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材料科學
發佈時間:2018-06-15 瀏覽次數:0
材料科學定義

英文名:材料科學,工程領域,金屬材料的研究,開發,生產和應用,無機非金屬材料,高分子材料和複合材料。 其工程碩士學位授權單位培養從事新材料研究開發,材料製備,材料性能分析和改性,材料有效使用的高級工程技術人員。

培訓的主要課程有:政治理論課,外語課,工程數學,材料物理與化學工程,材料工程理論基礎,材料結構與性能,材料結構與性能測試技術,材料合成與製備工藝過程控制原理。 ,計算機技術應用,現代材料研究方法,材料科學與工程的新發展,以及現代管理的基礎。 材料科學專業是一門科學專業。

材料木材

綜述

材料是人類用於製造機器,部件,設備和其他產品的物質。 但並非所有物質都可稱爲材料,如燃料和化學原料,工業化學品,食品和藥品等,通常不算作材料。 材料可以以各種方式分類。 根據物理和化學性質,它分爲金屬材料,無機非金屬材料,有機聚合物材料和複合材料。 分爲電子材料,航空航天材料,建築材料,能源材料,生物材料等。 在實際應用中,它通常分爲結構材料和功能材料。 結構材料基於機械性能並且用於產生主要受應力的部件。 結構材料還具有物理或化學要求,如光澤度,導熱性,耐輻射性,抗氧化性,耐腐蝕性等,根據材料的應用,性能要求也不同。 功能材料主要是利用物理,化學或生物現象對外部變化的不同反應制成的一類材料。 如半導體材料,超導材料,光電材料,磁性材料等。

物質是人類生存和發展的物質基礎。 在20世紀70年代,人們將信息,材料和能源作爲社會文明的支柱。20世紀80年代,隨着高科技集團的興起,新材料,信息技術和生物技術被列爲新技術革命的重要標誌。 在現代社會,物質已成爲國民經濟建設,國防建設和人民生活的重要組成部分。

發展簡史

人類社會的發展以材料爲基礎。 一百萬年前,原始人用石頭作爲工具,稱爲舊石器時代。 一萬年前,人類加工石制工具並將其製成器具和精美工具,從而進入新石器時代。 在新石器時代晚期,從粘土中發射的陶器出現了。 人類在尋找石材工具的過程中遇到了礦石,並在陶瓷生產中開發了銅冶煉,從而創造了冶金技術。 公元前5000年,人類進入青銅時代。 公元前1200年,人類開始使用鑄鐵並進入鐵器時代。 隨着技術的進步,鋼鐵製造技術得到了發展。 在18世紀,鋼鐵工業的發展成爲工業革命的重要內容和物質基礎。 在19世紀中葉,現代平爐和轉爐鍊鋼技術的出現使人類真正進入了鋼鐵時代。

同時,銅,鉛和鋅也被廣泛使用,並且已經引入和應用了諸如鋁,鎂和鈦的金屬。 直到20世紀中葉,金屬材料一直佔據着材料工業的主導地位。 20世紀中葉以後,科學技術迅速發展,作爲發明之母和工業食品新材料,發生了劃時代的變化。 首先是合成高分子材料的引入,並得到了廣泛的應用。 已有塑料,如尼龍,聚乙烯,聚丙烯和聚四氟乙烯,以及維尼綸,合成橡膠,新工程塑料,聚合物合金和功能性聚合物材料。 半個世紀以來,高分子材料已與數千年曆史的金屬材料保持一致,年產量超過鋼材,成爲國民經濟,國防科學和高科技領域不可或缺的材料。 。 其次是陶瓷材料的發展。 陶瓷是人類使用自然提供的原材料製造的第一種材料。 20世紀50年代,合成化學原料和特殊製備工藝的發展使陶瓷材料發生了巨大的飛躍,出現了從傳統陶瓷到高級陶瓷的轉變。許多新型功能陶瓷形成了這個行業,滿足了電力,電子技術和航空航天技術的需求。發展和需求。

結構材料的發展推動了功能材料的發展。 在20世紀初,對半導體材料的研究開始了。 在20世紀50年代,製備了鍺單晶,製備了硅單晶和化合物半導體,從而開發了從電子管到晶體管,集成電路,大規模和超大規模集成電路的電子技術。 半導體材料的應用和發展使人類社會進入了信息時代。

現代材料科學技術的發展促進了金屬,非金屬無機材料和高分子材料之間的密切關係,從而形成了新的材料領域——複合材料。 複合材料基於一種材料,而其他一種或多種材料是增強材料,其可以獲得優於單一材料的性能。 複合材料作爲一種高性能結構和功能材料,不僅用於航空航天工業,還用於現代民用工業,能源技術和信息技術領域。

形成過程

材料是一個長期的術語,但材料科學是在20世紀60年代提出的。 1957年,蘇聯人造地球衛星成功發射後,美國政府和科技界感到震驚,並認識到先進材料對高科技發展的重要性。因此,在一些大學,建立了十多個材料科學研究中心。從那以後,材料科學這個術語開始被廣泛引用。

材料科學的形成是科學技術發展的結果。 這是因爲,首先,固體物理學,無機化學,有機化學,物理化學等學科的發展,對材料結構和物理性質的深入研究,促進了對材料性質的研究和理解;同時,冶金,金相,陶瓷等材料本身的研究也得到了極大的加強,使材料的製備,結構和性能,以及它們之間的關係也在不斷深化,爲形成奠定了堅實的基礎。材料科學。 其次,在材料科學這一術語出現之前,金屬材料,高分子材料和陶瓷材料科學已經自成體系。它們之間有許多相似之處,可以用來互相參考,促進這一學科的發展。 例如,馬氏體轉變最初是由冶金學家提出的,並且被廣泛用作鋼熱處理的理論基礎。然而,在氧化鋯陶瓷材料中也發現了馬氏體相變現象,並將其用作陶瓷增韌的有效手段。 第三,各種材料的研究設備和生產方法之間存在許多相似之處。 雖然不同類型的材料各自具有專用的測試設備和生產設備,但它們更相同或相似,例如顯微鏡,電子顯微鏡,表面測試和物理和機械性能測試設備。 許多加工設備在材料生產中也很常見。 研究設備和生產設備的多功能性不僅可以節省資金,更重要的是,它可以相互啓發和參考,從而加速材料的開發。 第四,科學技術的發展要求不同類型的材料可以相互替換,充分發揮各種材料的優越性,以實現材料的最佳利用。 長期以來,金屬,聚合物和無機非金屬材料的學科已經相互分離並變得獨立。 因爲他們彼此不瞭解,他們習慣於使用金屬材料而不能想到使用高分子材料。即使他們想要使用它們,他們也不太瞭解它們。 相反,它習慣於使用聚合物材料,並且不想使用金屬材料或陶瓷材料。 因此,科學技術發展的新要求促進了材料科學的形成。 第五,複合材料的發展將各種材料有機地結合爲一體。 在大多數情況下,複合材料是不同類型材料的組合。通過材料科學的研究,我們可以對各種材料有更深入的瞭解,爲複合材料的發展提供必要的基礎。

材料分類按化學組成分類

金屬材料,無機非金屬材料,有機高分子材料,複合材料

按物理性質分類

高強度材料,高溫材料,超硬材料,導電材料,絕緣材料,磁性材料,透光材料,半導體材料

按凝聚態分類

單晶材料,多晶材料,非晶材料,準晶材料

按物理效應分類

壓電材料,熱電材料,鐵電材料,光伏材料,電光材料,磁光材料,激光材料

按用途分類

建築材料,研磨材料,耐火材料,耐酸材料,電氣材料,光學材料

按組成分類

單組分材料,複合材料

相關技術

航空航天材料科學

金屬材料成型

加工

熱加工

陶瓷冶金

粉末冶金

薄膜生長技術

表面處理技術:

表面改性技術,表面塗層技術

熱處理

3D打印技術

具體研究

材料的研究和開發的目的是應用,材料必須通過合理的工藝加工,以生產具有實用價值的材料,通過大規模生產可以成爲工程材料。 在將實驗室研究轉化爲實用工程材料的過程中,材料製備技術,檢測技術和計算機技術發揮着重要作用。 材料的實際研究構成了材料科學與技術的結合。

製備工藝

材料製備過程是材料開發的基礎。 傳統材料可以通過改進工藝來提高產品質量,勞動生產率和成本。 新材料的開發與工藝技術的關係更爲密切。 例如,由於外延技術的出現,可以精確地將材料的厚度控制爲幾個原子,從而爲原子和分子設計提供有效的手段。 採用快速冷卻技術爲金屬材料的發展開闢了一條新的道路。首先,已經發生了非晶態的形成,並且出現了許多優良的材料。其次,通過快速冷卻技術獲得超細晶粒金屬,提高了材料的性能。此外,通過快速冷卻技術發現了準晶態的存在,這改變了晶體學中的一些傳統概念。 由於脆性和穩定性問題以及高成本等許多高性能,有前途的材料,如工程陶瓷,高溫超導材料等,不能得到廣泛推廣,這些問題需要通過工藝創新來解決。 因此,新材料的開發必須把工藝技術的研究和開發放在非常重要的位置。 現代材料製備工藝和技術通常與某些條件密切相關,例如使用空間重量損失條件的晶體生長;此外,強磁場,強衝擊波,超高壓,超高真空和強制冷卻可能成爲材料製備過程。有效的手段。

檢測技術

材料科學的發展在很大程度上依賴於檢測技術的改進。 每種新儀器和測試方法的發明和創造都促成了當時新材料的出現和發展。 1863年,光學顯微鏡用於研究金屬材料。 然後出現電子顯微鏡,掃描電子顯微鏡和高分辨率電子顯微鏡。點的分辨率約爲0.2nm,足以觀察原子,這爲研究材料的內部結構提供了先決條件。 然後,掃描TEM和掃描隧道顯微鏡不僅可以觀察原子,還可以觀察微小區域的化學成分和結構。它也可以用於原子加工,爲在微觀結構上設計新材料奠定了基礎。

檢測技術是控制材料工藝和產品質量的主要手段。無損檢測不僅可以檢查材料的宏觀缺陷,還可以監控裂紋的產生和發展,爲材料失效分析提供依據。 各種檢測傳感器使用物理,化學或生物學原理來傳達在材料的使用和生產過程中產生的信息,從而實現控制產品質量的目標。 隨着科學技術的發展,各種檢測技術和檢測裝置不斷更新,適用於在線,動態和各種惡劣環境試驗的檢測裝置將用於材料的研究和生產。

計算機輔助設計

將計算機技術用於材料設計是開發新材料的重要手段。 材料設計通常分爲三個層次。 第一個是微觀層面,它使用統計力學和量子力學來研究原子和分子的集體行爲。 第二個是微觀水平,高於微米尺寸。它研究了在一定範圍內的許多原子或分子的平均性質,例如變形和磁性,這通常由連續統計方程描述。 第三個層面是宏觀層面,如宏觀績效,生產過程與績效之間的關係,材料的斷裂和微觀結構的形成。 計算機技術可以考慮三個層面的因素,通過建立模型,計算機模擬,獲得最佳組成,最佳結構和最合理的新材料工藝流程符合預期的性能。計算機的高速計算能力,巨大的存儲容量和邏輯判斷能力與人類創造力相結合,可以爲材料設計提出創造性的解決方案;可以從大量存儲的數據中執行檢索和程序比較;在本地設計中進行了大量非常複雜的數學和機械計算;可以對設計進行全面分析和優化,確定設計圖紙,提供組織生產的管理信息。 這種設計大大提高了設計質量,縮短了設計週期,爲新材料和工藝的開發創造了條件。

應用研究

材料的廣泛應用是材料科學技術發展的主要動力。 在實驗室中具有優異性能的材料並不意味着它們可以在實際工作條件下使用。有必要通過應用研究做出判斷,然後採取有效措施加以改進。 材料製成零件後的使用壽命的確定是材料應用研究的另一個方面,涉及安全設計和經濟設計,材料的有效使用和材料的合理選擇。 材料的應用也是機械部件和電子元件失效分析的基礎。 通過應用研究,我們可以發現材料的規律性,指導材料的改進和發展。

發展趨勢

隨着高新技術的發展,材料科學和新材料在以下幾個方面得到了發展。 1複合材料是結構材料開發的重點,包括樹脂基高強度,高模量纖維複合材料,金屬基複合材料,陶瓷基複合材料和碳 - 碳複合材料。 表面塗層或改性是另一種複合材料,具有量大,經濟實用,具有廣闊的發展前景。 2功能材料與設備相結合,往往更小,更多功能。 特別是,外延技術和超晶格理論的發展使得材料和器件的製備能夠在原子尺度上得到控制,這將成爲發展的焦點。 3開發低維材料。 低維材料具有散裝材料所不具備的性質。 例如,零維納米尺寸金屬顆粒是電絕緣體和吸光黑體。由納米顆粒製成的陶瓷具有更高的韌性和超塑性;納米金屬鋁的硬度是塊狀鋁的8倍;作爲一維高強度有機纖維和材料的光纖,金剛石薄膜和超導薄膜作爲二維材料已顯示出廣闊的應用前景。4信息功能材料增加品種,提高性能。 它主要指半導體,激光,紅外,光電子,液晶,敏感和磁性材料等,它們是信息產業發展的基礎。 高溫超導材料將繼續受到關注,並有望在21世紀末實現工業化。 5生物材料將獲得更多的應用和開發。 一種是生物醫學材料,可用於替代或修復人體的各種器官,血液和組織;另一種是生物模擬材料,即模擬生物的功能,如反滲透膜。 6種傳統材料仍將佔據重要地位。 金屬材料在性能和價格比,工藝和現有設備方面具有明顯優勢,新品種不斷涌現,未來仍具有強大的生命力。 高分子材料也將大大發展,性能將更加優異,特別是聚合物功能材料正在等待開發。 工程陶瓷將在性能改善和成本降低的條件下開發。 功能陶瓷主導功能材料並將繼續發展。 7C60的出現爲新材料的開發開闢了一條新途徑。 可以使用原子簇技術開發更多新材料。