材料科学与工程进展课件

综 览,材料 _划时代的重要标志,材料人类文明进步的阶梯, 何谓材料？ 是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。 材料=物质 物质材料 是能为人类所能接受地、经济地制造有用器件的物质。, 地位？ 是人类赖以生存和发展的物质基础 20世纪70年代，信息、材料和能源誉为当代文明 的三大支柱； 80年代，新材料、信息技术和生物技术 并列为新技术革命的重要标志。 是人类社会进步的标志(里程碑) 石器时代陶器时代青铜时代铁器时代 信息时代 材料的发展，经历三个阶段： “拾柴禾”、“炒菜”、“剪裁设计”, 是一切高技术发展的先导 一种崭新技术的实现，往往需要崭新材料的支持 1942年镍基超合金 1970年光导纤维 1911年低温超导和1986年高温超导,建筑、交通、能源、计算机、通信、多媒体、生物医学工程无一不依赖材料科学与技术的发展来实现和突破。,没有钢铁材料，就没有今天的高楼大厦； 没有专门为喷气发动机设计的材料，就没有靠飞机旅行的今天； 没有耐高温复合涂层材料，就没有人类探索外空的飞船； 没有固体微电子电路，就没有计算机。,建筑,交通,福特2000与西纳给2010这两款由材料工程师设计的汽车将成为未来交通工具。,汽车用高强钢，比原先的轻24%，而强度高34%。,汽车,轻质材料,在美国卡拉维纳尔角航天基地待升空的（穿梭机）。它是人类高技术的结晶。它应用了成千上万种材料，特别是一些高技术的新型材料（本照片选自美国Kennedy Space Center 的Tourbook）。,航天飞机,超导磁悬浮列车 西南交通大学已研制成功全国唯一一辆“世纪号”超导磁悬浮列车，这种高温超导磁悬浮列车最大特点就是乘坐平稳、安全和快捷。和世界上最先进的轻轨列车比较，它没有一点轰隆隆的噪声，十分安静。,1980s：高温超导体,能源,新能源材料则是指实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所要用到的关键材料。 主要包括储氢电极合金材料为代表的镍氢电池材料 嵌锂碳负极和LiCoO2正极为代表的锂离子电池材料、燃料电池材料 Si半导体材料为代表的太阳能电池材料 铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料等。,核能材料,Nuclear power station at Leibstadt, Switzerland,uranium oxide beads,钨钒钢（W-V steel） 铬钒钢（Cr-V steel） 镍基高温合金（Hastelloy material）,核反应堆材料： 耐中子辐射、腐蚀、高温,烧结后,烧结前,信息人类正在步入信息时代，同时也是信息材料竞争的时代。,电子管晶体管集成电路,电子管16K内存器。 图中的女士要用显微镜才看得到现在的集成电路16 K内存器,第一台电子管组成的计算机重达30吨，用电相当于一个小的城市。,钨、钼电极。,锗、硅半导体。,单晶硅片，高纯钛、SiO2和铬等薄膜,生物、生活材料技术的发展改变我们的生活,仿真手臂,人工关节,微机械, 态度？-世界各国把材料放在重要地位来发展 (1) 美国，“星球大战”计划 (2) 西欧，“尤里卡计划 ”涉及计算机、机器人、通信网、生物技术、新材料 5个优先发展计划 (3) 日本，“阳光普照”计划、超级钢铁研究计划； (4) 中国，1978年的科学大会上将材料科学技术列为8大科技领域之一，此后 各五年计划，一直作为重点发展的领域 “自然科学基金”、“863”计划(高技术研究与发展计划)、 “973”计划(国家重点基础研究计划)、 火炬计划(促进高新技术成果商品化、产业化和国际化的开发计划)、 科技攻关计划(面向国民经济建设主战场，解决国民经济建设 和社会发展中重大科技问题的科技发展计划)、 中小企业创新基金(支持科技型中小企业技术创新项目的政府专项基金) 。 美国科技人员的2/3从事与材料有关的研究(180万)，我国则有上千万。,新材料当代新技术革命的先锋, 何谓新材料？ 是指新出现或正在发展中的具有传统材料所不具备的优异性能的材料，或是高技术发展需要，具有特殊性能的材料，或由于采用新技术（工艺、装备），使材料性能比原有性能有明显提高或出现新功能的材料。 （传统材料是指那些已经成熟且在工业中已批量生产并大量应用的材料，如钢铁、水泥、塑料） 误区？ 传统材料与新材料有明确界限 传统材料永远不会成为新材料，新材料会一成不变, 新材料产业？ 主要产品是新材料和由新材料的性能、价值所主导的延伸产品的产业。其内涵由新材料、新材料技术（工艺和装备）、材料新技术（工艺和装备）组成。 新材料技术？ 制备、合成、加工、处理新材料的工艺或装备 材料新技术？ 在不降低性能的基础上，有效的降低制备、合成、加工、处理材料过程中的能耗、成本或减少污染的技术（工艺、装备）。, 发展的特点？ 新材料的研究发展成为一种国家行为。 新材料的发展从革新走向革命。 新材料的研究开发和应用目标紧密结合。 重视新材料合成制备应用的全过程。 提高工业界制备应用新材料的能力。 抓好基础，提前安排重要新材料的研制。 重视新材料的环境因素。,五彩缤纷的材料王国, 类型？ 按特性： 金属材料： 黑色金属钢、铸铁、铁合金 有色金属黑色金属以外的金属及合金， 如Cu、Al等 (我国产量856万吨，居世界第二) (重金属、轻金属、贵金属、难熔金属),无机非金属材料：硅酸盐材料 陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料 有机高分子材料：C、H、N、O等为基础 塑料、橡胶、纤维、粘合剂和涂料 复合材料： 由两种或两种以上不同性质或不同组织结 构的材料以微观或宏观的形式组合在一起而构 成的具有新的性能的材料。, 按作用： 结构材料力学性能为主要的性能； 功能材料物理性能为主要的性能。 金属材料绝大部分都是结构材料，但也有一些功能材料，如形状记忆合金、储氢合金、金属超导材料等。陶瓷材料有的作为结构材料，有的作为功能材料。 目前应用和研究的是以金属材料为主，原因： 有成熟的大量生产工艺，可大规模生产，质量稳定，人们已养成使用金属材料的习惯； 加工性能、使用性能好，强韧性配合好； 矿产丰富； 价格/性能比占一定优势。, 情况？ 金属材料，长盛不衰 钢铁现代工业化的基础 世界：钢铁年总产量约8亿吨，占金属材料总量的94% 中国：年产量超过1亿吨 应用：(1)汽车工业卡车车重的2/3,(2)电力系统工业锅炉、高压锅炉、热交换 器、大型转子和叶轮、变压器铁芯 (3)工程机械起重机、挖掘机、拖拉机 (4)铁路与桥梁 (5)船舶与海上钻井平台 (6)兵器坦克、大炮、枪械 (7)石油开采机械、输油管道、泵站 (8)化工压力容器、反应釜和管道 (9)建筑钢筋和构架 工程结构材料之王 铸铁 碳素钢 合金钢(合金结构钢、合金工具钢、特殊钢),五光十色的有色金属 中国：总产量占世界第四位 Al、Cu、Pb、Zn占生产总量的95% (1)轻合金 铝合金：密度2.7g/cm3，只有钢的2/3 抗大气腐蚀 优良的导电性，导电率是铜的2/3 比强度(强度/密度)比钢高得多 很好的加工性能 应用：航空(协和式超音速飞机全部结构的71%是 用特殊铝合金制造的)、高速火车和汽车 (铝型材、铝制发动机、活塞、散热器) Al-Li合金含2%3%Li，密度减少8%，刚性增大15% 飞机改用Al-Li合金，重量减轻8%16%,钛合金：密度4.5g/cm3，强度高，比强度高于铝合金 耐高温、耐腐蚀 应用：F-14、F-15飞机上用量占结构总量的25% F-100、TF-39飞机发动机上用量达33% 远程火箭的液氢(-253)储罐 镁合金：密度1.74g/cm3，比强度高，减震能力强 21世纪的“绿色”工程材料 应用：笔记本电脑、移动电话、摄像机、汽车、 航空航天 1993年美国底特律的通用、福特与克莱斯特3大汽车集团与美国能源部签署“PNGV”计划，生产3L/100km耗油的6人载客汽车，80%以上零部件可回收。 1996年德国教育部投资2400万马克，由阿仑工大、慕尼黑工大、杜易斯堡大学和大众汽车公司等44家单位展开汽车轻量化的“MADICA”计划。,铍合金：密度1.8g/cm3，比刚度大，惯性低 比热大 热中子吸收截面低，中子反射截面高 应用：惯性导航及航天低重量刚性件、散热片、 飞行器头部、X射线窗口、原子反应堆中 的反射层 (2)部分重有色合金 铜合金(紫、黄、青、白)、锌合金、镍合金、锰合金 (3)低熔点合金 Pb(327)、Sn(232)、Cd(321)、Bi(271)、 In(157)、Ga(29.8)、Hg(-39)，用于保险丝等,(4)难熔金属 钨合金、钼合金、铌合金、钽合金 用于高温环境 (5)贵金属 Au、Ag、Pt、 Rh、 Pd、Ir、Os、Ru (6)稀土金属 (7)精密合金 弹性合金、膨胀合金、引线框架合金、电热合金、热电偶,神秘的形状记忆合金 形状记忆效应：合金经变形后，在一定条件下，仍能恢复至原始形状的现象。 TMs，成型TAs，加热,未来能源之星储氢合金 1Kg氢气燃烧可放出14104J热量2倍石油放出的热量,冲出传统观念的非晶态金属 是目前所知的强度最高、韧性最好、最耐腐蚀和最易磁化的金属材料。 应用：非晶软磁合金，新一代变压器铁芯材料(极易 磁化、矫顽力低、有很高的电阻，可以大大降 低涡流损耗)可以节约2030亿美元。 铁基非晶态合金，可制作快 中子反应堆的化学过滤器。 非晶钎焊合金，用于高温 合金和不锈钢的钎焊，代 替金基钎焊合金用于飞机 发动机部件焊接。, 古老的陶瓷，旧貌换新颜 威力无比的先进结构陶瓷 先进结构陶瓷工程陶瓷 高温下、强腐蚀条件下、冲刷和摩擦条件下保持高的刚度、强度、硬度、化学稳定性和耐用度。 (1)工程陶瓷家族中的主要代表 氧化铝陶瓷(Al2O3)：熔点2050，硬度在超硬材料 的前八名之列，电阻很高。 氮化硅陶瓷(Si3N4)：人工合成，无熔点，1860分 解，具有优异的高温力学性能, 碳化硅陶瓷(SiC)：高温力学性能是目前陶瓷材料中最 优秀的，强度从室温到1600维持 不变，硬度仅次于金刚石和立方 BN，导电和导热性能优良。 (2)高温下的最强者 高分子材料，使用温度1000 应用：洲际导弹、空间实验室、航天飞机、卫星等外 表面的隔热瓦(1400),(3)世上最坚硬的材料大军 金属材料，存在红硬性(在一定温度下硬度下降) 陶瓷材料，温度高于1000硬度几乎不下降 应用：刀具 (4)最恶劣条件下的过硬部队 高温(ZrO2陶瓷在20002200工作上千小时不损 坏)、极低温(液氢、液氮温区)、放射性(中子吸收棒、中子减速器、反射屏等)、海水侵蚀和强酸强碱的腐蚀,奇妙无穷的功能陶瓷 可以通过电、磁、光、热、弹性等直接效应和耦合效应或者化学和生物效应来实现某种特殊功能的先进陶瓷材料。 (1) 绝缘陶瓷或装置陶瓷 电子工业和微电子工业中的电绝缘器件、集成电路中的基片和包封等。 (2)电介质陶瓷和电容器陶瓷 制造中、高频电路中的电容器和微波谐振器、滤波器等。,(3)压电陶瓷、电致伸缩陶瓷和热释电陶瓷 电声、水声、超声和电控位移技术中应用 (4)半导体陶瓷和敏感陶瓷 机敏陶瓷、热敏、压敏、湿敏、气敏、光敏陶瓷，在自动控制工程中起重要作用 其他： 导电陶瓷、电解质陶瓷、超导陶瓷、磁性陶瓷、光学功能陶瓷、化学功能陶瓷、生物功能陶瓷等。, 年轻的高分子材料，千姿百态 现代生活中的高分子材料 (1)从人造棉到仿毛仿丝 “的确良”织物(聚对苯二甲酸乙二醇酯纺制的涤纶)：易洗免烫 尼龙袜(聚酰胺制成尼龙)：坚固耐磨 腈纶棉(聚丙烯腈纺制的腈纶)：质轻保暖、不蛀不霉 维尼纶织物(聚乙烯醇缩甲醛制成维尼纶)：透气干爽 新的合成纤维从“仿真”到“超真”过渡 (2)从农业地膜到不粘锅 塑料地膜：保温保湿的聚乙烯 “尿不湿”：高吸水性高分子 “不粘锅”：光滑耐温的聚四氟乙烯膜,(3)从家具到活动房屋 吊灯和镀塑灯具：美观大方 丙纶地毯和人造大理石：色泽鲜艳 水溶性涂料和壁纸：花色丰富 波形瓦：质轻防雨 活动房：易拆易运 充气顶棚的整体式展览馆：轻巧实用 (4)从自行车到汽车轮船 轮胎、保险杠、防冲撞护条板、发动机散热风扇、通风空调、音响、电器和仪表盘、方向盘、座椅、内饰、玻璃钢汽艇、游艇 (5)从体育用品到宇宙飞船 正反胶球拍、跳高撑杆、赛车、滑雪板、网球拍、飞船胶粘剂、替代手术缝线的胶粘剂,工程塑料，传统结构材料的挑战者 工程上作结构材料应用的塑料 良好的耐磨、耐热、吸震和自润滑性，优良的电绝缘性、化学稳定性、耐腐蚀性和易成型性 (1)普通工程塑料 部分代替金属材料、木材或陶瓷等作为结构材料 (2)高性能工程塑料 具有刚性骨架，可以做到强度比金属高，更耐腐蚀，成本低，成型性好，在家用电器、建筑构件、军用品中用途广泛。,功能高分子各显神通 由高分子制成的具有某种特性的材料 (1)感光高分子 感光树脂印刷板、光刻胶、光致变色高分子 (2)压电高分子 音频换能器、电机械换能器、超声波探头 (3)具有分离功能的高分子 离子交换树脂、分离膜、中空纤维膜 (4)高分子试剂和高分子催化剂, 电子与光电子材料，信息时代的基石 现代电子器件的基础：单晶硅和砷化镓 (1)单晶硅 硅器件=98%半导体器件 硅单晶材料拉制的直径大小被视为一个国家半导体材料技术水平的标志。 纯度99.99999%电子级纯材料是材料的最高纯度 大直径、高均匀性和高完整性 光生伏特效应太阳能电池 温差电效应温差发电堆(温差致冷器) 压阻效应加速度传感器(控制安全气袋),(2)砷化镓 计算机运算速度芯片材料(单晶硅、砷化镓) 电子在砷化镓中的运动速度比在硅中快计算机运算速度更快 砷化镓集成电路的速度比硅集成电路提高1000倍，功耗降低一个数量级。 应用：1/2用于军事技术的航天技术(如电子对抗) 1/3用于通信技术 1/5用于计算机和测量系统,激光材料与光通信媒体 (1)激光材料争奇斗艳 高功率固体激光材料：晶体或玻璃基质中均匀掺入少量离子 应用广泛的气体激光材料：He、CO2、H2 小巧玲珑的半导体激光器：砷化镓、镓铝砷 (2)21世纪之光 极高的方向性(射程远，准确性好) 鲜艳的单色性(激光大屏幕投影电视) 惊人的亮度(产生几千度到几万度的高温) 奇妙的相干性(全息照相) 应用：激光雷达、激光测距、激光通信、全人类同时通话,(3)光子通信的媒体 信息的载体是电子时，信息传媒是金属导线 信息的载体是光子时，信息传媒是光导纤维 光导纤维：一种比头发丝还细的玻璃纤维丝 应用的前提：光传输衰减很小 信息高速公路：1993年9月克林顿总统宣布实话的“美国全国信息基础设施计划”，耗资4000亿美元，历时数十年。, 超导材料，神奇的无电阻导体 超导的发现 1908年，荷兰物理学家品纳斯首次成功地把称为“永久气体”的氮液化，因而获得4.2K 的低温源，为超导准备了条件，三年后即1911年，在测试纯金属电阻率的低温特性时，他又发现，汞的直流电阻在4.2K时突然消失，多次精密测量表明，汞柱两端压降为零，他认为这时汞进入了一种以零阻值为特征的新物态，并称为“超导态”。品纳斯在1911年12月28日宣布了这一发现。但此时他还没有看出这一现象的普遍意义，仅仅当成是有关水银的特殊现象。,迈纳斯效应 迈斯纳效应又叫完全抗磁性，1933年迈斯纳发现，超导体一旦进入超导状态，体内的磁通量将全部被排出体外，磁感应强度恒为零，且不论对导体是先降温后加磁场，还是先加磁场后降温，只要进入超导状态，超导体就把全部磁通量排出体外。 观察迈纳斯效应的磁悬浮试验 在锡盘上放一条永久磁铁，当温度低于锡的转变温 度时，小磁铁会离开锡盘飘然升起，升至一定距离后，便 悬空不动了，这是由于磁铁的磁力线不能穿过超导体，在 锡盘感应出持续电流的磁场，与磁铁之间产生 了排斥力，磁体越远离锡盘，斥力越小，当斥 力减弱到与磁铁的重力相平衡时，就悬浮不动了。,超导材料 1986年8月，米勒教授和贝德诺兹教授发现了一种铜氧化合物，它们在35K的温度下电阻接近于0，一下子把超导温度提高了12度；1986年12月，二人发现了一种新型的陶瓷超导体(此前超导体都是金属)，把超导性的临界温度又提高到了38K。 1987年初，美籍华人科学家朱经武教授和其学生吴茂琨发现了另外一种材料；钇钡铜氧化物，使超导记录提高到93K。在此温度区上，超导体可以用廉价而丰富的液氮来冷却。 1998年7月，北京有研总院与其他单位共同研制成功中国第一根1m长1000A铋系高温超导直流输电模型电缆。此高温超导带材长116m，宽3.6mm，厚为0.28mm，以螺旋管方式缠绕，各项技术指标均达到国内领先水平。 德国Augsburg大学的科研人员研究发明了一种新型的超导电材料，具有强大的电力传输能力，如果得以广泛应用，将大大降低电力输送线路的生产成本。此超导电材料，是利用现有的超导电材料制成，其工作性能良好，并且对生产工艺要求不高。, 生物医用材料，造福千秋万代 生物医用材料(生物材料或医用材料)：是一类与人体组织、体液或血液相接触，具有人体器官和组织的功能或部分功能的材料，是制造人工器官、医疗装置和药物的基础。 类别 硬组织材料：用作骨科和齿科材料 软组织材料：用作眼科及一些填充和修复材料 吸附分离材料：用于人工肾、肝、肺的膜材料和吸附 剂材料,心血管材料和人工血液材料 组织粘合剂和缝合线材料 用作药物和药物载体的材料 一次性使用的医用材料：纱布、输液器、注射器 要求 耐生物老化性 物理和力学性能好 便于消毒和灭菌 生物相容性好, 纳米材料，小尺寸中的大世界 空间尺度的划分 宇观(Cosmoscopic) 遥观(Remote sensoscopic) 宏观(Macroscopic) 显微观(Optico-microscopic) 介观(Mesoscopic) 或纳米观(Nanoscopic): 1100nm 纳米 1纳米(nm)=1毫米(mm)的百万分之一=10-9米(m),纳米技术 在纳米尺度(1100nm)上对物质和材料进行研究和处理的技术被称为纳米技术。 纳米材料 纳米材料: 在纳米量级(1100nm)内调控物质结构制成 的具有特异性能的新材料 四大特点: 尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子 比例大 四大效应: 小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道 效应、表面效应 纳米材料特性取决于制备方法,进一步认识纳米 蛋白质、DNA、RNA、病毒，都在1100nm的范围 光合作用在“纳米车间” 进行 细胞中的一些结构单元都是执行某种功能的“纳米机械”，细胞象一个“纳米工厂” 莲花荷叶出污泥而不染:“荷叶效应” 纳米结构是生命现象中基本的东西 媒体中的纳米怪象 纳米冰箱 纳米洗衣机,国外纳米技术进展 1990年，IBM公司用原子排出“IBM” 1991年，NEC实验室观察到碳纳米管 合成了其它纳米管材料 实心的纳米棒、纳米线、量子线 朗讯公司和牛津大学: 纳米镊子 碳纳米管“秤”，称量一个病毒的重量 称量单个原子重量的“纳米秤”,应用 能源领域石油、煤等不可再生资源 环保领域解决水污染的问题 解决空气污染的问题 微电子纳米电子器件、纳米线、纳米传感器 信息领域光纤、发光器件 功能性涂料、薄膜防静电涂料 特殊视觉涂料 紫外线吸收涂层 耐磨、防腐、耐高温、耐冲刷 涂层 机械纳米结构单元和纳米机械 结构陶瓷增强、增韧、助烧结,化学化工催化剂、助催化剂、阻燃剂 镍催化氧化丙醛，当镍的粒径在5nm以下，反应选择性发生急剧变化，生成酒精的转化率迅速增大 塑料和橡胶制品成型剂、补强剂、抗老化剂 OA领域复印机和激光打印机的墨粉 喷墨打印机墨水、高级墨水 纳米药物磁性纳米粒子药物 卫生保健品防晒霜 纺织品反射红外线型化纤 杀菌灭菌除臭型化纤 国防纳米探测系统 纳米材料提高武器打击 纳米材料提高防护能力 纳米机械系统制造的小型机器人 雷达隐身技术,材料科学与工程的关系, 定义： 材料科学：是一门科学，从事材料本质的发现、分 析、认识、设计及控制方面的研究。其 目的揭示材料的行为，给予材料属性的 描述或建立模型，解释结构与材料性能 之间的关系。 材料工程：是一个工程领域，其目的在于经济地、 而又为社会所能接受地控制材料的结 构、性能和形状。,材料科学与工程的提出 (1) 1957年10月4日和11月3日苏联发射两颗人造卫星， 分别重80千克和500千克。 (2) 1958年1月31日美国发射“探测者1号”人造卫星仅8 千克。 (3) 对此美国有关部门联合向总统提出报告，认为美 国在先进材料的研究方面落后于苏联是关键。 (4) 1958年3月18日总统通过科学顾问委员会发布“全国 材料规划”，决定12所大学成立材料研究实验室。 从此出现了“材料科学与工程”学科的提法。,材料科学与工程的研究内容 (1) 研究材料的结构与成分，即研究材料由哪些种类的 原子构成的，以及这些原子的排列方式。 (2) 研究材料的各种性能，这些性能一般是在实验室中 测量的。 (3) 材料的加工与合成，即材料的制备科学与工艺，包 括传统材料制备工艺的改进和新材料制备工艺的 研究。 (4) 材料在服役条件下的行为，此时材料经受综合性能 的考验。,材料科学与工程的相互关系 (1) 材料科学具有 “研究为什么”的性质。核心是建立结构 性能的关系。 (2) 材料工程具有 “解决怎样做”的性质。是能为社会所接受地获得 材料的结构、性能和形状。（要考虑5个判据：经济、质量、资 源、环保、能源） (3) 材料科学为材料工程提供设计依据，为更好地选择材料、 使用 材料、发展新材料提供理论基础。 (4) 材料工程为材料科学提供丰富的研究课题和物质基础。 (5) 材料科学和材料工程紧密联系，它们之间没有明显的界线。 在解决实际问题中，不能将科学因素和工程因素独立考虑。 因此，人们常将二者合称为材料科学与工程。,材料科学与工程：研究材料的组成与结构、性质、合成与制备、使用性能和它们相互间的密切关系。,材料科学的核心 通过过程现象揭示材料组成-工艺-结构-性能的 关联。 过程是理解结构和性能的重要环节。 结构决定性能，组成与工艺决定结构的形成。 结构因素包括：组成基元、排列、结合类型和 运动方式。 结构的层次：原子结构、原子排列、相结 构、显微组织、结构缺陷等。 材料聚集态：一维、二维、三维方向上小尺寸 的材料称低维材料，低维材料具有体材料所不 具备的性质。,材料科学的三个重要属性： 是多学科的交叉(物理学、化学、冶金学、金属学、高分子化学及计算科学)； (2) 是一种与实际使用结合非常密切的科学(发展材料科学的目的在于开发新材料，提高材料的性能和质量，合理使用材料，降低成本和减少污染等)； (3) 是一个正在发展中的科学(随有关学科的发展而得到充实)。 材料科学与工程学科是工学领域的基础学科。, 基础学科发展奠定材料科学的基础 量子力学、固体物理、无机化学、有机化学、物理化学等 基础学科的发展为材料科学奠定了重要基础。 现代分析技术和设备的更新，加深了对物质结构和物理化 学性质的理解。 冶金学、金属学、陶瓷学、高分子科学等自身的发展也使 对材料的本质认识大大系统化（组成-制备-结构-性能的 关系），为学科发展打下了坚实的基础。, 材料科学范畴下不同材料应用理论的交叉融合 作为钢热处理的马氏体相变理论由金属学科建立，后来氧化锆增韧陶瓷中同样发现了马氏体相变现象，并用来解释相变增韧机理。 缺陷行为、平衡热力学、扩散、塑性变形和断裂机理、界面的精细结构与行为、晶体和玻璃的结构以及它们之间的关系、材料中电子的迁移与约束、原子聚集体的统计力学等概念，在各类材料中得到应用。, 材料测试技术及工艺技术的交叉融合 材料结构与性能的表征参数相通，如显微镜、电子显 微镜、表面测试及物理性能测试等。 材料制备与加工中，许多工艺相通，如挤压对金属 材料用于成型或冷加工硬化；对高分子材料，通过挤 压成丝可使有机纤维的比强度和比刚度大幅度提高。 粉末冶金和现代陶瓷制造已经很难找出明显的区别。 溶胶凝胶法应用于各种材料的制备，是利用金属有 机化合物的水解而得到纳米高纯氧化物粒子的方法。, 现代材料技术从多样化、单一化走向一体化、复合化 打破了单一材料间的界限，许多不同类型材料相 互代替和补充，充分发挥各种材料的优越性。 复合材料在多数情况下是不同类型材料的组合。 如果对不同类型材料没有一个较全面的认识，对 复合材料的设计及性质的理解必然受到影响。,材料科学与工程的研发思路,(1) 依据工程构件服役行为确定所需材料性能； (2) 依据性能要求，确定所需材料结构； (3) 制定材料生产工艺，获得所需材料结构； (4) 采用必要设备，保证工艺实施； 或反其道而行之的思路： (5) 只有适当的设备才能保证工艺； (6) 只有通过工艺才能改变结构； (7) 结构决定性能； (8) 材料的性能决定工程构件的行为。,传统材料的可持续发展,(1) 误区：a. “夕阳工业”； b. 可取代和抛弃。 (2) 传统材料的特点： a. 量大面广； b. 是矿产资源消耗大户； c. 在制备过程中污染严重。,(3) 传统材料的可持续发展： a. 开发节约资源、低污染的生产流程； (“零排放”流程) b. 发展环境友好材料(或环境材料)，指与环境 相适应的材料，即节约资源、少污染、易回 收或可降解材料； c. 开发高性能、长寿命材料是节约资源、减少 污染最有效的途径； d. 用新技术改造传统材料生产流程。,21世纪初的 材料科学技术,俄罗斯新材料发展战略, 研发方向？ 结构材料和功能材料 金属材料、陶瓷材料、复合材料、高分子材料、高纯度材料以及生物、超导和纳米材料等。 战略目标？ (1)力求继续保持某些材料领域在世界上的领先地位，如航空航天、能源工业、化工、金属材料、超导材料、聚合材料等； (2)大力发展对促进国民经济发展和提高国防实力有影响的领域，如电子信息工业、通讯设施、计算机产业等。, 基本策略？ (1)在处理发展高新技术和传统产业关系的同时，做到研发新材料与有效使用传统材料有机结合； (2)在注重研发高新技术所需新材料的同时，对于现有的一般技术所需要的材料进行优选和更新，进而提高利用率。 使研发新材料有的放矢、重点突出、周期缩短、效果显著。 发展重点？ 材料的复合化和多功能化, 根本出路？ 优化材料的制备工艺和改进加工技术，以达到提高效率、减低成本、减少能耗、缩短流程的目的。 关注的因素？ (1)增强环境意识，将研发新材料与生态、环境密切结合起来，增强材料使用寿命、提高循环使用以及再生利用的比率； (2)环境净化、对人类生存无害。,欧盟拟着力推动的 十大材料科学研究领域,未来材料学研究体现的技术特征 ？ 制作技术：新的加工工艺和制造方法将使材料的生产实现从实验室走向工业化； 模仿技术：从材料的自然特性仿制到材料混合特性的研究； 预测技术：开发新的模型和试验方法，从而缩短材料的试验周期。,十大材料学研究领域： (1)催化剂 是生产化学化工制品、石油衍生物、肥料、医药等产品的核心要素，对减少机动车辆、发电站和化工厂的废气废料排放保护生态环境发挥着巨大作用。 借助于扫描隧道显微镜等科学仪器，研究纳米材料用做催化剂的性能。,(2)光学材料和光电材料 光学材料在光通信、数据存储和加工以及传感、显示等技术领域发挥着十分重要的作用。光发射二极管和激光器等光学仪器广泛应用于人类生活的各行各业。 重点研发： 新光学材料体系的研发以及在纳米尺度上对新材料的控制能力，最终设计出3D纳米主结构的光发射仪器； 开发大型、高效率的白光发射极，取代目前普遍使用的白炽灯； 开发光数字系统，使所有数据或部分数据能够通过光设备而非电子设备进行处理，从而减少“光电”转换和“电光”转换； 进一步提高诸如、等二维存储媒体存储容量，借助干扰和全息技术开发三维数据存储媒体。,(3)有机电子学和光电学 开发廉价、大容量的硅电子新产品，使具有电致发光、传导和半传导性能。柔性基质的有机物在智能卡、特征仪器、智能和响应式织物、微型反应器、汽车零部件和大型数据显示等方面获得应用。 (4)磁性材料 对数据高存储密度的要求促进磁性介质不断从微型转向纳型。 纳磁学的研究方向是开发随机存取磁存储器（），以取代目前的互补金属氧化物半导体存储芯片（）。具有非易失性存储特性，而且能够达到每比特纳米的小型化程度。,(5)仿生材料 生物材料的一个显著特征就是具有多样化规模的组织结构。 未来仿生学的研究集中在两个方面： 一是仿生材料体积小型化和功能多样化； 二是仿生材料的有机复合。 (6)纳米生物技术 加强纳米生物技术在人工物质和生物物质组合领域的研究，从而设计出纳型合成材料，生成分子结构，为开发各种高值产品奠定基础。,(7)超导体 高温超导体从大规模能源系统到小型电子系统等领域都获得十分广泛的应用，但目前高温超导体的造价过于昂贵。 开发对局部材料的纳型控制技术是降低高温超导体设备制造成本的关键所在。 (8)复合材料 研究开发新的、具有特殊性能的基体、纤维和化合物，如具有导电特性的高分子复合材料、残余材料、残余材料的可再循环利用等。加强对生物材料、分子电子学、仿生材料、纳米物理材料、陶瓷、金属基体材料的研究。,(9)生物医学材料 在保证安全的前提下开发相容性更好、耐腐蚀、持久性更好的人体组织器官修复和替换医学材料。 加强对纳米生物技术材料的研究，开发用于针对目前难治之症的纳粒子药物嵌入系统以及小型侵入手术和非侵入诊断系统。 (10)智能纺织材料 开发多功能纺织材料，使纤维表面功能化，如具有抗菌、血压控制以及通过纺织纤维与皮肤界面来控制药物释放等功效。 开发智能纺织材料和非织材料在铁路、航空、建筑等领域的广泛应用。,中国未来20年 材料技术领域15项关键技术,(1)开发出实用的高温超导材料并将其应用 到若干领域； (2)转换效率在20以上的太阳能电池进入 实用阶段； (3)纳米材料制备技术的开发及纳米材料、 纳米器件在若干领域的应用； (4)开发出汽车动力用燃料电池； (5)可在350高温下持续工作的聚合物基复 合材料进入实用阶段；,(6)开发出与人骨基本相同的磷灰石基复合 材料； (7)开发出金属间化合物基高温结构材料； (8)开发出适用于汽车及其他民用工业的钛 合金； (9)开发出适用于汽车等交通工具的低成本、 高 强度铝、镁合金； (10)开发出实用的全光开关材料和技术；,(11)开发出单电子存储器元件； (12)新一代钢铁材料（即“超级钢”）进入实 用阶段； (13)开发出适用的塑料再生、循环利用技术； (14)开发出高能量、高密度、持久耐用的充 电电池； (15)开发出实用的太阳能分解水制造氢的技术。,21世纪初的材料科学技术,随着资源的枯竭，环境的恶化，环 境材料将日益受到重视 纳米材料科学技术将成为21世纪初 最为活跃的领域 21世纪将逐渐实现按需设计材料,新材料发展方向 高性能化、高功能化、高智能化 复合化 极限化 仿生化 环境友好化,预测 信息功能材料仍是最活跃的领域 半导体材料得到广泛应用 光电子材料在21世纪将得到更大发展 能源功能材料将取得突破性进展 超导材料是最重要的节能材料 作为能源用的磁性材料将继续发展,贮能材料将受到高度重视 生物材料将有很大发展 仿生材料生物是多年演化的结果，有很多 特性值得模仿 环境材料将日益受到重视 高性能结构材料的研究与开发是永恒的主题 纳米材料将成为21世纪初最为活跃的领域 21世纪将逐渐实现按需设计材料材料,中国新材料产业经济 与 区域经济发展,新材料产业的现状及问题, 材料产业？ 材料产业总产值占全部工业总产值的30% 钢材、水泥、平板玻璃等产量均居世界第一位。 十种有色金属、纯碱等产量居世界第二位 传统材料产业需向高性能化、多功能化、复合化、智能化和低成本化的高附加值的新材料产业转移, 新材料产业现状？ 国家“十一五”规划： 大力发展对经济社会发展带动作用强、技术集成度高、体现国家竞争力的高技术基础核心产业和战略性新兴产业，提高产业整体技术水平，培育新的经济增长点 新材料的研发与产业化已成为一种国家行为,我国的新材料产业领域的基地建设始于1995年 目前，科技部共计批准区域性新材料产业基地37家，其中高新司批准建立的国家新材料成果转化及产业化基地22家，国家火炬计划批准建立的基地15家。 另外，还有两家与材料相关的基地：吴江光电缆产业基地和十堰汽车关键部件产业基地。, 新材料产业问题？ (1)一些靠企业自发形成的新材料企业集中区域 内产业关联度不高，产业布局不合理、产业 结构不健康，多数企业没有经济规模，产业 集成度低，市场竞争力差; (2)依靠民营的体制优势、市场开拓能力发展的 新材料企业集中区域产业结构趋同，缺乏地 方产业特色，缺乏形成地方产业优势的后劲; (3)西部大多数省份资源优势没有发挥出来，没 有形成产业配套体系，资源浪费严重。, 长沙市新材料产业？ 金瑞新材料科技股份有限公司 晶源电子科技股份有限责任公司 湖南三环电源有限公司 湖南长远锂科有限公司 湖南五强产业集团 湖南科力丰新能源科技有限公司 湖南晟通科技有限公司 湖南大陶科技有限公司 力元新材料有限公司 博云新材料股份公司 博云东方粉末冶金有限公司 湖南神润科技开发有限公司 湖南瑞翔新材料有限公司 湖南锂星科技有限公司,2003年， 新材料企业共完成 技工贸总收入 68亿元,新材料产业的经济特征,新材料技术的特点：基础性和先导性 经济特征? (1)产业关联性特征 具有产业间技术关联性大、和同一领域的技术种类多、同一产品的技术多元并行等特点。另外，龙头技术带动效果明显。 新材料投资关联性比新材料产业在技术关联性方面更明显。如上游的汽车工业投资增加要求汽车材料工业要配套发展。反之，在一种新型半导体材料投资规模生产之时，一定要考虑到下游应用市场的投资现状、装备、设计、生产能力等等。新材料的结构关联是技术、价格、投资等产业关联中最重要的特征。,(2)范围经济性特征 新材料产品的特点是投入要素具有多元使用价值。如一种新的材料产品的产生，大部分具有多种使用功能，可以适应多种产品生产，可以产生平均成本下降的经济效益。 (3)规模经济性特征 新材料企业，特别是市场份额巨大、工业放大的倍数多、投资规模较大的产品，要求有一定的产业集中度和市场集中度。新材料企业的技术多元化关联导致企业的多元化程度比其它行业高，在向技术关联的其它市场挺进时，易于扩散，易于获得竞争优势。企业纵向生产一体化的能力也比其它行业强。,新材料产业在区域发展中的地位, 区域经济的发展战略? 研究如何按照地区分工与合作的原则，来组织系统内区域的产业发展与布局，以及能够在区域内形成聚集与分散相结合，既能最大限度地发挥各区域的地区优势，又能分工协作共同发展的区域经济体系。, 新材料产业在区域发展的地位? 新材料产业推动着机械、能源、化工、轻纺等传统产业的技术改造和产品结构的调整，已成为区域经济新的增长点。 中国进入WTO后，伴随着全球性的产业转移，产业格局也正在发生重大变化。“世界工厂”“中国制造”预示着中国的产业结构正在从劳动密集型向着资本密集型和技术的不断创新方面发展。这种变化对新材料产业提出了新的挑战。要求它更快发展，以适应现代化“中国制造”的巨大市场需求，研究区域的经济发展，就要研究新材料产业。, 西部新材料行动？ 通过整合国家与地方的资源，强化东西部联动，推动西部具有资源特色和竞争力的新材料行业发展，建立若干个新材料产业基地，促进西部资源优势转化为经济优势，用新材料打造西部新经济。 区域基地的建设应该放在全省、全国、甚至全球的大背景下考虑，要有更高层次上的总体规划。,以新材料带动 “中国制造”,新材料在“中国制造”中的地位, “中国制造”问题？ 是在世界经济全球化发展背景下，在国际分工基础之上的世界性的制造业问题，而不仅仅是中国民族工业的问题。 是中国在近二十年的市场化改革和对外开放之后，在以加入为契机，即将全面融入国际社会之际遇到的关系国家发展的重大战略问题。, “新材料”与“中国制造”的关系？ (1)材料工业是中国制造业的上游产业，是中国制 造业的组成部分之一，制造业的各个领域都离 不开新材料，新材料是中国制造业的基础,材料 工业肩负着为制造业发展提供原材料的责任； (2)制造业是材料工业的下游产业，是材料工业的 主要产业客户，制造业发展是材料工业发展的 市场基础，材料工业与制造业是产业发展中不 可分割的两个环节,是价值创造的共同的主体。 中国制造业的发展客观上带动中国新材料的发展，而材料工业是中国制造业价值链上的核心环节之一，它的发展同时对制造业的发展也起到一个支撑与促进作用。,如何以新材料带动“中国制造”, 新材料应积极寻找与中国制造的接口 新材料产业发展中存在的问题： 成果较多，能够实现转化的却较少，即产业和研究严重脱节。 新材料生产的整个技术没有固化成一个程序上的东西。 新材料领域的研发特色： 供给非常大，需求也非常大。,新材料如何找到与“中国制造”的接口？ 新材料应该为中国制造提供服务。只有中国制造有了市场，新材料才能得到快速发展。 目前的新材料项目往往是依据研发能力来提出的，对于市场特别是对于“中国制造”的依赖程度远远不够。 新材料如何实现产业化？ 技术是为产业服务的，应该能够用现代工业技术来解决产业化的问题。, 企业应成为创新的主体 企业成为科技创新的主体，学校、科研机构应考虑如何以企业为主体，配合企业来推动成果的产业化。 新材料带动中国经济实现跨越式发展 国家高新技术产业与制造业 信息技术、生物技术、新材料 信息技术：无知识产权，中国的目标是与台湾地区、日本争夺优势(对于美国则根本无竞争力) 生物技术：无源创性，只有中药现代化有可能占据一席之地，但存在国际认可问题。,新材料：拥有丰富的原材料，研究如何通过深 加工来提升其附加值，可以深入到中 国的大部分地区，包括边远地区和贫 困山区等。 在某种意义上，新材料是惟一一个能使中国经济实现跨越式发展的领域。 信息化带动工业化的前提下新材料地位 以高新技术带动改造传统产业 以信息化带动工业化(解决了信息对称的问题和发展模式的问题，但却没有解决内涵问题) 以新材料增强中国制造业的竞争能力,第一讲 力学性质,一、概述,力学性质：是指材料在外应力作用下的行为。 常用的力学性质： E 弹性模量，描述应力和应变之间的比例 关系。 屈服强度，材料发生塑性变形的最小应力； G 硬度，描述材料软硬的程度。,材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。 外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。 外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。,五万吨水压机,应力 = P/F0 应变 = (l-l0)/l0,塑性流变从低温到高温 (1) 低温区的塑性形变：T0.4Tm时，原子扩散和位错攀移作用明显表现出来。 蠕变：材料在长时间的恒温、恒应力下，发生 缓慢塑性变形的现象。,蠕变强度：金属在一定温度下，一定时间内产生一 定变形量所能承受的最大应力。 (600、1000hr、0.1%变形量) 持久强度：金属在一定温度下，一定时间内所能承 受的最大断裂应力。 (800、100hr) 蠕变过程可分为三个典型阶段： 起始的瞬态蠕变、中间的稳态蠕变和最终导致的蠕变。 蠕变的主要机制为位错的攀移，需要位错在晶格中的扩散。,(3) 扩散蠕变：在更高的温度，低的应力下(小于屈服应力)，或在位错能动性差的情况下，位错滑移难以进行时，空位的定向扩散将成为蠕变的主要机制。 a. Nabarro-Herring蠕变：外加拉应力于取向不同的晶界，其空位形成能有了不同的变化，从而导致晶界的空位平衡浓度不同，因而形成了在晶粒内部的空位扩散。 物质的流动方向与空位流动方向相反，其结果是晶粒沿拉伸方向发生应变。 b. Coble蠕变：在拉伸力的作用下，空位沿晶界扩散。,1、弹性和刚度,弹性：指标为弹性极限e，即材料承受最大弹性变形时的应力。 刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。指标为弹性模量E。,弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。,陶瓷强度的测定： a. 弯曲强度：三点弯曲或四点弯曲方法； b. 抗拉强度：测定时技术上有一定难度，常用弯曲 强度代替，弯曲强度比抗拉强度高 2040%； c. 抗压强度：远大于抗拉强度，相差10倍左右，特 别适合于制造承受压缩载荷作用的 零部件。,2、强度与塑性,强度：材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。 屈服强度s：材料发生微量塑性变形时的应力值。 条件屈服强度0.2：残余变形量为0.2%时的应力值。 抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大应力值。,塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。 指标为：,伸长率：,断面收缩率：,断裂后,拉伸试样的颈缩现象,说明： 用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。 直径d0 相同时，l0，。只有当l0/d0 为常数时，塑性值才有可比性。 当l0=10d0 时，伸长率用 表示； 当l0=5d0 时，伸长率用5 表示。显然5 时，无颈缩，为脆性材料表征 时，有颈缩，为塑性材料表征,3、硬度,材料抵抗表面局部塑性变形的能力。 布氏硬度HB,布氏硬度计,压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。 压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。,符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值, 符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如 120HBS10/1000/30 表,示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。,布氏硬度压痕,布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。 缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。 适于测量退火、正火、调质钢, 铸铁及有色金属的硬度。 材料的b与HB之间的经验关系： 对于低碳钢: b(MPa)3.6HB 对于高碳钢：b(MPa)3.4HB 对于铸铁： b(MPa)1HB或 b(MPa) 0.6(HB-40),洛氏硬度,洛氏硬度用符号HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002 根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C。,第二讲 物理性质,材料表现出来的密度、熔点、热膨胀(系数)性