1、新材料(cilio)的發(fā)展與應(yīng)用制作(zhzu)人： 2011075班 201107511孫寬共四十四頁 1）新材料的出現(xiàn)是為了解決現(xiàn)有材料性能不能滿足人們對所需性能的矛盾而出現(xiàn)的。例如具有高強度(qingd)的同時，又具有較高的硬度，塑形，韌性，疲勞輕度等性能，但是現(xiàn)在的普通材料在具有高硬度，高強度(qingd)時，塑形，韌性卻大幅度降低；又比如汽車工業(yè)，需要在保持一定強度(qingd)的時，又具有較輕的質(zhì)量，現(xiàn)在普通的鐵碳合金，以及金屬材料很難滿足高級賽車所需要的強度(qingd)與質(zhì)量的一個平衡，故現(xiàn)在較好的賽車都已經(jīng)開始摒棄普通的金屬材料。共四十四頁 這輛法拉利 Enzo 車身采用的材

2、料是碳纖維，擁有著較高的強度，還有著非常(fichng)輕的車身，車身的主體僅重92公斤，這對賽車是非常有實際意義的。這對其他領(lǐng)域也有很大的應(yīng)用意義共四十四頁新材料(cilio)的定義1）新材料（或稱先進材料）是指那些新近發(fā)展或正在發(fā)展之中的具有比傳統(tǒng)材料的性能更為優(yōu)異的一類材料。新材料是指新近發(fā)展的或正在研發(fā)的、性能超群的一些材料，具有比傳統(tǒng)材料更為優(yōu)異的性能。2）新材料技術(shù)則是按照人的意志，通過物理研究、 材料設(shè)計、材料加工、試驗評價等一系列研究過程，創(chuàng)造出能滿足各種需要的新型材料的技術(shù)。共四十四頁新材料(cilio)的種類 為了滿足不同(b tn)的特殊要求及性能，現(xiàn)在對新材料有很多不同

3、(b tn)的研究方向。主要有以下幾種； 超導(dǎo)材料的研究； 納米材料的研究； 智能材料的研究； 能源材料的研究； 新型無機非金屬材料的研究等共四十四頁 一：超導(dǎo)(cho do)材料超導(dǎo)現(xiàn)象：1911年，荷蘭物理學(xué)家昂尼斯(18531926)發(fā)現(xiàn)，水銀的電阻率并不像預(yù)料的那樣(nyng)隨溫度降低逐漸減小，而是當溫度降到4.15K附近時，水銀的電阻突然降到零。某些金屬、合金和化合物，在溫度降到絕對零度附近某一特定溫度時，它們的電阻率突然減小到無法測量的現(xiàn)象叫做超導(dǎo)現(xiàn)象共四十四頁1）高溫(gown)超導(dǎo)材料的簡介超導(dǎo)(cho do)材料的基本物理特征：零電阻現(xiàn)象完全抗磁性（邁斯納效應(yīng)）超導(dǎo)態(tài)并非僅

4、取決于溫度(臨界電流和臨界磁場)普通導(dǎo)體超導(dǎo)體共四十四頁超導(dǎo)材料(cilio)的分類：常規(guī)(chnggu)超導(dǎo)體(如Nb-Ti合金)高溫超導(dǎo)體(如YBa2Cu3O7-x) 非晶超導(dǎo)材料復(fù)合超導(dǎo)材料(如超導(dǎo)線帶材料)重費米子超導(dǎo)體(如CeCu2Si2)有機超導(dǎo)材料(如富勒烯等修飾的化合物)超導(dǎo)材料高溫超導(dǎo)材料的簡介共四十四頁釔鋇銅氧化物（ YBa2Cu3O7-x ) 超導(dǎo)體高溫(gown)超導(dǎo)材料的例子1987年朱經(jīng)武、吳茂昆、趙忠賢等發(fā)現(xiàn)，Tc90K,超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度打破(d p)了液氦，解決了阻礙超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用的瓶頸問題。共四十四頁鉍鍶鈣銅氧化物（Bi-Sr-Ca-Cu-O）超導(dǎo)體Bi2Sr2Ca

5、n-1CunO2n+4 n=1 2201相n=2 2212相n=3 2223相n=4 2234相Cu-O 層Bi2O2層 鈣鈦礦層高溫超導(dǎo)(cho do)材料的例子Tc100K;Tl-Ba-Ca-Cu系，Tc達到(d do)了125K;Hg-Ba-Ca-Cu系，Tc達到了135K, 高壓下Tc達到了164K。-Michael Vershinin, Shashank Misra, et al. Science,303,1995(2004).共四十四頁Y系高溫(gown)氧化物超導(dǎo)體的制備高溫超導(dǎo)(cho do)材料的制備原料(氧化物或碳酸物)混合化學(xué)劑量比燒結(jié)氧化處理熔融織構(gòu)工藝克服大角晶界塊材

6、帶材離子束輔助沉淀工藝軋制輔助雙軸織構(gòu)襯底工藝薄膜磁控濺射法激光沉淀法共四十四頁高溫超導(dǎo)(cho do)材料的制備Bi系高溫氧化物超導(dǎo)(cho do)帶材的制備:原材料(氧化物或碳酸物)混 合化學(xué)劑量比煅 燒研 磨粉末充管拉 拔Ag管軋 制熱處理壓制/軋制熱處理重復(fù)共四十四頁發(fā)展前景節(jié)省大量資金緩解環(huán)境污染超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)發(fā)電機、超導(dǎo)電纜預(yù) 測低電力低能耗靈敏度度高釔鋇銅超導(dǎo)薄膜-應(yīng)用于諧振器、濾波器、天線等有源器件商品化低電力低能耗釔鋇銅超導(dǎo)超導(dǎo)塊材-用于磁懸浮、儲能飛輪等方面即 將實業(yè)化預(yù)計在2020年左右會形成1500-2000億美元的超導(dǎo)市場，其中高溫超導(dǎo)占一半共四十四頁高溫超導(dǎo)材料(c

7、ilio)制備所面臨的問題：高溫(gown)超導(dǎo)材料的制備 材料制造成本高, 價格昂貴。 在長距離超導(dǎo)線材的制造上面仍然有很大的難度。（氧化物高溫超導(dǎo)陶瓷材料各向異性和短的電子相干長度以及大量晶界的存在嚴重影響線材的超導(dǎo)電性。） 高溫超導(dǎo)材料臨界電流和臨界磁場的提高仍是科學(xué)家研究的難題。共四十四頁二：納米材料(n m ci lio)1）納米材料的發(fā)現(xiàn)與研究1980年，德國的長期從事晶體物理研究的物理學(xué)家Gleiter 格萊特，在澳大利亞度假時，想到一個經(jīng)常困擾他的問題“如何研究出具有異乎尋常材料的新型材料呢？”，在長期的研究中，人們視具有完整空間點陣結(jié)構(gòu)的實體為晶體，是晶體材料的主體，而把空間

8、點陣中的空位，替位原子，間隙原子，相界，位錯當作晶體材料的缺陷。對此，他想如果把“缺陷”作為主體，研究出一種晶界占有相當大體積比的材料，那會怎樣？共四十四頁這位科學(xué)家不經(jīng)意間的一個想法，使他花了四年時間的研究，在1984年研究出了這種金屬超微粉，就這樣，納米固體材料誕生了！共四十四頁納米材料(n m ci lio)的結(jié)構(gòu)納米材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分奇異復(fù)雜，在1這樣小的空間里，竟然裝進面積達到500因此(ync)納米材料有再怎么特別的功能也不奇怪了！共四十四頁納米材料又稱為超微顆粒材料，由納米粒子組成。納米粒子也叫超微顆粒，一般是指尺寸在1100nm間的粒子，是處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區(qū)域從通

9、常的關(guān)于微觀和宏觀的觀點看，這樣的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng)，是一種典型的介觀系統(tǒng)（介觀體系是介于宏觀體系與微觀體系之間的一種體系。實際上介觀體系在尺寸上已經(jīng)是宏觀的, 同時具有微觀體系，宏觀體系的特點 ）原子(yunz)排成的“原子(yunz)”字樣1nm=1/10億米，10個氫原子緊密排列(pili)，20nm是頭發(fā)絲直徑的3000分之一共四十四頁1.表面效應(yīng)2.小尺寸效應(yīng)3.量子尺寸效應(yīng)4.宏觀量子隧道效應(yīng)納米(n m)材料的特性共四十四頁納米材料的小尺寸(ch cun)效應(yīng)1納米材料有很多“奇怪”的性質(zhì)，所有的金屬到了納米級別都變成了黑色；在電鏡的觀測下，發(fā)現(xiàn)納米微粒沒有

10、固定的形態(tài)，隨著時間的推移，會自動形成各種形態(tài)，在電子束的照射下，會劇烈運動；在空氣中還可以自燃共四十四頁納米材料(n m ci lio)的小尺寸效應(yīng)2）晶體物質(zhì)的熔點是固定的，但是當它們變成納米微粒后熔點會降低，金的熔點1064，但是當顆粒到2nm時，熔點僅327，銀的熔點由670降低到100；在鎢的原料中加入0.1%0.5%的鎳超微粒時，燒結(jié)溫度從3000降低到了1200左右，很神奇不是么！共四十四頁幾種(j zhn)典型的納米材料納米顆粒型材料納米固體材料納米膜材料納米磁性(cxng)液體材料碳納米管納米算盤C60每10個一組，在銅表面形成世界上最小的算盤。納米皇冠共四十四頁納米(n m

11、)顆粒型材料：也稱納米粉末，一般指粒度在100nm以下的粉末或顆粒。由于尺寸小，比表面大和量子尺寸效應(yīng)等原因，它具有不同于常規(guī)固體的新特性。納米固體材料通常指由尺寸小于15納米的超微顆粒在高壓力下壓制成型，或再經(jīng)一定熱處理工序后所生成的致密型固體材料。氧化鋅納米(n m)晶粒納米固體晶粒共四十四頁碳納米管：碳材料家族中的新成員，為黑色粉末狀，是由類似石墨的碳原子六邊形網(wǎng)格所組成的管狀物，它一般為多層，直徑為幾納米至幾十納米，長度可達數(shù)微米甚至數(shù)毫米。碳納米管本身有非常完美(wnmi)的結(jié)構(gòu)，尺寸只有頭發(fā)絲的十萬分之一，但導(dǎo)電率是銅的1萬倍，強度是鋼的100倍而重量只有鋼的七分之一。它像金剛石那

12、樣硬，卻有柔韌性，可以拉伸。它的熔點是已知材料中最高的。共四十四頁納米材料(n m ci lio)的應(yīng)用1）陶瓷增韌：由納米粒子壓制成的納米陶瓷材料有很好的韌性。因為納米材料具有較大的界面，界面的原子排列是相當混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現(xiàn)出甚佳的韌性與延展性。共四十四頁2）隱身材料應(yīng)用：由于納米微粒尺寸(ch cun)遠小于紅外及雷達波波長，因此納米微粒材料對這種波的透過率比常規(guī)材料要強得多，這就大大減少波的反射率，使得紅外探測器和雷達接收到的反射信號變得很微弱，從而達到隱身的作用；另一方面，納米微粒材料的比表面積比常規(guī)粗粉大34個數(shù)量級，對紅外光和電磁波的吸收率也比常規(guī)

13、材料大得多，這就使得紅外探測器及雷達得到的反射信號強度大大降低，因此很難發(fā)現(xiàn)被探測目標，起到了隱身作用。美國(mi u)F117隱形轟炸機機共四十四頁3）計算機和電子工業(yè)：可以從閱讀硬盤上讀卡機以及存儲容量為目前芯片上千倍的納米材料級存儲器芯片都已投入生產(chǎn)。計算機在普遍(pbin)采用納米材料后，可以縮小成為“掌上電腦”。納米(n m)存儲器，存儲密度可達每平方厘米10萬億字節(jié) 4）機械工業(yè)：采用納米材料技術(shù)對機械關(guān)鍵零部件進行金屬表面納米粉涂層處理，可以提高機械設(shè)備的耐磨性、硬度和使用壽命。共四十四頁三：復(fù)合材料(f h ci lio)復(fù)合材料(Composite materials)，是由

14、兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學(xué)的方法，在宏觀上組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長補短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。 比如20世紀40年代，因航空工業(yè)的需要，發(fā)展了玻璃纖維增強塑料（俗稱玻璃鋼），從此出現(xiàn)了復(fù)合材料這一名稱。50年代以后，陸續(xù)發(fā)展了碳纖維、石墨纖維和硼纖維等高強度和高模量纖維。70年代出現(xiàn)了芳綸纖維和碳化硅纖維。這些高強度、高模量纖維能與合成樹脂、碳、石墨、陶瓷、橡膠(xingjio)等非金屬基體或鋁、鎂、鈦等金屬基體復(fù)合，構(gòu)成各具特色的復(fù)合材料。共四十四頁 比如說，超高分子量聚乙烯纖維的比強度在各種纖維中位居第

15、一，尤其是它的抗化學(xué)試劑侵蝕性能和抗老化性能優(yōu)良。它還具有優(yōu)良的高頻聲納透過性和耐海水腐蝕性，許多國家已用它來制造艦艇的高頻聲納導(dǎo)流罩，大大提高了艦艇的探雷、掃雷能力。 除在軍事領(lǐng)域，在汽車制造、船舶制造、醫(yī)療器械、體育運動器材等領(lǐng)域超高分子量聚乙烯纖維也有廣闊的應(yīng)用前景(qinjng)。該纖維一經(jīng)問世就引起了世界發(fā)達國家的極大興趣和重視共四十四頁復(fù)合材料(f h ci lio)的類型復(fù)合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要(zhyo)有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須

16、、金屬絲和硬質(zhì)細粒等。共四十四頁復(fù)合材料(f h ci lio)的分類納米復(fù)合材料功能復(fù)合材料塑木復(fù)合材料該研究方向(fngxing)主要包括納米聚合物基復(fù)合材料、納米碳管功能復(fù)合材料、納米鎢銅復(fù)合材料。塑木是以鋸末、木屑、竹屑、稻殼、麥秸、大豆皮、花生殼、甘蔗渣、棉秸稈等低值生物質(zhì)纖維為主原料，與塑料合成的一種復(fù)合材料。功能復(fù)合材料是指除機械性能以外而提供其他物理性能的復(fù)合材料。如：導(dǎo)電、超導(dǎo)、半導(dǎo)、磁性、壓電、阻尼、吸波、透波、磨擦、屏蔽、阻燃、防熱、吸聲、隔熱等凸顯某一功能。統(tǒng)稱為功能復(fù)合材料共四十四頁復(fù)合材料(f h ci lio)的應(yīng)用航空航天領(lǐng)域。由于復(fù)合材料熱穩(wěn)定性好，比強度、比

17、剛度高，可用于制造飛機機翼和前機身、衛(wèi)星天線及其支撐結(jié)構(gòu)、太陽能電池翼和外殼、大型運載火箭的 殼體、發(fā)動機殼體、航天飛機結(jié)構(gòu)件等。汽車工業(yè)(gngy)。由于復(fù)合材料具有特殊的振動阻尼特性，可減振和降低噪聲、抗疲勞性能好，損傷后易修理，便于整體成形，故可用于制造汽車車身、受力構(gòu)件、傳動軸、發(fā)動機架及其內(nèi)部構(gòu)件?；ぁ⒓徔椇蜋C械制造領(lǐng)域。有良好耐蝕性，熱膨脹系數(shù)小的碳纖維與樹脂基體復(fù)合而成的材料，可用于制造化工設(shè)備、紡織機、造紙機、復(fù)印機、高速機床、精密儀器等。共四十四頁其他(qt)新材料其他類新的新材料有很多種這里主要(zhyo)說由碳原子構(gòu)成的各種新型材料，比如碳纖維，石墨烯等。碳纖維，石墨烯

18、，納米碳管等都具有較為類似的性能，故這里只說石墨烯共四十四頁石墨(shm)烯石墨烯（Graphene）是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料，是一種由碳原子組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。石墨烯一直被認為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無法單獨穩(wěn)定存在，直至2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈海姆和康斯坦丁諾沃肖洛夫，成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，而證實(zhngsh)它可以單獨存在，兩人也因“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實驗”為由，共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎共四十四頁石墨(shm)烯的性能石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅硬的納米材料它幾乎是完全透明的，只吸收2.3

19、%的光導(dǎo)熱系數(shù)高達5300 W/mK，高于碳納米管和金剛石常溫(chngwn)下其電子遷移率比納米碳管或硅晶體還高，而電阻率只約 cm，比銅或銀更低，為目前世上電阻率最小的材料。因為它的電阻率極低，電子遷移的速度極快，因此被期待可用來發(fā)展出更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或晶體管。共四十四頁石墨(shm)烯的性能石墨烯是迄今為止世界上強度最大的材料，強度比鋼高出200左右，如果用石墨烯制成厚度相當于普通食品塑料包裝袋厚度的薄膜（厚度約100 納米），那么它將能承受大約兩噸重物品的壓力，而不至于斷裂；石墨烯還具有(jyu)比金剛石更高的硬度共四十四頁石墨(shm)烯的制作撕膠帶法/輕微摩擦法碳化硅表面外延生長切割碳納米管法除了上邊幾種，還有其他方法，但無一例外都是實驗室制法，制造代價極貴(j u)，這也是對石墨烯大范圍應(yīng)用的一個阻礙共四十四頁石墨(shm)烯的應(yīng)用因為良好的導(dǎo)熱性，導(dǎo)電性，電子通過速度，所以石墨烯是極其(jq)好的取代單晶硅的晶體管材料，集成電路材料，2011年6月，IBM的研究人員宣布，他們已經(jīng)成功地創(chuàng)造了第一個石墨烯為基礎(chǔ)的集成電路。電路處理頻率高達10 GHz，其性能在高達127的溫度下不受影響。共四十四頁石墨(shm)烯的應(yīng)用因為石墨烯具有極高的強度，硬度，以及耐熱性，故石墨烯制造的零件可以應(yīng)用于條件(tiojin)極其惡劣的