試論材料科學(xué)和工程

1、試論材料科學(xué)和工程材料的定義：經(jīng)過(guò)某中加工包括開(kāi)采和運(yùn)輸，具有一定組分、結(jié)構(gòu)和性能、并適用于一定用途的物質(zhì)。勞動(dòng)制成產(chǎn)品：物質(zhì)產(chǎn)品 簡(jiǎn)單的、低性能的物質(zhì)材料產(chǎn)品復(fù)雜的、高級(jí)的材料的分類(lèi)：金屬材料，有機(jī)高分子材料，無(wú)機(jī)材料化學(xué)分類(lèi)結(jié)構(gòu)材料，功能材料用途分類(lèi)按技術(shù)分類(lèi)的材料信息材料：檢測(cè)與傳感；傳輸材料；存儲(chǔ)材料；運(yùn)算與處理材料。能源材料：新能源材料、節(jié)能材料、儲(chǔ)能材料。生物醫(yī)用材料：醫(yī)用金屬和合金；醫(yī)用高分子生物材料；醫(yī)用生物陶瓷；醫(yī)用復(fù)合生物材料。離子鍵半導(dǎo)體硅酸鹽陶瓷黏土共價(jià)鍵金屬鍵范氏鍵高分子價(jià)鍵四面體材料對(duì)社會(huì)開(kāi)展的推動(dòng)作用：材料一直是人類(lèi)進(jìn)步的里程碑，如石器時(shí)代、青銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代。

2、從農(nóng)業(yè)社會(huì)到工業(yè)社會(huì)的轉(zhuǎn)變是由于鋼鐵、水泥等的廣泛應(yīng)用，從工業(yè)社會(huì)到信息社會(huì)的轉(zhuǎn)變那么是以半導(dǎo)體硅材料的應(yīng)用為根底的。反之，一些技術(shù)由于材料開(kāi)發(fā)的延緩而未能實(shí)現(xiàn)如：光電轉(zhuǎn)換與太陽(yáng)能。材料研究的開(kāi)展：“拾柴禾 農(nóng)業(yè)社會(huì)“拾柴禾、“抄菜 工業(yè)社會(huì)“拾柴禾 、“抄菜 、“量體裁衣 信息社會(huì)材料科學(xué)與工程的形成：上世紀(jì)五十年代末、六十年代初，原來(lái)分屬不同學(xué)科的知識(shí)融合的理由在于1各類(lèi)材料的研究可以互相借鑒；2有利于相互替代和最正確選材；3有利于開(kāi)發(fā)復(fù)合材料。使用性能性質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)合成與制備根底學(xué)科數(shù)、理、化、生、地成分-結(jié)構(gòu)-性能性能的表征與檢測(cè)工藝流程制備科學(xué)與工藝實(shí)際應(yīng)用信息、能源、交通運(yùn)輸、機(jī)械

3、制造金屬材料黑色金屬有色金屬（非鐵材料）鋼鑄鐵碳素鋼合金鋼灰鑄鐵可鍛鑄鐵球墨鑄鐵蠕墨鑄鐵特殊性能鑄鐵輕金屬重金屬貴金屬類(lèi)金屬稀有金屬金屬材料的根本特性結(jié)合鍵為金屬鍵，常規(guī)方法生產(chǎn)的金屬為晶體。金屬在常溫下一般為固體，熔點(diǎn)較高。具有金屬光澤。純金屬塑性、延展性大。強(qiáng)度較高。因自由電子的存在，金屬的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性好。多數(shù)金屬在空氣中易被氧化。無(wú)機(jī)非金屬材料水泥玻璃磚及耐火材料陶瓷傳統(tǒng)陶瓷特種陶瓷陶瓷日用陶瓷建筑衛(wèi)生陶瓷電器絕緣瓷耐酸陶瓷過(guò)濾陶瓷高溫陶瓷電容器瓷電壓陶瓷磁性瓷導(dǎo)電陶瓷功能陶瓷工程結(jié)構(gòu)陶瓷工程陶瓷無(wú)機(jī)非金屬材料主要是硅酸鹽材料，經(jīng)原料處理-成型-煅燒制得。陶瓷的根本特性化學(xué)鍵主要是離子鍵

4、、共價(jià)鍵以及它們的混合鍵。硬而脆、韌性低、抗壓不抗拉、對(duì)缺陷敏感。熔點(diǎn)較高，具有優(yōu)良的耐高溫、抗氧化性能。自由電子數(shù)目少，導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性較小。耐化學(xué)腐蝕。耐磨損。成型方式為粉末制坯、燒結(jié)成型。高分子復(fù)合材料科學(xué)與工程高分子：千萬(wàn)個(gè)小分子通過(guò)化學(xué)聚合反響聯(lián)結(jié)而成的大分子化合物，故又名聚合物或高聚物。通常分為塑料、橡膠和纖維。1850年之前：天然聚合物的利用和組成的說(shuō)明蠶絲、天然橡膠、桐油等，如1839年Goodyear創(chuàng)造橡膠硫化加工。18501930年：天然和合成的聚合物材料結(jié)構(gòu)確定，以及加工設(shè)備的開(kāi)發(fā)。如注射成型、電木酚醛樹(shù)脂的合成。19301980年：大多數(shù)塑料在此期間問(wèn)世，如尼龍。合成材

5、料復(fù)合材料時(shí)代單一材料很難滿(mǎn)足多種要求；生產(chǎn)周期長(zhǎng)、本錢(qián)高；通過(guò)復(fù)合得到原組分所不具備的性能雙金屬片復(fù)合效應(yīng)包括線性效應(yīng)和非線性效應(yīng)線性效應(yīng)：平均效應(yīng)，平行效應(yīng)，相補(bǔ)效應(yīng)，相抵效應(yīng) Pc = VRPR +VMPMAB優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)IIIIIIIV非線性效應(yīng)：乘積效應(yīng)、系統(tǒng)效應(yīng)、誘導(dǎo)效應(yīng)、共振效應(yīng)A相性質(zhì)(X/Y)B相性質(zhì)(Y/Z)乘積性質(zhì)(X/Y)壓磁效應(yīng)磁阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)壓磁效應(yīng)磁電效應(yīng)壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)場(chǎng)致發(fā)光壓力發(fā)光效應(yīng)磁致伸縮壓阻效應(yīng)磁阻效應(yīng)光導(dǎo)效應(yīng)電致伸縮光致伸縮閃爍效應(yīng)光導(dǎo)效應(yīng)輻射誘導(dǎo)導(dǎo)電熱致變形壓敏電阻熱阻效應(yīng)天然復(fù)合材料：木材木纖維+木質(zhì)素，骨骼骨纖維+骨質(zhì)素 微觀復(fù)合材料：碳鋼

6、純鐵+滲碳體，增韌聚苯乙烯，纖維增強(qiáng)塑料 宏觀復(fù)合材料制品：鋼筋混凝土，旋翼葉片行業(yè)實(shí)例飛機(jī)制造機(jī)翼，機(jī)身，起落架，垂直尾翼汽車(chē)制造車(chē)身，燈殼罩，保險(xiǎn)杠造船船殼體，甲板，桅桿化工管道，儲(chǔ)油罐，壓力容器家具椅子，桌子，梯子，臺(tái)板，住房電氣工業(yè)儀器面盤(pán)，配電盤(pán)，絕緣材料運(yùn)動(dòng)器材釣魚(yú)桿，高爾夫球桿，滑雪板，賽艇纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的構(gòu)成一維：?jiǎn)蜗蚨S：織物三維：準(zhǔn)各向同性纖維增強(qiáng)復(fù)合材料纖維增強(qiáng)劑碳纖維玻璃纖維熱固性高分子（環(huán)氧樹(shù)脂等）熱塑性高分子（聚乙烯、尼龍等）基體具有相同彎曲剛度板材的比較材料類(lèi)型模量，GPa比重, g/cm3相對(duì)厚度相對(duì)重量金屬鋼鋁210737.82.711.47.83.8航空用

7、高分子復(fù)合材料準(zhǔn)各向同性單向401201.61.61.71.22.71.9航天用高分子復(fù)合材料單向3001.60.91.4熱固性和熱塑性高分子的差異熱塑性高分子熱固性高分子韌脆使用溫度較高使用溫度較低（半）機(jī)械化批量生產(chǎn)手工成型使用壽命長(zhǎng)使用壽命短可循環(huán)使用不可循環(huán)使用固化時(shí)間短（僅與溫度有關(guān)）固化時(shí)間長(zhǎng)（與溫度和溫度有關(guān)）水分難以滲透吸濕尺寸穩(wěn)定固化時(shí)收縮較大無(wú)毒性未固化前有毒性纖維增強(qiáng)高分子復(fù)合材料的生產(chǎn)和使用情況低勞動(dòng)強(qiáng)度制品中等勞動(dòng)強(qiáng)度制品高勞動(dòng)強(qiáng)度制品熱塑性復(fù)合材料制品合計(jì)231.2253.8317.4161.7964.124%26%33%17%100%1999年歐共體復(fù)合材料制品市

8、場(chǎng)分析x1000噸預(yù)浸料形變模式和流動(dòng)機(jī)制樹(shù)脂粘度和成型時(shí)間對(duì)復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)的影響纖維長(zhǎng)度對(duì)復(fù)合材料加工性能和力學(xué)性能的影響纖維長(zhǎng)度對(duì)高分子復(fù)合材料性能的影響熱塑性高分子復(fù)合材料成型技術(shù)特點(diǎn)纖維增強(qiáng)熱塑性高分子復(fù)合材料板材成型纖維增強(qiáng)熱塑性高分子復(fù)合材料型材成型可持續(xù)開(kāi)展與綠色材料從1987年聯(lián)合國(guó)環(huán)境與開(kāi)展委員會(huì)發(fā)表?我們共同的未來(lái)?到1992年里約熱內(nèi)盧聯(lián)合國(guó)環(huán)境與開(kāi)展大會(huì)，人類(lèi)社會(huì)進(jìn)入了“保護(hù)自然，崇尚自然，促進(jìn)持續(xù)開(kāi)展為核心的綠色時(shí)代。崇拜、征服、崇尚尊重可持續(xù)開(kāi)展已由理論研究開(kāi)展到國(guó)家乃至國(guó)際政治生活的重要組成局部。如同工業(yè)革命的興起，代表著人類(lèi)對(duì)自身、自然以及人與自然間關(guān)系認(rèn)識(shí)的

9、一次飛躍，可持續(xù)開(kāi)展已不止是一種思潮，而且是人類(lèi)認(rèn)識(shí)論和實(shí)踐 的革命。實(shí)證主義和復(fù)原注意無(wú)法掌握動(dòng)態(tài)、有機(jī)聯(lián)系的整體規(guī)律。可持續(xù)開(kāi)展思潮是對(duì)幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)處統(tǒng)治地位的實(shí)證主義科學(xué)的質(zhì)疑，從而建立“整體科學(xué)?？沙掷m(xù)發(fā)展“生態(tài)主義”（反科學(xué)主義）特征“技術(shù)萬(wàn)能論”人類(lèi)能通過(guò)自身創(chuàng)造力有選擇地采用技術(shù)，反對(duì)極端的“生態(tài)主義”人文主義思潮及啟蒙運(yùn)動(dòng)科學(xué)主義不可持續(xù)開(kāi)展材料生產(chǎn)方法及儲(chǔ)運(yùn)管理和使用不當(dāng)帶來(lái)嚴(yán)重問(wèn)題，如氟里昂破壞臭氧層， CO2引起溫室效應(yīng)發(fā)電廠27%，工廠23%，家庭17%。廢棄物占用良田，造成污染毒性、易燃、腐蝕、傳染、反響、放射性現(xiàn)代化思維方式和現(xiàn)代技術(shù)體系物質(zhì)財(cái)富的增長(zhǎng)與人類(lèi)生存根底的危機(jī)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)存在著極限綠色材料：在制備、生產(chǎn)、使用過(guò)程中，能耗低、噪音小、無(wú)毒性，并對(duì)環(huán)境無(wú)害的材料及其制成品。內(nèi)容涉及材料設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)輸、銷(xiāo)售、使用和處理各環(huán)節(jié)。在材料選用和產(chǎn)品設(shè)計(jì)中融入環(huán)境協(xié)調(diào)性思想；在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中表達(dá)接生資源觀念；將材料使用后處理看作設(shè)計(jì)的重要前提；充分