常见材料教学课件

常见材料教学课件第一章材料的基本概念与分类材料科学是研究材料成分、结构、性能及其应用的科学在人类文明发展史上，材料的进步往往标志着社会的变革，从石器时代、青铜时代、铁器时代，到现代的高分子材料时代和复合材料时代，人类对材料的认识和应用不断深入本章将介绍材料的基本概念、分类方法以及主要性能指标，为后续各类材料的详细学习奠定基础通过系统的分类学习，我们将建立起对材料世界的整体认知框架学习目标•理解材料的基本概念和定义•掌握材料的主要分类方法•了解评价材料性能的主要指标•建立材料科学的基础知识体系重点内容•材料的定义与来源•材料的分类体系•材料的物理、化学、机械性能什么是材料？材料是制造各种物品的物质基础，是人类在生产和生活中所利用的各种物质材料的种类繁多，其性能各异，为按性质分类人类创造了丰富多彩的物质世界按来源分类金属材料1具有金属光泽、良好导电导热性、可塑性强的材料，如铁、天然材料铜、铝及其合金等直接从自然界获取，经简单加工即可使用的材料，如木材、石材、天然橡胶、棉麻丝毛等天然纤维、天然矿物等无机非金属材料人造材料2主要包括陶瓷、玻璃、水泥等硅酸盐材料，通常具有高硬度、耐高温、化学稳定性好等特点通过人工合成或复杂加工制成的材料，如金属合金、水泥、玻璃、陶瓷、塑料、合成纤维、合成橡胶等随着科技发展，人造材料的种类和用途不断扩展有机高分子材料3包括塑料、合成纤维、合成橡胶等，具有质轻、绝缘、易加工等特点复合材料材料的主要性能材料的性能是指材料在加工、使用过程中表现出来的各种特性，是选择和应用材料的重要依据不同材料因其内部结构和组成的差异，表现出各种不同的性能特点机械性能物理性能硬度材料抵抗硬物压入其表面的能力密度单位体积的质量，影响材料的重量强度材料抵抗永久变形或断裂的能力导电性材料传导电流的能力弹性材料在外力去除后恢复原状的能力导热性材料传导热量的能力韧性材料吸收能量而不断裂的能力透明性材料允许光线通过的程度可塑性材料在外力作用下产生永久变形而不熔点材料从固态转变为液态的温度断裂的能力化学性能耐腐蚀性材料抵抗化学物质侵蚀的能力耐候性材料抵抗自然环境（阳光、雨水、温度变化等）影响的能力化学稳定性材料在各种环境中保持化学组成不变的能力燃烧性材料在火焰中的表现和燃烧程度在选择材料时，需要综合考虑各种性能指标，根据具体应用场景的要求，选择最适合的材料例如，制造飞机零部件需要既轻又坚固的材料，而制造厨房用具则需要耐热且不易与食物发生化学反应的材料材料分类示意图上图直观展示了现代材料科学的分类体系，帮助我们理解各类材料之间的关系和层次结构这种系统化的分类方法便于我们对材料进行研究和应用陶瓷材料金属材料•传统陶瓷（瓷器、砖瓦）•黑色金属（铁及其合金）•工程陶瓷（氧化铝、碳化硅）•有色金属（铜、铝、锌等）•功能陶瓷（压电、铁电）•贵金属（金、银、铂等）塑料•稀有金属（钛、锆等）•热塑性塑料（可回软）•热固性塑料（不可回软）•工程塑料（耐高温高强）复合材料•金属基复合材料纤维材料•陶瓷基复合材料•天然纤维（棉、麻、丝、毛）•高分子基复合材料•合成纤维（涤纶、锦纶等）•无机纤维（玻璃纤维、碳纤维）随着科学技术的发展，材料的分类体系也在不断完善和细化现代材料科学更加注重材料的结构与性能关系，以及多种材料的复合应用，以满足各行各业对高性能、多功能材料的需求第二章无机非金属材料无机非金属材料是不含碳元素（或仅含少量碳）的非金属材料，主要包括硅酸盐材料（如玻璃、陶瓷、水泥）、无机非金属矿物材料等这类材料通常具有耐高温、硬度高、化学稳定性好等特点，在建筑、电子、能源等领域有广泛应用学习目标硅酸盐材料的共同特点•了解无机非金属材料的主要种类•主要成分都含有硅氧四面体结构•掌握硅酸盐材料的基本性质•原料大多来源于自然界的硅酸盐矿物•理解水泥、玻璃、陶瓷的制备原理•制备过程通常需要高温处理•了解无机非金属材料的主要应用领域•具有较高的耐热性和化学稳定性无机非金属材料作为人类最早使用的人工材料之一，见证了人类文明的发展从古代的陶器、砖瓦、玻璃制品，到现代的高性能陶瓷、特种玻璃，无机非金属材料在满足人类基本需求的同时，也推动着科技的进步硅酸盐材料简介硅酸盐材料是以含硅物质为主要原料，通过一系列物理化学变化制成的无机非金属材料其基本主要硅酸盐材料类别结构单元是硅氧四面体SiO₄，这些四面体通过共用氧原子相互连接，形成不同的空间结构，从而赋予材料各种特性水泥硅酸盐材料的基本组成水硬性无机胶凝材料，与水混合后能硬化的粉状材料，是建筑工程的基础材料主要成分SiO₂、Al₂O₃、CaO、MgO等氧化物辅助成分Na₂O、K₂O、Fe₂O₃等玻璃原料来源黏土、石英砂、长石、石灰石等天然矿物非晶态固体，无规则网状结构，具有透明性，在建筑、器皿、光学等领域广泛应用硅酸盐材料的共同特点•高熔点（一般超过1000℃）陶瓷•高硬度、脆性大经高温烧结的无机非金属材料，包括日用陶瓷、建筑陶瓷和特种陶瓷等•化学稳定性好，耐腐蚀•电绝缘性好（特殊处理除外）•制备过程通常需要高温烧结或熔融硅酸盐材料作为人类最早使用的人工材料之一，历史悠久，技术成熟，原料丰富，成本相对较低，因此在国民经济中占有重要地位随着科技的发展，硅酸盐材料不断创新，产品性能不断提高，应用领域不断拓展水泥的制造与应用水泥是一种重要的建筑材料，是建筑工程的血液它是将石灰质和黏土质原料按适当比例混合，经高温煅烧得到的熟料，再与适量石膏磨细而成的水硬性胶凝材料原料准备破碎与磨细石灰石（提供CaO）、黏土（提供SiO₂、Al₂O₃）、铁质原料（提供Fe₂O₃）、石膏（调节凝结时间）将原料破碎并磨成细粉，以增大反应表面积，促进化学反应的进行熟料煅烧熟料粉磨在水泥回转窑中高温（1450℃左右）煅烧，使原料发生一系列复杂的物理化学变化，形成水泥熟料将熟料与适量石膏（3-5%）共同磨细，控制水泥的凝结时间，最终得到成品水泥水泥的主要性能凝结硬化性能主要应用领域水泥与水混合后，经过一段时间开始凝结，并逐渐硬化，最终形成坚硬的石状体这是水泥最基本、最重要的性混凝土工程建筑结构、道路桥梁、水利工程能砌筑工程砖墙、砌块墙的砌筑砂浆初凝时间不早于45分钟装饰工程抹灰、地面、装饰面层终凝时间不迟于10小时预制构件混凝土管、桩、板、砖等硬化机理水泥中的硅酸钙、铝酸钙等矿物与水发生水化反应，生成水化产物，逐渐结晶交联形成网状结构特殊工程水下工程、抗硫酸盐工程、低温工程等水泥工业是国民经济的基础产业，也是能源消耗和二氧化碳排放的大户近年来，低碳水泥、绿色水泥的研发成为行业热点，以减少对环境的影响玻璃的工业制备玻璃是一种以二氧化硅为主要成分的非晶态无机非金属材料，具有透明、硬而脆的特性玻璃在日常生活和工业生产中应用广泛，玻璃制备的化学反应从普通窗户玻璃到光学仪器镜片，从日用器皿到特种工业玻璃，品种繁多玻璃制备过程中的主要化学反应玻璃的主要原料Na₂CO₃+SiO₂→Na₂SiO₃+CO₂↑CaCO₃→CaO+CO₂↑CaO+SiO₂→CaSiO₃造玻组分石英砂（SiO₂）玻璃的骨架材料，提供网络形成体助熔组分纯碱（Na₂CO₃）降低熔点，提高流动性长石（K₂O·Al₂O₃·6SiO₂）提供碱金属氧化物稳定组分玻璃的主要性质石灰石（CaCO₃）提高化学稳定性非晶态结构无规则的三维网状结构白云石（CaCO₃·MgCO₃）提高硬度和耐久性无固定熔点随温度升高逐渐软化，有一定软化温度范围透明性可见光波段具有良好的透光性化学稳定性抵抗酸、碱、盐等化学物质侵蚀的能力澄清剂脆性受力时易脆性断裂，无明显塑性变形氧化砷（As₂O₃）消除气泡，提高透明度隔热性导热系数小，是良好的隔热材料着色剂各种金属氧化物如CoO（蓝）、Cr₂O₃（绿）、Au（红）玻璃工业是能源密集型产业，近年来向节能环保、高附加值方向发展新型玻璃如Low-E玻璃、光伏玻璃、超白玻璃等成为行业发展重点，智能玻璃、特种功能玻璃也成为研发热点陶瓷的特点与用途陶瓷是以黏土等天然原料为基础，经成型、干燥和高温烧结而成的无机非金属材料陶瓷制品历史悠久，是人类文明的重要标志之一从古代的陶器、瓷器，到现代的工业陶瓷、电子陶瓷，陶瓷材料的应用范围不断扩大陶瓷的主要优点与特性℃⁶18009+10¹Ω·cm

0.99耐高温高硬度绝缘性耐腐蚀大多数陶瓷材料具有极高的熔点，可在高温环境下长期使陶瓷的硬度通常在莫氏硬度7-9之间，部分特种陶瓷甚至大多数陶瓷是优良的电绝缘体，体积电阻率高达陶瓷对酸、碱、盐等化学物质具有很强的抵抗能力，在苛用而不变形、不软化可达到9以上10¹⁶Ω·cm刻环境下仍能保持稳定陶瓷的主要用途日用陶瓷建筑陶瓷•餐具盘、碗、杯、壶等•墙地砖内外墙砖、地砖•艺术品花瓶、雕塑、装饰品•屋面材料陶瓦、琉璃瓦•卫生洁具面盆、马桶、浴缸等•管道材料陶瓷排水管工业陶瓷特种陶瓷•耐火材料高炉用耐火砖•电子陶瓷压电、铁电陶瓷•绝缘材料电瓷、绝缘子•生物陶瓷人工骨、牙齿材料•抗磨材料陶瓷轴承、阀门•功能陶瓷催化剂载体、传感器思考问题陶瓷的制造原料主要有高岭土（Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O）、石英（SiO₂）、长石（K₂O·Al₂O₃·6SiO₂或Na₂O·Al₂O₃·6SiO₂）等不同种类的陶瓷，其原料配比不同，烧成温度也不同，从而获得不同的性能和特点第三章有机合成材料有机合成材料是以碳元素为骨架，通过人工合成方法制得的高分子材料，主要包括塑料、合成纤维和合成橡胶这类材料具有质轻、易加工、绝缘、耐腐蚀等特点，广泛应用于包装、建筑、交通、电子、纺织等领域学习目标•了解有机合成材料的分类与特点•掌握塑料、合成纤维、合成橡胶的基本性质•理解有机合成材料的制备原理•了解有机合成材料的主要应用领域•认识白色污染问题及其解决方案有机合成材料的共同特点•基本组成元素为C、H、O、N等•分子量大，分子结构复杂•通常由小分子单体聚合而成•熔点或软化点相对较低•可塑性好，易于加工成型•质轻，强度相对较低•绝缘性好，耐腐蚀性强有机合成材料的出现和发展极大地丰富了人类可用的材料种类，改变了人们的生活方式与传统材料相比，有机合成材料可以通过调整分子结构和添加各种助剂，设计出具有特定性能的材料，满足各种特殊需求合成高分子材料分类合成高分子材料1塑料合成纤维2合成橡胶热塑性塑料热固性塑料涤纶、锦纶3腈纶、维纶丁苯橡胶顺丁橡胶聚乙烯、聚丙烯聚氯乙烯、聚苯乙烯酚醛塑料、环氧树脂聚酯纤维、聚酰胺纤维4聚丙烯腈纤维、聚乙烯醇纤维丁苯共聚物、顺式聚丁二烯氯丁橡胶、丁腈橡胶塑料合成纤维合成橡胶以合成树脂为主要成分，加入各种添加剂，在一定温度和压力下可塑成一定形状，冷却后保持该形状的由合成高分子化合物纺制成的具有一定长度和细度的柔软材料纤维内部的高分子链呈高度定向排列，由单体通过聚合反应合成的具有高弹性的高分子材料在常温下具有弹性，可以被拉伸至少两倍长度，释放材料根据加热后的性质，分为热塑性塑料和热固性塑料赋予纤维独特的力学性能外力后能迅速恢复原状热塑性塑料实例热塑性塑料是一类能够重复加热软化、冷却硬化的塑料，其分子结构为线型或支链型，分子间以范德华力或氢键结合这种可逆的软化-硬化特性使其可以重复利用，有利于资源回收聚乙烯PE聚丙烯PP由乙烯聚合而成，结构最简单的高分子，根据密度分为高由丙烯聚合而成，分子中含有甲基侧基，使其具有较高的密度HDPE和低密度LDPE刚性和熔点特点柔软、轻质、耐化学腐蚀、绝缘性好特点强度高、耐热性好、耐化学腐蚀、密度小用途塑料袋、包装膜、容器、管道、绝缘材料用途汽车零部件、家电外壳、食品容器、纤维制品聚合反应nCH₂=CH₂→[-CH₂-CH₂-]n聚合反应nCH₂=CH-CH₃→[-CH₂-CHCH₃-]n聚氯乙烯聚苯乙烯PVC PS由氯乙烯聚合而成，分子中含有氯原子，使其具有阻燃性由苯乙烯聚合而成，分子中含有苯环侧基，使其具有较高和耐化学腐蚀性的刚性和透明度特点耐腐蚀、阻燃、绝缘性好、价格低特点透明、刚性好、绝缘性好、易加工、价格低用途管道、电线外皮、地板、建材、人造革用途一次性餐具、包装材料、绝缘材料、日用品聚合反应nCH₂=CHCl→[-CH₂-CHCl-]n聚合反应nCH₂=CH-C₆H₅→[-CH₂-CHC₆H₅-]n热塑性塑料在加热时，分子间的作用力减弱，分子链能够相对滑动，表现为软化；冷却时，分子间作用力恢复，塑料重新硬化这种可逆的物理变化是热塑性塑料可重复加工利用的基础随着科技的发展，工程塑料、特种工程塑料等高性能热塑性塑料不断涌现，应用领域不断拓展热固性塑料实例热固性塑料是一类在加热或添加催化剂后，通过化学交联反应形成不溶、不熔的网状或体型结构的塑料一旦硬化，再加热也不会软化，这种不可逆的化学变化使其具有优异的耐热性、尺寸稳定性和机械强度酚醛塑料（电木）酚醛塑料是最早实现工业化生产的合成树脂，由酚与甲醛在催化剂作用下缩聚而成其发明者为比尔基兰德，产品商品名为电木合成反应主要用途C₆H₅OH+HCHO→[-C₆H₃OH-CH₂-]n电气工业开关、插座、电器外壳、绝缘零件主要特点•耐热性好，热变形温度高达150-200℃机械工业•机械强度高，硬度大齿轮、轴承、阀门零件、密封件•耐酸耐碱，化学稳定性好•电绝缘性好，耐电弧日用品•成本低，加工简便锅柄、餐具柄、装饰品胶粘剂木材胶合、砂轮结合剂其他常见热固性塑料环氧树脂粘接强度高，用于胶粘剂、电子封装不饱和聚酯可与玻璃纤维复合，制作船体、汽车部件氨基塑料表面硬度高，用于饰面板、餐具聚氨酯可制成泡沫、弹性体，用途广泛热固性塑料的硬化过程是分子之间形成共价键交联的过程，这些交联不可逆转，因此热固性塑料一旦硬化成型，就不能再熔化重新加工这限制了其回收利用，但其优异的性能使其在特定领域不可替代未来的发展方向是研发可控交联、可降解或可回收的新型热固性塑料合成纤维的性能与应用合成纤维是由合成高分子化合物通过纺丝工艺制成的纤维状材料其中高分子链呈高度取向排列，赋予纤维独特的力学性能合成纤维的出现极大地丰富了纺织原料，改变了人们的穿着习惯强度高弹性好耐磨耐腐蚀大多数合成纤维的强度高于天然纤维，如涤纶的强度是棉花的2-3合成纤维具有优良的弹性恢复性，如锦纶、氨纶等弹性特别好，可合成纤维的耐磨性和耐腐蚀性普遍优于天然纤维，不易被虫蛀、霉倍，锦纶的强度是丝绵的3-4倍这使得合成纤维制品更加耐用，用于制作弹力服装、内衣、运动服等，提供舒适的穿着体验变，对酸碱等化学物质也有较强的抵抗力，便于保养和清洗使用寿命更长主要合成纤维及其应用聚酯纤维（涤纶）聚酰胺纤维（锦纶）特点强度高、弹性好、耐热、耐光、不易皱、易洗快干特点强度高、韧性好、弹性佳、耐磨、吸湿性强用途服装面料、窗帘、床单、填充物、工业用布用途丝袜、运动服、绳索、降落伞、地毯案例化纤布料、抓绒衣、运动服、涤棉混纺衬衫案例尼龙丝袜、运动夹克、背包、帐篷、鱼线聚丙烯腈纤维（腈纶）聚氨酯弹性纤维（氨纶莱卡）/特点保暖性好、质轻、类似羊毛手感、色牢度好特点超高弹性，可伸长5-7倍不变形用途仿毛织物、毛衣、地毯、毛毯用途弹力服装、内衣、泳装、运动装案例仿羊绒毛衣、人造皮草、保暖内衣案例紧身裤、塑身内衣、弹力袜、运动紧身衣合成纤维虽然具有许多优点，但也存在一些缺点，如亲肤性不如天然纤维、静电大、透气性差等因此，在实际应用中，常常将合成纤维与天然纤维混纺，以结合两者的优点，提升服装整体性能随着科技的发展，功能性合成纤维如抗菌纤维、阻燃纤维、导电纤维等不断涌现，应用领域不断拓展合成橡胶的优势合成橡胶是以石油、煤等为原料，通过化学合成方法制得的具有高弹性的高分子材料与天然橡胶相比，合成橡胶可以通过调整主要合成橡胶品种及应用分子结构，设计出满足特定需求的产品，具有更广泛的适用性合成橡胶的主要优势丁苯橡胶SBR由丁二烯和苯乙烯共聚而成，是产量最大的合成橡胶特点耐磨性好，耐老化，成本低用途轮胎胎面、鞋底、输送带、胶管95%顺丁橡胶BR高弹性由1,3-丁二烯聚合而成，分子链呈顺式结构大多数合成橡胶在常温下可被拉伸至原长数倍，释放外力后能迅速恢复原状特点弹性好，低温性能优异，耐磨用途轮胎胎侧、防震橡胶制品、胶带丁腈橡胶NBR由丁二烯和丙烯腈共聚而成特点优异的耐油性、耐溶剂性80%用途油封、垫圈、耐油胶管、耐油手套绝缘性合成橡胶是优良的电绝缘材料，广泛用于电线电缆的绝缘层氯丁橡胶CR由2-氯-1,3-丁二烯聚合而成特点耐油、耐热、阻燃、耐候性好用途传送带、胶管、电缆护套、防腐涂料90%耐油性白色污染问题与解决方案随着塑料制品在日常生活中的广泛应用，废弃塑料对环境造成的污染问题日益严重，这就是我们常说的白色污染本章将探讨白色污染的成因、危害以及可能的解决方案什么是白色污染？白色污染是指因废弃塑料制品（如塑料袋、一次性餐具、包装材料等）在自然环境中难以降解，对生态环境和人类健康造成的污染问题之所以称为白色污染，是因为这些塑料制品多为白色或浅色，在环境中特别显眼白色污染的主要危害生态破坏塑料在自然环境中需要几十年甚至几百年才能完全降解，长期存在于土壤和水体中动物伤害海洋生物误食塑料，导致消化道堵塞、营养不良甚至死亡水质污染塑料分解产生的微塑料进入水体，影响水质安全土壤污染埋入土壤中的塑料影响土壤结构和肥力视觉污染随意丢弃的塑料垃圾影响城市和自然环境的美观健康风险微塑料通过食物链进入人体，可能带来健康隐患焚烧危害含氯塑料（如PVC）焚烧会产生二噁英等有毒气体解决白色污染问题需要政府、企业和个人的共同努力从源头减少塑料使用，到提高回收利用率，再到开发可降解材料，都是应对白色污染的有效措施接下来我们将详细探讨这些解决方案什么是白色污染？白色污染是指废弃塑料制品（如塑料袋、泡沫塑料、一次性餐具等）在自然环境中难以降解，对生态环境造成的污染这些白色污染的主要危害塑料制品通常呈白色或浅色，在环境中显得特别刺眼，故称为白色污染白色污染的主要来源包装材料食品包装、购物袋、快递包装等，这类塑料使用寿命短，但数量巨大土壤污染一次性餐具废弃塑料分解缓慢，破坏土壤结构，影响植物生长，降低土壤肥力塑料地膜残留引起的白色污染已成为许多农业区的严重问题塑料杯、盘、餐盒、吸管等，使用后立即成为垃圾水质污染农用塑料大量塑料垃圾进入河流、湖泊和海洋，影响水生生物，破坏水域生态平衡微塑料已在全球水体中广泛存在，甚至污染饮用水源农用地膜、塑料大棚等，使用后难以完全回收焚烧危害塑料微珠含氯塑料（如PVC）焚烧时会产生二噁英等有毒气体，对人体健康造成危害不当焚烧处理是化妆品、洗护产品中的微塑料，通过下水道进入水体许多地区的常见问题塑料的耐久性是其作为材料的优点，但同时也是环境污染的根源普通塑料在自然环境中降解需要几十年甚至几百年时间据统计，全球每年生产的塑料超过4亿吨，其中约有800万吨最终进入海洋如果不采取有效措施，到2050年，海洋中的塑料重量可能超过鱼类解决白色污染问题需要从源头减少塑料使用，提高回收利用率，同时开发环境友好型替代材料解决白色污染的措施解决白色污染问题需要政府、企业和个人的共同努力，采取多层次、全方位的应对措施从减少使用，到重复利用，再到回收处理，形成完整的解决方案体系减少一次性塑料使用重复利用塑料制品政府层面限塑令、塑料税、禁止微珠提倡耐用设计延长产品使用寿命企业层面减少过度包装、使用替代材料建立再使用系统可重复使用的包装个人层面自带购物袋、水杯、餐具共享经济模式租赁代替购买推广可降解塑料回收废弃塑料再利用生物基塑料基于淀粉、纤维素等分类回收系统提高收集效率可降解塑料PLA、PBAT等材料再生技术创新提升再生品质建立标准体系规范可降解定义拓展再生应用开发高值化产品典型案例与实践限塑政策绿色包装循环经济模式中国2021年起分阶段、分领域禁止或限制部分塑料制品的生产、亚马逊推出无忧包装计划，减少过度包装，使用可回收材料星循环购物平台提供可重复使用的包装容器，消费者使用后归还，销售和使用到2025年，一次性塑料制品消费量明显减少，替代巴克承诺到2025年实现100%可回收或可堆肥的杯子清洗后再次投入使用，减少一次性包装浪费产品得到推广解决白色污染问题不能一蹴而就，需要各方持续努力关键是转变发展理念，从生产-使用-废弃的线性经济模式，转向减量化、再利用、资源化的循环经济模式废塑料回收利用方式废塑料的回收利用是解决白色污染的重要途径根据处理方式的不同，塑料回收可分为物理回收、化学回收和能源回收三大类不同的回收方式适用于不同种类和状态的废塑料化学回收物理回收（机械回收）通过化学反应将废塑料分解为单体或其他化学原料，再重新聚合成新塑料将废塑料通过机械方法直接加工成再生塑料制品，是最常见的回收方式收集分类将废塑料按材质（PE、PP、PET等）分类，提高后续加工的纯度和质量清洗破碎解聚反应将聚合物分解为单体，如PET解聚为对苯二甲酸和乙二醇去除污染物，并将塑料破碎成小颗粒，便于后续加工热解反应在无氧条件下加热塑料，分解为低分子量化合物适用范围复杂混合废塑料、污染严重的废塑料优缺点产品质量高，可循环使用，但成本高、技术要求高熔融挤出能源回收将塑料颗粒加热熔融，通过挤出机挤出成型将废塑料作为燃料，通过燃烧或热解获取能源造粒成型直接燃烧在垃圾焚烧发电厂中作为燃料使用转化为燃油通过热解等工艺转化为液体燃料制成再生塑料颗粒或直接成型为各种再生塑料制品适用范围无法物理或化学回收的废塑料优缺点可处理难回收塑料，但需严格控制排放适用范围清洁、单一材质的废塑料，如饮料瓶、洗发水瓶等优缺点成本低、技术成熟，但再生品质量可能下降，用途受限9%12%12%全球塑料回收率塑料焚烧率据联合国环境规划署统计，全球仅有约9%的塑料废弃物被回收利用约12%的塑料废弃物被焚烧处理，部分用于能源回收79%第四章复合材料复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学方法复合而成的新型材料它综合了各组分材料的优点，克服了单一材料的局限性，实现了性能的优化组合，是现代材料科学的重要发展方向学习目标复合材料的基本组成•理解复合材料的基本概念与特点基体材料连续相，起到粘结、传递载荷、保护增强相的作用•掌握复合材料的分类方法增强材料非连续相，提供强度、刚度等主要力学性能•了解典型复合材料的性能与应用界面基体与增强相之间的结合区域，影响复合材料的性能•认识复合材料在现代工业中的重要地位复合材料的主要分类按基体材料分类按增强材料形态分类按制备方法分类•金属基复合材料（MMC）•颗粒增强复合材料•机械混合型•陶瓷基复合材料（CMC）•纤维增强复合材料•反应浸渗型•高分子基复合材料（PMC）•层状复合材料•原位复合型复合材料已成为航空航天、汽车、电子、建筑、体育等领域不可或缺的重要材料随着科技的发展，智能复合材料、纳米复合材料、生物复合材料等新型复合材料不断涌现，为人类创造更加美好的物质世界复合材料定义与特点复合材料是指由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学方法复合而成，各组分在宏观复合材料的主要特点上仍保持各自的特性，但材料整体性能优于单一组分的新型材料高比强度、高比模量复合材料的基本组成比强度是指材料的强度与密度之比，比模量是指材料的弹性模量与密度之比许多复合材基体材料（Matrix）连续相，起到粘结、传递载荷、保护增强相的作用料的比强度和比模量远高于传统金属材料，如碳纤维复合材料的比强度是钢的5-8倍增强材料（Reinforcement）非连续相，提供强度、刚度等主要力学性能界面（Interface）基体与增强相之间的结合区域，影响复合材料的性能可设计性强复合材料的设计原理可根据使用要求，通过选择不同的基体和增强材料，调整其比例、排列方式等，设计出满复合材料的设计基于优势互补原则，通过合理选择基体和增强材料，优化其比例和结构，使复足特定性能要求的材料这种量身定制的特性是复合材料的重要优势合材料具有单一材料无法达到的综合性能综合性能优异可同时具备多种优良性能，如高强度、轻质量、耐腐蚀、耐高温、隔热、绝缘等，满足多种复杂环境的使用要求各向异性某些复合材料在不同方向上表现出不同的性能特点，这种各向异性可以被利用来满足特定方向上的高性能要求，如纤维增强复合材料沿纤维方向具有最高强度复合材料的概念并非现代的发明事实上，早在古代，人们就已经开始使用复合材料的概念，如古埃及人用草和泥制作的砖块，中国古代的漆器等然而，现代复合材料的研究和应用则是从20世纪中期开始蓬勃发展的，特别是纤维增强复合材料的出现，为航空航天等高技术领域提供了关键材料支持玻璃钢示例玻璃钢，又称玻璃纤维增强塑料（GFRP），是最早发展和应用最广泛的复合材料之一它以不饱和聚酯、环氧树脂等为基体，玻璃纤维为增强材料，通过特定工艺制成的复合材料玻璃纤维（增强相）树脂基体（基体相）提供高强度和刚度，是玻璃钢的骨架连接和固定玻璃纤维，传递载荷，保护纤维免受环境损伤成型工艺界面处理决定材料的结构和性能，包括手糊、喷射、模压、拉挤等工艺改善纤维与树脂间的结合，优化性能玻璃钢的主要性能特点×其他重要特性1/53设计灵活性可根据使用要求设计不同结构和性能的产品密度比强度比整体成型能力可一次成型复杂形状，减少零件数量和连接点透波性对电磁波、无线电波有良好的透过性，适用于雷达罩玻璃钢的密度约为钢的1/5，铝的1/2，是一种典型的轻质高强材料某些高性能玻璃钢的比强度可达钢的3倍，比铝高30%以上阻燃性添加阻燃剂后具有良好的阻燃性能维修简便损伤后容易修复，维修成本低

0.9910¹⁵Ω色彩丰富可在树脂中添加颜料，制成各种颜色的产品玻璃钢综合了玻璃纤维的高强度和树脂的轻质、成型性好等特点，克服了单一材料的不足，实现了性能的优化组合复合材料的应用领域复合材料因其优异的综合性能，已在航空航天、汽车制造、建筑工程、体育器材、电子产品等众多领域获得广泛应用不同类型的复合材料，因其特性各异，在不同领域发挥着重要作用其他重要应用领域航空航天领域航空航天是复合材料应用最早、最广泛的领域之一轻质高强的特性使复合材料成为理想的航空航天结构材料飞机结构件航天器组件现代大型客机如波音

787、空客A350的机身和机翼结构中，复合材料用量已达50%以上，火箭壳体、卫星天线、太阳能电池板支架等，大量使用碳纤维、硼纤维复合材料，满足轻大幅降低了飞机重量，提高了燃油效率量化和高稳定性要求建筑工程发动机部件•桥梁加固与修复•轻质建筑板材高温区域使用碳/碳复合材料、陶瓷基复合材料，提高发动机效率和使用寿命•装饰性建筑构件汽车制造领域体育器材•碳纤维自行车架•网球拍、高尔夫球杆车身结构•滑雪板、冲浪板高性能跑车、电动汽车采用碳纤维车身，减轻重量，提高性能电子产品•手机、笔记本外壳•印刷电路板基材内饰部件•电子设备散热组件仪表板、门板、座椅骨架等使用玻璃纤维复合材料，降低成本医疗领域•假肢、矫形器发动机组件•X光设备部件进气歧管、连杆等使用短纤维增强工程塑料，减轻重量，提高性能•牙科材料复合材料的应用正在从高端、专业领域向大众消费品领域扩展随着制造成本的降低和生产技术的进步，复合材料将在更多领域发挥重要作用未来，功能化复合材料、智能复合材料、环保型复合材料将成为研发热点，为人类创造更加美好的物质世界第五章材料的应用与环保意识材料是人类文明发展的物质基础，从石器时代到信息时代，材料的进步推动了社会的变革然而，材料的开发利用也带来了资源消耗和环境污染等问题本章将探讨材料在日常生活中的应用，以及如何在材料使用过程中树立环保意识，促进材料的可持续发展学习目标•了解各类材料在日常生活中的应用•认识有害材料及其对环境和健康的影响•理解材料可持续发展的重要性•掌握选择和使用环保材料的基本原则材料与环境的关系•材料的开采、生产对环境的影响•材料使用过程中的能源消耗•废弃材料的处理与环境污染•可再生、可降解材料的发展趋势在享受材料科技带来便利的同时，我们也应当关注材料对环境的影响，树立绿色环保意识，推动材料科学向可持续方向发展通过选择环保材料、延长材料使用寿命、回收再利用废弃材料等方式，每个人都可以为保护环境做出贡献材料在日常生活中的应用我们的日常生活离不开各种材料从住所到交通工具，从食物容器到通讯设备，从衣物到文具，处处都有各类材料的身影不同材料因其独特的性能特点，在不同场景中发挥着重要作用木材金属木材是最古老的建筑和家具材料之一，具有温暖的质感、良好的加工性能和美观的纹理金属材料强度高、导热导电性好，在工具、设备、结构件等领域广泛应用家具桌椅、床、衣柜、书架等工具刀具、扳手、锤子、剪刀建筑木结构房屋、地板、门窗、装饰板材交通工具汽车、自行车、火车、飞机工艺品木雕、木质玩具、乐器厨房用具锅、刀、餐具、水槽建筑结构钢筋、钢梁、铝合金门窗纤维陶瓷纤维材料柔软、透气、吸湿，是服装和家纺产品的主要原料陶瓷材料硬度高、耐热、化学稳定性好，广泛用于餐具、卫浴等领域服装衬衫、裤子、外套、内衣餐具碗、盘、杯、壶家纺床单、被套、窗帘、地毯卫浴设备马桶、洗手盆、浴缸包袋书包、手提袋、行李箱建筑材料地砖、墙砖、瓷砖绳索捆绑绳、登山绳、钓鱼线装饰品花瓶、雕塑、摆件塑料玻璃塑料材料轻便、易加工、防水、绝缘，是现代生活中使用最广泛的材料之一玻璃材料透明、耐腐蚀、绝缘，广泛用于窗户、容器、光学仪器等容器饮料瓶、食品盒、收纳箱建筑窗户玻璃、玻璃幕墙、玻璃门电器外壳电视、电脑、手机外壳容器杯子、瓶子、罐子管道水管、电线套管光学仪器镜片、显微镜、望远镜包装塑料袋、包装膜、泡沫箱电子设备手机屏幕、电视屏幕材料的选择和应用应当考虑功能需求、成本效益、环境影响等多方面因素随着科技的发展和环保意识的提高，新型环保材料和智能材料正逐渐进入我们的日常生活，为人们提供更加安全、健康、舒适的生活环境有害材料及其危害在日常生活和工业生产中，某些材料因其特殊的物理、化学性质，可能对人体健康和环境造成危害了解这些有害材料的特性和危害，对于安全使用和正确处置常见有害材料及其危害至关重要有害材料的主要分类腐蚀性材料能够腐蚀或破坏生物组织、金属和其他材料的物质，如强酸、强碱等例如硫酸、盐酸、氢氧化钠危害皮肤灼伤、眼睛损伤、呼吸道刺激漂白剂日常接触洁厕剂、下水道清洁剂、电池液主要成分为次氯酸钠，具有强氧化性和腐蚀性不当使用或与其他清洁剂混合可能产生有毒气体长期接触可能导致皮肤过敏、呼吸道问题易燃材料废旧电池容易被点燃并持续燃烧的物质，可能导致火灾或爆炸含有镉、铅、汞等有害重金属不当处置会导致这些重金属渗入土壤和水源，通过食物链最终危害人体健康，可能导致神经系统损伤、智力发育迟缓等问例如汽油、酒精、油漆稀释剂题危害火灾、爆炸、烧伤日常接触打火机油、指甲油去除剂、某些清洁剂含石棉材料石棉曾广泛用于建筑隔热、防火材料石棉纤维被吸入肺部后难以排出，长期接触可能导致石棉肺、肺癌等严重疾病毒性材料通过摄入、吸入或皮肤接触可能导致人体中毒的物质含铅涂料例如农药、杀虫剂、某些重金属旧式建筑中可能使用含铅涂料铅粉尘或铅蒸气被吸入或通过皮肤接触进入体内，可能导致铅中毒，影响神经系统、血液系统和肾脏功能危害急性中毒、慢性健康问题、器官损伤日常接触杀虫喷雾、防腐木材、某些油漆如何安全使用和处置有害材料阅读标签使用前仔细阅读产品标签和安全说明，了解正确使用方法和注意事项使用防护装备根据材料性质，使用适当的防护手套、口罩、眼镜等个人防护装备保持通风在通风良好的环境中使用有害材料，避免有害气体积累材料的可持续发展随着环境问题日益严峻和资源日趋紧张，材料的可持续发展已成为材料科学的重要研究方向可持续材料是指在满足当代人需求的同时，不损害后代人满足其需求能力的材料，强调资源的高效利用、环境影响最小化和废弃物回收再利用绿色材料研发生物基材料可降解材料以可再生生物质为原料的材料，如生物基塑料、生物基复合材料在自然环境或特定条件下能够降解为无害物质的材料PLA（聚乳酸）以玉米、甘蔗等为原料的生物降解塑料PBAT（聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯）完全生物降解的聚酯纤维素基材料以木材、竹子等为原料的新型材料PBS（聚丁二酸丁二醇酯）可在土壤和水中降解的聚酯蛋白质基材料以大豆、小麦等为原料的天然高分子材料PHAs（聚羟基烷酸酯）微生物合成的生物降解塑料节能环保材料低毒无害材料生产过程能耗低、使用过程节能的材料不含有害物质或有害物质含量极低的材料保温隔热材料减少建筑能耗的关键材料无甲醛粘合剂用于人造板的环保粘合剂相变材料可储存和释放热能的智能材料无铅焊料电子工业中替代传统含铅焊料的材料Low-E玻璃具有低辐射特性的节能玻璃无VOC涂料不含挥发性有机化合物的环保涂料材料循环利用源头设计清洁生产从设计阶段考虑材料的可回收性和再利用性采用节能减排技术，减少生产过程中的污染物排放回收再利用再制造建立完善的材料回收体系，提高再生材料的利用率对废旧产品进行修复、改造，赋予新的使用价值材料的可持续发展需要全社会的共同努力政府应制定相关政策法规，引导和推动绿色材料的研发和应用；企业应承担社会责任，采用清洁生产技术，开发环保产品；消费者应树立绿色消费理念，优先选择环保材料和产品只有各方协同合作，才能实现材料领域的可持续发展，为建设美丽中国、实现碳达峰碳中和目标做出贡献课堂思考与讨论通过思考和讨论，我们可以更深入地理解材料科学的基本概念，认识材料在日常生活中的应用，以及如何正确选择和使用各类材料以下是一些思考题和讨论话题，请同学们积极参与，分享自己的观点和经验你身边有哪些常见材料？1请观察你的日常生活环境，列举你所使用的各类材料，并思考这些材料为什么适合其应用场景•你的衣物主要由哪些材料制成？这些材料有什么特点？2如何选择环保材料？•你的手机外壳、屏幕使用了哪些材料？为什么选择这些材料？•你家中的家具、餐具、装饰品使用了哪些材料？在日常购物和使用过程中，如何识别和选择更环保、更健康的材料和产品？•你所在的教室、宿舍中使用了哪些建筑材料？•什么是环保材料？有哪些常见的环保认证标志？•购买木制品时，如何识别是否使用了环保胶水？未来材料的发展趋势是什么？3•选择塑料制品时，应该注意哪些安全标识？随着科技的进步和社会需求的变化，未来材料科学将向哪些方向发展？•如何区分可降解塑料和普通塑料？•智能材料、纳米材料、仿生材料等新型材料有哪些潜在应用？•你曾经因为环保因素而改变购买决定吗？•如何看待3D打印技术对材料应用的影响？•未来材料发展会更注重哪些性能和特点？•环保要求将如何影响未来材料的发展？•你最期待哪些新材料的出现？为什么？小组讨论任务材料替代方案设计材料生命周期分析选择一种常见的但存在环境问题的材料（如一次性塑料袋），设计一种更环保的替代方案考虑材料选选择一种日常用品（如饮料瓶、手机、衣物等），分析其生命周期中各阶段（原料获取、生产制造、使择、性能要求、成本因素、环境影响等方面用、废弃处理）所使用的材料及其环境影响，提出改进建议通过这些思考和讨论，希望同学们能够增强材料意识，学会从材料角度思考问题，养成环保用材的好习惯，为建设资源节约型、环境友好型社会贡献自己的力量总结与展望在本课程中，我们系统学习了各类常见材料的基本概念、分类方法、性能特点、制备工艺及应用领域从无机非金属材料到有机合成材料，从传统材料到新型复合材料，我们了解了材料世界的丰材料科学的重要意义富多彩主要内容回顾材料基础知识理解了材料的定义、分类和主要性能指标，建立了材料科学的基本框架材料科学是推动人类文明进步的关键力量从石器时代、青铜时代、铁器时代，到现在的信息时代，每一次重大的社会变革无机非金属材料都与材料的突破性发展密切相关学习了水泥、玻璃、陶瓷等硅酸盐材料的性质、制备和应用材料科学的发展不仅改变了我们的生活方式，也影响了工业生产、医疗健康、能源利用、环境保护等多个领域先进材料的研发和应用，为解决能源危机、环境污染、资源短缺等全球性挑战提供了重要支持有机合成材料掌握了塑料、合成纤维、合成橡胶等有机材料的特点和用途，认识了白色污染问题复合材料了解了复合材料的设计原理和性能优势，以及在各领域的广泛应用材料与环保思考了材料使用与环境保护的关系，培养了绿色环保意识未来发展展望智能材料纳米材料能够感知环境变化并做出相应反应的材料，如形状记忆合金、压电材料、自修复材料等，将在航空航天、尺寸在纳米级别的材料，具有独特的物理、化学性质，在电子、能源、医药、环保等领域有广阔应用前医疗、建筑等领域发挥重要作用景。