材料科學與工程方法論中南大學王德志

材料科學與工程的整體觀

材料結構、性能與表征的因果關系

材料設計與制備的統一性四

方法論概述一三五提綱六

環境、能源、信息、軍工、鐵道材料的發展觀

材料科學與工程研究的客觀規律性二六、環境、能源、信息、軍工、鐵道材料的發展觀

環境材料的基本概念

社會經濟發展面臨的三大問題：

人口膨脹、資源短缺和環境惡化。定義：

是指對資源和能源消耗最少，生態環境影響最小，再生循環利用率最高或可分解使用性能優異的新型材料。

特點：(1)先進性

(2)環境協調性

(3)舒適性1.環境材料目的：

不但追求優異的使用性，而且在材料的制造、使用、廢棄直到再生的整個過程，必須具有與生態環境的協調共存性和材料的舒適性，在整個使用周期中，對環境帶來負荷小、枯竭性資源再生循環利用率高、易拆卸或易分解的產品。

作用：

能凈化環境、防止污染、減少廢物、資源可再生、可分解、可再生循環、可節省能源和資源。

研究思路：

從環境協調的觀點出發進而研制出具有環境意識或與環境協調的新材料產品。

1.環境材料

環境材料的幾個基本關系

環境材料與其它材料的關系：

環境材料不全是高新技術材料，有許多傳統材料本身就是環境材料或可以發展成環境材料。因此應當正確處理傳統材料與新材料，量大面廣材料和特定領域用材料，現存材料與未來材料的關系。

1.環境材料

環境協調材料與環境協調產品的關系：

共性：(1)都有明顯的保護環境意識，均注重強調降低人類活動對環境的損傷；(2)材料是產品的物質表現形式，大力研究和開發環境材料必然有助于推進環境協調產品的開發和推廣。區別：(1)環境協調材料注重從環境協調性研究材料的環境負荷特性，力求最低的環境負荷；(2)環境協調產品注重設計要素為凈化環境、防止污染、

有毒物的替代、可再生利用、廢物減量化、再資源化、耐久性、產品易拆卸、省能、省資源。1.環境材料

環境材料與材料的壽命周期評價(LCA)：能否將環境意識真正成功地引入材料科學與工程，其關鍵在于環境負荷的具體化、指標化、定量化。(1)壽命周期評價(LifeCycleAssessment)：是基于材料在壽命周期中的各階段的環境污指標、能耗，資源消耗而進行分類統計分析的一種方法。(2)評估對象：可以是一個產品、處理過程或活動，并且范圍覆蓋了評估對象的整個壽命周期，包括原材料的提取與加工、制造、運輸和分發、使用、再使用、維持、循環回收，直到最終的廢棄。

(3)LCA方法的思路與步驟：

思路：通過收集與產品相關的環境編目數據，應用LCA定義的一套計算方法，從資源消耗、人體健康和生態環境影響等方面對產品的環境影響做出定性和定量的評估，并進一步分析和尋找改善產品環境表現的時機與途徑。步驟：a.目標和范圍定義；b.編目分析；c.環境影響評估；d.解釋。1.環境材料(4)實施LCA的主要目的：a.幫助提供產品系統與環境之間相互作用的盡可能完整的概貌；b.促進全面和正確地理解產品系統造成的環境的影響；c.為關注產品或受產品影響的相關方之間進行交流和對話奠定基礎；d.向決策者提供關于環境的有益的決策信息，包括估計可能造成的環境影響、

尋找改善環境表現的時機與途徑、為產品和技術選擇提供判劇等。(5)LCA的特點：a.LCA方法不是要求企業被動地接受檢查和監督，而是鼓勵企業發揮主動性，

將環境因素結合到企業的決策過程中；b.LCA評估建立在LifeCycle概念和環境編目數據的基礎上，從而可以系統地、

充分地闡述與產品系統相關的環境影響，進而才可能尋找和辨別環境改善

的時機和途徑。(6)LCA的技術框架：a.收集數據；b.分析損害；c.改進措施。1.環境材料

環境材料的研究包括生態建材、固沙植被材料、生物醫藥材料、環境協調性工藝等。開發環境相容性的新材料及其制品，并對現有材料進行環境協調性改進，是環境材料研究的主要內容。

環境材料的研究進展1.環境材料天然材材料開開發從生態態觀點點看，，天然然材料料加工工的能能耗低低，可可再生生循環環利用用，易易于處處理，，對天天然材材料進進行高高附加加值開開發，，所得得材料料具有有先進進的環環境協協調性性能并并具有有優良良的使使用性性能。。可回收收的材材料設設計和和開發發可回收收的金金屬材材料，，如碳碳鋼防防腐涂涂層材材料在在回收收時不不須考考慮涂涂層的的分離離，使使鋼鐵鐵回收收合金金環境境負擔擔性更更小。。可回回收塑塑料的的開發發，如如在聚聚丙烯烯薄膜膜或泡泡沫中中分散散一定定量為為BaO，，可以以使其其在623-673K加加熱，，即可可解聚聚為丙丙烯，，具有有優良良的回回收性性能。。超高性性能材材料開開發超高性性能，，超長長壽命命材料料的研研制，，可以以有效效降低低了材材料的的負荷荷/壽壽命比比，，從總總體來來看也也是降降低材材料環環境負負擔性性的一一個有有效途途徑。。環境工工程材材料的的發展展廢棄塑塑料的的回收收利用用農產品品廢物物的高高附加加值利利用固體廢廢棄物物的回回收利利用1.環境材材料根據環環境材材料的的綜合合要求求：節節約、、節能能、污污染小小、利利用再再和高高性能能等，，對各各種傳傳統材材料提提出了了新的的設計計思想想。金屬材材料：：(1)回回歸自自然(2)開開發再再循環環性材材料(3)時時刻考考慮環環境負負擔環境材材料的的設計計思想想1.環境材材料陶瓷材材料：：陶瓷材材料具具有耐耐高溫溫、耐耐腐蝕蝕、耐耐磨損損等性性能，，且資資源豐豐富，，但存存在脆脆性大大、難難加工工等缺缺點，，應從從環境境材料料設計計思想想出發發考慮慮以下下問題題。(1)通通過控控制界界面結結合力力，控控制顯顯微結結構，，達到到強韌韌化(2)利利用無無機固固體廢廢料制制造新新型建建筑材材料(3)模模擬生生物磷磷灰石石的合合成過過程高分子子材料料：高分子子材料料易造造成白白色污污染，，應考考慮以以下問問題。。(1)生生物分分解性性降解解高分分子材材料，，其中中包括括微生物分分解性性高分分子材材料，，利用用植物物制成成生物物分解解性材材料，，利用用生物物分解解性、、化學學合成成高分分子材材料；；(2)開開展高高分子子材料料的廢廢棄后后再利利用和和循環環利用用的研研究；；(3)充充分利利用天天然高高分子子材料料如木木材、、竹材材等。。適用環環境的的汽車車用有有色金金屬材材料在降低低汽車車對地地球環環境污污染的的努力力中，，最實實際而而有效效的途途徑是是通過過輕質質化來來降低低汽車車燃料料消耗耗。(1)鋁鋁合金金在汽車車上采采用形形變鋁鋁合金金，是是以賽賽車和和高級級車為為對象象的部部分模模鍛件件開始始的。。(2)鋁鋁基復復合材材料鋁基復復合材材料的的強度度、彈彈性模模量、、耐磨磨性與與耐熱熱性均均優于于鋁合合金材材料，，可以以用于于汽車車發動動機和和驅動動部件件的連連桿、、活塞塞、凸凸輪軸軸、搖搖臂與與汽缸缸套等等零件件。(3)鈦鈦合金金鈦合金金是一一種輕輕質合合金材材料，，具有有密度度小強強度高高的特特點，，在發發動機機和驅驅動系系統零零件中中應用用效果果很好好。有色金金屬類類生態態環境境材料料1.環境材材料航天-航空空用有有色金金屬材材料航天材材料主主要用用于運運輸系系統(火箭箭、宇宇宙飛飛船)、衛衛星系系統、、太空空基地地，課課題是是如何何利用用金屬屬系高高比強強結構構材料料、大大型一一體化化復合合材料料、超超耐熱熱結構構材料料、超超低溫溫結構構材料料、輕輕質耐耐久性性好的的防熱熱材料料。(1)鋁鋁合金金在固體體火箭箭中使使用高高強鋁鋁合金金不多多，而而液體體火箭箭的推推進劑劑罐則則使用用了超超低溫溫、高高韌性性和可可焊性性好的的鋁合合金，，今后后還可可在此此環境境條件件下積積極開開發Al-Li等等高比比強、、可焊焊性好好的鋁鋁合金金材料料。(2)鈦鈦合金金已經在在強烈烈要求求輕質質化、、良好好高溫溫強度度的火火箭上上段、、固體體火箭箭的電電動機機殼體體和衛衛星的的高壓壓儲氣氣器殼殼體等等部位位大量量使用用鈦合合金，，主要要有αα型型，αα+ββ型和和ββ型3種種。(3)金金屬系系復合合材料料C/Al，，SiC/Al，SiC/Ti等等的金金屬系系復合合材料料同鋁鋁合金金、鈦鈦合金金相比比，比比強度度和比比剛性性高，，高溫溫特性性和耐耐環境境性也也很優優良，，有希希望成成為新新一代代超音音速飛飛機和和帶翼翼航天天器的的機體體材料料。1.環境材材料深海開開發和和超高高層大大廈用用有色色金屬屬材料料海洋環環境和和深海海中使使用的的材料料必須須有良良好耐耐蝕性性、水水密性性、輕輕質性性和防防止生生物附附著性性，這這些都都為新新金屬屬材料料的應應用提提供了了可能能。在在超高高層大大廈的的建設設中，，人們們要求求建筑筑結構構材料料的基基本條條件最最好是是成型型性、、接合合性優優良，，并附附加有有高比比強度度、高高比剛剛性的的材料料，當當然其其基本本結構構材料料仍然然是鋼鋼鐵和和混凝凝土，，鋁合合金和和鈦合合金處處于輔輔助性性位置置，主主要達達到輕輕質化化和不不需維維護。。總之，，有色色金屬屬要成成為生生態環環境材材料，，就必必須特特別開開發其其輕質質/高高剛性性的特特點，，以此此來降降低地地球環環境負負擔。1.環境材材料目前，，環境境材料料領域域的研研究工工作主主要集集中在在下列列五個個方面面：(1)環環境材材料學學及其其相關關理論論；(2)環環境材材料及及其制制備加加工技技術；；(3)材材料對對環境的的影響及及其LCA；(4)環環境凈凈化、治治理、修修復等環環境功能能材料；；(5)循循環再再生利用用設計與與技術。。環境材料料的研究究對象1.環境材料料新能源和和再生清清潔能源源技術是是21世世紀世界界經濟發發展中最最具有決決定性影影響的五五個技術術領域之之一，新新能源包包括太陽陽能、生生物質能能、核能能、風能能、地熱熱、海洋洋能等一一次能源源以及二二次電源源中的氫氫能等。。2.新能源與與新能源源材料材料的作作用：(1)新新材料料將原來來習用已已久的能能源變成成新能源源。(2)一一些新新材料可可提高儲儲能和能能量轉化化效果。。(3)新新材料料決定著著核反應應堆的性性能與安安全性。。(4)材材料的的組成、、結構、、制作與與加工工工藝決定定著新能能源的投資與與運行成成本。新能源材材料的任任務及面面臨的課課題：研究內容容：材料料的組成成與結構構、制備備與加工工工藝、、材料的性性質、材材料的使使用效能能以及它它們四者間的的關系。。(2)研研究重重點：a.研研究新材材料、新新結構、、新效應應以及提提高能量量的利用用效率與與轉換效效率；b.資資源的合合理利用用；c.安安全與環環境保護護；d.材材料規模模生產的的制作與與加工工工藝；e.延延長材料料的使用用壽命。。2.新能源與與新能源源材料定義：新能源材材料是指指實現新新能源的的轉化和和利用以以及發展展新能源源技術中中所要用用到的關關鍵材料料。種類：儲氫電極極合金材材料為代代表的鎳鎳氫電池池材料、、嵌鋰碳碳負極和和LiCoO2正極為代代表的鋰鋰離子電電池材料料、燃料料電池材材料、Si半導導體材料料為代表表的太陽陽能電池池材料以以及鈾、、氘、氚氚為代表表的反應應堆核能能材料等等。研究究熱熱點點和和技技術術前前沿沿：：包括括高高能能儲儲氫氫材材料料、、聚聚合合物物電電池池材材料料、、中中溫溫固固體體氧氧化化物物燃燃料料電電池池電電解解質質材材料料、、多多晶晶薄薄膜膜太太陽陽能能電電池池材材料料等等。。新能能源源材材料料的的定定義義2.新能能源源與與新新能能源源材材料料新能能源源材材料料(1)快快中中子子增增殖殖和和受受控控熱熱核核聚聚變變材材料料(2)燃燃煤煤磁磁流流體體發發電電(3)太太陽陽能能的的利利用用(4)氫氫能能源源儲氫氫材材料料是是材材料料科科學學的的一一個個重重要要課課題題。。利利用用氫氫與與金金屬屬的的交交互互作作形形成成氫氫化化物物，，儲儲氫氫量量比比同同體體積積的的液液態態氫氫還還大大。。能源源材材料料的的主主要要進進展展2.新能能源源與與新新能能源源材材料料節能能材材料料：：(1)超超導導材材料料目前前要要解解決決的的關關鍵鍵問問題題有有：：a.提提高高工工作作溫溫度度；；b.解解決決材材料料的的脆脆性性問問題題；；c.提提高高塊塊、、線線材材的的電電流流密密度度；；d.解解決決陶陶瓷瓷的的超超導導理理論論。。(2)提提高高熱熱效效率率材材料料a.高高效效材材料料與與技技術術；b.儲儲能能材材料料；c.燃燃料料電電池池：：通通過過電電化化學學裝裝置置對對燃燃料料氧氧化化而而產產生生電電池池的的裝裝置置稱稱為為燃燃料料電電池池。。燃燃料料電電池池污污染染小小、、效效率率高高，，有有可可能能成成為為未未來來的的汽汽車車能能源源。。(3)提提高高反反應應效效率率材材料料(4)輕輕量量化化材材料料發展展高高強強比比、、高高剛剛比比并并具具有有良良好好綜綜合合性性能能的的材材料料是是實實現現運運動動機機械械輕輕量量化化的的基基礎礎，，具具有有良良好好的的節節能能前前景景。。2.新能能源源與與新新能能源源材材料料按現現在在的的能能源源消消耗耗，，世世界界上上的的石石油油、、天天然然氣氣和和煤煤等等生生物物化化石石能能源源將將在在幾幾十十年年至至200年內內逐逐漸漸耗耗盡盡。。核能能與與材材料料2.新能能源源與與新新能能源源材材料料核能能是是經經濟濟的的能能源源2.新能能源源與與新新能能源源材材料料核電電廠廠在在環環境境上上優優于于火火電電廠廠，，不不會會放放出出二二氧氧化化碳碳、、二二氧氧化化硫硫等等，，不不會會造造成成溫溫室室效效應應和和酸酸雨雨，，從從而而保保護護了了環環境境。。核能能是是清清潔潔的的能能源源法國國1980年到1986年間核核電占占總發發電量量的比比例由由24％提高高到70％，在在此期期間法法國總總發電電量增增加40％，而而排放放的硫硫氧化化物卻卻減減少了了9％，塵塵埃減減少了了36％，大大氣質質量有有明顯顯改善善。核能是是安全全的能能源安全設設計原原則：：縱深防防御、、多重重保護護、多多樣性性的設設計原原則；；核電電站運運行期期間不不受發發電量量、經經濟效效益和和其他他因素素的約約束。。三道屏屏障用用于防防止放放射性性物質質的外外瀉(以秦山山核電電站為為例)：第一道道：鋯-4合金燃燃料包包殼，，把核核燃料料及裂裂變產產物封封閉起起來。。第二道道：壁厚175毫米鋼鋼板制制成的的反應應堆壓壓力容容器及及管道道，把把反應應堆冷冷卻劑劑包容容在里里面，，防止止有放放射性性的反反應堆堆冷卻卻劑外外泄。。第三道道：反應堆堆安全全殼，，是高高72.5米、外外徑38米、厚厚1米的鋼鋼筋混混凝土土制成成的圓圓柱形形建筑筑，內內襯6毫米的的鋼板板。安安全殼殼既能能抵御御外部部破壞壞，例例如龍龍卷風風、地地震、、噴氣氣式飛飛機的的撞擊擊，還還能抵抵御嚴嚴重事事故情情況下下內部部的高高溫和和高壓壓，防防止放放射性性物質質的外外泄。。2.新能源源與新新能源源材料料核材料料是核核能建建設的的物質質基礎礎●任何一一個核核能裝裝置都都由許許多核核結構構部件件組裝裝而成成，而而這些些部件件正是是由各各種各各樣的的核材材料制制成。。——曼哈頓頓計劃劃，發發展核核武器器，成成立了了專門門的材材料研研究機機構●核能開開發階階段，，核材材料是是發展展核能能的物物質基基礎。。——20世紀50年代中中期美美國研研發的的板狀狀彌散散型燃燃料元元件由由于有有較大表表面積積、熱熱流密密度很很大、、燃料料輻照照損傷傷小，，其研研發成成功為60年代建建成的的高通通量材材料試試驗堆堆和同同位素素生產產堆提提供了堅實實的基基礎。。核材料料在核核能中中的作作用2.新能源源與新新能源源材料料核材料料是核核能發發展的的先導導●核材料料新概概念、、新技技術和和新材材料領領先核核能工工作，，其應用用可提提高核核能裝裝置使使用性性能，，大幅幅度或或大面面積推動動核能能發展展——溶膠-凝膠法法制備備的燃燃料顆顆粒，，均勻勻分散散在石石墨粉粉中，，壓制制成燃燃料球球后，，成功功應用用于高高溫氣氣冷堆堆中●核材料料的研研發工工作具具有一一定的的前瞻瞻性——核聚變變堆第第一壁壁材料料受強強中子子輻照照、高高熱通通量、、機械械與熱熱應力力和腐腐蝕作作用，，應具具有良良好的的性能能和高高度的的可靠靠性，，專門門對奧奧氏體體不銹銹鋼、、釩合合金及及SiC/SiC復合材材料開開展前前瞻工工作，，取得得良好好結果果。核材料料要面面向核核能，，服務務于核核能核能要要依靠靠核材材料，，結合合核材材料2.新能源源與新新能源源材料料核電站站原理理圖2.新能源源與新新能源源材料料能量的的轉化化:核能—內能—機械能能—電能壓水堆堆核電電站示示意圖圖2.新能源源與新新能源源材料料核電站站內部部結構構2.新能源源與新新能源源材料料反應堆堆水管鈾棒鎘棒石墨水泥防防護層層減速劑劑核原料料冷卻劑劑熱交換換控制反反應速速度防輻射快中子子→慢中子子吸收慢慢中子子核反應堆2.新能源源與新新能源源材料料核能電廠與與火力電廠的的異同水蒸汽出蒸汽與發電機散熱冷卻冷凝器冷水進鍋爐核反應器核反應器壓水式核核能電廠屏蔽系系統（（安全全殼））水蒸汽汽出冷水進壓力槽調壓槽汽機發電機機冷凝器器海水冷冷卻蒸汽產生器2.新能源與新新能源材料料2.新能源與新新能源材料料2.新能源與新新能源材料料秦山核電站站大亞灣核電電站田灣核電站站布比利斯核核電站2.新能源與新新能源材料料是核反應堆堆內以燃料料為主要組組成的結構構最小的的獨立部件件，組成單單元為上、下管座座，壓緊彈彈簧，燃燃料棒束，，定位格架架，

控制制棒導向管管，控制棒棒束。核反應堆部部件功能◆核燃料元件件功能：產生裂變能能和中子，，導出熱量量，防止裂裂變產物外外逸和避免免核燃料受受冷卻劑腐腐蝕。2.新能源與新新能源材料料是熱中子反反應堆的一一種重要組組成，是借借助于中子子與其他輕輕原子的彈彈性碰撞而而降低中子子能量(或或)速度的的工作介質質，它必須須是固態或或液態物質質。◆慢化劑◆冷卻劑是用來冷卻卻核反應堆堆堆芯，并并將堆芯所所釋放的熱熱量載帶出出核反應堆堆的工作介介質，也稱稱載熱劑。。◆堆內構件在反應堆內內，支撐和和固定堆內內組件和測測量裝置及及其機構用用的所有結結構件。2.新能源與新新能源材料料◆控制棒組件件用于調節和和控制反應應堆反應性性變化，以以實施正常常運行工況況下的啟堆堆、停堆及及調整反應應堆功率和和事故工況況下的緊急急停堆的部部件。◆反射層在核反應堆堆堆芯周圍圍設置的，，用于散射射從堆芯泄泄漏出來的的中子，使使其改變方方向重返堆堆芯的物質質層。◆反應堆容器器用來裝載支支撐堆芯和和堆內構件件，或裝設設控制棒驅驅動機構的的部件。◆安全殼為防止在核核反應失水水事故和嚴嚴重事故下下放射性物物質向環境境的釋放，，保護冷卻卻劑壓力邊邊界和安全全系統抗御御外部事件件而設置的的構筑物。。(有單層和和雙層兩種種，單層為為鋼制結構構，雙層由由密封的鋼鋼制襯里與與外層的預預應力混凝凝土構成)◆屏蔽層設置在核反反應堆周圍圍用于阻擋擋來自堆芯芯的各種核核輻射的介介質層。(中子輻射和和α、β、γ射線)指壓水堆核核電廠內連連接反應堆堆容器、蒸蒸汽發生器器、冷卻泵泵和穩壓器器的一回路路冷卻水管管道；或沸沸水堆核電電廠中連接接反應堆容容器、汽輪輪發電機和和凝汽器的的再循環系系統的管道道；回路式式快中子反反應堆核電電廠則為連連接反應堆堆容器與中中間熱交換換器的一回回路冷卻劑劑鈉的管道道，還有連連接中間熱熱交換器與與蒸汽發生生器的二回回路冷卻劑劑鈉的管道道。◆回路管道◆蒸汽發生器器是采用間接接循環的核核電廠把反反應堆冷卻卻劑從堆芯芯載出的熱熱能付給二二回路，使使其變為蒸蒸汽的熱交交換設備。。2.新能源與新新能源材料料對核反應堆堆材料的要要求◆低中子俘獲獲截面◆輻照穩定性性◆腐蝕性◆相容性核反應堆材材料2.新能源與新新能源材料料核反應堆材材料簡介◆核燃料核燃料：裂變燃料：：鈾－235(自然界存在在的唯一一一種核燃料料)鈾－233钚－239轉換燃料：：釷－232鈾－238核燃料的形形態：固態：實際際應用的核核燃料液態：未達達到工業應應用的程度度2.新能源與新新能源材料料對固體核燃燃料的要求求：★具有良好的的輻照穩定定性，保證證燃料元件件在經受深深度燃耗后后，尺寸和和形狀的變變化能保持持在允許的的范圍之內內★具有良好的的熱物性（（熔點高，，熱導率大大，熱膨脹脹系數小）），使反應應堆能達到到高的功率率密度★在高溫下與與包殼材料料的相容性性好★與冷卻劑接接觸不產生生強烈的化化學腐蝕★工藝性能好好，制造成成本低，便便于后處理理固體核燃料料：★金屬鈾鈾與鈾合金金特點：密度度高、熱導導率大、工工藝性能好好；輻照穩穩定性差，，有“腫脹脹”現象；；不能在現現在動力堆堆中使用。。★陶瓷瓷燃料：氧氧化物、碳碳化物、氮氮化物氧化物的使使用研究最最多，輕水水、重水、、改進型氣氣冷、快堆堆等均使用用燒結的氧氧化物圓柱柱小塊。高高溫氣冷堆堆使用氧化化物或碳化化物作成的的包覆顆粒粒在石墨基基體中的彌彌散體。2.新能源與新新能源材料料對冷卻劑的的要求：★中子吸吸收截面小小，感生放放射性弱；；★良好的的熱物性(比熱大、、熱導率大大、熔點低低、沸點高高，飽和蒸蒸汽壓低)，以便從從較小的傳傳熱面積帶帶走較多的的熱量；★粘度低低，密度高高，使循環環泵消耗的的功率小；；★與燃料料和結構材材料相容性性好；★良好的的輻照穩定定性和熱穩穩定性；★慢化能能力與反應應堆類型相相匹配；★成本低低，使用方方便，盡可可能避免使使用價格昂昂貴的材料料。其作用是將將反應堆內內因核裂變變產生的熱熱量導出堆堆外，在均均勻堆中還還兼作流體體燃料的載載體。◆冷卻劑(載熱劑)2.新能源與新新能源材料料常用冷卻劑劑：★水和重重水：主要要應用于輕輕水堆。缺點：沸點點低、存在在沸騰臨界界、在高溫溫下有腐蝕蝕作用。重水慢化堆堆采用重水水作冷卻劑劑可以減少少核燃料的的裝載量或或降低核燃燃料的濃縮縮度，但價價格昂貴。。★鈉：：主要應用用于快中子子堆。缺點：鈉水水劇烈反應應、溫度梯梯度質量遷遷移、金屬屬的擴散結結合、存在在由反應性性正空泡效效應引起的的控制和安安全問題。。★氦氣氣：主要應應用于氣冷冷堆。缺點：因運運行壓力和和流量大而而消耗功率率大、價格格昂貴、泄泄漏問題。。對固體慢化化劑的要求求：★具有一定的的結構強度度★良好的的導熱性能能★良好的的熱穩定性性和輻照穩穩定性★與冷卻卻劑相容★原子密密度高★便于加加工，成本本低廉可用的固體體慢化劑：：可用的固體體慢化劑有有石墨、鈹鈹、氧化鈹鈹和氧化鋯鋯用于熱中子子反應堆內內，使裂變變產生的快快中子減速速為熱中子子，從而提提高裂變反反應的幾率率。◆慢化劑2.新能源與新新能源材料料對液體慢化化劑的要求求：★熔點在在室溫以下下，高溫下下蒸汽壓要要低★良好好的傳熱性性能★良好好的熱穩定定性和輻照照穩定性★原子子密度高★不腐蝕蝕結構材料料常用液體慢慢化劑：常用的液體體慢化劑有有水和重水水對反射層材材料的要求求：★散射截面大大★吸收截面小小★良好的熱穩穩定性和輻輻照穩定性性★與冷卻劑相相容★原子密度高高★便于加工，，成本低廉廉常用的反射射層材料：：輕水、重水水、石墨、、鈹、氧化化鈹和氧化化鋯在反應堆活活性區周圍圍用來散射射從活性區區泄漏出的的中子，使使其改變方方向重新回回到活性區區。◆反射層材料料2.新能源與新新能源材料料包括燃料包包殼、堆芯芯構件、反反應堆容器器、熱交換換器和主回回路管道等等所用的材材料。◆結構材料2.新能源與新新能源材料料●壓力容器★核壓力力容器是壓壓水反應堆堆的第二道道安全屏障障，其作用用是容納冷冷卻劑、支支撐堆芯、、密封放射射性和維持持堆內運行行壓力。是是一個龐大大的不可更更換的密封封殼體，是是關系到反反應堆安全全和壽命的的重要部件件。★壓水堆堆壓力容器器的工作在在15.5MPa壓壓力下、300℃左左右，并受受到中子輻輻照；★是一一個厚大部部件（直徑徑約3-4米，高約約10-12米，壁壁厚約200-300毫米米。2.新能源與新新能源材料料壓力容器鋼鋼的性能性能要求：：強度高、、抗高溫腐腐蝕性能好好、抗輻照照性能好、、能抵抗低低周疲勞、、有良好的加加工性能和和焊接性能能。（1）拉伸性能能要求（2）沖擊性能能要求a.基本要求：：參考零塑性性溫度應小小于等于－－12℃，上平臺能能量≥130J，壽期末的的參考零塑塑性溫度應應≤93℃。b.指定試驗溫溫度的韌性性要求2.新能源與新新能源材料料奧氏體不銹銹鋼（如300系列）是壓水堆堆堆芯容器、、熱屏、管管道、閥門門等的主要要選材。高高溫強度（（500℃℃以上）好好、韌性性好、焊接接性能好、、耐腐蝕，，對高溫水水等一般化化學介質表表現了出色色的抗腐蝕蝕性能。但但對應力腐腐蝕敏感，，尤其在含含氯離子和和氧離子的的環境中；；在快中子子輻照下會會因硬化、、腫脹、蠕蠕變而造成成性能下降降。為得到單相相奧氏體組組織，如只只用鎳，含含量需高達達27%，，但當鉻鎳鎳配合使用用時，在18%鉻的的鋼中加入入8%的鎳鎳就可以得得到單一奧奧氏體組織織，再添加加少量Mo、Cu、、Si等元元素提高耐耐蝕性。就就得到300系列不不銹鋼也稱稱為18-8不銹鋼鋼。2.新能源與新新能源材料料耐熱合金以含鎳或鐵鐵鎳為主的的耐熱合金金具有良好好的高溫抗抗腐蝕性能能，包括Inconel合金金（含15%Cr，，7%Fe及少量其其它元素））；Hastelloy合合金（含15-30%Mo,加上Cr,Fe等等）；Incoloy800合金（（含Ni32-35%，Cr20-23%,Fe39.5%）。Inconel合金金因不易發發生應力腐腐蝕，有時時用于堆內內代替不銹銹鋼，但由由于鎳中所所含雜質鈷鈷具有很大大的中子俘俘獲截面，，且會生成成長壽命同同位素鈷60，因此此鎳基合金金一般不用用于堆芯。。Nimonic鎳基基合金PE-16（（含36%Fe,17%Cr,3%Mo,1%Ti），其輻輻照腫脹比比不銹鋼低低得多，在在英國用于于快中子堆堆，作燃料料棒的包殼殼材料。2.新能源與新新能源材料料蒸汽發生器器材料發生生的問題2.新能源與新新能源材料料用于制作核核反應堆控控制棒的材材料。控制制棒在反應應堆中起補補償和調節節中子反應應性以及緊緊急停堆的的作用。對控制材料料的要求：：★散射截截面小★吸收截截面大常用的控制制材料：硼、鎘、鉿鉿和某些稀稀土元素及及其合金。。◆控制材料硼不僅中子子吸收截面面高，而且且吸收中子子的能量范范圍較寬，，一般以碳碳化硼或硼硼鋼作為控控制材料。。鎘的熱中子子吸收截面面比硼高，，但對超熱熱中子的吸吸收截面小小，一般制制成銀銦鎘鎘合金用于于水冷堆。。鉿不僅對熱熱中子和超超熱中子有有高的吸收收截面，且且是長壽命命的中子吸吸收體，特特別適用于于水冷堆。。但稀缺、、昂貴。2.新能源與新新能源材料料用于衰減反反應堆芯中中產生的各各種射線的的材料。反應堆產生生的輻射中中，危害最最大的是穿穿透力大的的中子和γ射線。對屏蔽材料料的要求：：★能夠衰衰減γ射線線★使快快中子減速速而被吸收收常用的屏蔽蔽材料：由含有重元元素（如鉛鉛）、輕元元素（如水水中的氫））以及中子子吸收劑（（如硼）的的材料組成成。加有重重晶石或鐵鐵礦石的混混凝土也是是常用的屏屏蔽材料。。◆屏蔽材料2.新能源與新新能源材料料對伴隨核反反應而輻射射出的粒子子進行測定定，以達到到對其進行行有效控制制的材料。。中子探測材材料α射線探測測材料β射線探測測材料γ射線探測材材料◆探測材料2.新能源與新新能源材料料核電設備材材料的國產產化現狀核電國產化化率，據媒媒體報道，，秦山I為55%；秦Ⅱ擴將達70%，嶺澳Ⅰ為30%，嶺澳Ⅱ的一號機組組力爭達50%，二號機組組將達70%。目前常規島島國產化程程度較高，，但核島內內設備和材材料國產化化程度較低低，核二級級、三級的的部件可國國產但核一一級的大型型部件多數數靠進口，，部分在攻攻關階段,例如反應堆堆壓力容器器(低合金鋼)一重、二重重在攻關核核電國產化化率已有了了很大的提提高，但是是關鍵設備備材料的國國產化還有有很長的路路要走。2.新能源源與新新能源源材料料定義：：是指在在微電電子、、光電電子技技術和和新型型元器器件基基礎產產品領領域中中所用用的材材料。。種類：：單晶硅硅為代代表的的半導導體微微電子子材料料；激光晶晶體為為代表表的光光電子子材料料；介質陶陶瓷和和熱敏敏陶瓷瓷為代代表的的電子子陶瓷瓷材料料；釹鐵硼硼(NdFeB)永永磁材材料為為代表表的磁磁性材材料；；光纖通通信材材料；；磁存儲儲和光光盤存存儲為為主的的數據據存儲儲材料料；壓電晶晶體與與薄膜膜材料料；貯氫材材料和和鋰離離子嵌嵌入材材料為為代表表的綠綠色電電池材材料。。3.信息材材料信息材材料的的定義義在信息息技術術領域域中，，材料料和元元器件件是很很難截截然分分開的的，信信息材材料是是信息息技術術發展展的基基礎和和先導導。信息處處理技技術和和材料料(1)以以CPU為為核心心的電電子計計算機機技術術仍是是信息息處理理的主主要技技術；；(2)以以硅材材料為為核心心的集集成電電路占占90%以以上；；(3)大大規模模硅集集成電電路以以CMOS為主主流技技術；；(4)絕絕緣層層上硅硅材料料(SOI)對對微電電子技技術是是一個個新的的推動動。信息技技術發發展的的幾個個主要要方面面及相相關材材料信息傳傳遞技技術和和材料料把光子子作為為信息息載體體，是是用光光纖通通信代代替電電纜和和微波波通信信，使使信息息的傳傳輸發發生了了本質質性變變革。。低損耗耗的熔熔石英英光纖纖和長長壽命命的半半導體體激光光器的的研制制成功功，使使光通通信成成為現現實的的可能能。3.信息材材料信息存存儲技技術和和材料料數字化化信息息存儲儲的要要求為為：高高存儲儲密度度、高高數據據傳輸輸率、、高存存儲壽壽命、、高的的擦寫寫次數數、低低價格格設備備投資資和低低價格格信息息位。。(1)固固體(閃)存儲儲器；；(2)數數字數數據外外磁存存儲技技術；；(3)光光存儲儲技術術；(4)數數字光光盤存存儲技技術；；(5)熱熱記錄錄方式式將向向光子子記錄錄方式式發展展。3.信息材材料信息顯顯示技技術和和材料料各種形形式的的信息息，如如文字字、數數據、、圖形形、圖圖象和和活動動圖象象作用用于人人和視視覺而而獲得得感知知的一一種手手段為為信息息顯示示技術術。(1)陰陰極射射管(CRT)是活活動圖圖象的的主要要顯示示手段段；(2)其其它顯顯示技技術在在未來來將起起主要要作用用。近20至30年年來，，平板板顯示示技術術如液液晶顯顯示技技術(LCD)、場場致放放射顯顯示技技術(FED)、等等離子子體顯顯示技技術(PDP)和發發光二二極管管顯示示技術術(LED)等等有較較快的的發展展。隨著高高清晰晰度電電視、、電視視電話話、計計算機機(臺臺式或或可移移動式式)顯顯示器器、汽汽車用用及個個人數數字化化終端端顯示示等應應用目目標的的推動動，顯顯示技技術正正向高高分辨辨率、、大顯顯示容容量、、平板板化、、大型型化方方向發發展。。信息獲獲取技技術和和材料料信息的的獲取取主要要用探探測器器和傳傳感器器兩種種方式式。(1)探探測器器材料料光電探探測器器按光光電轉轉換方方式可可分為為光電電導型型、光光生伏伏打型型(勢勢壘型型)和熱熱電偶偶型。。光電電轉換換中根根據探探測的的光子子波長長，分分為狹狹能隙隙半導導體材材料(紅外外)和和寬能能隙半半導體體材料料(可可見和和近紫紫外)。(2)傳傳感器器材料料a.半半導導體傳傳感器器材料料；b.光光纖纖傳感感器材材料。。3.信息材材料激光材材料和和光功功能材材料(1)激激光材材料激光的的誕生生使人人們有有了一一個高高亮度度的相相干光光源，，在信信息技技術的的幾個個重要要環節節中，，都離離不開開激光光器。。a.半半導體激激光器；；b.中中遠紅外外半導體體激光器器；c.高高功率半半導體激激光器；；d.可可調諧固固體激光光器；e.光光纖放大大器；f.光光纖激光光器。(2)光光功能能材料a.非非線性晶晶體；b.三三次非線線性光學學材料；；c.半半導體飽飽和吸收收阱(SESAM)。。信息技術術產品中中材料與與元器件件是很難難分的，，特別像像薄膜材材料，往往往是多多層膜結結構而組組成器件件。具有有規模生生產的信信息材料料和元件件產業大大致上可可分為以以集成電電路為基基礎的微微電子技技術產業業和以光光通信、、光存儲儲、光電電顯示為為基礎的的光電子子技術產產業。半半導體集集成電路路芯片是是微電子子技術的的主流產產品。用用銅代替替鋁作布布線和用用氮化物物代替二二氧化硅硅作絕緣緣層，可可能是今今后在IC生產工藝藝上的兩兩大革新新。電子信息息材料的的總體發發展趨勢勢是向著著大尺寸寸、高均均勻性、、高完整整性、以以及薄膜膜化、多多功能化化和集成成化方向向發展。。當前的的研究熱熱點和技技術前沿沿包括柔柔性晶體體管、光光子晶體體、SiC、GaN、、ZnSe等寬寬禁帶半半導體材材料為代代表的第第三代半半導體材材料、有有機顯示示材料以以及各種種納米電電子材料料等。信息材料料的產業業和展望望3.信息材料料軍工新材料是新一代代武器裝裝備的物物質基礎礎，也是是當今世世界軍事事領域的的關鍵技技術之一一。任何何一種新新的武器器系統或或裝備，，離開新新材料的的支撐將將無法存存在和發發展。正正是由于于軍工新新材料對對武器裝裝備和軍軍事威懾懾力量具具有如此此重要的的意義，，世界各各國均十十分重視視軍工新新材料的的研究、、開發和和應用。。軍工新材料技技術是武器裝裝備發展展的基礎礎技術、、先導技技術和關關鍵技術術，是軍軍事高技技術的重重要組成成部分。。軍工新材材料的戰戰略地位位4.軍工新材材料黨中央的的戰略部部署對當前形形勢的分分析新軍事變變革的指指導方針針新軍事變變革的核核心武器裝備備“轉交式”發展模式式我國軍事事新變革革的發展展態勢各級黨委委和政府府要充分分認識加加強國防防和軍隊隊現代化化建設的的重大意意義，把把關心支支持國防防和軍隊隊現代化化建設作作為義不不容辭的的職責。。要正確把把握和處處理國防防建設與與經濟建建設的關關系，充充分利用用國家教教育、科科技、人人才等資資源，積積極支持持國防和和軍隊現現代化建建設，形形成國防防建設和和經濟建建設相互互促進、、協調發發展的機機制。黨中央央的戰戰略部部署我國軍軍隊裝裝備機機械化化程度度不高高，某某些領領域甚甚至處處于半半機械械化狀狀態。。發達國國家軍軍隊目目前的的機械械化程程度已已接近近或超超過80%，有有些國國家如如美國國、俄俄羅斯斯等已已達到到100%。信息化化裝備備比例例在不不斷上上升，，有些些國家家軍隊隊的武武器裝裝備主主體已已基本本實現現了信信息化化。美國陸陸軍53%的裝裝備已已實現現信息息化，，海空空軍裝裝備的的信息息化程程度已已達到到70%以以上。。挑戰對當前前形式式的分分析可以大大有作作為的的重要要戰略略機遇遇期世界新新軍事事變革革趨勢勢中國軍軍隊目目前存存在的的主要要矛盾盾是現現代化化水水平與與現代代化戰戰爭要要求不不相適適應完成機機械化化和信信息化化建設設雙重重歷史史任務務機遇與與任務務滿足我我軍應應付未未來戰戰爭的的需要要遏制現現實威威脅的的需要要滿足兩兩個需需要新軍事事變革革的指指導方方針在信息息化的的引導導下實實現機機械化化以信息息化帶帶動機機械化化，以以機械械化促促進信信息化化實現機機械化化、信信息化化建設設的復復合式式發展展，最最終完完成機機械化化、信信息化化建設設的雙雙重任任務。。指導方方針世界軍軍事變變革通過信信息技技術的的改造造和廣廣泛運運用，，促使使機械械化軍軍隊質質變為為信息息化軍軍隊。。中國特特色軍軍事變變革既要完完成“智腦明明目”的信息息化建建設任任務，，也要要完成成“強肢健健體”的機械械化建建設任任務。。新軍事事變革革的核核心重點研研發新新一代代高性性能武武器裝裝備，，特別別是信信息化化裝備備對機械械化程程度較較高的的重點點部隊隊實施施信息息化改改造新型的的信息息化武武器裝裝備研研制成成功，，便適適度裝裝備于于重點點部隊隊重點部部隊的的原有有裝備備轉交交于一一般部部隊一般部部隊的的原有有裝備備再轉轉交民民兵、、預備備役部部隊形成良良性互互動，，整體體提升升的局局面武器裝裝備““轉交交式””發展展模式式航空材材料主要包包括飛飛機機機體結結構用用材料料、發發動機機用材材料和和機載載設備備用材材料。。(1)樹脂基基復合合材料料(2)鈦合金金(3)鋁合金金(4)超高強強度鋼鋼(5)發動機機單晶晶渦輪輪葉片片材料料(6)發動機機渦輪輪盤材材料(7)金屬基基復合合材料料(8)金屬間間化合合物(9)陶瓷及及陶瓷瓷基復復合材材料陶瓷材材料的的高溫溫性能能雖好好，但但脆性性大、、成本本昂貴貴且難難以加加工，，今后后的研研究重重點是是克服服脆性性、提提高可可靠性性及降降低成成本成成本、、高重重復性性的制制備技技術。。軍工新新材料料的應應用和和發展展航天材材料(1)戰戰略導導彈彈彈頭材材料(2)液液體導導彈、、運載載器推推進劑劑貯箱箱用結結構材材料(3)液液體火火箭發發動機機材料料(4)固固體火火箭發發動機機材料料(5)衛衛星整整流罩罩結構構材料料(6)戰戰術導導彈結結構材材料(7)航航天器器材料料航天器器發展展對材材料要要求的的重點點為：：超高高模碳碳纖維維復合合材料料、超超高模模高強強碳纖纖維復復合材材料、、金屬屬基復復合材材料、、鋁鋰鋰合金金、防防原子子氧的的保護護涂層層材料料、真真空失失重和和可凝凝揮發發分少少、具具有高高可靠靠性和和長壽壽命的的密封封材料料及膠膠粘劑劑材料料等。。兵器材材料兵器包包括輕輕武器器、火火炮、、火炸炸藥、、坦克克與裝裝甲車車輛、、反坦坦克武武器(新概概念兵兵器則則包括括以激激光武武器、、粒子子束武武器、、微波波武器器為代代表的的聚能能武器器以及及生化化武器器、電電磁炮炮等)。其其中主主戰坦坦克被被稱為為地面面戰場場上突突擊力力量的的核心心，反反坦克克武器器則是是地面面防御御戰中中的重重點。。未來戰戰爭要要求兵兵器裝裝備必必須具具有：：①更輕輕便機機動、、靈活活快速速反擊擊和全全天候候作戰戰能力力；②②更猛猛、更更遠、、更精精確的的殺傷傷打擊擊能力力；③更強強的全全方位位生存存防護護能力力；④更高高的信信息實實時化化和戰戰場數數字化化能力力。(1)坦坦克車車輛用用裝甲甲防護護材料料(2)戰戰斗部部殺傷傷材料料(3)其其它兵兵器材材料還有增增程精精確導導彈藥藥用結結構和和功能能材料料、電電磁屏屏蔽材材料、、透波波材料料、壓壓電/熱電電材料料、光光電子子材料料、結結構/燒蝕蝕材料料、高高效隔隔熱/反陽陽光輻輻射材材料、、阻尼尼減震震材料料、攻攻擊超超硬加加固工工事或或深度度地下下目標標的超超音速速穿甲甲彈用用材料料。艦船材材料軍用艦艦船主主要包包括水水面艦艦艇(航空空母艦艦、巡巡洋艦艦驅逐逐艦、、護衛衛艦、、導彈彈艇、、魚雷雷艇等等)、、潛艇艇(常常規潛潛艇、、核潛潛艇等等)、、軍輔輔船(補給給船、、偵察察船、、測量量船等等)。。工作作特點點是，，長期期持續續的動動載工工作條條件、、腐蝕蝕性的的海洋洋大氣氣和海海水介介質等等，為為適應應新的的需要要，世世界各各國都都努力力加強強海軍軍艦艇艇的隱隱蔽性性、突突防性性，為為此，，對材材料提提出了了較高高要求求。(1)艦艦船結結構鋼鋼材料料(2)艦艦船防防腐與與防污污材料料(3)艦艦船隱隱身及及減振振降噪噪材料料技術術功能材材料(1)電電子/信息息功能能材料料a.微微電子子器件件材料料b.光光電子子器件件材料料(紅紅外透透射材材料、、激光光材料料)c.信信息存存儲與與顯示示材料料(2)智智能材材料(3)耐耐高溫溫、多多功能能密封封材料料(4)隱隱身材材料(5)阻阻燃抑抑爆充充填材材料(1)武武器平平臺結結構材材料高強高韌耐耐高溫輕質質結構材料料結構功能一一體化材料料與智能材材料(2)信信息系統功功能材料電子材料光學材料國外軍用材材料的應用用與研究現現狀輕質結構材材料結構功能一一體化材料料武器平臺結結構材料鋁合金、鈦鈦合金金屬間化合合物碳/碳復合合材料輕質結構材材料Al-Li合金高強可焊、、高韌性板材的各向向異性，超超塑成型Al-Mg合金提高耐蝕性性（加釔)提高強度、、韌性和可可焊性(加鈧)鋁合金Al-Be合金65%Be,31%Al,4%合合金化元素素用于直升機機的次要構構件、衛星星天線、導彈導航系系統元件及及光學和電電子系統構構件（（精鑄）日本：用Fe代替Ti-6Al-4V中的V，，用氧和氮氮代替鋁，，成本降低低30%，，性能更好好的新型鈦鈦合金美國：TimetAl62S合金(Ti-6Al-1.7Fe-0.1Si)，成本降低低25%低成本鈦合合金TiAl金金屬間化合合物未來高性能能低成本飛飛行器的關關鍵材料渦輪發動機機熱端屏蔽蔽件（板材材）將用于X-33航天天飛機金屬間化合合物Ti3Al金屬間間化合物美國已批量量生產高壓渦輪支支承環加力燃燒室室部件高溫結構的的網狀碳泡泡沫材料（（成本為碳碳/碳復復合材料的的1/10）碳/碳復合合材料渦輪輪美國制備了了試驗渦輪輪，直徑381mm，36個個葉片，，僅重3.4kg,（比Ni基合金輕輕75%））碳基材料裝甲結構材材料隱身結構材材料阻尼結構材材料防熱結構材材料結構功能一一體化材料料制備技術：：微波燒結結、快速全全向壓實、、自蔓延延高溫合成成/快速加加壓（SHS/QP），降低低成本材料體系：：微/納米結構陶陶瓷（AlN,TiN,TiB2,SiC,B4C和陶瓷基復復合材料新型高性能能抗彈陶瓷瓷裝甲結構材材料制備技術：：快快速全全向壓實工工藝材料體系：：碳化硼顆粒粒增強鋁基基復合材料（美國DOW公司）高效抗沖擊擊復合材料料制備方法:薄膜層疊疊法，CVD,物理理蒸鍍法,等離子噴噴鍍法，SHS，顆顆粒梯度排排列法梯度抗彈材材料材料體系碳化硅/鋁鋁硼化鈦/鈦鈦硼化鈹/鈹鈹雷達吸波層層板結構:美國先進戰戰術戰斗機機結構的50%將采采用這類吸吸波材料吸波夾層結結構隱身結構材材料碳化硅纖維維吸波材料料C/C復合合材料高溫隱身復復合材料樹脂基阻尼尼結構材料料金屬類阻尼尼結構材料料泡沫金屬阻尼結構材材料基體鋁合金、鎂鎂合金增強體石墨碳纖維碳化硅顆粒粒金屬基阻尼尼復合材料料C/C復合合材料