1、1,新材料技術(shù),2,材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，一直是人類進(jìn)步的一個重要里程碑。 例如，歷史上的石器時代、青銅器時代、鐵器時代都是以材料作為時代主要標(biāo)志的。一種新型材料的研制成功，可以引起人類文化和生活的新的變化。 石器、陶瓷、鐵、銅、玻璃、水泥、有機(jī)高分子（如塑料等）、單晶材料等的發(fā)明，為人類進(jìn)步提供重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。 沒有半導(dǎo)體材料，便不可能有目前的計(jì)算機(jī)技術(shù)；沒有耐高溫、高強(qiáng)度的特殊結(jié)構(gòu)材料，便沒有今天的宇航工業(yè)；沒有低損耗的光導(dǎo)纖維，也就沒有現(xiàn)代的光通訊；沒有有機(jī)高分子材料，人們的生活也不可能像今天這樣豐富多彩。,第四節(jié) 新材料技術(shù),3,(1)按化學(xué)組成和特性分,無機(jī)非金屬材料,

2、傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料,新型無機(jī)非金屬材料,金屬材料,高分子材料：塑料、合成橡膠、合成纖維,(2)按用途分,結(jié)構(gòu)材料：,利用材料的力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、工程建設(shè)、交通運(yùn)輸?shù)雀鱾€工業(yè)部門,功能材料：,利用材料的熱、光、電、磁等性能用于電子、激光、通訊、能源和生物工程等許多高新技術(shù)領(lǐng)域。,功能高分子材料,4,按成分和特性,金屬材料 陶瓷材料 高分子材料 復(fù)合材料 納米材料 ,按應(yīng)用 對象,信息材料 能源材料 建筑材料 生物材料 航空航天材料 ,5,一 、 金屬材料 1 . 傳統(tǒng)金屬材料 黑色金屬 鐵、錳、鉻以及它們的合金 輕金屬 （d5g/cm3） 銅. 鎳 .銀 等 有色金屬 耐高溫金屬（熔

3、點(diǎn)1857 ） 鉻.鉬 .鎢 等 低熔金屬（熔點(diǎn)400 ） 錫、鉛、.鉍 等 貴金屬 金.鉑等 2 . 新型金屬材料 (1) 形狀記憶合金 金屬或合金 T1 ( 形狀)1 恢復(fù) T2 (形狀)2,6,形狀記憶合金記憶原理：,在有些材料中，即使是同一材料組成的晶體中，也可能存在不同的晶體結(jié)構(gòu)，這種現(xiàn)象稱為同素異構(gòu)。金剛石和石墨就是碳的同素異形體。,石墨的晶體結(jié)構(gòu),7,鐵也有兩種不同的基本晶體結(jié)構(gòu)，即體心立方鐵和面心立方鐵。 這種由相同的原子 組成的不同的晶體結(jié)構(gòu)，在材料學(xué)中又稱為不同的“相”。 體心立方鐵和面心立方鐵屬不同的“相”，前者稱為 -Fe ( 鐵素體)，后者稱為-Fe(奧氏體)。,前者

4、是常溫下存在，而后者是高溫下存在，它們在硬度、密度和塑性變形能力等性質(zhì)上都不相同。,8,人們利用同一種成分的材料可以有不同的“相”， 就能演出一幕幕“相”變戲，即改變外界條件如溫度,使材料由一種晶體結(jié)構(gòu)變成另一種晶體結(jié)構(gòu)，材料的力學(xué)性能和物理或化學(xué)性能也就隨之改變，當(dāng)溫度恢復(fù)時材料的晶體結(jié)構(gòu)也恢復(fù)到原來的狀態(tài)，性質(zhì)也隨之復(fù)原。,在實(shí)際應(yīng)用中，形狀記憶合金就是利用一些材料的晶體結(jié)構(gòu)的相互轉(zhuǎn)變來開發(fā)其形狀記憶功能的。,9,舉例 金鎘 （Au-Cd) 鎳鈦 (Ni-Ti) 銅金鋅 (Cu-Au-Zn) 銅鋁鎳 (Cu-Al-Ni) 特性 有確定的轉(zhuǎn)變溫度 鎳- 鈦 40 超彈性 外力作用下 形變 抗

5、疲勞 回憶變形500萬次不疲勞變形 耐腐蝕,10,應(yīng)用 1）記憶合金鉚釘 2）緊固件 3）衛(wèi)星自展天線 （鎳 鈦） 4）形狀記憶合金發(fā)動機(jī) ,11,緊固件 待連接管,室溫下 形狀記憶合金套管，內(nèi)徑比待連接管外徑小約4%,液N2中 擴(kuò)管約8%,待連接管從兩端插入,室溫,套 管收縮形成緊固 密封件,12,（2）儲氫合金 氣態(tài) - 150 大氣壓 鋼瓶 儲氫的傳統(tǒng)方法 液態(tài) - 253 液化 鋼瓶 儲氫 金屬或合金 能吸收 H2 的金屬或合金。,儲氫金屬或合金為什么能儲存氫氣？,，氫元素較活潑，原子半徑又小，它很容易鉆進(jìn)金屬空隙中去并和金屬 起化學(xué)反應(yīng)生成金屬氫化物。,金屬結(jié)構(gòu)中存在著很多空隙,13

6、,在儲氫合金中，一個金屬原子能與2- 3個甚至更多個氫原子結(jié)合，生成金屬氫化物。所以儲氫合金的儲氫能力很強(qiáng)，,一單位體積的儲氫合金能儲存10001300單位體積的氫。,14,在儲氫合金中，氫原子密度要比同樣溫度和壓力條件下的氣態(tài)氫大 1000倍，也就是說，相當(dāng)于儲存1000個大氣壓的高壓氫氣。,放熱 金屬（合金）+ H2 儲氫金屬或合金 吸熱,一般儲氫合金，吸收與氫氣瓶儲氫容量相等的氫氣，其重量只有氫氣瓶的1/3，而體積卻不到氫氣瓶的1/10。因此，用儲氫合金儲氫是一種很理想的儲氫手段。,15,例 鎂系 鈦系 儲氫合金 鐵系 稀土 應(yīng)用,氫能汽車、高速飛機(jī)燃料 傳熱介質(zhì)鎳氫電池緊急救生材料,1

7、6,二、陶瓷材料 1. 陶瓷材料. 傳統(tǒng)陶瓷 原料: 天然礦物( 巖石、沙子、粘土、) 制備 ： 燒制 例如 水泥、玻璃、磚瓦、耐火材料 新型（精細(xì)、先進(jìn)）陶瓷 原料: 精致、高純的 化工產(chǎn)品為原料 制備: 采用先進(jìn)的成型、燒結(jié)等制備工藝技術(shù)，使制備的陶瓷制品具有優(yōu)異性能,主要成分是硅酸鹽，其耐熱性低，易碎。,硅酸鹽材料,17,氧化物陶瓷 氮化物陶瓷 碳化物陶瓷 硼化物陶瓷 硅化物陶瓷,特點(diǎn)： 電、磁、光、熱等性能 用途：通信、電子、自控、 集成電路 ,按化學(xué)成分,新型陶瓷分類:,按使用性能,結(jié)構(gòu)陶瓷,功能陶瓷,特點(diǎn): 耐高溫、超硬度、 高 強(qiáng)度、 耐磨損、 抗腐蝕用途： 能源、機(jī)械、冶金、

8、宇航,18,陶 瓷,粉彩瓷,古代陶器,19,2.幾種新型陶瓷材料 (1) 高溫結(jié)構(gòu)陶瓷 原料: 氮化硅、碳化硅、 制備: 1700 燒結(jié) 用途: 汽車、飛機(jī)發(fā)動機(jī) 陶瓷刀具 （ 超薄 ）,工作溫度 1300 不水冷 重量輕,20,工作溫度 1300 不水冷 重量輕,高溫結(jié)構(gòu)陶瓷發(fā)動機(jī),1990年我國第一臺無水冷發(fā)電機(jī)試車成功,21,( 2 ) 透明陶瓷 ( 光學(xué)陶瓷 ) 特點(diǎn) 光學(xué)性能優(yōu)異 耐高溫 ( 熔點(diǎn) 2000 以上 ) 用途 高壓燈 （ 如高壓鈉燈 工作溫度 1200 壽命12萬小時） 防彈玻璃 ( 3 ) 光導(dǎo)纖維 一種精細(xì)陶瓷 ( 4 ) 生物陶瓷 特點(diǎn): 耐腐蝕、 穩(wěn)定性好 用途

9、: 人體器官和組織的修復(fù)與再造,22,備注：鈉蒸氣放電發(fā)光問題早在1950年就得以解決，由于沒有一種能抵御高溫鈉蒸氣（1400）強(qiáng)烈腐蝕的特殊材料，所以，直到1965年才制取第一支高壓鈉燈。,高純氧化鋁透明陶瓷燈管,23,高純氧化鋁透明陶瓷管,24,25,26,人造血管,人造關(guān)節(jié),27,思考題,1.我國最著名的陶器產(chǎn)地在什么地方？有什么之稱？ 2.我國素有“瓷都”之稱的地方在那里？,江蘇宜興，有陶都之稱,江西景德鎮(zhèn),28,由兩種或兩種以上的組分材料組成的新材料。 復(fù)合效應(yīng) 保持原材料的特點(diǎn) 各組分間取長補(bǔ)短,互相協(xié)同，形成一種優(yōu)于原有材料的特性。 2. 特點(diǎn) 強(qiáng)度高、重量輕、剛性大、 抗疲勞、

10、減振性、耐溫性好 3.構(gòu)成及用途,四、復(fù)合材料1. 復(fù)合材料,復(fù)合材料三要素 基體材料 增強(qiáng)劑 復(fù)合方式,29,硅酸鹽產(chǎn)品,熱彎玻璃,防彈玻璃,化學(xué)儀器玻璃,30,樹脂基 (高分子 ) 基體材料 金屬基 陶瓷基 粒子狀 增強(qiáng)劑 纖維狀 層狀 聚脂樹脂 飛機(jī)、汽車、 樹脂基 ( 玻璃鋼) 玻璃纖維 船舶、建筑 結(jié)構(gòu) 金屬 復(fù)合 金屬基 耐熱纖維 航空、航天 復(fù)合方式 基體陶瓷 Al2O3、SiO2、SiC、 陶瓷基 增強(qiáng)纖維 C、SiC、 航空航天 功能 功能體 換能、導(dǎo)電、導(dǎo)磁 復(fù)合 基 體 屏蔽 吸波材料 增強(qiáng)纖維 隱形飛機(jī),31,五、 納米材料納 米 長度單位 1nm= 10-9 m（十億

11、分之一米） 納米顆粒 尺寸在 1100nm 之間的顆粒,類型,納米陶瓷 納米金屬 碳納米管,納米材料 是指由納米顆粒構(gòu)成的固體材料。,32,各種納米材料的特性,蓮花葉子表面的自我潔凈 蓮花葉面表面的結(jié)構(gòu)與粗糙度為微米至納米尺寸的大小。當(dāng)遠(yuǎn)大于該結(jié)構(gòu)的灰塵、雨水等降落在葉面上時，只能和葉面上凸?fàn)钗镄纬牲c(diǎn)的接觸。液滴在自身的表面張力作用下形成球狀，在滾動中吸附灰塵，并滾出葉面。,視頻：蓮花,33,鵝毛和鴨毛的排列非常整齊，且毛與毛之間的隙縫極小，小到納米尺寸，所以水分子無法穿透層層的鵝毛和鴨毛。所以鵝與鴨得以在水中保持身體的干燥。這種結(jié)構(gòu)還極其通氣。,34,不用洗滌劑的納米服裝,2002年，一批高

12、科技服裝面料從實(shí)驗(yàn)室走上了展臺：不用洗滌劑也能清潔的衣物、可用做防水地圖的仿真絲面料等相繼出現(xiàn)，高科技的服裝面料令人耳目一新,視頻：納米布料,35,具有易潔納米涂層的陶瓷,視頻：納米表面,36,摔不碎的納米陶瓷,普通陶瓷 堅(jiān)硬、質(zhì)脆、易于破碎 納米陶瓷 堅(jiān)硬、耐磨、永不生銹 做發(fā)電機(jī)的輪子，將廣泛用于汽車、高速列車,37,納米材料具有奇特的光、電、磁、熱、力等性質(zhì),38,1、具有很高的活性,在空氣中，納米金屬顆粒會迅速氧化而燃燒。利用其表面活性，金屬超微顆?？赏蔀樾乱淮母咝Т呋瘎⒒鸺剂?、炸藥等。,空氣,納米銅、納米鋁,燃燒,（納米金屬粉),催化劑,火箭燃料 炸藥,39,2、特殊的光學(xué)性

13、質(zhì),所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)時都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小，顏色越黑。金屬超微顆粒對光的反射率很低，通?？傻陀趌%，大約幾微米厚度的膜就能起到完全消光的作用。光吸收能力強(qiáng)，利用這個特性可以制造隱身材料等。,40,3、特殊的熱學(xué)性質(zhì),大尺寸的固態(tài)物質(zhì)其熔點(diǎn)往往是固定的，超細(xì)微化的固態(tài)物質(zhì)其熔點(diǎn)卻顯著降低，當(dāng)顆粒小于10納米量級時尤為突出。,熔點(diǎn) 金,1063,納米金,330,納米銀,100,960.8,（低溫?zé)Y(jié)制備合金或,不互熔的金屬冶煉成合金）,銀,41,4、特殊的力學(xué)性質(zhì),陶瓷材料在通常情況下一般呈現(xiàn)脆性，由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料具有良好的韌性。呈納米晶粒的金屬要比傳統(tǒng)的粗晶粒金屬硬3

14、5倍。金屬-陶瓷復(fù)合納米材料則可在更大的范圍內(nèi)改變材料的力學(xué)性質(zhì)。,42,納米銅在室溫下可延伸50多倍，強(qiáng)度比常規(guī)銅高5倍,5、超塑延展性,43,納米機(jī)器人,“納米機(jī)器人”的研制屬于分子仿生學(xué)的范疇，它根據(jù)分子水平的生物學(xué)原理為設(shè)計(jì)原型，設(shè)計(jì)制造可對納米空間進(jìn)行操作的“功能分子器件”。 第一代納米機(jī)器人是生物系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合體。這種納米機(jī)器人可注入人體血管內(nèi)，進(jìn)行健康檢查和疾病治療。還可以用來進(jìn)行人體器官的修復(fù)工作、作整容手術(shù)、從基因中除去有害的，或把正常的安裝在基因中，使機(jī)體正常運(yùn)行。 第二代納米機(jī)器人是直接從原子或分子裝配成具有特定功能的納米尺度的分子裝置。 第三代納米機(jī)器人將包含

15、有納米計(jì)算機(jī)，是一種可以進(jìn)行人機(jī)對話的裝置。這種納米機(jī)器人一旦問世將徹底改變?nèi)祟惖膭趧雍蜕罘绞健?44,仿甲蟲外形制造的微型機(jī)器人,納米軸承,微型機(jī)器人,45,描述的是一個納米機(jī)器人在清理血管中的有害堆積物。由于納米機(jī)器人可以小到在人的血管中自由的游動，對于象腦血栓、動脈硬化等病灶，它們可以非常容易的予以清理，而不用再進(jìn)行危險(xiǎn)的開顱、開胸手術(shù)。,46,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。其比重只有鋼的六分之一，而強(qiáng)度卻是鋼的100倍。碳納米管還是極好的儲氫材料，在將來的以氫為動力的汽車上將得到應(yīng)用。 諾貝爾化學(xué)獎得主斯莫利教授認(rèn)為

16、，納米碳管將是未來最佳纖維的首選材料，也將被廣泛用于超微導(dǎo)線、超微開關(guān)以及納米級電子線路等。,未來的理想超級纖維 碳納米管,47,碳60和巴基球,1985年，美國科學(xué)家克勞特和斯莫利等用激光束去轟擊石墨表面，意外地發(fā)現(xiàn)了C60。 C60的外形像足球，中心是空的，外邊圍砌著60個碳原子，碳原子組成了12個五邊形和20個正六邊形。碳60有一個別名：巴基球，一個巴基球的直徑是0.7納米。 巴基球還可以做得更大，再增加10個碳原子，還可以做成碳70。有人認(rèn)為，如果不是只用60個碳原子，而是用960個碳原子制成碳540，有可能在室溫條件下就可實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)！,48,科學(xué)家們又在想，碳原子既然可以排列成足球的形

17、狀，就可以排列成圓筒形。球形只能擴(kuò)大，成為越來越大的球；圓筒形卻可以加長，越加越長，成為一根纖維。于是科學(xué)家就用碳元素組成了一種圓筒材料碳納米管。 人們制成的碳納米管，其直徑已經(jīng)達(dá)到了1.4納米，每一圈是由10個六邊形組成。,49,碳納米管,碳納米管，是指用納米技術(shù)將碳做成的細(xì)管,C60 C60 C70,金剛石,石墨,視頻：碳納米管,50,納米科技,是指在納米尺度上研究物質(zhì)的特性和相互作用，以及利用這些特性的多學(xué)科交叉的科學(xué)和技術(shù)。 納米科技的最終目的是以原子和分子為起點(diǎn)，去制造具有特殊功能的產(chǎn)品。 掃描探針顯微鏡（SPM）是納米科技重要的研究手段。,納米科技,51,展望21世紀(jì)，材料科學(xué)的前景是美好的： 1.光電轉(zhuǎn)換材料，分解水的催化材料和儲氫材料等能源材料將實(shí)現(xiàn)高效化； 2.集多種功能于一身的復(fù)合材料可使