第一章综论.ppt

新材料概论,聚合物和纳米多孔碳中扩散行为的分子动力学模拟,纳米国际象棋,纳米跳棋,击剑运动剑身所用的材料是碳钢，其结构极易产生微裂纹导致剑身折断而造成运动员的误伤，现在剑身采用的铁镍和钛的合金材料，并经长时间的时效与弯曲处理，内部微裂只有碳钢的1/20，极不容易折断，运动员能无所畏惧地完成各种动作。,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 师昌绪,现代科技与现代文明,信息,材料,能源,新技术革命,信息,新材料,生物,20世纪90年代的材料科学技术 在材料的时代里保持竞争力 美国国家研究委员会 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。,日本对材料科学与工程也采用了类似的定位，并且宣称将开发、加工和制造先进材料作为保持技术领先地位的国家战略的基石。,美国工程和技术评估委员会对工程的定义:,工程是这样的专业,其中将通过学习、经验和实践获得的数学和自然科学的知识，依据判断来用于建立经济地利用材料和自然力以造福于人类的方法。,没有材料就没有工学。美、日等发达国家的大学基于这样的认识，为所有工科专业的大学生，甚至文科设置材料概述课程。,南京理工大学经过全校教育教学思想大讨论，于2001年在非材料类工科专业培养计划中设置了新材料概论通识教育基础课。这在国内是值得称道的战略性举措，具有示范价值，随着时间的推移，必将显示出推动我国科技进步和社会发展的重要作用。,课程设置的目的：对材料科学与工程建立整体与全貌的认识，了解现有材料的分类、特性、应用范围及其与相关学科领域的关系，把握高技术新型先进材料的发展趋势。,课程考察方法：以课堂教学和教材内容为基础开卷考试。,什么是材料？,材料是人类用于制造物品、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。如燃料和化学原料、工业化学品、食物和药物，一般都不算是材料。材料总是和一定的用场相联系，可由一种或若干种物质构成。同一种物质，由于制备方法或加工方法的不同，可成为用途迥异的不同类型和性质的材料。,从物理化学属性来分，可分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和不同类型材料所组成的复合材料。从用途来分，又分为电子材料、航空航天材料、核材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。更常见的两种分类方法是结构材料与功能材料；传统材料与新型材料。,材料的分类方法？,结构材料是以力学性能为基础，制造受力构件所用材料。功能材料则主要是利用物质的独特物理、化学性质或生物功能等而形成的一类材料。一种材料往往既是结构材料又是功能材料，如铁、铜、铝等。结构材料对物理或化学性能也有一定要求，如光泽、热导率、抗辐照、抗腐蚀、抗氧化等。,传统材料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、塑料等。这类材料由于其量大、产值高、涉及面广泛，又是很多支柱产业的基础，所以又称为基础材料。,新型材料(先进材料)是指那些正在发展，且具有优异性能和应用前景的一类材料。,新型材料与传统材料之间并没有明显的界限，传统材料通过采用新技术，提高技术含量，提高性能，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。,材料科学与工程？,1957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实验方法对材料进行深入的研究，取得重要成果。从此，“材料科学”这个名词便开始流行。“材料科学”所包括的内容往往被理解为研究材料的组织、结构与性质的关系，探索自然规律。这属于基础研究。,实际上，材料是面向实际、为经济建设服务的，是一门应用科学，研究与发展材料的目的在于应用，而材料又必须通过合理的工艺流程才能制备出具有实用价值的材料来，通过批量生产才能成为工程材料。所以，在“材料科学”这个名词出现后不久，就提出了“材料科学与工程”。工程是指研究材料在制备过程中的工艺和工程技术问题。,材料科学与工程是研究材料组成、结构、生产过程、材料性能与使用效能以及它们之间的关系。因而把组成与结构（composition-structure）、合成与生产过程（synthesis-processing）、性质（properties）及使用效能（performance）称之为材料科学与工程的四个基本要素（basic elements）。把四要素连结在一起，便形成一个四面体（tetrahedron）,材料科学研究材料的结构和性质之间的关系,材料工程通过结构设计和加工以达到利用材料的某一特殊性质的目的,合成/制备结构/成份 性质 性能,材料科学与工程四面体,材料科学有三个重要属性：一是多学科交叉，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；二是一种与实际使用结合非常密切的科学，发展材料科学的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；三是材料科学是一个正在发展中的科学，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而得到充实和完善。,人类从猿人发展为现代人、发展到有文字记载的文明人的历史，可以说就是一部材料和技术的演变史。,材料人类社会进步的里程碑,人类、材料和技术的演变史,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来巨大变化，把人类的物质文明和精神文明向前推进一步。,石器时代,用于碾磨谷物的石盘,原始人打制的石器,陶器时代,世界上第一種人造材料-製出的陶器，盛裝液體的容器和煮食物的陶罐-吃不完的東西有了儲存的地方-便於人們定居-進一步發展農牧業-劃時代之偉大發明,秦兵马俑,瓷器-純淨的黏土（又叫瓷土、高嶺土）和石英、長石等原料配成泥漿，作成毛坯-燒好粗坯，再上釉-在一千三百度左右高溫下，經過複雜的化學變化，同釉密切的結合而成-質地細緻，半透明，不吸水,从陶器到瓷器,青铜器时代,温文尔雅的四羊方尊,青铜乐器,秦剑,秦剑的佩戴方式,越王勾践剑的主要的成份是青铜和锡，还含有少量的铅、铁、镍和硫等，剑身的黑色菱形花纹是经过硫化处理的，剑刃精磨技艺水平可同现在精密磨床生产的产品相媲美，充分显示了当时越国铸剑工匠的高超的技艺。,举世闻名的越王勾践青铜剑，1965年12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，20余层一划而破。剑全长为55.6厘米，其中剑身长45.6厘米，剑格宽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11道同心圆圈,曾侯乙编钟（战国），钟架长7.48米，宽3.35米，高2.73米，1978年湖北省随县擂鼓墩出土，现藏湖北省博物馆,四川三星堆青铜器,铁器时代,战国铁犁头,战国铁锄,氮化硅结构陶瓷被用作航天飞机的防热瓦,多元材料时代,硼纤维金属基复合材料制成的火箭履轴的管道输送部件,美国B-2隐形轰炸机表面为具有良好吸波性能的碳纤维复合材料,由光导纤维构成的光缆,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特殊轮胎,人工合成的金刚石,高分子分离膜已被用来制造高效家庭净水器,人工肾脏,生物陶瓷人造关节,可调节的太阳镜,耐高温纤维制成的消防人员的服装,1.2 nm,MOSFET小型化进程中的瓶颈及材料解决方案,新材料在电光器件中的应用,基于纳米碳管的纳米电机,纳米激光器,ZnO 纳米线激光器,量子阱结构的应用：蓝绿半导体激光二极管,块状的硅是间接能隙材料，只能发射微弱的红外光，因而虽在微电子学材料中独占鳌头，而在光电子学中一直无立足之地。多孔硅可见光发射的发现，改变了这一情况，引起研发硅基材料光电子学器件的热潮。年底美国演示了在硅片上制成的电致发光器件列阵的原型。,多孔硅的可见光发射,电化学阳极氧化多孔硅及其室温可见光发射,纳米碳管显示器,纳米碳管具有优异的场发射性能，而且在空气中稳定同时具有较低工作电压和大的发射电流等优点，直径细小的纳米碳管可以用来制作极细的电子枪，在室温及低于80伏的偏置电压下，即可获得0.11微安的发射电流。另外，开口纳米碳管比封闭纳米碳管具有更好的场发射特性。与目前的商用电子枪相比，纳米碳管电子枪具有尺寸小、发射电压低、发射密度大、稳定性高、无需加热和无需高真空等优点。,