审计学院走近材料科学

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1、,新能源与材料科学,1.走近材料科学,(c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning,新能源及材料科学基础与进展,2,I 从2009年世界游泳锦标赛的泳衣说起,“罗马世锦赛高科技最后的疯狂：43人次打破世界纪录” 详细：http:/ 在2008年帮助选手创造了73项世界纪录的Speedo LZR Racer (“鲨鱼皮四代”)正是拥有聚氨酯的尖端技术。 Speedo中国网站曾分析说，Speedo LZR Racer表面多加一层聚氨酯，能够有效将水阻力降低10%，减少5%的耗氧量，泳装整体吃水量得以减少约69%，菲尔普斯曾形容自己穿上它后就“

2、感觉自己像一支被发射的火箭”。,构成“水立方”“皮肤”的3000多个不规则“泡泡”，是由新型的环保节能材料四氟乙烯膜（ETFE）制成的。ETFE膜具有很好的延展性和抗压性，1米长的膜可被拉伸至3.5米长，熔点高达275摄氏度，即使用火去烧都不会点燃，因此被人们称为“塑料王”。,“水立方”,使用了ETFE膜，“水立方”还更加节能。阳光穿过“水立方”表面透明的ETFE膜，可以直接加热游泳池水温和室温。这使得“水立方”整体节能9左右。 另外，采用ETFE膜结构，馆内透光性大大提高，可保证90的自然光进入场馆，夏季自然光照明平均每天近10个小时。,http:/ 23公斤） 凯夫拉手套 KEVLAR（美

3、国杜邦公司发明）成为在世界范围内制造和穿着 的两百多万件防弹背心中最为关键的防护材料,神奇的凯夫拉,8,凯夫拉防弹背心也已经拯救了2500多名警员的生命。美国联邦调查局（FBI）的调查发现，对一个警员来说，如果他或她当时穿着个人防护装甲，那么在交火中就有14倍以上的机会可能存活下来。 美国研制出用“凯夫拉”材料制成的头盔，从而结束了作为美国陆军象征有名的“钢盔”时代。这种头盔仅重1.45千克，其防弹性能比原标准钢盔高出了33%。同时，这种新头盔更贴近头部，使用者感觉更加舒适。 凯夫拉是芳香族聚酰胺有机纤维，我国称它为芳纶复合材料。 凯夫拉层压薄板的韧性是钢的3倍，经得起反复撞击。“凯夫拉”薄板

4、与钢装甲结合使用更是威力无比。如果采用复合装甲，能防穿甲厚度为700毫米的反坦克导弹，还可防中子弹。,下一代飞机波音787和空客A380,9,与其他任何同级别飞机相比，波音787可以节省20%的燃油，且排放相当，其噪声水平比当前同座级的飞机小60%以上。 50% 复合材料 787 12% 复合材料 777 http:/ 第二次世界大战后，出现了铝合金金属杆，成绩提高到4.77米。 1960年代，撑杆跳高发生了划时代的变化，运动员改用尼龙撑杆，不久又换为碳纤维杆。从此，世界纪录屡屡被刷新。,12,成绩提高的原因就在于撑杆的力学特性。与竹竿和铝合金杆相比，玻璃纤维杆和碳纤维杆在受到冲力时能产生大幅

5、度的形变，这种形变可将接受的动能迅速转化为势能，而当撑杆恢复原来的形状时，其势能又以弹力的形式作用于运动员，将人体“弹”起。 另外，由于撑杆受力后能迅速弯曲，杆绕插头向前转动的半径减小，这样就加大了转动角速度，而使撑杆能较快地竖直。,布勃卡,13,生活中的材料科学,Freeze-dried coffee （冻干咖啡）,14,How ice skater move so easily on ice？,15,世界上的山到底能有多高？,16,II 材料在技术发达社会中的作用-1,光纤通讯 1880年，贝尔发明了一种利用光波作载体的光电话，但是由于找不到理想的光源和传输媒介，因此光纤通讯长期得不到发展

6、。 1966年高锟博士发现提高SiO2的纯度可以减少光传播过程中的损耗。,高锟博士,1970年康宁公司用高纯石英玻璃制造出光导纤维。 1975年，美国亚特兰大实验系统的光纤通讯实验成功。 2009年，高锟获得诺贝尔物理学奖。,17,材料在技术发达社会中的作用-2,集成电路 integrated circuit,集成电路是采用专门的设计技术和特殊的集成工艺，把构成半导体电路的晶体管、二极管、电阻、电容等基本元器件，制作在一块半导体单晶片（例如硅或砷化镓）或绝缘基片上，能完成特定功能或者系统功能的电路集合。,18,材料在技术发达社会中的作用-2,CPU 45纳米工艺 英特尔、德州仪器、AMD、中芯

7、国际 CPU 32纳米工艺 英特尔完成32纳米工艺开发 计划第四季度投产 CPU 28纳米工艺 台湾半导体制造公司（TSMC）应用金属栅极解决方案的 28纳米节点可能已经准备就绪,19,材料在技术发达社会中的作用-3,航空航天工业 质量轻、高强度的铝合金和钛合金机架 镍基高温合金强力高效的喷气式发动机 复合材料和陶瓷材料 隐身材料,F22猛禽战斗机,航天飞机,20,材料在技术发达社会中的作用-4,超导材料 （例如超导Nb-Ti导线） 应用于托克马克装置 如何克服巨大的静电斥力将原子核聚到一起，还要将它们的密度维持在一定水平以防不安全的能量爆发(如氢弹就是不可控的核聚变)？ 前苏联科学家在20世

8、纪50年代初率先提出磁约束的概念，并在1954年建成了第一个磁约束装置形如中空面包圈的环形容器“托克马克(Tokamak)”，又称环流器。 （人造太阳）,全超导的托克马克装置EAST（合肥）,21,III 材料的主要类别,1 金属 金属的定义：具有电阻随温度升高而升高的材料 金属通常是电的良好导体、强度高、较致密 应用：结构材料 、导电材料 钢铁，有色金属， 贵金属， 稀土,四鸟扁足方鼎 西周晚期,22,材料的主要类别,2 陶瓷（无机非金属材料） 高温稳定性、抗化学侵蚀性、不吸收外来物质 脆性、良好的绝缘体 陶瓷材料的重要影响： 汽车工业 陶瓷发动机 超导材料 YBa2Cu3O7 下一代计算机

9、将采用陶瓷光-电元件,23,材料的主要类别,3 聚合物 强度低、易于加工、密度低 潜在应用： 可生物降解的聚合物 液晶聚合物技术有助开发轻质结构材料 导电聚合物(聚乙炔) 1977年 白川英树 、 Alan J. Heeger、 Alan G. MacDiamid,Heeger Center for Polymers and Organic Solids http:/www.cpos.ucsb.edu/,24,材料的主要类别,4 复合材料 碳纤维：航空航天等高新技术产品 金属基复合材料 高温陶瓷基复合材料,25,C/C在航天领域中的应用,C/C作为刹车盘,碳/碳复合材料（C/C）,26,材料的

10、主要类别,5 半导体 （大部分半导体都是陶瓷） Si、Ge、GaAs、CdTe、InP 需要注意的是近年来发展的“Organic semiconductor” 能源材料 薄膜太阳能电池 （有机太阳能电池发展非常快）,27,IV 材料科学的核心问题,材料科学的核心问题：结构与性能的关系,材料的性能是指材料对光、电、磁、热、机械载荷的反应，而这些性能主要取决于材料的组成与结构，而组成结构又取决于材料的成分和制备与加工工艺。 实例： （1）在铁中加入0.4%的碳可以使得材料的强度提高两个量级； （2）100万个硅原子中加入2个磷原子，电导率提高500万倍; （3）应用抗静电涂层或在大块聚合物中加入离

11、子，可使得纺织纤维电导率提高5个数量级，防止降落伞打不开这样严重的静态放电问题。,28,1912年4月10日，泰坦尼克号从英国南安普敦（Southampton）出发，计划中的目的地为美国纽约（New York）。4月14日晚11点40分，泰坦尼克号在北大西洋撞上冰山（大约在414355.66“N 495645.02“W附近），两小时四十分钟后，4月15日凌晨2点20分沉没，由于只有20艘救生艇，1523人葬身海底，造成了当时在和平时期最严重的一次航海事故。,钢铁也有脆弱的时候,V 重大事故中的材料科学,29,1986年1月28日，美国“挑战者”号航天飞机升空后爆炸，机上7名宇航员全部遇难。根据

12、调查这一事故的总统委员会的报告，爆炸是一个O形橡胶封环失效所致。这个封环位于右侧固体火箭推进器的两个低层部件之间。失效的封环使炽热的气体点燃了外部燃料罐中的燃料,柔软的橡胶在低温下变硬,30,1988-1989年，阿拉斯加的冬季异常寒冷，在那年发生了异乎寻常的大量汽车轴断裂事故。,1988年4月28日，一架阿罗哈Aloha航空的波音737-200型客机在飞往檀香山国际机场途中发生爆裂性失压事故，导致约头等舱部位的上半部外壳完全破损，机上一名机组人员堕海失踪，飞机最后奇迹地安全迫降茂宜岛的卡富鲁伊机场。 舱盖的强度因严重腐蚀和疲劳而降低,31,二次世界大战，德国军队所供应的食物是装在锡罐重大，在

13、苏联冬季战役中，德国士兵发现锡罐破碎并且他们的食物完全被金属碎片随污染。 低温下锡由体心四方向钻石立方转变，体积增大27%,32,雪花的形状,VI 材料中的微观世界,Hay 从理论推断晶体具有规则的几何外形，是原子分子规则排列的结果；20世纪30年代，Laue等提出X射线衍射方法；1983年，Binning等发明了STM，直接观察晶体表面的原子(离子或分子) 的规则排列,33,Ni (1 1 0) surface，IBM,34,1989年（IBM Fellow）Don Eigler成为第一个能够对单个原子表面进行操作的人，通过用一台“扫描隧道显微镜”操控35个氙原子的位置，拼写出了“I-B-M

14、”3个字母。,IBM苏黎世研究实验室工作的两位诺贝尔奖得主Heinrich Rohrer(左) 和Gerd Binning(右)与第一代扫描隧道显微镜（STM）。,35,B,Shear Band around the indentation,nanoindentation,Nano-crystal,A,C,D,Crack along grain boundary of nc-Cu,高分辨扫描电镜应用(沈阳金属所),36,纳米金刚石的高分辨图像,37,显微结构对材料性能的影响非常大。 下面的照片是光学显微镜下拍摄的。,38,（Al-Si）共晶组织（针状）,39,共晶组织（点状Cu-Cu2O）,40,（Zn-MgZn）共晶组织（螺旋状）,41,共晶组织（蛛网状）,42,（Cu-P）共晶组织（放射状）,43,亚共晶组织（ 50% Sn 的Pb-Sn合金）,共晶(),44,亚共晶组织（亚共晶白口铁）,45,过共晶平衡组织（70% Sn 的Pb-Sn合金）,46,过共晶平衡组织（过共晶白口铁）,47,Thank You !,