高分子材料概论讲义

材料是人类社会进步的里程碑
人类使用不同材料的开始时间
100 万年前 石器
陶器
公元前 5000 年 公元前 1200 年 青铜 铁器
公元 0 年
公元 1800 年 公元 1950 年
水泥
钢 硅
20 世纪初
21 世纪
高分子材料
先进复合材料
材料是人类社会进步的里程碑
工程材料历史随时间推移的相对重要性示意图（时间是非线形的）
第二次工业革命（20世纪中叶以来）：单晶硅材料 对电子技术的发明和应用起了核心作用。
新材料技术是工业革命和产业发展的先导
10 8 6
强度/密度（ln×10 6) 芳香族酰胺纤维 碳纤维 复合材料 木材 石料 青铜 铸铁 钢 铝
4
2
0 1600
1700
1800
年份
1900
2000
材料强度密度比在不同年代里的进展(由图中可以看 出,现代先进材料的强度已比原始材料提高了约50倍)
新材料技术是工业革命和产业发展的先导
1400
现代涡轮喷气发动机 发动机工作温度（ ℃）
1200 1000 800 600 400 200 0 1900
蒸汽机 30年代气冷式航空发动机
1920 1940 1960 1980 2000
年份
在本世纪内由于采用了现代材料使发动机工作温度急剧上升， 因而发动机的理论效率大大提高。
座· mile/Usgal 70
60
MD11
50
40 30 20 1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980
的
发展
航
1985 1990 1995 2000
年份
Comet
航空材料的发展与飞机的燃放 990
新材料技术是工业革命和产业发展的先导
一次大战水冷式
1490C
30年代空冷式
新材料技术是社会现代化的先导 21世纪重点发展的高技术领域的进展 与趋势 21世纪重点发展的高技术领域的材料 选择
新材料技术是高技术发展的基础
21世纪重点发展的高技术领域的进展与趋势
实现人类可持续发展 质 本 命 高 生 技 索 术 探 体 系 示 意 探 索 图 海 洋 奥 秘 探 索 物 质 结 构
MOS存储器 双极存储器 MOS逻辑器 双极逻辑
+595 +390 +175
Km
导弹射程
金属
玻璃纤维 Kavlar
C/C复合材料
我国长征火箭由铝合金（744Kg）换成复合材料343Kg， 射程增加1476km。
新材料技术是工业革命和产业发展的先导
各种切削刀具材料的切削速度的发展趋势
3 2.8 lg[切削速度（ m/min.）] 2.6 2.4 2.2 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 1750 1800 1850 1900 1950 2000
高分子材料概论
Engineering
Science
绪 论
材料的定义与分类
材料的地位和作用 材料科学与工程的形成和发展
材料的定义
材料是人类用于制造机器、构件和产品的
物质，是人类赖以生存和发展的物质基础。
新材料的定义
新材料，主要是指那些正在发展，且具有优 异 性能和应用前景的一类材料。为了规范新材料的 含义，一般把具备以下三个条件之一的材料称为新 材料。 新出现或正在发展中的具有传统材料所不具备 的优良性能的材料。 如：
21世纪重点发展的高技术领域的材料选择
信息科学技术 信息材料
新能源科学技术
生物科学技术
新能源材料
生物医用材料
空间科学技术
生态环境科学技术
空间技术用材料
生态环境材料
用高技术改造、更新现有材料，发展材料科学技术
新材料技术是高技术发展的基础
信 息 科 学 技 术
二 维
108
界 面
VLSI
SSI MSI LSI
陶瓷基 复合材料
传统材料 （钛合金和高温合金） 100 比强度/MPa· (g· cm-3)-1
不同材料的比强度和工作温度的比较
新材料技术是工业革命和产业发展的先导
14 12 10 钛基复合材料
树脂基复合材料
比强度 铝基复合材料
6
铝 4 2 0 0 1 2 3 不锈钢
8
钛 先进碳碳材料 高温合金
4
新材料的定义
高技术发展需要，具有特殊性能的材料。
形状记忆合金－ 飞船网状自展天线
卫星的太阳能电池板 自动打开
新材料的定义
由于采用新技术（工艺、装备）明显提高了性能， 或者出现了新的功能的材料。 如：超级钢、纳米材料等。
碳纳米管，抗拉强度为钢40倍
材料的分类
分类一：按组成与结构划分
金属材料
无机非金属材料
金 铜 青铜
金属
铝锂合金
铁
铸铁 钢
玻璃态金属 双相钢 合金钢 新型耐热合金 轻合金 耐热合金
高分子
微合金钢 木材 皮革 纤维 导电聚合物
皮胶
复合材料
稻草 砖 纸 橡胶 高模量聚合物 石头 金属基复合 火石 尼龙 芳纶增强 陶器 玻璃 先进功能 水泥 10000 陶瓷 耐火材料
胶木 环氧树脂
钛合金
高温聚合物
陶瓷
年份
高速钢
新材料技术是工业革命和产业发展的先导
6
5 4 3 产生磁场/T 2 液氢 制品 1 搬运 装置 0 1996 磁分离 装置
悬浮 列车
中容量永磁飞轮 小型 研究用 马达 发动 磁体 品 电流 料制 机 体燃 引线 液 小容量永磁飞轮 磁屏蔽 发动机 悬浮 轴承 2000 2005
高温超导块材的应用领域的扩大与其产生磁场的关系
1946，美国 计算机
新材料是经济和社会发展的基础和先导
新材料技术是工业革命和产业发展的先导 新材料技术是社会现代化的先导 新材料技术是一切工业发展的关键共性基础
新材料技术是工业革命和产业发展的先导
两次工业革命都是以新材料的发明和广泛应用为先导 第一次工业革命（18世纪）：制钢工业的发展为蒸 汽机的发明和应用奠定了物质基础。
30年代教练机 二次大战战斗机 80年代截击机 航天飞机 东方快车号
538 1093
490C
93.30C
4270C
10930C 16490C
1649
温度（0C）
不同类型的飞行器蒙皮温度
新材料技术是工业革命和产业发展的先导
航天飞机
同步轨道卫星 近地对道卫星 超音速飞机 垂直起降机 战斗机 波音707 民航 客机 运输机 直升机 小型民用飞机 100 101 102 103 104
新能源与再生能源 术 技 学 科 物 生 信息科学技术 新 材 料 科 学 技 术 术 技 学 科 间 空
人 探索智力
海 洋 科 学 技 术
空间 宇宙 探索
环境科学技术
探求人类与环境和谐共存方式
21世纪重点发展的高技术领域的进展与趋势
信息科学技术正在发生结构性变革，仍然是经济 持续增长的主导力量
通信网络技术为信息产业注入强大活力
新材料技术是工业革命和产业发展的先导
燃油消耗与工作温度的关系
0.4
816℃ 1093℃ 1371℃ 1649℃
燃料消耗公斤/马力小时
0.3
0.2
0.1
0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
压缩比
新材料技术是工业革命和产业发展的先导
120
110 100 90 80
2.5倍
747-400
马赫数
不同材料的比强度与之对应的马赫数
新材料技术是工业革命和产业发展的先导
1727
C/C
CMC
在先进发动机上各
类高温复合材料的
应用年代预测
1227
高温MMC
使用温度/℃
金属/超耐热 合金 低温MMC 纤维增韧 聚合物
727
纤维增韧 聚合物 （高温）
227 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020
宽带通信已成为国际上应用最广的通信技术 半导体技术进入纳米时代 计算机智能技术日新月异
通信网络技术
宽带通信技术
纳米半导体
21世纪重点发展的高技术领域的进展与趋势
生物技术正经历着一场前所未有的技术革命，一个 庞大的生物产业正在孕育和形成
基因组学、蛋白质科学、干细胞及再生医学的研究成为生命 科学的前沿与热点 干细胞及再生医学的研究及应用为人类健康开辟了新道路 生物芯片在医疗和科研领域发挥巨大作用 转基因技术及应用呈现出高速发展的态势
端制造方向发展，成为提升产业竞争力的关键技术
光机电一体化技术 微电子光刻技术 重大装备制造技术
数控机床
光刻机
21世纪重点发展的高技术领域的进展与趋势
新材料技术出现群体性突破，将对21世纪基础科学
和几乎所有工业领域产生革命性影响
纳米技术是前沿技术中最具前瞻性和带动性的领域之一
光电子材料、光子材料将成为发展最快和最有前途的电子信 息材料。 新型功能材料（超导材料、智能材料、生物医用材料）及其 应用技术面临新的突破 新型结构材料（高温合金、难熔金属、金属间化合物、金属 基复合材料、高分子材料、钛合金、镁合金）发展前景乐观
锆合金 陶瓷基复合
有机玻璃
塑料
碳纤维增强 塑料
陶瓷
公元前
5000
0
韧性工程 熔融石膏 金属陶瓷 耐高温陶瓷
陶瓷
2020
材料是人类社会进步的里程碑
人类利用材料的历史，就 是一部人类进化和进步的
历史。
材料是人类社会进步的里程碑
蒸 气 机 1763
1820
发 电 机
纵观人类利用材料的历史，可以 清楚地看到，每一种重要新材料的发 现和应用，都把人类支配自然的能力 提高到一个新的水平。材料科学技术 的每一次重大突破都会引起生产技术 的重大变革，甚至引起一次世界性的 技术革命，大大地加速社会发展的进 程，给社会生产力和人类生活带来巨 大变革，把人类物质文明推向前进。
能源技术将变革未来社会的动力基础，促进人类实 现可持续发展
煤炭的高效清洁利用成为化石能源技术研发热点 核能技术酝酿新的突破 氢能技术研发和商业应用加速 新能源和可再生能源技术展现良好前景 天然气水合物的开发受到重视用能技术发展前景广阔
核电站
ห้องสมุดไป่ตู้燃料电池车
可燃冰
21世纪重点发展的高技术领域的进展与趋势
先进制造技术向绿色制造、高技术化、信息化、极
3150C
风扇喷气发动机
6490C
蜗轮喷气发动机
10930C
超音速燃烧冲压 式喷气发动机
538 1093 温度（0C） 19270C
1649
发动机工作温度
新材料技术是工业革命和产业发展的先导
2204 碳/碳复合材料
1649 金属基 复合材料 1093 工作温度/℃ 537
陶瓷
金属间化 合物及其 复合材料
飞行速度
105
减轻结构所得经济效益（相对值）
飞行器减重1Kg所获得的经济效益与飞行速度的关系
新材料技术是工业革命和产业发展的先导
φ1100
400℃
410~950℃
2197 1200~1800℃ 100~1200℃ φ1100
飞船返回舱舱体温度情况
新材料技术是工业革命和产业发展的先导
火箭壳体材料与导弹射程
1989水平
Ti-MMC,CMC
新材料技术是工业革命和产业发展的先导
1700 1500
碳-碳
1300
材料的表面温度(℃)
纤维增强超级合金
1100
900 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 在发动机上应用的年份 2020
叶片材料的发展历程
新材料技术是工业革命和产业发展的先导
生物芯片
转基因食品
干细胞
21世纪重点发展的高技术领域的进展与趋势
航天技术快速发展，不断开辟人类探索的新空间
太空探索带动太空探索技术加速发展 研制多种用途的人货分离的新一代航天飞行器成未来趋势 小卫星技术日趋成熟并将广泛应用
太空攻防技术成为未来航天技术发展的重要领域
杨利伟在太空
空中行走
小卫星
21世纪重点发展的高技术领域的进展与趋势
材料
高分子材料
复合材料
材料的分类
分类二：按用途分
电子信息材料
材料
航空航天材料
能源材料 生物医用材料
材料的分类
分类三：按性能分
结构材料
材料
功能材料
材料的分类
分类三：按性能分
隐 身 战 斗 机
功能材料
吸收
隐形战机
热散射 雷达能量散射 雷达发射能量 雷达
吸波材料
隐形飞机的原理
材料的分类
分类三：按性能分
功能材料 LED
集成电路
芯片 单晶硅 形状记忆材料
材料的分类
分类四：按应用与发展分
传统材料
材料
新材料 纳 米 铜 超 导 电 缆
普 通 钢 管
材料的地位和作用
当代文明
新材料 信息技术 生物技术
信 息
材 料
能 源
新技术革命
材料是人类社会发展的基础和先导，是人 类社会进步的里程碑和划时代的标志。
材料在人类社会发展进程中的地位和作用 材料是人类社会进步的里程碑 材料是经济和社会发展的基础和先导 新材料技术是工业革命和产业发展的先导 新材料技术是社会现代化的先导 新材料技术是一切工业发展的关键共性基础
年代
新材料技术是工业革命和产业发展的先导
民航飞机发动机用先进材料的发展
年代 发动机部件 风扇 高压压气机 燃烧室 低压涡轮 高压涡轮 喷管 风扇 高压压气机 2010年水平 （高温） 燃烧室 低压涡轮 高压涡轮 喷管 应用材料 镍基合金 镍基合金 镍基合金 镍基合金 镍基合金 镍基合金 Ti-MMC NiAl-IMMC NiAl-IMMC,CMC CMC CMC