材料科學與工程專業(yè)概論(參考版)
2024-12-10 21:00本頁面
【正文】 。例如，廢棄的普通塑料越來越多，并因其耐久性而長久 存留自然界已經(jīng)成為公害。它是一種資源和能源 消耗少、再生循環(huán)利用率高，或可降解使用的具有優(yōu)異適用性能的新型材料。 某些仿生材料以生物體合成的蛋白質(zhì)為基礎(chǔ)，用它取代以礦石為原料的金屬材 料和以石油為原料的工程塑料高分子材料，既能解決資源能源枯竭問題，又 對環(huán)境沒有任何危害，從而開創(chuàng)材料科學技術(shù)的新紀元。例如，人們 對蜘蛛絲的研究發(fā)現(xiàn)，蛛絲比鋼絲更硬更富有彈性，具有很強緩沖外力沖擊能 力，而且低溫性能良好，是制造防彈服裝和降落傘的理想材料，于是人們得到啟 示，通過把水溶性 的蛋白質(zhì)分子紡織成既堅韌又不溶解的人造蛛絲，用來制作 軍用品。 料的思路和途徑，并在某些材料的設(shè)計和制造中加以模仿。例如，在超高溫、超高壓條件下用石墨可合成 金剛石，在超高真空中、制備新型的半導(dǎo)體器件和高度集成的芯片。材料的復(fù)合 化是改進和提高材料性能的一條很好途徑，是當前新材料研究的重要發(fā)展方向。把不同種類和不同性能的材料通過一定的途徑和技術(shù)復(fù)合 為一體，揚長避短， 取長補短，可獲得比單一材料性能更好或具有某種特殊性能 的復(fù)合體材料。將微型分子傳感器植入材料和分子結(jié)構(gòu)中，用這些建造的 構(gòu)件和建筑物可進行自動監(jiān)控，如果超負荷或者老化可發(fā)出警報。在重要工程和尖端技術(shù) 領(lǐng)域具 有重大的應(yīng)用前景。如形狀記憶 合金，壓電陶瓷，光導(dǎo)纖維，磁致伸縮材料等。功能材料也在由單一功能向多種功能開 發(fā)方向發(fā)展，并把功能材料與元器件結(jié)合起來，實現(xiàn)一體化，即材料本身就具 有元器件的功能，這樣就促進了元器件的小型化和多功能化。結(jié)構(gòu)材料在向 強度、剛度、韌性、耐高溫、耐腐蝕、高彈、高阻尼大幅度提高的 方向發(fā)展。例如：金屬陶瓷、高溫無機涂層，以及用無機纖維、 晶須 等增強的材料。例如：光敏材料的光 電、熱敏材料的熱－電、壓電材料的力－電、氣敏材料的氣體 電、濕敏材料的濕度 電等材料對物理和化學參數(shù)間的功能轉(zhuǎn)換特性。例如：高溫氧化物等的高溫抗氧化特性；氧化鋁、氧化鈹陶瓷 的高頻絕緣特性；鐵氧體的磁學性質(zhì)；光導(dǎo)纖維的光傳輸性質(zhì)； 金剛石 、立方氮化硼的超硬性質(zhì)；導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性質(zhì)；快硬早強水泥的快凝、快硬性質(zhì)等。與高分子材料相比，密度較大，制造工藝較復(fù)雜。此外，水泥在膠凝性能上，玻璃在光學性能上，陶瓷在耐蝕、 介電性能 上，耐火材料在防熱隔熱性能上都有其優(yōu)異的特性，為金屬材料和高分子材料所不及。這種化學鍵所特有的高鍵能、高鍵強賦予這一大類 無機非金屬材料 材料以高熔點、高硬度、耐腐蝕、耐磨損、高強度和良好的抗氧化性等基本屬性 ,以及寬廣的導(dǎo)電性、隔熱性、透光性及良好的鐵電性、鐵磁性和壓電性。 在晶體結(jié)構(gòu)上 ,無機非金屬的構(gòu)遠比金屬復(fù)雜，并且沒有自由的電子。傳統(tǒng)陶瓷多以天然硅酸鹽礦物為主要原料，經(jīng)粉碎、成型和燒結(jié)制成，主要用作日用陶瓷、建筑陶瓷和衛(wèi)生陶瓷。按照性能和用途，陶瓷可分 為傳統(tǒng)陶瓷和特種陶瓷，后者隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，又更準確地給予了其他更多的命名。 2） 成分結(jié)構(gòu) 陶瓷結(jié)構(gòu)一般具有多晶多相的特征（含有玻璃相和氣相）。無機非金屬材料的提法是 20 世紀 40 年代以后，隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展從傳統(tǒng)的硅酸鹽材料演變而來的。 七、無機非金屬材料 1） 定義 無機非 金屬材料 是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、鹵素化合物、硼化物以及硅酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽等物質(zhì)組成的材料。 ? 材料表面技術(shù)發(fā)展 以化學熱處理為例，采用微機配以先進的傳感元件進行碳、氮勢控制；運用可控氣氛實現(xiàn)少無氧化加熱等。例如：高硬度、高耐磨性、耐蝕、抗疲勞（接觸、高周、腐蝕疲勞等）特殊的物理和化學性能（反光、吸收電磁波、發(fā)光、電導(dǎo)、電絕緣性能和生物相容性涂層等）。感應(yīng)加熱淬火 +噴丸等。例如：熱浸鍍鋁 +熱擴散 ,使鍍層結(jié)合牢固 。將兩種或兩種以上的表面處理 (或強化 )工藝用于同一工件的表面強化的方法稱為表面復(fù)合處理。 Laser 被美國和過俄羅斯首先用于工業(yè)處理上 ,我國上海光機所于 90 年代曾用于齒輪的齒面淬火。能量密度：以電子束和激光束提供的能量密度最高，可達到： 3 108~109W/cm2。特點是：方法簡單、時間短、變形小、高效率等，但設(shè)備復(fù)雜，造價高。 f 高能量密度表面強化。它分為 ：表面鍍膜，化成處理和表面覆襯。 d 表面覆層強化及裝飾。表面冷塑性變形強化的方法有：表面滾壓、內(nèi)孔擠壓和表層噴丸強化。在金屬材料的再結(jié)晶溫度之下，使其表層發(fā)生冷塑性變形后達到表層加工硬化，彌補其表面輕微脫碳和細小缺陷并形成表層殘余壓應(yīng)力的強化方法稱為表面冷塑性變形強化。例如：高頻、中頻和表面感應(yīng)加熱淬火、火焰加熱表面淬火、電子束、激光（ Laser）束加熱表面淬火等。 b 表面淬火。即用滲入原子在材料表層內(nèi)擴散而形成人工內(nèi)污染層，以改變表層的化學成分為先決條件，再進行不同處理后賦與表面和內(nèi)部不同的組織，從而具有不同性能的表面強化方法。 ? 各類表面強化的概況。故研究金屬材料的表面及其相應(yīng)的強化方法有十分重要的意義。 在以上四種失效形式中，磨損、疲勞和腐蝕占 80%以上。 d 腐蝕。有韌性斷裂、脆性斷裂和疲勞斷裂三種類型； c 磨損。 ? 機械零件失效的主要形式： a 塑性變形。國內(nèi)機械行業(yè)曾對 114 個大型企業(yè)耗用材料的統(tǒng)計資料表明：鋼鐵材料占 %；有色金屬占 %；非金屬材料占 %。包括：表面準備、表面冷塑性變性強化、表面覆層強化，高能量密度表面強化 與改性、表面淬火強化，化學熱處理表面強化及表面特殊涂覆處理和表面復(fù)合處理技術(shù)等內(nèi)容。金屬材料表面工程學科是涉及范圍較廣的學科。加上國家對行業(yè)的進一步規(guī)范，以及相關(guān)行業(yè)優(yōu)惠政策的實施， 20222022 年，金屬制品行業(yè)將有巨大的發(fā)展空間。為此，可以采取提高企業(yè)技術(shù)水平，引進先進技術(shù)設(shè)備，培養(yǎng)適用人才等提高中國金屬制品業(yè)的發(fā)展。隨著社會的進步和科技的發(fā)展，金屬制品在工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及人們的生活各個領(lǐng)域的運用越來越廣泛，也給社會創(chuàng)造越來越大的價值。 4)可焊性 ：反映金屬材料在局部快速加熱，使結(jié)合部位迅速熔化或半熔化（需加壓
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