材料科学与人类文明-第3章.pptVIP

,材料科学与人类文明第三章材料与材料科学,课件下载方法4:21/用户名：polymer402密码：polymer402,材料的使用史,第一代：天然材料第二代：烧炼材料第三代：合成材料第四代：设计型材料第五代：智能材料,材料的使用史,第一代：天然材料木器、石器、骨器等旧石器是利用一块较硬的石头坎砸另一块较软的石头打击而成，其形状既不规则又不稳定，加工十分粗糙，是人类第一种原始材料新石器时代的标志是，打制的石器更加精美，出现陶和玉器工艺品，用石头和砖瓦作建筑材料,采用火将天然粘土烧制砖瓦和陶瓷用烧结技术制造玻璃和水泥从各种天然矿石中提炼、制作铜、青铜、铁等冶炼材料铜是人类社会最早出现的金属铜熔点低，易处理；铜器色泽优美，满足人类视觉的享受；质柔声清，满足触觉与听觉的美感青铜器分别精炼铜、锡、铅，将熔浆倾入陶制坩埚铸形铜-锡合金(青铜)85%Cu(熔点1083C)、15%Sn(熔点232C)熔点960C，延展性增加，硬度增加，具光泽度加入部分锡，使原来较软的铜制品变得更坚硬、更耐磨铜-锌合金(黄铜)锌熔点420C，沸点900C，精炼时应小心控制，否则沸腾,材料的使用史,第二代：烧炼材料,砖瓦、陶瓷、青铜,材料的使用史,第二代：烧炼材料,铁、钢,铁器时代，从铁矿石中冶炼铁依C和杂质含量，铁分三类铸铁：含碳2.54.5%，不适于展延锻接，适于铸造器物锻铁：含S、P、Si，质强韧、具延展性，可锻造、焊接成器物钢铁：质强而韧，适当热处理可改变硬度、脆度，制刀剑、枪炮铁轨非铁金属(金银等贵重金属)：加工技术繁复，造型精美金质地细密、具光泽，熔点1063C，比重19.3，延展性强，在空气中不氧化，不受一般弱酸腐蚀，只溶于王水，可做饰品货币，永保色泽,材料的使用史,第三代：合成材料,高分子材料,原料主要来自石油、煤等矿物资源从第1个人工合成塑料-酚醛树脂算起，高分子材料时代至今100年今天，高分子材料的作用越来越大,材料的使用史,第四代：设计型材料,通信产业、生物技术、新能源技术、宇航技术、环境工程等，对材料提出更新的要求,从设计、材料、工艺一体化出发开发材料的先进制造技术实现材料的高性能化和复合化实现材料生产的低成本、高质量和高效率,始于1950年代，其目的是“按照指定性能定做”新材料按生产要求“设计”最佳的制备加工方法采用新的物理、化学方法，根据实际需要，设计出具有特殊性能的材料,材料的使用史,第五代：智能材料,能感知外部刺激(传感功能)、能判断并适当处理(处理功能)、本身可对外界刺激作出响应(执行功能)的材料,功能材料智能化智能凝胶、机械化学系统结构材料智能化自诊断、损伤自显示、自修复和自愈合、自组装、自分解性生物材料智能化微球功能的智能化(药物控制释放)、智能生物材料与组织工程,从古至今，材料与人类日常生活密切相关现代，人类的衣、食、住、行、休闲、娱乐样样离不开材料新材料的出现，更是使人们的生活质量发生了极大的变化材料与食物、居住空间、能源、信息共同组成人类生活的基本资源,材料的重要性,传统滤水材料,材料的重要性,例1：滤水材料,PP不织布滤网仅过滤水中粗大悬浮物、沙粒(5m)，无法过滤离子、重金属、有机毒素、细菌硅藻土功能与不织布滤网类似，过滤颗粒较小活性碳去除水中色素、异味(挥发性者)、部份金属离子，无法去除重金属污染、无杀菌力,离子交换树脂以钠型树脂去除水中Ca2+、Mg2+离子，所得水含钠量偏高对糖尿病、心脏病患者不利，影响肾脏功能半透膜去除水中杂质及矿物质,紫外线利用UV辐射破坏细菌DNA，抑制其繁殖碘素适用于较广的pH，存在时间久银活性碳银杀菌速度慢，但可抑制其生长(银不可过量),新型滤水材料,杀菌,超滤膜孔径只有几纳米到几十纳米，能清除水中病菌和微生物,冬暖夏凉的羊毛羊毛纤维由两种细胞组成，呈螺旋状蜷曲羊毛纤维表面被膜状角质层覆盖，具有吸收湿气、扩散水分功能柔软细致的纯棉触感良好、易吸湿且散发性好、凉爽且保温性高、安全卫生、耐洗涤冬暖夏凉的衣料(多丽丝)聚乙二醇附着在织品纤维上PEG在21C融解软化，吸收体热，觉得凉熔融的PEG在0C凝固，散热，觉得温暖,材料的重要性,例2：服饰,材质的改变，设计的创新硬度、重量、合脚、磨损、保护性、支撑、透气、避震、散热等,材料的重要性,例3：鞋子,超轻跑鞋橡胶和塑料混合、发泡，比重只有0.36(一般橡胶底比重=1.3)，将鞋底打薄，增加长跑速度抗冲鞋底天然橡胶和EVA制成海绵，置于鞋底中间层气垫鞋底将高分子透明胶囊灌满气体，埋入鞋底里，脚跟用力时产生的压力压缩气体胶囊，脚跟离地时，气囊反弹，反弹力将脚跟往上提,材料的重要性,例4：眼镜,材料含不同的元素，由不同的原子、离子或分子结合而成原子、离子或分子间的结合力，称为结合键结合键包括4种,离子键：电子的得失共价健：电子的共有金属键：电子的公有化分子键,材料的结合键,离子键周期表中相隔较远的正电性原子和负电性原子接触时正电性原子失去最外层价电子，变成正离子负电性原子获得电子，变成负离子正、负离子由静电引力相互吸引；当它们十分接近时，发生排斥引力和斥力相等时，即形成稳定的离子键NaCl、CaO、Al2O3等，由离子键组成,离子键示意图,氯化钠结构,材料的结合键,离子键键能很大，离子晶体硬度高、强度大、热膨胀系数小，但脆性大离子晶体很难产生自由电子，是良好的绝缘体离子的外层电子受到较牢固的束缚，可见光的能量一般不足以使其受激发，不吸收可见光典型的离子晶体无色透明,共价键周期表中间位置的3、4、5价元素，原子既可获得电子变为负离子，也可丢失电子变为正离子原子间共用价电子，形成稳定的电子满壳层，从而形成分子或晶体由共用价电子对而产生的结合键，叫共价键,共价键示意图,材料的结合键,最具有代表性的共价晶体为金刚石金刚石由C原子组成，每个C原子贡献出4个价电子，与周围的4个C原子共有，形成4个共价键，构成正四面体：一个碳原子在中心，与它共价的另外4个C原子在4个顶角上,金刚石结构,硅、锗、锡等元素，可构成共价晶体SiC、Si3N4、BN等化合物，也属共价晶体共价键结合力很大，共价晶体强度高、硬度高、脆性大、熔点高、沸点高、挥发性低,周期表中I、II、III族元素，原子容易丢失其价电子而成为正离子被丢失的价电子(自由电子)为全体原子所公有，在正离子间自由运动，形成“电子气”正离子在电子气中呈高度对称的规则分布(点阵)正离子和电子气间具有强烈的静电吸引力，使全部离子结合起来。这种结合力为金属键,金属键示意,钼的结构,材料的结合键,金属键,惰性气体的原子形成稳定的电子壳体，低温下可结合成固体在固态，甲烷分子也能相互结合成为晶体分子结合过程中，没有电子的得失、共有或公有化原子或分子间靠范特瓦尔斯力结合起来，这种结合键叫分子键,甲烷结构,分子键示意图,材料的结合键,分子键,范特瓦尔斯力很弱。因此，由分子键结合的固体材料，熔点低、硬度也很低因无自由电子，材料有良好的绝缘性,在含氢物质，一个氢原子可同时与两个电子亲合力大、半径小的原子(如F、O、N等)结合，形成氢键氢健是一种较强的、有方向性的范特瓦尔斯键,尼龙66的结构,材料的分类,按化学组成，分为金属、无机非金属、高分子、复合材料金属材料，原子间结合以金属键为主陶器，原子间结合以离子键为主高分子材料，原子间结合以共价键为主,在103种元素中，81种为金属元素除Hg外，单质金属常温下呈固态，不透明，有金属光泽、良好的导电性、导热性单质(纯金属)：由一种金属元素构成合金：由两种或两种以上金属元素、或金属与非金属元素构成,材料的分类,金属材料以金属元素或以金属元素为主构成的、具有金属特性的材料,人类文明的发展、社会的进步，同金属材料的关系密切石器时代之后，出现铜器时代，随后是铁器时代19世纪以来，随着科学技术的发展，铝、钛及其他稀有金属材料相继获得工业生产和应用钢铁生产得到进一步发展20世纪50年代以来，新型金属材料得到大力发展1982，世界钢产量5.7亿吨，铝约1400万吨，铜约900万吨，钛形成11万吨的生产能力2009，中国粗钢产量达5.68亿吨，居世界第1位,金属材料,材料的分类,建筑、机械、汽车、造船、铁道、石油、家电、集装箱等，为八大钢材消费量行业，占全国钢材消费量的70%以上；2005年用钢材2.13亿吨建筑是最大的钢材消费行业，需钢材1亿吨/年,材料的分类,金属材料,除作为受力结构使用外，有些金属材料具有耐高温、耐低温、耐腐蚀以及磁性、弹性、电学等特殊功能,金属材料不断推陈出新，许多新兴金属材料应运而生高性能金属材料快速冷凝金属非晶和微晶材料纳米金属材料有序金属间化合物定向凝固柱晶单晶合金新型金属功能材料钕-铁-硼稀土永磁合金及非晶态磁合金新型铁氧体及超细金属隐身材料形状记忆合金贮氢材料活性生物医用材料,有色金属及合金铝合金：高纯高韧、高强高模、高温先进的高强、高韧和高温钛合金先进的镍基、铁镍、铬基高温合金铜合金、难熔金属合金稀有金属合金,铝合金密度小、导热性好、易于成形、价格低廉高性能铝(如高强高韧抗应力腐蚀、铝-锂、快速凝固粉末冶金、含钪)合金，是现代航空航天、汽车、武器系统的重要材料我国大多处于实验室研究或小批量试制阶段，不能进行大规模工业化生产铝及铝合金，最早用于汽车制造的轻质金属材料，是工程材料中最有竞争力的汽车用轻金属材料世界范围内，交通运输业为铝材、铝合金的第一大用户2001，交通运输业消耗原铝产量的27.6%，有些国家达30%以上铝合金，亚音速飞机的主要用材民用飞机上，用量7080%，每架飞机有40150万个铝合金铆钉波音飞机公司统计，制造各类民用飞机31.6万架，用铝材710万吨，每架均用22吨铝航空航天，2002世界用铝量约42万吨，美国用量21.4万吨,金属材料,材料的分类,我国建筑用铝合金型材供过于求高精度饮料罐板铝材、高强高韧铝合金等基本依赖进口，其中饮料罐板铝材占整个进口铝合金总量的近1/3合金品种牌号：我国与发达国家存在较大差距我国铝合金有143个牌号，美国有350个我国热处理态铝合金75个品种，美国有356个品种,金属材料,材料的分类,铝合金,我国钨、钼难熔金属制品产量约占世界总产量的1/3中低档产品供大于求技术含量高的产品不能生产或产量很小如，性能可靠的抗震抗下垂钨丝、特种灯泡钨丝、显像管用钨合金丝、高精度的钨窄带和钼窄带、超大规模集成电路亚微元件用超高纯钨、钼材等缺乏高档管、棒、丝等深加工产品我国出口低档钨制品，12001500吨/年进口高档钨制品，5倍出口价,金属材料,材料的分类,由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐、氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料，经一定工艺而制备的材料无机非金属材料，与广义的陶瓷材料有等同的含义种类繁多，没有统一的分类方法。一般分为两大类：,材料的分类,无机非金属材料,除金属材料、高分子材料外所有材料的总称,先进(或新型)无机非金属材料，由氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物等制成主要包括先进陶瓷、非晶态材料、无机涂层、无机纤维等20世纪以来发展起来的，具有特殊性质和用途如：压电、铁电、导体、半导体、磁性、超硬、高强度、超高温、生物材料、无机复合材料等,传统的(普通的)无机非金属材料，以SiO2、硅酸盐为主要成分一般指陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料包括搪瓷、磨料、铸石(辉绿岩、玄武岩等)、碳素材料、非金属矿(石棉、云母、大理石)等,无机非金属材料,材料的分类,18世纪工业革命后，建筑、机械、钢铁、运输等工业兴起，无机非金属材料快速发展，出现电瓷、化工陶瓷、金属陶瓷、平板玻璃、化学仪器玻璃、光学玻璃、平炉和转炉用的耐火材料、高性能水泥20世纪来，电子技术、航天、能源、计算机、通信、激光、红外、光电子学、生物医学、环境保护等新技术兴起，特种无机非金属材料发展迅速3040年代，高频绝缘陶瓷、铁电和压电陶瓷、铁氧体(磁性瓷)、热敏电阻陶瓷等5060年代，SiC和SiN高温结构陶瓷、Al2O3透明陶瓷、-Al2O3快离子导体陶瓷、气敏和湿敏陶瓷等变色玻璃、光导纤维，高温超导,技术革命和经济建设推动了新材料的发展,材料的分类,无机非金属材料,从陶器到瓷器，是陶瓷发展史上第一次重大飞跃采用低熔点的长石与粘土等配合，在焙烧过程中形成流动性很好的液相，冷却后成为玻璃态的釉，使瓷器更加坚硬、致密和不透水从传统陶瓷到先进陶瓷，是陶瓷发展史上第二次重大飞跃利用材料的电、磁、热、弹性等直接的或耦合的效应，使陶瓷具有某种使用功能从先进陶瓷到纳米陶瓷，是陶瓷发展史上第三次重大飞跃纳米陶瓷有可能解决陶瓷的致命弱点-脆性,材料的分类,无机非金属材料,陶瓷材料,普通陶瓷包括日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、电瓷,材料的分类,无机非金属材料,普通陶瓷,材料的分类,无机非金属材料,特种陶瓷,包括结构陶瓷、功能陶瓷结构陶瓷，用于耐磨、高强度、耐高温、耐热冲击、高刚性、低膨胀、隔热等场所常见高温结构陶瓷：高熔点氧化物、碳化物、硼化物、氮化物、硅化物功能陶瓷，具有电磁、光学、生物、核及其它功能的陶瓷材料电学功能瓷：电绝缘瓷、导电陶瓷、半导体瓷、电容器瓷、压电瓷磁学功能瓷：磁性瓷(又称铁氧体)、超导瓷热学功能瓷：热释电瓷、导热瓷、低膨胀瓷、红外辐射瓷化学功能瓷：多孔陶瓷载体生物功能瓷：用于测量、诊断治疗、硬组织替代材料,材料的分类,无机非金属材料,玻璃材料,普通玻璃，采用天然原料大规模生产，主要成份是SiO2。广泛应用于建筑物包括日用玻璃、建筑玻璃、微晶玻璃、光学玻璃和玻璃纤维等特种(新型)玻璃，采用精制、高纯或新型原料，严格控制形成过程，具有特殊功能或用途根据用途不同，分为防辐射、激光、生物、多孔、非线性光学、光纤玻璃等根据成分不同，包括硅酸盐玻璃(SiO2含量85%或1580C,按制造方法天然矿石、人造制品按形状块状制品、不定形制品按热处理不烧制品、烧成制品、熔铸制品按矿物组成氧化硅质、硅酸铝质、镁质、白云石质、橄榄石质、尖晶石质,分类,大部分耐火材料的原料为天然矿石，如耐火粘土、硅石、菱镁矿、白云母等用作高温窑炉等热工设备的结构材料，也可用作工业高温容器和部件的材料,解放初，我国炼钢电炉炉顶用硅砖寿命仅100炉，改用高铝砖后达500炉，最高寿命达855炉，超过当时的国际水平1955，我国开始试制镁铝砖，替代炼钢平炉炉顶寿命短的硅砖、需进口铬铁矿制造的铬镁砖重钢，平炉炉顶试用镁铝砖，达640炉鞍钢、武钢，大平炉炉顶寿命达1000炉天津钢厂一座小平炉炉顶创造2540炉的记录，达国际先进水平镁铝砖是中国独创产品，获国家金质发明奖,高分子，由一种或几种简单小分子化合物聚合而成的分子量很大的化合物常用高分子材料，分子量为几百几百万,材料的分类,高分子材料,按来源天然高分子材料合成高分子材料按性能和用途橡胶纤维塑料胶粘剂,塑料、合成纤维、合成橡胶，是现代三大高分子材料,材料的分类,高分子材料,橡胶常用的有天然橡胶(聚异戊二烯橡胶)、丁苯橡胶、顺丁橡胶、乙丙橡胶、硅橡胶室温弹性高，能产生大形变(可达1000%)，外力去除后，能迅速恢复原状弹性模量低，约105106Pa使用前需化学交联(一次成型)纤维常用的合成纤维有尼龙、涤纶、晴纶和维尼纶等弹性模量高，约1091010Pa受力时形变20%塑料弹性模量107108Pa，介于橡胶、纤维间温度稍高，形变达百分之几至几百小形变是可逆的，大形变是不可逆的,根据受热时行为的不同，分为热塑性、热固性两类热塑性塑料如聚乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸酯受热发生塑化和软化，冷却时凝固成形，再加热又可塑化软化(可反复成形)热固性塑料如酚醛塑料、脲醛塑料受热发生化学反应而固定成型，冷却后再加热不能软化(一次成型),材料的分类,高分子材料,功能高分子材料物理功能导电、半导体、光导、压电、磁性、光功能、液晶、信息高分子材料化学功能反应性高分子、离子交换树脂、高分子分离膜、螯合高分子、高分子催化剂、高分子试剂及人工脏器、生物医用高分子材料、高分子药物等,材料的分类,复合材料,金属、陶瓷和高分子材料各有其固有的优、缺点复合材料，是由几类不同材料通过复合工艺而制成的材料能保留原组成材料的主要特色能通过复合效应获得原组分所不具备的性能可通过材料设计使各组分的性能互补，获得新的优越性能复合材料，既是一种新型材料，也是一种古老的材料大体分为古代复合材料、现代复合材料2个阶段,材料的分类,复合材料,复合材料在自然界广泛存在动物骨头(原胶纤维与无机材料复合)植物(树木、竹)茎干、叶(微纤维与木质素复合),骨盆的取向纤维,针叶树木材的组织,细胞壁的复合材料结构,古代复合材料，以中国的漆器最为引人注目以丝、麻等天然纤维作增强材料，用火漆作粘结剂而制成,材料的分类,复合材料,(长沙马王堆汉墓)漆器(鼎壶、盆具、茶几等)，用漆作胶粘剂，丝麻作增强体(湖北随县2000多年前曾侯乙墓葬)用于车战的3m多长的戈戟，木芯外包纵向竹丝，以漆作胶粘剂，丝线环向缠绕，其设计思想与近代复合材料相仿元代，蒙古弓用木材芯子，受拉面贴单向纤维，受压面粘牛角片，丝线缠绕，漆作胶粘，弓轻巧有力，是古代复合材料中制造水平高超的夹层结构,茅草与泥土混合，作建筑(住房墙体)材料(BC2000年前，西安半坡仰韶文化遗址)古埃及墓葬，用名贵紫檀木在普通木材上装饰贴面的棺撑家具古埃及金字塔，用石灰、火山灰等作粘合剂，混和砂石等作砌料，是最早最原始的颗粒增强复合材料,古代复合材料,材料的分类,复合材料,三国时期的藤甲，是用藤浸渍桐油，形成的纤维增强聚合物基复合材料,吴王矛越王剑,中国古代在金属基复合材料方面有高超的技艺越王剑，是金属包层复合材料制品光亮锋利，韧性和耐蚀性优异埋藏在潮湿环境中几千年，出土后依然寒光夺目，锋利无比,古代复合材料,材料的分类,复合材料,玻璃钢赛车壳体,玻璃钢储液罐,玻璃纤维、合成树脂大规模生产，使纤维复合材料成为具有工程意义的材料为与天然的、古代的复合材料相区分，称现代复合材料性能相对较低，产量大，使用面广的，称常用复合材料上世纪60年代，航空航天工业迅猛发展，需要高强度、高模量、耐高温、低密度等性能优异的复合材料，先进复合材料应运而生上世纪90年代初，全球复合材料产量约300万吨目前，全球复合材料产量约820万吨，其中中国131.2万吨，占16%,玻璃纤维增强高分子复合材料,现代复合材料始于上世纪40年代的玻璃纤维增强塑料,材料的分类,复合材料,把占主要组分的材料称基体其它组分称增强材料，或增强相,按硬度软质复合材料(纤维增强的橡胶)硬质复合材料(纤维增强树脂，如玻璃钢等)按功用，结构复合材料功能复合材料智能复合材料,复合材料,现代复合材料的分类,按基体聚合物基复合材料(PMC)金属基复合材料(MMC)陶瓷基复合材料(CMC)碳/碳复合材料(C/C)按增强材料纤维增强复合材料晶须增强复合材料颗粒增强复合材料,材料的分类,已形成产业规模的，主要是结构复合材料(风电叶片、赛艇)功能复合材料由功能体、基体组成，基体起构成整体的作用，且能产生协同或加强功能,理论上，金属、陶瓷、高分子之间，或同种材料之间，均可复合，形成复合材料事实上，高分子/高分子、陶瓷/高分子、金属/高分子、金属/金属、陶瓷/金属、陶瓷/陶瓷之间的复合，均已获得许多种高性能复合材料,材料的分类,复合材料,现代复合材料的分类,比强度、比刚度(比模量)大性能可设计、易制成结构件各向异性、非均匀性以聚合物基复合材料为例：比强度、比刚度(比模量)大耐疲劳性能好减震性好过载时安全性好具有多种功能性有很好的加工工艺性,材料的分类,复合材料,性能特点,1841，英国，制成玻璃纤维拉丝机一战期间，德国，拖动脚踏车轮拉拔玻璃纤维丝1930年代，美国，用铂柑涡生产连续玻璃纤维从此，世界范围内大规模生产玻璃纤维，以其增强塑料，制成复合材料1960年代，增强塑料技术臻于成熟，在许多领域开始取代金属材料1910，酚醛树脂复合材料1938，三聚氰胺甲醛复合材料1942，聚酯树脂复合材料1946，环氧树脂复合材料、玻璃纤维增强尼龙1951，玻璃纤维增强聚苯乙烯1956，酚醛石棉耐磨复合材料,材料的分类,复合材料,常用复合材料,航天航空领域要求结构材料具有比强度、比模量高，韧性高，耐热，抗环境腐蚀，加工性能好等特性树脂基先进复合材料：1960年代末期试用，军用/民用飞机承力结构。现已广泛应用于其他工业领域增强体有玻纤、芳纶，或两者混杂基体主要是热固性环氧、聚酰亚胺，以适应耐热性高达250C的要求碳/碳复合材料：1960年代，用碳纤维或石墨纤维作增强体，以可碳化或石墨化的树脂浸渍，或用化学气相沉积碳作为基体，制成碳/碳复合材料1970年代初，用以制造导弹尖锥、发动机喷管、航天飞机机翼前缘部件金属基先进复合材料：1970年代末出现，用高强度、高模量、耐热纤维与金属特别是轻金属复合而成克服了树脂基复合材料耐热性差、不导电、导热性低等不足具有耐疲劳、耐磨耗、高阻尼、不吸潮、不放气、低膨胀系数等特点作为理想的结构材料，广泛用于航天航空等尖端领域陶瓷基先进复合材料：始于1980年代，采用纤维补强陶瓷，以提高韧性制造燃气涡轮叶片等耐热部件,材料的分类,复合材料,先进复合材料,现代复合材料首先在航空航天领域、国防工业中得到应用航空航天技术要求飞行器材料具有高比强度、比模量，以减轻重量，提高飞行速度、增加运载火箭有效负载、保证气动特性等,复合材料在航天领域中的应用,材料的分类,复合材料,先进复合材料,芳纶/杜邦聚酰胺,芳纶/泡沫芯板,碳纤维/杜邦聚酰胺,飞机上用的先进复合材料,材料的分类,复合材料,先进复合材料,碳纤维/环氧,碳纤维/芳纶/环氧,玻璃纤维增强塑料,飞机上用的先进复合材料,材料的分类,复合材料,先进复合材料,增韧石墨,石墨,混杂复合材料,纤维玻璃,GLARE蒙皮用于A380飞机的上机身蒙皮,大推力、高涵道比涡扇发动机大量运用了复合材料或钛合金空心宽弦叶片、整体叶盘,材料的分类,复合材料,先进复合材料,复合材料在国产军用飞机中的应用,复合材料前机身段(黑色部分),复合材料垂直安定面(黑色部分),材料的分类,复合材料,B-2隐形轰炸机主体结构为钛复合材料，其它部分由碳纤维和石墨等复合材料构成，不易反射,材料的分类,复合材料,先进复合材料,轻巧的碳/碳复合材料,全复合材料机身：轻型机的价格，中型机的宽敞客舱，客舱内站立高度为1.65米,材料的分类,复合材料,先进复合材料,目前，商用飞机上复合材料占全机重量的50%，某些直升机已达到90%,超级跑车大量应用碳纤维复合材料,材料的分类,复合材料,先进复合材料,复合材料军用吉普车玻璃纤维/碳纤维/增强树脂美洲轻木泡沫,材料的分类,复合材料,先进复合材料,碳纤维/树脂复合材料,国产1.5兆瓦级风力发电叶片叶片长37.5m，重5.8吨采用德国工艺生产,复合材料,先进复合材料,德国富兰德公司FL-25002.5兆瓦级风力发电机叶片材料：强化玻璃纤维(FRP)叶片长43.8m，重约10.2吨,材料的分类,复合材料,先进复合材料,典型先进复合材料和常用材料的性能对比,比拉伸模量=弹性模量/密度（任意单位）,材料的分类,复合材料,先进复合材料,复合材料的比强度比模量关系,玻璃纤维/环氧树脂,芳纶纤维/环氧树脂,石墨纤维/环氧树脂,硼纤维/环氧树脂,石墨纤维/环氧树脂,石墨纤维/环氧树脂,铍,镁,钢,铝,钛,比拉伸强度=拉伸强度/密度（任意单位）,材料的分类,复合材料,先进复合材料,在能源技术中的应用,材料的分类,复合材料,先进复合材料,在信息技术中的应用,金属材料主要为金属键热和电的良导体具有良好的强度、延展性、金属光泽陶瓷材料通常为离子键或共价键绝缘体较耐热高分子材料以共价键为主，含分子键通常密度较低高温下不稳定复合材料性能的复合，可设计,与基体材料相比，复合材料比强度(强度/密度)、比模量(弹性模量/密度)高抗疲劳性能好高韧性和抗热冲击性(PMC和CMC中尤为重要)耐热性高减振性能好耐烧蚀性、耐磨损、导电和导热,材料的分类,各类材料的主要性能比较,按使用性能或服役要求，材料可分为结构材料、功能材料结构材料，主要要求其力学性能，以强度、硬度、刚度、韧性、疲劳强度等力学性能为特征钢是用途最广、用量最大的金属结构材料功能材料，主要利用其特殊的物理性能，以声、光、电、磁、热等物理性能为特征如电子材料、光电子材料、超导材料等,材料的分类,结构材料、功能材料,材料的功能，反映材料对某种输入能量的传输、转换、输出过程包括一次功能和二次功能,具有任一种功能的材料，都可称为功能材料在国民经济各行业中，功能材料的用量不如结构材料大，但作用非常大，尤其是在高科技领域功能材料已成为材料科学与工程领域最活跃的部分，以约5%/年速度增长，每年有1.25万种新材料问世,一次功能，向材料输入的能量和从材料输出的能量属同一形式，材料起能量传递作用,材料的分类,功能材料,力学性能：超流动性、润滑性、制动性、超塑性、高弹性、恒弹性、超弹性、防振性声学性能：吸音性、隔音性等热学性能：隔热性、传热性、吸热性、蓄热性光学性能：透光性、遮光性、反射性、折射性、光吸收性、光偏振性、聚光性、分光性电学性能：导电性、超导性、绝缘性磁学性能：软磁性、硬磁性化学性能：催化作用、吸附作用、生化作用、酶反应、气体吸收性其他性能：电磁波特性、放射特性等,二次功能，向材料输入的能量和从材料输出的能量属不同形式，材料起能量转换作用,机械能-其他能量的转换：(反)压电、(反)磁致伸缩、摩擦发热(光)、冲击发热、热弹性、光弹性、形状记忆、感应发光、冲压发光、声光、(反)机械化学效应电能-其他能量的转换：电磁、电阻发热、热电、光电、场致发光、电化学磁场-其他能量的转换：热磁、磁冷冻、光磁热能-其他能量的转换：激光加热、热刺激发光光能-其他能量的转换：光化学反应、光致抗蚀、化学发光、感光反应、光致伸缩、光电效应,材料是人类用来制造构件、器件、机器和其他产品的物质指人类社会能接受地、经济地制造有用物品的物质不是所有物质都可称为材料，如燃料和化工原料、工业化学品、食物和药品等，一般不算作材料有些物质在特殊环境下可作为材料？材料可按多种方法分类按物化属性：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、复合材料按用途：电子材料、宇航材料、建筑材料、能源材料、生物材料等按应用：结构材料、功能材料、智能材料材料是人类赖以生存和发展的物质基础20世纪70年代，人们把信息、材料、能源作为社会文明的支柱80年代，将新材料与信息技术、生物技术并列，作为新技术革命的重要标志,材料,性质指材料对电、磁、光、热、机械载荷的反应是材料功能特性和效用(如电、磁、光、热、力学等性质)的定量度量和描述或材料对外界刺激(如电场、磁场、温度场、力场等)的整体响应效能是材料固有性质与产品设计、工程能力和人类需求相融合在一起的一个要素，必须以使用性能为基础进行设计才能得到最佳的方案,材料的要素,结构/成分从原子、电子尺度到宏观尺度的结构体系在这些尺度上，化学成分及其分布，取决于所采用的合成和加工方法合成/制备建立原子、分子和分子聚集体的新排列，在从原子到宏观尺度上对结构进行控制，以高效而有竞争力地制造材料和零件合成与制备方法很多，包括传统的冶炼、铸锭、制粉、压力加工、焊接等，也包括新发展的真空溅射、气相沉积等工艺,20世纪60年代初，提出“材料科学”1957年10月4日，前苏联发射第一颗人造卫星，重80kg11月3日，发射第二颗人造卫星，重500kg1958年1月31日，美国发射“探测者1号”人造卫星，仅8kg美国有关部门联合向总统提出报告认为，美国在科技竞争中落后于前苏联，关键在于先进材料研究的落后1958年3月18日，美国总统通过科学顾问委员会发布“全国材料规划”，在12所大学成立材料研究实验室，随后扩大到17所自此，出现多领域交叉的综合性学科“材料科学与工程学科”“材料科学”一词广泛应用,材料科学的形成,材料学的三个重要特性多学科交叉密切结合实际应用发展中的学科,材料科学形成的物质、科学基础各类材料大规模的应用，是材料科学形成的重要基础18世纪蒸汽机、19世纪电动机的发明，使材料新品种开发和规模生产发生飞跃如，1856转炉炼钢、1864平炉炼钢，促进了机械制造、铁路交通的发展不同类型的特殊钢种相继出现如，1887高锰钢、1903硅钢、1910镍铬不锈钢铜、铅、锌大量应用，铝、镁、钛、稀有金属相继问世20世纪初，合成高分子材料问世，发展十分迅速1909酚醛树脂(电木)、1925聚苯乙烯、1931聚氯乙烯以、1941尼龙等20世纪中后期，制造出一系列具有不可替代作用的功能材料和先进结构材料如电子陶瓷、铁氧体、光学玻璃、透明陶瓷、敏感及光电功能薄膜材料等,材料科学的形成,材料科学形成的物质、科学基础基础学科的发展，为材料科学理论体系的形成打下了坚实的基础量子力学、固体物理、断裂力学、(无机、有机、物理)化学等学科的发展，现代分析测试技术和设备的更新，使人类对物质结构和物化性质有了更深的理解在材料科学学科确立前，三大材料已各自自成体系，对材料组成、制备、结构、性能及其相互关系的研究也较系统学科理论的交叉融合日益突出不同材料领域的许多概念、现象、变化都颇相似相变理论。马氏体相变最初由金属学家所建立，为钢的热处理理论后在氧化锆增韧陶瓷中也发现马氏体相变，发展为陶瓷增韧的有效方法缺陷理论、平衡热力学、扩散、塑性变形和断裂机理、表面与界面、晶态和非晶态结构、电子迁移与束缚、原子聚集体等概念，可用来解释不同类型材料的行为,材料科学的形成,材料科学形成的物质、科学基础各类材料的研究设备与生产手段颇具共同之处不同类型的材料各有其专用设备与生产装置，但也相同或相近的方面，如显微镜、电子显微镜、表面测试仪器等许多加工装置有通用之处挤压机可用来对金属材料进行成型或冷加工硬化；挤压成丝，可大幅度提高高分子纤维的强度和刚度随着粉末成型技术和热致密化技术的发展，粉末冶金和现代陶瓷制造已很难找出明显的区别以应用为目的的材料设计，打破了不同材料间的界限使用不同类型的材料相互代替和补充，更能充分发挥各种材料的优越性，达到物尽其用的目的在多数情况下，复合材料是不同类型材料的组合,材料科学的形成,材料科学是一门以固体材料为研究对象，运用各种精密仪器和技术，探讨材料的组成、结构、制备工艺、使用过程与其机械、物理、化学性能规律的一门基础应用学科，是研究材料共性的一门学科,材料科学的内涵,定义,材料科学，包括的三个环节，核心是结构和性能,材料科学以物理、化学、物理化学等学科为基础涉及材料晶体结构、材料热力学与动力学、材料性能等系统的材料科学知识,揭示材料结构和性能，解释结构-性能关系,目的,材料的结构与性能,材料结构，包括晶体结构、非晶体结构、(显微镜下)微观结构材料性能，包括物理性能、化学性能、力学性能、其它性能(功能),材料科学的内涵,对固态物质性质的认识，首先从宏观现象开始，观测熔点、硬度、强度、电导、磁性、化学反应活性等随后深入到原子、分子层次，用原子结构、晶体结构、化学键理论等来阐明材料物性-结构关系,材料工程是工程的一个领域，其目的在于经济地、为社会所能接受地控制材料的结构、形状、性能材料工程包括下面的五个环节,材料科学的内涵,材料科学、材料工程的区别，于着眼点不同，各自强调的重点不同，两者并无明确的界限材料科学的基础理论，为材料工程指明方向，为更好地选用材料、发挥现有材料的潜力、发展新材料，提供了理论基础常采用复合名词材料科学与工程(MSE,MaterialScienceandEngineering),如何获得新材料,改进现有的材料(改性材料)使用要求促进了材料的发展针对飞机用轻型材料，研制成Al-Li合金针对发动机耐高温材料，研制成精密陶瓷许多