材料技术发展简介

前言

      材料:是具有一定性能,可以用来制作器件、构件、工具、装置等有用器件的物质。

      材料是人类社会进步的物质基础。

      材料是人类社会进步的主要标志。

      材料、信息、能源是人类文明的三大支柱,其中材料是物质基础

      人类文明进程的划分依据是材料,并且是所使用的、占主导地位的材料。

      七个不同文明时代:

      人类文明曾被划分为——旧石器时代新石器时代铜器时代铁器时代钢铁时代合成材料时代复合材料时代等,由此可见材料的发展对人类社会的影响。

      材料也是人类进化的标志之一,任何工程技术都离不开材料的设计和制造工艺,一种新材料的出现,必将支持和促进当时文明的发展和技术的进步。

一、在人类文明的进程中,材料大致经历了以下五个发展阶段。

      1.使用纯天然材料的初级阶段:纯天然材料的简单加工;

      2.人类单纯利用火制造材料的阶段:利用火来对天然材料进行煅烧、冶炼和加工的阶段;

      3.利用物理与化学原理合成材料的阶段:人类开始了人工合成材料的新阶段;

      4.材料的复合化阶段:人类已经可以利用新的物理、化学方法,根据实际需要设计独特性能的材料;

      5.材料的智能化阶段:材料已经具备了部分自适应、自诊断和自修复的功能;

     

1.使用纯天然材料的初级阶段:

     在原古时代,人类只能使用天然材料(如兽皮、甲骨、羽毛、树木、草叶、石块、泥土等),相当于人们通常所说的旧石器时代。这一阶段,人类所能利用的材料都是纯天然的,在这一阶段的后期,虽然人类文明的程度有了很大进步,在制造器物方面有了种种技巧,但是都只是纯天然材料的简单加工。

     

2.人类单纯利用火制造材料的阶段:

      这一阶段横跨人们通常所说的新石器时代、铜器时代和铁器时代,也就是距今约10000年前到二十世纪初的一个漫长的时期,并且延续至今,它们分别以人类的三大人造材料为象征,即陶、铜和铁。这一阶段主要是人类利用火来对天然材料进行煅烧、冶炼和加工的时代。例如人类用天然的矿土烧制陶器、砖瓦和陶瓷,以后又制出玻璃、水泥,以及从各种天然矿石中提炼铜、铁等金属材料,等等。

     

3.利用物理与化学原理合成材料的阶段:

      二十世纪初,随着物理学和化学等科学的发展以及各种检测技术的出现,人类一方面从化学角度出发,开始研究材料的化学组成、化学键、结构及合成方法,另一方面从物理学角度出发开始研究材料的物性,就是以凝聚态物理、晶体物理和固体物理等作为基础来说明材料组成、结构及性能间的关系,并研究材料制备和使用材料的有关工艺性问题。由于物理和化学等科学理论在材料技术中的应用,从而出现了材料科学。在此基础上,人类开始了人工合成材料的新阶段。这一阶段以合成高分子材料的出现为开端,一直延续到现在,而且仍将继续下去。人工合成塑料、合成纤维及合成橡胶等合成高分子材料的出现,加上已有的金属材料和陶瓷材料(无机非金属材料)构成了现代材料的三大支柱。除合成高分子材料以外,人类也合成了一系列的合金材料和无机非金属材料。超导材料、半导体材料、光纤等材料都是这一阶段的杰出代表。

      1880年,从这一阶段开始,人们不再是单纯地采用天然矿石和原料,经过简单的煅烧或冶炼来制造材料,而且能利用一系列物理与化学原理及现象来创造新的材料。并且根据需要,人们可以在对以往材料组成、结构及性能间关系的研究基础上,进行材料设计。使用的原料本身有可能是天然原料,也有可能是合成原料。而材料合成及制造方法更是多种多样。

     

4.材料的复合化阶段:

      复合化即“材料设计”,始于二十世纪五十年代,其目的是“按照指定性能定做”新材料,按生产要求“设计”最佳制备加工方法,采用新的物理、化学方法,根据实际需要设计出具有特殊性能的材料,从设计、材料和工艺一体化出发,开发材料的先进制造技术,实现材料的高性能化和复合化,实现材料生产的低成本、高质量和高效率。例如,玻璃钢、铝塑薄膜、梯度功能材料以及最近出现的抗菌材料的热潮,都是复合材料的典型实例。

      现代复合材料最根本的思想不只是要使两种材料的性能变成3加3等于6,而是要想办法使他们变成3乘以3等于9,乃至更大。严格来说,复合材料并不只限于两类材料的复合。只要是由两种不同的相组成的材料都可以称为复合材料。

     

5.材料的智能化阶段:

      自然界中的材料都具有自适应、自诊断和自修复的功能。如所有的动物或植物都能在没有受到绝对破坏的情况下进行自诊断和修复。人工材料目前还不能做到这一点,但是近三四十年研制出的一些材料已经具备了其中的部分功能。即智能材料

      ①功能材料智能化 智能凝胶、机械化学系统,如光致变色玻璃

      ②结构材料智能化 自行诊断、损伤自显示、自修复和自愈合、自组装功能、自分解性,如形状记忆合金

      ③生物材料智能化 微球功能的智能化(药物控制释放)、 智能生物材料与组织工程

      尽管近十余年来,智能材料的研究取得了重大进展,但是离理想智能材料的目标还相距甚远,而且严格来讲,目前研制成功的智能材料还只是一种智能结构。

      如上所述,在二十世纪中,材料经历了五个发展阶段中的三个阶段,这种发展速度是前所未有的。总的说来,本世纪材料科学的发展有以下几个特点:

      超纯化(从天然材料到合成材料)、量子化(从宏观控制到微观和介质控制)、复合化(从单一到复合)及可设计化(从经验到理论)。

      当前,高技术新材料的发展日新月异,材料科学的内涵也日益丰富,二十一世纪会出现什么样的高技术材料,材料科学又将发展到何种程度,我们很难预料。

人类史与材料发展的关系 石器时代 石器时代-陶器 青铜时代 铁器时代 从铁矿到钢材


二、材料的应用推动经济发展

      回顾人类的经济发展史,从原始社会的狩猎、刀耕火种,到封建社会的庄园经济和后来的小农经济,直到近代的工业经济,世界经济舞台发生了翻天覆地的变化,在这之中,材料起了关键作用。

      尤其是近300年来,两次世界范围的产业革命都离不开材料的应用与新材料的开发。

材料与人类文明史

      

第一次技术革命

      

第二次技术革命

      

第三次技术革命

1.材料与人类历史文明

    材料是人类文明的里程碑;

    材料是人类赖以生存和发展的重要物质基础;

    人类的文明史就是材料的发展史——是人类学习利用材料、制造材料、创造新材料的历史。

    

    

    

    

    

2.材料与产业革命

    在开发了铁和铜等新材料后,蒸汽机得以使用并逐步推广,由此引发第一次产业革命是“铁和煤的革命”

    发生于英国,在17、18世纪牛顿等一批科学家掌握了科学理论,创办了各种学术团体,广泛交流学术思想,促使科技革命的发生,而后遍及欧洲、北美,它以纺织机械革新为起点,以蒸汽机广泛使用为标志,实现了工业生产从手工工具到机械化的转变,使以机器为主体的工厂代替了以手工技术为基础的手工工场,将人类推入蒸汽时代

    

    

    

    

    第二次产业革命是“钢和电以及石油业的革命”

    它处于19世纪后半期~20世纪中叶,支撑它的是新材料开发,如合金钢、铝合金,以及各种非金属材料的发展。

    这些新材料的诞生使石油的大量开发、新机器和新产品的创制、远距离传递信息手段有新的发展,带动飞机、汽车和其他工业的蓬勃发展,出现了电力、钢铁、化工“三大技术”和汽车、飞机、无线电通讯“三大文明”。

    

    

    

    

    第三次工业革命,在20世纪前半期开始的以核能、飞机、汽车、化工和电子计算机的发明或发展为标志,它是与航空材料的进步(涉及飞机的革新)和20世纪30年代继塑料以后,合成橡胶和合成纤维相继问世(使有机合成材料工业进入一个崭新阶段)密切相关的。

    这次工业革命使劳动生产方式开始向自动化发展。

    当今世界,正面临又一场新的技术革命(有人称之为第四次工业革命),它以信息科学、材料科学和生物科学为前沿,更是以各种新兴材料的出现和应用为前提的。

    世界权威人士认为,这场技术革命所带来的影响和创造的社会财富,将大大超过历次工业革命。


三、材料的分类与性能

      按化学组成分为:金属、无机非金属、高分子、复合材料

      金属材料 ,原子间结合以金属键为主

      陶器,原子间结合以离子键为主

      高分子材料,原子间结合以共价键为主

      按使用性能或服役要求分为:结构材料功能材料

 

1.金属材料

    分为由一种金属元素构成的单质(纯金属)

    由两种或两种以上金属元素、或金属与非金属元素构成的合金,合金又分为固溶体金属间化合物

    金属材料在不断地推陈出新,许多新兴金属材料应运而生 例如,微合金钢低合金高强度钢双相钢等新钢种。

    有色金属合金方面,出现了高纯高韧铝合金高强高模铝合金高温铝合金,先进的高强、高韧和高温钛合金,先进的镍基、铁镍、铬基高温合金铜合金难熔金属合金,及稀有金属合金等。

    高性能金属材料,出现了快速冷凝金属非晶和微晶材料纳米金属材料有序金属间化合物定向凝固柱晶、单晶合金等。

    新型金属功能材料,出现了钕-铁-硼稀土永磁合金非晶态磁合金新型铁氧体超细金属隐身材料形状记忆合金贮氢材料活性生物医用材料等。

    

    金属材料主要性能:—主要为金属键

    –热和电的良导体

    –具有良好的强度、延展性、金属光泽

    

    2.无机非金属材料

    是除金属材料、高分子材料外所有材料的总称

    一般将其分为传统的(普通的)和新型的(先进的)无机非金属材料两大类.

    传统无机非金属材料是指由SiO2、硅酸盐为主要成分制成的材料,包括陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料

    此外,搪瓷、磨料、铸石(辉绿岩、玄武岩等)、碳素材料、非金属矿(石棉、云母、大理石等)也属于传统无机非金属材料

    先进(或新型)无机非金属材料是用氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物及其他无机非金属化合物经特殊的先进工艺制成的材料。

    主要包括先进陶瓷、非晶态材料、人工晶体、无机涂层、无机纤维等

    

    陶瓷材料主要性能:—通常为离子键或共价键

    –绝缘体而且比较耐热

    

    3.高分子材料

    高分子是由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成的分子量很大的化合物。

    也定义高分子是由碳、氢、氧、氮、硅、硫等元素组成的分子量很大的化合物。

    高聚物种类繁多,性能各异,其分类的方法多种多样

    按来源分:天然高分子材料合成高分子材料

    橡胶、纤维、塑料、胶粘剂

    塑料、合成纤维、合成橡胶是现代三大高分子材料

    按性能和用途:

    物理功能:导电高分子、高分子半导体、光导电高分子、压电高分子、磁性高分子、光功能高分子、液晶高分子、信息高分子材料

    化学功能:反应性高分子、离子交换树脂、高分子分离膜、螯合高分子、高分子催化剂、高分子试剂及人工脏器、生物医用功能高分子材料、高分子药物等

    

    高分子材料主要性能:—以共价键为主,有的含分子键

    –通常密度较低,在高温下不稳定

       

    4.复合材料

    复合材料是由高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺而成的新型材料,既能保留原组成材料的主要特色,又能通过复合效应获得原组分所不具备的性能,还可通过材料设计使各组分的性能互补,从而获得新的优越性。

    为了清晰表示复合材料,一般把占主要组分的材料称为基体(matrix),其它组分称为增强材料或增强相(reinforcement)

    复合材料的分类,按基体分为四大类

    聚合物基复合材料 (PMC)

    金属基复合材料 (MMC)

    陶瓷基复合材料 (CMC)

    碳/碳复合材料 (C/C)

    按增强材料分为三大类,

    纤维增强复合材料

    晶须增强复合材料

    颗粒增强复合材料

    

    复合材料主要性能:—性能的复合,可设计

    与基体材料相比,复合材料比强度(强度/密度)和比模量(弹性模量/密度)高抗疲劳性能好,高韧性和抗热冲击性(PMC和CMC中尤为重要)

    耐热性高

    减振性能好

    耐烧蚀性、耐磨损、导电和导热

    

    5.结构材料、功能材料

    结构材料主要要求其力学性能,是以强度、硬度、刚度、韧性、疲劳强度等力学性能为特征的材料。

    钢是用途最广、用量最大的金属结构材料

    功能材料主要利用其特殊的物理性能,是以声、光、电、磁、热等物理性能为特征的材料

    如电子材料、光电子材料、超导材料等

    吸声材料可控制噪声污染及潜艇消音

    光学材料包括光导纤维、彩电荧光屏中所加入的稀土材料

    半导体材料和磁性材料利用其电学和磁学性能

    航天航空技术要求发展各类耐高温合金

    

    材料的功能:确切地说是向材料输入某种能量,经过材料的传输或转换,再向外部输出一种能量。

    包括一次功能二次功能

    向材料输入的能量和从材料输出的能量属于同一种形式,材料仅起能量传递的作用,此种功能为一次功能,如光导纤维。

    向材料输入的能量和材料输出的能量属于不同形式,材料起能量转换作用,此种功能为二次功能,如光电材料。

    

    6.材料科学的涵义

    材料科学是研究各种材料的结构、制备加工工艺与性能之间关系的科学。这一关系 可用一四面体表示,如右末二图所示。四面体的各顶点为组成与结构制备与加工材料的固有性能使用性能

    组成与结构:表示材枓结构所包含的四个层次:原子结构、结合键、原子排列方式(晶体与非晶体)。化学组成:构成材料的元素组成;晶体:原子排列长程有序,有周期;非晶体:原子排列短程有序,无周期。

    制备与加工:备制:是指把各种原子或分子结合起来,制成材 料所釆用的各种化学方法和物理方法。 加工:是指材料制造。包括传统的冶炼、熔融、制粉、成型、锻、焊接等,也包括新发展的真空 溅射、气相沉积等新工艺。其方法和对性能的影响随材料种类的不同而不同。

    材料性能:包括材料本身所具有的物理性能(电、磁、光、热等性能)、化学性能 (如抗氧化和抗腐蚀、聚合物的降解等)和力学性能(如强度、塑性、韧性等〉。

    使用性能:是把材料的固有性能和产品设计、工程应用能力联系起来,度量材料使用性能的指标是寿命、速度、能量利用率、安全可靠程度和成本等综合因素,在利用物理性能时包括能量转换效率、灵敏度等。

    

    材料的性质概括:各类材料、各种材料内部的微观及宏观自组织特征概括,如右末图所示。

材料的家属
材料简介
金属材料的分类表
非金属材料的分类表
高分子材料的分类表
塑料
复合材料的分类表
复合材料
新材料-高分子材料、纳米材料
新材料-超导材料、储能材料 材料科学的四要素示意图 各类材料的性能归纳表


四、材料生态

原始生态模式 农业生态模式 工业生态模式 工业使大气污浊 后工业化社会

    

    

    原始生态材料时期(原始生态模式) 原始社会是人类社会最漫长的时期,持续时间大约有30万年,这一时期人口稀少,主要以天然资源为衣、食、住、行的使用材料,人类的行为是利用自然界的物质资源,以生活活动和生理代谢过程与生态环境进行物质和能量转换,很少有意识地改造自然,从获取资源的质量和数量角度看,属于原始生态模式,对自然生态系统基本不造成危害。

    

    

    

    准原始生态材料时期(农业时代)大约在五千年前,人类开始进入农业时代,农业社会人口虽有增加,能使用材料依然以天然资源和人工栽培、饲养的生物为主要原料,对自然资源进行粗浅加工,制造。逐步摆脱对自然界的依赖,利用和运用自然资源改善自己生存和生活水平的能力逐渐提高,出现了陶瓷、冶金业,人类只能制造与使用对自然资源进行粗浅加工的材料,以提高生活质量,并且总体来说生产规模也不大,虽然生态系统个别组元有短暂的扩张,但生态系统整体仍然可以长期维持。

    

    非生态材料时期(工业文明时代) 18世纪初,人口迅速发展,现代物质文明提高,人类大量开采各种资源,材料发展成大规模生产,大量使用和消费,大量排放人类所不熟悉、难以降解、同化和忍受的“三废”。这个时期有明显的阶段性。20世纪50年代,世界人口增加到16亿,世界能源消费量从世纪初10亿吨煤当量猛增到25亿吨煤当量,石油的消费量已增至5亿多吨,并在能源中所占比例加大,环境污染日趋严重,但主要出现在发达国家,资源、能源变成世界性大流动,生态环境破坏扩展到全球,例如“温室效应”、臭氧层破坏和酸雨,污染源分布广、来源复杂,生态环境的破坏已经威胁到全人类的生存和发展。人类利用和改造自然的形式空前地复杂和多样化,大肆改造自然,生态系统主要是产业活动,使总体流动增大。社会的增长方式呈指数规律,若增长率为7%,则倍增期为10年。地球的能提供的能源和资源、所能容纳的环境污染物及所能供养的人口都是有限的,无限的增长方式将导致自然生态系统崩溃。

    材料的大量生产、消费、废弃与自然生态系统出现了尖锐的矛盾,按生态学法则,这些因人为而引起的变化都对“社会-经济-自然复合生态系统”造成破坏。

    

    生态材料时期(后工业化社会)以史为鉴,认识到材料持续发展的出路在于材料应以“社会经济自然生态效益”的统一为着眼点,人类不能无视客观的自然规律随意地处理自然。人类社会是整个自然生态系统中的一个子系统,其活动应当(包含材料生命周期的活动)参与自然生态的动态运动,一方面破坏大自然中旧的平衡,另一方面又建立有益于人类的新的平衡,应当使对生态系统的冲击和干扰限制在其再生循环能力和自净能力的合理限度内。

    随着材料的使用范围和生产规模不断扩大,生态环 境依然得到保护,并追求人类与生态系统的长远效益。


五、材料的循环

    1.地球一材料一地球

    

    右图是在全球范围高度简化了的材料循环示意图。图的左半部属于材料供应,主要是为了获得工业材料,它属于矿业及农业科学与工程的范畴。右半部属于材料使用和消耗,主要是在制造结构件、器件、机器及其随后的应用中对工程材料的使用,它属于材料科学与工程的主要范畴。

    地球→矿石、煤、原油、石头、木材等原材料→经过选矿、精炼、提纯、制浆等工艺→金属、化学产品、纸张、水泥、纤维等→加工成各种晶体、合金、陶瓷、塑料、混凝土等→制造成各种有用产品→以废料的形式回到地球或经分解和材料回收再次进入材料循环。

    

    2.以材料循环利用的循环经济::所谓循环经济,是以资源的高效利用和循环利用为目标,以“减量化、再利用、资源化”为原则,以物质闭路循环和能量梯次使用为特征,按照自然生态系统物质循环和能量流动规律,使经济系统和谐地纳入到自然生态系统的物质循环的过程中,建立起的一种新形态的经济。

    循环经济发展理念,重点体现在以“材料能源”为核心,横向扩展构建核心材料循环产业链促进产业集聚,提高物质综合利用率,实现能源梯级利用,减少资源浪费;纵向拓展延伸材料精深加工产业链,除引进生产高精尖产品的加工企业入驻园区外,还规划吸引和培育与相关材料联营、相关材料联产、能源梯级利用相关的工业固废综合利用循环企业入驻园区,提高园区材料产品附加值。

    

    3.环境材料对策:1.材料的生态设计、可循环再生设计、产品可拆卸设计材料在设计阶段就对材料整个生命周期进行综合考虑,即减少原料使用量,尽可能使用可再生原料,尽可能使用再生原料,生产和使用过程能耗较低,使用后易于回收、再利用,使用安全、寿命长。

    2.材料的清洁生产将环境策略贯彻于生产中,节约原材料和能源,消除有毒原材料,使用再生原料,尽可能减少生产排放物和废弃物的数量和毒性。

    3.生态材料物质流和能流循环再生及相关技术

    开路技术 以可再生资源为主,如生物合成、天然材料复合技术

    闭路技术 以不可再生资源为主,包括可再生材料设计,回收技术,代用技术

    4.传统材料的生态化及其相关技术

    提高材料寿命:材料寿命与资源使用量、废弃物排放量存在内在联系,材料寿命与固体废弃物排放总量成反比

    使用循环再生材料:由回收材料加工成最终产品,或构成产品的一部分,是多种废弃物预防策略之一

    再生利用型材料,包括可再生的可降解塑料、在家用电器中能够加以回收利用的电路基板,在生产/使用过程中污染较少且能够回收再生的纸张等

    可降解材料,由天然材料加工成的高分子材料等,能经自然界微生物分解或者能够自动降解具有净化环境/防止污染功能的材料,如不释放有害气体的墙体材料,高吸油性树脂等

    替代传统有污染的材料,如冰箱内的全无氟制冷剂等 洁净能源材料,如燃料电池中的储氢材料

    5.“1Z3R”技术 ——生产过程无三废排放技术(zero-emission) ——使用容易后处理的代用材料技术(refine) ——减少材料生命周期各阶段排放废弃物技术(reduce) ——材料废弃物能有效利用技术(recycle) ——材料能够再生重新使用技术(reuse)

地球-材料-产品循环示意图 无废弃农业 农业产业间循环 有机农场内部生态循环示意 玉米塑料 生态工业园示意


杨浦区少科站《科技好望角》编辑      2016年11月23日


 

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