第一講：材料結(jié)構(gòu)與性能

第一講：材料結(jié)構(gòu)與性能第一頁(yè)，共105頁(yè)。第一講：無(wú)機(jī)材料的前沿研究與發(fā)展概況一、材料學(xué)前沿研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)二、材料、循環(huán)經(jīng)濟(jì)與可持續(xù)發(fā)展三、混凝土科學(xué)的發(fā)展與未來(lái)第二頁(yè)，共105頁(yè)。一、材料學(xué)前沿研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)1、材料的分類(lèi)及新材料的特點(diǎn)

2、新型材料研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域及方向3、傳統(tǒng)材料的改性與有效利用

4、材料制備新方法的進(jìn)展

第三頁(yè)，共105頁(yè)。材料學(xué)(Materialogy)定義：材料學(xué)即是研究材料的學(xué)科，其研究?jī)?nèi)容包括材料的性能，材料的組成結(jié)構(gòu)，材料的形成變化過(guò)程，材料的研究、制造方法及設(shè)備，以及它們之間的相互關(guān)系。其核心是材料的性能，其他均是為了材料性能的有效控制。第四頁(yè)，共105頁(yè)。1、材料的分類(lèi)與特點(diǎn)

按材料的組成分：金屬材料：凡以金屬鍵結(jié)合的材料均稱(chēng)為金屬材料。無(wú)機(jī)非金屬材料：是人類(lèi)最早使用和認(rèn)識(shí)的材料之一。其內(nèi)部結(jié)合力主要為離子鍵、共價(jià)鍵或離子-共價(jià)混合鍵，有高熔點(diǎn)、高硬度、耐磨、耐腐蝕和抗氧化的基本屬性。傳統(tǒng)上以陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料為代表。有機(jī)高分子合成材料：主要指以氫、碳為主要元素的材料。復(fù)合材料：是為滿(mǎn)足新技術(shù)對(duì)材料性能的綜合要求，采取取長(zhǎng)補(bǔ)短的方法，用兩種或兩種以上材料進(jìn)行有效復(fù)合而得到的復(fù)合型材料。第五頁(yè)，共105頁(yè)。以材料的使用性質(zhì)分：結(jié)構(gòu)材料：是指主要要求強(qiáng)度和韌性及其在工作環(huán)境中有良好適應(yīng)性的一類(lèi)材料。功能材料：是指具有優(yōu)良的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)功能及其相互轉(zhuǎn)化的功能，被用于非結(jié)構(gòu)目的之高技術(shù)材料

第六頁(yè)，共105頁(yè)。按材料的用途分：可分為建筑材料、能源材料、信息材料、航空材料、環(huán)境材料、電子材料、智能材料、生物材料等，其內(nèi)容龐大繁雜，涉及到人類(lèi)生活的各個(gè)方面。第七頁(yè)，共105頁(yè)。新型材料的特點(diǎn)

新型材料是知識(shí)密集、技術(shù)密集、資金密集的具有高附加值的一類(lèi)新興產(chǎn)業(yè)新型材料的發(fā)展與新技術(shù)密切相關(guān)新型材料是多種學(xué)科互相交叉、互相滲透的結(jié)果，企圖依靠單一的學(xué)科知識(shí)，再也難以完成新材料的研究和制備新材料品種多、式樣多，更新?lián)Q代快第八頁(yè)，共105頁(yè)。2、新型材料研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域及方向

信息材料

能源材料

高性能結(jié)構(gòu)新材料

低維材料

生物材料

智能材料及結(jié)構(gòu)

生態(tài)環(huán)境材料(綠色材料)

第九頁(yè)，共105頁(yè)。信息材料：所謂信息材料(Informationmaterials)，是指具有信息的獲取、傳輸、存儲(chǔ)、顯示及處理等功能的材料。包括：信息交換、處理的新型半導(dǎo)體材料與大規(guī)模三維集成電路

信息存儲(chǔ)材料

信息獲取與顯示材料

信息傳輸材料

第十頁(yè)，共105頁(yè)。Ⅳ族元素半導(dǎo)體Ⅲ-Ⅴ族化合物Ⅱ-Ⅵ族化合物單晶、微晶和非晶體半導(dǎo)體主要形態(tài)有體材料和薄膜材料兩大類(lèi)信息交換、處理的新型半導(dǎo)體材料與大規(guī)模三維集成電路:信息材料：第十一頁(yè)，共105頁(yè)。Ⅳ族元素半導(dǎo)體：指硅、鍺和金剛石。其中硅、鍺被稱(chēng)為第一代半導(dǎo)體。

單位199519982001DRAM(動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取)Mbit642561×103設(shè)計(jì)線(xiàn)寬μm0.350.250.18晶片直徑mm200200-300＞300光面粗糙度nm＜0.5＜0.3＜0.2光面污點(diǎn)與缺陷數(shù)片數(shù)目≤10≤1≤1缺陷尺寸μm≤0.12≤0.05≤0.03光面金屬原子個(gè)/cm1010≤109≤108含氧量at%0.0029±40.0026±20.0023±2信息材料：第十二頁(yè)，共105頁(yè)。Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體：主要指以GaAs、InP、GaP、InAs、AlAs、InGaAlP、InAlAs、GaAlAs、InAlGaAs和SiC、GaN等第二、第三代電子材料。其中以GaAs為代表的第二代半導(dǎo)體材料，具有電耗小、電子遷移速度高(是硅的5-6倍)、工作溫度寬和光電子效應(yīng)的特點(diǎn)。以GaN為代表的第三代半導(dǎo)體化合物(含金剛石)，因其具有禁帶寬度大、速度高、介電常數(shù)小、導(dǎo)熱性好等特點(diǎn)(見(jiàn)表2)，非常適合于制作抗輻射、高頻、大功率和高密度集成的電子器件。

信息材料：第十三頁(yè)，共105頁(yè)。表2三代半導(dǎo)體材料特性比較材料帶隙類(lèi)型禁帶寬度(ev)飽和電子遞度107cm·s-1載流子遷移率(cm2·v-1s-1)介電常數(shù)熱導(dǎo)率(W.cm-1k-1)熔點(diǎn)(℃)SiO2間接1.1191.0135011.91.41720GaAs直接1.4282.0800013.180.541238SiC間接2.9442.010009.74.92830金剛石間接5.52.722005.5204000GaN直接3.62.59008.91.51700信息材料：第十四頁(yè)，共105頁(yè)。Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體：

與硅和Ⅲ-Ⅴ族化合物相比，此類(lèi)化合物的能帶寬度變化范圍要廣得多。其直接躍遷能帶寬度可以從-0.3ev變化到3.8ev。主要用途為紅外探測(cè)器和光電子學(xué)。紅外探測(cè)器是以HgCdTe為代表的金屬化合物半導(dǎo)體器件，它可以制成1-20μm的各種波段的紅外探測(cè)器。在光電子學(xué)方面，以ZnSe為代表的注入式光發(fā)射器和激光器的研制成功使光電子學(xué)可應(yīng)用在整個(gè)可見(jiàn)光波段范圍內(nèi)。該類(lèi)化合物將應(yīng)用到光波導(dǎo)器、光雙穩(wěn)態(tài)器等方面，但困難是P-n結(jié)構(gòu)摻雜問(wèn)題。信息材料：第十五頁(yè)，共105頁(yè)。非晶態(tài)半導(dǎo)體是近年來(lái)半導(dǎo)體領(lǐng)域里一個(gè)重要前沿課題。非晶態(tài)半導(dǎo)體薄膜與大規(guī)模集成電路技術(shù)結(jié)合已創(chuàng)立了新一代電子工業(yè)。主要有非晶硅、硫系玻璃、聚合物非晶半導(dǎo)體等。但其性能還有待提高，其理論還有待完善。三維集成電路封裝材料高質(zhì)量的封裝材料和封裝技術(shù)與半導(dǎo)體材料構(gòu)成了集成電路的技術(shù)關(guān)鍵。電子陶瓷薄膜作為襯底及封裝材料多年來(lái)一直是實(shí)現(xiàn)多層集成器的支柱。氣相沉積技術(shù)，使金剛石薄膜或AlN等導(dǎo)熱而不導(dǎo)電的封裝材料用于集成電路，有效提高了集成度。鐵電-硅微集成系統(tǒng)，即把鐵電膜材料(如BT，PZT等)生長(zhǎng)到硅基上，有機(jī)地形成系統(tǒng)，以達(dá)到良好系統(tǒng)功能，也是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。信息材料：第十六頁(yè)，共105頁(yè)。信息存儲(chǔ)材料

磁存儲(chǔ)材料：磁儲(chǔ)材料發(fā)展最早，日前仍占有重要地位，種類(lèi)也很多，除γ-Fe2O3、CrO2、BaO6Fe2O3外，還有薄膜。用磁粉(γ-Fe2O3)涂布，其密度達(dá)0.2Mbcm-2，重直雙層膜(Co-Cr/Fe-Ni)大于3.2Mbcm-2，然而單盤(pán)儲(chǔ)量很難突破100Mb的容量。磁光存儲(chǔ)材料：磁光存儲(chǔ)因其密度高、壽命長(zhǎng)(＞104次)保真好，并可擦除，故發(fā)展很快，其材料成分為GdCo,GdTbFe，TbFeCo或Co與Pt薄膜重疊。光存儲(chǔ)材料：光存儲(chǔ)的密度極高(51.5Mbcm-2)而且價(jià)格低廉，目前常用材料厚度為30-50nm的Te-Se-Pb薄膜或Sb2Se3、Bi2Fe2多層膜及特種光存儲(chǔ)硫系玻璃(As2S3、As2Se3、A3SeGe等)信息材料：第十七頁(yè)，共105頁(yè)。信息獲取與顯示材料

計(jì)算機(jī)信息獲取主要靠敏感材料和敏感元件，它決定著控制的精度。很多敏感材料是氧化陶瓷，如Zr1-xCaxO2-x、CdS、ZnO-Bi2O3、PbZr1-xTixO3等對(duì)電、光、聲、力、熱、磁、溫度、濕度或氣氛的微小變化而引起性質(zhì)的變化，它們是傳感器的基礎(chǔ)，其對(duì)環(huán)境的敏感程度決定了傳感器的精度。以光纖為傳感基質(zhì)的光纖傳感器正得到迅速發(fā)展，它的基本原理是通過(guò)信息的各種輻射場(chǎng)(光、光電、光化學(xué)效應(yīng))，對(duì)光纖直接、間接地產(chǎn)生應(yīng)變，使光纖的折射率發(fā)生微小的變化。信息的讀出或顯示材料：液晶、高分子液晶是人們所熟知的顯示材料，但在亮度方面尚顯不足。Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體材料以及與有機(jī)聚合物發(fā)光材料的組合，可以使信息顯示達(dá)到理想境地，如GaAsP和GaAlAs材料的半導(dǎo)體紅光發(fā)光二極管(LED)，GaP和InGaAlP材料的綠光LED，ZnSe、SiC和GaN材料的藍(lán)光LED的實(shí)現(xiàn)，體半導(dǎo)體LED顯示技術(shù)具備了全色顯示的條件。

信息材料：第十八頁(yè)，共105頁(yè)。信息傳輸材料

人類(lèi)一直利用聲波、電波和光波等介質(zhì)進(jìn)行著近程、中程和遠(yuǎn)程的由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的直接或間接的信息傳輸過(guò)程。傳輸材料歷經(jīng)變化，發(fā)展到目前最先進(jìn)的光導(dǎo)纖維。光導(dǎo)纖維的特點(diǎn)是容量大、保密性強(qiáng)、抗干撓、信號(hào)損耗小、中繼網(wǎng)點(diǎn)距離長(zhǎng)、節(jié)約資源，是目前信息高速公路的關(guān)鍵技術(shù)。它是利用高折射率的芯材和低折射率的鞘材間的光全反射原理而完成信息傳輸?shù)?。傳輸方式有多模或單模兩種。光纖材料，主要有三大類(lèi)。即氧化物玻纖、非氧化物玻纖和有機(jī)聚合物的玻纖。

信息材料：第十九頁(yè)，共105頁(yè)。能源材料

新能源材料:(1)快中子增殖和受控?zé)岷司圩?2)燃煤磁流體發(fā)電(3)太陽(yáng)能的利用(4)風(fēng)能、潮汐、地?zé)岷秃Ｋ疁夭钅茉?5)氫能源節(jié)能材料

(1)超導(dǎo)材料(2)提高熱利用效率材料(3)提高反應(yīng)效率材料(4)輕量化材料第二十頁(yè)，共105頁(yè)?？熘凶釉鲋澈褪芸?zé)岷司圩?1kgU裂變反應(yīng)產(chǎn)生的熱量相當(dāng)于2700噸標(biāo)準(zhǔn)煤，則這只利用了占U重量0.72%的U235。若采用快中子增殖反應(yīng)就可使92.275%的U238得以利用。若采用熱核聚變反應(yīng)，又可使U中可利用能量增加3倍。這樣一公斤U就有相當(dāng)于數(shù)拾萬(wàn)噸煤的熱量。在受控?zé)岷司圩冞^(guò)程，氘(D)氚(T)反應(yīng)可放出大量熱，其能源可以說(shuō)是取之不盡，用之不竭。因?yàn)橐还Ｋ碾㈦胺磻?yīng)就產(chǎn)生相當(dāng)于300公升汽油的熱量。能源材料:

第二十一頁(yè)，共105頁(yè)。燃煤磁流體發(fā)電:磁流體發(fā)電是利用法拉第電磁感應(yīng)定律，使高溫下導(dǎo)電的等離子氣流經(jīng)過(guò)強(qiáng)磁場(chǎng)而產(chǎn)生電流。煤粉在燃燒器內(nèi)會(huì)產(chǎn)生高達(dá)2500℃導(dǎo)電氣流，輸出電流。排出氣體溫度達(dá)2000℃左右，可用來(lái)發(fā)電，其綜合效率可達(dá)60%，且能減少硫污染。但由于電極材料、通道材料壽命不過(guò)關(guān)，超導(dǎo)磁體種子回收難度大，目前尚未達(dá)到實(shí)用化程度。能源材料:

第二十二頁(yè)，共105頁(yè)。太陽(yáng)能的利用:

太陽(yáng)能一是熱的直接利和，一是把光能轉(zhuǎn)換成電。后者要求價(jià)廉、效高、壽命長(zhǎng)的光電轉(zhuǎn)換材料。但目前的光電轉(zhuǎn)換材料都不太理想，不是價(jià)格太貴就是效率太低。如AsGa效率最高28.7%，多晶硅17.7%，硫系玻璃(CdTe)15.8%，單晶硅15-20%，非晶硅膜18.9(理論24%)。由于非晶硅吸收系數(shù)高，膜厚僅有0.5-0.7μm(只是單晶硅太陽(yáng)能電池厚度的1/500)，如果采用不同材料的迭式結(jié)構(gòu)，吸收不同波段，其效率可達(dá)40%，若把非晶硅太陽(yáng)電池裝入太陽(yáng)導(dǎo)熱器制成一體化部件，綜合轉(zhuǎn)換效率達(dá)58%，是比較有發(fā)展前途的。有機(jī)化合物葉啉分子(P)、醌分子(Q)和類(lèi)胡蘿卜素分子片段(C)一起組成QPC分子極化子組成太陽(yáng)能電池，光電轉(zhuǎn)換效率可這70-80%〔26〕，但到商業(yè)化電池，還待時(shí)日。能源材料:

第二十三頁(yè)，共105頁(yè)。風(fēng)能、潮汐、地?zé)岷秃Ｋ疁夭钅茉?

這些均是太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換形式。風(fēng)能相當(dāng)世界各國(guó)總能量的兩倍多，地殼表層10km內(nèi)的地?zé)峥偭靠晒┤祟?lèi)使用40萬(wàn)年，潮汐海浪海水溫差也都含有巨額能量，目前都有利用，但除受地域影響外，都受材料的限制。風(fēng)能作為分散能源也我國(guó)山區(qū)和西北部地區(qū)都有重要意義。

能源材料:

第二十四頁(yè)，共105頁(yè)。氫能源:

氫是代替天然氣而熱值高、無(wú)污染的新能源，其含量豐富。因而儲(chǔ)氫材料是材料科學(xué)的一個(gè)重要課題。利用氫與金屬的交互作形成氫化物，儲(chǔ)氫量比同體積的液態(tài)氫還大，如表3所示。

能源材料:

表3幾種含氫化合物化合物液氫MgH2PolH0.8Mg2NiH4LaNi5H6-7TiH2VH2氫原子數(shù)×1028/m4.25．94．75．66．19．210．4第二十五頁(yè)，共105頁(yè)。超導(dǎo)材料:這是目前研究的熱點(diǎn)之一。自1911年發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象，一直到1986年，超導(dǎo)的工作溫度都在液氦范圍內(nèi)，無(wú)法有效使用。1986年氧化物超導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)液氮工作溫度(77K-123K)后，開(kāi)始邁向了實(shí)用化。作為薄膜材料已經(jīng)實(shí)用化，制成了量子干涉儀，而線(xiàn)材、塊材實(shí)用化問(wèn)題頗多。目前要解決的關(guān)鍵問(wèn)題有：①提高工作溫度；②解決材料的脆性問(wèn)題；③提高塊、線(xiàn)材的電流密度；④解決陶瓷的超導(dǎo)理論。能源材料:

第二十六頁(yè)，共105頁(yè)。提高熱利用效率材料:①高效材料與技術(shù)：日本、美國(guó)和我國(guó)都先后制成了陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)，已達(dá)實(shí)用化程度，可節(jié)約燃料10-20%，陶瓷熱交換器可節(jié)能40-50%，但要解決結(jié)構(gòu)陶瓷的可靠性、穩(wěn)定性問(wèn)題和性?xún)r(jià)比問(wèn)題。②儲(chǔ)能材料：據(jù)計(jì)算，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)對(duì)原油綜合利用熱效率只有9-14%，而電動(dòng)汽車(chē)原油的利用熱效率為16-21%(見(jiàn)表4)，因此電動(dòng)汽車(chē)節(jié)能效果十分明顯，且有利環(huán)境，但目前的鉛酸電池比能量太低(30wh/kg)，汽車(chē)太重。所以高密度蓄電池必須發(fā)展。③燃料電池：通過(guò)電化學(xué)裝置對(duì)燃料氧化而產(chǎn)生電池的裝置稱(chēng)為燃料電池。燃料電池污染小、效率高，有可能成為未來(lái)的汽車(chē)能源。能源材料:

第二十七頁(yè)，共105頁(yè)。提高反應(yīng)效率材料:

無(wú)疑是節(jié)能的有效措施，如催化劑、礦化劑、助燃劑、觸酶的研究和使用，都極具意義。如水泥熟料的理論熱耗只有1800KJ/kg，可目前實(shí)際上仍在3000KJ/kg以上，濕法生產(chǎn)高達(dá)6500KJ/kg。近些年的研究已取得不少成果，貝利特水泥、波賽爾水泥、高鋁貝利特水泥的燒成溫度場(chǎng)降低到1200-1300℃之間，再選擇更好的組分匹配和助熔劑及離子束活化等方法可使其煅燒溫度降至1100℃，其能量損耗將大大降低，由此也會(huì)使其他因高溫帶來(lái)的問(wèn)題大大緩解。尤其值得一提的是高分子催化劑，近年的研究，出現(xiàn)不少新品種，有力的促進(jìn)了高分子材料及其它行業(yè)的發(fā)展。如離子交換型催化劑、帶有各種功能團(tuán)的高分子催化劑、高分子金屬絡(luò)合物催化劑及無(wú)機(jī)高分子催化劑、凝膠固定催化體系、多功能高分子催化劑、高分子相轉(zhuǎn)移催化劑等。能源材料:

第二十八頁(yè)，共105頁(yè)。輕量化材料:發(fā)展高強(qiáng)比、高剛比并具有良好綜合性能的材料是實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)械輕量化的基礎(chǔ)，具有良好的節(jié)能前景。能源材料:

第二十九頁(yè)，共105頁(yè)。高性能結(jié)構(gòu)新材料

不斷發(fā)展的金屬材料

高強(qiáng)度工程塑料

結(jié)構(gòu)工程陶瓷

復(fù)合材料

第三十頁(yè)，共105頁(yè)。高純度化均質(zhì)合金化微晶玻璃化復(fù)相化。不斷發(fā)展的金屬材料

:

第三十一頁(yè)，共105頁(yè)。工程塑料是高分子材料中具有高強(qiáng)度(如50MPa)、高摸量、高使用溫度(＞150℃)或有特殊功能(導(dǎo)電、導(dǎo)光、吸波、磁性)的材料。結(jié)構(gòu)工程塑料是很多以共價(jià)鍵結(jié)合在一起的大分子，其單元數(shù)目可達(dá)百萬(wàn)。這些高分子處于熔化狀態(tài)或非晶態(tài)時(shí)，就像一盤(pán)煮熟了的面條，彈性好、強(qiáng)度不高。如果結(jié)晶度接近100%，則具有很高的強(qiáng)度和摸量。高結(jié)晶度可通過(guò)熔體的控制和固體擠壓而達(dá)到。高分子共聚物的強(qiáng)度還可通過(guò)合金化及嵌段共聚等方法使兩種及兩種以上不同性質(zhì)的分子成鍵，也可通過(guò)共混得到不同性能的材料。因此，高分子材料已進(jìn)入按需設(shè)計(jì)階段，即所謂“分子復(fù)合”。

高強(qiáng)度工程塑料

第三十二頁(yè)，共105頁(yè)。如Si3N4、Sialon、SiC、ZrO2、Al2O3、莫來(lái)石(Al2O3SiO2系)等。這類(lèi)陶瓷多數(shù)資源極為豐富，具有耐高溫(1200-1600C)、耐磨、耐蝕、摩擦系數(shù)小、密度低、膨脹系數(shù)小等特點(diǎn)。缺點(diǎn)是室溫脆性高，性能分散，價(jià)格貴，加工難，回收困難等。但是通過(guò)對(duì)原料的控制(超純、超細(xì))、晶界控制、第二相加入、纖維增強(qiáng)以及利用相變應(yīng)力(ZrO2)可以提高陶瓷的韌性。結(jié)構(gòu)工程陶瓷第三十三頁(yè)，共105頁(yè)。樹(shù)脂基復(fù)合材料:以高分子、碳、陶瓷或金屬纖維強(qiáng)化的樹(shù)脂基材料是先進(jìn)復(fù)合材料中比較成熟的一類(lèi)，復(fù)合后可以大幅度提高樹(shù)脂的比強(qiáng)度和比剛度。金屬基復(fù)合材料:金屬基復(fù)合材料是金屬用陶瓷、碳纖維、晶須或顆粒等增強(qiáng)的材料，以大幅度提高比強(qiáng)度或比剛度。

陶瓷基復(fù)合材料:通過(guò)纖維復(fù)合、纖維增強(qiáng)、彌散補(bǔ)強(qiáng)、相變補(bǔ)強(qiáng)，斷裂韌性確實(shí)大為提高，而且纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料抗疲勞能力強(qiáng)，幾乎不存在缺口敏感性，這和傳統(tǒng)陶瓷大不相同。C/C復(fù)合材料:碳-碳(C/C)復(fù)合材料由碳基體和碳纖維組成。層狀陶瓷復(fù)合材料和梯度復(fù)合材料:層狀復(fù)合材料是從珍珠和貝殼具有層狀結(jié)構(gòu)而且有較大韌性的特點(diǎn)中啟發(fā)而新近發(fā)展的一種新型復(fù)合材料。梯度復(fù)合材料，是從層狀復(fù)合材料之間高溫下界面變形應(yīng)力較大而構(gòu)思出來(lái)的一種過(guò)渡層成分連續(xù)變化的復(fù)合材料，具有很好的抗高溫變形能力。

復(fù)合材料第三十四頁(yè)，共105頁(yè)。低維材料

納米材料與結(jié)構(gòu)

一維材料-纖維材料

二維材料-膜材料

第三十五頁(yè)，共105頁(yè)。納米微粒是由幾千個(gè)原子組成的，不同于宏觀大塊物體，也不同于單個(gè)的原子和分子，具有許多新的特性。納米材料在催化、高精度拋光與陶瓷材料增韌改性等方面已得到實(shí)際應(yīng)用。它向國(guó)民經(jīng)濟(jì)和高技術(shù)各個(gè)領(lǐng)域的滲透以及對(duì)人類(lèi)社會(huì)進(jìn)步的影響將是難以估計(jì)的。納米結(jié)構(gòu)的重要發(fā)展方向是納米組裝體和納米器件。納米器件的誕生意味著微電子器件即將進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代。以量子效應(yīng)為基礎(chǔ)的納米器件就用了納米組裝體系，它包括納米有序(無(wú)序)陣列體系、納米微粒與微孔固體組裝體系、金屬/半導(dǎo)體/鐵電體、鐵磁體/半導(dǎo)體、納米超結(jié)構(gòu)組裝體系。利用具有半導(dǎo)體性質(zhì)的納米管與具有金屬性質(zhì)的納米管可組裝成具有隧道結(jié)的納米碳管，很可能發(fā)展成為新型的納米器件，在機(jī)械、電子、光學(xué)、磁學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)上有著廣泛的應(yīng)用前景，可用于電子記憶、數(shù)據(jù)接收、存儲(chǔ)和傳輸?shù)确矫妗＜{米材料目前需集中解決幾個(gè)問(wèn)題：①超微粉體系②燒結(jié)動(dòng)力學(xué)③納米材料的物理性能④納米材料的顯微結(jié)構(gòu)及其檢測(cè)與表征方法。納米材料與結(jié)構(gòu)第三十六頁(yè)，共105頁(yè)。光導(dǎo)纖維:最有生命的信息傳輸材料。不僅具有信息傳輸容量大、衰減少、保密性好、抗干撓的特點(diǎn)，而且所需材料呈數(shù)量極的降低，材料來(lái)源極其豐富。碳纖維：主要是用各類(lèi)有機(jī)纖維經(jīng)碳化(氧化或催化法)制備而成。具有高強(qiáng)度、高模量的特性，且在1400℃以上強(qiáng)度才明顯降低，是制造耐高溫復(fù)合材料的首選增強(qiáng)材料，廣泛用軍事、航空工業(yè)。芳倫纖維(kevlar):

是有機(jī)纖維的代表。單絲強(qiáng)度可達(dá)3850MPa，成束抗拉強(qiáng)度也達(dá)2800MPa。強(qiáng)度比玻纖、碳纖、硼纖、不銹鋼絲及其它有機(jī)纖維均高，具有很好的耐腐蝕性和耐火、抗低溫性。玻璃纖維:應(yīng)用歷史最長(zhǎng)，由SiO2、B2O3Al2O3、(NaK)O等組成。強(qiáng)度高于天然纖維和一般合成纖維，短纖維抗拉強(qiáng)度可達(dá)2400MPa，耐高溫玻纖在1260℃時(shí)才軟化。因其價(jià)格的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用最為廣泛。目前主要應(yīng)解決耐蝕和脆斷等問(wèn)題。一維材料-纖維材料第三十七頁(yè)，共105頁(yè)。

膜材料因用途廣泛而受到人們的重視。近年來(lái)，由于實(shí)驗(yàn)室裝置的不斷發(fā)展，已能控制單分子級(jí)的薄膜。最近正在發(fā)展的一種有序且緊密排列的幾個(gè)nm到幾百nm厚的L-B薄膜，由于其電子所處狀態(tài)和外界環(huán)境的影響，可表現(xiàn)為不同的電子遷移規(guī)律，從而完成特定的光電、電光或電子學(xué)功能，如絕緣、鐵電效應(yīng)、導(dǎo)體及半導(dǎo)體等。

功能陶瓷薄膜:正在沿著外延單晶和定向微晶兩個(gè)方向發(fā)展，其中部分已進(jìn)入商品生產(chǎn)。

高分子功能膜材料:近年來(lái)發(fā)展很快，出現(xiàn)了許多性能可靠的新品種，尤其在分離膜方面，見(jiàn)下表。廣泛用于氣體、溶液、廢液、海水的分離、凈化、濃縮、提純及化學(xué)傳感器、電子束刻蝕、超薄絕緣、非線(xiàn)性光學(xué)材料、人工臟器等方面。二維材料-膜材料第三十八頁(yè)，共105頁(yè)。有機(jī)分離膜分離方法分離方法膜型驅(qū)動(dòng)力分離機(jī)構(gòu)組成材料氣體分離均質(zhì)膜、非變孔質(zhì)膜復(fù)合膜壓力差溶解-擴(kuò)散聚砜、聚烯烴硅膠等液體分離均質(zhì)膜、復(fù)合膜濃度梯度溶解-擴(kuò)散含氟磺酸型膜、含氟羧酸及復(fù)合膜液液滲析對(duì)稱(chēng)多孔質(zhì)膜濃度梯度溶解-擴(kuò)散聚乙烯醇系膜逆滲透非對(duì)稱(chēng)膜、非多孔膜靜水壓差溶解-擴(kuò)散醋酸纖維膜、芳香聚酰胺電透析陰陽(yáng)離子交換膜電位梯度粒子電荷和大小聚氯乙烯等膜材料第三十九頁(yè)，共105頁(yè)。生物材料

生物醫(yī)用材料

仿生材料

生物體系摸擬

第四十頁(yè)，共105頁(yè)。生物醫(yī)用金屬材料：它們有：①低碳含鉬奧氏體不銹鋼系列；②鈷-鉻-鉬合金系列；③鈦及鈦合金系列；④鎳鈦記憶合金系列；⑤金銀貴金屬系列。生物醫(yī)用無(wú)機(jī)非金屬材料：主要有生物玻璃、生物陶瓷及生物玻璃陶瓷等。這類(lèi)材料的特點(diǎn)是在人體內(nèi)化學(xué)穩(wěn)定性好、組織親和性好、抗壓強(qiáng)度高、易高溫消毒等。但缺點(diǎn)是脆性大、抗沖擊性差、加工成型困難等。臨床上分為兩類(lèi)：一類(lèi)為生物惰性陶瓷，如氧化鋁(分單晶、多晶、多孔質(zhì)等)，氧化鋯、碳素材料等；一為為生物活性陶瓷，能與人體組織表面發(fā)生化學(xué)鍵合，表現(xiàn)出極好的生物相容性，如高密度羥基磷石灰結(jié)晶化玻璃、羥基磷石灰、磷酸鈣陶瓷及具有藥物緩解功能的磷酸鈣骨水泥等。生物醫(yī)用高分子材料：一般可分為三類(lèi)：①剛性材料：主要有骨水泥(PMMA)及人工關(guān)節(jié)材料(超高分子量聚乙烯等)；②柔性材料：按在原子中的用途不同分為血管材料(聚四氟乙烯滌綸編織物)、膜材(尼龍)、體液交換滲析膜、韌性材料(聚乙烯醇等)；③生物活性及生物可降解高分子材料：聚乳酸、聚乙醇、脂肪聚脂、聚酸酐等。生物醫(yī)用材料第四十一頁(yè)，共105頁(yè)。

生物體是千百萬(wàn)年演化而來(lái)的，其結(jié)構(gòu)應(yīng)該是最合理的。解剖生物體可以給人的啟示，使在設(shè)計(jì)材料時(shí)有所遵循。如貝殼，不但強(qiáng)度高，而且韌性好，因?yàn)樘妓徕}薄層中夾有有機(jī)物；竹子加強(qiáng)筋的分布外密內(nèi)疏，可保持最佳韌性；珊瑚骨架的孔徑分布很窄，而且孔體積與實(shí)體體積幾乎相等，孔與孔之間完全溝通，孔隙與溝道呈各向異性，具有很好的傳感功能。如此種種，均可作為材料工作者的參考。最近的層狀復(fù)合材料、生物大理石板、海藻生產(chǎn)胞外石灰石顆粒、L-B仿生膜、藥物緩慢釋放體系、壓電陶瓷傳感器等已取得可喜進(jìn)展。仿生材料第四十二頁(yè)，共105頁(yè)。

生物體系有超乎尋常的功能，如脊椎動(dòng)物的能量效率接近100%，而最好的發(fā)動(dòng)機(jī)也不超過(guò)50%。人的腎上腺只有6g，而生物堿達(dá)百種以上，可隨生物體情況而釋放不同物質(zhì)以保持人體平衡，耳、目、口、舌的感度是人工傳感器的千百萬(wàn)倍(一次感度)，人腦的存儲(chǔ)量也大大高于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)且具有很高的綜合判斷能力；消化酶在常溫下的食物消化和能量轉(zhuǎn)化能力也是現(xiàn)有任何人造催化劑、酶所不能達(dá)到的；植物葉綠素的光合作用至今尚無(wú)法模仿，如此等等。如何用人造材料和器官達(dá)到生物體系功能、使工業(yè)反應(yīng)器在室溫條件下進(jìn)行、信息處理達(dá)到人腦功能、人工合成食物等都是人們所追求的目標(biāo)。飛機(jī)、醫(yī)用無(wú)影燈、人工合成胰島素等可以說(shuō)是人類(lèi)部分摸擬生物體系成功的先例。

生物體系摸擬第四十三頁(yè)，共105頁(yè)。智能材料及結(jié)構(gòu)

智能材料(intelligentmaterials)是高技術(shù)新材料發(fā)展的一個(gè)重要方向。有人認(rèn)為它是繼天然材料、制造材料和精細(xì)材料之后的第四代材料；也有人認(rèn)為是繼結(jié)構(gòu)材料和功能材料之后的材料發(fā)展歷史的第三個(gè)里程牌。

智能材料是指那些對(duì)使用環(huán)境敏感而且能隨環(huán)境變化作出靈活反應(yīng)的材料。更確切的說(shuō)，智能材料是一類(lèi)集傳感、控制、驅(qū)動(dòng)等功能于一體的機(jī)敏(smart)或智能(intelligent)材料-結(jié)構(gòu)體系。它能適時(shí)地感知與響應(yīng)外界環(huán)境的變化，實(shí)現(xiàn)自檢測(cè)、自診斷、自修復(fù)、自適應(yīng)等多種功能。隨著智能材料的發(fā)展，傳統(tǒng)意義下的功能材料、生物材料與結(jié)構(gòu)材料之間的界線(xiàn)將逐步消失，形成集結(jié)構(gòu)、功能、感知、響應(yīng)于一體的類(lèi)生命體系。

智能材料包括：智能金屬材料、智能(靈巧)無(wú)機(jī)材料、智能高分子材料、智能材料-結(jié)構(gòu)體系第四十四頁(yè)，共105頁(yè)。自修復(fù)功能金屬：主要是通過(guò)在材料內(nèi)部分散或復(fù)合一些功能性物質(zhì)，當(dāng)材料受到損傷時(shí)，這些物質(zhì)發(fā)生某種變化而抑制損傷進(jìn)一步發(fā)展，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自修復(fù)，如含有Y2O3微球的Fe-Cr合金，當(dāng)高溫疲勞裂化時(shí)，硫在基材和抑制裂紋發(fā)展的氧化膜之間偏析，使氧化膜剝落，Y2O3球可捕集有害的硫從而對(duì)氧化膜起到補(bǔ)強(qiáng)的作用；形狀記憶合金：主要是通過(guò)不同溫度下的相變而使材料恢復(fù)到溫度變化前的形狀，如Ni-Al、Ti-Ni、Ag-Cd、Fe-Pt等，用于溫度指示、管道緊密連接、自動(dòng)手臂等。智能金屬材料第四十五頁(yè)，共105頁(yè)。ZrO2增韌陶瓷：主要是通過(guò)吸收環(huán)境沖擊能，產(chǎn)生相變(單斜四方立方)體積膨脹使微裂紋改變方向而提高韌性；電致伸縮陶瓷：對(duì)PZT壓電陶瓷進(jìn)行微量摻雜，利用電致伸縮效應(yīng)的微小應(yīng)變而通過(guò)電場(chǎng)對(duì)環(huán)境實(shí)施控制；化學(xué)傳感器：利用半導(dǎo)體氧化物(如SnO2)對(duì)某些化學(xué)物質(zhì)存在下的電阻顯著減小的特性開(kāi)發(fā)靈敏感覺(jué)傳感器；智能窗：利用光致色變玻璃(玻璃加AgCl微晶)，電致色變膜(相變)實(shí)現(xiàn)對(duì)光線(xiàn)的控制等等。智能(靈巧)無(wú)機(jī)材料第四十六頁(yè)，共105頁(yè)。刺激響應(yīng)性高分子凝膠：利用凝膠對(duì)溫度、pH值、化學(xué)物質(zhì)、溫度以及光、電、磁的不同響應(yīng)而致體積變化施實(shí)控制功能，如水解聚丙烯酰胺、丙烯酸-N異丙基丙烯酸胺型共聚物、聚異丙基丙烯酰胺、含羧基的皂化聚丙烯腈凝膠纖維等；刺激響應(yīng)性高分子膜材：利用對(duì)滲透介質(zhì)、溫度、電場(chǎng)強(qiáng)度、氣氛等變化則改變通透性，如聚硅氧烷側(cè)鏈液晶膜、聚苯胺、聚丙烯酸接枝聚碳酸酯膜等。

智能高分子材料第四十七頁(yè)，共105頁(yè)。具有自我調(diào)節(jié)功能的汽車(chē)懸架可以識(shí)別路面的變化，并相應(yīng)改變自身的剛度，提高了乘坐的舒適性；以具有傳感、執(zhí)行等功能的電子陶瓷集成一起而制作的機(jī)敏材料(Smartmaterials)及相關(guān)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，已在高級(jí)轎車(chē)和家用電器中獲得應(yīng)用；在鋼筋混凝土中埋入光纖傳感器，可以對(duì)高層建筑和大壩的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、裂紋等物理量進(jìn)行主動(dòng)監(jiān)測(cè)，并能對(duì)所感知的信息通過(guò)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行主動(dòng)控制；利用智能材料制造的飛機(jī)的機(jī)翼可以自己彎曲，自動(dòng)改變形狀，從而改變升力或阻力，這不僅可使飛機(jī)的重量減輕，還能提高飛機(jī)(特別是戰(zhàn)斗機(jī))的安全性和存活率。智能材料-結(jié)構(gòu)體系第四十八頁(yè)，共105頁(yè)。生態(tài)環(huán)境材料(綠色材料)

生態(tài)環(huán)境材料(Ecomaterials)是90年代初在國(guó)際新材料研究中形成的一個(gè)新領(lǐng)域。所謂生態(tài)環(huán)境材料，是指那些具有良好的使用性能或功能，從原料采集、材料制造、使用、廢棄直到再生循環(huán)利用等環(huán)節(jié)都與生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)，給地球環(huán)境造成的負(fù)擔(dān)最小或有利健康的材料。國(guó)際上生態(tài)環(huán)境材料目前的主要研究?jī)?nèi)容是：材料的LCA(LifeCycleAssessment)評(píng)價(jià)技術(shù)和材料綜合利用新技術(shù)。

第四十九頁(yè)，共105頁(yè)。據(jù)估計(jì)水的壽命為25億年，而地球生命圈的壽命為9億年。只要地球上的生物不飛到宇宙中去，其最大壽命似乎應(yīng)有9億年，然而，等不到9億年，到21世紀(jì)中期，地球生命圈則很有可能迎接一場(chǎng)重大危機(jī)。這就是空氣中二氧化碳等室溫化氣體增多、大氣臭氧層破壞、酸雨、森林破壞、生物鏈中斷等整個(gè)地球規(guī)模的環(huán)境問(wèn)題。其根本原因是現(xiàn)代人類(lèi)文明。人口的增加、植被的破壞、石油煤炭的使用、礦物資源的大量開(kāi)采及冶煉、工業(yè)廢棄物的劇增、農(nóng)藥的使用等無(wú)一不給地球環(huán)境造成沉重的負(fù)擔(dān)，自然環(huán)境已無(wú)能力及時(shí)凈化人類(lèi)文明所帶來(lái)的污染。自然資源已無(wú)法滿(mǎn)足人類(lèi)高度物質(zhì)文明的需要，面臨著嚴(yán)重枯渴.研究生態(tài)環(huán)境材料的意義第五十頁(yè)，共105頁(yè)。大力發(fā)展生態(tài)環(huán)境材料，開(kāi)展材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性評(píng)估，發(fā)展零排放和零廢棄的新材料新技術(shù)，開(kāi)展材料的綜合利用，受到愈來(lái)愈多的國(guó)家的重視。近年來(lái)在環(huán)境凈化、防止污染、替代有害物質(zhì)、減少?gòu)U棄物、材料的資源化和利用自然能等方面作了大量工作，并取得了重要進(jìn)展。環(huán)境意識(shí)已經(jīng)滲透到新材料的研究開(kāi)發(fā)、加工制備和使用的各個(gè)過(guò)程中。在加強(qiáng)資源和能源的有效利用、材料制品的再循環(huán)制備和使用等方面的研究開(kāi)發(fā)，許多國(guó)家都在立法、政策和資金方面給予優(yōu)先。在LCA評(píng)價(jià)技術(shù)方面:目前集中在LCA方法學(xué)和應(yīng)用示范方面。國(guó)外許多單位已經(jīng)建立了自己的LCA評(píng)價(jià)軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)。正在評(píng)價(jià)中的材料有：交通運(yùn)輸材料(如汽車(chē)材料)、包裝材料、建筑材料、自行車(chē)材料以及其它工程材料和功能材料。第五十一頁(yè)，共105頁(yè)。國(guó)際上對(duì)固態(tài)廢棄物的綜合利用，尤其是高附加值綜合利用非常重視，目前成為另一個(gè)研究熱點(diǎn)。材料制備加工中的潔凈技術(shù)，又稱(chēng)為零排放與零廢棄加工技術(shù)(ZeroEmissionandZeroWasteProcessing)，已引起各方面的極大關(guān)注。材料制備加工中的零排放與零廢棄技術(shù)的重要性在于，它從根本上改變了在環(huán)境問(wèn)題上的“先污染，后治理”的模式。其基本出發(fā)點(diǎn)是，通過(guò)對(duì)材料制備加工中各種過(guò)程的綜合分析，采取有效的綜合技術(shù)，從技術(shù)及經(jīng)濟(jì)兩方面考慮，盡可能減少乃至最終避免在材料制備加工中廢棄物和污染物向生態(tài)環(huán)境中的排放，實(shí)現(xiàn)材料制備加工技術(shù)潔凈化。相信，21世紀(jì)生態(tài)環(huán)境材料必將受到各國(guó)更大的重視，成為研究開(kāi)發(fā)的主流之一，隨著一些關(guān)鍵技術(shù)的突破也將在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮更重要的作用，并創(chuàng)造一個(gè)更好的人類(lèi)生存的環(huán)境。第五十二頁(yè)，共105頁(yè)。3、傳統(tǒng)材料的改性與有效利用

材料的深度加工和精加工

正確使用材料、延長(zhǎng)材料壽命

合理設(shè)計(jì)材料、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)

第五十三頁(yè)，共105頁(yè)。即利用少量材料或等量材料創(chuàng)造出更大效益。鋼鐵的晶粒細(xì)化、強(qiáng)度大幅度提高高強(qiáng)高韌的多相復(fù)合陶瓷密實(shí)成型的高強(qiáng)度水泥基材料材料的深度加工和精加工第五十四頁(yè)，共105頁(yè)。每一種材料都有其固有的特性和破壞方式，若能合理使用則可揚(yáng)長(zhǎng)避短，延長(zhǎng)使用壽命。如水泥基材料抗拉強(qiáng)度較低，但抗壓強(qiáng)度卻較高；工程塑料強(qiáng)度很高，但剛度卻較低，抗高溫性不好、易老化；碳纖維抗拉強(qiáng)度很高，但極易被氧化等等。通過(guò)研究每一種材料的損毀機(jī)理，弄清其適應(yīng)條件、破壞機(jī)制，合理使用，正確防護(hù)，及時(shí)診治，無(wú)疑對(duì)延長(zhǎng)材料壽命提高使用效率是極關(guān)重要的正確使用材料、延長(zhǎng)材料壽命第五十五頁(yè)，共105頁(yè)。通過(guò)材料的合理設(shè)計(jì)，是彌補(bǔ)材料某些弱點(diǎn)的有效辦法。這方面的工作比較成功，如復(fù)合材料。但仍有不少工作要做，如各種材料在不同環(huán)境條件下表現(xiàn)行為的進(jìn)一步研究；各組分相對(duì)含量與性能關(guān)系，各組分匹配相容性的研究；復(fù)合材料界面、接頭問(wèn)題的研究等等。借助先進(jìn)的材料分析測(cè)試生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)工藝，運(yùn)用已有的材料科學(xué)、斷裂力學(xué)等知識(shí)，經(jīng)過(guò)不斷的改性、提高和深加工，傳統(tǒng)材料一定會(huì)對(duì)人類(lèi)物質(zhì)文明發(fā)揮更大作用。合理設(shè)計(jì)材料、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)第五十六頁(yè)，共105頁(yè)。4、材料制備新方法的進(jìn)展

金屬材料

陶瓷復(fù)合材料與功能材料

新型水泥基體系材料

第五十七頁(yè)，共105頁(yè)。雙輥連鑄薄帶金屬板材法即金屬液體在旋轉(zhuǎn)的兩輥間快速冷卻(10-103℃/s)，并經(jīng)對(duì)輥的連續(xù)擠壓而使晶粒細(xì)化、抑制第二相析出，大大改善性能。其晶粒為μm級(jí)。由此法可得到傳統(tǒng)工藝得不到的特種鋼，如耐熱鋼、不銹鋼、電工鋼等。此法可用于生產(chǎn)鋁基、鎂基、鋯基及鐵基合金，若冷卻速度提升到106℃/s左右，即可生產(chǎn)金屬玻璃。自蔓延-離心法制備不銹鋼內(nèi)襯復(fù)合鋼管即將含有Fe2O2、Cr2O3、CrO3、NiO2(氧化劑)和Al粉(還原劑)的鋁熱劑粉未(按化學(xué)計(jì)量比混合)裝入普通鋼管內(nèi)，然后把鋼管裝在離心機(jī)上，使其高速旋轉(zhuǎn)(1500r/min)，點(diǎn)燃鋁熱劑，發(fā)生氧化還原反應(yīng)，放出大量熱而使反應(yīng)產(chǎn)物Fe、Ni、Cr和Al2O3都呈熔融狀態(tài)。由于產(chǎn)物密度不同在離心力作用下發(fā)生分離，Al2O3浮于內(nèi)表面，密度較大的金屬緊接鋼管內(nèi)壁，形成梯度分布，而且有良好性能。金屬材料第五十八頁(yè)，共105頁(yè)。層狀陶瓷制備法：其方法為：①陶瓷(如Si3N4)片層用軋膜工藝②薄片上涂隔離劑③涂層后的片層經(jīng)疊層干壓預(yù)成型、燒結(jié)、切割剖光

陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料熱壓原位生成法

壓電陶器/聚合物復(fù)合材料制備法分子束外延系統(tǒng)生長(zhǎng)Si/SiO2超晶格低溫燃燒合成陶瓷微粉空間氣相生成晶體或薄膜材料法

陶瓷復(fù)合材料與功能材料第五十九頁(yè)，共105頁(yè)。具有藥物緩釋功能的磷酸鈣骨水泥細(xì)顆粒致密體系(DensifiedSystemwithuitrafineParticles,DSP)基材和密實(shí)增強(qiáng)混凝土(CompactReinforcedconcretd,CPC)CBC水泥(ChemicallyBondedCementofCeramics)

新型水泥基體系材料第六十頁(yè)，共105頁(yè)。結(jié)語(yǔ)

縱觀材料的發(fā)展歷史，幾度輝煌、幾度肅條。本世紀(jì)是她發(fā)展最快的時(shí)期。隨著對(duì)材料認(rèn)知的不斷深入，人們按指定性能設(shè)計(jì)材料的目標(biāo)已經(jīng)不遠(yuǎn)。材料學(xué)科歷史上也幾經(jīng)分解與組合，現(xiàn)在百川歸一，萬(wàn)淙匯融，這是歷史的必然。因?yàn)樵谶@技術(shù)創(chuàng)新和材料器件一體化的時(shí)代，再也難以依靠單一的分支學(xué)科知識(shí)創(chuàng)造出可以推動(dòng)社會(huì)物質(zhì)文明、引導(dǎo)社會(huì)消費(fèi)走向、帶來(lái)巨額經(jīng)濟(jì)效益的新材料。新材料必將是材料科學(xué)與化學(xué)、物理、數(shù)學(xué)、力學(xué)及計(jì)算機(jī)信息等相關(guān)學(xué)科知識(shí)綜合的結(jié)晶。適應(yīng)時(shí)代需求，在這新世紀(jì)到來(lái)之際，材料學(xué)科集各分支學(xué)科于一體，形成了學(xué)科群體優(yōu)勢(shì)。有理由相信，只要既重視新型材料的研究開(kāi)發(fā)，又重視傳統(tǒng)材料的改進(jìn)提高，21世紀(jì)的材料學(xué)科對(duì)社會(huì)文明的貢獻(xiàn)，一定會(huì)超過(guò)她以往的任何時(shí)期。21世紀(jì)，必將是材料學(xué)科的春天。第六十一頁(yè)，共105頁(yè)。二、材料、循環(huán)經(jīng)濟(jì)與可持續(xù)發(fā)展

前言高效、重復(fù)利用自然資源，由循環(huán)材料推動(dòng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)

開(kāi)發(fā)材料潔凈生產(chǎn)新工藝，變污染為資源

開(kāi)發(fā)基于地球豐富資源的材料體系，保證材料工業(yè)的可持續(xù)性

開(kāi)發(fā)先進(jìn)材料與先進(jìn)生產(chǎn)工藝是節(jié)約資源、減少污染的重要途徑第六十二頁(yè)，共105頁(yè)。前言現(xiàn)狀生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)平衡循環(huán)經(jīng)濟(jì)第六十三頁(yè)，共105頁(yè)?，F(xiàn)狀近百年來(lái)工業(yè)革命和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)帶來(lái)和促進(jìn)了現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)、文化、軍事及社會(huì)生活各個(gè)方面的快速發(fā)展，極大的豐富了人類(lèi)的物質(zhì)文化生活，使人類(lèi)生活呈現(xiàn)出絢麗燦爛、多姿多彩的態(tài)勢(shì)。但同時(shí)也伴隨著人類(lèi)生存環(huán)境的快速惡化，如大氣污染、氣候變化、土壤退化、淡水危機(jī)、物種滅絕、人居環(huán)境惡化、工業(yè)疾病泛濫等無(wú)不昭示著現(xiàn)代文明給人類(lèi)帶來(lái)的可怕災(zāi)難和恐怖。那么，人類(lèi)如何在保持發(fā)展的同時(shí)又能最大限度的保存自身和與之相適應(yīng)的生態(tài)環(huán)境呢?1972年以來(lái)，在聯(lián)合國(guó)教科文織組協(xié)調(diào)下，各國(guó)政府都相繼重視和制定了環(huán)境保護(hù)措施和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，使人類(lèi)發(fā)展進(jìn)入了深刻認(rèn)識(shí)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，和自然和解，保持生態(tài)平衡，追求與自然和諧的歷史新階段。

前言第六十四頁(yè)，共105頁(yè)。生態(tài)系統(tǒng)

前言

第六十五頁(yè)，共105頁(yè)。生態(tài)平衡1970年聯(lián)合國(guó)教科文組織又把這個(gè)大系統(tǒng)分成四個(gè)子系統(tǒng)：巖石圈、水圈、大氣圈和土壤圈，生物圈在四個(gè)自然圈的界面上，是地球表面層有生命存在的部分，是地球上最高層的生態(tài)系統(tǒng)。人類(lèi)對(duì)這個(gè)系統(tǒng)的期望目標(biāo)就是“生態(tài)平衡”，是該系統(tǒng)為人類(lèi)提供適宜的生活環(huán)境。所謂生態(tài)平衡，就是生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)換趨于相對(duì)的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。但實(shí)際情況是，有些自然界物質(zhì)的消耗是不可再造的，人類(lèi)目前排出的廢物已使自然界無(wú)能力凈化處理干凈。因此，人類(lèi)就必須尋找新的代替物、人類(lèi)也必須自己處理凈化自己排出的廢物；要么人類(lèi)就減少消耗和排泄。尋找新的替代不是一蹴而就的事情。在沒(méi)有新的替代物之前就只能減少消耗，但又不能限制人類(lèi)的自身需求，最好的辦法就是求助于物質(zhì)的再利用，這就是“循環(huán)經(jīng)濟(jì)”概念提出的原由和意義。前言第六十六頁(yè)，共105頁(yè)。循環(huán)經(jīng)濟(jì)前言第六十七頁(yè)，共105頁(yè)。循環(huán)經(jīng)濟(jì)顯然，循環(huán)經(jīng)濟(jì)既減少了自然資源的消耗，提高了資源的利用率，又減少了對(duì)環(huán)境的污染，甚至達(dá)到零污染，這對(duì)人類(lèi)的生存和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展是具有極大意義的。那么，循環(huán)經(jīng)濟(jì)的支撐點(diǎn)在哪里呢?眾所周知，可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)推動(dòng)社會(huì)發(fā)展的幾個(gè)重要科技領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)是：信息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、生命科學(xué)及其產(chǎn)業(yè)、材料科學(xué)及其產(chǎn)業(yè)、能源技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)等。而對(duì)所有領(lǐng)域，材料是基礎(chǔ)，必須得到足夠重視和優(yōu)先發(fā)展。而且，在人類(lèi)生產(chǎn)與自然的交換過(guò)程中，原材料資源又是交換的一個(gè)最重要的媒體和形式；或者說(shuō)，在人與自然交往的各個(gè)環(huán)節(jié)，都直接或間接的與材料相關(guān)。因此，材料工業(yè)無(wú)疑是循環(huán)經(jīng)濟(jì)的一個(gè)重要支撐點(diǎn)。前言第六十八頁(yè)，共105頁(yè)。高效、重復(fù)利用自然資源，由循環(huán)材料推動(dòng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)自然資源是材料的重要來(lái)源，它主要來(lái)源于地球，最后又返回地球

第六十九頁(yè)，共105頁(yè)。表1世界主要資源儲(chǔ)量及可開(kāi)采年數(shù)(1985年)礦石單位(t)儲(chǔ)量(t)可采年數(shù)礦石單位(t)儲(chǔ)量(t)可采年數(shù)Fe礦石(109)153.4171Zn金屬(106)17026Mn金屬(106)907.297Al礬土礦(106)21238Cr富礦(106)1057106Ti金屬(106)17.253Ni金屬(106)2.668Sn金屬(106)30.616W金屬(106)2.860Au金屬(106)39.825Mo金屬(106)5.4455Pt金屬(106)31.1135V金屬(106)4.35135Li金屬(106)1.9487Cu金屬(106)34040Nb金屬(106)4.08310Pb金屬(106)9526稀土氧化物(106)45281高效、重復(fù)利用自然資源，由循環(huán)材料推動(dòng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)第七十頁(yè)，共105頁(yè)。表2在海洋中所溶解的金屬儲(chǔ)量金屬每立哩的含量(t)海洋總量(t)金屬每立哩的含量(t)海洋總量(t)Mg2.1×1015Ni93×109Sr3800012×1012V93×109Li800260×109Ti51.5×109Zn4716×109Sb2800×106Fe4716×109Ag1500×106Al4716×109W0.5150×106Mo4716×109Cr0.278×106Sn145×109Th0.278×106Cu145×109Pb0.14×106V145×109Au0.020.6×106高效、重復(fù)利用自然資源，由循環(huán)材料推動(dòng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)第七十一頁(yè)，共105頁(yè)。高效、重復(fù)利用自然資源，由循環(huán)材料推動(dòng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)假定在下一世紀(jì)仍以地殼表層的金屬礦為金屬的主要來(lái)源，資源的有效利用便十分關(guān)鍵。但是從下圖來(lái)看，礦石轉(zhuǎn)換為金屬的各階段的回收率不能令人滿(mǎn)意，如：

第七十二頁(yè)，共105頁(yè)。在開(kāi)采階段只有70%-95%，礦物加工過(guò)程也不太高(40%～85%)，因而有30%-60%的資源沒(méi)有開(kāi)采出來(lái)或進(jìn)入了尾礦，資源的潛力很大。但是挖掘這些潛力的難度也很大，而且愈來(lái)愈難。因?yàn)楹芏嘟饘俚V藏的品位本來(lái)就不高而且越來(lái)越低。以80年代美國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)為例，礦石的最低品位金剛石：0.0007金：0.1錫：3.0%鈾(V3O8)：0.2%銅：0.3%錳與銅：0.65%鉛：0.9%鐵：31%高效、重復(fù)利用自然資源，由循環(huán)材料推動(dòng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)第七十三頁(yè)，共105頁(yè)。礦石的最低品位因地而異，也隨同而變化，如我國(guó)銅礦50年代的平均品位為1.8%。到80年代降至0.76%。金屬礦的過(guò)度開(kāi)采，造成資源的加速枯竭。為保證社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，人們必須從采礦到提煉各個(gè)階段開(kāi)發(fā)出更好的流程或方法以提高回收率，降低成本，減輕對(duì)環(huán)境的污染。如微生物浸取法從礦渣中提取銅。但自然礦源非再生性，總會(huì)枯竭。人類(lèi)必須尋找新的資源或依靠再生資源來(lái)維持經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。尋找開(kāi)發(fā)新的資源，需要新的技術(shù)并伴隨高昂的投入，且人類(lèi)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展不能寄托在尚未出現(xiàn)的資源之上。人為再生資源的重復(fù)利用，就成了人類(lèi)必須依托的重要資源。高效、重復(fù)利用自然資源，由循環(huán)材料推動(dòng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)第七十四頁(yè)，共105頁(yè)。資源的重復(fù)利用，或者說(shuō)廢舊料的回收利用，不僅可以延緩甚至解決資源枯竭的問(wèn)題，而且可以極大的減緩對(duì)環(huán)境造成的壓力。如一噸廢紙可制成800Kg再生紙，可節(jié)省堿300～450Kg，木材4m3，電512Kwh和水250噸?？偭繙p少75%的廢物排泄。由此可見(jiàn)，資源——材料的循環(huán)使用可有效的推動(dòng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，是保證世界經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一。高效、重復(fù)利用自然資源，由循環(huán)材料推動(dòng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)第七十五頁(yè)，共105頁(yè)。開(kāi)發(fā)材料潔凈生產(chǎn)新工藝，變污染為資源

清潔能源潔凈生產(chǎn)流程潔凈產(chǎn)品

第七十六頁(yè)，共105頁(yè)。開(kāi)發(fā)材料潔凈生產(chǎn)新工藝，變污染為資源

材料生產(chǎn)是一個(gè)主要的污染源。美國(guó)80年代后期所生產(chǎn)的工業(yè)固體廢物12Gt中有0.75Gt為有害物質(zhì)(可燃、腐蝕、活性或有毒等)。其中83%來(lái)自化學(xué)、石油、煤及塑料產(chǎn)品，這些都直接或間接與材料生產(chǎn)有關(guān)，7%來(lái)自金屬初級(jí)產(chǎn)品，所以接近90%的有害固體廢物來(lái)自原材料的生產(chǎn)。我國(guó)工業(yè)固體廢物，包括有毒與無(wú)毒廢物，在1993年共約6.2Gt，大約95%堆放在陸面上，共占地500km2為農(nóng)田，對(duì)我國(guó)來(lái)說(shuō)是一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題，材料生產(chǎn)過(guò)程中的氣體排放量也是很大的，其中CO2對(duì)溫室效應(yīng)的影響最大，一方面是其量大，另一方面在空中的停留時(shí)間較長(zhǎng)，如表3所示，盡管CO2對(duì)溫室效應(yīng)相對(duì)能力比其他氣體(如CH4，O3，NOX，氟化物)小得多。以水泥為例，全世紀(jì)1996年產(chǎn)量約1.3Gt，每噸水泥所產(chǎn)的CO2約0.8～1.0t，因而一年就有10億噸!鋼的生產(chǎn)過(guò)程中除CO2以外，還有SO2及其他有害物質(zhì)的排放。第七十七頁(yè)，共105頁(yè)。清潔能源

(1)化石能源的清潔燃燒：如煤的礦內(nèi)氣化，由輸出煤水氣代替輸出煤，把廢料直接留在礦內(nèi)；(2)開(kāi)發(fā)低污染的新能源，如核能、可控聚變能或再生能源(如太陽(yáng)能、水能、風(fēng)能、潮汐能等)；(3)能源的有效利用與節(jié)能。開(kāi)發(fā)材料潔凈生產(chǎn)新工藝，變污染為資源

第七十八頁(yè)，共105頁(yè)。潔凈生產(chǎn)流程

(1)或無(wú)排放，自循環(huán)生產(chǎn)流程：如工業(yè)廢水的自?xún)艋h(huán)使用；(2)無(wú)毒排放或無(wú)毒無(wú)害副產(chǎn)品：如粉煤灰的排放，既占用土地，又污染環(huán)境，如果采用新技術(shù)，在爐內(nèi)加鈣燃燒，直接生成低鈣水泥，則可一次性生成有利無(wú)害的副產(chǎn)品；再如水泥、鋼鐵工業(yè)CO2的排放，污染環(huán)境又產(chǎn)生溫室效應(yīng)，如果利用新技術(shù)，把CO2回收、液化、存貯可變?yōu)閮r(jià)值很高的副產(chǎn)品，也可在廠內(nèi)自循環(huán)產(chǎn)生碳化材料開(kāi)發(fā)材料潔凈生產(chǎn)新工藝，變污染為資源

第七十九頁(yè)，共105頁(yè)。潔凈產(chǎn)品

最少的原材料及能量消耗，生產(chǎn)出令人滿(mǎn)意的性能和適當(dāng)壽命的產(chǎn)品，且容易回收、再生及再循環(huán)。如塑料產(chǎn)品回收或自分解；金屬產(chǎn)品的純凈化的利用回收利用等。潔凈生產(chǎn)是人類(lèi)改善生活、延長(zhǎng)生存期的最佳途徑之一。為了實(shí)現(xiàn)潔凈生產(chǎn)，首先要解決存在的技術(shù)問(wèn)題；其次是管理與人員培訓(xùn)，通過(guò)高效率、高收益與產(chǎn)品質(zhì)量的改進(jìn)加強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。一旦實(shí)現(xiàn)了潔凈生產(chǎn)，就可以提高經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的質(zhì)量和效益，使社會(huì)經(jīng)濟(jì)過(guò)程一直在高效率和高安全度下進(jìn)行開(kāi)發(fā)材料潔凈生產(chǎn)新工藝，變污染為資源

第八十頁(yè)，共105頁(yè)。開(kāi)發(fā)基于地球豐富資源的材料體系，

保證材料工業(yè)的可持續(xù)性

根據(jù)以上分析，可知在地球表殼的金屬資源是有限的，有些金屬在下世紀(jì)內(nèi)可能會(huì)枯竭。所以應(yīng)探索、開(kāi)發(fā)基于地表豐富資源的材料體系第八十一頁(yè)，共105頁(yè)。開(kāi)發(fā)基于地球豐富資源的材料體系，保證材料工業(yè)的可持續(xù)性地球大陸表殼的元素，對(duì)金屬元素來(lái)說(shuō)，在鋁、鐵之后，鎂為第三豐產(chǎn)元素，它主要以白云石(MgCO3·CaCO3)及菱鎂礦(MgCO3)等形式存在。在海水中有更大量的鎂(MgCl2)存在，其含量為0.14%，相當(dāng)于1.4Mt/km3鎂金屬，可以說(shuō)是一種取之不盡用之不竭的金屬資源。但是，鎂的用途至今仍未得到充分開(kāi)發(fā)，1984年全世界用量?jī)H為0.22Mt，而其中一半以上為鋁合金的組成元素，鎂的最大特點(diǎn)是密度低(1.74g/cm3)，在結(jié)構(gòu)金屬材料中是最輕的，但熔點(diǎn)不太高(649℃)，不能用于高溫(≤300℃)，且抗蝕與抗氧化能力也遠(yuǎn)低于鋁，一個(gè)更重要的限制因素是提煉金屬鎂的能耗高(16500～20000kWh/t)，因而若把鎂作為主要結(jié)構(gòu)材料尚需進(jìn)行很多的研究與開(kāi)發(fā)工作鈦是第四個(gè)豐產(chǎn)元素，其性能遠(yuǎn)優(yōu)于鎂，強(qiáng)度高，抗蝕性好，發(fā)展為高溫材料的潛力大，我國(guó)儲(chǔ)量大，問(wèn)題在于成本高，需要開(kāi)發(fā)新生產(chǎn)流程。第八十二頁(yè)，共105頁(yè)?，F(xiàn)代工程陶瓷材料，如SiN4，SiC及莫來(lái)石(3Al2O3·2SiO2)等是更有發(fā)展前景的一種結(jié)構(gòu)材料，最引人注目的是豐富的資源和優(yōu)越的性能。以SiN4為例，它具有低密度(～3.20g/cm3)、高硬度、高模量(～300GPa)、低膨脹系數(shù)(～3.5×10-6/℃)、低摩擦系數(shù)、高熱穩(wěn)定性(高溫強(qiáng)度及抗氧化)及強(qiáng)抗腐蝕能力等優(yōu)點(diǎn)，所以現(xiàn)代工程陶瓷材料是比諸多金屬材料更為理想的一類(lèi)結(jié)構(gòu)材料，但是這類(lèi)材料也存在致命的缺點(diǎn)，那就是質(zhì)脆價(jià)昂，脆性問(wèn)題正在解決，工程陶瓷材料的韌性已進(jìn)入工程合金的范圍，不過(guò)其斷裂臨界裂紋尺寸仍然太低：0.1～0.001mm，這比工程合金要低得多，從而造成陶瓷對(duì)缺陷或裂紋敏感性大，因而對(duì)質(zhì)量的控制要更加嚴(yán)格，陶瓷的高價(jià)格源自復(fù)雜而精密的制備過(guò)程及加工工藝，這可通過(guò)大批量生產(chǎn)及開(kāi)發(fā)新的生產(chǎn)工藝得到部分解決。開(kāi)發(fā)基于地球豐富資源的材料體系，保證材料工業(yè)的可持續(xù)性第八十三頁(yè)，共105頁(yè)。第三類(lèi)值得注意開(kāi)發(fā)的材料是碳素材料。作為固體元素，碳以非晶體的無(wú)煙煤、層狀結(jié)晶的石墨及共價(jià)鍵的金剛石存在，最近發(fā)現(xiàn)的C60及其相關(guān)的品種，如納米碳管又展現(xiàn)出碳材料應(yīng)用的新前景，碳具有很多特殊的性質(zhì)，有些已得到充分利用，如碳纖維、金剛石膜、碳/碳復(fù)合材料及碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料等，但是在超高溫(3000℃)下具有化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性的碳材料，因其抗氧化能力太差而不能得到應(yīng)用，因此必須進(jìn)行深入的研究。地球上碳與石墨的資源也是有限的，煤可能是碳的最重要來(lái)源，如1994年探明世界煤的儲(chǔ)量為1Tt；其次為石油與天然氣，其儲(chǔ)量分別為0.32Tt及3×1013m3，但是它們大部分用作燃料，只有一小部分用于制造材料，所以除非永久能源(如：受控核聚變、太陽(yáng)能等)得到大量應(yīng)用，否則碳資源將會(huì)減少，人們可以從多種有機(jī)物分解出不同性質(zhì)或結(jié)構(gòu)的人造碳或人造石墨，這些有機(jī)物是可再生的，因此在某種意義上，碳是取之不盡的，甚至CO2也可成為碳的來(lái)源，現(xiàn)已有很多采用催化劑或模擬光合作用，將CO2轉(zhuǎn)化為含碳化合物或碳的方案，如果這一方案得到成功，則不但碳的來(lái)源可以解決，也可減少因CO2所造成的溫室效應(yīng)。開(kāi)發(fā)基于地球豐富資源的材料體系，保證材料工業(yè)的可持續(xù)性第八十四頁(yè)，共105頁(yè)。值得一提的是，有機(jī)材料及天然石材是一類(lèi)永恒的材料，因前者可再生而后者不會(huì)枯竭，事實(shí)上，近幾十年來(lái)人工合成有機(jī)高分子材料的產(chǎn)量一直在增長(zhǎng)。砂、石是建筑材料的重要組成部分，占了無(wú)機(jī)材料的80%以上，由于金屬資源的減少及提煉和制造成本的增加，這個(gè)比例也許不會(huì)提高，因此，有效利用尾礦、爐渣及包括砂、石在內(nèi)的無(wú)機(jī)資源的研究與開(kāi)發(fā)應(yīng)該加強(qiáng)?？傊挥辛⒆悻F(xiàn)有地球資源，合理開(kāi)發(fā)，高效利用，使人類(lèi)使用的材料體系既與資源狀況相一致，又與經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人類(lèi)需求相一致，才能維護(hù)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。開(kāi)發(fā)基于地球豐富資源的材料體系，保證材料工業(yè)的可持續(xù)性第八十五頁(yè)，共105頁(yè)。開(kāi)發(fā)先進(jìn)材料與先進(jìn)生產(chǎn)工藝是節(jié)約資源、減少污染的重要途徑

開(kāi)發(fā)先進(jìn)材料高強(qiáng)度、高模量與低密度(即高比強(qiáng)度、高比模量)材料發(fā)展高溫材料是一個(gè)永恒的主題耐蝕、抗磨、抗氧化和耐疲勞材料先進(jìn)生產(chǎn)工藝每改變一次工藝，合金的工作溫度可提高20℃～30℃。鋼鐵為例，1974年以來(lái)，鋼鐵的價(jià)格一直沒(méi)有很大變化，這主要是鋼鐵冶煉和加工工藝在不斷改進(jìn)，當(dāng)前現(xiàn)代化的工藝流程是：高爐吹氧轉(zhuǎn)爐連續(xù)鑄錠熱軋終軋。每一個(gè)步驟都是熱裝，盡量減少熱的損失，但仍有38.5%的熱能白白地消耗掉了，所以，目前仍在千方百計(jì)地設(shè)法節(jié)省鋼鐵冶煉過(guò)程中的能耗。如：采用熔融還原，使礦石直接用煤還原成鐵可節(jié)能20%，降低成本10%～20%，在連續(xù)鑄錠中采用近終形鑄坯，則可避免熱軋，每噸節(jié)能209MJ，油料降為2/3。可以說(shuō)，工藝流程的任何創(chuàng)新，均會(huì)節(jié)約資源和降低CO2排放量，對(duì)環(huán)境作出貢獻(xiàn)，因此即使是成熟的工業(yè)也有很大的改進(jìn)余地。第八十六頁(yè)，共105頁(yè)。綜上所述，材料工業(yè)，材料的重復(fù)循環(huán)使用可以推動(dòng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，材料的潔凈生產(chǎn)可以減緩對(duì)環(huán)境造成負(fù)擔(dān)，開(kāi)發(fā)適應(yīng)于地球資源的材料體系，可以維護(hù)材料工業(yè)乃至于整個(gè)世界經(jīng)濟(jì)的正常運(yùn)行，開(kāi)發(fā)研制新材料及其新工藝，更可以保證經(jīng)濟(jì)發(fā)展可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的施實(shí)。因此，材料工業(yè)與循環(huán)經(jīng)濟(jì)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展密切相關(guān)，作為材料科學(xué)工作者，必須意識(shí)到自身的責(zé)任之重大，要勇敢地承擔(dān)起自己的責(zé)任，讓材料工業(yè)在新的世紀(jì)里，在世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類(lèi)文明提高的過(guò)程中發(fā)揮應(yīng)有的作用。用材料工業(yè)的高質(zhì)、高效、潔凈來(lái)維護(hù)世界經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)、高效和人類(lèi)物質(zhì)文化生活的繁榮昌盛。第八十七頁(yè)，共105頁(yè)。三、混凝土科學(xué)的未來(lái)與發(fā)展

前言

未來(lái)社會(huì)混凝土的地位和作用混凝土材料存在的問(wèn)題及其解決辦法

關(guān)于混凝土科學(xué)方面的教育問(wèn)題

第八十八頁(yè)，共105頁(yè)。前言

隨著人類(lèi)跨進(jìn)21世紀(jì)，各國(guó)政府在各國(guó)制定的發(fā)展規(guī)劃中，都不約而同的把目光集中在當(dāng)前幾個(gè)最具生命力的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，即信息、生命科學(xué)、能源科學(xué)和材料科學(xué)。新材料作為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，尤其在解決人類(lèi)已面臨或即將面臨的能源危機(jī)、資源危機(jī)、環(huán)境危機(jī)等方面極其重要的地位和作用傳統(tǒng)材料的原有作用也是新材料不能也不會(huì)全部替代的。尤其傳統(tǒng)材料的用量之大、數(shù)量之巨是新材料所無(wú)法比擬的，因此只要對(duì)傳統(tǒng)材料稍加改進(jìn)，就會(huì)產(chǎn)生出巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益?；炷敛牧献陨泶嬖谝恍﹩?wèn)題制約其發(fā)展，如自重問(wèn)題、脆性問(wèn)題、耐久性問(wèn)題、體積穩(wěn)定性問(wèn)題、抗腐蝕抗?jié)B透問(wèn)題等。也正是由于這些問(wèn)題的存在，才為水泥混凝土科學(xué)的發(fā)展和研究提供了廣闊的天地，為提高性能和效益提供了充分的余地。第八十九頁(yè)，共105頁(yè)。未來(lái)社會(huì)混凝土的地位和作用

水泥混凝土材料在改善人類(lèi)居住條件方面的作用

在交通、能源工程及大型工業(yè)建筑中的作用

在節(jié)約能源、資源和減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)中的作用

第九十頁(yè)，共105頁(yè)。水泥混凝土材料在改善人類(lèi)居住條件方面的作用

目前人類(lèi)60多億的人口，除少數(shù)幾個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家居住條件比較優(yōu)越外，諸多發(fā)展中國(guó)家和人口密度較大的發(fā)達(dá)國(guó)家的公民居住條件均比較差或不夠理想。25年內(nèi)，還要再增加20億的新人口，也都要求有相應(yīng)的居住條件。解決這個(gè)問(wèn)題需兩個(gè)前提條件，即充足的建筑材料和必要的建筑空間?？臻g問(wèn)題：人類(lèi)是不可能考慮以犧牲大量耕地來(lái)?yè)Q取人類(lèi)居住條件的改善。那么解決的辦法就只有向高空、向海洋、向山嶺要面積。這無(wú)一不需要大量的建筑材料的支撐，就目前來(lái)說(shuō)，需要量最大的是混凝土，也只有混凝土才是最適宜的材料。建筑材料資源：建筑作為物質(zhì)實(shí)體，即是不考慮性能問(wèn)題，也是一幢幢物質(zhì)材料的堆積體，是需要大量的物質(zhì)材料去堆積的。混凝土，由于其對(duì)原材料質(zhì)量要求的相對(duì)較低，包容性極大，其來(lái)源豐富易得，才可能是未來(lái)建筑的主體。就其使用壽命和穩(wěn)定性、安全性來(lái)說(shuō)也遠(yuǎn)比其他建筑材料要好。就以上兩點(diǎn)，水泥及其混凝土在未來(lái)改善和滿(mǎn)足人類(lèi)居住條件的建設(shè)過(guò)程，保持其主體和主導(dǎo)地位是勿庸置疑的。第九十一頁(yè)，共105頁(yè)。在交通、能源工程及大型工業(yè)建筑中的作用

21世紀(jì)，隨著人口的增長(zhǎng)和人們對(duì)物質(zhì)文明要求的提高，大型新型現(xiàn)代化工業(yè)建筑和公共服務(wù)設(shè)施，超高層建筑、溝通世界各國(guó)的遠(yuǎn)距離高速公路，伸向高空(1000m以上)的太陽(yáng)能工程、遠(yuǎn)海石油開(kāi)發(fā)工程、近海人類(lèi)居住建筑和大型大跨度（300m）以上橋梁工程、海面大型機(jī)場(chǎng)、300m以下深水建筑、溝通城市的地下城和地下建筑群，大型水電站、大型水壩工程高300m以上，高效率防輻射屏蔽工程等都將提到議事日程和走進(jìn)人類(lèi)社會(huì)。這些建筑，無(wú)論是從其體積范圍、強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求還是其耐候、耐久性和抗苛刻環(huán)境的耐腐蝕性都將是以前建筑所無(wú)法比擬的。要滿(mǎn)足這些工程對(duì)材料的要求，細(xì)分析一下，目前使用的建筑材料中，無(wú)一可以與混凝土攀比。第九十二頁(yè)，共105頁(yè)。在節(jié)約能源、資源和減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)中的作用

據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)有能源，有的只能維持幾十年，如石油，有的只能維持二、三百年，如煤炭。其它人類(lèi)必須的資源，由于20世紀(jì)的大量開(kāi)采，也均面臨著枯竭的危險(xiǎn)。同時(shí)現(xiàn)代工業(yè)化進(jìn)程，又產(chǎn)生大量垃圾，是自然無(wú)能力及時(shí)分解和消化，造成對(duì)人居環(huán)境和河流的嚴(yán)重污染。氣候改變、淡水貧乏、土地沙化、山嶺石化，有些已經(jīng)給人類(lèi)帶來(lái)災(zāi)難，如洪水泛濫、河水污染等；有的即將給人類(lèi)帶來(lái)災(zāi)難，如CO2溫室效應(yīng)、臭氧破壞等。比較現(xiàn)有建筑材料的耗能和與環(huán)境友好的程度，混凝土是最具競(jìng)爭(zhēng)力的材料，它節(jié)能、成型方便、資源又相對(duì)充足，尤其是它可以大量使用和容納其他工業(yè)產(chǎn)生的廢棄物，有效的減輕對(duì)環(huán)境的負(fù)擔(dān)。加之再生混凝土的研究和使用，更減少了它對(duì)自然資源的需求。因此，現(xiàn)在普遍認(rèn)為混凝土是環(huán)境友好材料。當(dāng)然，混凝土的原料之一――水泥，是一個(gè)高耗能材料，也對(duì)環(huán)境造成一定的負(fù)擔(dān)。但隨著混凝土第六組分的添加，水泥在混凝土中所占比例越來(lái)越少，而且其性能也有很大改善。因此可以毫不夸張地說(shuō)，隨著對(duì)混凝土研究的不斷深化，混凝土被設(shè)計(jì)成能滿(mǎn)足不同環(huán)境和功能要求的建筑材料是完全可行的，且其與環(huán)境的友好程度和對(duì)其他工業(yè)產(chǎn)生的廢棄物的利用程度還會(huì)提高，這都將是其他建筑材料無(wú)法比擬的。

第九十三頁(yè)，共105頁(yè)。混凝土材料

存在的問(wèn)題及其解決辦法

混凝土組分與結(jié)構(gòu)形成過(guò)程及其與性能的關(guān)系

混凝土材料存在的問(wèn)題，優(yōu)化途徑及目前的研究趨勢(shì)

第九十四頁(yè)，共105頁(yè)。混凝土組分與結(jié)構(gòu)形成過(guò)程及其與性能的關(guān)系混凝土的組分及其作用：按目前的使用狀況，混凝土有六大組分，即膠凝材料、砂、石、水、化學(xué)添加劑和細(xì)粉混合材。膠凝材料通常為水泥，尤其波特蘭水泥及其變種。其作用主要是在與水的作用下水化，經(jīng)由水化產(chǎn)物的硬化、固化、膠結(jié)作用把其它散粒料膠結(jié)成具有強(qiáng)度的整體。砂石在混凝土中主要起骨架作用及其相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性。水的作用，既提供水化的物質(zhì)需要，又提供成型的必需的流動(dòng)性?；瘜W(xué)添加劑，雖賦予混凝土拌合料和其水化硬化過(guò)程以不同的性能，但其后期基本作用不大，有些甚至是有害的。因此化學(xué)外加劑，應(yīng)是在能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求下盡量的不同或少用。同時(shí)，它也會(huì)提高混凝土的成本。第六組分，細(xì)粉摻合料，不僅有減少水泥用量、降低成本、利用工業(yè)廢棄物以利環(huán)境、提高混凝土工作性以利施工的作用，還有改善提高混凝土的物理、化學(xué)、力學(xué)性能，并賦予混凝土以新的功能如防水、補(bǔ)縮、屏蔽、導(dǎo)電等，還為智能混凝土（如導(dǎo)航、自診斷、調(diào)濕、溫度自控、自修復(fù)、自伸縮等智能）的生產(chǎn)提供了可能。第九十五頁(yè)，共105頁(yè)。各物料比例的重要性：由于混凝土各組分的作用不同，其比例的失衡，必然會(huì)帶來(lái)災(zāi)難性的后果。其中最主要的比例關(guān)系就是水灰比、骨灰比、砂石