《材料科學(xué)與工程概論》課件第8章

第8章新材料簡(jiǎn)介8.1納米材料8.2超導(dǎo)材料8.3環(huán)境材料8.4生物材料8.5新能源材料8.6形狀記憶材料8.7信息功能材料8.8磁性材料高科技新材料的生產(chǎn)具有以下三個(gè)特點(diǎn)：

(1)綜合利用現(xiàn)代的先進(jìn)科學(xué)技術(shù)成就，多學(xué)科交叉，知識(shí)密集，投資量大。

(2)往往在一些特定的條件下(如高溫、高壓、低溫、急冷、超凈等)才能完成，沒(méi)有新技術(shù)和新工藝，沒(méi)有精確地控制和檢測(cè)，就不能夠生產(chǎn)高質(zhì)量的新材料。

(3)新材料的生產(chǎn)規(guī)模一般都比較小，品種比較多，更新?lián)Q代快，價(jià)格昂貴，技術(shù)保密性強(qiáng)，因此新材料產(chǎn)業(yè)是屬于難度較大的產(chǎn)業(yè)。

8.1納米材料

1．納米材料的概念與特性

納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍(1～100?nm)或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料，這大約相當(dāng)于10～100個(gè)原子緊密排列在一起的尺度。

2．納米材料的分類(lèi)

納米材料大致可分為納米粉末、納米纖維、納米膜、納米塊體等四類(lèi)。其中納米粉末開(kāi)發(fā)時(shí)間最長(zhǎng)、技術(shù)最為成熟，是生產(chǎn)其他三類(lèi)產(chǎn)品的基礎(chǔ)。

3．納米材料制備技術(shù)

1)物理方法

(1)機(jī)械球磨法

(2)真空冷凝法

(3)物理粉碎法

(4)物理氣相沉積法

(5)深度塑性形變法

2)化學(xué)方法

(1)氣相沉積法

(2)沉淀法

(3)水熱合成法

(4)溶膠凝膠法

(5)微乳液法

4．納米材料的用途

納米材料的用途很廣，主要用于以下幾方面：

(1)醫(yī)藥

(2)家電

(3)電子計(jì)算機(jī)和電子工業(yè)

(4)環(huán)境保護(hù)

(5)紡織工業(yè)

(6)機(jī)械工業(yè)

8.2超導(dǎo)材料

1．超導(dǎo)材料的分類(lèi)及性能

超導(dǎo)材料按其化學(xué)組成可分為元素超導(dǎo)體、合金超導(dǎo)體、化合物超導(dǎo)體和氧化物陶瓷超導(dǎo)體。

2．超導(dǎo)材料的應(yīng)用

超導(dǎo)材料具有的優(yōu)異特性使它從被發(fā)現(xiàn)之日起，就向人類(lèi)展示了誘人的應(yīng)用前景。但要實(shí)際應(yīng)用超導(dǎo)材料又受到一系列因素的制約，首先是它的臨界參量，其次是材料制作的工藝等問(wèn)題(例如脆性的超導(dǎo)陶瓷如何制成柔細(xì)的線(xiàn)材就有一系列的工藝問(wèn)題)。

8.3環(huán)境材料

環(huán)境材料是指具有良好的使用性能和優(yōu)良的環(huán)境協(xié)調(diào)性，或者是能夠改善環(huán)境的材料。環(huán)境協(xié)調(diào)性是指對(duì)資源和能源的消耗量少，廢棄后能夠回收再生利用的可能性大，其從生產(chǎn)使用到回收的全過(guò)程對(duì)周?chē)纳鷳B(tài)環(huán)境的影響也最小。因而它可以稱(chēng)為“綠色材料”或者“生態(tài)材料”。

8.4生物材料

1．概述

從廣義上講，一切與生命有關(guān)的材料，不論是合成材料還是天然材料，均可稱(chēng)為生物材料。

2．生物金屬材料

生物金屬材料是指植入人體(或動(dòng)物體)以修復(fù)器官和恢復(fù)功能用的金屬材料。

3．生物陶瓷材料

生物陶瓷是用于人體器官替換、修補(bǔ)及外科矯形的陶瓷材料。由于陶瓷材料在生物體內(nèi)極為穩(wěn)定，與生物組織有良好的親和性，特別適合于作人體硬組織如骨骼和牙齒的替換、修補(bǔ)材料。這類(lèi)材料主要有氧化鋁、羥基磷灰石、生物活性玻璃陶瓷、生物活性骨水泥等。它能與人體骨生長(zhǎng)在一起，形成化學(xué)結(jié)合。

4．生物聚合物材料

生物聚合物材料品種很多，可根據(jù)其功能特性歸納為六部分，如表8-1所示。

5．生物復(fù)合材料

生物復(fù)合材料又稱(chēng)為生物醫(yī)用復(fù)合材料，它是由兩種或兩種以上不同材料復(fù)合而成的生物醫(yī)學(xué)材料。制備此類(lèi)材料的目的就是進(jìn)一步提高或改善某一種生物材料的性能。此類(lèi)材料主要用于修復(fù)及替換人體組織、器官或增進(jìn)其功能。

8.5新?能?源?材?料

1．儲(chǔ)氫材料

1)概述

氫能為無(wú)公害能源，且在地球上的蘊(yùn)藏極其豐富，是一種未來(lái)的主要能源。然而氫的儲(chǔ)存是個(gè)難題，若以氣體形態(tài)儲(chǔ)存需高壓氣瓶，液態(tài)儲(chǔ)存則需超低溫，且還有爆炸的危險(xiǎn)。

2)儲(chǔ)氫原理簡(jiǎn)介

儲(chǔ)氫功能基于下述可逆反應(yīng)：儲(chǔ)氫材料在冷卻或加壓后吸收氫形成金屬氫化物，同時(shí)放熱；反之，在加熱或減壓后又還原為金屬和氫氣，釋放氫氣同時(shí)吸熱。儲(chǔ)氫材料中的氫密度是氣態(tài)氫的1000～1300倍。儲(chǔ)氫材料是固態(tài)，且不必使用高壓容器，也不用超低溫，同時(shí)安全可靠，技術(shù)簡(jiǎn)便，效率高，所儲(chǔ)存的氫密度通常大于液氫的氫密度。

3)儲(chǔ)氫材料的類(lèi)別與特性

目前正在研究和開(kāi)發(fā)的儲(chǔ)氫合金材料主要有鎂系、鐵系、稀土系、鈦系和鋯系等五類(lèi)。

4)實(shí)用儲(chǔ)氫材料及應(yīng)用

用氫作為飛機(jī)的燃料時(shí)，可大大提高飛機(jī)的有效載荷、航速和航程。

2．其他新能源材料

(1)核能材料

(2)電池材料

(3)高能儲(chǔ)氫材料

(4)太陽(yáng)能電池材料

(5)其他新能源材料

8.6形狀記憶材料

1．形狀記憶效應(yīng)(SME)

1969年7月20日晚10時(shí)56分，乘坐“阿波羅”11號(hào)登月宇宙飛船的美國(guó)宇航員阿姆斯特朗在月球上踏下了第一個(gè)人類(lèi)的腳印，此時(shí)安裝在飛船上的一小團(tuán)天線(xiàn)，在陽(yáng)光照射下迅速展開(kāi)，伸展成半球狀，開(kāi)始了自己的工作，月球和地球之間的信息就是通過(guò)它傳送過(guò)來(lái)的。這個(gè)半球形天線(xiàn)就是用當(dāng)時(shí)剛發(fā)明不久的鈦鎳形狀記憶合金制成的。

2．形狀記憶合金的類(lèi)別與性能

形狀記憶材料主要是SMA，目前已有20余種。大致可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是以過(guò)渡族金屬為基的合金，另一類(lèi)是貴金屬的β相合金。

3．形狀記憶合金的應(yīng)用

從外觀(guān)上看，記憶合金不但能受熱膨脹、伸長(zhǎng)，也可以受熱收縮和彎曲，這主要取決于其原始形狀。

8.7信息材料

按功能分，信息材料主要有以下幾類(lèi)：

(1)信息探測(cè)材料，主要指對(duì)電、磁、光、聲、熱輻射、壓力變化或化學(xué)物質(zhì)敏感的材料，可用來(lái)制成傳感器，用于各種探測(cè)系統(tǒng)，如電磁敏感材料、光敏材料、壓電材料等。這些材料有陶瓷、半導(dǎo)體和有機(jī)高分子化合物等多種。

(2)信息傳輸材料，主要是光導(dǎo)纖維，簡(jiǎn)稱(chēng)光纖。它重量輕、占空間小、抗電磁干擾、通信保密性強(qiáng)，可以制成光纜以取代電纜，是一種很有發(fā)展前途的信息傳輸材料。

(3)信息存儲(chǔ)材料，包括：磁存儲(chǔ)材料，主要是金屬磁粉和鋇鐵氧體磁粉，用于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)；光存儲(chǔ)材料，有磁光記錄材料、相變光盤(pán)材料等，用于外存；鐵電介質(zhì)存儲(chǔ)材料，用于動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器；半導(dǎo)體動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)材料，目前以硅為主，用于內(nèi)存。

8.8磁性材料

磁性材料是指主要利用材料的磁性能和磁效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)能量和信息的轉(zhuǎn)換、傳遞、調(diào)制、存儲(chǔ)、檢測(cè)等功能作用的一類(lèi)物質(zhì)。磁性材料的應(yīng)用很廣泛，既可用于電聲、電信、電表、電機(jī)中，又可用作記憶元件、微波元件等，還可用于記錄語(yǔ)言、音樂(lè)、圖像信息的