材料成型與工藝

1、8.1 生態(tài)環(huán)境材料 面對(duì)日益惡化的生態(tài)環(huán)境，可持續(xù)發(fā)展成為世界的共識(shí)。 在這種背景下，20世紀(jì)90國際上提出了環(huán)境材料(ecomaterials)的概念，標(biāo)志著材料科學(xué)的發(fā)展邁入了一個(gè)新的歷史時(shí)期。 日本東京Eiji hiyama設(shè)計(jì)的用瓦楞紙制成的兒童玩具丹麥生產(chǎn)的天然彩色棉花織成的布匹I2571型環(huán)保型真空吸塵器，外殼采用的是再生塑料。 20世紀(jì)90年代初開始，韓國漢城市內(nèi)公路兩旁的隔音板，根據(jù)聲學(xué)原理，用鋁格于有機(jī)合成玻璃制成隔欄，大大降低了汽車的噪聲，減輕了汽車尾氣的污染。8.1 生態(tài)環(huán)境材料8.1.1 生態(tài)環(huán)境材料的概念與分類生態(tài)環(huán)境材料滿意的使用性能 優(yōu)良的環(huán)境協(xié)調(diào)性（或者是能夠

2、改善環(huán)境） 實(shí)際上任何一種材料只要經(jīng)過改造達(dá)到節(jié)約資源并與環(huán)境協(xié)調(diào)共存的要求，它就應(yīng)視為生態(tài)環(huán)境材料。 制造使用廢棄再生利用整個(gè)過程，都做到對(duì)資源和能源消耗少、對(duì)環(huán)境污染小和循環(huán)再生利用率高。8.1 生態(tài)環(huán)境材料8.1.2 生態(tài)環(huán)境材料基本理論（1）節(jié)約能源。材料能夠降低某一系統(tǒng)的能源消耗。（2）節(jié)約資源。材料能降低系統(tǒng)的資源消耗。（3）可重復(fù)使用。（4）可循環(huán)再生。（5）結(jié)構(gòu)可靠性。（6）化學(xué)穩(wěn)定性。（7）生物安全性。（8）有毒、有害替代。（9）舒適性。材料在使用時(shí)能給 人提供舒適感的性質(zhì)。（10）環(huán)境清潔、治理功能。生態(tài)環(huán)境材料的有以下幾個(gè)特征：再生紙制成的包裝盒8.1.2 生態(tài)環(huán)境材料基

3、本理論（1）能源節(jié)約工藝。（2）資源節(jié)約工藝。（3）降低污染的加工技術(shù)。（4）凈化環(huán)境的加工技術(shù)。生態(tài)環(huán)境材料的合成與加工工藝，可分為四類：廢舊材料二次利用制成的產(chǎn)品8.1.3 生態(tài)環(huán)境材料及其工藝1.常見的金屬生態(tài)環(huán)境材料及工藝（1）常見的金屬生態(tài)環(huán)境材料 1)通用合金 再生循環(huán)過程中種類繁多的材料混雜在一起，就使廢料的再生循環(huán)利用變得非常困難。因此從提高金屬材料的再生循環(huán)性能出發(fā)，金屬制品的全部零部件由單一合金系來制造最為理想。通用合金就是使用合金元素種類最少，且能滿足各種用途要求的標(biāo)準(zhǔn)合金系。 FeCrNi鋼 通過改變Fe、Cr和Ni的相對(duì)含量，可以生產(chǎn)出從鐵素體鋼到不銹鋼的系列鋼種，其

4、組織和性能可以在很大范圍內(nèi)發(fā)生變化。Ti合金 鈦合金的性能隨成分不同可在很大范圍內(nèi)變化，且可通過合金成分來預(yù)測合金的組織與性能。通過建立這樣一種設(shè)計(jì)體系，不僅可以保證再生材料的性能，而且通過調(diào)整成分配比有可能開發(fā)出性能更優(yōu)異、附加值更高的再生材料。 CrMo鋼 這種合金成分設(shè)計(jì)方法既保證了耐熱鋼的持久蠕變強(qiáng)度，又節(jié)約了合金元素，減小了合金生產(chǎn)過程中的環(huán)境負(fù)荷。通用合金8.1.3 生態(tài)環(huán)境材料及其工藝3）雙相鋼(綜合性能好) 與普通低合金高強(qiáng)度鋼相比，在同等級(jí)抗拉強(qiáng)度水平下，鐵素體-馬氏體雙相鋼具有屈強(qiáng)比低、冷變形性能好、無屈服點(diǎn)等特點(diǎn)，這類傳統(tǒng)材料已發(fā)展成為一種強(qiáng)度高、成形性能好的新型沖壓用鋼

5、。2）簡單合金合金組元簡單，再生循環(huán)過程中易于分選；原則上不加入目前尚不能用精煉方法去除的元素；盡量不使用環(huán)境協(xié)調(diào)性不好的合金元素。簡單合金與通用合金的用途不同，簡單合金的主要用途是代替大量消費(fèi)的金屬結(jié)構(gòu)材料。 8.1.3 生態(tài)環(huán)境材料及其工藝（2）常見的金屬材料的生態(tài)化改造工藝 從環(huán)境材料的角度出發(fā)，盡量使金屬材料的加工過程消耗較低的資源和能源，排放較少的三廢，并且在廢棄之后易于分解、回收與再生。 熔融還原煉鐵工藝 以 COREX法為代表的熔融還原煉鐵工藝能使用非煉焦煤直接煉鐵，工藝流程短、投資省、成本低、污染少。鐵水質(zhì)量能與高爐鐵水媲美；并且能夠利用產(chǎn)生的煤氣在豎爐中生產(chǎn)海綿鐵，替代優(yōu)質(zhì)廢

6、鋼供電爐煉鋼。 噴射成形的近終形加工技術(shù) 與粉末冶金工藝相比，生產(chǎn)流程大大縮短，可以認(rèn)為是一種緊湊型的粉末冶金流程?？纱蠓裙?jié)約能源，降低環(huán)境負(fù)擔(dān)，比粉末冶金降低生產(chǎn)成本 40%以上。 金屬的生態(tài)化改造工藝 德國BMW3型環(huán)保概念車，其中用藍(lán)色標(biāo)出的零件都使用再生材料制造的，而綠色表示材料可回收，整個(gè)車可以拆卸。8.1.3 生態(tài)環(huán)境材料及其工藝2.常見的無機(jī)非金屬生態(tài)環(huán)境材料及工藝(1)水熱熱壓 水熱法的基本原理是：在水熱條件下，水可作為一種化學(xué)組分參與反應(yīng)。水既是溶劑又是礦化劑，同時(shí)還可作為壓力傳遞介質(zhì)。因此，通過加速滲析反應(yīng)并對(duì)反應(yīng)過程中的物理、化學(xué)因素進(jìn)行控制，在外加機(jī)械壓力聯(lián)合作用下，

7、可以使無機(jī)非金屬材料在低溫發(fā)生固結(jié)和致密化。 (2)陶瓷可切削技術(shù) 通過巧妙的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠?qū)?yōu)良的力學(xué)性能和可切削性統(tǒng)一起來，是未來開發(fā)可切削無機(jī)非金屬材料的重要方向。 非金屬生態(tài)環(huán)境材料及工藝8.1.3 生態(tài)環(huán)境材料及其工藝3. 高分子生態(tài)環(huán)境材料及工藝（1）高分子生態(tài)環(huán)境材料廢塑料纖維化；廢塑料木材化；廢塑料土工制品化；將PS廢塑料與其他材料共混，制成各種用途的井蓋、建筑材料、涂料、黏結(jié)劑、防水材料、阻燃劑、涂飾劑、增塑劑等；PU、 PF、不飽和聚酯、環(huán)氧樹脂等熱固性塑料可與其他材料混合使用，既可降低成本，又能提高某個(gè)方面的性能?？傊?，共混再生利用技術(shù)簡便易行，幾乎適用于任何一種廢舊

8、高分子材料。高分子生態(tài)環(huán)境材料可回收無毒無害的塑料盒可降解塑料：微生物降解；大型微生物降解；光降解；化學(xué)降解。 降解方式全生物降解剪紙刀8.1.3 生態(tài)環(huán)境材料及其工藝目前已商品化的生物降解材料 “Novon”，是以馬鈴薯、玉米、小麥和大米淀粉為主要成分，添加生物降解助劑制成的天然聚合物。其制品的強(qiáng)度和外觀都與普通塑料制品相當(dāng)。 “Mater-Bi”。由Novament公司生產(chǎn)的這種產(chǎn)品的主要成分包括熱塑性淀粉、天然添加劑以及其他可生物降解的合成材料(如EVOH和PCL)。這類材料在包裝行業(yè)已逐步得到認(rèn)可，被認(rèn)為是最有希望取代聚烯烴的材料。8.1.3 生態(tài)環(huán)境材料及其工藝（2）有機(jī)聚合材料與有

9、機(jī)復(fù)合材料的可再生循環(huán)工藝有機(jī)聚合材料的可再生循環(huán)工藝 塑料的再生循環(huán)技術(shù)大致可以分為兩類： 一類是將回收廢舊塑料作為原材料使用；另一類是將回收廢舊塑料分解成單體，然后重新合成新塑料。可再生循環(huán)工藝材料再生循環(huán)法 材料再生循環(huán)法的思路是在塑料功能喪失之前，將廢塑料作為原料多次再生循環(huán)使用。在實(shí)際再生循環(huán)過程中，由于雜質(zhì)混入及加工過程的影響，塑料的某些性能不可避免地要退化。因此，經(jīng)材料再生循環(huán)法制成的再生塑料，存在一個(gè)降級(jí)使用的問題。化學(xué)再生循環(huán)法 化學(xué)再生循環(huán)法的基本思路是將回收廢塑料作為資源，以石油或單體形式利用。將回收廢塑料通過水解或解聚，分解成原始材料的單體或低聚物，然后重新合成為塑料初

10、級(jí)產(chǎn)品，或者返回到石油狀態(tài)以便再生利用。8.1.3 生態(tài)環(huán)境材料及其工藝8.2.1 智能材料的內(nèi)涵與定義對(duì)外界環(huán)境條件（或內(nèi)部）狀態(tài)發(fā)生變化作出響應(yīng)或驅(qū)動(dòng)的材料。對(duì)外界（或外部）的刺激強(qiáng)度（如應(yīng)力、應(yīng)變、熱、光、電、磁、化學(xué)和輻射等）具有感知的材料，通稱感知材料。智能材料種類傳感器和驅(qū)動(dòng)（執(zhí)行）器應(yīng)用功能材料模仿生命系統(tǒng)，能感知環(huán)境變化，并能實(shí)時(shí)地改變自身的一種或多種性能參數(shù)，作出所期望的、能與變化后的環(huán)境相適應(yīng)的復(fù)合材料或材料的復(fù)合。 智能材料的定義8.2 智能材料通過自生長或原位復(fù)合等再生機(jī)制，來修補(bǔ)某些局部破損 的功能。通過傳感神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)系統(tǒng)的輸入輸出信息進(jìn)行比較，并將結(jié)果提供給控制系

11、統(tǒng)，從而獲得理想的功能。根據(jù)環(huán)境變化適時(shí)地動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)自身并作出反應(yīng) 的功能。智能材料的生物功能反饋功能自修復(fù)功能響應(yīng)性功能能感知自身所處的環(huán)境與條件，如負(fù)載、應(yīng)力、應(yīng)變、振動(dòng)、熱、光、電、磁、化學(xué)、核輻射等的強(qiáng)度及其變化自診斷功能自動(dòng)動(dòng)態(tài)平衡及自適應(yīng)功能學(xué)習(xí)能力和預(yù)見性功能信息積累和識(shí)別功能傳感功能對(duì)現(xiàn)在情況和過去情況作比較，從而能對(duì)諸如故障及判斷失誤等問題進(jìn)行自診斷和校正的功能。能積累信息，能識(shí)別和區(qū)分傳感網(wǎng)絡(luò)得到的各種信息，并進(jìn)行分析和解釋的功能。通過對(duì)過去經(jīng)驗(yàn)的收集，對(duì)外部刺激作出適當(dāng)反應(yīng)，并可預(yù)見未來并采取適當(dāng)?shù)男袆?dòng)的功能。根據(jù)動(dòng)態(tài)的外部環(huán)境條件不斷自動(dòng)調(diào)整自身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而改變自己的

12、行為，以一種優(yōu)化的方式對(duì)環(huán)境變化作出響應(yīng)的功能。8.2.2 智能材料的幾種基本單元定義特性光導(dǎo)纖維 利用兩種介質(zhì)面上光的全反射原理制成的光導(dǎo)元件1壓電材料 指在外加機(jī)械力的作用下能發(fā)生強(qiáng)烈的極化現(xiàn)象并在其制品表面形成電荷，從而產(chǎn)生一定電壓的材料2電（磁）流變液 3反應(yīng)靈敏、抗干擾能力強(qiáng)和耗能低等特點(diǎn)應(yīng)用于復(fù)合材料的固化狀態(tài)的評(píng)估、工程結(jié)構(gòu)的在線監(jiān)測、材料的非破壞性評(píng)定、內(nèi)部損傷的探測和評(píng)估等響應(yīng)速度快、頻率高和應(yīng)變小等特點(diǎn)用作傳感器、驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用用于飛行器機(jī)翼和直升機(jī)轉(zhuǎn)子等的減振器，健身器的旋轉(zhuǎn)制動(dòng)器，電流變液是由高介電常數(shù)、低電導(dǎo)率的電介質(zhì)顆粒分散于低介電常數(shù)的絕緣體中形成的懸浮體系。磁流變液

13、是由母液和均勻散布其中的磁性固體制成的懸浮液高電阻、高抗擊穿強(qiáng)度、高化學(xué)穩(wěn)定性、耐久性好基本單元定義形狀記憶材料指具有初始形狀的制品，經(jīng)形變固定后，通過加熱等外部條件刺激手段的處理，又可以恢復(fù)初始形狀的材料。包括形狀記憶合金、記憶陶瓷、記憶高分子 4磁致伸縮材料 磁致伸縮材料是將磁能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的材料 5智能高分子材料 6可變形性、形狀恢復(fù)性、應(yīng)用于儀器儀表、自動(dòng)控制、能源、航空航天、醫(yī)療、機(jī)器人和汽車制造等響應(yīng)快、輸出應(yīng)變小應(yīng)用于低頻高功率聲納傳感器、強(qiáng)力直線型電機(jī)、大轉(zhuǎn)矩低速轉(zhuǎn)電機(jī)和液壓機(jī)執(zhí)行器 應(yīng)用于信息存儲(chǔ)、宇航、電子領(lǐng)域是一種能感覺周圍環(huán)境變化，而且針對(duì)環(huán)境的變化能采取響應(yīng)對(duì)策的高分

14、子材料高電阻、高抗擊穿強(qiáng)度、高化學(xué)穩(wěn)定性、耐久性好特性應(yīng)用基本單元8.2.3 智能材料的類型智能材料的類型將不同功能的材料顆粒按特定的方式進(jìn)行操作組裝，可創(chuàng)造出新的具有多功能的材料 多層薄膜復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)周期化的納米化纖維及顆粒形式的復(fù)合多孔架材料組裝將金屬或半導(dǎo)體等細(xì)小顆粒彌散分布在第二種介質(zhì)中構(gòu)成薄膜狀磁性材料等已得到廣泛應(yīng)用 將兩種或幾種材料以多層薄膜復(fù)合，可獲得優(yōu)化的綜合性能或多功能性 這些材料大多具有良好的形狀記憶效應(yīng)、超彈性及力學(xué)性能 大多數(shù)智能材料系統(tǒng)的智能效應(yīng)以及結(jié)構(gòu)材料的智能化皆來自于材料內(nèi)部的納米尺度 粒子復(fù)合組裝8.2.5 智能材料在工業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用8.2.4 智能材料

15、的應(yīng)用前景智能材料的未來空調(diào)機(jī)可以抑制震動(dòng)而寂靜工作輪胎需要充氣時(shí)會(huì)禮貌地通知司機(jī)智能飛機(jī)的機(jī)翼可以像鳥的翅膀一樣彎曲，自動(dòng)改變形狀，從而提高升力和減小阻力橋梁和電線桿在快要斷裂是可以發(fā)出報(bào)警信號(hào)，然后自動(dòng)加固自身的構(gòu)造；航空、航天飛行器 用于機(jī)器人中 形狀記憶合金在機(jī)器人中的應(yīng)用主要是元件控制、觸覺傳感器、機(jī)器人手足和筋骨動(dòng)作部分 用于日常生活中 電子通訊設(shè)備，軟鍵盤，各種傳感器，家電的控制及高級(jí)攝影設(shè)備，服裝，汽車制造，醫(yī)療方面等智能材料的應(yīng)用應(yīng)用于潛艇外殼可做成表面復(fù)雜的形狀從而容易逃避敵方聲納的探測，使?jié)撏щ[形。用于機(jī)翼、潛艇外殼、推進(jìn)器葉片等。用于飛機(jī)坐艙壁上，可減弱震動(dòng)和噪音，使飛

16、行更加平穩(wěn)，飛機(jī)結(jié)構(gòu)更輕8.3.1 納米結(jié)構(gòu)與納米材料(nano material) 8.3 納米材料納米結(jié)構(gòu)的物質(zhì)單元納米微粒穩(wěn)定的團(tuán)簇人造超原子納米管（棒）納絲、納米尺寸在三維空間中有一維在納米尺如超薄膜、多層膜、超晶格在三維空間中有兩維處在納米尺度，如納米絲、納米棒和納米管三維空間尺度均為納米尺度，如納米尺度顆粒、原子簇團(tuán)等納米材料的基本單元一維零維二維8.3.2 納米材料的奇異特性納米材料的奇異特性小尺寸效應(yīng)特殊的光學(xué)性質(zhì) 特殊的熱學(xué)性質(zhì) 特殊的磁學(xué)性質(zhì) 特殊的力學(xué)性質(zhì) 表面效應(yīng)宏觀量子隧道效應(yīng)此特性可作為高效率的光熱、光電等轉(zhuǎn)換材料。又可能用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等。 高矯頑力的特性，應(yīng)用于磁帶、磁盤、磁卡以及磁性鑰匙等 應(yīng)用于人造牙齒，納米陶瓷，納米金屬等熔點(diǎn)顯著降低 量子尺寸效應(yīng) 8.3.3 幾種典型的納米材料錄音帶、錄像帶和磁盤的磁介質(zhì) 精密陶瓷的原料幾種典型的納米材料顆粒膜 材料 納米顆粒 型材料 納米磁性液體材料 應(yīng)用電磁功能材料光學(xué)材料 醫(yī)學(xué)生物領(lǐng)域納米陶瓷納米固體材料 光的傳感器 傳感器吸磁器8.3.4 納米材料的用途納米陶瓷隨可以克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金屬一樣的柔韌性和可加工性納米材