《常用材料介绍》课件

常用材料介绍材料是现代工程与科技发展的基础，本课程将为大家详细介绍各类常用材料的基本知识、特性及应用领域通过系统化的材料基础知识精要概览，我们将深入了解材料如何与现代工程应用密切相关课程内容框架材料分类及特性系统介绍各类材料的基本分类方法及其特性，建立完整的材料认知体系深入解析材料的微观结构与宏观性能之间的关系常见材料详解详细讲解金属、非金属、高分子、复合材料及前沿新材料的组成、特点与制备方法，帮助理解不同材料的优缺点与适用场景工程与生活应用材料的定义与作用材料的科学定义材料的广泛应用材料与科技发展材料是指具备特定性能可制造使用的物材料在工程、建筑、能源、电子、交质，它们经过精心设计和处理，能够满通、医疗等领域有着广泛应用从简单足各种工程与应用需求材料科学研究的日用品到复杂的高科技设备，材料的的是物质的组成、结构、性能及其相互选择和使用直接影响产品的性能和寿关系命材料的基本分类无机非金属材料金属材料包括陶瓷、玻璃、水泥等，通常具有高硬度、高耐温性和良好的绝缘性能具有金属光泽、良好导电导热性、塑性和韧性的材料，包括钢铁、铝、铜等及其合金高分子材料由大分子聚合物构成，包括塑料、橡胶、纤维等，具有质轻、柔韧、绝缘等特点新型材料复合材料由两种或两种以上不同性质材料复合而成，兼具组分材料的优点，性能优于单一材料材料选择的基本原则性能需求根据使用环境和功能要求选择合适的材料性能经济性与可获得性考虑成本效益和供应链稳定性环境适应性及可持续性注重材料的环保性能和生命周期影响金属材料总览优异的力学性能卓越的传导特性广泛的应用领域金属材料普遍具有高强度、高韧性金属普遍具有良好的导电导热性，和良好的可塑性，能够承受较大的铜和铝是电力传输和热交换系统中机械载荷钢材的抗拉强度可达数的关键材料自由电子的存在使金百兆帕，铝合金虽然密度低但比强属能够高效传导电流和热量，这在度很高，这使得金属成为承重结构现代电子设备和能源系统中至关重的首选材料要金属的基本结构金属晶体结构晶界与缺陷金属原子通常以规则的晶体结构实际金属材料中存在大量的晶排列，主要包括体心立方（如界、位错、空位等微观缺陷，这铁、钨）、面心立方（如铝、些缺陷虽然数量微小，却显著影铜）和六方密堆（如镁、钛）三响材料的力学性能通过控制这种基本类型这些不同的晶体结些缺陷，可以实现对金属性能的构决定了金属的基本物理性能精确调控金属强化机制固溶强化、细晶强化、沉淀强化和形变强化是提高金属强度的主要方法这些强化机制通过阻碍位错运动，使金属材料获得更高的强度和硬度，从而满足各种工程应用的需求钢铁材料介绍碳钢合金钢不锈钢碳钢是含碳量在之间的合金钢是在碳钢基础上添加了锰、硅、不锈钢是含铬量大于的铁基合

0.03%-

2.11%

10.5%铁碳合金，按含碳量可分为低碳钢铬、镍、钼等合金元素的钢材不同的金，具有优异的耐腐蚀性按组织结构（）、中碳钢（合金元素赋予钢材特殊性能，如抗腐可分为奥氏体不锈钢（、）、

0.25%C

0.25-304316）和高碳钢（）含蚀、耐磨、高温强度等铁素体不锈钢（）、马氏体不锈钢

0.60%C

0.60%C430碳量增加，强度和硬度提高，但韧性和（）等420常见的合金钢有结构钢、工具钢、弹簧塑性降低低碳钢用于制造薄板、线材；中碳钢用钢等，在机械、汽车、工具制造等领域不锈钢广泛用于食品加工设备、厨具、于制造机械零件；高碳钢用于制造工具应用广泛建筑装饰、医疗器械等领域年2023和模具全球不锈钢产量约为万吨5600钢铁的主要应用90%高层建筑现代高层建筑中钢结构的应用比例，钢材的高强度与良好的韧性使其成为高层建筑的理想骨架材料40%船舶构成现代船舶中钢材的重量占比，特殊船用钢满足海洋环境下的耐腐蚀和强度要求75%桥梁工程大型桥梁中钢结构的应用比例，高强度低合金钢使大跨度桥梁的建造成为可能60%车辆制造汽车车身中钢材的平均用量比例，先进高强钢是汽车轻量化的关键材料铝及铝合金轻质高强铝的密度仅为，约为钢的三分之一，但通过合金化和特殊

2.7g/cm³热处理，某些铝合金的比强度可超过钢材铝合金的这一特性使其成为航空航天和交通运输领域减重的理想材料优良耐腐蚀性铝表面会自然形成一层致密的氧化膜，使其具有优异的耐大气腐蚀性能通过阳极氧化处理，可进一步增强铝的耐腐蚀性和装饰性，延长使用寿命卓越导电性铝的导电率约为铜的，但考虑到重量因素，铝的比导电率实际优61%于铜因此，铝广泛用于输电线路、电子散热器等领域，市场需求持续增长铝的加工与成形熔炼铸造原材料熔化并加入合金元素热加工成形挤压、轧制、锻造等塑性加工热处理强化固溶、时效处理提高性能回收再利用废铝回收率高达85%铝的加工工艺流程通常始于熔炼铸造，将原铝与各种合金元素按比例熔化混合，然后进行热加工成形挤压是最常用的铝型材成形方法，可生产各种复杂截面的长条材；轧制主要用于生产铝板、铝箔；冲压适用于制造复杂形状的薄壁件铝的回收再利用不仅环保，还能节省的能源成本95%铜及铜合金铜的主要特性常用铜合金主要应用领域铜是仅次于银的最佳导电、导热金属，黄铜是铜锌合金，含锌随着电气领域家用电线、电力电缆、变压15-40%电导率高达（国际退火铜标锌含量增加，强度提高但延展性下降器、电机绕组等，全球约的铜用于58MS/m50%准），热导率为这些特常见的黄铜有、、等，广电气设备401W/m·K H59H62H68性使铜成为电气工程和热交换系统的理泛用于阀门、水管接头、装饰件等热交换系统空调、冰箱、热交换器等想材料青铜主要是铜锡合金，具有良好的耐磨热传导组件，利用铜优异的导热性能铜还具有优异的耐腐蚀性、良好的加工性和自润滑性，如锡青铜、铝青铜、硅建筑领域水管、气管、屋顶材料、装性和美观的金属光泽，这使其在建筑装青铜等，主要用于轴承、齿轮、船用螺饰件等，利用铜的耐腐蚀性和美观性饰和艺术领域也有广泛应用旋桨等镁及其合金结构金属中的轻量冠军卓越的减震性能镁是工业用结构金属中密度最镁合金具有优异的减震能力，低的，仅为，比铝其阻尼系数比铝高出倍以

1.7g/cm³10轻约，比钢轻约上这使得镁合金在需要减振35%75%这一特性使镁合金成为追求极的场合，如电动工具外壳、汽致轻量化领域的首选材料，在车变速箱壳体等应用中表现出产品壳体、汽车零部件等色，可有效降低噪音和振动3C领域具有独特优势良好的加工性能镁合金具有良好的铸造性能和切削加工性能，可采用压铸、挤压、锻造等多种方法成形特别是在高压压铸方面，镁合金可以制造出复杂形状、薄壁的精密部件，满足现代电子产品对轻薄化的追求钛及钛合金其他常用金属锌铅镍与铬锌主要用于电镀防腐（镀锌钢材），也是铅具有良好的耐腐蚀性和屏蔽性能，主要镍和铬是不锈钢和特种合金的重要成分制造电池壳、压铸合金的重要材料全球用于蓄电池、电缆护套和辐射防护全球镍提高合金的韧性和耐蚀性，铬则提供耐约的锌用于镀锌防腐，用于压约的铅用于制造铅酸蓄电池，其密度氧化和耐高温性能镍基高温合金在航空55%13%80%铸，其余用于铜锌合金和其他应用锌的大（）和抗辐射特性使其成为发动机涡轮叶片中不可替代，能在

11.3g/cm³年产量约为万吨放射线防护的理想材料℃高温下长期工作13001000金属表面处理电镀喷涂通过电解原理在金属表面沉积一层其他金属，如镀锌、镀铬、镀镍等电镀包括静电喷涂、粉末喷涂等，在金属表面形成保护层和装饰层喷涂适用于层厚度通常为微米，既能提供防腐保护，又能改善表面外观中国电大型部件，涂层厚度可达微米，具有良好的耐候性和装饰性，是汽5-2550-100镀行业年产值超过亿元车、家电等行业的主要表面处理方法20002阳极氧化主要用于铝及其合金，在电解液中形成致密氧化膜氧化膜厚度通常在10-微米，不仅提高耐腐蚀性，还可通过封孔和染色获得各种颜色，广泛用于25建筑装饰和电子产品外壳无机非金属材料概述陶瓷材料由金属或非金属元素与非金属元素形成的化合物，通过高温烧结制成具有高硬度、高脆性、高耐温、低导热和电绝缘等特点包括传统陶瓷（瓷器、砖瓦）和先进陶瓷（工程陶瓷、电子陶瓷）水泥与混凝土水泥是以石灰石、粘土为主要原料，经高温煅烧、粉磨制成的水硬性胶凝材料混凝土是由水泥、骨料和水按一定比例混合而成的复合材料，是全球用量最大的人造材料，年消耗量超过亿吨400玻璃材料以二氧化硅为主要成分的非晶态固体，具有透明、硬脆、耐腐蚀等特点按成分可分为硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、铅玻璃等；按用途可分为平板玻璃、器皿玻璃、光学玻璃、特种玻璃等石材天然形成的岩石经开采、加工后用于建筑和装饰的材料常见的有大理石、花岗岩、砂岩、板岩等具有质地坚硬、纹理美观、耐久性好等特点，主要用于建筑装饰和路面铺设陶瓷材料及特性高硬度耐高温陶瓷的硬度通常为莫氏硬度，接近7-9许多陶瓷可在℃以上保持结构稳定1500或超过钢材电绝缘耐腐蚀大多数陶瓷是优良的电绝缘体，电阻率对大多数酸碱溶液有优异的抵抗力可达10^12Ω·m陶瓷材料是由金属或非金属元素与非金属元素（通常是氧、氮或碳）形成的化合物，经过高温烧结而成常见的陶瓷材料包括氧化铝、氧化锆、氮化硅、碳化硅等这些材料因其独特的性能组合，在切削工具、耐磨零件、电子元件和生物医疗等领域有着不可替代的应用工业陶瓷主要类型结构陶瓷功能陶瓷生物陶瓷以机械性能为主的工程陶瓷，主要包括具有特殊电、磁、光、热等物理性能的用于人体组织修复和替代的陶瓷材料，氧化铝、氧化锆、氮化硅、碳化硅等陶瓷，如压电陶瓷、铁电陶瓷、磁性陶主要包括羟基磷灰石、生物玻璃、生物这类陶瓷具有高硬度、高耐磨性和高温瓷等这类陶瓷主要用于电子电气、信活性瓷等这类材料具有良好的生物相稳定性，主要用于制造切削刀具、轴息通信等领域，是现代电子工业的关键容性和生物活性，能与骨组织形成化学承、密封件等机械零部件材料键合•氧化铝陶瓷硬度高，绝缘性好，用•钛酸钡优良的介电性能，用于电•羟基磷灰石成分接近骨矿物质，用于火花塞、工具刀片容、传感器于骨缺损修复•氮化硅自润滑性好，热膨胀系数•铁氧体磁性材料，用于变压器磁•氧化锆生物惰性好，用于人工关低，用于高速轴承球芯、电感元件节、牙冠水泥与混凝土水泥类型和性能硅酸盐水泥矿渣水泥最常用的水泥品种，具有早期强以硅酸盐水泥熟料和粒化高炉矿度高、水化热大的特点主要用渣为主要原料制成，具有水化热于对强度要求较高的工程，如高低、后期强度高、抗硫酸盐腐蚀层建筑、桥梁等中国市场份额性好的特点广泛用于地下工约占水泥总产量的其凝结程、水工建筑、海港工程等矿85%时间通常为初凝分钟，终凝渣掺量通常为，可显著4520-70%小时，天抗压强度可达减少碳排放，符合绿色建材的发6-1028展要求

42.5-

52.5MPa特种水泥包括硫铝酸盐水泥、白水泥、膨胀水泥、快硬水泥等特殊用途水泥如硫铝酸盐水泥具有超快凝特性，小时强度可达以上，适用于冬季施工630MPa和快速修补；白水泥主要用于装饰性混凝土和艺术制品，亮度高达以90%上玻璃材料介绍玻璃的结构特点主要玻璃类型玻璃的主要特性玻璃是一种非晶态固体材料，没有规则硅酸盐玻璃最常见的玻璃类型，主要透明性可见光透过率高达以上，90%的晶体结构，而是以无规则网络结构存用于建筑窗户、器皿等是唯一能大面积应用的透明无机材料在这种无定形结构使玻璃具有透明、硼硅酸玻璃含硼量高，具有低热膨胀耐腐蚀性对大多数酸（氢氟酸除外）硬脆等特性系数和良好的耐热震性，用于实验室器和化学物质有良好的抵抗力普通玻璃的主要成分是二氧化硅皿、耐热厨具等绝缘性电阻率高达10¹⁰-10¹⁴（₂，约），加入氧化钠SiO70-74%钢化玻璃经特殊热处理或化学处理，，是良好的电绝缘材料Ω·cm（₂，约）降低熔点，氧Na O12-16%强度是普通玻璃的倍，破碎后呈小3-5化钙（，约）提高化学稳定CaO5-12%可塑性熔融状态可塑性好，可通过多颗粒状，安全性高，用于汽车挡风玻性，以及少量其他氧化物种方法成形璃、建筑幕墙等玻璃的应用案例建筑幕墙电子设备屏幕光纤通信现代建筑大量使用玻璃幕墙，不仅提供美智能手机、平板电脑等电子设备广泛使用光纤是现代通信网络的骨干，由高纯度石观的外观，还能提高建筑的采光性和能源化学强化玻璃作为保护屏康宁大猩猩玻英玻璃制成，直径仅约微米，但传输125效率低辐射镀膜玻璃可反射红外线，减璃等产品经过离子交换强化，表面硬度接带宽高达数单根光纤可同时传输数TB/s少室内热量损失，节能效果可达以近蓝宝石，抗冲击性能优异，弯曲强度可百万个电话通话，传输距离可达数百公里30%上中空玻璃更是将传热系数从单玻璃的达，是普通玻璃的倍以上，且而几乎无衰减目前全球已铺设光纤总长700MPa5降低到厚度仅为度超过亿公里，足以绕地球圈

5.8W/m²·K

1.8W/m²·K

0.4-

0.7mm50125石材及其应用石材是从地壳中开采的天然岩石经过加工而成的建筑材料，主要包括大理石、花岗岩、板岩等大理石主要由碳酸钙组成，质地柔和，纹理丰富多彩，多用于室内地面和墙面装饰；花岗岩由石英、长石和云母组成，硬度高，耐磨性好，常用于外墙、台面；板岩层理发达，易剥离成薄片，适合作为屋顶材料石材因其自然美观、耐久性强的特点，在高档建筑装饰中广泛应用中国是世界最大的石材生产国和消费国，年产量约占全球总产量的，主要分布在福建、山50%东、广东等地新型无机非金属材料低能耗陶瓷光催化玻璃自洁纳米涂层采用新型烧结工艺和配方，比传统表面涂覆纳米二氧化钛薄膜的特种具有超亲水或超疏水特性的纳米结陶瓷烧结温度降低℃，玻璃，具有自洁净、抗菌和净化空构涂层，能有效吸附等空200-300PM

2.5能耗减少以上这类陶瓷不气的功能在紫外光照射下，二氧气污染物，或实现水滴快速滚落带30%仅保持了良好的机械性能，还大幅化钛会产生强氧化性自由基，可分走污染物的自清洁效果这类材料降低了生产成本和碳排放，符合国解有机污染物和杀灭细菌目前在在建筑外墙、隧道内壁等场所应家节能减排政策医院、公共场所和高污染地区的建用，每平方米每年可吸附10-15筑中应用越来越广泛克，相当于种植一棵树的PM

2.5净化效果透明陶瓷通过特殊工艺制备的具有透明性的陶瓷材料，如透明氧化铝、透明氧化钇等，兼具陶瓷的高硬度、耐高温和玻璃的透明性主要应用于高端照明、激光器件、红外窗口等领域，市场增长率保持在以15%上高分子材料基础分子链结构特点轻质多样特性主要分类高分子材料是由相对分子质量在数千到高分子材料密度通常在通用塑料聚乙烯、聚丙烯、

0.9-

2.0g/cm³PE PP数百万的大分子组成的材料这些大分之间，远低于金属和陶瓷，这使其成为聚氯乙烯、聚苯乙烯等，价PVC PS子是由许多相同或不同的基本单元（单轻量化的理想选择通过调整分子量、格低廉，产量巨大，占塑料总量的80%体）通过共价键重复连接而成的长链分结晶度、取向度和添加剂，可以获得从以上子软质弹性体到高强度工程塑料的多样化工程塑料聚酰胺、聚碳酸酯PA性能高分子的主链结构可以是线性、支链、聚甲醛等，具有更高的机PC POM型、交联型或网状结构，不同的分子结高分子材料的导电性、透明度、阻燃械强度和耐热性，可用于承重和功能性构导致材料表现出不同的物理和化学性性、抗冲击性等都可以通过分子设计和部件质例如，线性分子通常可熔融加工，复合改性来调控，这种可设计性是其最弹性体天然橡胶、合成橡胶等，具有而高度交联结构则不可熔融大的优势之一大弹性变形和回复能力塑料材料种类聚乙烯（）PE聚丙烯（）PP全球产量最大的塑料，分为高密度质轻、耐热、耐化学腐蚀，广泛用于家和低密度，用于包装HDPE LDPE电部件、汽车零部件、医疗器械等膜、管材、容器等聚苯乙烯（）聚氯乙烯（）PS PVC透明度高、加工性能好，用于食品包成本低、难燃、耐候性好，主要用于管装、一次性餐具、电子产品外壳等道、电缆绝缘层、建筑型材等塑料是现代社会中应用最广泛的材料之一，全球年产量超过亿吨聚乙烯由于其优异的化学稳定性和较低的成本，占据全球塑料市

3.8场约的份额聚丙烯的耐热性（可耐℃高温）使其成为微波炉容器的理想材料聚氯乙烯在建筑行业应用广泛，全球管30%120PVC道市场规模超过亿美元600工程塑料简述℃140聚碳酸酯耐热温度PC高透明度、抗冲击性是普通塑料倍8-1085%尼龙在齿轮市场占有率自润滑性好，可替代金属齿轮倍5比金属轴承使用寿命POM低摩擦系数，无需额外润滑25%工程塑料年增长率远高于通用塑料，应用前景广阔工程塑料是指能够承受一定机械载荷和环境条件的结构型塑料，具有优异的机械性能、耐热性、尺寸稳定性和电绝缘性与通用塑料相比，工程塑料的使用温度更高，机械强度更大，但价格也相对较高聚碳酸酯（）因其高冲击强度和透明性，被广泛用于防弹玻璃、安全护目镜；聚酰胺（尼龙）具有优异的耐磨性和自润滑性，适合制造齿轮和轴PC承；（聚甲醛）具有类似金属的加工性能和高弹性模量，常用于精密机械零件POM热固性塑料介绍环氧树脂酚醛树脂环氧树脂是最常用的热固性塑料之一，以酚醛树脂是最早商业化的合成树脂，具有优异的粘接强度、耐热性和耐化学性著优异的耐热性、阻燃性和电绝缘性固化称固化后的环氧树脂具有优良的电绝缘后的酚醛树脂耐热温度可达150-性和尺寸稳定性，抗拉强度可达℃，且在燃烧时会形成碳层隔绝氧80-200，远高于多数热塑性塑料气，自熄性极佳130MPa主要应用电子元件封装、高性能复合材主要应用电气绝缘元件、模压制品、粘料基体、地板涂料、粘合剂等全球环氧合剂、耐热涂料等在航空航天、电力设树脂市场规模约亿美元，年增长率保备等领域具有不可替代的地位，全球市场300持在左右规模约亿美元5%150不饱和聚酯树脂不饱和聚酯树脂是玻璃钢的主要基体材料，性价比高，固化速度快，成型工艺灵活其固化反应无需高温，可在室温下完成，收缩率低，固化后具有良好的耐候性和尺寸稳定性主要应用玻璃纤维增强塑料、船艇、建筑制品、汽车部件等不饱和聚酯树脂占复FRP合材料基体的以上，年消费量约万吨60%800橡胶材料天然橡胶合成橡胶橡胶加工与应用天然橡胶主要成分是顺聚异合成橡胶是通过化学合成方法制得的弹橡胶需要通过配合、混炼、硫化等工序NR-1,4-戊二烯，由橡胶树的胶乳经凝固、干燥性体，主要包括丁苯橡胶、丁腈橡加工成产品硫化是橡胶加工中最关键SBR制得其特点是弹性极好、抗撕裂性胶、氯丁橡胶、乙丙橡胶的步骤，通过在橡胶分子链间建立交联NBR CR强、耐磨性优异，但耐油性和耐老化性等不同类型的合成橡胶具有特键，使橡胶从塑性变为弹性EPDM较差定的性能优势天然橡胶是轮胎制造的主要原料，全球橡胶在轮胎、传动带、密封件、减震器年产量约万吨，其中用于轮•丁苯橡胶价格低，耐磨性好，用于等领域有着广泛应用全球橡胶年消费130075%胎生产东南亚国家（泰国、印尼、马轮胎和鞋底量约万吨，其中合成橡胶占3000来西亚）是主要产地，占世界产量的中国是世界最大的橡胶消费国，•丁腈橡胶耐油性优异，用于油封、70%以上年消费量超过万吨90%胶管900•氯丁橡胶耐候性好，用于电缆护套、建筑密封条•乙丙橡胶耐老化、耐臭氧，用于汽车密封条纤维材料聚酯纤维（涤纶）聚酰胺纤维（尼龙）芳纶纤维（凯夫拉）聚酯纤维的主要成分是聚对苯二甲酸乙二醇酯尼龙纤维包括和两种主要类型，具芳纶是一种特种合成纤维，主要包括间位芳纶PA6PA66，具有强度高、弹性好、耐热性优良等有强度高、韧性好、耐磨性优良等特点尼龙和对位芳纶两种对位芳纶（凯夫拉）强度是PET特点涤纶是产量最大的合成纤维，全球年产是第一种商业化的合成纤维，全球年产量约钢丝的倍，但密度仅为钢的，比强度极51/5量超过万吨，占所有合成纤维的约万吨高5500500芳纶的主要用途包括防弹衣、防割手套、光缆65%涤纶广泛用于服装面料、家纺产品和产业用纺尼龙广泛用于运动服装、地毯、渔网等领域增强层、航空航天复合材料等高性能领域虽织品此外，涤纶也是重要的纤维增强材料，其优异的力学性能也使其成为工业用纺织品和然价格昂贵（约元公斤），但在安100-150/在复合材料中可提供良好的力学性能和耐化学安全防护装备的理想材料全防护领域有不可替代的作用腐蚀性树脂材料应用复合材料基体环氧树脂、不饱和聚酯树脂等用于纤维增强复合材料1胶粘剂与涂料各类结构胶、密封胶、防腐涂料塑料成型材料注塑、压塑、挤出等塑料制品树脂是高分子材料的重要组成部分，具有良好的成膜性、粘接性和可塑性在复合材料领域，树脂作为基体材料，将纤维、粒子等增强体粘合在一起，赋予复合材料整体性能高性能环氧树脂在碳纤维复合材料中的应用使航空航天器件既轻量又高强胶粘剂和涂料是树脂的另一大应用领域结构胶可替代传统机械连接，减轻重量，均匀分布应力；密封胶在建筑、交通等领域防水防漏；环保型树脂涂料不仅美观，还提供防腐、防火等功能保护全球树脂市场规模超过亿美元，年增长率保持在10004-6%塑料成型工艺注塑成型将熔融塑料注入模腔，冷却成型适合生产形状复杂、精度高的塑料制品，如电子外壳、家电部件等全球注塑机年装机量超过万台，其中中国约占3060%挤出成型熔融塑料通过挤出机和口模连续挤出成型主要用于生产管材、型材、薄膜等连续截面的制品管材、薄膜均采用此工艺，生产效率高，适合大批量生产PVC PE吹塑成型将塑料型坯吹胀贴合模腔成型适合制造中空制品，如饮料瓶、储罐等可实现单层或多层结构，广泛应用于包装和容器行业，全球年产量超过亿个塑料瓶5000热压成型加热塑料片材，在模具中加压成型广泛用于一次性餐盒、包装托盘等产品工艺简单，模具成本低，但材料利用率较低，约为60-70%塑料的环保问题塑料污染现状应对策略可降解塑料发展塑料制品使用后的不当处理导致严重的减少使用通过立法和教育减少一次性聚乳酸由玉米、甘蔗等生物质资PLA环境污染问题据统计，全球每年约有塑料制品的使用全球已有多个国家源制备，在特定条件下可完全降解为二60万吨塑料进入海洋，形成巨大的垃实施塑料袋禁令或征税政策氧化碳和水目前全球产能约万吨，80030圾带，威胁海洋生态系统主要用于包装和一次性餐具回收利用建立完善的塑料回收体系，塑料降解缓慢，普通塑料袋在自然环境提高回收率目前全球塑料回收率仅为一种石油基可生物降解塑料，具PBAT中需要数百年才能完全降解微塑料污左右，中国禁废令后正在加速建设有良好的柔韧性，常与等材料复合9%PLA染更是已经遍布全球，从深海到高山，国内回收产业链使用在农用地膜和包装领域应用广从北极到南极，甚至进入人体食物链泛，可在土壤中完全降解替代材料开发纸质、淀粉基等可再生材料替代传统塑料，特别是在包装领域复合材料概述复合材料的定义优势互补原理复合材料是由两种或两种以上复合材料设计的核心理念是扬不同性质的材料，通过物理或长避短，将不同材料的优点结化学方法复合而成的多相材合起来，同时克服单一材料的料典型的复合材料由增强体缺点例如，纤维增强复合材（纤维、颗粒等）和基体（金料结合了纤维的高强度和基体属、树脂、陶瓷等）组成，各的塑性与韧性，创造出轻质高组分在宏观上结合但在微观上强的新型材料，其比强度和比保持各自特性模量远超传统金属材料性能定制能力复合材料的一大特点是可设计性强，通过调整增强体的种类、含量、取向和分布，以及基体材料的选择，可以针对特定应用需求定制材料性能这种量身定制的能力使复合材料在航空航天、交通运输等高性能领域具有不可替代的优势常见复合材料举例碳纤维增强塑料（）玻璃纤维增强塑料（）金属基复合材料CFRP GFRP由碳纤维作为增强体、树脂（通常是环氧树脂）由玻璃纤维作为增强体、树脂（通常是不饱和聚以金属（如铝、镁、铜等）为基体，加入颗粒、作为基体组成的高性能复合材料碳纤维具有极酯或环氧树脂）作为基体组成的复合材料，俗称短纤维或连续纤维作为增强体的复合材料常见高的强度（抗拉强度）和模量（弹性模玻璃钢玻璃纤维强度较高（抗拉强度的增强体有碳化硅、氧化铝、碳纤维等，能显著3-7GPa2-量），同时密度很低（约），成本低廉，是使用最广泛的增强纤提高金属的强度、刚度和耐磨性230-600GPa

3.5GPa）维

1.8g/cm³广泛应用于航空航天、高端赛车、自行金属基复合材料主要应用于高温零部件、刹车CFRP车、高尔夫球杆等对重量和性能要求极高的领主要应用于建筑、交通工具、船舶、管盘、发动机组件等例如，以铝为基体、加入碳GFRP域其制造成本高，但在减重至关重要的应用中道、储罐等领域其耐腐蚀性优异，特别适合在化硅颗粒的复合材料，广泛用于电子封装中作为性价比极高化学腐蚀环境下使用，使用寿命可达散热基板，其导热系数是铝的倍20-

501.5-3年玻璃纤维增强材料碳纤维复合材料碳纤维复合材料是当今最先进的轻质高强材料之一，其比强度和比模量远高于任何金属材料碳纤维本身的抗拉强度可达，弹性3-7GPa模量，而密度仅为将碳纤维与环氧树脂复合后，可获得密度约、抗拉强度超过的复合材料230-600GPa

1.8g/cm³

1.6g/cm³2GPa碳纤维复合材料最初主要用于航空航天领域，现代客机如波音和空客的机体结构中，碳纤维复合材料用量已超过随着制787A35050%造成本的降低，碳纤维材料已逐渐进入高端汽车、体育用品等民用领域全球碳纤维市场规模已突破亿美元，年增长率保持在4010-12%金属基复合材料铝基复合材料钛基复合材料铜基复合材料以铝及铝合金为基体，加入碳化硅、氧钛基复合材料主要采用连续碳化硅纤维铜基复合材料通常采用碳纤维、碳化化铝等增强体的复合材料增强体可以或碳纤维作为增强体，可显著提高钛合硅、氧化铝等作为增强体，主要目的是是颗粒（）、短纤维或连续金的比强度、比模量和耐热性增强后改善铜的导热性、耐磨性和高温强度，5-100μm纤维，体积分数通常为的钛基复合材料使用温度可达℃以同时保持良好的导电性10-40%800上典型应用包括汽车发动机活塞（颗典型应用包括高性能散热器（碳纤维SiC/粒增强铝合金，提高耐磨性和高温强主要应用于航空发动机压气机叶片、航铜，导热系数可达以400W/m·K度）、电子封装基板（碳纤维增强铝，天器结构件等高温高强场合例如，某上）、电接触材料（氧化铝铜，兼具高/热膨胀系数可调至与硅芯片匹配）、航型号航空发动机采用复合材料制导电性和高耐磨性）、高性能刹车材料SiC/Ti天器结构件造的风扇叶片，比传统钛合金叶片减重（碳化硅铜，用于高速列车和飞机）/，寿命延长倍30%3复合材料的加工与连接主要成型工艺层合、缠绕、模压等专用技术复杂形状设计一体化设计减少连接点连接方法选择粘接、机械连接等多种方式复合材料的加工与连接具有特殊性，需要专门的工艺和设计理念层合工艺是将预浸料按设计要求叠层并在特定温度和压力下固化，适用于制造平板和简单曲面结构；缠绕工艺是将连续纤维或织物浸渍树脂后缠绕在芯模上，适合制造圆筒、压力容器等旋转体结构；模压工艺则将短切纤维与树脂混合后在模具中加压成型，适合批量生产形状复杂的部件复合材料部件的连接通常采用粘接和机械连接两种主要方式粘接连接依靠粘合剂形成连接，应力分布均匀，不破坏纤维，但耐热性和可靠性有限；机械连接如螺栓、铆接等安装简单，可拆卸，但会切断纤维造成应力集中先进的复合材料结构设计会尽量减少连接点，采用一体化设计来提高整体性能复合材料发展趋势智能自修复功能一体化节能减重突破新一代复合材料具备损伤未来复合材料不再仅具备通过先进模拟设计和制造自愈能力，内含微胶囊或结构承载功能，还将集成工艺优化，复合材料在交血管网络系统，当材料受传感、导电、热管理等多通运输领域的应用将更加损时，修复剂自动释放填种功能通过在基体中添广泛预计到年，2030充裂纹并固化这种技术加纳米碳管、石墨烯等功乘用车复合材料用量将从可将材料使用寿命延长能性填料，或嵌入光纤传目前的平均公斤增10-15，大幅降低维护感器、压电元件，实现对加到公斤，有望实30-50%50-70成本和安全风险结构健康状态的实时监测现车身减重，燃15-20%与响应油效率提升8-10%可持续与回收解决复合材料难以回收的问题是当前研究热点新型热塑性复合材料可多次回收利用；可降解生物基复合材料将逐步替代部分传统材料；专用回收技术如热解法、溶剂法等也在不断完善，预计回收率将从目前的不到提升至20%以上50%纳米材料简介纳米材料的定义独特性能纳米材料是指至少在一个维度上尺寸在由于尺寸效应和量子效应，纳米材料表纳米范围内的材料这一尺寸范现出与宏观材料不同的特性其特殊性1-100围介于原子分子和宏观物体之间，表现能主要体现在比表面积极大（单位质出独特的物理、化学和生物学性质纳量表面积可达数百平方米）；力学性能米材料主要包括纳米颗粒、纳米纤维、优异（纳米碳管抗拉强度达纳米管、纳米薄膜等多种形态）；光学性能可调（金纳米颗100GPa粒随尺寸变化呈现不同颜色）；电磁性能异常（室温下磁性增强或减弱）典型应用纳米银具有优异的抗菌性能，在医疗器械、纺织品、食品包装等领域应用广泛纳米银可在极低浓度（）下对大多数细菌产生杀灭作用5-10ppm纳米碳管碳原子以六边形排列成管状结构，直径通常为，具有极高的强度和1-50nm导电性，广泛用于复合材料增强、导电涂料、电池电极材料等智能材料压电材料能够将机械能与电能相互转换的功能材料当受到机械压力时产生电压，反之施加电压时发生形变钛酸锆铅是最常用的压电陶瓷，压电系数可达广泛用于传感器、PZT500-600pC/N驱动器、超声换能器等，市场规模约亿美元50形状记忆合金能够记忆原始形状的特殊合金，在受热时恢复预设形状镍钛合金是最成熟的形状记Nitinol忆合金，可实现的可恢复应变，输出应力达主要应用于医疗器械（支架、导8%700MPa丝）、航空部件、机器人等，全球市场增长率保持在左右12%磁流变材料在磁场作用下可快速改变流变特性的智能材料典型的磁流变液由铁磁微粒（约微米）分3-5散在载体液中组成，施加磁场后，其屈服强度可在毫秒级内增加数十倍主要用于半主动减震系统，如高端汽车悬挂、建筑减震器等光致变色材料在光照条件下可改变颜色或透光率的智能材料主要包括基于螺吡喃类的有机变色材料和过渡金属氧化物无机变色材料已广泛应用于自适应变色眼镜、智能窗户等，使建筑能耗降低15-全球光致变色眼镜市场规模约亿美元20%60生物材料与绿色材料可降解高分子材料医用生物材料生物医用金属聚乳酸是一种从玉米、甘蔗等生物人工骨材料包括羟基磷灰石、生物活性钛及钛合金是最重要的医用金属材料，PLA质中提取的可降解塑料，在适当条件下玻璃等，其化学成分与人骨相似，可与广泛用于骨科植入物和牙科修复钛的可完全降解为二氧化碳和水其力学性骨组织形成化学键合这些材料多孔结生物相容性优异，不会引起排异反应，能接近聚丙烯，但在自然环境中可在构有利于骨细胞生长，复合改性后力学其外表面会形成稳定的氧化膜，耐腐蚀3-个月内降解以上目前全球产能性能可接近人体骨骼性极佳680%约万吨，主要用于一次性包装、餐具50组织工程支架是三维多孔结构的生物材镁合金是新型可降解金属植入材料，植和农用地膜料，用于支持细胞附着和组织再生常入体内后可逐渐降解被吸收，避免二次聚羟基脂肪酸酯是由微生物合成用的材料包括胶原蛋白、壳聚糖、聚乳手术取出的痛苦镁的降解产物对人体PHA的生物聚合物，具有良好的生物相容性酸等，通过电纺、打印等技术制备无害，且镁离子本身有促进骨生长的作3D和可降解性，在医疗和包装领域有广阔用前景新能源材料发展300Wh/kg锂电池能量密度三元正极材料电池能量密度已突破300Wh/kg

24.8%单晶硅太阳能电池效率商业化单晶硅太阳能电池光电转换效率85%锂电池回收率先进工艺可实现钴、镍等金属高效回收$180B全球市场规模新能源材料全球市场规模不断扩大锂离子电池材料是新能源汽车和储能系统的核心正极材料从最初的钴酸锂发展到现在的三元材料，能量密度显著提高负极材料主要是石NCM/NCA墨，但硅基负极因其高理论容量（是石墨的倍）正在加速商业化电解液和隔膜材料的进步也显著提高了电池的安全性和使用寿命10太阳能电池材料不断创新，硅材料仍是主流，占市场份额超过单晶硅电池效率已超过，相比十年前提高了约薄膜太阳能电池如、95%24%30%CIGS等在特殊应用领域有独特优势钙钛矿太阳能电池是近年来发展最快的新型光伏材料，实验室效率已超过，商业化进程正在加速CdTe25%环保材料与可持续发展环保材料是指在全生命周期中对环境影响较小的材料，包括无毒、可降解和可循环三大类麻纤维混凝土是一种由大麻秸Hempcrete秆、石灰和水混合而成的建筑材料，碳足迹是普通混凝土的，且具有良好的保温性能菌丝体材料是利用真菌菌丝体生长形成的新型1/5生物基材料，可完全降解，用于包装和隔音可持续发展对材料提出了更高要求绿色建材市场年复合增长，其中低碳水泥、再生骨料混凝土发展迅速可再生资源材料如竹材、秸9%秆复合材料也受到广泛关注循环经济模式下，材料的可回收性和再利用性成为关键指标，设计阶段就考虑材料的全生命周期影响已成为新趋势材料创新与未来趋势材料基因组工程材料基因组工程是一种革命性的材料研发方法，结合高通量计算、高通量实验和材料数据库，大幅加速新材料的发现和应用传统材料开发从实验室到市场通常需要年，而材料基因组方法可将时间缩短至年中国十四五规划已10-202-3将其列为重点发展领域打印材料3D打印技术对材料提出了特殊要求，金属粉末、光敏树脂、热塑性丝材等专3D用材料市场快速增长金属打印已从钛合金、高温合金等高端材料向铝合3D金、不锈钢等普通材料扩展多材料、功能梯度材料打印技术使部件可实现不同区域不同性能，如硬软过渡、导电绝缘组合等--超材料超材料是一类人工设计的具有自然界不存在性能的特殊材料，如负折射率、声波隐身等其特殊性能来源于亚波长结构单元的精确排列，而非材料本身的化学成分声学超材料可实现噪声定向消除；电磁超材料可用于高性能天线；力学超材料可实现超轻高强结构，如点阵材料密度小于水但强度超过钢材料选择案例分析材料科学对社会的影响推动重大工程改善医疗健康材料创新是重大工程突破的基础生物材料提升医疗水平和生活质量应对环境问题解决能源挑战绿色材料减少环境污染和资源消耗新能源材料支撑清洁能源转型材料科学的进步深刻改变了人类社会发展的轨迹在基础设施建设方面，高性能钢材使摩天大楼、跨海大桥和深海平台成为可能；特种混凝土支撑了世界最大水电站和最长隧道的建造中国的超高性能混凝土已广泛应用于高铁、核电等国家重大工程，抗压强度可达，是普通混凝土的倍100-150MPa3-5在医疗领域，生物相容性材料使人工关节、心脏瓣膜和血管支架等成为临床常规，极大提高了患者生活质量；新型透皮贴剂和药物缓释材料改变了药物递送方式在能源领域，高温合金使燃气轮机效率大幅提升；新型催化材料和电极材料支撑了氢能源和电化学储能的发展材料科学将继续在人类应对气候变化、资源短缺等重大挑战中扮演核心角色总结与展望材料发展的历史意义当前材料科学的成就回顾人类文明发展史，材料的进步现代材料科学已发展成为一门多学始终是推动社会变革的关键力量科交叉的综合性学科，涵盖了物从石器时代到青铜时代、铁器时理、化学、生物、计算机等多个领代，再到今天的信息时代和新材料域从传统金属、陶瓷、高分子到时代，材料科学的发展始终与人类现代复合材料、纳米材料、生物材社会的进步紧密相连材料革命往料，材料家族不断壮大，为各行各往引领技术革命，创造新的产业和业提供了性能优异的解决方案，满生活方式足了日益复杂的工程和生活需求未来发展方向未来材料科学将沿着智能化、绿色化、功能复合化三大方向发展智能材料将具备感知、响应和自愈能力；绿色材料将更加注重环境友好和可持续性；多功能复合材料将在单一材料中实现多种性能的有机统一材料设计将从经验驱动走向数据驱动，人工智能辅助设计将大幅提高研发效率。