造型材料課件-第五章第五節(jié)新材料

1、l1概述l2形狀記憶合金定義：具有初始形狀的制品變形后，通過(guò)加熱等手段處理又恢復(fù)初始形狀的功能“阿波羅”半球形天線l1963年，美國(guó)海軍一個(gè)研究所奉命研制l一種新式裝備，發(fā)現(xiàn)拉直或做成鐵合金 l只要遇到某溫度，便立即恢復(fù)到原來(lái)那l種彎彎曲曲的樣子l鎳一鐵合金的轉(zhuǎn)變溫度是40度，一到這個(gè)溫度，鎳鐵合金便“記”起“了自己原來(lái)的”面目”。l各種形狀記憶合金在轉(zhuǎn)變溫度以上時(shí)的晶體結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，當(dāng)我們于這個(gè)溫度下，用外力改變了合金的形狀時(shí)，這時(shí)合金的外形發(fā)生了變化。l轉(zhuǎn)變溫度以下時(shí)不穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)就會(huì)立即轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，這就是形狀記憶合金做成的物體能“回憶起”原來(lái)的形狀并發(fā)生變化的原因。l阿波羅登月艙帶

2、到月球上的環(huán)形天線，就是用l極薄的記憶合金材料先按預(yù)定要求做好l，然后降低溫度把它壓成一團(tuán)，裝進(jìn)登月艙帶l上天去。 l(1)工程應(yīng)用。l形狀記憶合金的最早應(yīng)用是在管接頭和緊固件上。l例如，用形狀記憶合金加工成內(nèi)徑比欲連接管的外徑小4兆的套管，然后在液氮溫度下將套管擴(kuò)徑約8兆，裝配時(shí)將這種套管從液氮取出，把欲連接的管子從兩端插入。當(dāng)溫度升高至常溫時(shí)，套管收縮即形成緊固密l封。這種連接方式接觸緊密能防滲漏、裝配時(shí)間短，遠(yuǎn)勝于焊接，特別適合于在航空、航天、核工業(yè)及海底輸油管道等危險(xiǎn)場(chǎng)合應(yīng)用。l這種形狀記憶材料也可用于安全報(bào)警系統(tǒng)，如火災(zāi)報(bào)警器等。還可用于能源開(kāi)發(fā)制成小型固體熱機(jī)。l(2)醫(yī)學(xué)應(yīng)用：l

3、形狀記憶效應(yīng)和超彈性可廣泛用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。如制造血栓過(guò)濾器、脊柱矯形l棒、牙齒矯形弓絲、接骨板、l人工關(guān)節(jié)、人造心臟等等。l(3)智能應(yīng)用：l形狀記憶合金是一種集感知和驅(qū)動(dòng)雙重功能為一體的新型材料，因而可廣泛l地應(yīng)用于各種自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制裝置，也稱作智能材料。l研制像半導(dǎo)體集成電路那樣的集記憶材料 、驅(qū)動(dòng)源 、控制為一體的機(jī)械集成元件，形狀記憶薄膜和細(xì)絲可能成為未來(lái)超微型機(jī)械手和機(jī)器人的理想材料，它們除溫度外不受任何其他環(huán)境條件的影響可望在核反應(yīng)堆、加速器、太空實(shí)驗(yàn)室等高技術(shù)領(lǐng)域中大顯身手。l 1）NiTi記憶合金自擴(kuò)張式食道及吻合口內(nèi)支架具有優(yōu)良的生物相容性和耐腐蝕性，同時(shí)具有奇特的記憶特性和超

4、彈性。在010（冰水）下內(nèi)支架為軟化狀態(tài)，在一定范圍內(nèi)可改變形狀，放入食道支架放送器中。在33以上將內(nèi)支架推出，可立即恢復(fù)到原來(lái)形狀，產(chǎn)生持續(xù)柔和的徑向擴(kuò)張力，作用在食道內(nèi)壁上，使狹窄部位恢復(fù)通暢。l2）內(nèi)支架在體溫下具有良好的超彈性，l能隨正常的食道蠕動(dòng)而起伏波動(dòng)，使食l道既保持通暢又無(wú)不舒適感。l采用CuZnAl記憶合金片，以熱水或熱風(fēng)為熱源，開(kāi)放溫度為6585，閉合溫度為室溫。花蕾直徑80mm,展開(kāi)直徑200mml形狀記憶合金技術(shù)的醫(yī)學(xué)儀器就是一個(gè)非常細(xì)的管子，這個(gè)管子可以插入血管里，到達(dá)損壞的血管之后再變回原來(lái)大小。 l利用形狀記憶合金雙程記憶效應(yīng)制成的，隨溫度變化可自行伸縮的感溫驅(qū)動(dòng)

5、元件。l金屬的超塑性現(xiàn)象：l在特定的組織、溫度條件和變形速度下變形時(shí)，塑性比常態(tài)提高幾倍到幾十倍，而變形抗力降低到常態(tài)的幾分之一甚至幾十分之一。l超塑性是材料能夠經(jīng)受拉力的作用進(jìn)行大幅變形而不斷裂的性質(zhì)。l航空工業(yè)領(lǐng)域，要求金屬材料具有高強(qiáng)度、耐高溫和能夠進(jìn)行復(fù)雜形狀的加工成型，而從成型加工角度看，材料的強(qiáng)度越高，形狀越復(fù)雜，就越難整體成形。l利用合金的超塑性，則那些難加工成型的合金和復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)件，就比較容易成型。如美國(guó)利用超塑性模鍛鐵合金的飛機(jī)隔架，只需22.7kg的鍛料即可鍛出。l若用普通鍛造法，需鍛出158.8kg的毛坯后，再經(jīng)機(jī)械加工制成最后形狀。l用超塑性模鍛，每件能省料136k

6、g。當(dāng)生產(chǎn)500架飛機(jī)時(shí)，只這一零件就可節(jié)約120-150萬(wàn)美元。納米 納米（nm），又稱毫微米。一納米的物體放到乒乓球上，就像一個(gè)乒乓球放在地球上一般 介于宏觀與微觀之間 納米材料又稱為超微顆粒材料，由納米粒子組成。納米粒子也叫超微顆粒，一般是指尺寸在1-100nm間的粒子，它具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子遂道效應(yīng) IC Thin Film Lab. NTHU STM images of as-cleaned Si(111)-7 7 surface20 nm x 20 nm20 nm x 20 nmfilled-state (Vs= -1.5V) empty-state (Vs=0.5V

7、)納納米材料米材料- -二氧化二氧化鈦鈦納米晶太陽(yáng)能電池納米晶太陽(yáng)能電池l技術(shù)特點(diǎn)無(wú)機(jī)一有機(jī)復(fù)合體系采用二氧化鈦粒子制備多孔的薄膜，然后再在薄膜的微孔中修飾有機(jī)染料分子或無(wú)機(jī)半導(dǎo)體粒子作為光敏劑。光敏劑吸收入射光后產(chǎn)生電子空穴對(duì)，通過(guò)半導(dǎo)體顆粒，產(chǎn)生電荷分離，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能。l優(yōu)點(diǎn)無(wú)污染光電轉(zhuǎn)化效率高成本低（單晶硅電池的1/5）納米晶太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)、工作示理圖。納米晶太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)、工作示理圖。TiO2 納米顆粒敏化劑玻璃+導(dǎo)電層玻璃+導(dǎo)電層太陽(yáng)光電流l冬眠素可解除失眠者痛苦。冬眠素可解除失眠者痛苦。l醫(yī)學(xué)醫(yī)學(xué)新新療法，手術(shù)后為病人注射微量睡眠素，使病人療法，手術(shù)后為病人注射微量睡眠素，使

8、病人l熟睡幾天或幾周，一熟睡幾天或幾周，一覺(jué)醒來(lái)傷口覺(jué)醒來(lái)傷口愈合。愈合。l太空人在漫長(zhǎng)的太空航程中沉睡太空人在漫長(zhǎng)的太空航程中沉睡幾個(gè)幾個(gè)月甚至更久，使月甚至更久，使l人類飛向茫茫宇宙成人類飛向茫茫宇宙成為事為事實(shí)。實(shí)。l這種馬達(dá)這種馬達(dá)每片如同一個(gè)細(xì)胞大小。每片如同一個(gè)細(xì)胞大小。l比比頭發(fā)頭發(fā)還小的微型還小的微型電動(dòng)馬達(dá)電動(dòng)馬達(dá)，可裝在，可裝在體內(nèi)運(yùn)行的體內(nèi)運(yùn)行的車輛車輛，負(fù)責(zé)運(yùn)輸負(fù)責(zé)運(yùn)輸和清除人類體內(nèi)拉圾的工作，和清除人類體內(nèi)拉圾的工作，l還可以還可以制成小制成小機(jī)器人去機(jī)器人去消消滅病菌，清除滅病菌，清除腫瘤腫瘤，與病菌與病菌作作戰(zhàn)，戰(zhàn)，確保人體健康。確保人體健康。l中國(guó)山東小鴨集團(tuán)總

9、投中國(guó)山東小鴨集團(tuán)總投資人民幣資人民幣260萬(wàn)元用在研發(fā)納米萬(wàn)元用在研發(fā)納米洗衣機(jī)及生洗衣機(jī)及生產(chǎn)線產(chǎn)線改造，此產(chǎn)品特點(diǎn)是氧化銀材料加入改造，此產(chǎn)品特點(diǎn)是氧化銀材料加入原來(lái)陶瓷材料中，一方面改善表面張力，能去污，另原來(lái)陶瓷材料中，一方面改善表面張力，能去污，另一方面陶瓷表面不會(huì)產(chǎn)生冷爆，氧化銀一方面陶瓷表面不會(huì)產(chǎn)生冷爆，氧化銀還能還能殺菌。殺菌。l由由于采用于采用納米技納米技術(shù)，術(shù)，產(chǎn)品回產(chǎn)品回報(bào)可報(bào)可觀，附加價(jià)值比普通觀，附加價(jià)值比普通款洗衣機(jī)高款洗衣機(jī)高20%。l小鴨集團(tuán)繼小鴨集團(tuán)繼2000年推出納米洗衣機(jī)后不久，又研年推出納米洗衣機(jī)后不久，又研發(fā)戒發(fā)戒煙納米磁卡。煙納米磁卡。l磁卡具有大

10、的微觀活性表面和吸磁卡具有大的微觀活性表面和吸納與反應(yīng)空間，與香納與反應(yīng)空間，與香煙放在一起，香煙中有害物質(zhì)分子在特殊的多元納米煙放在一起，香煙中有害物質(zhì)分子在特殊的多元納米材料材料發(fā)生發(fā)生變化，使吸入人變化，使吸入人體及體及釋放到空氣中的亞硝銨、釋放到空氣中的亞硝銨、尼古丁、一氧化碳等含量下降。尼古丁、一氧化碳等含量下降。l汽車納米玻璃汽車納米玻璃-下雨天不用雨刷。下雨天不用雨刷。l手機(jī)待手機(jī)待機(jī)機(jī)50100天的納米電池。充電天的納米電池。充電3分分鐘鐘OK。l防防輻射的衣服、口罩，可阻隔輻射的衣服、口罩，可阻隔95%紫外線與電磁波。紫外線與電磁波。l記憶體記憶體儲(chǔ)存容量更大，一張儲(chǔ)存容量更

11、大，一張3吋光碟可存上百萬(wàn)億字，吋光碟可存上百萬(wàn)億字，l2010年將出現(xiàn)像紙一年將出現(xiàn)像紙一樣大樣大熒幕液晶熒幕液晶電視電視，高解析，高解析、無(wú)無(wú)輻射，耗電量低。輻射，耗電量低。l納米水泥取代建材水泥，很納米水泥取代建材水泥，很強(qiáng)強(qiáng)粘著作用，可粘著作用，可粘磚塊、粘磚塊、鋼筋、玻璃，低成本沒(méi)污染。鋼筋、玻璃，低成本沒(méi)污染。磁性納米微粒磁性納米微粒特點(diǎn)：既具有液體的流動(dòng)性質(zhì)，又具有磁性。特點(diǎn)：既具有液體的流動(dòng)性質(zhì)，又具有磁性。在高分子包覆的磁性微粒上引入氨基、羥基、在高分子包覆的磁性微粒上引入氨基、羥基、羧基、巰基等功能基團(tuán)，并進(jìn)一步修飾酶、抗羧基、巰基等功能基團(tuán)，并進(jìn)一步修飾酶、抗體、寡核苷酸

12、等生物活性物質(zhì)，用于酶的固定體、寡核苷酸等生物活性物質(zhì)，用于酶的固定化、藥物載體、細(xì)胞分選、免疫檢測(cè)及核酸的化、藥物載體、細(xì)胞分選、免疫檢測(cè)及核酸的分離與雜交等領(lǐng)域的研究。分離與雜交等領(lǐng)域的研究。l 納米相天然羥基磷灰石材料開(kāi)發(fā)研究納米相天然羥基磷灰石材料開(kāi)發(fā)研究l應(yīng)用范圍：應(yīng)用范圍：制造人工骨、人工足關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、骨螺釘、人工齒，制造人工骨、人工足關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、骨螺釘、人工齒，以及牙種植體、耳聽(tīng)骨修復(fù)體等等。以及牙種植體、耳聽(tīng)骨修復(fù)體等等。納米相天然羥基磷灰石材料優(yōu)點(diǎn)納米相天然羥基磷灰石材料優(yōu)點(diǎn)良好的生物相容性、來(lái)源方便，成本低廉；良好的生物相容性、來(lái)源方便，成本低廉；小尺寸

13、效應(yīng)和表面與界面效應(yīng)；小尺寸效應(yīng)和表面與界面效應(yīng)；優(yōu)良的理化性能（強(qiáng)度、硬度、軔性和超塑性等優(yōu)良的理化性能（強(qiáng)度、硬度、軔性和超塑性等）l特殊油品為載體，內(nèi)含納米金屬粒子膠體，加入普通潤(rùn)滑油中，具有超強(qiáng)的潤(rùn)滑、抗摩與修復(fù)功能。 l采用納米復(fù)合粒子，通過(guò)特殊工藝使各種纖維具有“磁性”、“紅外”與“抗紫外”特性。將纖維織成布，并加工成各種系列功能產(chǎn)品。 Quantum Corrals 量子珊瑚量子珊瑚 Scientists discovered a new method for confining electrons to artificial structures at the nanomete

14、r length scale. Surface state electrons on Cu(111) were confined to closed structures (corrals) defined by barriers built from Fe adatoms. The barriers were assembled by individually positioning Fe adatoms using the tip of a low temperature scanning tunneling microscope (STM). A circular corral of r

15、adius 7.13 nm was constructed in this way out of 48 Fe adatoms. This STM image shows the direct observation of standing-wave patterns in the local density of states of the Cu(111) surface. These spatial oscillations are quantum-mechanical interference patterns caused by scattering of the two- dimens

16、ional electron gas off the Fe adatoms and point defects.納米碳管l1.認(rèn)為納認(rèn)為納米技米技術(shù)有術(shù)有潛在危潛在危險(xiǎn)，險(xiǎn)，將帶來(lái)微型世界失序。將帶來(lái)微型世界失序。l2.納米機(jī)器人忘記停止納米機(jī)器人忘記停止復(fù)制復(fù)制，如沒(méi)有停止，如沒(méi)有停止訊號(hào)災(zāi)難極訊號(hào)災(zāi)難極l 可能會(huì)發(fā)生?？赡軙?huì)發(fā)生。l3.快速快速?gòu)?fù)雜機(jī)復(fù)雜機(jī)器人在器人在體內(nèi)體內(nèi)擴(kuò)散比病菌還快，甚至?xí)艛U(kuò)散比病菌還快，甚至?xí)舕 掉正常掉正常組織組織。納納米專家米專家門并不排除門并不排除這種危險(xiǎn)這種危險(xiǎn)，但他們相信可控制，但他們相信可控制l 與應(yīng)付。與應(yīng)付。l定義：l有些物質(zhì)在一定的溫度Tc以

17、下時(shí)，電阻為零，同時(shí)完全排斥磁場(chǎng)，即磁力線不能進(jìn)入其內(nèi)部，具有這種現(xiàn)象的材料叫超導(dǎo)材料。l一般超導(dǎo)材料Tc：-250以下l高溫超導(dǎo)材料Tc：-148以上l零電阻l完全抗磁性l(1)超導(dǎo)材料在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用 l超導(dǎo)磁體：l 磁場(chǎng)強(qiáng)l 損耗小l 重量輕l提高磁感應(yīng)強(qiáng)度，提高發(fā)電效率50%-60% l（2）超導(dǎo)材料在運(yùn)輸方面的應(yīng)用l磁懸浮列車l（3）超導(dǎo)材料的其它應(yīng)用（Fig. I-1）CEBAF的電子質(zhì)譜儀（Fig. I-2）超導(dǎo)回旋加速器等離子源（Fig. I-3）Axion（Fig. II-1）Wavelength Shifter （Fig. II-2）Super Bend （Fig. II

18、I-1） 8 T 超導(dǎo)磁鐵 （Fig. IV-1）計(jì)劃計(jì)劃中的加州超中的加州超到到磁浮列磁浮列車車（Fig. VI-1）超導(dǎo)磁流體發(fā)電機(jī)以C-5A飛機(jī)運(yùn)往莫斯科（Fig. I-3）（Fig. II-1）（Fig. III-1）Copper Coil l定義：l在較低的磁場(chǎng)中被磁化而呈強(qiáng)磁性，磁場(chǎng)去除后磁性基本消失l材料：純鐵、Fe-SiFe-CoMn-Znl應(yīng)用：變壓器、繼電器、電磁鐵發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子l磁性材料在磁場(chǎng)中被充磁，當(dāng)磁場(chǎng)去除l后，材料的磁性長(zhǎng)時(shí)保留。l材料：永磁鐵氧體、稀土永磁材料等l應(yīng)用：核磁共振儀、磁選機(jī)、音響器件l1、磁記錄材料l磁記錄介質(zhì)：磁帶、磁盤、磁鼓l磁頭外部存貯器外部存貯

19、器( (外存外存) )用磁性材料制成，用來(lái)存放大量程序及數(shù)據(jù)（內(nèi)存容用磁性材料制成，用來(lái)存放大量程序及數(shù)據(jù)（內(nèi)存容量有限且貴）量有限且貴）, ,包括硬盤、軟盤、光盤等包括硬盤、軟盤、光盤等光盤光盤1.44M軟盤軟盤1.2M軟盤軟盤l2、磁泡材料l高速、高存儲(chǔ)密度存儲(chǔ)器l材料：石榴石型鐵氧體膜l, 可廣泛應(yīng)用於五金配件, 磁性工具, 自動(dòng)元件, 磁性吸座, 門扣, 組裝零件, 扣具等. 可依需求之不同, 供應(yīng)強(qiáng)力及超強(qiáng)力之磁性吸座. . l超強(qiáng)磁能材料轉(zhuǎn)化器 l省燃油, 省瓦斯, 省能源之利器, 適用於汽機(jī)車/柴油車/液化(天然)瓦斯/鍋爐/船舶/冷凍機(jī)/空調(diào)系統(tǒng)等. 不需用電, 不用工具, 不

20、會(huì)損耗, 安裝容易, 連續(xù)使用. 效能: 增加馬力及扭力輸出. 減少l汽缸積碳及引擎爆震. 引擎運(yùn)轉(zhuǎn)更平順, 減少怠速抖動(dòng). 點(diǎn)火正常, 更加容易啟動(dòng). 廢氣排放量減少, 更環(huán)保. 提升燃燒效率, 減少浪費(fèi). 抑制或減少硬質(zhì)及水垢的形成, 保護(hù)管壁, 防止生銹腐蝕, 延長(zhǎng)設(shè)備之使用年限.1功能高分子材料功能高分子材料A高分子高分子分離膜分離膜B醫(yī)用醫(yī)用高分子材料，如：人工心臟、人高分子材料，如：人工心臟、人工關(guān)節(jié)、人造鼻工關(guān)節(jié)、人造鼻C隱形眼鏡隱形眼鏡2復(fù)合材料復(fù)合材料：由兩種以上材料組合而成的：由兩種以上材料組合而成的新型材料，其中一種是基體，另一種是新型材料，其中一種是基體，另一種是增強(qiáng)劑。如：增強(qiáng)劑。如：玻璃鋼玻璃鋼、不銹鋼不銹鋼、鋁合金鋁合金聚乙烯聚四氟乙烯酚醛樹(shù)脂硅橡膠聚丙烯 l聚乙炔后，又發(fā)