1现状与展望
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◇烧结温度低，有利于陶瓷成形；
◆溶质原子的溶解度大大提高，如Bi在Cu中 的溶解度：<10-4%→ 4%。
◆由纳米级颗粒制成的陶瓷可以得到超塑性；
◆用磁性纳米粒子表面涂敷高分子药物注入人 体，在外加磁场作用下，使药物移向病变部位， 可达到治疗的目的。
◆纳米材料光性质的改变，有可能成为良好的 隐身材料。 ◆碳纳米管
◆存在的问题：
◇洁净度低；◇强度潜力未得到充分发挥； ◇耐腐蚀性能需要提高
（4）复合材料：是结构材料的最
主要发展趋势
单一 材料
性能不同 强度、塑性 韧性、耐热 耐磨、耐蚀
应用受 到限制
复合 材料
性能优化 发挥长处 克服不足 独自特性
应用 广泛
典型的复合材料：
◆树脂基复合材料（增强材料：高分子纤维、 碳纤维、SiC纤维）：<400℃ ◆轻金属基复合材料（增强材料：碳纤维、硼 纤维、 SiC纤维、Al2O3纤维）:<800℃ ◆陶瓷基复合材料（增强材料：陶瓷纤维、陶 瓷颗粒） :1000～1400℃ ◆碳/碳复合材料：> 1500℃ ◆层状复合材料：双金属复合材料
（1）生物医学材料与仿生设计 ◆生物医学材料
包括人体器官、生物传感器、血液制品、
药物释放媒介以及外科材料。目前除了神经 系统以外，几乎人体的所有器官都可以用人 造材料来代替。
力学性能匹配
相容性 无毒
人体材料
无血凝
长寿命 无害
◆仿生材料 生物体是千百年演化而来的，其结构
应该是最合理的。通过解剖与分析生物 体的结构，可以制造更加合理的材料。 ◇蚌壳：由于碳酸钙薄层中间夹有有机 物，因此强度高、韧性高；
◆半导体材料
半导体 材料
集成电路 制造工艺
计算机
体积缩小 重量降低 可靠性提高 价格降低
普及到世界 各个角落
人类文明 发生飞跃
◆超导材料 ◇零电阻 ◇完全抗磁性
超导 材料
超导输电 超导磁体 新能源开发 高速计算机
科学 探索
基本粒子 生命体思维 船舶 核聚变 医疗器械 储能 磁流体发电
（2）现有材料的改进
◆金属间化合物
金属间化合物的突破使高温合金上了一个 新的台阶。高温合金是航空发动机的关键材料
高温 合金
限制：材料熔点 合金化程度
来自百度文库
性能提高 潜力不大
金属间 化合物
优异的耐 高温性能
引起广 泛重视
Ni3Al、NiAl Ti3Al、TiAl Fe3Al、FeAl
几种金属间化合物的物理性能
合金
TiAl Ti3Al NiAl Ni3Al FeAl Fe3Al 高温合金
不锈钢复合板、钛/碳钢复合板 （耐腐蚀特性）
（5）新能源材料
(a)快中子增殖堆
目前世界核电容量在3亿千瓦以上，占总发 电量16%左右。所用燃料为U235，而其含量在 铀中仅占0.72%，而U238占99.275%，因此铀 的利用率极低。
材料工程前沿
主讲教师：任学平
一、材料加工技术的发展 二、钢材组织控制理论基础 三、钢材组织控制技术应用 四、双相不锈钢及其超塑性 五、钢材热加工过程模拟与组织模拟
一、材料加工技术的发展
1、新材料的现状与展望
新材料：具有优异的性能而正在开发或 有发展前景的一类材料。
新材料是高技术的一个组成部分，具有 高技术产业的特点：
◇用人造材料或器件达到生物体系功能： ●使工业反应器在室温条件下进行合成； ●使信息处理达到人脑的功能。
（2）纳米材料
◆当物质颗粒小到纳米量级时，在催化、吸 光、医药、磁性等方面出现很多特点。
◆如颗粒小到10nm时，表面原子占20%， 4nm时，占40%，2nm时，占80%： ◇表面原子扩散速度快；
熔点 （℃）
1460 1600 1640 1390 1250～1400 1540 ～1400
弹性模量 （GPa）
1.70 1.45 2.95 1.79 2.61 1.41 2.00
密度 （kg/m3）
3.91 4.20 5.86 7.50 5.56 6.72 ～8.00
◆碳/碳复合材料
碳： 耐热3000℃以上 各向异性
◇竹子：其加强筋的分布外密内疏， 由此可以保持最佳的强韧性。由此 制成的碳纤维增强树脂基复合材料， 在数量相同的原材料条件下，其弯 曲强度提高80%以上。
◆生物体系模拟
◇生物体系具有超呼寻常的功能。 如脊椎动物的能量效率接近100%， 而最好的发动机也不超过50%；
◇人的肾上腺只有6克，而生物碱达百种 以上，可随生物体情况而释放不同物质 以保持人体平衡。
……..
微观理论 研究方法 上的突破
高洁净化 高均匀化 超细化
材料加工
组织控制 提高性能
（3）人工合成的全新材料
——代表新材料发展的未来
已知 数据
计算机 先进技术
原子加工 分子加工
预期 性能
外延生长技术 分子束外延 化学气相沉积 液相外延
同种类原子 不同种类原子
超晶格材料
1.2 新材料研究中的几个活跃问题
高效益 高智力 高投入 高竞争 高风险 高势能
1.1新材料产生的途径
◆理论上的突破或偶然的发现（数量少） ◆现有材料的改进（主渠道） （新技术、新工艺、成分调整、组织调整） ◆人工合成的全新材料（发展方向）
（1）理论上的突破或偶然的发现
◆数量少 ◆会造成划时代的进步
半导体材料 超导材料 激光晶体 光导纤维 非晶态材料
（3）开发传统材料性能的潜力 ①高强度镁合金：
◆强度低、塑性差、耐腐蚀性能差
②钢铁材料
◆钢铁材料的特点
◇资源丰富: 地壳中： 约4.2%（重量）的铁。 ◇容易加工成各种形状: 可满足各领域的需要。 ◇ 便于大生产、质量稳定、价格低廉 ◇ 回收率高: 回收率可达到90%。
资源的循环使用 有利于环境保护
高温下工作 容易发生炸裂
应用上： 受到限制
碳纤维编织： 碳/碳复合材料
性能上： 大幅度改善
洲际导弹弹头 航天飞机鼻锥 飞机刹车盘
◆非晶态材料
软磁材料
变压器铁芯， 其铁损只相当于冷 轧硅钢片的1/3
全方位材料
磁头材料
耐腐蚀材料
优于不锈钢
强韧性材料
比超高强度钢好
◆新一代钢铁材料
◆高强韧性 ◆耐腐蚀性 ◆耐热性 ◆良好的加工性能 ◆提高使用寿命
——新材料发展的主渠道
原有 材料
新技术 新工艺 成分调整 组织调整
性能提高 应用广泛
新材料
◆铝锂合金
二十世纪 20年代开发
材质脆 无法应用
先进制备 技术发展
二十世纪 80年代发展
含3%锂的铝合金，比强度提高20~40%，比刚度 提高20~30%，一架波音747-200可减轻重量5吨， 年获利上千万美元。
◆溶质原子的溶解度大大提高，如Bi在Cu中 的溶解度：<10-4%→ 4%。
◆由纳米级颗粒制成的陶瓷可以得到超塑性；
◆用磁性纳米粒子表面涂敷高分子药物注入人 体，在外加磁场作用下，使药物移向病变部位， 可达到治疗的目的。
◆纳米材料光性质的改变，有可能成为良好的 隐身材料。 ◆碳纳米管
◆存在的问题：
◇洁净度低；◇强度潜力未得到充分发挥； ◇耐腐蚀性能需要提高
（4）复合材料：是结构材料的最
主要发展趋势
单一 材料
性能不同 强度、塑性 韧性、耐热 耐磨、耐蚀
应用受 到限制
复合 材料
性能优化 发挥长处 克服不足 独自特性
应用 广泛
典型的复合材料：
◆树脂基复合材料（增强材料：高分子纤维、 碳纤维、SiC纤维）：<400℃ ◆轻金属基复合材料（增强材料：碳纤维、硼 纤维、 SiC纤维、Al2O3纤维）:<800℃ ◆陶瓷基复合材料（增强材料：陶瓷纤维、陶 瓷颗粒） :1000～1400℃ ◆碳/碳复合材料：> 1500℃ ◆层状复合材料：双金属复合材料
（1）生物医学材料与仿生设计 ◆生物医学材料
包括人体器官、生物传感器、血液制品、
药物释放媒介以及外科材料。目前除了神经 系统以外，几乎人体的所有器官都可以用人 造材料来代替。
力学性能匹配
相容性 无毒
人体材料
无血凝
长寿命 无害
◆仿生材料 生物体是千百年演化而来的，其结构
应该是最合理的。通过解剖与分析生物 体的结构，可以制造更加合理的材料。 ◇蚌壳：由于碳酸钙薄层中间夹有有机 物，因此强度高、韧性高；
◆半导体材料
半导体 材料
集成电路 制造工艺
计算机
体积缩小 重量降低 可靠性提高 价格降低
普及到世界 各个角落
人类文明 发生飞跃
◆超导材料 ◇零电阻 ◇完全抗磁性
超导 材料
超导输电 超导磁体 新能源开发 高速计算机
科学 探索
基本粒子 生命体思维 船舶 核聚变 医疗器械 储能 磁流体发电
（2）现有材料的改进
◆金属间化合物
金属间化合物的突破使高温合金上了一个 新的台阶。高温合金是航空发动机的关键材料
高温 合金
限制：材料熔点 合金化程度
来自百度文库
性能提高 潜力不大
金属间 化合物
优异的耐 高温性能
引起广 泛重视
Ni3Al、NiAl Ti3Al、TiAl Fe3Al、FeAl
几种金属间化合物的物理性能
合金
TiAl Ti3Al NiAl Ni3Al FeAl Fe3Al 高温合金
不锈钢复合板、钛/碳钢复合板 （耐腐蚀特性）
（5）新能源材料
(a)快中子增殖堆
目前世界核电容量在3亿千瓦以上，占总发 电量16%左右。所用燃料为U235，而其含量在 铀中仅占0.72%，而U238占99.275%，因此铀 的利用率极低。
材料工程前沿
主讲教师：任学平
一、材料加工技术的发展 二、钢材组织控制理论基础 三、钢材组织控制技术应用 四、双相不锈钢及其超塑性 五、钢材热加工过程模拟与组织模拟
一、材料加工技术的发展
1、新材料的现状与展望
新材料：具有优异的性能而正在开发或 有发展前景的一类材料。
新材料是高技术的一个组成部分，具有 高技术产业的特点：
◇用人造材料或器件达到生物体系功能： ●使工业反应器在室温条件下进行合成； ●使信息处理达到人脑的功能。
（2）纳米材料
◆当物质颗粒小到纳米量级时，在催化、吸 光、医药、磁性等方面出现很多特点。
◆如颗粒小到10nm时，表面原子占20%， 4nm时，占40%，2nm时，占80%： ◇表面原子扩散速度快；
熔点 （℃）
1460 1600 1640 1390 1250～1400 1540 ～1400
弹性模量 （GPa）
1.70 1.45 2.95 1.79 2.61 1.41 2.00
密度 （kg/m3）
3.91 4.20 5.86 7.50 5.56 6.72 ～8.00
◆碳/碳复合材料
碳： 耐热3000℃以上 各向异性
◇竹子：其加强筋的分布外密内疏， 由此可以保持最佳的强韧性。由此 制成的碳纤维增强树脂基复合材料， 在数量相同的原材料条件下，其弯 曲强度提高80%以上。
◆生物体系模拟
◇生物体系具有超呼寻常的功能。 如脊椎动物的能量效率接近100%， 而最好的发动机也不超过50%；
◇人的肾上腺只有6克，而生物碱达百种 以上，可随生物体情况而释放不同物质 以保持人体平衡。
……..
微观理论 研究方法 上的突破
高洁净化 高均匀化 超细化
材料加工
组织控制 提高性能
（3）人工合成的全新材料
——代表新材料发展的未来
已知 数据
计算机 先进技术
原子加工 分子加工
预期 性能
外延生长技术 分子束外延 化学气相沉积 液相外延
同种类原子 不同种类原子
超晶格材料
1.2 新材料研究中的几个活跃问题
高效益 高智力 高投入 高竞争 高风险 高势能
1.1新材料产生的途径
◆理论上的突破或偶然的发现（数量少） ◆现有材料的改进（主渠道） （新技术、新工艺、成分调整、组织调整） ◆人工合成的全新材料（发展方向）
（1）理论上的突破或偶然的发现
◆数量少 ◆会造成划时代的进步
半导体材料 超导材料 激光晶体 光导纤维 非晶态材料
（3）开发传统材料性能的潜力 ①高强度镁合金：
◆强度低、塑性差、耐腐蚀性能差
②钢铁材料
◆钢铁材料的特点
◇资源丰富: 地壳中： 约4.2%（重量）的铁。 ◇容易加工成各种形状: 可满足各领域的需要。 ◇ 便于大生产、质量稳定、价格低廉 ◇ 回收率高: 回收率可达到90%。
资源的循环使用 有利于环境保护
高温下工作 容易发生炸裂
应用上： 受到限制
碳纤维编织： 碳/碳复合材料
性能上： 大幅度改善
洲际导弹弹头 航天飞机鼻锥 飞机刹车盘
◆非晶态材料
软磁材料
变压器铁芯， 其铁损只相当于冷 轧硅钢片的1/3
全方位材料
磁头材料
耐腐蚀材料
优于不锈钢
强韧性材料
比超高强度钢好
◆新一代钢铁材料
◆高强韧性 ◆耐腐蚀性 ◆耐热性 ◆良好的加工性能 ◆提高使用寿命
——新材料发展的主渠道
原有 材料
新技术 新工艺 成分调整 组织调整
性能提高 应用广泛
新材料
◆铝锂合金
二十世纪 20年代开发
材质脆 无法应用
先进制备 技术发展
二十世纪 80年代发展
含3%锂的铝合金，比强度提高20~40%，比刚度 提高20~30%，一架波音747-200可减轻重量5吨， 年获利上千万美元。