理學院物理系
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緒論材料科學與技術是當代文明的三大支柱之一和全球新技術革命的三個標誌之一，在當今高科技的發展中起著基礎和先導作用。
1.1材料的概念
1.1.1 概念
材料是人類用於製造物品、器件、構件、機器或其它產品的物質。
人類通過勞動製成產品有兩個途徑：
物質→產品（簡單的，低效能的）；
物質→材料→產品（複雜的，高效能的）。
1.1.2 新材料特點
新材料是指那些正在發展，且具有優異效能和應用前景的一類材料。一般具有以下特點：
1、具有一些優異效能或特定功能；
2、新材料的發展與材料科學理論的關係比傳統材料更為密切；
3、新材料的製備和生產往往與新技術、新工藝緊密相關；
4、更新換代快，式樣多變；
5、新材料大多是知識密集、技術密集、附加值高的高技術材料，而傳統材料通常為資源性或勞動集約型材料。
1.1.3 材料科學與工程內涵
材料科學主要研究材料的成分、分子或原子結構、微觀及巨集觀組織以及加工製造工藝和效能之間的關係，從中發現規律性的認識。
材料科學與工程就是研究有關材料組成、結構、製備工藝流程與材料效能和用途的關係的知識產生及其運用。
三個重要特徵：1、多學科交叉；2、與實際使用結合非常密切的科學；3、正在發展中的科學。
四個基本要素：組成與結構、合成與生產過程、性質、使用效能。
1.2 材料的發展
材料一直是人類進化的重要里程碑，如歷史上的石器時代、青銅器時代、鐵器時代都是以材料作為時代的主要標誌。
材料發展的三個階段（社會發展）：
農業社會: 木材、石頭、隕鐵等天然材料
工業社會: 鋼鐵、水泥、塑料金屬等材料
資訊社會: 功能材料、結構陶瓷、奈米材料等
材料的製備
材料在人類社會發展中的作用
以材料劃分人類發展的歷程
材料是人類生活和生產的物質基礎和根本保障，從人類開始認識自然、改造自然的那一刻起就開始了材料的使用。材料的歷史和人類的歷史一樣久遠。人類的文明曾被劃分為舊石器時代、新石器時代、青銅器時代、鐵器時代，由此可見材料對人類社會大發展的影響是巨大的。
隨著人類文明的發展，材料也在不斷發展，直至形成現在的材料科學和材料工程。
1.純天然材料的初級使用階段
在遠古時代，人類只能用天然材料（如獸皮、甲骨、羽毛、樹木、草葉、石塊、泥土等）來製作各種生活生產的工具。在製造**等方面的技巧也都只是純天然材料的簡單加工。
關於人類的起源：
現代人類和類人猿共同的祖先是森林古猿，據考古學家發現最早的人猿類化石是在肯亞中世紀，之後約1700萬年時，非洲的原始人猿向歐洲和亞洲遷移，逐步形成兩個群族。乙個是樹猿類：分布於非洲和歐洲，包括肯亞古猿、非洲古猿、樹猿等；另乙個是臘瑪類：
主要分布在亞洲，包括希瓦古猿、臘瑪古猿和巨猿等。
北京人：
500萬年前，由森林古猿逐漸進化而來的新世直立人，也稱「中國猿人北京種」。
鑽木去火：
將削尖的木棒伸到木板的洞裡，用力壓住木棒來回轉動，板與棒相互摩擦，摩擦生熱達到木棒的著火點變開始燃燒。
2.單純用火製造材料階段
12023年前到20世紀初期的新石器時代、銅器時代、鐵器時代的這個漫長時期。主要用火對天然材料進行煅燒、冶煉和加工。例如用天然礦土燒製陶瓷和磚瓦。
玻璃、水泥和從各種天然礦石中提煉銅、鐵等金屬材料。
關於越王勾踐的故事：
越王勾踐劍通高55.7厘公尺，寬4.6厘公尺，柄長8.4厘公尺，重875克，2023年冬出土於湖北省荊州市附近的望山楚墓群中。
這把劍是春秋戰國時期，用火直接提煉天然的青銅煉製而成，距今已經2000多年。被譽為天下第一劍。與吳王夫差矛並同列入國家級保護文物。
3.物理與化學原理合成材料階段
20世紀初，隨著物理化學等科學的發展及各種檢測技術的出現，人類一方面從化學角度出發，開始研究材料的化學組成、化學鍵、微觀結構及合成方法；另一方面從物理角度出發開始研究材料的物性，把物理和化學理論應用到材料技術中，從而萌芽了材料科學。
人類不再是單純的開採天然礦石和原料，而是經過簡單的煅燒和冶煉來製造材料，而且能利用一系列的物理化學原理及現象來創造新的材料。
人工合成材料、金屬材料和陶瓷材料並稱為材料的三大支柱
高分子材料的萌芽史
15世紀美洲瑪雅人用天然橡膠做容器，雨具等生活用品。
2023年美國人charles goodyear發現天然橡膠與硫磺共熱後明顯地改變了效能，使它從硬度較低、遇熱發粘軟化、遇冷發脆斷裂的不實用的性質，變為富有彈性、可塑性的材料。
2023年美國人john wesley hyatt把硝化纖維、樟腦和乙醇的混合物在高壓下共熱，製造出了第一種人工合成塑料「賽璐珞」。
2023年法國人count hilaire de chardon***用硝化纖維素的溶液進行紡絲，制得了第一種人造絲。
2023年美國人leo baekeland用苯酚與甲醛反應製造出第一種完全人工合成的塑料——酚醛樹酯。
2023年德國人hermann staudinger發表了「關於聚合反應」的**提出：高分子物質是由具有相同化學結構的單體經過化學反應（聚合），通過化學鍵連線在一起的大分子化合物，高分子或聚合物一詞即源於此。
2023年瑞典化學家斯維德貝格等人設計出一種超離心機，用它測量出蛋白質的分子量：證明高分子的分子量的確是從幾萬到幾百萬。
2023年美國化學家waldo semon合成了聚氯乙烯，並於2023年實現了工業化生產。
2023年聚苯乙烯(ps)發明。
2023年 hermann staudinger總結了自己的大分子理論，出版了劃時代的巨著《高分子有機化合物》成為高分子化學作為一門新興學科建立的標誌。
2023年杜邦公司基礎化學研究所有機化學部的wallace h. carothers合成出聚醯胺66，即尼龍。尼龍在2023年實現工業化生產。
2023年德國人用金屬鈉作為催化劑，用丁二烯合成出丁鈉橡膠和丁苯橡膠。
2023年英國人t. r. whinfield合成出聚酯纖維（pet）。
2023年代peter debye 發明了通過光散射測定高分子物質分子量的方法。
2023年 paul flory 建立了高分子長鏈結構的數學理論。
2023年德國人karl ziegler與義大利人giulio natta分別用金屬絡合催化劑合成了聚乙烯與聚丙烯。
2023年美國人利用齊格勒-納塔催化劑聚合異戊二烯，首次用人工方法合成了結構與天然橡膠基本一樣的合成天然橡膠。
2023年szwarc提出活性聚合概念。高分子進入分子設計時代。
2023年s. l wolek 發明可耐300℃高溫的kevlar。
2023年以後高分子合成新技術不斷湧現，高分子新材料層出不窮。
4、複合材料
20世紀50年代金屬陶瓷的出現標誌著複合材料時代的到來，緊接著出現了玻璃鋼、鋁塑薄膜、梯度功能材料以及抗菌材料。人類已經可以利用新的物理、化學方法、根據實際需要設計獨特效能的材料。
5.材料的智慧型化階段
自然界中的材料一般都具有自適應、自診斷、自修復功能。例如所有的動物或植物都能在沒有受到絕對破壞的情況下進行自我診斷自我修復，人工材料在開始發現時卻不能做到這一點。
經過三四十年的研究，目前已經研製出一些材料可以具備其中的部分功能，這就是智慧型材料，如形狀記憶合金、光致變色玻璃等。
形狀記憶合金 ：這種合金在一定溫度下成形後，能記住自己的形狀。當溫度降到一定值（相變溫度）以下時，它的形狀會發生變化；當溫度再公升高到相變溫度以上時，它又會自動恢復原來的形狀。
人工智慧材料所具有的特點：1)具有感知功能，能夠檢測並且可以識別外界(或者內部)的刺激強度，如電、光、熱、應力-應變、化學、核輻射等； (2)具有驅動功能，能夠響應外界變化； (3)能夠按照設定的方式選擇和控制響應；
(4)反應比較靈敏,及時和恰當； (5)當外部刺激消除後,能夠迅速恢復到原始狀態。
1.3 材料的分類
1.3.1 從化學屬性上分，材料可分為金屬材料、有機高分子材料、無機非金屬材料、複合材料及生物醫學材料。
1.3.2 從**來分，材料可分為天然材料和人造材料。
1.3.3 從用途上分，材料可分為結構材料和功能材料。
結構材料主要利用其強度、韌性等力學性質，如鋼鐵、水泥、結構陶瓷等；
功能材料則主要利用電子導電、半導體、光學和磁學性質，如半導體材料、磁性材料、雷射材料、生物材料、奈米材料等。
金屬材料
金屬材料包括兩大類：鋼鐵材料和非鐵(有色)金屬材料。
除鋼鐵外，其他金屬材料一般統稱為非鐵金屬材料，主要有鋁、銅、鈦、鎳及其合金等。鋁、銅合金用得最多，鈦合金主要用於航空航天等部門。
無機非金屬材料
無機非金屬材料主要包括陶瓷、水泥、玻璃及非金屬礦物材料。
傳統的陶瓷材料由粘土、石英、長石等組成，主要作為建築材料使用。
新型陶瓷材料主要以al2o3，sic，si3n4等為主要組分，已用作航空航天領域中太空梭的熱絕緣塗層、發動機的葉片等，還作為先進的功能材料，用於製作電子元件和敏感元件。
有機高分子材料
有機高分子材料又稱高分子聚合物，按用途可分為塑料、合成纖維和橡膠三大類。
塑料通常又分為通用塑料和工程塑料。
複合材料
複合材料就是由兩種或兩種以上不同原材料組成，使原材料的效能得到充分發揮，並通過複合化而得到單一材料所不具備的效能的材料。
按基體可分為金屬基、有機高分子材料基、無機非金屬基複合材料。
按強化相可分為顆粒增強和纖維增強複合材料。
工程材料的分類
工程材料主要是指用於機械、車輛、船舶、建築、化工、能源、儀器儀表、航空航天等工程領域中的材料，用來製造工程構件和機械零件，也包括一些用於製造工具的材料和具有特殊效能(如耐蝕、耐高溫等)的材料。
按結合鍵的性質，工程材料分類如下：
新材料新材料按其在不同高技術領域中的用途可分為三大類，即資訊材料、新能源材料，以及在特殊條件下使用的結構材料和功能材料。
如砷化鎵等新的化合物半導體材料，用於資訊探測感測群的碲鎘汞、銻化姻、硫化鉛等敏感類材料，石英型光導纖維材料，鉻鈷合金光儲存記錄材料，非晶體太陽能電池材料，超導材料，高溫陶瓷材料，高效能復合結構材料，高分子功能材料，特別是奈米材料等等。
材料科學基礎考試總結
一 材料效能 1.效能分類 2.效能指標4大項 3.力學效能 定義 表示符號 單位 數值意義 4.物理化學效能 有哪些，對材料應用有何影響 5.工藝效能 有哪些，定義，對材料加工有何影響 二 材料牌號 材料綜合分類 大致成分 基本效能 典型應用 牌號構成與識別 三 鐵碳平衡狀態圖 1.會背 2.分析...
材料科學基礎考試重點
1.選擇題 10 2 20分 2.判斷題 5 1 5分 3.填空 4.名詞解釋 色心會考 5.簡答題 4 5 20分 6.計算題 5 10 10 25分 計算題往年的考試1.粘度的計算 2.固溶體理論密度的計算 3.熱缺陷的濃度 2.晶體結構 主要考點 2.1.1 2.1.2 2.1.2.2 2.1...
日本材料科學與工程
4 本專業必需的機械設計 電工與電子技術 計算機應用的基本知識和技能 5 相關的技術經濟管理知識 6 文獻檢索 資料查詢的基本方法，具有初步的科學研究和實際工作能力。四 日本留學材料科學與工程專業相關專業會開設的課程 與其他工科專業相同，材料科學與工程專業在大學 一 二年級會安排基礎科目的學習，如高...