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1、材料与社会,主讲教师： 时 间：,第二章新材料与社会进步,1.材料是社会进步的物质基础 2.材料促进军事装备的进步 3.材料促进航天技术的发展 4.材料的需求与忧患 5.材料发展策略与新的材料观,第二章 新材料与社会进步 材料是社会进步的物质基础,1. 材料导致城市的建立 材料是人类社会进步和人民生活水平提高不可或缺的物质基础，没有材料就没有人类的发展；没有材料就没有社会的进步；没有材料也没有城市的建设。 城市的建设是世界文明的重要标志之一，城市化也是经济发展和社会进步的必然结果。从远古的以物易物到商品流通的贸易集市，到固定的城镇，到现在繁华的大都市。在这个进程中，材料的开发和利用起了极大的推
2、动作用。无论是城市建筑的一砖一瓦，还是城市交通所使用的任意工具、城市文化的传播全都离不开材料。,玛雅古城,古希腊的巴特农神庙,基督教的圣地-耶路撒冷古城,伊斯兰教圣地-麦加,克尔白神殿,北京的紫禁城,古埃及金字塔,现代都市,2.材料推动经济的发展 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，到现代的工业经济，世界经济舞台发生了翻天覆地的巨变，在这个过程中材料的应用和新材料的发现也是主要的推动力。 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。,第一次产业革命就是以推广应用蒸汽机和纺织工业为突破口的，还有稍后的机械制造、轮船、火车等，而后都是以
3、炼钢工业和钢铁材料的极大发展为基础的，当时，必须先开发出钢铁、铜合金等新材料而后使其实用化并得到推广。,比如，火车铁轨的问世就是钢铁材料大量生产和应用的成功例子。,16世纪中期，英国用优质木材做轨道，让马车牵引车辆在其上行驶来运煤和矿石； 1825年英国的达林顿铁路营业，采用斯蒂芬森的蒸汽机车，马车业主的竭力反对； 直到1829年由斯蒂芬森儿子改进的“火箭号”机车在与马车比赛中获胜，才用火车取代了有轨马车，使英国进入了铁路时代,路轨材料最初是在木材上钉上铁板，这显然承担不了较大负载，后来才使用高碳锰钢做铁轨； 铁轨的长度从很短的11.2m (震动和噪声以及阻力都较大)发展到100m以上。现在的
4、轨道可预焊成400m的长轨，铺轨时再依次焊接，可长达数公里，故火车在其上行驶时，平稳、舒适、快捷； 功率相同时火车载重约为汽车的10倍，15节火车车厢的装载量相当于约200辆卡车的装载量。从此，铁路成了各国国民经济的大动脉。而这一切又是建立在钢铁材料大量生产和应用的基础上的。,第二次工业革命是以石油开发和新能源使用为突破口的，一直延续到20世纪中叶。大力推动了汽车、飞机等其他工业。其支撑仍是新材料开发，离不开合金钢、铝合金以及其他非金属材料的发展。 有人认为：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的第三次工业革命，是与航空材料的进步(涉及飞机的革新)和20世
5、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。,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,无钢铁材料无铁路等，美国就不能开发西部，英国不能实现工业化 无金属材料就无机械工业，也就不能为其他工业提供装备，其他工业 不可能建立和发展； 无高分子材料就无电视
6、机等家用电器、无轻工业； 无新兴材料就无现代文明和经济发展。 材料与经济关系的一个典型范例就是硅材料的应用。经济上，它触 发了一个数十亿美元的工业。从助听器到全球性的遥测技术，通信 已十分便利，并且通过文化娱乐、各种私人计算机的出现与使用， 使人们的日常生活发生着巨大的变化。,第二章 新材料与社会进步 材料促进军事装备的进步,从有人类历史以来，战争就连续不断，有国内的民族之争，也有国与国之间的领域之争，甚至是世界大战。从冷兵器到热兵器带现在的核武器、战略导弹防御系统，各类材料，尤其是先进的新材料起到了至关重要的作用。 有关人士分析，二次世界大战在某种程度上就是钢铁之战，日本当年能发动侵略战争就
7、是凭借年产量800万吨的钢铁。阿富汗战争、伊拉克战争、海湾战争等无不是当代高科技和新材料的大展示。,B-2隐形战略轰炸机,B2隐形战略轰炸机是冷战时期的产物，由美国诺思罗普公司为美国空军研制。1981年开始制造原型机，1989年原型机试飞。隐身B2A轰炸机乘员两人，机身长2103米，高518米，翼展为5243米，最大载弹量22680公斤。后来对计划作了修改，使B2轰炸机兼有高低空突防能力，能执行核及常规轰炸的双重任务。 B2轰炸机采用翼身融合、无尾翼的飞翼构形，机翼前缘交接于机头处，机翼后缘呈锯齿形。机身机翼大量采用石墨/碳纤维复合材料、蜂窝状结构，表面有吸波涂层，发动机的喷口置于机翼上方。这
8、种独特的外形设计和材料，能有效地躲避雷达的探测，达到良好的隐形效果。B2轰炸机有三种作战任务：一是不被发现地深入敌方腹地，高精度地投放炸弹或发射导弹，使武器系统具有最高效率；二是探测、发现并摧毁移动目标；三是建立威慑力量。美国空军扬言，B2轰炸机能在接到命令后数小时内由美国本土起飞，攻击世界上任何地区的目标。,1997年，首批六架B-2轰炸机正式服役，而至今一共只生产21架。每架B-2造价为24亿美元，若以重量计，B-2的重量单位价格比黄金还要贵两至三倍(最初装备时)。 1999年，在北约对塞尔维亚的军事行动中，美军多架B-2轰炸机由美国本土直飞塞国，期间共投下600多枚联合直接攻击弹药（JD
9、AM），是空战中隐身性与准确性的一大革命。 在2003年的演习中，一架B-2轰炸机一次投下80枚重达500磅（230千克）的JDAM，显示出先进的“精确饱和攻击”能力。 1997年6月12日，在新墨西哥州白沙导弹靶场进行的作战试验期间，B-2轰炸机在一次通过中投放了16颗JDAM制导炸弹。16颗炸弹各自瞄准目标群。目标群包括位于2个地区内的8个目标，2颗JDAM炸弹攻击一个目标。,“战斧”式巡航导弹,“战斧”式巡航导弹是美国研制的一种从敌防御火力圈外投射的纵深打击武器，可以从水面作战，战斧巡航导弹可在战舰艇或潜艇上发射，攻击舰艇或陆上目标。,该导弹飞行速度快，在航行中采用惯性制导加地形匹配或卫
10、星全球定位修正制导，可以自动调整高度和速度进行高速攻击。导弹表层有吸收雷达波的涂层，具有隐身飞行性能，它是专门为打击远距离目标而设计制造的，是美国军械库中最有威力的“防空区外发射”导弹。1991年海湾战争中“战斧”式巡航导弹首次应用到实战，此后该导弹又在美国对外的多次战争中得到使用。,该导弹于1972年开始研制，1976年首次试飞，1983年开始服役美国军队。全长 6.25米直径0.527米 翼 展2.65米，最大射程2500公里，战斧式巡航导弹最大巡航马赫数0.72 最大巡航高度，50150米（海上为7-15米，陆上平坦地区为60米以下，山地为150米） 起飞重量 1.2吨，制导方式地形匹配
11、制导辅助惯性导航系统，有效载荷122.5公斤，动力装置涡轮风扇发动机+固体火箭助推器，核弹当量 15万吨，最大功率267公斤+3100公斤，命中精度10米(后经改进精确度为1米)。,第二章 新材料与社会进步 材料促进航天技术的发展,从莱特兄弟实现飞行梦想以来，航空和航天器都发生了巨大的变化。新材料的发展是航天技术的基础。 航空航天材料主要包括新型金属材料(如先进铝合金、超高强度钢、高温合金、高熔点合金、铍及其合金)、烧蚀防热材料、新型复合材料等，其中铝、镁合金用量最大。 除此之外还包括一些功能材料，如涂层材料、隔热材料、透明材料、阻尼材料、密封材料、润滑材料、粘合剂材料等。大部分属于高分子材料
12、和陶瓷材料，也有少量阻尼合金等金属材料 。 随着航空技术的进一步发展，轻质、高比强度的钛合金、碳纤维高分子复合材料、硼纤维金属复合材料等得到愈来愈多的采用。,20世纪40年代出现了喷气技术。像歼击机、大型客机用的主要材料是高温合金和钛合金； 航空航天所用材料的比强度、比刚度尤为重要，因为飞机发动机每减重1kg，飞机可减重4kg；航天飞行器每减重1kg，就可使运载火箭减重500kg。所以对高速飞行器来说，要不惜一切代价来减轻质量。 大力发展纤维增强的树脂基及金属基复合材料：如高强度高分子纤维芳纶，其比强度比高强度钢高出近100倍。若用其造飞机的飞行速度快到从纽约到东京只需2h。再如用现代功能陶瓷
13、制造热机，会使其热效率大幅提高。,长征七号火箭,哈勃望远镜,航天材料应用最多的-钛合金,第二章 新材料与社会进步 材料的需求与忧患,当今社会，人类面临着五大问题：人口、粮食、资源、能源和环境。事实上，从十二世纪的最后20年到今天，人口膨胀、资源短缺、环境恶化已经成为全世界必须面临且必须解决的三大难题。 一方面材料及新材料的研究和利用是造成资源、能源过度消耗、环境恶化的主要原因之一； 另一方面随着全球经济的一体化和信息网络的大发展形成全球性的电子商业和高效、远程、大容量的运输工具的开发利用，即电子及光电技术的发展和航空及水上交通运输业的发展都是依靠材料的支撑。两方面是对立的也是统一的，需要可持续
14、协调发展,工业生产对环境造成的污染,生活垃圾对环境的污染,环境污染导致的连体婴儿,当今社会对材料的需求,1.复合材料的需求 复合材料是以一种材料为基体，另一种材料为增强体组合而成的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求，扩大材料的应用范围。 由于复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点，已逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器材等领域，在近几年更是得到了飞速发展。,2007年中国（大陆）行业中，复合材料玻璃纤维产量160万吨，其中115.5万吨用于玻璃钢（F
15、RP）工业；不饱和聚酯树脂（UPR）产量135万吨，其中68.8万吨用于玻璃钢领域、占51%；乙烯基树脂产量12640吨，胶衣树脂产量15870吨。 2008年我国复合材料整个行业全年经济运行平稳，产量增长达12%左右。行业规模以上企业全年实现工业增加值86.7亿元，工业总产值258亿元，新产品产值11.6亿元，销售产值253亿元。 2009年我国复合材料产量达323万吨，已先后超过德国、日本而居世界第二位，并接近居世界首位的美国水平。,A380复合材料在飞机中的应用,金属基复合材料,高性能Verton复合材料,2.工程材料的应用趋势 工程材料为我们的日常生活提供丰富的物质基础，从身上穿的衣服
16、、家里用的家具、出门开的车辆，无不要用到工程材料。 金属材料工程方向主要是一些大型工业、军事、航天等企业，从事船舶制造及检验，大型机械制造加工及检验，大型金属建筑，如鸟巢、跨海大桥等。 无机非金属材料工程的研究方向主要有水泥，玻璃，陶瓷，耐火材料。无机非金属材料工程本科毕业一般会就业于混凝土搅拌站，水泥厂，质检机构，建筑施工及管理企业等。,常见的工程材料,3.高新技术对材料的需求 高技术是指今本原理建立在较新的或前沿科学研究的基础上，并且对促进生产、振兴经济、增强综合国力和带动社会文明建设起主导作用的现在技术。 通常所说的新材料是指最近发展起来或正在发展中的具有特殊功能和效用的新材料。高技术新
17、材料是指当今高技术时代发展起来的具有传统材料无法比拟的全新特殊材料。包括：信息功能材料；高温、高比刚和高比强度的工程结构材料及先进陶瓷材料；能源材料；以纳米为代表的低纤维材料；生物材料；智能材料和生态环境材料。,现代的社会正面临一场新的技术革命，需要各种各样的材料，主要要求表现在如下几个方面： 结构和功能相结合； 智能化 减少污染 可再生 节约能源 长寿命,新材料的研发与材料资源危机,新材料正以高速发展的趋势在某些领域代替着传统材料，传统材料的地位也大不如从前。但是并不是说传统材料会退出社会的舞台，相反机械化的大生产需要更多的传统材料作为基础。 新材料与新技术也是在传统资料与传统技术的基础上发
18、展起来的。例如备受人们亲睐的复合材料玻璃钢就是由传统材料高聚物树脂和玻璃抽丝而成的玻璃纤维构成的。再往后追本溯源还可以到泥土和碎稻草制成的土坯上。,需要指出的一点是传统资料既是矿产资源消耗的大户，又在制备过程中严重污染环境，必须加以重视和采取相应的措施。下表列出了重要金属的世界储藏量和可供开采的年限。人类目前可以依赖的许多金属资源预计还能开采20-50年。,金属资源趋于枯竭，除了大量开采和无限度使用外，金属材料的回收利用率较低也是一个重要的原因。 目前世界人口大约以每秒钟3人的速度在增长。到2050年，世界人口将达到100亿左右，是100亿人生存需要大量的资源、能源和材料。这意味这将消耗更多的
19、金属资源、化学物质、煤、石油和天然气。因此金属资源的短缺与生产消耗量的不断增加，是全球必须面对又没办法解决的问题。,第二章 新材料与社会进步 材料发展策略与新的材料观,一、金属资源危机策略 1. 节约原材料 1）采用先进的制造技术，提高材料的利用率。 2）扩大应用新材料，改善用材结构，提高用材水平。 3）提高产品设计水平，充分发挥材料的潜力，降低材料消耗。 2.材料的替用 1）探索一些关键材料的代替品 2）用非金属材料代替技术材料 3.政策导向,二、材料与环境可持续协调发展 首先，在尽可能满足用户对材料性能要求的同时，必须考虑尽可能地节约资源与能源，尽可能地减少对环境的污染，改变片面追求性能的
20、观点； 其次，在研究、设计、制备材料以及使用、废弃材料产品时，一定要把材料及其产品的真个寿命周期对环境的协调性作为重要的评价指标。 最后，在提高科学技术效益、经济效益时还要重视社会效益，最终把材料科技与产业具体发展目标和各国、各地区的可持续发展的大目标结合起来。,材料与环境的可持续协调发展是一个多学科、多部门联合作战的复杂工程。最重要的形式就是建立生态工业园区。 生态工业园区是指通过多种产业的综合协调发展，使某一个产业的副产物或废料成为另一个企业的原料而加以利用，进而形成物流的生态产业链或生态产业网，能源形成多次梯级利用，形成生态工业的系统工程。在生态园区内，多行业、多产品联合发展，不仅使资源在产业链中得到充分利用或循环使用，而且使能量资源、信息资源效益最大化。,