非金属材料要点PPT课件

1、第一节第一节 高分子材料概述高分子材料概述n 一、高分子材料的基本概念一、高分子材料的基本概念l 高分子材料是以高分子材料是以高分子化合物为主要组分的材料高分子化合物为主要组分的材料。常称。常称聚聚合物或高聚物合物或高聚物。l 高分子化合物的分子量一般高分子化合物的分子量一般10104 4 。l 高分子化合物有天然的，也有人工合成的。工业用高分子高分子化合物有天然的，也有人工合成的。工业用高分子材料主要是人工合成的。材料主要是人工合成的。第1页/共56页 二、高分子材料的分类二、高分子材料的分类 按按用途用途分分塑料、橡胶、纤维、塑料、橡胶、纤维、胶粘剂、涂料胶粘剂、涂料等。等。 按按聚合物反

2、应类型聚合物反应类型分为分为加聚物加聚物和和缩聚物缩聚物。 按聚合物的按聚合物的热行为热行为分为分为热塑性热塑性聚合物和热固性聚合物聚合物和热固性聚合物 按主链上的按主链上的化学组成化学组成分为分为碳链碳链聚合物、杂链聚合物和元素有机聚聚合物、杂链聚合物和元素有机聚合物合物 第2页/共56页三、高分子材料的力学状态三、高分子材料的力学状态 1 1、线型非晶态高聚物的力学状态、线型非晶态高聚物的力学状态 玻璃态玻璃态：低温下，链段不能运动。在外力作用：低温下，链段不能运动。在外力作用下，只发生大分子原子的微量位移，产生少量弹下，只发生大分子原子的微量位移，产生少量弹性变形。性变形。l高聚物呈玻璃

3、态的高聚物呈玻璃态的最高温度称最高温度称玻璃化玻璃化温度，用温度，用T Tg g表示。表示。用于这种状态的材用于这种状态的材料有料有塑料和纤维塑料和纤维。 线型非晶态高聚物的温度线型非晶态高聚物的温度- -变形曲线变形曲线 第3页/共56页 高弹态高弹态：温度高于：温度高于T Tg g，分子活动能力增加，分子活动能力增加，受力时产生很大弹性变形。用于这种状态高受力时产生很大弹性变形。用于这种状态高聚物是聚物是橡胶橡胶。 粘流态粘流态：由于温度高，分子活动能力很大，：由于温度高，分子活动能力很大，在外力作用下，大分子链可以相对滑动。粘在外力作用下，大分子链可以相对滑动。粘流态是高分流态是高分子材

4、料的子材料的加工态加工态，大分子链开始，大分子链开始发生粘性流动的温度称粘流温度，用发生粘性流动的温度称粘流温度，用T Tf f表示。表示。 第4页/共56页 2 2、线型晶态高聚物和体型高聚物的力学状态、线型晶态高聚物和体型高聚物的力学状态 线型晶态高聚物分为一般分子量和很大分子量两种情况。一般线型晶态高聚物分为一般分子量和很大分子量两种情况。一般分子量的高聚物在低温时，链段不能活动，变形小，在分子量的高聚物在低温时，链段不能活动，变形小，在 T Tm m 以以下与非晶态的玻璃相似，高于下与非晶态的玻璃相似，高于T Tm m 则进入粘流态。分子量很大则进入粘流态。分子量很大的晶态存高聚物在高

5、弹态。的晶态存高聚物在高弹态。l部分结晶高聚物在非晶区部分结晶高聚物在非晶区T Tg g与晶区与晶区T T m m 间间, ,非晶区柔性好非晶区柔性好, ,晶区刚性好晶区刚性好, ,处于韧处于韧性状态性状态, ,即皮革态。即皮革态。l体型高聚物的力学状态与交联点的密度体型高聚物的力学状态与交联点的密度有关。密度小，链段仍可运动，具有高有关。密度小，链段仍可运动，具有高弹态。密度大，链段不能运动。高聚物弹态。密度大，链段不能运动。高聚物变得硬而脆。变得硬而脆。 线型晶态高聚物的温度线型晶态高聚物的温度- -变形曲线变形曲线 第5页/共56页 第二节第二节 常用高分子工程材料常用高分子工程材料 高

6、分子工程材料包括高分子工程材料包括塑料塑料、合成纤维合成纤维、橡胶橡胶和和胶粘剂胶粘剂等。等。 一、工程塑料一、工程塑料 塑料是在塑料是在玻璃态玻璃态下使用的高分子材料。在一下使用的高分子材料。在一定温度、压力下可塑制成型，在常温下能保定温度、压力下可塑制成型，在常温下能保持其形状不变。持其形状不变。 塑料的组成塑料的组成 塑料是塑料是以树脂为主要成分，加入各种添加剂以树脂为主要成分，加入各种添加剂。 树脂是塑料的主要成分，对塑料性能起决定树脂是塑料的主要成分，对塑料性能起决定性作用。性作用。第6页/共56页 添加剂添加剂是为是为改善塑料某些性能而加入的物质改善塑料某些性能而加入的物质。 填料

7、填料主要起主要起增强增强作用；作用； 增塑剂增塑剂用于用于提高树脂的可塑性和柔软性提高树脂的可塑性和柔软性； 固化剂固化剂用于使热固性树脂用于使热固性树脂由线型结构转变为体型结构由线型结构转变为体型结构； 稳定剂稳定剂用于用于防止塑料老化防止塑料老化，延长其使用寿命；，延长其使用寿命； 润滑剂润滑剂用于防止塑料加工时粘在模具上用于防止塑料加工时粘在模具上, , 使使制品光亮制品光亮； 着色剂着色剂用于塑料制品用于塑料制品着色着色。 其他的还有其他的还有发泡剂发泡剂、催化剂催化剂、阻燃剂阻燃剂、抗静电剂抗静电剂等。等。 第7页/共56页 塑料的分类塑料的分类 按树脂受热时行为可分为按树脂受热时行

8、为可分为热塑性塑料热塑性塑料和和热固性塑热固性塑料料。 按使用范围可分为按使用范围可分为通用塑料通用塑料、工程塑料工程塑料和和特种塑特种塑料料。 通用塑料产量大、价格低、用途广。通用塑料产量大、价格低、用途广。 工程塑料力学性能高，耐热、耐蚀性能好。工程塑料力学性能高，耐热、耐蚀性能好。l特种塑料是指具有某些特殊性能如耐高温、耐腐特种塑料是指具有某些特殊性能如耐高温、耐腐蚀的塑料，这类塑料产量少，价格贵，只用于特蚀的塑料，这类塑料产量少，价格贵，只用于特殊需要的场合。殊需要的场合。 第8页/共56页 塑料的性能特点塑料的性能特点 塑料的塑料的优点优点： 相对密度小相对密度小( (一般为一般为0

9、.9-2.3)0.9-2.3)；耐蚀性、电绝缘；耐蚀性、电绝缘性、减摩、耐磨性好；有消音吸振性能性、减摩、耐磨性好；有消音吸振性能 。 塑料的塑料的缺点缺点： 刚性差刚性差( (为钢铁材料的为钢铁材料的1/100-1/10)1/100-1/10)，强度低；，强度低；耐热性差、热膨胀系数大（是钢铁的耐热性差、热膨胀系数大（是钢铁的1010倍）、倍）、导热系数小导热系数小( (只有金属的只有金属的1/200-1/600)1/200-1/600)；蠕变温；蠕变温度低、易老化。度低、易老化。 第9页/共56页 （4 4）常用工程塑料）常用工程塑料 一般结构用塑料一般结构用塑料 包括包括聚乙烯聚乙烯(P

10、E)(PE)、聚氯乙烯、聚氯乙烯(PVC)(PVC)、聚苯乙烯、聚苯乙烯(PS)(PS)、聚丙烯、聚丙烯(PP)(PP)和和ABSABS塑料塑料等。等。 聚丙烯具有优良的综合性能，可制造各种机械零聚丙烯具有优良的综合性能，可制造各种机械零件。件。 ABSABS塑料塑料 “坚韧、质硬、刚性坚韧、质硬、刚性” ，应用广泛。，应用广泛。 第10页/共56页l摩擦传动零件用塑料摩擦传动零件用塑料包括聚酰胺包括聚酰胺(PA)(PA)、聚甲醛、聚甲醛(POM)(POM)、聚碳酸酯、聚碳酸酯(PC)(PC)、聚四氟乙、聚四氟乙烯烯(PTFE)(PTFE)等。等。聚酰胺聚酰胺又称尼龙或绵纶，强度较高，耐磨、自

11、润滑性好，又称尼龙或绵纶，强度较高，耐磨、自润滑性好，广泛用作机械、化工及电气零件。广泛用作机械、化工及电气零件。聚甲醛聚甲醛具有优良的综合性能，广泛用于汽车机床、化工、具有优良的综合性能，广泛用于汽车机床、化工、电气仪表、农机等工业电气仪表、农机等工业 。聚碳酸酯聚碳酸酯具有优良的机械性能，透明无毒，应用广泛。具有优良的机械性能，透明无毒，应用广泛。聚四氟乙烯聚四氟乙烯俗称俗称“塑料王塑料王”，具有极优越的化学稳定性和，具有极优越的化学稳定性和热热稳定性以及优越的电性能，几乎不受任何化学药品的腐稳定性以及优越的电性能，几乎不受任何化学药品的腐蚀，摩擦系数极低，只有蚀，摩擦系数极低，只有0.0

12、40.04。主要用于减摩密封件、化。主要用于减摩密封件、化工耐蚀件与热交换器以及高频或潮湿条件下的绝缘材料。工耐蚀件与热交换器以及高频或潮湿条件下的绝缘材料。第11页/共56页 耐蚀用塑料耐蚀用塑料 主要有主要有聚四氟乙烯、氯化聚醚聚四氟乙烯、氯化聚醚(PENTON)(PENTON)、聚丙烯等。、聚丙烯等。 氯化聚醚氯化聚醚的化学稳定性仅次于聚四氟乙烯，但工艺性比聚四氟乙烯好，成本低。的化学稳定性仅次于聚四氟乙烯，但工艺性比聚四氟乙烯好，成本低。在化学工业和机电工业获得广泛应用，如化工设备零件、管道、衬里等。在化学工业和机电工业获得广泛应用，如化工设备零件、管道、衬里等。 第12页/共56页

13、耐高温件用塑料耐高温件用塑料 有聚砜有聚砜(PSF)(PSF)、聚苯醚、聚苯醚(PPO)(PPO)、聚酰亚胺、聚酰亚胺(PI)(PI)及及氟塑料等。氟塑料等。 聚砜聚砜的热稳定性高是其的热稳定性高是其最突出的特点。使用温度最突出的特点。使用温度达达150-174150-174。用于机械设备等工业。用于机械设备等工业。 聚苯醚聚苯醚具有良好的综合性能具有良好的综合性能, ,用于机电等方面。用于机电等方面。 聚酰亚胺聚酰亚胺在在260260下可长期使用。主要用于特殊下可长期使用。主要用于特殊条件下使用的精密零件。条件下使用的精密零件。 第13页/共56页 热固性塑料热固性塑料 热固性塑料热固性塑料

14、是在树脂中加入固化剂压制成型而是在树脂中加入固化剂压制成型而形成的体形聚合物。形成的体形聚合物。 酚醛塑料酚醛塑料是以酚醛树脂为基，加入填料及其他是以酚醛树脂为基，加入填料及其他添加剂而制成。广泛用于制作各种电讯器材和添加剂而制成。广泛用于制作各种电讯器材和电木制品（如插座、开关等），耐热绝缘部件电木制品（如插座、开关等），耐热绝缘部件及各种结构件。及各种结构件。 第14页/共56页二、合成橡胶二、合成橡胶 橡胶橡胶是以高分子化合物为基础的具有是以高分子化合物为基础的具有高弹性的材料高弹性的材料。 1 1、橡胶的组成和性能特点、橡胶的组成和性能特点 工业用橡胶工业用橡胶由生胶和橡胶配合剂组成由

15、生胶和橡胶配合剂组成。生胶来源有天。生胶来源有天然和合成两种。橡胶配合剂有硫化剂、硫化促进剂、然和合成两种。橡胶配合剂有硫化剂、硫化促进剂、防老剂、软化剂、填充剂、发泡剂、着色剂等。防老剂、软化剂、填充剂、发泡剂、着色剂等。 橡胶最大的橡胶最大的特点特点是是高弹性高弹性。橡胶有。橡胶有储能、耐磨、隔音、储能、耐磨、隔音、绝缘等性能。绝缘等性能。 第15页/共56页 2 2、常用合成橡胶、常用合成橡胶 合成橡胶按用途和用量分为合成橡胶按用途和用量分为通用橡胶通用橡胶和和特种橡胶特种橡胶，前者主要用于制作轮胎、运输带、胶管、胶板、前者主要用于制作轮胎、运输带、胶管、胶板、垫片、密封装置等；垫片、密

16、封装置等；后者主要用于高低温、强腐后者主要用于高低温、强腐蚀、强辐射等特殊环境下工作的橡胶制品。蚀、强辐射等特殊环境下工作的橡胶制品。 密封圈密封圈轮胎轮胎第16页/共56页 第三节第三节 复合材料复合材料 复合材料复合材料是是由两种或两种以上化学性质或由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成的材料。组织结构不同的材料组合而成的材料。 复合材料是多相材料，主要包括复合材料是多相材料，主要包括基体相基体相和和增强相。增强相。 基体相基体相是一种是一种连续相连续相，它把改善性能的增，它把改善性能的增强相材料固强相材料固结成一体，并起传递应力的作结成一体，并起传递应力的作用。用。 增强相

17、增强相起起承受应力承受应力（结构复合材料）和（结构复合材料）和显显示功能示功能( (功能复合材料功能复合材料) )的作用的作用。 第17页/共56页 一、复合材料的分类一、复合材料的分类 1 1、按、按基体材料基体材料分类，可分为分类，可分为聚合物基、陶聚合物基、陶瓷基和金属基复合材料瓷基和金属基复合材料。 2 2、按、按增强相形状增强相形状分类，可分为分类，可分为纤维增强复纤维增强复合材料、粒子增强复合材料和层状复合材料合材料、粒子增强复合材料和层状复合材料。 3 3、按复合材料的、按复合材料的性能性能分类，可分为分类，可分为结构复结构复合材料和功能复合材料。合材料和功能复合材料。第18页/

18、共56页 二、复合材料的特点二、复合材料的特点 1 1、比强度和比模量高比强度和比模量高 其中纤维增强复合材其中纤维增强复合材料的最高。料的最高。 2 2、抗疲劳性能好抗疲劳性能好 碳纤维增强材料碳纤维增强材料 -1-1可达可达 b b的的70-80%70-80%。因纤维对疲劳裂纹扩展有阻碍作用。因纤维对疲劳裂纹扩展有阻碍作用。 3 3、减振性能良好减振性能良好 复合材料中的大量界面对复合材料中的大量界面对振动有反射吸收作用，不易产生共振。振动有反射吸收作用，不易产生共振。 4 4、高温性能好高温性能好 这是由于增强材料的熔点都较这是由于增强材料的熔点都较高。高。 第19页/共56页三、粒子增

19、强复合材料三、粒子增强复合材料 粒子增强复合材料粒子增强复合材料是将是将粒子高度弥散地分布粒子高度弥散地分布在基体中，使其阻碍导致塑性变形的位错运在基体中，使其阻碍导致塑性变形的位错运动动( (金属基体金属基体) )和分子链运动和分子链运动( (聚合物基体聚合物基体) )。 这种复合材料是这种复合材料是各向同性各向同性的。的。 第20页/共56页 粒子增强复合材料主要有三种：粒子增强复合材料主要有三种： （1 1）聚合物基粒子复合材料，聚合物基粒子复合材料，如酚醛树脂中掺入木如酚醛树脂中掺入木粉的电木、碳酸钙粒子改性热塑性塑料的钙塑材料粉的电木、碳酸钙粒子改性热塑性塑料的钙塑材料( (合成木材

20、合成木材) )等。等。 （2 2）陶瓷基粒子复合材料，陶瓷基粒子复合材料，如氧化锆增韧陶瓷等。如氧化锆增韧陶瓷等。 （3 3）金属基粒子复合材料金属基粒子复合材料又称又称金属陶瓷金属陶瓷，是由钛、，是由钛、镍、钴、铬等金属与碳化物、氮化物、氧化物、硼镍、钴、铬等金属与碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等组成的非均质材料。其中碳化物金属陶瓷作化物等组成的非均质材料。其中碳化物金属陶瓷作为工具材料已被广泛应用，称作硬质合金。硬质合为工具材料已被广泛应用，称作硬质合金。硬质合金通常以金通常以CoCo、NiNi作为粘结剂，作为粘结剂，WCWC、TiCTiC等作为强化等作为强化相。相。 第21页/共56页

21、硬质合金主要有硬质合金主要有钨钴钨钴(YG)(YG)和和钨钴钛钨钴钛(YT)(YT)两类。两类。 硬质合金硬质合金硬度极高，且热硬性、耐磨性好硬度极高，且热硬性、耐磨性好，一般做成刀片，镶在刀体上使用。一般做成刀片，镶在刀体上使用。 硬质合金组织( (Co+WC)第22页/共56页四、层状复合材料四、层状复合材料 层状复合材料层状复合材料是指在是指在基体中含有多重层片状基体中含有多重层片状高强高模量增强物的复合材料高强高模量增强物的复合材料。 这种材料是这种材料是各向异性各向异性的的( (层内两维同性层内两维同性) )。如。如碳化硼片增强钛、胶合板等。碳化硼片增强钛、胶合板等。层状陶瓷复合材料

22、断口形貌层状陶瓷复合材料断口形貌第23页/共56页五、纤维增强复合材料五、纤维增强复合材料 纤维增强复合材料纤维增强复合材料是指是指以各种金属和非金属作以各种金属和非金属作为基体，以各种纤维作为增强材料的复合材料。为基体，以各种纤维作为增强材料的复合材料。 （一）纤维增强复合原则（一）纤维增强复合原则l在纤维增强复合材料中，在纤维增强复合材料中，纤维纤维是材料主要承载是材料主要承载组分，其组分，其增强效果主要取决于纤维的特征、纤增强效果主要取决于纤维的特征、纤维与基体间的结合强度、纤维的体积分数、尺维与基体间的结合强度、纤维的体积分数、尺寸和分布。寸和分布。 第24页/共56页 纤维增强复合材

23、料的纤维增强复合材料的强度和刚性与纤维方向强度和刚性与纤维方向密切相关。密切相关。 纤维纤维无规排列无规排列时，能获得基本时，能获得基本各向同性各向同性的复的复合材料。合材料。均一方向均一方向的纤维使材料具有明显的的纤维使材料具有明显的各向异性。各向异性。纤维采用正交编织，相互垂直的纤维采用正交编织，相互垂直的方向均具有好的性能。纤维采用三维编织，方向均具有好的性能。纤维采用三维编织，可获得各方向力学性能均优的材料。可获得各方向力学性能均优的材料。 第25页/共56页 （二）纤维的种类和性能（二）纤维的种类和性能 1 1、玻璃纤维：、玻璃纤维：用量最大、价格最便宜。用量最大、价格最便宜。 2

24、2、碳纤维：、碳纤维：化学性能与碳相似。化学性能与碳相似。 3 3、硼纤维：、硼纤维：耐高温、强度、弹性模高。耐高温、强度、弹性模高。 4 4、金属纤维：、金属纤维：成丝容易、弹性模量高。成丝容易、弹性模量高。 5 5、陶瓷纤维：、陶瓷纤维：用于高温、高强复合材料。用于高温、高强复合材料。 6 6、芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酰胺纤维: : 强度、弹性模量高，耐热。强度、弹性模量高，耐热。 7 7、聚乙烯纤维、聚乙烯纤维: : 韧性极好，密度非常小韧性极好，密度非常小 。 8 8、晶须：、晶须：是直径小于是直径小于3030 m m，长度只有几毫米的针，长度只有几毫米的针状单晶体，断面呈多角形状单

25、晶体，断面呈多角形, , 是一种高强度材料。分是一种高强度材料。分为为金属晶须金属晶须和和陶瓷晶须陶瓷晶须。第26页/共56页 （三）纤维增强聚合物基复合材料（三）纤维增强聚合物基复合材料 纤维增强聚合物基复合材料的基体分为纤维增强聚合物基复合材料的基体分为热固性聚合物热固性聚合物和和热塑性聚合物热塑性聚合物两类。两类。 1、玻璃纤维复合材料、玻璃纤维复合材料 2、高性能纤维增强塑料、高性能纤维增强塑料 3、聚合物分子复合材料、聚合物分子复合材料第27页/共56页 （四）纤维增强金属基复合材料（四）纤维增强金属基复合材料 金属基复合材料具有金属基复合材料具有金属的弹性、强度和韧性，金属的弹性、

26、强度和韧性，不易损伤，可耐高温，耐磨性好，还具有导电不易损伤，可耐高温，耐磨性好，还具有导电性、导热性等优点性、导热性等优点，但存在纤维与金属的相容，但存在纤维与金属的相容性、界面扩散和反应及耐蚀性等问题。主要用性、界面扩散和反应及耐蚀性等问题。主要用于于要求比强度高的航空要求比强度高的航空 航天器件及高的高温强航天器件及高的高温强度的涡轮机叶片等度的涡轮机叶片等。 常用的常用的基体基体金属材料有金属材料有铝合金、钛合金和镁合铝合金、钛合金和镁合金金。 作为作为增强体增强体的的连续纤维连续纤维主要有主要有硼纤维、硼纤维、SiCSiC和和C C纤维纤维；Al2O3Al2O3纤维通常以短纤维的形式

27、用于纤维通常以短纤维的形式用于MMCMMC中。中。第28页/共56页 （五）纤维增强陶瓷复合材料（五）纤维增强陶瓷复合材料 陶瓷材料耐热、耐磨、耐蚀、抗氧化，但韧陶瓷材料耐热、耐磨、耐蚀、抗氧化，但韧性低、难加工。在陶瓷材料中加入性低、难加工。在陶瓷材料中加入纤维增强纤维增强，能能大幅度提高强度，改善韧性，并提高使用大幅度提高强度，改善韧性，并提高使用温度。温度。 1 1、SiCSiC纤维增强陶瓷纤维增强陶瓷 2 2、碳、碳/ /碳复合材料碳复合材料 碳纤维增强碳元素碳纤维增强碳元素的复合材料称碳的复合材料称碳/ /碳复合材碳复合材料，其料，其强度、刚度都相当好，有极好的耐热强度、刚度都相当好

28、，有极好的耐热冲击能力，化学稳定性好。冲击能力，化学稳定性好。缺点是缺点是抗氧化性抗氧化性能差，需对其进行抗氧化处理。能差，需对其进行抗氧化处理。第29页/共56页 第四节第四节 形状记忆合金形状记忆合金 一、形状记忆效应一、形状记忆效应 某些具有热弹性马氏体相变的合金，处于马氏体状态下进某些具有热弹性马氏体相变的合金，处于马氏体状态下进行一定限度的变形或变形诱发马氏体后，在随后的加热过程中，行一定限度的变形或变形诱发马氏体后，在随后的加热过程中，当超过马氏体相消失的温度时，材料就能完全恢复变形前的形当超过马氏体相消失的温度时，材料就能完全恢复变形前的形状和体积，这种现象称为状和体积，这种现象

29、称为形状记忆效应形状记忆效应（SMESME）。具有形状记忆）。具有形状记忆效应的合金称效应的合金称形状记忆合金（形状记忆合金（Shape Memory AlloyShape Memory Alloy）。）。第30页/共56页 形状记忆合金应具备以下形状记忆合金应具备以下三个条件三个条件： 马氏体相变是热弹性类型马氏体相变是热弹性类型的；的； 马氏体相变马氏体相变通过孪生（切变）完成通过孪生（切变）完成，而不是通过滑移产生；，而不是通过滑移产生； 母相和马氏体相均属母相和马氏体相均属有序结构有序结构。第31页/共56页 二、形状记忆合金的应用二、形状记忆合金的应用 已发现的形状记忆合金种类很多，

30、可以分为已发现的形状记忆合金种类很多，可以分为Ti-NiTi-Ni系、铜系、铁系合金系、铜系、铁系合金三大类。目前已实用化三大类。目前已实用化的形状记忆合金只有的形状记忆合金只有Ti-NiTi-Ni系合金和铜系合金。系合金和铜系合金。 1 1、工程应用、工程应用 形状记忆合金在工程上的应用很多，最早的应形状记忆合金在工程上的应用很多，最早的应用就是作各种用就是作各种结构件结构件，如紧固件、连接件、密封垫，如紧固件、连接件、密封垫等。另外，也可以用于一些等。另外，也可以用于一些控制元件控制元件，如一些与温，如一些与温度有关的传感及自动控制。度有关的传感及自动控制。 2 2、医学应用、医学应用 利

31、用利用Ti-NiTi-Ni合金与生物体良好的合金与生物体良好的相容性相容性，可制，可制造医学上的凝血过滤器、脊椎矫正棒、骨折固定板造医学上的凝血过滤器、脊椎矫正棒、骨折固定板等。利用合金的超弹性可代替不锈钢作齿形矫正用等。利用合金的超弹性可代替不锈钢作齿形矫正用丝等。丝等。第32页/共56页 第五节第五节 非晶态合金非晶态合金 非晶态非晶态是指原子呈长程无序排列的状态。是指原子呈长程无序排列的状态。具有非晶态结构的合金称具有非晶态结构的合金称非晶态合金非晶态合金，非晶态，非晶态合金又称合金又称金属玻璃金属玻璃。 一、非晶态合金的制备一、非晶态合金的制备 1 1、气态急冷法、气态急冷法 气态急冷

32、法即气态急冷法即气相沉积法气相沉积法，主要包括溅射，主要包括溅射法和蒸发法。这两种方法制得的非晶材料只是法和蒸发法。这两种方法制得的非晶材料只是小片的薄膜，不能进行工业生产，但由于其可小片的薄膜，不能进行工业生产，但由于其可制成非晶态材料的范围较宽，因而可用于研究。制成非晶态材料的范围较宽，因而可用于研究。第33页/共56页 2 2、液态急冷法、液态急冷法 目前最常用的液态急冷法是目前最常用的液态急冷法是旋辊急冷法旋辊急冷法，分为单辊法和双辊法。图分为单辊法和双辊法。图12-212-2是单辊法示意图。是单辊法示意图。将试块放入石英坩埚中，在氩气保护下用高频将试块放入石英坩埚中，在氩气保护下用高

33、频感应加热使其熔化，再用气压将熔融金属从管感应加热使其熔化，再用气压将熔融金属从管底部的扁平口喷出，落在高速旋转的铜辊轮上，底部的扁平口喷出，落在高速旋转的铜辊轮上，经过急冷立即形成很薄的非晶带。经过急冷立即形成很薄的非晶带。 单辊法制备非晶带示意图单辊法制备非晶带示意图第34页/共56页 二、非晶态合金的特性二、非晶态合金的特性 1 1、力学性能：、力学性能：具有高的强度和硬度具有高的强度和硬度 2 2、耐蚀性：、耐蚀性：非晶态合金具有很强的耐腐蚀能力。非晶态合金具有很强的耐腐蚀能力。 3 3、电性能：、电性能：与晶态合金相比，非晶态合金的电与晶态合金相比，非晶态合金的电阻率显著增高（阻率显

34、著增高（2-32-3倍）。多数非晶态合金具有倍）。多数非晶态合金具有负的电阻温度系数，即随温度升高电阻率连续负的电阻温度系数，即随温度升高电阻率连续下降。下降。 4 4、软磁性：、软磁性： 非晶态合金磁性材料具有高导磁非晶态合金磁性材料具有高导磁率、高磁感、低铁损和低矫顽力等特性，而且率、高磁感、低铁损和低矫顽力等特性，而且无磁各向异性。无磁各向异性。 5 5、其他性能：、其他性能：非晶态合金还具有好的催化特性，非晶态合金还具有好的催化特性，高的吸氢能力，超导电性，低居里温度等特性。高的吸氢能力，超导电性，低居里温度等特性。 第35页/共56页 三、非晶态合金的应用三、非晶态合金的应用 利用非

35、晶态合金的利用非晶态合金的高强度、高韧性高强度、高韧性、以及工艺、以及工艺上可以制成条带或薄片，目前已用它来制作轮上可以制成条带或薄片，目前已用它来制作轮胎、传送带、水泥制品及高压管道的增强纤维。胎、传送带、水泥制品及高压管道的增强纤维。还可用来制作各种切削刀具和保安刀片。还可用来制作各种切削刀具和保安刀片。 非晶态的铁合金是非晶态的铁合金是极好的软磁材料极好的软磁材料，它容易磁，它容易磁化和退磁，比普通的晶体磁性材料导磁率高、化和退磁，比普通的晶体磁性材料导磁率高、损耗小，电阻率大。损耗小，电阻率大。 非晶态合金非晶态合金耐腐蚀耐腐蚀，特别是在氯化物和硫酸盐，特别是在氯化物和硫酸盐中的抗腐蚀

36、性中的抗腐蚀性大大超过不锈钢大大超过不锈钢，获得了，获得了“超不超不锈钢锈钢”的名称，可以用于海洋和医学方面。的名称，可以用于海洋和医学方面。 第36页/共56页 第六节第六节 超塑性合金超塑性合金 一、超塑性现象一、超塑性现象 所谓所谓超塑性超塑性是指合金在一定条件下所表现是指合金在一定条件下所表现的具有的具有极大伸长率和很小变形抗力极大伸长率和很小变形抗力的现象。合的现象。合金发生超塑性时的断后伸长率通常大于金发生超塑性时的断后伸长率通常大于100%100%，有的甚至可以超过有的甚至可以超过1000%1000%。从本质上讲，超塑性。从本质上讲，超塑性是高温蠕变的一种，因而发生超塑性需要一定

37、是高温蠕变的一种，因而发生超塑性需要一定的温度条件，称超塑性温度的温度条件，称超塑性温度TsTs。 根据金属学特征可将超塑性分为根据金属学特征可将超塑性分为细晶超塑细晶超塑性性和和相变超塑性相变超塑性两大类。两大类。第37页/共56页 1 1、细晶超塑性、细晶超塑性 细晶超塑性也称细晶超塑性也称等温超塑性等温超塑性，是研究得最，是研究得最早和最多的一类超塑性，目前提到的超塑性合早和最多的一类超塑性，目前提到的超塑性合金主要是指具有这一类超塑性的合金金主要是指具有这一类超塑性的合金 产生细晶超塑性的产生细晶超塑性的必要条件必要条件是：是： 温度要高温度要高，T Ts s=(0.4-0.7)T=(

38、0.4-0.7)Tm m。 变形速率要小（变形速率要小（ 1010-3-3/ /秒秒）。 材料组织为材料组织为非常细的等轴晶粒非常细的等轴晶粒，晶粒直径，晶粒直径55 m m。 第38页/共56页 2、相变超塑性相变超塑性 相变超塑性相变超塑性是指合金受小应力作用时，在其相变温度上下反复加热冷却获是指合金受小应力作用时，在其相变温度上下反复加热冷却获得极大伸长率的现象，又称得极大伸长率的现象，又称动态超塑性动态超塑性。 具有具有固态相变的合金固态相变的合金都有可能发生相变超塑性。都有可能发生相变超塑性。第39页/共56页 二、超塑性合金二、超塑性合金 1 1、锌基合金锌基合金：用于一般不需切削

39、的简单零件。：用于一般不需切削的简单零件。 2 2、铝基合金铝基合金：含有微量细化晶粒元素（如：含有微量细化晶粒元素（如ZrZr等）等）的超塑性铝合金具有较好的综合力学性能，可加工的超塑性铝合金具有较好的综合力学性能，可加工成复杂形状部件。成复杂形状部件。 3 3、镍合金镍合金：利用超塑性进行精密锻造，压力小，：利用超塑性进行精密锻造，压力小，节约材料和加工费，制品均匀性好。节约材料和加工费，制品均匀性好。 4 4、超塑性钢超塑性钢 ：将超塑性用于钢方面，至今尚未达：将超塑性用于钢方面，至今尚未达到商品化程度。到商品化程度。 5 5、钛基合金钛基合金：利用超塑性进行等温模锻或挤压，：利用超塑性

40、进行等温模锻或挤压，变形抗力大为降低，可制出形状复杂的精密零件。变形抗力大为降低，可制出形状复杂的精密零件。 第40页/共56页 三、超塑性合金的应用三、超塑性合金的应用 1 1、高变形能力的应用、高变形能力的应用 2 2、固相粘结能力的应用、固相粘结能力的应用 3 3、减振能力的应用、减振能力的应用 4 4、其他、其他 第41页/共56页 第七节第七节 纳米材料纳米材料 纳米材料（纳米材料（Nano MaterialsNano Materials）是指尺寸为）是指尺寸为1-1-100nm100nm的纳米粒子、由纳米粒子凝聚成的纤维、的纳米粒子、由纳米粒子凝聚成的纤维、薄膜、块体及与其他纳米粒

41、子或常规材料（薄薄膜、块体及与其他纳米粒子或常规材料（薄膜、块体）组成的复合材料。膜、块体）组成的复合材料。 第42页/共56页一、纳米材料的特性一、纳米材料的特性 1 1、三个效应、三个效应 小尺寸效应小尺寸效应 当超微粒子的尺寸小到纳米数当超微粒子的尺寸小到纳米数量级时，其声、光、电、磁、热力学等特性均会量级时，其声、光、电、磁、热力学等特性均会呈现新的尺寸效应。呈现新的尺寸效应。 表面与界面效应表面与界面效应 随纳米微粒尺寸减小，比随纳米微粒尺寸减小，比表面积增大，三维纳米材料中界面占的体积分数表面积增大，三维纳米材料中界面占的体积分数增加。此时已不能把界面简单地把它看作是一种增加。此时

42、已不能把界面简单地把它看作是一种缺陷，它已成为纳米固体的基本组分之一，并对缺陷，它已成为纳米固体的基本组分之一，并对纳米材料的性能起着举足轻重的作用。纳米材料的性能起着举足轻重的作用。 量子尺寸效应量子尺寸效应 随粒子尺寸减小，能级间距随粒子尺寸减小，能级间距增大，从而导致磁、光、声、热、电及超导电性增大，从而导致磁、光、声、热、电及超导电性与宏观特性显著不同。与宏观特性显著不同。第43页/共56页 2 2、物理特性、物理特性 低的熔点、烧结开始温度及晶化温度低的熔点、烧结开始温度及晶化温度 具有具有顺磁性顺磁性或或高矫顽力高矫顽力 光学特性：一是光学特性：一是宽频吸收宽频吸收。二是。二是蓝移

43、现象。蓝移现象。 电特性：随粒子尺寸降到纳米数量级，金属由电特性：随粒子尺寸降到纳米数量级，金属由良导体变为非导体良导体变为非导体，而，而陶瓷材陶瓷材料的电阻则大大下降。料的电阻则大大下降。 第44页/共56页 3 3、化学特性、化学特性 由于纳米材料比表面积大，处于由于纳米材料比表面积大，处于表面的原子数多，键态严重失配，表面出现非表面的原子数多，键态严重失配，表面出现非化学平衡、非整数配位的化学价，化学平衡、非整数配位的化学价，化学活性高化学活性高，很容易与其他原子结合。如纳米金属的粒子在很容易与其他原子结合。如纳米金属的粒子在空气中会燃烧，无机材料的纳米粒子暴露在大空气中会燃烧，无机材料

44、的纳米粒子暴露在大气中会吸附气体并与其反应。气中会吸附气体并与其反应。 4 4、结构特性、结构特性 纳米微粒的结构受到纳米微粒的结构受到尺寸的制约尺寸的制约和制备方法的影响和制备方法的影响。 5 5、力学性能特性、力学性能特性 高强度、高硬度，良好的塑高强度、高硬度，良好的塑性和韧性性和韧性是纳米材料引人注目的特性之一。是纳米材料引人注目的特性之一。 第45页/共56页 二、纳米材料的分类二、纳米材料的分类 1 1、按、按纳米颗粒结构状态纳米颗粒结构状态可分为可分为纳米晶体材料纳米晶体材料（又称纳米微晶材料）和（又称纳米微晶材料）和纳米非晶态材料纳米非晶态材料。 2 2、按、按结合键类型结合键

45、类型可分为可分为纳米金属材料、纳米离纳米金属材料、纳米离子晶材料、纳米半导体材料及纳米陶瓷材料。子晶材料、纳米半导体材料及纳米陶瓷材料。 3 3、按、按组成相数量组成相数量可分为可分为纳米相材料纳米相材料（由单相微（由单相微粒构成的固体）和粒构成的固体）和纳米复相材料纳米复相材料（每个纳米微（每个纳米微粒本身由两相构成）。粒本身由两相构成）。第46页/共56页 三、纳米新材料三、纳米新材料 1 1、C C6060、纳米管、纳米丝：、纳米管、纳米丝： C C6060原子团簇的结构原子团簇的结构 2 2、人工纳米阵列体系：、人工纳米阵列体系：是指将金属熔入是指将金属熔入 Al2O3 Al2O3 纳米管状阵列空纳米管状阵列空洞模板，或将导电高分子单体聚合于聚合物纳米管状空洞模板的洞模板，或将导电高分子单体聚合于聚合物纳米管