认识常见的材料教学课件

认识常见的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的组成、结构、性能及其相互关系的科学，是现代工业和科技发展的基础材料的发展史实际上也是人类文明的发展史，从石器时代、青铜时代到钢铁时代，再到如今的新材料时代，每一次材料的重大突破都推动了人类社会的飞跃发展本章我们将探讨材料的基本概念，了解不同的分类方法，为后续章节的深入学习打下基础材料科学的发展也反映了人类对自然规律认识的不断深入，以及加工利用自然资源能力的不断提高课程目标学习重点应用价值•理解材料的基本定义与重要性•材料分类的不同标准•培养材料选择的科学思维•掌握材料的多种分类方法•天然材料与人造材料的区别•建立材料与工业生产的联系•能够识别生活中常见材料的类别•四大类材料的基本特征什么是材料？材料是制造物品的物质基础，是人类加工、制造各种生活用品和生产工具所需的原材料材料的质量和性能直接决定了制成品的质量和性能从古至今，材料的发展一直伴随着人类文明的进步材料的发展史也是人类技术进步的缩影从原始社会利用石头、木材、兽骨等天然材料，到今天高性能复合材料、纳米材料的广泛应用，材料科学技术的进步推动了人类社会的飞速发展材料的多样性和特殊性使其成为现代科技创新的关键领域之一新材料的研发往往能够引领新技术的突破，促进产业结构的调整和升级金属材料钢铁、铝、铜等，具有良好的导电、导热性和机械强度无机非金属材料陶瓷、水泥、玻璃等，通常具有高硬度、耐高温特性有机高分子材料塑料、橡胶、纤维等，质轻、易加工复合材料材料的分类示意图多维度分类材料分类是材料科学中的基础工作，有助于我们系统了解和研究不同类型材料的性质和应用合理的分类体系能够帮助我们更好地组织材料知识，指导材料的选择和使用材料可以从多个维度进行分类，如按物理状态（固体、液按照来源划分，材料可分为天然材料和人造材料两大类天体、气体）、按电学性质（导然材料直接来源于自然界，如木材、棉花、石材等；人造材体、半导体、绝缘体）等料则是通过人工加工或合成而成，如塑料、合金、合成纤维等分类交叉性按照材料的化学组成和结构特点，可以将材料分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料四大类同一种材料可能同时属于不同这种分类方法是目前材料科学中最常用的分类方法，也是本类别，例如钢既是金属材料，课程采用的主要分类框架也是人造材料分类的意义科学分类有助于系统研究材料性质，指导材料的选择和应用天然材料举例木材棉花煤炭木材是来源于树木的天然材料，主要成分为纤维素、半纤维素棉花是重要的天然纤维材料，由棉花植物的种子周围生长的绒煤炭是由古代植物经过漫长地质年代演变而成的可燃性沉积和木质素不同树种的木材具有不同的纹理、颜色和性能毛组成，主要成分是纤维素岩，是重要的化石能源和化工原料主要用途主要用途主要用途•建筑结构和装饰•纺织品（服装、床单）•发电燃料•家具制造•医用棉制品•冶金工业还原剂•纸浆原料•保温材料•化工原料•工艺品雕刻优点吸湿性好、透气、舒适优点能量密度高、储量丰富优点可再生、加工性好、美观缺点易皱、强度较低、易霉变缺点燃烧污染大、不可再生缺点易燃、易腐、受湿度影响变形天然材料通常具有良好的生物相容性和环保特性，但其性能往往受自然条件限制，批次间差异较大随着科技发展，人们正在开发新技术提高天然材料的性能稳定性和使用寿命人造材料简介合成材料复合材料合成材料是通过化学合成方法人工制造的材料，主要包复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物括塑料、合成纤维和合成橡胶这类材料具有可设计性理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料强、性能稳定的特点，可以根据特定需求进行性能调整基体材料塑料以合成树脂为主要成分，加入各种添加剂制成的材料根据加热后的性能变化可分为热塑性塑料和热固为复合材料提供基本形态和支持，可以是金属、性塑料陶瓷或高分子合成纤维由合成高分子化合物通过化学和物理方法制增强材料成的纤维，如涤纶、锦纶、腈纶等合成橡胶通过化学合成得到的具有橡胶弹性的高分子提供主要力学性能，如纤维、颗粒等材料，如丁苯橡胶、顺丁橡胶等代表性复合材料•玻璃钢玻璃纤维增强塑料•碳纤维复合材料碳纤维增强树脂•金属基复合材料如碳化硅颗粒增强铝基复合材料人造材料的出现和发展极大地扩展了材料的性能范围，使人类能够创造出自然界中不存在的新型材料，满足特定工程需求同时，人造材料的大量使用也带来了环境问题，如何实现可持续发展是当前材料科学的重要课题第二章无机非金属材料详解无机非金属材料是除金属和有机高分子以外的无机材料，主要包括硅酸盐材料（如玻璃、陶瓷、水泥）、碳材料、半导体材料等这类材料通常具有耐高温、耐腐蚀、硬度高等特点，在建筑、电子、能源等领域有广泛应用陶瓷材料玻璃材料具有高硬度、耐高温、化学稳定性好等特点，但脆非晶态硅酸盐材料，具有透明、硬脆的特性，广泛性大包括传统陶瓷和先进陶瓷用于建筑、容器等领域半导体材料水泥与混凝土导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，是现代电重要的建筑材料，具有良好的成型性和硬化后的强子工业的基础材料度，是现代基础设施的重要组成部分本章将重点介绍硅酸盐材料中的水泥、玻璃和陶瓷，这些材料在我们日常生活和工业生产中应用广泛，是现代文明不可或缺的基础材料无机非金属材料的制备过程通常需要高温烧结，能耗较高近年来，低温制备技术和节能工艺的研发成为该领域的重要研究方向硅酸盐材料硅酸盐材料的共同特点硅酸盐材料是以硅酸盐为主要成分的无机非金属材料，是人类最早使用的材料之一这类材料广泛存在于地壳中，原料丰富，成本较低，是现代工业和建筑业的重要基础材料水泥玻璃高温制备水泥是一种无机胶凝材料，主要玻璃是一种非晶态固体，主要成硅酸盐材料通常需要在高温条件下（800℃-1600℃）烧结或熔融成型₂成分是硅酸钙原料包括黏土、分是二氧化硅（SiO）主要原石灰石和石膏，经高温煅烧、粉料包括纯碱、石灰石和石英玻结构稳定磨而成水泥是现代建筑不可或璃具有透明、硬脆的特性，广泛缺的基础材料，主要用于混凝土用于建筑、容器、光学仪器等领化学性质稳定，耐腐蚀，使用寿命长和砂浆的制备域陶瓷硬脆性陶瓷是经高温烧结的无机非金属硬度高但脆性大，抗冲击能力较弱材料，主要成分是氧化铝、二氧化硅等根据烧结温度和配方不绝缘性同，可分为陶器、瓷器和特种陶瓷陶瓷具有耐高温、耐腐蚀、硬度高等特点大多数硅酸盐材料是良好的电绝缘体和热绝缘体现代材料科学正在研发新型硅酸盐材料，如生物活性玻璃、透明陶瓷等，拓展硅酸盐材料的应用领域水泥制造过程水泥是现代建筑业最重要的胶凝材料，其制造过程是一个复杂的高温化学反应过程了解水泥的制造过程有助于我们理解其性能特点和应用限制生料烧成原料准备混合后的原料进入水泥回转窑，在1400-1500℃的高温下烧结，发生一系列复杂的化学反应，生成硅酸钙等矿物相，₂₂₃₂₃主要原料包括石灰石（提供CaO）、粘土（提供SiO、Al O和Fe O）、铁矿石和石膏等这些原料经过破形成水泥熟料碎、磨细后按一定比例混合包装与储存熟料粉磨成品水泥经过包装后储存于干燥环境中等待运输和使用水泥需要避免受潮，否则会提前水化硬化而失效水泥熟料冷却后与适量石膏（控制凝结时间）一起粉磨成细粉，即为成品水泥根据需要可添加其他混合材料如粉煤灰、矿渣等水泥的水化硬化原理水泥的主要应用水泥的硬化过程是水泥中的矿物相与水发生水化反应的过程水化反应生成的水化硅酸钙凝胶和其他水化产物相互交•混凝土制备与砂、石、水混合制成混凝土，是现代建筑的主要结构材料织，形成坚硬的整体结构•砂浆制备与砂、水混合制成砂浆，用于砌筑和抹面水泥硬化是一个持续的过程，一般认为28天达到设计强度，但实际上水化反应会持续很长时间，强度会继续增长•预制构件制作水泥管、水泥板、水泥砖等预制构件•特种工程如水利工程、海洋工程等水泥生产过程能耗高、排放大，是碳排放的重要来源之一开发低碳水泥技术和替代材料是当前研究的重点方向玻璃的特性玻璃的基本特性₂玻璃是一种无定形的非晶态固体，主要由二氧化硅（SiO）和其他氧化物组成与晶体材料不同，玻璃没有规则的晶体结构，因此具有一些独特的性质无固定熔点玻璃没有固定的熔点，而是在一个温度范围内逐渐软化这种特性使得玻璃可以通过加热软化后进行成型加工透明性大多数玻璃对可见光具有良好的透明性，这是其最重要的特性之一，使其广泛应用于窗户、镜子、光学仪器等领域通过添加不同的金属氧化物，可以制造出各种颜色的有色玻璃硬脆性1500℃玻璃具有较高的硬度，但同时也很脆，抗冲击能力弱这是玻璃应用的主要限制因素之一通过热处理或化学强化可以提高玻璃的强度和韧性化学稳定性熔融温度大多数玻璃具有良好的化学稳定性，能够抵抗大多数酸的腐蚀（氢氟酸除外），这使得玻璃成为理想的化学容器材料普通玻璃的熔融温度在1500℃左右绝缘性玻璃是良好的电绝缘体和热绝缘体，在电子电气领域有广泛应用

2.5g/cm³密度普通钠钙玻璃的密度约为

2.5g/cm³

7.0硬度陶瓷的优点与用途陶瓷的主要优点陶瓷的主要用途陶瓷是由粘土等无机非金属矿物原料经过成型和高温烧结制成的材料根据其组成、结构和性能，可分为传统陶瓷和先进陶瓷两大类陶瓷具有许多独特的优点，使其在众多领域有不可替代的应用耐高温性陶瓷材料的熔点通常很高，一些高性能陶瓷可在1500℃以上的高温环境中长期工作，这使得陶瓷成为理想的高温结构材料和耐火材料耐腐蚀性日用陶瓷电子陶瓷陶瓷对大多数酸、碱和有机溶剂具有良好的抵抗能力，在恶劣化学环境中能保持稳定性这使陶瓷广泛应用于化工设备和防餐具、卫生洁具、艺术品等，利用陶瓷的美观性、电容器、绝缘子、压电元件、集成电路基板等，利腐领域耐用性和卫生性用陶瓷的绝缘性和特殊电学性能高硬度陶瓷材料硬度高，耐磨性好，如氧化铝陶瓷的莫氏硬度可达9，接近钻石这使得陶瓷适用于制造切削工具、磨料和耐磨部件良好的绝缘性大多数陶瓷是优良的电绝缘体和热绝缘体，在电子电气和热工领域有广泛应用一些特殊陶瓷如氧化锌具有半导体特性，可结构陶瓷生物陶瓷用于制造电子元件切削刀具、轴承、发动机部件等，利用陶瓷的高硬人工关节、牙齿修复、骨填充材料等，利用陶瓷的生物相容性度、耐磨性和耐高温性生物相容性某些陶瓷如羟基磷灰石与人体骨骼成分相似，具有良好的生物相容性，可用于制造人工骨骼和牙齿等医用植入物陶瓷虽有许多优点，但脆性大、抗冲击能力弱是其主要缺点现代材料科学正致力于开发韧性更高的陶瓷材料，如陶瓷基复合材料，以克服这一缺点第三章有机合成材料有机合成材料是以碳元素为骨架，通过化学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是20世纪以来发展最为迅速的材料之一，已经深入到我们生活的方方面面有机合成材料的共同特点有机合成材料的主要分类可设计性强通过调整分子结构和添加剂，可以设计出具有特定性能的材料密度小大多数有机合成材料密度较小，有利于减轻产品重量加工性好成型温度低，加工方法多样，生产效率高绝缘性好大多数有机合成材料是良好的电绝缘体和热绝缘体耐腐蚀性强对酸、碱等化学物质有较好的抵抗能力塑料以合成树脂为主要成分，加入各种添加剂制成可分为热塑性塑料和热固性塑料合成纤维由合成高分子化合物通过化学和物理方法制成的纤维状材料，如涤纶、锦纶等合成橡胶塑料分类热塑性塑料热固性塑料热塑性塑料是加热时软化，冷却后硬化，这一过程可反复进行的塑料分子结构上，热塑性塑料热固性塑料在成型过程中发生化学交联反应，形成三维网状结构，一旦硬化就不能再熔融和重新的分子之间主要通过分子间力连接，加热时分子间力减弱，使材料软化成型这类塑料通常硬度高、耐热性好，但韧性较差聚乙烯聚丙烯酚醛塑料环氧树脂PE PPPF EP最常见的塑料之一，分子结密度小、强度高、耐热性俗称电木，是最早的合成粘接强度高，收缩率小，绝构简单，价格低廉根据密好，化学稳定性优良广泛塑料之一具有良好的绝缘缘性能好，耐化学腐蚀广度不同分为高密度聚乙烯用于食品容器、医疗器械、性、耐热性和尺寸稳定性泛用于胶粘剂、复合材料基HDPE和低密度聚乙烯汽车零部件等主要用于电器开关、插座、体、电子元件封装等LDPE主要用于塑料袋、电路板等电气绝缘零件包装膜、容器等聚氯乙烯不饱和聚酯树脂PVC UPR价格低廉，可塑性好，添加增塑剂后柔软性好主要用价格较低，易于加工，与玻于管道、电线电缆绝缘层、璃纤维结合制成玻璃钢主窗框、地板等要用于船艇、浴缸、水箱、建筑装饰板等除了上述常见塑料外，还有一些特种塑料如聚四氟乙烯PTFE、聚碳酸酯PC、聚酰胺PA等，它们具有特殊性能，用于特定领域随着材料科学的发展，新型塑料如生物可降解塑料正逐渐进入市场塑料的环境问题白色污染——什么是白色污染？白色污染的危害白色污染是指由于废弃塑料制品，特别是一次性塑料制品（如塑料袋、塑料餐具、塑料瓶等）在环境中的大量累积而土壤污染造成的环境污染问题这一术语最初源于这些废弃物多为白色，后来泛指各种颜色的塑料垃圾造成的环境问题塑料制品的大规模生产和使用始于20世纪中期，由于其价格低廉、方便实用等特点，迅速普及全球然而，大多数常规塑料垃圾掩埋会占用大量土地资源，并可能释放有害物质渗入土壤塑料微粒可进入土壤食物链，影响土壤生态塑料不能在自然环境中降解，或降解周期极长（可达数百年），导致塑料垃圾在环境中持续累积系统亿吨水体污染350%年产量一次性使用塑料垃圾进入河流、湖泊和海洋，影响水生生物生存环境塑料微粒已在全球各大洋中检测到，甚至进入饮用水系统全球每年生产约3亿吨塑料约一半塑料产品为一次性使用生物危害年万吨900800海洋生物可能误食塑料或被塑料垃圾缠绕致死塑料微粒可通过食物链在生物体内累积，最终影响人类健康降解周期海洋塑料焚烧危害某些塑料在自然环境中降解需数百年每年约有800万吨塑料进入海洋焚烧含氯塑料（如PVC）会产生二噁英等有毒气体不当焚烧还会产生大量温室气体，加剧气候变化资源浪费塑料主要由石油化工产品制成，一次性使用后丢弃造成资源浪费处理塑料垃圾也消耗大量社会资源研究表明，如果不采取有效措施，到2050年海洋中的塑料垃圾重量可能超过鱼类总重量塑料污染已成为全球性环境问题，需要各国政府、企业和个人共同努力解决解决白色污染的措施白色污染问题日益严重，引起了全球范围内的广泛关注解决塑料污染问题需要从源头减量、过程控制和末端处理等多个环节入手，需要政府、企业和个人的共同参与减少使用1源头减量最有效重复使用2延长塑料制品使用寿命回收再利用3将废塑料加工成新产品替代材料4使用可降解材料或其他环保材料末端处理5安全处置无法回收的塑料废弃物政府层面企业层面政策法规制定限塑令，禁止或限制一次性塑料制品的生产和使用产品设计采用可回收或可降解材料，减少过度包装经济手段对塑料制品征收环保税，对可降解材料给予补贴生产工艺开发清洁生产技术，减少塑料废料产生基础设施完善垃圾分类收集和处理系统回收体系建立产品回收体系，推行生产者责任延伸制度科研支持加大对可降解材料和塑料回收技术的研发投入替代材料研发推广生物可降解塑料、植物纤维材料等环保替代品国际合作参与全球塑料污染治理，共同制定行动计划企业责任主动履行环保责任，参与环保公益活动个人层面自带购物袋使用可重复使用的容器外出购物时自带环保购物袋，拒绝使用一次性塑料袋自带水杯，减少使用一次性塑料瓶；使用可重复使用的食品容器拒绝一次性餐具参与垃圾分类外卖点餐时选择无需餐具选项；拒绝使用一次性吸管正确分类塑料废弃物，确保可回收塑料进入回收渠道减少白色污染需要全社会共同努力通过改变消费习惯和生活方式，每个人都可以为环境保护贡献力量合成纤维介绍合成纤维是用合成高分子化合物为原料，通过化学和物理方法制成的具有一定强度和柔韧性的纤维自20世纪30年代问世以来，合成纤维迅速发展，现已成为纺织工业的重要原料，与天然纤维共同满足人们对纺织品的多样化需求主要合成纤维品种合成纤维的共同特点涤纶（聚酯纤维）锦纶（聚酰胺纤维）强度高以聚对苯二甲酸乙二醇酯为原料制成特点是强度高、弹俗称尼龙，以己二酸和己二胺为原料聚合而成特点是大多数合成纤维的强度高于天然纤维，特别是湿态强度性好、耐皱、易洗快干、耐腐蚀广泛用于服装面料、家强度高、耐磨、吸湿性好、弹性好主要用于运动服装、纺产品和工业用布是产量最大的合成纤维袜子、绳索等耐磨性好腈纶（聚丙烯腈纤维）氨纶（聚氨酯弹性纤维）合成纤维的耐磨性通常优于天然纤维，使用寿命更长以丙烯腈为主要原料聚合而成特点是蓬松柔软、保暖性具有超高弹性的合成纤维，可伸长5-7倍而不断裂，释放后耐腐蚀性强好、色泽鲜艳、耐光主要用于仿毛织物、毛衣、地毯能迅速恢复原长主要用于弹力服装、运动服、泳装等等对酸、碱、霉菌等有较强的抵抗能力易洗快干大多数合成纤维吸水性低，洗后容易干燥保形性好不易变形，尺寸稳定性好，耐皱性好可设计性强可通过改变分子结构设计特定性能的纤维合成纤维的主要缺点是吸湿性差、透气性不如天然纤维、易产生静电、热稳定性较差等为克服这些缺点，常将合成纤维与天然纤维混纺，兼具两种纤维的优点合成纤维的应用创新功能性纤维超细纤维具有抗菌、阻燃、抗紫外线等特殊功能的改性合成纤维，广泛应用于特种服装和医疗卫生领域直径小于

0.5微米的纤维，具有柔软、轻薄、透气等特点，用于高档面料和工业擦拭布合成橡胶特点主要合成橡胶品种合成橡胶是指通过化学合成方法制得的具有橡胶弹性的高分子材料自20世纪初合成橡胶问世以来，已发展出数十种不同性能的合成橡胶品种，广泛应用于轮胎、密封件、医疗用品等领域丁苯橡胶顺丁橡胶合成橡胶的主要特点SBR BR由丁二烯和苯乙烯共聚而成，是产由丁二烯聚合而成，弹性好，耐寒高弹性量最大的通用合成橡胶耐磨性性优异，常与其他橡胶并用，主要好，价格低廉，主要用于轮胎、鞋用于轮胎、胶鞋等底、传送带等合成橡胶最显著的特性是高弹性，可在外力作用下产生较大形变，去除外力后能迅速恢复原状这种特性源于橡胶分子的长链结构和交联网络氯丁橡胶硅橡胶CR Q绝缘性好由氯丁二烯聚合而成，耐油、耐以硅氧链为主链的特种橡胶，耐高候、阻燃性好，主要用于胶管、传低温性能优异（-60℃~250℃），大多数合成橡胶是良好的电绝缘体和热绝缘体，广泛用于电线电缆的绝缘层和各种绝缘制品送带、防水卷材等生物相容性好，主要用于航空航天、电子电气和医疗器械等领域耐油性万吨某些合成橡胶如氯丁橡胶、丁腈橡胶具有优异的耐油性，可用于接触油脂的场合，如油封、油管等70%1500合成比例年产量耐高温性全球橡胶消费中合成橡胶约占70%全球合成橡胶年产量约1500万吨硅橡胶、氟橡胶等特种合成橡胶具有优异的耐高温性能，可在200℃以上的高温环境中长期使用气密性好60%轮胎用量合成橡胶对气体的渗透性低，具有良好的气密性，适用于制造轮胎内胎、气球等约60%的合成橡胶用于轮胎制造耐腐蚀性强合成橡胶对多种化学介质具有良好的抵抗能力，可用于化工设备的密封件等橡胶制品的性能很大程度上取决于配方设计和加工工艺通过添加各种配合剂如补强填料、防老剂、硫化剂等，可以大幅提高橡胶制品的性能和使用寿命第四章复合材料复合材料是当代材料科学领域发展最为迅速的新型材料之一，它通过组合不同材料的优势，创造出性能优于单一材料的新型材料体系复合材料的发展为现代工业特别是航空航天、汽车、体育器材等领域带来了革命性的变化复合材料的基本概念复合材料的分类复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组合而成的新材料通常由基体材料和增强材料组成，两种材料保持各自的物理复合材料可以根据基体材料、增强材料形态或应用领域等不同标准进行分类和化学特性，但通过界面结合形成具有新性能的材料体系按基体材料分类高分子基复合材料以树脂为基体，如环氧树脂、酚醛树脂等代表材料玻璃钢、碳纤维复合材料金属基复合材料以金属为基体，如铝、镁、钛等代表材料碳化硅颗粒增强铝基复合材料陶瓷基复合材料以陶瓷为基体，如氧化铝、碳化硅等代表材料纤维增强陶瓷按增强材料形态分类纤维增强复合材料以连续或短切纤维为增强体，如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等颗粒增强复合材料以硬质颗粒为增强体，如碳化硅颗粒、氧化铝颗粒等层状复合材料由不同材料层叠而成，如夹层结构、蜂窝结构等基体材料为复合材料提供基本形态，传递和分散载荷，保护增强体可以是金属、陶瓷或高分子材料增强材料复合材料定义与特点复合材料的定义复合材料的主要特点复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组合而成的具有新性能的材料这些组成材料在宏观上仍保持各自的物理和化学特性，但通过界高比强度和比模量面结合形成具有新功能或更优性能的材料体系复合材料设计的核心思想是扬长避短，即充分发挥各组成材料的优势，同时避免或减弱其缺点，从而获得性能优异的新材料这种设计理念使复合材料在许多领域表现出优于传统复合材料的强度与密度之比（比强度）和模量与密度之比（比模量）通常高于传统材料，使其在轻量化设计中具有优势单一材料的综合性能以玻璃钢为例设计灵活性玻璃钢是一种典型的复合材料，由玻璃纤维作为增强材料，不饱和聚酯树脂作为基体材料组成可通过选择不同基体、增强材料及其排列方式，设计出满足特定性能要求的材料例如，可设计具有方向性强度的材料•玻璃纤维提供高强度和刚度优异的疲劳性能•树脂基体提供成型性和环境稳定性•两者结合形成轻质高强的复合材料许多复合材料具有优异的疲劳抵抗能力，在循环载荷下表现优于金属材料耐腐蚀性好复合材料通常具有良好的耐腐蚀性，可在恶劣环境中长期使用而不降解多功能集成复合材料可以同时满足多种功能需求，如结构承载、电绝缘、热绝缘、电磁屏蔽等复合材料也存在一些局限性，如制造成本高、接头设计复杂、回收利用困难等这些问题是当前复合材料研究中需要解决的重要课题复合材料的微观结构与性能关系纤维取向纤维体积分数连续纤维复合材料的性能具有明显的方向性，沿纤维方向强度最高，垂直于纤维方向强度最低增强纤维的体积含量越高，复合材料的强度和刚度通常越高，但有一个最佳值界面强度纤维长度基体与增强体界面结合强度对复合材料的综合性能有决定性影响短纤维复合材料中，纤维长度需超过临界长度才能充分发挥增强效果玻璃钢的优势玻璃钢的性能数据玻璃钢，全称玻璃纤维增强塑料GFRP，是一种以不饱和聚酯树脂、环氧树脂等热固性树脂为基体，以玻璃纤维或其制品为增强材料的复合材料它是现代工业中应用最广泛的复合材料之一，在船舶、建筑、交通、化工等多个领域有着重要应用玻璃钢的技术优势

1.5-

2.0100-400高比强度密度抗拉强度g/cm³MPa玻璃钢的比强度（强度与密度之比）高于许多金属材料其强度可与铝合金相当，甚至超过某些钢材，而密度仅为钢铁的1/4-1/5这使得玻璃钢成为理想的钢材的1/4-1/5可与普通钢材相当轻量化结构材料⁶优异的耐腐蚀性80%10-10¹²耐腐蚀性体积电阻率Ω•cm玻璃钢对酸、碱、盐等腐蚀性介质有极好的抵抗能力，不会生锈，可在恶劣环境中长期使用而不需特殊防护这使其在化工设备、海洋工程等领域具有明显优势比不锈钢更耐腐蚀优良的电绝缘性玻璃钢的主要制造工艺良好的电绝缘性玻璃钢是优良的电绝缘体，具有高击穿电压和低介电损耗，广泛用于电气绝缘领域，如绝缘杆、绝缘板等优良的成型性玻璃钢可采用多种工艺成型，如手糊成型、模压、缠绕、拉挤等，能够制造出复杂形状的构件，设计自由度高良好的减震性能玻璃钢具有良好的减震和吸声性能，能有效吸收振动和噪声，在交通工具和建筑隔音领域有广泛应用复合材料的应用实例复合材料凭借其优异的性能，已广泛应用于航空航天、交通运输、体育休闲、建筑工程等众多领域，并不断拓展新的应用场景不同领域对复合材料的性能要求各异，推动了复合材料技术的多元化发展航空航天领域交通运输领域体育休闲领域建筑工程领域航空航天是复合材料应用最为广泛和成熟的领域之交通运输领域对轻量化需求强烈，复合材料的应用越体育器材对材料的轻量化、高强度和良好减震性能有复合材料在建筑工程中的应用正在快速增长，特别是一以碳纤维复合材料为代表的先进复合材料具有高来越广泛，从高端赛车到普通乘用车，从自行车到高很高要求，复合材料在这一领域的应用尤为广泛在需要抗腐蚀、轻量化和快速施工的场合比强度、高比刚度、良好的疲劳性能和腐蚀抵抗能铁车厢桥梁工程全复合材料桥梁、混凝土加固用碳纤维布力，是理想的航空结构材料汽车工业F1赛车车身、高性能车辆的车身面板、悬球拍网球拍、羽毛球拍、乒乓球拍等，提供更好的飞机结构波音787和空客A350客机的机身和机翼结架、传动轴等强度和控制性建筑外墙轻质高强的复合材料外墙板，美观且耐候构中，复合材料用量超过50%，大幅减轻了飞机重船舶工业游艇、巡逻艇、赛艇等的船体结构，减轻高尔夫球杆碳纤维杆身，提供更好的击球感和距离量，提高了燃油效率重量，提高速度管道系统玻璃钢管道，耐腐蚀、轻量化航天器卫星支架、太阳能电池板基板、火箭发动机自行车高端自行车车架、轮圈，提供更好的强度重滑雪装备滑雪板、滑雪杖，提供更好的操控性和减内部装饰装饰板、浴室单元等壳体等量比和减震性能震性能直升机旋翼、传动轴、机舱等部件轨道交通高铁车厢、内饰板等，减轻重量，降低能渔具钓鱼竿，轻便且有弹性耗随着复合材料制造技术的进步和成本的降低，复合材料正从高端应用向大众化应用扩展新型复合材料如生物基复合材料、自修复复合材料等的出现，将进一步拓展复合材料的应用领域第五章材料的物理与化学性质材料的物理和化学性质是决定其应用范围和使用方法的关键因素了解不同材料的基本性质，有助于我们在实际应用中合理选择材料，避免因材料选择不当导致的失效问题材料的物理性质材料的化学性质物理性质是指材料在不改变化学组成的情况下表现出的特性，主要包括机械性能、热学性能、电化学性质是指材料在与其他物质接触时发生化学反应的特性，主要包括耐腐蚀性、氧化性、可燃学性能、磁学性能、光学性能等性等机械性能耐腐蚀性描述材料在外力作用下的行为特性，包括材料抵抗化学介质侵蚀的能力，包括强度材料抵抗破坏的能力，如抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等耐酸性抵抗酸性介质腐蚀的能力硬度材料抵抗硬物压入的能力耐碱性抵抗碱性介质腐蚀的能力韧性材料吸收能量并在断裂前发生塑性变形的能力耐盐性抵抗盐溶液腐蚀的能力弹性材料在外力移除后恢复原形的能力耐大气腐蚀在大气环境中的稳定性塑性材料在外力作用下永久变形而不破坏的能力氧化性热学性能材料与氧气反应的倾向，包括描述材料对热的反应，包括耐氧化性在高温或氧化性环境中的稳定性热膨胀系数材料随温度变化而膨胀或收缩的程度抗氧化剂防止材料氧化的添加剂热导率材料传导热量的能力比热容单位质量材料升高单位温度所需的热量其他化学特性熔点/软化点材料从固态转变为液态的温度可燃性材料燃烧的倾向和难易程度电学性能水解性材料与水反应分解的倾向光降解性在光照条件下分解的特性描述材料对电的反应，包括生物降解性在生物作用下分解的特性电导率/电阻率材料导电或阻碍电流通过的能力其他重要性质介电常数材料存储电能的能力击穿电压材料在电场作用下失去绝缘性的电压密度单位体积的质量，决定材料的重量透明度材料允许光线透过的程度防潮性材料抵抗湿气影响的能力常见材料性质词汇在材料科学中，准确描述材料性质的术语非常重要以下是一些常见材料性质词汇及其含义，这些词汇在材料选择、设计和应用中经常使用机械性能术语物理性能术语化学性能术语硬度导电性耐腐蚀性Hardness ConductivityCorrosion Resistance材料抵抗压痕或划痕的能力常用测量方法有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等材料传导电流的能力铜、铝等金属具有良好的导电性材料抵抗化学介质侵蚀的能力不锈钢、塑料、陶瓷通常具有良好的耐腐蚀性韧性导热性耐候性Toughness ThermalConductivity WeatherResistance材料吸收能量并在断裂前发生塑性变形的能力韧性高的材料不易脆断材料传导热量的能力金属通常导热性好，而塑料、陶瓷导热性较差材料在自然气候条件下保持性能的能力，包括抵抗阳光、雨水、温度变化等弹性透明度阻燃性Elasticity TransparencyFire Resistance材料在外力移除后恢复原形的能力弹性模量是描述材料弹性的重要参数材料允许光线透过的程度玻璃、某些塑料具有良好的透明度材料抵抗燃烧或延缓燃烧的能力塑性密度抗氧化性Plasticity DensityOxidation Resistance材料在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力塑性好的材料易于加工成型单位体积的质量材料的轻重主要由密度决定材料抵抗氧化的能力，特别是在高温条件下脆性磁性耐溶剂性Brittleness MagnetismSolvent Resistance材料在外力作用下没有明显塑性变形就发生断裂的特性玻璃、陶瓷是典型的脆性材料材料被磁化或产生磁场的能力铁、钴、镍等是典型的铁磁性材料材料抵抗有机溶剂侵蚀的能力疲劳强度比热容生物相容性Fatigue StrengthSpecific HeatCapacity Biocompatibility材料在循环载荷作用下能够承受而不失效的最大应力单位质量材料升高单位温度所需的热量材料与生物体组织相容的能力，不引起毒性反应或排斥反应蠕变热膨胀系数可降解性Creep ThermalExpansion CoefficientDegradability材料在恒定载荷下随时间逐渐变形的现象，通常在高温下更明显材料随温度变化而膨胀或收缩的程度材料在环境中分解的能力和速度在材料选择过程中，通常需要综合考虑多种性质，根据具体应用需求进行权衡例如，在要求轻量化的同时保持足够强度的场合，比强度（强度与密度之比）就是一个重要的参考指标材料性质与用途的关系材料的性质决定了其适用的场景和用途了解材料性质与用途之间的关系，有助于我们在实际应用中做出合理的材料选择，发挥材料的最佳性能导电性与电气应用强度与结构应用硬度与耐磨应用耐腐蚀性与化工应用铜导电性好，适合电线制造铜是除银外导钢铁强度高，适合承重结构钢铁具有高强陶瓷硬脆，适合耐磨和绝缘材料陶瓷材料不锈钢和塑料耐腐蚀，适合化工设备化工电性最好的常用金属，电阻率低，且具有良度、良好的韧性和塑性，是建筑、桥梁等承硬度高，耐磨性好，适合制造切削工具、轴领域经常接触各种腐蚀性介质，要求材料具好的延展性和耐腐蚀性，是电线电缆的理想重结构的主要材料铝合金强度较低但密度承等耐磨部件同时，陶瓷是良好的电绝缘有良好的耐腐蚀性不锈钢、塑料、玻璃和材料铝虽导电性略逊于铜，但密度小，常小，适合需要轻量化的结构如飞机蒙皮混体，广泛用于电子元件的基板和绝缘子但某些特种合金如哈氏合金具有优异的耐腐蚀用于输电线路而塑料、陶瓷等材料导电性凝土抗压强度高但抗拉强度低，需与钢筋配陶瓷脆性大，不适合承受冲击载荷的场合性，常用于化工设备、管道和容器的制造差，适合作为绝缘材料使用合使用，形成钢筋混凝土结构特殊性质与特殊应用材料性质与日常生活形状记忆合金具有记忆形状并在特定条件下恢复的能力，用于医疗器械、航空航天和智能结构压电材料在机械压力下产生电压，或在电场作用下产生形变，用于传感器、执行器和超声波设备超导材料在特定温度下电阻为零，用于强磁场设备如磁共振成像MRI和粒子加速器光伏材料实用性能耐久性美观性安全性环保性能将光能转换为电能，用于太阳能电池和光电探测器在日常生活中选择材料时，除了性能外，还需考虑美观性、安全性、环保性等因素例如，厨具既需要考虑导热性（金属）、耐腐蚀性（不锈钢），也要考虑安全性（不释放有害物质）和易清洁性随着材料科学的发展，人们已经能够设计和制造出具有特定性能组合的材料，以满足特定应用需求材料的选择应该基于全面的性能评估，而不仅仅关注单一性能第六章材料的环保与可持续发展随着环境保护意识的增强和资源压力的加大，材料的环保性能和可持续发展特性已成为材料科学研究和应用的重要方向本章将探讨材料生产和使用过程中的环境影响，以及如何通过材料回收、再利用和创新设计，实现材料的可持续发展材料生产的环境影响材料的可持续发展路径资源消耗减量化Reduce材料生产需要消耗大量自然资源，包括矿物、能源、水等许多重要原材料如稀土金属、贵金属等储量有限，面临枯竭风险通过优化设计和提高材料利用率，减少材料消耗如轻量化设计、高强度材料应用等能源消耗再使用Reuse延长材料和产品的使用寿命，减少废弃物产生如设备翻新、零部件再利用等材料生产通常是能源密集型过程例如，钢铁、水泥、铝等材料的生产需要消耗大量能源，是主要的碳排放源再循环环境污染Recycle将废弃材料回收处理后重新投入生产使用如金属回收、塑料再生等材料生产过程中可能产生大量废气、废水、固体废物等污染物例如，钢铁生产产生的废气、采矿产生的尾矿等再设计生态破坏Redesign从源头考虑材料的全生命周期环境影响，设计更环保的材料和产品如可拆解设计、单一材料设计等原材料开采可能导致植被破坏、生物多样性减少等生态问题露天采矿尤其对生态环境影响严重替代亿吨Replace8%90用环境友好型材料替代高污染、高能耗材料如生物基材料替代石油基材料等碳排放占比原材料消耗钢铁和水泥生产约占全球碳排放的8%全球每年消耗约90亿吨非可再生原材料30%工业能耗材料生产约占全球工业能耗的30%可持续材料发展趋势生物基材料可降解材料以可再生生物质为原料的材料，如生物塑料、生物复合材料等，可减少对石油资源的依赖能在自然环境或特定条件下分解的材料，如PLA、PBS等生物降解塑料，减少固体废物污染材料回收利用的重要性常见材料的回收利用材料回收利用是实现可持续发展的关键环节，它通过将废弃材料重新投入生产循环，减少原材料开采和废物处理带来的环境压力，是循环经济的重要组成部分随着资源日益紧张和环境问题凸显，材料回收利用的重要性越来越受到重视金属回收塑料回收材料回收利用的意义金属是回收价值最高、技术最成熟的材料塑料回收通常包括物理回收和化学回收两节约资源之一废钢铁、铝、铜等金属可通过收种方式物理回收是将废塑料清洗、破集、分选、熔炼等工艺回收再利用，质量碎、熔融、造粒，制成再生塑料；化学回与原生金属相当金属可以无限次回收而收是将废塑料分解为化学原料后重新合成回收利用可减少原材料的开采和消耗，延长有限资源的使用寿命例如，回收1吨废钢可节省

1.6吨铁矿石、

0.5吨焦炭和

0.3吨石灰石；回收1吨废铝可节省4吨铝土矿和大量电不损失性能塑料目前PET、PE、PP等塑料回收技术力较为成熟减少环境污染纸张回收建筑材料回收减少废弃物填埋和焚烧处理，降低土壤、水和空气污染风险例如，塑料垃圾回收可减少白色污染，电子废弃物回收可防止重金属污染废纸回收是将废纸浆化、除杂、漂白等处建筑废料如混凝土、砖块等可破碎后作为理后制成再生纸纸纤维可以回收5-7次，路基材料或再生骨料使用废钢筋可回收但每次回收后纤维长度会减少，质量会下利用，木材可作为生物质燃料或再生板材节约能源降，通常需要添加一定比例的原生纸浆原料建筑材料回收可大幅减少建筑垃圾填埋量使用回收材料通常比使用原生材料能耗低例如，使用回收铝比使用原生铝可节省95%的能源；使用回收纸比使用原生纸浆可节省40%的能源减少碳排放降低材料生产过程中的温室气体排放，有助于减缓气候变化例如，使用回收钢铁可比使用原生钢铁减少约70%的二氧化碳排放促进经济发展回收产业可创造就业机会，推动技术创新，形成新的经济增长点全球回收产业每年创造数百万就业岗位和数千亿美元的经济价值典型案例塑料回收制再生薄膜废塑料收集从废品回收站、社区回收点等收集废塑料袋、包装膜等薄膜类塑料分选清洗将收集的废塑料按材质分类，去除杂质，并进行清洗处理破碎造粒将清洗后的塑料破碎成小碎片，然后熔融挤出成塑料颗粒薄膜挤出将再生塑料颗粒加热熔融，通过挤出吹膜工艺制成再生塑料薄膜新型环保材料发展趋势面对资源短缺、环境污染和气候变化等全球性挑战，新型环保材料的研发和应用正成为材料科学的重要发展方向这些材料以环保、节能、可持续为核心理念，致力于减少材料全生命周期的环境影响生物降解塑料绿色复合材料生物降解塑料是指在特定条件下，能够在微生物作用下分解为二氧化碳、水和生物质的塑料材料这类材料可以有效解决传统塑料难降解导致的白色污染问题绿色复合材料是指采用天然纤维或生物基树脂制备的环保型复合材料，旨在减少对石油资源的依赖，降低材料生产和使用过程中的环境影响天然纤维复合材料木塑复合材料WPC聚乳酸聚羟基脂肪酸酯PLA PHA以黄麻、亚麻、大麻等天然纤维作为增强材料，由木粉或其他木质纤维与塑料（如PE、PP等）以玉米、木薯等作物中提取的淀粉为原料，通过由微生物在特定条件下合成的一类聚酯，完全生树脂或生物聚合物作为基体的复合材料这类材复合而成的材料结合了木材的质感和塑料的耐发酵制得乳酸，再通过聚合反应制成的生物降解物源和生物降解PHA具有良好的生物相容性，料密度低、可再生、生物降解性好，主要用于汽久性，主要用于户外地板、围栏、园林设施等塑料PLA具有良好的透明度和加工性能，主要既可用于一次性包装，也可用于医疗植入材料车内饰件、包装材料等用于包装材料、餐具、农用地膜等生物基复合材料淀粉基塑料以生物基树脂（如PLA、生物基环氧树脂等）为以天然淀粉为主要原料，添加增塑剂和其他添加基体，天然纤维或无机填料为增强体的复合材剂制成的生物降解塑料成本低廉，但机械性能料这类材料可减少碳足迹，主要用于轻量化结和耐水性较差，主要用于一次性购物袋、填充材构件、汽车零部件等料等低碳环保水泥技术水泥生产是全球碳排放的主要来源之一，约占全球二氧化碳排放量的8%开发低碳环保水泥技术对于减缓气候变化具有重要意义工业废渣利用替代燃料与原料利用钢渣、粉煤灰、矿渣等工业废料替代部分水泥熟料，既减少废弃物处理问题，又降低水泥生产的能耗和碳排放使用生物质燃料、废轮胎等替代传统燃料，采用新型原料配方，降低煅烧温度和能耗碳捕获与利用地质聚合物水泥在水泥生产过程中捕获二氧化碳并加以利用，如制备碳酸盐材料或用于化工生产不使用石灰石作原料，以粉煤灰、矿渣等为主要原料，在碱性环境中活化硬化，碳排放仅为普通水泥的20%左右新型环保材料的发展正在从单一性能优化向全生命周期环境影响最小化转变，综合考虑原材料来源、生产能耗、使用寿命和废弃处理等各个环节这种系统性思维将引领材料科学的可持续发展方向课堂互动材料分类小测试选择题判断物品所用材料类别思考题如何减少生活中的白色污染？请根据所学知识，判断以下日常物品主要由哪类材料制成，并思考其性能特点与用途的关系白色污染主要指废弃塑料制品对环境造成的污染请根据所学知识，思考并讨论以下问题个人层面玻璃窗作为个人，我们可以采取哪些措施减少白色污染？A.金属材料•购物时自带环保购物袋，拒绝使用一次性塑料袋1B.无机非金属材料•使用可重复使用的水杯，减少一次性塑料瓶使用C.有机高分子材料•外卖点餐时选择无需餐具，减少一次性餐具使用D.复合材料•参与垃圾分类，确保可回收塑料进入回收渠道社会层面汽车轮胎从企业、政府和社会组织角度，应如何协作解决白色污染问题？A.金属材料•企业开发可降解塑料产品，减少过度包装2B.无机非金属材料•政府制定限塑政策，完善垃圾分类回收体系C.有机高分子材料•社会组织开展环保宣传教育，提高公众意识D.复合材料•学校将环保教育纳入课程，培养学生环保习惯材料创新保温杯内胆材料科学如何通过创新帮助解决白色污染问题？A.金属材料•开发新型生物降解塑料，缩短降解周期3B.无机非金属材料•研发可食用包装材料，减少废弃物产生C.有机高分子材料•开发高效塑料回收技术，提高再生塑料质量D.复合材料•设计易于回收的单一材料产品，避免复合材料难以分离高尔夫球杆A.金属材料4B.无机非金属材料C.有机高分子材料D.复合材料瓷砖A.金属材料5B.无机非金属材料C.有机高分子材料课堂总结知识要点回顾学习收获与启示材料基本概念与分类合理选择材料的重要性材料是制造物品的物质基础，可按来源分为天然材料和人造材料，按性质分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料不同材料具有各自独特的性能特点通过本课程的学习，我们认识到不同材料具有不同的性能特点，在实际应用中应根据具体需求选择合适的材料合理的材料选择不仅能提高产品性能，还能降低成本，减少环境影响无机非金属材料材料科学的创新空间以硅酸盐材料为代表的无机非金属材料，如水泥、玻璃、陶瓷等，具有耐高温、硬度高、化学稳定性好等特点，是建筑、电子等领域的重要材料材料科学是一个充满创新机会的领域通过新材料的开发和应用，可以解决能源、环境、医疗等领域的诸多挑战作为学习者，我们应保持好奇心和创新意识，关注材料科学的最新进展有机合成材料环保与可持续发展意识以塑料、合成纤维、合成橡胶为代表的有机合成材料，具有密度小、加工性好、耐腐蚀等特点，广泛应用于日常生活的各个方面但也带来了白色污染等环境问题材料的生产和使用与环境和可持续发展密切相关我们应树立环保意识，在日常生活中减少资源浪费，支持环保材料的应用，为建设美丽中国贡献力量复合材料跨学科思维的培养由两种或两种以上不同性质材料组合而成的新材料，如玻璃钢、碳纤维复合材料等，能够发挥各组成材料的优势，克服各自的缺点，具有高比强度、设计灵活性等特点材料科学是一门跨学科的科学，涉及化学、物理、生物、工程等多个领域学习材料科学有助于培养跨学科思维，提高解决复杂问题的能力材料与环境材料的生产和使用对环境有重要影响通过材料回收利用、开发环保材料等措施，可以减少环境污染，促进材料的可持续发展建筑住宅交通工具电子产品日用品其他领域谢谢聆听！欢迎提问与讨论课程要点总结扩展学习资源在本次课程中，我们系统学习了材料的基本概念、分类、性质和应用，重点介绍了无机非金属材料、有机合成材料和复合材料的特点和用途，探讨了材料与环境的关系以及材料的可持续发展途径推荐书籍通过本课程的学习，希望大家能够•《材料科学基础》，徐祖耀等著•掌握材料分类的基本方法和不同材料的主要特性•《现代材料科学导论》，张联盟等著•理解材料性质与应用之间的关系，能够合理选择材料•《材料科学与工程》，张联盟等著•认识到材料对环境的影响，树立环保和可持续发展意识•《新材料入门》，北京大学出版社•了解材料科学的发展趋势和创新方向材料科学是一门与生活密切相关的学科，也是推动科技进步和产业发展的关键领域希望本课程能够激发大家对材料科学的兴趣，为进一步学习和研究奠定基础在线资源•中国材料研究学会网站www.c-mrs.org.cn•材料科学网www.material.cn•材料人网www.cailiaopeople.com•科学网材料科学专栏blog.sciencenet.cn/blog实践活动•参观材料科学实验室和材料制造企业•参与材料回收和环保宣传活动•动手制作简单的复合材料•观察和分析日常生活中的材料应用材料科学是一个充满活力和创新机会的领域随着科技的发展和社会需求的变化，新材料不断涌现，为各行各业带来变革希望大家能够保持对材料科学的关注和兴趣，在未来的学习和工作中不断探索和创新联系方式后续课程预告如有疑问或需要进一步探讨，欢迎通过以下方式联系《新能源材料专题》邮箱materials@example.edu.cn《生物医用材料导论》微信公众号材料科学前沿《材料表征技术基础》实验室开放日。