绪章绪论

在人类发展的历史长河中，材料起着举足轻重的作用。在科技发展的历史上，往往首先在材料或材料技术上取得突破，然后带动一个产业的发展。钢铁材料的出现孕育了产业革命；高纯半导体硅材料的制造大大促进了现代信息技术的建立与发展。本章主要介绍什么是材料、材料分类、发展历史、材料未来以及材料科学与工程学科的形成，通过学习，了解熟悉材料，增强学习材料的兴趣。

●0.1材料概论

材料是人类赖以生存和发展的物质基础。在人类社会的发展过程中，材料的发展水平始终是时代进步和社会文明的标志。20世纪70年代，人们把信息、材料和能源作为社会文明的支柱。80年代，随着高技术群的兴起，又把新材料与信息技术、生物技术并列作为新技术革命的重要标志。现代社会，材料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。

●0.2材料的分类

材料是人类用来制造机器、构件、器件和其他产品的物质。材料可按多种方法进行分类。按化学组成可分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料以及复合材料；按照材料性能可分为结构材料和功能材料；按照尺寸可分为零维、一维、二维以及三维材料。

●0.3材料的发展史

人类社会的发展历程以材料为主要标志。原始人以石头作为工具，对石器进行加工，使之成为器皿和工具，此为石器时代。人类在寻找石器过程中认识了矿石，并在烧陶生产中发展了冶铜术，人类进入青铜器时代。随着发展，人类开始使用铸铁，又发展了钢的制造技术。随着合成时代、硅时代以及新材料时代的相继到来，可以预见人类对材料开发的脚步永不停止。

●0.4材料的发展趋势

材料产业的发展水平已成为衡量一个国家经济社会发展、科技进步和国防实力的重要标志。随着技术的突破，在未来，材料将向智能化、功能化、仿生化、复合化等方向发展，展现出巨大的发展潜力。

●0.5材料科学与工程的形成与研究

材料科学与工程学科的形成是科学技术发展的结果。对物质结构和物性的深入研究，推动了对材料本质的研究和了解；对材料的制备、结构和性能，以及它们之间的相互关系的研究愈来愈深入，为材料科学与工程的形成打下了坚实的基础。随着社会的发展，材料科学与工程专业知识体系以及人才的培养逐渐完善。

第一章材料的组成与结构

材料有很多种，应用极其广泛。有用来制作塑料的有机高分子材料，有用来制作衣服的纤维材料，有用来制作工具的金属材料，在我们的日常生活和工业生产中，处处都可以看到材料的踪迹。那么这些材料的组成以及结构是怎样的呢？本章主要介绍材料的组成、微观结构、亚微观结构以及宏观结构，这有助于认识和理解材料结构和性能的关系。

●1.1物质的组成

生活中存在很多种材料，比如金属，无机非金属，高分子材料，复合材料等，这些材料的组分不同。本节主要介绍材料的化学组成和物相组成，结合实例帮助理解材料的组成。

●1.2微观结构（原子和分子结构）

本节主要介绍微观结构中的原子结构和分子结构，而且还介绍相应结构对应材料的特点，这有助于理解原子结构和分子结构对材料宏观性能的影响。

●1.3微观结构（晶体和合金相结构）

本节首先介绍晶体结构，这些晶体结构包括金属晶体、无机非金属晶体以及高分子晶体；然后介绍固溶体和中间相等合金相结构，增强对合金相的认识和理解。

●1.4亚微观与宏观结构

本节主要介绍亚微观和宏观结构的概念，根据研究对象尺度的不同将亚微观结构分为零维纳米材料、一维纳米材料以及二维纳米材料，并运用图片以及生活中会用到的材料来帮助大家对不同材料分类的理解。

第二章材料的性能及其意义

材料性能是衡量材料应用的重要指标。本章主要介绍材料各种性能的基本概念、影响因素及测试方法，了解材料性能与化学成分、组织结构之间的关系，为培养学生具有合理选材、用材、开发新型材料的能力奠定基础。本章在内容选取上密切结合生活实际，向学生揭秘材料性能的奥秘。

●2.1使用性能

本节主要介绍材料的物理性能、化学性能等使用性能，帮助认识和理解材料在各种复杂条件下的使用要求。

●2.2工艺性能及其它性能

本节主要介绍材料的工艺性能以及其它性能，重点介绍金属材料和高分子材料的工艺性能，而且还结合生活实际介绍了材料的生物学性能、防辐射性能以及热传导性能等，这有助于理解材料的加工工艺性能对材料最终使用性能的影响。

第三章高分子材料

高分子材料的普及已经深入到人类衣食住行的各个方面，给人类生活带来了翻天覆地的变化。 随着人类对物质生活追求的提高，高分子材料也在向着多功能，高性能方向发展。本章主要介绍什么是高分子材料、高分子材料的发展历程、生活中常见高分子和发展趋势，通过学习，了解熟悉高分子材料，理解生活中一些高分子，增强学习高分子材料的兴趣。

●3.1绪论

高分子材料与人类生活息息相关，小到日常生活，大到上天入海，我们身边处处存在高分子材料。发黄的手机壳，吹大的泡泡糖，这些有趣的现象往往能通过高分子得到解释。本节主要从高分子的重要性和定义及分类出发，对生活中常见的高分子材料进行了简略的描述。

●3.2高分子定义

高分子由小分子通过共价键连接而成，具有其独特的性质。本节将介绍高分子的定义，通过学习了解高分子的结构特点及其性能来源。

●3.3高分子材料分类

高分子材料种类繁多，对高分子材料进行合理的分类是了解、学习高分子材料的基础，本节将介绍高分子的主要分类方法，帮助了解高分子材料来源、结构与应用范围的区别。

●3.4塑料

塑料是生活中使用最为广泛的高分子材料之一，本节将介绍常见的塑料的种类与用途。

●3.5橡胶

橡胶是具有高弹性的高分子材料，具有与塑料截然不同的性能与结构。本节将介绍天然橡胶与合成橡胶的种类与用途。

第四章高分子材料发展历程

高分子材料存在于人类发展的漫漫历史长河中，从远古时期的造纸及石墨的使用，到近代的第一种塑料“赛璐珞”的产生，人们对高分子学科的探索日益加深。本章主要介绍高分子的发展历史，通过学习，了解高分子的前世今身，增强对高分子历史的理解。

●4.1高分子科学的历史

高分子科学的发展始于近代，在近一百年的时间里不断发展中显著影响了人类的生产与生活，并诞生了诸多的诺贝尔奖得主。本节将通过介绍高分子科学领域的杰出科学家，学习高分子科学的发展历史。同时学习我国高分子科学家的事迹，见证我国高分子科学的发展与成就。

●4.2高分子材料现状及发展趋势

高分子材料是当代新材料的后起之秀，其发展速度与应用范围超过了传统的金属材料和无机材料。在未来，随着生活质量的提升，高分子材料必然是向着高性能化、高功能化、复合化、智能化和绿色化发展，展现出巨大的发展潜力。

第五章常见高分子材料

生活中常见的高分子材料主要有塑料、橡胶、纤维、涂料和胶黏剂，其中，被称为现代高分子三大合成材料的塑料、合成纤维和合成橡胶已经成为国民经济建设与人民日常生活所必不可少的重要材料。本章主要介绍日常生活中常见的纤维，通过学习，了解和认识生活中常见高分子材料的重要作用和地位。

●5.1纤维

纤维主要分为人造纤维跟天然纤维两大类，本节主要从纤维的定义及用途出发，对生活中常见的纤维进行了简略的描述。

第六章纳米材料

纳米材料的结构在三维空间中至少有一维小于100 nm，其尺寸介于原子、分子和宏观体系之间，因而能够表现出许多传统宏观材料所不具有的性质。自纳米材料诞生以来，基于纳米尺度的材料特性不断被揭示，各种纳米材料已在光电子技术和器件、纳米生物技术、医药医疗等领域得到广泛关注与应用。本章将学习了解纳米材料的独特性质，认识纳米材料及其纳米效应的科学意义与应用价值。

●6.1认识纳米科技

纳米有多小？什么又是纳米科技？本节将介绍纳米及纳米科技的概念，了解纳米科技研究“自上而下”和“自下而上”的研究方法。

●6.2纳米材料的观察方法及分类

纳米材料尺寸小于100 nm，对其结构的观察是研究的关键。本节将介绍纳米材料的观察方法，并根据纳米材料的结构，介绍纳米材料的分类方法。

●6.3纳米材料的化学和物理性质

纳米材料因其具有的尺度效应，表现出不同于宏观材料的化学与物理性质。本节将介绍纳米材料的化学与物理性质，并介绍其特性的具体应用。

●6.4纳米材料的机械学和生物学性质

纳米材料的小尺度、表面效应赋予了其极佳的机械学与生物学性质。本节将介绍纳米材料在机械学与生物学上的优秀性能与前沿应用。

●6.5纳米材料中的明星——碳

以富勒烯、碳纳米管、石墨烯等为首的碳纳米材料无疑是最广为人知的纳米材料。本节将介绍碳纳米管、石墨烯等，了解其独特性能与先进应用。

第七章金属材料

金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础，生活中金属材料的应用也无处不在。本章通过分析金属材料的分类、物化性质、组织结构及金属提炼过程中组织及性能的变化，并列举各类金属材料的应用实例，运用实例带领大家认识和熟悉金属材料，为进一步学习材料相关课程奠定基础。

●7.1金属定义

金属在自然界中广泛存在，在生活中应用极为普遍。本节将介绍金属的定义，通过学习了解什么是金属，并掌握金属的共同特点。

●7.2金属材料的分类

生活中金属材料无处不在，自然界存在和人工合成的金属已达90多种。本节主要介绍金属材料的定义和分类，包括黑色金属和有色金属，并通过实例增强对各类金属材料的了解。

●7.3金属材料的物化性质

金属材料的物化性质主要包括物理性能、化学性能、工艺性能和机械性能等。本节将依次介绍这四种性能，并通过列举各种性能的应用实例让大家更好理解其性能特点。

●7.4金属材料的组织结构

本节主要学习金属材料的晶体结构。首先讲述纯金属的晶体结构，包括晶体概念和常见的金属晶格分类，然后介绍合金的晶体结构，包括其基本概念以及合金的相结构分类。通过运用图片及实例分析等手段带大家认识金属材料的晶体结构。

●7.5常见的金属材料

生活中我们可以看到各类金属材料，本节将带领大家认识几类重要的金属材料，其中涵盖碳钢、铸铁、合金钢、铜合金、铝合金以及钛合金。主要介绍其定义以及分类，并例举生活中应用实例，让大家更直观了解这几类金属材料的重要性。

●7.6金属的提炼

金属的提炼是从自然界索取金属单质的过程。其过程主要包括矿石的富集、金属的冶炼和金属的精炼。本节内容将主要带领大家认识金属的冶炼和精炼，并通过具体的实例来帮助大家理解学习。

第八章无机非金属材料

无机非金属材料在日常生活中无处不在，与有机高分子材料、金属材料并列为三大材料。本章主要介绍了传统无机非金属材料、新型无机非金属材料、无机涂层及搪瓷、无机胶凝材料及混凝土、新型房建材料的组成、制备方法、生产工艺及相关应用。通过学习，深入了解无机非金属材料组成、结构、性能之间的联系，了解生产原理与工艺，为解决在无机材料生产及应用过程中遇到各类问题打下基础。

●8.1无机非金属材料的分类

硅酸盐材料是传统无机非金属材料的主要分支之一，主要包括硅酸盐水泥、硅酸盐玻璃等。本节主要介绍了硅酸盐水泥的生产工艺及相关应用；硅酸盐玻璃的生产工艺及相关应用，通过对硅酸盐材料的认识进一步加深对传统无机非金属材料的了解。新型无机非金属材料除具有性质稳定、抗腐蚀、耐高温的特点外，还有具有电学、光学特性和生物功能等某些特征，成为用途最为广泛的无机非金属材料之一。本节对新型无机非金属材料（包括特种陶瓷、敏感材料、激光材料、光导纤维）进行了概述，以特种陶瓷为例，着重介绍了其分类、特点、制造工艺及相关应用。

●8.2无机涂层及搪瓷

无机涂层是用陶瓷或玻璃态物质以及部分金属，加涂在金属或陶瓷表面以达到增效和延寿目的的一种膜层。本节从无机涂层、搪瓷等具体实例讲述出发，进一步了解无机非金属材料的特性。

●8.3特种陶瓷

特种陶瓷具有特殊的性能，应用于现代工业与尖端科技的各个领域。本节将介绍特种陶瓷的种类，学习了解特种陶瓷的性能特点与应用功能。

第九章高新技术材料

在人类社会的发展和进步中，材料是文明和时代进步的重要标志。在科技发展日新月异的当今社会，我们所使用的材料也得到了极大的发展，性能优良、用途各异的高新技术材料不断出现在人们的生产生活当中，极大地促进了社会的发展。本章主要介绍了高新技术材料的概念、种类、意义、产业发展以及未来最具潜力的十大高新技术材料，帮助同学们认识、了解到现代社会各个方面所使用到的新材料。

●9.1高新技术材料概论

近年来随着科技的不断发展，在传统材料的基础上不断进行创新，开发具有优异性能和特殊功能的新材料。这些新材料促使生产力得到极大的提高，在生产生活、科技、国防等领域有着非常重要的意义，与此同时诞生的高新技术材料产业也得到了飞速发展，高新技术材料已经成为现代社会各行各业发展的基础，不断推动人类社会的发展。

●9.2纳米材料及新能源材料

本节主要介绍纳米材料及新能源材料。纳米材料可以表现出特异的光、电、磁、热、力学、机械等性能，纳米技术已经运用到我们的生活中，如医用材料、纳米纤维材料、石墨烯等材料，对提高人们生活品质起到了十分重要意义。新能源材料包括太阳能、生物质能、核能等新材料，特别是在能源、燃料等方面已经得到了巨大的发展，这些新能源材料对改善环境、节约能源、实现可持续发展起到极大的推动作用。

●9.3复合材料及电子信息材料

复合材料和电子信息材料在我们的生活中可以说是随处可见，小到桌椅、电子产品，大到建材、国防领域都有着这些材料的运用，由此可见，复合材料和电子信息材料对我们的生活至关重要。本节主要介绍复合材料和电子信息材料，帮助大家认识复合材料和电子信息的概念、研究发展方向以及应用。

●9.4其他高新技术材料

其他高新技术材料如生态环境材料、生物医用材料、智能材料、高性能结构材料、新型功能材料、化工新材料、新型建筑材料、先进陶瓷材料等，这些高新技术材料用于社会的方方面面。本节介绍多种生活、国防科技等方面的各种新材料，通过实例帮助大家了解生活中的新材料，增强学习和研究新材料的兴趣。

●9.5十大未来最具潜力新材料

综合目前已经出现的各类高新技术材料对人类生活、科技发展、国防军事应用等方面的意义，本节介绍十大未来最具潜力新材料，分别是泡沫金属、3D打印材料、离子液体、超材料、超导材料、非晶合金、富勒烯、气凝胶、碳纳米管、石墨烯。这些材料的性能极其优异，是未来最具发展潜力的新材料。

第十章材料与环境

随着材料科学的发展，越来越多的材料被应用在各行各业，极大的影响了人们的日常生活，同时，也给环境带来了巨大的改变。

●10.1材料与环境的关系

材料的应用给环境带来了巨大的影响，同时，环境的变化也给材料的应用带来巨大的挑战。材料是推动社会文明进步的车轮,是社会发展的重要标志。当代社会所使用的材料、能源日益增多,其结果给环境带来的压力越来越大,对环境造成的污染越来越严重。如何既能很好的使用材料、能源,又不会给环境带来灾难,这就需要研究环境、材料、社会之间的关系,充分利用材料,从而推动人类社会可持续发展的战略目标进程。

●10.2金属材料的腐蚀与保护

金属材料因其优异的性能得到广泛的应用，而随之带来的腐蚀问题也引起人们的普遍关注。金属腐蚀给国民经济造成巨大的损失，并且由金属腐蚀引发的各种事故也对人身和公共安全造成了巨大威胁。金属腐蚀与防护的研究不仅是一个重大的科学问题，而且具有重要的社会和经济意义。

●10.3高分子材料的老化与防止

高分子材料在其合成、贮存及其加工和最终应用的各个阶段都可能发生变质，即材料的性能变坏，例如泛黄、分子量下降、制品表面均裂、光泽丧失，更为严重的是导致抗冲击强度、抗挠曲强度、抗张强度和伸长率等机械性能大幅度下降，从而影响高分子材料制品的正常使用。

●10.4生态环境材料

生态环境材料 是指那些具有良好的使用性能和优良的环境协调性的材料。 良好的环境协调性是指 资源 、 能源 消耗少，环境污染小，再生循环利用率高。 生态环境材料是人类主动考虑材料对生态环境的影响而开发的材料，是充分考虑人类、 社会 、自然三者相互关系的前提下提出的新概念，这一概念符合人与自然和谐发展的基本要求，是材料 产业 可持续发展 的必由之路。

第十一章复合材料

复合材料是通过先进材料制备技术将不同性质两种或更多的组分材料优化组合后形成的新材料，可在某一方面或多个方面提供传统单一材料不具有的优异性能。复合材料与国防工业、交通能源等影响国民经济重大工程的行业紧密相关。高性能、新型复合材料的研发对于国家的军事国防力量、重大尖端科技的发展息息相关，具有重大的社会及现实意义。本章将介绍复合材料的基本概念与发展历程，了解复合材料的基础知识，并对其发展历史、实际应用与未来进步具有初步了解。

●11.1复合材料概述

什么是复合材料？我们如何来定义复合材料？复合材料有哪些分类呢？本节将结合复合材料的发展历程，对复合材料进行概述。

●11.2复合材料的性能

复合材料相比传统材料具有独特的优异性能，本节将着重介绍复合材料的在力学性能、耐热性能、抗疲劳性、化学稳定性等方面的优异特性。

●11.3复合材料在新世纪的作用

复合材料的发展，推动了一系列高新技术和先进工业的发展，极大地影响着人类的现代生产生活，本节将简述复合材料的发展在新世纪的作用。

●11.4复合材料应用举例

复合材料在各行各业已经都有大量的应用，本节将介绍复合材料在航空航天、电子信息、建筑、汽车、农业、生物材料、体育运动等领域的应用。

●11.5复合材料新的生长点与领域

未来复合材料新的生长点将体现在①功能、多功能、机敏、智能复合材料，②纳米复合材料，③仿生复合材料；而未来复合材料发展的新领域将是①体现该领域的科学性，②满足时代的需求，③体现特色与优势。