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1、 传统材料与新型材料 传统材料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 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 所以又称为基础材料 新型材料 先进材料 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 新型材料与传统材料之间没有明显的界限 传统材料通过采用新技术 提高技术含量 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推动传统材料的进一步发展 超级钢 块体纳米 新材料按组分 有金属材料 无机非金属材料 如陶瓷 砷化镓半导体等 有机高
2、分子材料 先进复合材料四大类 材料既是人类社会进步的里程碑 也是社会现代化的物质基础和先导 特别是先进材料的研究 开发与应用反映着一个国家科学技术与工业水平以及国防实力 新材料技术是工业革命和产业发展的先导新材料技术是高技术发展的基础 21世纪科技发展的主要方向之一是新材料的研制和应用 新材料的研究 是人类对物质性质认识和应用向更深层次的进军 6 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 复合材料 碳纤维 芳香族酰胺纤维 新材料在国防建设上作用重大 例如 超纯硅 砷化镓研制成功 导致大规模和超大规模集成电路的诞
3、生 使计算机运算速度从每秒几十万次提高到现在的每秒百亿次以上 航空发动机材料的工作温度每提高100 推力可增大24 隐身材料能吸收电磁波或降低武器装备的红外辐射 使敌方探测系统难以发现 洛克希德公司F 117A 电子技术的发展 电视机 电子技术的发展 手机 光纤通讯技术 光导纤维 简称 光纤 是一种能利用光的全反射作用来传导光线的透明度极高的玻璃纤维 F1赛车 运动场上的材料技术 自行车雅典奥运会上 自行车比赛十分精彩 尤其是场地比赛 冠军之争的差别甚至只有0 001秒 除了运动员自身的素质 比赛用车的较量也成为很重要的因素 这种比赛用车的材料 设计都很特别 造价一般在8万元左右 而顶级赛车的
4、造价则高达十几万元人民币 如今 赛车的车身全部采用碳纤维复合材料 这使得整车的强度很高且质量极轻 中国国家自行车队当年雅典奥运会的比赛用车只有千克 一只手就可以拎起来 高强的材料使得选手能够骑出更快的速度 而赛车的设计也比较独特 由于碳纤维复合材料强度高 因而主体框架可以设计成很薄的流线型 前轮没有密集的辐条 取而代之的是形状扁平的五岔辐条 后轮则干脆是全封闭式 这样都可以有效地减小风阻力 2004年雅典奥运会冠军车 价值9万人民币 2004年奥运会 自行车 从撑杆跳的发展史就可以更清楚地看到新材料对奥运成绩的贡献 历史上第一个撑杆跳纪录3 30米的成绩是用沉重 没有弹性的木杆跳出来的 2 2
5、9m 1905年开始使用质量较轻 弹性稍好的竹杆 成绩达到4 30米 1930年出现较为坚固的金属杆后 运动员无撑杆折断之忧 握杆点和助跑速度都有了很大的提高 最好成绩达到4 83米 这是人造材料战胜天然材料的典范 美国运动员玻璃纤维复合杆 5 13m 而后来随着质量更轻 弹性更大的尼龙杆 新型碳纤维撑杆出现 运动成绩也终于突破6米大关 布勃卡 所以说 运动器材的较量并不亚于赛场上运动员的较量 在奥运会男子十项全能撑杆跳项目的比赛中 荷兰选手马蒂诺 EugeneMartineau 在撑起上升的瞬间突然断杆 上演了有惊无险的一幕 2004年奥运会 撑杆 2004年奥运会 运动鞋 采用高档PU 聚
6、氨酯 运动鞋成为奥运赛场上选手们的理想之选 耐克公司Nike曾在悉尼奥运会上为女飞人琼斯用新型工程塑料特制了一双鞋 总质量只有99 2克 可使运动员奔跑的脚步更加轻盈 而当年最出名的鞋恐怕要算耐克公司专门为我国110米栏选手刘翔参加奥运会定做的 红色魔鞋 了 它是目前耐克公司最轻的一双钉鞋 2004年奥运会 跑道 塑胶跑道厚度一般为13毫米 它弹性好 耐磨 防滑 色彩美观 场地清洁 易于维护管理 不受气候等条件影响 这种场地平坦均匀 可吸收震动 使运动员弹跳自如 并可防跌伤 无数大型国际赛事表明 100米短跑时运动员在聚氨酯跑道上要比在传统跑道上快0 2秒以上 跳远成绩可提高20 30厘米 2
7、004年奥运会 连体泳衣 运动员的服装也有很高的科技含量 这一点在奥运会游泳池中得到了最好的印证 在本届奥运会上 风靡全球泳坛的 鲨鱼皮 泳衣则是采用聚四氟乙烯材料制成的 它的出现曾引起了较大的争议 它把材料 设计 调试的高科技全部用上 为每位运动员量身定作 据说效果非凡 水阻力比普通泳衣小4 当今世界的体育竞争实质上是科学技术的竞争 而先进的材料则是提高体育科学技术水平的重要条件之一 为了能够在接近极限的区域再有新突破 创造更好的成绩 世界各国尤其是发达国家都在不遗余力地将各种高技术 新材料应用到运动训练和体育器材上 以提高运动成绩 这在撑杆跳高运动的发展过程中得到了凸现 汽车由于种种原因在
8、不断发展 燃料短缺 空气污染 全球危机 所有这些都迫使政府对汽车行业加以控制 但是一些汽车制造商已能依仗自力 主动参与到革新重 福特2000与西纳给2010这两款由材料工程师设计的汽车将成为未来交通工具 材料科学领域给推进系统 包含内燃 气体涡轮机 及燃料电池等混合电气系统 带来发展 铝合金工艺及低阻缆线等领域的进展将使未来汽车行驶的更远 热耗减少 噪音也将比现在的汽车更小 P2000 Synergy2010 车轮 取代传统车轮 一家制造公司开发出一种经久耐用的新型车轮 可以和钢或铝制车轮一决高下 这种车轮的优点可不仅仅是时髦漂亮 聚酯材料提供了优良的抗腐耐磨性能 可以有效的抑制化学物对车轮的
9、侵蚀 超级钢 一百多年来 钢铁一直是汽车工业的基础 你也许会说这已经没什么好发展的了 不过 你错了 图片是几卷高强钢 这类金属将是未来汽车的中坚力量 近来 钢铁工业已经开发出一种汽车用钢 比原先的轻24 而强度高34 新型钢材的优点是 高撞击能量吸收率 高强度 质量比 实用新型制造工艺 可以有多种不同性能 寿命 防锈等 国家游泳中心阳光房外层膜上分布着密度不均的镀点 这镀点将有效的屏蔽直射入馆内的日光 起到遮光 降温的作用 水立方的这层 外衣 可保证90 的自然光进入场馆 这样一来 每天可以享用9个小时的自然光 这样就大大节省了能源 1437块气枕 ETFE 四氟乙烯 制成的膜材料质量轻 强度
10、大 由于自身的绝水性 它可以利用自然雨水完成自身清洁 是一种新兴的环保材料 犹如一个个 水泡泡 的ETFE膜具有较好抗压性 厚度仅如同一张纸的ETFE膜构成的气枕 甚至可以承受一辆汽车的重量 世界第一大穹顶建筑国家大剧院大剧院的屋顶是个椭圆大穹体 其壳体结构由一根根弧形钢梁组成 是目前我国跨度最大的壳体钢结构建筑 高46 285米 东西轴跨度212米 南北轴跨度144米 周长达6000多米 可罩整个北京工人体育场 为国内建筑之最 如此巨大的钢架结构中间没有一根柱子支撑 重达6750吨的庞然大物的稳定与安全 完全依靠自身的力学结构体系来保证 防弹外壳不易脏 纳米自清洁玻璃 人造太阳 东海大桥 东
11、海大桥建设总长32 5公里 是名副其实的 世界之桥 100年设计寿命 采用先进钢结构防腐材料才能保证 海水 台风 船只冲撞考验 举例 高温超导技术 2004年4月 我国33 5米的三相 35kV 2kA的高温超导电缆系统开始在云南昆明普吉变电站成功实现挂网试运行 使昆明西北地区的几万个用户用上了超导电缆传输的电能 我国因此成为继美国 丹麦之后世界第三个将超导电缆投入电网运行的国家 超导技术被誉为是21世纪的电力储备 对电力安全和节约能源具有非常重要的意义 利用超导材料的抗磁性 将超导材料放在一块永久磁体的上方 由于磁体的磁力线不能穿过超导体 磁体和超导体之间会产生排斥力 使超导体悬浮在磁体上方
12、 利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车 可以说 没有半导体和其它功能材料的发现和发展 就不会有今天的计算机技术和今天的信息社会 没有高强度 耐高温的轻质结构材料 就不会有今天的航空 航天技术 运动场上的竞争也是材料技术的竞争 上述事例雄辩的表明 新材料是人类社会进步 世界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和国际实力具有巨大的推动作用和深远的影响 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
13、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 可持续发展与绿色材料 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 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 材料的无限循环体系 原材料制取
14、材料环 材料的未来 从原子结构开始进行材料的设计 微型化 纳米结构材料 量子计算机智能材料 自愈合机翼 自稳定桥梁 建筑环境友好材料 可光降解或者生物降解的塑料 绿色制造工艺 先进的核废料处理工艺仿生材料 壳体动物的外壳具有实验室难以达到的强度和韧性 软体动物产生的胶质具有很好的生物相容性挑战极限 超高音速飞机所用的耐温2500oC的发动机叶片 室温超导 超高灵敏度化学传感器 超高强度钢 超高硬度材料 超高密度存储器 超高速电子计算机 超常寿命生物医用材料 超大容量电池 一些现有材料的工艺改进 发挥潜能 材料在高技术领域中的作用 21世纪重点发展的高技术领域的材料选择 材料发展总的趋势 1 信
15、息科学技术信息材料2 新能源科学技术新能源材料3 生物科学技术生物材料4 空间科学技术空间技术材料5 生态环境科学技术环保材料6 用高技术改造 更新现有材料 发展材料科学技术 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 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对生命现象本质和过程研究 进入了定量和系统整合阶段基因组学 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蛋白质科学正向深度和广度迅速发展干细胞及再生医学的研究及
16、应用为人类健康开辟了新道路生物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 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 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的开发受到重视用能技术发展前景广阔 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 探索智力 探索宇宙空间 探索物质结构 探索生命本质 探索海洋奥秘 环境科学技术 空间科学技术 新材料科学技术 新能源与再生能源 信息科学技术 生物科学技术 海洋科学技术 人 材料发展总的趋势 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重点领域之一电子信息材
