1、机械工业出版社 第十章第十章 新材料新技术与新工艺新材料新技术与新工艺产品造型材料与工艺产品造型材料与工艺 第十章 新材料新技术与新工艺第十章 新材料新技术与新工艺 2产品造型材料与工艺 第十章 新材料新技术与新工艺10.1 10.1 新材料新材料 新材料是指那些新出现或已在发展中的、具有传统材料所不具备的优异性能和特殊功能的材料。新材料与传统材料之间并没有截然的分界，新材料是在传统材料基础上发展而成的，传统材料经过组成、结构、设计和工艺上的改进从而提高材料性能或出现新的性能都可发展成为新材料。 新材料作为高新技术的基础和先导，应用范围极其广泛，它同信息技术、生物技术一起成为二十一世纪最重要和
2、最具发展潜力的领域。目前，一般按应用领域和当今的研究热点把新材料进行分类如：电子信息材料、新能源材料、纳米材料、先进复合材料、先进陶瓷材料、生态环境材料、新型功能材料（含高温超导材料、磁性材料、金刚石薄膜、功能高分子材料等）、生物医用材料、高性能结构材料、智能材料、新型建筑及化工新型材料等。v第十章 新材料新技术与新工艺3产品造型材料与工艺 第十章 新材料新技术与新工艺1. 1. 电子信息材料电子信息材料 电子信息材料是指在微电子、光电子技术和新型元器件基础产品领域中所用的材料，主要包括单晶硅为代表的半导体微电子材料，图10-1所示为制造集成电路用的硅晶圆片；激光晶体为代表的光电子材料；介质陶
3、瓷和热敏陶瓷为代表的电子陶瓷材料；钕铁硼（NdFeB）永磁材料为代表的磁性材料；光纤通信材料；磁存储和光盘存储为主的数据存储材料；压电晶体与薄膜材料；贮氢材料和锂离子嵌入材料为代表的绿色电池材料等。总体发展趋势是向着大尺寸、高均匀性、高完整性、以及薄膜化、多功能化和集成化方向发展。 v第十章 新材料新技术与新工艺 图10-1 硅晶圆片 4产品造型材料与工艺 第十章 新材料新技术与新工艺2. 2. 新能源材料新能源材料 新能源和可再生清洁能源技术是21世纪世界经济发展中最具有决定性影响的五个技术领域之一，新能源包括太阳能、生物能、核能、风能、地热、海洋能等一次能源以及二次电源中的氢能等。新能源材
4、料则是指实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所要用到的关键材料。主要包括储氢电极合金材料为代表的镍氢电池材料、嵌锂碳负极和LiCoO2正极为代表的锂离子电池材料、燃料电池材料、硅半导体材料为代表的太阳能电池材料以及铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料等。当前的研究热点和技术前沿包括高能储氢材料、聚合物电池材料、中温固体氧化物燃料电池电解质材料、燃料电池材料、多晶薄膜材料等。 图10-2所示为安装在建筑物上的太阳能电池板。v第十章 新材料新技术与新工艺 5产品造型材料与工艺 第十章 新材料新技术与新工艺v第十章 新材料新技术与新工艺 图10-2 安装在建筑物上的太阳能电池板 3.3. 纳米材料
5、纳米材料 纳米材料是指由尺寸小于100nm（0.1100nm）的超细颗粒构成的具有小尺寸效应的零维、一维、二维、三维材料的总称。按物理形态分，纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体和纳米相分离液体等五类。当前的研究热点和技术前沿包括：以碳纳米管为代表的纳米组装材料；纳米陶瓷和纳米复合材料等高性能纳米结构材料；纳米涂层材料的设计与合成；单电子晶体管、纳米激光器和纳米开关等纳米电子器件的研制、超高密度信息存贮材料等。 6产品造型材料与工艺 第十章 新材料新技术与新工艺4.4. 先进复合材料先进复合材料 复合材料按用途主要可分为结构复合材料和功能复合材料两类。 结构复合材料主要作为承
6、力结构使用的材料，由能承受载荷的增强体组元（如玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金属、天然纤维、织物、晶须、片材和颗粒等）与能联结增强体成为整体材料，同时又起传力作用的基体组元（如树脂、金属、陶瓷、玻璃、碳和水泥等）构成。图10-3所示为采用复合材料制造的风力发电机桨叶。 v第十章 新材料新技术与新工艺图10-3 采用复合材料制造的风力发电机桨叶 7产品造型材料与工艺 第十章 新材料新技术与新工艺 功能材料是指除力学性能以外还提供其它物理、化学、生物等性能的复合材料。包括压电、导电、雷达隐身、永磁、光致变色、吸声、阻燃、生物自吸收等种类繁多的复合材料，具有广阔的发展前途。未来的功能复合材料比重将超过结
7、构复合材料，成为复合材料发展的主流。未来复合材料的研究方向主要集中在纳米复合材料、仿生复合材料和发展多功能、机敏、智然复合材料等领域。 5. 5. 生态环境材料生态环境材料 生态环境材料是在人类认识到生态环境保护的重要战略意义和世界各国纷纷走可持续发展道路的背景下提出来的，是国内外材料科学与工程研究发展的必然趋势。这类材料的特点是消耗的资源和能源少，对生态和环境污染小，再生利用率高，而且从材料制造、使用、废弃直到再生循环利用的整个寿命过程，都与生态环境相协调。v第十章 新材料新技术与新工艺8产品造型材料与工艺 第十章 新材料新技术与新工艺 主要包括：环境相容材料，如纯天然材料（木材、石材等）、
8、仿生物材料（人工骨、人工器脏等）、绿色包装材料（绿色包装袋、包装容器）、生态建材（无毒装饰材料等）；环境降解材料（生物降解塑料等）；环境工程材料，如环境修复材料、环境净化材料（分子筛、离子筛材料）、环境替代材料（无磷洗衣粉助剂）等。 6.6. 生物医用材料生物医用材料 生物医用材料是一类用于诊断、治疗或替换人体组织、器官或增进其功能的新型高技术材料，是材料科学技术中的一个正在发展的新领域，不仅技术含量和经济价值高，而且与患者生命和健康密切相关。生物医用材料按材料组成和性质分为医用金属材料、医用高分子材料、生物陶瓷材料和生物医学复合材料等。金属、陶瓷、高分子及其复合材料是应用最广的生物医用材料。
9、v第十章 新材料新技术与新工艺9产品造型材料与工艺 第十章 新材料新技术与新工艺 按应用生物医用材料又可分为可降解与吸收材料、组织工程材料与人工官、控制释放材料、仿生智然材料等。图10-4为采用可降解与吸收材料制造人工骨。 生物医用材料的研究和发展方向主要为： （1） 改进和发展生物医用材料的生物相容性评价； （2） 研究新的降解材料； （3） 研究具有全面生理功能的人工器官和组织材料； （4） 研究新的药物载体材料； （5） 材料表面改性的研究。v第十章 新材料新技术与新工艺图10-4 采用可降解和吸收材料制造人工骨 10产品造型材料与工艺 第十章 新材料新技术与新工艺7.7. 智能材料智能
10、材料 20世纪80年代中期人们提出了智能材料（Smart Materials或者Intelligent Material System）的概念。智能材料是模仿生命系统，能感知环境变化并能实时改变自身的一种或多种性能参数，作出所期望的、能与变化后的环境相适应的复合材料或材料的复合。智能材料是一种集材料与结构、智然处理、执行系统、控制系统和传感系统于一体的复杂的材料体系。它的设计与合成几乎横跨所有的高技术学科领域。构成智然材料的基本材料组元有压电材料、形状记忆材料、光导纤维、电（磁）流变液、磁致伸缩材料和智然高分子材料等。智然材料的出现将使人类文明进入一个新的高度，但目前距离实用阶段还有一定的距离
11、。今后的研究重点包括以下六个方面： v第十章 新材料新技术与新工艺11产品造型材料与工艺 第十章 新材料新技术与新工艺 （1） 智能材料概念设计的仿生学理论研究； （2） 材料智能特性及智商评价体系的研究； （3） 耗散结构理论应用于智能材料的研究； （4） 机敏材料的复合-集成原理及设计理论； （5） 智能结构集成的非线性理论； （6） 仿人智能控制理论。8.8. 高性能结构材料高性能结构材料 结构材料指以力学性能为主的工程材料，它是国民经济中应用最为广泛的材料，从日用品、建筑到汽车、军舰、飞机、卫星和火箭等，均以某种形式的结构框架获得其外形、大小和强度。钢铁、非铁合金等传统材料都属于此类。
12、高性能结构材料一般指具有更高的强度、硬度、塑性、韧性等力学性能，并适应特殊环境要求的结构材料。包括新型金属材料、高性能结构陶瓷材料和高分子材料等，图10-5所示为在发动机、机体等部件，采用了许多高性能结构材料制造的我国先进的歼-10第三代战机。 v第十章 新材料新技术与新工艺12产品造型材料与工艺 第十章 新材料新技术与新工艺9. 9. 功能材料功能材料 功能材料是指表现出力学性能以外的电、磁、光、生物、化学等特殊性质的材料。除前面介绍过的信息、能源、纳米、生物医用等材料外，新型功能材料主要还包括高温超导材料、磁性材料、金刚石薄膜、功能高分子材料等。当前的研究热点包括：纳米功能材料、纳米晶稀土
13、永磁和稀土储氢合金材料、大块非晶材料、高温超导材料、磁性形状记忆合金材料、磁性高分子材料、金刚石薄膜的制备技术等. v第十章 新材料新技术与新工艺图10-5我国先进的歼-10第三代战机 13产品造型材料与工艺 第十章 新材料新技术与新工艺10. 10. 新型建筑材料新型建筑材料 新型建筑材料主要包括新型墙体材料、化学建材、新型保温隔热材料、建筑装饰装修材料等。其中化学建材包括建筑塑料、建筑涂料、建筑防水、密封材料、隔热保温材料、隔声材料、特种陶瓷、建筑胶粘剂等。图10-6为在桥墩、斜拉钢绳、桥面沥青等采用了新型建筑材料建成的苏通长江大桥。v第十章 新材料新技术与新工艺图10-6 采用了新型建筑
14、材料的苏通长江大桥 14产品造型材料与工艺 第十章 新材料新技术与新工艺11.11.先进陶瓷材料先进陶瓷材料 先进陶瓷材料是指采用特殊的无机化合物为原料及先进的制备工艺技术制造出的性能优异的产品。根据工程技术对产品使用性能的要求，制造的产品可以分别具有压电、铁电、导电、半导体、磁性等或具有高强、高韧，高硬、耐磨、耐腐蚀、耐高温、高热导、绝热或良好生物相容性等优异性能。先进陶瓷材料一般分为结构陶瓷、陶瓷基复合材料和功能陶瓷三类。大部分功能陶瓷在电子工业中应用十分广泛，通常也称为电子陶瓷材料。如用于制造芯片的陶瓷绝缘材料、陶瓷基板材料、陶瓷封装材料以及用于制造电子器件的电容器陶瓷、压电陶瓷、铁氧体
15、磁性材料等。当前的研究热点包括陶瓷材料的强韧化技术、纳米陶瓷材料的制备合成技术、先进结构陶瓷材料体系的设计以及电子陶瓷材料的高匀、超细技术。v第十章 新材料新技术与新工艺15产品造型材料与工艺 第十章 新材料新技术与新工艺 图10-7是外层为耐高温陶瓷材料的神舟号飞船，能够经受重返大气层时表面高达2000的高温。 v第十章 新材料新技术与新工艺图10-7 外层为陶瓷材料的神舟号飞船 10.2 10.2 新技术新技术 新技术是指产品生产过程中采用新的技术原理、新设计构思及新工艺装备等，对提高生产效率、降低生产成本、改善生产环境、提高产品质量以及节能降耗等某一方面较原技术有明显改进，并对提高经济效
16、益具有一定作用的技术。 16产品造型材料与工艺 第十章 新材料新技术与新工艺 如许多现代制造技术中的快速成形技术、逆向工程技术及绿色制造技术等就是新技术。现代制造技术是传统制造技术不断吸收机械、电子、信息、材料，能源及现代管理技术的最新成果，将其综合应用于制造全过程，实现优质、高效、低能、清洁、灵活生产，取得理想技术经济效果的制造技术总称。而新产品是指在一定区域或行业范围内具有先进性、新颖性和适用性的民用工业产品、技术，是指采用新技术原理、新设计构思研制生产，或在结构、材质、工艺等某一方面有所突破或较原产品有明显改进，从而显著提高了产品性能或扩大了使用功能，并对提高经济效益具有一定作用的产品。
17、 v第十章 新材料新技术与新工艺17产品造型材料与工艺 第十章 新材料新技术与新工艺1.1. 绿色制造技术绿色制造技术 制造业是创造财富的主要产业，但同时又大量消耗掉人类社会的有限资源，并且是污染环境的主要根源。20世纪70年代以来，工业污染所导致的全球性环境恶化达到了前所未有的程度，整个地球面临资源短缺、环境恶化、生态系统失衡的全球性危机。20世纪的100年消耗掉了几千年甚至上亿年才能形成的自然资源。工业界已逐渐认识到，工业生产对环境质量的损害不仅严重影响了企业形象，而且不利于市场竞争，直接制约着企业的发展。可持续发展的制造业应是以不损害当前生态环境和不危害子孙后代的生存环境为前提，应是最有
18、效地利用自然资源（能源和材料）和最低限度地产生废气物和排放污染物，以更清洁的工艺制造绿色产品的产业。一种干净而有效的工业经济，应是能够模仿自然界具有材料再循环利用能力、同时又产生最少废弃物的经济。 v第十章 新材料新技术与新工艺18产品造型材料与工艺 第十章 新材料新技术与新工艺 绿色制造是综合考虑环境影响和资源利用效率的现代制造模式，其目标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期内，废弃资源和有害排放物最少，即对环境的负面影响最小，对健康无害，资源利用率最高。 绿色制造的核心内容是：用绿色材料、绿色能源，经过绿色的生产过程（绿色设计、绿色工艺技术、绿色生产设备、绿色包装
19、、绿色管理等）生产出绿色产品。 实现绿色制造的途径有三条：一是改变观念，树立良好的环境保护意识，并体现在具体行动上，可通过加强立法、宣传教育来实现；二是针对具体产品的环境问题，采取技术措施，即采用绿色设计、绿色制造工艺，产品绿色程度的评价机制等解决所出现的问题；三是加强管理，利用市场机制和法律手段、促进绿色技术、绿色产品的发展和延伸。v第十章 新材料新技术与新工艺19产品造型材料与工艺 第十章 新材料新技术与新工艺2. 2. 绿色产品绿色产品 绿色产品就是在其生命过程（设计、制造、使用和销毁过程）中,符合特定的环境保护和人类健康的要求，对生态环境无害或危害极小,资源利用率最高，能源消耗最低的产
20、品。未来市场竞争的深化,焦点不仅是产品的质量、寿命、功能和价格，人们同时更加关心产品对环境带来的不良影响。 绿色产品的特征是：小型化（少用材料）；多功能（一物多用);使用安全和方便（对健康无害）；可回收利用（减少废弃物和污染）。 产品的“绿色度”是衡量产品满足上述特征的程度，目前还不能定量地加以描述。但是,绿色度将是未来产品设计主要考虑的因素,它包括：（1）制造过程的绿色度。材料选用与管理，以及制造过程和工艺都要有利环境保护和工人健康，废弃物和污染排放少,节约资源,减少能耗。（2）使用过程的绿色度。产品在使用过程中能耗低，使用方便，不对使用者造成不便和危害，不产生新的环境污染。（3）回收处理的
21、绿色度。产品在使用寿命完结或废弃淘汰时易于降解或销毁。v第十章 新材料新技术与新工艺20产品造型材料与工艺 第十章 新材料新技术与新工艺10.3 10.3 新工艺新工艺v第十章 新材料新技术与新工艺图10-8 机械制造工艺流程图 21产品造型材料与工艺 第十章 新材料新技术与新工艺 在机械制造领域，工艺的定义及内涵为:工艺是使各种原材料、半成品成为产品的方法和过程。机械制造工艺是将各种原材料、半成品加工成机械产品的方法和过程、是机械工业的基础技术之一。机械制造工艺的内涵可以用图10-8机械制造工艺流程图来表示。 从图中可见，机械制造工艺流程主要由原材料和能源供应、毛坯和零件成形、零件机械加工、
22、材料改性与处理、装配与包装、搬运与储存、检测与质量监控、自动控制装置与系统八个工艺环节组成。按其功能不同，主要分为三类。一类是直接改变工件的形状、尺寸、性能以及决定零件相互位置关系的加工过程，如毛坯制造、机械加工、热处理、表面处理、装配等，它们直接创造附加价值;一类是搬运、储存、包装等辅助工艺过程，它们间接创造附加价值;第三类如检测、自动控制等并不独立构成工艺过程，而是通过提高前两类工艺过程的技术水平及质量来发挥作用。新工艺则是在原有工艺基础上进行改进或新研发出的方法、过程或流程。v第十章 新材料新技术与新工艺22产品造型材料与工艺 第十章 新材料新技术与新工艺 新技术和新工艺往往是相联的。以
23、下是一新技术和新工艺硅橡胶模具快速制造的例子。其工艺流程为：以快速原型件或其他实物样品为母件，采用硫化的有机硅橡胶进行真空浇注、烘干、固化，之后沿分型面切开硅橡胶，取出母件，即得硅橡胶模具。再应用制成的快速硅橡胶模具进行真空浇注、烘干和固化就可以得到快速成型件。由于硅橡胶本身具有良好的柔性和弹性，用硅橡胶模具可以轻易翻制出结构复杂、花纹精细的快速成型件。一个快速硅橡胶模具根据所翻制产品的复杂程度有不同的使用寿命，一般情况下至少可达40件以上，可以实现真正意义上的小批量生产。图10-9为硅橡胶模及塑料件的制作过程，图10-10为硅橡胶真空浇注机。v第十章 新材料新技术与新工艺23产品造型材料与工艺 第十章 新材料新技术与新工艺v第十章 新材料新技术与新工艺 a)RP样件 b)由RP样件制作的硅橡胶模 c) 由硅橡胶模翻制的塑料件图10-9 硅橡胶模及塑料件的制作图10-10 硅橡胶真空浇注机24产品造型材料与工艺 第十章 新材料新技术与新工艺复习思考题复习思考题 10-1 何为新材料,主要有哪些领域?举例说明他们国民经济和国防建设中的作用。 10-2 举例说明什么是新技术和新工艺。 10-3 绿色制造的目的是什么？ 10-4 新材料、新技术和新工艺对工业设计有何作用？v第十章 新材料新技术与新工艺25
