材料科学与工程导论_第1章_材料与社会(3)

自1972年以来，在联合国教科文组织的协调下，各国政 府相继制定了环境保护措施和可持续发展战略，人类社会的 发展进入了深刻认识生态环境问题，保持生态平衡，追求人 与自然和谐发展的历史新阶段，循环经济的思想愈来愈受到 人们的普遍重视。
废水
废气
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废渣
§1.3 材料与生态环境 ➢ 资源开采—生产加工—消费使用—废物丢弃。
➢ 与材料相关的产业既是资源消耗的大户，也是能源消 耗的大户，又是环境污染的主要来源。
思路：
➢ 一个生产过程的输出变为另一个（生 产） 过程的输 入，一个过程的废物变成另一个过程的原料。
➢ 清洁生产、无害循环。
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◆ 不但讲科学技术效益、经济效益，还要将社会效 益，将材料科技与产业具体目标和各国、各地区 可持续发展的大目标结合起来。
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§1.3 材料与生态环境
2. 生态环境材料的研发
20世纪90年代以来国际材料与工程的最新趋势。 生态环境材料：同时具有优良使用性能和最佳 环境协调性能的材料。其特征：
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§1.3 材料与生态环境
目前，保护生态环境、节约资源和发展循环经济已成为 全人类的共同目标。因此，材料的生产、使用和废弃都必须 考虑其与生态环境的关系，必需加强研究材料-环境-社会三 者间的相互关系，注意材料开发与生态环境的和谐，确保人 类社会的可持续发展。
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§1.3 材料与生态环境 工业”三废”
先进的航天飞行器离不开耐高温、耐低温、耐辐射、耐 腐蚀、耐烧蚀的轻质高强结构材料；
新能源的开发离不开实现能源转换的各种功能材料。
各种材料的制备、加工和应用，无一例外地都需要依赖 适当的手段才能实现。可见，新材料的开发与应用，对人类 社会文明与经济发展，有着不可估量的作用。
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1.2.2 材料与新技术革命
展思想和发展战略被各国政府和人民广泛接受。
布伦特兰夫人在《我们共同的未来》中对可持续发展做 出的经典表述为：“可持续发展是在满足当代人需要的同时， 不损害后代人满足其自身需要的能力。”
社会经济的可持续发展要求人们及时对科学研究的价值 和技术发展的方向进行评价和调整，而新材料的发展正是适 应了可持续发展这一需求，它在现代社会各领域的应用将极 大地改变传统的经济增长方式和发展模式，成为可持续发展 59 的重要保证。
总之，经济的发展是可持续发展的条件，社会的发展 是可持续发展的目的，而科学技术的进步是可持续发展的 强劲推动力量。新材料作为科技革命与创新的基石，它的 开发与应用因此而成为可持续发展的保障和前提。没有新 材料的发展及其在社会各个领域中的广泛应用，实现经济 社会的可持续发展无疑是不可想象的。
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1.2.3 新材料与可持续发展
稀释及转化； 第三，环境为人类的生产和生活提供精神享受。
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§1.3 材料与生态环境
由于资源过度消耗、人口激增以及环境污染等影响， 目前全球有十大环境污染问题，包括：
– 生物多样性日益减少； – 全球气候持续变暖； – 森林面积锐减； – 大气污染状况持续恶化； – 水体污染日趋严重； – 固体废弃物污染不断增加； – 酸雨蔓延； – 海洋污染日益严重； – 臭氧层不断破坏； – 土地荒漠化趋势加剧。
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§1.3 材料与生态环境
废 物 再 利 用
世界上本没有垃圾，它只是没有被人们认识！ 垃圾只是堆错地方的资源！
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§1.3 材料与生态环境
● 材料的可持续发展战略与生态环境材料
1. 材料的可持续发展战略
◆ 保证材料性能的同时，尽可能节约资源与减少环 境污染，改变片面追求性能的旧观点；
◆ 重视对材料及其产品整个寿命周期对环境协调性 的评价；
三高一低的结构材料（高强度、高模量、 耐高温、低密度)。
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1.2.2 材料与新技术革命
在美国卡拉维纳尔角航天基地待升空的航天飞机。 应用了成千上万种材料，特别是一些高技术的新型材料。
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1.2.2 材料与新技术革命
材料，特别是新材料与现代文明的关系十分密切，新 材料的重要性是不言而喻的。美国国家委员会的一份研究 报告指出，先进材料和先进材料工艺对国家的生活水平、 安全及经济实力起着关键性的作用。
§1.3 材料与生态环境
环境是人类周围一切物质、能量和信息的总和。环境污 染的实质在于人类的经济活动索取资源的速度超过了资源本 身及其替代品的再生速度，同时向环境排放废弃物的数量超 过了环境本身的自净能力。
对人类活动而言，环境一般有三个作用： 首先，环境是各种生物生存的基本条件，为人类从
事生产和生活提供物质基础； 其次，环境对人类经济活动所产生的废物进行消纳、
人类在步入信息时代的同时，也进入信息材料竞争的时 代。
光导纤维、激光技术和电子技术的发展是促进通信技术 进步的重要因素，而这些都与材料密切相关。正是由于新材 料的发展，20世纪90年代初期人们提出的“信息高速公路” 的设想今天已成为现实。
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1.2.2 材料与新技术革命
3）磁技术的广泛应用 磁性材料在现代化社会中应用十分广
§1.2 材料的地位和作用 1.2.2 材料与新技术革命
—材料是高新技术发展与社会现代化的基础和先导。 材料既是人类社会进步的里程碑，又是社会现代化
的物质基础。新材料的研究、开发与应用从根本上反映 着一个国家的科学技术与工业水平。
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1.2.2 材料与新技术革命
1）电子技术的发展 新材料的研发对电子工业的发展无疑起到了决定性
泛，电视机、计算机，电动机等都离不开 各种磁性材料。
稀土NdFeB永磁合金
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1.2.2 材料与新技术革命
4）超导技术的开发 自1911年发现超导现象以后，到了20世纪80年代，超导
材料所达到的最高临界温度仅有23.2K，还没有脱离液氦温度。 1986年，由于人们发现了氧化物超导体，超导材料才有了重 大突破，此后，超导温度跳跃式地升高到95～100K，已达到 液氮温区。超导技术的引入，将会使许多方面发生飞跃式发 展。
世界各工业发达国家都把新材料作为优先发展领域。 美国：美国商业部公布的一个资料表明，2000年，先进材料
在美国12项新兴技术中的产值居于首位，即在3560亿 美元中，先进材料占1500亿美元，占42%。从全世界 来看，先进材料产值为4000亿美元，占整个新兴技术 产值10000亿美元的40%。 日本：1981年，日本政府选择了优先发展的三个领域：新材 料、新装置和生物技术，并宣称将开发、加工和制造 先进材料作为保持技术领先地位的国家战略的基石。 在日本的未来工业规划的基础技术中，11个主要项目 中有7个项目是基于材料之上的。
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1.2.2 材料与新技术革命 材料是人类生存、社会发展、科技进步的物质基础、
现代科技发展的先导。 我国是材料大国，但不是材料强国。
“神舟六号”飞船始返前后图片
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§1.2 材料的地位和作用
1.2.3 新材料与可持续发展
——新材料是实现人类社会可持续发展的重要保证。 现在，可持续发展的思想作为成为一种新的社会经济发
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1.2.2 材料与新技术革命
以电子工程、空间技术、海洋工程、能源工程、生物工 程为代表的第四次新技术革命浪潮同样离不开新材料。
电子信息技术需要高性能电子材料、光电子材料、非线 性光学材料、波导纤维和薄膜材料等功能材料；
能源工程技术离不开耐高温、耐磨损、耐腐蚀、高可靠 以及寿命可预测的结构材料；
作用。 电子管 → 晶体管 → 集成电路时代
电子管 —— 晶体管 —— 集成电路
钨、钼电极 47
锗、硅半导体 单晶硅片，高纯钛、Siwenku.baidu.com2、铬薄膜
1.2.2 材料与新技术革命
2）光通信的产生和发展
信息材料指用于信息的探测、传输、显示、 运算和处理的光电信息材料。
主要包括监测和传感(获取)信息的材料、传 输信息的材料、存储信息的材料、运算和处理信 息的材料。
•第二次技术革命 19世纪末 电的发明和广泛应用为标志 远距离输送电材料以及通讯、照明用材料
•第三次技术革命 20世纪中期 原子能应用为主要标志 合成材料、半导体材料等大规模工业化、民用化
•第四次技术革命 20世纪70年代 计算机，特别是微电子、生物工程和空间技术为主要标志 相关的新型结构与功能材料
新材料
高新技术产品的出现
推动社会进步
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§1.3 材料与生态环境
概述
长期以来，人们主要是依据应用对象对材料提出的力学 性能和功能要求对材料进行开发，而很少顾及材料对生态环 境的影响。
材料对生态环境的影响涉及如下三个方面： 1）生产—传统材料在生产过程中不仅要消耗大量资源和能
源，还向环境中排放大量有害气体、固体废弃物 和污水等； 2）使用—有些材料在使用过程中会释放有毒有害的物质； 3）废弃—废弃后的材料被随地堆放，又成为环境污染源。
超导电缆
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已安装调试的超导电缆系统
1.2.2 材料与新技术革命
5）航空航天技术的进步 航空航天材料主要包括新型金属材料
（如先进铝合金、超高强度钢、高温合金、 高熔点合金、铍及其合金）、烧蚀防热材料 和新型复合材料
此外，还包括一些功能材料，如涂层材 料、隔热材料、透明材料、阻尼材料、密封 材料、润滑材料、粘合剂材料等。这些材料 大部分属于高分子材料和陶瓷材料，也有少 量是阻尼合金等金属材料。
①资源、能源消耗少，生态和环境污染小；
②再生利用率高或可降解化和可循环利用； ③在制造、使用、废弃直到再生利用的整个寿 命周期 中均与环境协调共存。
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§1.3 材料与生态环境
途径： 或开发新材料; 或改进、改造传统材料（达到节约资料 并与环境协调）。
4倍因子理论：半份消耗，倍数产出→其结果4倍 产出（同样资源消耗水平）。
两大主题：
（1）生态环境材料设计、研究与开发；
（2）LCA：Life Cycle Assessment 即材料 的
环境协调性评价。
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§1.3 材料与生态环境
● 材料与循环经济
近百年来的工业革命和科技进步促进了现代社会在经 济、文化、军事及社会生活各个方面的快速发展，极大地丰 富了人类的物质文化生活，使人类的生活呈现出绚丽灿烂、 多姿多彩的局面。但与之相伴随的却是人类生存环境的快速 恶化。那么，人类社会如何在持续发展的同时，最大限度地 保护与之相适应的生态环境呢？
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§1.3 材料与生态环境
尽管发达国家的空气污染、水污染等环境问题得到了一定 程度的治理，但并没有从根本上解决经济发展过程中产生的各 种环境污染。
我国作为发展中国家，人口总多，人均资源少，生态环境 脆弱，发展水平低。因此，在创造经济增长奇迹的同时，努力 改善生态环境状况，寻求环境与社会、经济、人口相协调的可 持续发展道路，具有重要的战略意义和现实意义。
1986年，《科学的美国人》杂志指出：“先进材料对 未来的宇航、电子设备、汽车以及其他工业的发展是必要 的，材料科学的进展决定了经济关键部门增长速度的极限 范围。”
自工业革命后，人类社会的进步主要 是材料推动的结果！
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1.2.2 材料与新技术革命 四次技术革命
•第一次技术革命 18世纪后期 蒸汽机的发明及广泛应用为主要标志 高炉、转炉、平炉制造优质钢材的工业化
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1.2.2 材料与新技术革命
中国：我国政府同样高度重视新材料的研发和应用。 1986年，我国提出了“高技术研究发展计划（863计
划）”，即把新材料技术、生物技术、信息技术、激光技 术、航天技术、自动化技术、新能源技术等八大高科技技 术作为重点发展的领域。
1997年，我国又制定了“国家重点基础研究发展计划 （973计划）”，其中同样把新材料的研发放在突出位置。 在各级各类的科技计划中，新材料都是重点支持的领域。
1.2.3 新材料与可持续发展
1）新材料在相关产业部门的使用，大大降低了这些部门的 生产成本，提高了劳动生产率和产品的质量与竞争力，对 经济发展起着不可估量的作用。
2）另一方面，新材料在社会生产各领域中的广泛应用还 大大节省了地球上十分有限的不可再生资源，延缓了其衰 竭速度，降低了生产中的能量消耗，最大限度地减少了环 境的污染，维护了生态平衡。
3）为了解决金属资源的枯竭问题，人们发展了各种高分子 材料、复合材料和先进陶瓷材料，它们中的许多材料，像 玻璃钢、纤维增强塑料、氮化硅陶瓷，其强度、耐高温和 耐腐蚀性能已远远超过金属材料，成为飞机、火车、桥梁、 发动机的关键部件。
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1.2.3 新材料与可持续发展
4）为了减少矿物燃料燃烧时造成的环境污染和温室效应， 人们将目光转向清洁、高热值的新能源载体——氢。为此， 人们开发了镁系、稀土系、钛系、锆系等新型贮氢合金，用 于氢的存贮、运输和提纯。