功能材料課件2023/6/17AnmingLi,DeptofMSE,hpu1第一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日2023/6/17AnmingLi,DeptofMSE,hpu2納米材料第一節(jié)Nano-Grainmateral材料科學與工程學院第二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日2023/6/17AnmingLi,DeptofMSE,hpu3

納米（nanometer）mn。長度單位，1nm=10-3μm=10-6mm=10-9m.高分子材料的納米化一、概述：材料科學與工程學院納米材料納米超微粒子；納米固體材料；納米超微粒子：粒子尺寸為1～100nm的超微粒子；納米固體材料：由納米超微粒子制成的固體材料。納米材料和技術：研究納米超微粒子的制備、結構和特性；同時也研究納米固體材料和納米組裝材料。第三頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日2023/6/17AnmingLi,DeptofMSE,hpu41.表面效應

：二、納米材料的性能特點材料科學與工程學院粉末粒徑越小，表面積愈大。

例:粒徑10nm時比表面積90㎡/g；5nm時180㎡/g；2nm時459㎡/g納米粒子性能變化

納米粒子減小表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比增加粒子的表面能增加納米原子象第四頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日2023/6/17AnmingLi,DeptofMSE,hpu5超微顆粒的表面具有很高的活性：

在空氣中金屬顆粒會迅速氧化而燃燒。材料科學與工程學院

高倍電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)金屬超微顆粒沒有固定的形態(tài)，隨間的變化形成各種形狀，它不同于固體，又不同于液體，是一種準固體。在電子束照射下，表面原子仿佛進入了“沸騰”狀態(tài)，尺寸大于10納米后才看到穩(wěn)定性的結構。

利用表面活性，金屬超微顆?？赏蔀樾乱淮母咝Т呋瘎①A氣材料以及低熔點材料。第五頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日2023/6/17AnmingLi,DeptofMSE,hpu6

當超微顆粒尺寸減小到一定條件，將引起材料宏觀物理、化學性質上的變化，稱為小尺寸效應。

2.小尺寸效應

：材料科學與工程學院（1）特殊的光學性質：

黃金細分到小于光波波長時，即失去了原有的光澤。金屬超微顆粒都為黑色：尺寸越小，顏色愈黑。銀白色的鉑變成鉑黑，金屬鉻變成鉻黑。

原因：金屬超微顆粒對光的反射率很低，通常低于l％，幾微米厚度就能全消光。

利用：制作高效的光熱、光電轉換材料，將太陽能轉變?yōu)闊崮?、電能。也可能應用于紅外敏感元件、紅外隱身技術等。第六頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日2023/6/17AnmingLi,DeptofMSE,hpu7利用：日本川崎制鐵公司用0．1～1微米的銅、鎳超微顆粒制成導電漿料代替鈀與銀貴金屬。超微顆粒熔點下降有利于粉末冶金生產(chǎn)。例如，在鎢顆粒中附加0.1～0.5％超微鎳顆粒后，燒結溫度從3000℃降到1200～1300℃。材料科學與工程學院（2）特殊的熱學性質：固態(tài)物質超細化后熔點顯著降低，小于10納米時尤為顯著金（1064℃）顆粒10納米時，熔點降到1037℃，2納米時僅327℃；銀（670℃）超微顆粒的熔點低于100℃。超細銀粉制的導電漿料可低溫燒結，此時元件的基片不必采用陶瓷材料，甚至可用塑料。第七頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日2023/6/17AnmingLi,DeptofMSE,hpu8

例如：大塊純鐵矯頑力約為80安／米；顆粒尺寸10-2微米以下，矯頑力增加1千倍；小于10-3微米，矯頑力反而降低到零，呈現(xiàn)出超順磁性。材料科學與工程學院（3）特殊的磁學性質：超微顆粒磁性顯著不同與大塊材料。利用：磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，制成高貯存密度的磁記錄磁粉，應用于磁帶、磁盤、磁卡以及磁性鑰匙等。利用超順磁性，將磁性超微顆粒制成用途廣泛的磁性液體。第八頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日2023/6/17AnmingLi,DeptofMSE,hpu9（4）特殊的力學性質：

納米陶瓷：具有良好的韌性。納米材料具有大的界面，界面的原子排列相當混亂，原子在外力作用下很容易遷移，表現(xiàn)出甚佳的韌性與一定的延展性。氟化鈣納米材料：在室溫下可以大幅度彎曲而不斷裂。納米晶粒金屬：比傳統(tǒng)金屬硬3～5倍。金屬一陶瓷復合納米材料：可在更大的范圍內(nèi)改變力學性質，應用前景十分寬廣。超微顆粒的小尺寸效應還表現(xiàn)在：

超導電性、介電性能、聲學特性以及化學性能等方面。

材料科學與工程學院第九頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日2023/6/17AnmingLi,DeptofMSE,hpu10原因：粒子尺寸下降到某一值時，金屬費米能級附近的電子能由準連續(xù)變?yōu)殡x散。即納米半導體微粒存在不連續(xù)的被占據(jù)的最高原子軌道能級，并且存在未被占據(jù)的最低的原子軌道能級，同時能系變寬。超微顆粒能級間距隨顆粒尺寸減小而增大。3.量子尺寸效應

：量子尺寸效應的宏觀表現(xiàn)：金屬超微顆粒變成絕緣體，比熱亦會反常變化，光譜線會產(chǎn)生向短波長方向的移動。材料科學與工程學院

熱能、電場能或磁場能小于電子平均的能級間距時，材料呈現(xiàn)一系列反常特性，稱為量子尺寸效應。超微顆粒在低溫條件下使用必須考慮量子效應。第十頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日2023/6/17AnmingLi,DeptofMSE,hpu11

三、納米材料的應用1.在力學方面的應用

：材料世界中的大力士--納米金屬塊體：

金屬納米顆粒粉體制成塊狀金屬材料，強度比一般金屬高十幾倍，同時又可以像橡膠一樣富于彈性。

剛柔并濟的納米陶瓷：

納米陶瓷粉制成的陶瓷有一定的塑性，高硬度和耐高溫，使發(fā)動機工作在更高的溫度下。材料科學與工程學院第十一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日2023/6/17AnmingLi,DeptofMSE,hpu12

神奇的納米碳管

碳納米管是由石墨中一層或若干層碳原子卷曲而成的籠狀“纖維”，內(nèi)部是空的，外部直徑只有幾到幾十納米。性能：碳納米管比重是鋼的六分之一，強度是鋼的100倍。輕而柔軟，又非常結實，是作防彈背心的最好材料。碳納米管作出繩索，是從月球上掛到地球表面，而唯一不被自身重量所拉斷的繩索。用它作為地球--月球乘人電梯的繩索。材料科學與工程學院碳納米管纖維第十二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日2023/6/17AnmingLi,DeptofMSE,hpu13

利用某些納米材料的光致發(fā)光現(xiàn)象制作發(fā)光材料。2.在光學方面的應用：材料科學與工程學院例如：利用納米非晶氮化硅塊體在紫外光到可見光范圍的光致發(fā)光現(xiàn)象，來制作發(fā)光材料。例如：載激光束（藍色）的納米傳感器探針穿過活細胞，以檢測該細胞是否曾置于致癌物質下。第十三頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日2023/6/17AnmingLi,DeptofMSE,hpu14善變顏色的納米氧化物材料：

氧化物納米顆粒最大的本領是在電場作用下或在光的照射下迅速改變顏色。作成士兵防護激光槍的眼鏡和廣告板，在電、光的作用下，會變得更加喧麗多彩。

法力無邊的半導體納米材料：

半導體納米材料可以發(fā)出各種顏色的光，可以做成超小型的激光光源。它還可以吸收太陽光中的光能；把它們直接變成電能。

材料科學與工程學院第十四頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日2023/6/17AnmingLi,DeptofMSE,hpu15脾氣爆燥、易燃易爆的納米金屬顆粒：

金屬納米顆粒表面上的原子十分活潑。

例如：金屬銅或鋁作成納米顆粒，遇到空氣就會激烈燃燒，發(fā)生爆炸。用納米顆粒的粉體成功用作固體火箭的燃料、催化劑。5.在化學方面的應用：愛清潔的納米材料：

例如：把透明疏油、疏水的納米材料顆粒組合在大樓表面或窗玻璃上，大樓不會被空氣中的油污弄臟，玻璃也不會沾上水蒸氣而永遠透亮。將這種納米顆粒放到織物纖維中，做成的衣服不沾塵。

材料科學與工程學院第十五頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日2023/6/17AnmingLi,DeptofMSE,hpu16國家大劇院（頂部采用納米材料制造）材料科學與工程學院第十六頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日2023/6/17AnmingLi,DeptofMSE,hpu17非晶材料第二節(jié)Non-CrystallineAlloy材料科學與工程學院第十七頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日2023/6/17AnmingLi,DeptofMSE,hpu18

非晶態(tài)合金也稱“金屬玻璃”，其結構呈玻璃態(tài)。一、非晶態(tài)合金的定義：二、非晶態(tài)合金的性能：1.高的強度、硬度；2.良好的軟磁性；3.良好的耐蝕性。材料科學與工程學院由熔融狀態(tài)的合金以極高速度冷卻得到的。理想的非晶態(tài)合金的結構是長程無序，可以認為是均勻的，各向同性的。第十八頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日2023/6/17AnmingLi,DeptofMSE,hpu19

Fe基非晶態(tài)合金抗拉強度可達4000MPa；Co基非晶態(tài)合金的顯微硬度高達1400HV。1、高的強度和硬度：一般金屬材料σf≈E/500，非晶合金約E/50-E/30。合金硬度Hv斷裂強度σf延伸率δ％彈性模量EPd73Fe7Si20401818600.166640Fe80P13C7744830400.03121520Ni75Si81478400Cu57Zn43529219600.17448非晶合金的延伸率很低，壓縮變形量可達到40％。材料科學與工程學院第十九頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日2023/6/17AnmingLi,DeptofMSE,hpu202.良好的軟磁性

非晶態(tài)合金的無序結構，不存在磁晶各向異性，因而易于磁化，且沒有位錯、晶界等晶體缺陷，故磁導、飽和磁感應強度高，矯頑力低、損耗小、非晶鐵芯材料科學與工程學院理想的軟磁材料，成功的用于變壓器、磁頭材料等。第二十頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日2023/6/17AnmingLi,DeptofMSE,hpu213.良好的耐蝕性

非晶態(tài)合金在中性鹽溶液和酸性溶液中的耐蝕性比不銹鋼好的多，可用來制造耐腐蝕管道、電池電極、海底電纜屏蔽等。試樣40℃腐蝕速度60℃腐蝕速度18Cr-8Ni17.512017Cr-14Ni-2.5Mo-29.24Fe72Cr8P13C70.0000.000Fe70Cr10P13C70.0000.000非晶合金和不銹鋼在10％FeCl3.10H2O溶液中的腐蝕速率（mm/年）材料科學與工程學院第二十一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日2023/6/17AnmingLi,DeptofMSE,hpu22三、非晶態(tài)合金的制備：1、非晶態(tài)的形成條件：快冷、極大的過冷度例如：純金屬1010℃/S，合金106℃/S。提高材料的非晶形成能力提高合金的冷卻速度2、非晶態(tài)合金的制備方法：1）熔體極冷法；2）氣相沉積法；3）化學法；4）大塊非晶合金的制備材料科學與工程學院第二十二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日2023/6/17AnmingLi,DeptofMSE,hpu23梯度材料第三節(jié)Gradientmateral材料科學與工程學院第二十三頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日2023/6/17AnmingLi,DeptofMSE,hpu24一、問題的提出：

航天飛機的超音速燃燒沖壓式發(fā)動機為例：燃燒室壁一側承受超過2000℃的溫度，另一側保存液氫，溫度－200℃，人們將金屬和陶瓷結合起來，用陶瓷對付高溫，用金屬對付低溫。在極大的熱應力下結合面會破壞。通過連續(xù)地控制內(nèi)部組成和微細結構的變化，使金屬和陶瓷之間不出現(xiàn)界面，就可以解決這一難題。

材料科學與工程學院第二十四頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日2023/6/17AnmingLi,DeptofMSE,hpu25二、梯度材料的定義：

依據(jù)使用要求，選擇兩種不同性能的材料，采用先進的材料復合技術，使中間部分的組成和結構連續(xù)地呈梯度變化，內(nèi)部不存在明顯的界面，從而使材料的性質和功能，沿厚度方向也呈梯度變化的一種新型復合材料。

化學氣相沉淀法；物理蒸發(fā)法；等離子噴涂法；自蔓延高溫合成法等方法。三、梯度材料的制備：材料科學與工程學院第二十五頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日2023/6/17AnmingLi,DeptofMSE,hpu26四、梯度材料的應用：

梯度材料已成功的應用于航天工業(yè)和其它領域。1、由耐放射性材料和耐熱應力材料梯度復合的核反應第一層壁及周邊材料；2、由光學材料梯度組成高性能激光器；3、由陶瓷和金屬梯度復合的人工關節(jié)等。材料科學與工程學院第二十六頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日2023/6/17AnmingLi,DeptofMSE,hpu27記憶合金第四節(jié)MemoryAlloy材料科學與工程學院第二十七頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日2023/6/17AnmingLi,DeptofMSE,hpu28形狀記憶效應：指一定形狀的合金在某種條件下經(jīng)塑性變形，然后加熱至該材料的某一臨界溫度以上時，又完全恢復其原來形狀的現(xiàn)象。

形狀記憶合金種類：

鈦—鎳系、銅系、鐵系、一些聚合物和陶瓷材料。已實用化的形狀記憶材料只有鈦—鎳和銅系合金。材料科學與工程學院具有形狀記憶效應的金屬稱為記憶合金。第二十八頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日2023/6/17AnmingLi,DeptofMSE,hpu29（1）管子接頭：用記憶合金加工成內(nèi)徑比欲連接管的外徑小4％的套管，然后在低溫下（Mf以下）將套管擴徑約8％，裝配后，隨溫度升高，套管恢復原來的內(nèi)徑，形成緊密配合，這類接頭已用于海底輸油管道的修補等。（2）熱敏裝置：如火災報警器、記憶鉚釘?shù)?。?）熱能－機械能轉換裝置：利用馬氏體相變逆轉中產(chǎn)生的應力和位移，將熱能轉換為機械能，這種裝置可利用海水溫差發(fā)電，也可制成太陽能發(fā)動機。

材料科學與工程學院記憶合金在工程和醫(yī)學得到成功的應用第二十九頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日2023/6/17AnmingLi,DeptofMSE,hpu30儲氫材料第五節(jié)StoredBydrogenAlloy材料科學與工程學院第三十頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日2023/6/17AnmingLi,DeptofMSE,hpu31以金屬氫化物的形式吸收氫，加熱后又釋放氫的金屬。

一、儲氫材料的定義：氫是重要的能源。

二、氫能源的特點：資源豐富發(fā)熱值高潔凈無污染存儲困難氫氣存儲鋼瓶存儲：危險；儲量小；

液態(tài)存儲：要求極好的絕熱保護；

儲氫材料儲氫：安全又、經(jīng)濟；

材料科學與工程學院第三十一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日2023/6/17AnmingLi,DeptofMSE,hpu32

三、儲氫的原理：許多金屬可固溶氫氣，形成含氫的固溶體。在一定的溫度和壓力條件下，含氫的固溶體（MHX）與氫氣反應生成金屬氫化物（MHY）,并釋放出熱量。

MHX+H2MHY+△H△H：生成熱

1、正向反應，吸氫、放熱，逆向反應，釋氫、吸熱。2、改變溫度和壓力，可使反應按正向、逆向反復進行，實現(xiàn)材料的吸收、釋放氫的功能。材料科學與工程學院第三十二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日