《日常生活中的材料科学》课件

日常生活中的材料科学材料科学如何塑造我们的现代生活，从古代材料到现代合成材料的发展历程，探索日常物品背后的材料科学原理材料科学是研究材料的组成、结构、性质和应用的综合性学科，它跨越物理学、化学、工程学等多个领域，是人类文明发展的基础支柱课程目标了解不同类型材料的基探索材料科学在日常生12本性质和应用活中的重要性掌握金属材料、无机非金通过分析身边常见物品的属材料、有机合成材料和材料构成，理解材料科学复合材料的基本特点，了对现代生活的深刻影响，解它们在日常生活中的具培养从材料科学角度观察体应用实例，建立材料性和分析问题的能力质与应用之间的联系认识材料科学的发展趋势与未来应用材料科学简介学科定义重要地位材料科学是研究材料的组成、结构、性质和应用的学科，它材料科学被誉为人类文明发展的基础支柱，每一次材料技术是一门典型的交叉学科，融合了物理学、化学、工程学等多的重大突破都推动了人类社会的进步从石器时代的石材，个领域的知识材料科学不仅研究材料的微观结构，还关注到青铜时代的金属，再到现代的高分子材料和纳米材料，材材料的宏观性能，以及如何通过改变材料的结构来优化其性料的发展史就是人类文明的发展史能材料的分类概述金属材料包括钢铁、铝合金、铜等，具有良好的导电性、导热性和机械强度，广泛应用于建筑、机械、电子等领域无机非金属材料包括陶瓷、玻璃、水泥等，具有耐高温、耐腐蚀、绝缘性好等特点，在建筑和日用品中应用广泛有机合成材料包括塑料、合成纤维、合成橡胶，具有轻质、可塑性强、加工方便等优点，是现代生活中不可缺少的材料复合材料由两种或多种材料复合而成，如玻璃钢、碳纤维复合材料等，综合了各组分材料的优点，性能优异金属材料导电性好金属材料具有优良的导电性能，是制造电线、电缆等电子产品的首选材料强度高金属材料具有很高的机械强度，能够承受较大的载荷，广泛用于建筑和机械结构可塑性强金属材料具有良好的可塑性和可加工性，可以通过各种方法加工成所需的形状和尺寸金属材料在人类历史发展中占据重要地位，从古代的铜器、铁器时代到现代的钢铁工业，金属材料的发展推动了人类文明的进步现代金属材料不仅包括传统的钢铁、铜、铝等，还包括各种合金材料，具有更加优异的性能常见金属材料

（一）钢铁成分组成广泛应用钢铁是铁与碳的合金，含碳量在之间碳含量的不同决定了钢铁从建筑结构到机械零件，从家用电器到交通工具，钢铁无处不在，是现代工业

0.03%-

2.11%的性质和用途的基础材料123主要种类包括碳钢、不锈钢、合金钢等，每种钢材都有其特定的性能和应用领域钢铁工业是国民经济的重要基础产业，钢铁产量往往被视为一个国家工业发展水平的重要指标我国是世界上最大的钢铁生产国，钢铁工业的发展为我国经济建设提供了重要支撑常见金属材料

（二）铝及合金

2.799%密度回收率g/cm³仅为钢铁密度的三分之一，具有显著的重铝材可以无限次回收利用，回收率高达量优势以上99%658°C熔点相对较低的熔点使得铝材易于加工和成型铝及其合金具有密度低、耐腐蚀、导热性好、可回收性强等优点，在航空航天、包装材料、建筑装饰等领域有着广泛的应用铝的耐腐蚀性源于其表面能够形成致密的氧化铝薄膜，这层薄膜能够有效防止内部金属的进一步氧化常见金属材料

（三）铜及合金优良导电性铜的导电性仅次于银，是制造电线电缆的理想材料，广泛用于电力传输和电子设备重要合金黄铜（铜锌）具有良好的机械性能，青铜（铜锡）耐腐++蚀性强，在不同领域发挥重要作用广泛应用从电线电缆到电子元件，从装饰品到工业设备，铜材在现代生活中发挥着不可替代的作用无机非金属材料简介硅酸盐材料耐高温性以硅酸盐为主要成分，包括水泥、玻具有优异的耐高温性能，能够在高温12璃、陶瓷等，是建筑和日用品的重要环境下保持稳定的性能材料化学稳定性绝缘性好43对大多数化学物质具有良好的稳定大多数无机非金属材料具有良好的电性，耐腐蚀性强绝缘性，广泛用于电子和电气领域硅酸盐材料概述原料准备1含硅物质作为主要原料高温加热2经过特定温度的加热处理形成产品3制成含硅酸盐的无机材料硅酸盐材料是以含硅物质为原料经加热制成的含硅酸盐的无机材料，常见种类包括水泥、玻璃、陶瓷等这类材料在现代建筑和日常生活中具有重要地位，其优异的性能使其成为不可替代的基础材料硅酸盐材料的发展历史悠久，从古代的陶器制作到现代的高性能陶瓷，体现了人类对材料科学认识的不断深化水泥原料配比黏土、石灰石和石膏按特定比例混合，确保化学成分的准确性和产品质量的稳定性高温煅烧在水泥回转窑中进行高温煅烧，温度可达，使原料发生1450℃复杂的物理化学反应粉磨成品将煅烧后的熟料与适量石膏一起粉磨，制成细度符合要求的水泥成品水泥是现代建筑工程中最重要的胶凝材料之一，广泛应用于建筑基础、混凝土制品、道路铺设等领域水泥与水发生水化反应后能够硬化，并能胶结砂石等材料，形成坚固的混凝土结构玻璃玻璃的种类与应用特种玻璃耐热玻璃、防弹玻璃等高端应用1光学玻璃2镜头、棱镜等精密光学器件钢化玻璃3汽车挡风玻璃、建筑幕墙普通玻璃4窗户、容器、镜子等日用品不同类型的玻璃具有不同的性能特点和应用领域普通玻璃满足日常基本需求，钢化玻璃具有更高的安全性，光学玻璃要求极高的光学性能，而特种玻璃则针对特殊环境和用途开发玻璃工业的发展体现了材料科学技术的不断进步陶瓷原料准备成型工艺黏土、长石、石英等天然矿物原料的通过注浆、压制、拉坯等方法制成所精选和配比需形状高温烧结干燥处理在高温窑炉中烧制，使材料发生物理控制温度和湿度，使坯体中的水分逐化学变化渐蒸发陶瓷具有耐高温、耐腐蚀、绝缘性好等优点，制作工艺历史悠久但技术要求很高现代陶瓷工业不仅保持了传统工艺的精髓，还融入了先进的科学技术，开发出性能更加优异的工程陶瓷和功能陶瓷陶瓷的应用传统应用工业应用高科技应用餐具、卫浴设备、装饰品等日常生活绝缘体、催化剂载体等工业用途，利生物陶瓷、电子陶瓷等高技术领域，用品，这些应用充分利用了陶瓷的美用陶瓷的电绝缘性、化学稳定性和多代表了陶瓷材料的最新发展方向，具观性、耐用性和安全性陶瓷餐具不孔结构在电子工业和化工领域发挥有特殊的功能性和高附加值含有害物质，卫浴陶瓷易于清洁维重要作用•生物陶瓷人工骨骼、牙科材料护•电绝缘子高压线路绝缘•电子陶瓷电容器、传感器•餐具碗、盘、杯等•催化剂载体化工反应•结构陶瓷航空发动机部件•卫浴马桶、洗手盆、瓷砖•耐火材料高温工业炉•装饰品花瓶、摆件、艺术品有机合成材料简介人工合成种类繁多通过化学合成方法制得的主要包括塑料、合成纤有机高分子材料，具有天维、合成橡胶三大类，每然材料所不具备的特殊性类都有众多品种和规格能性能优异与传统材料相比具有重量轻、耐腐蚀、易加工、成本低等显著优势有机合成材料是现代化学工业的重要产品，自世纪以来得到了快速发20展这类材料不仅弥补了天然材料的不足，还开创了许多全新的应用领域从日常生活用品到高科技产品，有机合成材料已经成为现代社会不可缺少的重要组成部分有机高分子材料的分类天然高分子材料改性高分子材料合成高分子材料包括棉麻纤维、天然橡胶、木材等，来在天然高分子基础上进行化学改性，如完全通过人工合成的高分子材料，如塑源于自然界的植物或动物，具有良好的硫化橡胶、赛璐珞等，改善了原有材料料、合成纤维、合成橡胶，性能可以根生物相容性和可降解性的性能据需要设计塑料基本组成由合成树脂及添加剂组成的高分子材料，树脂是主体，添加剂改善特定性能主要特点可塑性好、重量轻、耐腐蚀、绝缘性佳、成本低廉、易于大规模生产常见品种聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯等各PE PVCPS PP有特色塑料是现代生活中使用最广泛的合成材料之一，其优异的加工性能和多样化的品种使其能够满足不同领域的需求塑料工业的发展极大地改变了人们的生活方式，从包装材料到电子产品外壳，塑料无处不在常见塑料及其应用聚乙烯具有优良的化学稳定性和低温韧性，广泛用于包装袋、保鲜膜、塑料瓶等聚氯乙烯具有良好的绝缘性和耐PE PVC候性，常用于管道、电线绝缘层、人造革等聚苯乙烯质轻、绝热性好，适用于一次性餐具、保温材料聚丙烯强度PS PP高、耐疲劳，用于家电外壳、汽车零部件等合成纤维材料来源由合成高分子化合物制成优异性能强度高、耐磨损、易洗快干主要品种尼龙、涤纶、腈纶等广泛应用纺织服装、工业用品合成纤维是由人工合成的高分子化合物经纺丝加工制成的化学纤维，具有强度高、耐磨损、易洗快干等优点与天然纤维相比，合成纤维可以根据需要设计特定的性能，如阻燃、抗菌、导电等功能合成纤维的出现极大地丰富了纺织品的种类，满足了人们对服装和工业用纺织品的多样化需求常见合成纤维及其应用尼龙•丝袜弹性好，透明度高•降落伞强度高，重量轻•渔网耐水性强，不易腐烂涤纶•服装面料抗皱免烫，易护理•工业用带强度高，尺寸稳定•绳索耐候性好，使用寿命长腈纶•毛衣手感柔软，保暖性好•地毯耐磨性强，色彩鲜艳•人造毛皮外观逼真，成本低廉氨纶•弹性面料回弹性优异•运动服装贴身舒适，活动自如•内衣产品弹性持久，穿着舒适合成橡胶耐油性耐老化对各种油类和溶剂具有良好的抵抗具有良好的耐候性和抗老化性能，性，适用于与油品接触的环境使用寿命长，性能稳定弹性好耐低温具有优异的弹性变形能力，能够在外力作用下变形并在外力消除后恢在低温环境下仍能保持良好的弹性复原状和韧性，适用范围广合成橡胶是具有橡胶弹性的合成高分子材料，常见种类包括丁苯橡胶、氯丁橡胶、硅橡胶等与天然橡胶相比，合成橡胶可以根据使用要求设计特定的性能，在某些方面甚至超越天然橡胶合成橡胶的应用轮胎和运输带密封材料特殊环境应用丁苯橡胶和顺丁橡胶是制造轮胎的主硅橡胶和丁基橡胶具有优异的密封性氯丁橡胶耐油性好，氟橡胶耐高温，要材料，具有良好的耐磨性和弹性能，广泛用于各种设备的密封件制适用于特殊工作环境，满足苛刻的使在汽车、飞机、工程机械等领域广泛造，确保设备的可靠运行用条件要求使用•O型圈管道、阀门密封•耐油制品油田设备密封•汽车轮胎乘用车、卡车轮胎•垫片机械设备密封•耐高温制品航空发动机部件•飞机轮胎承受高速和重载•胶管液体输送系统•化工设备耐化学腐蚀•传送带矿山、港口运输白色污染问题回收率低塑料制品回收利用率不高降解周期长需要数百年才能完全降解使用量大塑料制品消费量持续增长环境危害污染土壤、水源，危害生物健康白色污染是指聚乙烯等塑料垃圾造成的环境污染问题由于塑料制品使用量巨大，而其降解周期极长，在自然环境中可持续存在数百年，对土壤、水源和生态环境造成严重影响塑料垃圾还会被动物误食，进入食物链，最终危害人类健康解决白色污染的方法法规约束资源化利用实施限塑令等政策法规，加强环替代化方案完善塑料回收再利用系统，提高境监管，建立生产者责任延伸制减量化策略研发和推广可降解塑料，使用纸回收效率，将废塑料转化为新的度，推动全社会参与治理减少一次性塑料制品的使用，推质、竹质等天然材料替代传统塑有用产品，实现循环利用广可重复使用的环保产品，从源料制品，发展生物基材料头控制塑料垃圾的产生量复合材料概述多材料组合性能优化由两种或两种以上性质不结合不同材料的优点，性同的材料通过特殊工艺复能往往优于任何单一组分合而成，不是简单的物理材料，实现性能的协同效混合应复杂工艺制备过程涉及复杂的物理化学过程，需要精确控制工艺参数和界面结合复合材料代表了材料科学的重要发展方向，通过将不同材料的优势相结合，可以获得单一材料无法达到的优异性能复合材料的设计理念体现了现代材料科学的系统化思维，在航空航天、汽车、建筑等领域发挥着越来越重要的作用玻璃钢玻璃钢的应用交通工具建筑材料体育用品游艇船体、轻型飞机屋顶板、冷却塔、储钓鱼竿、高尔夫球部件、汽车外壳和内水箱、管道系统，发杆、自行车车架、滑饰件，充分利用其轻挥其耐腐蚀和绝缘性雪板，提供优异的弹质高强的特点能性和强度工业设备化工设备、电力设施、海洋工程装备，适应恶劣工作环境碳纤维复合材料

1.63500密度强度g/cm³MPa超轻质材料，仅为钢铁密度的五分之一抗拉强度极高，是普通钢材的数倍230模量GPa刚性优异，变形小，尺寸稳定性好碳纤维复合材料由碳纤维（增强体）和环氧树脂等（基体）复合而成，具有超轻质、高强度、高模量的特点这种材料在航空航天领域应用广泛，也用于高端运动器材和医疗器械碳纤维复合材料代表了现代复合材料技术的最高水平，是高科技领域不可缺少的关键材料智能材料简介感知能力能够感知外界环境的变化，如温度、压力、电场、磁场、光照等各种物理化学刺激，具有类似生物体的感知功能响应机制对感知到的刺激做出特定的响应，通过分子结构或相态的改变来实现性能的调节，体现了材料的智能特性自适应性能够根据环境变化自动调节自身性能，实现自诊断、自修复、自调节等功能，在现代技术中展现出巨大应用潜力智能材料包括压电材料、形状记忆合金、光致变色材料等，这些材料能对外界刺激做出特定响应并改变性质智能材料的发展为传感器、执行器、自适应结构等高技术产品提供了新的解决方案纳米材料尺度定义广泛应用至少一维在纳米尺度（）的材料，尺寸介于原子和宏观物体之间在电子、医药、能源、环保等领域展现出革命性的应用前景1-100nm123独特性质表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应使其具有传统材料所没有的特殊性能纳米材料由于其特殊的尺寸效应，表现出许多奇特的物理化学性质随着纳米技术的发展，纳米材料在药物载体、催化剂、电子器件、能源储存等领域的应用日益广泛纳米材料的研究和应用代表了世纪材料科学的重要发展方向21生物材料生物相容性无毒安全与人体组织具有良好的相容性，不引材料本身及其降解产物对人体无害，起排斥反应，能够安全地植入体内长符合严格的生物安全性要求期使用功能整合力学匹配不仅要替代组织结构，还要实现相应力学性能与被替代组织相匹配，能够的生物功能，促进组织再生和修复承受生理载荷，维持正常功能生物材料用于替代生物体组织、器官，在医疗领域发挥重要作用现代生物材料不仅要求生物相容性好、无毒，还需要力学性能适宜应用包括人工关节、牙科材料、组织工程支架等，为医学治疗提供了新的手段材料在建筑中的应用结构材料装饰材料•钢筋混凝土承重墙、框架结构•瓷砖地面、墙面装饰•钢材高层建筑骨架、桥梁•涂料墙面保护和美化•木材传统建筑、装饰结构•壁纸室内装饰这些材料承担着建筑物的主要承重功主要用于建筑物的美化和装饰，提升能，决定了建筑的安全性和稳定性建筑的视觉效果和居住舒适度功能材料•隔热材料保温节能•隔音材料噪声控制•防水材料防潮防渗具有特定功能，改善建筑的使用性能，提高居住的舒适性和安全性材料在交通工具中的应用汽车工业轨道交通航空航天高强度钢用于车身框架，提供安全保高铁车体大量使用铝合金，实现轻量飞机结构广泛使用铝锂合金和钛合-护；铝合金用于发动机和车身，减轻化；碳纤维复合材料用于高端车型，金，具有高强度和耐腐蚀性；复合材重量；工程塑料用于内饰和外观件，进一步减重；特种钢材用于轨道和关料在现代飞机中占比越来越高，大幅降低成本并提升设计自由度键部件减轻重量•车身高强度钢、铝合金•车体铝合金、不锈钢•机身铝合金、碳纤维复合材料•发动机铸铁、铝合金•内装复合材料、阻燃材料•发动机钛合金、高温合金•内饰工程塑料、纺织品•轨道高强度钢轨•内饰轻质复合材料材料在电子产品中的应用显示材料液晶、等先进显示技术1OLED电池材料2锂离子电池、燃料电池关键材料导电材料3铜、银、导电塑料等连接材料半导体材料4硅、锗、砷化镓等基础芯片材料电子产品的发展离不开各种功能材料的支撑半导体材料如硅、锗、砷化镓是制造芯片的基础；显示材料决定了屏幕的显示效果；电池材料影响设备的续航能力每一代电子产品的升级都伴随着材料技术的进步，材料科学的发展直接推动了电子信息产业的繁荣材料在家居用品中的应用厨房用品不锈钢具有耐腐蚀、易清洁的特点，广泛用于锅具和餐具；陶瓷安全无毒，适合盛装食物；特氟龙涂层具有优异的不粘性能家具材料天然木材具有良好的质感和环保性；胶合板和人造板提供了经济实用的选择；现代家具还广泛使用金属和塑料材料纺织用品棉麻天然纤维透气舒适；化纤材料易洗快干，价格便宜；功能性纺织品具有抗菌、阻燃等特殊性能材料在医疗领域中的应用植入材料钛合金、不锈钢、陶瓷用于人工关节和骨科植入物药物载体生物相容性高分子材料用于控释和靶向给药诊断材料造影剂、荧光材料用于医学影像和检测医疗领域对材料的要求极为严格，不仅要求优异的生物相容性，还需要满足特定的功能需求钛合金因其优秀的生物相容性被广泛用于骨科植入物；高分子材料在药物载体系统中发挥重要作用；各种诊断材料为现代医学诊断提供了技术支撑医用材料的发展极大地推动了现代医学的进步材料在能源领域中的应用太阳能电池风力发电硅材料是传统太阳能电池的核心，钙钛风机叶片大量使用玻璃钢和碳纤维复合矿材料代表了新一代高效太阳能电池的材料，实现轻质高强，提高发电效率发展方向储能材料核能材料锂离子电池、燃料电池等储能技术的关核反应堆使用特种合金和陶瓷材料，要键在于电极材料和电解质材料的性能求极高的耐辐射和耐高温性能能源材料是实现能源转换和存储的关键，直接影响着新能源技术的发展随着环保要求的提高和传统能源的日渐短缺，新能源材料的研发变得越来越重要。