1、高分子材料概論,Engineering,Science,緒 論,材料的定義與分類,材料的地位和作用,材料科學(xué)與工程的形成和發(fā)展,材料的定義,材料是人類用于制造機(jī)器、構(gòu)件和產(chǎn)品的 物質(zhì)，是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。,新材料的定義,新材料，主要是指那些正在發(fā)展，且具有優(yōu),異 性能和應(yīng)用前景的一類材料。為了規(guī)范新材料的 含義，一般把具備以下三個條件之一的材料稱為新 材料。,新出現(xiàn)或正在發(fā)展中的具有傳統(tǒng)材料所不具備,的優(yōu)良性能的材料。,如：,新材料的定義 高技術(shù)發(fā)展需要，具有特殊性能的材料。,形狀記憶合金 飛船網(wǎng)狀自展天線,衛(wèi)星的太陽能電池板 自動打開,新材料的定義 由于采用新技術(shù)（工藝、裝備）明

2、顯提高了性能， 或者出現(xiàn)了新的功能的材料。 如：超級鋼、納米材料等。,碳納米管，抗拉強(qiáng)度為鋼40倍,材料的分類,分類一：按組成與結(jié)構(gòu)劃分,無機(jī)非金屬材料,金屬材料,高分子材料,復(fù)合材料,材料,材料,航空航天材料 能源材料 生物醫(yī)用材料,材料的分類 分類二：按用途分 電子信息材料,材料的分類,材料,結(jié)構(gòu)材料,功能材料,分類三：按性能分,隱 身 戰(zhàn) 斗 機(jī),材料的分類,分類三：按性能分,功能材料,熱散射 雷達(dá)能量散射,吸收 隱形戰(zhàn)機(jī),雷達(dá)發(fā)射能量 雷達(dá) 隱形飛機(jī)的原理 吸波材料,功能材料,材料的分類 分類三：按性能分,LED,集成電路 芯片 單晶硅 形狀記憶材料,材料,傳統(tǒng)材料 新材料,材料的分類

3、 分類四：按應(yīng)用與發(fā)展分 普,通 鋼 管,納 米 銅,超 導(dǎo) 電 纜,能 源,材 料,信 息,新技術(shù)革命,新材料,信息技術(shù) 生物技術(shù),材料的地位和作用 當(dāng)代文明,材料是人類社會發(fā)展的基礎(chǔ)和先導(dǎo)，是人 類社會進(jìn)步的里程碑和劃時代的標(biāo)志。,材料是人類社會進(jìn)步的里程碑,材料是經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的基礎(chǔ)和先導(dǎo),新材料技術(shù)是工業(yè)革命和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先導(dǎo) 新材料技術(shù)是社會現(xiàn)代化的先導(dǎo),新材料技術(shù)是一切工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵共性基礎(chǔ),材料在人類社會發(fā)展進(jìn)程中的地位和作用,材料是人類社會進(jìn)步的里程碑 人類使用不同材料的開始時間,100 萬年前 公元前 5000 年 公元前 1200 年 公元 0 年 公元 1800 年 公元

4、1950 年 20 世紀(jì)初 21 世紀(jì),石器 陶器 青銅 鐵器 水泥 鋼 硅 高分子材料 先進(jìn)復(fù)合材料,材料是人類社會進(jìn)步的里程碑,10000,2020,工程材料歷史隨時間推移的相對重要性示意圖（時間是非線形的）,材料是人類社會進(jìn)步的里程碑,人類利用材料的歷史，就 是一部人類進(jìn)化和進(jìn)步的 歷史。,縱觀人類利用材料的歷史，可以 清楚地看到，每一種重要新材料的發(fā) 現(xiàn)和應(yīng)用，都把人類支配自然的能力 提高到一個新的水平。材料科學(xué)技術(shù) 的每一次重大突破都會引起生產(chǎn)技術(shù) 的重大變革，甚至引起一次世界性的 技術(shù)革命，大大地加速社會發(fā)展的進(jìn) 程，給社會生產(chǎn)力和人類生活帶來巨,大變革，把人類物質(zhì)文明推向前進(jìn)。,

5、材料是人類社會進(jìn)步的里程碑,1763 發(fā) 電 機(jī),蒸 氣 機(jī) 1820,1946，美國 計算機(jī),新材料是經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的基礎(chǔ)和先導(dǎo),新材料技術(shù)是工業(yè)革命和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先導(dǎo),新材料技術(shù)是社會現(xiàn)代化的先導(dǎo),新材料技術(shù)是一切工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵共性基礎(chǔ),兩次工業(yè)革命都是以新材料的發(fā)明和廣泛應(yīng)用為先導(dǎo),第一次工業(yè)革命（18世紀(jì)）：制鋼工業(yè)的發(fā)展為蒸,汽機(jī)的發(fā)明和應(yīng)用奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。,第二次工業(yè)革命（20世紀(jì)中葉以來）：單晶硅材料,對電子技術(shù)的發(fā)明和應(yīng)用起了核心作用。,新材料技術(shù)是工業(yè)革命和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先導(dǎo),0,2,8 6 4,新材料技術(shù)是工業(yè)革命和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先導(dǎo) 10,1600,1700,1800,1900,2

6、000,年份 材料強(qiáng)度密度比在不同年代里的進(jìn)展(由圖中可以看 出,現(xiàn)代先進(jìn)材料的強(qiáng)度已比原始材料提高了約50倍),鋁,木材 石料 青銅,鑄鐵,鋼,芳香族酰胺纖維 碳纖維 復(fù)合材料,強(qiáng)度/密度（ln10 6),發(fā)動機(jī)工作溫度（）,1200 1000 800 600 400 200 0,新材料技術(shù)是工業(yè)革命和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先導(dǎo) 1400,1900,1920,1940,1960,1980,2000,年份 在本世紀(jì)內(nèi)由于采用了現(xiàn)代材料使發(fā)動機(jī)工作溫度急劇上升， 因而發(fā)動機(jī)的理論效率大大提高。,現(xiàn)代渦輪噴氣發(fā)動機(jī) 蒸汽機(jī) 30年代氣冷式航空發(fā)動機(jī),燃料消耗公斤/馬力小時,新材料技術(shù)是工業(yè)革命和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先導(dǎo)

7、 燃油消耗與工作溫度的關(guān)系,0.4 0.3,0,2,4,6,8,10,12,14,16,18,壓縮比,816 1093 1371,1649 0.2 0.1 0,座mile/Usgal,年份 航空材料的發(fā)展與飛機(jī)的燃放,1965,1955,1970,1960,1990,1975 1980,1995 2000,1985,20 1950,新材料技術(shù)是工業(yè)革命和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先導(dǎo) 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30,1093,1649,538,19270C,新材料技術(shù)是工業(yè)革命和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先導(dǎo) 一次大戰(zhàn)水冷式 1490C 30年代空冷式 3150C 風(fēng)扇噴氣發(fā)動機(jī) 6490C

8、 蝸輪噴氣發(fā)動機(jī) 10930C 超音速燃燒沖壓,式噴氣發(fā)動機(jī),溫度（0C） 發(fā)動機(jī)工作溫度,工作溫度/,新材料技術(shù)是工業(yè)革命和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先導(dǎo),陶瓷,碳/碳復(fù)合材料,陶瓷基 復(fù)合材料,金屬基,金屬間化 合物及其 復(fù)合材料,2204,1649,1093 537,復(fù)合材料 傳統(tǒng)材料,（鈦合金和高溫合金） 100 比強(qiáng)度/MPa(gcm-3)-1 不同材料的比強(qiáng)度和工作溫度的比較,14,12,比強(qiáng)度,8,10,6,4,0,2,0,1,2,3,4,鋁,不銹鋼,先進(jìn)碳碳材料 高溫合金,新材料技術(shù)是工業(yè)革命和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先導(dǎo) 樹脂基復(fù)合材料 鈦基復(fù)合材料 鋁基復(fù)合材料 鈦,馬赫數(shù) 不同材料的比強(qiáng)度與之對應(yīng)的馬

9、赫數(shù),使用溫度/,新材料技術(shù)是工業(yè)革命和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先導(dǎo),高溫MMC 纖維增韌 聚合物 （高溫）,C/C CMC,金屬/超耐熱 合金 低溫MMC 纖維增韌,1227 727 227,1727,聚合物 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 年代,在先進(jìn)發(fā)動機(jī)上各 類高溫復(fù)合材料的,應(yīng)用年代預(yù)測,應(yīng)用材料 鎳基合金 鎳基合金 鎳基合金 鎳基合金 鎳基合金 鎳基合金 Ti-MMC NiAl-IMMC NiAl-IMMC,CMC CMC CMC Ti-MMC,CMC,發(fā)動機(jī)部件 風(fēng)扇 高壓壓氣機(jī) 燃燒室 低壓渦輪 高壓渦輪 噴管 風(fēng)扇 高壓壓氣機(jī) 燃燒室 低壓渦輪 高壓渦

10、輪 噴管,年代 1989水平 2010年水平 （高溫）,新材料技術(shù)是工業(yè)革命和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先導(dǎo) 民航飛機(jī)發(fā)動機(jī)用先進(jìn)材料的發(fā)展,材料的表面溫度(),1950 1960,1970,1980 1990 2000 2010,2020,1300 1100 900,纖維增強(qiáng)超級合金,新材料技術(shù)是工業(yè)革命和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先導(dǎo) 1700 1500,在發(fā)動機(jī)上應(yīng)用的年份 葉片材料的發(fā)展歷程,溫度（0C） 不同類型的飛行器蒙皮溫度,新材料技術(shù)是工業(yè)革命和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先導(dǎo),30年代教練機(jī) 二次大戰(zhàn)戰(zhàn)斗機(jī) 80年代截?fù)魴C(jī) 航天飛機(jī) 東方快車號,1093,1649,538,490C 93.30C 4270C,10930C,1

11、6490C,飛行速度,100,101,102,103,104,105,減輕結(jié)構(gòu)所得經(jīng)濟(jì)效益（相對值） 飛行器減重1Kg所獲得的經(jīng)濟(jì)效益與飛行速度的關(guān)系,新材料技術(shù)是工業(yè)革命和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先導(dǎo) 航天飛機(jī) 同步軌道衛(wèi)星 近地對道衛(wèi)星 超音速飛機(jī) 垂直起降機(jī) 戰(zhàn)斗機(jī) 波音707 民航 客機(jī) 運輸機(jī) 直升機(jī) 小型民用飛機(jī),2197,飛船返回艙艙體溫度情況,1100,1100,12001800,1001200,410950,400,新材料技術(shù)是工業(yè)革命和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先導(dǎo),金屬,玻璃纖維,Kavlar,C/C復(fù)合材料,導(dǎo)彈射程,新材料技術(shù)是工業(yè)革命和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先導(dǎo) 火箭殼體材料與導(dǎo)彈射程 +595 +390

12、+175 Km,我國長征火箭由鋁合金（744Kg）換成復(fù)合材料343Kg， 射程增加1476km。,lg切削速度（m/min.）,1750,1800,1850,1900,1950,2000,年份,新材料技術(shù)是工業(yè)革命和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先導(dǎo) 各種切削刀具材料的切削速度的發(fā)展趨勢 3 2.8 2.6 2.4 2.2 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1,產(chǎn)生磁場/T,液氫,料制,體燃,發(fā)動機(jī),列車,磁分離 裝置,小型,中容量永磁飛輪,發(fā)動 機(jī),電流 引線 懸浮 軸承,研究用 馬達(dá) 磁體 品 液 小容量永磁飛輪 磁屏蔽,1996,2000,2005,0,5,4,3 2 制品 1 搬運 裝置,高溫超導(dǎo)塊材

13、的應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大與其產(chǎn)生磁場的關(guān)系,新材料技術(shù)是工業(yè)革命和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先導(dǎo) 6 懸浮,新材料技術(shù)是社會現(xiàn)代化的先導(dǎo),21世紀(jì)重點發(fā)展的高技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)展,與趨勢,21世紀(jì)重點發(fā)展的高技術(shù)領(lǐng)域的材料,選擇,新材料技術(shù)是高技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ),探,質(zhì),索,探索,宇宙,本,物,命,生,術(shù),技,學(xué),科,料,材,新,質(zhì),結(jié),索,學(xué),技,術(shù),探,構(gòu),生,物,科,科,學(xué),技,術(shù),空,間,空間,海,洋,科,技,學(xué),探,索,海,洋,奧,秘,術(shù),高 技 術(shù) 體 系 示 意 圖,21世紀(jì)重點發(fā)展的高技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)展與趨勢 實現(xiàn)人類可持續(xù)發(fā)展,新能源與再生能源 信息科學(xué)技術(shù) 人 探索智力 環(huán)境科學(xué)技術(shù) 探求人類與環(huán)境和諧共存方式

14、,21世紀(jì)重點發(fā)展的高技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)展與趨勢 信息科學(xué)技術(shù)正在發(fā)生結(jié)構(gòu)性變革，仍然是經(jīng)濟(jì) 持續(xù)增長的主導(dǎo)力量 通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為信息產(chǎn)業(yè)注入強(qiáng)大活力 寬帶通信已成為國際上應(yīng)用最廣的通信技術(shù) 半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)入納米時代 計算機(jī)智能技術(shù)日新月異,通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù),納米半導(dǎo)體,寬帶通信技術(shù),21世紀(jì)重點發(fā)展的高技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)展與趨勢 生物技術(shù)正經(jīng)歷著一場前所未有的技術(shù)革命，一個 龐大的生物產(chǎn)業(yè)正在孕育和形成 基因組學(xué)、蛋白質(zhì)科學(xué)、干細(xì)胞及再生醫(yī)學(xué)的研究成為生命 科學(xué)的前沿與熱點 干細(xì)胞及再生醫(yī)學(xué)的研究及應(yīng)用為人類健康開辟了新道路 生物芯片在醫(yī)療和科研領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用 轉(zhuǎn)基因技術(shù)及應(yīng)用呈現(xiàn)出高速發(fā)展的態(tài)勢,干細(xì)胞,生

15、物芯片,轉(zhuǎn)基因食品,21世紀(jì)重點發(fā)展的高技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)展與趨勢 航天技術(shù)快速發(fā)展，不斷開辟人類探索的新空間 太空探索帶動太空探索技術(shù)加速發(fā)展 研制多種用途的人貨分離的新一代航天飛行器成未來趨勢 小衛(wèi)星技術(shù)日趨成熟并將廣泛應(yīng)用 太空攻防技術(shù)成為未來航天技術(shù)發(fā)展的重要領(lǐng)域,楊利偉在太空,空中行走,小衛(wèi)星,21世紀(jì)重點發(fā)展的高技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)展與趨勢 能源技術(shù)將變革未來社會的動力基礎(chǔ)，促進(jìn)人類實 現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展 煤炭的高效清潔利用成為化石能源技術(shù)研發(fā)熱點 核能技術(shù)醞釀新的突破 氫能技術(shù)研發(fā)和商業(yè)應(yīng)用加速 新能源和可再生能源技術(shù)展現(xiàn)良好前景 天然氣水合物的開發(fā)受到重視用能技術(shù)發(fā)展前景廣闊,核電站,可燃冰,燃料

16、電池車,21世紀(jì)重點發(fā)展的高技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)展與趨勢 先進(jìn)制造技術(shù)向綠色制造、高技術(shù)化、信息化、極 端制造方向發(fā)展，成為提升產(chǎn)業(yè)競爭力的關(guān)鍵技術(shù) 光機(jī)電一體化技術(shù) 微電子光刻技術(shù) 重大裝備制造技術(shù),數(shù)控機(jī)床,光刻機(jī),新材料技術(shù)出現(xiàn)群體性突破，將對21世紀(jì)基礎(chǔ)科學(xué),和幾乎所有工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)生革命性影響,納米技術(shù)是前沿技術(shù)中最具前瞻性和帶動性的領(lǐng)域之一 光電子材料、光子材料將成為發(fā)展最快和最有前途的電子信 息材料。,新型功能材料（超導(dǎo)材料、智能材料、生物醫(yī)用材料）及其 應(yīng)用技術(shù)面臨新的突破,新型結(jié)構(gòu)材料（高溫合金、難熔金屬、金屬間化合物、金屬 基復(fù)合材料、高分子材料、鈦合金、鎂合金）發(fā)展前景樂觀,21世紀(jì)

17、重點發(fā)展的高技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)展與趨勢,信息科學(xué)技術(shù) 新能源科學(xué)技術(shù) 生物科學(xué)技術(shù) 空間科學(xué)技術(shù) 生態(tài)環(huán)境科學(xué)技術(shù),信息材料 新能源材料 生物醫(yī)用材料 空間技術(shù)用材料 生態(tài)環(huán)境材料,用高技術(shù)改造、更新現(xiàn)有材料，發(fā)展材料科學(xué)技術(shù),21世紀(jì)重點發(fā)展的高技術(shù)領(lǐng)域的材料選擇,M,108,106,105,小,新材料技術(shù)是高技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ),107 104 103 102 101 1,(b) 1960 1970 1980,MOS存儲器 雙極存儲器 (a) MOS邏輯器 雙極邏輯,二 維 SSI MSI LSI VLSI 年份,三 維,界 面 最 103 102 特 征 101 長 度 1 （ ） 1990,每 個

18、 芯 片 上 的 元 件 數(shù),2007年每片集成電路芯片上元件的數(shù)量已達(dá) 109個，而 最小特征尺寸已減小到0.07um以下。,信 息 科 學(xué) 技 術(shù) 信 息 材 料,(mm),相,極大(10-7),2,對,0.2,(美分),8,值,線寬（，M),0.35,新材料技術(shù)是高技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ),晶,片,直,徑,電子管 1948 1958 半導(dǎo)體器件 102 晶體管 集成電路 大規(guī)模(103-105) 100 超大規(guī)模(106-107) 10-2 芯片價格 10-4 0.005 器件尺寸 1.2 10-6 0.5 10-8 10-10 1940 1950 1960 1970 1980 1990 年 代,

19、300 250 200 150 100 50 2000,信 息 科 學(xué) 技 術(shù) 信 息 材 料,目前集成電路的特征尺寸達(dá)0.07um以下，晶片直徑達(dá) 到450mm。,102 1,106 104,108,同軸電纜 一對12路電話線 第一條電話,同軸電纜與微波系統(tǒng),通訊衛(wèi)星,光導(dǎo)纖維,1890 1910 1930 1950 1970 1990 2010 2030 2050 年份 不同通訊方式的相對信息量,相 對,信 息 量,新材料技術(shù)是高技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ),信 息,科 學(xué) 技 術(shù),信 息 材 料,新材料技術(shù)是高技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ) 信,息 科 學(xué),技,術(shù),信 息 材 料,硅技術(shù),納米器件,分子器件,1940

20、,1960,1980,2000,2020,年代,宏觀 mm,微觀 um,納米 nm,納米發(fā)動機(jī)組裝 納米汽車,光導(dǎo)纖維發(fā)展歷程,年代 第一代,波長 （） 0.85,模數(shù) 多模,光纖損耗 中繼距離 （db/km） （km） 2-5 8-10,應(yīng)用年代 1978,材料 SiO2,第二代,1.3,多模,1,10-20,1982,第三代 第四代 第五代,1.3 1.55 1.55 2.5,單模 單模 單模 單模,0.4 20-40 0.2 80 0.01-0.001 可達(dá) 400 310-4 2500,1983 正在應(yīng)用 21 世紀(jì),SiO2+Ga,P 多組分玻璃 多組分玻璃+Er 氟化玻璃,新材料技

21、術(shù)是高技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ),信,息 科 學(xué) 技,術(shù),信 息 材 料,新材料技術(shù)是高技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ),信息科學(xué)技術(shù)信息材料,硅片表面顆粒度指標(biāo),用于傳感器的無機(jī)非金屬敏感材料,探測性能 氧含量 濕度 酸度 壓力 溫度 電壓 PTC 熱敏電阻 化學(xué) 光學(xué),原理 體離子導(dǎo)電 表面離子導(dǎo)電 表面化學(xué)反應(yīng) 壓電 熱電 晶界面隧道 晶界面相變 表面電子導(dǎo)電 光電阻,材料 Zr1-CaO2- MgCr2O4TiO2 IrO2- PbZr1-TiO3 PbZr1-TiO3 ZnOBi2O3 Ba1-CeTiO3 ZnOCuO CdS,信 息 科 學(xué) 技 術(shù) 信 息 材 料,新型二次電池,252 244 321 240

22、 791 697,120 181 189 160 345 377,2.1 1.35 1.70 1.5 2.1 4.1,PbO2 NiOOH NiOOH NiOOH S LiCoO2,Pb Cd Zn MH Na LiC6,鉛酸電池 鎳鎘電池 鋅鎳電池 鎳氫電池 硫鈉電池 鋰電池,比能量/AhKg-1,比容量/AhKg-1,電壓/V,電性能（理論值）,正極,物質(zhì),電池系列 負(fù)極,物質(zhì),新能源科學(xué)技術(shù)-新能源材料 典型的二次電池體系,鋰電池的應(yīng)用,固體氧化物,堿性,磷酸,熔融碳酸鹽,質(zhì)子交換膜,新能源科學(xué)技術(shù)-新能源材料,燃料電池,生物醫(yī)用 材料,生物陶瓷 氧化鋁、氧化鋯、 磷酸鈣、碳素 ,醫(yī)用高

23、分子 醫(yī)用聚乙烯、 聚氨酯、聚硅氧烷 ,生物衍生材料 豬心瓣膜、再生膠原、 殼聚糖、凝膠 ,醫(yī)用復(fù)合材料 羥基磷石灰增強(qiáng)聚乙烯 碳纖維增強(qiáng)聚乳酸 ,生物科學(xué)技術(shù)-生物醫(yī)用材料 醫(yī)用金屬及合金 醫(yī)用不銹鋼 醫(yī)用鈷基合金 醫(yī)用鈦及鈦合金,新材料技術(shù)是高技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ),生物科學(xué)技術(shù)-生物醫(yī)用材料,新材料技術(shù)是高技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ),空間科學(xué)技術(shù) -空間技術(shù)用材料,比常規(guī)鋁合金減輕結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量 比常規(guī)鋁合金減輕結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量 使液氫和液氧貯箱比 比常規(guī)鋁合金減輕結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量 抗拉強(qiáng)度比電鑄鎳提高 滿足泵殼體及渦輪殼體成形要求 分別與Incoloy903和Mar-M246相當(dāng) 滿足液氫泵誘導(dǎo)輪成形要求 減輕發(fā)動

24、機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)質(zhì)量 比鎳基高溫合金渦輪盤減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量 性能分別與BHC-25、BHC-16相當(dāng) 性能分別與BHJI-1、BHJI-6相當(dāng),1）高強(qiáng)輕質(zhì)鋁合金 2）高性能碳-環(huán)氧復(fù)合材料 1）高強(qiáng)可焊Al-Li合金 2）高性能碳-環(huán)氧復(fù)合材料 1）電鑄鎳錳合金材料 2）GH4169合金材料 3）新型高溫合金材料 4）低溫（-253）鈦合金 5）高強(qiáng)鈦合金薄壁管材 6）Ti3Al及其復(fù)合材料 1）新型不銹鋼材料 2）新型鑄造不銹鋼材料,箭體結(jié)構(gòu) 推進(jìn)劑貯箱 液氫-液氧 火箭發(fā)動機(jī) 液氧-煤油 火箭發(fā)動機(jī),技術(shù)要求,材,料,應(yīng)用部位,空間科學(xué)技術(shù) -空間技術(shù)用材料 新一代運載火箭對新材料的要求,1997

25、,1978,1972 1976,1977,1998,1993,F-22,F-16 F/A-18A/B,蘇-27CK F-15,新殲,殲8,第四代,第三代,第二代,代 機(jī)型,首飛,材料類別,15 41 5 39,49 12 15 24,64 3 3 30,37.3 25.8 5.5 31.4,60 15 10 15,85 2 10 3,55 2 24 19,鋁合金 鈦合金 鋼 其他,空間科學(xué)技術(shù) -空間技術(shù)用材料 為滿足戰(zhàn)斗機(jī)的使用要求，鈦合金取代鋁合金，成 為機(jī)體結(jié)構(gòu)材料的主體。 戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)材料用材用量分布,碳纖維復(fù)合材料 高模碳纖維、鋁蜂窩夾心 高模碳纖維 鋁蜂窩 5A06（LF06）鋁

26、鎂合金 2A12T4高強(qiáng)鋁合金 ZM5鎂合金 TC4 TB2,天線反射器 太陽能電池陣結(jié)構(gòu) 承力筒 蜂窩夾層板結(jié)構(gòu) 返回艙 儀器艙 相機(jī)支架 氣球、球底、支架 表面張力箱,材,料,結(jié),構(gòu),空間科學(xué)技術(shù) -空間技術(shù)用材料 我國通訊衛(wèi)星采用的主要結(jié)構(gòu)材料,1990,2000,2050,1,趨勢 增長00億,62億 全球氣溫變暖 (氣溫上升1C，海平面上升20cm) 廢棄物問題,( 氣溫上升3C， 海平面上升60cm) 石油與天然氣枯竭,世,界,人口 礦物資源枯竭 食物短缺,2100 年份,人類面臨的資源和環(huán)境問題,新材料技術(shù)是高技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ) 生態(tài)環(huán)境材料科學(xué)技術(shù) 全球氣溫顯著變暖,礦產(chǎn)品年產(chǎn)量

27、2.24 657.41 109.99 195.7 5.09 4.55 11.02 9.93 176.91 1588.21,單位 億噸 萬噸 萬噸 萬噸 萬噸 萬噸 萬噸 萬噸 噸 噸,不變消耗速度計可采年限 204 348 32 47 145 115 32 24 23 73,保有儲量 457.07 22.91 3512.3 9278.1 740.54 525.32 355.49 234.28 3992.6 115819,礦產(chǎn) 鐵礦 鋁土礦 鉛礦 鋅礦 鎳礦 鎢礦 錫礦 銻礦 金礦 銀礦,新材料技術(shù)是高技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ) 生態(tài)環(huán)境材料科學(xué)技術(shù) 我國主要礦產(chǎn)的開采年限（2000統(tǒng)計）,能源、健康,工業(yè)

28、原料,工程材料,產(chǎn)品設(shè)計 制造裝配,再生循環(huán),分類/再制造,制備 原材料,礦產(chǎn),制備,開采,農(nóng)業(yè)、建筑、環(huán)境 國防、信息、交通 廢料 材料的全生命循環(huán)周期,新材料技術(shù)是高技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ),生 態(tài) 環(huán) 境 材,料 科,學(xué) 技 術(shù),新材料技術(shù)是高技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ),資源能源消耗最小,回收利用,使用性能最佳,各 種 材 料,礦產(chǎn),資源 污染排放最少 生態(tài)環(huán)境材料科學(xué)技術(shù) 廢棄物可再生,改進(jìn)材料體系及其制備技術(shù)實例 廢料循環(huán)使用 通用合金、通用樹脂 低合金度合金 凈終成形技術(shù)、軟溶液制備技術(shù) 可降解塑料 廢棄物資源化 無鉛焊料、非鉛基壓電陶瓷 超級金屬 長壽命金屬材料及高分子材料,研究方向 現(xiàn)場循環(huán)利用 再

29、生循環(huán)利用 減少枯竭資源元素使用 降低污染能耗 降低污染程度 廢棄物綜合利用 去除有毒有害元素 提高材料性能 延長材料使用壽命,設(shè)計原則 減少資源 和 能源消耗 減少 污染排放 提高材料 使用價值,新材料技術(shù)是高技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ) 生態(tài)環(huán)境材料科學(xué)技術(shù)-材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性評價 典型的材料環(huán)境協(xié)調(diào)性研究分類,高 爐,轉(zhuǎn) 爐,連 鑄,熱 連 軋,冷 連 軋,產(chǎn)品,焦 化,燒結(jié),廢鋼,鋼鐵工業(yè)循環(huán) 工藝流程,發(fā)電廠,開發(fā)節(jié)約資源、低污染的生產(chǎn)流程 煤氣,水泥廠,廢渣,廢塑料,新材料技術(shù)是高技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ) 生態(tài)環(huán)境材料科學(xué)技術(shù),新材料技術(shù)是高技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ),開發(fā)節(jié)約資源、低污染的生產(chǎn)流程,鋼鐵工業(yè)循環(huán),工藝

30、流程,實施循環(huán)經(jīng)濟(jì) 實際效果比較,生態(tài)環(huán)境材料科學(xué)技術(shù),新材料技術(shù)是高技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ),發(fā)展環(huán)境友好材料,如： 發(fā)展以鋰離子電池、燃料電池為代表的新能源材料，,以替代污染環(huán)境的鉛蓄電池和鎳鎘電池； 發(fā)展無鉛焊料和無鉛壓電陶瓷；, 采用玉米、秸稈等生物材料開發(fā)可降解環(huán)保餐具。 發(fā)展鎂合金，用于通訊工具殼體材料，可降低使用者,的電磁輻射。,生態(tài)環(huán)境材料科學(xué)技術(shù),新材料技術(shù)是高技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ),生態(tài)環(huán)境科學(xué)技術(shù) 納 米 TiO2 光 催 化,納 米 Ag 的 消 毒 殺 菌,發(fā)展環(huán)境友好材料,新材料技術(shù)是一切工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵共性基礎(chǔ) 新材料技術(shù)出現(xiàn)群體性突破，將對21 世紀(jì)所有工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)生革命性的影響，成

31、 為一切工業(yè)的關(guān)鍵共性基礎(chǔ)。,如,納米材料,超導(dǎo)材料,先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料,新材料技術(shù)是一切工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵共性基礎(chǔ),納米材料,微觀領(lǐng)域,宏觀領(lǐng)域,m,),0,以量子力學(xué)為代表， 研究物質(zhì)基本粒子的 科學(xué)問題。,以經(jīng)典物理為代表， 研究均相物質(zhì)的基本 科學(xué)問題,介觀領(lǐng)域,1nm, 100nm,對由有限個原子組成的非均相物質(zhì)， 如何分析其特殊的科學(xué)規(guī)律？,1021 1 1021 1021 1021,1021 1cm 3 6000m 2 121021條 81021個,1 1cm 3 6cm 2 12 8,個數(shù) 總體積 總面積 棱邊數(shù) 頂角數(shù),納米材料 1nm,新材料技術(shù)是一切工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵共性基礎(chǔ),特點之一

32、:表面效應(yīng) 1cm,新材料技術(shù)是一切工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵共性基礎(chǔ),納米材料,特點之一:表面效應(yīng),表面原子隨顆粒粒徑的變化規(guī)律,表面原子數(shù)/總原子數(shù) 90 80 40 20 10 2,總原子數(shù) 30 250 400 3104 25104 3107,粒徑（nm） 1 2 5 10 20 100,特點之一:表面效應(yīng),納米材料,新材料技術(shù)是一切工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵共性基礎(chǔ),特點之二：小尺寸效應(yīng),隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會引起顆粒性 質(zhì)的質(zhì)變，由于顆粒尺寸變小所引起宏觀物理性質(zhì) 的變化稱為小尺寸效應(yīng)。,顆粒大小 金熔點,常態(tài) 1064,10nm 1037,2nm 327,納米材料,新材料技術(shù)是一切工業(yè)發(fā)展的

33、關(guān)鍵共性基礎(chǔ),特點之三:量子效應(yīng),對納米顆粒而言，大塊材料中連續(xù)的能帶將分裂為分 立的能級，能級間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。當(dāng) 熱能、電場能或者磁場能比平均的能級間距還小時， 就會呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱 之為量子效應(yīng)。 粒徑小于20nm的納米銀會變成絕緣體。 原本導(dǎo)電的銅到某一納米界限就不導(dǎo)電。,納米材料,新材料技術(shù)是一切工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵共性基礎(chǔ),新材料技術(shù)是一切工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵共性基礎(chǔ) 納米技術(shù),檢測金屬毒性的納米傳感器 納米發(fā)動機(jī)組裝的納米汽車,單電子晶體管結(jié)構(gòu) 檢測單分子的納米傳感器,新材料技術(shù)是一切工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵共性基礎(chǔ),納米藥物,納米技術(shù),新材料技術(shù)是一切工業(yè)發(fā)展的

34、關(guān)鍵共性基礎(chǔ) 超導(dǎo)材料,YBCO,RE2O3,CeO2,YSZ,LMO,STO,MgO，YSZ， GZO，TiN Polycrystalline Substrate: SS, Hastelloy, Ag 釔鋇銅氧,轉(zhuǎn)變溫度,TC,20 Hg Pb,Nb3Sn,V3Si,1987,MWNTs,Hg-Ba-Ca-Cu-O Tl-Ba-Ca-Cu-O Bi-Sr-Ca-Cu-O,液氮,Nb,Ba-Ca-Cu-O Y-Ba-Cu-O,La-Ba-Cu-O# Mg-B La-Ba-Cu-O 液氦 #加壓,? Hg-Ba-Ca-Cu-O# Ba-Ca-Cu-O#,La-Ba-Cu-O# Nb3Ge NbC

35、 Nb-Al-Ge 1940 1960 1980 2000 年代,60 40 0 1900 1920,140 120 100 80,(K) 180 160,新材料技術(shù)是一切工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵共性基礎(chǔ),超導(dǎo)材料 甲烷,新材料技術(shù)是一切工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵共性基礎(chǔ),目前正向低成本實用化方向發(fā)展，并,將在能源、信息、交通、儀器等領(lǐng)域有重大應(yīng)用。,超導(dǎo)電纜,磁懸浮列車,核磁共振設(shè)備,超導(dǎo)材料,新材料技術(shù)是一切工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵共性基礎(chǔ),如高性能鋁/鎂合金材料，在航天,航空、交通工具、國防軍工、3C產(chǎn)品等領(lǐng)域應(yīng)用也 越來越廣泛。,先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料,新材料技術(shù)是一切工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵共性基礎(chǔ),如高性能復(fù)合材料，在航天航空、,交

36、通工具、國防軍工等領(lǐng)域應(yīng)用也越來越廣泛。,先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料,C/C復(fù)合材料用于飛機(jī)剎車副,陶瓷基復(fù)合材料用于 火箭噴嘴,小結(jié),上述事例雄辯的表明，新材料 在人類社會進(jìn)步、產(chǎn)業(yè)革命和提高 人類生活品質(zhì)中具有特別重要的基 礎(chǔ)和先導(dǎo)作用，其發(fā)展對提高國家 的綜合國力具有巨大的推動作用和 深遠(yuǎn)影響。,材料科學(xué)與工程的形成和發(fā)展,需求牽引 社,會 經(jīng) 濟(jì) 的 需 求,科學(xué)驅(qū)動 科,學(xué) 技 術(shù) 的 發(fā) 展,MSE MSE 從何而來 ,1980,1970,1960,1990,2000,2010,50 1950,需求牽引社會經(jīng)濟(jì)的需求 0 新材料與材料的改進(jìn),29% 13%,年 代,先進(jìn)的結(jié)構(gòu)概念 自動化設(shè)計 有

37、效載荷控制及機(jī)翼隱蔽,10 飛 機(jī) 20 減 重 30 40,需求牽引社會經(jīng)濟(jì)的需求,B-777上用的先進(jìn)材料,各種材料在波音787飛機(jī)上的應(yīng)用,需求牽引社會經(jīng)濟(jì)的需求,射程(公里),導(dǎo)彈殼體材料與射程的關(guān)系示意圖,金屬,玻璃鋼,芳綸(+630),復(fù)合材料,長征火箭殼體： 鋁合金744Kg；碳纖維401Kg； 兩者相比，碳纖維減重343Kg；射程增加1476Km,需求牽引社會經(jīng)濟(jì)的需求,中國：鋁合金80100Kg 10,汽車輕量化,需求牽引社會經(jīng)濟(jì)的需求 汽車每降低100Kg，燃油減少0.5-0.8L, 并減少相應(yīng)的CO2排放。 鐵合金60%-75% 15%-20%低合金高強(qiáng)鋼 塑料10%-2

38、0% 其它約5 日本：鋁合金130Kg,奧迪A8,需求牽引社會經(jīng)濟(jì)的需求 寶馬5系轎車 鋁前端,鋼制車身 全鋁車身,輪轂,離合器,油泵,齒輪箱,剎車板,方向盤,座椅架 儀表盤,發(fā)動機(jī),進(jìn)氣歧管,轉(zhuǎn)向柱,北美：超過100種，單車5.826.3 kg。 歐洲：超過60種，單車9.3-20.3kg。,降低自重,節(jié)約能源,保護(hù)環(huán)境,可用160公斤 減重10,燃料節(jié)約,8億立升,CO2減排 1400萬噸,需求牽引社會經(jīng)濟(jì)的需求 鎂合金在汽車上的運用范圍也越來越廣泛,科學(xué)驅(qū)動科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,為了滿足經(jīng)濟(jì)和社會的需求,人們早已大量使用材,料,并推動材料的不斷發(fā)展。,但20世紀(jì)之前的材料進(jìn)步往往大量依靠人們的

39、經(jīng) 驗、技巧、繼承和積累,發(fā)展的速度還是緩慢的,其 原因在于人們還沒有對材料在科學(xué)上有深刻的認(rèn)識 和理解。,直到20世紀(jì)60年代才提出“材料科學(xué)”的概念，“材 料科學(xué)”的形成實際上也是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結(jié)果。,19世紀(jì),熱力學(xué),電磁學(xué),化學(xué)原子論,X射線,放射性,電子,20世紀(jì) 前30年,相對論,量子力學(xué),20世紀(jì),諾貝爾物理、化學(xué)獎獲得者的研究成果,科學(xué)驅(qū)動科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 MSE,科學(xué)驅(qū)動科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,諾貝爾物理獲得者的研究成果,20世紀(jì),X,光,晶 體 衍 射,合 金,中,的,反 常 性 質(zhì),高 壓,對,材,料 的 作 用,物,質(zhì),凝,聚 態(tài) 理 論,半,導(dǎo),體 晶 體 管,1914 192

40、0,固 體 激 光,反,鐵 磁 現(xiàn) 象,非,晶 態(tài),中,的,電 子 性 狀,相,變 的,研,究,取 得 成 功,30K,的,超,導(dǎo) 氧 化 物,第,一 塊 芯 片,1946 1956 1962 1964 1970 1977 1982 1987 1996 獲獎年份,諾貝爾化學(xué)獎獲得者的研究成果,20世紀(jì),物 質(zhì),低,溫 物 性 研 究,化 學(xué) 鍵,高 分 子 塑 料,導(dǎo) 電 高 分 子,有 機(jī),物,的 三 維 構(gòu) 象,1949 1953,高,分 子 聚 合 物,1954 1963 1969 2000 獲獎年份,科學(xué)驅(qū)動科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,科學(xué)驅(qū)動科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,從1980年至1987年，基礎(chǔ)材料科學(xué)

41、連續(xù)三年取得,三項舉世公認(rèn)的重大進(jìn)展，并獲得了諾貝爾物理學(xué)獎 學(xué)金：,量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn),1980年，在對電子沿半導(dǎo)體表面運動作基礎(chǔ)研究時，發(fā)現(xiàn)了 一種出乎預(yù)料的全新的效應(yīng)量子霍爾效應(yīng)（幾乎完全不 存在電阻），如圖所示。,科學(xué)驅(qū)動科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,實驗工作完全憑借了材料科學(xué)與工程在表面制備方面取 得的最新進(jìn)展使表面性質(zhì)得到極其精確的控制才順利進(jìn) 行的。,量子霍爾效應(yīng),科學(xué)驅(qū)動科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,掃描隧道顯微鏡,上世紀(jì)年代初期掃描隧道顯微鏡研制成功。該顯微鏡基 于一種微妙的量子力學(xué)效應(yīng)，即能量低于勢壘頂?shù)碾娮拥乃?道效應(yīng)，可精確得出了關(guān)于單個原子在表面上位置的息，用 它來可檢測出數(shù)量級為正常原子間距的

42、位移量。,掃描隧道顯微鏡操控原子排列成“IBM”字樣,科學(xué)驅(qū)動科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,超導(dǎo)材料的新進(jìn)展,1986年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了最高臨界溫度為 39K的超導(dǎo)化合物，接著又獲得臨界溫度高 達(dá)125K的化合物超導(dǎo)體，比1911年最先發(fā)現(xiàn) 的超導(dǎo)體汞的臨界溫度高出120K之多。,科學(xué)驅(qū)動科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,固體物理、無機(jī)化學(xué) 有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué),冶金學(xué)、金屬學(xué) 陶瓷學(xué)、高分子學(xué),物質(zhì)結(jié)構(gòu) 和物性,材料的制備、 結(jié)構(gòu)與性能,材,料 科,學(xué) 金屬材料、高分子材料與陶瓷材料之間的 共性規(guī)律,應(yīng)用上 相互取代性,科學(xué)驅(qū)動科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 形 成,材 料 科 學(xué) 與 工 程 的,必 要 性,制備方法 分析測試手段,結(jié)構(gòu)的相

43、似性 各種不同材料 的共性特點 研究方法 如：尺度上,科學(xué)驅(qū)動科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,馬氏體相變本是金屬學(xué)提出，廣泛用于鋼熱處理的理論基 礎(chǔ)，但在氧化鋯陶瓷中也發(fā)現(xiàn)了馬氏體相變，并用來作為陶瓷 增韌的一種有效手段。,溶膠凝膠法是利用金屬有機(jī)鹽的分解而得到納米氧化物的,方法，但也成為改進(jìn)陶瓷性能的有效途徑。,各類材料研 究均涉及從微 觀、介觀到宏 觀等不同尺,度，它們的宏 觀性能均與材 料的微觀、介 觀的組織、結(jié) 構(gòu)密切相關(guān)。,如：金屬軋制過 程的分析；,如：復(fù)合材料的 斷裂行為分析；,科學(xué)驅(qū)動科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,各類材料的研究測試設(shè)備和生產(chǎn)手段也有頗多相似 之處，例如，電子顯微鏡、表面測試及物性與力學(xué)性 能測試設(shè)備等。,許多不同類型的材料可以相互替代和補充，能更加 發(fā)揮各種材料的優(yōu)越性，達(dá)到物盡其用的目的。,從社會經(jīng)濟(jì)需求的牽引、科學(xué)技術(shù)發(fā)展的推動以及不 同材料的諸多共性來看，有必要形成一門材料科學(xué)。,材料科學(xué)