新材料技术1课件

第五讲新材料技术,一、材料的作用及分类,二、金属材料,三、无机非金属材料,四、高分子材料,五、复合材料,六、电子与光电子及纳米材料,七、新材料技术展望,1.材料的重要作用,材料是人类社会赖以生存和发展、征服自然和改造自然的物质基础。纵观人们利用材料的历史，可以清楚地看到，每一种重要的新材料的发展和应用，都把人类支配自然的能力提高到一个新水平。材料科学技术的每一次重大突破都会引起生产技术的革命，大大加速社会发展的进程，给社会生产和人们生活带来巨大的变化，把人类物质文明推向前进。,石斧西安半坡遗址,石器时代(StoneAge),青铜器时代(BronzeAge),司母戊鼎河南安阳晚商遗址,越王勾践剑湖北江陵楚墓出土,凹形铁锄湖南长沙砂子塘战国,铁器时代(IronAge),钢时代,国家大剧院倒映在水面上。,国家大剧院与人民大会堂遥相辉映。,(1)按化学组成和特性分,2、材料的分类,材料(Materials)，经过人类劳动获得的、在进一步的加工过程中仍然保持原质的劳动对象称为材料。,(2)按用途分,(3)按应用对象分,信息材料；能源材料；建筑材料；生物材料；航空航天材料等。,信息材料,杨利伟与返回舱,长征三号火箭在发射塔上,航空航天材料,建筑材料,本次课程按照金属、陶瓷、高分子和它们的复合材料、电子与光电子、纳米新材料来组织教学内容。,新型环保节能的ETFE(四氟乙烯)膜材料,二、金属材料,1.金属材料概述,2.新型金属材料,（1）形状记忆金属,在传统金属材料的基础上创造出来的新材料。,某种合金在一定温度下，给它一固定的形状，当温度下降时，很容易把它变成另一种形状，而当温度恢复时，它又恢复原来形状的合金。,目前发现具有“记忆”功能的合金主要有金镉合金、镍钛合金、镍锌合金、铜铝镍合金和铜金锌合金等。其中11的镍和钛组成的“镍钛诺”合金应用最广。,飞机液压管路的连接；卫星自展天线；人体修复材料；自动开启门窗装置。,确定的转变温度超弹性;抗疲劳性;耐腐蚀和耐磨损性。还具有良好的生物相容性。,航天飞机用NiTi形状记忆合金,形状记忆合金百叶窗,记忆合金眼镜架,人造气管,（2）贮氢合金,利用金属或合金与氢形成氢化物而把氢贮存起来。,目前，发展中的贮氢合金有镁系贮氢合金、钛系贮氢合金、锆系贮氢合金、铁系贮氢合金和稀土系贮氢合金等。,贮氢合金粉,（3）非晶态合金（“金属玻璃”）,化学成分上是金属或合金，而在原子结构上呈现出典型的玻璃态。,1.陶瓷材料概述,三、无机非金属材料陶瓷,陶瓷材料是人类最早利用自然界所提供的原料制造而成的材料。分为传统陶瓷和新型（精细）陶瓷。,无机非金属材料指金属以外的无机材料。主要有陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。因其都含有二氧化硅，所以又称为硅酸盐材料。,陶瓷在我国有悠久的历史。唐朝的“三彩”、宋朝的“钧瓷”闻名于世，流传至今。作为陶瓷的故乡，我国陶都宜兴的陶器和瓷都景德镇的瓷器，享誉世界。陶瓷制品一直被人们所喜爱。,元代的景德镇陶瓷,唐代的唐三彩,宋元临汝钧窑青瓷,秦兵马俑,传统陶瓷与新型陶瓷对比表,以高纯的化工产品为原料，采用先进成型、烧结工艺技术和严格工艺过程制备，化学组成超出硅酸盐。,粘土为原料，用水拌和，成型干燥后烧制而成，主要成分是硅酸盐。,耐热温度低，易碎。土器、陶器、瓷器。,耐高温、强度高、具有光学、电学和生物功能。按使用性能分为：结构陶瓷和功能陶瓷。,2.几种新型陶瓷材料,（1）高温结构陶瓷,（3）光导纤维（光纤）,（2）透明陶瓷,（1）高温结构陶瓷,氧化铝陶瓷,用途,刚玉球磨机、陶瓷刀具,（2）透明陶瓷,用途示例：钠蒸气放电发光问题早在1950年就得以解决，由于没有一种能抵御高温钠蒸气（1400）强烈腐蚀的特殊材料，所以，直到1965年才制取第一支高压钠灯。,1870年，英国科学家丁达尔做了一个有趣的实验：让一股水流从玻璃容器的侧壁细口自由流出，以一束细光束沿水平方向从开口处的正对面射入水中。丁达尔发现，细光束不是穿出这股水流射向空气，而是顺从地沿着水流弯弯曲曲地传播。这是光的全反射造成的结果。,（3）光导纤维信息时代的“神经”,利用光的全反射来传导光线的透明度极高的玻璃细丝，是精细陶瓷的一种。常用的光导纤维有石英、氟化物等玻璃光纤，还有晶体光纤和塑料光纤等。,光导纤维的特点和用途,光纤光缆与普通电缆比较,光导纤维在医疗上的应用光纤胃镜的光源在体外由光纤传入。光纤的一头装着微型镜头，可将胃内的情况传到体外拍摄下来或显示在屏幕上。通过微细的光纤将高强度的激光输入人体的病变部位，用激光来切除病变部位。这种“手术”不用切开皮肤和切割肌肉组织，而且切割部位准确，手术效果好。,光纤胃镜,光纤手术,一、材料的作用及分类,主要学习内容,三、陶瓷,2.除了我们所介绍的陶瓷材料以外，请举出一些你所熟悉的、现代生产和生活中常见的新型无机非金属材料的性能和应用。（若有困难，可上网查找）,作业,1、手工制造陶瓷器有哪些过程？,什么是钢？,在铁中加入定量的碳成为坚硬的钢，在增加含碳量的同时，钢的硬度也随之增加。然而，钢的硬度越硬，它的韧性和塑性也越小。只含碳而不含其他金属材料的钢称为非合金钢或碳素钢。,不锈钢,为了防锈在合金中加入铬和镍，这种钢称为不锈钢。不锈钢通常是指含铬量在1230%的合金钢。不锈钢外观呈微灰色或银白色。结构紧密，不易氧化生成氧化铁，故有不锈之称。在合金中以铬为主，有的还加入镍、钼、钛等元素，以提高抗腐蚀性能。,贵金属,贵金属指金(Au)、银(Ag)和铂(Pt)族。铂族金属还包括钌（Ru）铑（Rh）钯（Pd）锇（Os）铱（Ir）。地壳含量少，提取困难，价格昂贵。铂在工业上虽然用量不大，但起关键作用，被称为“工业维生素”。,高纯氧化铝透明陶瓷管,返回,氧化铝陶瓷制品,返回,高压钠灯管,返回,1灯内温度高达1400。2钠蒸气具有强烈的腐蚀作用。,氧化锆陶瓷,返回,返回,返回,Si3N4基陶瓷球轴承,返回,返回,“光线之父”高锟，生于上海香港中文大学前校长。他在1966年发表论文，提出如何实现以玻璃纤维作为导体，令光代替电流传递讯息，引进光通讯的时代。,现代通信用光纤,光学纤维胃镜,返回,光纤手术,陶瓷器制造过程,年月日，中国邮电部发行一套“化学工业”特种邮票，共枚，以反映中华人民共和国成立年以来在化学工业上取得的成就。,为“塑料”。主图是一女工正在操作生产塑料的设备聚合釜。,为“橡胶”。主图是一位工人扶一条汽车轮胎，背景是橡胶厂的硫化机。,为“合成纤维”。主图是一位纺织女工正在检验用合成纤维织成的各种花布，背景是合成纤维工厂的绕丝设备。,四、高分子材料,1.高分子材料概述高分子化合物是由许多结构相同的单体聚合而成的分子量高达几万到几百万，甚至几千万的有机化合物。(聚合物、高聚物）,高分子化合物的基本性质,具有一定的强度和弹性良好的可塑性良好的电绝缘性缺点：易燃烧、易老化、不耐高温、废弃后不易分解,高分子材料,天然高分子材料,合成高分子材料,三大合成材料,高分子材料是由高分子化合物为主要原料，加入各种填充剂制成的材料。,2.新型高分子材料功能高分子材料,（1）生物高分子材料,（2）吸水高分子材料,（3）导电高分子材料,（4）光电导高分子材料,在合成高分子的主链上或支链上接上带有显示某种功能的官能团，使高分子具有特殊的性能，这类高分子称为功能高分子，用它做成的材料叫做功能高分子材料。,（1）生物高分子材料,对有机体组织进行修复、替代与再生，具有特殊功能作用的高分子材料。具有较好的生物相容性，成为现代医学的主要支柱材料。,（2）吸水高分子材料,具有高吸水和保水能力的聚合物。其吸水能力因聚合物的种类不同而有差别，有些可以吸收相当于自重几十倍到上千倍的水。,生活中，可作纸巾、餐巾、“尿不湿”等。在医疗卫生方面，可以制造人工肾脏过滤材料、血液吸收剂等。在农业方面，可作土壤保水剂、种子包膜等。在工业上，可以制作干燥剂、空气过滤器、水分离剂、密封材料等。,（3）导电高分子材料,一些高分子材料可开发作导电高分子材料。聚乙炔的导电能力已超过铜。导电聚合物掺杂、脱杂时，会发生从绝缘体到导电体之间的不同变化，带来吸收光谱的变化，聚合物的颜色也就随之发生变化。电变色显示元件。聚苯胺（polyaniline）电变色范围为透明黄-绿色-深蓝色-黑色，这在颜色显示上具有明显的对比性。太阳眼镜、太阳能电池、电致变色窗户玻璃等。,锂聚苯胺电池,（4）光电导高分子材料,光照变化引起半导体材料电导变化的现象称光电导效应。应用在光电传感器。聚-N-乙烯咔唑（PVK）是代表材料。,五、复合材料,1.复合材料概述由两种或者两种以上组分材料所组成的新材料。具有优于原有材料的特性，即复合效应。最原始的复合材料：黏土泥浆中掺稻草制成土砖；灰泥中掺马鬃制成纤维增强复合材料。,原料：要素：分类：,金属材料、无机非金属材料、高分子材料。,基体材料、增强剂、复合方式。,按增强剂形状不同，分为粒子、纤维和层状复合材料等。按基体材料不同，分为金属基、陶瓷基和树脂基复合材料等。按复合方式不同，分为结构复合材料和功能复合材料。,2.结构复合材料（1）树脂基复合材料生产量最大的是玻璃钢玻璃纤维增强树脂复合材料。由玻璃纤维与聚酯类树脂复合而成。强度高、质量轻、耐腐蚀、抗冲击、绝缘性好。广泛用于飞机、汽车、船舶、建筑和家具等行业，还可作为火箭、导弹中的耐烧蚀材料。,玻璃钢立式储罐容器,玻璃钢座椅,全玻璃钢管道,（2）金属基复合材料采用高强度的耐热纤维（如碳纤维、硼纤维和碳化硅纤维等）与金属特别是轻金属复合而成。既具有金属的耐热、导电、导热性能，又提高强度，降低相对密度。用于航空、航天等领域的理想材料。还可代替贵金属制造大规模集成电路的基板，大幅度降低生产成本。,（3）陶瓷基复合材料刚兴起的一种新材料。保持了陶瓷耐高温、抗热震、超硬、耐磨、耐腐蚀等优良性能，还可用增强剂改进其脆性。基体陶瓷有Al2O3、SiO2、Si3N4和SiC等。增强材料有碳纤维、碳化硅纤维和碳化硅晶须。,3.功能复合材料由功能体和基体组成，基体不仅起到构成整体的作用，还能产生协同或者加强功能的作用。,按不同的功能作用，分为换能复合材料、导电导磁复合材料和屏蔽功能复合材料。“隐形飞机”。使用增强纤维与吸波材料（吸收雷达波和红外光波）、基体复合制成机身。,六、电子与光电子及纳米材料,1.电子材料电子技术和微电子技术中使用的材料。包括半导体材料、介电材料压电及铁电材料、磁性材料。半导体材料主要用来制造晶体管、集成电路、固态激光器和探测器等器件。硅单晶、砷化镓单晶材料。半导体材料研究不断发展：从元素半导体到化合物半导体；从自然晶格扩展到人工晶格（超晶格）。2.光电子材料光电子信息材料包括光源和信息获取材料、信息传输材料、信息储存材料以及信息处理和运算材料。主要是各类光电子半导体材料、各种光纤和薄膜材料、各种液晶显示材料等。,3.超导材料超导现象：导体在一定温度下呈现零电阻的现象。电阻变为零的温度称为临界温度。特性：零电阻效应；理想抗磁性。应用：超导发电机，超导输电线路；磁悬浮高速列车。,国内首列磁悬浮高速列车,高温超导电缆系统,中华1号大连磁悬浮试验线路,4.纳米材料由纳米颗粒构成的固体材料。介于宏观物质和微观原子、分子的中间领域。颗粒尺寸1100nm，通常不超过10nm。德国，格莱特（H.Gleiter