《高分子材料概论》PPT课件.ppt
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1、高分子材料概论EngineeringScience绪 论材料的定义与分类材料的地位和作用材料科学与工程的形成和发展材料的定义材料是人类用于制造机器、构件和产品的物质,是人类赖以生存和发展的物质基础。新材料的定义新材料,主要是指那些正在发展,且具有优异 性能和应用前景的一类材料。为了规范新材料的含义,一般把具备以下三个条件之一的材料称为新材料。新出现或正在发展中的具有传统材料所不具备的优良性能的材料。如:新材料的定义高技术发展需要,具有特殊性能的材料。形状记忆合金飞船网状自展天线卫星的太阳能电池板自动打开新材料的定义由于采用新技术(工艺、装备)明显提高了性能,或者出现了新的功能的材料。如:超级钢
2、、纳米材料等。碳纳米管,抗拉强度为钢40倍材料的分类分类一:按组成与结构划分无机非金属材料金属材料高分子材料复合材料材料材料航空航天材料能源材料生物医用材料材料的分类分类二:按用途分电子信息材料材料的分类材料结构材料功能材料分类三:按性能分隐身战斗机材料的分类分类三:按性能分功能材料热散射雷达能量散射吸收隐形战机雷达发射能量雷达隐形飞机的原理吸波材料功能材料材料的分类分类三:按性能分LED集成电路芯片单晶硅形状记忆材料材料传统材料新材料材料的分类分类四:按应用与发展分普通钢管纳米铜超导电缆能源材料信息新技术革命新材料信息技术 生物技术材料的地位和作用当代文明材料是人类社会发展的基础和先导,是人
3、类社会进步的里程碑和划时代的标志。材料是人类社会进步的里程碑材料是经济和社会发展的基础和先导新材料技术是工业革命和产业发展的先导新材料技术是社会现代化的先导新材料技术是一切工业发展的关键共性基础材料在人类社会发展进程中的地位和作用材料是人类社会进步的里程碑人类使用不同材料的开始时间100 万年前公元前 5000 年公元前 1200 年公元 0 年公元 1800 年公元 1950 年20 世纪初21 世纪石器陶器青铜铁器水泥钢硅高分子材料先进复合材料金 铜 青铜金属铁 玻璃态金属铸铁铝锂合金钢高分子 双相钢合金钢微合金钢木材 新型耐热合金轻合金皮革皮胶纤维 耐热合金导电聚合物复合材料钛合金 高温
4、聚合物稻草 砖 纸 橡胶锆合金高模量聚合物胶木 陶瓷基复合石头金属基复合火石 尼龙 环氧树脂芳纶增强陶器有机玻璃 塑料玻璃碳纤维增强先进功能水泥塑料陶瓷耐火材料 韧性工程陶瓷熔融石膏 金属陶瓷 耐高温陶瓷 陶瓷公元前50000材料是人类社会进步的里程碑100002020工程材料历史随时间推移的相对重要性示意图(时间是非线形的)材料是人类社会进步的里程碑人类利用材料的历史,就是一部人类进化和进步的历史。纵观人类利用材料的历史,可以清楚地看到,每一种重要新材料的发现和应用,都把人类支配自然的能力提高到一个新的水平。材料科学技术的每一次重大突破都会引起生产技术的重大变革,甚至引起一次世界性的技术革命
5、,大大地加速社会发展的进程,给社会生产力和人类生活带来巨大变革,把人类物质文明推向前进。材料是人类社会进步的里程碑1763发电机蒸气机18201946,美国计算机新材料是经济和社会发展的基础和先导新材料技术是工业革命和产业发展的先导新材料技术是社会现代化的先导新材料技术是一切工业发展的关键共性基础两次工业革命都是以新材料的发明和广泛应用为先导第一次工业革命(18世纪):制钢工业的发展为蒸汽机的发明和应用奠定了物质基础。第二次工业革命(20世纪中叶以来):单晶硅材料对电子技术的发明和应用起了核心作用。新材料技术是工业革命和产业发展的先导02864新材料技术是工业革命和产业发展的先导1016001
6、700180019002000年份材料强度密度比在不同年代里的进展(由图中可以看出,现代先进材料的强度已比原始材料提高了约50倍)铝木材石料 青铜铸铁钢芳香族酰胺纤维碳纤维复合材料强度/密度(ln10 6)发动机工作温度()120010008006004002000新材料技术是工业革命和产业发展的先导1400190019201940196019802000年份在本世纪内由于采用了现代材料使发动机工作温度急剧上升,因而发动机的理论效率大大提高。现代涡轮喷气发动机蒸汽机30年代气冷式航空发动机燃料消耗公斤/马力小时新材料技术是工业革命和产业发展的先导燃油消耗与工作温度的关系0.40.3024681
7、012141618压缩比8161093137116490.20.102.5倍747-400MD11的发展航Comet990座mile/Usgal年份航空材料的发展与飞机的燃放196519551970196019901975 19801995 20001985201950新材料技术是工业革命和产业发展的先导120110100908070605040301093164953819270C新材料技术是工业革命和产业发展的先导一次大战水冷式1490C30年代空冷式3150C风扇喷气发动机6490C蜗轮喷气发动机10930C超音速燃烧冲压式喷气发动机温度(0C)发动机工作温度工作温度/新材料技术是工业革
8、命和产业发展的先导陶瓷碳/碳复合材料陶瓷基复合材料金属基金属间化合物及其复合材料220416491093537复合材料传统材料(钛合金和高温合金)100比强度/MPa(gcm-3)-1不同材料的比强度和工作温度的比较1412比强度810640201234铝不锈钢先进碳碳材料高温合金新材料技术是工业革命和产业发展的先导树脂基复合材料钛基复合材料铝基复合材料钛马赫数不同材料的比强度与之对应的马赫数使用温度/新材料技术是工业革命和产业发展的先导高温MMC纤维增韧聚合物(高温)C/CCMC金属/超耐热合金低温MMC纤维增韧12277272271727聚合物1960 1970 1980 1990 200
9、0 2010 2020年代在先进发动机上各类高温复合材料的应用年代预测应用材料镍基合金镍基合金镍基合金镍基合金镍基合金镍基合金Ti-MMCNiAl-IMMCNiAl-IMMC,CMCCMCCMCTi-MMC,CMC发动机部件风扇高压压气机燃烧室低压涡轮高压涡轮喷管风扇高压压气机燃烧室低压涡轮高压涡轮喷管年代1989水平2010年水平(高温)新材料技术是工业革命和产业发展的先导民航飞机发动机用先进材料的发展碳-碳材料的表面温度()1950 196019701980 1990 2000 2010202013001100900纤维增强超级合金新材料技术是工业革命和产业发展的先导17001500在发动
10、机上应用的年份叶片材料的发展历程温度(0C)不同类型的飞行器蒙皮温度新材料技术是工业革命和产业发展的先导30年代教练机二次大战战斗机80年代截击机航天飞机东方快车号10931649538490C93.30C4270C10930C16490C飞行速度100101102103104105减轻结构所得经济效益(相对值)飞行器减重1Kg所获得的经济效益与飞行速度的关系新材料技术是工业革命和产业发展的先导航天飞机同步轨道卫星近地对道卫星超音速飞机垂直起降机战斗机波音707民航客机运输机直升机小型民用飞机2197飞船返回舱舱体温度情况11001100120018001001200410950400新材料技
11、术是工业革命和产业发展的先导金属玻璃纤维 KavlarC/C复合材料导弹射程新材料技术是工业革命和产业发展的先导火箭壳体材料与导弹射程+595+390+175Km我国长征火箭由铝合金(744Kg)换成复合材料343Kg,射程增加1476km。陶瓷高速钢lg切削速度(m/min.)175018001850190019502000年份新材料技术是工业革命和产业发展的先导各种切削刀具材料的切削速度的发展趋势32.82.62.42.221.81.61.41.21产生磁场/T液氢料制体燃发动机列车磁分离装置小型中容量永磁飞轮发动机电流引线悬浮轴承研究用 马达磁体 品液小容量永磁飞轮磁屏蔽19962000
12、200505432制品1 搬运装置高温超导块材的应用领域的扩大与其产生磁场的关系新材料技术是工业革命和产业发展的先导6悬浮新材料技术是社会现代化的先导21世纪重点发展的高技术领域的进展与趋势21世纪重点发展的高技术领域的材料选择新材料技术是高技术发展的基础探质索探索宇宙本物命生术技学科料材新质结索学技术探构生物科科学技术空间空间海洋科技学探索海洋奥秘术高技术体系示意图21世纪重点发展的高技术领域的进展与趋势实现人类可持续发展新能源与再生能源信息科学技术人探索智力环境科学技术探求人类与环境和谐共存方式21世纪重点发展的高技术领域的进展与趋势信息科学技术正在发生结构性变革,仍然是经济持续增长的主导
13、力量通信网络技术为信息产业注入强大活力宽带通信已成为国际上应用最广的通信技术半导体技术进入纳米时代计算机智能技术日新月异通信网络技术纳米半导体宽带通信技术21世纪重点发展的高技术领域的进展与趋势生物技术正经历着一场前所未有的技术革命,一个庞大的生物产业正在孕育和形成基因组学、蛋白质科学、干细胞及再生医学的研究成为生命科学的前沿与热点干细胞及再生医学的研究及应用为人类健康开辟了新道路生物芯片在医疗和科研领域发挥巨大作用转基因技术及应用呈现出高速发展的态势干细胞生物芯片转基因食品21世纪重点发展的高技术领域的进展与趋势航天技术快速发展,不断开辟人类探索的新空间太空探索带动太空探索技术加速发展研制多
14、种用途的人货分离的新一代航天飞行器成未来趋势小卫星技术日趋成熟并将广泛应用太空攻防技术成为未来航天技术发展的重要领域杨利伟在太空空中行走小卫星21世纪重点发展的高技术领域的进展与趋势能源技术将变革未来社会的动力基础,促进人类实现可持续发展煤炭的高效清洁利用成为化石能源技术研发热点核能技术酝酿新的突破氢能技术研发和商业应用加速新能源和可再生能源技术展现良好前景天然气水合物的开发受到重视用能技术发展前景广阔核电站可燃冰燃料电池车21世纪重点发展的高技术领域的进展与趋势先进制造技术向绿色制造、高技术化、信息化、极端制造方向发展,成为提升产业竞争力的关键技术光机电一体化技术微电子光刻技术重大装备制造技
15、术数控机床光刻机新材料技术出现群体性突破,将对21世纪基础科学和几乎所有工业领域产生革命性影响纳米技术是前沿技术中最具前瞻性和带动性的领域之一光电子材料、光子材料将成为发展最快和最有前途的电子信息材料。新型功能材料(超导材料、智能材料、生物医用材料)及其应用技术面临新的突破新型结构材料(高温合金、难熔金属、金属间化合物、金属基复合材料、高分子材料、钛合金、镁合金)发展前景乐观21世纪重点发展的高技术领域的进展与趋势信息科学技术新能源科学技术生物科学技术空间科学技术生态环境科学技术信息材料新能源材料生物医用材料空间技术用材料生态环境材料用高技术改造、更新现有材料,发展材料科学技术21世纪重点发展
16、的高技术领域的材料选择M108106105小新材料技术是高技术发展的基础1071041031021011(b)1960 1970 1980MOS存储器双极存储器 (a)MOS逻辑器双极逻辑二 维SSI MSI LSI VLSI年份三 维界面最103102 特征101 长度1 ()1990每个芯片上的元件数2007年每片集成电路芯片上元件的数量已达 109个,而最小特征尺寸已减小到0.07um以下。信息科学技术信息材料(mm)相极大(10-7)2对0.2(美分)8值线宽(,M)0.35新材料技术是高技术发展的基础晶片直径电子管 1948 1958 半导体器件102晶体管 集成电路 大规模(103
17、-105)100超大规模(106-107)10-2芯片价格10-4 0.005器件尺寸1.210-60.510-810-101940 1950 1960 1970 1980 1990年 代300250200150100502000信息科学技术信息材料目前集成电路的特征尺寸达0.07um以下,晶片直径达到450mm。1021106104108同轴电缆一对12路电话线第一条电话同轴电缆与微波系统通讯卫星光导纤维1890 1910 1930 1950 1970 1990 2010 2030 2050年份不同通讯方式的相对信息量相对信息量新材料技术是高技术发展的基础信息科学技术信息材料新材料技术是高技
18、术发展的基础信息科学技术信息材料硅技术纳米器件分子器件19401960198020002020年代宏观mm微观um纳米nm纳米发动机组装纳米汽车光导纤维发展历程年代第一代波长()0.85模数多模光纤损耗 中继距离(db/km)(km)2-5 8-10应用年代1978材料SiO2第二代1.3多模110-201982第三代第四代第五代1.31.551.552.5单模单模单模单模0.4 20-400.2 800.01-0.001 可达 400310-4 25001983正在应用21 世纪SiO2+Ga,P多组分玻璃多组分玻璃+Er氟化玻璃新材料技术是高技术发展的基础信息科学技术信息材料参数年份199
19、719992002200520082011IC工艺/nm2501801301007050颗粒大小/nm1259065503525-2颗粒密度/cm0.140.0880.0550.0380.0230.014新材料技术是高技术发展的基础信息科学技术信息材料硅片表面颗粒度指标用于传感器的无机非金属敏感材料探测性能氧含量湿度酸度压力温度电压PTC 热敏电阻化学光学原理体离子导电表面离子导电表面化学反应压电热电晶界面隧道晶界面相变表面电子导电光电阻材料Zr1-CaO2-MgCr2O4TiO2IrO2-PbZr1-TiO3PbZr1-TiO3ZnOBi2O3Ba1-CeTiO3ZnOCuOCdS信息科学技
20、术信息材料新型二次电池2522443212407916971201811891603453772.11.351.701.52.14.1PbO2NiOOHNiOOHNiOOHSLiCoO2PbCdZnMHNaLiC6铅酸电池镍镉电池锌镍电池镍氢电池硫钠电池锂电池比能量/AhKg-1比容量/AhKg-1电压/V电性能(理论值)正极物质电池系列 负极物质新能源科学技术-新能源材料典型的二次电池体系锂电池的应用固体氧化物碱性磷酸熔融碳酸盐质子交换膜新能源科学技术-新能源材料 燃料电池生物医用材料生物陶瓷氧化铝、氧化锆、磷酸钙、碳素医用高分子医用聚乙烯、聚氨酯、聚硅氧烷生物衍生材料猪心瓣膜、再生胶原、壳
21、聚糖、凝胶医用复合材料羟基磷石灰增强聚乙烯碳纤维增强聚乳酸生物科学技术-生物医用材料医用金属及合金医用不锈钢医用钴基合金医用钛及钛合金新材料技术是高技术发展的基础生物科学技术-生物医用材料新材料技术是高技术发展的基础空间科学技术-空间技术用材料比常规铝合金减轻结构材料质量比常规铝合金减轻结构材料质量使液氢和液氧贮箱比比常规铝合金减轻结构材料质量抗拉强度比电铸镍提高满足泵壳体及涡轮壳体成形要求分别与Incoloy903和Mar-M246相当满足液氢泵诱导轮成形要求减轻发动机机架结构质量比镍基高温合金涡轮盘减轻结构质量性能分别与BHC-25、BHC-16相当性能分别与BHJI-1、BHJI-6相当
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