《概论材料环境》课件

概论材料环境材料科学与工程学科的重要组成部分。从宏观、微观和纳米尺度研究材料的结构、性能和加工过程。绪论材料科学与工程材料科学是研究材料的组成、结构、性能及其与加工工艺之间关系的一门学科。材料工程是将材料科学的知识应用于实际工程问题，设计、制造和应用新材料的学科。材料环境的重要性材料环境是指材料所处的外部环境，对材料性能有重要影响。理解材料环境对于选择合适的材料、设计和制造产品，以及延长产品的使用寿命至关重要。材料环境的概念材料环境是指材料所处的周围环境，包括物理环境、化学环境和生物环境。材料环境会影响材料的性能，例如腐蚀、老化、失效等。材料环境的构成及特征自然环境大气、水、土壤等自然因素会影响材料性能。如湿度、温度、光照、化学物质等。人工环境工业生产、交通运输、生活环境等会产生各种因素，如污染物、电磁场等，也会对材料产生影响。材料本身材料的化学组成、物理结构、表面状态等自身因素也会影响其在环境中的行为。环境因素间相互作用环境因素之间并非独立存在，会相互影响，共同作用于材料，因此材料环境是一个复杂的系统。材料环境的类型自然环境大气、水、土壤、光照、温度等自然因素构成自然环境。工业环境工厂、矿山、化工等工业生产环境，包含各种化学物质、高温、高压等。生物环境生物环境指材料所处的生物体或生物系统，如人体组织、微生物等。特殊环境太空、海洋深层、核反应堆等极端环境，具备独特的物理化学特性。环境对材料性能的影响环境因素环境中的各种因素会影响材料的性质和性能。温度湿度光照气体水环境微生物生物因素化学腐蚀机械因素电磁辐射材料性能变化例如，金属在潮湿环境中易腐蚀，塑料在阳光下易老化。影响使用寿命这些变化会降低材料的强度、耐用性和使用寿命，影响产品的性能和安全性。温度温度是材料环境的重要因素之一，对材料的性能有显著影响。高温会加速材料的氧化、腐蚀和老化，而低温则会使材料的强度和韧性降低。例如，金属材料在高温下会发生蠕变和疲劳，而塑料材料在低温下会变脆。湿度湿度是指空气中水蒸气的含量湿度会影响材料的吸水性、膨胀系数、强度等高湿度环境会导致材料吸水膨胀、腐蚀、霉变低湿度环境会导致材料干燥收缩、开裂、静电光照光照是材料环境的重要组成部分，对材料的物理和化学性质有显著影响。光照强度、波长和照射时间都会影响材料的性能。UV紫外线导致材料老化和褪色IR红外线影响材料的热性能Visible可见光影响材料的光学性质气体气体环境对材料的影响主要体现在腐蚀和氧化方面。不同的气体具有不同的腐蚀性，例如，氧气、二氧化碳、二氧化硫等会加速金属的腐蚀。此外，某些气体还会与材料发生化学反应，改变材料的物理和化学性质。100%氧气氧气是金属腐蚀的主要原因之一。50%二氧化碳二氧化碳会加速金属的碳酸盐化腐蚀。20%二氧化硫二氧化硫会导致金属发生硫化腐蚀。水环境水环境是指材料暴露于水中的情况。水是极性溶剂，它会溶解许多物质，并与材料发生化学反应。水环境类型影响淡水腐蚀、水解、生物附着海水盐蚀、电化学腐蚀工业废水酸碱腐蚀、重金属污染微生物微生物对材料的影响很大，它们可以导致材料的腐蚀、降解和变质。例如，细菌可以导致金属的腐蚀，真菌可以导致木材的腐烂，霉菌可以导致塑料的降解。因此，在选择材料时，需要考虑材料的抗微生物性能。生物因素生物因素是指生物体对材料的影响，例如微生物、植物、动物等。微生物的腐蚀、植物根系的穿透和动物的啃咬等都会对材料造成破坏。生物因素对材料的影响通常是长期的，难以预测，对材料的耐久性和可靠性构成威胁。化学腐蚀化学腐蚀是材料在化学物质作用下发生破坏的过程。常见形式包括氧化、酸蚀和碱蚀。腐蚀过程会降低材料的强度、耐用性和美观性，导致结构失效、设备故障和环境污染。机械因素机械因素描述影响应力材料内部的力疲劳、断裂振动周期性变化的力材料损伤、松动冲击突然施加的力材料变形、断裂磨损材料表面之间的摩擦材料表面损伤电磁辐射电磁辐射是指能量以电磁波的形式传播，具有波粒二象性，可以影响材料的性能。不同频率的电磁波对材料的影响也不同。100kHz低频金属材料1GHz高频非金属材料300GHz微波高分子材料材料在不同环境中的行为及影响1材料性能变化材料属性发生改变2材料失效材料丧失功能3材料腐蚀材料表面劣化材料在不同环境中会表现出不同的行为，并受到环境因素的影响。这些影响可以导致材料的性能变化、材料的失效，甚至材料的腐蚀。金属材料1腐蚀金属材料在潮湿环境中易发生腐蚀，导致强度下降、外观损坏。2温度影响高温会加速金属材料的氧化和蠕变，低温可能导致金属材料变脆。3机械损伤金属材料在机械冲击或振动环境中易发生疲劳、断裂。4电化学腐蚀在含有电解质的环境中，金属材料会发生电化学腐蚀，加速腐蚀速度。陶瓷材料耐高温陶瓷材料具有较高的熔点，能够承受高温环境，例如高温炉衬、熔炼容器等。耐腐蚀陶瓷材料具有优异的耐酸、耐碱、耐盐等腐蚀性能，在酸性、碱性、盐类环境中能保持稳定。绝缘性能陶瓷材料具有良好的绝缘性能，可作为电气绝缘材料，广泛应用于电力设备、电子元件等领域。高分子材料高分子材料，也称为聚合物，通常是热塑性塑料，例如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯。它们在不同环境中表现出独特的行为。例如，在阳光下长时间照射，可能导致降解和变脆。橡胶和弹性体是高分子材料的另一个重要类别，它们通常具有弹性和耐磨性。橡胶在水分和油脂的存在下会发生降解，并会受到温度变化的影响，导致性能下降。复合材料优势增强强度、耐腐蚀性、重量轻、可设计性强，应用于航空航天、汽车、建筑等领域。常见类型碳纤维增强塑料、玻璃纤维增强塑料、陶瓷基复合材料、金属基复合材料等。结构由增强材料和基体材料组成，增强材料提高强度，基体材料赋予形状和连接性。材料环境试验及评价1加速试验模拟材料在实际应用中可能遇到的极端环境条件。2自然暴露试验将材料样品放置在实际环境中进行长期暴露试验。3室内模拟试验在实验室中模拟材料所处环境的温度、湿度、光照等因素。材料环境试验是评估材料性能和预测材料在实际使用环境中的行为的关键步骤。加速试验环境模拟加速试验在实验室中模拟自然环境条件，加速材料的劣化过程。时间缩短通过加速试验，可在更短时间内预测材料在实际环境中的使用寿命。测试类型常见的加速试验包括高温、高湿、光照、化学腐蚀等。试验结果加速试验结果可为材料的选型、设计、使用提供参考。自然暴露试验真实环境模拟在自然环境下进行试验，模拟材料实际使用条件，更准确地评估材料性能。长期暴露测试长期暴露于阳光、雨水、风沙等自然因素，测试材料的耐久性，如耐候性、耐腐蚀性。数据收集分析定期监测材料的性能变化，分析数据，评估材料的适应性和可靠性。室内模拟试验11.温度和湿度控制模拟不同温度和湿度条件，测试材料性能变化。22.光照模拟模拟紫外线、可见光和红外线辐射，评估材料的光稳定性。33.气体环境模拟模拟各种气体环境，如酸性气体、碱性气体、腐蚀性气体等。44.水环境模拟模拟不同水环境，如海水、淡水、污水等，评估材料的耐腐蚀性。材料选择与设计性能要求根据应用场景，材料需要满足特定的性能要求，例如强度、耐腐蚀性、耐热性等。成本控制在满足性能要求的前提下，选择性价比高的材料，降低制造成本。环境友好尽量选择环保材料，减少对环境的负面影响。加工工艺考虑材料的加工性能，选择易于加工的材料，提高生产效率。材料预防保护表面处理涂层可以隔离材料与周围环境，防止腐蚀和氧化。例如，金属材料可以镀锌或喷涂油漆，以提高其耐腐蚀性。环境控制控制环境条件，例如温度、湿度和气体浓度，可以有效地减缓材料的降解和腐蚀。例如，使用防潮材料包装，可以防止金属材料生锈。材料选择选择具有良好耐腐蚀性和耐候性的材料，可以延长材料的使用寿命。例如，在户外环境中，可以使用耐高温、耐紫外线的塑料材料。定期维护定期清洁和维护材料，可以及时发现和处理问题，避免材料损坏。例如，定期对金属材料进行除锈处理，可以防止腐蚀加剧。常见材料环境问题及对策11.腐蚀金属材料在环境中发生化学或电化学反应而损坏的过程。使用耐腐蚀材料，表面涂层，或电化学防护方法可以有效降低腐蚀。22.老化高分子材料在环境中受到光照，温度，湿度等因素的影响而性能下降，导致老化。使用抗老化剂，改善材料配方或使用保护性涂层可以减缓老化。33.生物侵蚀木材，混凝土等材料在潮湿环境中受到微生物的侵蚀