第二节 新材料技术
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第二节 新材料技术 材 料: 人类能用来制作有用物件的物质。 新材料: 指最近发展或正在发展之中的具有比传统材料性能 更为优异的一类材料。 历史分期: 新石器时代 青铜器时代 以人类使用工具的材料划分 铁器时代 ﹝ 硅时代 ﹞ 材料的分类 : 使用性能 — 力学性能 硬度 强度 延展性 - 结构材料 用于机械制造 工程建设 交通运输 能源 - 使用性能 — 光、 电、热、磁、声性能 功能材料 用于:激光 通信 能源 生物工程 -. 按 用途. 金属材料

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第二节 新材料技术 材 料: 人类能用来制作有用物件的物质。 新材料: 指最近发展或正在发展之中的具有比传统材料性能 更为优异的一类材料。

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第二节 新材料技术

材 料:人类能用来制作有用物件的物质。

新材料:指最近发展或正在发展之中的具有比传统材料性能

更为优异的一类材料。

历史分期:新石器时代

青铜器时代 以人类使用工具的材料划分

铁器时代

﹝硅时代﹞

材料的分类:

使用性能—力学性能 硬度 强度 延展性-

结构材料

用于机械制造 工程建设 交通运输 能源-

使用性能 —光、 电、热、磁、声性能

功能材料 用于:激光 通信 能源 生物工程-

用途


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金属材料

陶瓷材料

高分子材料

复合材料

纳米材料

……

按成分和特性

信息材料

能源材料建筑材料

生物材料

航空航天材料

……

按应用

对象


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一 、 金属材料

1 . 传统金属材料

黑色金属 钢铁及合金

轻金属 (d<5g/cm3) 铝 .钛. 镁等

重金属 (d>5g/cm3) 铜. 镍 .银 等

有色金属 耐高温金属(熔点>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


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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。金刚石和石墨就是炭的同素异构体。

石墨的晶体结构


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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α -Fe ( 铁素体),后者称为γ-Fe(奥氏体)。

前者是常温下存在,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。


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  • 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。


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◎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★ 抗疲劳 回忆变形500万次不疲劳变形★ 耐腐蚀


1 2 3 4

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……


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紧固件

待连接管

待连接管从两端插入

室温

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%

套 管收缩形成紧固

密封件


2 150 253 h 2

(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?

金属结构中存在着很多空隙

,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。


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典型的反应方程式如下所示:

(2/x) M + H2 = (2 /x) MHx + Q

X=1: 2M + H2 = 2 MH + Q

X= 2: M + H2 = MH 2 + Q

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1000—1300单位体积的氢。


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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。

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。

放热金属(合金)+ H2 储氢金属或合金 吸热


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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…


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(3)非晶态合金 晶态 物质—— 内部质点排列有序 ( 普通金属 ) 非晶态物质—— 内部质点排列无序 ( 玻 璃 ) 非晶态合金 化学成分—— 金属或合金 (金属玻璃) 内部结构—— 玻璃态形成 :熔融态合金 骤冷(每秒上百万度) 特点: 整体均匀 各向同性 拉伸强度大 硬度高用途: 变压器、电动机芯、光磁记录、 超大规模集成电路板


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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 化工原料制备: 先进成型、烧结技术等制备工艺,具有优异性能

主要成分是硅酸盐,其耐热性低,易碎。


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新型陶瓷分类:

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

按化学成分

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、

宇航……

结构陶瓷

按使用性能

特点: 电、磁、光、热等性能

用途:通信、电子、自控、

集成电路 ……

功能陶瓷


2 1 1700

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


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( 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1—2万小时) 防弹玻璃( 3 ) 光导纤维( 4 ) 生物陶瓷 特点: 耐腐蚀、 稳定性好 用途: 人体器官、组织修复、再造 三、 高分子材料 塑料、橡胶、纤维 高分子化合物 制成的材料 涂料、粘合剂 填料、助剂 新型高分子材料


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新型高分子材料:在高分子链上引入有特殊功能的基团制成的材料

(1)生物高分子材料:

用途 :修复、替代人体组织

(2) 吸水高分子材料: 高吸水、高保水

应用:日常生活 纸巾 ……

医疗卫生 血液吸收剂、人工玻璃体……

农 业 土壤保水剂……

工 业 干燥剂 空气过滤器 密封材料

( 3 )导电高分子材料:

如 聚乙炔—导电能力大于铜 电池 体积小

可弯曲

( 4) 光电导高分子材料


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四、复合材料1. 复合材料

由两种或两种以上的组份材料组成的新材料。

复合效应 保持原材料的特点

组份间取长补短 协同形成优于原材料的特性

2. 特点

强度高、重量轻、剛性大、

抗疲劳、减振性、耐温性好

3.构成及用途

复合材料三要素 基体材料

增强剂

复合方式


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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


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五、电子、光电子、超导、纳米材料

1.电子材料 半导体材料 √

电子、微电子技术中使用的材料 介电材料

磁性材料

压电材料…

半导体材料 晶体管、 集成电路

固体激光器、探测器…

单晶硅— 大规模集成电路基石

砷化镓— 化合物半导体

性能优于硅 高速计算机

激光光源


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2.光电子材料光电子半导体 光和电子共同参与传递信息的材料 光纤、液晶…

3.超导材料

超导 :材料在一定低温下电阻突然变为零的现象。

低温超导 — 液氦 (He) 4 K

高温超导 — 液氮 (N2) 77 K


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应用: 超导发电机 —不产热、发电效率高

超导输电 —节电

磁悬浮列车

……


4 1nm 10 9 m 1 100nm

4. 纳米材料纳 米— 长度单位 1nm= 10-9 m(十亿分之一米)纳米颗粒— 尺寸在 1~100nm 之间的颗粒

纳米材料 —是指材料的几何尺寸达到纳米级尺度水 平并且具有特殊性能的材料。

纳米颗粒与粉体

纳米碳管和一维纳米材料

纳米薄膜

纳米块材

类型


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纳米颗粒

空气

燃烧

纳米铜、纳米铝

奇特的光、电、磁、声、热、力学性质和化学性质

(纳米金属粉

火箭燃料 炸药

催化剂 杀菌剂)

熔点 金

1063℃

纳米金

330℃

960.8℃

纳米银

100℃

(低温烧结制备合金或

不互熔的金属冶炼成合金)

光学性质 光吸收能力强

半导体纳米颗粒在光照下可以发光


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几种纳米材料

  • 纳米陶瓷

  • 普通陶瓷— 硬、脆、易碎

  • 纳米陶瓷— 坚韧、塑性、弯曲、耐磨

  • 汽车、高速列车


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(2)纳米金属强度为铁的12倍 纳米铁 :铁粉碎 6 nm 颗粒 压制 硬度100—1000倍 可任意弯曲 弹性好(3)碳纳米管 直径 — 理论 0.4 nm(国际 0.7 nm , 我国0.5 nm )性质:质量 — 同体积钢的 1/ 6强度 — 钢的100倍 导电 — 大于铜制高能纤维用途: 超微导线、超微开关 纳米级电子线路 储氢


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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。


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纳米科技的重要意义

  • 纳米科技将促使人类认知的革命

  • 纳米科技将引发一场新的工业革命


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【复习思考题及习题】

1.何为新材料?材料有哪及种类分类方法?

2.形状记忆合金、储氢合金属于哪一类材料?它们的主要用途分别是什麽?

3.新型高分子材料有什麽特殊的功能?试举例说明。

4.复合材料的特点是什麽?结构复合材料分几大类?

5.什麽是超导材料?超导材料的特点和用途是什麽?

6.什麽是纳米材料?它的特点和用途是什麽?


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