工程材料有哪些？

工程材料，按化學成分分為金屬材料、非金屬材料、高分子材料和復合材料四大類。

材料工程是什么？

材料工程

Material Engineering

材料工程是研究、開發、生產和應用金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料和復合材料的工程領域。其工程碩士學位授權單位培養從事新型材料的研究和開發、材料的制備、材料特性分析和改性、材料的有效利用等方面的高級工程技術人才。研修的主要課程有：政治理論課、外語課、工程數學、材料物理化學工程、材料工程理論基礎、材料結構與性能、材料結構和性能檢測技術、材料合成與制備技術過程控制原理、計算機技術應用、近代材料的研究方法、材料科學與工程的新進展以及現代管理學基礎等。

一、概述

材料是用于制造有用物件的物質。根據材料的組成結構，可分成金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料和復合材料；根據材料的性能特征，可分成結構材料和功能材料。歷史證明材料是社會進步的物質基礎和先導，是人類進步的里程碑，例如“石器時代”、“銅器時代”、“鐵器時代”等；在近代，鋼鐵材料的發展對于工業革命進程起了決定性的作用；半導體材料的發展把人類帶入了信息時代。當今，人們把材料、信息、能源作為現代文明的三大支柱。新材料技術更成為三大高新技術之一。

隨著社會和科技進步，人們不僅要求性能更為優異的各類高強、高韌、耐熱、耐磨、耐腐蝕新材料，而且需要各種具有光、電、磁、聲、熱等特殊性能及其偶(或復)合效應的新材料，同時對材料與環境材料的協調性等方面的要求也日益提高。生物材料、信息材料、能源材料、智能材料及生態環境材料等將成為材料研究的重要領域。研究和解決傳統材料的質量和工程問題，不斷挖掘傳統材料的潛力，將成為材料生產技術改造的重點。

本領域涉及材料的獲得、質量的改進、使材料成為人們可用的器件或構件的生產工藝、制造技術、工程規劃、工程設計、技術經濟管理等工程知識。并與冶金工程、機械工程、控制工程、電氣工程、電子與信息工程、計算機技術、工業設計工程、化學工程、生物醫學工程等學科密切相關。
二、領域范圍

根據材料的成份和組織結構，該領域范圍涉及到金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料和復合材料；根據從事材料工程技術人員研究和工作性質，該領域范圍又可概括為：從事新材料的研究和開發、材料的生產工藝和設備的開發和設計、材料的特性分析和試驗、材料成品的檢測與質量控制、材料制品的加工及改性、材料制造業的管理和技術經濟分析

工程新材料有哪些？

半透明材料

斯德哥爾摩KTH皇家技術學院的研究人員開發出一種適合大規模生產的新型透明木質材料，它是通過去除木質貼面中的木質素制成的。去除木質素后，木材會變成美麗的白色，但是由于木材不是自然透明的，他們通過納米級處理來達到半透明的效果。

KTH的木材科學中心教授Lars Berglund提到：“透明木材是太陽能電池的好材料，因為它是一種低成本、易于獲得和可再生的資源。”透明木材還可以用于建筑物的窗戶和外墻，其可以讓光線進入的同時保持屋內的隱私。Berglund表示，下一步要做的工作是提高材料的透明度和擴大生產。該項目由Knut和Alice Wallenberg基金會資助。

浮橋

在意大利伊塞奧湖的水面上，有建筑業的一項重大創新藝術家克里斯托和克勞德的浮橋。浮橋是一個三公里長的人行道，由220,000個高密度聚乙烯立方體組成，周圍包裹著100,000平方米的黃色織物，這些元素隨著海浪在伊塞奧湖中自然波動。浮橋的安裝由位于保加利亞的公司完成。他們在三個月的時間里，在深達92米的湖底安裝了約220個六噸重的錨，然后將聚乙烯立方體固定在這些錨上，并覆蓋上尼龍織物，超過600名工人參與了浮橋的安裝。

生物家具

到目前為止，通過這種材料制成了兩件家具 – 躺椅和供兒童使用的小椅子。這種創新材料稱為Mycoform，是將木片、石膏、燕麥麩與靈芝混合在一起制成的，加入靈芝是因為它具有分解廢物的能力并生成結實的結構材料，這種耐用的生物塑料復合材料，不僅適用于家具，在建筑上也有應用潛能。

Terreform ONE稱，一旦生物材料達到使用壽命，它就可以在任何生物環境例如花園中進行分解處理。此外他們還稱，這項技術可以輕松地轉讓給發展中國家，這些材料制得的產品將成為傳統建筑業的有趣替代品。

自修復混凝土

混凝土是使用最廣泛的建筑材料，但它有一個嚴重的缺陷：受力時容易開裂。如果這些裂紋變得太大，將導致鋼筋被腐蝕，不僅會導致建筑物不美觀，而且還會損害建筑的結構和質量。自修復混凝土由荷蘭代爾夫特大學的土木工程師Schlangen博士發明，其自修復過程需要加熱。為了將這種材料用于道路建設，Schlagen博士團隊設計了一種特殊的車輛，車輛在道路上通過感應線圈來提供熱量。

Schlagen估計，該車輛若每四年在道路上運行一次，其修復道路的能力每年可為國家節省9000萬美元。此外，研究人員TU Delft在研究將細菌包埋在混凝土混合物中，以制造出具有自愈能力的混凝土。細菌混凝土是建造用于危險廢棄物的地下固定架的理想選擇，不需要人力來進行干預修復，這意味著在設計混凝土結構時，可以以一種更經濟的方式解決耐久性問題。但是對于住宅建筑而言，傳統的裂縫修補仍然是目前更具經濟吸引力的解決方案。

火星混凝土

西北大學的研究團隊在庫薩蒂斯的帶領下，開發了可以在火星上應用的混凝土材料。高強度火星混凝土可以快速制成，可以承受隕石的撞擊這是為人類提供庇護所的關鍵要素。為制造火星混凝土，庫薩蒂斯將硫在240℃下加熱，將其熔化成液體，并使用火星土壤充當骨料，其與硫的比例為1:1，經過冷卻就得到了火星混凝土。

庫薩蒂斯認為火星混凝土的強度較高歸因于火星土壤顆粒的尺寸較小。他的團隊還發現，當混凝土破裂并重新熔化澆鑄時，它會變得更加堅固，這可能是由于顆粒尺寸的進一步減小所致。庫薩蒂斯表示，常規混凝土需要28個小時才能發揮出全部的強度性能，而火星混凝土只需要1-2個小時，因此庫薩蒂斯認為它是理想的3D打印材料，可以使用火星本地資源來打印建筑物，這將比從地球發送材料更加有效和可持續。

煙頭磚

人類每年約生產600萬支卷煙，由此產生120萬噸的煙頭廢物。煙頭的生物降解能力很差，且困在過濾器中的重金屬。例如砷、鉻、鎳和鎘會滲入土壤和河流，對環境的危害非常大。為了減少煙頭對環境的污染，RMIT的研究人員開發了由煙頭制成的更輕、更節能的磚頭。

由阿巴斯·莫哈耶拉尼博士領導的皇家墨爾本理工大的一個團隊已經證明，摻有1％煙頭的磚的性能與普通磚非常相似，而且制得的磚更輕，具有更好的隔熱性能，制造時所需的能源也更少，可以削減磚的生產成本。在燒制過程中，煙頭中的重金屬和其他污染物被捕集并固定在磚塊中，從而減少了環境污染的問題。

磚冷卻系統

通過粘土和水凝膠的結合，加泰羅尼亞高級建筑學院的學生發明了一種對建筑物內部具有冷卻作用的新材料，為Hydroceramic。

Hydroceramics具有將室內溫度降低多達6℃的能力。它的冷卻效果來自于結構中存在的水凝膠，其吸收了高達自身重量500倍的水。通過將水凝膠的蒸發特性與粘土的濕度控制特性相結合，可以產生對熱和水有響應的復合材料。這是一種被動蒸散系統，在炎熱的天氣中，水凝膠吸收的水被釋放以降低溫度，可以有效地保持人體舒適區域內的溫度和濕度平衡。

污染吸附磚

由建筑與環境設計學院的助理教授Carmen Trudell開發的材料Breathe Brick，可以吸入空氣中的污染物并釋放過濾后的空氣。這種材料可以被設計為建筑物通風系統的一部分，也可以配置在帶有窗戶和冷卻系統的墻壁上。它的外部為磚塊，內部為標準保溫層，中心是一個旋風過濾系統，系統從空氣中分離出空氣顆粒，并將它們收集在可移動的料斗中。

經過測試，該系統可以過濾30％的細顆粒和100％的粗顆粒污染物。長遠來看，由于整個系統相對便宜，污染吸附磚塊可能會成為建筑物最常見的材料之一，是降低城市污染水平的有效方法。

發光水泥

來自莫雷利亞的UMSNH的JoséCarlos Rubiovalos博士發明了一種具有吸收和發射光的能力的水泥，我們可以在游泳池、停車場、道路安全標志等場所使用它。此外，我們還可以在石油開采平臺，以及任何想要被照亮或標記但卻無法通電的空間使用它，因為它不需要配電系統。預計發光水泥的使用壽命可以超過100年，并且材料也易于回收。

在官方報道中，這種發光水泥的本質是通過原料二氧化硅、河砂、工業廢料、堿和水的縮聚獲得的，該過程在室溫下進行，不需要很高的能耗。與其他類型的水泥相比，其制造過程中產生的污染較小。

鋼絞線桿

據估計日本工業將因人口老齡化以及新生兒的減少而遭受勞動力短缺的極大困擾，并且由于基礎設施的老化，維護和翻新成本也不斷增加。為了解決這些問題，日本Komatsu實驗室一直在研究和開發具有“輕、強、耐腐蝕”特性的碳纖維復合材料。

該實驗室發明了一種名為CABKOMA鋼絞線桿的新材料，它是一種熱塑性碳纖維復合材料，可作為一種輕質的抗震鋼筋，其在美學上也同樣令人非常愉悅。由于使用熱塑性樹脂作為基材，因此即使在硬化之后也可以通過加熱來進行材料的重塑。

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