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材料科学
发布时间:2018-06-15 浏览次数:0
材料科学定义

英文名:材料科学,工程领域,金属材料的研究,开发,生产和应用,无机非金属材料,高分子材料和复合材料。 其工程硕士学位授权单位培养从事新材料研究开发,材料制备,材料性能分析和改性,材料有效使用的高级工程技术人员。

培训的主要课程有:政治理论课,外语课,工程数学,材料物理与化学工程,材料工程理论基础,材料结构与性能,材料结构与性能测试技术,材料合成与制备工艺过程控制原理。 ,计算机技术应用,现代材料研究方法,材料科学与工程的新发展,以及现代管理的基础。 材料科学专业是一门科学专业。

材料木材

综述

材料是人类用于制造机器,部件,设备和其他产品的物质。 但并非所有物质都可称为材料,如燃料和化学原料,工业化学品,食品和药品等,通常不算作材料。 材料可以以各种方式分类。 根据物理和化学性质,它分为金属材料,无机非金属材料,有机聚合物材料和复合材料。 分为电子材料,航空航天材料,建筑材料,能源材料,生物材料等。 在实际应用中,它通常分为结构材料和功能材料。 结构材料基于机械性能并且用于产生主要受应力的部件。 结构材料还具有物理或化学要求,如光泽度,导热性,耐辐射性,抗氧化性,耐腐蚀性等,根据材料的应用,性能要求也不同。 功能材料主要是利用物理,化学或生物现象对外部变化的不同反应制成的一类材料。 如半导体材料,超导材料,光电材料,磁性材料等。

物质是人类生存和发展的物质基础。 在20世纪70年代,人们将信息,材料和能源作为社会文明的支柱。20世纪80年代,随着高科技集团的兴起,新材料,信息技术和生物技术被列为新技术革命的重要标志。 在现代社会,物质已成为国民经济建设,国防建设和人民生活的重要组成部分。

发展简史

人类社会的发展以材料为基础。 一百万年前,原始人用石头作为工具,称为旧石器时代。 一万年前,人类加工石制工具并将其制成器具和精美工具,从而进入新石器时代。 在新石器时代晚期,从粘土中发射的陶器出现了。 人类在寻找石材工具的过程中遇到了矿石,并在陶瓷生产中开发了铜冶炼,从而创造了冶金技术。 公元前5000年,人类进入青铜时代。 公元前1200年,人类开始使用铸铁并进入铁器时代。 随着技术的进步,钢铁制造技术得到了发展。 在18世纪,钢铁工业的发展成为工业革命的重要内容和物质基础。 在19世纪中叶,现代平炉和转炉炼钢技术的出现使人类真正进入了钢铁时代。

同时,铜,铅和锌也被广泛使用,并且已经引入和应用了诸如铝,镁和钛的金属。 直到20世纪中叶,金属材料一直占据着材料工业的主导地位。 20世纪中叶以后,科学技术迅速发展,作为发明之母和工业食品新材料,发生了划时代的变化。 首先是合成高分子材料的引入,并得到了广泛的应用。 已有塑料,如尼龙,聚乙烯,聚丙烯和聚四氟乙烯,以及维尼纶,合成橡胶,新工程塑料,聚合物合金和功能性聚合物材料。 半个世纪以来,高分子材料已与数千年历史的金属材料保持一致,年产量超过钢材,成为国民经济,国防科学和高科技领域不可或缺的材料。 。 其次是陶瓷材料的发展。 陶瓷是人类使用自然提供的原材料制造的第一种材料。 20世纪50年代,合成化学原料和特殊制备工艺的发展使陶瓷材料发生了巨大的飞跃,出现了从传统陶瓷到高级陶瓷的转变。许多新型功能陶瓷形成了这个行业,满足了电力,电子技术和航空航天技术的需求。发展和需求。

结构材料的发展推动了功能材料的发展。 在20世纪初,对半导体材料的研究开始了。 在20世纪50年代,制备了锗单晶,制备了硅单晶和化合物半导体,从而开发了从电子管到晶体管,集成电路,大规模和超大规模集成电路的电子技术。 半导体材料的应用和发展使人类社会进入了信息时代。

现代材料科学技术的发展促进了金属,非金属无机材料和高分子材料之间的密切关系,从而形成了新的材料领域——复合材料。 复合材料基于一种材料,而其他一种或多种材料是增强材料,其可以获得优于单一材料的性能。 复合材料作为一种高性能结构和功能材料,不仅用于航空航天工业,还用于现代民用工业,能源技术和信息技术领域。

形成过程

材料是一个长期的术语,但材料科学是在20世纪60年代提出的。 1957年,苏联人造地球卫星成功发射后,美国政府和科技界感到震惊,并认识到先进材料对高科技发展的重要性。因此,在一些大学,建立了十多个材料科学研究中心。从那以后,材料科学这个术语开始被广泛引用。

材料科学的形成是科学技术发展的结果。 这是因为,首先,固体物理学,无机化学,有机化学,物理化学等学科的发展,对材料结构和物理性质的深入研究,促进了对材料性质的研究和理解;同时,冶金,金相,陶瓷等材料本身的研究也得到了极大的加强,使材料的制备,结构和性能,以及它们之间的关系也在不断深化,为形成奠定了坚实的基础。材料科学。 其次,在材料科学这一术语出现之前,金属材料,高分子材料和陶瓷材料科学已经自成体系。它们之间有许多相似之处,可以用来互相参考,促进这一学科的发展。 例如,马氏体转变最初是由冶金学家提出的,并且被广泛用作钢热处理的理论基础。然而,在氧化锆陶瓷材料中也发现了马氏体相变现象,并将其用作陶瓷增韧的有效手段。 第三,各种材料的研究设备和生产方法之间存在许多相似之处。 虽然不同类型的材料各自具有专用的测试设备和生产设备,但它们更相同或相似,例如显微镜,电子显微镜,表面测试和物理和机械性能测试设备。 许多加工设备在材料生产中也很常见。 研究设备和生产设备的多功能性不仅可以节省资金,更重要的是,它可以相互启发和参考,从而加速材料的开发。 第四,科学技术的发展要求不同类型的材料可以相互替换,充分发挥各种材料的优越性,以实现材料的最佳利用。 长期以来,金属,聚合物和无机非金属材料的学科已经相互分离并变得独立。 因为他们彼此不了解,他们习惯于使用金属材料而不能想到使用高分子材料。即使他们想要使用它们,他们也不太了解它们。 相反,它习惯于使用聚合物材料,并且不想使用金属材料或陶瓷材料。 因此,科学技术发展的新要求促进了材料科学的形成。 第五,复合材料的发展将各种材料有机地结合为一体。 在大多数情况下,复合材料是不同类型材料的组合。通过材料科学的研究,我们可以对各种材料有更深入的了解,为复合材料的发展提供必要的基础。

材料分类按化学组成分类

金属材料,无机非金属材料,有机高分子材料,复合材料

按物理性质分类

高强度材料,高温材料,超硬材料,导电材料,绝缘材料,磁性材料,透光材料,半导体材料

按凝聚态分类

单晶材料,多晶材料,非晶材料,准晶材料

按物理效应分类

压电材料,热电材料,铁电材料,光伏材料,电光材料,磁光材料,激光材料

按用途分类

建筑材料,研磨材料,耐火材料,耐酸材料,电气材料,光学材料

按组成分类

单组分材料,复合材料

相关技术

航空航天材料科学

金属材料成型

加工

热加工

陶瓷冶金

粉末冶金

薄膜生长技术

表面处理技术:

表面改性技术,表面涂层技术

热处理

3D打印技术

具体研究

材料的研究和开发的目的是应用,材料必须通过合理的工艺加工,以生产具有实用价值的材料,通过大规模生产可以成为工程材料。 在将实验室研究转化为实用工程材料的过程中,材料制备技术,检测技术和计算机技术发挥着重要作用。 材料的实际研究构成了材料科学与技术的结合。

制备工艺

材料制备过程是材料开发的基础。 传统材料可以通过改进工艺来提高产品质量,劳动生产率和成本。 新材料的开发与工艺技术的关系更为密切。 例如,由于外延技术的出现,可以精确地将材料的厚度控制为几个原子,从而为原子和分子设计提供有效的手段。 采用快速冷却技术为金属材料的发展开辟了一条新的道路。首先,已经发生了非晶态的形成,并且出现了许多优良的材料。其次,通过快速冷却技术获得超细晶粒金属,提高了材料的性能。此外,通过快速冷却技术发现了准晶态的存在,这改变了晶体学中的一些传统概念。 由于脆性和稳定性问题以及高成本等许多高性能,有前途的材料,如工程陶瓷,高温超导材料等,不能得到广泛推广,这些问题需要通过工艺创新来解决。 因此,新材料的开发必须把工艺技术的研究和开发放在非常重要的位置。 现代材料制备工艺和技术通常与某些条件密切相关,例如使用空间重量损失条件的晶体生长;此外,强磁场,强冲击波,超高压,超高真空和强制冷却可能成为材料制备过程。有效的手段。

检测技术

材料科学的发展在很大程度上依赖于检测技术的改进。 每种新仪器和测试方法的发明和创造都促成了当时新材料的出现和发展。 1863年,光学显微镜用于研究金属材料。 然后出现电子显微镜,扫描电子显微镜和高分辨率电子显微镜。点的分辨率约为0.2nm,足以观察原子,这为研究材料的内部结构提供了先决条件。 然后,扫描TEM和扫描隧道显微镜不仅可以观察原子,还可以观察微小区域的化学成分和结构。它也可以用于原子加工,为在微观结构上设计新材料奠定了基础。

检测技术是控制材料工艺和产品质量的主要手段。无损检测不仅可以检查材料的宏观缺陷,还可以监控裂纹的产生和发展,为材料失效分析提供依据。 各种检测传感器使用物理,化学或生物学原理来传达在材料的使用和生产过程中产生的信息,从而实现控制产品质量的目标。 随着科学技术的发展,各种检测技术和检测装置不断更新,适用于在线,动态和各种恶劣环境试验的检测装置将用于材料的研究和生产。

计算机辅助设计

将计算机技术用于材料设计是开发新材料的重要手段。 材料设计通常分为三个层次。 第一个是微观层面,它使用统计力学和量子力学来研究原子和分子的集体行为。 第二个是微观水平,高于微米尺寸。它研究了在一定范围内的许多原子或分子的平均性质,例如变形和磁性,这通常由连续统计方程描述。 第三个层面是宏观层面,如宏观绩效,生产过程与绩效之间的关系,材料的断裂和微观结构的形成。 计算机技术可以考虑三个层面的因素,通过建立模型,计算机模拟,获得最佳组成,最佳结构和最合理的新材料工艺流程符合预期的性能。计算机的高速计算能力,巨大的存储容量和逻辑判断能力与人类创造力相结合,可以为材料设计提出创造性的解决方案;可以从大量存储的数据中执行检索和程序比较;在本地设计中进行了大量非常复杂的数学和机械计算;可以对设计进行全面分析和优化,确定设计图纸,提供组织生产的管理信息。 这种设计大大提高了设计质量,缩短了设计周期,为新材料和工艺的开发创造了条件。

应用研究

材料的广泛应用是材料科学技术发展的主要动力。 在实验室中具有优异性能的材料并不意味着它们可以在实际工作条件下使用。有必要通过应用研究做出判断,然后采取有效措施加以改进。 材料制成零件后的使用寿命的确定是材料应用研究的另一个方面,涉及安全设计和经济设计,材料的有效使用和材料的合理选择。 材料的应用也是机械部件和电子元件失效分析的基础。 通过应用研究,我们可以发现材料的规律性,指导材料的改进和发展。

发展趋势

随着高新技术的发展,材料科学和新材料在以下几个方面得到了发展。 1复合材料是结构材料开发的重点,包括树脂基高强度,高模量纤维复合材料,金属基复合材料,陶瓷基复合材料和碳 - 碳复合材料。 表面涂层或改性是另一种复合材料,具有量大,经济实用,具有广阔的发展前景。 2功能材料与设备相结合,往往更小,更多功能。 特别是,外延技术和超晶格理论的发展使得材料和器件的制备能够在原子尺度上得到控制,这将成为发展的焦点。 3开发低维材料。 低维材料具有散装材料所不具备的性质。 例如,零维纳米尺寸金属颗粒是电绝缘体和吸光黑体。由纳米颗粒制成的陶瓷具有更高的韧性和超塑性;纳米金属铝的硬度是块状铝的8倍;作为一维高强度有机纤维和材料的光纤,金刚石薄膜和超导薄膜作为二维材料已显示出广阔的应用前景。4信息功能材料增加品种,提高性能。 它主要指半导体,激光,红外,光电子,液晶,敏感和磁性材料等,它们是信息产业发展的基础。 高温超导材料将继续受到关注,并有望在21世纪末实现工业化。 5生物材料将获得更多的应用和开发。 一种是生物医学材料,可用于替代或修复人体的各种器官,血液和组织;另一种是生物模拟材料,即模拟生物的功能,如反渗透膜。 6种传统材料仍将占据重要地位。 金属材料在性能和价格比,工艺和现有设备方面具有明显优势,新品种不断涌现,未来仍具有强大的生命力。 高分子材料也将大大发展,性能将更加优异,特别是聚合物功能材料正在等待开发。 工程陶瓷将在性能改善和成本降低的条件下开发。 功能陶瓷主导功能材料并将继续发展。 7C60的出现为新材料的开发开辟了一条新途径。 可以使用原子簇技术开发更多新材料。