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環境功能復合材料 版權信息
- ISBN：9787030673961
- 條形碼：9787030673961 ; 978-7-03-067396-1
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
環境功能復合材料 本書特色
適讀人群 ：普通高校材料類及環境相關類專業的高年級本科生、研究生，相關專業的科研人員、工程技術人員及企業家本書著眼于材料所處各類環境時面臨的考驗與需求，結合各類案例，從多角度闡述不同環境問題中功能復合材料的設計和應用
環境功能復合材料 內容簡介
從"十三五"新材料發展規劃來看，突破新材料應用瓶頸的關鍵之一就是要熟悉重大裝備設施所服役的各類環境特性，并能夠多方面考慮材料與環境之間的關系，材料制備過程中的環境問題，材料使用過程中的環境問題，材料失效之后的環境問題，只有把不同環境問題考慮進去，不僅在基礎材料提升方面會有大的突破，而且可獲得適應海洋工程、航空航天、軌道交通等發展需要的關鍵戰略材料。因此，根據國家"新材料"發展的時代需求，提出重新編訂《環境功能復合材料》，該教材可作為材料類和環境類專業必修的特色課程，使同學們在專業課程學習的同時，能充分了解國家發展需求，明確自己未來發展方向。《環境功能復合材料》教材設置以了解各類環境特性為前提，掌握材料的復合設計原則為基礎，學會分析基礎設施和海、陸、空等核心領域關鍵部件在環境中的失效形式，通過功能化復合材料設計進行修復、防護，并能降低各類環境中的污染和破壞。因此，結合功能復合材料優良的物理、化學、生物或其相互轉化功能，《環境功能復合材料》教材的學習不僅可以解決自然環境中材料的抗腐蝕、抗氧化、抗電磁輻射、抗粒子侵蝕等問題，還能夠利用功能復合材料的設計獲得滿足環境生態化的新型環境材料。
環境功能復合材料 目錄
目錄
前言
1 緒論 1
1.1 環境和材料的相互關系 1
1.2 不同環境類型及其對材料的影響 4
1.3 環境功能復合材料的概述 8
課后思考題 9
2 環境功能復合材料的設計基礎 10
2.1 功能復合材料的基礎設計理論 10
2.2 環境功能復合材料的結構與性能基礎 14
2.3 環境功能復合材料的腐蝕防護基礎 17
2.4 環境功能復合材料表面防護方法 29
課后思考題 40
3 大氣環境功能復合材料 41
3.1 大氣環境特征 41
3.2 大氣環境中的腐蝕與防護技術 42
3.3 大氣環境下碳鋼及低合金鋼的腐蝕行為與機理 50
3.4 大氣環境下電子元器件材料的腐蝕行為與機理 58
3.5 電子元器件材料大氣腐蝕防護技術 62
3.6 水性環保復合防護涂層技術案例 74
課后思考題 83
4 海洋環境功能復合材料 84
4.1 海洋環境特征 84
4.2 海洋環境非金屬材料及其腐蝕防護機理 87
4.3 金屬及其合金的海水腐蝕行為與機理 95
4.4 海洋環境防腐技術 106
4.5 新型海洋防腐復合涂層技術案例 119
課后思考題 124
5 土壤環境功能復合材料 125
5.1 土壤環境特征 125
5.2 土壤環境對材料的腐蝕行為與機理 133
5.3 土壤污染與修復技術 138
5.4 復合材料在污染土壤修復中的應用 144
5.5 新型納米復合材料在土壤修復中的應用實例 147
課后思考題 149
6 空間環境功能復合材料 150
6.1 空間環境效應 150
6.2 空間環境對材料的損傷行為與機理 154
6.3 空間環境對材料的侵蝕防護設計 169
6.4 空間碎片防護復合材料的應用案例 180
課后思考題 182
7 其他環境工程材料 183
7.1 環境污染凈化材料 183
7.2 綠色環境材料 196
7.3 環境工程材料前沿 204
7.4 新型電磁波吸收材料的應用案例 217
課后思考題 228
主要參考文獻 229
前言
1 緒論 1
1.1 環境和材料的相互關系 1
1.2 不同環境類型及其對材料的影響 4
1.3 環境功能復合材料的概述 8
課后思考題 9
2 環境功能復合材料的設計基礎 10
2.1 功能復合材料的基礎設計理論 10
2.2 環境功能復合材料的結構與性能基礎 14
2.3 環境功能復合材料的腐蝕防護基礎 17
2.4 環境功能復合材料表面防護方法 29
課后思考題 40
3 大氣環境功能復合材料 41
3.1 大氣環境特征 41
3.2 大氣環境中的腐蝕與防護技術 42
3.3 大氣環境下碳鋼及低合金鋼的腐蝕行為與機理 50
3.4 大氣環境下電子元器件材料的腐蝕行為與機理 58
3.5 電子元器件材料大氣腐蝕防護技術 62
3.6 水性環保復合防護涂層技術案例 74
課后思考題 83
4 海洋環境功能復合材料 84
4.1 海洋環境特征 84
4.2 海洋環境非金屬材料及其腐蝕防護機理 87
4.3 金屬及其合金的海水腐蝕行為與機理 95
4.4 海洋環境防腐技術 106
4.5 新型海洋防腐復合涂層技術案例 119
課后思考題 124
5 土壤環境功能復合材料 125
5.1 土壤環境特征 125
5.2 土壤環境對材料的腐蝕行為與機理 133
5.3 土壤污染與修復技術 138
5.4 復合材料在污染土壤修復中的應用 144
5.5 新型納米復合材料在土壤修復中的應用實例 147
課后思考題 149
6 空間環境功能復合材料 150
6.1 空間環境效應 150
6.2 空間環境對材料的損傷行為與機理 154
6.3 空間環境對材料的侵蝕防護設計 169
6.4 空間碎片防護復合材料的應用案例 180
課后思考題 182
7 其他環境工程材料 183
7.1 環境污染凈化材料 183
7.2 綠色環境材料 196
7.3 環境工程材料前沿 204
7.4 新型電磁波吸收材料的應用案例 217
課后思考題 228
主要參考文獻 229
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環境功能復合材料 節選
1 緒論 人類的生存與發展既受到環境的制約，同時又對環境產生影響，從而反作用于人類。例如，大氣環境、海洋環境、土壤環境等對建筑、橋梁、各類工業設施等有一定的破壞，影響著人類的生產生活；而人類生產生活引起的溫室效應、酸雨、海洋污染、土地沙漠化等一系列環境問題，反過來又會制約人類的生存與發展。近二十年來，我國冶金、化工、能源（火力發電）、交通（汽車）、造紙等工業快速發展的同時對自然環境也造成一定污染，不僅破壞生態環境，同時使材料在受污染環境中的腐蝕速率顯著增加，導致設備、工程構件、建筑物等的使用壽命大大縮短，原材料的消耗進一步增加。例如，我國部分地區受硫化物的污染，雨水的 pH可降低到 3.2～3.8，導致室外普碳鋼制品的腐蝕速率增大數倍，混凝土建筑物的腐蝕破壞大大加速。此外，行星際空間與地球空間環境中的流星體、空間碎片、等離子體、電離氣體、帶電粒子、太陽電磁輻射、行星際磁場、各種宇宙線，以及不同行星表面的特殊空間環境等也影響著空間環境中航天器、空間站及各類衛星系統等的安全運行。 物理學、化學、力學等學科的研究和發展推動了對物質結構，材料的物理、化學和力學性能的深入認識和了解。同時，金屬學、冶金學、工程陶瓷技術、高分子科學、半導體科學、復合材料科學以及納米技術等的發展促進了各種新材料的產生。這些新材料可分為結構材料和功能材料。結構材料是以力學性能為基礎，制造受力構件所用的材料。當然，結構材料對物理或化學性能也有一定要求，如光澤、熱導率、抗輻射、抗腐蝕、抗氧化等。功能材料則主要是利用物質的獨特物理、化學性質或生物功能等而形成的一類材料。針對目前人類面臨的自然或人為因素引起的地球表面及外部空間的各類環境問題，環境功能復合材料的提出不僅可以提高自然環境中材料的抗腐蝕、抗氧化、抗電磁輻射、抗粒子侵蝕等性能，還能夠利用功能復合材料的設計獲得新型環境材料。 無論結構材料還是功能材料，無論傳統材料還是新型材料，其均可統一定義為“可供制作成成品的物質、原料”。既然是一種物質或原料，那么它就必然取自于環境，其加工、制造和使用過程也離不開環境，同時又影響著環境。材料和環境是相互依存、相互影響的，如何使其協調發展，即不僅使材料可以長期存在于各類環境中，而且使環境在新材料的影響下可持續發展，環境功能復合材料旨在解決這一問題。 1.1 環境和材料的相互關系 1.1.1 環境對材料的作用 材料總是在一定的環境中使用。環境包括“自然環境”和“社會環境”。其中，自然因素的總體稱為自然環境，目前認為是以大氣、水、土壤、地形、地質、礦產等一次要素為基礎，以植物、動物、微生物等作為二次要素的系統總體；由人所組成的社會因素的總體稱為社會環境。 社會環境是推動材料科學發展的動力，正確的材料生產、加工和使用，體現了人們對材料發展的認識過程。表1-1反映了我國社會認識材料的社會和經濟性的演變過程。 隨著時代發展，人們發現除了“質量”（即“性能”判據）外，還要考慮“效益”（即“經濟”判據）。直到 1995年我國宣布實施“可持續發展”戰略，才在社會上廣泛地認識到“資源、能源、環！边@三個戰略性判據。 表1-1 我國社會認識材料判據的演變 廣義上，材料科學與工程是關于材料組成與結構、合成與制備、性能、使用效能之間關系的有關知識的開發和應用的學科。這一傳統的四要素體系沒有充分考慮材料的環境協調性問題，或者說環境協調性在早期還沒那么突出。按照傳統的材料評價方法不可能反映材料的環境作用優劣，因此必須把環境因素對材料的作用考慮進去。從廣義上來看，自然環境中風、沙、雨、露、陽光等均對材料有一定的影響，如使各種材料發生腐蝕、分解、風化或降解等。材料在使用過程中因受環境的作用而發生性能下降、狀態改變，甚至損壞變質，這通常稱為“腐蝕”或“老化”。幾乎所有材料在環境作用下（大氣、水、土壤）都存在腐蝕或老化問題。材料腐蝕不僅帶來重大的經濟損失和大量資源與能源的消耗，還會給設備、裝備、建筑物及人身安全帶來威脅。隨著經濟的發展，在人們從事大量社會活動時往往會引起一系列環境問題，如全球氣候變化、酸雨、土地沙漠化、海洋污染等，以及由此引發的大范圍全球性環境危機。因此，研發一系列相應的環境工程材料去改善環境、控制環境污染、降低環境對人類的進一步危害，具有十分重要的意義。 1.1.2 材料對環境的影響 材料產業支撐著人類社會的發展，為人類帶來了便利和好處，但材料的整個生命周期，也就是從原材料開采與提煉開始，到產品制造、運銷、使用、報廢和*終處理的全過程，將對生態環境有重要影響。材料對環境的影響包含正面和負面兩種影響。正面影響是指用各種材料來不同程度地修復環境所受到的損傷、治理或減輕環境污染等，但是從長遠來看，這種修復作用、治理作用或減輕作用是暫時的、局部的和相對的。材料對環境的負面影響主要指在材料的開采、提煉、加工、制造、生產以及使用和廢棄的過程中對環境造成的直接的或間接的損傷和破壞。眾所周知，一方面，在材料加工、制造、生產、使用和再生等過程中，需要消耗大量的資源和能源，以保證這些過程的順利進行；另一方面，在這些過程中，由于物理變化或化學變化排放出的大量廢水、廢氣和廢渣又會造成環境的污染與生態的破壞，威脅著人類的健康和生存。材料對環境的負面影響是本書討論的重點內容。 在材料加工、生產和使用過程中，資源消耗可分為直接消耗和間接消耗兩類。直接消耗是指將資源用于材料的加工和生產。間接消耗是指在材料的運輸、儲藏、包裝、管理、流通和使用等環節造成的資源消耗。如材料的運輸需要運輸工具；儲藏需要占地、建造倉庫；產品包裝、流通以及使用等需要各種輔助設施等。從理論上講，材料的加工、制造、生產、使用和再生過程對環境造成的負面影響具有必然性、不可逆性和普遍性。由此而產生的環境問題是與人類的欲望、經濟的發展、科技的進步同時產生和發展的，表現出相互依存的關系。從材料與環境之間的密切關系可以看出，材料的整個生命周期與環境共同組成一個包含路徑 a、b、c、d、e、f的完整的閉合系統，如圖1-1所示。 圖1-1 材料與環境的相互關系 由 a→b→c→d→e→f組成的閉合系統是傳統材料的整個生命周期。可以看出，傳統材料的生產原料（資源和能源）來自自然環境，包括可耗竭資源和可更新資源。可耗竭自然資源是指人類開發利用后，在相當長的時間內，不可再生的自然資源，主要指自然界的各種礦物、巖石和化石燃料，如用于生產金屬材料的金屬礦產資源、用于生產無機非金屬材料的礦物資源等？筛沦Y源是指能夠通過自然力以某一增長率保持或不斷增加蘊藏量的自然資源，如用于生產木制品的森林資源、用于生產紡織材料的農牧業資源等。原料加工、制造成物品、器件、構件或其他產品，供生產、生活使用，在加工、制造以及使用、廢棄過程中將產生大量的廢水、廢氣和固體廢物等。 由 b→g→h組成的循環系統與上述閉合系統共同構成環境材料的生命周期？梢钥闯，環境材料的生產過程注重廢棄物的處理和循環利用，可耗竭 /更新資源中存在大量可回收的資源，它們的效用喪失后，大部分物質還能夠回收利用，如金屬等。通過路徑 h的物質流量越大，則通過路徑 a和路徑 f的物質流量就越小。即廢棄物的再資源化程度越高，地球的資源耗竭就會越慢，對環境的污染和資源的過度消耗程度就越小，這是一個良性循環，受益者是人類。反之，若路徑f的廢棄物越多，則對環境的負荷越重，資源不斷被消耗，環境不斷被破壞，這是一個惡性循環，這個惡性循環的*終受害者是人類。 1.2 不同環境類型及其對材料的影響 材料存在于不同環境中，從地面土壤環境、海洋環境，再到地表以上的大氣環境，以及大氣層以外的空間環境，無論材料服役于哪類環境中，均會受到相應的影響，本節將介紹大氣環境、海洋環境、土壤環境和空間環境的特性及其對材料的影響規律。 1.2.1 大氣環境及其對材料的影響 大氣環境是指生物賴以生存的空氣的物理、化學和生物學特性。物理特性主要包括空氣的溫度、濕度、風速、氣壓和降水，這一切均由太陽輻射這一原動力引起；瘜W特性則主要為空氣的化學組成：大氣對流層中氮、氧、氬 3種氣體占 99.96%，二氧化碳約占 0.03%，還有一些微量雜質及含量變化較大的水汽。人類生活或工農業生產排出的氨、二氧化硫、一氧化碳、氮氧化合物與氟化物等有害氣體可改變原有空氣的組成，并引起污染，造成全球氣候變化，破壞生態平衡。 大氣環境分類方法多種多樣，其中與材料密切相關的劃分方式是按地理位置和空氣成分對材料的影響情況來分，可分為：農村大氣、工業大氣、海洋大氣。農村地區的大氣比較純凈；工業地區的大氣中則含有 SO2、H2S、NH3和 NO2等；海洋大氣是指在海平面以上由于海水的蒸發形成的含有大量鹽分的大氣環境。 從腐蝕條件看，參與材料大氣腐蝕過程的主要大氣組分是氧氣、水汽和大氣污染物。大氣中含有水蒸氣，水蒸氣壓與同一溫度下大氣中飽和水蒸氣壓的比值稱為相對濕度。相對濕度達到 100%時，大氣中的水蒸氣含量達到飽和，就會凝結成水滴，凝聚在金屬表面形成可見的液膜。即使相對濕度小于 100%，由于毛細管凝聚、吸附凝聚或化學凝聚作用，水蒸氣也可以在金屬表面凝聚成很薄的液膜，液膜的厚度影響著金屬在大氣中的腐蝕速率，大氣中的水汽是形成腐蝕性薄液膜的前提條件。 當前，大氣環境的影響已經遍及國民經濟和國防建設各個領域，其危害十分嚴重，具體表現在以下幾個方面。 （1）大氣環境引起材料腐蝕造成的災難性事故和重大經濟損失不勝枚舉。全世界在大氣環境中使用的鋼材一般超過其每年生產總量的 60%，而由于大氣環境腐蝕引起的鋼材類金屬材料失效損失約占總腐蝕損失量的 50%以上。大氣腐蝕和其他外力因素的聯合作用往往會造成重大事故，危及人身安全。 （2）大氣環境對人類文化遺產帶來了重大破壞。例如，世界上*大的古代石刻佛像 ——四川的樂山大佛，由于受酸雨和風吹日曬等的影響，鬢發脫落，鼻梁發黑，佛容日漸暗淡，雖然投入巨資維護，但收效甚微；希臘的 Acropolis紀念碑和雕塑因硫化而產生裂紋和斑跡；美國的自由女神像因大氣污染而被嚴重侵蝕等。 （3）大氣污染影響生態平衡。 Stigliani等的研究指出，水體中的許多金屬元素（如 Zn、Cd、Pb）絕大部分來自分散面源的排放，其中就包括材料大氣腐蝕這一過程。 1.2.2 海洋環境及其對材料的影響 海洋環境包括海洋大氣環境和海水環境，其中海洋大氣環境與農村大氣、工業大氣等相比有明顯不同，本書將此部分歸屬在海洋環境中進行論述。 海水是含有 3.2%～3.75%的多種鹽類（ NaCl含量*高），同時溶解有氧氣和二氧化碳等多種氣體的強腐蝕性電解質溶液。海水的鹽度、 pH、溫度、溶解氧量隨海水深度、地理位置、季節的不同而有所變化。因此，海水腐蝕是個復雜的問題。 20 世紀 60年代后期到 70年代初期，人們對海水脫鹽環境中材料的腐蝕問題進行了大量研究。 70年代初期，能源危機促進了對海洋資源的探索開發，推進了海上設備的海水腐蝕等方面的研究，比如特別著重于研究海上石油平臺的穩定性，其中包括平臺的腐蝕控制。在這個時期，也推動了海洋其他形式能源的研究，其中之一就是海洋熱能轉換電站，為此研究了海洋環境中縫隙腐蝕、沖刷腐蝕和腐蝕產物膜對熱交換器材料熱傳導的影響。 70年代后期，沿海電廠設備腐蝕的研究得到關注，特別是冷凝器管材的腐蝕。 多年來，有關海水腐蝕及其防護的研究多集中于碳鋼和銅合金，但目前的研究重點開始向高合金鋼、鎳合金、復合材料等新材料轉移。涂層作為一種常用的海水腐蝕防護技術，隨著新材料的出現，也有了新的發展。 20世紀 40年代，油基涂料和磁漆是海水中金屬及合金材料的主要防護涂層，其使用壽命大約是 1年；而現在，許多涂料和涂層系統的保護壽命已達到 15～20年或更長的時間。隨著海洋工程的發展
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