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1、第10章 现代新型材料及其应用,概 论,一、材料是技术进步的关键要素之一,是宇宙间可用于制造有用物品的物质。是人类生存和发展的物质基础，也是人类社会现代文明的重要支柱，材料的变化直接影响社会的变革。是新技术革命的重要标志之一。 （信息技术、生物技术和新材料技术）是整个新技术群落的物质承担者。,二、新材料及其特点,新材料：指新近发展或已在发展中具有比传统材料更为优异性能的一类材料。特点： 知识与技术密集度高；与新工艺和新技术关系密切；更新换代快；品种式样变化多。, 多学科相互交叉和渗透的结果，合成、制造与许多极端条件技术相关；表现出综合性和复杂性； 表征和评价技术须采用多种基于最新科学技术成就的
2、精密仪器和装置来进行。,纳米级材料的评价,电镜观察纳米级材料,三、新材料的类型,新材料,新型金属材料合金、稀有金属,高分子合成材料合成橡胶、塑料化学纤维,新型无机非金属材料工业陶瓷、光导纤维半导体材料,复合材料,纳米材料,光电子材料,10.1 复合材料,定义：是由两种或两种以上化学本质不同的组成人工合成的材料。成分：多相，一类组成（或相）为基体，起粘结作用，另一类为增强相。,一、分类1）按结构分： 金属基复合材料； 高分子基复合材料； 陶瓷基复合材料。,2）按性能分： 功能复合材料； 结构复合材料。,（1）结构复合材料由能承受载荷的增强体与能连接增强体成为整体材料同时又起传递力作用的基体构成。
3、增强体：各种玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金属、天然纤维、织物、晶体等；基体：高聚体（树脂）基、金属基、陶瓷基、碳基等。树脂基型用于建筑、造船、车辆、化工容器、生活用品等。金属基型用于宇航、航空技术等。,树脂基复合材料,耐磨陶瓷复合材料膨胀节,碳基复合材料,（2）功能复合材料一般由功能体和基体组成，基体不仅起到构成整体的作用，而且能产生协同或加强功能的作用，利用材料的电学、化学等性能。,隐身衣真,现已有压电型功能复合材料、吸波、屏蔽性功能复合材料（隐身材料）、导电功能复合材料等，有广阔的发展前景。,3）按增强相分： 颗粒增强复合材料； 纤维增强复合材料（玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、SiC纤维等）；
4、层状增强复合材料。,二、特点1比强度和比模量大：例如、碳纤维和环氧树脂组成的复合材料，其比强度是钢的7倍，比弹性模量比钢大3倍。,A plate spring and a boat made from composite materials,2耐疲劳性能比较高：例如、碳纤维-聚树脂复合材料的疲劳极限是抗拉强度的7080，而金属材料的疲劳极限只有抗拉强度的4050。,3减震性能好： 4. 耐高温性能好： 高温强度、弹性模量高。例如、LC4铝合金 在400时，弹性模量接近于零，抗拉强度从室温时500MPa降至3050MPa。,而碳纤维或硼纤维增强组成的复合材料，在400时，强度和弹性模量可保持接近
5、室温下的水平。,5断裂安全性好断裂时应力迅速重新分布，载荷由未断裂的纤维承担起来。,6其它性能特点还具有良好的化学稳定性、隔热性、烧蚀性以及特殊的电、光、磁等性能。,7主要问题：抗冲击性能尚不够理想；多为手工生产，难以自动化生产，生产周期长，效率低；产品质量不够稳定；成本较高。,三、应用1、颗粒增强复合材料：主要应用于高硬度高耐磨的工具和耐磨零件。2、弥散强化复合材料：主要应用在原子能工业等中的导电结构材料。,卫星用颗粒增强铝基复合材料零件,3、碳化硅颗粒增强铝基：制造大功率汽车发动机、柴油机的活塞、连杆、刹车片等；制造火箭、导弹构件、红外及激光制导系统构件；精密仪表中高尺寸稳定性材料。,4、
6、热塑性与热固性玻璃钢：工程结构。5、碳纤维-树脂复合材料：航空航天、机械制造、汽车工业及化学工业中。6、硼纤维-树脂复合材料：航空航天和军事工业。,7、碳化硅纤维-树脂复合材料：主要用于航空航天工业。8、长纤维增强金属基复合材料航天航空，先进武器和汽车；电子、纺织、体育等领域。,航天飞机内MMC (Al / B纤维)桁架,10.2 其他新型材料,1、新型金属材料,1）非晶态金属（金属玻璃）由沸腾的钢液经每秒100万度的速度冷却而成。原子从有序排列变成了无序排列。具有极优异的物理磁性能、化学耐腐蚀性能和力学耐磨性能，传统的车钳铣刨和强酸溶液对它们无可奈何。可以在通信、交通、电子、家电、防盗等很多
7、领域大显身手。,外表轻薄如纸、优雅华丽、用手可轻易撕断的带形金属玻璃,“终结者”的材料变现实,2）合金材料：新型合金材料包括许多种类，它们性能各异，用途各不相同，铝合金、镁合金、钛合金、铁镍铬及高温合金、稀贵金属合金等等。,歼-11机体制造中使用大量钛合金材料,3）形状记忆合金：能够使温度值变化时人为造成的形状变化，在温度恢复到特定值时，形状也自动丝毫不差地恢复到原来的状态。坚韧性极强，可反复变形和复原500万次而不产生疲劳断裂。其广泛应用于卫星、飞船和空间站的大型天线、飞机部件接头以及骨科整形等方面。4）新型金属功能材料：如贮氢合金等。,镍钛记忆合金“花瓣”在相应的温度下慢慢绽放,形状记忆合
8、金在太空自然恢复原状,5）超导金属材料：在特定条件下，电阻完全消失，产生超导电性的材料。,三个基本特征：具有零电阻、完全抗磁性和载流能力强。应用：制造磁性极强的超导磁铁，用于磁约束核聚变反应、大容量储能设备、高能加速器、超导发电机、电力工业输电和交通运输工具等。,如美国实现超导输电，每年可以节省100亿美元的电力；制造超高速计算机和高灵敏度的探测设备、通信设备、航天系统等。如1989年日本研制出世界第一台超导电子计算机，其全部采用约瑟夫森超导器件，运算速度达每秒10亿次，功耗6.2毫瓦，仅为常规电子计算机功耗的千分之一。,2、高分子合成材料,定义：高分子是由碳、氢、氧、氮、硅、硫等元素组成的分
9、子量足够高的有机化合物。常用高分子材料的分子量在几百至几百万之间，有的可高达上千万。分类：主要包括塑料、纤维、橡胶、薄膜、胶粘剂和涂料等，其中合成塑料、合成纤维、合成橡胶被称为现代高分子三大合成材料。特点：重量轻、高弹性、强度低、韧性好、粘弹性、耐摩性、绝缘性好，低导热性、耐热性、耐蚀性好、易老化。,1）合成塑料：聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯四大品种是日常生活中最常见的塑料材料，全球总产量在1亿吨左右。透光性好的有机玻璃；“塑料王”的耐腐蚀塑料聚四氟乙烯；工程塑料的聚碳酸脂、聚甲醛、聚酰亚胺和常用做泡沫塑料的聚胺脂等。,2）合成纤维：涤纶、锦纶、晴纶、维纶、丙纶、氯纶等“六大纶”。可做宇
10、航服、耐超热超冷的芳纶1313；可做飞机机翼、高强缆索的芳纶1414；可耐400高温和负273超低温的聚酰亚胺纤维；可做人造血管、软骨等人体器件的氟纶纤维；可做新式伪装服的多色纤维；可做合成纸、合成革、高效除尘器的高缩纤维、复合纤维、有色纤维、网络丝、完全变形纱、吸湿纤维和离子交换纤维等。,芳纶1313,莫代尔,涤纶,晴纶,高分子人造血管,合成革,复合纤维棉内胆,3）合成橡胶 ：将天然乳胶经过硫化处理变成能成型、富有弹力的材料，填补天然橡胶的不足；发展极快 。顺丁橡胶、异戊橡胶、乙丙橡胶等发展前途看好。硅橡胶、氟橡胶能在-50不变形，又可耐250 高温，用于制造火箭、导弹、飞机的某些零件。,氟
11、橡胶零件,硅橡胶手镯,1）陶瓷材料：新型陶瓷的强度、硬度、耐磨损、耐高温、耐腐蚀等性能都比传统陶瓷有很大提高，特别是在克服传统陶瓷的致命弱点脆性问题上取得重大突破。新型结构陶瓷：氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硅化物陶瓷、硼化物陶瓷、砷化物陶瓷、氰化物陶瓷等。新型功能陶瓷：装置陶瓷、电容器陶瓷、压电陶瓷、电致伸缩陶瓷、热释电陶瓷、磁性陶瓷、半导体陶瓷、导电与超导陶瓷、光学陶瓷和敏感陶瓷等。,新型陶瓷制成的人造骨等,陶瓷零件,3、新型无机非金属材料,2）玻璃材料：改变了传统玻璃易碎、易传热的特性；具有“特异功能”：玻璃钢、记忆玻璃、化学敏感性玻璃、超韧性增强玻璃、激光玻璃、防弹玻璃、防辐射玻
12、璃等。,防弹玻璃,防辐射高铅玻璃,3）光导纤维：纯度极高的玻璃纤维制成使现代通信技术发生了革命性的转变，并且在医疗、遥感、遥测等领域也得到越来越广泛的应用。光纤通信具有传输距离远、保密性好、抗干扰等优点，一条电缆就可以传输几百万路电话；可传输高强度的激光 ；制作光纤传感器。,由光导纤维构成的光缆,光导纤维工艺品,4）半导体材料：重要信息材料，信息技术发展的基础。锗材料：不发热、功耗低、可靠性高、转换速度快、功能多样和体积小。硅材料：机械强度高、结晶性强、在自然中储量丰富、成本低，并且可以拉制出大尺寸的完整单晶，是电子信息工业领域的主要半导体材料。砷化镓：运动速度快（10倍）、电子激发后释放能量
13、以发光形式进行等特点，为继硅之后第二种最重要的半导体电子材料。,第一台晶体管收音机仅包含4只锗晶体管,半导体器件,4、生物材料,也称为生物工程材料或生物医学材料，是生物体器官缺损、病变或衰竭的替代材料，也就是人类器官再造材料。生物活性陶瓷已实现与骨、软组织相结合。生物化学水泥在骨骼缺损修补、骨骼植入材料的固定和牙齿的修复等过程使用。人工器官已制造出人工心脏、人工肝脏、人工肾、人工喉、人工眼球、人工骨、人工皮、人造血浆和血液等 预期研制出具有主动诱导、能促进人体自身组织和器官再生作用的生物复合材料。,人造器官的设计制造,5、光电子材料,包括光通信、光计算、激光加工、激光医疗、激光印刷、激光影视、
14、激光仪器、激光受控热核反应、激光分离同位素、激光制导等许多方面。是整个光电子技术的基础和先导。包括信息获取材料、信息传输材料、信息存储材料以及信息处理和运算材料等，其中主要是各类光电子半导体材料、各种光纤和薄膜材料、各种液晶显示（LCD）材料等。,LED发光产品,蓝宝石晶体,电子纸,全球第二大液晶显示器生产商飞利浦公司宣布，该公司已研发出世界首款4096色“电子纸”。 “电子纸”是一种超薄、超轻的显示器。飞利浦开发的这款英寸彩色显示器薄如纸张，并且可以随意折叠弯曲。这款“电子纸”的电路板由金属制成，而非传统使用的玻璃，从而可以提高产品的灵活性。与现有的液晶技术有所不同：没有目前其他显示设备无法
15、避免的强烈反光，画面分辨率较高，显示效果与视觉效果同普通书写纸几乎完全相同。,6、纳米材料,纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1100nm间的粒子。1）特性：它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。,原子排成的“原子”字样,1nm=1/10亿米，10个氢原子紧密排列，20nm是头发丝直径的3000分之一,（1）表面效应,（2）小尺寸效应,由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生一系列新奇性质：特殊的光学性质特殊的热学性质特殊的磁学性质特殊的力学性质微颗粒的小尺寸效应
16、还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。,（3）量子尺寸效应,微粒尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级，吸收光谱阙值向短波方向移动，这种现象称为量子尺寸效应。,（4）宏观量子隧道效应,隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。,2）几种典型的纳米材料,纳米颗粒型材料纳米固体材料纳米膜材料纳米磁性液体材料碳纳米管,纳米算盘C60每10个一组，在铜表面形成世界上最小的算盘。,纳米皇冠,（1）纳米颗粒型（也称纳米粉末）指粒度在100nm以下的粉末或颗粒。由于尺寸小，比表面大和量子尺寸效应等原因，它具有不同于
17、常规固体的新特性。（2）纳米固体型通常指由尺寸小于15纳米的超微颗粒在高压力下压制成型，或再经一定热处理工序后所生成的致密型固体材料。,氧化锌晶体,（3）纳米磁性液体材料：磁性液体是由超细微粒包覆一层长键的有机表面活性剂，高度弥散于一定基液中，而构成稳定的具有磁性的液体。它可以在外磁场作用下整体地运动，因此具有其它液体所没有的磁控特性。,磁性液体尖峰状态,磁性液体的应用：磁性液体静态密封装置（安全阀）,磁性液体在扬声器上的应用，显著改善散热性能，提高功率一倍以上，使音圈自动定位，改善频率响应，减少失真。,磁性液体阻尼器,磁性液体离心开关,（4）碳纳米管：为黑色粉末状，是由类似石墨的碳原子六边形
18、网格所组成的管状物，它一般为多层，直径为几纳米至几十纳米，长度可达数微米甚至数毫米。有非常完美的结构，尺寸只有头发丝的十万分之一，但导电率是铜的1万倍，强度是钢的100倍而重量只有钢的七分之一。像金刚石硬，却有柔韧性，可以拉伸。它的熔点是已知材料中最高的。,如果用碳纳米管做绳索，是唯一可以从月球挂到地球表面，而不被自身重量所拉断的绳索。纳米碳管的细尖极易发射电子。用于做电子枪，可做成几厘米厚的壁挂式电视屏，这是电视制造业的发展方向。超高的成本使国际市场90高纯度的碳纳米管价格高达1000-2000美元克，一般纯度的碳纳米管价格也在60美元克，远远高出黄金的价格。,把碳纳米管用作转子的纳米马达,
19、3）纳米材料的应用,纳米材料在磁、光、电、敏感性等方面呈现常规材料不具备的特性。在磁性材料、电子材料、光学材料、高致密度材料的烧结、催化、传感、陶瓷增韧等方面有广阔的应用前景。（1）陶瓷增韧：有很好的韧性和延展性。,纳米陶瓷,（2）光学方面的应用：纳米微粒由于小尺寸效应使它具有常规大块材料不具备的光学特性，如光学非线性、光吸收、光反射、光传输过程中的能量损耗等。利用纳米微粒的特殊的光学特性制成的各种光学材料将在日常生活和高技术领域得到广泛的应用。目前关于这方面研究还处在实验室阶段，有的得到了推广应用。,这就大大减少波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的作用；
20、,美国F117隐形轰炸机机,（3）隐身材料应用：由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多；,另一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大34个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多；这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低；,美国B2隐形轰炸机,因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用。,（4）催化领域的应用：催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低，而且其制备是凭经验进行，不仅造成生产原料的巨大浪费，使经济效益难以提高，而且对环境也造成污染。
21、,纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒子作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高1015倍。,（5）环境保护方面的作用：随着纳米技术的悄然崛起，纳米环保也会迅速来临，拓展人类利用资源和保护环境的能力，为彻底改善环境和从源头上控制新的污染源产生创造了条件。治理有害气体：纳米技术可以制成非常好的催化剂，经它催化的石油中硫的含量小于0.01。,在燃煤中可加入纳米级助烧催化剂，以帮助煤充分燃烧，提高能源的利用率，防治有害气体的产生。纳米级催化剂用于汽车尾气催化，有极强的氧化还原性能，使汽油燃烧时不再产
22、生一氧化硫和氮氧化物，根本无需进行尾气净化处理。,污水处理：污水中的贵金属是对人体极其有害的物质。它从污水中流失，也是资源的浪费。新的一种纳米技术可以将污水中的贵金属如金、钌、钯、铂等完全提炼出来，变害为宝。一种新型的纳米级净水剂具有很强的吸附能力。它的吸附能力和絮凝能力是普通净水剂三氯化铝的10-20倍。,（6）光催化剂降解作用：可以很好地降解对室内主要的气体污染物甲醛、甲笨等，其中纳米TiO2（钛白粉、二氧化钛) 的降解效率最好，达到近100。降解机理：是在光照条件下将这些有害物质转化为二氧化碳、水和有机酸。应用：纳米TiO2的光催化剂也可用于石油、化工等产业的工业废气处理，改善厂区周围空
23、气质量。,用纳米TiO2可以加速城市生活垃圾的降解，其速度是大颗粒TiO2的10倍以上，从而解决大量生活垃圾给城市环境带来的压力。用纳米TiO2催化降解技术来处理毛纺染整废水，具有省资、高效、节能，最终能使有机物完全矿化、不存在二次污染等特点。,（7）自洁作用：纳米TiO2由于其表面具有超亲水性和超亲油性，因此其表面具有自清洁效应，即其表面具有防污、防雾、易洗、易干等特点。如可以自动消除异味、杀菌消毒的“纳米自洁净玻璃”。,纳米材料“绝水”雨伞,纳米TIO2台式空气清净机,“纳米自洁净玻璃”是应用高科技纳米技术在平板玻璃的两面镀制一层纳米薄膜；薄膜在紫外线的作用下可分解沉积在玻璃上的污物，氧化
24、室内有害气体，杀灭空气中的各种细菌和病毒。“纳米自洁净玻璃”与普通玻璃的价格比预计为1.5：1。,纳米护腿、护膝、鞋垫,采用纳米远红外材料，具有远红外保健功能；采用纳米磁性材料，兼具磁疗功能； 采用纳米永磁材料，没有磁硬块，穿着舒适，洗涤方便；有效激活细胞的代谢能力，增强肌体免疫力；舒筋活络、改善局部血液循环，对关节疼痛止痛迅速；,纳米永磁材料对贴近的肌肤起全方位的按摩及刺激作用；纳米鞋垫采用多种纳米粉体精制而成，除臭效果极佳。尤其适用于运动量较大，有脚气、脚癣的朋友们，不必清洗，置于日光晒数分钟效果更好。止痒抗菌功能：吸湿能力较强，产品中的无机抗菌材料，可长效抑菌，抑制鞋内真菌繁衍、防治脚气
25、、脚癣等疾病。,（8）医学应用：将药物储存在碳纳米管中，并通过一定的机制来激发药剂的释放，则可控药剂有希望变为现实。纳米材料粒子将使药物在人体内的传输更为方便，用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。,硅材料新型纳米生物传感器,纳米机器人,使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液，就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病。采用纳米大分子 “生物部件”与小分子无机物晶体结构组合，采用纳米电子学控制装配成纳米机器人，将会给人类医学科技带来深刻的革命，使现在许多的疑难病症得到解决。,科学家们正在研制一种人工耳：纳米耳，它的敏锐度甚至能够把细胞所发出的躁声分辨出
26、来。纳米耳灵敏度大大超过人耳纤毛的潜力。耳朵里的纤毛直径为100纳米左右，长度是一两个微米，而现在制造的纳米耳直径只有几纳米，长度却有60微米。它的这个长度使其灵敏度增高许多。可置于人体血液循环中，作为流动的纳米听诊器，专门监听细胞功能失调，甚至可以听到癌细胞所发出的清晰声音。这种纳米耳完全生产并投入使用大概在10年之内。,（9）家电：纳米多功能塑料具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外线等作用，可用处作电冰箱、空调外壳里的抗菌除味塑料。（10）计算机和电子工业：可以从阅读硬盘上读卡机以及存储容量为目前芯片上千倍的纳米材料级存储器芯片都已投入生产，计算机可以缩小成为“掌上电脑”。,纳米存储器，存
27、储密度可达每平方厘米10万亿字节,（11）纺织工业：在合成纤维树脂中添加纳米SiO2、纳米ZnO、纳米SiO2复配粉体材料，经抽丝、织布，可制成杀菌、防霉、除臭和抗紫外线辐射的内衣和服装，可用于制造抗菌内衣、用品，可制得满足国防工业要求的抗紫外线辐射的功能纤维。美国借纳米技术开发出新型液体防弹衣。（12）机械工业：采用纳米材料技术对机械关键零部件进行金属表面纳米粉涂层处理，可以提高机械设备的耐磨性、硬度和使用寿命。,21世纪初的主要任务：是依据纳米材料各种新颖的物理和化学特性，设计出各种新型的材料和器件。通过纳米材料科学技术对传统产品的改性，增加其高科技含量；以及发展纳米结构的新型产品。,纳米材料将成为材料科学领域一个大放异彩的明星展现在新材料、能源、信息等各个领域，发挥举足轻重的作用。随着其制备和改性技术的不断发展，纳米材料在精细化工和医药生产等诸多领域会得到日益广泛的应用。全面理解纳米科技内涵，促进纳米科技在我国的健康发展。,结 束,
