材料科学与工程的内涵及发展历程PPT课件.ppt

材料科学基础结束语材料科学基础结束语大连交通大连材料科学与工程学院大连交通大连材料科学与工程学院1 材料科学与工程的兴起和发展历程2 材料科学与工程的内涵与特点3 新世纪材料科学工作者面临的任务和挑战1 材料科学与工程的兴起和发展历程一、材料学科的发展 从历史上看，材料学科的发展大致经历了以下几个阶段： 冶金学→金相学→物理冶金学→材料科学或材料科学与工程（MSE）二、材料科学与工程的兴起是历史的必然 材料科学这一名词出现之前，金属材料、陶瓷材料高分子材料包括后来出现的复合材料的发展是分别进行的，彼此之间互不相关，自成体系但到了20世纪60～70年代，为满足科学研究和生产对高性能材料的需要，人们发现如果在把眼光只局限在“小材料”的区域内，思路难以开阔不同类型材料，无论是理论基础、研究方法还是生产手段，都存在一些相似之处，它们可以互相借鉴、互相补充，取长补短，从而促使“小材料”领域的发展，于是到了20 世纪80 年代诞生了材料科学与工程学科例1 马氏体相变最先是金属学家提出的，是钢热处理的理论基础后来在氧化锆陶瓷中也发现了这一现象，现已被成功的用于陶瓷增韧。

例2 溶胶－凝胶法，最早是一种玻璃制备工艺，现已成为一种制备纳米陶瓷粉的主要工艺例3 挤压机，开始主要是用来对金属进行冷挤压加工以强化金属，后来把该设备用来挤压某些高分子材料，制成纤维材料，同样使强度得到大幅度的提高陶瓷材料的成型也可使用挤压的方法研究生产设备的通用性不但可节约资金，更重要的是能得到相互启发和借鉴，加快新材料的研制步伐2 材料科学与工程的内涵与特点材料科学－－研究材料的组成、结构和性能之间的关系材料工程－－研究材料在制备、处理加工过程中的工艺和各种工程问题（包括加工设备） 材料科学是一门面向生产实际、为经济建设服务的应用科学，在掌握了材料组成、结构对性能的影响规律的基础上，必需通过合理的工艺流程，以最低的成本大批量的生产出质量稳定有实用价值的材料来，这就是材料科学与工程的内涵 因此材料科学与工程是密不可分的两个学科，是一个整体偏重于基础理论方面的就称为材料科学、偏重于工艺方面的的就称为材料工艺（铸、锻、焊、热处理） 世界上第一部《材料科学与工程百科全书》是在1986年由英国Pergamon出版社陆续出版，该书对材料科学与工程下的定义是： 研究有关材料组织、结构、制备工艺流程与材料性能和用途关系的生产及其应用。

 材料科学是科学技术中的重要学科，是一门影响国民经济全局的综合科学技术，主要研究各种材料结构与性能之间的关系，即集中了解材料的本质、提出相关的理论和描述，说明材料结构是如何与其成分、性能以及行为相联系的 近年来，国内外材料界把材料的组成与结构、合成与生产过程、性质（或性能）以及使用性能称为材料科学的四个基本要素，把它们连接在一起，便形成一个四面体材料科学的四要素与四面体Materials TetrahedronComposition/MicrostructurePropertiesSynthesis/ProcessingPerformance1 Composition/Microstructure 从不同层次（尺度）上对材料的成分、结构进行深入了解，这是材料科学的基础部分2 Synthesis/Processing 制备从本质上讲，是用一定的手段将材料中的原子、分子按照要求重新进行排列、组合，以达到实际所需要的性能加工则是指将原料变成所需要的形状，即成型不同的制备和加工工艺会改变材料的性能3 Properties 性质也称为材料的固有性能，它赋予材料的价值和可应用性，包括材料本身具有的力学性能、物理性能和化学性能。

4 Performance 使用性能又称服役性能，是指材料制成零件或产品后在使用过程中所表现出的行为，通常以有效寿命、安全可靠程度、成本、加工费用来衡量使用性能和材料的性能既紧密联系又相互区别，材料的性能是使用性能的基础，材料的性能是在实验室中按人为规定的条件测试出来的，和零件的使用条件不一样，服役条件的改变会影响到材料的性能 这四个要素密切相关，对它们的研究特别是研究它们之间的相互关系，就构成了材料科学与工程的核心材料科学工作者的任务就是研究这四个要素以及它们之间的相互关系，在此基础上进一步改善现有材料的性能，提高质量，挖掘它们的潜力，并根据生产实际的需要研制新材料3 新世纪材料科学工作者面临的任务和挑战一、 改进制备工艺，提高现有材料的质量（超级钢）二、研制新材料新材料技术已被世界各发达国家列为三大高新技术之一，争相投入巨资研究三、材料的生产、使用与可持续发展 长期以来，人们形成了传统的材料生产使用的固定模式，即资源开采→生产加工→消费使用→报废丢弃的单向循环模式地球原材料工业原料工程材料产品废料资源开采冶炼制造加工使用失效进一步加工 这种模式对资源和环境造成了极大的破坏和浪费，因为材料的生产和加工既是资源消耗大户，又是能源消耗大户，同时也是环境污染的主要来源。

1994年以来，我国工业固体废弃物年排放量达6.17亿吨，并以年8％的速率增长，2000年，已达10亿吨其中主要有冶炼渣、矿渣、废钢铁、废有色金属、废玻璃、废旧建筑材料、废塑料、废汽车等，化学燃料燃烧过程中排放的SO2、NO和CO2分别达到2000余万、1000余万和20余亿吨 材料生产使用的这种单向循环模式必然造成资源紧缺→能源浪费→环境污染的严重后果，是一种恶性循环材料消费使用的双向循环模式地球原材料工业原料工程材料产品废料资源开采冶炼制造加工使用失效进一步加工无害化处理或综合利用 长期以来，材料科学与工程界是以追求最大限度发挥材料的性能和功能为目标，一切研究和工艺都是围绕如何提高材料的性能而展开的，对于资源、环境问题考虑很少或是根本没有考虑，更不用说考虑材料的环境协调性问题了在面临全球经济必须可持续发展的今天，这一传统观念必须彻底改变材料的可持续发展战略1 在满足对材料性能要求的同时，必须考虑尽可能节约资源与能源，尽可能减少对环境的破坏和污染，特别是要改变片面追求性能的观点2 改变过去那种只管制备生产、不顾使用和废弃后资源再利用及环境污染的观点，在研究、设计、制备材料以及使用、废弃材料产品时，一定要把材料及其产品整个寿命周期对环境的协调性作为重要的评价指标。

3 材料发展应当放在地区、国家甚至全球的可持续发展这一大目标下进行综合考虑材料学科的发展将涉及多学科的交叉，不仅是理工交叉，还要与文科、经济、社会学科交叉，材料的生产使用不但要讲科学技术效益、经济效益，更要讲社会效益4 发展生态环境材料指那些具有最小的环境负担和最大的再生利用能力的材料，即节约资源和能源，减少和防止环境污染，容易回收利用，丢弃后易于自然降解而回归自然的材料1992年由日本首先提出，引起世界各国的高度重视，并投入了研究和开发任何一种材料只要经过改造达到上述要求的就可认为是环境材料 5 材料的生命周期评价法（LCA) Life Cycle Assessment 是评价某种材料在生产制备、使用和废弃整个过程中对环境所造成的和潜在的影响的一种客观的方法我国从1998年开始了这项研究，对钢铁、铝、水泥、塑料、陶瓷、建筑涂料等量大面广的几大类基础材料作了初步的LCA，到目前为止，已完成了各类材料基本数据调研和初步分析，初步建立了相应的LCA数据库和评估软件4　十种已问世的未来材料 1.超薄超导体　　在涉及超导体问题上，薄是开发者们追求的终极目标导电体越薄就越能散热——对许多材料来说，这一点至关重要，因为如果加热超过一定温度，很多材料会失去超导状态。

薄还能提高材料的弹性，使薄薄的超导电膜成为数十种先进高科技产品的主要成分实用的超薄超导体曾经被看作是代表未来的材料，它们只是在高科技的舞台崭露头角2.太阳能房顶　　有人总是纳闷人们为何不用太阳能电池板铺设房顶如今，这种质疑将不复存在，因为“太阳能屋顶”距离我们越来越近——目前正处于测试阶段即便如此，这种技术变成现实仍需要一定时间正如美国能源部西北太平洋国家实验室的发言人所言，“颇具弹性的太阳能电池板可以轻松与商业大楼和住宅的建筑风格融为一体这的确是一个很酷的概念，现在就让我们期盼这一天早日到来吧3.d3O凝胶　　一种可吸收能量的创新性凝胶状物质，已应用到衣服、鞋子和军事装备的制造中d3O凝胶采用尖端纳米技术研制而成，表面看上去非常像果冻，它可以被随意挤压成各种形状正常情况下，d3O凝胶会保持松弛的状态，一旦受到外力的高速剧烈撞击时，分子将互相交错并锁在一起，变紧变硬，能将子弹或弹片的冲力减弱一半，进而阻止它们穿透头盔美国滑雪队使用了含有d3o凝胶材料的运动装备，由于滑雪队员的冲刺速度往往达到每小时60英里，这种凝胶材料无疑可以为他们提供足够的保护4.石墨烯　　还有什么事情是碳所不能及的吗？钻石、巴克球、纳米管、碳纤维均已展示了碳作为“第六元素”的力量和荣耀。

现在，石墨烯(Graphene)正在以另一种有用而独特的方式延续碳的神奇石墨烯是由单层碳原子构成的二维晶体，也是目前世界上最薄的材料——几片放在一起的直径只有一个原子大，令其看上去其实是透明的有一天，石墨烯可能会在大多数电脑应用中取代硅芯片和铜连接器，但其真正的潜力在于基于量的电子设备，这种设备将来会使我们的电脑看上去就像是原始的蒸汽动力工具5.巴基球　　所谓的“巴基球”是由60到100个碳原子构成的球形笼状中空结构分子，其结构与网格球顶类似，硬度则超过钻石之所以被称之为“巴基球”是为了纪念已故建筑界幻想家巴克明斯特·富勒(Buckminster Fuller)现在，科学家已能够将其它原子嵌入巴基球，使其成为更为强大的“载运者”随着研究的进一步深入，直接将纳米强效药送入体内肿瘤将成为一种可能6.隐形材料　　早在小魔法师哈里·波特(Harry Potter)向我们炫耀他的隐身斗篷之前，我们就已经被研制隐身斗篷的前景所深深吸引围绕隐形这一概念，科学家已经做了大量工作一支研究小组已经让隐形成为现实，但只能是在微波谱情况下举个例子来说，一碗被加热的汤摆在你的面前，但你却根本看不到它的踪影其它研究小组已成功让可见光谱的确定部分变成不可见。

7.隐声材料　　“糊涂侦探”麦克斯韦·精明(Maxwell Smart)和局长大人谈论高度机密时使用的那个玻璃罩，更像是一件隐声斗篷而不是一个无噪音静锥区作为武器家族的一把利剑，潜艇需要尽可能地做到“悄无声息”这四个字， 　　美国伊利诺斯大学香槟分校教授尼古拉斯·范格(Nicholas Fang)研制了一种新型隔音材料，并给这种新材料取了一个非常具有科幻色彩的名字据悉，这种新隔音材料能够弯曲潜艇周围的声波，使敌方声纳无法探测到潜艇的存在 8.透明材料　　喝过装在透明罐子里的可乐吗？用过透明的锡箔纸包炖熟的肉吗？对于这两个问题，很多人一定会给出否定的答案当前每平方英寸(约合645.16平方毫米)透明铝片的价格为10美元，如果价格下降，透明铝的使用将变得更为普遍，程度上将超乎我们想象氧化铝是红宝石和蓝宝石的主要成分，工程师已经发现将这些宝石的硬度和半透明特性融入一种材料的方式合而为一后形成的材料不但重量轻，同时也拥有与金属铝一样的柔软性9.透光材料　　德国亚琛的LiTraCon公司研发出一种与众不同的透光混凝土虽然无论如何也与“透明”二字挂不上钩，但借助于植入内部的数百个玻璃光导纤维，这种混凝土能够让光线从一端穿入而后再从另一端穿出。

使用玻璃光导纤维意味着，即使是一面厚度达到60英尺(约合18米)的墙其发光性也与厚度仅1英尺(约合30厘米)的墙不相上下10.气凝胶　　气凝胶是一种泡沫玻璃，主要因其用途——温柔地捕获“怀尔德2”号彗星发射的粒子——而为人们所熟知　　玻璃和气凝胶均是基于硅的固体，但后者固体所占比例只有0.02%，余下的均被空气占据气凝胶的比重只有空气的3倍，因此也有“凝雾”之称在《吉尼斯世界纪录大全》中，这种神奇材料占据了15个“最” 感 谢 同 学 的 支 持 祝你们期末考试取得好成绩，并在今后的学习中取得更大的成绩！。