材料与社会发展

1.什么是材料？简述材料分类以及各类材料的基本特性。

答：材料的定义及其分类（1）定义：材料是指能为人类经济性地，用于制造有用器件的物质。(2)材料的分类：①按组成、结构特点进行分类：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。②从其发展过程上，可分为传统材料和新型材料，它们是互相依存，互相促进，互相转化，互相替代的关系。传统材料的特征为：需求量大，生产规模大，但环境污染严重；而新型材料是建立在新思路、新概念、新工艺、新检测技术的基础上，以材料的优异性能、高品质、高稳定性参与竞争，属高薪技术的一部分；投资强度较高，更新换代快，风险性大，知识和技术密集程度高，一旦成功，回报率也较高，且不以规模取胜。③从其使用性能分类：分为结构材料和功能材料。结构材料则主要利用材料力学性能；而功能材料主要利用材料物理和化学性能。④按用途进行分类：分为航空航天材料、信息材料、电子材料、能源材料、生物材料、建筑材料、包装材料、电工电器材料、机械材料、农用材料、日用品及办公用品材料。(3)各自特点：①高分子材料：是通过若干高分子链聚集以及高分子链与其他添加组分的相互作用而构成。分子量大，质轻；优良的加工性能，导热系数小，化学稳定性好，电绝缘性好；功能的可塑性好，出色的装饰性，但易老化；可以延压成膜、纺制成丝，可制成各种形状的构件，可产生巨大的粘接力及巨大弹性等。②金属材料：有金属元素或以金属元素为主形成的，并具有一般金属特性的材料称为金属材料。一般具有金属光泽，具有良好的导电性，导热性，延展性及塑性；具有良好的强度和韧性，熔点较高。③无机非金属材料：传统上主要有陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等四大类，其主要化学组成均为硅酸盐类物质。具有高熔点，高强度，高硬度；耐腐蚀，耐磨损，抗氧化等，以及宽广的导电性，隔热性，透光性；良好的铁电性，铁磁性，压电性。④复合材料：是由有机高分子、无机非金属或金属与几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型多相固体材料，它既能保留原组分材料的主要特色，又通过复合效应获得原组分所不具有的性能。比重小，比模量和比强度大；具有优良的化学稳定性，自润滑；耐热，耐疲劳，耐蠕变，电绝缘性好等特点。”

2.请举例说明材料工程与材料科学之间的差别和联系？请给出材料科学研究的五要

素图。

答：材料科学是研究材料的组织结构、性质、生产流程和使用效能以及它们之间的相互关系，集物理学、化学、冶金学等于一体的科学。材料科学是一门与工程技术密不可分的应用科学。中国的材料科学研究水平位居世界前列，有些领域甚至居于世界领先水平。材料工程是研究、开发、生产和应用金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料的工程领域。其工程硕士学位授权单位培养从事新型材料的研究和开发、材料的制备、材料特性分析和改性、材料的有效利用等方面的高级工程技术人才。要素：化学成分、制备加工、组织结构和性质性能。其中，组织结构是核心要素。同时，前面三者共同支撑“性质性能”。这四者的关系组成一个正四面体。

3.材料在历史中发挥重要作用对你印象深刻之处，请举例说明！

答：材料的发展与人类进步和发展息息相关。一万年前，人类使用石头作为日常生活工具，人类进入旧时器时代，人类战争也进入了冷兵器时代。7000年前人类在烧制陶器的同时创造了炼铜技术，青铜制品泛地得到应用，同时又促进了人类社会发展，人类进入了青铜器时代。同时火药的发明又使人类战争进入了杀伤力更强的热兵器时代。5000年前人类开始使用铁，随着炼铁技术的发展，人类又发明了炼钢技术。十九世纪中期转炉、平炉炼钢的发展使得世界钢产量迅猛增加，大大促进了机械、铁路交通的发展。随着二十世纪中期合金钢的大量使用，人类又进入钢铁时代，钢铁在人类活动中起着举足轻重的作用。核材料的发现，又将人类引入了可以毁灭自己的核军备竞赛，同时核材料的和平利用，又给人类带来了光明。二十世纪中后期以来，高分子、陶瓷材料崛起以及复合材料的发展，又给人类带来了新的材料和技术革命，楼房可以越盖越高、飞机越飞越快，同时人类进入太空的梦想成为了现实。

.比如电子组件的演进，从体积非常大的真空管、晶体管进步到集成电路（IC化），不仅为现代的科技另造高峰，同时也使得电器用品趋于小型化、轻巧化、功能强、易于携带等种种好处。所以说人类的生活确实是与材料科学有关。

1982年日本首次研制出了陶瓷发动机小汽车，引起了世界性轰。因为它的出现将使发动机重量减轻，提高燃烧度和节约燃料的愿望成为现实。1988年前苏联一架以液氢为燃料的中型运输机首次试飞成功，象征人类在航空领域中启用了无污染的新能源--液氢。

液氢的沸点为－253℃，携储液氢需要高效率的绝热材料。液氢发动机的使用，则意味

着低温极限技术已达到实用化程度。1989年3 月，日本的一艘6500号潜水调查船下潜到6500米的深海区，打破了美国、前苏联和德国的下潜纪录。这艘潜水艇耐水舱用的正是一种高强度钛合金，观察窗使用的是一种新型的有机玻璃。有了深海探测技术，人们才可实现对人类资源开发有不可估量的意义深海资源的开发。美国在1989年12月入侵巴拿马，1991年1月人侵海湾以及此刻正在空袭南联盟的战争中，使用的F- ll7隐身战斗机世人皆知。这种武器之所以能隐身，就是使用了一种吸波材料和吸波涂层。

4.简述铸造模拟所涉及的主要内容。试举一例计算机模拟在材料科学研究或生产实践中的应用情况。

答：A.材料科学中的计算机模拟, 按其模拟尺度, 可分为三类模拟方法: 1. 原子尺度的模拟计算, 包括分子动力学和蒙特卡洛法等[1] 。分子动力学和蒙特卡洛法可根据粒子间的作用势, 计算多粒子系结构、多种物系结构和多种性质。2. 显微尺度模拟计算: 这

类计算以连续介质概念为基础。在基础梯度材料过程中利用计算机模拟方法计算材料的热应力分布, 为寻找合理材料结构提供依据。此外, 用热力学方法预测材料相变及相

变产物的显微结构, 也属此方法的研究范畴。3.宏观尺寸的模拟计算: 一般与材料或材

料部件的工业生产有关。例如: 非晶态合金经急冷而成。采用计算机模拟计算液体合金快冷时的传热传质过程, 有助于设计合理的设备和工艺, 以保证产品质量。

清华大学航天航空学院刘小明等用分子动力学模拟研究金刚石压头在Ni 晶体薄膜上的摩擦过程和薄膜塑性变形行为的纳观机制.

B.铸造模拟

铸造模拟与可视化铸造概念不同。铸造可视化是采用X射线对实际铸件的凝固过程进行实际观察。而铸造模拟是在铸件实际铸造之前进行铸造的充型、热传导和凝固过程的模拟分析。根据凝固模拟结果制定铸造工艺可大幅度降低铸件废品的发生。

多相流的模拟是模拟铸造的充型过程的确基础，多相流的模拟包括卷气、氧化夹杂、砂型冲蚀、压铸过程的排气等的计算分析。

模拟铸造考虑了紊流、表面张力、自由表面、相变、热交换等众多影响因素的复杂流动，其模拟结果更接近真实的铸造过程。

模拟铸造应用于各种铸造方法，应用范围在不断扩大。如果将其与可视化铸造结合起来进行铸造工艺研究，其效果就会更好。

5.与我们生活密切相关的交通或日常用品，哪些是以钢为主要承力材料的？

答：建造北京奥运会主体育场“鸟巢”，就是用了大量的钢材。

建材：卷门、轻型钢、防火门。运输：汽车内、外车身板件、排气管。家电：冰箱、洗衣机外壳、干衣机外壳。一般：标识牌、展示柜，冷冻商品陈列橱