高分子材料概論講義

高分子材料概論EngineeringScience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)展須要，具有特殊性能的材料。 形態(tài)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 由于接受新技術(shù)（工藝、裝備）明顯提高了性能，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)斗機材料的分類分類三：按性能分功能材料

熱散射雷達能量散射 吸取隱形戰(zhàn)機 雷達放射能量 雷達 隱形飛機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 形態(tài)記憶材料材料傳統(tǒng)材料 新材料

材料的分類分類四：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)，是人類社會進步的里程碑和劃時代的標(biāo)記。材料是人類社會進步的里程碑材料是經(jīng)濟和社會發(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)展進程中的地位和作用材料是人類社會進步的里程碑 人類運用不同材料的起先時間

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 高分子材料先進復(fù)合材料

金銅青銅

金屬

鐵玻璃態(tài)金屬 鑄鐵 鋁鋰合金 鋼

高分子雙相鋼 合金鋼 微合金鋼 木材新型耐熱合金 輕合金 皮革 皮膠 纖維耐熱合金 導(dǎo)電聚合物

復(fù)合材料

鈦合金高溫聚合物稻草磚紙橡膠 鋯合金 高模量聚合物 膠木陶瓷基復(fù)合 石頭 金屬基復(fù)合 火石尼龍環(huán)氧樹脂 芳綸增強 陶器 有機玻璃塑料 玻璃 碳纖維增強 先進功能 水泥 塑料 陶瓷 耐火材料韌性工程

陶瓷

熔融石膏金屬陶瓷耐高溫陶瓷陶瓷公元前50000材料是人類社會進步的里程碑100002020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）材料是人類社會進步的里程碑人類利用材料的歷史，就是一部人類進化和進步的歷史。 縱觀人類利用材料的歷史，可以清晰地看到，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實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。材料是人類社會進步的里程碑1763

發(fā) 電 機蒸氣機

18201946，美國

計算機新材料是經(jīng)濟和社會發(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獨創(chuàng)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)展為蒸汽機的獨創(chuàng)和應(yīng)用奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。其次次工業(yè)革命（20世紀(jì)中葉以來）：單晶硅材料對電子技術(shù)的獨創(chuàng)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)02864新材料技術(shù)是工業(yè)革命和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先導(dǎo)

1016001700180019002000 年份材料強度密度比在不同年頭里的進展(由圖中可以看出,現(xiàn)代先進材料的強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)合材料強度/密度（ln×106)發(fā)動機工作溫度（℃）12001000 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)

1400190019201940196019802000 年份在本世紀(jì)內(nèi)由于接受了現(xiàn)代材料使發(fā)動機工作溫度急劇上升， 因而發(fā)動機的理論效率大大提高。 現(xiàn)代渦輪噴氣發(fā)動機蒸汽機 30年頭氣冷式航空發(fā)動機燃料消耗公斤/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)

燃油消耗與工作溫度的關(guān)系0.40.3024681012141618壓縮比816℃1093℃1371℃

1649℃0.20.1 02.5倍747-400MD11的發(fā)展航Comet990座·mile/Usgal

年份航空材料的發(fā)展與飛機的燃放1965195519701960199019751980199520001985

201950

新材料技術(shù)是工業(yè)革命和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先導(dǎo)120110100 90 80 70 60 50 40 301093164953819270C 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年頭空冷式 3150C風(fēng)扇噴氣發(fā)動機 6490C蝸輪噴氣發(fā)動機 10930C 超音速燃燒沖壓式噴氣發(fā)動機

溫度（0C）發(fā)動機工作溫度工作溫度/℃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220416491093 537

復(fù)合材料傳統(tǒng)材料

（鈦合金和高溫合金）

100

比強度/MPa·(g·cm-3)-1不同材料的比強度和工作溫度的比較1412比強度810640201234鋁不銹鋼先進碳碳材料 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)不同材料的比強度與之對應(yīng)的馬赫數(shù)運用溫度/℃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/CCMC金屬/超耐熱 合金低溫MMC纖維增韌1227 727 2271727聚合物 1960197019801990200020102020 年頭在先進發(fā)動機上各類高溫復(fù)合材料的應(yīng)用年頭預(yù)料應(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-MMCNiAl-IMMCNiAl-IMMC,CMCCMCCMCTi-MMC,CMC發(fā)動機部件風(fēng)扇高壓壓氣機燃燒室低壓渦輪高壓渦輪噴管風(fēng)扇高壓壓氣機燃燒室低壓渦輪高壓渦輪噴管年頭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)

民航飛機發(fā)動機用先進材料的發(fā)展碳-碳材料的表面溫度(℃)1950196019701980199020002010202013001100 900纖維增加超級合金

新材料技術(shù)是工業(yè)革命和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先導(dǎo)17001500

在發(fā)動機上應(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年頭教練機二次大戰(zhàn)戰(zhàn)斗機 80年頭截?fù)魴C 航天飛機 東方快車號10931649538490C 93.30C 4270C10930C16490C飛行速度100101102103104105

減輕結(jié)構(gòu)所得經(jīng)濟效益（相對值）飛行器減重1Kg所獲得的經(jīng)濟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 同步軌道衛(wèi)星 近地對道衛(wèi)星 超音速飛機 垂直起降機 戰(zhàn)斗機 波音707

民航 客機 運輸機 直升機 小型民用飛機2197飛船返回艙艙體溫度狀況φ1100φ11001200~1800℃100~1200℃410~950℃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KavlarC/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 +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。陶瓷高速鋼lg[切削速度（m/min.）]175018001850190019502000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)動機列車磁分別 裝置小型中容量永磁飛輪發(fā)動 機電流引線 懸浮 軸承探討用馬達 磁體品 液 小容量永磁飛輪 磁屏蔽1996200020050543 2

制品

1搬運 裝置高溫超導(dǎo)塊材的應(yīng)用領(lǐng)域的擴大與其產(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)索探究宇宙本物命生術(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 探究智力 環(huán)境科學(xué)技術(shù)探求人類與環(huán)境和諧共存方式 21世紀(jì)重點發(fā)展的高技術(shù)領(lǐng)域的進展與趨勢信息科學(xué)技術(shù)正在發(fā)生結(jié)構(gòu)性變革，仍舊是經(jīng)濟持續(xù)增長的主導(dǎo)力氣 通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為信息產(chǎn)業(yè)注入強大活力 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)進入納米時代 計算機靈能技術(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)域的進展與趨勢生物技術(shù)正經(jīng)驗著一場前所未有的技術(shù)革命，一個浩大的生物產(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)的探討成為生命科學(xué)的前沿與熱點干細(xì)胞及再生醫(yī)學(xué)的探討及應(yīng)用為人類健康開拓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)域的進展與趨勢航天技術(shù)快速發(fā)展，不斷開拓人類探究的新空間太空探究帶動太空探究技術(shù)加速發(fā)展研制多種用途的人貨分別的新一代航天飛行器成將來趨勢小衛(wèi)星技術(shù)日趨成熟并將廣泛應(yīng)用太空攻防技術(shù)成為將來航天技術(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)域的進展與趨勢能源技術(shù)將變革將來社會的動力基礎(chǔ)，促進人類實現(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)呈現(xiàn)良好前景自然氣水合物的開發(fā)受到重視用能技術(shù)發(fā)展前景廣袤核電站可燃冰燃料電池車

21世紀(jì)重點發(fā)展的高技術(shù)領(lǐng)域的進展與趨勢先進制造技術(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)控機床光刻機新材料技術(shù)出現(xiàn)群體性突破，將對21世紀(jì)基礎(chǔ)科學(xué)和幾乎全部工業(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)重點發(fā)展的高技術(shù)領(lǐng)域的進展與趨勢

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μM108106105小新材料技術(shù)是高技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)107104

103102

101

1

(b)196019701980MOS存儲器雙極存儲器(a)MOS邏輯器雙極邏輯

二維SSIMSILSIVLSI

年份三維

界 面 最

103

102特 征

101長 度

1（ ）1990每個芯片上的元件數(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（μ，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19481958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10-40.005

器件尺寸

1.210-6

0.510-810-10

194019501960197019801990

年代

300 250 200 150 100 502000信息科學(xué)技術(shù)信息材料目前集成電路的特征尺寸達0.07um以下，晶片直徑達到450mm。102

1106104108

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189019101930195019701990201020302050

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19401960198020002020年頭宏觀

mm微觀

um納米

nm納米發(fā)動機組裝 納米汽車光導(dǎo)纖維發(fā)展歷程 年頭第一代

波長（μ）

0.85模數(shù)多模

光纖損耗中繼距離（db/km）（km）

2-58-10應(yīng)用年頭 1978材料SiO2其次代1.3多模110-201982第三代第四代第五代

1.31.551.55 2.5單模單模單模單模

0.420-40 0.2800.01-0.001可達400 3×10-42500

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)信息材料參數(shù)年份199719992002200520082011IC工藝/nm2501801301007050顆粒大小/nm1259065503525

-2顆粒密度/cm≤0.14≤0.088≤0.055≤0.038≤0.023≤0.014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-χCaO2-χMgCr2O4·TiO2

IrO2-χ

PbZr1-χTiχO3

PbZr1-χTiχO3

ZnO·Bi2O3

Ba1-χCeχTiO3

ZnO·CuO CdS信息科學(xué)技術(shù)信息材料新型二次電池252244321240791697120181189160345377

2.11.351.70 1.5 2.1

4.1

PbO2NiOOHNiOOHNiOOH

SLiCoO2

Pb Cd Zn MH NaLiC6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加聚乙烯 碳纖維增加聚乳酸 ……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)動機機架結(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）高強輕質(zhì)鋁合金2）高性能碳-環(huán)氧復(fù)合材料1）高強可焊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)推動劑貯箱 液氫-液氧火箭發(fā)動機 液氧-煤油火箭發(fā)動機技術(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1997197819721976197719981993F-22F-16F/A-18A/B蘇-27CKF-15新殲殲8Ⅲ第四代第三代其次代

代機型首飛材料類別1541

5394912152464

3

33037.325.8

5.531.46015101585

210 355

22419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)斗機的運用要求，鈦合金取代鋁合金，成為機體結(jié)構(gòu)材料的主體。 戰(zhàn)斗機機體結(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）鋁鎂合金

2A12T4高強鋁合金

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)星接受的主要結(jié)構(gòu)材料1990200020501

趨勢增長00億

62億 全球氣溫變暖

(氣溫上升1oC，海平面上升20cm)廢棄物問題 (氣溫上升3oC， 海平面上升60cm)石油與自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2.24657.41109.99195.75.094.5511.029.93176.911588.21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457.0722.913512.39278.1740.54525.32355.49234.283992.6115819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)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運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)

廢棄物可再生改進材料體系及其制備技術(shù)實例 廢料循環(huán)運用 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 探討方向 現(xiàn)場循環(huán)利用 再生循環(huán)利用削減枯竭資源元素運用 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 延長材料運用壽命設(shè)計原則削減資源 和能源消耗 削減污染排放提高材料運用價值 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)性探討分類高爐轉(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)工藝流程實施循環(huán)經(jīng)濟實際效果比較生態(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：①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；②發(fā)展無鉛焊料和無鉛壓電陶瓷；③接受玉米、秸稈等生物材料開發(fā)可降解環(huán)保餐具。④發(fā)展鎂合金，用于通訊工具殼體材料，可降低運用者的電磁輻射。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)全部工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)生革命性的影響，成為一切工業(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[μm,∞)[0,?]以量子力學(xué)為代表，探討物質(zhì)基本粒子的 科學(xué)問題。以經(jīng)典物理為代表，探討均相物質(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

1cm3

6000m212×1021條

8×1021個

11cm36cm2

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: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更規(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 3×104

25×104

3×107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，在確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)的變更稱為小尺寸效應(yīng)。顆粒大小 金熔點

常態(tài)1064℃

10nm1037℃2nm

327℃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)一系列與宏觀物體迥然不同的反常特性，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)展的關(guān)鍵共性基礎(chǔ)超導(dǎo)材料YBCORE2O3,CeO2,YSZ,LMO,STO…MgO，YSZ，GZO，TiN… PolycrystallineSubstrate: SS,Hastelloy,Ag…

釔鋇銅氧轉(zhuǎn)變溫度,TC20HgPbNb3SnV3Si1987MWNTs

Hg-Ba-Ca-Cu-OTl-Ba-Ca-Cu-O Bi-Sr-Ca-Cu-O液氮Nb

Ba-Ca-Cu-OY-Ba-Cu-O

La-Ba-Cu-O#

Mg-BLa-Ba-Cu-O

液氦

#加壓

?Hg-Ba-Ca-Cu-O#

Ba-Ca-Cu-O# La-Ba-Cu-O# Nb3GeNbC Nb-Al-Ge 1940196019802000 年頭6040 0 19001920140120100 80

(K)180160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)目前正向低成本好用化方向發(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、交通工具、國防軍工等領(lǐng)域應(yīng)用也越來越廣泛。先進結(jié)構(gòu)材料C/C復(fù)合材料用于飛機剎車副陶瓷基復(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步、產(chǎn)業(yè)革命和提高人類生活品質(zhì)中具有特殊重要的基礎(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)濟的需求科學(xué)驅(qū)動

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展

MSEMSE從何而來??????19801970196019902000201050 1950

需求牽引——社會經(jīng)濟的需求0

新材料與材料的改進29%13%年代先進的結(jié)構(gòu)概念 自動化設(shè)計 有效載荷限制及機翼隱藏

10飛機20減重30 40需求牽引——社會經(jīng)濟的需求B-777上用的先進材料各種材料在波音787飛機上的應(yīng)用需求牽引——社會經(jīng)濟的需求射程(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)濟的需求中國：鋁合金80－100Kg10％汽車輕量化 需求牽引——社會經(jīng)濟的需求汽車每降低100Kg，燃油削減0.5-0.8L,并削減相應(yīng)的CO2排放。 鐵合金60%--75% 15%--20%低合金高強鋼 塑料10%--20% 其它約5％ 日本：鋁合金130Kg奧迪A8

需求牽引——社會經(jīng)濟的需求

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)動機進氣歧管轉(zhuǎn)向柱北美：超過100種，單車5.8～26.3kg。 歐洲：超過60種，單車9.3-20.3kg。降低自重節(jié)約能源愛護環(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)濟和社會的需求,人們早已大量運用材料,并推動材料的不斷發(fā)展。 但20世紀(jì)之前的材料進步往往大量依靠人們的經(jīng)驗、技巧、繼承和積累,發(fā)展的速度還是緩慢的,其緣由在于人們還沒有對材料在科學(xué)上有深刻的相識和理解。 直到20世紀(jì)60年頭才提出“材料科學(xué)”的概念，“材料科學(xué)”的形成事實上也是科學(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)獎獲得者的探討成果科學(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探討成果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19141920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194619561962196419701977198219871996

獲獎年份諾貝爾化學(xué)獎獲得者的探討成果20世紀(jì)物質(zhì)低溫物性研究化學(xué)鍵高分子塑料導(dǎo)電高分子有機物的三維構(gòu)象19491953高分子聚合物

1954196319692000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)連續(xù)三年取得三項舉世公認(rèn)的重大進展，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)覺1980年，在對電子沿半導(dǎo)體表面運動作基礎(chǔ)探討時，發(fā)覺了一種出乎預(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?？茖W(xué)驅(qū)動——科學(xué)技術(shù)的發(fā)展試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展使表面性質(zhì)得到極其精確的限制才順當(dāng)進行的。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)８０年頭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)碾娮拥乃淼佬?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１％的位移量。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)材料的新進展 1986年，科學(xué)家發(fā)覺了最高臨界溫度為39K的超導(dǎo)化合物，接著又獲得臨界溫度高達125K的化合物超導(dǎo)體，比1911年最先發(fā)覺的超導(dǎo)體汞的臨界溫度高出120K之多?？茖W(xué)驅(qū)動——科學(xué)技術(shù)的發(fā)展固體物理、無機化學(xué)有機化學(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)的相像性各種不同材料 的共性特點 探討方法 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)覺了馬氏體相變，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鹽的分解而得到納米氧化物的方法，但也成為改進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)親密相關(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 各類材料的探討測試設(shè)備和生產(chǎn)手段也有頗多相像之處，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。 很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，達到物盡其用的目的。

從社會經(jīng)濟需求的牽引、科學(xué)技術(shù)發(fā)展的推動以及不同