材料创造发明学05

科学技术与工程技术创新问题人类社会的进步史就是一部不断创造和创新的历史创造就是破旧立新,是创见性地发现问题、分析问题、解决问题任何社会进步和科技发展都离不开创造活动人们进行创造活动,又离不开创造性思维05/02/20231材料创造发明学－45.1继承与创新继承是人类赖以存在的前提和基础,创新是人类进步的动力,而叛逆则是横跨两者间的桥梁。原理与方法

科学研究的价值在于创造任何创造者的创造都离不开对前人成果的继承

科学研究的继承性,是批判地继承,创新地继承

05/02/20232材料创造发明学－4批判、新发现继承前人成果创新05/02/20233材料创造发明学－4应用举例

举例27：从X射线到放射性元素的发现1876年,英国科学家克鲁克斯发现了阴极射线和冷光现象,曾吸引了许多科学家对这一新现象的研究。正当科学家对能自由穿过各种物质的射线感到神秘莫测之际，1895年德国人伦琴从中发现了X射线

,他因此而

第一个获得诺贝尔物理学奖。对X射线的研究，又导致了1896年法国人贝克勒尔发现了与X射线不同的天然铀具有放射性这一新现象。-问题：既然铀有放射性，还有没有其他元素也有放射性?这一问题激发了居里夫人的研究热情，她经过数年的艰苦努力，终于发现了钋、镭两种新的放射性元素，成为世界上第一个获得诺贝尔奖的女性。05/02/20234材料创造发明学－419世纪末，由于电子、X射线和放射性的发现，人类对物质的认识开始深入到原子内部。截至1907年，被分编出来并且加以研究的放射性元素有近30种，这样，原有的元素周期表就没有容纳它们的空位。令人不解的是，尽管有些化学元素的放射性不同，但化学性质都完全一样，没有办法把它们分开。到1910年，根据大量的这类事实，英国化学家索迪终于提出了著名的同位素假说，即：存在有原子量和放射性不同,但化学性质完全一样的化学元素的变种，这些变种在元素周期表中应该处于同一个位置上，因此命名为“同位素”。同位素（isotope

）一词是他在1913年首次提出和使用的。索迪于1921年获诺贝尔化学奖。05/02/20235材料创造发明学－4举例30：从钢的氢脆到金属间化合物氢脆的发现二战前，英国为了应对希特勒法西斯的扩军备战而举行了一次实战演习。不幸发生飞机失事。因牺牲的驾驶员是一位亲王的儿子，引起了英国当局的高度重视。失事原因调查结果表明，飞机因主轴发生断裂而坠毁，而断裂面上呈现许多细如发丝的微小裂纹。产生裂纹的原因众说纷纭：+有人认为是由于钢中残留的奥氏体转变为马氏体，诱发内应力而引起+有人认为是由于钢中存在夹杂物导致应力集中所致。研究主轴断裂原因的任务交给当时在英国工作的中国科学家李薰博士等人。他们力排众议，提出了新的设想：是钢中浸入了水蒸气里的氢气，而诱发裂纹。为了证实这个假设，他们将钢样在高温氢气中加热，然后淬火，使钢样中保留一定量的氢气。果然发现经过渗氢处理后的钢样内部产生了裂纹。--钢的氢脆现象被发现了。05/02/20236材料创造发明学－4美籍华人科学家刘锦川2004年当选美国工程院院士。他是国际有序金属问化合物领域的研究先驱。20世纪80年代初期，他开创性地研究了化学计量比和硼的添加对Ni3A1延展性的改善作用。这一研究成果发表在Science杂志上。1988年他首次发现镍锂和铁铝金属间化合物在室温下的本质延展性，其脆性主要是来自空气中水汽引发的氢脆。此后国际上类似的研究论文数以千万计，环境脆性因而也被认为是导致多种金属间化合物室温脆性断裂和延展性低的新机制。该研究成果也为设计工业用高延展性金属间化合物提供了明确的方向。由于他在新型镍铝和铁铝金属间化合物方面的杰出贡献，获得两项重要的I.R.100工业发明奖(I.R.100IndustrialAwards)05/02/20237材料创造发明学－4举例31：最大磁能积(BH)max日趋提高的永磁材料时代当于工业发展的需求，最近一百年来永磁材料交替出现了不断发明、推陈出新、代代交替的局面。从20世纪初到70年代，永磁材料的发展经历了一系列合金演变：淬火马氏体钢、沉淀硬化型钢(典型的AINiCo系列)、可加工永磁合金(如铁钴钒顺磁合金)，以及铁铬钴可加工永磁合金。从1933年永磁材料发现，到1952年棚铁氧体(BFe12019)和锶铁氧体(SrFe12019)问世。上世纪60年代起稀土永磁材料崛起，人们研发和生产了三代材料：1967第一代SmCo5稀土永磁体；1977年第二代Sm2Co7稀土永磁体；1983年第三代稀土永磁体Nd2Fe14B。我国稀土资源世界第一，

NdFeB永磁体的产量和质量独占世界鳌头。而国际上烧结NdFeB各向异性的磁性能已经经提高到55MG.Oe(1Oe=79.6A/m),快接近烧结NdFeB理论磁能积水平。05/02/20238材料创造发明学－405/02/20239材料创造发明学－4举例32：集成电路－－材料加工工艺的突破。1948年第一支晶休管问世。20世纪50年代，美国得州仪器公司工程师Kilby把1个三极管、3个电阻和1个电容器集中在一个0.5cm3的小片上－－》世界上第一个集成电路模块诞生。这一发明首次提出了现代集成电路的基本思想。1958年美国仙童仪器公司的Noyce利用被蚀刻成规则图案的氧化硅薄膜和铝质膜分别作为绝缘材料和导线，首次把所有的电子器件全部制作在一块单晶硅片上，实现了芯片材料加工工艺的一次突破，打破了利用晶体材料制备电子器的常规。在Kilby集成电路思想的基础上，人们开创了利用蚀刻法和薄膜材料制备集成电子器件的先河，使人类缩短了通往信息时代的路程。Kilby获得了2000年度诺贝尔物理学奖，Noyce于1990年英年早逝，未能分获诺贝尔奖。但他开创的硅集成电路时代将永载史册，成为人类科技进步的一个里程碑。继承与创新既相互区别，又相互联系。继承是创新和突破的基础，突破是继承的发展。没有继承，就没有突破；没有突破，继承就失去生命力。一部科学史，实质上就是一部继承和突破交替互补的历史。05/02/202310材料创造发明学－45.2叛逆与创新美国科学史学家丁库里：“凡是科学的创造发明,都是从根本上推翻过去科学家造成的

”普遍认识

“或

”常规认识

“,打破旧规范

,创立新规范。1.原理：叛逆于创新的关系叛逆推翻传统观念打破旧规范创新05/02/202311材料创造发明学－4经典理论得修正与更新2.方法与举例举例33：经典强度设计理论最大应力理论针对高强度钢断裂问题，提出了裂纹体断裂力学安全设计：临界应力强度因子－临界裂纹长度概念05/02/202312材料创造发明学－4传统学术观点的突破借助现代测试技术，通过实验和严密的逻辑证明，大胆向传统学术观点挑战。举例34：冲击韧性和小能多冲理论长期以来，工程界受一次冲击韧性概念的束缚，总是要求钢材应有更高的冲击韧性，而过多牺牲材料的强度。针对这一片面观点，西安交通大学强度研究所通过大量的材料多次冲击试验研究。据得出的规律认为，多数工程机械零件是承受小能量多次冲击疲劳而产生失效的。在这种服役条件下衡量零件的失效抗力，不应是材料的一次冲击韧性，而是多次冲击抗力。只有适当提高材料的强度，并有一定的塑性、韧性相配合，才能使材料具有高的多次冲击抗力。他们提出得发挥材料强度潜力一一强度与塑性、韧性合理配合的学说在生产中得到了实证。05/02/202313材料创造发明学－4举例35：以前人们普遍认为，马氏体是硬而脆的组织。但是，实验研究和生产实践说明，低碳钢淬火成马氏体后，既具有高的强度，又有较好的塑性和韧性。将其简称为低碳马氏体。经过对马氏休形态学和晶体学的深入研究，认为存在孪品（片状）和位错（板条）马氏体，其中孪晶马氏体硬而脆，而板条马氏体为低碳马氏体的主要结构形态。低碳钢通过淬火、低温回火后作为构件使用，极大提高得材料效率，减轻了结构重量，取得巨大经济效益。低碳马氏休研究成果在全国范围内推广应用：

石油机械－－长期沿用前苏联的设计规范选用高冲击韧性、低强度材料制造，强度低，造成产品结构得“傻大笨粗”、使用寿命不长的弊端。20SiMnVBRe和20SiMnMoVA钢,采用淬火＋低温回火的低碳马氏体代替原用的中碳钢正火或调质组织，成功地研制出石油钻机的轻型吊环和吊卡（三吊一卡）采用20SiMn2MoVA钢低碳马氏体强化工艺代替原用炮钢(PCrNi3Mo)制造射孔枪，射孔使用寿命提高了两倍。该研究获得国家科技进步一等奖05/02/202314材料创造发明学－405/02/202315材料创造发明学－405/02/202316材料创造发明学－4传统技术观点的实破举例36：低温超导现象的发现及超导材料的发明1911年卡曼林·昂尼斯在接近绝对零度的实验中发现水银失去电阻的超导现象，由此而引发了许多研究者在超导材料方面的多项发明。然而在1911年到1986年的75年间，超导材料的临界温度Tc从Hg的4.2K提高到Nb3Ge的23.22K。突破传统技术绝非易事。1986年瑞士人柏诺兹(J.G.Bednoz)和谬勒(K.A.Miiller)首先发现（laSrCuO）氧化物的Tc可以高达36K。1987年朱经武等人在美国宣布，发现Tc温度90K的氧化物超导体，赵忠贤等人独立发现Tc约为90K的Y-Ba-CuO化合物。之后科学家又陆续发现Bi-Sr-Cu-O体系（Tc-80~110K），Ti-Ba-Ca-CuO系(Tc-125K)和Hg-Ba-Cu-O系(Tc-134K)等较高温度下的超导材料。目前发现Tc最高的已达160K。柏诺兹和谬勒的发现，不仅将超导体从金属、合金化合物扩展到氧化物陶瓷，这是高温超导体材料的巨大突破。用液氮代替液氦作超导制冷剂

,成本大为降低，效率还可提高

20倍柏诺兹和谬勒因此获得了诺贝尔物理奖。05/02/202317材料创造发明学－405/02/202318材料创造发明学－4传统技术规范的突破重要提示：现行材料、工艺、技术标准或规范，既具有合法性，又具有局限性和不合理性。随着材料科学技术的进步，总是要不断修改材料的技术规范和标准。打破现有应该打破的各种技术禁区，就会带来创新局面。要敢于向“不准许”、“不可能”的技术领域和禁区挑战。05/02/202319材料创造发明学－4举例37：高碳钢在第一类回火脆区间回火并非禁区高碳钢淬火后必须立即回火，在200～300℃温度区间回火会出现冲击韧性降低的“第一类回火脆”现象禁区高碳模具钢淬火后推荐在100～200℃回火发现脆性增大，寿命降低。研究发现：低能量多次冲击问题在第一类回火脆区间回火，硬度从HRC60～

62降低到HRC54～

56，多次冲击寿命明显提高。将这一结果应用于高碳钢冷冲模具，冲头寿命大大提高。举例38：突破高碳钢碳含量应当小于1.2%wt的限定金属学中Fe-C平衡图认定高碳钢的碳含量应当小于1.2%，于是1.2%成为传统碳钢最高碳含量限定。新的研究表明，超高碳钢的碳含量可达到1.2%～2.1%wt,这工模具的硬度高，耐磨损，突破了高碳钢最高碳含量的限制。方法是通过特殊的热处理工艺：将超高碳钢的晶粒尺寸和碳化物尺寸控制到1μm～2μm，淬火后就能获得强韧性良好的细条状位错马氏体。05/02/202320材料创造发明学－45.3移植创新法原理运用其他学科的概念、理论和方法或技术,来研究本学科或另一学科存在的问题，这种方法叫做移植法美国科学家贝弗里奇说“移植是科学发展的一种主要方法。大多数的发现都可应用于所在领域以外的其他领域。而应用于新领域时,往往有助于促成进一步的发现。重大的科学成果有时来自移植。“这种方法简便、有效,即所谓“拿来主义”,但必须先消化,再合理移植。应用过程中应作必要的修正、创新,不能依葫芦画瓢,简单抄袭或模仿。“他山之石，可以攻玉”05/02/202321材料创造发明学－405/02/202322材料创造发明学－4方法及举例举例40：成功的科学方法的移植系统科学方法论→材料的系统论。耗散结构论→材料的耗散结构论。突变论→材料的突变论。辩证法及逻辑思维的移植。举例41：一级学科之间的移植数学→数学冶金→数量冶金；材料相关性的数学表征；

材料过程性的数学模型。为学→材料力学→材料强度学、断裂力学。流体力学→零件受力时截面的应力线分布

(应力集中的描述

);多相流冲刷磨损的数值模拟。可靠性理论→材料及零件失效的可靠性分析；机械强度设计的可靠性分析

;按可靠性理论设计材料。计算机技术→计算机辅助材料设计与选材；材料失效的计算机辅助诊断及安全评定程序，等

趋势：数学＋力学＋物理学＋材料学＝＝》计算材料学05/02/202323材料创造发明学－4二级学科之间的移植本门学科内的移植

新兴技术的移植现代测试技术的移植举例41：智能材料系统原理移植到智能混凝土结构上的发明1984年美国军方开展了智能材料研究。

1989年在日本筑彼举行的关于智能材料国际研讨会上,人们首次确认了智能材料的概念。智能材料就是同时具有感知功能即信号感受功能(亦称传感器功能)和自己判断并自己作出判断的功能(亦称情报信息处理功能）根据智能材料系统的原理和概念,可以将其移植到智能混凝土领域。美国科学家卡罗琳德赖,十多年来研究能“自我修补”的智能混凝土。他在混凝土中埋入大量的预先装有裂纹修补剂的空心纤维。当混凝土产生裂纹或开裂时,混凝土中的空心纤维也会开裂。同时开裂的空心纤维中流出修补裂纹的粘接剂,将混凝土的裂缝牢固地粘接起来。这种混凝土被称为“被动式”智能材料。后来,美国桥梁专家又根据智能材料系统的原理,发明了“主动式”智能材料系统,他们将信号传感器、微电子芯片、计算机与材料有机组合成一个系统，当埋在桥梁混凝土中的传感器“感知”到某部分出现裂纹后,计算机随即发出指令，先埋入桥梁中的微小液滴变成固体,从而将裂纹粘合,并使桥梁自动得到加固。05/02/202324材料创造发明学－45.4交叉突破与创新原理所谓“交叉”、“边缘”研究和突破是指有意识地在两门学科或几门学科交接交处德领域内，利用这些学科领域各自的原理和技术，并使其结合进来。

交叉科学的研究与发展是从长远着眼,具有战略性前瞻意义。从金属学原理的角度看,在学科间的交叉地带,界面形成生长核心所需要的能量最小（异质成核）用交叉突破的思维创新,可收到事半功倍的效果。05/02/202325材料创造发明学－405/02/202326材料创造发明学－4交叉突破的方法及举例社会科学与自然科学的交叉

05/02/202327材料创造发明学－45.5复合创新法原理将几种原理、技术、效应或组元,加以复合、应用

,借以突破而发展、研究出新材料、新工艺、新观点和新理论

05/02/202328材料创造发明学－4复合原则与效应：复合应当是有目的、有策略的复合,而非简单、盲目的重合。后者只可能带来负面效应,造成入力、物力、财力上的浪费而有充分准备的、好的复合则可带来极好的效应。正确的复合可能带来两种效果

:(1)代数和效果A复合

B

C,应产生的效应是

C≥

A+B,即复合产生的

C现象在某方面或总的方面应优于或至少等于

A与

B的单纯的代数和。(2)倍数效果A复合

B

C，应产生的效应是：(m,n,k≥1）

05/02/202329材料创造发明学－4复合方法(1)复合材料。根据复合突破原理,可以由金属、陶瓷、玻璃、塑料、纤维等各种材料任意复合,组成数目众多的新型复合材料。1)结构复合材料

,一般都遵循线性复合效应。其中包括

:①平均效应,指复合材料的物理、力学性质服从于混合定律(ROM)：T复合

=T基体

.(1-Vf

第二相

)十

T第二相

.Vf

第二相式中

:T可以表示σ,E,α,K(导热系数

)