材料創(chuàng)造發(fā)明學05

科學技術與工程技術創(chuàng)新問題人類社會的進步史就是一部不斷創(chuàng)造和創(chuàng)新的歷史創(chuàng)造就是破舊立新,是創(chuàng)見性地發(fā)現問題、分析問題、解決問題任何社會進步和科技發(fā)展都離不開創(chuàng)造活動人們進行創(chuàng)造活動,又離不開創(chuàng)造性思維05/02/20231材料創(chuàng)造發(fā)明學－45.1繼承與創(chuàng)新繼承是人類賴以存在的前提和基礎,創(chuàng)新是人類進步的動力,而叛逆則是橫跨兩者間的橋梁。原理與方法

科學研究的價值在于創(chuàng)造任何創(chuàng)造者的創(chuàng)造都離不開對前人成果的繼承

科學研究的繼承性,是批判地繼承,創(chuàng)新地繼承

05/02/20232材料創(chuàng)造發(fā)明學－4批判、新發(fā)現繼承前人成果創(chuàng)新05/02/20233材料創(chuàng)造發(fā)明學－4應用舉例

舉例27：從X射線到放射性元素的發(fā)現1876年,英國科學家克魯克斯發(fā)現了陰極射線和冷光現象,曾吸引了許多科學家對這一新現象的研究。正當科學家對能自由穿過各種物質的射線感到神秘莫測之際，1895年德國人倫琴從中發(fā)現了X射線

,他因此而

第一個獲得諾貝爾物理學獎。對X射線的研究，又導致了1896年法國人貝克勒爾發(fā)現了與X射線不同的天然鈾具有放射性這一新現象。-問題：既然鈾有放射性，還有沒有其他元素也有放射性?這一問題激發(fā)了居里夫人的研究熱情，她經過數年的艱苦努力，終于發(fā)現了釙、鐳兩種新的放射性元素，成為世界上第一個獲得諾貝爾獎的女性。05/02/20234材料創(chuàng)造發(fā)明學－419世紀末，由于電子、X射線和放射性的發(fā)現，人類對物質的認識開始深入到原子內部。截至1907年，被分編出來并且加以研究的放射性元素有近30種，這樣，原有的元素周期表就沒有容納它們的空位。令人不解的是，盡管有些化學元素的放射性不同，但化學性質都完全一樣，沒有辦法把它們分開。到1910年，根據大量的這類事實，英國化學家索迪終于提出了著名的同位素假說，即：存在有原子量和放射性不同,但化學性質完全一樣的化學元素的變種，這些變種在元素周期表中應該處于同一個位置上，因此命名為“同位素”。同位素（isotope

）一詞是他在1913年首次提出和使用的。索迪于1921年獲諾貝爾化學獎。05/02/20235材料創(chuàng)造發(fā)明學－4舉例30：從鋼的氫脆到金屬間化合物氫脆的發(fā)現二戰(zhàn)前，英國為了應對希特勒法西斯的擴軍備戰(zhàn)而舉行了一次實戰(zhàn)演習。不幸發(fā)生飛機失事。因犧牲的駕駛員是一位親王的兒子，引起了英國當局的高度重視。失事原因調查結果表明，飛機因主軸發(fā)生斷裂而墜毀，而斷裂面上呈現許多細如發(fā)絲的微小裂紋。產生裂紋的原因眾說紛紜：+有人認為是由于鋼中殘留的奧氏體轉變?yōu)轳R氏體，誘發(fā)內應力而引起+有人認為是由于鋼中存在夾雜物導致應力集中所致。研究主軸斷裂原因的任務交給當時在英國工作的中國科學家李薰博士等人。他們力排眾議，提出了新的設想：是鋼中浸入了水蒸氣里的氫氣，而誘發(fā)裂紋。為了證實這個假設，他們將鋼樣在高溫氫氣中加熱，然后淬火，使鋼樣中保留一定量的氫氣。果然發(fā)現經過滲氫處理后的鋼樣內部產生了裂紋。--鋼的氫脆現象被發(fā)現了。05/02/20236材料創(chuàng)造發(fā)明學－4美籍華人科學家劉錦川2004年當選美國工程院院士。他是國際有序金屬問化合物領域的研究先驅。20世紀80年代初期，他開創(chuàng)性地研究了化學計量比和硼的添加對Ni3A1延展性的改善作用。這一研究成果發(fā)表在Science雜志上。1988年他首次發(fā)現鎳鋰和鐵鋁金屬間化合物在室溫下的本質延展性，其脆性主要是來自空氣中水汽引發(fā)的氫脆。此后國際上類似的研究論文數以千萬計，環(huán)境脆性因而也被認為是導致多種金屬間化合物室溫脆性斷裂和延展性低的新機制。該研究成果也為設計工業(yè)用高延展性金屬間化合物提供了明確的方向。由于他在新型鎳鋁和鐵鋁金屬間化合物方面的杰出貢獻，獲得兩項重要的I.R.100工業(yè)發(fā)明獎(I.R.100IndustrialAwards)05/02/20237材料創(chuàng)造發(fā)明學－4舉例31：最大磁能積(BH)max日趨提高的永磁材料時代當于工業(yè)發(fā)展的需求，最近一百年來永磁材料交替出現了不斷發(fā)明、推陳出新、代代交替的局面。從20世紀初到70年代，永磁材料的發(fā)展經歷了一系列合金演變：淬火馬氏體鋼、沉淀硬化型鋼(典型的AINiCo系列)、可加工永磁合金(如鐵鈷釩順磁合金)，以及鐵鉻鈷可加工永磁合金。從1933年永磁材料發(fā)現，到1952年棚鐵氧體(BFe12019)和鍶鐵氧體(SrFe12019)問世。上世紀60年代起稀土永磁材料崛起，人們研發(fā)和生產了三代材料：1967第一代SmCo5稀土永磁體；1977年第二代Sm2Co7稀土永磁體；1983年第三代稀土永磁體Nd2Fe14B。我國稀土資源世界第一，

NdFeB永磁體的產量和質量獨占世界鰲頭。而國際上燒結NdFeB各向異性的磁性能已經經提高到55MG.Oe(1Oe=79.6A/m),快接近燒結NdFeB理論磁能積水平。05/02/20238材料創(chuàng)造發(fā)明學－405/02/20239材料創(chuàng)造發(fā)明學－4舉例32：集成電路－－材料加工工藝的突破。1948年第一支晶休管問世。20世紀50年代，美國得州儀器公司工程師Kilby把1個三極管、3個電阻和1個電容器集中在一個0.5cm3的小片上－－》世界上第一個集成電路模塊誕生。這一發(fā)明首次提出了現代集成電路的基本思想。1958年美國仙童儀器公司的Noyce利用被蝕刻成規(guī)則圖案的氧化硅薄膜和鋁質膜分別作為絕緣材料和導線，首次把所有的電子器件全部制作在一塊單晶硅片上，實現了芯片材料加工工藝的一次突破，打破了利用晶體材料制備電子器的常規(guī)。在Kilby集成電路思想的基礎上，人們開創(chuàng)了利用蝕刻法和薄膜材料制備集成電子器件的先河，使人類縮短了通往信息時代的路程。Kilby獲得了2000年度諾貝爾物理學獎，Noyce于1990年英年早逝，未能分獲諾貝爾獎。但他開創(chuàng)的硅集成電路時代將永載史冊，成為人類科技進步的一個里程碑。繼承與創(chuàng)新既相互區(qū)別，又相互聯系。繼承是創(chuàng)新和突破的基礎，突破是繼承的發(fā)展。沒有繼承，就沒有突破；沒有突破，繼承就失去生命力。一部科學史，實質上就是一部繼承和突破交替互補的歷史。05/02/202310材料創(chuàng)造發(fā)明學－45.2叛逆與創(chuàng)新美國科學史學家丁庫里：“凡是科學的創(chuàng)造發(fā)明,都是從根本上推翻過去科學家造成的

”普遍認識

“或

”常規(guī)認識

“,打破舊規(guī)范

,創(chuàng)立新規(guī)范。1.原理：叛逆于創(chuàng)新的關系叛逆推翻傳統(tǒng)觀念打破舊規(guī)范創(chuàng)新05/02/202311材料創(chuàng)造發(fā)明學－4經典理論得修正與更新2.方法與舉例舉例33：經典強度設計理論最大應力理論針對高強度鋼斷裂問題，提出了裂紋體斷裂力學安全設計：臨界應力強度因子－臨界裂紋長度概念05/02/202312材料創(chuàng)造發(fā)明學－4傳統(tǒng)學術觀點的突破借助現代測試技術，通過實驗和嚴密的邏輯證明，大膽向傳統(tǒng)學術觀點挑戰(zhàn)。舉例34：沖擊韌性和小能多沖理論長期以來，工程界受一次沖擊韌性概念的束縛，總是要求鋼材應有更高的沖擊韌性，而過多犧牲材料的強度。針對這一片面觀點，西安交通大學強度研究所通過大量的材料多次沖擊試驗研究。據得出的規(guī)律認為，多數工程機械零件是承受小能量多次沖擊疲勞而產生失效的。在這種服役條件下衡量零件的失效抗力，不應是材料的一次沖擊韌性，而是多次沖擊抗力。只有適當提高材料的強度，并有一定的塑性、韌性相配合，才能使材料具有高的多次沖擊抗力。他們提出得發(fā)揮材料強度潛力一一強度與塑性、韌性合理配合的學說在生產中得到了實證。05/02/202313材料創(chuàng)造發(fā)明學－4舉例35：以前人們普遍認為，馬氏體是硬而脆的組織。但是，實驗研究和生產實踐說明，低碳鋼淬火成馬氏體后，既具有高的強度，又有較好的塑性和韌性。將其簡稱為低碳馬氏體。經過對馬氏休形態(tài)學和晶體學的深入研究，認為存在孿品（片狀）和位錯（板條）馬氏體，其中孿晶馬氏體硬而脆，而板條馬氏體為低碳馬氏體的主要結構形態(tài)。低碳鋼通過淬火、低溫回火后作為構件使用，極大提高得材料效率，減輕了結構重量，取得巨大經濟效益。低碳馬氏休研究成果在全國范圍內推廣應用：

石油機械－－長期沿用前蘇聯的設計規(guī)范選用高沖擊韌性、低強度材料制造，強度低，造成產品結構得“傻大笨粗”、使用壽命不長的弊端。20SiMnVBRe和20SiMnMoVA鋼,采用淬火＋低溫回火的低碳馬氏體代替原用的中碳鋼正火或調質組織，成功地研制出石油鉆機的輕型吊環(huán)和吊卡（三吊一卡）采用20SiMn2MoVA鋼低碳馬氏體強化工藝代替原用炮鋼(PCrNi3Mo)制造射孔槍，射孔使用壽命提高了兩倍。該研究獲得國家科技進步一等獎05/02/202314材料創(chuàng)造發(fā)明學－405/02/202315材料創(chuàng)造發(fā)明學－405/02/202316材料創(chuàng)造發(fā)明學－4傳統(tǒng)技術觀點的實破舉例36：低溫超導現象的發(fā)現及超導材料的發(fā)明1911年卡曼林·昂尼斯在接近絕對零度的實驗中發(fā)現水銀失去電阻的超導現象，由此而引發(fā)了許多研究者在超導材料方面的多項發(fā)明。然而在1911年到1986年的75年間，超導材料的臨界溫度Tc從Hg的4.2K提高到Nb3Ge的23.22K。突破傳統(tǒng)技術絕非易事。1986年瑞士人柏諾茲(J.G.Bednoz)和謬勒(K.A.Miiller)首先發(fā)現（laSrCuO）氧化物的Tc可以高達36K。1987年朱經武等人在美國宣布，發(fā)現Tc溫度90K的氧化物超導體，趙忠賢等人獨立發(fā)現Tc約為90K的Y-Ba-CuO化合物。之后科學家又陸續(xù)發(fā)現Bi-Sr-Cu-O體系（Tc-80~110K），Ti-Ba-Ca-CuO系(Tc-125K)和Hg-Ba-Cu-O系(Tc-134K)等較高溫度下的超導材料。目前發(fā)現Tc最高的已達160K。柏諾茲和謬勒的發(fā)現，不僅將超導體從金屬、合金化合物擴展到氧化物陶瓷，這是高溫超導體材料的巨大突破。用液氮代替液氦作超導制冷劑

,成本大為降低，效率還可提高

20倍柏諾茲和謬勒因此獲得了諾貝爾物理獎。05/02/202317材料創(chuàng)造發(fā)明學－405/02/202318材料創(chuàng)造發(fā)明學－4傳統(tǒng)技術規(guī)范的突破重要提示：現行材料、工藝、技術標準或規(guī)范，既具有合法性，又具有局限性和不合理性。隨著材料科學技術的進步，總是要不斷修改材料的技術規(guī)范和標準。打破現有應該打破的各種技術禁區(qū)，就會帶來創(chuàng)新局面。要敢于向“不準許”、“不可能”的技術領域和禁區(qū)挑戰(zhàn)。05/02/202319材料創(chuàng)造發(fā)明學－4舉例37：高碳鋼在第一類回火脆區(qū)間回火并非禁區(qū)高碳鋼淬火后必須立即回火，在200～300℃溫度區(qū)間回火會出現沖擊韌性降低的“第一類回火脆”現象禁區(qū)高碳模具鋼淬火后推薦在100～200℃回火發(fā)現脆性增大，壽命降低。研究發(fā)現：低能量多次沖擊問題在第一類回火脆區(qū)間回火，硬度從HRC60～

62降低到HRC54～

56，多次沖擊壽命明顯提高。將這一結果應用于高碳鋼冷沖模具，沖頭壽命大大提高。舉例38：突破高碳鋼碳含量應當小于1.2%wt的限定金屬學中Fe-C平衡圖認定高碳鋼的碳含量應當小于1.2%，于是1.2%成為傳統(tǒng)碳鋼最高碳含量限定。新的研究表明，超高碳鋼的碳含量可達到1.2%～2.1%wt,這工模具的硬度高，耐磨損，突破了高碳鋼最高碳含量的限制。方法是通過特殊的熱處理工藝：將超高碳鋼的晶粒尺寸和碳化物尺寸控制到1μm～2μm，淬火后就能獲得強韌性良好的細條狀位錯馬氏體。05/02/202320材料創(chuàng)造發(fā)明學－45.3移植創(chuàng)新法原理運用其他學科的概念、理論和方法或技術,來研究本學科或另一學科存在的問題，這種方法叫做移植法美國科學家貝弗里奇說“移植是科學發(fā)展的一種主要方法。大多數的發(fā)現都可應用于所在領域以外的其他領域。而應用于新領域時,往往有助于促成進一步的發(fā)現。重大的科學成果有時來自移植?！斑@種方法簡便、有效,即所謂“拿來主義”,但必須先消化,再合理移植。應用過程中應作必要的修正、創(chuàng)新,不能依葫蘆畫瓢,簡單抄襲或模仿?！八街?，可以攻玉”05/02/202321材料創(chuàng)造發(fā)明學－405/02/202322材料創(chuàng)造發(fā)明學－4方法及舉例舉例40：成功的科學方法的移植系統(tǒng)科學方法論→材料的系統(tǒng)論。耗散結構論→材料的耗散結構論。突變論→材料的突變論。辯證法及邏輯思維的移植。舉例41：一級學科之間的移植數學→數學冶金→數量冶金；材料相關性的數學表征；

材料過程性的數學模型。為學→材料力學→材料強度學、斷裂力學。流體力學→零件受力時截面的應力線分布

(應力集中的描述

);多相流沖刷磨損的數值模擬?？煽啃岳碚摗牧霞傲慵У目煽啃苑治觯粰C械強度設計的可靠性分析

;按可靠性理論設計材料。計算機技術→計算機輔助材料設計與選材；材料失效的計算機輔助診斷及安全評定程序，等

趨勢：數學＋力學＋物理學＋材料學＝＝》計算材料學05/02/202323材料創(chuàng)造發(fā)明學－4二級學科之間的移植本門學科內的移植

新興技術的移植現代測試技術的移植舉例41：智能材料系統(tǒng)原理移植到智能混凝土結構上的發(fā)明1984年美國軍方開展了智能材料研究。

1989年在日本筑彼舉行的關于智能材料國際研討會上,人們首次確認了智能材料的概念。智能材料就是同時具有感知功能即信號感受功能(亦稱傳感器功能)和自己判斷并自己作出判斷的功能(亦稱情報信息處理功能）根據智能材料系統(tǒng)的原理和概念,可以將其移植到智能混凝土領域。美國科學家卡羅琳德賴,十多年來研究能“自我修補”的智能混凝土。他在混凝土中埋入大量的預先裝有裂紋修補劑的空心纖維。當混凝土產生裂紋或開裂時,混凝土中的空心纖維也會開裂。同時開裂的空心纖維中流出修補裂紋的粘接劑,將混凝土的裂縫牢固地粘接起來。這種混凝土被稱為“被動式”智能材料。后來,美國橋梁專家又根據智能材料系統(tǒng)的原理,發(fā)明了“主動式”智能材料系統(tǒng),他們將信號傳感器、微電子芯片、計算機與材料有機組合成一個系統(tǒng)，當埋在橋梁混凝土中的傳感器“感知”到某部分出現裂紋后,計算機隨即發(fā)出指令，先埋入橋梁中的微小液滴變成固體,從而將裂紋粘合,并使橋梁自動得到加固。05/02/202324材料創(chuàng)造發(fā)明學－45.4交叉突破與創(chuàng)新原理所謂“交叉”、“邊緣”研究和突破是指有意識地在兩門學科或幾門學科交接交處德領域內，利用這些學科領域各自的原理和技術，并使其結合進來。

交叉科學的研究與發(fā)展是從長遠著眼,具有戰(zhàn)略性前瞻意義。從金屬學原理的角度看,在學科間的交叉地帶,界面形成生長核心所需要的能量最?。ó愘|成核）用交叉突破的思維創(chuàng)新,可收到事半功倍的效果。05/02/202325材料創(chuàng)造發(fā)明學－405/02/202326材料創(chuàng)造發(fā)明學－4交叉突破的方法及舉例社會科學與自然科學的交叉

05/02/202327材料創(chuàng)造發(fā)明學－45.5復合創(chuàng)新法原理將幾種原理、技術、效應或組元,加以復合、應用

,借以突破而發(fā)展、研究出新材料、新工藝、新觀點和新理論

05/02/202328材料創(chuàng)造發(fā)明學－4復合原則與效應：復合應當是有目的、有策略的復合,而非簡單、盲目的重合。后者只可能帶來負面效應,造成入力、物力、財力上的浪費而有充分準備的、好的復合則可帶來極好的效應。正確的復合可能帶來兩種效果

:(1)代數和效果A復合

B

C,應產生的效應是

C≥

A+B,即復合產生的

C現象在某方面或總的方面應優(yōu)于或至少等于

A與

B的單純的代數和。(2)倍數效果A復合

B

C，應產生的效應是：(m,n,k≥1）

05/02/202329材料創(chuàng)造發(fā)明學－4復合方法(1)復合材料。根據復合突破原理,可以由金屬、陶瓷、玻璃、塑料、纖維等各種材料任意復合,組成數目眾多的新型復合材料。1)結構復合材料

,一般都遵循線性復合效應。其中包括

:①平均效應,指復合材料的物理、力學性質服從于混合定律(ROM)：T復合

=T基體

.(1-Vf

第二相

)十

T第二相

.Vf

第二相式中

:T可以表示σ,E,α,K(導熱系數

)