新材料制備與加工課件(第一章)

新材料制備與加工

ManufactureandProcessingofAdvancedMaterials學(xué)時：27授課時間：2-9周主講教師：李靜媛1新材料制備與加工

ManufactureandProce什么是材料？人類用以制造用于生活和生產(chǎn)的器件、產(chǎn)品等的物質(zhì)材料金屬材料無機(jī)非金屬材料高分子材料復(fù)合材料材料航天航空材料化工材料機(jī)械工程材料建筑材料電子信息材料能源材料生態(tài)環(huán)境材料生物醫(yī)用材料（按結(jié)構(gòu)分）（按用途分）分類2什么是材料？人類用以制造用于生活和生產(chǎn)的器件、產(chǎn)品等的物質(zhì)材材料技術(shù)制備技術(shù)成形與加工技術(shù)改質(zhì)改性技術(shù)防護(hù)技術(shù)評價表征技術(shù)模擬仿真技術(shù)檢測與監(jiān)控技術(shù)關(guān)于材料制備、成形與加工、表征與評價，以及材料的使用和保護(hù)的知識、經(jīng)驗(yàn)和訣竅3材料技術(shù)制備技術(shù)關(guān)于材料制備、成形與加工、表征與評價，以及材材料加工技術(shù)現(xiàn)代材料科學(xué)與工程由四個基本要素組成 1)材料的成分與結(jié)構(gòu) 2)材料的性質(zhì) 3)材料的制備與加工工藝（技術(shù)） 4)材料的使用性能使用性能性質(zhì)成分與結(jié)構(gòu)制備與加工4材料加工技術(shù)現(xiàn)代材料科學(xué)與工程由四個基本要素組成使用性能性質(zhì)材料制備與加工技術(shù)的發(fā)展趨勢

過程綜合技術(shù)綜合學(xué)科綜合5材料制備與加工技術(shù)的發(fā)展趨勢過程綜合5 現(xiàn)代高新技術(shù)的進(jìn)步離不開新材料的發(fā)展，而大多數(shù)新材料從其誕生到走向市場，通常需要一個很長的過程，材料的制備與加工工藝在這一過程中起著決定性的作用。制備與加工技術(shù)新材料誕生走向市場很長的時間材料組織材料性能6 現(xiàn)代高新技術(shù)的進(jìn)步離不開新材料的發(fā)展，而大多數(shù)新材料從其誕本課程的特點(diǎn)以新材料的特點(diǎn)、制備與加工方法、應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展前景為主線條，介紹講解有關(guān)新材料的制備與加工的研究成果。通過本課程的學(xué)習(xí)，建立起材料的制備與加工方法在新材料開發(fā)與應(yīng)用之間起著重要橋梁作用的概念，從而在新材料設(shè)計(jì)、制備與加工全過程方面的研究奠定一定的基礎(chǔ)。7本課程的特點(diǎn)以新材料的特點(diǎn)、制備與加工方法、應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展前本課程的內(nèi)容第1章 新材料加工技術(shù)的現(xiàn)狀與展望第2章 超導(dǎo)材料的制備與加工第3章 超塑性材料的制備與加工第4章 非晶態(tài)材料的制備與加工第5章 高強(qiáng)度鈦合金的制備與加工第6章 變形鎂合金的制備與加工第7章 減振鋼板的制備與加工第8章 爆炸復(fù)合板的制備與加工第9章 復(fù)合材料的制備與加工第10章 半固態(tài)材料的制備與加工8本課程的內(nèi)容第1章 新材料加工技術(shù)的現(xiàn)狀與展望81.1新材料的概念1.2新型結(jié)構(gòu)材料1.3新型功能材料1.4新材料研究中的幾個活躍問題1.5新材料制備與加工技術(shù)的現(xiàn)狀與展望第1章新材料加工技術(shù)的現(xiàn)狀和展望91.1新材料的概念第1章9

1.1新材料的概念

新材料：具有優(yōu)異的性能而正在開發(fā)或有發(fā)展前景的一類材料。

新材料是高技術(shù)的一個組成部分，具有高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的特點(diǎn)：

高效益高智力高投入

高競爭高風(fēng)險(xiǎn)高勢能

1.1新材料的概念101.1新材料的概念

新1.2新型結(jié)構(gòu)材料1.2.1鋁鋰合金

1.2新型結(jié)構(gòu)材料?鋰在鋁中的固溶度高?鋰密度低，可大幅提高鋁合金比強(qiáng)度在鋁中固溶度超過1%原子的元素有8個，鋰是其中的一個。固溶度比鋰高的只有三個。鋰屬稀有金屬，位于堿金屬之首，是最輕的金屬，其密度僅有0.531g/cm3。鋁中每增加1%的鋰，可使密度降低3%，彈性模量增加6%，折換成比彈性模量可增加9%。因而含3%鋰的鋁合金，比強(qiáng)度可提高20~40%，比剛度可提高20~30%，一架波音747-200可減輕重量5噸，年獲利上千萬美元。因此，鋁鋰合金受到航空航天工業(yè)的高度重視111.2新型結(jié)構(gòu)材料1.2新型結(jié)構(gòu)材1.2新型結(jié)構(gòu)材料

1.2.2金屬間化合物

高溫合金是航空發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵材料

金屬間化合物的突破使高溫合金上了一個新的臺階。限制：材料熔點(diǎn)合金化程度高溫合金性能提高潛力不大金屬間化合物優(yōu)異的耐高溫性能引起廣泛重視Ni3Al、NiAlTi3Al、TiAlFe3Al、FeAl121.2新型結(jié)構(gòu)材料1.2.21.2新型結(jié)構(gòu)材料合金熔點(diǎn)（℃）彈性模量（GPa）密度（kg/m3）TiAl14601.703.91Ti3Al16001.454.20NiAl16402.955.86Ni3Al13901.797.50FeAl1250～14002.615.56Fe3Al15401.416.72高溫合金～14002.00～8.00幾種金屬間化合物的物理性能131.2新型結(jié)構(gòu)材料合金熔點(diǎn)彈性模量（GPa）密度T

1.2.3先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷

是高溫、高強(qiáng)度中最有發(fā)展前途的一類材料。缺點(diǎn)：脆性、價格高，缺乏競爭力目前應(yīng)用：刀具、模具、汽車發(fā)動機(jī)零件未來應(yīng)用：汽車絕熱發(fā)動機(jī)工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)1.2新型結(jié)構(gòu)材料141.2.3先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷1.2新型1515陶瓷軸承藥機(jī)磨桶陶瓷軋輥陶瓷刀片ZrO2陶瓷應(yīng)用例1.2新型結(jié)構(gòu)材料16陶瓷軸承藥機(jī)磨桶陶瓷軋輥陶瓷刀片ZrO2陶瓷應(yīng)用例1.2新

1.2.4

工程塑料

工程塑料以代替金屬為目的的，適用于結(jié)構(gòu)與機(jī)械部件的高性能塑料。目前工程塑料強(qiáng)度：>50MPa耐高溫：>150℃經(jīng)過擠壓大變形所形成的高分子纖維，是目前所有材料中比強(qiáng)度最高的可以實(shí)現(xiàn)用分子設(shè)計(jì)手段控制材料的性能汽車上的應(yīng)用：7%1.2新型結(jié)構(gòu)材料171.2.4工程塑料目前工程1.2.5復(fù)合材料

——結(jié)構(gòu)材料的最主要發(fā)展趨勢單一材料復(fù)合材料性能優(yōu)化發(fā)揮長處克服不足獨(dú)自特性應(yīng)用廣泛

性能不同強(qiáng)度、塑性韌性、耐熱耐磨、耐蝕應(yīng)用受到限制1.2新型結(jié)構(gòu)材料181.2.5復(fù)合材料

——結(jié)構(gòu)材料的最主要發(fā)展趨勢單一復(fù)合典型的復(fù)合材料輕金屬基復(fù)合材料（增強(qiáng)材料：碳纖維、硼纖維、SiC纖維、Al2O3纖維）:<800℃陶瓷基復(fù)合材料（增強(qiáng)材料：陶瓷纖維、陶瓷顆粒）：1000～1400℃碳/碳復(fù)合材料：>1500℃層狀復(fù)合材料1.2新型結(jié)構(gòu)材料19典型的復(fù)合材料輕金屬基復(fù)合材料（增強(qiáng)材料：碳纖維、硼纖維、先進(jìn)復(fù)合材料：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

存在的問題：

◆不同組元間的結(jié)合性能

◆價格高

◆連接技術(shù)難以解決1.2新型結(jié)構(gòu)材料20先進(jìn)復(fù)合材料：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

存在的問題：

◆不長纖維增強(qiáng)型樹脂（塑料）水潤滑軸承質(zhì)量輕、售價低、省油1.2新型結(jié)構(gòu)材料21長纖維增強(qiáng)型樹脂（塑料）水潤滑軸承質(zhì)量輕、售價低、省油1.2

1.2.6高耐磨耐腐蝕材料

——要求越來越高最具發(fā)展前途的是：◆表面涂層◆表面合金化（激光處理、離子注入）◆表面耐磨耐腐蝕材料的層狀復(fù)合●使用壽命提高1000倍（工具鋼）100倍（硬質(zhì)合金）●提高車削精度●提高智能加工線效率刀具材料金剛石膜復(fù)合刀具1.2新型結(jié)構(gòu)材料221.2.6高耐磨耐腐蝕材料●使用壽命提高1.3新型功能材料

1.3.1信息材料1.3新型功能材料信息材料信息的：獲取傳輸存儲顯示處理

應(yīng)用領(lǐng)域計(jì)算機(jī)技術(shù)通訊技術(shù)控制技術(shù)231.3新型功能材料

1.3.1信息材料1.3新型功電子管計(jì)算機(jī)與普通微機(jī)一些參數(shù)的對比

計(jì)算機(jī)體積縮小重量降低可靠性提高功能強(qiáng)大價格降低半導(dǎo)體材料集成電路制造工藝普及到世界各個角落人類文明發(fā)生飛躍1.3新型功能材料24電子管計(jì)算機(jī)與普通微機(jī)一些參數(shù)的對比計(jì)算機(jī)半導(dǎo)體集成電(1)半導(dǎo)體材料目前所用材料仍以硅單晶為主（95%以上）但質(zhì)量要求更高，單晶直徑還要加大。

GaAs是僅次于硅的一種半導(dǎo)體材料，與硅相比，GaAs具有耐高溫、耐高頻、受激發(fā)光等更優(yōu)異的性能，因此有利于發(fā)展高密度、高速度芯片。近年來，多孔硅的發(fā)現(xiàn)，使其有可能在光電子學(xué)中得到應(yīng)用。1.3新型功能材料25(1)半導(dǎo)體材料目前所用材料仍以硅單晶為主（95%以上）磁盤磁帶光盤磁光盤鐵電薄膜(2)存儲紀(jì)錄材料1.3新型功能材料26磁盤光盤磁光盤鐵電(2)存儲紀(jì)錄材料1.3新型功能材料2計(jì)算機(jī)控制技術(shù)主要依賴于敏感元件，很多敏感材料屬于氧化物陶瓷，但是有機(jī)物也可以作為敏感材料來使用，如人體的各種感知，都靠有機(jī)體的分子來進(jìn)行識別。金屬敏感材料中最典型的是形狀記憶合金。(3)敏感材料與敏感元件1.3新型功能材料27計(jì)算機(jī)控制技術(shù)主要依賴于敏感元件，很多敏感材料屬于氧1.3新型功能材料281.3新型功能材料28

(4)光導(dǎo)纖維醫(yī)用內(nèi)窺鏡石英光導(dǎo)纖維管1.3新型功能材料29 (4)光導(dǎo)纖維醫(yī)用內(nèi)窺鏡石英光導(dǎo)纖維管1.3新型功能材不同通訊方式相對信息總量隨年代的變化1.3新型功能材料30不同通訊方式相對信息總量隨年代的變化1.3新型功能材料30光導(dǎo)纖維主要的性能指標(biāo)為每公里信息的衰減率，目前已達(dá)到0.16分貝/千米，材料為摻雜石英纖維目前其衰減率已接近理論值（0.1分貝/千米），要尋求線路損耗更低的光纖可能是鹵素化合物若能達(dá)到10-3～10-4分貝/千米，則可以直通2500千米而中間不需放大了1.3新型功能材料31光導(dǎo)纖維主要的性能指標(biāo)為每公里信息的衰減率，目前已達(dá)到0.11.3.2超導(dǎo)材料目前Hg-Ca-Ba-Cu-O的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度已達(dá)到136K，在高壓下可達(dá)164K。

由于高溫氧化物超導(dǎo)材料的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度超過了77.3K（液氮溫度），使其在液氮中得以實(shí)現(xiàn)，且液氮資源豐富、成本低廉，因此，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度上為新型氧化物超導(dǎo)材料的實(shí)用化提供了可靠的保障。1911年：水銀：4.2K

1973年：Nb3Ge：23.2K

1986年：Ba-La-Cu-O：35K1.3新型功能材料321.3.2超導(dǎo)材料目前Hg-Ca-Ba-Cu-O的超導(dǎo)轉(zhuǎn)需要：更高的使用溫度 更簡單的制備工藝1.3新型功能材料33需要：更高的使用溫度1.3新型功能材料331.3.3非晶態(tài)材料鐵損低，相當(dāng)于冷軋硅鋼的1/3電阻率比一般的鐵基或鐵鎳合金高3～4倍有些非晶合金的力學(xué)性能強(qiáng)度高、韌性比超高強(qiáng)度鋼好某些非晶態(tài)材料的熱膨脹系數(shù)接近于零具有催化性能非晶態(tài)材料的性能1.3新型功能材料341.3.3非晶態(tài)材料鐵損低，相當(dāng)于冷軋硅鋼的1/3非晶態(tài)作為軟磁材料可作變壓器鐵芯是長壽命、音質(zhì)好的磁頭材料非晶態(tài)合金具有良好的耐腐蝕性能，如Fe72Cr8P13C7的耐腐蝕性能優(yōu)于不銹鋼。非晶態(tài)材料是一種全方位材料：材料鐵損（W/kg）Fe81B13.5Si3.5C20.31Fe80B15.9Si2.4C0.90.15Fe-3.2Si（冷軋硅鋼片）1.00非晶態(tài)材料與硅鋼片的比較1.3新型功能材料35作為軟磁材料可作變壓器鐵芯非晶態(tài)材料是一種全方位材料：材料1.3.4新能源材料(a)快中子增殖堆目前世界核電容量在3億千瓦以上，占總發(fā)電量16%左右。所用燃料為U235，而其含量在鈾中僅占0.72%，而U238占99.275%，因此鈾的利用率極低。

快中子增殖堆就是利用U238作燃料，目前已實(shí)驗(yàn)成功，但還沒有大規(guī)模投產(chǎn)，其原因在于其冷卻靠液態(tài)金屬，在高溫下其抗腐蝕性很差，材料沒有過關(guān)。1.3新型功能材料361.3.4新能源材料(a)快中子增殖堆目前世界核電容量在(b)核聚變目前的原子能是“核裂變”的產(chǎn)物，利用鈾235的核裂變產(chǎn)生熱量。

鈾235資源有限 放射性物質(zhì)的后處理復(fù)雜且危險(xiǎn)利用原子核靠攏、聚變的形式發(fā)出能量的核聚變是一項(xiàng)先進(jìn)的技術(shù)。核聚變與太陽發(fā)熱的原理相同，因此，被稱為地上的太陽。1.3新型功能材料37(b)核聚變目前的原子能是“核裂變”的產(chǎn)物，利用鈾235的核為保證核聚變反應(yīng)的進(jìn)行，必須具備三個條件

a)粒子溫度為1億度；

b)粒子密度為100兆個/cm3；

c)約束時間為1秒。

對于實(shí)用反應(yīng)堆，由于需要輸出，條件更加嚴(yán)格，即

粒子溫度：2億度；

約束時間：2秒。1.3新型功能材料38為保證核聚變反應(yīng)的進(jìn)行，必須具備三個條件

a)粒子溫度為1(c)太陽能利用1.3新型功能材料39(c)太陽能利用1.3新型功能材料39(d)風(fēng)能、潮汐、地?zé)岷秃Ｋ疁夭钅茉蠢蔑L(fēng)能、潮汐、地?zé)岷秃Ｋ疁夭钭鳛槟茉炊家艿降赜虻挠绊?，目前除海水溫差以外，其它三個方面都已經(jīng)得到不同程度的發(fā)展，對材料的要求不言自明。1.3新型功能材料40(d)風(fēng)能、潮汐、地?zé)岷秃Ｋ疁夭钅茉蠢蔑L(fēng)能、潮汐、地?zé)岷?.3.5功能高分子材料研究現(xiàn)狀和進(jìn)展有機(jī)分離膜可用于海水淡化，富氧燃燒等，在進(jìn)行氮氧分離時，可使氧富集到40%，由此可提高燃效30%聚乙炔經(jīng)過摻雜后可以導(dǎo)電目前有機(jī)體的電導(dǎo)率已接近于銅有機(jī)高分子材料也是良好的光導(dǎo)纖維、光學(xué)材料及非線形光學(xué)材料高分子磁性材料：磁性可與鐵族金屬相蓖美高分子形狀記憶、高分子壓電、高分子液晶1.3新型功能材料411.3.5功能高分子材料研究現(xiàn)狀和進(jìn)展有機(jī)分離膜可用于海水1.4新材料研究中的幾個活躍問題材料革命（年代）時代標(biāo)志擬達(dá)到目標(biāo)特點(diǎn)第一次（1980-1984）高分子合成材料產(chǎn)量超過天然材料已通用高分子結(jié)構(gòu)材料為主第二次（21世紀(jì)中期）微電子新材料質(zhì)與量滿足超技術(shù)發(fā)展要求特種結(jié)構(gòu)材料和新功能材料第三次（更遙遠(yuǎn)）生物技術(shù)合成的仿生新材料的功能優(yōu)于生物體合成的仿生新功能材料新材料發(fā)展的設(shè)想421.4新材料研究中的幾個活躍問題材料革命時代擬達(dá)到目標(biāo)特點(diǎn)仿生材料(性質(zhì))展望高分子催化劑、聚氨基酸、聚電介質(zhì)、高分子膜（信息性）電子計(jì)算機(jī)（信息性）傳感器（信息性）醫(yī)用功能材料（信息性）仿生高級功能材料（第三次材料革命的目標(biāo)）仿生高分子（人工酶、合成蛋白質(zhì)、人工核酸、仿生生物膜）光計(jì)算機(jī)生物計(jì)算機(jī)化學(xué)傳感器（嗅、味覺）人造骨、臟器、血、皮膚生物體和器官細(xì)胞人腦五覺人體器官、人血、皮膚◆第三次材料革命的設(shè)想1.4新材料研究中的幾個活躍問題43仿生材料高分子催化劑、聚氨基酸、聚電介質(zhì)、高分子膜（信1.4.1生物醫(yī)學(xué)材料與仿生設(shè)計(jì)（1）生物醫(yī)學(xué)材料包括人體器官、生物傳感器、血液制品、藥物釋放媒介以及外科材料。目前除了神經(jīng)系統(tǒng)以外，幾乎人體的所有器官都可以用人造材料來代替。1.4新材料研究中的幾個活躍問題441.4.1生物醫(yī)學(xué)材料與仿生設(shè)計(jì)包括人體器官、生物傳感器人體材料相容性無血凝無害無毒長壽命力學(xué)性能匹配1.4新材料研究中的幾個活躍問題45人體材料相容性無血凝無害無毒長壽命力學(xué)性能匹配1.4新材料(2)仿生材料生物體是千百年演化而來的，其結(jié)構(gòu)應(yīng)該是最合理的。通過解剖與分析生物體的結(jié)構(gòu)，可以制造更加合理的材料。蚌殼：由于碳酸鈣薄層中間夾有有機(jī)物，因此強(qiáng)度高、韌性高；竹子：其加強(qiáng)筋的分布外密內(nèi)疏，由此可以保持最佳的強(qiáng)韌性。由此制成的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，在數(shù)量相同的原材料條件下，其彎曲強(qiáng)度提高80%以上。1.4新材料研究中的幾個活躍問題46(2)仿生材料生物體是千百年演化而來的，其結(jié)構(gòu)應(yīng)該是最合理1.4新材料研究中的幾個活躍問題471.4新材料研究中的幾個活躍問題471.4新材料研究中的幾個活躍問題481.4新材料研究中的幾個活躍問題48(3)生物體系模擬如何用人造材料或器件達(dá)到生物體系功能，使工業(yè)反應(yīng)器在室溫條件下進(jìn)行合成，使信息處理達(dá)到人腦的功能生物體系具有超乎尋常的功能。如脊椎動物的能量效率接近100%，而最好的發(fā)動機(jī)也不超過50%；人的腎上腺只有6克，而生物堿達(dá)百種以上，可隨生物體情況而釋放不同物質(zhì)以保持人體平衡。1.4新材料研究中的幾個活躍問題49(3)生物體系模擬如何用人造材料或器件達(dá)到生物體系功能，使1.4.2納米材料當(dāng)物質(zhì)顆粒小到納米量級時，在催化、吸光、醫(yī)藥、磁性等方面出現(xiàn)很多特點(diǎn)。

◆表面原子數(shù)量增加，如顆粒小到10nm時，表面原子占20%，4nm時，占40%，2nm時，占80%。表面原子擴(kuò)散速度快，燒結(jié)溫度低，有利于陶瓷成形；

◆溶質(zhì)原子的溶解度大大提高，如Bi在Cu中的溶解度：<10-4%→4%1.4新材料研究中的幾個活躍問題501.4.2納米材料當(dāng)物質(zhì)顆粒小到納米量級時，在催化、吸光納米材料的用途用磁性納米粒子表面涂敷高分子藥物注入人體，在外加磁場作用下，使藥物移向病變部位，可達(dá)到治療的目的納米材料光性質(zhì)的改變，有可能成為良好的隱身材料由納米級顆粒制成的陶瓷可以得到超塑性1.4新材料研究中的幾個活躍問題51納米材料的用途用磁性納米粒子表面涂敷高分子藥物注入人體，在外1.4.3開發(fā)傳統(tǒng)材料性能的潛力

(1)高強(qiáng)度鎂合金

21世紀(jì)的重要戰(zhàn)略物資

世界上最令人矚目的綠色環(huán)保工程材料

鎂具有密排六方結(jié)構(gòu)，加工性能差，力學(xué)性能隨變形溫度、變形速度以及變形程度有很大的變化

1.4新材料研究中的幾個活躍問題521.4.3開發(fā)傳統(tǒng)材料性能的潛力

(1鎂合金的特點(diǎn)

最輕的商用金屬結(jié)構(gòu)材料（鎂密度：1.74）

比強(qiáng)度、比剛度高

尺寸穩(wěn)定性好

抗劃痕能力高

機(jī)械較高性能優(yōu)良

具有良好的振動性能

資源豐富：貯量為金屬的第八位，海水中含0.13%1.4新材料研究中的幾個活躍問題53鎂合金的特點(diǎn)

最輕的商用金屬結(jié)構(gòu)材料（鎂密度：1.74）

鎂合金的應(yīng)用目前，國外單車鎂合金平均用量約3公斤/輛（VolvoLCP2000單車鎂合金用量達(dá)50公斤）根據(jù)國際鎂協(xié)會（IMA）的預(yù)測：到2030年世界汽車保有量將比目前增加一倍，達(dá)10億輛。今后10年汽車工業(yè)鎂合金將以15％的速度持續(xù)增長，到2005年，鎂合金用量將達(dá)到10公斤/輛，鎂合金年耗量達(dá)20萬噸；到2010年，轎車鎂合金用量將達(dá)到40公斤應(yīng)用范圍主要是常溫低服役條件的殼體等結(jié)構(gòu)零部件(如：汽車儀表板、座位架、方向操縱部件、引擎蓋、變速箱、進(jìn)氣歧管、泵閥體等)1.4新材料研究中的幾個活躍問題54鎂合金的應(yīng)用目前，國外單車鎂合金平均用量約3公斤/輛（Vo我國的優(yōu)勢我國是鎂資源大國我國廉價原鎂導(dǎo)致世界原鎂價格降低我國是世界稀土大國

1.4新材料研究中的幾個活躍問題55我國的優(yōu)勢我國是鎂資源大國1.4新材料研究中的幾個活躍問題(2)鋼鐵材料鋼鐵材料的特點(diǎn)資源豐富，地殼中含有約4.2%（重量）的鐵，到現(xiàn)在還有500多億噸容易加工成各種形狀，可滿足各領(lǐng)域的需要便于大生產(chǎn)、質(zhì)量穩(wěn)定、價格低廉回收率高，回收率可達(dá)到90%。資源的循環(huán)使用，有利于環(huán)境保護(hù)1.4新材料研究中的幾個活躍問題56(2)鋼鐵材料鋼鐵材料的特點(diǎn)資源豐富，地殼中含有約4.2%存在的問題S含量沖擊韌性鋼材的潔凈度低1.4新材料研究中的幾個活躍問題57存在的問題S含量沖擊韌性鋼材的潔凈度低1.4新材料研究中的S含量脆性轉(zhuǎn)變溫度1.4新材料研究中的幾個活躍問題58S含量脆性轉(zhuǎn)變溫度1.4新材料研究中的幾個活躍問題58C、S、P、O、N、H總量，ppm10005000196019802000年代深沖鋼1.4新材料研究中的幾個活躍問題59C、S、P、O、N、H總量，ppm1000500019601鋼鐵材料的強(qiáng)度潛力未得到充分發(fā)揮

大部分鋼鐵材料的強(qiáng)度：幾百M(fèi)Pa

理論強(qiáng)度：9000MPa以上。

鋼鐵材料的強(qiáng)度大有潛力可挖

理想材料實(shí)際材料伸長率屈服強(qiáng)度1.4新材料研究中的幾個活躍問題60鋼鐵材料的強(qiáng)度潛力未得到充分發(fā)揮

大部分鋼鐵材料的強(qiáng)度耐腐蝕性能需要提高目前鋼鐵材料的腐蝕報(bào)廢率占鋼鐵年產(chǎn)總量的20～40%

全世界每年因腐蝕而報(bào)廢的鋼鐵材料達(dá)到近1億噸

鋼鐵材料的腐蝕與其潔凈度有關(guān)系，鋼材潔凈度可以使鋼材的耐蝕速度成倍變化超純鐵（99.9999%）基本不生銹1.4新材料研究中的幾個活躍問題61耐腐蝕性能需要提高目前鋼鐵材料的腐蝕報(bào)廢率占鋼鐵年產(chǎn)總量的2人均占有量低

我國人均鋼占有量<100公斤

世界人均鋼占有量：150公斤

發(fā)達(dá)國家人均鋼占有量：500公斤1.4新材料研究中的幾個活躍問題62人均占有量低1.4新材料研究中的幾個活躍問題62——開發(fā)鋼鐵材料的潛力○日本科學(xué)技術(shù)廳：

“超級鋼鐵材料開發(fā)計(jì)劃”

開發(fā)計(jì)劃：10年（1997～2006年）總投資：1000億日圓，相當(dāng)于80億人民幣。開發(fā)目的：結(jié)構(gòu)用鋼鐵材料的強(qiáng)度提高一倍，壽 命提高一倍達(dá)到節(jié)省資源和保護(hù)環(huán)境的目的該開發(fā)計(jì)劃是與腦科學(xué)、信息技術(shù)、地球科學(xué)并列的四大開發(fā)計(jì)劃之一。

發(fā)展趨勢1.4新材料研究中的幾個活躍問題63——開發(fā)鋼鐵材料的潛力應(yīng)用：

提高高層建筑高度和高速

公路的性能；

推動高防災(zāi)性城市的建設(shè)；

輕量化汽車；

高速船舶的制造。1.4新材料研究中的幾個活躍問題64應(yīng)用：

日本通產(chǎn)省

“超金屬開發(fā)計(jì)劃”

開發(fā)計(jì)劃：5年（1997～2001年），年預(yù)算6億日圓

研究對象：鐵基、鋁基等金屬

開發(fā)目的：探討金屬材料在極限狀態(tài)下所具有的特性

減少對某些有限資源、稀有金屬的依賴性

打破過去既成的金屬概念

提高金屬材料的重復(fù)利用性

節(jié)約資源、節(jié)約能源

大幅度地提高金屬材料的各種性能。

研究方法：開發(fā)新的工藝路線

將金屬組織控制在超細(xì)晶粒的界觀領(lǐng)域及

納米級非晶態(tài)結(jié)構(gòu)1.4新材料研究中的幾個活躍問題65日本通產(chǎn)省

○

北美和歐洲聯(lián)合研究新型高效鋼鐵材料

○

德國對開發(fā)新的高效長壽鋼給予重視

○世界許多鋼鐵生產(chǎn)廠與汽車制造廠聯(lián)合

開展超輕量化車體用鋼

1.4新材料研究中的幾個活躍問題66○北美和歐洲聯(lián)合研究新型高效鋼鐵材料

○德國對開發(fā)新的高○我國

△“八五”、“九五”：低合金鋼、轎車用鋼

△攀登計(jì)劃：

“新一代微合金高強(qiáng)高韌鋼的基礎(chǔ)研究”

△973項(xiàng)目：

“新一代鋼鐵材料的重大基礎(chǔ)研究”

要求經(jīng)濟(jì)上有競爭力

在微觀理論和研究方法上有突破

制造技術(shù)上有突破

高潔凈化高均勻化超細(xì)化

1.4新材料研究中的幾個活躍問題67○我國

△“八五”、“九五”：低合金鋼、轎車用鋼應(yīng)用目標(biāo)

我國新世紀(jì)用新型鋼鐵材料屈服強(qiáng)度

普碳鋼：以Q235為主（盤條、熱軋薄板）

200→400MPa（目前：4000萬噸/年）

低合金鋼：以管線鋼為主（高層建筑用鋼）

400→800MPa（目前：2000萬噸/年）

合金結(jié)構(gòu)鋼：機(jī)械制造用鋼

800→1500MPa(目前：1000萬噸/年）

上述三類鋼占我國鋼總產(chǎn)量的60%以上1.4新材料研究中的幾個活躍問題68應(yīng)用目標(biāo)

我國新世紀(jì)用新型鋼鐵材1.4.4計(jì)算機(jī)模擬與材料設(shè)計(jì)

隨著材料研究的深入與計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，可以通過計(jì)算機(jī)模擬來預(yù)測材料的結(jié)構(gòu)、性能及其相互間的關(guān)系，從而達(dá)到優(yōu)化材料設(shè)計(jì)的目的。例如從量子和原子尺度出發(fā)來預(yù)測材料的各種物性，從宏觀熱力學(xué)角度出發(fā)繪出相圖，甚至與制造技術(shù)相結(jié)合，得出最后產(chǎn)品的使用性能，由此，形成了一門計(jì)算材料科學(xué)，當(dāng)然計(jì)算材料科學(xué)必須與實(shí)驗(yàn)相配合，否則難以達(dá)到實(shí)用的目的。1.4新材料研究中的幾個活躍問題691.4.4計(jì)算機(jī)模擬與材料設(shè)計(jì)

隨1.5新材料制備與加工技術(shù)的現(xiàn)狀與展望20世紀(jì)70年代開始，人們把信息、能源、材料譽(yù)為人類文明的三大支柱

80年代以來又把新材料技術(shù)、信息技術(shù)、生物技術(shù)一起列為高新技術(shù)革命的重要標(biāo)志材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是社會現(xiàn)代化的物質(zhì)基礎(chǔ)與先導(dǎo)701.5新材料制備與加工技術(shù)的現(xiàn)狀與展望20世紀(jì)70年代開始新材料和新材料加工技術(shù)的發(fā)展的突破以大規(guī)模集成電路為代表的微電子技術(shù)以載人飛船或航天飛機(jī)為代表的航空航天技術(shù)以光纖通信為代表的現(xiàn)代通信技術(shù)以核磁共振成像系統(tǒng)與磁懸浮技術(shù)等應(yīng)用為典型代表的超導(dǎo)技術(shù)1.5新材料制備與加工技術(shù)展望71新材料和新材料加工技術(shù)的發(fā)展的突破以大規(guī)模以載人飛以光纖通以材料加工技術(shù)的分類方法檢測與監(jiān)控技術(shù)模擬仿真技術(shù)評價表征技術(shù)制備技術(shù)涂鍍層處理技術(shù)防護(hù)技術(shù)改質(zhì)改性技術(shù)各種熱處理技術(shù)成形加工技術(shù)凝固成形、塑性加工、連接技術(shù)高分子材料合成、粉體制備技術(shù)1.5新材料制備與加工技術(shù)展望72材料加工技術(shù)的分類方法檢測與監(jiān)控技術(shù)模擬仿真技術(shù)評價表征技術(shù)1.5.1材料加工技術(shù)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀1.5新材料制備與加工技術(shù)展望731.5.1材料加工技術(shù)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀1.5新材料制備1.5新材料制備與加工技術(shù)展望741.5新材料制備與加工技術(shù)展望74第四次材料加工技術(shù)革命中，存在一個較為普遍的問題：

新材料研制與制備加工工藝開發(fā)

的非同步發(fā)展

材料加工技術(shù)的發(fā)展，明顯落后于關(guān)于材料設(shè)計(jì)、材料性能的研究進(jìn)展1.5新材料制備與加工技術(shù)展望75第四次材料加工技術(shù)革命中，存在一個較為普遍的問題：

發(fā)展材料先進(jìn)制備、成形與加工技術(shù)的重要性比以往任何時候都更加突出。

進(jìn)入21世紀(jì)以后，材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展將具有以下兩個主要特征：

（1）按照使用要求來設(shè)計(jì)材料的性能，實(shí)現(xiàn)性能設(shè)計(jì)與制備加工工藝設(shè)計(jì)一體化；

（2）在材料設(shè)計(jì)、制備、成形與加工處理的全過程中，對材料的組織性能和形狀尺寸實(shí)行精確控制。

1.5新材料制備與加工技術(shù)展望76發(fā)展材料先進(jìn)制備、成形與加工技術(shù)的重要性比以往任何時候都更加1.5.2材料加工技術(shù)的發(fā)展趨勢與方向

(1)材料加工技術(shù)的總體發(fā)展趨勢概括為三個綜合：

“過程綜合、技術(shù)綜合、學(xué)科綜合”1.5新材料制備與加工技術(shù)展望771.5.2材料加工技術(shù)的發(fā)展趨勢與方向

研制新材料新產(chǎn)品確定使用性能環(huán)境條件解決的問題材料設(shè)計(jì)材料組成材料結(jié)構(gòu)材料服役行為材料制備材料加工工藝材料的保護(hù)材料再利用新材料新產(chǎn)品學(xué)科綜合的發(fā)展趨勢起因于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展要求“按照使用要求來設(shè)計(jì)材料性能”的特點(diǎn)。1.5新材料制備與加工技術(shù)展望78研制確定解決的問題新材料學(xué)科綜合的發(fā)展趨勢起因于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)(2)金屬材料加工技術(shù)的主要發(fā)展方向

（a）常規(guī)材料加工工藝的短流程化和高效化

打破傳統(tǒng)的材料成形與加工模式，縮短生產(chǎn)工藝流程，簡化工藝環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)近終形、短流程的連續(xù)化生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率。

例如，半固態(tài)成形、連續(xù)鑄軋、連續(xù)鑄擠等是將凝固與成形兩個過程合而為一，實(shí)行精確控制，形成以節(jié)能、降耗、高效、優(yōu)質(zhì)為主要特征的新技術(shù)和新工藝。1.5新材料制備與加工技術(shù)展望79(2)金屬材料加工技術(shù)的主要發(fā)展方向

（a）常規(guī)材料加半固態(tài)加工技術(shù)目前，國外半固態(tài)加工技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入較大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的是鋁合金和鎂合金。鋁合金半固態(tài)成形方法主要有流變壓鑄、觸變壓鑄、觸變鍛造等；而鎂合金半固態(tài)成形的成熟技術(shù)目前只有半固態(tài)觸變注射成形（Thixomolding）技術(shù)。半固態(tài)加工技術(shù)的一個重要發(fā)展方向是高熔點(diǎn)的鋼鐵材料和鈦合金的應(yīng)用。鈦合金用途廣泛，但成形加工困難，開發(fā)鈦合金半固態(tài)加工技術(shù)具有重要的實(shí)際意義。1.5新材料制備與加工技術(shù)展望80半固態(tài)加工技術(shù)目前，國外半固態(tài)加工技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入較大規(guī)模工業(yè)應(yīng)目前，國外鋁合金和鎂合金半固態(tài)加工技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入較大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用階段。對于鋁合金：

流變壓鑄觸變壓鑄觸變鍛造

NewRheocasting對于鎂合金

半固態(tài)觸變注射成形(thxiomolding)成熟工藝1.5新材料制備與加工技術(shù)展望81目前，國外鋁合金和鎂合金半固態(tài)加工技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入較大規(guī)模工業(yè)應(yīng)連續(xù)鑄軋

連續(xù)鑄軋是一種將金屬熔體直接軋制成薄帶坯或成品帶材的工藝，自20世紀(jì)50年代以來已在鋁合金等有色金屬帶材生產(chǎn)上獲得廣泛應(yīng)用。其進(jìn)一步的發(fā)展方向是高速、高精度、擴(kuò)大品種規(guī)格以及在鋼鐵材料生產(chǎn)上的應(yīng)用。1.5新材料制備與加工技術(shù)展望82連續(xù)鑄軋

連續(xù)鑄軋是一種將金屬熔體直接軋制成薄帶坯或成下圖：二輥鑄軋金屬鑄軋區(qū)示意圖上圖：雙輥傾斜式連續(xù)鑄軋工藝流程示意圖83下圖：二輥鑄軋金屬鑄軋上圖：雙輥傾斜式連續(xù)鑄83(b)先進(jìn)成形加工技術(shù)及組織性能精確控制非平衡凝固、電磁鑄軋、電磁連鑄

發(fā)展非平衡凝固技術(shù)、電磁鑄軋技術(shù)、電磁連鑄技術(shù)，可在材料的制備過程中通過冷卻速度的控制或附加外場的作用，改善材料的組織，大幅度地提高材料的性能。1.5新材料制備與加工技術(shù)展望84(b)先進(jìn)成形加工技術(shù)及組織性能精確控制非平衡凝固、電磁鑄等溫成形、低溫強(qiáng)加工

應(yīng)用等溫成形技術(shù)、低溫強(qiáng)加工技術(shù)，可通過對成形加工過程和工藝參數(shù)（溫度、變形程度等）的精確控制，精確控制材料的組織與性能，或發(fā)展難加工材料與難成形零部件的成形加工技術(shù)，提高材料（零部件）的附加價值。1.5新材料制備與加工技術(shù)展望85等溫成形、低溫強(qiáng)加工

應(yīng)用等溫成形技術(shù)、低溫強(qiáng)加工技術(shù)，激光焊接、電子束焊接、擴(kuò)散焊接、摩擦焊接

激光焊接、電子束焊接、擴(kuò)散焊接、摩擦焊接等先進(jìn)連接技術(shù)的發(fā)展，解決了高性能先進(jìn)材料的連接技術(shù)難題，其應(yīng)用范圍將不斷擴(kuò)大；

20世紀(jì)90年代初出現(xiàn)的攪拌摩擦焊接技術(shù)在熔融焊接困難（如金屬基復(fù)合材料）或焊縫質(zhì)量要求特別嚴(yán)格（如宇航與軍事領(lǐng)域）的材料連接等方面，具有潛在的應(yīng)用前景。1.5新材料制備與加工技術(shù)展望86激光焊接、電子束焊接、擴(kuò)散焊接、摩擦焊接

激光焊接、電子束

（c）材料設(shè)計(jì)（包括成分設(shè)計(jì)、性能設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)）、制備與成形加工一體化

發(fā)展材料設(shè)計(jì)、制備與成形加工一體化技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)材料與零部件的高效、近終形、短流程成形。

典型技術(shù)有噴射成形、粉末注射成形、激光快速成形等，是不銹鋼、高溫合金、鈦合金、難熔金屬及金屬間化合物、陶瓷、復(fù)合材料、梯度功能材料零部件制備技術(shù)的研究熱點(diǎn)。

1.5新材料制備與加工技術(shù)展望87

（c）材料設(shè)計(jì)（包括成分設(shè)計(jì)、性能設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)）、制備激光快速成形制備的Ni基高溫合金零件

1.5新材料制備與加工技術(shù)展望88激光快速成形制備的Ni基高溫合金零件1.5新材料制備與加（d）開發(fā)新型制備與成形加工技術(shù)，發(fā)展新材料和新制品特種高性能材料的制備

大塊非晶合金制備與應(yīng)用技術(shù)、連續(xù)定向凝固成形技術(shù)、電磁約束成形技術(shù)、雙結(jié)晶器連鑄與充芯連鑄復(fù)合技術(shù)、多坯料擠壓技術(shù)、微成形加工技術(shù)等，是近年來開發(fā)的新型制備與成形加工技術(shù)。這些技術(shù)在特種高性能材料或制品（零部件）的制備與加工方面具有各自的特色，受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。1.5新材料制備與加工技術(shù)展望89（d）開發(fā)新型制備與成形加工技術(shù)，發(fā)展新材料和新制品特種高性多孔金屬材的制備

采用金屬/氣體共晶定向凝固方法（也稱Gasar法）制備的規(guī)則多孔金屬材料，具有孔隙內(nèi)表面光滑，呈圓柱狀，沿凝固方向規(guī)則排列的特點(diǎn)。這種規(guī)則多孔金屬材料與傳統(tǒng)的燒結(jié)或發(fā)泡劑法制備的多孔材料相比，力學(xué)性能、導(dǎo)熱性能和過濾能力等大幅度提高，具有較好的應(yīng)用前景。1.5新材料制備與加工技術(shù)展望90多孔金屬材的制備

采用金屬/氣體共晶定向凝固方法（也稱Ga規(guī)則多孔純鐵材料的光學(xué)顯微組織

(a)垂直于凝固方向截面

(b)平行于凝固方向截面1.5新材料制備與加工技術(shù)展望91規(guī)則多孔純鐵材料的光學(xué)顯微組織

(a)垂直于凝固方向截面

先進(jìn)包覆材料的制備

先進(jìn)包覆材料的用途越來越廣，但現(xiàn)有各種制備方法具有工藝復(fù)雜，界面質(zhì)量控制困難，生產(chǎn)成本較高等缺點(diǎn)。為克服這些缺點(diǎn)而開發(fā)的充芯連鑄法。這種方法是在管材連鑄的基礎(chǔ)上，將其內(nèi)結(jié)晶器設(shè)計(jì)成空心導(dǎo)管，將已經(jīng)凝固的管材用作芯材結(jié)晶器，以實(shí)現(xiàn)包覆材料連鑄直接成形。1.5新材料制備與加工技術(shù)展望92先進(jìn)包覆材料的制備

先進(jìn)包覆材料的用途越來越廣，但現(xiàn)有各1,5-感應(yīng)加熱；2,7-坩堝；3-芯部金屬；4-導(dǎo)流管；6-包覆層金屬；8,10-冷卻水；9-結(jié)晶器；11-雙金屬復(fù)合棒充芯連鑄法示意圖1.5新材料制備與加工技術(shù)展望931,5-感應(yīng)加熱；充芯連鑄法示意圖1.5新材料制備與加工技

（e）發(fā)展計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬與過程仿真技術(shù)，構(gòu)筑完善的材料數(shù)據(jù)庫計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬、過程仿真技術(shù)的迅速發(fā)展，對材料加工技術(shù)的研究和發(fā)展起到了重要的促進(jìn)作用；而發(fā)展計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬、過程仿真技術(shù)的最終目的是為了優(yōu)化成形加工方法和工藝，實(shí)現(xiàn)對制備、成形與加工全過程的精確設(shè)計(jì)與精確控制。1.5新材料制備與加工技術(shù)展望94

（e）發(fā)展計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬與過程仿真技術(shù)，構(gòu)筑完善的材料數(shù)據(jù) 需要強(qiáng)調(diào)的是，為了提高數(shù)值模擬與過程仿真技術(shù)的廣泛適用性、結(jié)果可靠性，構(gòu)筑系統(tǒng)、全面、通用性強(qiáng)的材料數(shù)據(jù)庫是必不可少的條件。先進(jìn)國家大約從20世紀(jì)80年代起就已經(jīng)有計(jì)劃、有步驟地開始了這方面的工作，而國內(nèi)相關(guān)的工作落后較多，應(yīng)該引起足夠的重視。1.5新材料制備與加工技術(shù)展望95 需要強(qiáng)調(diào)的是，為了提高數(shù)值模擬與過程仿真技術(shù)的廣泛適用性、

（f）材料的智能制備與成形加工技術(shù)綜合利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和先進(jìn)控制技術(shù)，開發(fā)將材料組織性能設(shè)計(jì)、零部件設(shè)計(jì)、材料制備與成形加工過程的實(shí)時在線監(jiān)測和反饋控制融為一體的材料智能制備加工技術(shù)，是20世紀(jì)90年代初開始出現(xiàn)的研究課題。1.5新材料制備與加工技術(shù)展望96

（f）材料的智能制備與成形加工技術(shù)綜合利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)TheEnd97TheEnd97新材料制備與加工

ManufactureandProcessingofAdvancedMaterials學(xué)時：27授課時間：2-9周主講教師：李靜媛98新材料制備與加工

ManufactureandProce什么是材料？人類用以制造用于生活和生產(chǎn)的器件、產(chǎn)品等的物質(zhì)材料金屬材料無機(jī)非金屬材料高分子材料復(fù)合材料材料航天航空材料化工材料機(jī)械工程材料建筑材料電子信息材料能源材料生態(tài)環(huán)境材料生物醫(yī)用材料（按結(jié)構(gòu)分）（按用途分）分類99什么是材料？人類用以制造用于生活和生產(chǎn)的器件、產(chǎn)品等的物質(zhì)材材料技術(shù)制備技術(shù)成形與加工技術(shù)改質(zhì)改性技術(shù)防護(hù)技術(shù)評價表征技術(shù)模擬仿真技術(shù)檢測與監(jiān)控技術(shù)關(guān)于材料制備、成形與加工、表征與評價，以及材料的使用和保護(hù)的知識、經(jīng)驗(yàn)和訣竅100材料技術(shù)制備技術(shù)關(guān)于材料制備、成形與加工、表征與評價，以及材材料加工技術(shù)現(xiàn)代材料科學(xué)與工程由四個基本要素組成 1)材料的成分與結(jié)構(gòu) 2)材料的性質(zhì) 3)材料的制備與加工工藝（技術(shù)） 4)材料的使用性能使用性能性質(zhì)成分與結(jié)構(gòu)制備與加工101材料加工技術(shù)現(xiàn)代材料科學(xué)與工程由四個基本要素組成使用性能性質(zhì)材料制備與加工技術(shù)的發(fā)展趨勢

過程綜合技術(shù)綜合學(xué)科綜合102材料制備與加工技術(shù)的發(fā)展趨勢過程綜合5 現(xiàn)代高新技術(shù)的進(jìn)步離不開新材料的發(fā)展，而大多數(shù)新材料從其誕生到走向市場，通常需要一個很長的過程，材料的制備與加工工藝在這一過程中起著決定性的作用。制備與加工技術(shù)新材料誕生走向市場很長的時間材料組織材料性能103 現(xiàn)代高新技術(shù)的進(jìn)步離不開新材料的發(fā)展，而大多數(shù)新材料從其誕本課程的特點(diǎn)以新材料的特點(diǎn)、制備與加工方法、應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展前景為主線條，介紹講解有關(guān)新材料的制備與加工的研究成果。通過本課程的學(xué)習(xí)，建立起材料的制備與加工方法在新材料開發(fā)與應(yīng)用之間起著重要橋梁作用的概念，從而在新材料設(shè)計(jì)、制備與加工全過程方面的研究奠定一定的基礎(chǔ)。104本課程的特點(diǎn)以新材料的特點(diǎn)、制備與加工方法、應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展前本課程的內(nèi)容第1章 新材料加工技術(shù)的現(xiàn)狀與展望第2章 超導(dǎo)材料的制備與加工第3章 超塑性材料的制備與加工第4章 非晶態(tài)材料的制備與加工第5章 高強(qiáng)度鈦合金的制備與加工第6章 變形鎂合金的制備與加工第7章 減振鋼板的制備與加工第8章 爆炸復(fù)合板的制備與加工第9章 復(fù)合材料的制備與加工第10章 半固態(tài)材料的制備與加工105本課程的內(nèi)容第1章 新材料加工技術(shù)的現(xiàn)狀與展望81.1新材料的概念1.2新型結(jié)構(gòu)材料1.3新型功能材料1.4新材料研究中的幾個活躍問題1.5新材料制備與加工技術(shù)的現(xiàn)狀與展望第1章新材料加工技術(shù)的現(xiàn)狀和展望1061.1新材料的概念第1章9

1.1新材料的概念

新材料：具有優(yōu)異的性能而正在開發(fā)或有發(fā)展前景的一類材料。

新材料是高技術(shù)的一個組成部分，具有高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的特點(diǎn)：

高效益高智力高投入

高競爭高風(fēng)險(xiǎn)高勢能

1.1新材料的概念1071.1新材料的概念

新1.2新型結(jié)構(gòu)材料1.2.1鋁鋰合金

1.2新型結(jié)構(gòu)材料?鋰在鋁中的固溶度高?鋰密度低，可大幅提高鋁合金比強(qiáng)度在鋁中固溶度超過1%原子的元素有8個，鋰是其中的一個。固溶度比鋰高的只有三個。鋰屬稀有金屬，位于堿金屬之首，是最輕的金屬，其密度僅有0.531g/cm3。鋁中每增加1%的鋰，可使密度降低3%，彈性模量增加6%，折換成比彈性模量可增加9%。因而含3%鋰的鋁合金，比強(qiáng)度可提高20~40%，比剛度可提高20~30%，一架波音747-200可減輕重量5噸，年獲利上千萬美元。因此，鋁鋰合金受到航空航天工業(yè)的高度重視1081.2新型結(jié)構(gòu)材料1.2新型結(jié)構(gòu)材1.2新型結(jié)構(gòu)材料

1.2.2金屬間化合物

高溫合金是航空發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵材料

金屬間化合物的突破使高溫合金上了一個新的臺階。限制：材料熔點(diǎn)合金化程度高溫合金性能提高潛力不大金屬間化合物優(yōu)異的耐高溫性能引起廣泛重視Ni3Al、NiAlTi3Al、TiAlFe3Al、FeAl1091.2新型結(jié)構(gòu)材料1.2.21.2新型結(jié)構(gòu)材料合金熔點(diǎn)（℃）彈性模量（GPa）密度（kg/m3）TiAl14601.703.91Ti3Al16001.454.20NiAl16402.955.86Ni3Al13901.797.50FeAl1250～14002.615.56Fe3Al15401.416.72高溫合金～14002.00～8.00幾種金屬間化合物的物理性能1101.2新型結(jié)構(gòu)材料合金熔點(diǎn)彈性模量（GPa）密度T

1.2.3先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷

是高溫、高強(qiáng)度中最有發(fā)展前途的一類材料。缺點(diǎn)：脆性、價格高，缺乏競爭力目前應(yīng)用：刀具、模具、汽車發(fā)動機(jī)零件未來應(yīng)用：汽車絕熱發(fā)動機(jī)工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)1.2新型結(jié)構(gòu)材料1111.2.3先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷1.2新型11215陶瓷軸承藥機(jī)磨桶陶瓷軋輥陶瓷刀片ZrO2陶瓷應(yīng)用例1.2新型結(jié)構(gòu)材料113陶瓷軸承藥機(jī)磨桶陶瓷軋輥陶瓷刀片ZrO2陶瓷應(yīng)用例1.2新

1.2.4

工程塑料

工程塑料以代替金屬為目的的，適用于結(jié)構(gòu)與機(jī)械部件的高性能塑料。目前工程塑料強(qiáng)度：>50MPa耐高溫：>150℃經(jīng)過擠壓大變形所形成的高分子纖維，是目前所有材料中比強(qiáng)度最高的可以實(shí)現(xiàn)用分子設(shè)計(jì)手段控制材料的性能汽車上的應(yīng)用：7%1.2新型結(jié)構(gòu)材料1141.2.4工程塑料目前工程1.2.5復(fù)合材料

——結(jié)構(gòu)材料的最主要發(fā)展趨勢單一材料復(fù)合材料性能優(yōu)化發(fā)揮長處克服不足獨(dú)自特性應(yīng)用廣泛

性能不同強(qiáng)度、塑性韌性、耐熱耐磨、耐蝕應(yīng)用受到限制1.2新型結(jié)構(gòu)材料1151.2.5復(fù)合材料

——結(jié)構(gòu)材料的最主要發(fā)展趨勢單一復(fù)合典型的復(fù)合材料輕金屬基復(fù)合材料（增強(qiáng)材料：碳纖維、硼纖維、SiC纖維、Al2O3纖維）:<800℃陶瓷基復(fù)合材料（增強(qiáng)材料：陶瓷纖維、陶瓷顆粒）：1000～1400℃碳/碳復(fù)合材料：>1500℃層狀復(fù)合材料1.2新型結(jié)構(gòu)材料116典型的復(fù)合材料輕金屬基復(fù)合材料（增強(qiáng)材料：碳纖維、硼纖維、先進(jìn)復(fù)合材料：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

存在的問題：

◆不同組元間的結(jié)合性能

◆價格高

◆連接技術(shù)難以解決1.2新型結(jié)構(gòu)材料117先進(jìn)復(fù)合材料：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

存在的問題：

◆不長纖維增強(qiáng)型樹脂（塑料）水潤滑軸承質(zhì)量輕、售價低、省油1.2新型結(jié)構(gòu)材料118長纖維增強(qiáng)型樹脂（塑料）水潤滑軸承質(zhì)量輕、售價低、省油1.2

1.2.6高耐磨耐腐蝕材料

——要求越來越高最具發(fā)展前途的是：◆表面涂層◆表面合金化（激光處理、離子注入）◆表面耐磨耐腐蝕材料的層狀復(fù)合●使用壽命提高1000倍（工具鋼）100倍（硬質(zhì)合金）●提高車削精度●提高智能加工線效率刀具材料金剛石膜復(fù)合刀具1.2新型結(jié)構(gòu)材料1191.2.6高耐磨耐腐蝕材料●使用壽命提高1.3新型功能材料

1.3.1信息材料1.3新型功能材料信息材料信息的：獲取傳輸存儲顯示處理

應(yīng)用領(lǐng)域計(jì)算機(jī)技術(shù)通訊技術(shù)控制技術(shù)1201.3新型功能材料

1.3.1信息材料1.3新型功電子管計(jì)算機(jī)與普通微機(jī)一些參數(shù)的對比

計(jì)算機(jī)體積縮小重量降低可靠性提高功能強(qiáng)大價格降低半導(dǎo)體材料集成電路制造工藝普及到世界各個角落人類文明發(fā)生飛躍1.3新型功能材料121電子管計(jì)算機(jī)與普通微機(jī)一些參數(shù)的對比計(jì)算機(jī)半導(dǎo)體集成電(1)半導(dǎo)體材料目前所用材料仍以硅單晶為主（95%以上）但質(zhì)量要求更高，單晶直徑還要加大。

GaAs是僅次于硅的一種半導(dǎo)體材料，與硅相比，GaAs具有耐高溫、耐高頻、受激發(fā)光等更優(yōu)異的性能，因此有利于發(fā)展高密度、高速度芯片。近年來，多孔硅的發(fā)現(xiàn)，使其有可能在光電子學(xué)中得到應(yīng)用。1.3新型功能材料122(1)半導(dǎo)體材料目前所用材料仍以硅單晶為主（95%以上）磁盤磁帶光盤磁光盤鐵電薄膜(2)存儲紀(jì)錄材料1.3新型功能材料123磁盤光盤磁光盤鐵電(2)存儲紀(jì)錄材料1.3新型功能材料2計(jì)算機(jī)控制技術(shù)主要依賴于敏感元件，很多敏感材料屬于氧化物陶瓷，但是有機(jī)物也可以作為敏感材料來使用，如人體的各種感知，都靠有機(jī)體的分子來進(jìn)行識別。金屬敏感材料中最典型的是形狀記憶合金。(3)敏感材料與敏感元件1.3新型功能材料124計(jì)算機(jī)控制技術(shù)主要依賴于敏感元件，很多敏感材料屬于氧1.3新型功能材料1251.3新型功能材料28

(4)光導(dǎo)纖維醫(yī)用內(nèi)窺鏡石英光導(dǎo)纖維管1.3新型功能材料126 (4)光導(dǎo)纖維醫(yī)用內(nèi)窺鏡石英光導(dǎo)纖維管1.3新型功能材不同通訊方式相對信息總量隨年代的變化1.3新型功能材料127不同通訊方式相對信息總量隨年代的變化1.3新型功能材料30光導(dǎo)纖維主要的性能指標(biāo)為每公里信息的衰減率，目前已達(dá)到0.16分貝/千米，材料為摻雜石英纖維目前其衰減率已接近理論值（0.1分貝/千米），要尋求線路損耗更低的光纖可能是鹵素化合物若能達(dá)到10-3～10-4分貝/千米，則可以直通2500千米而中間不需放大了1.3新型功能材料128光導(dǎo)纖維主要的性能指標(biāo)為每公里信息的衰減率，目前已達(dá)到0.11.3.2超導(dǎo)材料目前Hg-Ca-Ba-Cu-O的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度已達(dá)到136K，在高壓下可達(dá)164K。

由于高溫氧化物超導(dǎo)材料的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度超過了77.3K（液氮溫度），使其在液氮中得以實(shí)現(xiàn)，且液氮資源豐富、成本低廉，因此，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度上為新型氧化物超導(dǎo)材料的實(shí)用化提供了可靠的保障。1911年：水銀：4.2K

1973年：Nb3Ge：23.2K

1986年：Ba-La-Cu-O：35K1.3新型功能材料1291.3.2超導(dǎo)材料目前Hg-Ca-Ba-Cu-O的超導(dǎo)轉(zhuǎn)需要：更高的使用溫度 更簡單的制備工藝1.3新型功能材料130需要：更高的使用溫度1.3新型功能材料331.3.3非晶態(tài)材料鐵損低，相當(dāng)于冷軋硅鋼的1/3電阻率比一般的鐵基或鐵鎳合金高3～4倍有些非晶合金的力學(xué)性能強(qiáng)度高、韌性比超高強(qiáng)度鋼好某些非晶態(tài)材料的熱膨脹系數(shù)接近于零具有催化性能非晶態(tài)材料的性能1.3新型功能材料1311.3.3非晶態(tài)材料鐵損低，相當(dāng)于冷軋硅鋼的1/3非晶態(tài)作為軟磁材料可作變壓器鐵芯是長壽命、音質(zhì)好的磁頭材料非晶態(tài)合金具有良好的耐腐蝕性能，如Fe72Cr8P13C7的耐腐蝕性能優(yōu)于不銹鋼。非晶態(tài)材料是一種全方位材料：材料鐵損（W/kg）Fe81B13.5Si3.5C20.31Fe80B15.9Si2.4C0.90.15Fe-3.2Si（冷軋硅鋼片）1.00非晶態(tài)材料與硅鋼片的比較1.3新型功能材料132作為軟磁材料可作變壓器鐵芯非晶態(tài)材料是一種全方位材料：材料1.3.4新能源材料(a)快中子增殖堆目前世界核電容量在3億千瓦以上，占總發(fā)電量16%左右。所用燃料為U235，而其含量在鈾中僅占0.72%，而U238占99.275%，因此鈾的利用率極低。

快中子增殖堆就是利用U238作燃料，目前已實(shí)驗(yàn)成功，但還沒有大規(guī)模投產(chǎn)，其原因在于其冷卻靠液態(tài)金屬，在高溫下其抗腐蝕性很差，材料沒有過關(guān)。1.3新型功能材料1331.3.4新能源材料(a)快中子增殖堆目前世界核電容量在(b)核聚變目前的原子能是“核裂變”的產(chǎn)物，利用鈾235的核裂變產(chǎn)生熱量。

鈾235資源有限 放射性物質(zhì)的后處理復(fù)雜且危險(xiǎn)利用原子核靠攏、聚變的形式發(fā)出能量的核聚變是一項(xiàng)先進(jìn)的技術(shù)。核聚變與太陽發(fā)熱的原理相同，因此，被稱為地上的太陽。1.3新型功能材料134(b)核聚變目前的原子能是“核裂變”的產(chǎn)物，利用鈾235的核為保證核聚變反應(yīng)的進(jìn)行，必須具備三個條件

a)粒子溫度為1億度；

b)粒子密度為100兆個/cm3；

c)約束時間為1秒。

對于實(shí)用反應(yīng)堆，由于需要輸出，條件更加嚴(yán)格，即

粒子溫度：2億度；

約束時間：2秒。1.3新型功能材料135為保證核聚變反應(yīng)的進(jìn)行，必須具備三個條件

a)粒子溫度為1(c)太陽能利用1.3新型功能材料136(c)太陽能利用1.3新型功能材料39(d)風(fēng)能、潮汐、地?zé)岷秃Ｋ疁夭钅茉蠢蔑L(fēng)能、潮汐、地?zé)岷秃Ｋ疁夭钭鳛槟茉炊家艿降赜虻挠绊?，目前除海水溫差以外，其它三個方面都已經(jīng)得到不同程度的發(fā)展，對材料的要求不言自明。1.3新型功能材料137(d)風(fēng)能、潮汐、地?zé)岷秃Ｋ疁夭钅茉蠢蔑L(fēng)能、潮汐、地?zé)岷?.3.5功能高分子材料研究現(xiàn)狀和進(jìn)展有機(jī)分離膜可用于海水淡化，富氧燃燒等，在進(jìn)行氮氧分離時，可使氧富集到40%，由此可提高燃效30%聚乙炔經(jīng)過摻雜后可以導(dǎo)電目前有機(jī)體的電導(dǎo)率已接近于銅有機(jī)高分子材料也是良好的光導(dǎo)纖維、光學(xué)材料及非線形光學(xué)材料高分子磁性材料：磁性可與鐵族金屬相蓖美高分子形狀記憶、高分子壓電、高分子液晶1.3新型功能材料1381.3.5功能高分子材料研究現(xiàn)狀和進(jìn)展有機(jī)分離膜可用于海水1.4新材料研究中的幾個活躍問題材料革命（年代）時代標(biāo)志擬達(dá)到目標(biāo)特點(diǎn)第一次（1980-1984）高分子合成材料產(chǎn)量超過天然材料已通用高分子結(jié)構(gòu)材料為主第二次（21世紀(jì)中期）微電子新材料質(zhì)與量滿足超技術(shù)發(fā)展要求特種結(jié)構(gòu)材料和新功能材料第三次（更遙遠(yuǎn)）生物技術(shù)合成的仿生新材料的功能優(yōu)于生物體合成的仿生新功能材料新材料發(fā)展的設(shè)想1391.4新材料研究中的幾個活躍問題材料革命時代擬達(dá)到目標(biāo)特點(diǎn)仿生材料(性質(zhì))展望高分子催化劑、聚氨基酸、聚電介質(zhì)、高分子膜（信息性）電子計(jì)算機(jī)（信息性）傳感器（信息性）醫(yī)用功能材料（信息性）仿生高級功能材料（第三次材料革命的目標(biāo)）仿生高分子（人工酶、合成蛋白質(zhì)、人工核酸、仿生生物膜）光計(jì)算機(jī)生物計(jì)算機(jī)化學(xué)傳感器（嗅、味覺）人造骨、臟器、血、皮膚生物體和器官細(xì)胞人腦五覺人體器官、人血、皮膚◆第三次材料革命的設(shè)想1.4新材料研究中的幾個活躍問題140仿生材料高分子催化劑、聚氨基酸、聚電介質(zhì)、高分子膜（信1.4.1生物醫(yī)學(xué)材料與仿生設(shè)計(jì)（1）生物醫(yī)學(xué)材料包括人體器官、生物傳感器、血液制品、藥物釋放媒介以及外科材料。目前除了神經(jīng)系統(tǒng)以外，幾乎人體的所有器官都可以用人造材料來代替。1.4新材料研究中的幾個活躍問題1411.4.1生物醫(yī)學(xué)材料與仿生設(shè)計(jì)包括人體器官、生物傳感器人體材料相容性無血凝無害無毒長壽命力學(xué)性能匹配1.4新材料研究中的幾個活躍問題142人體材料相容性無血凝無害無毒長壽命力學(xué)性能匹配1.4新材料(2)仿生材料生物體是千百年演化而來的，其結(jié)構(gòu)應(yīng)該是最合理的。通過解剖與分析生物體的結(jié)構(gòu)，可以制造更加合理的材料。蚌殼：由于碳酸鈣薄層中間夾有有機(jī)物，因此強(qiáng)度高、韌性高；竹子：其加強(qiáng)筋的分布外密內(nèi)疏，由此可以保持最佳的強(qiáng)韌性。由此制成的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，在數(shù)量相同的原材料條件下，其彎曲強(qiáng)度提高80%以上。1.4新材料研究中的幾個活躍問題143(2)仿生材料生物體是千百年演化而來的，其結(jié)構(gòu)應(yīng)該是最合理1.4新材料研究中的幾個活躍問題1441.4新材料研究中的幾個活躍問題471.4新材料研究中的幾個活躍問題1451.4新材料研究中的幾個活躍問題48(3)生物體系模擬如何用人造材料或器件達(dá)到生物體系功能，使工業(yè)反應(yīng)器在室溫條件下進(jìn)行合成，使信息處理達(dá)到人腦的功能生物體系具有超乎尋常的功能。如脊椎動物的能量效率接近100%，而最好的發(fā)動機(jī)也不超過50%；人的腎上腺只有6克，而生物堿達(dá)百種以上，可隨生物體情況而釋放不同物質(zhì)以保持人體平衡。1.4新材料研究中的幾個活躍問題146(3)生物體系模擬如何用人造材料或器件達(dá)到生物體系功能，使1.4.2納米材料當(dāng)物質(zhì)顆粒小到納米量級時，在催化、吸光、醫(yī)藥、磁性等方面出現(xiàn)很多特點(diǎn)。

◆表面原子數(shù)量增加，如顆粒小到10nm時，表面原子占20%，4nm時，占40%，2nm時，占80%。表面原子擴(kuò)散速度快，燒結(jié)溫度低，有利于陶瓷成形；

◆溶質(zhì)原子的溶解度大大提高，如Bi在Cu中的溶解度：<10-4%→4%1.4新材料研究中的幾個活躍問題1471.4.2納米材料當(dāng)物質(zhì)顆粒小到納米量級時，在催化、吸光納米材料的用途用磁性納米粒子表面涂敷高分子藥物注入人體，在外加磁場作用下，使藥物移向病變部位，可達(dá)到治療的目的納米材料光性質(zhì)的改變，有可能成為良好的隱身材料由納米級顆粒制成的陶瓷可以得到超塑性1.4新材料研究中的幾個活躍問題148納米材料的用途用磁性納米粒子表面涂敷高分子藥物注入人體，在外1.4.3開發(fā)傳統(tǒng)材料性能的潛力

(1)高強(qiáng)度鎂合金

21世紀(jì)的重要戰(zhàn)略物資

世界上最令人矚目的綠色環(huán)保工程材料

鎂具有密排六方結(jié)構(gòu)，加工性能差，力學(xué)性能隨變形溫度、變形速度以及變形程度有很大的變化

1.4新材料研究中的幾個活躍問題1491.4.3開發(fā)傳統(tǒng)材料性能的潛力

(1鎂合金的特點(diǎn)

最輕的商用金屬結(jié)構(gòu)材料（鎂密度：1.74）

比強(qiáng)度、比剛度高

尺寸穩(wěn)定性好

抗劃痕能力高

機(jī)械較高性能優(yōu)良

具有良好的振動性能

資源豐富：貯量為金屬的第八位，海水中含0.13%1.4新材料研究中的幾個活躍問題150鎂合金的特點(diǎn)

最輕的商用金屬結(jié)構(gòu)材料（鎂密度：1.74）

鎂合金的應(yīng)用目前，國外單車鎂合金平均用量約3公斤/輛（VolvoLCP2000單車鎂合金用量達(dá)50公斤）根據(jù)國際鎂協(xié)會（IMA）的預(yù)測：到2030年世界汽車保有量將比目前增加一倍，達(dá)10億輛。今后10年汽車工業(yè)鎂合金將以15％的速度持續(xù)增長，到2005年，鎂合金用量將達(dá)到10公斤/輛，鎂合金年耗量達(dá)20萬噸；到2010年，轎車鎂合金用量將達(dá)到40公斤應(yīng)用范圍主要是常溫低服役條件的殼體等結(jié)構(gòu)零部件(如：汽車儀表板、座位架、方向操縱部件、引擎蓋、變速箱、進(jìn)氣歧管、泵閥體等)1.4新材料研究中的幾個活躍問題151鎂合金的應(yīng)用目前，國外單車鎂合金平均用量約3公斤/輛（Vo我國的優(yōu)勢我國是鎂資源大國我國廉價原鎂導(dǎo)致世界原鎂價格降低我國是世界稀土大國

1.4新材料研究中的幾個活躍問題152我國的優(yōu)勢我國是鎂資源大國1.4新材料研究中的幾個活躍問題(2)鋼鐵材料鋼鐵材料的特點(diǎn)資源豐富，地殼中含有約4.2%（重量）的鐵，到現(xiàn)在還有500多億噸容易加工成各種形狀，可滿足各領(lǐng)域的需要便于大生產(chǎn)、質(zhì)量穩(wěn)定、價格低廉回收率高，回收率可達(dá)到90%。資源的循環(huán)使用，有利于環(huán)境保護(hù)1.4新材料研究中的幾個活躍問題153(2)鋼鐵材料鋼鐵材料的特點(diǎn)資源豐富，地殼中含有約4.2%存在的問題S含量沖擊韌性鋼材的潔凈度低1.4新材料研究中的幾個活躍問題154存在的問題S含量沖擊韌性鋼材的潔凈度低1.4新材料研究中的S含量脆性轉(zhuǎn)變溫度1.4新材料研究中的幾個活躍問題155S含量脆性轉(zhuǎn)變溫度1.4新材料研究中的幾個活躍問題58C、S、P、O、N、H總量，ppm10005000196019802000年代深沖鋼1.4新材料研究中的幾個活躍問題156C、S、P、O、N、H總量，ppm1000500019601鋼鐵材料的強(qiáng)度潛力未得到充分發(fā)揮

大部分鋼鐵材料的強(qiáng)度：幾百M(fèi)Pa

理論強(qiáng)度：9000MPa以上。

鋼鐵材料的強(qiáng)度大有潛力可挖

理想材料實(shí)際材料伸長率屈服強(qiáng)度1.4新材料研究中的幾個活躍問題157鋼鐵材料的強(qiáng)度潛力未得到充分發(fā)揮

大部分鋼鐵材料的強(qiáng)度耐腐蝕性能需要提高目前鋼鐵材料的腐蝕報(bào)廢率占鋼鐵年產(chǎn)總量的20～40%

全世界每年因腐蝕而報(bào)廢的鋼鐵材料達(dá)到近1億噸

鋼鐵材料的腐蝕與其潔凈度有關(guān)系，鋼材潔凈度可以使鋼材的耐蝕速度成倍變化超純鐵（99.9999%）基本不生銹1.4新材料研究中的幾個活躍問題158耐腐蝕性能需要提高目前鋼鐵材料的腐蝕報(bào)廢率占鋼鐵年產(chǎn)總量的2人均占有量低

我國人均鋼占有量<100公斤

世界人均鋼占有量：150公斤

發(fā)達(dá)國家人均鋼占有量：500公斤1.4新材料研究中的幾個活躍問題159人均占有量低1.4新材料研究中的幾個活躍問題62——開發(fā)鋼鐵材料的潛力○日本科學(xué)技術(shù)廳：

“超級鋼鐵材料開發(fā)計(jì)劃”

開發(fā)計(jì)劃：10年（1997～2006年）總投資：1000億日圓，相當(dāng)于80億人民幣。開發(fā)目的：結(jié)構(gòu)用鋼鐵材料的強(qiáng)度提高一倍，壽 命提高一倍達(dá)到節(jié)省資源和保護(hù)環(huán)境的目的該開發(fā)計(jì)劃是與腦科學(xué)、信息技術(shù)、地球科學(xué)并列的四大開發(fā)計(jì)劃之一。

發(fā)展趨勢1.4新材料研究中的幾個活躍問題160——開發(fā)鋼鐵材料的潛力應(yīng)用：

提高高層建筑高度和高速

公路的性能；

推動高防災(zāi)性城市的建設(shè)；

輕量化汽車；

高速船舶的制造。1.4新材料研究中的幾個活躍問題161應(yīng)用：

日本通產(chǎn)省

“超金屬開發(fā)計(jì)劃”

開發(fā)計(jì)劃：5年（1997～2001年），年預(yù)算6億日圓

研究對象：鐵基、鋁基等金屬

開發(fā)目的：探討金屬材料在極限狀態(tài)下所具有的特性

減少對某些有限資源、稀有金屬的依賴性

打破過去既成的金屬概念

提高金屬材料的重復(fù)利用性

節(jié)約資源、節(jié)約能源

大幅度地提高金屬材料的各種性能。

研究方法：開發(fā)新的工藝路線

將金屬組織控制在超細(xì)晶粒的界觀領(lǐng)域及

納米級非晶態(tài)結(jié)構(gòu)1.4新材料研究中的幾個活躍問題162日本通產(chǎn)省

○

北美和歐洲聯(lián)合研究新型高效鋼鐵材料

○

德國對開發(fā)新的高效長壽鋼給予重視

○世界許多鋼鐵生產(chǎn)廠與汽車制造廠聯(lián)合

開展超輕量化車體用鋼

1.4新材料研究中的幾個活躍問題163○北美和歐洲聯(lián)合研究新型高效鋼鐵材料

○德國對開發(fā)新的高○我國

△“八五”、“九五”：低合金鋼、轎車用鋼

△攀登計(jì)劃：

“新一代微合金高強(qiáng)高韌鋼的基礎(chǔ)研究”

△973項(xiàng)目：

“新一代鋼鐵材料的重大基礎(chǔ)研究”

要求經(jīng)濟(jì)上有競爭力

在微觀理論和研究方法上有突破

制造技術(shù)上有突破

高潔凈化高均勻化超細(xì)化

1.4新材料研究中的幾個活躍問題164○我國

△“八五”、“九五”：低合金鋼、轎車用鋼應(yīng)用目標(biāo)

我國新世紀(jì)用新型鋼鐵材料屈服強(qiáng)度

普碳鋼：以Q235為主（盤條、熱軋薄板）

200→400MPa（目前：4000萬噸/年）

低合金鋼：以管線鋼為主（高層建筑用鋼）

400→800MPa（目前：2000萬噸/年）

合金結(jié)構(gòu)鋼：機(jī)械制造用鋼

800→1500MPa(目前：1000萬噸/年）

上述三類鋼占我國鋼總產(chǎn)量的60%以上1.4新材料研究中的幾個活躍問題165應(yīng)用目標(biāo)

我國新世紀(jì)用新型鋼鐵材1.4.4計(jì)算機(jī)模擬與材料設(shè)計(jì)

隨著材料研究的深入與計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，可以通過計(jì)算機(jī)模擬來預(yù)測材料的結(jié)構(gòu)、性能及其相互間的關(guān)系，從而達(dá)到優(yōu)化材料設(shè)計(jì)的目的。例如從量子和原子尺度出發(fā)來預(yù)測材料的各種物性，從宏觀熱力學(xué)角度出發(fā)繪出相圖，甚至與制造技術(shù)相結(jié)合，得出最后產(chǎn)品的使用性能，由此，形成了一門計(jì)算材料科學(xué)，當(dāng)然計(jì)算材料科學(xué)必須與實(shí)驗(yàn)相配合，否則難以達(dá)到實(shí)用的目的。1.4新材料研究中的幾個活躍問題1661.4.4計(jì)算機(jī)模擬與材料設(shè)計(jì)

隨1.5新材料制備與加工技術(shù)的現(xiàn)狀與展望20世紀(jì)70年代開始，人們把信息、能源、材料譽(yù)為人類文明的三大支柱

80年代以來又把新材料技術(shù)、信息技術(shù)、生物技術(shù)一起列為高新技術(shù)革命的重要標(biāo)志材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是社會現(xiàn)代化的物質(zhì)基礎(chǔ)與先導(dǎo)1671.5新材料制備與加工技術(shù)的現(xiàn)狀與展望20世紀(jì)70年代開始新材料和新材料加工技術(shù)的發(fā)展的突破以大規(guī)模集成電路為代表的微電子技術(shù)以載人飛船或航天飛機(jī)為代表的航空航