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1、高分子材料概论,Engineering,Science,绪 论,材料的定义与分类,材料的地位和作用,材料科学与工程的形成和发展,材料的定义,材料是人类用于制造机器、构件和产品的 物质，是人类赖以生存和发展的物质基础。,新材料的定义,新材料，主要是指那些正在发展，且具有优,异 性能和应用前景的一类材料。为了规范新材料的 含义，一般把具备以下三个条件之一的材料称为新 材料。,新出现或正在发展中的具有传统材料所不具备,的优良性能的材料。,如：,新材料的定义 高技术发展需要，具有特殊性能的材料。,形状记忆合金 飞船网状自展天线,卫星的太阳能电池板 自动打开,新材料的定义 由于采用新技术（工艺、装备）明
2、显提高了性能， 或者出现了新的功能的材料。 如：超级钢、纳米材料等。,碳纳米管，抗拉强度为钢40倍,材料的分类,分类一：按组成与结构划分,无机非金属材料,金属材料,高分子材料,复合材料,材料,材料,航空航天材料 能源材料 生物医用材料,材料的分类 分类二：按用途分 电子信息材料,材料的分类,材料,结构材料,功能材料,分类三：按性能分,隐 身 战 斗 机,材料的分类,分类三：按性能分,功能材料,热散射 雷达能量散射,吸收 隐形战机,雷达发射能量 雷达 隐形飞机的原理 吸波材料,功能材料,材料的分类 分类三：按性能分,LED,集成电路 芯片 单晶硅 形状记忆材料,材料,传统材料 新材料,材料的分类
3、 分类四：按应用与发展分 普,通 钢 管,纳 米 铜,超 导 电 缆,能 源,材 料,信 息,新技术革命,新材料,信息技术 生物技术,材料的地位和作用 当代文明,材料是人类社会发展的基础和先导，是人 类社会进步的里程碑和划时代的标志。,材料是人类社会进步的里程碑,材料是经济和社会发展的基础和先导,新材料技术是工业革命和产业发展的先导 新材料技术是社会现代化的先导,新材料技术是一切工业发展的关键共性基础,材料在人类社会发展进程中的地位和作用,材料是人类社会进步的里程碑 人类使用不同材料的开始时间,100 万年前 公元前 5000 年 公元前 1200 年 公元 0 年 公元 1800 年 公元
4、1950 年 20 世纪初 21 世纪,石器 陶器 青铜 铁器 水泥 钢 硅 高分子材料 先进复合材料,材料是人类社会进步的里程碑,10000,2020,工程材料历史随时间推移的相对重要性示意图（时间是非线形的）,材料是人类社会进步的里程碑,人类利用材料的历史，就 是一部人类进化和进步的 历史。,纵观人类利用材料的历史，可以 清楚地看到，每一种重要新材料的发 现和应用，都把人类支配自然的能力 提高到一个新的水平。材料科学技术 的每一次重大突破都会引起生产技术 的重大变革，甚至引起一次世界性的 技术革命，大大地加速社会发展的进 程，给社会生产力和人类生活带来巨,大变革，把人类物质文明推向前进。,
5、材料是人类社会进步的里程碑,1763 发 电 机,蒸 气 机 1820,1946，美国 计算机,新材料是经济和社会发展的基础和先导,新材料技术是工业革命和产业发展的先导,新材料技术是社会现代化的先导,新材料技术是一切工业发展的关键共性基础,两次工业革命都是以新材料的发明和广泛应用为先导,第一次工业革命（18世纪）：制钢工业的发展为蒸,汽机的发明和应用奠定了物质基础。,第二次工业革命（20世纪中叶以来）：单晶硅材料,对电子技术的发明和应用起了核心作用。,新材料技术是工业革命和产业发展的先导,0,2,8 6 4,新材料技术是工业革命和产业发展的先导 10,1600,1700,1800,1900,2
6、000,年份 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,芳香族酰胺纤维 碳纤维 复合材料,强度/密度（ln10 6),发动机工作温度（）,1200 1000 800 600 400 200 0,新材料技术是工业革命和产业发展的先导 1400,1900,1920,1940,1960,1980,2000,年份 在本世纪内由于采用了现代材料使发动机工作温度急剧上升， 因而发动机的理论效率大大提高。,现代涡轮喷气发动机 蒸汽机 30年代气冷式航空发动机,燃料消耗公斤/马力小时,新材料技术是工业革命和产业发展的先导
7、 燃油消耗与工作温度的关系,0.4 0.3,0,2,4,6,8,10,12,14,16,18,压缩比,816 1093 1371,1649 0.2 0.1 0,座mile/Usgal,年份 航空材料的发展与飞机的燃放,1965,1955,1970,1960,1990,1975 1980,1995 2000,1985,20 1950,新材料技术是工业革命和产业发展的先导 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30,1093,1649,538,19270C,新材料技术是工业革命和产业发展的先导 一次大战水冷式 1490C 30年代空冷式 3150C 风扇喷气发动机 6490C
8、 蜗轮喷气发动机 10930C 超音速燃烧冲压,式喷气发动机,温度（0C） 发动机工作温度,工作温度/,新材料技术是工业革命和产业发展的先导,陶瓷,碳/碳复合材料,陶瓷基 复合材料,金属基,金属间化 合物及其 复合材料,2204,1649,1093 537,复合材料 传统材料,（钛合金和高温合金） 100 比强度/MPa(gcm-3)-1 不同材料的比强度和工作温度的比较,14,12,比强度,8,10,6,4,0,2,0,1,2,3,4,铝,不锈钢,先进碳碳材料 高温合金,新材料技术是工业革命和产业发展的先导 树脂基复合材料 钛基复合材料 铝基复合材料 钛,马赫数 不同材料的比强度与之对应的马
9、赫数,使用温度/,新材料技术是工业革命和产业发展的先导,高温MMC 纤维增韧 聚合物 （高温）,C/C CMC,金属/超耐热 合金 低温MMC 纤维增韧,1227 727 227,1727,聚合物 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 年代,在先进发动机上各 类高温复合材料的,应用年代预测,应用材料 镍基合金 镍基合金 镍基合金 镍基合金 镍基合金 镍基合金 Ti-MMC NiAl-IMMC NiAl-IMMC,CMC CMC CMC Ti-MMC,CMC,发动机部件 风扇 高压压气机 燃烧室 低压涡轮 高压涡轮 喷管 风扇 高压压气机 燃烧室 低压涡轮 高压涡
10、轮 喷管,年代 1989水平 2010年水平 （高温）,新材料技术是工业革命和产业发展的先导 民航飞机发动机用先进材料的发展,材料的表面温度(),1950 1960,1970,1980 1990 2000 2010,2020,1300 1100 900,纤维增强超级合金,新材料技术是工业革命和产业发展的先导 1700 1500,在发动机上应用的年份 叶片材料的发展历程,温度（0C） 不同类型的飞行器蒙皮温度,新材料技术是工业革命和产业发展的先导,30年代教练机 二次大战战斗机 80年代截击机 航天飞机 东方快车号,1093,1649,538,490C 93.30C 4270C,10930C,1
11、6490C,飞行速度,100,101,102,103,104,105,减轻结构所得经济效益（相对值） 飞行器减重1Kg所获得的经济效益与飞行速度的关系,新材料技术是工业革命和产业发展的先导 航天飞机 同步轨道卫星 近地对道卫星 超音速飞机 垂直起降机 战斗机 波音707 民航 客机 运输机 直升机 小型民用飞机,2197,飞船返回舱舱体温度情况,1100,1100,12001800,1001200,410950,400,新材料技术是工业革命和产业发展的先导,金属,玻璃纤维,Kavlar,C/C复合材料,导弹射程,新材料技术是工业革命和产业发展的先导 火箭壳体材料与导弹射程 +595 +390
12、+175 Km,我国长征火箭由铝合金（744Kg）换成复合材料343Kg， 射程增加1476km。,lg切削速度（m/min.）,1750,1800,1850,1900,1950,2000,年份,新材料技术是工业革命和产业发展的先导 各种切削刀具材料的切削速度的发展趋势 3 2.8 2.6 2.4 2.2 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1,产生磁场/T,液氢,料制,体燃,发动机,列车,磁分离 装置,小型,中容量永磁飞轮,发动 机,电流 引线 悬浮 轴承,研究用 马达 磁体 品 液 小容量永磁飞轮 磁屏蔽,1996,2000,2005,0,5,4,3 2 制品 1 搬运 装置,高温超导块材
13、的应用领域的扩大与其产生磁场的关系,新材料技术是工业革命和产业发展的先导 6 悬浮,新材料技术是社会现代化的先导,21世纪重点发展的高技术领域的进展,与趋势,21世纪重点发展的高技术领域的材料,选择,新材料技术是高技术发展的基础,探,质,索,探索,宇宙,本,物,命,生,术,技,学,科,料,材,新,质,结,索,学,技,术,探,构,生,物,科,科,学,技,术,空,间,空间,海,洋,科,技,学,探,索,海,洋,奥,秘,术,高 技 术 体 系 示 意 图,21世纪重点发展的高技术领域的进展与趋势 实现人类可持续发展,新能源与再生能源 信息科学技术 人 探索智力 环境科学技术 探求人类与环境和谐共存方式
14、,21世纪重点发展的高技术领域的进展与趋势 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,通信网络技术,纳米半导体,宽带通信技术,21世纪重点发展的高技术领域的进展与趋势 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 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 干细胞及再生医学的研究及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,干细胞,生
15、物芯片,转基因食品,21世纪重点发展的高技术领域的进展与趋势 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,杨利伟在太空,空中行走,小卫星,21世纪重点发展的高技术领域的进展与趋势 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,核电站,可燃冰,燃料
16、电池车,21世纪重点发展的高技术领域的进展与趋势 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,数控机床,光刻机,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领域之一 光电子材料、光子材料将成为发展最快和最有前途的电子信 息材料。,新型功能材料（超导材料、智能材料、生物医用材料）及其 应用技术面临新的突破,新型结构材料（高温合金、难熔金属、金属间化合物、金属 基复合材料、高分子材料、钛合金、镁合金）发展前景乐观,21世纪重点发展的高技术领域的进展与趋势,信息科学技术 新能源科学技术 生物科学技术 空间科学技术 生态环境科学技术,信息材料 新能源材料 生物医用材料 空间技术
