材料研发与机械设计_机械设计研发流程

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材料发展史与机械设计

摘要：材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的物质。材料对于人类社会的发展是很重要的，而今人类已跨进了人工合成材料的新时代。金属材料以及高分子材料、陶瓷材料、复合材料等新型材料得到迅速的发展，为现代社会的发展奠定了重要的物质基础。本文从材料研发的动力探讨材料的发展史，以及对材料的一些看法。新材料的出现为机械设计人员提供了更多可行的设计方案，同时也因此出现了一大批新的高科技产品。

关键词：材料发展史 材料研发动力 新材料与机械设计

1.材料的定义

材料是物质，但不是所有物质都可以称为材料。如燃料和化学原料、工业化学品、食物和药物，一般都不算是材料。但是这个定义并不那么严格，如炸药、固体火箭推进剂，一般称之为“含能材料”，因为它属于火炮或火箭的组成部分。

材料是人类赖以生存和发展的物质基础。20世纪70年代人们把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱。80年代文明的三大支柱。80年代以高技术群为代表的新技术革命，又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。这主要是因为材料与国民经济建设、国防建设和人民生活密切相关。材料除了具有重要性和普遍性以外，还具有多样性。由于材料多种多样，分类方法也就没有一个统一标准。

2.材料的发展简史

人类社会的发展历程伴随着材料的发明和发展,是以材料为主要标志的。人类最早使用的材料是石头、泥土、树枝、兽皮等天然材料。由于火的使用，人类发明了陶瓷、瓷器，其后又发明了青铜器、铁器。历史上,材料被视为人类社会进化的里程碑。对材料的认识和利用的能力,决定着社会的形态和人类生活的质量。历史学家也把材料及其器具作为划分时代的标志:如石器时代、青铜器时代、铁器时代、高分子材料时代。

2.1 20世纪之前材料的发展

100万年以前,原始人以石头作为工具,称旧石器时代。1万年以前,人类对石器进行加工,使之成为器皿和精致的工具,从而进入新石器时代。现在考古发掘证明我国在八千多年前已经制成实用的陶器,在六千多年前已经冶炼出黄铜,在四千多年前已有简单的青铜工具,在三千多年前已用陨铁制造兵器。我们的祖先在二千五百多年前的春秋时期已会冶炼生铁,比欧洲要早一千八百多年以上。18世纪,钢铁工业的发展,成为产业革命的重要内容和物质基础。19世纪中叶,现代平炉和转炉炼钢技术的出现,使人类真正进入了钢铁时代。与此同时,铜、铅、锌也大量得到应用,铝、镁、钛等金属相继问世并得到应用。

直到20世纪中叶,金属材料在材料工业中一直占有主导地位。20世纪中叶以后,科学技术迅猛发展,作为发明之母和产业粮食的新材料又出现了划时代的变化。首先是人工合成高分子材料问世，并得到广泛应用。先后出现尼龙、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等塑料，以及维尼纶、合成橡胶、新型工程塑料、高分子合金和功能高分子材料等。仅半个世纪时间,高分子材料已与有上千年历史的金属材料并驾齐驱,并在年产量的体积上已超过了钢,成为国民经济、国防尖端科学和高科技领域不可缺少的材料。其次是陶瓷材料的发展。陶瓷是人类最早利用自然界所提供的原料制造而成的材料。50年代,合成化工原料和特殊制备工艺的发展,使陶瓷材料产生了一个飞跃,出现了从传统陶瓷向先进陶瓷的转变,许多新型功能陶瓷形成了产业,满足了电力、电子技术和航天技术的发展和需要。

结构材料的发展，推动了功能材料的进步。20世纪初，开始对半导体材料进行研究。50年代，制备出锗单晶，后又制备出硅单晶和化合物半导体等，使电子技术领域由电子管发展到晶体管、集成电路、大规模和超大规模集成电路。半导体材料的应用和发展，使人类社会进入了信息时代。

2.2 21世纪新材料的继续发展

随着科学技术的进步，产业用纺织品新材料不断地呈现发展趋势，用途也不断向多种领域扩展。一些具有特殊功能的纤维，如芳纶、聚苯硫醚、碳纤维等，虽然价格较贵，但在环境保护、节能减排、阻燃耐高温等领域仍被市场看好。建筑与纺织的联姻是最近几年才有的。将纤维放入混凝土中，起到增强建筑强力、抗老化的效果，已经取得了成效，在奥运场馆的建设中，这样的实例不少。但是，作为建筑行业使用的防火、阻燃材料纺织品，还没有引起足够的重视。环保低碳是当今世界主流，减少碳排放是国家长期目标。由于聚苯硫醚（PPS）纤维具有耐磨损、高熔点（200度不熔化）和稳定性的特征，为工业除尘首选材料，在中国煤炭、电力、水泥行业被广泛使用，充当减排的“尖兵”

3.材料研发的动力

3.1人类社会生活的需要

100万年前，那是人类的生产水平还很低，而且那时的地球的生存环境也很恶劣。时不时就有猛兽出现。人类自身的力量是很有限的，为了生存就必须让自身强大起来。于是人类开始学会制造工具，这也是与动物的区别。于是石头就成为了主要的工具，可以用来驱赶野兽，也可以用来砍伐。随着人类社会的发展，开始出现以石头为材料的打磨过的工具。这时人类社会生产水平也开始渐渐提高了。于是更多的材料被人类开发利用了，如铜矿、铁矿。而现代生活水平的提高，就和更多的材料被发现息息相关了。如现在的高楼大厦，其中水泥这种材料的发明就起着不可替代的作用。

3.2战争的需要

自人类出现以来，战争就一直没有停止过。战争和文明始终交错，既对人类文明的发展和进步起着催化和促进作用，又时刻威胁着人类自身的生存。战争伴随社会的革命，带来新的格局。古代各个部落之间的战争，促进了民族的融合和国家的形成，也是民族大迁徙直接原因；国家内部不同民族之间的战争，促成民族的独立和新生国家的诞生；国家内部政治集团之间的战争，促成政权的更迭，如国共内战。

战争给人类带来灾难的同时也促进了人类社会文明的发展。为了使自己一方在大型战争中处于有利位置，武器的精良有很大的关系。历史上秦朝灭六国，统一天下其武器在当时也应该是很先进的。而为了制造更加强大的武器，就需要很好的材料。于是在这种全民战争的情况下，为了武器的需要，会有一大批科学家需找各种材料。

3.3对某一特定功能的需要

人类很多需要的材料，往往不能从自然界直接获得。如人的骨头缺失了。但人们就是善于发现新的材料。现在的人造骨是一种具有生物功能的新型无机非金属材料，它类似于人骨和天然牙的性质的结构，人造骨可以依靠从人体体液补充某些离子形成新骨，可在骨骼接合界面发生分解、吸收、析出等反应，实现骨骼牢固结合。人造骨植入人体内，需要人体中的Ca2+与PO4 3-离子形成新骨。人们为了能够翱翔于太空，就需要有耐高温的航天器，于是一些耐高温的陶瓷材料就被发明了。

3.4人类对社会经济的追求

一个国家的国民经济是很重要的。正所谓落后就要挨打。在如今复杂的国际局势，各国都在努力发展本国的经济，提高自己的综合实力，使得自己在国际上有一席之地。而在提高经济中有一重要的因素是提高生产效率，减小资源的消耗。于是就又有一些新材料被人类所发现和利用了。

3.5材料科学家对科学的不断追求

现在很多新的材料，往往是科学家们经过无数的实验和研究才得出的。并且后来用于生活，给生活带来了极大的便利。如半导体的发明，才有了现在家喻户晓的计算机。如果不是科学家们不断的追求，就不会有这么多新材料的发明。

4.新材料与机械设计

4.1新材料的出现

进入20世纪，随着科学技术发展，人们在传统材料的基础上，根据现代科技的研究成果，开发出新材料。新材料按组分，有金属材料、无机非金属材料（如陶瓷、砷化镓半导体等）、有机高分子材料、先进复合材料四大类。按材料性能分，有结构材料和功能材料。结构材料主要是利用材料的力学和理化性能，以满足高强度、高刚度、高 硬度、耐高温、耐磨、耐蚀、抗辐照等性能要求；功能材料主要是利用材料具有的电、磁、声、光热等效应，以实现某种功能，如半导体材料、磁性材料、光敏材料、热敏材料、隐身材料和制造原子弹、氢弹的核材料等。

4.2因新材料而设计的产品

复合新材料使用的历史可以追溯到古代。从古至今沿用的稻草增强粘土和已使用上百年的钢筋混凝土均由两种材料复合而成。20世纪40年代，发展了玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢），对航空工业有很大的促进作用。从此出现了复合材料这一名称。超高分子量聚乙烯纤维的比强度在各种纤维中位居第一，尤其是它的抗化学试剂侵蚀性能和抗老化性能优良。它还具有优良的高频声纳透过性和耐海水腐蚀性，许多国家已用它来制造舰艇的高频声纳导流罩，大大提高了舰艇的探雷、扫雷能力，在国内思嘉新材料开发的复合新材料代表了国内的较高水平。除在军事领域，在汽车制造、船舶制造、医疗器械、体育运动器材等领域超高分子量聚乙烯纤维也有广阔的应用前景。该纤维一经问世就引起了世界发达国家的极大兴趣和重视。把超导体应用于发电、输电和储能以及超导计算机，使计算机的速度大大提高等等。

4.3新材料与机械设计的关系

机械设计是根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法等进行构思、分析和计算并将其转化为具体的描述以作为制造依据的工作过程。而最终要出产品时是和材料密切相关的。如果没有机械设计，空有材料是发挥不了太多作用的，同时有了机械设计而没有很好的或合适的材料也是不行的。随着新材料的出现，使得人们可以设计一些在极端环境下工作的机械产品，如航天器，如果没有耐高温的陶瓷这种新从材料是得不到我们想要的产品的，以及纳米机器人也是如此。可以说是新材料的出现才使得机械设计人员设计出更多有用的产品。

5.结束语

如今随着科技的发展，世界上几乎每天都有新的材料被发现和合成，同时它们也会有一些新的特性。大力加强能源材料、超导材料的基础研究和应用研究，扩大它们的应用领域，把21世纪的材料科学与机械工程推进到一个新的水平。新材料和高技术是材料科学研究的核心，两者之间密切相关，新材料研究需要高技术，新材料本身必须依托于高技术，同时新材料为机械设计的发展提供了载体。未来也一定会有更多的新材料，并且以这些材料设计出更多符合人们所需要的产品。

6.致谢

感谢广州大学图书馆、互联网以及同学老师的帮助。

7.参考文献

[1]姚可夫.《工程材料》北京：清华大学出版社，2009 http://baike.baidu.com/