材料科学与工程方法论—3材料科学与工程的整体观

1、四四一一三三五五六六二二 三、新材料_ 何谓材料？ 是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。 材料=物质 物质材料 是能为人类所能接受地、经济地制造有用器件的物质。判据判据判据：判据：判断的准则或依据判断的准则或依据什么样的什么样的“物资物资” 才能叫材料才能叫材料 定义就是一种判据，定义中的定义就是一种判据，定义中的“种差种差”便是判据。便是判据。定义定义 中材料和非材料两种物质的差别：中材料和非材料两种物质的差别：材料的现代判据（材料的现代判据（5个判据间的关系）：个判据间的关系）：判据判据1资源判据资源判据材料资源分为：自然和再生两种。材料资源分为：自然和再生两种。目前

2、金属的资源日趋枯竭（如表）。目前金属的资源日趋枯竭（如表）。各国依据自己的资源情况，颁布政各国依据自己的资源情况，颁布政策引导材料的生产和科研。策引导材料的生产和科研。例如：美国在第二次世界大战及朝鲜例如：美国在第二次世界大战及朝鲜战争期间，颁布了合金元素的使用政战争期间，颁布了合金元素的使用政策，促进了硼钢和钨钼系高速钢的科策，促进了硼钢和钨钼系高速钢的科研与生产。战争结束后，取消了这些研与生产。战争结束后，取消了这些政策，硼钢产量大减，而钨钼系高速钢由于技术上和经济上的优越性，代替了绝政策，硼钢产量大减，而钨钼系高速钢由于技术上和经济上的优越性，代替了绝大部分钨系高速钢。大部分钨系高速钢。

3、判据判据2能源判据能源判据目前，全世界能源供应紧张，材料的生产和使用都要考虑能耗问题。目前，全世界能源供应紧张，材料的生产和使用都要考虑能耗问题。降低能耗和材料的消耗，不仅是满足经济判据要求的组成部分，而且是未了降低能耗和材料的消耗，不仅是满足经济判据要求的组成部分，而且是未了满足政府法令的要求，能源和资源已突出为独立的判据。满足政府法令的要求，能源和资源已突出为独立的判据。为了降低能耗，促进新技术、新材料的研发和应用，以及再生金属的应用。为了降低能耗，促进新技术、新材料的研发和应用，以及再生金属的应用。研究表明：研究表明：资源的耗竭以及人均能耗碎国民生产总值线性增加。资源的耗竭以及人均能耗碎

4、国民生产总值线性增加。这是值得材这是值得材料工作重视的。料工作重视的。判据判据3环保判据环保判据 西方西方国家在发展初期，材料生产不考虑环保问题。但是，现在环境国家在发展初期，材料生产不考虑环保问题。但是，现在环境污染十分严重。因此，全世界都非常重材料生产和科研的环保判据。污染十分严重。因此，全世界都非常重材料生产和科研的环保判据。材料的生产和使用，材料的生产和使用，需要重视需要重视“三废三废”的处理、噪声的降低、生态平衡等的处理、噪声的降低、生态平衡等环境问题，否则，将遭到大自然的报复，违反环境保护法令的规定。环境问题，否则，将遭到大自然的报复，违反环境保护法令的规定。判据判据4质量判据质量

5、判据材料的质量是否能制造有用器件的先决条件，因此，质量是材料的一个材料的质量是否能制造有用器件的先决条件，因此，质量是材料的一个重要技术判据。重要技术判据。材料的质量：材料的质量：内在和表面质量两种。内在和表面质量两种。内在质量：内在质量：材料的成分、组织、结构、宏观缺陷等是否满足或超过技术材料的成分、组织、结构、宏观缺陷等是否满足或超过技术标准的要求。工程角度考虑，就是材料的性能是否达到或超过技术标准标准的要求。工程角度考虑，就是材料的性能是否达到或超过技术标准的要求。的要求。表面质量：表面质量：表面缺陷、表面粗糙度、尺寸公差等。表面缺陷、表面粗糙度、尺寸公差等。判据判据5经济判据经济判据材

6、料的生产和科研，必须进行材料的生产和科研，必须进行成本分析和经济核算成本分析和经济核算，从而计算经济效果。，从而计算经济效果。对材料的生产进行成本分析，从中可以找出降低成本的环节，然后寻求措对材料的生产进行成本分析，从中可以找出降低成本的环节，然后寻求措施。施。“价值工程价值工程”技术与经济相结合的边缘技术科学。它所研究的成本，是技术与经济相结合的边缘技术科学。它所研究的成本，是整个生产过程以及随后的产品贮存、流通、销售、使用、维护全过程的费整个生产过程以及随后的产品贮存、流通、销售、使用、维护全过程的费用，这种分析和研究，不仅可提高企业的经济效益，而且可提高全社会的用，这种分析和研究，不仅可

7、提高企业的经济效益，而且可提高全社会的经济效益。经济效益。判据小结判据小结 地位？ 是人类赖以生存和发展的物质基础是人类赖以生存和发展的物质基础 20世纪70年代，信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱； 80年代，新材料、信息技术和生物技术 并列为新技术革命的重要标志。 21世纪 七大战略性新兴产业之一 是人类社会进步的标志是人类社会进步的标志( (里程碑里程碑) )石器时代陶器时代青铜时代铁器时代信息时代 材料的发展，经历三个阶段： “拾柴禾”、“炒菜”、“剪裁设计” 是一切高技术发展的先导是一切高技术发展的先导一种崭新技术的实现，往往需要崭新材料的支持 1942年镍基超合金 1970年光

8、导纤维 1911年低温超导和1986年高温超导 何谓新材料？ 新出现或正在发展中的具有传统材料所不具备的优异性能的材料，或是高技术发展需要，具有特殊性能的材料，或由于采用新技术（工艺、装备），使材料性能比原有性能有明显提高或出现新功能的材料。（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） 误区？ 传统材料与新材料有明确界限 传统材料永远不会成为新材料，新材料一成不变 新材料产业？ 主要产品是新材料和由新材料的性能、价值所主导的延伸产品的产业。其内涵由新材料、新材料技术（工艺和装备）、材料新技术（工艺和装备）组成。 新材料技术？ 制备、合成、加工、处理新材料

9、的工艺或装备 材料新技术？ 在不降低性能的基础上，有效的降低制备、合成、加工、处理材料过程中的能耗、成本或减少污染的技术（工艺、装备）。 发展的特点？ 新材料的研究发展成为一种国家行为。 新材料的发展从革新走向革命。 新材料的研究开发和应用目标紧密结合。 重视新材料合成制备应用的全过程。 提高工业界制备应用新材料的能力。 抓好基础，提前安排重要新材料的研制。 重视新材料的环境因素。 类型？ 按特性： 金属材料：金属材料： 黑色金属钢、铸铁、铁合金 有色金属黑色金属以外的金属及合 金，如Cu、Al等 (重金属、轻金属、贵金属、难熔金属) 无机非金属材料：硅酸盐材料无机非金属材料：硅酸盐材料 陶瓷

10、、玻璃、水泥和耐火材料 有机高分子材有机高分子材料：料：C、H、N、O等为基础等为基础 塑料、橡胶、纤维、粘合剂和涂料 复合材料：复合材料： 由两种或两种以上不同性质或不同组织结 构的材料以微观或宏观的形式组合在一起而构 成的具有新的性能的材料。 按作用： 结构材料结构材料力学性能为主要的性能； 功能材料功能材料物理性能为主要的性能。 金属材料绝大部分都是结构材料，但也有一些功能材料，如形状记忆合金、储氢合金、金属超导材料等。陶瓷材料有的作为结构材料，有的作为功能材料。 目前应用和研究的是以金属材料为主，原因：有成熟的大量生产工艺，可大规模生产，质量稳定，人们已养成使用金属材料的习惯； 加工性

11、能、使用性能好，强韧性配合好；矿产丰富；价格/性能比占一定优势。 情况？ 金属材料，长盛不衰 钢铁钢铁现代工业化的基础现代工业化的基础 世界：钢铁年总产量约15亿吨，占金属材料总量的94% 中国：年产量超过7亿吨 应用：(1)汽车工业卡车车重的2/3 (2)电力系统工业锅炉、高压锅炉、热交换 器、大型转子和叶轮、变压器铁芯 (3)工程机械起重机、挖掘机、拖拉机 (4)铁路与桥梁 (5)船舶与海上钻井平台 (6)兵器坦克、大炮、枪械 (7)石油开采机械、输油管道、泵站 (8)化工压力容器、反应釜和管道 (9)建筑钢筋和构架 工程结构材料之王 铸铁 碳素钢 合金钢(合金结构钢、合金工具钢、特殊钢)

12、 五光十色的有色金属五光十色的有色金属 中国：总产量占世界第四位 Al、Cu、Pb、Zn占生产总量的95% (1)(1)轻合金轻合金 铝合金：密度2.7g/cm3，只有钢的2/3 抗大气腐蚀 优良的导电性，导电率是铜的2/3 比强度(强度/密度)比钢高得多 很好的加工性能 应用：航空(协和式超音速飞机全部结构的71%是 用特殊铝合金制造的)、高速火车和汽车(铝 型材、铝制发动机、活塞、散热器) Al-Li合金含2%3%Li，密度减少8%，刚性增大15% 飞机改用Al-Li合金，重量减轻8%16% 钛合金：密度4.5g/cm3，强度高，比强度高于铝合金 耐高温、耐腐蚀 应用：F-14、F-15飞

13、机上用量占结构总量的25% F-100、TF-39飞机发动机上用量达33% 远程火箭的液氢(-253)储罐 镁合金：密度1.74g/cm3，比强度高，减震能力强 21世纪的“绿色”工程材料 应用：笔记本电脑、移动电话、摄像机、汽车、 航空航天 1993年美国底特律的通用、福特与克莱斯特3大汽车集团与美国能源部签署“PNGV”计划，生产3L/100km耗油的6人载客汽车，80%以上零部件可回收。 1996年德国教育部投资2400万马克，由阿仑工大、慕尼黑工大、杜易斯堡大学和大众汽车公司等44家单位展开汽车轻量化的“MADICA”计划。 铍合金：密度1.8g/cm3，比刚度大，惯性低 比热大 热中

14、子吸收截面低，中子反射截面高 应用：惯性导航及航天低重量刚性件、散热片、 飞行器头部、X射线窗口、原子反应堆中 的反射层 (2)(2)部分重有色合金部分重有色合金 铜合金(紫、黄、青、白)、锌合金、镍合金、锰合金 (3)(3)低熔点合金低熔点合金 Pb(327)、Sn(232)、Cd(321)、Bi(271)、 In(157)、Ga(29.8)、Hg(-39)，用于保险丝等 (4) (4)难熔金属难熔金属 钨合金、钼合金、铌合金、钽合金 用于高温环境 (5)(5)贵金属贵金属 Au、Ag、Pt、 Rh、 Pd、Ir、Os、Ru (6) (6)稀土金属稀土金属 (7) (7)精密合金精密合金 弹

15、性合金、膨胀合金、引线框架合金、电热合金、热电偶 神秘的形状记忆合金神秘的形状记忆合金 形状记忆效应：合金经变形后，在一定条件下，仍能恢复至原始形状的现象。 TMs，成型TMf，变形TAs，加热 未来能源之星未来能源之星储氢合金储氢合金 1Kg氢气燃烧可放出14104J热量2倍石油放出的热量 冲出传统观念的非晶态金属冲出传统观念的非晶态金属 是目前所知的强度最高、韧性最好、最耐腐蚀和最易磁化的金属材料。 应用：非晶软磁合金，新一代变压器铁芯材料(极易 磁化、矫顽力低、有很高的电阻，可以大大降 低涡流损耗)可以节约2030亿美元。 铁基非晶态合金，可制作 快中子反应堆的化学过滤 器。 非晶钎焊合

16、金，用于高温 合金和不锈钢的钎焊，代 替金基钎焊合金用于飞机 发动机部件焊接。 古老的陶瓷，旧貌换新颜 威力无比的先进结构陶瓷威力无比的先进结构陶瓷 先进结构陶瓷工程陶瓷 高温下、强腐蚀条件下、冲刷和摩擦条件下保持高的刚度、强度、硬度、化学稳定性和耐用度。 (1)(1)工程陶瓷家族中的主要代表工程陶瓷家族中的主要代表 氧化铝陶瓷(Al2O3)：熔点2050，硬度在超硬材料 的前八名之列，电阻很高。 氮化硅陶瓷(Si3N4)：人工合成，无熔点，1860分 解，具有优异的高温力学性能 碳化硅陶瓷(SiC)：高温力学性能是目前陶瓷材料中最 优秀的，强度从室温到1600维持 不变，硬度仅次于金刚石和立

17、方 BN，导电和导热性能优良。 (2) (2)高温下的最强者高温下的最强者 高分子材料，使用温度300 金属材料，空气中使用温度1000 应用：洲际导弹、空间实验室、航天飞机、卫星等外 表面的隔热瓦(1400) (3) (3)世上最坚硬的材料大军世上最坚硬的材料大军 金属材料，存在红硬性(在一定温度下硬度下降) 陶瓷材料，温度高于1000硬度几乎不下降 应用：刀具 (4)(4)最恶劣条最恶劣条件下的过硬部队 高温(ZrO2陶瓷在20002200工作上千小时不损坏)、极低温(液氢、液氮温区)、放射性(中子吸收棒、中子减速器、反射屏等)、海水侵蚀和强酸强碱的腐蚀 奇妙无穷的功能陶瓷奇妙无穷的功能陶

18、瓷 可以通过电、磁、光、热、弹性等直接效应和耦合效应或者化学和生物效应来实现某种特殊功能的先进陶瓷材料。 (1) (1) 绝缘陶瓷或装置陶瓷绝缘陶瓷或装置陶瓷 电子工业和微电子工业中的电绝缘器件、集成电路中的基片和包封等。 (2) (2)电介质陶瓷和电容器陶瓷电介质陶瓷和电容器陶瓷 制造中、高频电路中的电容器和微波谐振器、滤波器等。 (3) (3)压电陶瓷、电致伸缩陶瓷和热释电陶瓷压电陶瓷、电致伸缩陶瓷和热释电陶瓷 电声、水声、超声和电控位移技术中应用 (4) (4)半导体陶瓷和敏感陶瓷半导体陶瓷和敏感陶瓷 机敏陶瓷、热敏、压敏、湿敏、气敏、光敏陶瓷，在自动控制工程中起重要作用 其他： 导电陶

19、瓷、电解质陶瓷、超导陶瓷、磁性陶瓷、光学功能陶瓷、化学功能陶瓷、生物功能陶瓷等 年轻的高分子材料，千姿百态 现代生活中的高分子材料现代生活中的高分子材料 (1)(1)从人造棉到仿毛仿丝从人造棉到仿毛仿丝 “的确良”织物(聚对苯二甲酸乙二醇酯纺制的涤纶)：易洗免烫 尼龙袜(聚酰胺制成尼龙)：坚固耐磨 腈纶棉(聚丙烯腈纺制的腈纶)：质轻保暖、不蛀不霉 维尼纶织物(聚乙烯醇缩甲醛制成维尼纶)：透气干爽 (2) (2)从农业地膜到不粘锅从农业地膜到不粘锅 塑料地膜：保温保湿的聚乙烯 “尿不湿”：高吸水性高分子 “不粘锅”：光滑耐温的聚四氟乙烯膜 (3) (3)从家具到活动房屋从家具到活动房屋 吊灯和镀

20、塑灯具：美观大方 丙纶地毯和人造大理石：色泽鲜艳 水溶性涂料和壁纸：花色丰富 波形瓦：质轻防雨 活动房：易拆易运 充气顶棚的整体式展览馆：轻巧实用 (4) (4)从自行车到汽车轮船从自行车到汽车轮船 轮胎、保险杠、防冲撞护条板、发动机散热风扇、通风空调、音响、电器和仪表盘、方向盘、座椅、内饰、玻璃钢汽艇 (5) (5)从体育用品到宇宙飞船从体育用品到宇宙飞船 正反胶球拍、跳高撑杆、赛车、滑雪板、网球拍、飞船胶粘剂、替代手术缝线的胶粘剂 工程塑料，传统结构材料的挑战者工程塑料，传统结构材料的挑战者 工程上作结构材料应用的塑料 良好的耐磨、耐热、吸震和自润滑性，优良的电绝缘性、化学稳定性、耐腐蚀性

21、和易成型性 (1) (1)普通工程塑料普通工程塑料 部分代替金属材料、木材或陶瓷等作为结构材料 (2) (2)高性能工程塑料高性能工程塑料 具有刚性骨架，可以做到强度比金属高，更耐腐蚀，成本低，成型性好，在家用电器、建筑构件、军用品中用途广泛。 功能高分子各显神通功能高分子各显神通 由高分子制成的具有某种特性的材料 (1) (1)感光高分子感光高分子 感光树脂印刷板、光刻胶、光致变色高分子 (2) (2)压电高分子压电高分子 音频换能器、电机械换能器、超声波探头 (3)(3)具有分离功能的高分子具有分离功能的高分子 离子交换树脂、分离膜、中空纤维膜 (4) (4)高分子试剂和高分子催化剂高分子

22、试剂和高分子催化剂 电子与光电子材料，信息时代的基石 现代电子器件的基础：单晶硅和砷化镓现代电子器件的基础：单晶硅和砷化镓 (1) (1)单晶硅单晶硅 硅器件=98%半导体器件 硅单晶材料拉制的直径大小被视为一个国家半导体材料技术水平的标志。 纯度99.99999%电子级纯材料是材料的最高纯度 大直径、高均匀性和高完整性 光特效应太阳能电池 温差电效应温差发电堆(温差致冷器) 压阻效应加速度传感器(控制安全气袋) (2)(2)砷化镓砷化镓 计算机运算速度芯片材料(单晶硅、砷化镓) 电子在砷化镓中的运动速度比在硅中快计算机运算速度更快 砷化镓集成电路的速度比硅集成电路提高1000倍，功耗降低一个

23、数量级。 应用：1/2用于军事技术的航天技术(如电子对抗) 1/3用于通信技术 1/5用于计算机和测量系统 激光材料与光通信媒体激光材料与光通信媒体 (1)(1)激光材料争奇斗艳激光材料争奇斗艳 高功率固体激光材料：晶体或玻璃基质中均匀掺入少量离子 应用广泛的气体激光材料：He、CO2、H2 小巧玲珑的半导体激光器：砷化镓、镓铝砷 (2)21 (2)21世纪之光世纪之光 极高的方向性(射程远，准确性好) 鲜艳的单色性(激光大屏幕投影电视) 惊人的亮度(产生几千度到几万度的高温) 奇妙的相干性(全息照相) 应用：激光雷达、激光测距、激光通信、全人类同时通话 (3) (3)光子通信的媒体光子通信的

24、媒体 信息的载体是电子时，信息传媒是金属导线 信息的载体是光子时，信息传媒是光导纤维 光导纤维：一种比头发丝还细的玻璃纤维丝 应用的前提：光传输衰减很小 信息高速公路：1993年9月克林顿总统宣布实话的“美国全国信息基础设施计划”，耗资4000亿美元，历时数十年。 超导材料，神奇的无电阻导体 零电阻现象零电阻现象 迈纳斯效应迈纳斯效应 迈斯纳效应又叫完全抗磁性，1933年迈斯纳发现，超导体一旦进入超导状态，体内的磁通量将全部被排出体外，磁感应强度恒为零。观察迈纳斯效应的磁悬浮试验观察迈纳斯效应的磁悬浮试验 在锡盘上放一条永久磁铁，当温度低于锡的转变温度时，小磁铁会离开锡盘飘然升起，升至一定距离

25、后，便悬空不动了，这是由于磁铁的磁力线不能穿过超导体，在锡盘感应出持续电流的磁场，与磁铁之间产生了排斥力，磁体越远离锡盘，斥力越小，当斥力减弱到与磁铁的重力相平衡时，就悬浮不动了。 生物医用材料，造福千秋万代 生物医用材料(生物材料或医用材料)：是一类与人体组织、体液或血液相接触，具有人体器官和组织的功能或部分功能的材料，是制造人工器官、医疗装置和药物的基础。 类别类别 硬组织材料：用作骨科和齿科材料 软组织材料：用作眼科及一些填充和修复材料 吸附分离材料：用于人工肾、肝、肺的膜材料和吸附 剂材料 心血管材料和人工血液材料 组织粘合剂和缝合线材料 用作药物和药物载体的材料 一次性使用的医用材料

26、：纱布、输液器、注射器 要求要求 耐生物老化性 物理和力学性能好 便于消毒和灭菌 生物相容性好 纳米材料，小尺寸中的大世界 空间尺度的划分空间尺度的划分 宇观(Cosmoscopic) 遥观(Remote sensoscopic) 宏观(Macroscopic) 显微观(Optico-microscopic) 介观(Mesoscopic) 或纳米观(Nanoscopic): 1100nm 纳米纳米 1纳米(nm)=1毫米(mm)的百万分之一=10-9米(m) 纳米技术纳米技术 在纳米尺度(1100nm)上对物质和材料进行研究和处理的技术被称为纳米技术。 纳米材料纳米材料 纳米材料: 在纳米量级

27、(1100nm)内调控物质结构制成 的具有特异性能的新材料 四大特点: 尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子 比例大 四大效应: 小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道 效应、表面效应 纳米材料特性取决于制备方法 进一步认识纳米进一步认识纳米 蛋白质、DNA、RNA、病毒，都在1100nm的范围 光合作用在“纳米车间” 进行 细胞中的一些结构单元都是执行某种功能的“纳米机械”，细胞象一个“纳米工厂” 莲花荷叶出污泥而不染:“荷叶效应” 纳米结构是生命现象中基本的东西 媒体中的纳米怪象媒体中的纳米怪象 纳米冰箱 纳米洗衣机 国外纳米技术进展国外纳米技术进展 1990年，IBM公司用原子排出“I

28、BM” 1991年，NEC实验室观察到碳纳米管 合成了其它纳米管材料 实心的纳米棒、纳米线、量子线 朗讯公司和牛津大学: 纳米镊子 碳纳米管“秤”，称量一个病毒的重量 称量单个原子重量的“纳米秤” 应用应用 能源领域石油、煤等不可再生资源 环保领域解决水污染的问题 解决空气污染的问题 微电子纳米电子器件、纳米线、纳米传感器 信息领域光纤、发光器件 功能性涂料、薄膜防静电涂料 特殊视觉涂料 紫外线吸收涂层 耐磨、防腐、耐高温、耐冲刷 涂层 机械纳米结构单元和纳米机械 结构陶瓷增强、增韧、助烧结 化学化工催化剂、助催化剂、阻燃剂 镍催化氧化丙醛，当镍的粒径在5nm以下，反应选择性发生急剧变化，生成

29、酒精的转化率迅速增大 塑料和橡胶制品成型剂、补强剂、抗老化剂 OA领域复印机和激光打印机的墨粉 喷墨打印机墨水、高级墨水 纳米药物磁性纳米粒子药物 卫生保健品防晒霜 纺织品反射红外线型化纤 杀菌灭菌除臭型化纤 国防纳米探测系统 纳米材料提高武器打击 纳米材料提高防护能力 纳米机械系统制造的小型机器人 雷达隐身技术 国际新材料发展趋势及特点 随着全球经济的高速发展和一体化进程的加速，以及资源、能源和环境问题受到世界各国越来越多的关注，近年来新材料的发展呈现出以下主 要特点。 产业规模急剧扩大，市场需求旺盛； 新材料的发展更加注重可持续发展 ； 新材料的发展更体现体现 “以人为本”； 新材料产业整

30、合重组趋势加剧，上下游产业进一步融合； 新材料的发展由军事需求转向经济需求； 新材料向多功能、智能化方向发展，开发与应用联系更加紧密。 研发方向？ 结构材料和功能材料 金属材料、陶瓷材料、复合材料、高分子材料、高纯度材料以及生物、超导和纳米材料等。 战略目标？ (1)力求继续保持某些材料领域在世界上的领先地位，如航空航天、能源工业、化工、金属材料、超导材料、聚合材料等； (2)大力发展对促进国民经济发展和提高国防实力有影响的领域，如电子信息工业、通讯设施、计算机产业等。 基本策略？ (1)在处理发展高新技术和传统产业关系的同时，做到研发新材料与有效使用传统材料有机结合； (2)在注重研发高新技

31、术所需新材料的同时，对于现有的一般技术所需要的材料进行优选和更新，进而提高利用率。 使研发新材料有的放矢、重点突出、周期缩短、效果显著。 发展重点？ 材料的复合化和多功能化 根本出路？ 优化材料的制备工艺和改进加工技术，以达到提高效率、减低成本、减少能耗、缩短流程的目的。 关注的因素？ (1)增强环境意识，将研发新材料与生态、环境密切结合起来，增强材料使用寿命、提高循环使用以及再生利用的比率； (2)环境净化、对人类生存无害。 未来材料学研究体现的技术特征 ？ 制作技术：新的加工工艺和制造方法将使材料的生产实现从实验室走向工业化； 模仿技术：从材料的自然特性仿制到材料混合特性的研究； 预测技术

32、：开发新的模型和试验方法，从而缩短材料的试验周期。 十大材料学研究领域： (1)(1)催化剂催化剂 是生产化学化工制品、石油衍生物、肥料、医药等产品的核心要素，对减少机动车辆、发电站和化工厂的废气废料排放保护生态环境发挥着巨大作用。 借助于扫描隧道显微镜等科学仪器，研究纳米材料用做催化剂的性能。 (2) (2)光学材料和光电材料光学材料和光电材料光学材料在光通信、数据存储和加工以及传感、显示等技术领域发挥着十分重要的作用。光发射二极管和激光器等光学仪器广泛应用于人类生活的各行各业。 重点研发：新光学材料体系的研发以及在纳米尺度上对新材料的控制能力，最终设计出3D纳米主结构的光发射仪器； 开发大

33、型、高效率的白光发射极，取代目前普遍使用的白炽灯； 开发光数字系统，使所有数据或部分数据能够通过光设备而非电子设备进行处理，从而减少“光电”转换和“电光”转换； 进一步提高诸如、等二维存储媒体存储容量，借助干扰和全息技术开发三维数据存储媒体。 (3) (3)有机电子学和光电学有机电子学和光电学开发廉价、大容量的硅电子新产品，使具有电致发光、传导和半传导性能。柔性基质的有机物在智能卡、特征仪器、智能和响应式织物、微型反应器、汽车零部件和大型数据显示等方面获得应用。 (4) (4)磁性材料磁性材料对数据高存储密度的要求促进磁性介质不断从微型转向纳型。 纳磁学的研究方向是开发随机存取磁存储器（），以

34、取代目前的互补金属氧化物半导体存储芯片（）。具有非易失性存储特性，而且能够达到每比特纳米的小型化程度。 (5) (5)仿生材料仿生材料生物材料的一个显著特征就是具有多样化规模的组织结构。 未来仿生学的研究集中在两个方面： 一是仿生材料体积小型化和功能多样化； 二是仿生材料的有机复合。 (6)纳米生物技术纳米生物技术加强纳米生物技术在人工物质和生物物质组合领域的研究，从而设计出纳型合成材料，生成分子结构，为开发各种高值产品奠定基础。 (7)超导体超导体高温超导体从大规模能源系统到小型电子系统等领域都获得十分广泛的应用，但目前高温超导体的造价过于昂贵。开发对局部材料的纳型控制技术是降低高温超导体设

35、备制造成本的关键所在。 (8)复合材料复合材料研究开发新的、具有特殊性能的基体、纤维和化合物，如具有导电特性的高分子复合材料、残余材料、残余材料的可再循环利用等。加强对生物材料、分子电子学、仿生材料、纳米物理材料、陶瓷、金属基体材料的研究。 (9)生物医学材料生物医学材料在保证安全的前提下开发相容性更好、耐腐蚀、持久性更好的人体组织器官修复和替换医学材料。加强对纳米生物技术材料的研究，开发用于针对目前难治之症的纳粒子药物嵌入系统以及小型侵入手术和非侵入诊断系统。 (10)智能纺织材料智能纺织材料开发多功能纺织材料，使纤维表面功能化，如具有抗菌、血压控制以及通过纺织纤维与皮肤界面来控制药物释放等

36、功效。开发智能纺织材料和非织材料在铁路、航空、建筑等领域的广泛应用。 (1)开发出实用的高温超导材料并将其应用到开发出实用的高温超导材料并将其应用到 若干领域；若干领域； (2)转换效率在转换效率在20以上的太阳能电池进入实用阶段；以上的太阳能电池进入实用阶段； (3)纳米材料制备技术的开发及纳米材料、纳米器件在纳米材料制备技术的开发及纳米材料、纳米器件在 若干领域的应用；若干领域的应用；(4)开发出汽车动力用燃料电池；开发出汽车动力用燃料电池； (5)可在可在350高温下持续工作的聚合物基复合材料进高温下持续工作的聚合物基复合材料进 入实用阶段；入实用阶段； (6)开发出与人骨基本相同的磷灰

37、石基复合材料；开发出与人骨基本相同的磷灰石基复合材料； (7)开发出金属间化合物基高温结构材料；开发出金属间化合物基高温结构材料； (8)开发出适用于汽车及其他民用工业的钛合金；开发出适用于汽车及其他民用工业的钛合金； (9)开发出适用于汽车等交通工具的低成本、高强度铝、开发出适用于汽车等交通工具的低成本、高强度铝、 镁合金；镁合金；(10)开发出实用的全光开关材料和技术；开发出实用的全光开关材料和技术； (11)开发出单电子存储器元件；开发出单电子存储器元件；(12)新一代钢铁材料（即新一代钢铁材料（即“超级钢超级钢”）进入实用阶段；）进入实用阶段；(13)开发出适用的塑料再生、循环利用技术

38、；开发出适用的塑料再生、循环利用技术；(14)开发出高能量、高密度、持久耐用的充电电池；开发出高能量、高密度、持久耐用的充电电池；(15)开发出实用的太阳能分解水制造氢的技术。开发出实用的太阳能分解水制造氢的技术。 材料产业？ 材料产业总产值占全部工业总产值的材料产业总产值占全部工业总产值的30% 钢材、水泥、平板玻璃等产量均居世界第一位。钢材、水泥、平板玻璃等产量均居世界第一位。 十种有色金属、纯碱等产量居世界第二位十种有色金属、纯碱等产量居世界第二位 传统材料产业需向高性能化、多功能化、复合传统材料产业需向高性能化、多功能化、复合化、智能化和低成本化的高附加值的新材料产业转化、智能化和低成

39、本化的高附加值的新材料产业转移移 新材料产业现状？ 经过几十年奋斗，我国新材料产业从无到有，不断发展经过几十年奋斗，我国新材料产业从无到有，不断发展壮大，在体系建设、产业规模、技术进步等方面取得明显成壮大，在体系建设、产业规模、技术进步等方面取得明显成就，为国民经济和国防建设做出了重大贡献，具备了良好发就，为国民经济和国防建设做出了重大贡献，具备了良好发展基础。同时，新材料产业在国际产业布局中正处于由低级展基础。同时，新材料产业在国际产业布局中正处于由低级向高级发展的阶段，产业呈集聚发展趋势、区域特色明显，向高级发展的阶段，产业呈集聚发展趋势、区域特色明显，形成了各有优势、各具特色的发展格局。

40、受我国新材料市场形成了各有优势、各具特色的发展格局。受我国新材料市场的发展潜力的吸引，国际材料巨头纷纷调整其在中国的战略的发展潜力的吸引，国际材料巨头纷纷调整其在中国的战略布局，杜邦、拜耳、巴斯夫、京瓷等跨国企业纷纷增加投资，布局，杜邦、拜耳、巴斯夫、京瓷等跨国企业纷纷增加投资，寻求更深的战略合作。寻求更深的战略合作。 (1)(1)新材料产业体系初步形成新材料产业体系初步形成(2)(2)新材料产业规模不断壮大新材料产业规模不断壮大(3)(3)部分关键技术取得重大突破部分关键技术取得重大突破 我国的新材料产业领域的基地建设始于我国的新材料产业领域的基地建设始于1995年年 目前，科技部共计批准区

41、域性新材料产业基地目前，科技部共计批准区域性新材料产业基地37家，其中高家，其中高新司批准建立的国家新材料成果转化及产业化基地新司批准建立的国家新材料成果转化及产业化基地22家，国家火家，国家火炬计划批准建立的基地炬计划批准建立的基地15家。家。 另外，还有两家与材料相关的基地：吴江光电缆产业基地和另外，还有两家与材料相关的基地：吴江光电缆产业基地和十堰汽车关键部件产业基地十堰汽车关键部件产业基地。 长三角地区：长三角地区：(一)宁波新材料产业国家高技术产业基地(二)连云港新材料产业国家高技术产业基地(三)江阴国家新材料成果转化及产业化基地(四)国家火炬计划海门新材料产业基地(五) 上海国家半

42、导体照明工程产业化基地(六)常州新型涂料产业化基地(七)绍兴纺织新材料特色产业基地 新材料产业集群珠三角和东南沿海地区：珠三角和东南沿海地区：(一)佛山新材料产业基地(二)国家火炬计划闽东南电子与信息产业基地(三)厦门国家半导体照明工程产业化基地(四)广州新材料产业基地(五)潮州日用陶瓷特色产业基地(六)广西省柳州市新材料产业基地北方地区：北方地区：(一)中关村永丰国家新材料技术成果转化与产业化基地(二)天津国家纳米技术产业化基地(三)淄博国家新材料产业化基地(四)莱芜国家新材料产业化基地(五)吉林省国家科技攻关镁合金应用及产业化基地(六)大连新材料产业国家高技术产业基地(七)威海国家先进复合

43、材料高新技术产业基地中部地区：中部地区：(一)国家光电子产业基地武汉中国光谷(二)铜陵电子材料产业基地(三)马鞍山国家新材料成果转化及产业化基地(四)河南濮阳生物化工产业基地(五)洛阳新材料产业国家高技术产业基地(六)湖南国家新材料成果转化及产业化基地(七)郑州超硬材料产业园(八)宜春国家锂电新能源高新技术产业化基地 西部地区：西部地区：(一)宝鸡国家新材料高技术产业基地(二)甘肃省金昌市新材料产业国家高技术产业基地(三)四川省绵阳国家新材料产业化基地(四)重庆镁合金产业基地(五)甘肃省兰白金有色金属新材料产业化基地(六)陕西新材料产业基地(七)贵阳国家级新材料产业化基地(八)内蒙古鄂尔多斯市

44、新材料成果转化及产业化基地(九)内蒙古包头稀土新材料成果转化及产业化基地(十)四川省攀枝花国家新材料成果转化及产业化基地(十一)四川省德阳国家新材料产业化基地 新材料产业问题？ (1)(1)一些靠企业自发形成的新材料企业集中区域一些靠企业自发形成的新材料企业集中区域 内产业关联度不高，产业布局不合理、产业结构不健内产业关联度不高，产业布局不合理、产业结构不健 康，多数企业没有经济规模，产业集成度低，市场竞争康，多数企业没有经济规模，产业集成度低，市场竞争 力差力差; ; (2) (2)依靠民营的体制优势、市场开拓能力发展的新材料企业依靠民营的体制优势、市场开拓能力发展的新材料企业 集中区域产业

45、结构趋同，缺乏地方产业特色，缺乏形成集中区域产业结构趋同，缺乏地方产业特色，缺乏形成 地方产业优势的后劲地方产业优势的后劲; ; (3) (3)西部大多数省份资源优势没有发挥出来，没有形成产业西部大多数省份资源优势没有发挥出来，没有形成产业 配套体系，资源浪费严重。配套体系，资源浪费严重。 新材料技术的特点：基础性和先导性新材料产业特点? (1) 应用领域宽广、相互之间关联度小应用领域宽广、相互之间关联度小 新材料种类纷繁，涉及多个不同的行业，不仅有市新材料种类纷繁，涉及多个不同的行业，不仅有市场一度热衷的纳米材料、磁性材料等产品，还有与能源场一度热衷的纳米材料、磁性材料等产品，还有与能源结合

46、紧密的新型能源材料，与信息产业紧密结合的光通结合紧密的新型能源材料，与信息产业紧密结合的光通讯材料，更有聚氨酯、氯化聚乙烯、有机氟材料等传统讯材料，更有聚氨酯、氯化聚乙烯、有机氟材料等传统的高分子材料。而生产这些产品的公司分处不同的行业，的高分子材料。而生产这些产品的公司分处不同的行业，无论是设备，生产技术，还是销售市场都存在较大的差无论是设备，生产技术，还是销售市场都存在较大的差异。可以说并不存在共同的市场基础，关联性较差，各异。可以说并不存在共同的市场基础，关联性较差，各公司的个性要强于整个公司的个性要强于整个“行业行业”的共性。的共性。 (2) 投资与技术高度密集投资与技术高度密集 技术

47、密集是指新材料在研制和制造过程中技术的多样性、技术密集是指新材料在研制和制造过程中技术的多样性、边缘性和综合性。新材料行业涉及自然科学和工程技术，多学边缘性和综合性。新材料行业涉及自然科学和工程技术，多学科交叉渗透，知识和技术高度密集。投资密集是指研究开发和科交叉渗透，知识和技术高度密集。投资密集是指研究开发和生产新材料产品要求有一定的投资强度。新材料行业的放大技生产新材料产品要求有一定的投资强度。新材料行业的放大技术复杂，行业装备一次性投入大，尤其是在工程化研究以及建术复杂，行业装备一次性投入大，尤其是在工程化研究以及建立规模经济生产线时，更要求比较大的投资。立规模经济生产线时，更要求比较大

48、的投资。 (3) 高风险、高收益高风险、高收益 从风险的角度看，首先，由于应用领域的进步，对新材从风险的角度看，首先，由于应用领域的进步，对新材料的技术要求进一步提高，研发风险提高；其次，新材料品种料的技术要求进一步提高，研发风险提高；其次，新材料品种多，大批量产品相对较少，由于工艺集成度加大，生产流程缩多，大批量产品相对较少，由于工艺集成度加大，生产流程缩短，知识转化为技术和产品的效率提高，存在行业风险；第三，短，知识转化为技术和产品的效率提高，存在行业风险；第三，由于高新技术发展迅猛，新材料本身更新换代速度加快，生命由于高新技术发展迅猛，新材料本身更新换代速度加快，生命周期缩短，产品风险加

49、大。从收益的角度看，与其他传统行业周期缩短，产品风险加大。从收益的角度看，与其他传统行业的上市公司相比，新材料上市公司近年业绩优良。的上市公司相比，新材料上市公司近年业绩优良。 (4) 新材料产业与其他产业的关联度高新材料产业与其他产业的关联度高从新材料产业与其他产业的关系来说，具有如下特点：从新材料产业与其他产业的关系来说，具有如下特点：先导性、基础性和带动性。新材料广泛应用于信息、能先导性、基础性和带动性。新材料广泛应用于信息、能源、交通、医疗等各个领域，是其他高新技术及其产业发展的源、交通、医疗等各个领域，是其他高新技术及其产业发展的基础和先导；基础和先导；新材料产业与上下游相关产业进一

50、步融合，产业结构垂新材料产业与上下游相关产业进一步融合，产业结构垂直扩散。新材料产业的发展依赖于上下游相关产业的发展，特直扩散。新材料产业的发展依赖于上下游相关产业的发展，特别是下与用户的进一步创新开发，才能使新材料产品最终走向别是下与用户的进一步创新开发，才能使新材料产品最终走向市场。如上游的汽车工业投资增加要求汽车材料工业要配套发市场。如上游的汽车工业投资增加要求汽车材料工业要配套发展。反之，在一种新型半导体材料投资规模生产之时，一定要展。反之，在一种新型半导体材料投资规模生产之时，一定要考虑到下游应用市场的投资现状、装备、设计、生产能力等等考虑到下游应用市场的投资现状、装备、设计、生产能

51、力等等 ；新材料与传统产业紧密结合，产业结构横向扩散。随着新材料与传统产业紧密结合，产业结构横向扩散。随着高技术的发展，传统材料产业向新材料产业发展。高技术的发展，传统材料产业向新材料产业发展。 新材料产业在区域发展的地位? 新材料产业推动着机械、能源、化工、轻纺等新材料产业推动着机械、能源、化工、轻纺等传统产业的技术改造和产品结构的调整，传统产业的技术改造和产品结构的调整，已成为区域已成为区域经济新的增长点。经济新的增长点。 中国进入中国进入WTO后，伴随着全球性的产业转移，后，伴随着全球性的产业转移，产业格局也正在发生重大变化。产业格局也正在发生重大变化。“世界工厂世界工厂”“中国制中国制

52、造造”预示着中国的产业结构正在从劳动密集型向着资预示着中国的产业结构正在从劳动密集型向着资本密集型和技术的不断创新方面发展。这种变化对新本密集型和技术的不断创新方面发展。这种变化对新材料产业提出了新的挑战。要求它更快发展，以适应材料产业提出了新的挑战。要求它更快发展，以适应现代化现代化“中国制造中国制造”的巨大市场需求，研究区域的经济的巨大市场需求，研究区域的经济发展，就要研究新材料产业。发展，就要研究新材料产业。 西部新材料行动？ 通过整合国家与地方的资源，强化东西部联动，通过整合国家与地方的资源，强化东西部联动，推动西部具有资源特色和竞争力的新材料行业发展，推动西部具有资源特色和竞争力的新

53、材料行业发展，建立若干个新材料产业基地，促进西部资源优势转建立若干个新材料产业基地，促进西部资源优势转化为经济优势，用新材料打造西部新经济。化为经济优势，用新材料打造西部新经济。 区域基地的建设应该放在全省、全国、甚至全区域基地的建设应该放在全省、全国、甚至全球的大背景下考虑，要有更高层次上的总体规划。球的大背景下考虑，要有更高层次上的总体规划。 “中国制造”问题？ 是在世界经济全球化发展背景下，在国际分工基础之上的世界性的制造业问题，而不仅仅是中国民族工业的问题。 是中国在近二十年的市场化改革和对外开放之后，在以加入为契机，即将全面融入国际社会之际遇到的关系国家发展的重大战略问题。 “新材料

54、”与“中国制造”的关系？ (1)材料工业是中国制造业的上游产业，是中国制造业的组成部分之一，制造业的各个领域都离不开新材料，新材料是中国制造业的基础,材料工业肩负着为制造业发展提供原材料的责任； (2)制造业是材料工业的下游产业，是材料工业的主要产业客户，制造业发展是材料工业发展的市场基础，材料工业与制造业是产业发展中不可分割的两个环节,是价值创造的共同的主体。 中国制造业的发展客观上带动中国新材料的发展，而材料工业是中国制造业价值链上的核心环节之一，它的发展同时对制造业的发展也起到一个支撑与促进作用。 新材料应积极寻找与中国制造的接口 新材料产业发展中存在的问题新材料产业发展中存在的问题：

55、成果较多，能够实现转化的却较少，即产业和研究严重脱节。 新材料生产的整个技术没有固化成一个程序上的东西。 新材料领域的研发特色：新材料领域的研发特色： 供给非常大，需求也非常大。 新材料如何找到与新材料如何找到与“中国制造中国制造”的接口？的接口？ 新材料应该为中国制造提供服务。只有中国制造有了市场，新材料才能得到快速发展。 目前的新材料项目往往是依据研发能力来提出的，对于市场特别是对于“中国制造”的依赖程度远远不够。 新材料如何实现产业化？新材料如何实现产业化？ 技术是为产业服务的，应该能够用现代工业技术来解决产业化的问题。 企业应成为创新的主体 企业成为科技创新的主体，学校、科研机构应考虑

56、如何以企业为主体，配合企业来推动成果的产业化。 新材料带动中国经济实现跨越式发展 国家高新技术产业与制造业国家高新技术产业与制造业 信息技术、生物技术、新材料 信息技术：无知识产权，中国的目标是与台湾地区、日本争夺优势(对于美国则根本无竞争力) 生物技术：无源创性，只有中药现代化有可能占据一席之地，但存在国际认可问题。 新材料：拥有丰富的原材料，研究如何通过深 加工来提升其附加值，可以深入到中 国的大部分地区，包括边远地区和贫 困山区等。 在某种意义上，新材料是唯一一个能使中国经济实现跨越式发展的领域。 信息化带动工业化的前提下新材料地位信息化带动工业化的前提下新材料地位 以高新技术带动改造传

57、统产业 以信息化带动工业化(解决了信息对称的问题和发展模式的问题，但却没有解决内涵问题) 以新材料增强中国制造业的竞争能力 “中国制造”对新材料产业的驱动力： 突出应用导向突出应用导向 推动产业融合推动产业融合 加快创新响应加快创新响应 注重可持续发展注重可持续发展 过去十年，中国出现了若干从很小规模爆发式增长到百亿乃至千亿级规模的细分领域，比如多晶硅、钕铁硼永磁材料、MDI等。与之相伴，国内一批新材料特色产业基地崛起，高成长企业不断涌现。据初步统计，截止到2012年底，中国已陆续在全国27个省市建立了138个新材料产业基地；中国资本市场上新材料产业领域的上市公司达159家，A股市值超过800

58、0亿元。从从“中国制造中国制造”到到“中国创造中国创造” 从“中国制造”走向“中国创造”新材料产业驱动力： 新兴产业发展新兴产业发展 前沿技术突破前沿技术突破 重点产业和重大工程支撑重点产业和重大工程支撑 新材料发展走原始创新之路，需要技术、市场政策的配合和联动。 通过明晰产业战略，解决产业发展顶层设计的问题； 通过做强产业链条，实现新材料与下游应用产业的高端融合发展； 通过重塑商业模式，把握市场先导性、技术响应度、资源控制力等关键要素。 要实现由“中国制造”向“中国创造”的转型升级，中国新材料必须走原始创新的道路，新材料领域也将出现若干原创新兴产业。大力发展原创新兴产业，不仅是加快抢占新材料

59、产业战略制高点、塑造区域个性的战略抉择，还是引领产业结构战略调整、发展方式结构转变的重要途径，更是赢得后危机时代发展先机、打造全球创新“尖峰”的有力抓手。材料科学与工程的关系材料科学与工程的关系 定义： 材料科学：是一门科学，从事材料本质的发现、分 析、认识、设计及控制方面的研究。其 目的揭示材料的行为，给予材料属性的 描述或建立模型，解释结构与材料性能 之间的关系。 材料工程：是一个工程领域，其目的在于经济地、 而又为社会所能接受地控制材料的结 构、性能和形状。材料学科材料学科溯源（历史分析）溯源（历史分析）材料学科的形成：学校、学会和期刊三方面材料学科的形成：学校、学会和期刊三方面学校：学

60、校：美国麻省理工学院（美国麻省理工学院（MIT）为例：）为例：材料学科的分与合材料学科的分与合MSE与社会科学的结合，形成了材料学与社会科学的结合，形成了材料学Materialogy学会：学会：以美国的相关学会为例。以美国的相关学会为例。学术期刊：学术期刊： 材料科学与工程的提出(1) 1957年年10月月4日和日和11月月3日苏联发射两颗人造卫星，日苏联发射两颗人造卫星， 分别重分别重80千克和千克和500千克。千克。(2) 1958年年1月月31日美国发射日美国发射“探测者探测者1号号”人造卫星仅人造卫星仅8 千克。千克。(3) 对此美国有关部门联合向总统提出报告，认为美对此美国有关部门联