材料与社会进步课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,材料与社会进步,1材料与社会进步,2,一、 材料与材料的,发展史,二、 “,多姿多彩,”的材料世界（重点）,三、 材料对社会的,负面影响,四、,结语,汇报提纲,2一、 材料与材料的发展史汇报提纲,3,材料的,概念,2.,材料的,重要性,3.,材料的,发展史,一、材料与材料的发展史,3材料的概念一、材料与材料的发展史,4,1.,材料的概念,鸟巢,41.材料的概念鸟巢,5,家用电器,5家用电器,6,这些对人类生活极为重要和有用的“,器件,”，由各种不同的,材料,制成，那么到底,什么是材料,？,高铁,6这些对人类生活极为重要和有用的“器件”，由各种不同的材料制,7,材料,是可为人类社会接受的、经济地制造有用器件（物品、器件、构件、机器）等的,物质,。（狭义定义）,从材料的定义可知，不是所用的物质都是材料，即,材料物质,。,根据材料的现代定义，材料有,资源,判据、,能源,判据、,环保,判据、,质量,判据、,经济,判据等五个判据来判定。,7材料是可为人类社会接受的、经济地制造有用器件（物品、器件、,8,材料的获得、质量的改进和使之称为人们可以利用的器件都离不开生产工艺和制备技术，所以人们往往把,“,材料科学,”,与,“,工程,”,相提并论，称为,“,材料科学与工程,”,。,材料科学与工程就是研究有关,材料组成,、,结构,、,制备工艺,与,性能和用途,等（,四要素,）之间的关系，目的是通过对材料组成、结构及工艺设计、达到提高性能及使用效果、节约资源、减少污染、减低成本的最佳状态。,8材料的获得、质量的改进和使之称为人们可以利用的器件都离不开,9,材料、能源与信息技术,是现代文明的三大支柱，而能源与信息技术的发展在一定程度上又依赖于材料的进步。,现代科技与现代文明,信,息,材,料,能,源,2.,材料的重要性,9材料、能源与信息技术是现代文明的三大支柱，而能源与信息技术,10,美国国防部,1991,年提出,20,项关键技术，,有,5,项以材料为主。,同年美国白宫发布美国国家关键技术项目共,6,领域,22,项关键，,材料为,6,领域之一,。,材料合成与加工、电子和光子材料、陶瓷复合材料、高性能金属与合金,5,项为关键,。,我国,863,高技术发展计划，,材料是,7,个重点之一,。重大基础研究攀登计划,30,个重大课题有,7,个与材料,直接有关。,10美国国防部1991年提出20项关键技术，有5项以材料为主,11,材料,人类社会进步的里程碑。,从一定意义上讲，,人类社会的历史就是一部利用和制造材料的历史,。正是形形色色的材料构成了世间万物，人类的发明创造丰富了材料世界，而材料的不断更新与发展推动了人类社会的进步。,3.,材料的发展史,11材料人类社会进步的里程碑。3. 材料的发展史,12,人类、材料和技术的演变史,12人类、材料和技术的演变史,13,综观人类发现材料和利用材料的历史，,每一种重要材料的发现和广泛利用，都会把人类支配和改造自然的能力提高到一个新水平,，给社会生产力和人类生活水平带来巨大变化，把人类的物质文明和精神文明向前推进一步。,13综观人类发现材料和利用材料的历史，每一种重要材料的发现和,14,人类的文明史可按使用材料的种类划分,，如石器时代，陶器时代，铜器时代，铁器时代，多元材料时代（,或者石器时代、青铜器时代、铁器时代、钢铁时代、新材料时代,）等。,14 人类的文明史可按使用材料的种类划分，如石器时代，陶,15,石器时代（大约,100,万年前）,15石器时代（大约100万年前）,16,材料发展史上的第一次重大突破，是人类学会用粘土烧结制成容器。人类第一个划时代的发现就是，大概在,公元前,50,万年,发现了火（我国，,燧人氏钻木取火,），结束了人类茹毛饮血的生活，由此人类开始走向文明。随着对土壤可塑性的感性认识，以及对火的使用和控制经验的积累，人类开始用粘土制作简单的原始陶器。,陶器时代,16材料发展史上的第一次重大突破，是人类学会用粘土烧结制成容,17,世界上第一種,人造材料,-,製出的陶器，盛裝液體的容器和煮食物的陶罐,-,吃不完的東西有了儲存的地方,-,便於人們定居,-,進一步發展農牧業,-,劃時代之偉大發明,17世界上第一種人造材料,18,随着金属冶炼技术的发展，在公元元年左右，人类掌握了,通过鼓风,提高燃烧温度的技术，发现一些高温烧制的陶器，由于局部熔化而变得更加坚硬，完全改变了陶器多孔与透水的缺点而成为,瓷器,。这是陶器发展过程的重大飞跃，从此形成了陶器时代。,18随着金属冶炼技术的发展，在公元元年左右，人类掌握了通过鼓,19,瓷器,-,純淨的黏土和石英、長石等原料配成泥漿，作成毛坯,-,燒好粗坯，再上釉,-,在,1300,左右高溫下，經過複雜的化學變化，同釉密切的結合而成,-,質地細緻，半透明，不吸水,从陶器到瓷器,19瓷器从陶器到瓷器,20,到公元前,6000,年，,人类根据长期的体验，创造了冶金术，开始了用天然矿石冶炼金属，在西亚（古巴比伦王国）出现了铜制品；发展到公元前,3000,年，出现了铜合金,(,添加锡、铅的青铜,),，形成了青铜器时代。由于青铜熔点低（,232-750,，用普通木材作燃料已可以达到此温度，因此青铜容易获得。（,事实上，在此后相当长的时间内到,17,世纪，材料的发展都是与人类的加热技术水平联系在一起的,），铸造性能良好，它作为制造武器、生活用具以及生产工具等物品的材料，曾大显身手，在人类文明史上产生过重要作用。,青铜器时代,20到公元前6000年，人类根据长期的体验，创造了冶金术，开,21,中国商代晚期,（约公元前,14,至前,11,世纪）,的青铜器。,1939,年于河南安阳商代晚期墓出土。因腹内壁铸有,“,司母戊,”,三字而得名。,875kg,13301100780mm,21中国商代晚期（约公元前14至前11世纪）的青铜器。19,22,越王勾践剑,的主要的成份是铜和锡，还含有少量的铅、铁、镍和硫等，剑身的黑色菱形花纹是经过硫化处理的，剑刃精磨技艺水平可同现在精密磨床生产的产品相媲美，充分显示了当时越国铸剑工匠的高超的技艺。,55.7cm,，,875g,22 越王勾践剑的主要的成份是铜和锡，还含有少量的铅、铁,23,秦 剑,23秦 剑,24,明永乐大钟（公元,1418-1422,年），重,46.5t,，,钟内铸,23,万经文,24明永乐大钟（公元1418-1422年），重46.5t，,25,莫斯科钟王,（,1733-1735,），莫托林，,193t,，高,6.4,米，外口径,6.6,米,25莫斯科钟王（1733-1735），莫托林，193t，高6,26,铁器时代,大约在公元前,1500,年，人类借助,风箱（鼓风技术）,，发明了在高温下用,木炭还原铁矿石,生产铁的方法，并在半熔状态下进行锻造制作各种器具和武器，开创了,铁器时代,。用上述方法制备的铁器，即使长期放置在大气中也基本不生锈，它具有和青铜不同的金属光泽，强度较高，而且可加工性能良好。,26铁器时代大约在公元前1500年，人类借助风箱（鼓风技术）,27,辉县出土的,战国,铁制农具,我国在秦朝时铸造技术已达到很高的水平。,铁具有比青铜更高的强度，它除可用于制造武器外，还可用作结构材料制造器件。,27辉县出土的战国铁制农具我国在秦朝时铸造技术已达到很高的水,28,沧州铁狮子王（后周广顺三年（,953,年）,高,5.4,米，体长,6.3,米，宽,3.15,米，重约,40,吨,28沧州铁狮子王（后周广顺三年（953年）,29,钢时代,到了,17,世纪，炼铁生产趋向大型化。欧洲出现了高炉，燃料还原剂由木炭改为煤炭，从,18,世纪进而改为焦炭，以焦炭为燃料的炼铁术在欧洲得到推广应用，高炉的规模逐渐扩大，产量也随之增加。,随后，当人类发现钢铁在高温下也具有高强度这一事实后，便出现了以钢铁为结构材料，将蒸汽的热能转变为机械能的蒸汽机。,从此，人类开始掌握了人工产生机械动力的方法，用来开动机械设备进行大规模生产，这使人类的思想和社会结构发生了巨大变革。,29 钢时代到了17世纪，炼铁生产趋向大型化。欧洲出现了高炉,30,钢铁的使用标志着人类开始由农业经济社会进入所谓工业经济的文明社会。人们称这个时期为钢时代。,钢铁材料的广泛应用,，导致了大规模的机械化生产，极大地丰富了人类社会的物质文明，引起了第一次产业革命，即,工业革命,。自,18,世纪,60,年代起，英国以,珍妮纺纱机,的问世为标志，开始了工业革命，到,19,世纪,30,年代,蒸汽机,的广泛应用、小汽车和轮船的出现，第一次产业革命基本完成，前后历时,70,载。,30钢铁的使用标志着人类开始由农业经济社会进入所谓工业经济的,31,大炼钢（大跃进）,“,大炼钢,”,是指,1957,年,11,月至,1958,年,12,月期间，为了达到由毛泽东提出的,“,赶英超美,”,在全国范围内开展的一项,全民炼钢,运动。提出要在十五年内钢产量赶超英国。（,1957,年，我国钢产量,535,万吨，英国,2000,万吨）,后来热情不断高涨，对完成这个目标的时间不断缩短。作为内部要求,7,年赶上英国，,8,年或,10,年赶上美国。,全国参与大炼钢铁的人数达到,9000,多万，修建土高炉,100,多万座。,31大炼钢（大跃进）“大炼钢”是指1957年11月至1958,32,32,33,33,34,经突击蛮干，,1958,年,12,月,19,日党中央宣布，提前,12,天完成钢产量翻番任务,（,1070,万吨），,钢产量为,1108,万吨，生铁产量为,1369,万吨。实际上合格的钢只有,800,万吨，所炼,300,多万吨土钢、,416,万吨土铁根本不能用 。估计炼钢铁在全国约损失,200,亿元。,1996,年中国粗钢产量超过,1,亿吨,首次跃居世界第一。,2006,年中国粗钢产量,4.23,亿吨，成为钢铁净出口国。,2014,年，中国粗钢产量,8.2,亿吨，中国粗钢产量占全球比重为,49.4%,，钢铁产能过剩。,34经突击蛮干，1958年12月19日党中央宣布，提前12天,35,新材料时代（,多元材料,时代）,进入,20,世纪,90,年代，人类不断发展和研制新材料，,这些新材料具有一般传统材料所不可比拟的优异性能,，是发展信息、航天、能源、生物、海洋开发等高技术的重要基础，也是整个科学技术进步的突破口。人类从此进入了,新材料时代。,35新材料时代（多元材料时代）进入20世纪90年代，人类不断,36,新材料按其在不同高技术领域中的用途可分为三大类，即,信息材料,、,新能源材料,，以及在特殊条件下使用的,结构材料和功能材料,。如砷化镓等新的化合物半导体材料，用于信息探测传感群的碲镉汞、锑化姻、硫化铅等敏感类材料，石英型光导纤维材料，非晶体太阳能电池材料，超导材料，高温陶瓷材料，高性能复合结构材料，特别是纳米材料等等。,36新材料按其在不同高技术领域中的用途可分为三大类，即信息材,37,以半导体材料和光电子材料为代表的,信息材料,仍是最活跃的领域；可再生能源的加速开发、核能的新发展、最重要的节能材料,-,超导材料的室温化、提高燃效减少污染的燃料电池的开发等，将使能源功能材料取得突破性进展；以医用生物材料、仿生材料代表的生物材料在生命科学的带动下将有很大发展；智能材料与智能系统将受到更大重视。,随着资源的枯竭、环境的恶化，环境材料日益受到重视,。,21,世纪将逐渐实现按需设计材料。,37以半导体材料和光电子材料为代表的信息材料仍是最活跃的领域,38,二、“,多姿多彩,”的材料世界,1.,材料的分类,2.,生活中的典型材料简介,2.1,航空材料,及其发展,2.2,新型建筑材料,钢结构,2.3,新型汽车材料,铝、镁合金,2.4,博采众长的,复合材料,2.5,象“,软糖,”,一样的,超塑性合金,2.6,会“,记忆,”的合金,38二、“多姿多彩”的材料世界1.材料的分类,39,1.,材料分类,（,1,）,按化学成分、生产过程、结构及性能特点可分为三大类，即,金属材料,、,无机非金属材料,、,有机高分子材料,。,三大材料相互交叉、相互融合。由三大材料中任意两种或两种以上复合而成的材料称为,复合材料,。,391. 材料分类（1）按化学成分、生产过程、结构及性能特点,40,（,2,）,按材料使用性能或用途的侧重点不同分类：,结构材料和功能材料,。,结构材料：是着重利用其力学性能的一大类材料。,功能材料：功能材料是指除强度之外还具有其他功能的材料，即侧重于以特殊的物理、化学性能为主的材料。功能材料对外界环境具有灵敏的反应能力，即对外界的光、热、电、压力等各种刺激可以有选择地完成某些相应的动作，因而具有许多特定的功能。,40（2）按材料使用性能或用途的侧重点不同分类：结构材料和功,41,（,3,）按材料,应用对象,的不同进行分类：结构材料、电子材料、,航天航空材料,、汽车材料、核材料、建筑材料、包装材料、能源材料、生物医学材料、信息材料。,（,4,）传统材料及新型材料则是另外一种对材料的分类方法。,41（3）按材料应用对象的不同进行分类：结构材料、电子材料、,42,传统材料,是指那些已经成熟且在工业中已批量生产并大量应用的材料，如钢铁、水泥、塑料等。这类材料由于其量大、产值高、涉及面广泛，又是很多支柱产业的基础，所以又称为,基础材料,。,新型材料,(,先进材料,),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。,42,43,新型材料,与,传统材料,之间并没有明显的界限，传统材料通过采用新技术，提高性能，大幅度增加附加值而成为新型材料；新材料在经过长期生产与应用之后也就成为传统材料。传统材料是发展新材料和高技术的基础，而新型材料又往往能推动传统材料的进一步发展。,43 新型材料与传统材料之间并没有明显的界限，传统材料,44,航空材料是制造航空器、航空发动机和机载设备等所用各类材料的总称,。,航空材料与航空技术的关系极为密切，航空材料在航空产品发展中具有极其重要的地位和作用；航空材料既是研制生产航空产品的物质保障，又是推动航空产品更新换代的技术基础。,2.1,航空材料及其发展,2.,生活中的,典型材料简介,44 航空材料是制造航空器、航空发动机和机载设备等所用各类材,45,（,1,）航空产品特殊的工作环境对航空材料的性能要求集中表现在“,轻质高强、高温耐蚀,”。,所谓“轻质高强”是指，要求材料的比强度高，即要求材料不但强度（静强度高、能承受大过载、疲劳强度高）高而且密度小。航空工业有一句口号叫做“,为每一克减重而奋斗,”，反映了减重对于航空产品的重大经济意义。而且材料减重对飞机减重的贡献也越来越大，所以轻质高强是航空材料必须满足的首要性能要求。,2.1.1,航空材料的性能要求,45（1）航空产品特殊的工作环境对航空材料的性能要求集中表现,46,飞行器结构减重带来的效益,机种,小型民,用飞机,直升机,先进,战斗机,商用,运输机,超音速,与高超,音速运输机,航天,飞机,美元,/,磅,50,300,400,800,3000,30000,磅,=453.59237,克,46飞行器结构减重带来的效益机种小型民用飞机直升机先进战,47,“,高温耐蚀,”,的,“,高温,”,是指航空材料要能耐受较高的工作温度。对机身材料，气动力加热效应使表面温度升高，需要结构材料具有好的高温强度；对发动机材料，要求涡轮盘和涡轮叶片材料要有好的高温强度和耐高温腐蚀性能。,“,耐蚀,”,是指航空材料要有优良的抗腐蚀，特别是抗应力腐蚀、腐蚀疲劳的能力。,47“高温耐蚀”的“高温”是指航空材料要能耐受较高的工作温度,48,（,2,）航空产品的高可靠性、多样性对航空材料提出了更高的质量要求。,航空器是技术密集、高集成度的复杂产品，只有采用质地优良的航空材料才能制造出安全可靠、性能优良的飞机、发动机。,航空产品的多样性和小批量生产，导致了航空材料研制和生产上的多品种、多规格、小批量、技术质量要求高等特点。,48（2）航空产品的高可靠性、多样性对航空材料提出了更高的质,49,（,3,）航空产品降低成本的需求导致要发展低成本航空材料。,新型号的先进飞机价格不断攀升，各航空技术领先的国家和地区都先后对航空产品提出了“,买得起,”的要求。而材料在航空产品的成本和价格构成中占有相当份额，所以科学地选材和努力发展低成本材料技术是航空材料发展的重要方向。,49（3）航空产品降低成本的需求导致要发展低成本航空材料。,50,B-2,“,幽灵,”,(Spirit),隐形轰炸机,造价：,24,亿美元,50B-2“幽灵”(Spirit)隐形轰炸机,51,F-22“,猛禽”,(Raptor),战斗机,造价：,3.5,亿美元,51F-22“猛禽”(Raptor) 战斗机,52,（,1,） 飞机结构材料的演变,2.1.2,航空材料的演变,52（1） 飞机结构材料的演变2.1.2 航空材料的演变,53,图,飞行者一号（复制品）,莱特兄弟,早期飞机,(1903,年）的结构以,木材、蒙布、金属丝,绑扎而成，后来又发展为木材与金属的混合结构。,53图 飞行者一号（复制品）莱特兄弟 早期飞机(19,54,到了二十世纪三十年代，随着铝合金材料的发展，,全金属承力蒙皮,逐渐成为普遍的结构形式。,Me 109,型战斗机（德国，,1935,年）,54到了二十世纪三十年代，随着铝合金材料的发展，全金属承力蒙,55,二十世纪三、四十年代，镁合金开始进入航空结构材料的行列。,四、五十年代，不锈钢成为航空结构材料。,到五十年代中期开始出现钛合金，并被用于飞机的高温部位。,二十世纪六十年代，开发出树脂基先进复合材料，后来在树脂基复合材料的基础上又出现了金属基复合材料。,55二十世纪三、四十年代，镁合金开始进入航空结构材料的行列。,56,现代飞机大量采用新材料。如,F-14,的机体结构中有,25%,的钛合金、,15%,的钢、,36%,的铝合金、还有,4%,的非金属材料和,20%,的复合材料。,图,F-14,“,雄猫,”,可变后掠翼战斗机,56现代飞机大量采用新材料。如F-14的机体结构中有25%的,57,787,梦想飞机是第一个由,复合材料制作,的中远程航线飞机，“是商业航空史自波音,707,喷气式客机以来最大的创新”。,57787梦想飞机是第一个由复合材料制作的中远程航线飞机，“,58,作为全球第一款以,碳纤维合成物为主体材料,的民用喷气客机，波音,787,机体结构的,50%,左右,都用更轻、更坚固的碳纤维材料制作。,787,飞机的,整个机身、机翼、尾翼和发动机舱都用复合材料制成。,碳纤维合成物制作的机身还能减轻飞机重量，耗油量也随之减少,20,左右，,787,可持续飞行,1.575,万公里不需加油。,58作为全球第一款以碳纤维合成物为主体材料的民用喷气客机，波,59,从各种材料的角度分析，今后航空产品结构用材的发展趋势是：,铝合金,在相当长的时期内，仍将是亚音速飞机和低超音速飞机的主要结构用材之一。,一些新型超高强度钢,在今后仍然还会是起落架、主要接头、隔框等一些主要承力构件的备选材料。,59 从各种材料的角度分析，今后航空产品结构用材的发,60,钛合金,在飞机结构用材中所占的重要地位已确定无疑，但是钛合金的较贵的价格和较差的工艺性，是影响使用的很大因素。,由于,先进复合材料,具有比钢、铝、钛高得多的比强度、比模量和耐疲劳等优点，在未来高性能的飞机结构材料中，先进复合材料将会占据越来越重要的地位，甚至完全有可能出现,全复合材料结构的飞机,。,60钛合金在飞机结构用材中所占的重要地位已确定无疑，但是钛合,61,（,2,）航空发动机用材的演变,无论是军用还是民用飞机的性能相当大的程度上取决于发动机的水平，而高温结构材料又发动机的核心材料。,61（2）航空发动机用材的演变无论是军用还是民用飞机的性能相,62,F119,发动机（,F/A-22,用）,62F119发动机（F/A-22用）,63,早期的活塞式发动机的结构材料以,普通碳素钢,为主。,涡轮喷气发动机（包括涡轮风扇发动机和涡轮桨叶发动机）的性能水平很大程度上依赖于,高温材料,的发展。其中尤以涡轮部件材料最为关键：,63早期的活塞式发动机的结构材料以普通碳素钢为主。,64,涡轮叶片材料,在二十世纪四十年代，尽管喷气式发动机的原理早已提出，但由于没有合适的高温材料用于制造涡轮，所以发展迟缓。到五十年代初，英国的,White,公司开发出了,镍基高温合金,。到六十年代，开始使用真空熔炼方法制造高温合金，合金的纯度得到提高，性能更好。七十年代，开发出定向凝固、单晶铸造等高温部件制造工艺，使叶片的最高工作温度和耐疲劳性能进一步提高。,64涡轮叶片材料,65,涡轮盘材料,二十世纪四十年代的涡轮进口温度约为,800,900,，采用了,16-25-6,铁基合金。,五十年代，随着涡轮进口温度提高到,950,，出现了沉淀硬化合金，应用沉淀强化原理使合金具有更高的高温强度。,到七十年代，进口温度提高到了,1240,，出现了,Rene 95,合金和粉末冶金高温合金。,65涡轮盘材料,66,对航空产品性能的要求日益攀升，要求使用推重比更高、经济性更好的航空发动机。军用发动机的推重比已经达到,10,，如美国的,F119,发动机已装备了,F22,战斗机。大推力涡轮风扇发动机如,GE90,、,PW4073/4084,、,Trent800,等早已为,B777,、,A330,等大型宽体客机所选用。,66对航空产品性能的要求日益攀升，要求使用推重比更高、经济性,67,在这些先进航空发动机中，,高温材料,仍属于核心技术。如军用发动机中的高温钛合金（压气机盘和叶片）、高温合金板材（燃烧室）和粉末冶金材料和单晶叶片材料（涡轮）等，民用发动机中使用的单晶叶片材料和粉末高温合金涡轮盘材料。,67在这些先进航空发动机中，高温材料仍属于核心技术。如军用发,68,2.2,新型建筑材料,-,钢结构,世界贸易中心,682.2 新型建筑材料-钢结构世界贸易中心,69,世界贸易中心原为美国纽约的地标之一，原址位于美国的纽约市曼哈顿岛西南端，建于,1962,年,1976,年。占地,6.5,公顷，由两座,110,层,高,411.5,米,的塔式摩天楼，每幢摩天楼面积,46.6,万平方米。大楼采用,钢架结构，用钢,7.8,万吨,，楼的外围有密置的钢柱，墙面由铝板和玻璃窗组成，有“,世界之窗,”之称。日常在世贸中心工作的人数在,5,万左右，每天又平均有约,15,万人参观世贸中心。,69世界贸易中心原为美国纽约的地标之一，原址位于美国的纽约市,70,钢结构是指用钢板和热轧、冷弯或焊接型材通过连接件连接而成的能承受和传递荷载的结构形式。,钢结构体系具有自重轻、工厂化制造、安装快捷、施工周期短、抗震性能好、投资回收快、环境污染少等综合优势，与钢筋混凝土结构相比，更具有在,“,高、大、轻,”,三个方面发展的独特优势。,钢结构建筑已成为国际现代化都市建筑发展的主流，特别是随着结构解析和钢构技术的提升，这种趋势更加明显。,70钢结构是指用钢板和热轧、冷弯或焊接型材通过连接件连接而成,71,世界贸易中心在,2001,年,9,月,11,日的,“,9.11,恐怖袭击事件,”,中坍塌。,71世界贸易中心在2001年9月11日的“9.11恐怖袭击事,72,至少有,200,名消防人员在纽约世贸中心爆炸事件中丧生，,266,名乘客和机组人员在坠毁的飞机中丧生，整体的死亡人数超过,3000,人。,纵观,911,事件，值得深思的是，从建筑设计与结构上世贸中心双塔楼这样的钢铁混凝土巨人为什么经受不起一架飞机的袭击,?,此外，在遭到庞大的波音,767,飞机高速撞击后，塔楼为什么没有马上坍塌？这些都与双塔楼本身以及所使用的材料有关。,72至少有200名消防人员在纽约世贸中心爆炸事件中丧生，26,73,被撞击后，非常集中的力被钢管和混凝土的弯曲、扭曲和局部撕裂所吸收。,外壁钢管受到的载荷被重新分配到临近的其它钢管上。,整个世贸的结构设计把受到的冲击能量迅速消散掉了。,飞机没有撞倒世贸大厦,73被撞击后，非常集中的力被钢管和混凝土的弯曲、扭曲和局部撕,74,扩散型火焰,0.1-10 W/cm,2,低燃烧温度,非化学计量比,世贸大火是燃油过量的非化学计量比燃烧，温度大概在825,，,远低于钢的熔点,1500，,因此，钢管没有熔化。,74扩散型火焰世贸大火是燃油过量的非化学计量比燃烧，温度大概,75,世贸大厦钢管没有被大火熔化，但在高温下，钢管的强度大大降低了，大约只有室温强度的3040，所以钢管的强度被大大弱化了。,外壁温度低，内部温度高，大的温度梯度造成外壁与内部热膨胀的失配。,较长的地板托梁各部分受到的热量是不一致的。,钢管强度的弱化，结构完整性的破坏和弯曲引起的形变是大厦倒塌的主要原因。,75世贸大厦钢管没有被大火熔化，但在高温下，钢管的强度大大降,76,高热量的火焰迅速扩散,76高热量的火焰迅速扩散,77,结构单元开始变形，松弛并下垂,77结构单元开始变形，松弛并下垂,78,强度弱化和变形引起横梁与钢管脱离,78强度弱化和变形引起横梁与钢管脱离,79,坠落的横梁冲击下面的横梁并使其脱离钢管,强度弱化，失去横梁支撑的外壁钢管变形弯曲,79坠落的横梁冲击下面的横梁并使其脱离钢管强度弱化，失去横梁,80,冲击改变了横梁承受的载荷,大火弱化了横梁的强度并使其扭曲,某些楼层地板横梁发生弯曲,坠落的楼层地板横梁冲击下面的楼层,多米诺骨牌效应，一层接一层坍塌，最终引起大厦垂直坍塌,结构单元开始失效，使钢管失去支撑,80冲击改变了横梁承受的载荷大火弱化了横梁的强度并使其扭曲某,81,911,事件使得人们对钢结构建筑的防火心存疑虑，而建筑行业普遍关心的，除防火外，还有防腐问题。事实上，随着建筑设计能力的不断提高和新型防火、防腐材料的出现，钢结构防火防腐问题已经得到较好解决,(,已不再是世贸大厦建造那个年代，即,30,多年前的情况了,),。,81911事件使得人们对钢结构建筑的防火心存疑虑，而建筑行,82,超级钢,，,1995,年日本发生阪神大地震，当地钢铁建筑毁于一旦，引发日本学界对钢铁材料重要性的思考。为了适应未来发展，很多学者提出要开发更坚固的钢铁材料，这是研发“超级钢铁”的起源。,日本从,1997,年开始研究具有高强度和长寿命的“超级钢铁”。提出的口号是开发出强度为现代钢铁的,2,倍，寿命也为,2,倍的超级钢铁。,82超级钢，1995年日本发生阪神大地震，当地钢铁建筑毁于一,83,超级钢铁,-,研究内容：,把在日本利用最广泛的低碳素钢铁,SM 490,的强度提升,2,倍，并保证其可以焊接使用；,将螺栓的强度提升到,180O MPa,；,为了提高热效率，将用于制造火力发电设备的钢的耐热温度从,600,提升到,650,；,制造不易生锈的钢铁。,83超级钢铁-研究内容：,84,超级钢铁,-,主要技术：,微粒钢，就是应用了,“,超级钢铁,”,的部分技术。,“,超级钢铁,”,利用废铁取代部分铁矿石进口。,“,超级钢铁,”,研究的一个重点在于废铁的再利用，目标是让以废铁为原料加工成的钢铁与从铁矿石加工的成铁拥有同等甚至更高的质量，而且价廉。,84超级钢铁-主要技术：,85,极端一点说就是，日本将不需要铁矿石了，这也必将是中韩等国要走的路。,如果产业界有需求，日本国内所有的废铁都有可能被制造成,“,超级钢铁,”,。日本还可以在国外利用废铁生产,“,超级钢铁,”,供出口。这将是钢铁产业的一个新模式。,85极端一点说就是，日本将不需要铁矿石了，这也必将是中韩等国,86,2012,年，央视,创新中国,栏目报道，中国的微晶钢,(,超级钢,),居于世界领先地位。超级钢的特点是：低成本、高强韧性、环境友好、节省合金元素和有利于可持续发展，被视为钢铁领域的一次重大革命；我国是目前世界上唯一实现超级钢的工业化生产的国家，其他国家的超级钢尚未走出实验室。,862012年，央视创新中国栏目报道，中国的微晶钢(超级,87,中国开发超级钢的历程可以追溯到,1998,年，那时我国钢产量已经跃居世界第一，但是品种质量与国外差距很大。科技部分别在,1998,年和,2001,年启动了,973,计划：,新一代钢铁材料研究,和,863,计划：,500MPa,碳素钢先进制造技术,。在这两个重大项目的支持下，东北大学与宝钢、一汽等企业合作，,2002,年成功地实现了超级钢的工业生产并用于汽车制造，这标志着我国超级钢开发应用走到国际前列。,87中国开发超级钢的历程可以追溯到1998年，那时我国钢产量,88,由于控制环境污染方面的要求，,21,世纪，地面运输工具将使用高比强度、高比刚度材料，以减轻自重，如汽车每减少,100,公斤，每升油可多行驶,0.5,公里。,2003,年，美国汽车,12,公里,/L,提高到,35,公里,/L,，该目标的实现，,37%,靠车辆的,轻量化,。,2.3,新型汽车材料,铝、镁合金,88由于控制环境污染方面的要求，21世纪，地面运输工具将使用,89,铝合金,是汽车上应用得最快最广的轻金属。,特点：重量轻，强度高、耐腐蚀,德国奥迪汽车公司在1999年推出的奥迪,A2，,以全新的轻量化结构，成为世界第一款大批量生产的全铝轿车。,89铝合金是汽车上应用得最快最广的轻金属。,90,奥迪,A2,的车身采用,全铝空间框架车身,ASF,。,由于奥迪,A2,采用,ASF,空间结构，使车身重量比传统钢制车身轻40%以上，只有895公斤。,90奥迪A2的车身采用全铝空间框架车身ASF。由于奥迪A2采,91,美洲虎铝合金车身,XJ,系列，通过使用轻量和高强度的铝合金，车身重量减小了40%，强度则提高了60%。,91,92,镁合金,具有重量轻、高比强度、高比刚度、抗震动、低噪音、良好的阻尼性和优异的铸造性等优点，被誉为“,21,世纪的绿色金属结构材料”和最被看好的铝合金替代品。与铝合金相比，镁合金具有重量轻、延伸率高、减震性能强、屏蔽性能好等特点，同车型使用成本与自重均降低,1/3,左右。,92镁合金具有重量轻、高比强度、高比刚度、抗震动、低噪音、,93,今后若干年，全球平均每辆汽车镁合金用量将达到,120,公斤，这将使汽车减重,500,公斤，从而大大降低汽车油耗和尾气排放量。,目前，,国外,轿车上采用镁合金的部件有座椅上一些部件、转向柱部件、转向盘、制动与离合器踏板托架、安全气囊限制装置、踏板托架、轿车音响小的散热器框架、镜托架以及可开式车顶的一些部件。,93今后若干年，全球平均每辆汽车镁合金用量将达到120公斤，,94,全自动镁合金压铸件生产设备日前在东风公司正式投产。这条年产,400,吨的镁合金自动压铸生产线将生产东风系列载重汽车脚踏板、变速箱顶盖、制动阀壳体，富康轿车方向盘芯、缸体罩盖、进气管、门锁芯壳、转向支架等系列产品。,94全自动镁合金压铸件生产设备日前在东风公司正式投产。这条年,95,东风汽车将脱下铝装换镁装,95东风汽车将脱下铝装换镁装,96,汽车上使用的一些镁合金铸件,96汽车上使用的一些镁合金铸件,97,引言：无处不在的复合材料,钢筋混凝土建筑框架,玻璃钢撑杆,2.4,博采众长的复合材料,97引言：无处不在的复合材料 钢筋混凝土建筑框架玻璃钢撑杆2,98,在航空、航天方面的应用,由于复合材料的,轻质高强,持性，使其在航空航天领域得到广泛的应用。在航空方面，主要用作战斗机的机冀蒙皮、机身、垂尾、副翼、水平尾冀、雷达罩、侧壁板、隔框、翼肋和加强筋等主承力构件。,98在航空、航天方面的应用,99,法国 “空中客车” 公司生产的,A380,双层四引擎大型客机，最大可载客量,650,人,复合材料使,A380,减重,15,吨,(1),机翼,(2),垂直尾翼和水平尾翼,(3),地板梁和后承压框,(4),固定机翼前缘,(5),机翼后缘处的襟翼,副翼,(6),机身蒙皮壁板,99法国 “空中客车” 公司生产的A380双层四引擎大型客机,100,主,货舱门,-,碳纤维,/,环氧树脂,压力容器,-,凯芙拉纤维,/,环氧树脂,主机,隔框和翼梁,-,硼,/,铝复合材料,“哥伦比亚号”,航天飞机,发动机的,喷管,-,碳,/,碳复合材料,发动机组,传力架,-,钛基复合材料,机身,防热瓦,-,陶瓷基复合材料,100主货舱门-“哥伦比亚号”发动机的喷管-,101,“耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料”,张立同院士研制的“摔不烂的陶瓷”，攻克航天飞机,隔热瓦,技术难关,国家技术发明一等奖（,2004,年）,101“耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料” 张立同院士研制的,102,在化学工业方面的应用,在化学工业方面，,复合材料,主要被用于制造,防腐蚀,制品。聚合物基复合材料具有优异的耐腐蚀性能,。,例如，在酸性介质中，聚合物基复合材料的耐腐蚀性能比不锈钢优异得多。,102在化学工业方面的应用,103,103,104,Glass fiber web/epoxy,Glass fiber rings,Longitudinal carbon fibers/epoxy,轻质、高强、高弹性、较低成本、低密度及屈服强度,Pole-vaulting,复合材料在撑杆上的应用,104Glass fiber web/epoxyGlass,105,在交通运输方面的应用,由复合材料制成的汽车质量减轻，在相同条件下的耗油量只有钢制汽车的14，而且在受到撞击时复合材料能大幅度吸收冲击能量，保护人员的安全。,105在交通运输方面的应用,106,材料分类：金属、非金属、有机高分子材料,各有千秋,扬长避短,克服单一材料的缺点,产生原来单一材料没有本身所没有的新性能,复合材料,（,1,） 复合材料概念,106材料分类：金属、非金属、有机高分子材料 （1） 复合材,107,什么是复合材料?,用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的组分，通过人工复合、组成多相、三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的材料。,107什么是复合材料?,108,108,109,必须由两种以上化学、物理性质不同的材料组合而成,必须是,人造,的，是人们根据需要设计制造的材料,通过各组分性能的互补可获得单一材料不能达到的,综合性能（达到图,5-1-,各优点组合状态,）,复合材料三个必要条件,1,2,3,109必须由两种以上化学、物理性质不同的材料组合而成必须是人,110,因此复合材料必须通过对,原材料的选择,，,各组分分布的设计,和,工艺条件的保证,等，以使原组分材料的优点互相补充，同时利用复合材料的,复合效应,使之出现新的性能，最大限度地发挥优势。,110因此复合材料必须通过对原材料的选择，各组分分布的设,111,（,2,） 复合材料发展,学术界开始使用“复合材料”（,composite materials ）,一词大约是在20世纪40年代，当时出现了,玻璃纤维增强不饱和聚酯,，开辟了,现代复合材料,的新纪元。,111（2） 复合材料发展,112,材料科学家们认为，就世界范围而论，从1940年到1960年这20年间，是玻璃纤维增强塑料时代，可以称为,复合材料发展的第一代,。,1975,年先进复合材料“碳纤维增强、及,Kevler,纤维增强环氧树脂复合材料”已用于飞机、火箭的主承力件上。这一时期被称为复合材料发展的第二代。,112材料科学家们认为，就世界范围而论，从1940年到196,113,1980,年到,1990,年间，是纤维增强金属基复合材料的时代，其中以铝基复合材料的应用最为广泛，这一时期是复合材料发展的第三代。,1990年以后则被认为是,复合材料发展的第四代,，主要发展,多功能复合材料,，如,机敏（智能）复合材料,和,梯度功能材料,等,。,1131980年到1990年间，是纤维增强金属基复合材料的时,114,随着新型复合材料的不断涌现，复合材料不仅应用在导弹、火箭、人造卫星等尖端工业中，在航空、汽车、造船、建筑、电子、桥梁、机械、医疗和体育等各个部门都得到应用。,21,世纪是复合材料的时代，它是材料革命方向之一。,114 随着新型复合材料的不断涌现，复合材料不仅应用在导,115,（,1,） 超塑性合金的特点,凡金属在适当的温度下（大约相当于熔点的一半），变得像,软糖,一样柔软，而且其应变速率为,每秒,10mm,时产生,300%,以上,的伸长率，均属超塑性现象。,2.5,象软糖一样的超塑性合金,115（1） 超塑性合金的特点2.5象软糖一样的超塑性合金,116,TC11,超塑性拉伸试样,116TC11超塑性拉伸试样,117,金属的超塑性现象，是英国物理学家森金斯在,1982,年发现的，他给这种现象做如下定义：凡金属在适当的温度下（大约相当于金属熔点温度的一半）变得像软糖一样柔软，而应变速度,10,毫米秒时产生本身长度三倍以上的延伸率，均属于超塑性。,117 金属的超塑性现象，是英国物理学家森金斯在19,118,在通常情况下，金属的延伸率不超过,90%,，而超塑性材料的最大延伸率可高达,1000%,2000 %,，个别的达到,6000%,。,在一定的变形温度范围内进行低速加工时可能出现超塑性。,118 在通常情况下，金属的延伸率不超过90%，,119,优点：,超塑加工具有很大的实用价值，只要很小的压力就能获得形状非常复杂的制作。试想一下，金属变成了饴糖状，从而具有了可吹塑和可挤压的柔软性能，因此过去只能用于玻璃和塑料的真空成型、吹塑成型等工艺被沿用过来，用以对付难变形的合金。,缺点：,超塑性成形虽然具有上面所述的一些优点，但是超塑性成形一般,生产率较低,，又,需要较高的温度,，这是该工艺没有得到较大推广的重要原因。提高超塑性变形速率是近几年国际上超塑性学者探讨的重要方向。,119优点：超塑加工具有很大的实用价值，只要很小的压力就能获,120,普通材料的强度越高，形状越复杂，加工成形就越困难，特别是整体成型就更困难。,目前，有静压法和旋压法等强力成形方法，对普通的高强度材料需要很高的压力，而且材料的利用率低，由于制造费用大，材料耗费多，成本居高不下。,120普通材料的强度越高，形状越复杂，加工成形就越困难，特别,121,利用超塑性合金，对航天飞机上的那些难加工成形的复杂形状的结构部件，就会比较容易完成加工。,飞机隔架：普通锻造法，,158.8kg,毛坯,+,机械加工；超塑性合金，,22.7kg,即可制造成形最后的构件，节省,136.1kg,材料。,121利用超塑性合金，对航天飞机上的那些难加工成形的复杂形状,122,形状记忆,合金（,shape memory materials，,简称,SMM,）,是指具有一定初始形状的材料经形变并固定成另一种形状后，通过热、光、电等物理剌激或化学剌激的处理又可恢复成初始形状的材料。,2.6,会“记忆”的合金,122形状记忆合金（shape memory materia,123,形状记忆效应示意图,123形状记忆效应示意图,124,密闭中空结构件中很难进行紧固操作，形状记忆紧固铆钉依靠形状恢复可进行这种操作。,A,f,点低于室温的合金用来制造紧固铆钉，尾部形状记忆处理成开口形状；,进行紧固操作前，把紧固铆钉浸泡在干冰或液态空气中进行充分冷却，然后把尾部拉直；,插入被紧固孔；,温度回升后产生形状恢复，铆钉尾部叉开把物体固紧。,124密闭中空结构件中很难进行紧固操作，形状记忆紧固铆钉依靠,125,Ti-Ni,形状记忆合金制造的人造卫星天线,125Ti-Ni形状记忆合金制造的人造卫星天线,126,-,百年难解的白色恐怖：,塑料,三、材料对社会的负面影响,126-百年难解的白色恐怖：塑料 三、材料对社会的负,127,（,1,）与金属决雌雄的发明,工业革命以来，人类社会到处充斥着金属，简直成了金属的世界。然而金属笨重，材料提炼和加工、制作都十分困难，于是一种能与金属一决雌雄的轻型材料诞生了，这就是,塑料,。,塑料是一种很轻的物质，用很低的温度加热就能使它变软，随心所欲地做成各种形状的东西。塑料制品色彩鲜艳、重量轻、不怕摔、经济耐用，甚至在很大程度上取代了金属的位置。塑料的问世不仅给人们的生活带来了诸多方便，也极大地推动了工业的发展。,127（1）与金属决雌雄的发明,128,塑料，由于它具有良好的成型、成膜性、绝缘性、耐酸碱、耐腐蚀性、低透气、透水性以及易于着色、外观鲜艳等特点，成为一类不可代替的与生活息息相关的材料，并被广泛用于家电产品、汽车、家具、包装用品、农用薄膜等领域。,128 塑料，由于它具有良好的成型、成膜性、绝缘性,129,（,2,）永生的垃圾,塑料制品中与人类生产生活最密切相关的可以说是食品塑料包装和医用塑料包装了，而正是这两种塑料制品无孔不入地而且是隐性地危害着人类健康。塑料包装材料一般在加工成膜时必须添加大量的抗氧化剂、增塑剂、紫外线吸收剂或稳定剂等，这些添加剂都是有毒有害的，并且在生产时其用量必须限定在一定的标准范围内；否则，多余的则会溢出。,129（2）永生的垃圾,130,食品塑料袋尤其是有色塑料和一次性发泡塑料对人体健康更具危害性。人们常见的红、蓝、黑等有色再生塑料袋，特别是黑色的塑料袋，是一些生产厂家利用回收的废旧塑料二次加工而成的。由于回收来源复杂，难以保证洗净残留物，再生时常加入大量深色颜料掩盖，还加入了含有毒性的稳定剂。这些物质不仅含有毒性，而且容易被食品吸收，长期食用会有致癌的危险。尤其是富含脂肪的肉类食品，更容易被污染。,130 食品塑料袋尤其是有色塑料和一次性发泡塑料对人体,131,也许有人会说，既然塑料制品对人类具有无穷的危害，那大可弃之不用嘛。然而事情远非如此简单，此塑料制品不用，还有彼塑料制品存在；何况人类已经遭受了,90,多年的有毒塑料对人体健康的威胁和无毒塑料对环境的危害，即使人类完全抛弃所有塑料制品，那么仅那些废弃的塑料污染问题就足已让人类焦头烂额的了。,131也许有人会说，既然塑料制品对人类具有无穷的危害，那大可,132,面对充斥地球的这一场白色灾难，英国,卫报,于,2002,年,10,月,18,日评出“人类最糟糕的发明”，塑料“荣获”这一称号。,卫报,称，我们的地球似乎已经变成了“塑料星球”，土地、河流、高山、海洋,塑料无所不在。直到有一天，我们都已离去，这些家伙仍然占据着地球，因为它们是“永生”的。,132面对充斥地球的这一场白色灾难，英国卫报于2002年,133,塑料之所以是永生的，是由于其原料特性决定的。塑料是从石油或煤炭中提取的化学石油产品，一旦生产出来就很难自然降解。自然界中长期堆放的废塑料，给鼠类、蚊蝇和细菌提供了繁殖的场所，易传染各种疾病；而大量填埋在地下的塑料，,400,年也不会腐烂降解，且极易破坏土壤的通透性，使土壤板结，影响植物生长。,133,134,在认识到塑料难以自然降解以前，人类已经向陆地和海洋扔弃了数以亿吨的塑料垃圾。废弃塑料对土壤尤其是对海洋的污染已经成为国际性问题。由于海洋的特殊性，几百年难以分解的塑料垃圾在海洋中漂浮，有时不但会缠住船只的螺旋桨、损坏船身和机器引起事故和停驶，给航运造成重大损失，而且还往往会被海洋鱼类、鸟类误食。人们不得不因当初的轻易扔弃而自食其果，而今必须以巨额的代价清除。,134在认识到塑料难以自然降解以前，人类已经向陆地和海洋扔弃,135,填埋、扔弃都不可取，那么焚烧呢? 研究证明，焚烧处理塑料垃圾会释放出多种有害的化学物质。其中有一类物质称为,二恶英,，是目前世界上已知的有毒化合物中毒性最强的，其毒性相当于氰化钾的50-100倍，即便在很小量的情况下，二恶英也能使马和鱼类出现畸形和死亡，对生态环境的破坏极大。二恶英非常容易通过牛肉、牛奶、鱼等被人体吸收，而且一旦进入就极难排出。二恶英对人体的伤害表现为：使人消瘦、肝功能紊乱、神经损伤、发生癌症等。,135填埋、扔弃都不可取，那么焚烧呢? 研究证明，焚烧处理塑,136,在德国的各大超市，塑料袋通常是“身价不菲”，账单上清楚地标明，每个塑料袋要花几十欧分。也许是高额的税费，也许是德国人的环保意识较浓，总之，许多德国人都是习惯手提布袋或者是竹篮子上街购物的。,除了德国，英国政府也开始对大型超市发放的塑料购物袋征收每只9便士的税，以减少日益严重的“白色污染”。也许，征收重税迫使人们少使用塑料制品和推广可降解材料塑料袋，是塑料这一糟糕发明的有效补救方案吧!,可降解塑料 （,环保塑料,）,136 在德国的各大超市，塑料袋通常是“身价不菲”，账,137,四、结语,每种材料都有其生命曲线，包括发生、发展、成熟及衰退四个阶段。而衰退主要是因为新型材料的竞争。资源、能源、经济、环保等有利因素使新型材料、新工艺代替旧材料、旧工艺。,人类的发展离不开材料，但需要什么材料,，人们可以去选择。一种材料如果能满足资源、能源、环保、经济和质量这五个判据，它就能生存下来。否则就有被淘汰的可能。,材料对社会的影响巨大，要合理利用，造福人类。,137四、结语每种材料都有其生命曲线，包括发生、发展、成熟及,