材料創(chuàng)造發(fā)明學(xué)05

科學(xué)技術(shù)與工程技術(shù)創(chuàng)新問題人類社會的進步史就是一部不斷創(chuàng)造和創(chuàng)新的歷史創(chuàng)造就是破舊立新,是創(chuàng)見性地發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題任何社會進步和科技發(fā)展都離不開創(chuàng)造活動人們進行創(chuàng)造活動,又離不開創(chuàng)造性思維05/02/20231材料創(chuàng)造發(fā)明學(xué)－45.1繼承與創(chuàng)新繼承是人類賴以存在的前提和基礎(chǔ),創(chuàng)新是人類進步的動力,而叛逆則是橫跨兩者間的橋梁。原理與方法

科學(xué)研究的價值在于創(chuàng)造任何創(chuàng)造者的創(chuàng)造都離不開對前人成果的繼承

科學(xué)研究的繼承性,是批判地繼承,創(chuàng)新地繼承

05/02/20232材料創(chuàng)造發(fā)明學(xué)－4批判、新發(fā)現(xiàn)繼承前人成果創(chuàng)新05/02/20233材料創(chuàng)造發(fā)明學(xué)－4應(yīng)用舉例

舉例27：從X射線到放射性元素的發(fā)現(xiàn)1876年,英國科學(xué)家克魯克斯發(fā)現(xiàn)了陰極射線和冷光現(xiàn)象,曾吸引了許多科學(xué)家對這一新現(xiàn)象的研究。正當(dāng)科學(xué)家對能自由穿過各種物質(zhì)的射線感到神秘莫測之際，1895年德國人倫琴從中發(fā)現(xiàn)了X射線

,他因此而

第一個獲得諾貝爾物理學(xué)獎。對X射線的研究，又導(dǎo)致了1896年法國人貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了與X射線不同的天然鈾具有放射性這一新現(xiàn)象。-問題：既然鈾有放射性，還有沒有其他元素也有放射性?這一問題激發(fā)了居里夫人的研究熱情，她經(jīng)過數(shù)年的艱苦努力，終于發(fā)現(xiàn)了釙、鐳兩種新的放射性元素，成為世界上第一個獲得諾貝爾獎的女性。05/02/20234材料創(chuàng)造發(fā)明學(xué)－419世紀末，由于電子、X射線和放射性的發(fā)現(xiàn)，人類對物質(zhì)的認識開始深入到原子內(nèi)部。截至1907年，被分編出來并且加以研究的放射性元素有近30種，這樣，原有的元素周期表就沒有容納它們的空位。令人不解的是，盡管有些化學(xué)元素的放射性不同，但化學(xué)性質(zhì)都完全一樣，沒有辦法把它們分開。到1910年，根據(jù)大量的這類事實，英國化學(xué)家索迪終于提出了著名的同位素假說，即：存在有原子量和放射性不同,但化學(xué)性質(zhì)完全一樣的化學(xué)元素的變種，這些變種在元素周期表中應(yīng)該處于同一個位置上，因此命名為“同位素”。同位素（isotope

）一詞是他在1913年首次提出和使用的。索迪于1921年獲諾貝爾化學(xué)獎。05/02/20235材料創(chuàng)造發(fā)明學(xué)－4舉例30：從鋼的氫脆到金屬間化合物氫脆的發(fā)現(xiàn)二戰(zhàn)前，英國為了應(yīng)對希特勒法西斯的擴軍備戰(zhàn)而舉行了一次實戰(zhàn)演習(xí)。不幸發(fā)生飛機失事。因犧牲的駕駛員是一位親王的兒子，引起了英國當(dāng)局的高度重視。失事原因調(diào)查結(jié)果表明，飛機因主軸發(fā)生斷裂而墜毀，而斷裂面上呈現(xiàn)許多細如發(fā)絲的微小裂紋。產(chǎn)生裂紋的原因眾說紛紜：+有人認為是由于鋼中殘留的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，誘發(fā)內(nèi)應(yīng)力而引起+有人認為是由于鋼中存在夾雜物導(dǎo)致應(yīng)力集中所致。研究主軸斷裂原因的任務(wù)交給當(dāng)時在英國工作的中國科學(xué)家李薰博士等人。他們力排眾議，提出了新的設(shè)想：是鋼中浸入了水蒸氣里的氫氣，而誘發(fā)裂紋。為了證實這個假設(shè)，他們將鋼樣在高溫氫氣中加熱，然后淬火，使鋼樣中保留一定量的氫氣。果然發(fā)現(xiàn)經(jīng)過滲氫處理后的鋼樣內(nèi)部產(chǎn)生了裂紋。--鋼的氫脆現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)了。05/02/20236材料創(chuàng)造發(fā)明學(xué)－4美籍華人科學(xué)家劉錦川2004年當(dāng)選美國工程院院士。他是國際有序金屬問化合物領(lǐng)域的研究先驅(qū)。20世紀80年代初期，他開創(chuàng)性地研究了化學(xué)計量比和硼的添加對Ni3A1延展性的改善作用。這一研究成果發(fā)表在Science雜志上。1988年他首次發(fā)現(xiàn)鎳鋰和鐵鋁金屬間化合物在室溫下的本質(zhì)延展性，其脆性主要是來自空氣中水汽引發(fā)的氫脆。此后國際上類似的研究論文數(shù)以千萬計，環(huán)境脆性因而也被認為是導(dǎo)致多種金屬間化合物室溫脆性斷裂和延展性低的新機制。該研究成果也為設(shè)計工業(yè)用高延展性金屬間化合物提供了明確的方向。由于他在新型鎳鋁和鐵鋁金屬間化合物方面的杰出貢獻，獲得兩項重要的I.R.100工業(yè)發(fā)明獎(I.R.100IndustrialAwards)05/02/20237材料創(chuàng)造發(fā)明學(xué)－4舉例31：最大磁能積(BH)max日趨提高的永磁材料時代當(dāng)于工業(yè)發(fā)展的需求，最近一百年來永磁材料交替出現(xiàn)了不斷發(fā)明、推陳出新、代代交替的局面。從20世紀初到70年代，永磁材料的發(fā)展經(jīng)歷了一系列合金演變：淬火馬氏體鋼、沉淀硬化型鋼(典型的AINiCo系列)、可加工永磁合金(如鐵鈷釩順磁合金)，以及鐵鉻鈷可加工永磁合金。從1933年永磁材料發(fā)現(xiàn)，到1952年棚鐵氧體(BFe12019)和鍶鐵氧體(SrFe12019)問世。上世紀60年代起稀土永磁材料崛起，人們研發(fā)和生產(chǎn)了三代材料：1967第一代SmCo5稀土永磁體；1977年第二代Sm2Co7稀土永磁體；1983年第三代稀土永磁體Nd2Fe14B。我國稀土資源世界第一，

NdFeB永磁體的產(chǎn)量和質(zhì)量獨占世界鰲頭。而國際上燒結(jié)NdFeB各向異性的磁性能已經(jīng)經(jīng)提高到55MG.Oe(1Oe=79.6A/m),快接近燒結(jié)NdFeB理論磁能積水平。05/02/20238材料創(chuàng)造發(fā)明學(xué)－405/02/20239材料創(chuàng)造發(fā)明學(xué)－4舉例32：集成電路－－材料加工工藝的突破。1948年第一支晶休管問世。20世紀50年代，美國得州儀器公司工程師Kilby把1個三極管、3個電阻和1個電容器集中在一個0.5cm3的小片上－－》世界上第一個集成電路模塊誕生。這一發(fā)明首次提出了現(xiàn)代集成電路的基本思想。1958年美國仙童儀器公司的Noyce利用被蝕刻成規(guī)則圖案的氧化硅薄膜和鋁質(zhì)膜分別作為絕緣材料和導(dǎo)線，首次把所有的電子器件全部制作在一塊單晶硅片上，實現(xiàn)了芯片材料加工工藝的一次突破，打破了利用晶體材料制備電子器的常規(guī)。在Kilby集成電路思想的基礎(chǔ)上，人們開創(chuàng)了利用蝕刻法和薄膜材料制備集成電子器件的先河，使人類縮短了通往信息時代的路程。Kilby獲得了2000年度諾貝爾物理學(xué)獎，Noyce于1990年英年早逝，未能分獲諾貝爾獎。但他開創(chuàng)的硅集成電路時代將永載史冊，成為人類科技進步的一個里程碑。繼承與創(chuàng)新既相互區(qū)別，又相互聯(lián)系。繼承是創(chuàng)新和突破的基礎(chǔ)，突破是繼承的發(fā)展。沒有繼承，就沒有突破；沒有突破，繼承就失去生命力。一部科學(xué)史，實質(zhì)上就是一部繼承和突破交替互補的歷史。05/02/202310材料創(chuàng)造發(fā)明學(xué)－45.2叛逆與創(chuàng)新美國科學(xué)史學(xué)家丁庫里：“凡是科學(xué)的創(chuàng)造發(fā)明,都是從根本上推翻過去科學(xué)家造成的

”普遍認識

“或

”常規(guī)認識

“,打破舊規(guī)范

,創(chuàng)立新規(guī)范。1.原理：叛逆于創(chuàng)新的關(guān)系叛逆推翻傳統(tǒng)觀念打破舊規(guī)范創(chuàng)新05/02/202311材料創(chuàng)造發(fā)明學(xué)－4經(jīng)典理論得修正與更新2.方法與舉例舉例33：經(jīng)典強度設(shè)計理論最大應(yīng)力理論針對高強度鋼斷裂問題，提出了裂紋體斷裂力學(xué)安全設(shè)計：臨界應(yīng)力強度因子－臨界裂紋長度概念05/02/202312材料創(chuàng)造發(fā)明學(xué)－4傳統(tǒng)學(xué)術(shù)觀點的突破借助現(xiàn)代測試技術(shù)，通過實驗和嚴密的邏輯證明，大膽向傳統(tǒng)學(xué)術(shù)觀點挑戰(zhàn)。舉例34：沖擊韌性和小能多沖理論長期以來，工程界受一次沖擊韌性概念的束縛，總是要求鋼材應(yīng)有更高的沖擊韌性，而過多犧牲材料的強度。針對這一片面觀點，西安交通大學(xué)強度研究所通過大量的材料多次沖擊試驗研究。據(jù)得出的規(guī)律認為，多數(shù)工程機械零件是承受小能量多次沖擊疲勞而產(chǎn)生失效的。在這種服役條件下衡量零件的失效抗力，不應(yīng)是材料的一次沖擊韌性，而是多次沖擊抗力。只有適當(dāng)提高材料的強度，并有一定的塑性、韌性相配合，才能使材料具有高的多次沖擊抗力。他們提出得發(fā)揮材料強度潛力一一強度與塑性、韌性合理配合的學(xué)說在生產(chǎn)中得到了實證。05/02/202313材料創(chuàng)造發(fā)明學(xué)－4舉例35：以前人們普遍認為，馬氏體是硬而脆的組織。但是，實驗研究和生產(chǎn)實踐說明，低碳鋼淬火成馬氏體后，既具有高的強度，又有較好的塑性和韌性。將其簡稱為低碳馬氏體。經(jīng)過對馬氏休形態(tài)學(xué)和晶體學(xué)的深入研究，認為存在孿品（片狀）和位錯（板條）馬氏體，其中孿晶馬氏體硬而脆，而板條馬氏體為低碳馬氏體的主要結(jié)構(gòu)形態(tài)。低碳鋼通過淬火、低溫回火后作為構(gòu)件使用，極大提高得材料效率，減輕了結(jié)構(gòu)重量，取得巨大經(jīng)濟效益。低碳馬氏休研究成果在全國范圍內(nèi)推廣應(yīng)用：

石油機械－－長期沿用前蘇聯(lián)的設(shè)計規(guī)范選用高沖擊韌性、低強度材料制造，強度低，造成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)得“傻大笨粗”、使用壽命不長的弊端。20SiMnVBRe和20SiMnMoVA鋼,采用淬火＋低溫回火的低碳馬氏體代替原用的中碳鋼正火或調(diào)質(zhì)組織，成功地研制出石油鉆機的輕型吊環(huán)和吊卡（三吊一卡）采用20SiMn2MoVA鋼低碳馬氏體強化工藝代替原用炮鋼(PCrNi3Mo)制造射孔槍，射孔使用壽命提高了兩倍。該研究獲得國家科技進步一等獎05/02/202314材料創(chuàng)造發(fā)明學(xué)－405/02/202315材料創(chuàng)造發(fā)明學(xué)－405/02/202316材料創(chuàng)造發(fā)明學(xué)－4傳統(tǒng)技術(shù)觀點的實破舉例36：低溫超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)及超導(dǎo)材料的發(fā)明1911年卡曼林·昂尼斯在接近絕對零度的實驗中發(fā)現(xiàn)水銀失去電阻的超導(dǎo)現(xiàn)象，由此而引發(fā)了許多研究者在超導(dǎo)材料方面的多項發(fā)明。然而在1911年到1986年的75年間，超導(dǎo)材料的臨界溫度Tc從Hg的4.2K提高到Nb3Ge的23.22K。突破傳統(tǒng)技術(shù)絕非易事。1986年瑞士人柏諾茲(J.G.Bednoz)和謬勒(K.A.Miiller)首先發(fā)現(xiàn)（laSrCuO）氧化物的Tc可以高達36K。1987年朱經(jīng)武等人在美國宣布，發(fā)現(xiàn)Tc溫度90K的氧化物超導(dǎo)體，趙忠賢等人獨立發(fā)現(xiàn)Tc約為90K的Y-Ba-CuO化合物。之后科學(xué)家又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)Bi-Sr-Cu-O體系（Tc-80~110K），Ti-Ba-Ca-CuO系(Tc-125K)和Hg-Ba-Cu-O系(Tc-134K)等較高溫度下的超導(dǎo)材料。目前發(fā)現(xiàn)Tc最高的已達160K。柏諾茲和謬勒的發(fā)現(xiàn)，不僅將超導(dǎo)體從金屬、合金化合物擴展到氧化物陶瓷，這是高溫超導(dǎo)體材料的巨大突破。用液氮代替液氦作超導(dǎo)制冷劑

,成本大為降低，效率還可提高

20倍柏諾茲和謬勒因此獲得了諾貝爾物理獎。05/02/202317材料創(chuàng)造發(fā)明學(xué)－405/02/202318材料創(chuàng)造發(fā)明學(xué)－4傳統(tǒng)技術(shù)規(guī)范的突破重要提示：現(xiàn)行材料、工藝、技術(shù)標準或規(guī)范，既具有合法性，又具有局限性和不合理性。隨著材料科學(xué)技術(shù)的進步，總是要不斷修改材料的技術(shù)規(guī)范和標準。打破現(xiàn)有應(yīng)該打破的各種技術(shù)禁區(qū)，就會帶來創(chuàng)新局面。要敢于向“不準許”、“不可能”的技術(shù)領(lǐng)域和禁區(qū)挑戰(zhàn)。05/02/202319材料創(chuàng)造發(fā)明學(xué)－4舉例37：高碳鋼在第一類回火脆區(qū)間回火并非禁區(qū)高碳鋼淬火后必須立即回火，在200～300℃溫度區(qū)間回火會出現(xiàn)沖擊韌性降低的“第一類回火脆”現(xiàn)象禁區(qū)高碳模具鋼淬火后推薦在100～200℃回火發(fā)現(xiàn)脆性增大，壽命降低。研究發(fā)現(xiàn)：低能量多次沖擊問題在第一類回火脆區(qū)間回火，硬度從HRC60～

62降低到HRC54～

56，多次沖擊壽命明顯提高。將這一結(jié)果應(yīng)用于高碳鋼冷沖模具，沖頭壽命大大提高。舉例38：突破高碳鋼碳含量應(yīng)當(dāng)小于1.2%wt的限定金屬學(xué)中Fe-C平衡圖認定高碳鋼的碳含量應(yīng)當(dāng)小于1.2%，于是1.2%成為傳統(tǒng)碳鋼最高碳含量限定。新的研究表明，超高碳鋼的碳含量可達到1.2%～2.1%wt,這工模具的硬度高，耐磨損，突破了高碳鋼最高碳含量的限制。方法是通過特殊的熱處理工藝：將超高碳鋼的晶粒尺寸和碳化物尺寸控制到1μm～2μm，淬火后就能獲得強韌性良好的細條狀位錯馬氏體。05/02/202320材料創(chuàng)造發(fā)明學(xué)－45.3移植創(chuàng)新法原理運用其他學(xué)科的概念、理論和方法或技術(shù),來研究本學(xué)科或另一學(xué)科存在的問題，這種方法叫做移植法美國科學(xué)家貝弗里奇說“移植是科學(xué)發(fā)展的一種主要方法。大多數(shù)的發(fā)現(xiàn)都可應(yīng)用于所在領(lǐng)域以外的其他領(lǐng)域。而應(yīng)用于新領(lǐng)域時,往往有助于促成進一步的發(fā)現(xiàn)。重大的科學(xué)成果有時來自移植。“這種方法簡便、有效,即所謂“拿來主義”,但必須先消化,再合理移植。應(yīng)用過程中應(yīng)作必要的修正、創(chuàng)新,不能依葫蘆畫瓢,簡單抄襲或模仿?！八街?，可以攻玉”05/02/202321材料創(chuàng)造發(fā)明學(xué)－405/02/202322材料創(chuàng)造發(fā)明學(xué)－4方法及舉例舉例40：成功的科學(xué)方法的移植系統(tǒng)科學(xué)方法論→材料的系統(tǒng)論。耗散結(jié)構(gòu)論→材料的耗散結(jié)構(gòu)論。突變論→材料的突變論。辯證法及邏輯思維的移植。舉例41：一級學(xué)科之間的移植數(shù)學(xué)→數(shù)學(xué)冶金→數(shù)量冶金；材料相關(guān)性的數(shù)學(xué)表征；

材料過程性的數(shù)學(xué)模型。為學(xué)→材料力學(xué)→材料強度學(xué)、斷裂力學(xué)。流體力學(xué)→零件受力時截面的應(yīng)力線分布

(應(yīng)力集中的描述

);多相流沖刷磨損的數(shù)值模擬。可靠性理論→材料及零件失效的可靠性分析；機械強度設(shè)計的可靠性分析

;按可靠性理論設(shè)計材料。計算機技術(shù)→計算機輔助材料設(shè)計與選材；材料失效的計算機輔助診斷及安全評定程序，等

趨勢：數(shù)學(xué)＋力學(xué)＋物理學(xué)＋材料學(xué)＝＝》計算材料學(xué)05/02/202323材料創(chuàng)造發(fā)明學(xué)－4二級學(xué)科之間的移植本門學(xué)科內(nèi)的移植

新興技術(shù)的移植現(xiàn)代測試技術(shù)的移植舉例41：智能材料系統(tǒng)原理移植到智能混凝土結(jié)構(gòu)上的發(fā)明1984年美國軍方開展了智能材料研究。

1989年在日本筑彼舉行的關(guān)于智能材料國際研討會上,人們首次確認了智能材料的概念。智能材料就是同時具有感知功能即信號感受功能(亦稱傳感器功能)和自己判斷并自己作出判斷的功能(亦稱情報信息處理功能）根據(jù)智能材料系統(tǒng)的原理和概念,可以將其移植到智能混凝土領(lǐng)域。美國科學(xué)家卡羅琳德賴,十多年來研究能“自我修補”的智能混凝土。他在混凝土中埋入大量的預(yù)先裝有裂紋修補劑的空心纖維。當(dāng)混凝土產(chǎn)生裂紋或開裂時,混凝土中的空心纖維也會開裂。同時開裂的空心纖維中流出修補裂紋的粘接劑,將混凝土的裂縫牢固地粘接起來。這種混凝土被稱為“被動式”智能材料。后來,美國橋梁專家又根據(jù)智能材料系統(tǒng)的原理,發(fā)明了“主動式”智能材料系統(tǒng),他們將信號傳感器、微電子芯片、計算機與材料有機組合成一個系統(tǒng)，當(dāng)埋在橋梁混凝土中的傳感器“感知”到某部分出現(xiàn)裂紋后,計算機隨即發(fā)出指令，先埋入橋梁中的微小液滴變成固體,從而將裂紋粘合,并使橋梁自動得到加固。05/02/202324材料創(chuàng)造發(fā)明學(xué)－45.4交叉突破與創(chuàng)新原理所謂“交叉”、“邊緣”研究和突破是指有意識地在兩門學(xué)科或幾門學(xué)科交接交處德領(lǐng)域內(nèi)，利用這些學(xué)科領(lǐng)域各自的原理和技術(shù)，并使其結(jié)合進來。

交叉科學(xué)的研究與發(fā)展是從長遠著眼,具有戰(zhàn)略性前瞻意義。從金屬學(xué)原理的角度看,在學(xué)科間的交叉地帶,界面形成生長核心所需要的能量最?。ó愘|(zhì)成核）用交叉突破的思維創(chuàng)新,可收到事半功倍的效果。05/02/202325材料創(chuàng)造發(fā)明學(xué)－405/02/202326材料創(chuàng)造發(fā)明學(xué)－4交叉突破的方法及舉例社會科學(xué)與自然科學(xué)的交叉

05/02/202327材料創(chuàng)造發(fā)明學(xué)－45.5復(fù)合創(chuàng)新法原理將幾種原理、技術(shù)、效應(yīng)或組元,加以復(fù)合、應(yīng)用

,借以突破而發(fā)展、研究出新材料、新工藝、新觀點和新理論

05/02/202328材料創(chuàng)造發(fā)明學(xué)－4復(fù)合原則與效應(yīng)：復(fù)合應(yīng)當(dāng)是有目的、有策略的復(fù)合,而非簡單、盲目的重合。后者只可能帶來負面效應(yīng),造成入力、物力、財力上的浪費而有充分準備的、好的復(fù)合則可帶來極好的效應(yīng)。正確的復(fù)合可能帶來兩種效果

:(1)代數(shù)和效果A復(fù)合

B

C,應(yīng)產(chǎn)生的效應(yīng)是

C≥

A+B,即復(fù)合產(chǎn)生的

C現(xiàn)象在某方面或總的方面應(yīng)優(yōu)于或至少等于

A與

B的單純的代數(shù)和。(2)倍數(shù)效果A復(fù)合

B

C，應(yīng)產(chǎn)生的效應(yīng)是：(m,n,k≥1）

05/02/202329材料創(chuàng)造發(fā)明學(xué)－4復(fù)合方法(1)復(fù)合材料。根據(jù)復(fù)合突破原理,可以由金屬、陶瓷、玻璃、塑料、纖維等各種材料任意復(fù)合,組成數(shù)目眾多的新型復(fù)合材料。1)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料

,一般都遵循線性復(fù)合效應(yīng)。其中包括

:①平均效應(yīng),指復(fù)合材料的物理、力學(xué)性質(zhì)服從于混合定律(ROM)：T復(fù)合

=T基體

.(1-Vf

第二相

)十

T第二相

.Vf

第二相式中

:T可以表示σ,E,α,K(導(dǎo)熱系數(shù)

)