安徽工程科技学院：《材料成型技术》课程教学资源（PPT课件）第1章 机械工程材料概论 1.8 工程材料的发展趋势

1.8工程村料的发展趋势 据预测,21世纪初期, 金属材料在工程材料中仍 将占主导地位,其中钢铁 仍是产量最大、覆盖面最 的工程材料,但非金属 材料和复合材料的发展会 更加迅速。 今后材料发展的总趋 势是:以高性能和可持续 发展为目标的传统材料的 改造及以高度集成化、微 细化和复合化为特征的新 代材料的开发。 图1-60航天飞机

1.8 工程材料的发展趋势 据预测，21世纪初期， 金属材料在工程材料中仍 将占主导地位，其中钢铁 仍是产量最大、覆盖面最 广的工程材料，但非金属 材料和复合材料的发展会 更加迅速。 今后材料发展的总趋 势是：以高性能和可持续 发展为目标的传统材料的 改造及以高度集成化、微 细化和复合化为特征的新 一代材料的开发。 图1-60 航天飞机

1.生产工艺的完善和开发 完善传统的冶金工艺和开发新工艺,是钢铁工 业技术进步的两大趋向,其中包括洁净钢冶炼、转 炉少渣炼钢、非高炉炼铁(如直接还原和熔炼还原) 和带钢铸造等。各类精炼钢、纯净钢、预硬化钢材 涂层钢板、复合钢板等将广泛应用,性能更规范, 质量更稳定。 钢铁生产正从粗放型向集约型转变,全面提高 技术素质,实现优质高效节能降耗和环境保护,以 保证可持续发展。将进一步开发钢材品种,并大力 提高钢铁产品的质量和性能。如严格控制杂质元素 含量和化学成分,力求显微组织均匀和力学性能稳 定等

1.生产工艺的完善和开发 完善传统的冶金工艺和开发新工艺，是钢铁工 业技术进步的两大趋向，其中包括洁净钢冶炼、转 炉少渣炼钢、非高炉炼铁（如直接还原和熔炼还原） 和带钢铸造等。各类精炼钢、纯净钢、预硬化钢材、 涂层钢板、复合钢板等将广泛应用，性能更规范， 质量更稳定。 钢铁生产正从粗放型向集约型转变，全面提高 技术素质，实现优质高效节能降耗和环境保护，以 保证可持续发展。将进一步开发钢材品种，并大力 提高钢铁产品的质量和性能。如严格控制杂质元素 含量和化学成分，力求显微组织均匀和力学性能稳 定等

2新材料的研制与开发 (1)先进的金属材料1)高效金属材料 为了实现工业可持续发展, 必须大幅度地提高材料的使用效 能,因而高效材料应运而生。如 高效钢不仅强度比现在的钢铁提 高一倍,而且耐磨、耐蚀等性能 也将大幅度改善。 2)金属间化合物 金属间化合物具有高温强 度高、抗氧化性能好、密度低等 优点,因而最先用于航空航天领 图1-61 域。现除了N|-A|系、FeA|系等 金属间化合物制品 金属间化合物早已用于一般机械 制造外,T-A基合金用作汽车 排气阀材料也已受到重视

2.新材料的研制与开发 1）高效金属材料 为了实现工业可持续发展， 必须大幅度地提高材料的使用效 能，因而高效材料应运而生。如 高效钢不仅强度比现在的钢铁提 高一倍，而且耐磨、耐蚀等性能 也将大幅度改善。 2）金属间化合物 金属间化合物具有高温强 度高、抗氧化性能好、密度低等 优点，因而最先用于航空航天领 域。现除了Ni-Al系、Fe-Al系等 金属间化合物早已用于一般机械 制造外，Ti-Al基合金用作汽车 排气阀材料也已受到重视。 图1-61 金属间化合物制品 （1）先进的金属材料

3)快速冷凝金属材料 由于快速冷凝比常规冷 凝速度快得多,可获得一系列 非平衡态的非晶、微晶金属合 金。如类似玻璃的某些结构特 征的金属玻璃,具有超耐蚀和 高强韧等特性,可用于制作变 压器铁心等。 4)超细颗粒纳米金属材料 超细颗粒泛指直径小于 10nm的颗粒,一般由几千 个原子组成。在电子、化工、图1-62激冷铸铁金相组织 原子能、航空航天和生物医药 等方面有着广泛的用途

3)快速冷凝金属材料 由于快速冷凝比常规冷 凝速度快得多，可获得一系列 非平衡态的非晶、微晶金属合 金。如类似玻璃的某些结构特 征的金属玻璃，具有超耐蚀和 高强韧等特性，可用于制作变 压器铁心等。 4）超细颗粒纳米金属材料 超细颗粒泛指直径小于 100nm的颗粒，一般由几千 个原子组成。在电子、化工、 原子能、航空航天和生物医药 等方面有着广泛的用途。 图1-62 激冷铸铁金相组织

(2)先进的高分子材料 1)高性能工程塑料 通过改革单一聚合物的 聚合态或将不同聚合物共混, 可使是产量大、价格低、性 能一般的通用塑料(如聚乙 烯和聚丙烯等)变为高强度、 超高韧性的工程塑料。 2)功能高分子材料 具有导电、光敏或磁性等 功能的高分子材料和医用高 分子材料、仿生高分子材料、 图1-63 环境友好高分子材料、信息 功能高分子材料以及高分子 高性能工程塑料 材料的再生利用技术等,可 望在未来取得较大的进展

（2）先进的高分子材料 1）高性能工程塑料 通过改革单一聚合物的 聚合态或将不同聚合物共混， 可使是产量大、价格低、性 能一般的通用塑料（如聚乙 烯和聚丙烯等）变为高强度、 超高韧性的工程塑料。 2）功能高分子材料 具有导电、光敏或磁性等 功能的高分子材料和医用高 分子材料、仿生高分子材料、 环境友好高分子材料、信息 功能高分子材料以及高分子 材料的再生利用技术等，可 望在未来取得较大的进展。 图1-63 高性能工程塑料

(3)先进的陶瓷材料 1)结构陶瓷 性能更优异的Ti3SiC T2AN等陶瓷材料正在得到开 发。多相复合材料有利于陶瓷 的强化和增韧,如纤维或晶须 增强的陶瓷基复合材料、异相 颗粒弥散分布的复合陶瓷等。 精细陶瓷所用的粉料正从微米 级向纳米级发展,性能更好。 如纳米级氧化锆粉料的烧 结温度可降低400℃,制品密 度可达到理论密度的98%,且 具有400%的塑性伸长率 图1-64结构陶瓷

（3） 先进的陶瓷材料 1）结构陶瓷 性能更优异的Ti3SiC2、 Ti2AlN等陶瓷材料正在得到开 发。多相复合材料有利于陶瓷 的强化和增韧，如纤维或晶须 增强的陶瓷基复合材料、异相 颗粒弥散分布的复合陶瓷等。 精细陶瓷所用的粉料正从微米 级向纳米级发展，性能更好。 如纳米级氧化锆粉料的烧 结温度可降低400℃，制品密 度可达到理论密度的98%，且 具有400%的塑性伸长率。 图1-64 结构陶瓷

2)功能陶瓷 功能陶瓷正向可靠性、多 功能、微型化、智能化、集成 化的方向发展 如低损耗、低温度特性、 大容量、超薄型的多层电容器 材料与制备技术。用于微型机 械的高性能压电陶瓷和驱动陶 瓷,以及气敏陶瓷材料和环保 用陶瓷等。特别是近年来出现 的用于催化反应工程的无机分 图1-65 离催化膜陶瓷,具有广泛的应 陶瓷驱动器件(功能陶瓷) 用前景

2）功能陶瓷 功能陶瓷正向可靠性、多 功能、微型化、智能化、集成 化的方向发展。 如低损耗、低温度特性、 大容量、超薄型的多层电容器 材料与制备技术。用于微型机 械的高性能压电陶瓷和驱动陶 瓷，以及气敏陶瓷材料和环保 用陶瓷等。特别是近年来出现 的用于催化反应工程的无机分 离催化膜陶瓷，具有广泛的应 用前景。 图1-65 陶瓷驱动器件（功能陶瓷）

(4)先进的复合材料 1)有机-无机复合材料 通过精细控制无机超微 粒子在高聚物中的分散与复 合,可仅以很少的无机粒子 含量,就能在一个相当大的 范围内有效地改变复合材料 的综合性能。如增强、增韧 和抗老化等,且不影响材料 的加工性能。该技术可望替 代目前品种极多的高分子材 料,同时也为提高材料的循 图1-66 环利用率创造了良好的条件。 玻璃钢复合材料

（4）先进的复合材料 1）有机-无机复合材料 通过精细控制无机超微 粒子在高聚物中的分散与复 合，可仅以很少的无机粒子 含量，就能在一个相当大的 范围内有效地改变复合材料 的综合性能。如增强、增韧 和抗老化等，且不影响材料 的加工性能。该技术可望替 代目前品种极多的高分子材 料，同时也为提高材料的循 环利用率创造了良好的条件。 图1-66 玻璃钢复合材料

2)纳米复合材料 即由两种及两种以上的固 相至少一个方向上以纳米级 尺寸复合而成的材料。 人工合成的有机-无机纳 米复合材料,既具有无机物 优良的刚度、强度和热稳定 性,又具有聚合物的加工性 能和介电性能,可望在各种 新技术领域获得广泛应用, 且是探索高性能复合材料的 条重要途径。 图1-67 Al2O3-ZrO2 (3Y)-SiC 纳米复合材料组织

2）纳米复合材料 即由两种及两种以上的固 相至少一个方向上以纳米级 尺寸复合而成的材料。 人工合成的有机-无机纳 米复合材料，既具有无机物 优良的刚度、强度和热稳定 性，又具有聚合物的加工性 能和介电性能，可望在各种 新技术领域获得广泛应用， 且是探索高性能复合材料的 一条重要途径。 图1-67 Al2O3 -ZrO2 (3Y)-SiC 纳米复合材料组织

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