材料成型与工艺

1、8.1 生态环境材料 面对日益恶化的生态环境，可持续发展成为世界的共识。 在这种背景下，20世纪90国际上提出了环境材料(ecomaterials)的概念，标志着材料科学的发展迈入了一个新的历史时期。 日本东京Eiji hiyama设计的用瓦楞纸制成的儿童玩具丹麦生产的天然彩色棉花织成的布匹I2571型环保型真空吸尘器，外壳采用的是再生塑料。 20世纪90年代初开始，韩国汉城市内公路两旁的隔音板，根据声学原理，用铝格于有机合成玻璃制成隔栏，大大降低了汽车的噪声，减轻了汽车尾气的污染。8.1 生态环境材料8.1.1 生态环境材料的概念与分类生态环境材料满意的使用性能 优良的环境协调性（或者是能够

2、改善环境） 实际上任何一种材料只要经过改造达到节约资源并与环境协调共存的要求，它就应视为生态环境材料。 制造使用废弃再生利用整个过程，都做到对资源和能源消耗少、对环境污染小和循环再生利用率高。8.1 生态环境材料8.1.2 生态环境材料基本理论（1）节约能源。材料能够降低某一系统的能源消耗。（2）节约资源。材料能降低系统的资源消耗。（3）可重复使用。（4）可循环再生。（5）结构可靠性。（6）化学稳定性。（7）生物安全性。（8）有毒、有害替代。（9）舒适性。材料在使用时能给 人提供舒适感的性质。（10）环境清洁、治理功能。生态环境材料的有以下几个特征：再生纸制成的包装盒8.1.2 生态环境材料基

3、本理论（1）能源节约工艺。（2）资源节约工艺。（3）降低污染的加工技术。（4）净化环境的加工技术。生态环境材料的合成与加工工艺，可分为四类：废旧材料二次利用制成的产品8.1.3 生态环境材料及其工艺1.常见的金属生态环境材料及工艺（1）常见的金属生态环境材料 1)通用合金 再生循环过程中种类繁多的材料混杂在一起，就使废料的再生循环利用变得非常困难。因此从提高金属材料的再生循环性能出发，金属制品的全部零部件由单一合金系来制造最为理想。通用合金就是使用合金元素种类最少，且能满足各种用途要求的标准合金系。 FeCrNi钢 通过改变Fe、Cr和Ni的相对含量，可以生产出从铁素体钢到不锈钢的系列钢种，其

4、组织和性能可以在很大范围内发生变化。Ti合金 钛合金的性能随成分不同可在很大范围内变化，且可通过合金成分来预测合金的组织与性能。通过建立这样一种设计体系，不仅可以保证再生材料的性能，而且通过调整成分配比有可能开发出性能更优异、附加值更高的再生材料。 CrMo钢 这种合金成分设计方法既保证了耐热钢的持久蠕变强度，又节约了合金元素，减小了合金生产过程中的环境负荷。通用合金8.1.3 生态环境材料及其工艺3）双相钢(综合性能好) 与普通低合金高强度钢相比，在同等级抗拉强度水平下，铁素体-马氏体双相钢具有屈强比低、冷变形性能好、无屈服点等特点，这类传统材料已发展成为一种强度高、成形性能好的新型冲压用钢

5、。2）简单合金合金组元简单，再生循环过程中易于分选；原则上不加入目前尚不能用精炼方法去除的元素；尽量不使用环境协调性不好的合金元素。简单合金与通用合金的用途不同，简单合金的主要用途是代替大量消费的金属结构材料。 8.1.3 生态环境材料及其工艺（2）常见的金属材料的生态化改造工艺 从环境材料的角度出发，尽量使金属材料的加工过程消耗较低的资源和能源，排放较少的三废，并且在废弃之后易于分解、回收与再生。 熔融还原炼铁工艺 以 COREX法为代表的熔融还原炼铁工艺能使用非炼焦煤直接炼铁，工艺流程短、投资省、成本低、污染少。铁水质量能与高炉铁水媲美；并且能够利用产生的煤气在竖炉中生产海绵铁，替代优质废

6、钢供电炉炼钢。 喷射成形的近终形加工技术 与粉末冶金工艺相比，生产流程大大缩短，可以认为是一种紧凑型的粉末冶金流程。可大幅度节约能源，降低环境负担，比粉末冶金降低生产成本 40%以上。 金属的生态化改造工艺 德国BMW3型环保概念车，其中用蓝色标出的零件都使用再生材料制造的，而绿色表示材料可回收，整个车可以拆卸。8.1.3 生态环境材料及其工艺2.常见的无机非金属生态环境材料及工艺(1)水热热压 水热法的基本原理是：在水热条件下，水可作为一种化学组分参与反应。水既是溶剂又是矿化剂，同时还可作为压力传递介质。因此，通过加速渗析反应并对反应过程中的物理、化学因素进行控制，在外加机械压力联合作用下，

7、可以使无机非金属材料在低温发生固结和致密化。 (2)陶瓷可切削技术 通过巧妙的微观结构设计，能够将优良的力学性能和可切削性统一起来，是未来开发可切削无机非金属材料的重要方向。 非金属生态环境材料及工艺8.1.3 生态环境材料及其工艺3. 高分子生态环境材料及工艺（1）高分子生态环境材料废塑料纤维化；废塑料木材化；废塑料土工制品化；将PS废塑料与其他材料共混，制成各种用途的井盖、建筑材料、涂料、黏结剂、防水材料、阻燃剂、涂饰剂、增塑剂等；PU、 PF、不饱和聚酯、环氧树脂等热固性塑料可与其他材料混合使用，既可降低成本，又能提高某个方面的性能。总之，共混再生利用技术简便易行，几乎适用于任何一种废旧

8、高分子材料。高分子生态环境材料可回收无毒无害的塑料盒可降解塑料：微生物降解；大型微生物降解；光降解；化学降解。 降解方式全生物降解剪纸刀8.1.3 生态环境材料及其工艺目前已商品化的生物降解材料 “Novon”，是以马铃薯、玉米、小麦和大米淀粉为主要成分，添加生物降解助剂制成的天然聚合物。其制品的强度和外观都与普通塑料制品相当。 “Mater-Bi”。由Novament公司生产的这种产品的主要成分包括热塑性淀粉、天然添加剂以及其他可生物降解的合成材料(如EVOH和PCL)。这类材料在包装行业已逐步得到认可，被认为是最有希望取代聚烯烃的材料。8.1.3 生态环境材料及其工艺（2）有机聚合材料与有

9、机复合材料的可再生循环工艺有机聚合材料的可再生循环工艺 塑料的再生循环技术大致可以分为两类： 一类是将回收废旧塑料作为原材料使用；另一类是将回收废旧塑料分解成单体，然后重新合成新塑料。可再生循环工艺材料再生循环法 材料再生循环法的思路是在塑料功能丧失之前，将废塑料作为原料多次再生循环使用。在实际再生循环过程中，由于杂质混入及加工过程的影响，塑料的某些性能不可避免地要退化。因此，经材料再生循环法制成的再生塑料，存在一个降级使用的问题。化学再生循环法 化学再生循环法的基本思路是将回收废塑料作为资源，以石油或单体形式利用。将回收废塑料通过水解或解聚，分解成原始材料的单体或低聚物，然后重新合成为塑料初

10、级产品，或者返回到石油状态以便再生利用。8.1.3 生态环境材料及其工艺8.2.1 智能材料的内涵与定义对外界环境条件（或内部）状态发生变化作出响应或驱动的材料。对外界（或外部）的刺激强度（如应力、应变、热、光、电、磁、化学和辐射等）具有感知的材料，通称感知材料。智能材料种类传感器和驱动（执行）器应用功能材料模仿生命系统，能感知环境变化，并能实时地改变自身的一种或多种性能参数，作出所期望的、能与变化后的环境相适应的复合材料或材料的复合。 智能材料的定义8.2 智能材料通过自生长或原位复合等再生机制，来修补某些局部破损 的功能。通过传感神经网络，对系统的输入输出信息进行比较，并将结果提供给控制系

11、统，从而获得理想的功能。根据环境变化适时地动态调节自身并作出反应 的功能。智能材料的生物功能反馈功能自修复功能响应性功能能感知自身所处的环境与条件，如负载、应力、应变、振动、热、光、电、磁、化学、核辐射等的强度及其变化自诊断功能自动动态平衡及自适应功能学习能力和预见性功能信息积累和识别功能传感功能对现在情况和过去情况作比较，从而能对诸如故障及判断失误等问题进行自诊断和校正的功能。能积累信息，能识别和区分传感网络得到的各种信息，并进行分析和解释的功能。通过对过去经验的收集，对外部刺激作出适当反应，并可预见未来并采取适当的行动的功能。根据动态的外部环境条件不断自动调整自身的内部结构，从而改变自己的

12、行为，以一种优化的方式对环境变化作出响应的功能。8.2.2 智能材料的几种基本单元定义特性光导纤维 利用两种介质面上光的全反射原理制成的光导元件1压电材料 指在外加机械力的作用下能发生强烈的极化现象并在其制品表面形成电荷，从而产生一定电压的材料2电（磁）流变液 3反应灵敏、抗干扰能力强和耗能低等特点应用于复合材料的固化状态的评估、工程结构的在线监测、材料的非破坏性评定、内部损伤的探测和评估等响应速度快、频率高和应变小等特点用作传感器、驱动器应用用于飞行器机翼和直升机转子等的减振器，健身器的旋转制动器，电流变液是由高介电常数、低电导率的电介质颗粒分散于低介电常数的绝缘体中形成的悬浮体系。磁流变液

13、是由母液和均匀散布其中的磁性固体制成的悬浮液高电阻、高抗击穿强度、高化学稳定性、耐久性好基本单元定义形状记忆材料指具有初始形状的制品，经形变固定后，通过加热等外部条件刺激手段的处理，又可以恢复初始形状的材料。包括形状记忆合金、记忆陶瓷、记忆高分子 4磁致伸缩材料 磁致伸缩材料是将磁能转化为机械能的材料 5智能高分子材料 6可变形性、形状恢复性、应用于仪器仪表、自动控制、能源、航空航天、医疗、机器人和汽车制造等响应快、输出应变小应用于低频高功率声纳传感器、强力直线型电机、大转矩低速转电机和液压机执行器 应用于信息存储、宇航、电子领域是一种能感觉周围环境变化，而且针对环境的变化能采取响应对策的高分

14、子材料高电阻、高抗击穿强度、高化学稳定性、耐久性好特性应用基本单元8.2.3 智能材料的类型智能材料的类型将不同功能的材料颗粒按特定的方式进行操作组装，可创造出新的具有多功能的材料 多层薄膜复合材料内部结构周期化的纳米化纤维及颗粒形式的复合多孔架材料组装将金属或半导体等细小颗粒弥散分布在第二种介质中构成薄膜状磁性材料等已得到广泛应用 将两种或几种材料以多层薄膜复合，可获得优化的综合性能或多功能性 这些材料大多具有良好的形状记忆效应、超弹性及力学性能 大多数智能材料系统的智能效应以及结构材料的智能化皆来自于材料内部的纳米尺度 粒子复合组装8.2.5 智能材料在工业设计中的应用8.2.4 智能材料

15、的应用前景智能材料的未来空调机可以抑制震动而寂静工作轮胎需要充气时会礼貌地通知司机智能飞机的机翼可以像鸟的翅膀一样弯曲，自动改变形状，从而提高升力和减小阻力桥梁和电线杆在快要断裂是可以发出报警信号，然后自动加固自身的构造；航空、航天飞行器 用于机器人中 形状记忆合金在机器人中的应用主要是元件控制、触觉传感器、机器人手足和筋骨动作部分 用于日常生活中 电子通讯设备，软键盘，各种传感器，家电的控制及高级摄影设备，服装，汽车制造，医疗方面等智能材料的应用应用于潜艇外壳可做成表面复杂的形状从而容易逃避敌方声纳的探测，使潜艇隐形。用于机翼、潜艇外壳、推进器叶片等。用于飞机坐舱壁上，可减弱震动和噪音，使飞

16、行更加平稳，飞机结构更轻8.3.1 纳米结构与纳米材料(nano material) 8.3 纳米材料纳米结构的物质单元纳米微粒稳定的团簇人造超原子纳米管（棒）纳丝、纳米尺寸在三维空间中有一维在纳米尺如超薄膜、多层膜、超晶格在三维空间中有两维处在纳米尺度，如纳米丝、纳米棒和纳米管三维空间尺度均为纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子簇团等纳米材料的基本单元一维零维二维8.3.2 纳米材料的奇异特性纳米材料的奇异特性小尺寸效应特殊的光学性质 特殊的热学性质 特殊的磁学性质 特殊的力学性质 表面效应宏观量子隧道效应此特性可作为高效率的光热、光电等转换材料。又可能用于红外敏感元件、红外隐身技术等。 高矫顽力的特性，应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等 应用于人造牙齿，纳米陶瓷，纳米金属等熔点显著降低 量子尺寸效应 8.3.3 几种典型的纳米材料录音带、录像带和磁盘的磁介质 精密陶瓷的原料几种典型的纳米材料颗粒膜 材料 纳米颗粒 型材料 纳米磁性液体材料 应用电磁功能材料光学材料 医学生物领域纳米陶瓷纳米固体材料 光的传感器 传感器吸磁器8.3.4 纳米材料的用途纳米陶瓷随可以克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金属一样的柔韧性和可加工性纳米材