浅谈材料科学与工程

浅谈材料科学与工程章明秋（中山大学化学与化学工程学院材料科学研究所聚合物复合材料及功能材料教育部重点实验室）2004年1月9日•材料的定义：经过某中加工（包括开采和运输），具有一定组分、结构和性能、并适用于一定用途的物质。•劳动制成产品：•物质→产品（简单的、低性能的）•物质→材料→产品（复杂的、高级的）•材料的分类：•金属材料，有机高分子材料，无机材料（化学分类）•结构材料，功能材料（用途分类）按技术分类的材料•信息材料：–检测与传感；传输材料；存储材料；运算与处理材料。•能源材料：–新能源材料、节能材料、储能材料。•生物医用材料：–医用金属和合金；医用高分子生物材料；医用生物陶瓷；医用复合生物材料。离子键半导体硅酸盐陶瓷黏土共价键金属键范氏键高分子价键四面体•材料对社会发展的推动作用：材料一直是人类进步的里程碑，如石器时代、青铜器时代、铁器时代。从农业社会到工业社会的转变是由于钢铁、水泥等的广泛应用，从工业社会到信息社会的转变则是以半导体硅材料的应用为基础的。反之，一些技术由于材料开发的延缓而未能实现（如：光电转换与太阳能）。•材料研究的发展：–“拾柴禾”农业社会–“拾柴禾”、“抄菜”工业社会–“拾柴禾”、“抄菜”、“量体裁衣”信息社会•材料科学与工程的形成：上世纪五十年代末、六十年代初，原来分属不同学科的知识融合的理由在于（1）各类材料的研究可以互相借鉴；（2）有利于相互替代和最佳选材；（3）有利于开发复合材料。使用性能性质组成与结构合成与制备基础学科（数、理、化、生、地）成分-结构-性能（性能的表征与检测）工艺流程（制备科学与工艺）实际应用（信息、能源、交通运输、机械制造）金属材料黑色金属有色金属（非铁材料）钢铸铁碳素钢合金钢灰铸铁可锻铸铁球墨铸铁蠕墨铸铁特殊性能铸铁轻金属重金属贵金属类金属稀有金属金属材料的基本特性•结合键为金属键，常规方法生产的金属为晶体。•金属在常温下一般为固体，熔点较高。•具有金属光泽。•纯金属塑性、延展性大。•强度较高。•因自由电子的存在，金属的导热和导电性好。•多数金属在空气中易被氧化。无机非金属材料水泥玻璃砖及耐火材料陶瓷传统陶瓷特种陶瓷陶瓷日用陶瓷建筑卫生陶瓷电器绝缘瓷耐酸陶瓷过滤陶瓷高温陶瓷电容器瓷电压陶瓷磁性瓷导电陶瓷功能陶瓷工程结构陶瓷工程陶瓷无机非金属材料主要是硅酸盐材料，经原料处理-成型-煅烧制得。陶瓷的基本特性•化学键主要是离子键、共价键以及它们的混合键。•硬而脆、韧性低、抗压不抗拉、对缺陷敏感。•熔点较高，具有优良的耐高温、抗氧化性能。•自由电子数目少，导热性和导电性较小。•耐化学腐蚀。•耐磨损。•成型方式为粉末制坯、烧结成型。高分子复合材料科学与工程•高分子：千万个小分子通过化学聚合反应联结而成的大分子化合物，故又名聚合物或高聚物。通常分为塑料、橡胶和纤维。•1850年之前：天然聚合物的利用和组成的阐明（蚕丝、天然橡胶、桐油等），如1839年Goodyear发明橡胶硫化加工。•1850~1930年：天然和合成的聚合物材料结构确定，以及加工设备的开发。如注射成型、电木（酚醛树脂的合成）。•1930~1980年：大多数塑料在此期间问世，如尼龙。•合成材料→复合材料时代•单一材料很难满足多种要求；•生产周期长、成本高；•通过复合得到原组分所不具备的性能（双金属片）•复合效应包括线性效应和非线性效应•线性效应：平均效应，平行效应，相补效应，相抵效应Pc=VRPR+VMPMAB优点缺点优点缺点IIIIIIIV非线性效应：乘积效应、系统效应、诱导效应、共振效应A相性质(X/Y)B相性质(Y/Z)乘积性质(X/Y)压磁效应磁阻效应压阻效应压磁效应磁电效应压电效应压电效应场致发光压力发光效应磁致伸缩压阻效应磁阻效应光导效应电致伸缩光致伸缩闪烁效应光导效应辐射诱导导电热致变形压敏电阻热阻效应•天然复合材料：木材（木纤维+木质素），骨骼（骨纤维+骨质素）微观复合材料：碳钢（纯铁+渗碳体），增韧聚苯乙烯，纤维增强塑料宏观复合材料（制品）：钢筋混凝土，旋翼叶片行业实例飞机制造机翼，机身，起落架，垂直尾翼汽车制造车身，灯壳罩，保险杠造船船壳体，甲板，桅杆化工管道，储油罐，压力容器家具椅子，桌子，梯子，台板，住房电气工业仪器面盘，配电盘，绝缘材料运动器材钓鱼杆，高尔夫球杆，滑雪板，赛艇纤维增强复合材料的构成•一维：单向•二维：织物•三维：准各向同性纤维增强复合材料纤维增强剂碳纤维玻璃纤维热固性高分子（环氧树脂等）热塑性高分子（聚乙烯、尼龙等）基体具有相同弯曲刚度板材的比较材料类型模量，GPa比重,g/cm3相对厚度相对重量金属钢铝210737.82.711.47.83.8航空用高分子复合材料准各向同性单向401201.61.61.71.22.71.9航天用高分子复合材料单向3001.60.91.4热固性和热塑性高分子的差异热塑性高分子热固性高分子韧脆使用温度较高使用温度较低（半）机械化批量生产手工成型使用寿命长使用寿命短可循环使用不可循环使用固化时间短（仅与温度有关）固化时间长（与温度和温度有关）水分难以渗透吸湿尺寸稳定固化时收缩较大无毒性未固化前有毒性纤维增强高分子复合材料的生产和使用情况低劳动强度制品中等劳动强度制品高劳动强度制品热塑性复合材料制品合计231.2253.8317.4161.7964.124%26%33%17%100%1999年欧共体复合材料制品市场分析（x1000吨）预浸料形变模式和流动机制树脂粘度和成型时间对复合材料微观结构的影响纤维长度对复合材料加工性能和力学性能的影响纤维长度对高分子复合材料性能的影响热塑性高分子复合材料成型技术特点纤维增强热塑性高分子复合材料板材成型纤维增强热塑性高分子复合材料型材成型可持续发展与绿色材料•从1987年联合国环境与发展委员会发表《我们共同的未来》到1992年里约热内卢联合国环境与发展大会，人类社会进入了“保护自然，崇尚自然，促进持续发展”为核心的绿色时代。（崇拜、征服、崇尚（尊重））•可持续发展已由理论研究发展到国家乃至国际政治生活的重要组成部分。•如同工业革命的兴起，代表着人类对自身、自然以及人与自然间关系认识的一次飞跃，可持续发展已不止是一种思潮，而且是人类认识论和实践的革命。•实证主义和还原注意无法掌握动态、有机联系的整体规律。可持续发展思潮是对几个世纪以来处统治地位的实证主义科学的质疑，从而建立“整体科学”。可持续发展“生态主义”（反科学主义）特征“技术万能论”人类能通过自身创造力有选择地采用技术，反对极端的“生态主义”人文主义思潮及启蒙运动科学主义不可持续发展•材料生产方法及储运管理和使用不当带来严重问题，如氟里昂破坏臭氧层，CO2引起温室效应（发电厂27%，工厂23%，家庭17%）。•废弃物占用良田，造成污染（毒性、易燃、腐蚀、传染、反应、放射性）现代化思维方式和现代技术体系物质财富的增长与人类生存基础的危机经济增长存在着极限•绿色材料：在制备、生产、使用过程中，能耗低、噪音小、无毒性，并对环境无害的材料及其制成品。内容涉及材料设计、生产、运输、销售、使用和处理各环节。•在材料选用和产品设计中融入环境协调性思想；•在结构设计中体现接生资源观念；•将材料使用后处理看作设计的重要前提；•充分重视新科学和新技术；•利用先进的设计手段；•规范材料设计、生产、使用和处理标准。材料设计与环境意识A:不考虑环境因素B:考虑环境因素“道生一，一生二，二生三，三生万物。万物负阴而抱阳，中气以为和”（见：《老子》）TheBlindMenTryingtoSizeuptheElephant盲人摸象谢谢！