1、1新材料制备与加工Manufacture and Processing of Advanced Materials学学 时：时：2727授课时间：授课时间：2-92-9周周主讲教师：李静媛主讲教师：李静媛2人类用以制造用于生活和生产的器件、产品等的物质材料材料金属材料无机非金属材料高分子材料复合材料材料材料航天航空材料化工材料机械工程材料建筑材料电子信息材料能源材料生态环境材料生物医用材料（按结构分）（按结构分）（按用途分）（按用途分）3材料技术o制备技术制备技术o成形与加工技术成形与加工技术o改质改性技术改质改性技术o防护技术防护技术o评价表征技术评价表征技术o模拟仿真技术模拟仿真技术o检测
2、与监控技术检测与监控技术关于材料制备、成形与加工、表征与评价，以关于材料制备、成形与加工、表征与评价，以及材料的使用和保护的知识、经验和诀窍及材料的使用和保护的知识、经验和诀窍4材料加工技术现代材料科学与工程由四个基本要素组成现代材料科学与工程由四个基本要素组成1) 材料的成分与结构材料的成分与结构2) 材料的性质材料的性质3) 材料的制备与加工工艺（技术）材料的制备与加工工艺（技术）4) 材料的使用性能材料的使用性能使用性能使用性能性质性质成分与结构成分与结构制备与加工制备与加工5材料制备与加工技术的发展趋势 过程综合过程综合 技术综合技术综合 学科综合学科综合6现代高新技术的进步离不开新材
3、料的发展，而大多数新材料从其诞生到走向市场，通常需要一个很长的过程，材料的制备与加工工艺在这一过程中起着决定性的作用。制制 备备 与与加工技术加工技术新材料新材料诞诞 生生走向走向市场市场很长的时间很长的时间材料材料组织组织材料材料性能性能7本课程的特点以新材料的特点、制备与加工方法、应用以新材料的特点、制备与加工方法、应用领域及发展前景为主线条，介绍讲解有关领域及发展前景为主线条，介绍讲解有关新材料的制备与加工的研究成果。新材料的制备与加工的研究成果。通过本课程的学习，建立起材料的制备通过本课程的学习，建立起材料的制备与加工方法在新材料开发与应用之间起与加工方法在新材料开发与应用之间起着重要
4、桥梁作用的概念，从而在新材料着重要桥梁作用的概念，从而在新材料设计、制备与加工全过程方面的研究奠设计、制备与加工全过程方面的研究奠定一定的基础。定一定的基础。8本课程的内容第1章新材料加工技术的现状与展望第2章超导材料的制备与加工第3章超塑性材料的制备与加工第4章非晶态材料的制备与加工第5章高强度钛合金的制备与加工第6章变形镁合金的制备与加工第7章减振钢板的制备与加工第8章爆炸复合板的制备与加工第9章复合材料的制备与加工第10章半固态材料的制备与加工91.1 新材料的概念新材料的概念1.2 新型结构材料新型结构材料1.3 新型功能材料新型功能材料1.4 新材料研究中的几个活跃问题新材料研究中的
5、几个活跃问题1.5 新材料制备与加工技术的现状与展望新材料制备与加工技术的现状与展望第1章 新材料加工技术的现状和展望10 1.1 1.1 新材料的概念新材料的概念新材料：具有优异的性能而正在开发或有发展新材料：具有优异的性能而正在开发或有发展前景的一类材料前景的一类材料。 新材料是高技术的一个组成部分，具有高技术产业的特新材料是高技术的一个组成部分，具有高技术产业的特点：点： 高效益高效益 高智力高智力 高投入高投入 高竞争高竞争 高风险高风险 高势能高势能1.1 新材料的概念新材料的概念11 1.2 1.2 新型结构材料新型结构材料1.2.1 1.2.1 铝锂合金铝锂合金 1.2 新型结构
6、材料新型结构材料 锂在铝中的固溶度高锂在铝中的固溶度高 锂密度低，可大幅提高铝合金比强度锂密度低，可大幅提高铝合金比强度在铝中固溶度超过1%原子的元素有8个，锂是其中的一个。固溶度比锂高的只有三个。锂属稀有金属，位于碱金属之首，是最轻的金属，其密度仅有0.531g/cm3。铝中每增加1%的锂，可使密度降低3%，弹性模量增加6%，折换成比弹性模量可增加9%。因而含3%锂的铝合金，比强度可提高2040%，比刚度可提高2030%，一架波音747-200可减轻重量5吨，年获利上千万美元。121.2 新型结构材料新型结构材料 1.2.2 1.2.2 金属间化合物金属间化合物 高温合金是航空发动机的关键材
7、料高温合金是航空发动机的关键材料 金属间化合物的突破使高温合金上了一个金属间化合物的突破使高温合金上了一个 新的台阶。新的台阶。限制：材料熔点 合金化程度高温合金性能提高潜力不大金属间化合物优异的耐高温性能引起广泛重视Ni3Al、NiAlTi3Al、TiAlFe3Al、FeAl131.2 新型结构材料新型结构材料合合 金金熔点熔点（）弹性模量弹性模量（GPa）密度密度（kg/m3）TiAl14601.703.91Ti3Al16001.454.20NiAl16402.955.86Ni3Al13901.797.50FeAl125014002.615.56Fe3Al15401.416.72高温合金高
8、温合金14002.008.00几种金属间化合物的物理性能几种金属间化合物的物理性能14 1.2.3 1.2.3 先进结构陶瓷先进结构陶瓷 是高温、高强度中最有发展前途的一是高温、高强度中最有发展前途的一类材料。类材料。缺缺 点：点：脆性、价格高，缺乏竞争力脆性、价格高，缺乏竞争力目前应用：目前应用：刀具、模具、汽车发动机零件刀具、模具、汽车发动机零件未来应用：未来应用：汽车绝热发动机汽车绝热发动机 工业燃气轮机工业燃气轮机1.2 新型结构材料新型结构材料1516陶瓷轴承陶瓷轴承药机磨桶药机磨桶陶瓷轧辊陶瓷轧辊陶瓷刀片陶瓷刀片ZrO2陶瓷应用例陶瓷应用例1.2 新型结构材料新型结构材料17 1.
9、2.4 工程塑料工程塑料 工程塑料以代替金属为目的的，适工程塑料以代替金属为目的的，适用于结构与机械部件的高性能塑料。用于结构与机械部件的高性能塑料。目前工程塑料强度：目前工程塑料强度：50MPa 耐高温：耐高温：150经过挤压大变形所形成的高分子纤维，是目前所有经过挤压大变形所形成的高分子纤维，是目前所有材料中比强度最高的材料中比强度最高的可以实现用分子设计手段控制材料的性能可以实现用分子设计手段控制材料的性能汽车上的应用：汽车上的应用：7%1.2 新型结构材料新型结构材料181.2.5 复合材料复合材料结构材料的最主要发展趋势结构材料的最主要发展趋势单一材料复合材料性能优化发挥长处克服不足
10、独自特性应用广泛 性能不同强度、塑性韧性、耐热耐磨、耐蚀应用受到限制1.2 新型结构材料新型结构材料19典型的复合材料典型的复合材料轻金属基复合材料（增强材料：碳纤维、硼纤维、轻金属基复合材料（增强材料：碳纤维、硼纤维、 SiC纤维、纤维、Al2O3纤维）纤维）: 1500层状复合材料层状复合材料1.2 新型结构材料新型结构材料20先进复合材料先进复合材料：纤维增强复合材料存在的问题存在的问题： 不同组元间的结合性能不同组元间的结合性能 价格高价格高 连接技术难以解决连接技术难以解决1.2 新型结构材料新型结构材料21长纤维增强型树脂（塑料）水润滑轴承长纤维增强型树脂（塑料）水润滑轴承质量轻、
11、售价低、省油质量轻、售价低、省油1.2 新型结构材料新型结构材料22 1.2.6 1.2.6 高耐磨耐腐蚀材料高耐磨耐腐蚀材料 要求越来越高要求越来越高最具发展前途的是：最具发展前途的是： 表面涂层表面涂层 表面合金化（激光处理、离子注入）表面合金化（激光处理、离子注入） 表面耐磨耐腐蚀材料的层状复合表面耐磨耐腐蚀材料的层状复合使用寿命提高使用寿命提高10001000倍（工具钢）倍（工具钢）100100倍（硬质合金）倍（硬质合金）提高车削精度提高车削精度提高智能加工线效率提高智能加工线效率刀具材料刀具材料金刚石膜金刚石膜复合复合刀具刀具1.2 新型结构材料新型结构材料231.3 新型功能材料新
12、型功能材料1.3.1 信息材料信息材料1.3 新型功能材料新型功能材料信息信息材料材料信息的：信息的： 获取获取 传输传输 存储存储 显示显示 处理处理 应用领域应用领域计算机技术计算机技术通讯技术通讯技术控制技术控制技术24电子管计电子管计算机与普算机与普通微机一通微机一些参数的些参数的对比对比 计算机计算机体积缩小体积缩小重量降低重量降低可靠性提高可靠性提高功能强大功能强大价格降低价格降低半导体半导体材材 料料集成电路集成电路制造工艺制造工艺普及到世界普及到世界 各个角落各个角落人类文明人类文明 发生飞跃发生飞跃1.3 新型功能材料新型功能材料25(1) 半导体材料 目前所用材料目前所用材
13、料仍以硅单晶为主仍以硅单晶为主（95%以上）但质量要求以上）但质量要求更高，单晶直径还要加大。更高，单晶直径还要加大。 GaAs是仅次于硅的一种半导体材料，与硅相比，是仅次于硅的一种半导体材料，与硅相比，GaAs具有具有耐高温、耐高频、受激发光耐高温、耐高频、受激发光等更优异的性能，因此等更优异的性能，因此有利于发展高密度、高速度芯片。有利于发展高密度、高速度芯片。 近年来，近年来，多孔硅多孔硅的发现，使其有可能在光电子学中得到的发现，使其有可能在光电子学中得到应用。应用。1.3 新型功能材料新型功能材料26磁盘磁盘磁带磁带光盘光盘磁光盘磁光盘铁电铁电薄膜薄膜(2) 存储纪录材料1.3 新型功
14、能材料新型功能材料27 计算机控制技术主要依赖于敏感元件，计算机控制技术主要依赖于敏感元件，很多敏感材料属于很多敏感材料属于氧化物陶瓷氧化物陶瓷，但是，但是有机有机物物也可以作为敏感材料来使用，如人体的也可以作为敏感材料来使用，如人体的各种感知，都靠有机体的分子来进行识别。各种感知，都靠有机体的分子来进行识别。金属金属敏感材料中最典型的是形状记忆合金。敏感材料中最典型的是形状记忆合金。(3) 敏感材料与敏感元件1.3 新型功能材料新型功能材料281.3 新型功能材料新型功能材料29(4) 光导纤维医用内窥镜医用内窥镜石英光导纤维管石英光导纤维管1.3 新型功能材料新型功能材料30不同通讯方式相
15、对信息总量随年代的变化1.3 新型功能材料新型功能材料31光导纤维主要的性能指标为每公里信息光导纤维主要的性能指标为每公里信息的衰减率，目前已达到的衰减率，目前已达到0.16分贝分贝/千米，千米，材料为掺杂石英纤维材料为掺杂石英纤维目前其衰减率已接近理论值（目前其衰减率已接近理论值（0.1分贝分贝/千米），要寻求线路损耗更低的光纤可千米），要寻求线路损耗更低的光纤可能是卤素化合物能是卤素化合物若能达到若能达到10-310-4分贝分贝/千米，则可以直千米，则可以直通通2500千米而中间不需放大了千米而中间不需放大了1.3 新型功能材料新型功能材料321.3.2 超导材料超导材料目前Hg-Ca-B
16、a-Cu-O的超导转变温度已达到136K，在高压下可达164K。由于高温氧化物超导材料的超导转变温度超过了77.3K（液氮温度），使其在液氮中得以实现，且液氮资源丰富、成本低廉，因此，从技术经济角度上为新型氧化物超导材料的实用化提供了可靠的保障。1911年：水银年：水银 ：4.2K 1973年：年：Nb3Ge：23.2K1986年年 ：Ba-La-Cu-O ：35K1.3 新型功能材料新型功能材料33 超导材料的应用领域 节能 发电机，超导电缆，超导磁贮能，电机，变压器，电流限制器 新能源开发 核聚变，MHD发电（磁流体发电机） 高磁场的利用 磁悬浮列车，电磁推进船，核磁共振装置（MRI） ，
17、磁分离，高能加速器， 线性马达， 旋转电机， 电磁发射装置， 高场磁体， 实验室磁体，同步辐射装置 弱电应用 高温超导Josephson，SQUID（超导量子干涉器） ，超导红外探测器，超导微波器件 需要：更高的使用温度 更简单的制备工艺1.3 新型功能材料新型功能材料341.3.3 非晶态材料非晶态材料铁损低，相当于冷轧硅钢的铁损低，相当于冷轧硅钢的1/31/3电阻率比一般的铁基或铁镍合金高电阻率比一般的铁基或铁镍合金高3 34 4倍倍有些非晶合金的力学性能强度高、韧性比超高有些非晶合金的力学性能强度高、韧性比超高强度钢好强度钢好某些非晶态材料的热膨胀系数接近于零某些非晶态材料的热膨胀系数接
18、近于零具有催化性能具有催化性能非晶态材料的性能非晶态材料的性能1.3 新型功能材料新型功能材料35 作为软磁材料可作变压器铁芯 是长寿命、音质好的磁头材料 非晶态合金具有良好的耐腐蚀性能，如Fe72Cr8P13C7的耐腐蚀性能优于不锈钢。 非晶态材料是一种全方位材料：非晶态材料是一种全方位材料：材料材料铁损（铁损（W/kg）Fe81B13.5Si3.5C20.31Fe80B15.9Si2.4C0.90.15Fe-3.2Si（冷轧硅钢片）（冷轧硅钢片）1.00非晶态材料与硅钢片的比较非晶态材料与硅钢片的比较1.3 新型功能材料新型功能材料361.3.4 新能源材料新能源材料(a)快中子增殖堆目前
19、世界核电容量在3亿千瓦以上，占总发电量16%左右。所用燃料为U235，而其含量在铀中仅占0.72%，而U238占99.275%，因此铀的利用率极低。快中子增殖堆就是利用U238作燃料，目前已实验成功，但还没有大规模投产，其原因在于其冷却靠液态金属，在高温下其抗腐蚀性很差，材料没有过关。1.3 新型功能材料新型功能材料37(b)核聚变目前的原子能是“核裂变”的产物，利用铀235的核裂变产生热量。铀235资源有限放射性物质的后处理复杂且危险利用原子核靠拢、聚变的形式发出能量的核聚变是一项先进的技术。核聚变与太阳发热的原理相同，因此，被称为地上的太阳。1.3 新型功能材料新型功能材料38为保证核聚变
20、反应的进行，必须具备三个条件为保证核聚变反应的进行，必须具备三个条件a)a)粒子温度为粒子温度为1 1亿度；亿度；b)b)粒子密度为粒子密度为100100兆个兆个/cm/cm3 3；c) c)约束时间为约束时间为1 1秒秒。对于实用反应堆，对于实用反应堆，由于需要输出，条件更加严格，由于需要输出，条件更加严格，即即粒子温度：粒子温度：2 2亿度；亿度；约束时间：约束时间：2 2秒。秒。1.3 新型功能材料新型功能材料39(c) 太阳能利用1.3 新型功能材料新型功能材料40(d) 风能、潮汐、地热和海水温差能源利用风能、潮汐、地热和海水温差作为能源都要受到地域的影响，目前除海水温差以外，其它三
21、个方面都已经得到不同程度的发展，对材料的要求不言自明。1.3 新型功能材料新型功能材料411.3.5 功能高分子材料功能高分子材料研究现状和进展研究现状和进展有机分离膜可用于海水淡化，富氧燃烧等，在进行氮氧有机分离膜可用于海水淡化，富氧燃烧等，在进行氮氧分离时，可使氧富集到分离时，可使氧富集到40%40%，由此可提高燃效，由此可提高燃效30%30%聚乙炔经过掺杂后可以导电聚乙炔经过掺杂后可以导电目前有机体的电导率已接近于铜目前有机体的电导率已接近于铜有机高分子材料也是良好的光导纤维、光学材料及非线有机高分子材料也是良好的光导纤维、光学材料及非线形光学材料形光学材料高分子磁性材料：磁性可与铁族金
22、属相蓖美高分子磁性材料：磁性可与铁族金属相蓖美高分子形状记忆、高分子压电、高分子液晶高分子形状记忆、高分子压电、高分子液晶1.3 新型功能材料新型功能材料421.4 新材料研究中的几个活跃问题新材料研究中的几个活跃问题材料革命材料革命（年代）（年代）时代时代标志标志拟达到目标拟达到目标特点特点第一次第一次（1980-19841980-1984）高分子高分子合成材料产量超过天合成材料产量超过天然材料然材料已通用高分子结已通用高分子结构材料为主构材料为主第二次第二次（2121世纪中期）世纪中期）微电子微电子新材料质与量满足超新材料质与量满足超技术发展要求技术发展要求特种结构材料和特种结构材料和新功
23、能材料新功能材料第三次第三次（更遥远）（更遥远）生物技术生物技术合成的仿生新材料的合成的仿生新材料的功能优于生物体功能优于生物体合成的仿生新功合成的仿生新功能材料能材料新材料发展的设想43 仿生材料仿生材料 ( (性质性质) )展望展望高分子催化剂、聚氨高分子催化剂、聚氨基酸、聚电介质、高基酸、聚电介质、高分子膜（信息性）分子膜（信息性）电子计算机电子计算机（信息性）（信息性）传感器传感器（信息性）（信息性）医用功医用功能材料能材料（信息性）（信息性）仿生高级功能仿生高级功能材料（第三次材料（第三次材料革命的目材料革命的目标）标）仿生高分子（人工酶、仿生高分子（人工酶、合成蛋白质、人工核合成蛋
24、白质、人工核酸、仿生生物膜）酸、仿生生物膜）光计算机光计算机生物计算机生物计算机化学传感器化学传感器（嗅、味觉）（嗅、味觉）人造骨、脏人造骨、脏器、血、皮器、血、皮肤肤生物体生物体和器官和器官细胞细胞人脑人脑五觉五觉人体器官、人体器官、人血、皮肤人血、皮肤第三次材料革命的设想第三次材料革命的设想1.4 新材料研究中的几个活跃问题新材料研究中的几个活跃问题441.4.1 生物医学材料与仿生设计生物医学材料与仿生设计（1）生物医学材料生物医学材料包括人体器官、生物传感器、血液制品、药物释包括人体器官、生物传感器、血液制品、药物释放媒介以及外科材料。目前除了神经系统以外，放媒介以及外科材料。目前除了
25、神经系统以外，几乎人体的所有器官都可以用人造材料来代替。几乎人体的所有器官都可以用人造材料来代替。1.4 新材料研究中的几个活跃问题新材料研究中的几个活跃问题45人体材料人体材料相容性相容性无血凝无血凝无害无害无毒无毒长寿命长寿命力学性能匹配力学性能匹配1.4 新材料研究中的几个活跃问题新材料研究中的几个活跃问题46(2) 仿生材料仿生材料生物体是千百年演化而来的，其结构应该是生物体是千百年演化而来的，其结构应该是最合理的。通过解剖与分析生物体的结构，最合理的。通过解剖与分析生物体的结构，可以制造更加合理的材料。可以制造更加合理的材料。蚌壳：由于碳酸钙薄层中间夹有有机物，因此强度高、韧性高；竹
26、子：其加强筋的分布外密内疏，由此可以保持最佳的强韧性。由此制成的碳纤维增强树脂基复合材料，在数量相同的原材料条件下，其弯曲强度提高80%以上。1.4 新材料研究中的几个活跃问题新材料研究中的几个活跃问题471.4 新材料研究中的几个活跃问题新材料研究中的几个活跃问题481.4 新材料研究中的几个活跃问题新材料研究中的几个活跃问题49(3) 生物体系模拟生物体系模拟如何用人造材料或器件达到生物体系功能，如何用人造材料或器件达到生物体系功能，使工业反应器在室温条件下进行合成，使信使工业反应器在室温条件下进行合成，使信息处理达到人脑的功能息处理达到人脑的功能生物体系具有超乎寻常的功能。如脊椎动物的能
27、量效率接近生物体系具有超乎寻常的功能。如脊椎动物的能量效率接近100%，而最好的发动机也不超过，而最好的发动机也不超过50%；人的肾上腺只有人的肾上腺只有6克，而生物碱达百种以上，可随生物体情克，而生物碱达百种以上，可随生物体情况而释放不同物质以保持人体平衡。况而释放不同物质以保持人体平衡。1.4 新材料研究中的几个活跃问题新材料研究中的几个活跃问题501.4.2 纳米材料纳米材料当物质颗粒小到纳米量级时，在催化、吸光、医药、磁性等方面出现很多特点。 表面原子数量增加，如颗粒小到10nm时，表面原子占20%，4nm时，占40%，2nm时，占80%。表面原子扩散速度快，烧结温度低，有利于陶瓷成形
28、；溶质原子的溶解度大大提高，如Bi在Cu中的溶解度：10-4% 4%1.4 新材料研究中的几个活跃问题新材料研究中的几个活跃问题51纳米材料的用途纳米材料的用途用磁性纳米粒子表面涂敷高分子药物注入人体，用磁性纳米粒子表面涂敷高分子药物注入人体，在外加磁场作用下，使药物移向病变部位，可在外加磁场作用下，使药物移向病变部位，可达到治疗的目的达到治疗的目的纳米材料光性质的改变，有可能成为良好的隐纳米材料光性质的改变，有可能成为良好的隐身材料身材料由纳米级颗粒制成的陶瓷可以得到超塑性由纳米级颗粒制成的陶瓷可以得到超塑性1.4 新材料研究中的几个活跃问题新材料研究中的几个活跃问题52 1.4.3 开发传
29、统材料性能的潜力开发传统材料性能的潜力(1) 高强度镁合金高强度镁合金 2121世纪的重要战略物资世纪的重要战略物资 世界上最令人瞩目的绿色环保工程材料世界上最令人瞩目的绿色环保工程材料镁具有密排六方结构，加工性能差，力学性能随镁具有密排六方结构，加工性能差，力学性能随变形温度、变形速度以及变形程度有很大的变化变形温度、变形速度以及变形程度有很大的变化1.4 新材料研究中的几个活跃问题新材料研究中的几个活跃问题53镁合金的特点最轻的商用金属结构材料（镁密度：最轻的商用金属结构材料（镁密度：1.741.74）比强度、比刚度高比强度、比刚度高尺寸稳定性好尺寸稳定性好抗划痕能力高抗划痕能力高机械较高
30、性能优良机械较高性能优良具有良好的振动性能具有良好的振动性能资源丰富：贮量为金属的第八位，海水中含资源丰富：贮量为金属的第八位，海水中含0.13%0.13%1.4 新材料研究中的几个活跃问题新材料研究中的几个活跃问题54 镁合金的应用 目前，国外单车镁合金平均用量约目前，国外单车镁合金平均用量约3 3公斤公斤/ /辆（辆（VolvoLCP2000VolvoLCP2000单车镁合金用量达单车镁合金用量达5050公斤）公斤） 根据国际镁协会（根据国际镁协会（IMAIMA）的预测：到）的预测：到20302030年世界汽车保有量年世界汽车保有量将比目前增加一倍，达将比目前增加一倍，达1010亿辆。亿辆
31、。 今后今后1010年汽车工业镁合金将以年汽车工业镁合金将以1515的速度持续增长，到的速度持续增长，到20052005年，镁合金用量将达到年，镁合金用量将达到1010公斤公斤/ /辆，镁合金年耗量达辆，镁合金年耗量达2020万吨；万吨；到到20102010年，轿车镁合金用量将达到年，轿车镁合金用量将达到4040公斤公斤 应用范围主要是常温低服役条件的壳体等结构零部件应用范围主要是常温低服役条件的壳体等结构零部件( (如：如：汽车仪表板、座位架、方向操纵部件、引擎盖、变速箱、进汽车仪表板、座位架、方向操纵部件、引擎盖、变速箱、进气歧管、泵阀体等气歧管、泵阀体等) )1.4 新材料研究中的几个活
32、跃问题新材料研究中的几个活跃问题55我国的优势我国是镁资源大国我国是镁资源大国我国廉价原镁导致世界原镁价格降低我国廉价原镁导致世界原镁价格降低我国是世界稀土大国我国是世界稀土大国1.4 新材料研究中的几个活跃问题新材料研究中的几个活跃问题56(2) 钢铁材料钢铁材料钢铁材料的特点 资源丰富，地壳中含有约资源丰富，地壳中含有约4.2%4.2%（重量）的铁，到现（重量）的铁，到现在还有在还有500500多亿吨多亿吨 容易加工成各种形状，可满足各领域的需要容易加工成各种形状，可满足各领域的需要 便于大生产、质量稳定、价格低廉便于大生产、质量稳定、价格低廉 回收率高，回收率可达到回收率高，回收率可达到
33、90%90%。 资源的循环使用，有利于环境保护资源的循环使用，有利于环境保护1.4 新材料研究中的几个活跃问题新材料研究中的几个活跃问题57存在的问题S含量含量冲击韧性冲击韧性钢材的洁净度低钢材的洁净度低1.4 新材料研究中的几个活跃问题新材料研究中的几个活跃问题58S含量含量脆性转变温度脆性转变温度1.4 新材料研究中的几个活跃问题新材料研究中的几个活跃问题59C、S、P、O、N、H总量，总量，ppm10005000196019802000年代年代深冲钢深冲钢1.4 新材料研究中的几个活跃问题新材料研究中的几个活跃问题60钢铁材料的强度潜力未得到充分发挥钢铁材料的强度潜力未得到充分发挥 大部
34、分钢铁材料的强度：几百大部分钢铁材料的强度：几百MPaMPa 理论强度：理论强度：9000MPa9000MPa以上。以上。 钢铁材料的强度大有潜力可挖钢铁材料的强度大有潜力可挖理想理想材料材料实际实际材料材料伸长率伸长率屈服强度屈服强度1.4 新材料研究中的几个活跃问题新材料研究中的几个活跃问题61耐腐蚀性能需要提高耐腐蚀性能需要提高目前钢铁材料的腐蚀报废率占钢铁年产总量的目前钢铁材料的腐蚀报废率占钢铁年产总量的202040%40%全世界每年因腐蚀而报废的钢铁材料达到近全世界每年因腐蚀而报废的钢铁材料达到近1 1亿吨亿吨钢铁材料的腐蚀与其洁净度有关系，钢材洁净度可以使钢钢铁材料的腐蚀与其洁净度
35、有关系，钢材洁净度可以使钢材的耐蚀速度成倍变化超纯铁（材的耐蚀速度成倍变化超纯铁（99.9999%99.9999%）基本不生锈）基本不生锈1.4 新材料研究中的几个活跃问题新材料研究中的几个活跃问题62人均占有量低人均占有量低 我国人均钢占有量我国人均钢占有量100100公斤公斤世界人均钢占有量：世界人均钢占有量：150150公斤公斤发达国家人均钢占有量：发达国家人均钢占有量：500500公斤公斤1.4 新材料研究中的几个活跃问题新材料研究中的几个活跃问题63 开发钢铁材料的潜力开发钢铁材料的潜力日本科学技术厅日本科学技术厅 ： “超级钢铁材料开发计划超级钢铁材料开发计划” 开发计划：开发计划
36、：1010年（年（1997199720062006年）年） 总投资：总投资：10001000亿日圆，相当于亿日圆，相当于8080亿人民币。亿人民币。 开发目的：结构用钢铁材料的强度提高一倍，寿开发目的：结构用钢铁材料的强度提高一倍，寿 命提高一倍命提高一倍达到节省资源和保护环境的目的达到节省资源和保护环境的目的该开发计划是与脑科学、信息技术、该开发计划是与脑科学、信息技术、地球科学并列的四大开发计划之一地球科学并列的四大开发计划之一。 发展趋势1.4 新材料研究中的几个活跃问题新材料研究中的几个活跃问题64 应用：应用： 提高高层建筑高度和高速提高高层建筑高度和高速 公路的性能；公路的性能；
37、推动高防灾性城市的建设；推动高防灾性城市的建设； 轻量化汽车；轻量化汽车； 高速船舶的制造。高速船舶的制造。1.4 新材料研究中的几个活跃问题新材料研究中的几个活跃问题65 日本通产省日本通产省 “超金属开发计划超金属开发计划” 开发计划：开发计划：5 5年（年（1997199720012001年），年预算年），年预算6 6亿日圆亿日圆研究对象：铁基、铝基等金属研究对象：铁基、铝基等金属开发目的：探讨金属材料在极限状态下所具有的特性开发目的：探讨金属材料在极限状态下所具有的特性 减少对某些有限资源、稀有金属的依赖性减少对某些有限资源、稀有金属的依赖性 打破过去既成的金属概念打破过去既成的金属概
38、念 提高金属材料的重复利用性提高金属材料的重复利用性 节约资源、节约能源节约资源、节约能源 大幅度地提高金属材料的各种性能。大幅度地提高金属材料的各种性能。研究方法：开发新的工艺路线研究方法：开发新的工艺路线 将金属组织控制在超细晶粒的界观领域及将金属组织控制在超细晶粒的界观领域及 纳米级非晶态结构纳米级非晶态结构1.4 新材料研究中的几个活跃问题新材料研究中的几个活跃问题66 北美和欧洲联合研究新型高效钢铁材料北美和欧洲联合研究新型高效钢铁材料 德国对开发新的高效长寿钢给予重视德国对开发新的高效长寿钢给予重视 世界许多钢铁生产厂与汽车制造厂联合世界许多钢铁生产厂与汽车制造厂联合 开展超轻量化
39、车体用钢开展超轻量化车体用钢1.4 新材料研究中的几个活跃问题新材料研究中的几个活跃问题67我国我国 “八五八五”、“九五九五”：低合金钢、轿车用钢：低合金钢、轿车用钢 攀登计划：攀登计划： “ “新一代微合金高强高韧钢的基础研究新一代微合金高强高韧钢的基础研究” 973 973项目：项目： “ “新一代钢铁材料的重大基础研究新一代钢铁材料的重大基础研究” 要求要求 经济上有竞争力经济上有竞争力 在微观理论和研究方法上有突破在微观理论和研究方法上有突破 制造技术上有突破制造技术上有突破 高洁净化高洁净化 高均匀化高均匀化 超细化超细化1.4 新材料研究中的几个活跃问题新材料研究中的几个活跃问题
40、68 应用目标应用目标我国新世纪用新型钢铁材料我国新世纪用新型钢铁材料屈服强度屈服强度普碳钢：以普碳钢：以Q235Q235为主（盘条、热轧薄板）为主（盘条、热轧薄板） 200400MPa200400MPa（目前：（目前：40004000万吨万吨/ /年）年）低合金钢：以管线钢为主（高层建筑用钢）低合金钢：以管线钢为主（高层建筑用钢） 400800MPa400800MPa（目前：（目前：20002000万吨万吨/ /年）年）合金结构钢：机械制造用钢合金结构钢：机械制造用钢 8001500MPa(8001500MPa(目前：目前：10001000万吨万吨/ /年）年） 上述三类钢占我国钢总产量的上
41、述三类钢占我国钢总产量的60%60%以上以上1.4 新材料研究中的几个活跃问题新材料研究中的几个活跃问题69 1.4.4 计算机模拟与材料设计计算机模拟与材料设计随着材料研究的深入与计算机技术的迅速发展，可以通过计算随着材料研究的深入与计算机技术的迅速发展，可以通过计算机模拟来机模拟来预测材料的结构、性能及其相互间的关系预测材料的结构、性能及其相互间的关系，从而达到，从而达到优化材料设计的目的。例如从量子和原子尺度出发来预测材料优化材料设计的目的。例如从量子和原子尺度出发来预测材料的各种物性，从宏观热力学角度出发绘出相图，甚至与制造技的各种物性，从宏观热力学角度出发绘出相图，甚至与制造技术相结
42、合，得出最后产品的使用性能，由此，形成了一门计算术相结合，得出最后产品的使用性能，由此，形成了一门计算材料科学，当然计算材料科学必须与实验相配合，否则难以达材料科学，当然计算材料科学必须与实验相配合，否则难以达到实用的目的。到实用的目的。1.4 新材料研究中的几个活跃问题新材料研究中的几个活跃问题701.5 新材料制备与加工技术的现状与展望新材料制备与加工技术的现状与展望20世纪世纪70年代开始，人们把年代开始，人们把信息、能源、材料信息、能源、材料誉为人类文明的三大支柱誉为人类文明的三大支柱80年代以来又把年代以来又把新材料技术、信息技术、生物新材料技术、信息技术、生物技术技术一起列为高新技
43、术革命的重要标志一起列为高新技术革命的重要标志71新材料和新材料加工技术的发展的突破新材料和新材料加工技术的发展的突破以大规模以大规模集成电路集成电路为代表的为代表的微电子技术微电子技术以载人飞以载人飞船或航天船或航天飞机为代飞机为代表的航空表的航空航天技术航天技术以光纤通以光纤通信为代表信为代表的现代通的现代通信技术信技术以核磁共以核磁共振成像系振成像系统与磁悬统与磁悬浮技术等浮技术等应用为典应用为典型代表的型代表的超导技术超导技术1.5 新材料制备与加工技术展望新材料制备与加工技术展望72材料加工技术的分类方法材料加工技术的分类方法检测与监控技术检测与监控技术模拟仿真技术模拟仿真技术评价表
44、征技术评价表征技术制备技术制备技术涂镀层处理技术涂镀层处理技术防护技术防护技术改质改性技术改质改性技术各种热处理技术各种热处理技术成形加工技术成形加工技术凝固成形、塑性加工、连接技术凝固成形、塑性加工、连接技术高分子材料合成、粉体制备技术高分子材料合成、粉体制备技术1.5 新材料制备与加工技术展望新材料制备与加工技术展望731.5.1 材料加工技术的发展历史与现状材料加工技术的发展历史与现状材料加工技术的发展历史及其特征 开始时间 时代特征 技术发展契机 对技术和产业的促进 与带动作用举例 第一次 革 命 公元前 4000 年(中国：公元前 2000年） 从 漫 长 的石器 时代进入青 铜器时
45、代 (1) 铜的熔炼 (2) 铸造技术 (1) 自然资源加工技术 (2) 器具、工具的发达 (3) 农业和畜牧业的发展 第二次 革 命 公 元 前1350 1400 年 （中国： 公元前 56 世纪） 从 青 铜 器时代 进入铁器时代 (1) 铁的规模冶炼技术 (2) 锻造技术 (1) 低熔点合金的钎焊 (2) 武器的发达 (3) 铸铁技术、大规模铸铁产品 (4) 混凝土等 第三次 革 命 公元 1500 年 从 铁 器 时代进 入合金化时代 (1) 高炉技术的发展和成熟 (2) 纯金属的精炼与合金化 (1) 钢结构（军舰、铁桥） (2) 蒸汽机、内燃机 (3) 机床 (4) 电镀、电解铝 (
46、5) 不锈钢，铜、铝等有色合金等 1.5 新材料制备与加工技术展望新材料制备与加工技术展望74材料加工技术的发展历史及其特征 第四次 革 命 20 世纪初期 合成材料时代的到来 (1) 酚醛树脂、尼龙等塑料合成技术 (2) 陶瓷材料合成制备技术 (1) 结构材料轻质化 (2) 材料复合技术 (3) 航天航空技术迅速发展 (4) 陶瓷材料的发展与应用 (5) 人造金刚石 (6) 超导材料与技术 (7) 计算机技术、信息技术 (8) 新材料大量涌现和应用 第五次 革 命 20 世纪末期 新材料设计与制备加工工艺时代的开始 (1) 资源-材料-制品界限的弱化与消失 (2) 性能设计与工艺设计的一体化
47、要求 (1) 生物工程 (2) 环境工程 (3) 可持续发展 (4) 太空时代 （太空资源开发、太空旅游） 1.5 新材料制备与加工技术展望新材料制备与加工技术展望75第四次材料加工技术革命中，存在一个较第四次材料加工技术革命中，存在一个较为普遍的问题：为普遍的问题： 新材料研制与制备加工工艺开发 的非同步发展1.5 新材料制备与加工技术展望新材料制备与加工技术展望76 进入进入2121世纪以后，材料科学技术的发展将世纪以后，材料科学技术的发展将具有以下两个主要特征：具有以下两个主要特征：（1 1）按照使用要求来设计材料的性能，实现性）按照使用要求来设计材料的性能，实现性能设计与制备加工工艺设
48、计一体化；能设计与制备加工工艺设计一体化；（2 2）在材料设计、制备、成形与加工处理的全）在材料设计、制备、成形与加工处理的全过程中，对材料的组织性能和形状尺寸实行精过程中，对材料的组织性能和形状尺寸实行精确控制。确控制。 1.5 新材料制备与加工技术展望新材料制备与加工技术展望77 1.5.2 材料加工技术的发展趋势与方向材料加工技术的发展趋势与方向 (1) 材料加工技术的总体发展趋势材料加工技术的总体发展趋势 概括为三个综合：概括为三个综合： “过程综合、技术综合、学科综合过程综合、技术综合、学科综合”1.5 新材料制备与加工技术展望新材料制备与加工技术展望78研制研制新材料新材料新产品新
49、产品确定确定使用性能使用性能环境条件环境条件解决的问题解决的问题材料设计材料设计材料组成材料组成材料结构材料结构材料服役行为材料服役行为材料制备材料制备材料加工工艺材料加工工艺材料的保护材料的保护材料再利用材料再利用新材料新材料新产品新产品学科综合的发展趋势起因于现代科学技术学科综合的发展趋势起因于现代科学技术的发展要求的发展要求“按照使用要求来设计材料性按照使用要求来设计材料性能能”的特点。的特点。1.5 新材料制备与加工技术展望新材料制备与加工技术展望79(2) 金属材料加工技术的主要发展方向金属材料加工技术的主要发展方向（a a）常规材料加工工艺的短流程化和高效化）常规材料加工工艺的短流
50、程化和高效化 打破传统的材料成形与加工模式，缩短生产工艺打破传统的材料成形与加工模式，缩短生产工艺流程，简化工艺环节，实现近终形、短流程的连续化生流程，简化工艺环节，实现近终形、短流程的连续化生产，提高生产效率。产，提高生产效率。例如，半固态成形、连续铸轧、连续铸挤等是将例如，半固态成形、连续铸轧、连续铸挤等是将凝固与成形两个过程合而为一，实行精确控制，形成以凝固与成形两个过程合而为一，实行精确控制，形成以节能、降耗、高效、优质为主要特征的新技术和新工艺节能、降耗、高效、优质为主要特征的新技术和新工艺。1.5 新材料制备与加工技术展望新材料制备与加工技术展望80半固态加工技术目前，国外半固态加
