材料科学与工程前沿课程报告 第一部分：材料基因组计划（MGI）专题学习报告 学院：材料科学与工程学院 专业：材料科学与工程 ：XXXXX 学号：XXXXX 班级：XXXXX 2012年11月19日
材料基因组计划（MGI）专题学习报告 摘要：在美国2012 年财政预算中，新增了1 亿美元用以支持一项名为“材料基因组”的创新计划。美国“材料基因组计划”试图创造一个材料创新框架，以期抓住材料发展中的机遇，这个试图揭示物质构成、不同元素排列与材料功能之间关系，进而实现有目的设计新材料的科学工程，有着更强烈的实用和需求背景，也是美国为保持其在先进材料及高端制造业领域领先地位的一大举措。十多年前的中国没有能抓住“人类基因组计划”的先机，面临比“人类基因组计划”更为重要和广泛的“材料基因组计划”，我们不能再次丧失历史机遇。本文主要介绍我对材料基因计划的认识和对我们国家如何能抓住这次历史机遇提出自己的认识并提出展望。 关键词：材料基因组计划历史机遇新材料材料数据库 引言： 2011 年6 月24 日，美国总统奥巴马宣布启动一项价值超过5亿美元的“先进制造业伙伴关系”（Advanced Manufacturing Partnership，AMP）计划，呼吁美国政府、高校及企业之间应加强合作，以强化美国制造业领先地位，而“材料基因组计划”（Materials Genome Initiative，MGI）作为AMP 计划中的重要组成部分，投资将超过1 亿美元。“材料基因组”计划是“先进制造业伙伴关系”计划的主要基础部分，新兴材料才是新型制造业的基础。MGI 的实施正是抓住了AMP计划实施的“牛鼻子”，是重中之重[1]。这是金融危机之后，美国政府意识到仅靠服务业已无法支撑美国经济走出泥潭，必须重振制造业。美国制造业的振兴不是传统制造业的复兴，而是新兴制造业的培育，其中建立在材料科学基础上的新材料产业是重点之一。 2011年9月16日，奥巴马签署了《美国发明法案》，对现行专利体制进行重大变革，并宣布了一系列旨在促进科研成果转化的重要政策措施。可以看出，美国当前的科技政策更加重视科技成果的商业化和开发新市场的改革，“材料基因组计划”也体现出了这一特点：该计划将大大加快材料投入市场的种类及速度，并可通过降低研发成本和周期降低失败风险。 回顾1999 年中国参与了“人类基因组”计划的研究，负责其中3号染色体
三、常用工程材料及选用 纯金属因价贵，力学性能较低，不能满足现代工业的要求，因此工业上多应用合金。下面对工程中常用的金属材料进行叙述。 一、碳素钢 碳素钢是指Wc≤2.11%，并含少量硅、锰、磷、硫等杂质元素的铁碳合金。碳素钢具有一定的力学性能和良好的工艺性能，且价格低廉，在工业中广泛应用。 碳素钢的分类及牌号 碳素钢的种类很多，常按以下方法分类。 1．按钢的含碳量分类 可分为：低碳钢（0.0218% 二、合金钢 为了改善碳素钢的组织和性能，在碳素钢基础上有目的地加入一种或几种合金元素所形成的铁基合金，称为低合金钢或合金钢。常加入的合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、硼、铝、铌、锆等。通常低合金钢中加入合金元素的种类和数量较合金钢少。不同元素的组合，不同的元素含量，可得到不同的性能。 合金钢的分类 1.按质量等级分 按质量等级，合金钢可分为优质合金钢（如一般工程结构用合金钢、耐磨钢、硅锰弹簧钢等）和特殊质量合金钢（如合金结构钢、轴承钢、合金工具钢、高速工具钢、不锈钢、耐热钢等）。 2.按合金元素总量分 按合金元素总量将合金钢分为：低合金钢（W Me<5%）、中合金钢（W Me=5%～10%）和高合金钢（W Me >10%） 3. 按合金元素种类分 按合金元素种类将合金钢分为：铬钢、锰钢、硅锰钢、铬镍钢等。 4. 按主要性能和使用特性分 主要分为工程结构用合金钢，机械结构用合金钢，轴承钢，工具钢，不锈、耐蚀和耐热钢，特殊物理性能钢等。 合金钢的编号 第十一章智能材料和结构 智能材料结构(Smart/Intelligent Materials and Structures)是一门新兴起的多学科交叉的综合科学。80年代后期，随着材料技术和大规模集成电路的进展，美国军方提出了智能材料和结构的设想和概念，并开展了大规模的研究。智能材料和智能结构系统是近年来飞速发展的一个领域，这一领域的研究也越来越受到人们的重视。自1998年美国弗吉尼亚大学召开了关于“智能材料结构和数学问题”专题学术讨论会以来，智能材料系统的研究成为材料科学和工程的热点之一，有人甚至称21世纪是智能材料的世纪，目前美国已有几十家公司经营智能材料结构的产品。人们之所以如此关注智能材料系统是因为它在建筑、桥梁、水坝、电站、飞行器、空间结构、潜艇等振动、噪声、形状自适应控制、损伤自愈合等方面具有良好的使用前景。 第一节智能材料的概念及分类 智能材料结构的诞生有着一定的背景。80年代末期，复合材料普遍使用，为解决它的强度和刚度变化等问题，使得驱动元件和传感件较为容易地融合进入材料，组成整体，从而具有多种用途，同时驱动元件和传感件材料的发展以及材料集成技术上的突破，也促进了智能材料结构的出现。材料科学的发展，使得人们对机械、电子、动作等材料的多方面性能耦合进行研究，微电子技术、总线技术及计算机技术的飞速发展，解决了信息处理和快速控制等方面的难题，这些都为智能材料结构的出现提供了有利条件。 1.1智能材料的概念及其特点 智能材料系统和结构的有关名称定义目前尚不统一，但一般智能材料系统都应该具有敏感、处理、执行三个主要部分。一般来说，智能材料是能够感知环境变化(传感或发现的功能)，通过自我判断和自我结构(思考和处理的功能)，实现自我指令和自我执行(执行功能)的新型材料。该材料具有模仿生物体的自增值性、自修复性、自诊断性、自学习性和环境适应性。将具有仿生命功能的材料融合于基体材料中，使制成的构件具有人们期望的智能功能，这种结构称为智能材料结构。它是一个类似于人体的神经、肌肉、大脑和骨骼组成的系统，而基体材料就相当于人体的骨骼。而智能材料是能够感知环境变化，通过自我判断和结论，实现和执行指令的新型材料。智能材料的研究就是将信息和控制融入材料本身的物性和功能之中，其研究成果波及了信息、电子、生命科学、宇宙、海洋科学技术等领域。它的研究开发孕育着新一代的技术革命。智能化将成为21世纪高分子材料的重要发展方向之一。 例如光导纤维、形状记忆合金和镓砷化合物半导体控制电路埋入复合材料中，光导纤维是传感元件，能检测出结构中的应变和温度，形状记忆合金能使结构动作，改变性状，控制 对“材料基因组工程”的认识及看法 学号：22011216 姓名：胡方方 “材料基因组工程”这是一个既熟悉而又陌生的名词，熟悉的是“材料”和“基因组工程”，然而两者的组合就是我们这些外行人所不能想象得到的，这对我们来说是一个新的领域，因而我对它产生了些许的好奇。带着好奇的心理，我聆听了邓伟侨教授的一场关于“材料基因组工程”的课外研学讲座。 要了解“材料基因组工程”，对它有一个清晰而又正确的认识。首先，要弄懂什么是“材料”，什么是“基因组工程”；再来进一步的认识什么是“材料基因组工程”，为什么会出现以及一些现状。 “材料”是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。“基因组工程”就是测出人类基因组DNA的30亿个碱基对的序列，发现所有人类基因，找出它们在染色体上的位置，破译人类全部遗传信息。物质的基本组成单元就是原子，而将材料与基因组工程联系在一起，不难得出这是将材料与人类做一个类比，基因之于人的性状如同原子之于材料。我们知道，原子结构决定了物质的性质，性质决定了物质的用途，反之，那么想要得到有着特定功能的物质材料，我们就能够得到组成物质的原子及其原子结构。材料显微组织及其中的原子排列决定了材料的性能，就像人体细胞里的基因排列决定了人体机能一样。材料基因工程就是寻找和建立材料从原子排列到相的形成到显微组织的形成到材料性能与使用寿命之间的相互关系，把成分-结构-性能关系的数据库与计算材料设计结合起来，可以大大加快材料研发速度、降低材料研发的成本、提高材料设计的成功率。 人类基因工程计划的实施和取得的进展和成果，以及现实生活中许许多多的的例子给了科学家和研究人员很大的启发。 一、“材料基因组工程”是在何种的时代背景下被提出的。 技术的革新和经济的发展越来越依赖于新材料的进步，就像身体是革命的本钱，良好的材料则是技术革新和经济发展的载体、基石，没有优良的材料作支撑，一切都只是空谈，都是虚无缥缈的，先进的科学技术也就不能够被充分的表达。目前，从新材料的最初发现到最终工业化应用一般需要10~20年的时间。例如，作为目前移动电子设备所使用的Li电池，从上世纪70年代中期的实验室原型到90年代晚期的应用，前后花了近20年的时间，但是至今还没能够应用到电动汽车上，很明显新材料的研发步伐严重滞后于产品的设计，也就是说先进的科学技术因为材料的落后而不能够付诸现实。而这一类事情带来的结果不仅仅局限在材料方面，他带来了跟多的能源的浪费以及环境的污染等等。当前，面临竞争激烈的制造业和快速的经济发展，材料科学家和工程师必须缩短新材料的发现到付诸应用的研发周期，只有这样才能解决在21世纪这个科学技术与经济呈爆炸式发展的时代对新型材料的大量需求的巨大挑战。然而，目前的新材料研发主要依据研究者的科学直觉和大量重复的尝试实验。其实很大一部分的实验是可以依靠高效、准确的计算工具模拟来实现就可以得到结果的，但是现实中我们所拥有的计算准确性不够，而浪费大量的时间和原料。另一方面，新材料从发现、发展、性能优化、系统设计和集成、产品论证及推广过程中所涉及的研究团队间彼此独立、缺少合作和相互间数据、技术的共享，使得研发周期再一次的延长。 二、“材料基因组工程”的主要目的是什么呢？ 建筑功能材料 一、填空题 1.决定涂料使用和涂膜主要性能的物质是。主要成膜物质 2.陶瓷制品按原料和焙烧温度不同可分为、和三大类。 陶器、瓷器、炻器 3.木材中表观密度大，材质较硬的是；而表观密度较小，木质较软的是。 硬材、软材 4.木质部是木材的主要部分，靠近髓心颜色较深的部分，称为；靠近横切面外部颜 色较浅的部分，称为；在横切面上深浅相同的同心环，称为。 芯材、边材、年轮 5.常用的安全玻璃的主要品种有、、和防盗玻璃等。 钢化、夹层、夹丝 6.木材的三个切面分别是、和。横切面、径切面；弦切面 7.据特点不同，塑料可分成热塑性塑料和热固性塑料。热性能 8.金属装饰材料分为和两大类。黑色金属、有色金属 9.按照树叶的是区分阔叶树和针叶树的重要特征。外观形状 10. 表示是指材料内部被水填充程度，即材料吸收水分的体积占干材料的自然体积 百分含量。含水率 11.建筑工程中的花岗岩属于岩，大理石属于岩，石灰石属于岩。 岩浆、变质、沉积 12.天然石材按体积密度大小分为、两类。重质石材、轻质石材 13.砌筑用石材分为和料石两类。毛石 14.铝合金按照合金元素可分为和。二元合金、三元合金 二、单选题 1.下列树种，属硬木材（B）。（A）松树（B）楸子（C）杉树（D）柏树 2.我国木材的标准含水率为（B）。（A）12% （B）15% （C）18% （D）30% 3.木材湿涨干缩沿（C）方向最大。（A）顺纹（B）径向（C）弦向（D）横纹 4.木材在适当温度、一定量空气且含水率为（）时最易腐朽。 （A）10%-25% （B）25%-35% （C）35%-50% （D）50%-60% 5.塑料的主要性质决定于所采用的（A）。 （A）合成树脂（B）填充料（C）改性剂（D）增塑剂 6.不用于室外装饰（D）。（A）陶瓷面砖（B）陶瓷饰砖（C）防滑面砖（D）釉面砖 7.人造石材按所用的胶凝材料的不同可以分为（A）类 （A）4 （B）3 （C）5 （D）6 三、多选题 1.花岗岩与大理石相比（BCDE）。 （A）表观密度大（B）硬度大（C）抗风化能力强 （D）耐酸性好（E）耐磨性好 四、判断题 1.花岗石板材既可用于室内装饰又可用于室外装饰。√ 2.大理石板材既可用于室内装饰又可用于室外装饰。× 3.汉白玉是一种白色花岗石，因此可用作室外装饰和雕塑。× 第11章土木工程材料_无机结合料稳定材料 第11章无机结合料稳定材料 本章导学 学习目的： 目前我国的沥青混凝土路面或水泥混凝土路面95％以上采用无机结合料稳定材料作为基层或底基层，通过本章的学习应了解无机结合料稳定材料的组成设计、强度、干缩、温缩的特性，为工程服务。教学要求： 为了提高对无机结合料稳定材料的认识，应首先说明我国路面结构的实际情况，例如国内主要高速公路的路面无机结合料稳定材料的使用情况及分类。 结合无机结合料稳定材料的特点，简要说明无机结合料稳定材料的强度特性、疲劳特性、干缩特性和温缩特性。 无机结合料稳定材料的强度、组成设计方法与材料品种等关系密切，应注意通过不同实例进行讲解。 11.1无机结合料稳定材料的应用 11.1.1无机结合料稳定材料的应用与分类 （一）总述 1、在粉碎的或原状松散的土中掺入一定量的无机结合料(包括水泥、石灰或工业废渣等)和水，经拌和得到的混合料在压实与养生后，其抗压强度符合规定要求的材料称为无机结合料稳定材料，以此修筑的路面称为无机结合料稳定路面。 无机结合料稳定路面具有稳定性好、抗冻性能强、结构本身自成板体等特点，但其耐磨性差，广泛用于修筑路面结构的基层和底基层。 粉碎的或原状松散的土按照土中单个颗粒(指碎石、砾石、砂和土颗粒)粒径大小和组成，将土分成细粒土、中粒土和粗粒土。不同的土与无机结合料拌和得到不同的稳定材料。例如石灰土、水泥土、石灰粉煤灰土、水泥稳定碎石、石灰粉煤灰稳定碎石等。 2、无机结合料稳定基层具有强度大、稳定性好及刚度大等特点，被广泛用于修建高等级公路沥青路面和水泥混凝土路面的基层或底基层。 七、五期间，国家组织开展了“高等级公路无机结合料稳定材料基层、重交通道路沥青面层和抗滑表层的研究”，其中无机结合料稳定基层材料的强度和收缩特性、组成设计方法是主要的研究内容之一。 在此基础上，结合近15年来无机结合料稳定基层的设计、施工和使用的经验，根据实际使用效果，提出无机结合料稳定材料设计、 1. 建筑材料包括结构材料、饰面材料、功能材料和辅助材料。 结构材料：用于建筑物主体的构筑，如基础、梁、板、柱、墙体和屋面。 功能材料：主要起保温隔热、防水密封、采光、吸声等改进建筑物功能的作用。装饰材料：它对建筑物的各个部位起美化和装饰作用，使得建筑物更好地表现出艺术效果和时代特征，给人们以美的享受。 2. 按国家标准《装饰工程施工及验收规范》的规定，建筑装修应包括如下内容： 抹灰工程、门窗工程、玻璃工程、吊顶工程、隔断工程、饰面工程、涂料工程、裱糊工程、刷奖工程和花饰工程等10项。 3. 建筑饰面材料的连接与固定一般分为三大类：胶接法、机械固定法和焊接法。 胶接法：通常在墙地面铺设整体性比较强的抹灰类或现浇细石混凝土，还有在铺贴陶瓷锦砖、面砖和石材时，利用水泥本身的胶结性和掺入胶接材料作为饰面的方法。 机械固定法：随着高强复合的新型建筑结构构件和饰面板材的不断涌现，工厂制作，现场装配的比例越来越高，机械连接和固定方法在建筑装修工程中逐渐占主导地位，此种方法大多采用金属固定和连接件。金属紧固价有各种钉子、螺栓、螺钉和铆钉。金属连接件包括合缝钉、铰链、带孔型钢和特殊接插件等。在装修工程中采用机械连接和固定法具有速度快、效率高、施工灵活和安全可靠等优点，但施工精确度也必须高。 焊接法：对于一些比较重型的受力构件或者某些金属薄型板材的接缝，通常采用电焊或气焊的方法。 4.外墙面的装饰，一方面可以防止墙体直接受到风、霜、雨、雪的侵袭及温度剧烈变化而统一，带来的影响；另一方面使建筑的色彩、质感等外观效果与环境和谐显示出理想的美感，从而提高建筑物的使用价值。 5. 内墙面的装饰其目的和要求主要体现在以下三个方面： ⑴. 保护墙体⑵改善室内使用条件⑶. 装饰室内 6.粗底涂是墙体基层的表面处理，作用是与基层粘结和初步找平，基层的施工操作和材料选用对饰面质量影响很大。常用材料有石灰砂浆、水泥砂浆和混合砂浆，具体根据基层材料的不同而选用不同的方法和材料。 1）砖墙面：砖墙由于是手工砌筑，一般平整度较差，必须采用水泥砂浆或混合砂浆进行粗底涂，亦称刮糙。为了更好地粘接，刮糙前应先湿润墙面， 刮糙后也要浇水养护，养护时间长短视温度而定。 2）混凝土墙：混凝土墙面由于是用模板浇筑而成，所以表面较光滑，平整度较高，特别是工厂预制的大型壁板，其表面更是光滑，甚至还带有剩余的脱模油，这都不利于抹灰基层的粘结，所以在饰面前对墙体要进行处理， 常用金属材料选用规范 p ICS Q/SY31 Q/SY31 06001—2008 代替Q/SY31 06001—2007 上海三一科技有限公司企业标准常用金属材料选用规范2008-06-05发布2008-06-10实施上海三一科技有限公司发布Q/SY31 06001—2008 前言本标准代替Q/SY31 06001-2007《常用金属材料选用规范》。本标准与Q/SY31 06001-2007的主要变化如下：——增加矿用自卸车产品用低合金高强度结构钢牌号Q345B、Q345D，增加矿用自卸车产品用德国耐磨钢板牌号DILLIDUR400V、DILLIDUR 450V和瑞典耐磨钢板牌号HARDOX400；——删去钢板规格14、18、22、28，删去牌号HG70及其规格；——根据起重机臂架结构和液压系统油压的情况，对钢管进行了优化压缩，把它们用钢管牌号 及规格单独列出，并在起重机臂架用钢管牌号及规格的表中列出了理论重量。本标准代替并废止Q/SY31 06001-2007。本标准代替历次版本发布情况为：Q/SY31 06001-2004、Q/SY31 06001-2005、Q/SY31 06001-2006、Q/SY31 06001-2007 本标准的附录A、附录B为资料性附录。本标准上海三一科技有限公司提出。本标准起草单位上海三一科技有限公司技术中心。本标准主要起草人：刘雪梅、金德修、陈卫、吴景芳、唐双佳。 I Q/SY31 06001—2008 引言对企业产品所涉及的金属材料进行优化和压缩是企业工作中的一项重要课题。如果对金属材料的选用不加以限制，企业将会在金属材料的管理上遇到很大困难。制定《常用金属材料选用规范》，对常用金属材料品种及规格进行压缩，将使采购工作得以简化，降低采购成本；使相应的进厂检验工作量减少，降低进厂检验成本；使有关的库存工作 p 代替Q/SY31 06001—2007 ICS 上海三一科技有限公司企业标准 Q/SY31 Q/SY31 06001—2008 代替 代替 常用金属材料选用规范 前言 本标准代替Q/SY31 06001-2007《常用金属材料选用规范》。 本标准与Q/SY31 06001-2007的主要变化如下： ——增加矿用自卸车产品用低合金高强度结构钢牌号Q345B、Q345D，增加矿用自卸车产品用德国耐磨钢板牌号DILLIDUR400V、DILLIDUR 450V和瑞典耐磨钢板牌号HARDOX400； ——删去钢板规格14、18、22、28，删去牌号HG70及其规格； ——根据起重机臂架结构和液压系统油压的情况，对钢管进行了优化压缩，把它们用钢管牌号及规格单独列出，并在起重机臂架用钢管牌号及规格的表中列出了理论重量。 本标准代替并废止Q/SY31 06001-2007。 本标准代替历次版本发布情况为： Q/SY31 06001-2004、Q/SY31 06001-2005、Q/SY31 06001-2006、Q/SY31 06001-2007 本标准的附录A、附录B为资料性附录。 本标准由上海三一科技有限公司提出。 本标准起草单位上海三一科技有限公司技术中心。 本标准主要起草人：刘雪梅、金德修、陈卫、吴景芳、唐双佳。 引言 对企业产品所涉及的金属材料进行优化和压缩是企业工作中的一项重要课题。如果对金属材料的选用不加以限制，企业将会在金属材料的管理上遇到很大困难。制定《常用金属材料选用规范》，对常用金属材料品种及规格进行压缩，将使采购工作得以简化，降低采购成本；使相应的进厂检验工作量减少，降低进厂检验成本；使有关的库存工作得以简化，降低库存成本，为企业带来直接的经济效益。 《常用金属材料选用规范》只适用于上海三一科技有限公司。 材料基因组计划(MGI) 专题学习报告 材料基因组计划是人类经过信息技术革命后，充分认识到材料革新对技术进步和产业发展的重要作用，以及在复兴制造业的战略背景下提出来的。其主要目的是试图把新材料的开发周期缩短一半，打造全新环形开发流程，推动材料科学家重视制造环节，并通过搜集众多实验团队以及企业有关新材料的数据，代码，计算工具等，构建专门的数据库实现共享，致力于攻克新材料从实验室到工厂这个放大过程中的问题。材料基因组计划主要包括四大系统：材料超级计算系统，材料性能扫描测试技术系统和材料设计性能数据库与信息平台系统。[1] 图1材料连续发展示意图 一，国外研究进展 2011年6月24日，美国总统奥巴马宣布了一项超过5亿美元的先进制造业伙伴关系—计划（AMP），希望通过政府高校科研院所和企业合作来振兴强化美国的制造业先进制造业伙伴关系计划包括四个子计划：（1）用于提高美国国家安全相关行业的制造业水平投入3亿美元包括小型大功率电池先进复合材料金属加工生物制造和替代电池等新型技术产业（2）材料基因组（Materials Genome Initiative，MGI）计划通过在研究培训和基础设施方面超过1亿美元的投资，使发现开发和应用先进材料的速度提高到目前的2倍先进材料又将推动数十亿美元的新兴先进制造清洁能源和国家安全等领域的相关技术，简言之，MGI 是AMP 的基础，缩短了先进材料的开发和应用周期，才有可能掀起制造业的又一次伟大革命新型高端材料与信息技术的结合，才是第三次工业革命产业范式转变的坚实基础（3）投资7000 万美元研制下一代机器人技术（4）开发创新的高效的能源制造工艺，将耗资1.2亿美元开发创新的制造工艺和材料，使企业降低成本，减少能源消耗材料基因组计划是先进制造业伙伴关系计划的主要基础部分，新兴材料才是新型制造业的基础MGI 的实施正是抓住了AMP 计划实施的关键，是重中之重。 2011年6月底，白宫发布了美国国家科学技术委员会起草的“材料基因组计划”白皮书（Materials Genome Initiative，MGI）。白皮书提出，要实现材料领域发展模式的转变，把新材料研发和应用的速度从目前的10～20年缩短为5～10年。[2] 白宫自去年6月底推出材料基因组计划的白皮书后，目前正向相关国家实验室、大学等机构征求政策建议。 美欧材料基因工程计划研究现状及启示 材料基因工程的研究受到了包括美国、欧洲、日本等在内的世界主要发达国家地区的重视，以下是想备搜集整理的一篇探究美欧材料基因工程计划研究内容的，欢迎阅读查看。 1研究背景 新材料的发展长期以来采用的是通过以经验、半经验为基础的传统“炒菜”式实验来摸索，并给予确认的研究模式。这种模式的效率很低，已经难以适应当前世界各国经济快速发展的需求，而且需耗费大量的资源、能源和人力，非常不经济。材料科学家一直在寻求研究和发展新材料的更快速、更经济、更有效的新途径。凝聚态物理的多体相互作用模型及理论的重大进展、计算物科和方法体系的建立、科学和技术的飞速进步等，使得对材料的结构进行计算预测及其性能模拟计算日益成为必要和可能。 美国、欧盟、日本、新加坡、中国等世界主要国家/地区都非常注重材料计算与模拟的发展，组织实施了一系列相关的研究计划和项目。始于2001年的美国能源部“高级计算科学发现项目”是开发新一代科学模拟计算机的综合计划[1].早在2003年，美国国家研究委员会针对美国国防部对材料与制造研究的需求进行了研究，并推荐将计算材料设计研究作为投资的主要方向。欧洲科学基金会的“材料的从头算模拟先进概念”计划(AB-initioSimula-tionsofMaterials,Psi-k2)致力于开发凝聚态材料在原子层级的“从头算”计算方法[2],“生物系统与材料科学的分子模拟”则关注开发计算工具，用于了解生物系统以及人工纳米材料的介观结构。 2002年，日本文部科学省启动纳米生物技术、能源和环境领域“生产技术先进仿真软件”的开发;2009年，开始“间隙控制材料设计和利用技术”;同年，文部科学省和经济产业省联合推行“分子技术战略”[3].新加坡高性能计算研究院开发的APEX(AdvancedProcessExpert)数据挖掘技术已被用于解决工业问题，研究内容包括计算化学、多尺度建模、固态电子学和纳米结构等。 2011年6月24日，美国总统奥巴马宣布了一项超过5亿美元的“先进制造业伙伴关系”计划，其中一项举措就是实施“材料基因组计 划”(MaterialsGenomeInitiative,MGI);几乎是同时，欧洲也启动了“加速冶金”(AcceleratedMetallurgy,AccMet)计划。这两项大型的研究计划都意在加速材料研发和应用的速度，并通过降低研发成本和周期降低失败风险。美国试图打造全新“环形”开发流程，推动材料科学家重视制造环节，并通过搜集众多实验团队以及企业有关新材料的数据、代码、计算工具等，构建专门的数据库实现共享，致力于攻克新材料从实验室到工厂这个放大过程中的问;欧洲则认为，在过去一万年，对人类的技术进步，相比其他材料，金属和合金贡献最大，加之欧盟历来重视防范原材料的风险，因而此次专注于高性能合金的开发。表1所示是美国、欧洲正在开展的材料基因组相关研究的概况对比。【1】 建筑材料教学辅导4（第11章） 第11章防水材料 1．什么是沥青？沥青为什么广泛用于建筑工程的防水、防潮、防渗及防腐和道路工程？ 答：沥青材料是由一些极其复杂的高分子碳氢化合物和这些碳氢化合物的非金属（氧、硫、氮）衍生物所组成的黑色或黑褐色的固体、半固体或液体的混合物。 沥青属于憎水性有机胶凝材料，其结构致密、几乎完全不溶于和不吸水；与混凝土、砂浆、木材、金属、砖、石料等材料有非常好的粘结能力；具有较好的抗腐蚀能力，能抵抗一般酸、碱、盐等的腐蚀；具有良好的电绝缘性。因而广泛用于建筑工程的防水、防潮、防渗及防腐和道路工程。 2．沥青按其在自然界中获得的方式，可分为哪两大类？ 答：沥青按其在自然界中获得的方式，可分为地沥青和焦油沥青两大类。 地沥青是天然存在的或由石油精制加工得到的沥青材料，包括天然沥青和石油沥青。天然沥青是石油在自然条件下，长时间经受地球物理因素作用而形成的产物。石油沥青是指石油原油经蒸馏等工艺提炼出各种轻质油及润滑油后的残留物后再进一步加工得到的产物。 焦油沥青是利用各种有机物（烟煤、木材、页岩等）干馏加工得到的焦油，再经分馏加工提炼出各种轻质油后而得到的产品。包括：煤沥青、木沥青、页岩沥青等。 建筑工程中最常用的主要是石油沥青和煤沥青。 3．石油沥青的组分有哪些？各有何影响？ 答：石油沥青中的组分有：油分、树脂、沥青质，其含量的变化直接影响着沥青的技术性质。 油分含量的多少直接影响沥青的柔软性、抗裂性及施工难度；中性树脂赋予沥青具有一定的塑性、可流动性和粘结性，其含量增加，沥青的粘结力和延伸性增加；酸性树脂能改善沥青对矿物材料的浸润性，特别是提高了与碳酸盐类岩石的粘附性及增强了沥青的可乳化性；沥青质决定着沥青的粘结力、黏度、温度稳定性和硬度等。沥青质含量增加时，沥青的粘度和粘结力增加，硬度和软化点提高。 4．石油沥青的技术性质有哪些？ 答：石油沥青的技术性质：黏滞性（黏性）、塑性、温度敏感性（温度稳定性）、大气稳定性、施工安全性、防水性和溶解度。 5．何谓石油沥青的黏滞性？石油沥青的粘滞性大小与什么因素有关？测定相对黏度的主要方法是什么？ 答：石油沥青的黏滞性是反映沥青材料内部阻碍其相对流动的一种特性。以绝对黏度表示，是沥青性质的重要指标之一。 石油沥青的粘滞性大小与组分及温度有关。沥青质含量高，同时有适量的树脂，而油分含量较少时，则黏滞性较大。在一定温度范围内，当温度上升时，则黏滞性随之降低，反之则随之增大。 工程上常用相对黏度（条件黏度）表示。测定相对黏度的主要方法是用针入度仪或标准黏度计。 黏稠石油沥青的相对黏度用针入度仪测定的针入度来表示。针入度值越小，表明石油沥青的黏度越大。 美国材料基因组计划简介 东北大学秦高梧 2012年11月1日 一、项目背景 自上个世纪八十年代起，技术的革新和经济的发展越来越依赖新材料的进步。目前，从新材料的最初发现到最终工业化应用一般需要10~20年的时间。例如，作为目前移动电子设备所用的Li电池，从上世纪70年代中期实验室原型到90年代晚期应用，前后花了近20年时间，但是至今还没能应用到电动汽车上，很明显，新材料的研发步伐严重滞后于产品的设计。 当前，面对竞争激励的制造业和快速的经济发展，材料科学家和工程师必须缩短新材料从发现到应用的研发周期，以期来解决21世纪的巨大挑战。然而，当前的新材料研发主要依据研究者的科学直觉和大量重复的“尝试法”实验。其实，有些实验是可以借助现有高效、准确的计算工具，然而，这种计算模拟的准确性依然很弱。制约材料研发周期（图1）的另一因素是从发现、发展、性能优化、系统设计与集成、产品论证及推广过程中涉及的研究团队间彼此独立，缺少合作和相互数据的共享以及材料设计的技术有待大幅度提升。 图1 新材料研发周期示意图 二、项目的目标 最近在工程领域出现的集成材料计算与计算机技术相结合范例表明，可以把现有的材料研发周期20~30年缩短到2~3年。《材料基因组计划》拟通过新材料研制周期内各个阶段的团队相互协作，加强“官产学研用”相结合，注重实验技术、计算技术和数据库之间的协作和共享（利益通过学习标识以解决知识产权问题），目标是把新材料研发周期减半，成本降低到现有的几分之一，以期加速美国在清洁能源、国家安全、人类健康与福祉以及下一代劳动力培养等方面的进步，加强美国的国际竞争力。《材料基因组计划》项目在2012年已投入1亿美元。整个目标和具体内容如图2所示。 图2 美国《材料基因组计划》的整个目标和具体内容 三、主要内容 3.1 材料计算手段 目前，从电子到宏观层面都有各自的材料计算软件，但是还不能做到高效跨尺度计算以达到材料性能预测的目的；各个软件之间彼此不兼容；由于知识产权问题，彼此不能共享计算工具的源代码。在这方面未来的工作主要集中在以下几个方面： （1）建立准确的材料性能预测模型，并依据理论和经验数据修正模型预测； （2）建立开放的平台实现所有源代码共享； （3）开发的软件界面友好，以便进一步拓展到更多的用户团体。 3.2 实验手段 （1）实验为弥补理论计算模型的不足和构架不同尺度计算间的联系； （2）补充非常基础的材料物理，化学和材料学的数据，涉及材料的电子，力学，光学等性能数据，构建材料性能相关的成分，组织和工艺间内在联系，并建立庞大的数据库； 华大基因简介 1999年9月9日，随着"国际人类基因组计划 1% 项目"的正式启动，北京华大基因研究中心在北京正式成立。华大基因坚持“以任务带学科、带产业、带人才”，先后完成了国际人类基因组计划“中国部分”（1%）、国际人类单体型图计划（10%）、水稻基因组计划、家蚕基因组计划、家鸡基因组计划、抗SARS 研究、炎黄一号等多项具有国际先进水平的科研工作，在《Nature》和《Science》等国际一流的杂志上发表多篇论文，为中国和世界基因组科学的发展做出了突出贡献，奠定了中国基因组科学在国际上的领先地位；同时建立了大规模测序、生物信息、克隆、健康、农业基因组等技术平台，其测序能力及基因组分析能力位居亚洲第一、世界第三；开创了科学、技术、产业相互推动的发展模式；开展了广泛的国际国内科技合作与交流；建设了一支具有世界一流水平、年轻的产学研队伍；再现了基因组科学和产业发展的深圳速度和深圳奇迹。 抓住新技术突破的机遇，华大基因主力于2007年南下深圳，成立了致力于公益性研究的事业单位深圳华大基因研究院，并于当年10月完成了第一个中国人的基因组序列图谱，又在2008年1月与英美科学家一起启动了“国际千人基因组计划”、2008年3月启动了“大熊猫基因组计划”，2008年10月完成了大熊猫基因组框架图和手工克隆猪的研制，2009年4月启动了“世界三极动物基因组计划”，2009年8月启动了“万种微生物基因组计划”。在国际合作方面，华大基因已启动了“中丹合作糖尿病项目”、“中国欧盟合作肠道微生物项目”，并与丹麦科学家成立了“中丹癌症研究中心”、与香港中文大学成立了“中?华?基因组研究中心”。 在国家领导和有关部门、地方领导及有关部门的支持和鼓励下，华大基因坚持“科学发展才是硬道理”的信念，探索发展一种以技术发展为支撑、以科学发展为导向的全新的推动社会前进和引领未来的发展模式。在科学、技术、产业三位一体的前提下，华大基因致力于开展知识产权密集型的人类健康、规模化重要物种、重要经济动植物等基因组研究，大力发展我国的医学健康产业和现代农业产业。目前，华大基因已形成了科学、技术、产业相互促进的发展模式，建立了 1. 建筑功能材料指具有防水、防火、保温、隔热、采光、隔声、装饰等建筑功能、非承重用材料。决定建筑物使用功能和建筑品质。 2. 化学建材主要是指以有机高分子(合成)树脂为主干成分制成的一类建筑材料. 3. 塑料建材性能特点：优良的加工性能，具有多种功能（改变配方或改性就可改变塑料性能），轻质性，装饰性能出色，其他特性（老化已不是问题，可燃，耐热性差，刚性小易蠕变，热伸缩性大）。 4. PVC改变配方可制成硬质和软质。因含氯具有自熄性。 5. PVC树脂聚合方法：悬浮聚合，乳液聚合。 6. PE聚乙烯燃烧时呈现淡蓝色火焰并发生滴落。PP聚丙烯与PE燃烧性接近，易燃且滴落 7. 熔融指数：在一定温度用2160g的荷重从直径2.1mm、长8mm的毛细管中10min内挤出的克数。 8.聚丙烯PP：等规度是以在正庚烷中的不溶部分的重量百分数来表示的。等规度越高，机械性能越好。 8. PS聚苯乙烯：本体和悬液聚合，能做泡沫塑料，燃烧时大量黑烟碳束。9. 可发性PS是苯乙烯单体经悬浮聚合的珠状产品。 10. ABS塑料单体：丙烯晴，丁二烯，苯乙烯。接枝共聚法。11 PVAc聚醋酸乙烯酯，溶液和乳液聚合生产。软化点低，仅40℃，不能做塑料制品。可直接做粘合剂或内墙涂料基料，不能做外墙涂料基料。11AC丙烯酸类树脂：本体和悬浮聚合 11. 热塑性酚醛树脂：以酸为催化剂，酚与醛比例大于1时。热固性酚醛树脂：以碱为催化剂，且甲醛过量时。 14. 热塑性用甲醛处理可转变成热固性，热固性在酸性介质中用苯酚处理可变成热塑性。 15. 热固性酚醛树脂加热自身可固化；热塑性酚醛树脂加入固化剂固化 12.氨基树脂：脲甲醛树脂和三聚氰胺脲甲醛树脂（MF）。MF耐水性好，电气绝缘性比UF好。13不饱和聚酯树脂（UP）:主要用来制作玻璃钢。 13.环氧树脂（EP）固化：一是环氧基与各活泼氢化合物化学反应而固化；二是叔胺、路易斯酸等催化剂作用下环氧基聚合而交联。 16. 环氧当量：含有1克当量环氧基的树脂克数。环氧值：100克环氧树脂中含有环氧基克当量数。环氧值=100/环氧当量 第六章常用工程材料 一、填空题 1.非合金钢原称__________ 。 2.合金钢按主要质量等级分为__________和__________。 3.合金工具钢分为_______、_________、________、________ 等 4.铸铁是一系列主要由铁、________、________组成的合金的总称 5.工业纯铜分四类，分别代号_______ 、_________、______、________ 表示 6.铸铁中碳以石墨型式析出叫__________。 7.球墨铸铁是指铁液在浇注前经球化处理和______ 。 8.常用的变形铝合金有_______ 、_______ 、_______ 、_______ 。 9、灰铸铁中的石墨以_______________ 形式存在 10.塑料按用途分为______和 ________ ；按树脂性质不同分为________ 和________ 。 二、单向选择题 1.造船用的碳素钢属于( ) A普通质量碳素钢 B优质碳素钢 C特殊质量碳素钢 D以上都不是 2.45钢是( ) A碳素结构钢 B 优质碳素结构钢 C碳素工具钢D优质碳素工具钢 3.碳素工具钢在使用前( ) A要进行热处理B不需要热处理 C有的需要有的不需要D以上都不对 4. 含炭量为0.40%的碳素钢牌号可能是( ) A.4钢 B.40钢 C.T4钢 D.T40 5. 下列是优质碳素钢的是( ) A铁道用的一般碳素钢 B碳素钢钢筋钢 C碳素弹簧钢 D焊条用碳素钢 6. 合金钢要充分显示出良好的特性，必须进行( ) A渗氮 B渗碳 C加工硬化 D 热处理 7. 在我国低合金高强度钢主要加入的元素为( ) A锰 B硅 C钛 D 铬 8. 20Cr为( ) A调质合金钢 B 中淬透性钢 C高淬透性钢 D 低淬透性渗碳港 9. 可锻铸铁中，石墨的存在形式是( ) A粗大片状 B团絮状 C球状 D蠕虫状 10.灰铸铁中，石墨越多、越粗大、分布越不均匀，则其抗拉强的和塑性( ) A越高 B越低 C先搞后低 D先低后高 11.在性质上球墨铸铁的强度、塑性、韧性比灰铸铁( ) A 高 B低 C一样 D难以确定 12.对铸铁石墨化，影响不显著的是( ) A碳 B 硅 C锰 D 磷 13.灰铸铁对表面缺陷和切口敏感性与碳钢相比( ) 第十一章绝热材料及吸声材料 绝热材料和吸声材料，都是建筑功能材料的重要品种。建筑节能的主要途径，是采用绝热材料。有效地运用吸声材料，可以减少噪声对环境的危害。 第一节绝热材料 绝热材料，通称保温、隔热材料，是指对热流具有显著阻抗性的材料或材料复合体。 通常，要求绝热材料的导热系数不宜大于0.17W/（m?K）,表观密度不大于600kg/m3，抗压强度不小于0.3MPa。一般无机材料的耐久性、耐化学腐蚀性及耐高温高湿性等均较好，而有机材料则相对差些。但有机材料的绝热性能要优于无机材料。由于水的导热系数较高，大多数绝热材料吸水后的保温性能均显著降低，所以要求绝热材料应具有较低的吸湿性。 一、无机绝热材料及其制品 无机绝热材料由矿物质材料制成，呈纤维状、散粒状或多孔状，具有不腐、不燃、不受虫害、价格便宜等优点。 （一）纤维状绝热材料 （1）矿渣棉、岩棉及其制品矿渣棉是将冶金矿渣熔化，用高速离心法或喷吹法制成的一种矿物棉。岩棉是以天然岩石为原料制成的矿物棉，常用岩石如玄武岩、辉绿岩、角闪岩等，在冲天炉或池窑中熔化，用喷吹法或离心法制成。 矿渣棉和岩棉，都具有保温、隔热、吸声、化学稳定性好、不燃烧、耐腐蚀等特性，是可以直接使用和做成制品使用的无机棉状绝热材料。 产品标准规定要求板、毡制品中纤维平均值应≤7.0μm;粒径大于0.25mm的渣球含量应≤10％；制品尺寸和密度应符合表11-1的规定；制品的热阻应不小于其公称热阻值，同时还应符合表11-2的规定。 （2）玻璃棉及其制品玻璃棉是以硅砂、石灰石、萤石等为主要原料，在玻璃窑中熔化后，经离心喷吹工艺制成。根据《绝热用玻璃棉及其制品》GB/T 13350－2000的规定，玻璃棉按纤维平均直径分为三个种类，按工艺分成火焰法（标记a）和离心法（标记b）两类。对各类棉的纤维平均直径和物理性能应符合表11－3的规定，棉中渣球的要求如表11－4所示。 第十一章海上隔水管 第一节海上隔水管简介 海上隔水管是从海上钻井平台下到海底浅层的套管，是在钻井作业时隔绝海水、循环泥浆的安全通道，上接导流器，下连防喷器，是一组重要的水下钻井装备。在海上石油的勘探中，钻井隔水管是整个钻井系统中重要而又薄弱的环节，是影响海上钻井安全的重要因素。因此隔水管的稳定性对于整个石油的勘探、开采起着重要的作用。 （一）海上隔水管系统主要功能如下： a．隔开海水，提供井口与钻井船之间的液体传输的通道： 1）正常钻井条件下，在隔水管环空内。 2）当BOP组正用于井控时，通过节流和压井管线。 b．支撑节流、压井及辅助管线； c．把工具导向井内； d．作为BOP组的送入和回收管体。 （二）海上隔水管特点： ?工况多变； ?操作频繁； ?深水对钻井隔水管的作用效率与安全有重要的影响； ?其安全性与钻井过程及钻井参数密切相关。 （三）深水隔水管特点： ?结构更为复杂； ?隔水管设计时所考虑的主要因素不同； ?受力状态更加恶劣和复杂，动态响应更为明显，动态分析时与浅水也有很大的不同； ?操作时间长，导致非钻井时间变长，容易出现操作不当导致结构损伤 （四）海上隔水管的失效形式： 1、隔水管灾难性破坏 2、隔水管爆裂 3、隔水管塌陷（静水压溃） 4、涡激振动导致开口破坏 5、隔水管最下部接头处（LMRP上部）断裂 6、隔水管磨损 第二节海上隔水管系统组成及工作原理（一）隔水管系统的组成 （二）海上隔水管系统配套设备 1、卡盘（液压连接装置） 隔水管液压上紧装置放在转盘上，当提起隔水管和连接隔水时，将隔水管柱和BOP组件坐在盘上，卡盘内径和转盘内径相同。其主要作用在于夹紧水管，便于快速连接和拆卸隔水管接头。 隔水管万向节 隔水管万向节放在转盘和卡盘之间，能够支持卡盘、整个隔水管柱和BOP组件的重量，其作用类似于伸缩接头，可以补充由于海流产生的隔水管偏移，便于隔水管连接。 2、分流器(转喷器） 当穿过30英寸套管进行井口钻井时，如有必要，可采用隔水管，使用重泥浆，以提供过平衡。此阶段尚未安装防喷器（BOP）因为一般情况下30英寸的套管还缺少关井所需的足够的压力完善性。因此，如果井自喷，隔水管将把流体导引至钻机上的分流系统。通常，分流系统由环空密封设备、既能打开放气管线又能关闭钻井液返出管的装置以及一个控制系统组成。 3、上部挠性接头（球接头） 材料基因工程——为什么是一项“颠覆性前沿技术” 1.前言 材料基因组技术是近几年兴起来的材料研究新理念和新方法，是当今世界材料科学与工程领域的最前沿。材料基因工程借鉴人类基因组计划，探究材料结构与材料性质变化的关系。并通过调整材料的原子或配方、改变材料的堆积方式或搭配，结合不同的工艺制备，得到具有特定性能的新材料。但是材料基因组与人类基因组的又有很大的区别，材料的微观结构多样化，不但成分组成可以不同，微观形貌等结构也可能千差万别，其组成-结构-性能之间的关系更加复杂。 2.材料基因组技术 2.1材料基因组技术 材料基因组计划是通过“多学科融合”实现“高通量材料设计与试验”；其核心目标在于通过“高通量计算、实验和大数据分析”技术加速材料“发现-研发-生产-应用”全过程，缩短材料研发周期，降低材料研发成本，引发新材料领域的科技创新和商业模式变革。 材料基因组技术包括高通量材料计算方法、高通量材料实验方法和材料数据库三大组成要素。 2.1.1高通量材料计算方法 高通量计算是指利用超级计算平台与多尺度集成化、高通量并发式材料计算方法和软件结合，实现大体系材料模拟、快速计算、材料性质的精确预测和新材料的设计，提高新材料筛选效率和设计水平，为新材料的研发提供理论依据。其中并发式材料计算方法包括第一原理计算方法、计算热力学方法、动力学过程算法等，跨越原子模型、简约模型和工程模型等多个层次，并整合了从原子尺度至宏观尺度等多尺度的关联算法。 高通量材料集成计算技术利用第一性原理、分子动力学与位错动力学、合金相图计算、相场计算等方法，快速并行模拟实验室中成分与性能优化的传统试错式材料研发过程，并基于材料科学知识，迅速挑选有利于目标性能的合金成分与微观结构特征，从而加速新材料的研发进程并显着降低材料研发成本。 2.1.2高通量材料实验方法 传统材料研发模式依赖于成分与工艺的不断“试错”实验优化，结合对结构-性能关系的不断理解以获得满足性能指标的材料。但是，新型关键材料具有成分多元化、复杂化、微结构多级化等特点，传统的“试错”模式在实际材料开发中不仅耗费巨大，而且几乎难以取得成功。 高通量实验平台是发展材料基因组技术具备的条件之一。高通量实验平台可以为据库提供数据支撑；而就高通量集成计算而言，高通量实验技术为各种计算模拟工作提供计算目标。材料基因组概念中的高通量实验技术具有快速制备快速表征各类金属与非金属样品的能力，典型的高通量实验方法有扩散多元结与材料基因芯片第十一章_智能材料与结构
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