材料科學(xué)與工程專業(yè)介紹.ppt

1、材料科學(xué)與工程 專業(yè)介紹,報(bào)告人：薛振華,2013.09.12,報(bào)告內(nèi)容,新材料發(fā)展?fàn)顩r 學(xué)科狀況 專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo) 課程設(shè)置 學(xué)制、學(xué)位、畢業(yè)去向 人才引進(jìn) 實(shí)驗(yàn)室建設(shè),一、新材料發(fā)展?fàn)顩r,2015年我國新材料產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值要達(dá)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(kuò)張，年均增長率超過20%。 目前，中國的稀土功能材料、先進(jìn)儲能材料、光伏材料、有機(jī)硅、超硬材料、特種不銹鋼、玻璃纖維及其復(fù)合材料等產(chǎn)能已居世界前列。,我國重點(diǎn)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(jìn)高分子材料，如電池隔膜等。 四、新型無機(jī)非金屬材料，如電光、壓電、碳化硅等先進(jìn)陶瓷材料，微晶玻璃、激光晶體等先進(jìn)晶體材料。 五、高性能復(fù)合材料，如碳纖維、玄武巖纖維等高性能纖維及可用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)、人工韌帶以及用于火箭外殼等碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。 六、前沿新材料，如納米粉體材料、石墨烯、超導(dǎo)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(jì)算機(jī)、家電與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(jī)非線性人工晶體方面研究水平一直保持國際領(lǐng)先地位，激光晶體材料接近世界先

3、進(jìn)水平，介質(zhì)陶瓷材料也與世界先進(jìn)水平相當(dāng)。,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(dá)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(jìn)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(jì)環(huán)境下，20102014年全球 多晶硅市場需求預(yù)計(jì)將以16的年均速度增長， 預(yù)計(jì)到2014年需求量將達(dá)29萬噸。,近10年，全球太陽能電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模擴(kuò)大了35倍。2009年，我國政府先后出臺了“太陽能屋頂計(jì)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(kuò)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(shí)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(yīng)于一身的人工合成晶體。濟(jì)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(shù)，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(xué)、非線性光學(xué)、信息存儲等器件中具有重要應(yīng)用前景。 目前，鈮酸鋰單晶薄膜已引起了業(yè)界廣泛

5、關(guān)注，這一創(chuàng)新具有自主知識產(chǎn)權(quán)，能改變相關(guān)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益及社會效益，并有望在更多應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破。,新能源材料,新能源和再生清潔能源技術(shù)是21世紀(jì)世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展中最具有決定性影響的五個(gè)技術(shù)領(lǐng)域之一。包括太陽能、生物質(zhì)能、核能、風(fēng)能、地?zé)帷⒑Ｑ竽艿纫淮文茉匆约岸坞娫粗械臍淠艿取Ｐ履茉床牧鲜侵改軐?shí)現(xiàn)新能源的轉(zhuǎn)化和利用以及發(fā)展新能源技術(shù)中所要到的關(guān)鍵材料，是發(fā)展新能源的核心和基礎(chǔ)。 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(yù)計(jì)2013年供貨量將達(dá)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(shí)現(xiàn)利潤超過200億元。2010年全球銷售額達(dá)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(shù)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(jìn)。,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(fù)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(xué)研究人員在7月11日的德國期刊應(yīng)用化學(xué)國際版上報(bào)告說，他們開發(fā)出了一種擁有大

7、量超細(xì)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。可用于液體或氣體的高速分離，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(fù)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(xué)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(dá)到42億美元；到2025年將上升至1000億美元。,我國納米技術(shù)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(shù)等方面，特別是在納米碳管領(lǐng)域已獲得一些很出色的研究成果。目前我國納米技術(shù)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(shù)應(yīng)用： 納米材料添加到聚合物基體中可提高其拉伸強(qiáng)度、抗沖強(qiáng)度、模量等力學(xué)性能。 如在尼龍6中加入4.2的MMT，拉伸強(qiáng)度提高6倍，彈性模量提高1倍。 硅酸鹽-環(huán)氧樹脂納米復(fù)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(qiáng)化的陶瓷材料的斷裂韌度是常規(guī)氧化鋁的5倍，其導(dǎo)電性比純氧化鋁高10萬億倍，具有比鋼還要強(qiáng)100倍的材料強(qiáng)度，同時(shí)還是目前世界上最好的導(dǎo)熱材料。納米碳管依靠超聲波傳遞熱能，其傳遞速度可達(dá)到10000m/s，而且只朝一個(gè)方向即納米管的排列方向?qū)?，而在和納米管成適當(dāng)角度時(shí)能反射熱，

10、從而使它成為制造隔熱保護(hù)膜的優(yōu)質(zhì)材料。 同時(shí)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(jī)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(jī),基于規(guī)則的氧化鋅納米線的納米發(fā)電機(jī),“量子幻景”是基于電子波動性的效應(yīng)。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(dǎo)線，就可以利用這種效應(yīng)來代替導(dǎo)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。通過移動銅表面的數(shù)十個(gè)鈷原子并將它們排列成橢圓形的環(huán)，科學(xué)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(xué)所預(yù)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(dǎo)器械,美國Nantero公司利用納米工藝制成的計(jì)算機(jī)存儲器NRAM。 NRAM存儲器的關(guān)鍵元件是直徑比人頭發(fā)細(xì)10萬倍的碳納米管，管壁厚度僅為一個(gè)原子。,納米馬達(dá)與納米風(fēng)車,其驅(qū)動力是電子“風(fēng)”，即電子穿過納米碳管時(shí)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(xué)教授伊丹健一郎率領(lǐng)的研究小組在15日的自然化學(xué)雜志網(wǎng)絡(luò)版上報(bào)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(lǐng)域得到應(yīng)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(jī)溶劑中，很容易應(yīng)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(lǐng)域。,導(dǎo)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(fù)合而成的新型散熱材料。該復(fù)合材料在熱傳導(dǎo)率達(dá)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(xué)材料科學(xué)和工程學(xué)助理教授吉格卡斯切勒拉通過電化學(xué)沉積過程制造出了這種銅石墨烯復(fù)合材料，其導(dǎo)熱率比純銅快25，且復(fù)合材料的成本很低且很容易制造。,超導(dǎo)材料,我國在超導(dǎo)材料制備及應(yīng)用方面取得了100多項(xiàng)專利， 在某些方面處于國際領(lǐng)先地位。目前研究的重點(diǎn)在高 溫超導(dǎo)材

13、料的研制及應(yīng)用技術(shù)。2010年 超導(dǎo)材料市場需 求為150200億美元，2020年將達(dá)到15002000億美 元。因此，美國能源部認(rèn)為，超導(dǎo)電力技術(shù)是21世紀(jì) 電力工業(yè)惟一的高技術(shù)儲備。,超導(dǎo)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(fù)合材料、合成纖維、無機(jī)化工材料、有機(jī)硅材料、有機(jī)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(fù)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(dá)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(jì)超過了1000萬噸，未來5年復(fù)合年均增長率為4.4%，預(yù)計(jì)2018年需求量將增加至1270萬噸。2012年全球工程塑料市值估計(jì)為430億美元，預(yù)計(jì)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(lǐng)先地位。,新型復(fù)合材料,進(jìn)入21世紀(jì)以來，全球復(fù)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(jì)，2008年我國復(fù)合材料制造業(yè)累計(jì)實(shí)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(shí)在出口方面，比2007年增長9.9%。 2012年全球復(fù)合材料市場將達(dá)626億美元。,A380機(jī)身大量應(yīng)用Glare 層板,共用27塊達(dá)470m2 之多,約占結(jié)構(gòu)總重的3 4 %,與相應(yīng)的鋁合金板比實(shí)現(xiàn)減重25%30 % ,疲勞壽命提高1015 倍,長達(dá)14m 的垂尾前緣也擬采用此層板。Glare 是玻纖增強(qiáng)鋁合金層板

16、,中國稱作超混雜復(fù)合材料。,B787 共用復(fù)合材料50%左右,其密度僅為116g/cm3, 全機(jī)主要結(jié)構(gòu)均將采用復(fù)合材料制成, 除機(jī)翼、尾翼前緣(防鳥撞) ,發(fā)動機(jī)掛架(防高溫) 外幾乎看不到金屬。其他如機(jī)翼、機(jī)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(jī)機(jī)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(bào)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(shí)該材料甚至可以“騙過”紅外線和熱成像技術(shù)。,

17、新材料產(chǎn)業(yè)分布,世界新材料產(chǎn)業(yè)的主導(dǎo)是美國、日本、歐盟等發(fā)達(dá)國家，相應(yīng)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(dǎo)體材料中應(yīng)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(xué)科狀況,1. 師資隊(duì)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(xué)位16名，碩士學(xué)位4名，在讀博士2名。,2. 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)： 現(xiàn)有木材科學(xué)、高分子材料合成、材料力學(xué)、材料性能測試四個(gè)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，正在建設(shè)材料性能評價(jià)實(shí)驗(yàn)室。同時(shí)有實(shí)訓(xùn)基地1個(gè)，自治區(qū)工程中心1個(gè)，中央和地方共建實(shí)驗(yàn)室1個(gè)，自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1個(gè)。,3. 專業(yè)設(shè)置：材料科

18、學(xué)與工程專業(yè)2004年獲得批準(zhǔn)，2005年招生。 4. 學(xué)科建設(shè)：2003年設(shè)材料加工工程碩士點(diǎn)；2004年，在農(nóng)業(yè)工程一級學(xué)科博士點(diǎn)下設(shè)農(nóng)業(yè)剩余物材料科學(xué)與技術(shù)博士點(diǎn)。,三、專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo),培養(yǎng)具備高分子材料、無機(jī)非金屬材料和復(fù)合材料科學(xué)與工程方面的基礎(chǔ)理論、基本技術(shù)和技能；掌握新材料設(shè)計(jì)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(lǐng)域從事科學(xué)研究與教學(xué)、技術(shù)開發(fā)、工藝和設(shè)備設(shè)計(jì)、技術(shù)改造及經(jīng)營管理等方面工作，適應(yīng)社會主義市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展的高層次、高素質(zhì)全面發(fā)展的科學(xué)研究與工程技術(shù)人才。,四、課程設(shè)置,專業(yè)基礎(chǔ)課： 理論力學(xué)、材料力學(xué)、材料物理、材料化學(xué)、材料科學(xué)基礎(chǔ)、電工電子基礎(chǔ)等。,專業(yè)課： 材料成形、材料機(jī)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(shù)、復(fù)合材料等。,五、學(xué)制、學(xué)位、畢業(yè)去向,學(xué)制：四年,學(xué)位：工學(xué)學(xué)士學(xué)位,畢業(yè)去向：畢業(yè)后可在化學(xué)纖維、塑料、橡膠、涂料、復(fù)合材料等材料制備、加工成型、材