功能材料课件

功能材料课件2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu1第一页，共三十六页，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu2纳米材料第一节Nano-Grainmateral材料科学与工程学院第二页，共三十六页，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu3

纳米（nanometer）mn。长度单位，1nm=10-3μm=10-6mm=10-9m.高分子材料的纳米化一、概述：材料科学与工程学院纳米材料纳米超微粒子；纳米固体材料；纳米超微粒子：粒子尺寸为1～100nm的超微粒子；纳米固体材料：由纳米超微粒子制成的固体材料。纳米材料和技术：研究纳米超微粒子的制备、结构和特性；同时也研究纳米固体材料和纳米组装材料。第三页，共三十六页，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu41.表面效应

：二、纳米材料的性能特点材料科学与工程学院粉末粒径越小，表面积愈大。

例:粒径10nm时比表面积90㎡/g；5nm时180㎡/g；2nm时459㎡/g纳米粒子性能变化

纳米粒子减小表面原子数与总原子数之比增加粒子的表面能增加纳米原子象第四页，共三十六页，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu5超微颗粒的表面具有很高的活性：

在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。材料科学与工程学院

高倍电子显微镜发现金属超微颗粒没有固定的形态，随间的变化形成各种形状，它不同于固体，又不同于液体，是一种准固体。在电子束照射下，表面原子仿佛进入了“沸腾”状态，尺寸大于10纳米后才看到稳定性的结构。

利用表面活性，金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂、贮气材料以及低熔点材料。第五页，共三十六页，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu6

当超微颗粒尺寸减小到一定条件，将引起材料宏观物理、化学性质上的变化，称为小尺寸效应。

2.小尺寸效应

：材料科学与工程学院（1）特殊的光学性质：

黄金细分到小于光波波长时，即失去了原有的光泽。金属超微颗粒都为黑色：尺寸越小，颜色愈黑。银白色的铂变成铂黑，金属铬变成铬黑。

原因：金属超微颗粒对光的反射率很低，通常低于l％，几微米厚度就能全消光。

利用：制作高效的光热、光电转换材料，将太阳能转变为热能、电能。也可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。第六页，共三十六页，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu7利用：日本川崎制铁公司用0．1～1微米的铜、镍超微颗粒制成导电浆料代替钯与银贵金属。超微颗粒熔点下降有利于粉末冶金生产。例如，在钨颗粒中附加0.1～0.5％超微镍颗粒后，烧结温度从3000℃降到1200～1300℃。材料科学与工程学院（2）特殊的热学性质：固态物质超细化后熔点显著降低，小于10纳米时尤为显著金（1064℃）颗粒10纳米时，熔点降到1037℃，2纳米时仅327℃；银（670℃）超微颗粒的熔点低于100℃。超细银粉制的导电浆料可低温烧结，此时元件的基片不必采用陶瓷材料，甚至可用塑料。第七页，共三十六页，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu8

例如：大块纯铁矫顽力约为80安／米；颗粒尺寸10-2微米以下，矫顽力增加1千倍；小于10-3微米，矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。材料科学与工程学院（3）特殊的磁学性质：超微颗粒磁性显著不同与大块材料。利用：磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，制成高贮存密度的磁记录磁粉，应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。利用超顺磁性，将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。第八页，共三十六页，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu9（4）特殊的力学性质：

纳米陶瓷：具有良好的韧性。纳米材料具有大的界面，界面的原子排列相当混乱，原子在外力作用下很容易迁移，表现出甚佳的韧性与一定的延展性。氟化钙纳米材料：在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。纳米晶粒金属：比传统金属硬3～5倍。金属一陶瓷复合纳米材料：可在更大的范围内改变力学性质，应用前景十分宽广。超微颗粒的小尺寸效应还表现在：

超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。

材料科学与工程学院第九页，共三十六页，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu10原因：粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能由准连续变为离散。即纳米半导体微粒存在不连续的被占据的最高原子轨道能级，并且存在未被占据的最低的原子轨道能级，同时能系变宽。超微颗粒能级间距随颗粒尺寸减小而增大。3.量子尺寸效应

：量子尺寸效应的宏观表现：金属超微颗粒变成绝缘体，比热亦会反常变化，光谱线会产生向短波长方向的移动。材料科学与工程学院

热能、电场能或磁场能小于电子平均的能级间距时，材料呈现一系列反常特性，称为量子尺寸效应。超微颗粒在低温条件下使用必须考虑量子效应。第十页，共三十六页，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu11

三、纳米材料的应用1.在力学方面的应用

：材料世界中的大力士--纳米金属块体：

金属纳米颗粒粉体制成块状金属材料，强度比一般金属高十几倍，同时又可以像橡胶一样富于弹性。

刚柔并济的纳米陶瓷：

纳米陶瓷粉制成的陶瓷有一定的塑性，高硬度和耐高温，使发动机工作在更高的温度下。材料科学与工程学院第十一页，共三十六页，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu12

神奇的纳米碳管

碳纳米管是由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，外部直径只有几到几十纳米。性能：碳纳米管比重是钢的六分之一，强度是钢的100倍。轻而柔软，又非常结实，是作防弹背心的最好材料。碳纳米管作出绳索，是从月球上挂到地球表面，而唯一不被自身重量所拉断的绳索。用它作为地球--月球乘人电梯的绳索。材料科学与工程学院碳纳米管纤维第十二页，共三十六页，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu13

利用某些纳米材料的光致发光现象制作发光材料。2.在光学方面的应用：材料科学与工程学院例如：利用纳米非晶氮化硅块体在紫外光到可见光范围的光致发光现象，来制作发光材料。例如：载激光束（蓝色）的纳米传感器探针穿过活细胞，以检测该细胞是否曾置于致癌物质下。第十三页，共三十六页，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu14善变颜色的纳米氧化物材料：

氧化物纳米颗粒最大的本领是在电场作用下或在光的照射下迅速改变颜色。作成士兵防护激光枪的眼镜和广告板，在电、光的作用下，会变得更加喧丽多彩。

法力无边的半导体纳米材料：

半导体纳米材料可以发出各种颜色的光，可以做成超小型的激光光源。它还可以吸收太阳光中的光能；把它们直接变成电能。

材料科学与工程学院第十四页，共三十六页，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu15脾气爆燥、易燃易爆的纳米金属颗粒：

金属纳米颗粒表面上的原子十分活泼。

例如：金属铜或铝作成纳米颗粒，遇到空气就会激烈燃烧，发生爆炸。用纳米颗粒的粉体成功用作固体火箭的燃料、催化剂。5.在化学方面的应用：爱清洁的纳米材料：

例如：把透明疏油、疏水的纳米材料颗粒组合在大楼表面或窗玻璃上，大楼不会被空气中的油污弄脏，玻璃也不会沾上水蒸气而永远透亮。将这种纳米颗粒放到织物纤维中，做成的衣服不沾尘。

材料科学与工程学院第十五页，共三十六页，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu16国家大剧院（顶部采用纳米材料制造）材料科学与工程学院第十六页，共三十六页，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu17非晶材料第二节Non-CrystallineAlloy材料科学与工程学院第十七页，共三十六页，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu18

非晶态合金也称“金属玻璃”，其结构呈玻璃态。一、非晶态合金的定义：二、非晶态合金的性能：1.高的强度、硬度；2.良好的软磁性；3.良好的耐蚀性。材料科学与工程学院由熔融状态的合金以极高速度冷却得到的。理想的非晶态合金的结构是长程无序，可以认为是均匀的，各向同性的。第十八页，共三十六页，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu19

Fe基非晶态合金抗拉强度可达4000MPa；Co基非晶态合金的显微硬度高达1400HV。1、高的强度和硬度：一般金属材料σf≈E/500，非晶合金约E/50-E/30。合金硬度Hv断裂强度σf延伸率δ％弹性模量EPd73Fe7Si20401818600.166640Fe80P13C7744830400.03121520Ni75Si81478400Cu57Zn43529219600.17448非晶合金的延伸率很低，压缩变形量可达到40％。材料科学与工程学院第十九页，共三十六页，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu202.良好的软磁性

非晶态合金的无序结构，不存在磁晶各向异性，因而易于磁化，且没有位错、晶界等晶体缺陷，故磁导、饱和磁感应强度高，矫顽力低、损耗小、非晶铁芯材料科学与工程学院理想的软磁材料，成功的用于变压器、磁头材料等。第二十页，共三十六页，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu213.良好的耐蚀性

非晶态合金在中性盐溶液和酸性溶液中的耐蚀性比不锈钢好的多，可用来制造耐腐蚀管道、电池电极、海底电缆屏蔽等。试样40℃腐蚀速度60℃腐蚀速度18Cr-8Ni17.512017Cr-14Ni-2.5Mo-29.24Fe72Cr8P13C70.0000.000Fe70Cr10P13C70.0000.000非晶合金和不锈钢在10％FeCl3.10H2O溶液中的腐蚀速率（mm/年）材料科学与工程学院第二十一页，共三十六页，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu22三、非晶态合金的制备：1、非晶态的形成条件：快冷、极大的过冷度例如：纯金属1010℃/S，合金106℃/S。提高材料的非晶形成能力提高合金的冷却速度2、非晶态合金的制备方法：1）熔体极冷法；2）气相沉积法；3）化学法；4）大块非晶合金的制备材料科学与工程学院第二十二页，共三十六页，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu23梯度材料第三节Gradientmateral材料科学与工程学院第二十三页，共三十六页，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu24一、问题的提出：

航天飞机的超音速燃烧冲压式发动机为例：燃烧室壁一侧承受超过2000℃的温度，另一侧保存液氢，温度－200℃，人们将金属和陶瓷结合起来，用陶瓷对付高温，用金属对付低温。在极大的热应力下结合面会破坏。通过连续地控制内部组成和微细结构的变化，使金属和陶瓷之间不出现界面，就可以解决这一难题。

材料科学与工程学院第二十四页，共三十六页，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu25二、梯度材料的定义：

依据使用要求，选择两种不同性能的材料，采用先进的材料复合技术，使中间部分的组成和结构连续地呈梯度变化，内部不存在明显的界面，从而使材料的性质和功能，沿厚度方向也呈梯度变化的一种新型复合材料。

化学气相沉淀法；物理蒸发法；等离子喷涂法；自蔓延高温合成法等方法。三、梯度材料的制备：材料科学与工程学院第二十五页，共三十六页，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu26四、梯度材料的应用：

梯度材料已成功的应用于航天工业和其它领域。1、由耐放射性材料和耐热应力材料梯度复合的核反应第一层壁及周边材料；2、由光学材料梯度组成高性能激光器；3、由陶瓷和金属梯度复合的人工关节等。材料科学与工程学院第二十六页，共三十六页，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu27记忆合金第四节MemoryAlloy材料科学与工程学院第二十七页，共三十六页，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu28形状记忆效应：指一定形状的合金在某种条件下经塑性变形，然后加热至该材料的某一临界温度以上时，又完全恢复其原来形状的现象。

形状记忆合金种类：

钛—镍系、铜系、铁系、一些聚合物和陶瓷材料。已实用化的形状记忆材料只有钛—镍和铜系合金。材料科学与工程学院具有形状记忆效应的金属称为记忆合金。第二十八页，共三十六页，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu29（1）管子接头：用记忆合金加工成内径比欲连接管的外径小4％的套管，然后在低温下（Mf以下）将套管扩径约8％，装配后，随温度升高，套管恢复原来的内径，形成紧密配合，这类接头已用于海底输油管道的修补等。（2）热敏装置：如火灾报警器、记忆铆钉等。（3）热能－机械能转换装置：利用马氏体相变逆转中产生的应力和位移，将热能转换为机械能，这种装置可利用海水温差发电，也可制成太阳能发动机。

材料科学与工程学院记忆合金在工程和医学得到成功的应用第二十九页，共三十六页，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu30储氢材料第五节StoredBydrogenAlloy材料科学与工程学院第三十页，共三十六页，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu31以金属氢化物的形式吸收氢，加热后又释放氢的金属。

一、储氢材料的定义：氢是重要的能源。

二、氢能源的特点：资源丰富发热值高洁净无污染存储困难氢气存储钢瓶存储：危险；储量小；

液态存储：要求极好的绝热保护；

储氢材料储氢：安全又、经济；

材料科学与工程学院第三十一页，共三十六页，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu32

三、储氢的原理：许多金属可固溶氢气，形成含氢的固溶体。在一定的温度和压力条件下，含氢的固溶体（MHX）与氢气反应生成金属氢化物（MHY）,并释放出热量。

MHX+H2MHY+△H△H：生成热

1、正向反应，吸氢、放热，逆向反应，释氢、吸热。2、改变温度和压力，可使反应按正向、逆向反复进行，实现材料的吸收、释放氢的功能。材料科学与工程学院第三十二页，共三十六页，2022年，8月28日