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1、高分子材料概论,Engineering,Science,绪 论,材料的定义与分类,材料的地位和作用,材料科学与工程的形成和发展,材料的定义,材料是人类用于制造机器、构件和产品的物质，是人类赖以生存和发展的物质基础。,新材料的定义,新材料，主要是指那些正在发展，且具有优,异 性能和应用前景的一类材料。为了规范新材料的含义，一般把具备以下三个条件之一的材料称为新材料。,新出现或正在发展中的具有传统材料所不具备,的优良性能的材料。,如：,新材料的定义高技术发展需要，具有特殊性能的材料。,形状记忆合金飞船网状自展天线,卫星的太阳能电池板自动打开,新材料的定义由于采用新技术（工艺、装备）明显提高了性能，
2、或者出现了新的功能的材料。如：超级钢、纳米材料等。,碳纳米管，抗拉强度为钢40倍,材料的分类,分类一：按组成与结构划分,无机非金属材料,金属材料,高分子材料,复合材料,材料,材料,航空航天材料能源材料生物医用材料,材料的分类分类二：按用途分电子信息材料,材料的分类,材料,结构材料,功能材料,分类三：按性能分,隐身战斗机,材料的分类,分类三：按性能分,功能材料,热散射雷达能量散射,吸收隐形战机,雷达发射能量雷达隐形飞机的原理吸波材料,功能材料,材料的分类分类三：按性能分,LED,集成电路芯片单晶硅形状记忆材料,材料,传统材料新材料,材料的分类分类四：按应用与发展分普,通钢管,纳米铜,超导电缆,能
3、源,材料,信息,新技术革命,新材料,信息技术 生物技术,材料的地位和作用当代文明,材料是人类社会发展的基础和先导，是人类社会进步的里程碑和划时代的标志。,材料是人类社会进步的里程碑,材料是经济和社会发展的基础和先导,新材料技术是工业革命和产业发展的先导新材料技术是社会现代化的先导,新材料技术是一切工业发展的关键共性基础,材料在人类社会发展进程中的地位和作用,材料是人类社会进步的里程碑人类使用不同材料的开始时间,100 万年前公元前 5000 年公元前 1200 年公元 0 年公元 1800 年公元 1950 年20 世纪初21 世纪,石器陶器青铜铁器水泥钢硅高分子材料先进复合材料,材料是人类社
4、会进步的里程碑,10000,2020,工程材料历史随时间推移的相对重要性示意图（时间是非线形的）,材料是人类社会进步的里程碑,人类利用材料的历史，就是一部人类进化和进步的历史。,纵观人类利用材料的历史，可以清楚地看到，每一种重要新材料的发现和应用，都把人类支配自然的能力提高到一个新的水平。材料科学技术的每一次重大突破都会引起生产技术的重大变革，甚至引起一次世界性的技术革命，大大地加速社会发展的进程，给社会生产力和人类生活带来巨,大变革，把人类物质文明推向前进。,材料是人类社会进步的里程碑,1763发电机,蒸气机1820,1946，美国计算机,新材料是经济和社会发展的基础和先导,新材料技术是工业
5、革命和产业发展的先导,新材料技术是社会现代化的先导,新材料技术是一切工业发展的关键共性基础,两次工业革命都是以新材料的发明和广泛应用为先导,第一次工业革命（18世纪）：制钢工业的发展为蒸,汽机的发明和应用奠定了物质基础。,第二次工业革命（20世纪中叶以来）：单晶硅材料,对电子技术的发明和应用起了核心作用。,新材料技术是工业革命和产业发展的先导,0,2,864,新材料技术是工业革命和产业发展的先导10,1600,1700,1800,1900,2000,年份材料强度密度比在不同年代里的进展(由图中可以看出,现代先进材料的强度已比原始材料提高了约50倍),铝,木材石料 青铜,铸铁,钢,芳香族酰胺纤维
6、碳纤维复合材料,强度/密度（ln10 6),发动机工作温度（）,120010008006004002000,新材料技术是工业革命和产业发展的先导1400,1900,1920,1940,1960,1980,2000,年份在本世纪内由于采用了现代材料使发动机工作温度急剧上升，因而发动机的理论效率大大提高。,现代涡轮喷气发动机蒸汽机30年代气冷式航空发动机,燃料消耗公斤/马力小时,新材料技术是工业革命和产业发展的先导燃油消耗与工作温度的关系,0.40.3,0,2,4,6,8,10,12,14,16,18,压缩比,81610931371,16490.20.10,座mile/Usgal,年份航空材料的发
7、展与飞机的燃放,1965,1955,1970,1960,1990,1975 1980,1995 2000,1985,201950,新材料技术是工业革命和产业发展的先导12011010090807060504030,1093,1649,538,19270C,新材料技术是工业革命和产业发展的先导一次大战水冷式1490C30年代空冷式3150C风扇喷气发动机6490C蜗轮喷气发动机10930C超音速燃烧冲压,式喷气发动机,温度（0C）发动机工作温度,工作温度/,新材料技术是工业革命和产业发展的先导,陶瓷,碳/碳复合材料,陶瓷基复合材料,金属基,金属间化合物及其复合材料,2204,1649,10935
8、37,复合材料传统材料,（钛合金和高温合金）100比强度/MPa(gcm-3)-1不同材料的比强度和工作温度的比较,14,12,比强度,8,10,6,4,0,2,0,1,2,3,4,铝,不锈钢,先进碳碳材料高温合金,新材料技术是工业革命和产业发展的先导树脂基复合材料钛基复合材料铝基复合材料钛,马赫数不同材料的比强度与之对应的马赫数,使用温度/,新材料技术是工业革命和产业发展的先导,高温MMC纤维增韧聚合物（高温）,C/CCMC,金属/超耐热合金低温MMC纤维增韧,1227727227,1727,聚合物1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020年代,在先进发动机上各类高
9、温复合材料的,应用年代预测,应用材料镍基合金镍基合金镍基合金镍基合金镍基合金镍基合金Ti-MMCNiAl-IMMCNiAl-IMMC,CMCCMCCMCTi-MMC,CMC,发动机部件风扇高压压气机燃烧室低压涡轮高压涡轮喷管风扇高压压气机燃烧室低压涡轮高压涡轮喷管,年代1989水平2010年水平（高温）,新材料技术是工业革命和产业发展的先导民航飞机发动机用先进材料的发展,材料的表面温度(),1950 1960,1970,1980 1990 2000 2010,2020,13001100900,纤维增强超级合金,新材料技术是工业革命和产业发展的先导17001500,在发动机上应用的年份叶片材料的
10、发展历程,温度（0C）不同类型的飞行器蒙皮温度,新材料技术是工业革命和产业发展的先导,30年代教练机二次大战战斗机80年代截击机航天飞机东方快车号,1093,1649,538,490C93.30C4270C,10930C,16490C,飞行速度,100,101,102,103,104,105,减轻结构所得经济效益（相对值）飞行器减重1Kg所获得的经济效益与飞行速度的关系,新材料技术是工业革命和产业发展的先导航天飞机同步轨道卫星近地对道卫星超音速飞机垂直起降机战斗机波音707民航客机运输机直升机小型民用飞机,2197,飞船返回舱舱体温度情况,1100,1100,12001800,1001200,
11、410950,400,新材料技术是工业革命和产业发展的先导,金属,玻璃纤维,Kavlar,C/C复合材料,导弹射程,新材料技术是工业革命和产业发展的先导火箭壳体材料与导弹射程+595+390+175Km,我国长征火箭由铝合金（744Kg）换成复合材料343Kg，射程增加1476km。,lg切削速度（m/min.）,1750,1800,1850,1900,1950,2000,年份,新材料技术是工业革命和产业发展的先导各种切削刀具材料的切削速度的发展趋势32.82.62.42.221.81.61.41.21,产生磁场/T,液氢,料制,体燃,发动机,列车,磁分离装置,小型,中容量永磁飞轮,发动机,电
12、流引线悬浮轴承,研究用 马达磁体 品液小容量永磁飞轮磁屏蔽,1996,2000,2005,0,5,4,32制品1 搬运装置,高温超导块材的应用领域的扩大与其产生磁场的关系,新材料技术是工业革命和产业发展的先导6悬浮,新材料技术是社会现代化的先导,21世纪重点发展的高技术领域的进展,与趋势,21世纪重点发展的高技术领域的材料,选择,新材料技术是高技术发展的基础,探,质,索,探索,宇宙,本,物,命,生,术,技,学,科,料,材,新,质,结,索,学,技,术,探,构,生,物,科,科,学,技,术,空,间,空间,海,洋,科,技,学,探,索,海,洋,奥,秘,术,高技术体系示意图,21世纪重点发展的高技术领域的
13、进展与趋势实现人类可持续发展,新能源与再生能源信息科学技术人探索智力环境科学技术探求人类与环境和谐共存方式,21世纪重点发展的高技术领域的进展与趋势信息科学技术正在发生结构性变革，仍然是经济持续增长的主导力量通信网络技术为信息产业注入强大活力宽带通信已成为国际上应用最广的通信技术半导体技术进入纳米时代计算机智能技术日新月异,通信网络技术,纳米半导体,宽带通信技术,21世纪重点发展的高技术领域的进展与趋势生物技术正经历着一场前所未有的技术革命，一个庞大的生物产业正在孕育和形成基因组学、蛋白质科学、干细胞及再生医学的研究成为生命科学的前沿与热点干细胞及再生医学的研究及应用为人类健康开辟了新道路生物
14、芯片在医疗和科研领域发挥巨大作用转基因技术及应用呈现出高速发展的态势,干细胞,生物芯片,转基因食品,21世纪重点发展的高技术领域的进展与趋势航天技术快速发展，不断开辟人类探索的新空间太空探索带动太空探索技术加速发展研制多种用途的人货分离的新一代航天飞行器成未来趋势小卫星技术日趋成熟并将广泛应用太空攻防技术成为未来航天技术发展的重要领域,杨利伟在太空,空中行走,小卫星,21世纪重点发展的高技术领域的进展与趋势能源技术将变革未来社会的动力基础，促进人类实现可持续发展煤炭的高效清洁利用成为化石能源技术研发热点核能技术酝酿新的突破氢能技术研发和商业应用加速新能源和可再生能源技术展现良好前景天然气水合物
15、的开发受到重视用能技术发展前景广阔,核电站,可燃冰,燃料电池车,21世纪重点发展的高技术领域的进展与趋势先进制造技术向绿色制造、高技术化、信息化、极端制造方向发展，成为提升产业竞争力的关键技术光机电一体化技术微电子光刻技术重大装备制造技术,数控机床,光刻机,新材料技术出现群体性突破，将对21世纪基础科学,和几乎所有工业领域产生革命性影响,纳米技术是前沿技术中最具前瞻性和带动性的领域之一光电子材料、光子材料将成为发展最快和最有前途的电子信息材料。,新型功能材料（超导材料、智能材料、生物医用材料）及其应用技术面临新的突破,新型结构材料（高温合金、难熔金属、金属间化合物、金属基复合材料、高分子材料、
16、钛合金、镁合金）发展前景乐观,21世纪重点发展的高技术领域的进展与趋势,信息科学技术新能源科学技术生物科学技术空间科学技术生态环境科学技术,信息材料新能源材料生物医用材料空间技术用材料生态环境材料,用高技术改造、更新现有材料，发展材料科学技术,21世纪重点发展的高技术领域的材料选择,M,108,106,105,小,新材料技术是高技术发展的基础,1071041031021011,(b)1960 1970 1980,MOS存储器双极存储器(a)MOS逻辑器双极逻辑,二 维SSI MSI LSI VLSI年份,三 维,界面最103102 特征101 长度1（）1990,每个芯片上的元件数,2007年
17、每片集成电路芯片上元件的数量已达 109个，而最小特征尺寸已减小到0.07um以下。,信息科学技术信息材料,(mm),相,极大(10-7),2,对,0.2,(美分),8,值,线宽（，M),0.35,新材料技术是高技术发展的基础,晶,片,直,径,电子管 1948 1958 半导体器件102晶体管 集成电路 大规模(103-105)100超大规模(106-107)10-2芯片价格10-4 0.005器件尺寸1.210-60.510-810-101940 1950 1960 1970 1980 1990年 代,300250200150100502000,信息科学技术信息材料,目前集成电路的特征尺寸达
18、0.07um以下，晶片直径达到450mm。,1021,106104,108,同轴电缆一对12路电话线第一条电话,同轴电缆与微波系统,通讯卫星,光导纤维,1890 1910 1930 1950 1970 1990 2010 2030 2050年份不同通讯方式的相对信息量,相对,信息量,新材料技术是高技术发展的基础,信息,科学技术,信息材料,新材料技术是高技术发展的基础信,息科学,技,术,信息材料,硅技术,纳米器件,分子器件,1940,1960,1980,2000,2020,年代,宏观mm,微观um,纳米nm,纳米发动机组装纳米汽车,光导纤维发展历程,年代第一代,波长（）0.85,模数多模,光纤损
19、耗 中继距离（db/km）（km）2-5 8-10,应用年代1978,材料SiO2,第二代,1.3,多模,1,10-20,1982,第三代第四代第五代,1.31.551.552.5,单模单模单模单模,0.4 20-400.2 800.01-0.001 可达 400310-4 2500,1983正在应用21 世纪,SiO2+Ga,P多组分玻璃多组分玻璃+Er氟化玻璃,新材料技术是高技术发展的基础,信,息科学技,术,信息材料,新材料技术是高技术发展的基础,信息科学技术信息材料,硅片表面颗粒度指标,用于传感器的无机非金属敏感材料,探测性能氧含量湿度酸度压力温度电压PTC 热敏电阻化学光学,原理体离子
20、导电表面离子导电表面化学反应压电热电晶界面隧道晶界面相变表面电子导电光电阻,材料Zr1-CaO2-MgCr2O4TiO2IrO2-PbZr1-TiO3PbZr1-TiO3ZnOBi2O3Ba1-CeTiO3ZnOCuOCdS,信息科学技术信息材料,新型二次电池,252244321240791697,120181189160345377,2.11.351.701.52.14.1,PbO2NiOOHNiOOHNiOOHSLiCoO2,PbCdZnMHNaLiC6,铅酸电池镍镉电池锌镍电池镍氢电池硫钠电池锂电池,比能量/AhKg-1,比容量/AhKg-1,电压/V,电性能（理论值）,正极,物质,电池
21、系列 负极,物质,新能源科学技术-新能源材料典型的二次电池体系,锂电池的应用,固体氧化物,碱性,磷酸,熔融碳酸盐,质子交换膜,新能源科学技术-新能源材料,燃料电池,生物医用材料,生物陶瓷氧化铝、氧化锆、磷酸钙、碳素,医用高分子医用聚乙烯、聚氨酯、聚硅氧烷,生物衍生材料猪心瓣膜、再生胶原、壳聚糖、凝胶,医用复合材料羟基磷石灰增强聚乙烯碳纤维增强聚乳酸,生物科学技术-生物医用材料医用金属及合金医用不锈钢医用钴基合金医用钛及钛合金,新材料技术是高技术发展的基础,生物科学技术-生物医用材料,新材料技术是高技术发展的基础,空间科学技术-空间技术用材料,比常规铝合金减轻结构材料质量比常规铝合金减轻结构材料
22、质量使液氢和液氧贮箱比比常规铝合金减轻结构材料质量抗拉强度比电铸镍提高满足泵壳体及涡轮壳体成形要求分别与Incoloy903和Mar-M246相当满足液氢泵诱导轮成形要求减轻发动机机架结构质量比镍基高温合金涡轮盘减轻结构质量性能分别与BHC-25、BHC-16相当性能分别与BHJI-1、BHJI-6相当,1）高强轻质铝合金2）高性能碳-环氧复合材料1）高强可焊Al-Li合金2）高性能碳-环氧复合材料1）电铸镍锰合金材料2）GH4169合金材料3）新型高温合金材料4）低温（-253）钛合金5）高强钛合金薄壁管材6）Ti3Al及其复合材料1）新型不锈钢材料2）新型铸造不锈钢材料,箭体结构推进剂贮箱
23、液氢-液氧火箭发动机液氧-煤油火箭发动机,技术要求,材,料,应用部位,空间科学技术-空间技术用材料新一代运载火箭对新材料的要求,1997,1978,1972 1976,1977,1998,1993,F-22,F-16 F/A-18A/B,苏-27CK F-15,新歼,歼8,第四代,第三代,第二代,代机型,首飞,材料类别,1541539,49121524,643330,37.325.85.531.4,60151015,852103,5522419,铝合金钛合金钢其他,空间科学技术-空间技术用材料为满足战斗机的使用要求，钛合金取代铝合金，成为机体结构材料的主体。战斗机机体结构材料用材用量分布,碳纤
24、维复合材料高模碳纤维、铝蜂窝夹心高模碳纤维铝蜂窝5A06（LF06）铝镁合金2A12T4高强铝合金ZM5镁合金TC4TB2,天线反射器太阳能电池阵结构承力筒蜂窝夹层板结构返回舱仪器舱相机支架气球、球底、支架表面张力箱,材,料,结,构,空间科学技术-空间技术用材料我国通讯卫星采用的主要结构材料,1990,2000,2050,1,趋势增长00亿,62亿全球气温变暖(气温上升1C，海平面上升20cm)废弃物问题,(气温上升3C，海平面上升60cm)石油与天然气枯竭,世,界,人口 矿物资源枯竭食物短缺,2100 年份,人类面临的资源和环境问题,新材料技术是高技术发展的基础生态环境材料科学技术全球气温显
25、著变暖,矿产品年产量2.24657.41109.99195.75.094.5511.029.93176.911588.21,单位亿吨万吨万吨万吨万吨万吨万吨万吨吨吨,不变消耗速度计可采年限204348324714511532242373,保有储量457.0722.913512.39278.1740.54525.32355.49234.283992.6115819,矿产铁矿铝土矿铅矿锌矿镍矿钨矿锡矿锑矿金矿银矿,新材料技术是高技术发展的基础生态环境材料科学技术我国主要矿产的开采年限（2000统计）,能源、健康,工业原料,工程材料,产品设计制造装配,再生循环,分类/再制造,制备原材料,矿产,制备,
26、开采,农业、建筑、环境国防、信息、交通废料材料的全生命循环周期,新材料技术是高技术发展的基础,生态环境材,料科,学技术,新材料技术是高技术发展的基础,资源能源消耗最小,回收利用,使用性能最佳,各 种材 料,矿产,资源污染排放最少生态环境材料科学技术废弃物可再生,改进材料体系及其制备技术实例废料循环使用通用合金、通用树脂低合金度合金净终成形技术、软溶液制备技术可降解塑料废弃物资源化无铅焊料、非铅基压电陶瓷超级金属长寿命金属材料及高分子材料,研究方向现场循环利用再生循环利用减少枯竭资源元素使用降低污染能耗降低污染程度废弃物综合利用去除有毒有害元素提高材料性能延长材料使用寿命,设计原则减少资源和能源
27、消耗减少污染排放提高材料使用价值,新材料技术是高技术发展的基础生态环境材料科学技术-材料的环境协调性评价典型的材料环境协调性研究分类,高炉,转炉,连铸,热连轧,冷连轧,产品,焦化,烧结,废钢,钢铁工业循环工艺流程,发电厂,开发节约资源、低污染的生产流程煤气,水泥厂,废渣,废塑料,新材料技术是高技术发展的基础生态环境材料科学技术,新材料技术是高技术发展的基础,开发节约资源、低污染的生产流程,钢铁工业循环,工艺流程,实施循环经济实际效果比较,生态环境材料科学技术,新材料技术是高技术发展的基础,发展环境友好材料,如：发展以锂离子电池、燃料电池为代表的新能源材料，,以替代污染环境的铅蓄电池和镍镉电池；
28、发展无铅焊料和无铅压电陶瓷；,采用玉米、秸秆等生物材料开发可降解环保餐具。发展镁合金，用于通讯工具壳体材料，可降低使用者,的电磁辐射。,生态环境材料科学技术,新材料技术是高技术发展的基础,生态环境科学技术纳米TiO2光催化,纳米Ag的消毒杀菌,发展环境友好材料,新材料技术是一切工业发展的关键共性基础新材料技术出现群体性突破，将对21世纪所有工业领域产生革命性的影响，成为一切工业的关键共性基础。,如,纳米材料,超导材料,先进结构材料,新材料技术是一切工业发展的关键共性基础,纳米材料,微观领域,宏观领域,m,),0,以量子力学为代表，研究物质基本粒子的科学问题。,以经典物理为代表，研究均相物质的基
29、本科学问题,介观领域,1nm,100nm,对由有限个原子组成的非均相物质，如何分析其特殊的科学规律？,10211102110211021,10211cm 36000m 2121021条81021个,11cm 36cm 2128,个数总体积总面积棱边数顶角数,纳米材料1nm,新材料技术是一切工业发展的关键共性基础,特点之一:表面效应1cm,新材料技术是一切工业发展的关键共性基础,纳米材料,特点之一:表面效应,表面原子随颗粒粒径的变化规律,表面原子数/总原子数90804020102,总原子数302504003104251043107,粒径（nm）1251020100,特点之一:表面效应,纳米材料,
30、新材料技术是一切工业发展的关键共性基础,特点之二：小尺寸效应,随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变，由于颗粒尺寸变小所引起宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。,颗粒大小金熔点,常态1064,10nm1037,2nm327,纳米材料,新材料技术是一切工业发展的关键共性基础,特点之三:量子效应,对纳米颗粒而言，大块材料中连续的能带将分裂为分立的能级，能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子效应。粒径小于20nm的纳米银会变成绝缘体。原本导电的铜到某一纳米界限就不导电。,纳米材料,新材料技术
31、是一切工业发展的关键共性基础,新材料技术是一切工业发展的关键共性基础纳米技术,检测金属毒性的纳米传感器纳米发动机组装的纳米汽车,单电子晶体管结构检测单分子的纳米传感器,新材料技术是一切工业发展的关键共性基础,纳米药物,纳米技术,新材料技术是一切工业发展的关键共性基础超导材料,YBCO,RE2O3,CeO2,YSZ,LMO,STO,MgO，YSZ，GZO，TiNPolycrystalline Substrate:SS,Hastelloy,Ag钇钡铜氧,转变温度,TC,20 Hg Pb,Nb3Sn,V3Si,1987,MWNTs,Hg-Ba-Ca-Cu-OTl-Ba-Ca-Cu-OBi-Sr-Ca
32、-Cu-O,液氮,Nb,Ba-Ca-Cu-OY-Ba-Cu-O,La-Ba-Cu-O#Mg-BLa-Ba-Cu-O液氦#加压,?Hg-Ba-Ca-Cu-O#Ba-Ca-Cu-O#,La-Ba-Cu-O#Nb3GeNbCNb-Al-Ge1940 1960 1980 2000年代,604001900 1920,14012010080,(K)180160,新材料技术是一切工业发展的关键共性基础,超导材料甲烷,新材料技术是一切工业发展的关键共性基础,目前正向低成本实用化方向发展，并,将在能源、信息、交通、仪器等领域有重大应用。,超导电缆,磁悬浮列车,核磁共振设备,超导材料,新材料技术是一切工业发展的关
33、键共性基础,如高性能铝/镁合金材料，在航天,航空、交通工具、国防军工、3C产品等领域应用也越来越广泛。,先进结构材料,新材料技术是一切工业发展的关键共性基础,如高性能复合材料，在航天航空、,交通工具、国防军工等领域应用也越来越广泛。,先进结构材料,C/C复合材料用于飞机刹车副,陶瓷基复合材料用于火箭喷嘴,小结,上述事例雄辩的表明，新材料在人类社会进步、产业革命和提高人类生活品质中具有特别重要的基础和先导作用，其发展对提高国家的综合国力具有巨大的推动作用和深远影响。,材料科学与工程的形成和发展,需求牵引社,会经济的需求,科学驱动科,学技术的发展,MSEMSE 从何而来,1980,1970,196
34、0,1990,2000,2010,501950,需求牵引社会经济的需求0新材料与材料的改进,29%13%,年 代,先进的结构概念自动化设计有效载荷控制及机翼隐蔽,10飞机 20减重 3040,需求牵引社会经济的需求,B-777上用的先进材料,各种材料在波音787飞机上的应用,需求牵引社会经济的需求,射程(公里),导弹壳体材料与射程的关系示意图,金属,玻璃钢,芳纶(+630),复合材料,长征火箭壳体：铝合金744Kg；碳纤维401Kg；两者相比，碳纤维减重343Kg；射程增加1476Km,需求牵引社会经济的需求,中国：铝合金80100Kg10,汽车轻量化,需求牵引社会经济的需求汽车每降低100K
35、g，燃油减少0.5-0.8L,并减少相应的CO2排放。铁合金60%-75%15%-20%低合金高强钢塑料10%-20%其它约5日本：铝合金130Kg,奥迪A8,需求牵引社会经济的需求宝马5系轿车铝前端,钢制车身全铝车身,轮毂,离合器,油泵,齿轮箱,刹车板,方向盘,座椅架仪表盘,发动机,进气歧管,转向柱,北美：超过100种，单车5.826.3 kg。欧洲：超过60种，单车9.3-20.3kg。,降低自重,节约能源,保护环境,可用160公斤减重10,燃料节约,8亿立升,CO2减排1400万吨,需求牵引社会经济的需求镁合金在汽车上的运用范围也越来越广泛,科学驱动科学技术的发展,为了满足经济和社会的需
36、求,人们早已大量使用材,料,并推动材料的不断发展。,但20世纪之前的材料进步往往大量依靠人们的经验、技巧、继承和积累,发展的速度还是缓慢的,其原因在于人们还没有对材料在科学上有深刻的认识和理解。,直到20世纪60年代才提出“材料科学”的概念，“材料科学”的形成实际上也是科学技术发展的结果。,19世纪,热力学,电磁学,化学原子论,X射线,放射性,电子,20世纪前30年,相对论,量子力学,20世纪,诺贝尔物理、化学奖获得者的研究成果,科学驱动科学技术的发展MSE,科学驱动科学技术的发展,诺贝尔物理获得者的研究成果,20世纪,X,光,晶体衍射,合金,中,的,反常性质,高压,对,材,料的作用,物,质,
37、凝,聚态理论,半,导,体晶体管,1914 1920,固体激光,反,铁磁现象,非,晶态,中,的,电子性状,相,变的,研,究,取得成功,30K,的,超,导氧化物,第,一块芯片,1946 1956 1962 1964 1970 1977 1982 1987 1996获奖年份,诺贝尔化学奖获得者的研究成果,20世纪,物质,低,温物性研究,化学键,高分子塑料,导电高分子,有机,物,的三维构象,1949 1953,高,分子聚合物,1954 1963 1969 2000获奖年份,科学驱动科学技术的发展,科学驱动科学技术的发展,从1980年至1987年，基础材料科学连续三年取得,三项举世公认的重大进展，并获得
38、了诺贝尔物理学奖学金：,量子霍尔效应的发现,1980年，在对电子沿半导体表面运动作基础研究时，发现了一种出乎预料的全新的效应量子霍尔效应（几乎完全不存在电阻），如图所示。,科学驱动科学技术的发展,实验工作完全凭借了材料科学与工程在表面制备方面取得的最新进展使表面性质得到极其精确的控制才顺利进行的。,量子霍尔效应,科学驱动科学技术的发展,扫描隧道显微镜,上世纪年代初期扫描隧道显微镜研制成功。该显微镜基于一种微妙的量子力学效应，即能量低于势垒顶的电子的隧道效应，可精确得出了关于单个原子在表面上位置的息，用它来可检测出数量级为正常原子间距的位移量。,扫描隧道显微镜操控原子排列成“IBM”字样,科学驱
39、动科学技术的发展,超导材料的新进展,1986年，科学家发现了最高临界温度为39K的超导化合物，接着又获得临界温度高达125K的化合物超导体，比1911年最先发现的超导体汞的临界温度高出120K之多。,科学驱动科学技术的发展,固体物理、无机化学有机化学、物理化学,冶金学、金属学陶瓷学、高分子学,物质结构和物性,材料的制备、结构与性能,材,料科,学金属材料、高分子材料与陶瓷材料之间的共性规律,应用上相互取代性,科学驱动科学技术的发展形成,材料科学与工程的,必要性,制备方法分析测试手段,结构的相似性各种不同材料的共性特点研究方法如：尺度上,科学驱动科学技术的发展,马氏体相变本是金属学提出，广泛用于钢
40、热处理的理论基础，但在氧化锆陶瓷中也发现了马氏体相变，并用来作为陶瓷增韧的一种有效手段。,溶胶凝胶法是利用金属有机盐的分解而得到纳米氧化物的,方法，但也成为改进陶瓷性能的有效途径。,各类材料研究均涉及从微观、介观到宏观等不同尺,度，它们的宏观性能均与材料的微观、介观的组织、结构密切相关。,如：金属轧制过程的分析；,如：复合材料的断裂行为分析；,科学驱动科学技术的发展,各类材料的研究测试设备和生产手段也有颇多相似之处，例如，电子显微镜、表面测试及物性与力学性能测试设备等。,许多不同类型的材料可以相互替代和补充，能更加发挥各种材料的优越性，达到物尽其用的目的。,从社会经济需求的牵引、科学技术发展的
41、推动以及不同材料的诸多共性来看，有必要形成一门材料科学。,材料科学往往被理解为研究材料的组织、结构和性质的关系，探索自然规律，这属于基础研究；但实际上，研究和发展材料的目的在于应用。材料又是一门应用科学，研究材料必须通过合理工艺流程才能制备出具有实际价值的材料来，即材料工程问题。,小结,材料科学与工程的定义,材料科学与工程就是指出研究有关材料的,组成、结构、制备工艺流程与材料性能和,用途关系的知识和它的应用。,合成/制备,结构/成分,性质,材料科学与工程的内涵效能a,理论及材料与工艺设计,基本性能,制备与加工,效能(使用性能),受环境影响（气氛、温度、受力状态）组织结构,b成分,材料科学与工程
42、的内涵,材料科学与工程的三个重要属性,一是多学科交叉。它是物理学、化学、冶金学、金属学、陶瓷学、高分子化学及计算科学相互融合和交叉的结果；,二是一种与实际使用结合非常紧密的科学。发展材料科学的目的在于开发新材料，提高材料的性能和质量，合理使用材料，同时降低材料成本和减少污染；,三是材料科学是一个正在发展中的科学。不像物理学、化学已有很成熟的体系，它将随着各有关学科的发展而得到充实和发展。,材料科学与工程的形成和发展,材料科学与工程学科的形成与发展，反映了学科发展从细分到整合（综合）的基本规律。,年1865187918791884188418881888189018901927192719371
43、9371966196619751975现在,系名称地质与采矿工程采矿工程采矿工程（地质、采矿、冶金）采矿与冶金采矿工程与冶金采矿与冶金冶金冶金与材料科学材料科学与工程,材料科学与工程的形成和发展美国MIT矿冶及材料系名称的演变,材料科学与工程的形成和发展中国材料学科二级学科分类表材料学科,金属材料,与热,处理,钢铁冶金,有色金属,冶金,冶金物理,化学,金属压力,加工,无机非金,属材,料,硅 高酸 分盐 子工 材,程 料与,工程,粉末冶金,复合材料,腐蚀与防,护,材料科学,与工,程,复 铸 焊合 造 接材料,材料和材料学,功能性,能,社会,自然科学,现象,社,会现象自然,需要成,果反馈,社会科学
44、,环境,输入,系统,输出,学科,现象,材料科学与工程的形成和发展,结论,不同的材料二级学科曾为社会培养了大量的专业人才；,已不能满足21世纪人才培养的需求，必须进行改革；,按照“四要素”原则重新构建材料科学与工程的大材料学科。,材料科学与工程的形成和发展,材,料科学与工程,使用,加工性能结构,四要素,陶瓷,电子材料,金属,高分子材料,材料科学与工程的纵向或横向分类方法,材料科学与工程的形成和发展材料科学与工程,材料科学与工程的形成和发展,美国的全面领先战略,欧盟的前沿技术发展战略,日本的重点跨越战略,韩国的国际争先战略,中国的中长期科技发展规划,俄罗斯的新材料与化学工艺等9个优先发展方向材料科学与工程研究占重要地位,材料科学与工程的形成和发展,材料科学家和材料工程师的使命,从电子和原子尺寸微观尺度、到介观和宏观尺度去研究材料;,材料研究工作者形成共识:四个要素缺一不可;,需要多学科多领域材料工作者的团结协作,共同推动材料的不断进步;,e d,Th,oo,r to,EESMopeningisMSE,
