材料概论4-2008

1、材 料 概 论,四川大学材料科学与工程学院 张 云 副教授 85410272、66176186 ,一、结构材料1.1 结构材料的性能,1.1.1 力学性能 （1）弹性与刚度 材料受载荷作用时立即引起变形，当载荷去除，变形立即消失而恢复至原来形状的性能，称为弹性。,在弹性范围内，载荷与变形量成正比关系，其比例常数就是弹性模量。 拉伸弹性模量（E）、剪切弹性模量（G）可用来衡量材料抵抗弹性变形的能力，称为刚度。,（2）强度 材料抵抗外力破坏的能力称为强度，用单位面积的受力大小表示，单位为MPa。 屈服强度 抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、剪切强度 蠕变强度 持久强度,（3）塑性 材料在载荷作用下产生

2、塑性变形而不被破坏的能力称为塑性。 延伸率5的材料称为塑性材料； 5的材料称为脆性材料。,（4）硬度 材料抵抗其他物体压入其表面的性能称为硬度。 它表示材料表面抵抗局部塑性变形和破坏的能力。,（5）韧性与脆性 材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力称为冲击韧性，或韧性。单位J/cm2。 材料受载荷作用时，不待改变形状就立即破坏的性能称为脆性。,（6）疲劳 由于受大小（和方向）发生周期性重复变化载荷的作用，使材料产生裂纹，裂纹逐渐发展而突然断裂，这就是材料的疲劳。,1.1.2 物理性能 （1）相对密度 材料密度与水密度之比。 （2）熔点 （3）热膨胀系数 （4）导热率 1.1.3 化学性能 （1）耐蚀性

3、 （2）抗氧化性,1.2 金属材料,分类：单质金属和金属合金两大类 1、钢铁 碳钢、 合金钢、 铸铁 2、铜和铜合金 纯铜、 黄铜、 青铜、 白铜 3、铝与铝合金 纯铝、 铝合金 4、钛与钛合金 钛、钛合金,特征：高导热 高导电 高强度和高韧性 易成型加工 但耐腐蚀和摩擦性能较差。,1.3 有机高分子材料,有机高分子材料：是由CC共价键为基本结构的碳氢化合物高分子构成。 分类： 1、工程塑料 热塑性塑料、热固性塑料 2、橡胶塑料,特点：重量轻、耐腐蚀、绝缘性好、易于成型加工 但强度、耐磨性和使用寿命较差。,常见工程塑料 （a）聚乙烯（PE） 低密度聚乙烯（LDPE） 高密度聚乙烯（H DPE）

4、 （b）聚氯乙烯（PVC） 密度、强度、刚度及硬度均高于PE。加入少量添加剂时，可制得软硬两种PVC。,（c）聚丙烯（PP） 质量最轻，耐热性好，绝缘性好，强度、刚度、硬度高。 （d）ABS塑料 聚丙烯晴（A）、丁二烯（B） 、苯乙烯（S）的三元共聚物。其含量可任意变化，制成各种树脂。,（e）聚酰胺（PA，尼龙或锦纶） （f）聚甲醛（POM） （g）聚碳酸脂（FC） （h）聚四氟乙烯（PTFE，F4,塑料王） （i）酚醛塑料（PF） （j）环氧塑料（EP）,二、新能源材料,1.概述 1.1 新能源材料的特点 （1）把原来使用的能源变为新能源 （2）提高储能和能量转化效果,1.2 面临的问题 （

5、1）资源的合理利用 （2）安全与环境保护 （3）材料规模生产的工艺 （4）材料的使用寿命,2. 新型二次电池,2.1 Ni/MH镍氢二次电池 （1）工作原理 正极：Ni(OH)2+OH NiOOH+H2O+e 负极：M+H2O+e MH+OH (2) 电极材料 正极材料：球形Ni(OH)2 负极材料：AB5型稀土合金、AB2型合金、 AB型TiNi合金,2.2 锂离子二次电池 （1）工作原理 正极：LiCoO2 CoO2+Li+e 负极：Li+e+C6 LiC6 电池反应： LiCoO2 +C6 CoO2+ LiC6 (2) 电极材料 正极材料： LiCoO2、 LiNiO2、 LiMn2O4

6、 负极材料：金属锂（65年/3400）、锂合金（71年/790）、碳材料（80年/372）、氧化物（95年/700）、纳米合金（1998年/2000),3. 燃料电池 把化学能转化为电能的装置。 第一代燃料电池：磷酸型燃料电池，磷酸为电解质，容量达万千瓦级，电流密度200mA/cm2以上。成熟。 第二代燃料电池：熔融碳酸盐型燃料电池，熔融碳酸盐为电解质，运行温度高，不需贵金属催化剂。有希望大规模生产。 第三代燃料电池：固体氧化物型燃料电池，固态氧化物为电解质，是最有效率和万能的发电系统。有前景。,三、环境材料,所谓环境材料，是指同时具有满意的使用性能和优良的环境协调性，或者能改善环境的材料。

7、材料的环境友好加工 传统材料的环境化 金属材料的环境化 无机材料的环境化 高分子材料的环境化,天然材料的加工和应用 绿色包装材料 绿色建材 环境净化、替代和修复材料 环境降解材料,4. 生物材料和生物医学材料,生物材料 (Biomaterial) 生物医学材料 (Biomedical Material) 其定义随科学技术的发展而演变,生物材料 (Biomaterials) “植入活体内或与活体结合而设计的与活体系统不起药物反应的惰性物质” 1960s，Clemson Univ., USA 特征：人造、非生命、医用、生物相容,4.1 生物材料和生物医学材料的定义,最早的应用可追溯到公元前3500

8、年 棉花纤维、马鬃缝合伤口 古埃及，BC.3500 木片修补颅骨缺损 墨西哥印地安人,4.2 生物医学材料的发展,木质及石质的假牙、假鼻、假耳 中国、埃及， BC. 2500 黄金修补牙缺损 中国、埃及、罗马， BC. 2000,据文献记载 1588年，黄金板修复颚骨 1775年，金属内固定骨折 1809年，黄金种植牙 1851年，天然硫化橡胶制作人工牙托及颚骨,进入20世纪，高分子材料的应用带来了生物医学材料的巨大发展 1937年， PMMA用于牙科 1940s，维尼龙用于血管修复 1958年，涤纶用于动脉修复 1960s，PMMA、UHMPE全髋关节,自20世纪50年代，各种复杂人工器官的

9、出现，标志着生物医学材料及人工关节的发展进入了新的阶段生物医学材料学科与其它相关技术的交叉与渗透更趋深入 人工心脏瓣膜、人工肺、人工肾、人工心脏、人工胰 ,目前，生物医学材料和人工器官所占世界医疗器械市场份额已接近60，1995年产值超过700亿美元，年增长率持续保持在1520,我国生物医学材料产业基础薄弱，绝大部分依靠进口，目前巨大的社会需求与薄弱的研究开发及产业基础形成尖锐的矛盾,A、生物功能性 (Biofunctionability) B、生物相容性 (Biocompatibility) C、生物安全性 (Biological Safety),4.3 生物医学材料的基本性能要求,(1)、无机生物医学材料 (2)、金属及合金生物医学材料 (3)、高分子生物医学材料 (4)、复合生物医学材料 (5)、生物功能材料,4.