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1、新材料技术,新型材料技术,新材料技术是按照人的意志，通过物理研究、材料设计、材料加工、试验评价等一系列研究过程，创造出能满足各种需要的新型材料的技术。,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,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精密仪器和装置来进行。,材料的重要作用,材料是人类社会赖以生存和发展、征服自然和改造自然的物质基础。纵观人们利用材料的历史，可以清楚地看到，每一种重要的新材料的发展和应用，都把人类支配自
2、然的能力提高到一个新水平。材料科学技术的每一次重大突破都会引起生产技术的革命，大大加速社会发展的进程，给社会生产和人们生活带来巨大的变化，把人类物质文明推向前进。,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,一、新型金属材料,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,(1)非晶态金属,（2）形状记忆金属,某种合金在一定温度下，给它一固定的形状，当温度下降时，很容易把它变成另一种形状，而当温度恢复时，它又恢复原来形状的合金。,目前发现具有“记忆”功能
3、的合金主要有金镉合金、镍钛合金、镍锌合金、铜铝镍合金和铜金锌合金等。其中 11的镍和钛组成的“镍钛诺”合金应用最广。,飞机液压管路的连接；卫星自展天线；人体修复材料；自动开启门窗装置。,确定的转变温度超弹性;抗疲劳性;耐腐蚀和耐磨损性。还具有良好的生物相容性。,形状记忆合金在太空自然恢复原状,镍钛记忆合金“花瓣”在相应的温度下慢慢绽放,（3）贮氢合金,利用金属或合金与氢形成氢化物而把氢贮存起来。,目前，发展中的贮氢合金有镁系贮氢合金、钛系贮氢合金、锆系贮氢合金、铁系贮氢合金和稀土系贮氢合金等。,贮氢 合金粉,与传统陶瓷相比，新型陶瓷强度 硬度 耐磨损、耐高温、耐腐蚀性能等的性能有了很大的提高。
4、特别是在克服传统陶瓷的致命弱点脆性问题上有很大的突破。新型陶瓷按其使用的性能可分为新型结构陶瓷和新型功能陶瓷 生物陶瓷。,新型陶瓷的特性,二、新型陶瓷,陶瓷器制造过程,结构陶瓷的结构原理,在结晶构造上，结构陶瓷的元素结合力主要为离子键、共价键或离子，共价混合键。这些化学键的特点是高的键能和键强，它们赋予结构陶瓷以高熔点、高硬度、耐腐蚀、耐磨损和良好的抗氧化性等基本性能。然而，由于陶瓷材料的本身脆性大、韧性低，导致了它的使用可靠性和抗破坏能力差的致命缺点，使其在工程方面的应用受到限制。,结构陶瓷部件,结构陶瓷零件,结构陶瓷 部件,功能陶瓷是一类颇具灵性的材料，它们或能感知光线，或能区分气味，或能
5、储存信息，它们在电、磁、声、光、热等方面具备的许多优异性能令其他材料难以企及，有的功能陶瓷材料还是一材多能呢！而这些性质的实现往往取决于其内部的电子状态或原子核结构，又称电子陶瓷。已在能源开发、电子技术、传感技术、激光技术、光电子技术、红外技术、生物技术、环境科学等方面有广泛应用。,多功能陶瓷莲花座,多功能陶瓷美发器,纳米功能陶瓷项链,。,生物陶瓷材料主要包括羟基磷灰石HA、磷酸三钙TCP)、高密度氧化铝(a一A12O3)、生物活性玻璃(BiogiassBG)等，其中，磷酸钙盐生物陶瓷的主要成分为钙、磷离子，与骨的无机成分相似，具有良好的生物相容性，作为骨修复材料时可为新骨的形成提供支架。生物
6、陶瓷分为生物活性陶瓷和生物惰性陶瓷。其中，高密度氧化铝(a-A1203)属生物惰性陶瓷，其余属生物活性陶瓷。,用新型陶瓷制成的人造牙,用新型陶瓷制成的人造骨,羟基磷灰石生物陶瓷,生物陶瓷听小骨置换假体,三、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，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型人介观系统，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300
7、0分之一,1.表面效应,2.小尺寸效应,随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。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，从而产生如下一系列新奇的性质。（1）特殊的光学性质（2）特殊的热学性质（3）特殊的磁学性质（4）特殊的力学性质超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、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
8、子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。近年来，人们发现一些宏观量如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量及电荷也具有隧道效应，他们可以穿越宏观系统的势阱而产生变化，故称之为宏观量子隧道效应。,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,纳米颗粒型材料：也称纳米粉末，一般指粒度在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，它具有不同于常规固体的新特性。纳米固体材料通常指由尺寸小于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
9、型固体材料。,氧化锌晶体,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。试管中磁性液体舞蹈,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,碳纳米管：碳材料家族中的新成员，为黑色粉末状，是由类似石墨的碳原子六边形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。碳纳米管本
10、身有非常完美的结构，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。它像金刚石那样硬，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。如果用它做成地球-月球乘人的电梯，人们在月球定居就很容易了。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10002000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,纳米材料的应用,由
11、于纳米微粒的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等使得它们在磁、光、电、敏感性等方面呈现常规材料不具备的特性。因此纳米微粒在磁性材料、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。陶瓷增韧：由纳米粒子压制成的纳米陶瓷材料有很好的韧性。因为纳米材料具有较大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与延展性。,纳米陶瓷,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
12、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。,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，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；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，因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用。,美国F117隐形轰炸机机,美国B2隐形轰炸机,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
13、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。纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒于作催化剂，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。,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
14、。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。,光催化剂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。其降解机
15、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。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。,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。我国新近研制成功一种具备自动清洁功能，可以自动消除异味、杀菌消毒的“纳米自洁净玻璃”。“纳米自洁净
16、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，氧化室内有害气体，杀灭空气中的各种细菌和病毒。这种玻璃与普通玻璃的价格比预计为1.5：1。,纳米材料“绝水”雨伞,纳米TIO2台式空气清净机,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；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
17、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、脚癣等疾病,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。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
18、决。,硅材料新型纳米生物传感器,纳米机器人,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来。实验已证明，这种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。也许有一天，这种人工耳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。,家电：用纳米材料制成的纳米材料多功能塑料，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
19、的抗菌除味塑料。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。计算机在普遍采用纳米材料后，可以缩小成为“掌上电脑”。,纳米存储器，存储密度可达每平方厘米10万亿字节,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
20、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,四、高分子合成材料,高分子是由碳、氢、氧、氮、硅、硫等元素组成的分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。高分子材料主要包括塑料、纤维、橡胶、薄膜、胶
21、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。高分子材料特点：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,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（亚克力,Acrylic）“塑料王”的耐腐蚀塑料聚四氟乙烯 作为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,合成纤维：涤纶、锦纶、晴纶、维纶、丙纶、氯纶等“六大纶”可做宇航服、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
22、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,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、氟橡胶能在零下50度不变形，又可耐250度高温，用于制造火箭、导弹、飞机的某些零件。,氟橡胶零件,硅橡胶手镯,五、复合材料,现代科技的发展，对材料的性能提出高标准、多样化，甚至是相互矛盾的要求，
23、因此，任何一种单一的材料都难以满足上述需要，于是各种高性能的复合材料便应运而生。复合材料是由基体材料和增强材料两部分组成，根据基体材料和增强材料的特点，复合材料可分为结构复合材料和功能复合材料两大类复合材料在高度轻量化直升机上的用量已达结构重量的70%-80%，在先进战斗机上的用量大约是结构重量的30%-40%。,国产重点型号战机将用复合材料水平尾翼,复合材料井盖,结构复合材料作为承力结构使用的材料，它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；可以根据材料在使用中受力的要求进行选材设计及复合结构设计增强体包括各种玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金属、天然纤维、织物、晶体等；基体包括高聚体（树脂）基、金属基、陶瓷基、碳基等树脂基复合材料用于建筑、造船、车辆、化工容器、生活用品等金属基复合材料是宇航、航空技术的理想材料,树脂基复合材料,耐磨陶瓷复合材料膨胀节,碳基复合材料,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。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，有广阔的发展前景科学家研制出新材料 隐身斗篷将成现实隐身衣真的来了？,
