材料科學與工程專業(yè)介紹.ppt

1、材料科學與工程 專業(yè)介紹,報告人：薛振華,2013.09.12,報告內(nèi)容,新材料發(fā)展狀況 學科狀況 專業(yè)培養(yǎng)目標 課程設置 學制、學位、畢業(yè)去向 人才引進 實驗室建設,一、新材料發(fā)展狀況,2015年我國新材料產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值要達到2萬億元，年均增長率超過25%。 中國2011年新材料產(chǎn)業(yè)規(guī)模超過8000億元，與前年相比，增加近1500億元。而且，中國的新材料產(chǎn)業(yè)規(guī)模近年來正在經(jīng)歷快速擴張，年均增長率超過20%。 目前，中國的稀土功能材料、先進儲能材料、光伏材料、有機硅、超硬材料、特種不銹鋼、玻璃纖維及其復合材料等產(chǎn)能已居世界前列。,我國重點發(fā)展的新材料,一、特種金屬功能材料，如稀土永磁、發(fā)光等功能材

2、料。 二、高端金屬結(jié)構(gòu)材料，如核電用鋼、耐蝕合金、鈦合金等。 三、先進高分子材料，如電池隔膜等。 四、新型無機非金屬材料，如電光、壓電、碳化硅等先進陶瓷材料，微晶玻璃、激光晶體等先進晶體材料。 五、高性能復合材料，如碳纖維、玄武巖纖維等高性能纖維及可用于飛機結(jié)構(gòu)、人工韌帶以及用于火箭外殼等碳纖維增強復合材料。 六、前沿新材料，如納米粉體材料、石墨烯、超導材料及原料、智能材料等。,信息材料,信息材料,光纖傳輸材料,存儲和顯示材料,這些材料及其產(chǎn)品支撐著通信、計算機、家電與網(wǎng)絡技術等現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。我國的信息材料和產(chǎn)業(yè)在無機非線性人工晶體方面研究水平一直保持國際領先地位，激光晶體材料接近世界先

3、進水平，介質(zhì)陶瓷材料也與世界先進水平相當。,微電子材料,傳感材料,光電子材料,磁性材料,信息材料的市場需求：,2011年國內(nèi)多晶 硅產(chǎn)量達8.4萬噸，需求為14.5萬噸。缺口約為6.1萬噸。,2012年，受下游光伏市場疲軟影響，國內(nèi)多晶硅總產(chǎn)量6.4萬噸，進口量總量8.28萬噸，需求同2011年基本持平，多晶硅缺口仍在50%左右。,在目前的政策和經(jīng)濟環(huán)境下，20102014年全球 多晶硅市場需求預計將以16的年均速度增長， 預計到2014年需求量將達29萬噸。,近10年，全球太陽能電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模擴大了35倍。2009年，我國政府先后出臺了“太陽能屋頂計劃”、“金太陽工程”等旨在培養(yǎng)國內(nèi)光伏需求市

4、場的政策，而且還將加大發(fā)展太陽能產(chǎn)業(yè)的力度，現(xiàn)有的太陽能光伏電池企業(yè)也還將繼續(xù)擴產(chǎn)，不會停留在每年兩三千兆瓦的水平上，因此對多晶硅的需求仍會上升。 全球太陽能產(chǎn)業(yè)年均增長約30%。,我國率先實現(xiàn)鈮酸鋰單晶薄膜產(chǎn)業(yè)化,鈮酸鋰晶體是集電光、聲光、壓電、光彈、非線性、光折變及激光活性等效應于一身的人工合成晶體。濟南晶正電子科技有限公司采用離子注入及直接鍵合等技術，從鈮酸鋰體材料上剝離出厚度僅有數(shù)百納米的單晶薄膜，用其制成器件與傳統(tǒng)器件相比在性能、體積、功耗等方面都具有明顯優(yōu)勢，在聲表面波、電光調(diào)制、探測器、集成光學、非線性光學、信息存儲等器件中具有重要應用前景。 目前，鈮酸鋰單晶薄膜已引起了業(yè)界廣泛

5、關注，這一創(chuàng)新具有自主知識產(chǎn)權(quán)，能改變相關產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，帶來巨大經(jīng)濟效益及社會效益，并有望在更多應用領域?qū)崿F(xiàn)突破。,新能源材料,新能源和再生清潔能源技術是21世紀世界經(jīng)濟發(fā)展中最具有決定性影響的五個技術領域之一。包括太陽能、生物質(zhì)能、核能、風能、地熱、海洋能等一次能源以及二次電源中的氫能等。新能源材料是指能實現(xiàn)新能源的轉(zhuǎn)化和利用以及發(fā)展新能源技術中所要到的關鍵材料，是發(fā)展新能源的核心和基礎。 目前鋰電池的全球供貨量約為17.6億塊。銷售額為58.9億美元。預計2013年供貨量將達到近39.9億塊。,生物醫(yī)用材料,生物醫(yī)用材料主要有：納米生物醫(yī)用材料、生物活性材料、藥物控釋材料、組織工程材料、介入治

6、療材料。 2008年中國生物醫(yī)用材料全行業(yè)總產(chǎn)值2200億元，同比增長15%，實現(xiàn)利潤超過200億元。2010年全球銷售額達到4000億美元。 我國生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)存在問題：自創(chuàng)技術的產(chǎn)業(yè)化能力差，還占不到世界產(chǎn)值的3，產(chǎn)品檔次還需要大的改進。,生態(tài)環(huán)境材料,生態(tài)環(huán)境材料包括：環(huán)境工程材料、綠色包裝材料、環(huán)境建筑材料、環(huán)境降解材料、環(huán)境凈化材料、環(huán)境修復材料、環(huán)境替代材料等。,2012年中國生態(tài)環(huán)境材料產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模超過300億元，未來中國生態(tài)環(huán)境材料產(chǎn)業(yè)市場增長率將繼續(xù)保持在20%以上。,水油快速分離材料,日本京都大學研究人員在7月11日的德國期刊應用化學國際版上報告說，他們開發(fā)出了一種擁有大

7、量超細微孔洞，而且柔軟又富有彈性的新材料，新材料被命名為“棉花軟糖凝膠”。能耐零下130攝氏度的低溫到300攝氏度以上的高溫?？捎糜谝后w或氣體的高速分離，如回收泄漏的原油等。 棉花軟糖凝膠的表面排斥水分，但是孔洞能夠吸附油脂，僅需數(shù)秒至數(shù)十秒就可以分離水和油。像擠海綿一樣擠壓這種凝膠，就能回收其吸附的油脂，凝膠能夠反復使用。 這種新材料擁有在寬泛的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的性質(zhì)，有望開辟出全新的用途，如可用于濃縮化學物質(zhì)等。,納米材料,納米是長度單位，1nm=10-9m，納米材料是指組成材料的單元尺度在1100nm的材料。它又分為一維納米材料，如納 米薄膜；二維納米材料，如納米線；三 維納米材料，如

8、納米顆粒。,全球納米市場前景廣闊。2007年全球納米材料市場的銷售收入比2006年增長94%，增至5600萬美元。然而，2008年增速放緩至70%。目前，納米材料已建立了10億美元的可觀市場，市場主要分布在美國、西歐和日本；到2011年納米材料的市場需求將達到42億美元；到2025年將上升至1000億美元。,我國納米技術概況,從1991年到2000年的10年中，共資助9200多萬元；2001年到2003年期間共投入1.96億元。我國的納米科研在納米材料的制備、表征、測試技術等方面，特別是在納米碳管領域已獲得一些很出色的研究成果。目前我國納米技術專利申請數(shù)已排在美國、日本之后，名列世界第三，占世

9、界總量的12。但總體水平與美、日、歐相比有很大差距。,納米技術應用： 納米材料添加到聚合物基體中可提高其拉伸強度、抗沖強度、模量等力學性能。 如在尼龍6中加入4.2的MMT，拉伸強度提高6倍，彈性模量提高1倍。 硅酸鹽-環(huán)氧樹脂納米復合材料的貯能模量在玻璃化區(qū)提高了360%，在橡膠化區(qū)提高了450%。,碳納米管,納米管強化的陶瓷材料的斷裂韌度是常規(guī)氧化鋁的5倍，其導電性比純氧化鋁高10萬億倍，具有比鋼還要強100倍的材料強度，同時還是目前世界上最好的導熱材料。納米碳管依靠超聲波傳遞熱能，其傳遞速度可達到10000m/s，而且只朝一個方向即納米管的排列方向?qū)?，而在和納米管成適當角度時能反射熱，

10、從而使它成為制造隔熱保護膜的優(yōu)質(zhì)材料。 同時納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性，有的可大幅度彎曲而不斷裂，表現(xiàn)出金屬般的柔韌性和可加工性。,納米機器人在清理血管中的有害堆積物,納米汽車,超聲波驅(qū)動納米發(fā)電機,基于規(guī)則的氧化鋅納米線的納米發(fā)電機,“量子幻景”是基于電子波動性的效應。在納米尺度的電路中，由于尺寸太小而無法使用傳統(tǒng)的導線，就可以利用這種效應來代替導線進行數(shù)據(jù)傳輸。通過移動銅表面的數(shù)十個鈷原子并將它們排列成橢圓形的環(huán)，科學家們首次觀察到了量子幻景。橢圓環(huán)上的原子起到了類似“量子畜欄”的作用，反射環(huán)內(nèi)的銅表面電子，并形成量子力學所預測的波形。,納米金屬籠,從直徑為1.4nm

11、的單根納米管內(nèi)發(fā)出的光,以DNA分子為支架的納米超導器械,美國Nantero公司利用納米工藝制成的計算機存儲器NRAM。 NRAM存儲器的關鍵元件是直徑比人頭發(fā)細10萬倍的碳納米管，管壁厚度僅為一個原子。,納米馬達與納米風車,其驅(qū)動力是電子“風”，即電子穿過納米碳管時角動量驅(qū)動其旋轉(zhuǎn)。,碳納米材料家族增加新成員,球狀的富勒烯、筒狀的碳納米管、片狀的石墨烯，彎曲納米石墨烯 日本名古屋大學教授伊丹健一郎率領的研究小組在15日的自然化學雜志網(wǎng)絡版上報告了一種像馬鞍一般彎曲的碳納米分子，有望在電子元件和醫(yī)療等領域得到應用。 由于碳分子之間有大量微小的空間，所以容易溶解到乙醇等有機溶劑中，很容易應用到電

12、子基板上，有望用于制造太陽能電池和電子元件等。 如果向溶有這種新型碳納米分子的溶液照射紫外線，這種分子能發(fā)出綠色的熒光，所以它還有望用于生物成像領域。,導熱新材料,德國的研究人員們開發(fā)出了一種由銅和金剛石復合而成的新型散熱材料。該復合材料在熱傳導率達到銅的1.5倍，而且不會貴多少。這種新材料在受熱后不會明顯膨脹。 美國北卡羅萊納州立大學材料科學和工程學助理教授吉格卡斯切勒拉通過電化學沉積過程制造出了這種銅石墨烯復合材料，其導熱率比純銅快25，且復合材料的成本很低且很容易制造。,超導材料,我國在超導材料制備及應用方面取得了100多項專利， 在某些方面處于國際領先地位。目前研究的重點在高 溫超導材

13、料的研制及應用技術。2010年 超導材料市場需 求為150200億美元，2020年將達到15002000億美 元。因此，美國能源部認為，超導電力技術是21世紀 電力工業(yè)惟一的高技術儲備。,超導磁懸浮車,磁懸浮列車,化工新材料,普通化工材料：指合成樹脂、合成橡膠、橡膠復合材料、合成纖維、無機化工材料、有機硅材料、有機氟材料、生物化工材料、功能高分子材料、粘結(jié)材料、涂飾材料等。 化工新材料：高性能通用塑料新品種、高性能塑料合金、高性能橡膠復合材料、特種合成纖維、生物化工材料、高性能功能高分子材料、特種涂料等。,化工新材料,2006年，中國工程塑料市場銷售額大約在55億美元，產(chǎn)量約為150萬噸，較2

14、004年的產(chǎn)量增長了約32.7%，銷售額增加了約63%。至2013年，工程塑料需求量將接近300萬噸。銷售額年均增速11.2，2013年約為115.6億美元。主要涉及汽車、電氣和電子行業(yè)。 到2015年，我國化工新材料規(guī)劃產(chǎn)值將達到3500億元，年均增長率為16%。,我國基本上都是通用工程塑料，高附加值特種工程塑料樹脂幾乎是空白。,2012年全球工程塑料、聚合物合金和共混物市場需求估計超過了1000萬噸，未來5年復合年均增長率為4.4%，預計2018年需求量將增加至1270萬噸。2012年全球工程塑料市值估計為430億美元，預計2018年將超過550億美元。,在合成纖維方面，特種纖維美國的生產(chǎn)

15、能力占世界的75，而在特種纖維中的高性能纖維日本處于領先地位。,新型復合材料,進入21世紀以來，全球復合材料市場快速增長，亞洲尤其中國市場增長較快。據(jù)統(tǒng)計，2008年我國復合材料制造業(yè)累計實現(xiàn)工業(yè)增加值86.7億， 工業(yè)總產(chǎn)值258億，新產(chǎn)品產(chǎn)值11.6億，銷售產(chǎn)值253億。同時在出口方面，比2007年增長9.9%。 2012年全球復合材料市場將達626億美元。,A380機身大量應用Glare 層板,共用27塊達470m2 之多,約占結(jié)構(gòu)總重的3 4 %,與相應的鋁合金板比實現(xiàn)減重25%30 % ,疲勞壽命提高1015 倍,長達14m 的垂尾前緣也擬采用此層板。Glare 是玻纖增強鋁合金層板

16、,中國稱作超混雜復合材料。,B787 共用復合材料50%左右,其密度僅為116g/cm3, 全機主要結(jié)構(gòu)均將采用復合材料制成, 除機翼、尾翼前緣(防鳥撞) ,發(fā)動機掛架(防高溫) 外幾乎看不到金屬。其他如機翼、機身、垂尾發(fā)房、地板梁、部分艙門、整流罩等。甚至還包括了起落架后撐桿、發(fā)動機機匣、葉片等部位。較B767 降低成本30% 。,其他新材料,2012年12月10日報道，近日加拿大一家公司稱已研發(fā)出“量子隱形”偽裝材料，這種材料能令光線彎曲，躲過人們的視線或是夜視鏡。其神奇效果就像哈利 波特的隱身斗篷，能夠令穿戴者完全“消失”。美國和加拿大軍方證實該材料甚至可以“騙過”紅外線和熱成像技術。,

17、新材料產(chǎn)業(yè)分布,世界新材料產(chǎn)業(yè)的主導是美國、日本、歐盟等發(fā)達國家，相應的新材料企業(yè)也主要集中在這些國家，并形成壟斷優(yōu)勢。如：作為半導體材料中應用最廣泛的硅材料，每年銷售額約60 80億美元，其中日本、德國、韓國的 8家公司就控制了90的市場。,二、學科狀況,1. 師資隊伍： 共有專職教師24名，其中教授8名，副教授6名。具有博士學位16名，碩士學位4名，在讀博士2名。,2. 實驗室建設： 現(xiàn)有木材科學、高分子材料合成、材料力學、材料性能測試四個專業(yè)實驗室，正在建設材料性能評價實驗室。同時有實訓基地1個，自治區(qū)工程中心1個，中央和地方共建實驗室1個，自治區(qū)重點實驗室1個。,3. 專業(yè)設置：材料科

18、學與工程專業(yè)2004年獲得批準，2005年招生。 4. 學科建設：2003年設材料加工工程碩士點；2004年，在農(nóng)業(yè)工程一級學科博士點下設農(nóng)業(yè)剩余物材料科學與技術博士點。,三、專業(yè)培養(yǎng)目標,培養(yǎng)具備高分子材料、無機非金屬材料和復合材料科學與工程方面的基礎理論、基本技術和技能；掌握新材料設計的初步知識；能在材料的制備、加工成型、材料結(jié)構(gòu)與性能等領域從事科學研究與教學、技術開發(fā)、工藝和設備設計、技術改造及經(jīng)營管理等方面工作，適應社會主義市場經(jīng)濟發(fā)展的高層次、高素質(zhì)全面發(fā)展的科學研究與工程技術人才。,四、課程設置,專業(yè)基礎課： 理論力學、材料力學、材料物理、材料化學、材料科學基礎、電工電子基礎等。,專業(yè)課： 材料成形、材料機械加工、高分子材料成型與加工、功能高分子材料、材料表面工程、材料表面與界面、材料測試方法、納米材料與技術、復合材料等。,五、學制、學位、畢業(yè)去向,學制：四年,學位：工學學士學位,畢業(yè)去向：畢業(yè)后可在化學纖維、塑料、橡膠、涂料、復合材料等材料制備、加工成型、材