《概論材料環(huán)境》課件

概論材料環(huán)境材料科學(xué)與工程學(xué)科的重要組成部分。從宏觀、微觀和納米尺度研究材料的結(jié)構(gòu)、性能和加工過程。緒論材料科學(xué)與工程材料科學(xué)是研究材料的組成、結(jié)構(gòu)、性能及其與加工工藝之間關(guān)系的一門學(xué)科。材料工程是將材料科學(xué)的知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際工程問題，設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用新材料的學(xué)科。材料環(huán)境的重要性材料環(huán)境是指材料所處的外部環(huán)境，對(duì)材料性能有重要影響。理解材料環(huán)境對(duì)于選擇合適的材料、設(shè)計(jì)和制造產(chǎn)品，以及延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命至關(guān)重要。材料環(huán)境的概念材料環(huán)境是指材料所處的周圍環(huán)境，包括物理環(huán)境、化學(xué)環(huán)境和生物環(huán)境。材料環(huán)境會(huì)影響材料的性能，例如腐蝕、老化、失效等。材料環(huán)境的構(gòu)成及特征自然環(huán)境大氣、水、土壤等自然因素會(huì)影響材料性能。如濕度、溫度、光照、化學(xué)物質(zhì)等。人工環(huán)境工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、生活環(huán)境等會(huì)產(chǎn)生各種因素，如污染物、電磁場(chǎng)等，也會(huì)對(duì)材料產(chǎn)生影響。材料本身材料的化學(xué)組成、物理結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)等自身因素也會(huì)影響其在環(huán)境中的行為。環(huán)境因素間相互作用環(huán)境因素之間并非獨(dú)立存在，會(huì)相互影響，共同作用于材料，因此材料環(huán)境是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。材料環(huán)境的類型自然環(huán)境大氣、水、土壤、光照、溫度等自然因素構(gòu)成自然環(huán)境。工業(yè)環(huán)境工廠、礦山、化工等工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，包含各種化學(xué)物質(zhì)、高溫、高壓等。生物環(huán)境生物環(huán)境指材料所處的生物體或生物系統(tǒng)，如人體組織、微生物等。特殊環(huán)境太空、海洋深層、核反應(yīng)堆等極端環(huán)境，具備獨(dú)特的物理化學(xué)特性。環(huán)境對(duì)材料性能的影響環(huán)境因素環(huán)境中的各種因素會(huì)影響材料的性質(zhì)和性能。溫度濕度光照氣體水環(huán)境微生物生物因素化學(xué)腐蝕機(jī)械因素電磁輻射材料性能變化例如，金屬在潮濕環(huán)境中易腐蝕，塑料在陽光下易老化。影響使用壽命這些變化會(huì)降低材料的強(qiáng)度、耐用性和使用壽命，影響產(chǎn)品的性能和安全性。溫度溫度是材料環(huán)境的重要因素之一，對(duì)材料的性能有顯著影響。高溫會(huì)加速材料的氧化、腐蝕和老化，而低溫則會(huì)使材料的強(qiáng)度和韌性降低。例如，金屬材料在高溫下會(huì)發(fā)生蠕變和疲勞，而塑料材料在低溫下會(huì)變脆。濕度濕度是指空氣中水蒸氣的含量濕度會(huì)影響材料的吸水性、膨脹系數(shù)、強(qiáng)度等高濕度環(huán)境會(huì)導(dǎo)致材料吸水膨脹、腐蝕、霉變低濕度環(huán)境會(huì)導(dǎo)致材料干燥收縮、開裂、靜電光照光照是材料環(huán)境的重要組成部分，對(duì)材料的物理和化學(xué)性質(zhì)有顯著影響。光照強(qiáng)度、波長(zhǎng)和照射時(shí)間都會(huì)影響材料的性能。UV紫外線導(dǎo)致材料老化和褪色I(xiàn)R紅外線影響材料的熱性能Visible可見光影響材料的光學(xué)性質(zhì)氣體氣體環(huán)境對(duì)材料的影響主要體現(xiàn)在腐蝕和氧化方面。不同的氣體具有不同的腐蝕性，例如，氧氣、二氧化碳、二氧化硫等會(huì)加速金屬的腐蝕。此外，某些氣體還會(huì)與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，改變材料的物理和化學(xué)性質(zhì)。100%氧氣氧氣是金屬腐蝕的主要原因之一。50%二氧化碳二氧化碳會(huì)加速金屬的碳酸鹽化腐蝕。20%二氧化硫二氧化硫會(huì)導(dǎo)致金屬發(fā)生硫化腐蝕。水環(huán)境水環(huán)境是指材料暴露于水中的情況。水是極性溶劑，它會(huì)溶解許多物質(zhì)，并與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。水環(huán)境類型影響淡水腐蝕、水解、生物附著海水鹽蝕、電化學(xué)腐蝕工業(yè)廢水酸堿腐蝕、重金屬污染微生物微生物對(duì)材料的影響很大，它們可以導(dǎo)致材料的腐蝕、降解和變質(zhì)。例如，細(xì)菌可以導(dǎo)致金屬的腐蝕，真菌可以導(dǎo)致木材的腐爛，霉菌可以導(dǎo)致塑料的降解。因此，在選擇材料時(shí)，需要考慮材料的抗微生物性能。生物因素生物因素是指生物體對(duì)材料的影響，例如微生物、植物、動(dòng)物等。微生物的腐蝕、植物根系的穿透和動(dòng)物的啃咬等都會(huì)對(duì)材料造成破壞。生物因素對(duì)材料的影響通常是長(zhǎng)期的，難以預(yù)測(cè)，對(duì)材料的耐久性和可靠性構(gòu)成威脅?；瘜W(xué)腐蝕化學(xué)腐蝕是材料在化學(xué)物質(zhì)作用下發(fā)生破壞的過程。常見形式包括氧化、酸蝕和堿蝕。腐蝕過程會(huì)降低材料的強(qiáng)度、耐用性和美觀性，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效、設(shè)備故障和環(huán)境污染。機(jī)械因素機(jī)械因素描述影響應(yīng)力材料內(nèi)部的力疲勞、斷裂振動(dòng)周期性變化的力材料損傷、松動(dòng)沖擊突然施加的力材料變形、斷裂磨損材料表面之間的摩擦材料表面損傷電磁輻射電磁輻射是指能量以電磁波的形式傳播，具有波粒二象性，可以影響材料的性能。不同頻率的電磁波對(duì)材料的影響也不同。100kHz低頻金屬材料1GHz高頻非金屬材料300GHz微波高分子材料材料在不同環(huán)境中的行為及影響1材料性能變化材料屬性發(fā)生改變2材料失效材料喪失功能3材料腐蝕材料表面劣化材料在不同環(huán)境中會(huì)表現(xiàn)出不同的行為，并受到環(huán)境因素的影響。這些影響可以導(dǎo)致材料的性能變化、材料的失效，甚至材料的腐蝕。金屬材料1腐蝕金屬材料在潮濕環(huán)境中易發(fā)生腐蝕，導(dǎo)致強(qiáng)度下降、外觀損壞。2溫度影響高溫會(huì)加速金屬材料的氧化和蠕變，低溫可能導(dǎo)致金屬材料變脆。3機(jī)械損傷金屬材料在機(jī)械沖擊或振動(dòng)環(huán)境中易發(fā)生疲勞、斷裂。4電化學(xué)腐蝕在含有電解質(zhì)的環(huán)境中，金屬材料會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕，加速腐蝕速度。陶瓷材料耐高溫陶瓷材料具有較高的熔點(diǎn)，能夠承受高溫環(huán)境，例如高溫爐襯、熔煉容器等。耐腐蝕陶瓷材料具有優(yōu)異的耐酸、耐堿、耐鹽等腐蝕性能，在酸性、堿性、鹽類環(huán)境中能保持穩(wěn)定。絕緣性能陶瓷材料具有良好的絕緣性能，可作為電氣絕緣材料，廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備、電子元件等領(lǐng)域。高分子材料高分子材料，也稱為聚合物，通常是熱塑性塑料，例如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯。它們?cè)诓煌h(huán)境中表現(xiàn)出獨(dú)特的行為。例如，在陽光下長(zhǎng)時(shí)間照射，可能導(dǎo)致降解和變脆。橡膠和彈性體是高分子材料的另一個(gè)重要類別，它們通常具有彈性和耐磨性。橡膠在水分和油脂的存在下會(huì)發(fā)生降解，并會(huì)受到溫度變化的影響，導(dǎo)致性能下降。復(fù)合材料優(yōu)勢(shì)增強(qiáng)強(qiáng)度、耐腐蝕性、重量輕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，應(yīng)用于航空航天、汽車、建筑等領(lǐng)域。常見類型碳纖維增強(qiáng)塑料、玻璃纖維增強(qiáng)塑料、陶瓷基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料等。結(jié)構(gòu)由增強(qiáng)材料和基體材料組成，增強(qiáng)材料提高強(qiáng)度，基體材料賦予形狀和連接性。材料環(huán)境試驗(yàn)及評(píng)價(jià)1加速試驗(yàn)?zāi)M材料在實(shí)際應(yīng)用中可能遇到的極端環(huán)境條件。2自然暴露試驗(yàn)將材料樣品放置在實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行長(zhǎng)期暴露試驗(yàn)。3室內(nèi)模擬試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室中模擬材料所處環(huán)境的溫度、濕度、光照等因素。材料環(huán)境試驗(yàn)是評(píng)估材料性能和預(yù)測(cè)材料在實(shí)際使用環(huán)境中的行為的關(guān)鍵步驟。加速試驗(yàn)環(huán)境模擬加速試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室中模擬自然環(huán)境條件，加速材料的劣化過程。時(shí)間縮短通過加速試驗(yàn)，可在更短時(shí)間內(nèi)預(yù)測(cè)材料在實(shí)際環(huán)境中的使用壽命。測(cè)試類型常見的加速試驗(yàn)包括高溫、高濕、光照、化學(xué)腐蝕等。試驗(yàn)結(jié)果加速試驗(yàn)結(jié)果可為材料的選型、設(shè)計(jì)、使用提供參考。自然暴露試驗(yàn)真實(shí)環(huán)境模擬在自然環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)，模擬材料實(shí)際使用條件，更準(zhǔn)確地評(píng)估材料性能。長(zhǎng)期暴露測(cè)試長(zhǎng)期暴露于陽光、雨水、風(fēng)沙等自然因素，測(cè)試材料的耐久性，如耐候性、耐腐蝕性。數(shù)據(jù)收集分析定期監(jiān)測(cè)材料的性能變化，分析數(shù)據(jù)，評(píng)估材料的適應(yīng)性和可靠性。室內(nèi)模擬試驗(yàn)11.溫度和濕度控制模擬不同溫度和濕度條件，測(cè)試材料性能變化。22.光照模擬模擬紫外線、可見光和紅外線輻射，評(píng)估材料的光穩(wěn)定性。33.氣體環(huán)境模擬模擬各種氣體環(huán)境，如酸性氣體、堿性氣體、腐蝕性氣體等。44.水環(huán)境模擬模擬不同水環(huán)境，如海水、淡水、污水等，評(píng)估材料的耐腐蝕性。材料選擇與設(shè)計(jì)性能要求根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景，材料需要滿足特定的性能要求，例如強(qiáng)度、耐腐蝕性、耐熱性等。成本控制在滿足性能要求的前提下，選擇性價(jià)比高的材料，降低制造成本。環(huán)境友好盡量選擇環(huán)保材料，減少對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。加工工藝考慮材料的加工性能，選擇易于加工的材料，提高生產(chǎn)效率。材料預(yù)防保護(hù)表面處理涂層可以隔離材料與周圍環(huán)境，防止腐蝕和氧化。例如，金屬材料可以鍍鋅或噴涂油漆，以提高其耐腐蝕性。環(huán)境控制控制環(huán)境條件，例如溫度、濕度和氣體濃度，可以有效地減緩材料的降解和腐蝕。例如，使用防潮材料包裝，可以防止金屬材料生銹。材料選擇選擇具有良好耐腐蝕性和耐候性的材料，可以延長(zhǎng)材料的使用壽命。例如，在戶外環(huán)境中，可以使用耐高溫、耐紫外線的塑料材料。定期維護(hù)定期清潔和維護(hù)材料，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理問題，避免材料損壞。例如，定期對(duì)金屬材料進(jìn)行除銹處理，可以防止腐蝕加劇。常見材料環(huán)境問題及對(duì)策11.腐蝕金屬材料在環(huán)境中發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)而損壞的過程。使用耐腐蝕材料，表面涂層，或電化學(xué)防護(hù)方法可以有效降低腐蝕。22.老化高分子材料在環(huán)境中受到光照，溫度，濕度等因素的影響而性能下降，導(dǎo)致老化。使用抗老化劑，改善材料配方或使用保護(hù)性涂層可以減緩老化。33.生物侵蝕木材，混凝土等材料在潮濕環(huán)境中受到微生物的侵蝕