浅谈材料科学与工程.ppt

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1、浅谈材料科学与工程浅谈材料科学与工程 章明秋章明秋（中山大学（中山大学 化学与化学工程学院化学与化学工程学院材料科学研究所材料科学研究所聚合物复合材料及功能材料教育部重点实验室聚合物复合材料及功能材料教育部重点实验室）2004年年1月月9日日材料的定义材料的定义：经过某中加工（包括开采和经过某中加工（包括开采和运输），具有一定组分、结构和性能、并适用运输），具有一定组分、结构和性能、并适用于一定用途的于一定用途的物质物质。劳动制成产品劳动制成产品：物质物质产品产品（简单的、低性能的）（简单的、低性能的）物质物质材料材料产品（复杂的、高级的）产品（复杂的、高级的）材料的分类材料的分类：金属材料，

2、有机高分子材料，无机材料（化金属材料，有机高分子材料，无机材料（化学分类）学分类）结构材料，功能材料（用途分类）结构材料，功能材料（用途分类）按按技术分类的材料技术分类的材料信息材料：信息材料：检测与传感；传输材料；存储材料；运算与处理材料。检测与传感；传输材料；存储材料；运算与处理材料。能源材料：能源材料：新能源材料、节能材料、储能材料。新能源材料、节能材料、储能材料。生物医用材料：生物医用材料：医用金属和合金；医用高分子生物材料；医用生物陶瓷；医用复医用金属和合金；医用高分子生物材料；医用生物陶瓷；医用复合生物材料。合生物材料。离子键离子键半导体半导体硅酸盐陶瓷硅酸盐陶瓷黏土黏土共价键共价

3、键金属键金属键范氏键范氏键高分子高分子价键四面体价键四面体材料对社会发展的推动作用：材料对社会发展的推动作用：材料一直材料一直是人类进步的里程碑，如石器时代、青铜器时代、铁是人类进步的里程碑，如石器时代、青铜器时代、铁器时代。从农业社会到工业社会的转变是由于钢铁、器时代。从农业社会到工业社会的转变是由于钢铁、水泥等的广泛应用，从工业社会到信息社会的转变则水泥等的广泛应用，从工业社会到信息社会的转变则是以半导体硅材料的应用为基础的。反之，一些技术是以半导体硅材料的应用为基础的。反之，一些技术由于材料开发的延缓而未能实现（如：光电转换与太由于材料开发的延缓而未能实现（如：光电转换与太阳能）。阳能）

4、。材料研究的发展：材料研究的发展：“拾柴禾拾柴禾”农业农业社会社会“拾柴禾拾柴禾”、“抄菜抄菜”工工业社会业社会“拾柴禾拾柴禾”、“抄菜抄菜”、“量体裁衣量体裁衣”信信息社会息社会材料科学与工程的形成：材料科学与工程的形成：上世纪五上世纪五十年代末、六十年代初，原来分属不同学科的十年代末、六十年代初，原来分属不同学科的知识融合的理由在于知识融合的理由在于（1）各类材料的研究可）各类材料的研究可以互相借鉴；（以互相借鉴；（2）有利于相互替代和最佳选）有利于相互替代和最佳选材；（材；（3）有利于开发复合材料。）有利于开发复合材料。使用性能使用性能性质性质组成与结构组成与结构合成合成与制备与制备基础

5、学科基础学科（数、理、化、生、地）（数、理、化、生、地）成分成分-结构结构-性能性能（性能的表征与检测）（性能的表征与检测）工艺流程工艺流程（制备科学与工艺）（制备科学与工艺）实际应用实际应用（信息、能源、交通运输、机械制造）（信息、能源、交通运输、机械制造）金金属属材材料料黑色金属黑色金属有色金属有色金属（非铁材料）（非铁材料）钢钢铸铁铸铁碳素钢碳素钢合金钢合金钢灰铸铁灰铸铁可锻铸铁可锻铸铁球墨铸铁球墨铸铁蠕墨铸铁蠕墨铸铁特殊性能铸铁特殊性能铸铁轻金属轻金属重金属重金属贵金属贵金属类金属类金属稀有金属稀有金属金属材料的基本特性金属材料的基本特性结合键为金属键，常规方法生产的金属为晶体。结合键

6、为金属键，常规方法生产的金属为晶体。金属在常温下一般为固体，熔点较高。金属在常温下一般为固体，熔点较高。具有金属光泽。具有金属光泽。纯金属塑性、延展性大。纯金属塑性、延展性大。强度较高。强度较高。因自由电子的存在，金属的导热和导电性好。因自由电子的存在，金属的导热和导电性好。多数金属在空气中易被氧化。多数金属在空气中易被氧化。无无机机非非金金属属材材料料水泥水泥玻璃玻璃砖及砖及耐火材料耐火材料陶瓷陶瓷传统陶瓷传统陶瓷特种陶瓷特种陶瓷陶瓷陶瓷日用陶瓷日用陶瓷建筑卫生陶瓷建筑卫生陶瓷电器绝缘瓷电器绝缘瓷耐酸陶瓷耐酸陶瓷过滤陶瓷过滤陶瓷高温陶瓷高温陶瓷电容器瓷电容器瓷电压陶瓷电压陶瓷磁性瓷磁性瓷导电

7、陶瓷导电陶瓷功能陶瓷功能陶瓷工程结构陶瓷工程结构陶瓷工工程程陶陶瓷瓷无机非金属材料主要是硅酸盐材料，经原料处理无机非金属材料主要是硅酸盐材料，经原料处理-成型成型-煅烧制得。煅烧制得。陶瓷的基本特性陶瓷的基本特性化学键主要是离子键、共价键以及它们的混合化学键主要是离子键、共价键以及它们的混合键。键。硬而脆、韧性低、抗压不抗拉、对缺陷敏感。硬而脆、韧性低、抗压不抗拉、对缺陷敏感。熔点较高，具有优良的耐高温、抗氧化性能。熔点较高，具有优良的耐高温、抗氧化性能。自由电子数目少，导热性和导电性较小。自由电子数目少，导热性和导电性较小。耐化学腐蚀。耐化学腐蚀。耐磨损。耐磨损。成型方式为粉末制坯成型方式为

8、粉末制坯、烧结成型。烧结成型。高分子复合材料科学与工程高分子复合材料科学与工程高分子：千万个小分子通过化学聚合反应联结高分子：千万个小分子通过化学聚合反应联结而成的大分子化合物，故又名聚合物或高聚物。而成的大分子化合物，故又名聚合物或高聚物。通常分为塑料、橡胶和纤维。通常分为塑料、橡胶和纤维。1850年年之之前前：天天然然聚聚合合物物的的利利用用和和组组成成的的阐阐明明（蚕蚕丝丝、天天然然橡橡胶胶、桐桐油油 等等），如如 1839年年Goodyear发发明明橡橡胶胶硫硫化化加工。加工。18501930年：天然和合成的聚合物材料结构年：天然和合成的聚合物材料结构确定，以及加工设备的开发。如注射成

9、型、电确定，以及加工设备的开发。如注射成型、电木（酚醛树脂的合成）。木（酚醛树脂的合成）。19301980年：大多数塑料在此期间问世，如年：大多数塑料在此期间问世，如尼龙。尼龙。合成材料合成材料复合材料时代复合材料时代单一材料很难满足多种要求；单一材料很难满足多种要求；生产周期长、成本高；生产周期长、成本高；通过复合得到原组分所不具备的性能（双金属通过复合得到原组分所不具备的性能（双金属片）片）复合效应包括线性效应和非线性效应复合效应包括线性效应和非线性效应线性效应：线性效应：平均效应，平行效应，相补效应，相抵平均效应，平行效应，相补效应，相抵效应效应 Pc=VRPR+VMPMAB优点优点缺点

10、缺点优点优点缺点缺点IIIIIIIV非线性效应：非线性效应：乘积效应、系统效应、诱导效应、共乘积效应、系统效应、诱导效应、共振效应振效应A相性质相性质(X/Y)B相性质相性质(Y/Z)乘积性质乘积性质(X/Y)压磁效应压磁效应磁阻磁阻效应效应压阻效应压阻效应压磁效应压磁效应磁电磁电效应效应压电效应压电效应压电效应压电效应场致场致发光发光压力发光效应压力发光效应磁致伸缩磁致伸缩压阻压阻效应效应磁阻效应磁阻效应光导效应光导效应电致伸缩电致伸缩光致伸缩光致伸缩闪烁效应闪烁效应光导效应光导效应辐射诱导导电辐射诱导导电热致变形热致变形压敏电阻压敏电阻热阻效应热阻效应天然复合材料：木材（木纤维天然复合材料

11、：木材（木纤维+木质素），骨骼（骨纤木质素），骨骼（骨纤维维+骨质素）骨质素）微观复合材料：碳钢（纯铁微观复合材料：碳钢（纯铁+渗碳体），增韧聚苯乙烯，渗碳体），增韧聚苯乙烯，纤维增强塑料纤维增强塑料 宏观复合材料（制品）：钢筋混凝土，旋翼叶片宏观复合材料（制品）：钢筋混凝土，旋翼叶片行业行业实例实例飞机制造飞机制造机翼，机身，起落架，垂直尾翼机翼，机身，起落架，垂直尾翼汽车制造汽车制造车身，灯壳罩，保险杠车身，灯壳罩，保险杠造船造船船壳体，甲板，桅杆船壳体，甲板，桅杆化工化工管道，储油罐，压力容器管道，储油罐，压力容器家具家具椅子，桌子，梯子，台板，住房椅子，桌子，梯子，台板，住房电气工业电

12、气工业仪器面盘，配电盘，绝缘材料仪器面盘，配电盘，绝缘材料运动器材运动器材钓鱼杆，高尔夫球杆，滑雪板，赛艇钓鱼杆，高尔夫球杆，滑雪板，赛艇纤维增强复合材料的构成纤维增强复合材料的构成一维：单向一维：单向二维：织物二维：织物三维：准各向同性三维：准各向同性纤维增强复合材料纤维增强复合材料纤维增强剂纤维增强剂碳纤维碳纤维玻璃纤维玻璃纤维热固性高分子热固性高分子（环氧树脂等）（环氧树脂等）热塑性高分子热塑性高分子（聚乙烯、尼龙等）（聚乙烯、尼龙等）基体基体具有相同弯曲刚度板材的比较具有相同弯曲刚度板材的比较材料材料类型类型模量，模量，GPa比重比重,g/cm3相对厚相对厚度度相对重相对重量量金属金属

13、钢钢铝铝210737.82.711.47.83.8航空用高航空用高分子复合分子复合材料材料准准各向各向同性同性单向单向401201.61.61.71.22.71.9航天用高航天用高分子复合分子复合材料材料单向单向3001.60.91.4热固性和热塑性高分子的差异热固性和热塑性高分子的差异热塑性高分子热塑性高分子热固性高分子热固性高分子韧韧脆脆使用温度较高使用温度较高使用温度较低使用温度较低（半）机械化批量生产（半）机械化批量生产手工成型手工成型使用寿命长使用寿命长使用寿命短使用寿命短可可循环使用循环使用不可循环使用不可循环使用固化时间短（仅与温度有关）固化时间短（仅与温度有关）固化时间长（与温

14、度和温度固化时间长（与温度和温度有关）有关）水分难以渗透水分难以渗透吸湿吸湿尺寸稳定尺寸稳定固化时收缩较大固化时收缩较大无毒性无毒性未未固化前有毒性固化前有毒性纤维增强高分子复合材料的生产和使用情况纤维增强高分子复合材料的生产和使用情况低低劳动强劳动强度制品度制品中等劳动中等劳动强度制品强度制品高高劳动强劳动强度制品度制品热塑性复合热塑性复合材料制品材料制品合计合计231.2253.8317.4161.7964.124%26%33%17%100%1999年欧共体复合材料制品市场分析（年欧共体复合材料制品市场分析（x1000吨）吨）预浸料预浸料形变模式和流动机制形变模式和流动机制树脂粘度和成型时

15、间对复合材料微观树脂粘度和成型时间对复合材料微观结构的影响结构的影响纤维长度对复合材料加工性能和力学纤维长度对复合材料加工性能和力学性能的影响性能的影响纤维长度对高分子复合材料性能的影响纤维长度对高分子复合材料性能的影响热塑性高分子复合材料成型技术特点热塑性高分子复合材料成型技术特点纤维增强热塑性高分子复合材料纤维增强热塑性高分子复合材料板材成型板材成型纤维增强热塑性高分子复合材料纤维增强热塑性高分子复合材料型材成型型材成型可持续发展与绿色材料可持续发展与绿色材料从从1987年年联联合合国国环环境境与与发发展展委委员员会会发发表表我我们们共共同同的的未未来来到到1992年年里里约约热热内内卢卢

16、联联合合国国环环境境与与发发展展大大会会，人人类类社社会会进进入入了了“保保护护自自然然，崇崇尚尚自自然然，促促进进持持续续发发展展”为为核心的绿色时代。核心的绿色时代。（崇拜、征服、崇尚（尊重（崇拜、征服、崇尚（尊重）可可持持续续发发展展已已由由理理论论研研究究发发展展到到国国家家乃乃至至国国际际政政治治生生活活的重要组成部分。的重要组成部分。如如同同工工业业革革命命的的兴兴起起，代代表表着着人人类类对对自自身身、自自然然以以及及人人与与自自然然间间关关系系认认识识的的一一次次飞飞跃跃，可可持持续续发发展展已已不不止止是是一一种思潮，而且是人类认识论和实践种思潮，而且是人类认识论和实践 的革

17、命。的革命。实证主义和还原注意无法掌握动态、有机联系的整体实证主义和还原注意无法掌握动态、有机联系的整体规律。可持续发展思潮是对几个世纪以来处统治地位规律。可持续发展思潮是对几个世纪以来处统治地位的实证主义科学的质疑，从而建立的实证主义科学的质疑，从而建立“整体科学整体科学”。可持续发展可持续发展“生态主义生态主义”（反科学主义）（反科学主义）特征特征“技术万能论技术万能论”人类能通过自身人类能通过自身创造力创造力有有选择地采用技选择地采用技术，反对极端的术，反对极端的“生态主义生态主义”人文主义思潮人文主义思潮及启蒙运动及启蒙运动科学主义科学主义不可持续发展不可持续发展材料生产方法及储运管理

18、和使用不当带来严重材料生产方法及储运管理和使用不当带来严重问题，如氟里昂破坏臭氧层，问题，如氟里昂破坏臭氧层，CO2引起温室效引起温室效应（发电厂应（发电厂27%，工厂，工厂23%，家庭，家庭17%）。）。废弃物占用良田，造成污染（毒性、易燃、腐废弃物占用良田，造成污染（毒性、易燃、腐蚀、传染、反应、放射性）蚀、传染、反应、放射性）现代化思维方式现代化思维方式和现代技术体系和现代技术体系物质财富的增长与物质财富的增长与人类生存基础的危机人类生存基础的危机经济增长经济增长存在着极限存在着极限绿色材料绿色材料：在制备、生产、使用过程中，能：在制备、生产、使用过程中，能耗低、噪音小、无毒性，并对环境

19、无害的材料耗低、噪音小、无毒性，并对环境无害的材料及其制成品。内容涉及材料设计、生产、运输、及其制成品。内容涉及材料设计、生产、运输、销售、使用和处理各环节。销售、使用和处理各环节。在材料选用和产品设计中融入环境协调性思想；在材料选用和产品设计中融入环境协调性思想；在结构设计中体现接生资源观念；在结构设计中体现接生资源观念；将材料使用后处理看作设计的重要前提；将材料使用后处理看作设计的重要前提；充分重视新科学和新技术；充分重视新科学和新技术；利用先进的设计手段；利用先进的设计手段；规范材料设计、生产、使用和处理标准。规范材料设计、生产、使用和处理标准。材料设计与环境意识材料设计与环境意识A:不考虑环境因素不考虑环境因素B:考虑环境因素考虑环境因素“道生一，一生二，二生三，三生万物。万物负阴而抱阳，中气以为和道生一，一生二，二生三，三生万物。万物负阴而抱阳，中气以为和”（见：（见：老子）老子）The Blind Men Trying to Size up the Elephant盲人摸象盲人摸象谢谢 谢！谢！