新材料及應(yīng)用課件

新材料技術(shù)新材料及其特點新材料指新近發(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：知識與技術(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、塑料化學纖維新型無機非金屬材料工業(yè)陶瓷、光導纖維半導體材料復(fù)合材料納米材料光電子材料一、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人為造成的形狀變化，在溫度恢復(fù)到特定值時，形狀也自動絲毫不差地恢復(fù)到原來的狀態(tài)，堅韌性極強，可反復(fù)變形和復(fù)原500萬次而不產(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)原狀一、新型金屬材料超導金屬材料：在特定條件下，電阻完全消失，產(chǎn)生超導電性的材料。具有零電阻、完全抗磁性和載流能力強三個基本特征。超導技術(shù)的應(yīng)用：制造磁性極強的超導磁鐵，用于磁約束核聚變反應(yīng)、大容量儲能設(shè)備、高能加速器、超導發(fā)電機、電力工業(yè)輸電和交通運輸工具等。如美國實現(xiàn)超導輸電，每年可以節(jié)省100億美元的電力；制造超高速計算機和高靈敏度的探測設(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超導電子計算機，其全部采用約瑟夫森超導器件，運算速度達每秒10億次，功耗6.2毫瓦，僅為常規(guī)電子計算機功耗的千分之一

超導磁懸浮列車原理二、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化合物。常用高分子材料的分子量在幾百至幾百萬之間，有的可高達上千萬。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：重量輕、高彈性、強度低、韌性好、粘彈性、耐摩性、絕緣性好，低導熱性、耐熱性、耐蝕性好、易老化

二、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；可做飛機機翼、高強纜索的芳綸1414；可耐400℃高溫和負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)膽二、高分子合成材料合成橡膠：將天然乳膠經(jīng)過硫化處理變成能成型、富有彈力的材料，填補天然橡膠的不足；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、導彈、飛機的某些零件。氟橡膠零件硅橡膠手鐲三、新型無機非金屬材料陶瓷材料：新型陶瓷的強度、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)陶瓷的致命弱點脆性問題上取得重大突破。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、半導體陶瓷、導電與超導陶瓷、光學陶瓷和敏感陶瓷等。

新型陶瓷制成的人造骨等陶瓷零件三、新型無機非金屬材料半導體材料：20世紀40年代發(fā)展起來的重要信息材料，通過近幾十年來的研究工作，半導體材料種類不斷更新，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴展，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械強度高、結(jié)晶性強、在自然中儲量豐富、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)域的主要半導體材料砷化鎵由于電子運動速度快、電子激發(fā)后釋放能量以發(fā)光形式進行等特點，很可能成為繼硅之后第二種最重要的半導體電子材料，制成的晶體管可以制造出速度更快、功能更強的計算機（10倍）第一臺晶體管收音機僅包含4只鍺晶體管半導體器件

四、復(fù)合材料現(xiàn)代科技的發(fā)展，對材料的性能提出高標準、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)運而生。復(fù)合材料是由基體材料和增強材料兩部分組成，根據(jù)基體材料和增強材料的特點，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上的用量已達結(jié)構(gòu)重量的70%-80%，在先進戰(zhàn)斗機上的用量大約是結(jié)構(gòu)重量的30%-40%。

國產(chǎn)重點型號戰(zhàn)機將用復(fù)合材料水平尾翼

復(fù)合材料井蓋四、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體與能連接增強體成為整體材料同時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行選材設(shè)計及復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計增強體包括各種玻璃、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（樹脂）基、金屬基、陶瓷基、碳基等樹脂基復(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)合材料五、生物材料生物材料也稱為生物工程材料或生物醫(yī)學材料，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。生物活性陶瓷已實現(xiàn)與骨相結(jié)合，并與軟組織相結(jié)生物化學水泥在骨骼缺損修補、骨骼植入材料的固定和牙齒的修復(fù)等過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)期研制出具有主動誘導、能促進人體自身組織和器官再生作用的生物復(fù)合材料

六、光電子材料光電子工業(yè)異軍突起，它包括光通信、光計算、激光加工、激光醫(yī)療、激光印刷、激光影視、激光儀器、激光受控熱核反應(yīng)、激光分離同位素、激光制導等許多方面。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)成為整個光電子科技領(lǐng)域的前沿。光電子信息材料是整個光電子技術(shù)的基礎(chǔ)和先導。包括淘汰和信息獲取材料、信息傳輸材料、信息存儲材料以及信息處理和運算材料等，其中主要是各類光電子半導體材料、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

藍寶石晶體

電子紙全球第二大液晶顯示器生產(chǎn)商——ＬＧ飛利浦公司宣布，該公司已研發(fā)出世界首款４０９６色“電子紙”。

“電子紙”是一種超薄、超輕的顯示器。ＬＧ飛利浦開發(fā)的這款１４英寸彩色顯示器薄如紙張，并且可以隨意折疊彎曲。這款“電子紙”的電路板由金屬制成，而非傳統(tǒng)使用的玻璃，從而可以提高產(chǎn)品的靈活性。電子紙”技術(shù)與現(xiàn)有的液晶技術(shù)有所不同。“電子紙”沒有目前其他顯示設(shè)備無法避免的強烈反光，畫面分辨率較高，顯示效果與視覺效果同普通書寫紙幾乎完全相同。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個一組，在銅表面形成世界上最小的算盤。納米皇冠納米顆粒型材料：也稱納米粉末，一般指粒度在100nm以下的粉末或顆粒。由于尺寸小，比表面大和量子尺寸效應(yīng)等原因，它具有不同于常規(guī)固體的新特性。納米固體材料通常指由尺寸小于15納米的超微顆粒在高壓力下壓制成型，或再經(jīng)一定熱處理工序后所生成的致密型固體材料。氧化鋅晶體納米磁性液體材料：磁性液體是由超細微粒包覆一層長鍵的有機表面活性劑，高度彌散于一定基液中，而構(gòu)成穩(wěn)定的具有磁性的液體。它可以在外磁場作用下整體地運動，因此具有其它液體所沒有的磁控特性。磁性液體尖峰狀態(tài)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，長度可達數(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)絲的十萬分之一，但導電率是銅的1萬倍，強度是鋼的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。它的熔點是已知材料中最高的。

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，人們在月球定居就很容易了。納米碳管的細尖極易發(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。把碳納米管用作轉(zhuǎn)子的納米馬達

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)等使得它們在磁、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。因為納米材料具有較大的界面，界面的原子排列是相當混亂的，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。納米陶瓷隱身材料應(yīng)用：由于納米微粒尺寸遠小于紅外及雷達波波長，因此納米微粒材料對這種波的透過率比常規(guī)材料要強得多，這就大大減少波的反射率，使得紅外探測器和雷達接收到的反射信號變得很微弱，從而達到隱身的作用；另一方面，納米微粒材料的比表面積比常規(guī)粗粉大3～4個數(shù)量級，對紅外光和電磁波的吸收率也比常規(guī)材料大得多，這就使得紅外探測器及雷達得到的反射信號強度大大降低，因此很難發(fā)現(xiàn)被探測目標，起到了隱身作用。美國F117隱形轟炸機機美國B2隱形轟炸機催化領(lǐng)域的應(yīng)用：催化劑在許多化學化工領(lǐng)域中起著舉足輕重的作用，它可以控制反應(yīng)時間、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)驗進行，不僅造成生產(chǎn)原料的巨大浪費，使經(jīng)濟效益難以提高，而且對環(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，甚至使原來不能進行的反應(yīng)也能進行。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。環(huán)境保護方面的作用：隨著納米技術(shù)的悄然崛起，納米環(huán)保也會迅速來臨，拓展人類利用資源和保護環(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。納米級催化劑用于汽車尾氣催化，有極強的氧化還原性能，使汽油燃燒時不再產(chǎn)生一氧化硫和氮氧化物，根本無需進行尾氣凈化處理。污水處理：污水中的貴金屬是對人體極其有害的物質(zhì)。它從污水中流失，也是資源的浪費。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，變害為寶。一種新型的納米級凈水劑具有很強的吸附能力。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。光催化劑可以很好地降解對室內(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，達到近100％。其降解機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)境帶來的壓力。用納米TiO2催化降解技術(shù)來處理毛紡染整廢水，具有省資、高效、節(jié)能，最終能使有機物完全礦化、不存在二次污染等特點。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。我國新近研制成功一種具備自動清潔功能，可以自動消除異味、殺菌消毒的“納米自潔凈玻璃”?！凹{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菌和病毒。這種玻璃與普通玻璃的價格比預(yù)計為1.5：1。納米材料“絕水”雨傘

納米TIO2臺式空氣清凈機

納米護腿、護膝、鞋墊

采用納米遠紅外材料，具有遠紅外保健功能；采用納米磁性材料，兼具磁療功能；采用納米永磁材料，沒有磁硬塊，穿著舒適，洗滌方便；有效激活細胞的代謝能力，增強肌體免疫力；舒筋活絡(luò)、改善局部血液循環(huán)，對關(guān)節(jié)疼痛止痛迅速；對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。尤其適用于運動量較大，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，產(chǎn)品中的無機抗菌材料，可長效抑菌，抑制鞋內(nèi)真菌繁衍、防治腳氣、腳癬等疾病

醫(yī)學應(yīng)用：將藥物儲存在碳納米管中，并通過一定的機制來激發(fā)藥劑的釋放，則可控藥劑有希望變?yōu)楝F(xiàn)實。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入人體后可主動搜索并攻擊癌細胞或修補損傷組織。使用納米技術(shù)的新型診斷儀器只需檢測少量血液，就能通過其中的蛋白質(zhì)和DNA診斷出各種疾病。采用納米大分子“生物部件”與小分子無機物晶體結(jié)構(gòu)組合，采用納米電子學控制裝配成