正面和反面还分别用蓝色琉璃和绿松石镶嵌成美丽厘米。剑身满饰黑色菱形几何暗花纹，剑格正面和反面还分别用蓝色琉璃和绿松石镶嵌成美丽的纹饰，剑柄以丝绳缠缚，剑首向外形翻作圆箍，内铸有极其精细的的纹饰，剑柄以丝绳缠缚，剑首向外形翻作圆箍，内铸有极其精细的1111道同心圆圈道同心圆圈 四川三星堆青铜器四川三星堆青铜器3.3.铁器时代铁器时代 公元前公元前30003000年左右年左右人类开始进入了铁器时代，中国最早出土的人工冶炼人类开始进入了铁器时代，中国最早出土的人工冶炼铁制品约在公元前铁制品约在公元前9 9世纪。世纪。高温下用木炭还原铁矿石

19、生产的铁，具有较高的强度，高温下用木炭还原铁矿石生产的铁，具有较高的强度，可加工性能良好，用作武器和器件等。可加工性能良好，用作武器和器件等。中国是世界上最早发明并使用生铁的国家，始于公元中国是世界上最早发明并使用生铁的国家，始于公元前前8 8世纪，到春秋末期，生铁技术有较大的突破，遥世纪，到春秋末期，生铁技术有较大的突破，遥遥领先于世界其它地区。铁器的推广与使用，是古代遥领先于世界其它地区。铁器的推广与使用，是古代历史上一件大事。铁作为耕器使用，提高了农业生产历史上一件大事。铁作为耕器使用，提高了农业生产力，促进了井田制的崩溃，从而加速了奴隶制的崩溃，力，促进了井田制的崩溃，从而加速了奴隶制

20、的崩溃，对当时的社会经济具有重要意义。对当时的社会经济具有重要意义。铁器时代铁器时代战国铁犁头战国铁犁头战国铁锄战国铁锄4.4.钢时代钢时代 18001800年左右钢的性能及利用有了飞速发展。年左右钢的性能及利用有了飞速发展。钢：含碳量钢：含碳量0.2% - 2.11%0.2% - 2.11%，高温下具有高强度的蒸汽机的发明高温下具有高强度的蒸汽机的发明农业经济社会进入工业经济社会农业经济社会进入工业经济社会 导致了大规模的机械化生产，引起了第一次产导致了大规模的机械化生产，引起了第一次产 业革命，即工业革命业革命，即工业革命 。 5.5.硅时代硅时代 19501950年年 二极管、三极管的发

21、明，进入电子二极管、三极管的发明，进入电子管时代管时代 。硅、锗半导体材硅、锗半导体材 料的出现，使晶体料的出现，使晶体管取代电子管，进入硅时代管取代电子管，进入硅时代 。单晶硅生产集成电路，开始向微型单晶硅生产集成电路，开始向微型化方向发展化方向发展 。6.6.新材料时代新材料时代 19901990年年新材料是指那些正在发展，且具有一般传新材料是指那些正在发展，且具有一般传统材料所不可比拟的优异性能或特定功能、统材料所不可比拟的优异性能或特定功能、应用前景良好的一类材料。应用前景良好的一类材料。时代特征：时代特征：由多种材料决定社会和经济发展由多种材料决定社会和经济发展以人造为特征以人造为特

22、征为了特定的需要可设计和加工而成为了特定的需要可设计和加工而成氮化硅结构陶瓷被用作航天飞机的防热瓦氮化硅结构陶瓷被用作航天飞机的防热瓦多元材料时代多元材料时代美国美国B-2B-2隐形轰炸机表面为具有良好吸波性能的隐形轰炸机表面为具有良好吸波性能的碳纤维复合材料碳纤维复合材料由光导纤维构成的光缆由光导纤维构成的光缆红宝石激光器红宝石激光器半导体激光器半导体激光器全固态三基色激光器全固态三基色激光器先进橡胶轮胎使汽车成为交通主宰先进橡胶轮胎使汽车成为交通主宰一级方程式赛车上使用的一级方程式赛车上使用的特殊轮胎特殊轮胎人工肾脏人工肾脏生物陶瓷人造关节生物陶瓷人造关节声光材料做成的各种功能器件声光材料

23、做成的各种功能器件磁悬浮列车磁悬浮列车1.3 1.3 先进材料是高新技术发展和社会现代化先进材料是高新技术发展和社会现代化的基础和先导的基础和先导 材料既是人类社会进步的里程碑，也是社会现代化的物材料既是人类社会进步的里程碑，也是社会现代化的物质基础和先导。特别是先进材料的研究、开发与应用质基础和先导。特别是先进材料的研究、开发与应用反映着一个国家科学技术与工业水平以及国防实力。反映着一个国家科学技术与工业水平以及国防实力。1.3.11.3.1 电子技术的发展电子技术的发展19061906年发明了电子管年发明了电子管无线电技术、电视机、电无线电技术、电视机、电子计算机；子计算机；1948194

24、8年发明了晶体管年发明了晶体管电子设备小型、轻量、节电子设备小型、轻量、节能、长寿、可靠、低成本；能、长寿、可靠、低成本；19581958年集成电路年集成电路计算机及各种电子设备发生再计算机及各种电子设备发生再一次飞跃。一次飞跃。 4646年的电子管计算机与年的电子管计算机与7676年的微机比，体积小年的微机比，体积小3030万倍，功耗低万倍，功耗低5 5万倍，重量降万倍，重量降6 6万倍。万倍。集成电路发展历程集成电路发展历程 目前硅单晶制备技术可使晶体径向参数均匀，体目前硅单晶制备技术可使晶体径向参数均匀，体内微缺陷减少，内微缺陷减少，0.10.3um0.10.3um大小的缺陷平均可以少于

25、大小的缺陷平均可以少于0.050.05个个/cm/cm2 2。微缺陷的减少使芯片成品率增加，。微缺陷的减少使芯片成品率增加，0.020.02个个/cm/cm2 2缺陷的硅片可使缺陷的硅片可使256MB DRAM256MB DRAM的成品率的成品率达到达到8090%8090%。 生产电路用的硅片直径的不断增大，导致生产效生产电路用的硅片直径的不断增大，导致生产效率大幅度提高，现在硅片的直径尺寸已达到率大幅度提高，现在硅片的直径尺寸已达到1212英寸。英寸。1.3.2 1.3.2 光纤通信的诞生光纤通信的诞生 19661966年提出光纤传输损耗年提出光纤传输损耗20dB/km10km10km，同轴

26、电缆，同轴电缆1.5km1.5km；保密性强。保密性强。1.3.3 航空航天技术的进步航空航天技术的进步飞机性能飞机性能2/32/3靠材料（高温合金、高比强度、靠材料（高温合金、高比强度、高比刚度结构材料）；高比刚度结构材料）；航天与卫星需要耐超高温、抗辐射、耐粒子航天与卫星需要耐超高温、抗辐射、耐粒子云以及原子氧侵蚀的材料，对比强度和比刚云以及原子氧侵蚀的材料，对比强度和比刚度的要求更为苛刻，因为航天飞行器每减重度的要求更为苛刻，因为航天飞行器每减重1kg1kg，可使运载火箭减轻几百，可使运载火箭减轻几百kgkg；导弹减轻；导弹减轻1kg1kg，射程增加，射程增加1km1km。 可以说，没有

27、半导体和其它功能材可以说，没有半导体和其它功能材料的发现和发展，就不会有今天的计料的发现和发展，就不会有今天的计算机技术和今天的信息社会；没有高算机技术和今天的信息社会；没有高强度、耐高温的轻质结构材料，就不强度、耐高温的轻质结构材料，就不会有今天的航空、航天技术。会有今天的航空、航天技术。新材料：新材料： 国家国家“863”863”高技术计划高技术计划7 7个主要领个主要领域之一；域之一； “ “973”973”计划计划6 6个领域之一。个领域之一。1.4 1.4 材料科学与工程学科的形成与内涵材料科学与工程学科的形成与内涵 “材料材料”是早已存在的名词，但是早已存在的名词，但“材料科学材料

28、科学”的提出的提出只是只是2020世纪世纪6060年代初的事。年代初的事。19571957年前苏联人造卫星年前苏联人造卫星首先上天，美国朝野上下为之震惊，认为自己落后的首先上天，美国朝野上下为之震惊，认为自己落后的主要原因之一是先进材料落后，于是在一些大学相继主要原因之一是先进材料落后，于是在一些大学相继成立了十余个材料研究中心。采用先进的科学理论与成立了十余个材料研究中心。采用先进的科学理论与实验方法对材料进行深入的研究，取得重要成果。从实验方法对材料进行深入的研究，取得重要成果。从此，此，“材料科学材料科学”这个名词便开始流行。这个名词便开始流行。 实际上，材料是面向实际的一门应用科学，研

29、实际上，材料是面向实际的一门应用科学，研究与发展材料的目的在于应用，而材料又必须通过究与发展材料的目的在于应用，而材料又必须通过合理的工艺流程才能制备出具有实用价值的材料，合理的工艺流程才能制备出具有实用价值的材料，通过批量生产才能成为工程材料。所以，在通过批量生产才能成为工程材料。所以，在“材料材料科学科学”这个名词出现后不久，就提出了这个名词出现后不久，就提出了“材料科学材料科学与工程与工程”。工程是指研究材料在制备过程中的工艺。工程是指研究材料在制备过程中的工艺和工程技术问题。和工程技术问题。 材料科学与工程材料科学与工程 美国材料科学与工程调查委员会的定义为：美国材料科学与工程调查委员

30、会的定义为： “材料科学与工程是关于材料科学与工程是关于材料成分与制备工艺材料成分与制备工艺，组织结构组织结构，材料性能材料性能和和使用性能使用性能这四个要素这四个要素以及它们之间相互关系的有关知识的开发和以及它们之间相互关系的有关知识的开发和应用的科学应用的科学”. 材料科学与工程的四要素材料科学与工程的四要素 1 1）成分）成分/ /结构结构(Composition/Structure)(Composition/Structure)：影响其性能的直接因素：影响其性能的直接因素成分成分/结构结构合成合成/加工加工性质性质效能效能4 4）效能）效能(Performance)(Performan

31、ce)（使用性能或效果）：是指材料在使用条件下（使用性能或效果）：是指材料在使用条件下的表现，包括环境影响、受力状态、材料特征曲线，乃至寿命估计等。的表现，包括环境影响、受力状态、材料特征曲线，乃至寿命估计等。 3 3）性质）性质(Properties) (Properties) （性能）：力学性质、物理性质和化学性质（性能）：力学性质、物理性质和化学性质2 2）合成）合成/ /加工加工(Synthesis/Processing)(Synthesis/Processing)：改变材料的组织结构而影响：改变材料的组织结构而影响其性能其性能 考虑到相同组分通过不同的合成或加工方法，可以得出不考虑到

32、相同组分通过不同的合成或加工方法，可以得出不同结构，从而材料的性质或使用效能都不会相同。因此，我国有同结构，从而材料的性质或使用效能都不会相同。因此，我国有人提出一个人提出一个五个基本要素五个基本要素的模型，即的模型，即 成分成分（compositioncomposition） 合成合成/ /加工加工（synthesissynthesisprocessingprocessing） 结构结构（structurestructure） 性质性质（propertiesproperties） 使用效能使用效能（performanceperformance）图图1-3 1-3 材料科学与工程要素图材料科学

33、与工程要素图(a)(a)材料科学与工程四要素；材料科学与工程四要素；(b)(b)材料科学与工程五要素材料科学与工程五要素材料科学与工程有三个重要属性：材料科学与工程有三个重要属性： 一是一是多学科交叉多学科交叉，它是物理学、化学、冶金学、金属学、陶它是物理学、化学、冶金学、金属学、陶瓷、高分子化学及计算科学相互融合与交叉的结果，如生物瓷、高分子化学及计算科学相互融合与交叉的结果，如生物医用材料要涉及医学、生物学及现代分子生物学等学科；医用材料要涉及医学、生物学及现代分子生物学等学科； 二是二是一种与实际使用结合非常密切的科学一种与实际使用结合非常密切的科学，发展材料科学的，发展材料科学的目的在

34、于开发新材料，提高材料的性能和质量，合理使用材目的在于开发新材料，提高材料的性能和质量，合理使用材料，同时降低材料成本和减少污染等；料，同时降低材料成本和减少污染等； 三是三是材料科学是一个正在发展中的科学材料科学是一个正在发展中的科学，不像物理学、化学，不像物理学、化学已经有一个很成熟的体系，材料科学将随各有关学科的发展已经有一个很成熟的体系，材料科学将随各有关学科的发展而得到充实和完善。而得到充实和完善。 1.5 1.5 材料的组成、制备、结构、性能与材料的组成、制备、结构、性能与使用效能之间的关系使用效能之间的关系材料的化学组成对其性能有重要影响材料的化学组成对其性能有重要影响结构也是导

35、致材料性能差异的重要因素结构也是导致材料性能差异的重要因素材料的制备条件对材料性能产生重要影响材料的制备条件对材料性能产生重要影响材料效能的发挥与服役环境条件也密不可分材料效能的发挥与服役环境条件也密不可分1.61.6 材料的应用材料的应用 正确选择正确选择 合理使用合理使用 在为工程选择材料时，设计师和工程师在为工程选择材料时，设计师和工程师将面临几乎是无限多种可供选择的材料，最将面临几乎是无限多种可供选择的材料，最好的方法是先确定所需要的性能，再看其中好的方法是先确定所需要的性能，再看其中哪一种成本最低。哪一种成本最低。 这里所指的成本绝不是产品的原始价格，而这里所指的成本绝不是产品的原始

36、价格，而是是总成本总成本，或称终身成本。，或称终身成本。 包括包括 材料价格、制造费用材料价格、制造费用 可靠性、使用费用可靠性、使用费用 运行中断的损失、环境清理或处理费用等运行中断的损失、环境清理或处理费用等 此外，此外，材料的选择材料的选择是一个系统工程。在一个是一个系统工程。在一个部件或者装置中，所选用的各种材料要能够在一部件或者装置中，所选用的各种材料要能够在一起使用，而不能因相互作用而降低对方的性能。起使用，而不能因相互作用而降低对方的性能。 因此，在大多数情况下，材料的选择是一个因此，在大多数情况下，材料的选择是一个反复权衡的复杂过程。在某种意义上，其重要性反复权衡的复杂过程。在某种意义上，其重要性不亚于材料本身的研究开发。不亚于材料本身的研究开发。