新材料技術(shù)課件

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)概論現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)概論教學(xué)團(tuán)隊(duì)2008技術(shù)篇第5章新材料技術(shù)目錄5.1新型金屬材料5.2高分子合成材料5.3新型無(wú)機(jī)非金屬材料5.4復(fù)合材料5.5生物材料5.6光電子材料5.7納米材料新材料及其特點(diǎn)新材料指新近發(fā)展或已在發(fā)展中具有比傳統(tǒng)材料更為優(yōu)異性能的一類材料特點(diǎn)：知識(shí)與技術(shù)密集度高；與新工藝和新技術(shù)關(guān)系密切；更新?lián)Q代快；品種式樣變化多多學(xué)科相互交叉和滲透的結(jié)果，合成、制造與許多極端條件技術(shù)相關(guān)；表現(xiàn)出綜合性和復(fù)雜性；表征和評(píng)價(jià)技術(shù)須采用多種基于最新科學(xué)技術(shù)成就的精密儀器和裝置來(lái)進(jìn)行。納米級(jí)材料的評(píng)價(jià)電鏡觀察納米級(jí)材料新材料的類型新材料新型金屬材料合金、稀有金屬高分子合成材料合成橡膠、塑料化學(xué)纖維新型無(wú)機(jī)非金屬材料工業(yè)陶瓷、光導(dǎo)纖維半導(dǎo)體材料復(fù)合材料納米材料光電子材料5.1新型金屬材料合金材料：新型合金材料包括許多種類，它們性能各異，用途各不相同，鋁合金、鎂合金、鈦合金、鐵鎳鉻及高溫合金、稀貴金屬合金等等形狀記憶合金：能夠使溫度值變化時(shí)人為造成的形狀變化，在溫度恢復(fù)到特定值時(shí)，形狀也自動(dòng)絲毫不差地恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，堅(jiān)韌性極強(qiáng)，可反復(fù)變形和復(fù)原500萬(wàn)次而不產(chǎn)生疲勞斷裂，其廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星、飛船和空間站的大型天線、飛機(jī)部件接頭以及骨科整形等方面。其他新型金屬功能材料如貯氫合金等殲-11機(jī)體制造中使用大量鈦合金材料

鎳鈦記憶合金“花瓣”在相應(yīng)的溫度下慢慢綻放形狀記憶合金在太空自然恢復(fù)原狀5.1新型金屬材料超導(dǎo)金屬材料：在特定條件下，電阻完全消失，產(chǎn)生超導(dǎo)電性的材料。具有零電阻、完全抗磁性和載流能力強(qiáng)三個(gè)基本特征。超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用：制造磁性極強(qiáng)的超導(dǎo)磁鐵，用于磁約束核聚變反應(yīng)、大容量?jī)?chǔ)能設(shè)備、高能加速器、超導(dǎo)發(fā)電機(jī)、電力工業(yè)輸電和交通運(yùn)輸工具等。如美國(guó)實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)輸電，每年可以節(jié)省100億美元的電力；制造超高速計(jì)算機(jī)和高靈敏度的探測(cè)設(shè)備、通信設(shè)備、航天系統(tǒng)等。如1989年日本研制出世界第一臺(tái)超導(dǎo)電子計(jì)算機(jī)，其全部采用約瑟夫森超導(dǎo)器件，運(yùn)算速度達(dá)每秒10億次，功耗6.2毫瓦，僅為常規(guī)電子計(jì)算機(jī)功耗的千分之一

5.2高分子合成材料高分子是由碳、氫、氧、氮、硅、硫等元素組成的分子量足夠高的有機(jī)化合物。常用高分子材料的分子量在幾百至幾百萬(wàn)之間，有的可高達(dá)上千萬(wàn)。高分子材料主要包括塑料、纖維、橡膠、薄膜、膠粘劑和涂料等，其中合成塑料、合成纖維、合成橡膠被稱為現(xiàn)代高分子三大合成材料。高分子材料特點(diǎn)：重量輕、高彈性、強(qiáng)度低、韌性好、粘彈性、耐摩性、絕緣性好，低導(dǎo)熱性、耐熱性、耐蝕性好、易老化

5.2高分子合成材料合成纖維：滌綸、錦綸、晴綸、維綸、丙綸、氯綸等“六大綸”可做宇航服、耐超熱超冷的芳綸1313；可做飛機(jī)機(jī)翼、高強(qiáng)纜索的芳綸1414；可耐400℃高溫和負(fù)273℃超低溫的聚酰亞胺纖維；可做人造血管、軟骨等人體器件的氟綸纖維；可做新式偽裝服的多色纖維；可做合成紙、合成革、高效除塵器的高縮纖維、復(fù)合纖維、有色纖維、網(wǎng)絡(luò)絲、完全變形紗、吸濕纖維和離子交換纖維等。芳綸1313莫代爾滌綸晴綸高分子人造血管合成革復(fù)合纖維棉內(nèi)膽5.2高分子合成材料合成橡膠：將天然乳膠經(jīng)過(guò)硫化處理變成能成型、富有彈力的材料，填補(bǔ)天然橡膠的不足；發(fā)展極快。順丁橡膠、異戊橡膠、乙丙橡膠等發(fā)展前途看好硅橡膠、氟橡膠能在零下50度不變形，又可耐250度高溫，用于制造火箭、導(dǎo)彈、飛機(jī)的某些零件。氟橡膠零件硅橡膠手鐲5.3新型無(wú)機(jī)非金屬材料陶瓷材料：新型陶瓷的強(qiáng)度、硬度、耐磨損、耐高溫、耐腐蝕等性能都比傳統(tǒng)陶瓷有很大提高，特別是在克服傳統(tǒng)陶瓷的致命弱點(diǎn)脆性問(wèn)題上取得重大突破。新型結(jié)構(gòu)陶瓷：氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硅化物陶瓷、硼化物陶瓷、砷化物陶瓷、氰化物陶瓷等新型功能陶瓷：裝置陶瓷、電容器陶瓷、壓電陶瓷、電致伸縮陶瓷、熱釋電陶瓷、磁性陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷、導(dǎo)電與超導(dǎo)陶瓷、光學(xué)陶瓷和敏感陶瓷等。

新型陶瓷制成的人造骨等陶瓷零件5.3新型無(wú)機(jī)非金屬材料半導(dǎo)體材料：20世紀(jì)40年代發(fā)展起來(lái)的重要信息材料，通過(guò)近幾十年來(lái)的研究工作，半導(dǎo)體材料種類不斷更新，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，成為信息技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。鍺材料不需要加熱、功耗低、可靠性高、轉(zhuǎn)換速度快、功能多樣和體積小，取代電子管硅材料機(jī)械強(qiáng)度高、結(jié)晶性強(qiáng)、在自然中儲(chǔ)量豐富、成本低，并且可以拉制出大尺寸的完整單晶，使之成為目前電子信息工業(yè)領(lǐng)域的主要半導(dǎo)體材料砷化鎵由于電子運(yùn)動(dòng)速度快、電子激發(fā)后釋放能量以發(fā)光形式進(jìn)行等特點(diǎn)，很可能成為繼硅之后第二種最重要的半導(dǎo)體電子材料，制成的晶體管可以制造出速度更快、功能更強(qiáng)的計(jì)算機(jī)（10倍）第一臺(tái)晶體管收音機(jī)僅包含4只鍺晶體管半導(dǎo)體器件

5.4復(fù)合材料現(xiàn)代科技的發(fā)展，對(duì)材料的性能提出高標(biāo)準(zhǔn)、多樣化，甚至是相互矛盾的要求，因此，任何一種單一的材料都難以滿足上述需要，于是各種高性能的復(fù)合材料便應(yīng)運(yùn)而生。復(fù)合材料是由基體材料和增強(qiáng)材料兩部分組成，根據(jù)基體材料和增強(qiáng)材料的特點(diǎn)，復(fù)合材料可分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料兩大類復(fù)合材料在高度輕量化直升機(jī)上的用量已達(dá)結(jié)構(gòu)重量的70%-80%，在先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)上的用量大約是結(jié)構(gòu)重量的30%-40%。

國(guó)產(chǎn)重點(diǎn)型號(hào)戰(zhàn)機(jī)將用復(fù)合材料水平尾翼

復(fù)合材料井蓋5.4復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)合材料作為承力結(jié)構(gòu)使用的材料，它由能承受載荷的增強(qiáng)體與能連接增強(qiáng)體成為整體材料同時(shí)又起傳遞力作用的基體構(gòu)成；可以根據(jù)材料在使用中受力的要求進(jìn)行選材設(shè)計(jì)及復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增強(qiáng)體包括各種玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金屬、天然纖維、織物、晶體等；基體包括高聚體（樹(shù)脂）基、金屬基、陶瓷基、碳基等樹(shù)脂基復(fù)合材料用于建筑、造船、車輛、化工容器、生活用品等金屬基復(fù)合材料是宇航、航空技術(shù)的理想材料樹(shù)脂基復(fù)合材料耐磨陶瓷復(fù)合材料膨脹節(jié)碳基復(fù)合材料5.5生物材料生物材料也稱為生物工程材料或生物醫(yī)學(xué)材料，是生物體器官缺損、病變或衰竭的替代材料，也就是人類器官再造材料。生物活性陶瓷已實(shí)現(xiàn)與骨相結(jié)合，并與軟組織相結(jié)生物化學(xué)水泥在骨骼缺損修補(bǔ)、骨骼植入材料的固定和牙齒的修復(fù)等過(guò)程使用人工器官已制造出人工心臟、人工肝臟、人工腎、人工喉、人工眼球、人工骨、人工皮、人造血漿和血液等

預(yù)期研制出具有主動(dòng)誘導(dǎo)、能促進(jìn)人體自身組織和器官再生作用的生物復(fù)合材料

人造器官的設(shè)計(jì)制造5.6光電子材料光電子工業(yè)異軍突起，它包括光通信、光計(jì)算、激光加工、激光醫(yī)療、激光印刷、激光影視、激光儀器、激光受控?zé)岷朔磻?yīng)、激光分離同位素、激光制導(dǎo)等許多方面。探索與發(fā)展新型光電子材料，制作高性能、小型化、集成化的光電子器件，已經(jīng)成為整個(gè)光電子科技領(lǐng)域的前沿。光電子信息材料是整個(gè)光電子技術(shù)的基礎(chǔ)和先導(dǎo)。包括淘汰和信息獲取材料、信息傳輸材料、信息存儲(chǔ)材料以及信息處理和運(yùn)算材料等，其中主要是各類光電子半導(dǎo)體材料、各種光纖和薄膜材料、各種液晶顯示（LCD）材料等。LED發(fā)光產(chǎn)品

藍(lán)寶石晶體

5.7納米材料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，是處在原子簇和宏觀物體交界的過(guò)渡區(qū)域從通常的關(guān)于微觀和宏觀的觀點(diǎn)看，這樣的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng)，是一種典型人介觀系統(tǒng)，它具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。原子排成的“原子”字樣1nm=1/10億米，10個(gè)氫原子緊密排列，20nm是頭發(fā)絲直徑的3000分之一幾種典型的納米材料納米顆粒型材料納米固體材料納米膜材料納米磁性液體材料碳納米管納米算盤C60每10個(gè)一組，在銅表面形成世界上最小的算盤。納米皇冠

磁性液體的應(yīng)用：磁性液體靜態(tài)密封裝置（安全閥）

磁性液體在揚(yáng)聲器上的應(yīng)用，顯著改善散熱性能，提高功率一倍以上，使音圈自動(dòng)定位，改善頻率響應(yīng)，減少失真。磁性液體阻尼器磁性液體離心開(kāi)關(guān)

納米材料的應(yīng)用碳納米管：碳材料家族中的新成員，為黑色粉末狀，是由類似石墨的碳原子六邊形網(wǎng)格所組成的管狀物，它一般為多層，直徑為幾納米至幾十納米，長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)微米甚至數(shù)毫米。

碳納米管本身有非常完美的結(jié)構(gòu)，尺寸只有頭發(fā)絲的十萬(wàn)分之一，但導(dǎo)電率是銅的1萬(wàn)倍，強(qiáng)度是鋼的100倍而重量只有鋼的七分之一。它像金剛石那樣硬，卻有柔韌性，可以拉伸。它的熔點(diǎn)是已知材料中最高的。

幾種典型的納米材料如果用碳納米管做繩索，是唯一可以從月球掛到地球表面，而不被自身重量所拉斷的繩索。如果用它做成地球-月球乘人的電梯，人們?cè)谠虑蚨ň泳秃苋菀琢恕＜{米碳管的細(xì)尖極易發(fā)射電子。用于做電子槍，可做成幾厘米厚的壁掛式電視屏，這是電視制造業(yè)的發(fā)展方向。超高的成本使國(guó)際市場(chǎng)90％高純度的碳納米管價(jià)格高達(dá)1000－2000美元／克，一般純度的碳納米管價(jià)格也在60美元／克，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出黃金的價(jià)格。把碳納米管用作轉(zhuǎn)子的納米馬達(dá)

幾種典型的納米材料納米材料的應(yīng)用由于納米微粒的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等使得它們?cè)诖?、光、電、敏感性等方面呈現(xiàn)常規(guī)材料不具備的特性。因此納米微粒在磁性材料、電子材料、光學(xué)材料、高致密度材料的燒結(jié)、催化、傳感、陶瓷增韌等方面有廣闊的應(yīng)用前景。陶瓷增韌：由納米粒子壓制成的納米陶瓷材料有很好的韌性。因?yàn)榧{米材料具有較大的界面，界面的原子排列是相當(dāng)混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現(xiàn)出甚佳的韌性與延展性。納米陶瓷光學(xué)方面的應(yīng)用：納米微粒由于小尺寸效應(yīng)使它具有常規(guī)大塊材料不具備的光學(xué)特性，如光學(xué)非線性、光吸收、光反射、光傳輸過(guò)程中的能量損耗等。利用納米微粒的特殊的光學(xué)特性制成的各種光學(xué)材料將在日常生活和高技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。目前關(guān)于這方面研究還處在實(shí)驗(yàn)室階段，有的得到了推廣應(yīng)用。納米材料的應(yīng)用隱身材料應(yīng)用：由于納米微粒尺寸遠(yuǎn)小于紅外及雷達(dá)波波長(zhǎng)，因此納米微粒材料對(duì)這種波的透過(guò)率比常規(guī)材料要強(qiáng)得多，這就大大減少波的反射率，使得紅外探測(cè)器和雷達(dá)接收到的反射信號(hào)變得很微弱，從而達(dá)到隱身的作用；另一方面，納米微粒材料的比表面積比常規(guī)粗粉大3～4個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)紅外光和電磁波的吸收率也比常規(guī)材料大得多，這就使得紅外探測(cè)器及雷達(dá)得到的反射信號(hào)強(qiáng)度大大降低，因此很難發(fā)現(xiàn)被探測(cè)目標(biāo)，起到了隱身作用。納米材料的應(yīng)用美國(guó)F117隱形轟炸機(jī)機(jī)美國(guó)B2隱形轟炸機(jī)催化領(lǐng)域的應(yīng)用：催化劑在許多化學(xué)化工領(lǐng)域中起著舉足輕重的作用，它可以控制反應(yīng)時(shí)間、提高反應(yīng)效率和反應(yīng)速度。大多數(shù)傳統(tǒng)的催化劑不僅催化效率低，而且其制備是憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，不僅造成生產(chǎn)原料的巨大浪費(fèi)，使經(jīng)濟(jì)效益難以提高，而且對(duì)環(huán)境也造成污染。納米粒子表面活性中心多，為它作催化劑提供了必要條件。納米粒于作催化劑，可大大提高反應(yīng)效率，控制反應(yīng)速度，甚至使原來(lái)不能進(jìn)行的反應(yīng)也能進(jìn)行。納米微粒作催化劑比一般催化劑的反應(yīng)速度提高10～15倍。納米材料的應(yīng)用環(huán)境保護(hù)方面的作用：隨著納米技術(shù)的悄然崛起，納米環(huán)保也會(huì)迅速來(lái)臨，拓展人類利用資源和保護(hù)環(huán)境的能力，為徹底改善環(huán)境和從源頭上控制新的污染源產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。治理有害氣體：納米技術(shù)可以制成非常好的催化劑，經(jīng)它催化的石油中硫的含量小于0.01％。在燃煤中可加入納米級(jí)助燒催化劑，以幫助煤充分燃燒，提高能源的利用率，防治有害氣體的產(chǎn)生。納米級(jí)催化劑用于汽車尾氣催化，有極強(qiáng)的氧化還原性能，使汽油燃燒時(shí)不再產(chǎn)生一氧化硫和氮氧化物，根本無(wú)需進(jìn)行尾氣凈化處理。污水處理：污水中的貴金屬是對(duì)人體極其有害的物質(zhì)。它從污水中流失，也是資源的浪費(fèi)。新的一種納米技術(shù)可以將污水中的貴金屬如金、釕、鈀、鉑等完全提煉出來(lái)，變害為寶。一種新型的納米級(jí)凈水劑具有很強(qiáng)的吸附能力。它的吸附能力和絮凝能力是普通凈水劑三氯化鋁的10-20倍。納米材料的應(yīng)用光催化劑可以很好地降解對(duì)室內(nèi)主要的氣體污染物甲醛、甲笨等，其中納米TiO2（鈦白粉、二氧化鈦)

的降解效率最好，達(dá)到近100％。其降解機(jī)理是在光照條件下將這些有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水和有機(jī)酸。納米TiO2的光催化劑也可用于石油、化工等產(chǎn)業(yè)的工業(yè)廢氣處理，改善廠區(qū)周圍空氣質(zhì)量。用納米TiO2可以加速城市生活垃圾的降解，其速度是大顆粒TiO2的10倍以上，從而解決大量生活垃圾給城市環(huán)境帶來(lái)的壓力。用納米TiO2催化降解技術(shù)來(lái)處理毛紡染整廢水，具有省資、高效、節(jié)能，最終能使有機(jī)物完全礦化、不存在二次污染等特點(diǎn)。納米材料的應(yīng)用自潔作用：納米TiO2由于其表面具有超親水性和超親油性，因此其表面具有自清潔效應(yīng)，即其表面具有防污、防霧、易洗、易干等特點(diǎn)。我國(guó)新近研制成功一種具備自動(dòng)清潔功能，可以自動(dòng)消除異味、殺菌消毒的“納米自潔凈玻璃”。“納米自潔凈玻璃”是應(yīng)用高科技納米技術(shù)在平板玻璃的兩面鍍制一層納米薄膜，薄膜在紫外線的作用下可分解沉積在玻璃上的污物，氧化室內(nèi)有害氣體，殺滅空氣中的各種細(xì)菌和病毒。這種玻璃與普通玻璃的價(jià)格比預(yù)計(jì)為1.5：1。納米材料的應(yīng)用納米材料“絕水”雨傘

納米TIO2臺(tái)式空氣清凈機(jī)

納米護(hù)腿、護(hù)膝、鞋墊

采用納米遠(yuǎn)紅外材料，具有遠(yuǎn)紅外保健功能；采用納米磁性材料，兼具磁療功能；采用納米永磁材料，沒(méi)有磁硬塊，穿著舒適，洗滌方便；有效激活細(xì)胞的代謝能力，增強(qiáng)肌體免疫力；舒筋活絡(luò)、改善局部血液循環(huán)，對(duì)關(guān)節(jié)疼痛止痛迅速；對(duì)貼近的肌膚起全方位的按摩及刺激作用；納米鞋墊采用多種納米粉體精制而成，除臭效果極佳。尤其適用于運(yùn)動(dòng)量較大，有腳氣、腳癬的朋友們，不必清洗，置于日光曬數(shù)分鐘效果更好。止癢抗菌功能吸濕能力較強(qiáng)，產(chǎn)品中的無(wú)機(jī)抗菌材料，可長(zhǎng)效抑菌，抑制鞋內(nèi)真菌繁衍、防治腳氣、腳癬等疾病

醫(yī)學(xué)應(yīng)用：將藥物儲(chǔ)存在碳納米管中，并通過(guò)一定的機(jī)制來(lái)激發(fā)藥劑的釋放，則可控藥劑有希望變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。納米材料粒子將使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便，用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進(jìn)入人體后可主動(dòng)搜索并攻擊癌細(xì)胞或修補(bǔ)損傷組織。使用納米技術(shù)的新型診斷儀器只需檢測(cè)少量血液，就能通過(guò)其中的蛋白質(zhì)和DNA診斷出各種疾病。采用納米大分子“生物部件”與小分子無(wú)機(jī)物晶體結(jié)構(gòu)組合，采用納米電子學(xué)控制裝配成納米機(jī)器人，將會(huì)給人類醫(yī)學(xué)科技帶來(lái)深刻的革命，使現(xiàn)在許多的疑難病癥得到解決。納米材料的應(yīng)用硅材料新型納米生物傳感器

納米機(jī)器人納米材料的應(yīng)用科學(xué)家們正在研制一種人工耳：納米耳，它的敏銳度甚至能夠把細(xì)胞所發(fā)出的躁聲分辨出來(lái)。實(shí)驗(yàn)已證明，這種納米耳靈敏度大大超過(guò)人耳纖毛的潛力。耳朵里的纖毛直徑為100納米左右，長(zhǎng)度是一兩個(gè)微米，而現(xiàn)在制造的納米耳直徑只有幾納米，長(zhǎng)度卻有60微米。