《其他新材料简介》PPT课件.ppt

第五节其他新材料简介 一 功能材料1 功能材料的概念功能材料是指具有特殊的电 磁 光 热 声 力 化学性能和生物性能及其转化的功能 用以实现对信息和能量的感受 计测 显示控制和转化为主要的非结构性高新材料 2 功能材料的特点 1 多功能化如NiTi合金 既具有形状记忆功能 又具有结构材料的超弹性性能 2 材料形态的多样性同一成分的材料形态不同时 常会呈现不同的功能 如Al2O3陶瓷材料 拉成单晶时为人造宝石 烧结成多晶时常用作集成电路基板材料 透光陶瓷等 多孔质化时是催化剂的良好载体与过滤材料 纤维化时为良好的绝热保温材料 3 材料与元件一体化结构材料常以结构形式为最终产品 而功能材料则以元件形式为最终产品 4 制造与应用的高技术性 性能与质量的高精密性及高稳定性为了赋予材料与元件的特定性能 需要严格控制材料成分 如高纯度或超高纯度要求 微量元素或特种添加剂含量等 和内部结构及表面质量 这往往需进行特殊制备与处理工艺 3 常用功能材料 二 功能材料简介 一 电功能材料电功能材料是指利用材料的电学性能和各种电效应等电功能的材料 下面介绍导电材料 电阻材料和电接点材料 1 导电材料导电材料是用来制造传输电能的电线电缆及传导信息的导线引线与布线的功能材料 主要功能要求是具有良好的导电性 有时还要求一定的强度 弹性 韧性或耐热 耐蚀等性能 导电材料主要包括 常用导电金属材料 膜 薄膜或厚膜 导体布线材料 导电高分子材料 超导电材料等 1 膜 薄膜或厚膜 导体布线材料 2 导电高分子材料导电高分子材料具有类似金属的电导率 且由于具有轻质 柔韧 耐蚀 电阻率可调节等优点 导电高分子材料按导电原理可分为结构型导电高分子及复合型导电高分子材料 3 超导电材料有些导体的直流电阻率 在某一低温陡降为零 被称为零电阻或超导电现象 超导体有电阻时被称为 正常态 而处于零电阻时被称为 超导态 导体由正常态转变为超导态的温度 即电阻突变为零的温度称为超导转变温度或临界温度Tc 超导体在临界温度Tc以下 不仅具有完全导电性 零电阻 还具有完全抗磁性 即置于外磁场中的超导体内部的磁感应强度恒为零 零电阻及完全抗磁性是超导体的两个基本特征 使超导体从超导态转变为正常态的最低磁场强度和最小电流密度 分别称之为临界磁场强度Hc临界电流密度Jc 理想的超导材料应有高的Tc Hc Jc值 而且要易于加工成丝 超导材料有元素超导体 例如Nb和Pb 合金超导体 如Nb Ti及Nb Zr合金 化合物超导体 如Nb3Sn和V3Ga 有金属超导体 高分子超导体 陶瓷超导体 由于一般超导体材料均具有Tc低的特点 研制高温超导材料就成为人们关注的焦点 1987年起 超导材料临界温度Tc提高到77K 高温超导材料经历了四代 第一代镧系 如La Cu Ba氧化物 Tc 91K 第二代钇系 如Y Ba Cu氧化物 第三代铋系 如Bi Sr Ca Cu氧化物 Tc 114120K 第四代铊系 如Ti Ca Ba Cu氧化物 Tc 122 125K 1990年发明的一种不含铜的钒系复合氧化物其Tc已达132K 超导材料的主要应用有 零电阻特性的应用 如制造超导电缆 超导变压器等 高磁场特性的应用 如磁流体发电 磁悬浮列车 核磁共振装置 电动机等 2 电阻材料电阻材料是利用物质固有的电阻特性来制造不同功能元件的材料 主要用于电阻元件 敏感元件和发热元件 按其特性与用途可分为精密电阻材料 膜电阻材料和电热材料 1 精密电阻材料精密电阻材料是指有低的电阻温度系数 高精度 高稳定性和良好的工艺性能的一类金属或合金 1 贵金属电阻合金2 Ni Cr系电阻合金 3 Cu Mn系电阻合金4 Cu Ni系电阻合金5 其它电阻合金 2 膜电阻材料膜电阻材料的特点是体积小 质量轻 便于混合集成化 1 薄膜电阻材料Ni Cr系 Ta系 如Ta2Ni薄膜 和金属陶瓷系 Cr SiO薄膜 三大类 主要用于高精度 高稳定性 噪声电平低的电路及高频电路器件 2 厚膜电阻材料由导体粉料 玻璃粉料和有机载体三部分组成 主要用于通用电阻 大功率电阻 高温高压电阻或高电阻器件 3 电接点材料电接点材料是指用来制造建立和消除电接触的所有导体构件的材料 有强电 中电和弱电三大类 强电和中电接点主要用于电力系统和电器装置 弱电接点主要用于仪器仪表 电信和电子装置 1 强电接点材料要求为低接触电阻 耐电蚀 耐磨损及具有较高的耐高压强度 灭弧能力和一定的机械强度等 1 真空开关接点材料要求抗电弧熔焊 坚硬而致密 常用的材料有Cu Bi Ce Cu Fe Ni Co Bi W Cu Bi Zn合金等 2 空气开关接点材料如Ag CdO Ag W Ag 石墨 Cu W Cu 石墨等 2 弱电接点材料具有极好的导电性 极高的化学稳定性 良好的耐磨性及抗点火花烧损性 主要有Ag系 Au系 Pt系及Pd系金属合金四种 3 复合接点材料通过一定加工方式将贵金属接点材料与普通金属基底材料结合一体 制成能直接用于制造接点零件制品的材料 价格便宜 可制造出电接触性能与力学性能优化结合的接点元件 二 磁功能材料磁功能材料是指利用材料的磁性能和磁效应 电磁互感效应 压磁效应 磁光效应 磁阻及磁热效等 实现对能量及信息转换 传递 调制 存储 检测等功能作用的材料 按成分不同分为金属磁性材料 含金属间化合物 和铁氧体 氧化物磁性材料 按磁性能不同软磁材料和硬磁材料 1 软磁材料软磁材料是指磁矫顽力低 Hc 103A m 磁导率高 磁滞损耗小 磁感应强度大 且在外磁场中易磁化和退磁的一类磁功能材料 包括金属软磁材料及铁氧体软磁材料 金属软磁材料的饱和磁化强度高 适于能量转换场合 磁导率高 适合信息处理场合 居里温度高 但电阻率低 有集肤效应 涡流损失大 1 铁镍合金软磁材料 亦称坡莫合金 具有高的磁导率 较高的电阻率 且易于加工 适于交流弱磁场中使用 是常用精密仪表的微弱信息传递与转换 电路漏电检测 微电磁场屏蔽等元件的最佳材料 但因饱和磁感应强度Bs低 故不适于作功率传输器件 2 铁钴合金软磁材料具有Bs高 约2 45T 居里温度高 高达980 的特点 但因其电阻率较低 只适于作小型轻量电动机和变压器 3 非晶及微晶软磁材料具有极优良的软磁性能 如高磁导率 高饱和磁感应强度 低矫顽力 低磁滞损耗 良好的高频特性 力学性能及耐蚀性等 2 硬磁材料 永磁材料 硬磁材料是指材料在磁场充磁后 当磁场去除时其磁性仍能长时间被保留的一类磁功能材料 应用在两个方面 其一是利用硬磁合金产生的磁场 其二是利用硬磁合金的磁滞特性产生转动力矩 使电能转化为机械能 如磁滞电动机 分类 1 Al Ni Co系硬磁合金材料具有高剩磁 温度系数低 性能稳定 多用于硬磁性能稳定性要求较高的精密仪器仪表及其装置中 2 硬磁铁氧体主要包括两种钡铁氧体 BaO 6Fe2O3 磁矫顽力与电阻率高 而剩磁低 价格低廉 主要用于高频或脉冲磁场 3 稀土硬磁材料 4 铁铬钴系硬磁合金材料 3 信息磁材料信息磁材料指用于光电通讯 计算机 磁记录和其它信息处理技术中的存取信息类磁功能材料 包括磁记录材料 磁泡材料 磁光材料 特殊功能材料等 分类 1 磁记录材料由磁记录材料制作的磁头和磁记录介质 2 磁泡材料小于一定尺寸且迁移率很高的圆柱状磁畴材料 可作高速 高存储密度存储器 3 磁光材料磁光材料是指应用于激光 光通讯和光学计算机方面的饿磁性材料 其磁特性上法拉第旋转角度高 损耗低及工作频带宽 4 特殊功能磁性材料1 微波磁材料主要有微波电子管用硬磁材料 微波旋磁材料及微波磁吸收材料 2 磁电材料在磁场作用下可产生磁化强度和电极化强度 在电场作用下可产生电极化强度和磁化强度的材料称为磁电材料 三 热功能材料热功能材料是指利用材料的热学性能及其热效应来实现某种功能的一类材料 按性能分为膨胀材料 测温材料 形状记忆材料 热释电材料 热敏材料 隔热材料等 1 膨胀材料膨胀材料分为三种 低膨胀材料 定膨胀材料和高膨胀材料 2 形状记忆材料形状记忆材料是指具有形状记忆效应的金属 合金 陶瓷和高分子等材料 材料在高温下形成一定形状后 冷却到低温进行塑性变形为另外一种形状 然后经加热后通过马氏体逆相变 即可恢复到高温时的形状 这就是形状记忆效应 常见形状记忆材料多为两种以上的金属元素构成 也称其为形状记忆合金 按形状恢复形式 形状记忆效应分为单程记忆 双程记忆和全程记忆三种 单程记忆是指材料在低温下塑性变形后 加热时会自动恢复其高温时的形状 再冷却时不能恢复到低温形状 双程记忆是指材料加热时恢复高温形状 冷却时恢复低温形状 即温度升降时 高低温形状反复出现 全程记忆即材料在实现双程记忆的同时 如冷却到更低温度时出现与高温形状完全相反的形状 形状记忆合金可分为两个类别 第一类是以过渡族金属为基的合金 第二类是贵金属的 相合金 工程上有实用价值是Ni Ti合金 Cu Zn Al合金和Fe Mn Si合金 高分子形状记忆材料 又称热收缩材料 具有质轻 易成型 电绝缘等优点 已发现具有形状记忆效应的高分子材料有聚氨酯 苯乙烯 丁二烯共聚体等 3 测温材料利用材料的热膨胀 热电阻和热电动势等特性来制造仪器仪表测温元件的一类材料称为测温材料 按材质可分为 高纯金属及合金 单晶 多晶和非晶半导体材料 陶瓷 高分子及复合材料 按使用温度可分为高温 中温和低温测温材料 按功能原理可分为热膨胀 热电阻 磁性 热电动势等测温材料 工业上应用最多的是热电偶和热电阻材料 热电偶材料包括制作测温热电偶的高纯金属及合金材料 以及用来制作发电或电致冷器的温差电锥用高掺杂半导体材料 热电阻材料包括纯铂丝 高纯铜丝 高纯镍丝 铂钴与铑铁丝等 4 隔热材料防止无用的热及有害热侵袭的材料称为隔热材料 目前主要向着耐高温 高强度 低密度方向发展 尤其是向着复合材料发展 四 光功能材料按照材质分为光学玻璃 光学晶体 光学塑料等 按用途可分为固体激光器材料 信息显示材料 光纤 隐形材料等 1 固体激光器材料分为激光玻璃和激光晶体等 均由基质与激活离子两部分组成 激光玻璃透明度高 易于成形 价格便宜 适于制造输出能量大 输出功率高的脉冲激光器 激光晶体的荧光线宽度比玻璃窄 量子效率高 热导率高 应用于中小型脉冲激光器 特别是连续激光器或高重复率激光器 2 信息显示材料按显示光的形式分为两类 主动式显示用发光材料和被动显示用发光材料 1 主动式显示用发光材料是指在某种方式激发下的发光材料 例如 阴极射线发光材料 电致发光材料 光致发光材料 2 被动式显示用发光材料在电场等作用下不能发光 但能形成着色中心 再在可见光照射下能够着色从而显示出来 包括 液晶 电着色材料 电泳材料 3 光纤材料光纤是由高透明电介质材料制成的极细的低损耗导光纤维 它具有传输从红外线到可见光区间的光和传感的两重功能 通信光纤是由纤芯与包层构成 非通信光纤主要用于光纤测量仪表的光学探头 传感器 医用内窥镜等 五 其它功能材料1 贮氧材料利用金属或合金可固溶氢形成含氢的固溶体及金属氢化物 在需要时 在一定温度和压力下金属氢化物可分解释放氢 这就是贮氢材料 2 传感器用敏感功能材料传感器一般由敏感元件和转换元件组成 其关键是敏感元件 敏感元件则由敏感功能材料来制造 敏感功能材料按其功能分为力敏功能材料 热敏功能材料 气敏功能材料 湿敏功能材料 声敏功能材料 磁敏功能材料 电化学功能材料 电压敏功能材料 光敏功能材料及生物敏功能材料 3 隐形功能材料为了对抗探测器的探测 跟踪及攻击研制了隐形功能材料 隐形材料可分为吸波隐形材料及红外隐形材料等 4 智能材料智能材料是指对环境具有可感知 可响应 并具有功能发现能力的材料 5 功能梯度材料依使用要求选择两种不同性能的材料 采用先进的复合技术使中间部分的组成和结构连续地呈梯度变化 而内部不存在明显界面 从而使材料的性能和功能沿厚度方向呈梯度变化的一种新型复合材料 二 纳米材料 纳米科技 纳米材料和纳米科技nanometer 1 什么是纳米科学 2 纳米材料及其特性3 纳米技术的应用 1 纳米科学 1990年在美国巴尔的摩召开了第一届国际纳米科学技术会议 并正式创办了 纳米技术 杂志 标志着纳米科学的诞生 就其学科方向而言 它既不是化学 也不是物理学和生物学 而是一门多学科交叉渗透和综合的高新技术学科 就其应用而言 它包括纳米生物学 纳米电子学 纳米化学 纳米材料学和纳米机械学等新兴学科 就其研究领域而言 是人类过去很少涉及的非宏观 非微观的中间领域 即从宏观世界到微观世界的过渡区 纳米世界 2 纳米材料及其特性 1nm 10 9m 即1毫微米 十亿分之一米 纳米微粒的尺度一般定义为10 7 10 10m内 0 1 100nm 相当于人发直径的1 10万 具有奇异的力学 光学 磁学 热学和化学等特性 当材料晶粒的尺寸小于1nm时 材料的性质就会出现意想不到的变化 譬如 色 熔点 着火点 它很可能成为本世纪前20年的主导技术 美国科学技术委员会则把启动纳米技术的计划看作是下一次的工业革命的核心 信息 1998年 美国首次研制出由磁性纳米棒组成的 量子磁盘 每平方英寸可储存20万部红楼梦 汽车尾气 含铅汽油中的铅很容易通过血液长期蓄积于人的肝 肾 脾 肺和大脑中 从而导致人的智能发育障碍和血色素制造障碍等后果 汽车尾气的处理 加入纳米级的复合稀土氧化物后 对尾气的净化特别明显 尾气中的CO NOx几乎完全转化 拯救水资源 特种半导体纳米材料使海水淡化 纳米TiO2可以用来降解有机磷 降解毛纺染整废水 降解石油 碳纳米管是直径非常细的中空管状纳米材料 它能够大量地吸附氢气 成为许多个 纳米钢瓶 研究表明 约2 3的氢气能够在常温常压下从碳纳米管中释放出来 据预测 到2010年 就可以生产出氢气汽车 只需携带1 5升左右的储氢纳米碳管 即可行驶500km 纳米碳管 纳米碳管 纳米碳管材料的价格 目前 纳米碳管材料尚未达到大批量制造水平 售价昂贵 1000美元 克 最近 日本科学家开发成功新的纳米碳管制造技术 可将生产成本降低至目前的1 100 预计2004年可进入大批量生产阶段 纳米清洁工 科学家设想制造出