材料科学方法复习-2015

1、材料科学研究方法材料科学研究方法复习复习-2015题型1. 填空题2. 简答题3. 材料论述题现代文明的四大支柱,材料与其他三种支柱的关系材料能源信息生物3纤维素纤维素纤维素张俐娜张俐娜 6青铜：第一种合金 为什么是为什么是青铜器青铜器大行其道大行其道? ?7 就现有知识就现有知识, , 你你能举例说明能举例说明“中国发展中国发展史上某一材料的发明或史上某一材料的发明或技术改进极大地推动了技术改进极大地推动了生产力的进步生产力的进步”吗吗? ?8 材料的分类：三大材料10防弹衣-什么材料？导电高分子导电高分子 新材料新材料技术技术纳米材料、智能材料、超导材料、纳米材料、智能材料、超导材料、信息

2、功能材料、能源转换与储能材信息功能材料、能源转换与储能材料、生物医用与仿生材料等。料、生物医用与仿生材料等。材料研究开发趋势材料研究开发趋势 单一材料向多种材料扬长避短的复合化；单一材料向多种材料扬长避短的复合化； 结构材料和功能材料的整体化；结构材料和功能材料的整体化； 材料多功能的集成化，功能材料和器件一体化；材料多功能的集成化，功能材料和器件一体化； 材料制备加工的智能化、敏捷化、功能仿生化；材料制备加工的智能化、敏捷化、功能仿生化； 材料科技的微型化、纳米化；材料科技的微型化、纳米化； 材料设计的优选化；材料设计的优选化； 材料研究开发的环境意识化、生态化；材料研究开发的环境意识化、生

3、态化； 材料科学技术的多学科渗透综合化、大科学化。材料科学技术的多学科渗透综合化、大科学化。15材料科学与工程学科发展的特点材料科学与工程学科发展的特点16（1 1）各类材料逐步趋向统一）各类材料逐步趋向统一 材料本质差异是电子结构材料本质差异是电子结构 各类材料的严格区分逐渐在减小各类材料的严格区分逐渐在减小。 各类材料相互取代、补充，相互竞争各类材料相互取代、补充，相互竞争。 各类材料的一些原理相通，分析测试手段和各类材料的一些原理相通，分析测试手段和仪器设备相同。仪器设备相同。 （2 2）材料的发展和应用是系统工程）材料的发展和应用是系统工程 17性能性能制备制备/ /加工加工结构结构成

4、分成分材料科学与工程学科四面体举例说明举例说明（四个方面的相互关系）（四个方面的相互关系）性能性能制备制备/ /加工加工结构结构成分成分材料科学与工程学科四面体四个方面的关系四个方面的关系（3 3）科学与工程的全面融合）科学与工程的全面融合21（4 4）多学科和跨学科交叉研究和应用）多学科和跨学科交叉研究和应用 （5 5）新的思维、方法、发现和理论不断产生）新的思维、方法、发现和理论不断产生 （6 6）绿色材料科学技术是必然趋势）绿色材料科学技术是必然趋势 22试举出一例说明试举出一例说明绿色高分子材料科学技术。绿色高分子材料科学技术。界面倒空效应界面倒空效应 五、材料的动态效应五、材料的动态

5、效应 材料的失效大都是由量变到质变的动态过程。材料的失效大都是由量变到质变的动态过程。 29聚合物的老化是在环境因素（包括热、光、聚合物的老化是在环境因素（包括热、光、机械应力）、化学因素（氧、水、酸等）、机械应力）、化学因素（氧、水、酸等）、生物因素等作用下，产生极为复杂的物理化生物因素等作用下，产生极为复杂的物理化学变化而老化。学变化而老化。 七、七、 材料的纳米效应材料的纳米效应 纳米材料是纳米材料是0.10.1 100 nm100 nm超细微材料。纳米效应有超细微材料。纳米效应有 ：材料科学共性材料科学共性30小尺寸效应：材料宏观性质产生新的变化小尺寸效应：材料宏观性质产生新的变化。例

6、例子子特殊光学性质特殊光学性质 金属在纳米状态呈现为黑色；金属在纳米状态呈现为黑色； 特殊热学性质特殊热学性质 材料的熔点将显著降低；材料的熔点将显著降低；特殊磁学性质特殊磁学性质 鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂等鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂等生物体中存在超微磁性颗粒生物体中存在超微磁性颗粒生物磁罗盘生物磁罗盘 量子效应：电磁、光学、热学和超导等微观特量子效应：电磁、光学、热学和超导等微观特 性和宏观性质表现出显著不同的特点性和宏观性质表现出显著不同的特点例例子子 导电金属在超微颗粒时可以变成绝缘体。导电金属在超微颗粒时可以变成绝缘体。 对超微颗粒在低温条件下必须考虑量子效应，原对超微颗粒在低温条件下必须考

7、虑量子效应，原有宏观规律已不再成立。有宏观规律已不再成立。 量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件的基础。电子、光电子器件的基础。材料科学共性31表面效应：表面效应： 表面原子比例表面原子比例， 表面能及表面张表面能及表面张力力， 表面吸附性表面吸附性， 纳米粒子纳米粒子性质的变化。性质的变化。界面效应：界面效应： 很大比例的原子是处于缺陷环境中很大比例的原子是处于缺陷环境中力力学性能的变化。具有特殊而新奇的力学性质。学性能的变化。具有特殊而新奇的力学性质。 牙齿之所以具有很高的强度，是因为它牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由磷

8、酸钙等纳米材料构成的。是由磷酸钙等纳米材料构成的。32纳米材料技术的负作用？！纳米材料技术的负作用？！材料科学共性333.1. 3.1. 科学研究简介科学研究简介3.2.3.2. 材料科学研究基本方法材料科学研究基本方法 3.2.1. 3.2.1. 归纳与演绎法归纳与演绎法 3.2.2. 3.2.2. 分析与综合法分析与综合法 3.2.3. 3.2.3. 类比与移植法类比与移植法 3.2.4. 3.2.4. 数学与模型法数学与模型法 3.2.5. 3.2.5. 系统与优化法系统与优化法 3.2.6. 3.2.6. 原型启发与仿生法原型启发与仿生法3.3. 3.3. 材料研究创新思路材料研究创新

9、思路34第第3 3章章 材料研究基本方法材料研究基本方法高铁当中应用到了哪些高分子材料？高铁当中应用到了哪些高分子材料？仿生法仿生法 指原型启发法中的原型为自然指原型启发法中的原型为自然界的动植物或自然现象。界的动植物或自然现象。有哪些仿生材料？有哪些仿生材料？4.1 4.1 材料结构与性能的基本特性材料结构与性能的基本特性 一一 、 材料结构基本特性材料结构基本特性 如成分、微观组织、晶体结构、原子结构和相如成分、微观组织、晶体结构、原子结构和相组成等。组成等。结构：表示原子排列方式的结构结构：表示原子排列方式的结构 组织：尺度比较大，如显微组织、宏观组织组织：尺度比较大，如显微组织、宏观组

10、织37高分子的多尺度结构高分子的多尺度结构39 从现象的本质来看，同一材料的从现象的本质来看，同一材料的不同性能不同性能只是只是相同内部结构相同内部结构，在不同的外界条件下所表现出来，在不同的外界条件下所表现出来的不同行为。的不同行为。现象现象与本质与本质40二、材料结构的自组织现象二、材料结构的自组织现象 例：蜘蛛丝及其仿生例：蜘蛛丝及其仿生41蜘蛛丝多层次结构蜘蛛丝多层次结构 42例：蜘蛛丝及其仿生例：蜘蛛丝及其仿生5.1 5.1 材料与环境、资源的关系材料与环境、资源的关系 材料使用与环境评价方法44三大三大自然自然资源资源取之不尽资源，如取之不尽资源，如空气、太阳能空气、太阳能等等可再

11、生资源，如可再生资源，如生物体、水、土壤生物体、水、土壤等等非再生资源，如非再生资源，如矿物、化石燃料矿物、化石燃料等等低碳经济对我国制造业的冲击很大低碳经济对我国制造业的冲击很大欧洲轮胎标签法欧洲轮胎标签法 为让消费者对为让消费者对轮胎轮胎的优劣有更清晰认识，欧盟将的优劣有更清晰认识，欧盟将“油耗、安全油耗、安全和噪声和噪声”通过分级的方式标准化，并从通过分级的方式标准化，并从2012年年11月份开始，强制月份开始，强制要求所有在欧洲销售的要求所有在欧洲销售的轮胎轮胎必须张贴相关标识。必须张贴相关标识。 弹性好、滚动阻力小、耗油低、弹性好、滚动阻力小、耗油低、抗湿滑、耐磨、耐穿刺、乘坐舒抗湿

12、滑、耐磨、耐穿刺、乘坐舒适等优点。与传统轮胎比，凸现适等优点。与传统轮胎比，凸现了环保、节能方面的优势了环保、节能方面的优势 绿色轮胎绿色轮胎可降解塑料可降解塑料聚乳酸聚乳酸“玉米塑料玉米塑料”聚乳酸聚乳酸聚乳酸聚乳酸(PLA)是生物相容性和可生物降解性的合成高分子材料是生物相容性和可生物降解性的合成高分子材料。PLA是以玉米、小麦等植物中提取的淀粉为最初原料是以玉米、小麦等植物中提取的淀粉为最初原料,经过经过酶分解得到葡萄糖酶分解得到葡萄糖,再经过乳酸菌发酵后变成乳酸再经过乳酸菌发酵后变成乳酸,然后经过化然后经过化学合成得到高纯度聚乳酸。聚乳酸制品废弃后在土壤或水中学合成得到高纯度聚乳酸。聚

13、乳酸制品废弃后在土壤或水中, 30天内会在微生物、水、酸和碱的作用下彻底分解成天内会在微生物、水、酸和碱的作用下彻底分解成CO2和和H2O,随后在太阳光合作用下随后在太阳光合作用下,又成为淀粉的起始原料又成为淀粉的起始原料,不会对不会对环境产生污染环境产生污染,因而是一种完全自然循环型的可生物降解材料因而是一种完全自然循环型的可生物降解材料。 乳酸即乳酸即2-羟基丙酸羟基丙酸 合成：合成：在生物医学上的应用 药物控制释放体系药物控制释放体系 骨科固定和组织修复材料骨科固定和组织修复材料 外科缝合线外科缝合线 在纺织领域的应用 衣料等家用织物衣料等家用织物 农业，园艺用布农业，园艺用布 手术衣、

14、手术覆盖布、口罩手术衣、手术覆盖布、口罩在包装领域的应用 包装带、包装用膜包装带、包装用膜 农用薄膜、泡沫塑料农用薄膜、泡沫塑料 餐具餐具聚乳酸的应用聚乳酸的应用三、新能源材料三、新能源材料 新能源材料的研究开发重点：新能源材料的研究开发重点：（1 1）研究新材料、新结构）研究新材料、新结构（2 2）资源的合理利用）资源的合理利用（3 3）安全与环境保护）安全与环境保护（4 4）材料规模生产与加工工艺）材料规模生产与加工工艺（5 5）延长材料的使用寿命）延长材料的使用寿命 50新能源材料主要包括新能源材料主要包括u电池材料电池材料( (镍氢镍氢、锂离子锂离子、燃料燃料、太阳能太阳能) )u储氢

15、材料储氢材料u反应堆核能材料等反应堆核能材料等51 所有新能源的利用技术，关键是材料的突破。所有新能源的利用技术，关键是材料的突破。二次电池发展历程二次电池发展历程聚合物锂电池：顺应聚合物锂电池：顺应IT产业迅速发展，在二十世产业迅速发展，在二十世纪末发展起来的新型高能二次（可充电）电池。纪末发展起来的新型高能二次（可充电）电池。有重量轻、体积小、不漏液、不爆炸、无污染的特有重量轻、体积小、不漏液、不爆炸、无污染的特性，是高端便携式电子产品必选电源。性，是高端便携式电子产品必选电源。铅酸电池铅酸电池镍镉、镍氢电池镍镉、镍氢电池18991899年以前年以前19901990年年19961996年年

16、19981998年年 液态锂离子电池使用液体液态锂离子电池使用液体电解质，电解质， 聚合物锂离子电聚合物锂离子电池以固体聚合物电解质来池以固体聚合物电解质来代替，代替， 这种聚合物可以是这种聚合物可以是“干态干态”的，也可以是的，也可以是“胶态胶态”的，目前大部分采的，目前大部分采用聚合物凝胶电解质。用聚合物凝胶电解质。 Why Polymer Lithium battery？ 安全性能好安全性能好-铝塑软包装不爆炸，铝塑软包装不爆炸， 厚度小，能做得更薄厚度小，能做得更薄-可做到可做到1mm以下，以下， 重量轻重量轻-较同等容量的钢壳锂电轻较同等容量的钢壳锂电轻40%，较铝壳电池轻，较铝壳电

17、池轻20%! 容量大容量大-较同等尺寸规格的钢壳锂电池容量高较同等尺寸规格的钢壳锂电池容量高1015% 内阻小内阻小-可小于可小于10m，是高倍率放电电源理想选择，是高倍率放电电源理想选择， 形状可定制形状可定制-根据客户需求量身定做，充分利用空间，提根据客户需求量身定做，充分利用空间，提升容量。升容量。 放电特性佳放电特性佳 放电平稳，放电平台高，循环寿命更长。放电平稳，放电平台高，循环寿命更长。聚合物锂离子电池技术聚合物锂离子电池技术 聚合物锂离子电池的困境：聚合物锂离子电池的困境： 工序多而复杂；成本居高不下；量产一直工序多而复杂；成本居高不下；量产一直不理想；市场空间被严重挤压，缺乏再

18、生不理想；市场空间被严重挤压，缺乏再生能力。能力。聚合物太阳能电池聚合物太阳能电池可进行分子层次上的结构改进，原料来源广泛。可进行分子层次上的结构改进，原料来源广泛。有多种途径可改变和提高材料光谱吸收能力，扩展光谱有多种途径可改变和提高材料光谱吸收能力，扩展光谱吸收范围并提高载流子迁移能力。吸收范围并提高载流子迁移能力。加工性能好，可利用旋转涂膜和流延法大面积成膜。可加工性能好，可利用旋转涂膜和流延法大面积成膜。可进行拉伸取向，使极性分子规整排列。采用进行拉伸取向，使极性分子规整排列。采用LB成膜技术成膜技术可在分子水平控制膜的厚度。可在分子水平控制膜的厚度。可进行物理改性，如采用掺杂、高能离

19、子注入或辐照处可进行物理改性，如采用掺杂、高能离子注入或辐照处理，可提高载流子传输能力，减少电阻损耗，提高短路理，可提高载流子传输能力，减少电阻损耗，提高短路电流。电流。电池制作多样化，同一种类聚合物导电材料因为掺杂状电池制作多样化，同一种类聚合物导电材料因为掺杂状态的不同，可以表现为不同的半导体类型。态的不同，可以表现为不同的半导体类型。原料价格便宜，合成工艺比较简单，成本较低，可以大原料价格便宜，合成工艺比较简单，成本较低，可以大批量工业化生产。批量工业化生产。二、材料环境协调性设计二、材料环境协调性设计 1 1、生态环境材料设计的原则、生态环境材料设计的原则 材料使用与环境评价方法材料使

20、用与环境评价方法57尽量减少新材料的使用数量尽量减少新材料的使用数量尽量增加再生产循环材料使用数量尽量增加再生产循环材料使用数量满足使用性能要求满足使用性能要求在产品和材料的设计中引入环境负荷的指标在产品和材料的设计中引入环境负荷的指标 环境协调性设计（环境协调性设计（EcodesignEcodesign）是在产品设计时）是在产品设计时要充分兼顾其性能、质量、成本和环境协调性。要充分兼顾其性能、质量、成本和环境协调性。 生态环境材料设计生态环境材料设计名称名称 绿色设计绿色设计（Green Design） 生态设计生态设计 (Ecological Design) 环境设计环境设计（Design

21、 for Environment） 环境意识设计环境意识设计（Environment Conscious Design）定义定义在产品整个生命周期内，着重考虑产品在产品整个生命周期内，着重考虑产品环境属性环境属性（可拆卸性，可回收性、可维护性、可重复利用（可拆卸性，可回收性、可维护性、可重复利用性等）性等）, ,并将其作为设计目标，在满足环境目标要并将其作为设计目标，在满足环境目标要求的同时，保证产品应有的功能、使用寿命、质求的同时，保证产品应有的功能、使用寿命、质量等要求。量等要求。原则原则 “3R”的原则的原则: Reduce, Reuse, Recycle 减少环境污染、减小能源消耗，产

22、品和零部件的减少环境污染、减小能源消耗，产品和零部件的回收再生循环或者重新利用。回收再生循环或者重新利用。 材料使用与环境评价方法58目前材料设计的特点目前材料设计的特点（1 1）经验设计和科学设计并存与兼容）经验设计和科学设计并存与兼容（2 2）材料设计将逐渐）材料设计将逐渐综合化综合化（3 3）材料设计将逐步计算机化）材料设计将逐步计算机化 59材料（计算）设计与方法材料（计算）设计与方法材材料料设设计计微观设计层次微观设计层次介观设计层次介观设计层次宏观设计层次宏观设计层次空间尺度约空间尺度约1nm1nm数量级，是电子、数量级，是电子、原子、分子层次的设计。原子、分子层次的设计。典型尺度

23、约典型尺度约1m1m数量级，材料被数量级，材料被看作是连续介质，是组织结构层看作是连续介质，是组织结构层次的设计。次的设计。对应宏观材料，涉及大块材料的对应宏观材料，涉及大块材料的成分、组织、性能和应用的设计，成分、组织、性能和应用的设计，是工程应用层次的设计。是工程应用层次的设计。60材料（计算）设计与方法材料（计算）设计与方法各层次各层次研究关键研究关键根据基础理论和数据根据基础理论和数据能否发展出符合实际的能否发展出符合实际的解析与数理模型解析与数理模型解决不同层次间计算解决不同层次间计算方法的选择与整合方法的选择与整合61材料（计算）设计与方法材料（计算）设计与方法6.4 6.4 数学

24、方法的应用数学方法的应用 一、有限元法一、有限元法 基本思想基本思想 将结构物质看成是由有限个划分的单元组成的整体，将结构物质看成是由有限个划分的单元组成的整体，以单元结点的位移或结点力作为基本未知量求解。以单元结点的位移或结点力作为基本未知量求解。应用范围应用范围u 特别适用于内应力、热应力及残余应力等分析。特别适用于内应力、热应力及残余应力等分析。研究梯度功能材料（研究梯度功能材料（FGMFGM）中的热应力。）中的热应力。u 在材料加工过程中得到了广泛应用。当网格高度在材料加工过程中得到了广泛应用。当网格高度畸变时，有限元方法有着一定的局限性。畸变时，有限元方法有着一定的局限性。62材料（

25、计算）设计与方法材料（计算）设计与方法632022-2-2764 Monte CarloMonte Carlo模拟模拟 分子动力学模拟分子动力学模拟 有限元模拟有限元模拟 自洽场模拟自洽场模拟主要的模拟方法主要的模拟方法2022-2-27 652022-2-2766 分子动力学模拟分子动力学模拟2022-2-27672022-2-2768Monte CarloMonte Carlo：效率更高；：效率更高；分子动力学：更能反映实际体系。分子动力学：更能反映实际体系。第第8章章 材料失效分析方法材料失效分析方法 机机械械失失效效形形式式1 1、完全丧失功能，如内燃机曲轴断、完全丧失功能，如内燃机曲

26、轴断裂；裂；2 2、因功能衰退，不再具有原设计规定的功能，、因功能衰退，不再具有原设计规定的功能， 如柴油机因汽缸严重磨损，油耗增加、功率如柴油机因汽缸严重磨损，油耗增加、功率 下降，已达不到设计的要求；下降，已达不到设计的要求；3 3、严重的损伤，使其在继续使用中失去可靠、严重的损伤，使其在继续使用中失去可靠 性及安全性，应及时进行修理或调换，如紧性及安全性，应及时进行修理或调换，如紧 固螺栓出现严重变形，则需立即更换裂；固螺栓出现严重变形，则需立即更换裂； 失效分析是多学科综合的新学科失效分析是多学科综合的新学科机械失效学机械失效学8.1 材料失效分析基本概念材料失效分析基本概念 一、失效

27、分析的意义一、失效分析的意义 失效分析可减少和预防产品同类失效重复发生失效分析可减少和预防产品同类失效重复发生 失效分析是产品全面质量管理中的重要组成部分和失效分析是产品全面质量管理中的重要组成部分和关键的技术环节关键的技术环节失效分析可为仲裁失效事故的责任、侦破犯罪案件、修改和制订产品质失效分析可为仲裁失效事故的责任、侦破犯罪案件、修改和制订产品质量标准等方面提供可靠科学依据量标准等方面提供可靠科学依据 失效分析是技术开发、技术改造、技术进步失效分析是技术开发、技术改造、技术进步和技术创新的和技术创新的“促进剂促进剂” 二、机械失效形式和产生的原因机械失效形式和产生的原因断裂失效断裂失效 主

28、要有韧性断裂、脆性断裂、疲劳断裂等类型。主要有韧性断裂、脆性断裂、疲劳断裂等类型。脆性断裂脆性断裂疲劳断裂疲劳断裂 无明显塑性变形，突发性断裂，常造成灾难性的无明显塑性变形，突发性断裂，常造成灾难性的失效事故。失效事故。 在交变载荷作用下，经历一定循环周次产生突然在交变载荷作用下，经历一定循环周次产生突然断裂，称疲劳断裂。工程中最常见断裂，称疲劳断裂。工程中最常见, ,约占断裂失效约占断裂失效8090%韧性断裂韧性断裂 断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂。如螺栓被断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂。如螺栓被拉长出现缩颈的断裂。拉长出现缩颈的断裂。表面损伤表面损伤 主要由腐蚀和磨损引起的慢性失效。腐

29、蚀主要由腐蚀和磨损引起的慢性失效。腐蚀可分连续腐蚀和局部腐蚀。磨损也有各种磨可分连续腐蚀和局部腐蚀。磨损也有各种磨损类型。损类型。材料变形材料变形 在载荷作用下，其在载荷作用下，其尺寸或形状变化超过尺寸或形状变化超过允许范围允许范围，使机械不能正常运行。过量弹，使机械不能正常运行。过量弹性变形是由于刚度不足等因素造成，如机性变形是由于刚度不足等因素造成，如机床主轴刚度不足，将影响加工精度。过量床主轴刚度不足，将影响加工精度。过量塑性变形是由于外应力超过材料屈服强度塑性变形是由于外应力超过材料屈服强度而造成的。而造成的。三、材料的失效形式三、材料的失效形式1 1、材料的累积损伤、材料的累积损伤

30、累积损伤累积损伤定义定义材料累积损伤，直接反映了在不同的外界条件下，材料累积损伤，直接反映了在不同的外界条件下，通过材料的成分、结构、组织的变化，一般由微观通过材料的成分、结构、组织的变化，一般由微观损伤累积成宏观损伤，达到材料所允许的损伤临界损伤累积成宏观损伤，达到材料所允许的损伤临界值时，便告失效值时，便告失效累积损伤累积损伤失效判据失效判据损伤临界值：如临界裂纹的长度、临界腐蚀深度、损伤临界值：如临界裂纹的长度、临界腐蚀深度、最大允许磨损量等最大允许磨损量等累积损伤累积损伤特征特征材料组织或结构发生变化，如交变应力下位错运动材料组织或结构发生变化，如交变应力下位错运动滑移滑移驻留滑移带驻留滑移带疲劳微裂纹疲劳微裂纹裂纹扩展裂纹扩展疲疲劳断裂劳断裂9.2 9.2 材料的循环材料的循环 1. 1. 生态材料生态材料 定定义义 生态材料生态材料 （EcomaterialsEcomaterials）是主动开发的与生）是主动开发的与生态环境相协调的材料。态环境相协调的材料。 目前主要是生物质材料目前主要是生物质材料 （Biomass MaterialsBiomass