《新材料技术》PPT课件.ppt

1、1,新材料技术,2,材料是人类赖以生存和发展的物质基础，一直是人类进步的一个重要里程碑。 例如，历史上的石器时代、青铜器时代、铁器时代都是以材料作为时代主要标志的。一种新型材料的研制成功，可以引起人类文化和生活的新的变化。 石器、陶瓷、铁、铜、玻璃、水泥、有机高分子（如塑料等）、单晶材料等的发明，为人类进步提供重要的物质基础。 没有半导体材料，便不可能有目前的计算机技术；没有耐高温、高强度的特殊结构材料，便没有今天的宇航工业；没有低损耗的光导纤维，也就没有现代的光通讯；没有有机高分子材料，人们的生活也不可能像今天这样丰富多彩。,第四节 新材料技术,3,(1)按化学组成和特性分,无机非金属材料,

2、传统无机非金属材料,新型无机非金属材料,金属材料,高分子材料：塑料、合成橡胶、合成纤维,(2)按用途分,结构材料：,利用材料的力学性能，广泛应用于机械制造、工程建设、交通运输等各个工业部门,功能材料：,利用材料的热、光、电、磁等性能用于电子、激光、通讯、能源和生物工程等许多高新技术领域。,功能高分子材料,4,按成分和特性,金属材料 陶瓷材料 高分子材料 复合材料 纳米材料 ,按应用 对象,信息材料 能源材料 建筑材料 生物材料 航空航天材料 ,5,一 、 金属材料 1 . 传统金属材料 黑色金属 铁、锰、铬以及它们的合金 轻金属 （d5g/cm3） 铜. 镍 .银 等 有色金属 耐高温金属（熔

3、点1857 ） 铬.钼 .钨 等 低熔金属（熔点400 ） 锡、铅、.鉍 等 贵金属 金.铂等 2 . 新型金属材料 (1) 形状记忆合金 金属或合金 T1 ( 形状)1 恢复 T2 (形状)2,6,形状记忆合金记忆原理：,在有些材料中，即使是同一材料组成的晶体中，也可能存在不同的晶体结构，这种现象称为同素异构。金刚石和石墨就是碳的同素异形体。,石墨的晶体结构,7,铁也有两种不同的基本晶体结构，即体心立方铁和面心立方铁。 这种由相同的原子 组成的不同的晶体结构，在材料学中又称为不同的“相”。 体心立方铁和面心立方铁属不同的“相”，前者称为 -Fe ( 铁素体)，后者称为-Fe(奥氏体)。,前者

4、是常温下存在，而后者是高温下存在，它们在硬度、密度和塑性变形能力等性质上都不相同。,8,人们利用同一种成分的材料可以有不同的“相”， 就能演出一幕幕“相”变戏，即改变外界条件如温度,使材料由一种晶体结构变成另一种晶体结构，材料的力学性能和物理或化学性能也就随之改变，当温度恢复时材料的晶体结构也恢复到原来的状态，性质也随之复原。,在实际应用中，形状记忆合金就是利用一些材料的晶体结构的相互转变来开发其形状记忆功能的。,9,举例 金镉 （Au-Cd) 镍钛 (Ni-Ti) 铜金锌 (Cu-Au-Zn) 铜铝镍 (Cu-Al-Ni) 特性 有确定的转变温度 镍- 钛 40 超弹性 外力作用下 形变 抗

5、疲劳 回忆变形500万次不疲劳变形 耐腐蚀,10,应用 1）记忆合金铆钉 2）紧固件 3）卫星自展天线 （镍 钛） 4）形状记忆合金发动机 ,11,紧固件 待连接管,室温下 形状记忆合金套管，内径比待连接管外径小约4%,液N2中 扩管约8%,待连接管从两端插入,室温,套 管收缩形成紧固 密封件,12,（2）储氢合金 气态 - 150 大气压 钢瓶 储氢的传统方法 液态 - 253 液化 钢瓶 储氢 金属或合金 能吸收 H2 的金属或合金。,储氢金属或合金为什么能储存氢气？,，氢元素较活泼，原子半径又小，它很容易钻进金属空隙中去并和金属 起化学反应生成金属氢化物。,金属结构中存在着很多空隙,13

6、,在储氢合金中，一个金属原子能与2- 3个甚至更多个氢原子结合，生成金属氢化物。所以储氢合金的储氢能力很强，,一单位体积的储氢合金能储存10001300单位体积的氢。,14,在储氢合金中，氢原子密度要比同样温度和压力条件下的气态氢大 1000倍，也就是说，相当于储存1000个大气压的高压氢气。,放热 金属（合金）+ H2 储氢金属或合金 吸热,一般储氢合金，吸收与氢气瓶储氢容量相等的氢气，其重量只有氢气瓶的1/3，而体积却不到氢气瓶的1/10。因此，用储氢合金储氢是一种很理想的储氢手段。,15,例 镁系 钛系 储氢合金 铁系 稀土 应用,氢能汽车、高速飞机燃料 传热介质镍氢电池紧急救生材料,1

7、6,二、陶瓷材料 1. 陶瓷材料. 传统陶瓷 原料: 天然矿物( 岩石、沙子、粘土、) 制备 ： 烧制 例如 水泥、玻璃、砖瓦、耐火材料 新型（精细、先进）陶瓷 原料: 精致、高纯的 化工产品为原料 制备: 采用先进的成型、烧结等制备工艺技术，使制备的陶瓷制品具有优异性能,主要成分是硅酸盐，其耐热性低，易碎。,硅酸盐材料,17,氧化物陶瓷 氮化物陶瓷 碳化物陶瓷 硼化物陶瓷 硅化物陶瓷,特点： 电、磁、光、热等性能 用途：通信、电子、自控、 集成电路 ,按化学成分,新型陶瓷分类:,按使用性能,结构陶瓷,功能陶瓷,特点: 耐高温、超硬度、 高 强度、 耐磨损、 抗腐蚀用途： 能源、机械、冶金、

8、宇航,18,陶 瓷,粉彩瓷,古代陶器,19,2.几种新型陶瓷材料 (1) 高温结构陶瓷 原料: 氮化硅、碳化硅、 制备: 1700 烧结 用途: 汽车、飞机发动机 陶瓷刀具 （ 超薄 ）,工作温度 1300 不水冷 重量轻,20,工作温度 1300 不水冷 重量轻,高温结构陶瓷发动机,1990年我国第一台无水冷发电机试车成功,21,( 2 ) 透明陶瓷 ( 光学陶瓷 ) 特点 光学性能优异 耐高温 ( 熔点 2000 以上 ) 用途 高压灯 （ 如高压鈉灯 工作温度 1200 寿命12万小时） 防弹玻璃 ( 3 ) 光导纤维 一种精细陶瓷 ( 4 ) 生物陶瓷 特点: 耐腐蚀、 稳定性好 用途

9、: 人体器官和组织的修复与再造,22,备注：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。,高纯氧化铝透明陶瓷灯管,23,高纯氧化铝透明陶瓷管,24,25,26,人造血管,人造关节,27,思考题,1.我国最著名的陶器产地在什么地方？有什么之称？ 2.我国素有“瓷都”之称的地方在那里？,江苏宜兴，有陶都之称,江西景德镇,28,由两种或两种以上的组分材料组成的新材料。 复合效应 保持原材料的特点 各组分间取长补短,互相协同，形成一种优于原有材料的特性。 2. 特点 强度高、重量轻、剛性大、 抗疲劳、

10、减振性、耐温性好 3.构成及用途,四、复合材料1. 复合材料,复合材料三要素 基体材料 增强剂 复合方式,29,硅酸盐产品,热弯玻璃,防弹玻璃,化学仪器玻璃,30,树脂基 (高分子 ) 基体材料 金属基 陶瓷基 粒子状 增强剂 纤维状 层状 聚脂树脂 飞机、汽车、 树脂基 ( 玻璃钢) 玻璃纤维 船舶、建筑 结构 金属 复合 金属基 耐热纤维 航空、航天 复合方式 基体陶瓷 Al2O3、SiO2、SiC、 陶瓷基 增强纤维 C、SiC、 航空航天 功能 功能体 换能、导电、导磁 复合 基 体 屏蔽 吸波材料 增强纤维 隐形飞机,31,五、 纳米材料纳 米 长度单位 1nm= 10-9 m（十亿

11、分之一米） 纳米颗粒 尺寸在 1100nm 之间的颗粒,类型,纳米陶瓷 纳米金属 碳纳米管,纳米材料 是指由纳米颗粒构成的固体材料。,32,各种纳米材料的特性,莲花叶子表面的自我洁净 莲花叶面表面的结构与粗糙度为微米至纳米尺寸的大小。当远大于该结构的灰尘、雨水等降落在叶面上时，只能和叶面上凸状物形成点的接触。液滴在自身的表面张力作用下形成球状，在滚动中吸附灰尘，并滚出叶面。,视频：莲花,33,鹅毛和鸭毛的排列非常整齐，且毛与毛之间的隙缝极小，小到纳米尺寸，所以水分子无法穿透层层的鹅毛和鸭毛。所以鹅与鸭得以在水中保持身体的干燥。这种结构还极其通气。,34,不用洗涤剂的纳米服装,2002年，一批高

12、科技服装面料从实验室走上了展台：不用洗涤剂也能清洁的衣物、可用做防水地图的仿真丝面料等相继出现，高科技的服装面料令人耳目一新,视频：纳米布料,35,具有易洁纳米涂层的陶瓷,视频：纳米表面,36,摔不碎的纳米陶瓷,普通陶瓷 坚硬、质脆、易于破碎 纳米陶瓷 坚硬、耐磨、永不生锈 做发电机的轮子，将广泛用于汽车、高速列车,37,纳米材料具有奇特的光、电、磁、热、力等性质,38,1、具有很高的活性,在空气中，纳米金属颗粒会迅速氧化而燃烧。利用其表面活性，金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂、火箭燃料、炸药等。,空气,纳米铜、纳米铝,燃烧,（纳米金属粉),催化剂,火箭燃料 炸药,39,2、特殊的光学性

13、质,所有的金属在超微颗粒状态时都呈现为黑色。尺寸越小，颜色越黑。金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l%，大约几微米厚度的膜就能起到完全消光的作用。光吸收能力强，利用这个特性可以制造隐身材料等。,40,3、特殊的热学性质,大尺寸的固态物质其熔点往往是固定的，超细微化的固态物质其熔点却显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为突出。,熔点 金,1063,纳米金,330,纳米银,100,960.8,（低温烧结制备合金或,不互熔的金属冶炼成合金）,银,41,4、特殊的力学性质,陶瓷材料在通常情况下一般呈现脆性，由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料具有良好的韧性。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3

14、5倍。金属-陶瓷复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质。,42,纳米铜在室温下可延伸50多倍，强度比常规铜高5倍,5、超塑延展性,43,纳米机器人,“纳米机器人”的研制属于分子仿生学的范畴，它根据分子水平的生物学原理为设计原型，设计制造可对纳米空间进行操作的“功能分子器件”。 第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体。这种纳米机器人可注入人体血管内，进行健康检查和疾病治疗。还可以用来进行人体器官的修复工作、作整容手术、从基因中除去有害的，或把正常的安装在基因中，使机体正常运行。 第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置。 第三代纳米机器人将包含

15、有纳米计算机，是一种可以进行人机对话的装置。这种纳米机器人一旦问世将彻底改变人类的劳动和生活方式。,44,仿甲虫外形制造的微型机器人,纳米轴承,微型机器人,45,描述的是一个纳米机器人在清理血管中的有害堆积物。由于纳米机器人可以小到在人的血管中自由的游动，对于象脑血栓、动脉硬化等病灶，它们可以非常容易的予以清理，而不用再进行危险的开颅、开胸手术。,46,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。其比重只有钢的六分之一，而强度却是钢的100倍。碳纳米管还是极好的储氢材料，在将来的以氢为动力的汽车上将得到应用。 诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为

16、，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。,未来的理想超级纤维 碳纳米管,47,碳60和巴基球,1985年，美国科学家克劳特和斯莫利等用激光束去轰击石墨表面，意外地发现了C60。 C60的外形像足球，中心是空的，外边围砌着60个碳原子，碳原子组成了12个五边形和20个正六边形。碳60有一个别名：巴基球，一个巴基球的直径是0.7纳米。 巴基球还可以做得更大，再增加10个碳原子，还可以做成碳70。有人认为，如果不是只用60个碳原子，而是用960个碳原子制成碳540，有可能在室温条件下就可实现超导！,48,科学家们又在想，碳原子既然可以排列成足球的形

17、状，就可以排列成圆筒形。球形只能扩大，成为越来越大的球；圆筒形却可以加长，越加越长，成为一根纤维。于是科学家就用碳元素组成了一种圆筒材料碳纳米管。 人们制成的碳纳米管，其直径已经达到了1.4纳米，每一圈是由10个六边形组成。,49,碳纳米管,碳纳米管，是指用纳米技术将碳做成的细管,C60 C60 C70,金刚石,石墨,视频：碳纳米管,50,纳米科技,是指在纳米尺度上研究物质的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。 纳米科技的最终目的是以原子和分子为起点，去制造具有特殊功能的产品。 扫描探针显微镜（SPM）是纳米科技重要的研究手段。,纳米科技,51,展望21世纪，材料科学的前景是美好的： 1.光电转换材料，分解水的催化材料和储氢材料等能源材料将实现高效化； 2.集多种功能于一身的复合材料可使