材料科学与工程学导论—第一章—绪论详解.ppt

废料 技 术 新材料技术是高技术发展的基础 生 态 环 境 材 开采 制备 原材料 工业原料 制备 工程材料 料 科 矿产 再生循环 分类/再制造 产品设计 制造装配 学 农业、建筑、环境 国防、信息、交通 能源、健康…… 材料的全生命循环周期 新材料技术是高技术发展的基础 资源能源消耗最小 矿产 资源 污染排放最少 生态环境材料科学技术 废弃物可再生 回收利用 使用性能最佳 各 种 材 料 和 新材料技术是高技术发展的基础 生态环境材料科学技术---材料的环境协调性评价 典型的材料环境协调性研究分类 设计原则 减少资源 能源消耗 减少 污染排放 提高材料 使用价值 研究方向 现场循环利用 再生循环利用 减少枯竭资源元素使用 降低污染能耗 降低污染程度 废弃物综合利用 去除有毒有害元素 提高材料性能 延长材料使用寿命 改进材料体系及其制备技术实例 废料循环使用 通用合金、通用树脂 低合金度合金 净终成形技术、软溶液制备技术 可降解塑料 废弃物资源化 无铅焊料、非铅基压电陶瓷 超级金属 长寿命金属材料及高分子材料 新材料技术是高技术发展的基础 生态环境材料科学技术 开发节约资源、低污染的生产流程 煤气 钢铁工业循环 工艺流程 发电厂 焦 化 高 炉 转 炉 连 铸 热 连 轧 冷 连 轧 废塑料 烧结 废渣 废钢 产品 水泥厂 新材料技术是高技术发展的基础 生态环境材料科学技术 开发节约资源、低污染的生产流程 钢铁工业循环 工艺流程 实施循环经济 实际效果比较 新材料技术是高技术发展的基础 生态环境材料科学技术 发展环境友好材料 如：① 发展以锂离子电池、燃料电池为代表的新能源材料， 以替代污染环境的铅蓄电池和镍镉电池； ② 发展无铅焊料和无铅压电陶瓷； ③ 采用玉米、秸秆等生物材料开发可降解环保餐具。 ④ 发展镁合金，用于通讯工具壳体材料，可降低使用者 的电磁辐射。 新材料技术是高技术发展的基础 生态环境科学技术 纳 米 TiO2 光 催 化 发展环境友好材料 纳 米 Ag 的 消 毒 杀 菌 新材料技术是一切工业发展的关键共性基础 新材料技术出现群体性突破，将对21 世纪所有工业领域产生革命性的影响，成 为一切工业的关键共性基础。 如 纳米材料 超导材料 先进结构材料 ··· 新材料技术是一切工业发展的关键共性基础 [0,?] 微观领域 宏观领域 [μm,∞) 以量子力学为代表， 研究物质基本粒子的 科学问题。 [1nm, 100nm] 以经典物理为代表， 研究均相物质的基本 科学问题 介观领域 纳米材料 对由有限个原子组成的非均相物质， 如何分析其特殊的科学规律？ 8 新材料技术是一切工业发展的关键共性基础 特点之一:表面效应 1cm 纳米材料 1nm 个数 总体积 总面积 棱边数 顶角数 1 1cm 3 6cm 2 12 1021 1cm 3 6000m 2 12×1021条 8×1021个 1021× 1× 1021× 1021× 1021× 新材料技术是一切工业发展的关键共性基础 特点之一:表面效应 纳米材料 新材料技术是一切工业发展的关键共性基础 特点之一:表面效应 纳米材料 表面原子随颗粒粒径的变化规律 粒径（nm） 1 2 5 10 20 100 总原子数 30 250 400 3×104 25×104 3×107 表面原子数/总原子数 90 80 40 20 10 2 新材料技术是一切工业发展的关键共性基础 特点之二：小尺寸效应 纳米材料 随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性 质的质变，由于颗粒尺寸变小所引起宏观物理性质 的变化称为小尺寸效应。 颗粒大小 金熔点 常态 1064℃ 10nm 1037℃ 2nm 327℃ 新材料技术是一切工业发展的关键共性基础 特点之三:量子效应 纳米材料 对纳米颗粒而言，大块材料中连续的能带将分裂为分 立的能级，能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当 热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时， 就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称 之为量子效应。 粒径小于20nm的纳米银会变成绝缘体。 原本导电的铜到某一纳米界限就不