《材料的发展与未来》PPT课件.ppt

1 继往开来的化学（材料科学研 究动向及其基本化学问题） 医药化工学院：梁华定 2 材料科学研究动向及其基本化学问题 一、对新材料设计和研制的要求 二、21世纪动向 四、分类动向 三、材料科学中的基本化学问题 五、纳米材料 一些新型材料发展 3 一、对新材料设计和研制的要求 化学是新型材料的源泉，也是材料科学发展的推动力。 20世纪化学家以结构功能关系研究为主线，合成了 许多具有各种功能的分子 对新材料 设计和研 制的要求 结构与功能相结合 智能型，即敏感和驱动双重性 无（少）污染，包括材料本身的无毒，环保，安全等 可再生性，要求材料能再生循环使用 节约能源 长寿命 4 二、21世纪动向 21世纪主要工作是如何把功能分子组装成有一定结构的组装体 从功能分子到功能材料还有一个必要的环节 需要解决 两个问题 分子及组装体的结构问题 分子的合成与组装反应问题 20世纪后期 有两个动向 具有特殊功能的先进材料变得越来越重要 高级材料对于特殊物理性质和材料的高级结构的 依赖性增加 从材料科学独立出来并物理学交叉增加以后，忽视了两个问题 一是虽然利用的是物理性质，但都是由化学结构决定的 二是不仅分子要用化学方法合成，高级结构也必须通过化 学过程来构筑。 化学将在以上两方面作贡献 5 三、材料科学中的基本化学问题 1、总结20世纪材料化学取得的具大进展，可以证明化学 是新型材料的源泉，也是材料科学发展的推动力。 20世纪化学研究方法 先是针对已有的问题谋求改进，总结已知聚合物的结 构，设计新的结构，研究新的聚合反应，又经过不同 的单体的选择，找出可行的工艺。 6 2、近年来化学家提出的新型“准材料”不少，高分子电子材料、富 勒烯和纳米碳管、自组装单分子层、纳米晶体等，但有两个弱点 。（1）缺少基于化学的设计思想。因此，采取大量合成并加大范 围筛选的研究模式。一旦发现个别结构，便引起许多人跟踪研 究。结果命中率低。近年来，引用组合化学方法大大扩大了化 合物库，如建立组合材料库。虽然加快了工作效率，但缺少根 据功能与结构关系的深入了解。 （2）仅仅基于分子结构与性能关系，缺少对于材料高级结构的 认识。多数研究目的定位在功能分子，没有考虑什么样的高级 结构才能表现所需的功能。目前正在研究用计算机模拟复杂材 料的合成、特性和预计理论最佳结构。不过，没有高级结构的 测定以及对于材料结构与功能定量关系的深入了解，计算机就 没有设计依据。 材料科学中的基本化学问题 7 3、推动材料科学发展的化学基本问题 （1）分子结构分子聚集体高级结构材料结构理化 性质功能之间的关系掌握这些关系便可以减少盲目性， 增加命中率。 （2）合成功能分子与构筑高级结构的理论 与方法研究 结构单元如何自组装成为所需的高级结构，再组装成材料 。 （3）分子器件的研究 要有实际目标，微流体器件是一种 可行可用的手段。 模拟生物材料形成过程的基础研究 研究历史：开始多从 组成上模拟，其后从结构上模拟，但没有模拟生物体内材 料组装过程，因而不能有生物材料原有的功能或达不到工 作水平 8 四、分类动向 1、新型导电材料 （1）半导体材料 20世纪发现了纯半导体材料硅和锗，混合型半导体化合物 如锑化铟、砷化镓，从综合性能看，砷化镓作为半导体材 料更为优越，特别是开头速度大千倍。这种芯片做成计算 机后，其运算速度将高出千倍。 21世纪努力方向是寻找高性能的半导体 9 （2）超导材料 1986年4月IBM公司瑞士苏黎世研究实验室的J.G.Bednorz和 K.A.Mueller发现镧钡铜的复合氧化物在30K显示超导性，激起 超导热。1987年2 月，美国休斯顿大学的美籍华人朱经武研制 成功YBa3Cu3O7,其转变温度在90K，进入了液氮温度区1988 年研制出了转变温度为125K的新型超导材料Tl2Ca2Ba2Cu3O10. 1911年荷兰物理学家Heike发现了汞冷却到4K（液氦温度） 时具有零电阻，但由于液氦温度的获得成本昂贵且操作不便 ，让人们失去了应用的信心。 1991年有两项 重要发展 一是有机超导体的临界温度达12 .5K 一是发现碱金属掺杂的C60也有超导性，临界 温度达33K； 21世纪的目标是创造各种超导体以提高临界转变温度（1993年俄 L.N.Grigorov发现了经过氧化的聚丙烯体系能在300K呈现超导性 。） 10 Ti(OC4H9)4 Al(C2H5)3 HCCH1000 倍催化剂 温度 1974年日本筑波大学H.Shirakawa在合成聚乙炔的实验中 ，偶然地投入过量1000倍的催化剂，合成出令人兴奋的有铜色 的顺式聚乙炔薄膜与银白色光泽的反式聚乙炔。 108107 S/m 103102 S/m 世界上第一种导电聚合物：掺杂聚乙炔 （3）有机导体 11 1975年，G. MacDiarmid 、 J.Heeger与H.Shirakawa 合作进行研究，他们发现 当聚乙炔曝露于碘蒸气中 进行掺杂氧化反应(doping) 后，其电导率令人吃惊地 达到3000S/m。 聚乙炔的掺杂反应 美国物理学美国物理学 家家HeegerHeeger 美国化学家美国化学家 MacDiarmiMacDiarmi d d 日本化学家日本化学家 ShirakawaShirakawa 获得2000年诺贝尔化学奖 12 1987年日本的 Bridgestone和 Seiko公司率先 开发了聚苯胺 二次电池，首 次获得工业化 应用。 （3）有机导体 13 导电聚合物是由具有共轭键的聚合物经过化学或电化学的掺 杂而形成的 高分子的导电是在一个分子链上实 现的 适当地控制分子链的结构，或者改 变它的局部环境，一个分子的各 个区域可能具有不同的导电行为 有可能制成“分子导线”、“分子电 路”和“分子器件” 掺杂方 法 掺杂剂电导率 ，S/m 未掺杂 型 顺式聚 乙炔 反式聚 乙炔 1.710 7 4.4 10 3 p掺 杂型（ 氧化型 ） 碘蒸汽 掺杂 五氟化 二砷掺 杂 高氯酸 蒸汽 电化学 掺杂 5.5104 1.2105 5103 1105 n掺 杂型（ 还原型 ） 萘基钾 掺杂 萘基钠 掺杂 2104 103 104 （3）有机导体 21世纪的研究方向是如何合成 缺陷少、结晶度高、电性能好和 易于加工的有机高分子材料。 14 （4）有机磁性材料 物质磁性 抗磁性 顺磁性 铁磁性 反铁磁性 亚铁磁性 软磁材料 硬磁材料 半硬磁材料 旋磁材料 矩磁材料 压磁材料 按磁性种类 按化学成份 金属磁性材料 非金属磁性材料 按使用形态 块体磁性材料 粉末磁性材料 薄膜磁性材料 磁性材料 15 常见的软磁材料： 铁和MFe2O4、MFeO3、 M3Fe2O5、MFe12O19（M为金 属离子）等 铁氧体都是软磁材料 。 变压器的铁芯处于不断变化的电磁场 中，铁芯材料的磁化强度和磁感应强 度也是不断改变的。这就自然要求铁 芯材料对这种变化的阻力小，变化足 够灵敏。所以，几乎对所有的变压器 铁芯，都要求导磁率高。 磁性传感器 普通的水雷或者地雷只能在接触目标时爆炸，因此作用有限。而如果在水雷或地雷 上安装磁性传感器，由于坦克或者军舰都是钢铁制造的，在它们接近（无须接触目标） 时，传感器就可以探测到磁场的变化使水雷或地雷爆炸，提高了杀伤力。 变压器变压器 （4）有机磁性材料 16 铝镍钴系硬磁合金、硬磁铁氧体材料、稀土硬磁材料等几个系列 硬磁材料 扬声器 17 20世纪末林展如以二茂铁为原料合成出室温下具有磁性 、居里温度达摄氏200度的高分子金属配合物，并发现 用它们做成的磁性元件对电磁波的传输具有明显有低 频率损耗系数和低温度损耗系数的特点。这说明有机 磁性材料在高频电磁波通讯领域有潜在用途。 （4）有机磁性材料 科学家预言几种 具有特殊结构的 有机化合物和高 分子化合物可能 具有磁性 高分子-金属配合物 分子内含氮氧稳定自由基团结构的有机化合物 平面大键结构的有机物 21世纪将作进一步探索。 电子转移复合物 18 2、新型光学材料 （1）非线性光学材料 这是一种广泛应用于倍频器件、激光唱盘、激光彩色打印、自 聚焦透镜、红外成象、纤维光学等高科技领域的新型光学材料 。 20世纪在无机材料方面BBO（偏硼酸钡）是一种优质的紫 外倍频晶体材料，广泛用于激光技术中。 近年来，非线性有机光学材料发展较快，且发现材料要具有 高的极化性，特别是高度的二次谐波发生性（简写为SHG） ，通常要求材料具有共轭电子体系，且共轭体系的一端连有 强的吸电子基团，另一端连有强的给电子基团，晶格结构应 为非中心对称（已知只有29）。 21世纪的方向和难题 应用分子的手性，选择含手性中心的旋光活性分子，以优 化分子在晶体中的排列，从而提高有机晶体的SHG活性 19 （2）液晶和有机电致发光材料 1994年2000年,全球显示器销售额从194亿美元增加到337亿 美元。预期平板显示器生产将成为21世纪信息社会的支柱产业 。 液晶是一种具有一定的几何结构或极性的合成小分子有机物 和高分子化合物。 21世纪的目标是 如何设计和合成一些新型结构（如球状、棒 状、盘形、层状、螺旋状）液晶材料，从分 子水平上揭示液晶的结构和性能的关系 另一类显示器材料是电致发光材料，具有低压直流驱动，高亮 度、高效率以及实现全色大面积显示、成本低等优点，可克服 液晶显示的其些不足，具有很大的应用前景 1998年英国和日本推出了一个仅2mm的聚合物电致发光电视显示 屏，21世纪大屏幕电致发光电视屏的广泛使用将不是遥远的事情 。 20 (3)光导纤维 从高纯度的二氧化硅或称石英玻璃熔 融体中，拉出直径约100um的细丝， 称为石英玻璃纤维。其特点是光损耗 小，故称为光导纤维，是精细陶瓷中 的一种 利用光导纤维进行光纤通讯。激光 的方向性强，频率高，是进行光张 通讯的理想光源。与电波通讯相比 ，光纤通讯能提供更多的通讯通路 ，可满足大容量通讯系统的需要。 21 光导纤维 光导纤维也是玻璃的一种 通常光是直线传播，但当光线从一种折射率较大的介质射向 折射率较小的介质时，若光线的入射角度超过某一数值，则 光线就会全部反射原来的介质。因此，科学家们就想是否用 一种“管道”，让光在其中发生全反射而不能出去，只能在“管 道”的界面上作波浪式前进，并从“管道”的另一端出来。于是 ，就发明了能任意弯曲的石英玻璃纤维。 光导纤维一般由两层组成，里面一层称 为内芯，直径几十微米，但折射率较高 ；外面一层称包层，折射率较低。从光 导纤维一端入射的光线，经内芯反复折 射而传到末端，由于两层折射率的差别 ，使进入内芯的光始终保持在内芯中传 输着。 22 光导纤维 在实际使用时，常把千百根光导 纤维组合在一起并加以增强处理 ，制成象电缆一样的光缆，既提 高了光导纤维的强度，又大大增 加了通讯容量。 但光在玻璃纤维中传播时,往往会 被一些杂质吸收而减弱.经过长时 间的试验与探索,工程师们最终制 造了杂质含量仅有十亿分之一的 光导纤维,这样光的损耗率达到了 103分贝/千米.所以,在现代信息 时代,光电通讯事业得以迅速发展 。 23 光导纤维 光纤电缆通信已在20世纪推广使用 生产高透明度、低损耗的石英纤维是用化学蒸汽 沉积法（CVD），但石英纤维仍有一定光损耗。 近年来发现氟纤维如三元氟玻璃（即ZrF4、LaF3和BaF4 混合体）可提高光纤性能，从原理上讲，其光信号传输横 跨太平洋而不需中继站。 21世纪的动向是研究新型光纤材料，面临的难点 是如何提高高分子光纤材料的纯度问题。 24 （4）光开关材料 21世纪新的发现及其实际应用的潜力很大。 在处理光信号的过程中需要一种光学装置来开关、放 大及储存光信号。 目前是铌酸锂、砷化镓铝。近年来发现，一些新材料如聚 乙炔、手性有机分子、液晶等显示了更优越的光学性能 25 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 特点： 电、磁、光、热等性能 用途：通信、电子、自控、集成 电路 按化学成分 按使用性能 结构陶瓷 功能陶瓷 特点:耐高温、超硬度、高强度、 耐磨损、 抗腐蚀 用途：能源、机械、冶金、宇 航 3、新型陶瓷材料 26 3、新型陶瓷材料 目前有Si3N4、SiC、WSi2、 ZrO2、Al2O3等。 （1）工程陶瓷 这些材料具有耐热、高硬度、耐磨、耐腐 蚀、相对密度小等特点。若能用于燃气轮 机，工作温度从目前1100 提高到1370 ，热效率从60%提高到80%，是理想的 发动机材料。 致命的缺点是脆性 近期表明：用不同配比的各种原料和 陶瓷复合材料制成的纳米级原材料经 烧结可提高韧性，预期合成陶瓷研究 将使全陶瓷内燃机尽快成为现实。 工作温度 1300 不水冷 重量轻 氮化硅结构陶瓷制品 氮化硅(Si3N4)陶瓷在1200左右的高 温下，仍具有很高的强度，可用来制 造汽轮机叶片、轴承、永久性模具等 。 27 湿敏元件ZnO-Li2O-Cr2O3-V2O5，其相对湿度为90， 电阻4.24欧，可用于空调机 (2) 超硬陶瓷材料 金刚石是一种天然“陶瓷”。人造金刚石已进入工业生 产，其高温抗氧化性能较差，在8000C开始氧化。 现已研制出氮化硼材料，硬度仅次于金刚石，在1200 才开始氧化，具良好的应用前景。 (3) 热敏元件陶瓷 半导体热敏陶瓷（PTC）具有正的温度系数，当温度上 升到相变温度时，电阻急剧增大，可用于各种温控元件 。如电热器、电饭煲、烤箱、干燥器等。 28 以Al2O3为主体，经150019000C烧结而成，具有压 电陶瓷性能，就可实现机械能与电能的相互转变，用 于电波滤波器、压电变换器、点火器等。 ( 4 ) 透明陶瓷 ( 光学陶瓷 ) 特点 光学性能优异 耐高温 ( 熔点 2000 以上 ) 用途 高压灯（ 如高压鈉灯 工作温度 1200 寿命12万小时） 防弹玻璃 （5）电气陶瓷 29 4 复合材料 将多种材料（不同功能和性能）用化学方法使其结合成 一体，将产生某一些特殊性能并优点互补的新型复合。 这是材料科学中的新的生长点，对解决某些实际用途起 很大作用。 （）聚合物基复合材料 主要是指纤维增强聚合物材料。 如将碳纤维包埋在环氧树脂中使 复合材料强度增强，用于制造网 球拍、高尔夫球棍和滑雪撬等。 玻璃纤维复合材料为玻璃纤维 与聚酯的复合体，可以用于结 构材料，如汽车和飞机中的某 些部件、桥体的结构材料和船 体等，其强度可与钢材相比。 增强的聚酰亚胺树脂可用于汽 车的“塑料发动机”，使发动机 的质量减轻，节约燃料。 玻璃纤维 30 （）陶瓷基复合材料 为改变陶瓷的脆性，将石墨或聚合物纤维包埋在陶瓷中，制 成的复合材料有一定的韧性、不易碎裂，且还可在极高的温 度下使用。这类陶瓷基复合材料可望成为汽车、火箭发动机 的新型结构材料。金属网陶瓷基材料具有超强刚性，可作为 防弱弹衣的材料。 31 （）金属基复合材料 在金属表面涂层，可以保护金属表面或赋以金属表面某种 特殊功能，如金属表面涂油漆以防抗腐蚀 金属表面作搪瓷内衬可制造化学反应釜 金属表面镀铬使表面光亮 金属表面涂以高分子弹性体赋以表面韧性，可作为抗气蚀材 料用于水轮机，汽轮机的不锈钢叶片上，延长其使用年限 在纯的硅晶片上复合多层有专门功能的物质可用于计算机 的集成电路片 铝硼纤维，其比强度为铝合金的2倍，比模量为铝合 金的3.5倍，用于飞机，重量可减轻23-40% 铜钨纤维可耐温1100-1300 在醋枝纤维片上涂上氯化银及多层不同的染料化学品便成 了彩色胶片 近年 32 玻璃钢 （1）钢筋混凝土：钢筋（金属材 料）和混凝土（无机非金属材料 ）的复合材料； （2）机动车轮胎：合金钢（金属 材料）和合成橡胶（合成材料） 的复合材料； （3）玻璃钢：塑料（合成纤维） 和玻璃纤维（无机非金属材料） 的复合材料； （4）碳纤维 主要几种复合材料 33 5、生物医学材料 对植入生物 部件的代替 物的要求 生物相容性好，对肌体无免疫排异反应 血液相容好，无溶血、凝血反应 不会引起代谢作用异常现象 对人体无毒、不会致癌 根据材料本身 的性质分类 医用金属材料 医用高分子材料 生物陶瓷材料 医用复合材料 生物医学材料发展方向之一是制造人工材料做生物 部件的人工代替物或在非医学领域中使用 34 （1）医用金属材料 医用金属材料主要适用于人体硬组织的修复和置换，有 钴基合金、不锈钢、钛及钛合金、贵金属系、形状记忆 合金、金属磁性材料等七大类。 医用金属材料的显著特点是具有较高的强度和韧性 ，加工性能好，工艺成熟稳定可靠。 广泛用于齿科充填、人工关节、人工心脏、磁疗、放射 疗法、药物载体、生殖控制等。 如把不锈钢做成人工关节植入人体 内，三五年内便会出现腐蚀斑，并 且还会有微量金属离子析出 生物合金的缺点 易腐蚀 35 ( 7) 生物陶瓷材料 优点:生物相容性好，耐腐蚀、 稳定性好 用途: 人体器官、组织修复、再造 生物陶瓷是惰性材料，耐腐蚀，更适合植入人体。 最大缺点是性脆，韧性不足。脆性和加工成型困难，仍是 制约生物陶瓷广泛应用的两个最大难题，严重影响了它作 为人工人体器官的推广应用。 生物陶瓷材料根据材料本身的性质可分为三类：一类是生物体 内近于惰性的生物材料，如氧化铝（纯刚玉）陶瓷材料、碳素 材料等；第二类称为生物体内可控表面活性材料，如生物玻璃 陶瓷、羟基磷灰石等；第三类是生物体内可吸收的生物材料， 如磷酸钙系可吸收材料、熟石膏等 36 医用高分子人 工器官在50年 代试用于临床 如人工尿道（1950年）、人工血管（1951 年）、人工食道（1951年）、人工心脏瓣 膜（1952年）、人工心肺（1953年）、人 工关节（1954年）、人工肝（1958年）等 。 进入60年代，医用高分子材料开始进入一个崭新的发展时期 有机高分子材料做成的人工器官容易老化 （3）医用高分子材料 降解型高 分子材料 材料在植入体内后，可在生物环境作用下发生结构 破坏和性能蜕变，最终通过体内新陈代谢分解而排 出体外 如胶原、纤维素、聚氨基酸、壳聚糖及某些聚酯材 料等 非降解型高 分子材料 可作长期植入之用 常见的聚乙烯、聚丙烯、硅橡 胶、聚砜、聚丙烯酸酯（有机 玻璃）等 37 人工脏器高分子材料 心 脏嵌段聚醚氨酯弹 性体、硅橡胶 肾 脏 铜氨法再生纤维 素，醋酸纤维 素，聚甲基丙 烯酸甲酯，聚丙烯腈 ，聚砜，乙烯乙烯 醇共聚物（EVA），聚氨酯豪，聚丙烯，聚 碳酸酯，聚甲基丙烯酸羟乙酯 肝 脏 赛璐玢（cellophane），聚甲基丙烯酸 羟乙酯 胰 脏共聚丙烯酸酯中空纤维 肺硅橡胶，聚丙烯中空纤维 ，聚烷砜 关节、骨 超高分子量聚乙烯，高密度聚乙烯，聚甲基 丙烯酸甲酯，尼龙，聚酯 人造心脏 人工膝关节 人工肾脏 医用高分子材料 38 皮 肤硝基纤维 素，聚硅酮尼龙复合物，聚 酯，甲壳素 角 膜 聚甲基丙烯酸甲酯，聚甲基丙烯酸 羟乙酯，硅橡胶 玻璃体硅油，聚甲基丙烯酸羟乙酯 鼻、耳硅橡胶，聚乙烯 乳 房聚硅酮 血 管聚酯纤维 ，聚四氟乙烯，嵌段聚醚氨酯 人工红血 球 全氟烃 人工血浆羟乙基淀粉，聚乙烯基吡咯烷酮 胆 管硅橡胶 医用高分子材料 39 人工心脏瓣膜 鼓 膜 硅橡胶 食 道 聚硅酮 喉 头 聚四氟乙烯，聚硅酮，聚乙 烯 气 管 聚乙烯，聚四氟乙烯，聚硅 酮，聚酯纤维 腹 膜 聚硅酮，聚乙烯，聚酯纤 维 尿 道 硅橡胶，聚酯纤维 医用高分子材料 40 6、新型合金材料 锂（密度仅为0.5g/cm3 ）是常温下最轻的固体单质，铍锂 合金称为超轻合金，是金属结构材料中最轻的一种。 铍铝合金（含铍62、铝38），具有质量轻、耐高温、 强度大，加式性能好等优点，应用于导弹、火箭、超音 速飞机的结构部件，电子计算机、核燃料包壳。 镁合金是镁和铝、锌、锰等的合金。用于制造仪器、仪表 零件，飞机起落架等。 （1)轻质合金 41 铝及其合金的应用 铝对人类最大的贡献，就在于航天航空事业。虽然其单质的 密度小，强度不大，但与一些金属形成合金后，就具有了轻 而结实的优越性能。所以航空、航天工业上发挥了极大的作 用，目前，一架超音速飞机，铝合金的用量已占用材的70% 用铝锂合金具有高比强度、高比刚性且相对密度小的特 点，如用代替飞机蒙皮材料，一架大型飞机可减轻重量 50kg，以波音747为例每减轻1kg，一年获利2000美元 。 我国第一颗人造地球卫星 东方红I号”的外壳，就是 全部用铝合金制成的 美国 “阿波罗号” 宇宙 飞船使用的金属材料中 ,75%以上是铝合金。东方红I号人造卫星 阿波罗II号宇宙飞船 42 铝及其合金的应用 若将铝粉、石墨及氧化钛 等物质按一定比例混合,涂 在火箭、导弹的金属外壳 表面,再经高温处理后，可 使火箭与导弹“穿”了一层 特殊的“外衣”,经能保护火 箭与导弹在飞行过程中不 会因与空气摩擦而烧毁。 俄罗斯KH29空地导弹 美国AGM86B巡航导弹 中国长征运载火箭 美国中程空对空导弹 43 钛合金优点： 高强度 高韧性 耐腐蚀 质地轻 无磁性 钛合金的性能与应用 钛与铝比, 硬度是其2倍，制 成合金则比铝高出24倍。 而与钢相比钛的密度仅相当 于钢(7.8g/cm3)的57%，但 强度与硬度与之接近。 所以，钛同时兼有钢(高强度) 和铝(质地轻)的优点。在原来 使用钢材和铝材的地方，它可 以而代之；而在钢和铝不能胜 任的地方，钛则能“轻松应对” 。 44 钛是制造宇宙飞船的关键材料。由于太 空的温度低达零下 100200，这个 环境中的飞船所需要的液氢和液氧燃料 ，必须贮藏在用耐超低温的容器中。但 大多数金属罐均会破裂，而钛制成的容 器非但不破,且强度还会增加.所以，液 氢和液氧是贮藏在用钛制成罐中 。 美国航天飞机 钛合金的性能与应用 当美国航天飞机从太空返回地球 时，必须穿过大气层。但由于高速 摩擦会使航天飞机表面温度高达 1000。一般金属及其合金都难 以抵抗，也只有钛合金作为其“蒙 皮”，才能担此重任。 45 钛材同时也是现代飞机的主要材 料。以前飞机的外壳都用铝合金 ，但当飞机的速度超过音速的 2.2倍时, 飞机外壳与空气的剧 烈摩擦而产生很高的温度。一般 铝合金在300以上强度便大大 下降。而钛合金在650以上仍 泰然无事。 美国制造的著名“黑鸟”战机，其飞行 速度已达3200千米/小时, 是音速的2.5 倍以上，其表面材料即为钛合金。 钛合金的性能与应用 “黑鸟”军用飞机 US隐形战斗机 法国阵风战斗机 46 海狼号核动力攻击潜艇 英国大刀级导弹护卫舰 普通钢铁制成的船体易被海水侵 蚀，且海水深度每增加10米，压 力就增大1个大气压。潜艇或军 舰须用超强耐腐蚀材料来制造。 而钛及其合金长期浸泡在海水中 不被腐蚀，且由于其没有磁性， 故用钛合金制造的舰船，可免受 磁性水雷的攻击。 美国的深海潜艇就是用钛合 金制成的，它能够在4500米 深海中航行。 钛合金的性能与应用 47 （）耐热合金 能在高温（700 ）下工作的金属，通称为耐热金属，“ 耐热”是指金属在高温下能保持足够的强度和良好的抗氧化 性。它们广泛地应用于制造航空涡轮发动机，各种燃气轮 机热端部件，应用领域涉及航艇、火车、汽车、火箭发动 机、核反应堆等高技术领域。 耐热金属主要集中于周期表的中部，、 元素，其中钨的熔点最高（3410 ），通常将熔点高于 铬（熔点1903 ）的金属，叫做高熔点金属或难熔金属 。 工业上常用的高熔点金属，主要有Mo、W、Nb、Ta等金属 及其合金，但它们的价格高，数量少。常采用合金化的方法 提高金属的耐热性。即在钢铁中添加某些元素，制成耐热抗 氧化的合金钢，合金元素有W、Mo、Cr、V、Nb、Al、Si 等 48 （）耐热合金 耐热合金目前有铁基、钴基、镍基、钼基、铌基、钽基和 钨基合金等。 镍钴合金能耐1200 用于喷气发动机和燃气轮机的构件 镍铬铁非磁性耐热合金在1200 时仍具有高强度、韧性 好的特点，可用于航天飞机的部件和原子反应堆的控制棒 。 今后方向是寻找耐高温（1000 以上）、可长时间运行 （10000h以上）、耐腐蚀、高强度等要求的合金材料。 49 形状记忆合金是一种新的功能金属材料，用这种合金做成的金 属丝，即使将它揉成一团，但只要达到某个温度，它便能在瞬 间恢复原来形状。例如，最早研究成功的形状记忆合金镍钛脑 (Ni-Ti合金)，如果把它加工成Nitanon字样，然后加热到 再冷却，再把字形弄成一团，当把它加热到 时发现它 又重现了Nitanon字样。这种能“记忆”起自己受外力作用而 变形前的形状，并能自动恢复的合金，称为形状记忆合金。 应用 记忆合金铆钉 紧固件 卫星自展天线（镍 钛） 形状记忆合金发动机 （3）形状记忆合金 50 形状记忆合金的这种“记忆”功 能，是因为这类合金具有马氏体 相变。凡是具有马氏体相变的合 金，将它加热到相变温度时，就 能从马氏体转变为奥氏体结构， 完全恢复原来的形状。 形状记忆合金 具有形状记忆效应的合金现已发 现很多，主要的有Ni-Ti体系合金 、Cu-Zn-Al合金以及Cu-Al-Ni系 合金。 近年来发现在高分子材料、铁 磁性材料和超导材料中也存在 形状记忆效应。 51 形状记忆合金 由于Ni-Ti合金具有神奇的形状记忆性能，因此它在许多工业和 民用部门发挥神奇的作用，广泛地用于卫星、航空、生物工 程、医药、能源和自动化等方面。 在工业生产中，不同材料管道的连接是非常普遍的，但连接通 常比较困难。若用记忆合金管路接头，问题即可解决。只要 把常温下轻松连接的记忆合金连接件放入热水里，过一会儿 再取出来，就会发现两根管子已经紧紧地连接在一起了。在 对其做抗压试验时发现，先被击碎的竟是钢管，而记忆合金 则完好无损。形状记忆合金还可以垫在机器底下起减振、消 除噪声的作用。因为形状记忆合金在冷热交替时电阻率显著 增大，所以还是很好的阻尼材料。在汽车工业中，可以制造 出“可复原”的汽车外壳：即使被撞扁，只要用80的热水一 浇便可恢复原状。 52 美国曾用Ni-Ti合金制成飞船的发射和接收天线。此天线被折叠 发射到月球上，以减少飞船的体积。在月球上，由于吸收太 阳的辐射而升温，又恢复抛物面形状。 在服装工业中记忆合金最早用于在文胸内起托垫保形作用。这 种托垫在冷水中可以洗涤，而带在身上因体温而恢复原状， 保持其很强的弹性。另外人们还利用这种超弹性开发出手机 天线、高级眼镜架等。 在医学上，如对脊椎骨弯曲的患者进行脊椎校直时，可用形状 记忆合金制成的器件固定在脊椎骨上，受热时因器件伸长， 而使脊椎校直。又如，可用Ni-Ti合金制造人造牙和牙床。传 统的治疗血管狭窄的方法是开刀手术，若用形状记忆合金的 腔内支架，则只需开一小口，用导管把支架植入血管即可， 从而大大减轻了病人的痛苦。 北京有色金属研究总院在开发记忆合金方面走在世界前列，已 成为我国最大、世界一流的形状记忆合金生产基地。 形状记忆合金 53 储氢金属或合金为什么能储存氢气？ ，氢元素较活泼， 原子半径又小，它很容易钻进金属 空隙中去并和金属 起化学反应生成 金属氢化物。 金属结构中存在着很多空隙 （4）储氢合金 储氢的传统方法 气态 - 150 大气压 液态 - 253 液化钢瓶 钢瓶 储氢金属或合金 能吸收 H2 的金属或合金。 例如LaNi5若吸氢后形成LaNi5H6，这时在合 金中氢的密度为0.111g/cm3，它比标准状态下 氢气的密度大千余倍，也比液氢密度大。 54 五、纳米材料 纳米的“纳”字,在希腊文中是“矮小”之意。纳米的符号是 nm,是一个长度单位。1nm10-9m,即1纳米是十亿分之一 米,它是普通氢原子的27倍，相当于人发直径的十万分之一 。 纳米颗粒一般 是指尺寸在1 100纳米之间的 颗粒。这样小 的固体颗粒是 人眼无法看到 的，所以，需 要借助20万倍 的电子显微镜 才能看清楚。 10厘米 10微米10纳米1微米 100微米1厘米 100纳米 1毫米 55 纳米材料颗粒加工到纳米级大小（1-100nm) 特点 粒子具超细微、粒子多，表面积大 特性 具有奇特的光、电、磁、热、力和化学性质。 应用举例如Au熔点1063 ，纳米金330 ；Ag熔点1063 ，纳米Ag100 ；使低温烧结制备合金成为可 能。 纳米铁的抗断裂应力比普通铁高12倍 纳米材料 实际上，纳米材料早就存在(荷花叶的表面结构)，只是到 20世纪80年代才被科技工作者发现与重视。 56 纳米颗粒与原子 随着颗粒直径的不断减小，其表面原子的 百分数会迅速增加。当微粒直径达到10纳 米时，表面原子数是颗粒中原子总数的 20%;但当直径小到1纳米时,表面原子百分 数增加至99%。 据资料报道，当表面原子百分数达到99%时 ，就会有组成该颗粒的30个原子几乎完全裸 露在颗粒表面。因表面原子与纳米颗粒内部 原子所处的环境不同，它周围缺少相邻的原 子，又有许多悬空键，具有不饱和性，易与 其他原子结合而稳定。所以，纳米颗粒直径 减小的结果，使其表面积、表面结合能及化 学活性等迅速增大。因而纳米材料就具有了 一些特殊的性能。 57 纳米材料的性能 纳米氧化铁 光学性质 不同的金属块往往有不同的颜色,但当其颗粒度减小到纳 米级的时候，其吸光能力大大增加，几乎所有的光线都被 吸收。所以，不管原来金属块是什么颜色，此时都呈黑色 ，且颗粒越细，颜色越深。 58 超细的Fe、Ni、Fe2O3混合轻烧结体可代替贵金属作为汽 车尾气的催化剂。 纳米材料的性能 催化性质 作为催化剂，催化反应通常是在其表面进行。当催化剂颗粒达 到纳米级时，由于其表面积和表面能都非常高，导致活性点急 剧增多。因此，与传统催化剂相比，纳米级催化剂的催化活性 与选择性大幅度提高 如纳米铂黑催化剂可使乙烯氢化反应的温度从600 降至室温 59 平均颗粒度35nm 纳米材料的性能 化学反应性质 纳米颗粒的粒径小，表面原子百分数高，吸附能力强，因此 ，表面反应的活性很高。如金属纳米颗粒容易被氧化，在空 气中极易发光燃烧。 60 纳米材料的应用 1998年美国首次研制出由磁性纳米棒组成 的“量子磁盘”，该磁盘的记录密度可达 400Gb/in2，相当于每平方英寸可储存20万 部红楼梦。 计算机存储器的存储能力将提高1000倍， 到那时巨型计算机小到放到口袋里；美国 国会图书馆的全部资料的信息可以存储在 一块水果糖大小的存储器中。 利用纳米半导体颗粒制备光电转化率更高的新型太阳能电池 再创“磁记录材料”的新高 据调查，到2010年，纳米技术将成为仅次于芯片制造的 世界第二大产业，拥有14400亿美元的市场份额。 61 纳米材料的应用 细胞机器人 细胞是生命的最小单位，其中酶分子就 是一个活的微型机器人。利用纳米技术 模拟生命过程中功能不同的酶，就可以 解决常规医疗条件不能解决的事情。纳 米机器人可注入人体血管内，进行全身 健康检查，疏通脑血管中的血栓，清除 心脏动脉脂肪淀积物，吞噬病毒，杀死 癌细胞。 62 纳米材料的应用 如制造出负责清扫血管的纳米机器人,专门清除血 管壁上的胆固醇等沉积物,以预防心血管疾病。 瑞典科学家用黄金和 多层聚合物制作微型 医用机器人，用它在 人体内移动单个细胞 ，成为微型手术器械 。 63 纳米材料的应用 在汽车尾气处理中加入纳米复合稀土氧 化物后，尾气净化的效果非常好，N 、O和NO几乎完全转化成无毒的N2 和CO2。 纳米TiO2可用来降解有机磷，催化降解 纺染中的废水，从而解决环境污染 问题。 汽车尾气处理 纳米防晒品 在防晒品中加入表面遮盖能力强,吸光性 强但对身体无害的聚合物纳米颗粒,既可 增强防晒品阻挡紫外线能力,同时也改善 防晒品的其他功能。 64 纳米材料的应用 纳米杀菌除味剂 利用纳米颗粒吸附能力强的特点, 将纳米颗粒添加到纤维制品和制 冰箱的塑料中，可制得除味杀菌 的纤维和无菌冰箱。 纳米隐形飞机 雷达探测飞行物的基本方法，是通过接受经由飞行物表面所反 射回来的电磁波来确定其方位的。而纳米材料对电磁波有很强 的吸收能力,因此,利用这个优势便可制造出隐形飞机。 65 纳米材料的应用 纳米材料对光的反射率很低(约1%)，粒度越细，对光和电 磁波的吸收越多，据此纳米金属材料可制作红外线检测元 件、红外吸收材料和隐形飞机上的雷达吸收材料。据报道 日本已用极微小的部件组装成一辆只有米粒大小、能够运 转的汽车；德国还制成了一架只有黄蜂大小、并能升空的 直升机以及肉眼几乎看不见的发动机。 在20世纪90年代，科学家发现许多纳米陶瓷（如 ZrO2、Ti2O3、Si3N4）在适当温度下具有很好的塑性 ，甚至塑性形变可达100。这使人们想到陶瓷的最 大缺点脆性是否可以在这种异常性能中得到解决 。这是将来陶瓷材料研究中的一个重要课题。 66 碳纳米管是在20世纪末制成的新型纳米材料。碳纳米管是石墨 中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状“纤维”，内部是空的， 外径只有几十纳米。这种纤维的密度是纲的16，而强度却是 钢的100倍。有人指出，用它做绳索是惟一可以从月球表面拉到 地球表面而不能被自身重量拉断的绳索。这种材料还能储存和 凝聚大量氢气，并可能作为燃料电池驱动汽车。 2000年11月香港科学家研制成功的最小碳管直径只有0.4mm,它 是由一个个笼状的小单元连接而成,这些小单元看起来很像足球。 现代纳米技术不仅是指制造超细粉末的技术，它的重要意义 在于人类能够在纳米尺度范围内对原子、分子进行操纵和加 工，并按人的意愿组成所需要的超微细器件 2001年11月三位中国科学家在美国制造出10-15mm厚，30- 300nm宽的“纳米带”，纳米带的生产可解决在大量生产纳米管 时难免出现的结构上的缺陷。 纳米碳管 67 纳米碳管 纳米碳管(NTs)以其特 有的力学、电学和化学 性质，独特的准一维管 状分子结构和在未来高 科技领域中所具有的许 多潜在的应用价值，迅 速成为化学、物理及材 料科学等领域的研究热 点。 不过，纳米碳管是否 属于碳的同素异形体在 学术上还存在争议。 68 纳米碳管(NTs)即管状的纳米级石墨晶体，是单层或多 层石墨片围绕中心轴，按一定的螺旋角卷曲形成的无缝纳 米级管，管端基本上都封口。每层纳米管是一个由碳原子 通过sp2杂化与周围3个碳原子完全键合后所构成的六边形 平面组成的圆柱面。其平面六角晶胞边长为24.6 nm，最短 的碳碳键长14.2 nm。根据制备方法和条件的不同，纳米 碳管存在多壁纳米碳管(MWNTs)和单壁纳米碳管(SWNTs) 两种表式。多壁纳米碳管的层间接近ABAB堆垛，其 层数从250不等，层间距为(0.340.01) nm，与石墨层间 距(0.34 nm)相当。单壁纳米碳管典型的直径和长度分别为 0.753 nm。纳米碳管的长度从几十纳米到1 微米。 无论是多壁纳米碳管还是单壁纳米碳管都具有很高的长 径比, 一般为1001000, 最高可达100010000, 完全可以认 为是一维分子。 碳纳纳米管的结构 69 电弧放电法中阴极采用厚约10 mm，直径约30 mm的 高纯高致密的石墨片，阳极采用直径约6 mm的石墨棒， 整个系统保持在气压约l04 Pa的氦气气氛中，放电电流为 50 A左右，放电电压20 V，通过调节阳极进给速度，可 以保持在阳极不断消耗和阴极不断生长的同时，两电极 放电端面间的距离不变，从而可以得到大面积离散分布 的碳纳米管。 碳纳纳米管的制备备 碳纳米管的制备方法有多种，其中电弧放电和催化热裂解是两 种使用较广的方法 催化热裂解法制备的碳纳米管结构较单一、纯度较高。 一般采用催化剂Ni作为衬底材料，在700 温度下催化裂 解乙烯制备碳纳米管。 70 碳纳纳米管的应应用 (1)高强度碳纤维 材料理论计算表明，纳米碳管的抗张强度比钢高100倍，但 重量只有钢的六分之一。其长度是直径的几千倍，5万个并 排起来才有人的一根头发那么宽，因而号称“超级纤维”。 (2)复合材料 近年的研究表明，纳米碳管与介孔固体(孔径在250 nm 的多孔固体)组装，形成介孔复合体，将是一种特殊性能 的新型材料。 碳纳米管自身重量轻，具有中空的结构，可以作为储存氢气 的优良容器，储存的氢气密度甚至比液态或固态氢气的密度 还高。适当加热，氢气就可以慢慢释放出来。研究人员正在 试图用碳纳米管制作轻便的可携带式的储氢容器。 （3）储氢材料 71 微型化学开关朝着分子计算机迈出一大步 一些新型材料发展 现在科学家将开发出的微型化学开关细如毛发，可反复开 启和关闭，从而可能用来制造随机存取的存储器。这是计 算机中的关键设备，它使用户能保存和任意处理信息。 分子计算机将淘汰掉今天体积庞大、笨重、能耗巨大的硅计算机 目前的晶体管尺寸比分子器件大8000倍，最终计算机将变得 十分微小，可编织到衣服中。 它能完整地保存大量数据而不必担心出现系统崩溃或其它故障 一般的计算机，基本器件是二极管（开关，电流放大器）、 三极管（信号电压放大器，信息存储器）。 72 它是由两个微小的互相连锁的环状结构组 成的。通过施加电脉冲可以移走一个电子 ，从而导致一个环出现翻转或绕另一个环 旋转，这就打开了开关。若把电子送回原 处，便会使开关关闭。如右图的分子结构 中，SH与Au易结合，中间苯环的电子可 流动。加电场时，苯环发生扭曲，电子不 能通过这就是二极管。它在5V时，可 承受0.2mA,穿过分子通道的电子数约为 1012个，相当于电子是逐步通过的。 微型化学开关的基础是一种叫连环体的分子 （2、4二苯硫酚3氨基硝基苯，如图） 。 微型化学开关朝着分子计算机迈出一大步 73 基因芯片 基因芯片，也叫DNA芯片，是在90年代中期发 展出来的高科技产物。基因芯片大小如指甲盖 一般，其基质一般是经过处理后的玻璃片。每 个芯片的基面上都可划分出数万至数百万个小 区。在指定的小区内，可固定大量具有特定功 能、长约20个碱基序列的核酸分子（也叫分子 探针）。 74 基因芯片即脱氧核糖核酸（DNA）阵。在不大的芯片上，储 存着巨大数量的信息，而传递信息的使者就是DNA。基因 芯片由若干基因探针构成，每种基因探针包含着由若干个核 苷酸对构成的DNA片段。 基因芯片的工作原理与探针相同。在指甲盖大小的芯片上，排 列着许多已知碱基顺序的DNA片段，根据碱基互补规律， 芯片上单链的DNA片段能捕捉样品中相应的，从而 确定对方的身份，通过这种方式可准确识别异常蛋白等。 基因芯片的制作是一项十分复杂的技术，要在小小的玻璃芯片 上加工数十万个孔槽，然后在每个孔上精确地放上不同的、 特定的DNA片段而不使它们发生任何混淆则是十分困难的