材料科学与工程专业介绍.ppt

1、材料科学与工程 专业介绍,报告人：薛振华,2013.09.12,报告内容,新材料发展状况 学科状况 专业培养目标 课程设置 学制、学位、毕业去向 人才引进 实验室建设,一、新材料发展状况,2015年我国新材料产业总产值要达到2万亿元，年均增长率超过25%。 中国2011年新材料产业规模超过8000亿元，与前年相比，增加近1500亿元。而且，中国的新材料产业规模近年来正在经历快速扩张，年均增长率超过20%。 目前，中国的稀土功能材料、先进储能材料、光伏材料、有机硅、超硬材料、特种不锈钢、玻璃纤维及其复合材料等产能已居世界前列。,我国重点发展的新材料,一、特种金属功能材料，如稀土永磁、发光等功能材

2、料。 二、高端金属结构材料，如核电用钢、耐蚀合金、钛合金等。 三、先进高分子材料，如电池隔膜等。 四、新型无机非金属材料，如电光、压电、碳化硅等先进陶瓷材料，微晶玻璃、激光晶体等先进晶体材料。 五、高性能复合材料，如碳纤维、玄武岩纤维等高性能纤维及可用于飞机结构、人工韧带以及用于火箭外壳等碳纤维增强复合材料。 六、前沿新材料，如纳米粉体材料、石墨烯、超导材料及原料、智能材料等。,信息材料,信息材料,光纤传输材料,存储和显示材料,这些材料及其产品支撑着通信、计算机、家电与网络技术等现代信息产业的发展。我国的信息材料和产业在无机非线性人工晶体方面研究水平一直保持国际领先地位，激光晶体材料接近世界先

3、进水平，介质陶瓷材料也与世界先进水平相当。,微电子材料,传感材料,光电子材料,磁性材料,信息材料的市场需求：,2011年国内多晶 硅产量达8.4万吨，需求为14.5万吨。缺口约为6.1万吨。,2012年，受下游光伏市场疲软影响，国内多晶硅总产量6.4万吨，进口量总量8.28万吨，需求同2011年基本持平，多晶硅缺口仍在50%左右。,在目前的政策和经济环境下，20102014年全球 多晶硅市场需求预计将以16的年均速度增长， 预计到2014年需求量将达29万吨。,近10年，全球太阳能电池产业规模扩大了35倍。2009年，我国政府先后出台了“太阳能屋顶计划”、“金太阳工程”等旨在培养国内光伏需求市

4、场的政策，而且还将加大发展太阳能产业的力度，现有的太阳能光伏电池企业也还将继续扩产，不会停留在每年两三千兆瓦的水平上，因此对多晶硅的需求仍会上升。 全球太阳能产业年均增长约30%。,我国率先实现铌酸锂单晶薄膜产业化,铌酸锂晶体是集电光、声光、压电、光弹、非线性、光折变及激光活性等效应于一身的人工合成晶体。济南晶正电子科技有限公司采用离子注入及直接键合等技术，从铌酸锂体材料上剥离出厚度仅有数百纳米的单晶薄膜，用其制成器件与传统器件相比在性能、体积、功耗等方面都具有明显优势，在声表面波、电光调制、探测器、集成光学、非线性光学、信息存储等器件中具有重要应用前景。 目前，铌酸锂单晶薄膜已引起了业界广泛

5、关注，这一创新具有自主知识产权，能改变相关产业结构，带来巨大经济效益及社会效益，并有望在更多应用领域实现突破。,新能源材料,新能源和再生清洁能源技术是21世纪世界经济发展中最具有决定性影响的五个技术领域之一。包括太阳能、生物质能、核能、风能、地热、海洋能等一次能源以及二次电源中的氢能等。新能源材料是指能实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所要到的关键材料，是发展新能源的核心和基础。 目前锂电池的全球供货量约为17.6亿块。销售额为58.9亿美元。预计2013年供货量将达到近39.9亿块。,生物医用材料,生物医用材料主要有：纳米生物医用材料、生物活性材料、药物控释材料、组织工程材料、介入治

6、疗材料。 2008年中国生物医用材料全行业总产值2200亿元，同比增长15%，实现利润超过200亿元。2010年全球销售额达到4000亿美元。 我国生物医用材料产业存在问题：自创技术的产业化能力差，还占不到世界产值的3，产品档次还需要大的改进。,生态环境材料,生态环境材料包括：环境工程材料、绿色包装材料、环境建筑材料、环境降解材料、环境净化材料、环境修复材料、环境替代材料等。,2012年中国生态环境材料产业市场规模超过300亿元，未来中国生态环境材料产业市场增长率将继续保持在20%以上。,水油快速分离材料,日本京都大学研究人员在7月11日的德国期刊应用化学国际版上报告说，他们开发出了一种拥有大

7、量超细微孔洞，而且柔软又富有弹性的新材料，新材料被命名为“棉花软糖凝胶”。能耐零下130摄氏度的低温到300摄氏度以上的高温。可用于液体或气体的高速分离，如回收泄漏的原油等。 棉花软糖凝胶的表面排斥水分，但是孔洞能够吸附油脂，仅需数秒至数十秒就可以分离水和油。像挤海绵一样挤压这种凝胶，就能回收其吸附的油脂，凝胶能够反复使用。 这种新材料拥有在宽泛的温度范围内保持稳定的性质，有望开辟出全新的用途，如可用于浓缩化学物质等。,纳米材料,纳米是长度单位，1nm=10-9m，纳米材料是指组成材料的单元尺度在1100nm的材料。它又分为一维纳米材料，如纳 米薄膜；二维纳米材料，如纳米线；三 维纳米材料，如

8、纳米颗粒。,全球纳米市场前景广阔。2007年全球纳米材料市场的销售收入比2006年增长94%，增至5600万美元。然而，2008年增速放缓至70%。目前，纳米材料已建立了10亿美元的可观市场，市场主要分布在美国、西欧和日本；到2011年纳米材料的市场需求将达到42亿美元；到2025年将上升至1000亿美元。,我国纳米技术概况,从1991年到2000年的10年中，共资助9200多万元；2001年到2003年期间共投入1.96亿元。我国的纳米科研在纳米材料的制备、表征、测试技术等方面，特别是在纳米碳管领域已获得一些很出色的研究成果。目前我国纳米技术专利申请数已排在美国、日本之后，名列世界第三，占世

9、界总量的12。但总体水平与美、日、欧相比有很大差距。,纳米技术应用： 纳米材料添加到聚合物基体中可提高其拉伸强度、抗冲强度、模量等力学性能。 如在尼龙6中加入4.2的MMT，拉伸强度提高6倍，弹性模量提高1倍。 硅酸盐-环氧树脂纳米复合材料的贮能模量在玻璃化区提高了360%，在橡胶化区提高了450%。,碳纳米管,纳米管强化的陶瓷材料的断裂韧度是常规氧化铝的5倍，其导电性比纯氧化铝高10万亿倍，具有比钢还要强100倍的材料强度，同时还是目前世界上最好的导热材料。纳米碳管依靠超声波传递热能，其传递速度可达到10000m/s，而且只朝一个方向即纳米管的排列方向导热，而在和纳米管成适当角度时能反射热，

10、从而使它成为制造隔热保护膜的优质材料。 同时纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性，有的可大幅度弯曲而不断裂，表现出金属般的柔韧性和可加工性。,纳米机器人在清理血管中的有害堆积物,纳米汽车,超声波驱动纳米发电机,基于规则的氧化锌纳米线的纳米发电机,“量子幻景”是基于电子波动性的效应。在纳米尺度的电路中，由于尺寸太小而无法使用传统的导线，就可以利用这种效应来代替导线进行数据传输。通过移动铜表面的数十个钴原子并将它们排列成椭圆形的环，科学家们首次观察到了量子幻景。椭圆环上的原子起到了类似“量子畜栏”的作用，反射环内的铜表面电子，并形成量子力学所预测的波形。,纳米金属笼,从直径为1.4nm

11、的单根纳米管内发出的光,以DNA分子为支架的纳米超导器械,美国Nantero公司利用纳米工艺制成的计算机存储器NRAM。 NRAM存储器的关键元件是直径比人头发细10万倍的碳纳米管，管壁厚度仅为一个原子。,纳米马达与纳米风车,其驱动力是电子“风”，即电子穿过纳米碳管时角动量驱动其旋转。,碳纳米材料家族增加新成员,球状的富勒烯、筒状的碳纳米管、片状的石墨烯，弯曲纳米石墨烯 日本名古屋大学教授伊丹健一郎率领的研究小组在15日的自然化学杂志网络版上报告了一种像马鞍一般弯曲的碳纳米分子，有望在电子元件和医疗等领域得到应用。 由于碳分子之间有大量微小的空间，所以容易溶解到乙醇等有机溶剂中，很容易应用到电

12、子基板上，有望用于制造太阳能电池和电子元件等。 如果向溶有这种新型碳纳米分子的溶液照射紫外线，这种分子能发出绿色的荧光，所以它还有望用于生物成像领域。,导热新材料,德国的研究人员们开发出了一种由铜和金刚石复合而成的新型散热材料。该复合材料在热传导率达到铜的1.5倍，而且不会贵多少。这种新材料在受热后不会明显膨胀。 美国北卡罗莱纳州立大学材料科学和工程学助理教授吉格卡斯切勒拉通过电化学沉积过程制造出了这种铜石墨烯复合材料，其导热率比纯铜快25，且复合材料的成本很低且很容易制造。,超导材料,我国在超导材料制备及应用方面取得了100多项专利， 在某些方面处于国际领先地位。目前研究的重点在高 温超导材

13、料的研制及应用技术。2010年 超导材料市场需 求为150200亿美元，2020年将达到15002000亿美 元。因此，美国能源部认为，超导电力技术是21世纪 电力工业惟一的高技术储备。,超导磁悬浮车,磁悬浮列车,化工新材料,普通化工材料：指合成树脂、合成橡胶、橡胶复合材料、合成纤维、无机化工材料、有机硅材料、有机氟材料、生物化工材料、功能高分子材料、粘结材料、涂饰材料等。 化工新材料：高性能通用塑料新品种、高性能塑料合金、高性能橡胶复合材料、特种合成纤维、生物化工材料、高性能功能高分子材料、特种涂料等。,化工新材料,2006年，中国工程塑料市场销售额大约在55亿美元，产量约为150万吨，较2

14、004年的产量增长了约32.7%，销售额增加了约63%。至2013年，工程塑料需求量将接近300万吨。销售额年均增速11.2，2013年约为115.6亿美元。主要涉及汽车、电气和电子行业。 到2015年，我国化工新材料规划产值将达到3500亿元，年均增长率为16%。,我国基本上都是通用工程塑料，高附加值特种工程塑料树脂几乎是空白。,2012年全球工程塑料、聚合物合金和共混物市场需求估计超过了1000万吨，未来5年复合年均增长率为4.4%，预计2018年需求量将增加至1270万吨。2012年全球工程塑料市值估计为430亿美元，预计2018年将超过550亿美元。,在合成纤维方面，特种纤维美国的生产

15、能力占世界的75，而在特种纤维中的高性能纤维日本处于领先地位。,新型复合材料,进入21世纪以来，全球复合材料市场快速增长，亚洲尤其中国市场增长较快。据统计，2008年我国复合材料制造业累计实现工业增加值86.7亿， 工业总产值258亿，新产品产值11.6亿，销售产值253亿。同时在出口方面，比2007年增长9.9%。 2012年全球复合材料市场将达626亿美元。,A380机身大量应用Glare 层板,共用27块达470m2 之多,约占结构总重的3 4 %,与相应的铝合金板比实现减重25%30 % ,疲劳寿命提高1015 倍,长达14m 的垂尾前缘也拟采用此层板。Glare 是玻纤增强铝合金层板

16、,中国称作超混杂复合材料。,B787 共用复合材料50%左右,其密度仅为116g/cm3, 全机主要结构均将采用复合材料制成, 除机翼、尾翼前缘(防鸟撞) ,发动机挂架(防高温) 外几乎看不到金属。其他如机翼、机身、垂尾发房、地板梁、部分舱门、整流罩等。甚至还包括了起落架后撑杆、发动机机匣、叶片等部位。较B767 降低成本30% 。,其他新材料,2012年12月10日报道，近日加拿大一家公司称已研发出“量子隐形”伪装材料，这种材料能令光线弯曲，躲过人们的视线或是夜视镜。其神奇效果就像哈利 波特的隐身斗篷，能够令穿戴者完全“消失”。美国和加拿大军方证实该材料甚至可以“骗过”红外线和热成像技术。,

17、新材料产业分布,世界新材料产业的主导是美国、日本、欧盟等发达国家，相应的新材料企业也主要集中在这些国家，并形成垄断优势。如：作为半导体材料中应用最广泛的硅材料，每年销售额约60 80亿美元，其中日本、德国、韩国的 8家公司就控制了90的市场。,二、学科状况,1. 师资队伍： 共有专职教师24名，其中教授8名，副教授6名。具有博士学位16名，硕士学位4名，在读博士2名。,2. 实验室建设： 现有木材科学、高分子材料合成、材料力学、材料性能测试四个专业实验室，正在建设材料性能评价实验室。同时有实训基地1个，自治区工程中心1个，中央和地方共建实验室1个，自治区重点实验室1个。,3. 专业设置：材料科

18、学与工程专业2004年获得批准，2005年招生。 4. 学科建设：2003年设材料加工工程硕士点；2004年，在农业工程一级学科博士点下设农业剩余物材料科学与技术博士点。,三、专业培养目标,培养具备高分子材料、无机非金属材料和复合材料科学与工程方面的基础理论、基本技术和技能；掌握新材料设计的初步知识；能在材料的制备、加工成型、材料结构与性能等领域从事科学研究与教学、技术开发、工艺和设备设计、技术改造及经营管理等方面工作，适应社会主义市场经济发展的高层次、高素质全面发展的科学研究与工程技术人才。,四、课程设置,专业基础课： 理论力学、材料力学、材料物理、材料化学、材料科学基础、电工电子基础等。,专业课： 材料成形、材料机械加工、高分子材料成型与加工、功能高分子材料、材料表面工程、材料表面与界面、材料测试方法、纳米材料与技术、复合材料等。,五、学制、学位、毕业去向,学制：四年,学位：工学学士学位,毕业去向：毕业后可在化学纤维、塑料、橡胶、涂料、复合材料等材料制备、加工成型、材