材料与社会进步课件.ppt

1、1材料与社会进步材料与社会进步2一、一、 材料与材料的材料与材料的发展史发展史二、二、 “ “多姿多彩多姿多彩”的材料世界（重点）的材料世界（重点）三、三、 材料对社会的材料对社会的负面影响负面影响四、四、 结语结语汇报提纲汇报提纲31.1.材料的材料的概念概念2.2.材料的材料的重要性重要性3.3.材料的材料的发展史发展史一、材料与材料的发展史一、材料与材料的发展史41.1.材料的概念材料的概念鸟巢鸟巢5家用电器家用电器6高铁高铁7u从材料的定义可知，不是所用的物质都是材料，从材料的定义可知，不是所用的物质都是材料，即即材料材料物质物质。u根据材料的现代定义，材料有根据材料的现代定义，材料有

2、资源资源判据、判据、能源能源判判据、据、环保环保判据、判据、质量质量判据、判据、经济经济判据等五个判据来判据等五个判据来判定。判定。89u材料、能源与材料、能源与信息技术信息技术是现是现代文明的三大代文明的三大支柱，而能源支柱，而能源与信息技术的与信息技术的发展在一定程发展在一定程度上又依赖于度上又依赖于材料的进步。材料的进步。现代科技与现代现代科技与现代文明文明信信息息材材料料能能源源2. 2. 材料的重要性材料的重要性10u美国国防部美国国防部19911991年提出年提出2020项关键技术，项关键技术，有有5 5项以项以材料为主。材料为主。同年美国白宫发布美国国家关键技术同年美国白宫发布美

3、国国家关键技术项目共项目共6 6领域领域2222项关键，项关键，材料为材料为6 6领域之一领域之一。材料材料合成与加工、电子和光子材料、陶瓷复合材料、合成与加工、电子和光子材料、陶瓷复合材料、高性能金属与合金高性能金属与合金5 5项为关键项为关键。u我国我国863863高技术发展计划，高技术发展计划，材料是材料是7 7个重点之一个重点之一。重大基础研究攀登计划重大基础研究攀登计划3030个重大课题有个重大课题有7 7个与材个与材料料直接有关。直接有关。11u材料材料人类社会进步的里程碑。人类社会进步的里程碑。u从一定意义上讲，从一定意义上讲，人类社会的历史就是一部利用和人类社会的历史就是一部利

4、用和制造材料的历史制造材料的历史。正是形形色色的材料构成了世间。正是形形色色的材料构成了世间万物，人类的发明创造丰富了材料世界，而材料的万物，人类的发明创造丰富了材料世界，而材料的不断更新与发展推动了人类社会的进步。不断更新与发展推动了人类社会的进步。3. 3. 材料的发展史材料的发展史12人类、材料和技术的演变史人类、材料和技术的演变史13l 综观人类发现材料和利用材料的历史，综观人类发现材料和利用材料的历史，每一种每一种重要材料的发现和广泛利用，都会把人类支配重要材料的发现和广泛利用，都会把人类支配和改造自然的能力提高到一个新水平和改造自然的能力提高到一个新水平，给社会，给社会生产力和人类

5、生活水平带来巨大变化，把人类生产力和人类生活水平带来巨大变化，把人类的物质文明和精神文明向前推进一步。的物质文明和精神文明向前推进一步。14 人类的文明史可按使用材料的种类划分人类的文明史可按使用材料的种类划分，如石，如石器时代，陶器时代，铜器时代，铁器时代，多元材器时代，陶器时代，铜器时代，铁器时代，多元材料时代（料时代（或者石器时代、青铜器时代、铁器时代、或者石器时代、青铜器时代、铁器时代、钢铁时代、新材料时代钢铁时代、新材料时代）等。）等。 15石器时代（大约石器时代（大约100100万年前）万年前）16l 材料发展史上的第一次重大突破，是人类学会用粘土烧结制成容器。人类第一个划时代的发

6、现就是，大概在公元前50万年发现了火（我国，燧人燧人氏钻木取火氏钻木取火），结束了人类茹毛饮血的生活，由此人类开始走向文明。随着对土壤可塑性的感性认识，以及对火的使用和控制经验的积累，人类开始用粘土制作简单的原始陶器。陶器时代17世界上第一種世界上第一種人造材料人造材料-製出的陶器，盛裝液體的容器和煮食物的陶罐製出的陶器，盛裝液體的容器和煮食物的陶罐-吃不完的東西有了儲存的地方吃不完的東西有了儲存的地方-便於人們定居便於人們定居-進一步發展農牧業進一步發展農牧業-劃時代之偉大發明劃時代之偉大發明18l 随着金属冶炼技术的发展，在公元元年左右，人类掌握了通过鼓风通过鼓风提高燃烧温度的技术，发现一

7、些高温烧制的陶器，由于局部熔化而变得更加坚硬，完全改变了陶器多孔与透水的缺点而成为瓷器。这是陶器发展过程的重大飞跃，从此形成了陶器时代。19瓷器瓷器-純淨的黏土和石英、長石等原料配成泥漿，作成毛坯純淨的黏土和石英、長石等原料配成泥漿，作成毛坯-燒好粗坯，再上釉燒好粗坯，再上釉-在在13001300左右高溫下，經過複雜的化學變化，同釉密切左右高溫下，經過複雜的化學變化，同釉密切的結合而成的結合而成-質地細緻，半透明，不吸水質地細緻，半透明，不吸水从陶器到瓷器从陶器到瓷器20n 到公元前到公元前60006000年，年，人类根据长期的体验，创造了冶金术，开始了用天然矿石冶炼金属，在西亚（古巴比伦王国

8、）出现了铜制品；发展到公元前3000年，出现了铜合金(添加锡、铅的青铜)，形成了青铜器时代。由于青铜熔点低（232-750，用普通木材作燃料已可以达到此温度，因此青铜容易获得。（事实上，在此后相当长的时间内到事实上，在此后相当长的时间内到1717世纪，材世纪，材料的发展都是与人类的加热技术水平联系在一起的料的发展都是与人类的加热技术水平联系在一起的），铸造性能良好，它作为制造武器、生活用具以及生产工具等物品的材料，曾大显身手，在人类文明史上产生过重要作用。青铜器时代青铜器时代21 中国商代晚期中国商代晚期（约公元前（约公元前14至前至前11世纪）世纪）的青铜器。的青铜器。19391939年于河

9、南安阳商代晚期墓出土。因腹内壁铸有年于河南安阳商代晚期墓出土。因腹内壁铸有“司母戊司母戊”三字而得名。三字而得名。875kg,1330875kg,133011001100780mm780mm22 越王勾践剑越王勾践剑的主要的成份是铜和锡，还含有少量的铅、铁的主要的成份是铜和锡，还含有少量的铅、铁、镍和硫等，剑身的黑色菱形花纹是经过硫化处理的，剑刃精、镍和硫等，剑身的黑色菱形花纹是经过硫化处理的，剑刃精磨技艺水平可同现在精密磨床生产的产品相媲美，充分显示了磨技艺水平可同现在精密磨床生产的产品相媲美，充分显示了当时越国铸剑工匠的高超的技艺。当时越国铸剑工匠的高超的技艺。 55.7cm55.7cm，

10、875g875g23秦秦 剑剑24明永乐大钟（公元明永乐大钟（公元1418-14221418-1422年），重年），重46.5t46.5t，钟内铸钟内铸2323万经文万经文25莫斯科钟王莫斯科钟王（1733-17351733-1735），莫托林，），莫托林，193t193t，高高6.46.4米，外口径米，外口径6.66.6米米26铁器时代铁器时代l 大约在公元前大约在公元前15001500年，人类借助年，人类借助风箱（鼓风技风箱（鼓风技术）术），发明了在高温下用，发明了在高温下用木炭还原铁矿石木炭还原铁矿石生产生产铁的方法，并在半熔状态下进行锻造制作各种铁的方法，并在半熔状态下进行锻造制作各种

11、器具和武器，开创了器具和武器，开创了铁器时代铁器时代。用上述方法制。用上述方法制备的铁器，即使长期放置在大气中也基本不生备的铁器，即使长期放置在大气中也基本不生锈，它具有和青铜不同的金属光泽，强度较高，锈，它具有和青铜不同的金属光泽，强度较高，而且可加工性能良好。而且可加工性能良好。27辉县出土的辉县出土的战国战国铁制农具铁制农具n 我国在秦朝时铸造技术已达到很高的水平。我国在秦朝时铸造技术已达到很高的水平。n 铁具有比青铜更高的强度，它除可用于制造武器铁具有比青铜更高的强度，它除可用于制造武器外，还可用作结构材料制造器件。外，还可用作结构材料制造器件。28沧州铁狮子王（后周广顺三年（沧州铁狮

12、子王（后周广顺三年（953953年）年）高高5.45.4米，体长米，体长6.36.3米，宽米，宽3.153.15米，重约米，重约4040吨吨29 钢时代u到了到了1717世纪，炼铁生产趋向大型化。欧洲出现了高炉，燃料世纪，炼铁生产趋向大型化。欧洲出现了高炉，燃料还原剂由木炭改为煤炭，从还原剂由木炭改为煤炭，从1818世纪进而改为焦炭，以焦炭为世纪进而改为焦炭，以焦炭为燃料的炼铁术在欧洲得到推广应用，高炉的规模逐渐扩大，燃料的炼铁术在欧洲得到推广应用，高炉的规模逐渐扩大，产量也随之增加。产量也随之增加。u随后，当人类发现钢铁在高温下也具有高强度这一事实后，随后，当人类发现钢铁在高温下也具有高强度

13、这一事实后，便出现了以钢铁为结构材料，将蒸汽的热能转变为机械能的便出现了以钢铁为结构材料，将蒸汽的热能转变为机械能的蒸汽机。蒸汽机。从此，人类开始掌握了人工产生机械动力的方法，从此，人类开始掌握了人工产生机械动力的方法，用来开动机械设备进行大规模生产，这使人类的思想和社会用来开动机械设备进行大规模生产，这使人类的思想和社会结构发生了巨大变革。结构发生了巨大变革。30l 钢铁的使用标志着人类开始由农业经济社会进入钢铁的使用标志着人类开始由农业经济社会进入所谓工业经济的文明社会。人们称这个时期为钢所谓工业经济的文明社会。人们称这个时期为钢时代。时代。l 钢铁材料的广泛应用钢铁材料的广泛应用，导致了

14、大规模的机械化生产，极大地丰富了人类社会的物质文明，引起了第一次产业革命，即工业革命工业革命。自18世纪60年代起，英国以珍妮纺纱机珍妮纺纱机的问世为标志，开始了工业革命，到19世纪30年代蒸汽机的广泛应用、小汽车和轮船的出现，第一次产业革命基本完成，前后历时70载。31大炼钢（大跃进）l “大炼钢大炼钢”是指是指19571957年年1111月至月至19581958年年1212月期间，为了月期间，为了达到由毛泽东提出的达到由毛泽东提出的“赶英超美赶英超美”, ,在全国范围内开展在全国范围内开展的一项的一项全民炼钢全民炼钢运动。提出要在十五年内钢产量赶超运动。提出要在十五年内钢产量赶超英国。（英

15、国。（19571957年，我国钢产量年，我国钢产量535535万吨，英国万吨，英国20002000万吨）万吨）l 后来热情不断高涨，对完成这个目标的时间不断缩短。后来热情不断高涨，对完成这个目标的时间不断缩短。作为内部要求作为内部要求7 7年赶上英国，年赶上英国，8 8年或年或1010年赶上美国。年赶上美国。l 全国参与大炼钢铁的人数达到全国参与大炼钢铁的人数达到90009000多万，修建土高炉多万，修建土高炉100100多万座。多万座。323334l 经突击蛮干，经突击蛮干，19581958年年1212月月1919日党中央宣布，提前日党中央宣布，提前1212天完成钢产量翻番任务天完成钢产量翻

16、番任务（10701070万吨），万吨），钢产量为钢产量为11081108万吨，生铁产量为万吨，生铁产量为13691369万吨。实际上合格的钢万吨。实际上合格的钢只有只有800800万吨，所炼万吨，所炼300300多万吨土钢、多万吨土钢、416416万吨土铁万吨土铁根本不能用根本不能用 。估计炼钢铁在全国约损失。估计炼钢铁在全国约损失200200亿元。亿元。l 19961996年中国粗钢产量超过年中国粗钢产量超过1 1亿吨亿吨, ,首次跃居世界第一。首次跃居世界第一。20062006年中国粗钢产量年中国粗钢产量4.234.23亿吨，成为钢铁净出口国。亿吨，成为钢铁净出口国。l 20142014年

17、，中国粗钢产量年，中国粗钢产量8.28.2亿吨，中国粗钢产量占亿吨，中国粗钢产量占全球比重为全球比重为49.4%49.4%，钢铁产能过剩。，钢铁产能过剩。35新材料时代（新材料时代（多元材料多元材料时代）时代）l 进入进入2020世纪世纪9090年代，人类不断发展和研制新材料，年代，人类不断发展和研制新材料，这些新材料具有一般传统材料所不可比拟的优异这些新材料具有一般传统材料所不可比拟的优异性能性能，是发展信息、航天、能源、生物、海洋开，是发展信息、航天、能源、生物、海洋开发等高技术的重要基础，也是整个科学技术进步发等高技术的重要基础，也是整个科学技术进步的突破口。人类从此进入了的突破口。人类

18、从此进入了新材料时代。新材料时代。36l 新材料按其在不同高技术领域中的用途可分为三新材料按其在不同高技术领域中的用途可分为三大类，即大类，即信息材料信息材料、新能源材料新能源材料，以及在特殊条，以及在特殊条件下使用的件下使用的结构材料和功能材料结构材料和功能材料。如砷化镓等新。如砷化镓等新的化合物半导体材料，用于信息探测传感群的碲的化合物半导体材料，用于信息探测传感群的碲镉汞、锑化姻、硫化铅等敏感类材料，石英型光镉汞、锑化姻、硫化铅等敏感类材料，石英型光导纤维材料，非晶体太阳能电池材料，超导材料，导纤维材料，非晶体太阳能电池材料，超导材料，高温陶瓷材料，高性能复合结构材料，特别是纳高温陶瓷材

19、料，高性能复合结构材料，特别是纳米材料等等。米材料等等。37l 以半导体材料和光电子材料为代表的以半导体材料和光电子材料为代表的信息材料信息材料仍是最活跃的领域；可再生能源的加速开发、仍是最活跃的领域；可再生能源的加速开发、核能的新发展、最重要的节能材料核能的新发展、最重要的节能材料- -超导材料超导材料的室温化、提高燃效减少污染的燃料电池的开的室温化、提高燃效减少污染的燃料电池的开发等，将使能源功能材料取得突破性进展；以发等，将使能源功能材料取得突破性进展；以医用生物材料、仿生材料代表的生物材料在生医用生物材料、仿生材料代表的生物材料在生命科学的带动下将有很大发展；智能材料与智命科学的带动下

20、将有很大发展；智能材料与智能系统将受到更大重视。能系统将受到更大重视。随着资源的枯竭、环随着资源的枯竭、环境的恶化，环境材料日益受到重视境的恶化，环境材料日益受到重视。l 2121世纪将逐渐实现按需设计材料。世纪将逐渐实现按需设计材料。38二、二、“多姿多彩多姿多彩”的材料世界的材料世界1.1.材料的分类材料的分类2.2.生活中的典型材料简介生活中的典型材料简介2.1 2.1 航空材料航空材料及其发展及其发展2.2 2.2 新型建筑材料新型建筑材料钢结构钢结构2.3 2.3 新型汽车材料新型汽车材料铝、镁合金铝、镁合金2.4 2.4 博采众长的博采众长的复合材料复合材料2.5 2.5 象象“软

21、糖软糖”一样的一样的超塑性合金超塑性合金2.6 2.6 会会“记忆记忆”的合金的合金391. 1. 材料分类材料分类（1 1）按化学成分、生产过程、结构及性能特点可按化学成分、生产过程、结构及性能特点可分为三大类，即分为三大类，即金属材料金属材料、无机非金属材料无机非金属材料、有有机高分子材料机高分子材料。三大材料相互交叉、相互融合。由三大材料中任意两种或两种以上复合而成的材料称为复合材料复合材料。40（2 2）按材料使用性能或用途的侧重点不同分类：按材料使用性能或用途的侧重点不同分类：结结构材料和功能材料构材料和功能材料。l 结构材料：是着重利用其力学性能的一大类材料。结构材料：是着重利用其

22、力学性能的一大类材料。l 功能材料：功能材料是指除强度之外还具有其他功功能材料：功能材料是指除强度之外还具有其他功能的材料，即侧重于以特殊的物理、化学性能为主能的材料，即侧重于以特殊的物理、化学性能为主的材料。功能材料对外界环境具有灵敏的反应能力，的材料。功能材料对外界环境具有灵敏的反应能力，即对外界的光、热、电、压力等各种刺激可以有选即对外界的光、热、电、压力等各种刺激可以有选择地完成某些相应的动作，因而具有许多特定的功择地完成某些相应的动作，因而具有许多特定的功能。能。41（3 3）按材料）按材料应用对象应用对象的不同进行分类：结构材的不同进行分类：结构材料、电子材料、料、电子材料、航天航

23、空材料航天航空材料、汽车材料、核、汽车材料、核材料、建筑材料、包装材料、能源材料、生物材料、建筑材料、包装材料、能源材料、生物医学材料、信息材料。医学材料、信息材料。（4 4）传统材料及新型材料则是另外一种对材料）传统材料及新型材料则是另外一种对材料的分类方法。的分类方法。42 传统材料传统材料是指那些已经成熟且在工业中已批量是指那些已经成熟且在工业中已批量生产并大量应用的材料，如钢铁、水泥、塑料等。生产并大量应用的材料，如钢铁、水泥、塑料等。这类材料由于其量大、产值高、涉及面广泛，又是这类材料由于其量大、产值高、涉及面广泛，又是很多支柱产业的基础，所以又称为很多支柱产业的基础，所以又称为基础

24、材料基础材料。 新型材料新型材料( (先进材料先进材料) )是指那些正在发展，且具是指那些正在发展，且具有优异性能和应用前景的一类材料。有优异性能和应用前景的一类材料。43 新型材料新型材料与与传统材料传统材料之间并没有明显的界限，之间并没有明显的界限，传统材料通过采用新技术，提高性能，大幅度增传统材料通过采用新技术，提高性能，大幅度增加附加值而成为新型材料；新材料在经过长期生加附加值而成为新型材料；新材料在经过长期生产与应用之后也就成为传统材料。传统材料是发产与应用之后也就成为传统材料。传统材料是发展新材料和高技术的基础，而新型材料又往往能展新材料和高技术的基础，而新型材料又往往能推动传统材

25、料的进一步发展。推动传统材料的进一步发展。44l 航空材料是制造航空器、航空发动机和机载设航空材料是制造航空器、航空发动机和机载设备等所用各类材料的总称备等所用各类材料的总称。l 航空材料与航空技术的关系极为密切，航空材航空材料与航空技术的关系极为密切，航空材料在航空产品发展中具有极其重要的地位和作料在航空产品发展中具有极其重要的地位和作用；航空材料既是研制生产航空产品的物质保用；航空材料既是研制生产航空产品的物质保障，又是推动航空产品更新换代的技术基础。障，又是推动航空产品更新换代的技术基础。2.1 2.1 航空材料及其发展航空材料及其发展2. 2. 生活中的生活中的典型材料简介典型材料简介

26、45（1 1）航空产品特殊的工作环境对航空材料的性能要求集）航空产品特殊的工作环境对航空材料的性能要求集中表现在中表现在“轻质高强、高温耐蚀轻质高强、高温耐蚀”。l 所谓所谓“轻质高强轻质高强”是指，要求材料的比强度高，即要是指，要求材料的比强度高，即要求材料不但强度（静强度高、能承受大过载、疲劳强求材料不但强度（静强度高、能承受大过载、疲劳强度高）高而且密度小。航空工业有一句口号叫做度高）高而且密度小。航空工业有一句口号叫做“为为每一克减重而奋斗每一克减重而奋斗”，反映了减重对于航空产品的重，反映了减重对于航空产品的重大经济意义。而且材料减重对飞机减重的贡献也越来大经济意义。而且材料减重对飞

27、机减重的贡献也越来越大，所以轻质高强是航空材料必须满足的首要性能越大，所以轻质高强是航空材料必须满足的首要性能要求。要求。2.1.1 2.1.1 航空材料的性能要求航空材料的性能要求46飞行器结构减重带来的效飞行器结构减重带来的效益益机种机种小型民小型民用飞机用飞机直升直升机机先进先进战斗机战斗机商用商用运输机运输机超音速超音速与高超与高超音速运输机音速运输机航天航天飞机飞机美元美元/ /磅磅50300400800300030000磅磅=453.59237克克 47l “高温耐蚀高温耐蚀”的的“高温高温”是指航空材料要能耐是指航空材料要能耐受较高的工作温度。对机身材料，气动力加热受较高的工作温

28、度。对机身材料，气动力加热效应使表面温度升高，需要结构材料具有好的效应使表面温度升高，需要结构材料具有好的高温强度；对发动机材料，要求涡轮盘和涡轮高温强度；对发动机材料，要求涡轮盘和涡轮叶片材料要有好的高温强度和耐高温腐蚀性能。叶片材料要有好的高温强度和耐高温腐蚀性能。“耐蚀耐蚀”是指航空材料要有优良的抗腐蚀，特是指航空材料要有优良的抗腐蚀，特别是抗应力腐蚀、腐蚀疲劳的能力。别是抗应力腐蚀、腐蚀疲劳的能力。48（2 2）航空产品的高可靠性、多样性对航空材料）航空产品的高可靠性、多样性对航空材料提出了更高的质量要求。提出了更高的质量要求。l 航空器是技术密集、高集成度的复杂产品，只航空器是技术密

29、集、高集成度的复杂产品，只有采用质地优良的航空材料才能制造出安全可有采用质地优良的航空材料才能制造出安全可靠、性能优良的飞机、发动机。靠、性能优良的飞机、发动机。l 航空产品的多样性和小批量生产，导致了航空航空产品的多样性和小批量生产，导致了航空材料研制和生产上的多品种、多规格、小批量、材料研制和生产上的多品种、多规格、小批量、技术质量要求高等特点。技术质量要求高等特点。49（3 3）航空产品降低成本的需求导致要发展低成本）航空产品降低成本的需求导致要发展低成本航空材料。航空材料。l 新型号的先进飞机价格不断攀升，各航空技术领先的国家和地区都先后对航空产品提出了“买得买得起起”的要求。而材料在

30、航空产品的成本和价格构成中占有相当份额，所以科学地选材和努力发展低成本材料技术是航空材料发展的重要方向。50B-2B-2“幽灵幽灵”(Spirit)(Spirit)隐形轰炸隐形轰炸机机造价：造价：2424亿美元亿美元51F-22“F-22“猛禽猛禽”(Raptor) (Raptor) 战斗机战斗机造价：造价：3.53.5亿美元亿美元52（1 1） 飞机结构材料的演飞机结构材料的演变变2.1.2 2.1.2 航空材料的演变航空材料的演变53图图 飞行者一号（复制品）飞行者一号（复制品）莱特兄弟莱特兄弟 早期飞机早期飞机(1903(1903年）的结构以年）的结构以木材、蒙布、金属丝木材、蒙布、金属

31、丝绑扎绑扎而成，后来又发展为木材与金属的混合结构。而成，后来又发展为木材与金属的混合结构。54l 到了二十世纪三十年代，随着铝合金材料的发展，到了二十世纪三十年代，随着铝合金材料的发展，全金属承力蒙皮全金属承力蒙皮逐渐成为普遍的结构形式。逐渐成为普遍的结构形式。Me 109Me 109型战斗机（德国，型战斗机（德国，19351935年）年）55l 二十世纪三、四十年代，镁合金开始进入航空二十世纪三、四十年代，镁合金开始进入航空结构材料的行列。结构材料的行列。l 四、五十年代，不锈钢成为航空结构材料。四、五十年代，不锈钢成为航空结构材料。l 到五十年代中期开始出现钛合金，并被用于飞到五十年代中期

32、开始出现钛合金，并被用于飞机的高温部位。机的高温部位。l 二十世纪六十年代，开发出树脂基先进复合材二十世纪六十年代，开发出树脂基先进复合材料，后来在树脂基复合材料的基础上又出现了料，后来在树脂基复合材料的基础上又出现了金属基复合材料。金属基复合材料。56l 现代飞机大量采用新材料。如现代飞机大量采用新材料。如F-14F-14的机体结构中的机体结构中有有25%25%的钛合金、的钛合金、15%15%的钢、的钢、36%36%的铝合金、还有的铝合金、还有4%4%的非金属材料和的非金属材料和20%20%的复合材料。的复合材料。图图 F-14F-14“雄猫雄猫”可变后掠翼战斗可变后掠翼战斗机机577877

33、87梦想飞机是第一个由梦想飞机是第一个由复合材料制作复合材料制作的中远程航线的中远程航线飞机，飞机，“是商业航空史自波音是商业航空史自波音707707喷气式客机以来最喷气式客机以来最大的创新大的创新”。58l 作为全球第一款以作为全球第一款以碳纤维合成物为主体材料碳纤维合成物为主体材料的民的民用喷气客机，波音用喷气客机，波音787787机体结构的机体结构的50%50%左右左右都用更都用更轻、更坚固的碳纤维材料制作。轻、更坚固的碳纤维材料制作。787787飞机的飞机的整个机整个机身、机翼、尾翼和发动机舱都用复合材料制成。身、机翼、尾翼和发动机舱都用复合材料制成。l 碳纤维合成物制作的机身还能减轻

34、飞机重量，耗碳纤维合成物制作的机身还能减轻飞机重量，耗油量也随之减少油量也随之减少2020左右，左右，787787可持续飞行可持续飞行1.5751.575万公里不需加油。万公里不需加油。 59 从各种材料的角度分析，今后航空产品结构从各种材料的角度分析，今后航空产品结构用材的发展趋势是：用材的发展趋势是：l 铝合金铝合金在相当长的时期内，仍将是亚音速飞机在相当长的时期内，仍将是亚音速飞机和低超音速飞机的主要结构用材之一。和低超音速飞机的主要结构用材之一。l 一些新型超高强度钢一些新型超高强度钢在今后仍然还会是起落架、在今后仍然还会是起落架、主要接头、隔框等一些主要承力构件的备选材料。主要接头、

35、隔框等一些主要承力构件的备选材料。 60l 钛合金钛合金在飞机结构用材中所占的重要地位已确定在飞机结构用材中所占的重要地位已确定无疑，但是钛合金的较贵的价格和较差的工艺性，无疑，但是钛合金的较贵的价格和较差的工艺性，是影响使用的很大因素。是影响使用的很大因素。l 由于由于先进复合材料先进复合材料具有比钢、铝、钛高得多的比具有比钢、铝、钛高得多的比强度、比模量和耐疲劳等优点，在未来高性能的强度、比模量和耐疲劳等优点，在未来高性能的飞机结构材料中，先进复合材料将会占据越来越飞机结构材料中，先进复合材料将会占据越来越重要的地位，甚至完全有可能出现重要的地位，甚至完全有可能出现全复合材料结全复合材料结

36、构的飞机构的飞机。61（2 2）航空发动机用材的演变）航空发动机用材的演变n无论是军用还是民用飞机的性能相当大的程度无论是军用还是民用飞机的性能相当大的程度上取决于发动机的水平，而高温结构材料又发上取决于发动机的水平，而高温结构材料又发动机的核心材料。动机的核心材料。62F119发动机（发动机（F/A-22用）用）63l 早期的活塞式发动机的结构材料以早期的活塞式发动机的结构材料以普通碳普通碳素钢素钢为主。为主。l 涡轮喷气发动机（包括涡轮风扇发动机和涡轮喷气发动机（包括涡轮风扇发动机和涡轮桨叶发动机）的性能水平很大程度上涡轮桨叶发动机）的性能水平很大程度上依赖于依赖于高温材料高温材料的发展。

37、其中尤以涡轮部的发展。其中尤以涡轮部件材料最为关键：件材料最为关键：64u 涡轮叶片材料涡轮叶片材料 在二十世纪四十年代，尽管喷气式发动在二十世纪四十年代，尽管喷气式发动机的原理早已提出，但由于没有合适的高温机的原理早已提出，但由于没有合适的高温材料用于制造涡轮，所以发展迟缓。到五十材料用于制造涡轮，所以发展迟缓。到五十年代初，英国的年代初，英国的WhiteWhite公司开发出了公司开发出了镍基高温镍基高温合金合金。到六十年代，开始使用真空熔炼方法。到六十年代，开始使用真空熔炼方法制造高温合金，合金的纯度得到提高，性能制造高温合金，合金的纯度得到提高，性能更好。七十年代，开发出定向凝固、单晶铸

38、更好。七十年代，开发出定向凝固、单晶铸造等高温部件制造工艺，使叶片的最高工作造等高温部件制造工艺，使叶片的最高工作温度和耐疲劳性能进一步提高。温度和耐疲劳性能进一步提高。65u 涡轮盘材料涡轮盘材料二十世纪四十年代的涡轮进口温度约为二十世纪四十年代的涡轮进口温度约为800800900900，采用了，采用了16-25-616-25-6铁基合金。铁基合金。五十年代，随着涡轮进口温度提高到五十年代，随着涡轮进口温度提高到950950，出，出现了沉淀硬化合金，应用沉淀强化原理使合现了沉淀硬化合金，应用沉淀强化原理使合金具有更高的高温强度。金具有更高的高温强度。到七十年代，进口温度提高到了到七十年代，进

39、口温度提高到了12401240，出现了，出现了Rene 95Rene 95合金和粉末冶金高温合金。合金和粉末冶金高温合金。66l 对航空产品性能的要求日益攀升，要求使用推对航空产品性能的要求日益攀升，要求使用推重比更高、经济性更好的航空发动机。军用发重比更高、经济性更好的航空发动机。军用发动机的推重比已经达到动机的推重比已经达到1010，如美国的，如美国的F119F119发动发动机已装备了机已装备了F22F22战斗机。大推力涡轮风扇发动战斗机。大推力涡轮风扇发动机如机如GE90GE90、PW4073/4084PW4073/4084、Trent800Trent800等早已为等早已为B777B77

40、7、A330A330等大型宽体客机所选用。等大型宽体客机所选用。67l 在这些先进航空发动机中，在这些先进航空发动机中，高温材料高温材料仍属于核仍属于核心技术。如军用发动机中的高温钛合金（压气心技术。如军用发动机中的高温钛合金（压气机盘和叶片）、高温合金板材（燃烧室）和粉机盘和叶片）、高温合金板材（燃烧室）和粉末冶金材料和单晶叶片材料（涡轮）等，民用末冶金材料和单晶叶片材料（涡轮）等，民用发动机中使用的单晶叶片材料和粉末高温合金发动机中使用的单晶叶片材料和粉末高温合金涡轮盘材料。涡轮盘材料。682.2 新型建筑材料新型建筑材料-钢结构钢结构世界贸易中世界贸易中心心69l 世界贸易中心原为美国纽

41、约的地标之一，原址位于世界贸易中心原为美国纽约的地标之一，原址位于美国的纽约市曼哈顿岛西南端，建于美国的纽约市曼哈顿岛西南端，建于19621962年年19761976年。占地年。占地6.56.5公顷，由两座公顷，由两座110110层层高高411.5411.5米米的塔式的塔式摩天楼，每幢摩天楼面积摩天楼，每幢摩天楼面积46.646.6万平方米。大楼采用万平方米。大楼采用钢架结构，用钢钢架结构，用钢7.87.8万吨万吨，楼的外围有密置的钢柱，楼的外围有密置的钢柱，墙面由铝板和玻璃窗组成，有墙面由铝板和玻璃窗组成，有“世界之窗世界之窗”之称。之称。日常在世贸中心工作的人数在日常在世贸中心工作的人数在

42、5 5万左右，每天又平万左右，每天又平均有约均有约1515万人参观世贸中心。万人参观世贸中心。70n 钢结构是指用钢板和热轧、冷弯或焊接型材通过连钢结构是指用钢板和热轧、冷弯或焊接型材通过连接件连接而成的能承受和传递荷载的结构形式。接件连接而成的能承受和传递荷载的结构形式。n 钢结构体系具有自重轻、工厂化制造、安装快捷、钢结构体系具有自重轻、工厂化制造、安装快捷、施工周期短、抗震性能好、投资回收快、环境污染施工周期短、抗震性能好、投资回收快、环境污染少等综合优势，与钢筋混凝土结构相比，更具有在少等综合优势，与钢筋混凝土结构相比，更具有在“高、大、轻高、大、轻”三个方面发展的独特优势。三个方面发

43、展的独特优势。n 钢结构建筑已成为国际现代化都市建筑发展的主流，钢结构建筑已成为国际现代化都市建筑发展的主流，特别是随着结构解析和钢构技术的提升，这种趋势特别是随着结构解析和钢构技术的提升，这种趋势更加明显。更加明显。71l世界贸易中心在世界贸易中心在2001年年9月月11日的日的“9.11恐怖袭恐怖袭击事件击事件”中坍塌。中坍塌。72n 至少有至少有200200名消防人员在纽约世贸中心爆炸事件名消防人员在纽约世贸中心爆炸事件中丧生，中丧生，266266名乘客和机组人员在坠毁的飞机中名乘客和机组人员在坠毁的飞机中丧生，整体的死亡人数超过丧生，整体的死亡人数超过30003000人。人。n 纵观纵

44、观911911事件，值得深思的是，从建筑设计与事件，值得深思的是，从建筑设计与结构上世贸中心双塔楼这样的钢铁混凝土巨人结构上世贸中心双塔楼这样的钢铁混凝土巨人为什么经受不起一架飞机的袭击为什么经受不起一架飞机的袭击? ?此外，在遭到此外，在遭到庞大的波音庞大的波音767767飞机高速撞击后，塔楼为什么没飞机高速撞击后，塔楼为什么没有马上坍塌？这些都与双塔楼本身以及所使用有马上坍塌？这些都与双塔楼本身以及所使用的材料有关。的材料有关。73被撞击后，非常集中的力被被撞击后，非常集中的力被钢管和混凝土的弯曲、扭曲钢管和混凝土的弯曲、扭曲和局部撕裂所吸收。和局部撕裂所吸收。外壁钢管受到的载荷被重新外壁

45、钢管受到的载荷被重新分配到临近的其它钢管上。分配到临近的其它钢管上。整个世贸的结构设计把受到整个世贸的结构设计把受到的冲击能量迅速消散掉了。的冲击能量迅速消散掉了。飞机没有撞倒世贸大厦飞机没有撞倒世贸大厦74扩散型火焰扩散型火焰0.1-10 W/cm2低燃烧温度低燃烧温度非化学计量比非化学计量比世贸大火是燃油世贸大火是燃油过量的非化学计过量的非化学计量比燃烧，温度量比燃烧，温度大概在大概在825825，远远低 于 钢 的 熔 点低 于 钢 的 熔 点15001500，因此，因此，钢管没有熔化。钢管没有熔化。75世贸大厦钢管没有被大火熔化，但在高温下，钢管世贸大厦钢管没有被大火熔化，但在高温下，

46、钢管的强度大大降低了，大约只有室温强度的的强度大大降低了，大约只有室温强度的30304040，所以钢管的强度被大大弱化了。所以钢管的强度被大大弱化了。外壁温度低，内部温度高，大的温度梯度造成外壁外壁温度低，内部温度高，大的温度梯度造成外壁与内部热膨胀的失配。与内部热膨胀的失配。较长的地板托梁各部分受到的热量是不一致的。较长的地板托梁各部分受到的热量是不一致的。钢管强度的弱化，结构完整性的破坏和弯曲引起的钢管强度的弱化，结构完整性的破坏和弯曲引起的形变是大厦倒塌的主要原因。形变是大厦倒塌的主要原因。76高热量的火高热量的火焰迅速扩散焰迅速扩散77结构单元开始结构单元开始变形，松弛并变形，松弛并下

47、垂下垂78强度弱化和变形引强度弱化和变形引起横梁与钢管脱离起横梁与钢管脱离79坠落的横梁坠落的横梁冲击下面的冲击下面的横梁并使其横梁并使其脱离钢管脱离钢管强度弱化，失去横强度弱化，失去横梁支撑的外壁钢管梁支撑的外壁钢管变形弯曲变形弯曲80冲击改变了横梁承受的载荷冲击改变了横梁承受的载荷大火弱化了横梁的强度并使其扭曲大火弱化了横梁的强度并使其扭曲某些楼层地板横梁发生弯曲某些楼层地板横梁发生弯曲坠落的楼层地板横梁冲击下面的楼层坠落的楼层地板横梁冲击下面的楼层多米诺骨牌效应，一层接一层坍塌，最终引起大多米诺骨牌效应，一层接一层坍塌，最终引起大厦垂直坍塌厦垂直坍塌结构单元开始失效，使钢管失去支撑结构单

48、元开始失效，使钢管失去支撑81l 911911事件使得人们对钢结构建筑的防火心存疑虑，事件使得人们对钢结构建筑的防火心存疑虑，而建筑行业普遍关心的，除防火外，还有防腐问而建筑行业普遍关心的，除防火外，还有防腐问题。事实上，随着建筑设计能力的不断提高和新题。事实上，随着建筑设计能力的不断提高和新型防火、防腐材料的出现，钢结构防火防腐问题型防火、防腐材料的出现，钢结构防火防腐问题已经得到较好解决已经得到较好解决( (已不再是世贸大厦建造那个年已不再是世贸大厦建造那个年代，即代，即3030多年前的情况了多年前的情况了) )。82l 超级钢超级钢，19951995年日本发生阪神大地震，当地钢铁建年日本

49、发生阪神大地震，当地钢铁建筑毁于一旦，引发日本学界对钢铁材料重要性的思筑毁于一旦，引发日本学界对钢铁材料重要性的思考。为了适应未来发展，很多学者提出要开发更坚考。为了适应未来发展，很多学者提出要开发更坚固的钢铁材料，这是研发固的钢铁材料，这是研发“超级钢铁超级钢铁”的起源。的起源。l 日本从日本从19971997年开始研究具有高强度和长寿命的年开始研究具有高强度和长寿命的“超超级钢铁级钢铁”。提出的口号是开发出强度为现代钢铁的。提出的口号是开发出强度为现代钢铁的2 2倍，寿命也为倍，寿命也为2 2倍的超级钢铁。倍的超级钢铁。83超级钢铁超级钢铁- -研究内容：研究内容：把在日本利用最广泛的低碳

50、素钢铁把在日本利用最广泛的低碳素钢铁SM 490SM 490的强的强度提升度提升2 2倍，并保证其可以焊接使用；倍，并保证其可以焊接使用； 将螺栓的强度提升到将螺栓的强度提升到180O MPa180O MPa； 为了提高热效率，将用于制造火力发电设备的为了提高热效率，将用于制造火力发电设备的钢的耐热温度从钢的耐热温度从600600提升到提升到650650； 制造不易生锈的钢铁。制造不易生锈的钢铁。 84超级钢铁超级钢铁- -主要技术：主要技术：微粒钢，就是应用了微粒钢，就是应用了“超级钢铁超级钢铁”的部分技术。的部分技术。 “超级钢铁超级钢铁”利用废铁取代部分铁矿石进口。利用废铁取代部分铁矿石