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1、现代科技概论复习资料整理第三章 材料科学技术 第一节 基础知识 一、材料科学技术中的一些基础名词:晶体与非晶体;机械性能(强度,硬度,刚度,塑性等);热处理(淬火,回火等);化学热处理;相及相变等. 二、材料科学技术基础研究的发展显微结构的研究,热力学的研究等三、研制材料的新方法、新工艺 1.新方法:宏观性能和微观结构的研究;表面处理的研究;破坏过程的研究;计算机的介入凑试法2.新工艺 :快速凝固离子注入四、材料的发展 第一代天然材料:存在于自然界的动物,植物和矿物物质第二代烧炼材料:烧结材料和冶炼材料第三代合成材料:化工合成,特种合金和超铀元素(原子序数大于92的元素的统称)第四代可设计材料

2、:如复合材料第五代智能材料 :如记忆合金五、材料的分类 1 根据材料的来源分类:天然材料(矿物,动物和植物材料)和人工材料2 根据材料的用途分类:结构材料(利用力学性能承受一定负荷的材料)和功能材料(利用物理和化学特性的材料) 3 根据材料的成熟程度分:传统材料和新兴材料4 根据材料的化学性质分类:金属材料,无机非金属材料和有机高分子材料第二节 材料科学技术的地位 一、材料科学技术的概念材料:专指一些有用的物质.材料科学技术:从总体上研究材料的种类,功能,基本结构和性能之间的关系以及新材料的研制和应用的科学.二、材料科学技术的重要性 1 材料是生活、生产的物质基础,新材 料往往是现代科学技术的

3、物质基础。2 新材料是工业产品升级换代的的关键。3 新材料是克服能源短缺的重要途径之一。第三节金 属 材 料 一、概念及其分类金属材料是指金属单质及合金构成的材料.金属特性：良好的导电导热性、金属光泽、大多具有超导性、良好的反射性和塑性变形能力、不透明等。金属分为黑色金属和有色金属二、黑色金属黑色金属是指铁,锰,铬及其合金材料.纯铁：含碳低于0.04%，强度低、硬度低、塑性好。又叫熟铁。铸铁：大于2.0%为铸铁，历史悠久，我国春秋时期以发明了生铁冶铸技术。钢：含碳0.04-2%.碳钢、合金钢。转炉炼钢（英国贝塞麦 1854年试射炮弹时担心铸铁承受不了爆炸力，导致他研究新炼钢方法，1.22米容器

4、下部有6个进风口，温度上升到1600，30分钟就可以炼1炉钢，后改为向一侧倾倒，即“转炉”，1857年获专利。电炉炼钢：可以冶炼各种性能的合金钢。平炉炼钢：钢质稳定，一直沿用至今近年新钢铁种类：低合金超高强度钢（飞机起落架、火箭外壳、常规武器的承力零件）超低温奥氏体钢（-269摄氏度下具有良好的力学性能） 三、有色金属 1 普通有色金属 铜及其合金：电气、仪表、造船、机械制造等工业广泛应用。 铝及其合金：资源丰富，成本较低，塑性好，可冷拔成细丝。 钛及其合金：强度高、耐高温、耐腐蚀，资源丰富，加工复杂，成本高。锂：1817年瑞典化学家阿尔费德松发现。密度比水小一半。镍：1715年由瑞典化学家克

5、朗斯塔特在“铜怪”的矿石中发现。（因与铜色泽相同，但无法提炼出铜，以为山神作怪）2 稀有金属 稀土金属:钪,钇,镧和锕系17种元素。被称为冶金工业的维生素。四、几种新兴金属材料简介 1 彩色不锈钢 2 金属玻璃（非晶态合金）106/秒的冷却速度，刚柔并济，但不透明。耐腐蚀性比最好的不锈钢高100倍。第四节 无机非金属材料 天然无机非金属材料,硅酸盐材料,新型硅酸盐材料一、天然无机非金属材料天然石料(石灰石,长石,石膏),天然矿土(粘土,高岭土),天然纤维(石棉)二、硅酸盐材料 1 陶瓷:陶和瓷的总称.分为传统陶瓷和先进陶瓷(高性能陶瓷,精细陶瓷等)应用：汽车发动机等打不破的陶瓷,能透光的陶瓷,

6、压电陶瓷 2 玻璃:石英石加入纯碱和石灰石在1500摄氏度烧制而成.钢化玻璃,光导纤维,玻璃幕墙3 水泥 4 耐火材料三、新型硅酸盐材料氧化铝陶瓷(刚玉),碳化硅陶瓷等 第五节 高分子合成材料 一、高分子的概念及分类 由结构相同的单体聚合而成，分子量通常十几万或几十万.又称高聚合物.根据来源可分为：天然高分子材料(棉、麻、木材、橡胶等); 合成高分子材料(合成橡胶、塑料合成纤维等)二、高分子材料发展历史化学改性到人工合成1812年用酸水解树皮等，得到淀粉。“橡胶”最早认识是印第安人，“卡乌巧乌”1823年，苏格兰人马幸托斯创办了雨衣厂，但很快倒闭了。1839年古德意发现天然橡胶与松节油、硫磺共

7、热可改变性能，化学上叫高分子化学改性，工业上叫硫化处理。1864年，舍恩拜因用棉纤维经硝酸、硫酸混合液处理，发明了火药棉。1865年帕克尔对胶棉处理，得到第一种人造塑料-赛璐珞。1892年克罗斯以木纤维生产粘胶纤维。1907年，贝克兰把苯酚与甲醛进行反应，得到酚醛塑料-最早的合成塑料。合成纤维,合成橡胶,塑料发展最快,应用最广,被称为传统的三大有机合成材料.三、传统的三大合成材料1 合成橡胶供不应求，探索合成；世界大战，加速发展；奇妙魔术，前程无量1879年，第一次人工合成橡胶1910年德国拜尔公司合成橡胶，同年前苏联、英国都发明了不同的合成橡胶。1914年，德国在战争期间共生产2350吨合成

8、橡胶。普通合成橡胶：丁苯橡胶、顺丁橡胶等特种合成橡胶：用于飞机宇宙飞船的硅橡胶2 合成纤维 粮棉争地，另辟蹊径；尼龙问世，巧夺天工；姹紫嫣红，大放异彩；以假乱真，造福人类1913年德国化学家科拉特首先开始合成纤维1938年杜邦公司建成第一座尼龙66工厂涤纶、腈纶、锦纶、丙纶四大纶“仿生化”：仿棉、仿麻、仿皮等3 塑料 人造“象牙”，能伸能屈；酚醛塑料，冷热均灵；塑料之王，神通广大；错误导致奇迹，导电塑料1万美元，征求象牙替代品，1869年，海厄特发明了赛璐珞（硝化纤维素经植物油和樟脑软化制成）1907年，贝克兰把苯酚与甲醛进行反应，得到酚醛塑料-最早的合成塑料“塑料王”聚四氟乙烯：轴承、人体器

9、官替代品聚乙炔四、新型有机高分子材料-功能高分子材料功能高分子材料是指既有传统高分子材料的机械性能，又有某些特殊功能的高分子材料（1）高分子分离膜组成：是用具有特殊分离功能的高分子材料制成的薄膜。特点：有选择的通过应用：物质分离（2）医用高分子材料性能：优异的生物相容性，很高的机械性能应用：制作人体的皮肤、骨骼、心、肺等各种人工器官。五、有机高分子材料的发展趋势一方面，对重要的通用有机高分子材料继续进行改进和推广，使性能不断提高，应用范围不断扩大。例如，近年来，研制出具有优良导电性能的导电塑料，并在电子计算机外壳、罩、传输带等方面得到应用，成为最年轻、最有发展前途的新型导电和电磁屏蔽材料。另一

10、方面，与人类自身密切相关、具有特殊功能的材料的研究也在不断加强，并取得了一定的进展。如仿生高分子材料、高分子智能材料等。应用于宇航、建筑、机器人、仿生和医药等领域。第六节 复合材料一、复合材料1什么是复合材料一般说法：由2种或2种以上不同材料组合在一起而形成的新材料。土坯、张飞的丈八长矛、蒙古弓、混凝土木材、人体骨骼、竹子2 复合材料的特征至少包括2种以上的独立化学相（组元）是按性能要求人为设计和制造的（有别于一般天然材料）具有各单一组元所没有的综合优良性能（有别于一般混合物）3 发展简史从古至今沿用的稻草增强粘土和已使用上百年的钢筋混凝土均由两种材料复合而成。20世纪40年代，因航空工业的需

11、要，发展了玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢），从此出现了复合材料这一名称。50年代以后，陆续发展了碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维。70年代出现了芳纶纤维和碳化硅纤维。这些高强度、高模量纤维能与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合，构成各具特色的复合材料。4 复合材料举例玻璃钢（印刷电路板），轮胎（纤维增强橡胶）雷达罩（玻璃纤维增强树脂）火箭鼻锥（碳纤维/树脂）（碳/碳复合材料）人造卫星天线（碳纤维/镁合金）航天飞机框架（硼纤维/铝合金）网球拍、羽毛球拍、高尔夫球杆、钓鱼杆、雪橇 休闲汽车活塞、连杆、自行车飞轮等 民用工业二、复合材料的分类复合材料的组成

12、基体(Matrix):含量较大，连续分布的组成相增强相(Reinforcement Elements):含量较小，分散分布，一般起增强作用 1 按基体的性质分金属基复合材料（Metal Matrix Composite Materials, MMCs)树脂基复合材料(Polymer Matrix Composites,PMCs)陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composites,CMCs)2 按增强相的形状分纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Composites, FRCs)玻璃钢、碳纤维增强复合材料、树脂基复合材料层压复合材料(Laminated Compo

13、sites, Laminates)太空棉,铝塑薄膜颗粒增强复合材料(Particulate Reinforced Composites, PRCs)3 按制造方法分人造或合成复合材料(Synthetic Composites)自生复合材料（原位复合材料）(in situ Composites)4 按用途分结构复合材料(Structrual Composites)功能复合材料(Functional Composites)应用举例 在医学方面，用玻璃钢代替钢制假肢在英国已有应用，玻璃钢假肢比钢制品轻 2/3，制造费用减少了1/4。此外，聚合物基复合材料作为颅骨缺损修补材料已在临床应用。有机玻璃和陶

14、瓷制造牙齿、碳纤维增强有机玻璃制造齿龈等都比原来的材料要好。玻璃纤维增强的聚合物基复合材料主要用于中小型船艇的船体，如渔船、游艇、汽艇、扫雷艇、巡逻艇等。如日本70 %的渔船采用玻璃钢制造，美国海军部在1960年代就规定，长度在 16 米以下的舰船全部采用玻璃钢制造。美国用玻璃钢管代替 2000多米钢管输送苛性钾生产中的残液，质量减轻60 %，成本降低 1/3，寿命由原来的6-9个月提高到 2-5 年。三、先进复合材料 高强度,高模量,耐高温,低密度第七节 纳米材料 一.概念及其发展 1.概念:目前，普遍接受的定义为基本单元的颗粒或晶粒尺寸至少在一维上小于100nm，且必须具有与常规材料截然不

15、同的光、电、热、化学或力学性能的一类材料体系。2.纳米材料的发展 :第一阶段:(1990年以前)实验室探索,第二阶段:(1990-1994年)挖掘特性,第三阶段:(1994年以后)研究应用纳米材料的研究最初源于十九世纪六十年代对胶体微粒的研究，二十世纪六十年代后，研究人员通过对金属纳米微粒的制备和研究来探索纳米体系的奥秘。1984年，德国萨尔布吕肯的格莱特(Gleiter)教授把粒径为6nm的金属铁粉原位加压制成世界上第一块纳米材料，开创纳米材料学之先河。1990年7月，在美国巴尔的摩召开了第一届国际纳米科学技术学术会议(Nano-ST)，标志着纳米材料学作为一个相对独立学科的诞生。目前我国纳

16、米技术的应用成了热门。据2001年6月的一项调查，国内已有323家纳米企业，其中，以“纳米”字样注册的企业57家，三十多条纳米材料的生产线，社会投入资金约30亿元。产业化效果还不太理想：这是由于许多纳米技术项目研发时间仅有一年左右，属启动阶段。科研院所的纳米科技论文水平很高，潜心于后续的应用开发和技术支持显得力不从心。而大部分企业属于生产型，缺乏持续创新和应用开发能力，只能接受非常成熟的技术。二者接口的差异，导致纳米技术成果不能顺利转化。虽然国内已建立了几十条纳米材料和技术的生产线，但产品主要集中在制备纳米粉体方面。市场上很多“纳米商品”还不是真正意义上的“纳米产品”，急需国家制定一个指导性的

17、纳米技术准入标准。由于纳米材料特殊的性能，将纳米科技和纳米材料应用到工业生产的各个领域都能带来产品性能上的改变或较大的提高。二、纳米材料特性 1.奇特的物性2.扩散及烧结性能3.力学性能4.超塑性纳米隐身材料：吸收雷达电磁波 99%三、几种典型的纳米材料纳米颗粒型材料 也称纳米粉末，一般指粒度在100nm以下的粉末或颗粒。由于尺寸小，比表面大和量子尺寸效应等原因，它具有不同于常规固体的新特性。用途：高密度磁记录材料、吸波隐身材料、磁流体材料、防辐射材料、单晶硅和精密光学器件抛光材料、微芯片导热基与布线材料、微电子封装材料、光电子材料、电池电极材料、太阳能电池材料、高效催化剂、高效助燃剂、敏感元

18、件、高韧性陶瓷材料、人体修复材料和抗癌制剂等。纳米固体材料 通常指由尺寸小于15纳米的超微颗粒在高压力下压制成型，或再经一定热处理工序后所生成的致密型固体材料。纳米膜材料 纳米薄膜是指尺寸在纳米量级的晶粒（或颗粒）构成的薄膜以及每层厚度在纳米量级的单层或多层膜。纳米磁性液体材料 磁性液体是由超细微粒包覆一层长键的有机表面活性剂，高度弥散于一定基液中，而构成稳定的具有磁性的液体。它可以在外磁场作用下整体地运动，因此具有其它液体所没有的磁控特性。碳纳米管 碳纳米管，是1991年由日本电镜学家饭岛教授通过高分辨电镜发现的，属碳材料家族中的新成员，为黑色粉末状，是由类似石墨的碳原子六边形网格所组成的管

19、状物，它一般为多层，直径为几纳米至几十纳米，长度可达数微米甚至数毫米。碳纳米管本身有非常完美的结构，意味着它有好的性能。它在一维方向上的强度可以超过钢丝强度，它还有其他材料所不具备的性能：非常好的导电性能、导热性能和电性能。碳纳米管尺寸尽管只有头发丝的十万分之一，但它的导电率是铜的1万倍，它的强度是钢的100倍而重量只有钢的七分之一。它像金刚石那样硬，却有柔韧性，可以拉伸。它的熔点是已知材料中最高的。在电子方面，利用碳纳米管奇异的电学性能，可将其应用于超级电容器、场发射平板显示器、晶体管集成电路等领域。在材料方面，可将其应用于金属、水泥、塑料、纤维等诸多复合材料领域。它是迄今为止最好的贮氢材料

20、，并可作为多类反应的催化剂的优良载体。在军事方面，可利用它对波的吸收、折射率高的特点，作为隐身材料广泛应用于隐形飞机和超音速飞机。在航天领域，利用其良好的热学性能，添加到火箭的固体燃料中，从而使燃烧效率更高。如果用碳纳米管做绳索，是唯一可以从月球挂到地球表面，而不被自身重量所拉断的绳索。如果用它做成地球-月球乘人的电梯，人们在月球定居就很容易了。纳米碳管的细尖极易发射电子。用于做电子枪，可做成几厘米厚的壁挂式电视屏，这是电视制造业的发展方向。然而，碳纳米管作为一种新型材料被发现至今已有十年，却尚未得到工业应用。超高的成本使国际市场90高纯度的碳纳米管价格高达10002000美元克，一般纯度的碳

21、纳米管价格也在60美元克，远远高出黄金的价格。我国清华南风纳米粉体产业化工程中心，一直致力于碳纳米管在工业化生产上的科技攻关，是目前世界上已知生产规模最大的碳纳米管生产基地。 四、纳米材料的应用 著名的诺贝尔奖获得者Feyneman在60年代就预言：如果对物体微小规模上的排列加以某种控制的话，物体就能得到大量的异乎寻常的特性。 在陶瓷领域的应用 希望以纳米技术来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。如能解决单相纳米陶瓷的烧结过程中抑制晶粒长大的技术问题，则它将具有高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等优点。 在微电子学上的应用 纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的工艺手

22、段，按照全新的理念来构造电子系统，并开发物质潜在的储存和处理信息的能力，实现信息采集和处理能力的革命性突破，纳米电子学将成为下世纪信息时代的核心。在生物工程上的应用 该生物材料具有特异的热、光、化学物理特性和很好的稳定性，并且，其奇特的光学循环特性可用于储存信息，从而起到代替当今计算机信息处理和信息存储的作用，它将使单位体积物质的储存和信息处理能力提高上百万倍。 在光电领域的应用 将纳米技术用于现有雷达信息处理上，可使其能力提高10倍至几百倍，甚至可以将超高分辨率纳米孔径雷达放到卫星上进行高精度的对地侦察。在化工领域的应用 将纳米TiO2粉体按一定比例加入到化妆品中，则可以有效地遮蔽紫外线。将

23、金属纳米粒子掺杂到化纤制品或纸张中，可以大大降低静电作用。研究人员还发现，可以利用纳米碳管其独特的孔状结构，大的比表面（每克纳米碳管的表面积高达几百平方米）、较高的机械强度做成纳米反应器，该反应器能够使化学反应局限于一个很小的范围内进行。 在医学上的应用 科研人员已成功利用纳米微粒进行了细胞分离，用金的纳米粒子进行定位病变治疗，以减少副作用等。利用纳米颗粒作为载体的病毒诱导物已经取得了突破性进展，现在已用于临床动物实验。 在分子组装方面的应用 如何合成具有特定尺寸，并且粒度均匀分布无团聚的纳米材料，一直是科研工作者努力解决的问题。目前，纳米技术深入到了对单原子的操纵，通过利用软化学与主客体模板

24、化学，超分子化学相结合的技术，正在成为组装与剪裁，实现分子手术的主要手段。 钱学森院士曾预言：纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的特点，会是一次技术革命，从而将是21世纪的又一次产业革命。 第八节 智能材料 智能材料是把光纤.传感器甚或微电脑嵌入某些结构材料中,使其具有”神经”或”大脑”的功能.形状记忆合金、感温磁钢形状记忆合金金属苏醒，奇妙特性；魔花开放，出现奇迹；种类渐多，大显身手感温磁钢第九节 两种功能材料一、能源材料 1.换能材料 :光电材料,热电材料,压电材料2.贮能材料:吸氢合金 3.输能材料:超导材料 二、信 息 材 料 1.半导体材料 2.信息传递材料3.信息记录和贮

25、存材料第十节 国内外开发的新材料及发展趋势一、国内外开发的新材料金属玻璃,先进陶瓷,光导纤维,复合材料,超导材料,人造金刚石,环保材料二、新材料未来的发展趋势微观化,环保化,智能化,复合化,高功能化,高性能化第四章 能源科学技术第一节 能源一、能源的概念 能源是指能够提供某种形式能量的资源。它包括提供某种形式能量的物质资源和提供某种能量的物质运动形式。二.能源的发展火和自然动力;化石燃料;电能的使用;新兴能源的开发.能源研究发展趋势:改进耗能技术,提高能源效率;开发新兴能源(清洁,可再生);分散研究到综合研究三、能源的分类世界上能源种类很多，分类方法也不少。可以按不同的目的和开发利用要求，进行

26、多种方式的分类。 1按能源的生成方式，可以分为一次能源和二次能源。 2按能源的形成和再生性，可以分为可再生能源和非再生能源。 3按能源的来源，可以分为来自地球外部天体的能源，来自地球内部的能源及来自地球和其它天体相互作用而产生的能量。4按能源的储存状况，可以分为含能体能源和过程性能源。 5按能源的利用状况，可以分为常规能源和新能源。四、能源与环境 使用最多的能源是化石燃料.“温室效应”“煤烟型”污染:硫的氧化物和颗粒粉尘节约能源的必要性:技术原因(新能源技术不成熟,不能广泛使用);能够减轻污染五、能源科学技术 能源科学技术是研究各种能源的开发、生产、转换、传输、分配、贮存、节能以及综合利用等方

27、面的理论和技术。第二节 太阳能及其利用 一、太阳和太阳能地球上除地热能.核能外其它能源都来源于太阳能.优点是普遍,无害,长久,巨大.缺点是不稳定,不集中,不易保存二、太阳能的光热转换太阳能的光热转换是将太阳的辐射能直接转换为热能，实现这个目的器件叫集热器。三、太阳能光电转换 太阳能的光电转换是把太阳的辐射能转化成电能的过程，通常叫做“光生伏打效应”。四、太阳能光化学转换 太阳能的光化学转换是将太阳的辐射能转化为化学能，实现这个目的主要有两种方法：植物的光合作用和分解水制氢。第三节 原子核能及其利用 来自原子核内部的能量，我们就叫原子核能俗称核能。能是原子核结构发生变化时放出的能量。一般指重原子

28、核发生裂变和轻原子核发生聚变时所放出的巨大能量。一、重核的裂变 1 重核裂变 2 链式反应 3 临界质量4 重核裂变的应用(1)原子弹 1945年7月16日第一颗原子弹试爆成功1964年10月16日我国原子弹试爆成功(2)核电站主要组成部分:堆芯;中子反射层;冷却系统;控制系统;保护层.1979年三里岛事故、1986年切尔诺贝利事故二、轻核的聚变 两个或两个以上的较轻原子核,在超高温等特定条件下聚合成一个较重的原子核并释放出巨大的能量.又叫热核反应.各国从原子弹爆炸到氢弹实验所用时间法国：8年 美国：7年 苏联：10年 中国：2年8个月1964年10月16日中国爆炸了第一颗原子弹. 1967年

29、6月17日，在我国西部地区成功地爆炸了第一颗氢弹。第四节 氢能 点火温度低可发电或动力燃料一、氢的特点:轻;多;高;清洁能源; 二、氢的制备:硫化氢制氢;太阳能制氢三、氢的贮存:液氢;吸氢合金 四、氢能的利用 :宇航器;化石燃料替代品第五节 地热能及其利用一、地热能:地球内部所蕴藏的热能.地下蒸汽(干蒸汽,湿蒸汽);热水层;热岩层二、地热的利用:发电;供暖;养殖;工业补水等.第六节 风能、水流能及其利用 一、风车风能是地球表面大量空气运动产生的动能。是一种可再生能源。二、风力发电三、水力发电原理第七节 新发电方式 一.磁流体发电热能直接转换成电能.原理是用高温导电流体高速通过磁场切割磁力线,二

30、、燃料电池化学能直接转变成电能 第八节 生物质能及其利用 一、植物的光合作用 二、沼气 三、生物质转化为液体燃料四、能源植物第九节 节能是指提高能源效率与煤炭;油气;水力;核能并举以解决能源的根本途径,又称第五能源 重要性:减轻能源和环境压力有关法律1996年 煤炭法1996年 矿产资源法1998年 节约能源法2003年 清洁生产促进法2005年 可再生能源法第五章 信息科学技术 第一节 概述一、信息 信息含义的争论信息是信息论中的一个术语.常常把消息中有意义的内容称为信息.信息是确定性的增加。信息是事物现象及其属性标识的集合信息定义比较经典的，粗看，有三个关键的重要时段，第一就是仙农和维纳，1948年，信息论、控制论创始时的，虽然，不完全，但有很大进展的，革命化的原始定义。第二是钟义信的定义，阶段性的突破。期间“信息是被反映的物质属性”算是经典。第三是逆香农、逆维纳信息定义：即现代、时代的新定义信息是确定性的增加。即肯定性的确认。信息就是信息，信息是物质、能量、信息及其属性的标示。信息是事物属性标识借用一下维纳当初原创定义的变形、变换叙述，做个小结“信息就是信息，它既不是物质也不是能量。它是物质、能量、信息及其属性的标示。不承认这一点的唯物主义就不能够存在于现时代。”信息的特征 人类信息活动的五次变革