新型高性能功能材料

新型高性能功能材料第1頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月功能材料是指在光、電、磁、熱、化學(xué)、生化等方面具有特定功能的材料。按使用性能，可分為微電子材料、光電子材料、傳感器材料、信息材料、生物醫(yī)用材料、生態(tài)環(huán)境材料、能源材料和機(jī)敏（智能）材料等。第2頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)形狀記憶合金（SMA）

ShapeMemoryAlloy形狀記憶材料是指具有—定初始形狀的材料經(jīng)形變并固定成另一種形狀后，通過熱、光、電等物理刺激或化學(xué)刺激的處理又可恢復(fù)成初始形狀的材料；形狀記憶合金是形狀記憶材料中的一種。3第3頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月形狀記憶合金一、形狀記憶效應(yīng)具有一定形狀的固體材料，在某一低溫狀態(tài)下經(jīng)過塑性變形后，通過加熱到這種材料固有的某一臨界溫度以上時，材料又恢復(fù)到初始形狀的現(xiàn)象，稱為形狀記憶效應(yīng)。二、形狀記憶合金的分類按照合金組成和相變特征，具有較完全形狀記憶效應(yīng)的合金可分為三大系列：Ti-Ni系形狀記憶合金，銅基系形狀記憶合金和鐵基系形狀記憶合金。

第4頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月形狀記憶合金特征一次記憶（單程）：材科加熱恢復(fù)原形狀后，再改變溫度，物體不再改變形狀?？赡嬗洃洠p程）：物體不但能記憶高溫的形狀，而且能記憶低溫的形狀，當(dāng)溫度在高低溫之間反復(fù)變化時，物體的形狀也自動反應(yīng)在兩種形狀間變化。全方位記憶（全程）：除具有可逆記憶特點(diǎn)外，當(dāng)溫度比較低時，物體的形狀向與高溫形狀相反的方向變化。一般加熱時的回復(fù)力比冷卻時回復(fù)力大很多。5第5頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月單程、雙程及全程記憶效應(yīng)示意圖6第6頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

形狀記憶效應(yīng)機(jī)理7第7頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

Ni-Ti合金的馬氏體和奧氏體結(jié)構(gòu)8第8頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月孿晶（twinning）——指兩個晶體（或一個晶體的兩部分）沿一個公共晶面構(gòu)成鏡面對稱的位向關(guān)系，這兩個晶體就稱為"孿晶"，9第9頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月形狀記憶合金材料Ti-Ni系合金銅系合金鐵系合金

特點(diǎn)彎曲量大，塑性高在記憶溫度以上恢復(fù)以前形狀10第10頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4.3SMAmaterials形狀記憶合金材料及其轉(zhuǎn)變溫度11第11頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月三、形狀記憶合金的應(yīng)用（1）飛行器用天線圖13-1

圖13-2

（2）連接緊固件（3）智能驅(qū)動元件（4）醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用第12頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月形狀記憶合金的應(yīng)用月面天線略圖（1）在軍事和航天工業(yè)方面的應(yīng)用13第13頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

14第14頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

（2）在工程方面的應(yīng)用形狀記憶合金管接口15第15頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月Advantages形狀記憶合金作緊固件、連接件的優(yōu)勢：①夾緊力大，接觸密封可靠．避免了由于焊接而產(chǎn)生的冶金缺陷；②適于不易焊接的接頭；③金屬與塑料等不同材料可以通過這種連接件連成一體；④安裝時不需要熟練的技術(shù)。

16第16頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

（3）在醫(yī)療方面的應(yīng)用記憶型NiTi牙弓絲17第17頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月Examples形狀記憶合金套管連接的鋁合金假肢形狀記憶合金制成的血液過濾器18第18頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

（4）形狀記憶式熱發(fā)動機(jī)形狀記憶用于熱發(fā)動機(jī)的原理19第19頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月自控元件原理（5）其它應(yīng)用20第20頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4SMA雙程CuZnAl記憶合金彈簧

21第21頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4SMA雙程CuZnAl記憶合金花22第22頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月ExamplesTiNi記憶合金眼鏡架超彈性耐腐蝕性重量輕23第23頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)貯氫合金

一、貯氫合金的定義及分類貯氫合金是一種能在晶體的空隙中大量貯存氫原子的合金材料。這種合金具有可逆吸、放氫的神奇特性。氫原子很容易進(jìn)入合金內(nèi)并與之形成金屬氫化物，可以貯存相當(dāng)于合金自身體積1000~3000倍的氫氣。表13-1

第24頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月一個金屬原子能與兩個、三個甚至更多的氫原子結(jié)合，生成穩(wěn)定的金屬氫化物，同時放出熱量。將其稍稍加熱，氫化物又會發(fā)生分解，將吸收的氫釋放出來，同時吸收熱量。儲氫原理25第25頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月氫氣儲存與儲氫合金

儲氫合金——在一定的溫度和氫氣壓力下，可以多次吸收、儲存和釋放氫氣的合金材料儲氫合金

hydrogenstoragealloys儲氫合金的單位體積儲氫密度，是相同溫度、壓力條件下氣態(tài)氫的1000倍26第26頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月合金的吸氫反應(yīng)機(jī)理H2傳質(zhì)化學(xué)吸附氫的解離H22Had表面遷移吸附的氫轉(zhuǎn)化為吸收氫HadHabs

氫在α相的稀固溶體中擴(kuò)散

α相轉(zhuǎn)變?yōu)闅浠铮é孪啵?Habs(α)Habs(β)氫在β相中擴(kuò)散。27第27頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月儲氫合金種類系列代表合金擴(kuò)展系列AB5LaNi5，MmNi5A1-xNxB5-yMy（x＜1，y＜5）AB2TiCr2，TiMn2A1-xNxB2-yMy（x＜1，y＜2）ABTiFe，

TiNiA1-xNxB1-yMy

（x＜l，

y＜1）

A2BMg2Ni，Ti2NiA2-xNxB1-yMy

（x＜2，y＜1）可以在工程上應(yīng)用的合金基本上都是金屬間化合物，已確認(rèn)有應(yīng)用前景的共有四類A及N——吸氫量較大的金屬

(ⅡA，ⅢB，ⅣB，ⅤB族金屬)B及M——過渡金屬（ⅥB，ⅦB，Ⅷ，ⅠB，ⅡB，ⅢA，ⅣA族）Mm——混合稀土金屬28第28頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月碳納米管——迄今為止最好的儲氫材料碳納米管儲氫示意圖（紅點(diǎn)為氫原子）29第29頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

迄今為止，具有使用價值的貯氫合金材料主要有三大類：稀土系、鈦系和鎂系列貯氫合金。1．稀土系貯氫合金2．鈦系貯氫合金（1）鈦鐵系貯氫合金（2）鈦錳系貯氫合金3．鎂系貯氫合金二、貯氫合金材料的應(yīng)用1．鎳金屬氫化物電池2．熱泵、空調(diào)及熱貯存3．氫能汽車第30頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月貯氫材料的應(yīng)用①貯氫容器

重量輕、體積小——?dú)湟越饘贇浠镄问酱嬖谟谫A氫合金之中，密度比相同濕度、壓力條件下的氣態(tài)氫大1000倍；節(jié)省能量，安全可靠——用貯氫合金貯氫，無需高壓及貯存液氫的極低溫設(shè)備和絕熱措施。Application貯氫容器

31第31頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月Example貯氫合金制作的貯氫裝置32第32頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月Example在高壓容器中裝入貯氫合金的

“混合貯氫容器”33第33頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月鎳氫電池結(jié)構(gòu)34第34頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月Advantages(1)比能量為Ni—Cd電他的1.5-2倍；(2)無重金屬Cd對人體的危害；(3)良好的耐過充、放電性能；(4)無記憶效應(yīng)；(5)主要特性與Ni／Cd電他相近，可以互換使用。

優(yōu)點(diǎn)35第35頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

利用儲氫合金的放熱——吸熱循環(huán)，可進(jìn)行熱的儲存和傳輸，制造制冷或采暖設(shè)備利用儲氫合金制造的制冷機(jī)36第36頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)非晶態(tài)合金

一、非晶態(tài)合金的形成如果金屬或合金的凝固速度非?？?，原子來不及整齊排列便被凍結(jié)住了，最終的原子排列方式類似于液體，是混亂的，這就是非晶態(tài)合金。（金屬玻璃）非晶態(tài)合金具有兩個重要性質(zhì)：第一，合金的成分一般在冶金學(xué)上的所謂“共晶”點(diǎn)附近，他們的熔點(diǎn)遠(yuǎn)低于純金屬，

第二，由于原子的種類多了，合金在液體時他們的原子更加難以移動，在冷卻時更加難以整齊排列，也就是說更加容易被“凍結(jié)”成非晶了。第37頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月Performance&use非晶態(tài)金屬材料的性能與用途（1）高強(qiáng)度高韌性的力學(xué)性能非晶態(tài)合金的力學(xué)性能合金硬度/HV抗拉強(qiáng)度/MPa斷后伸長率/%彈性模量/MPa非晶態(tài)合金Pd83Fe7Si10401818600.166640Cu57Zr43529219600.174480Co75Si15B10891830000.253900Fe80P7744830400.03121520Ni75Si81478400晶態(tài)18Ni-9Co-5Mo1810～213010～1238第38頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)中不存在位錯，沒有晶體那樣的滑移面，因而不易發(fā)生滑移。非晶態(tài)合金斷后伸長率低但并不脆，而且具有很高的韌性，非晶薄帶可以反復(fù)彎曲180°而不斷裂，并可以冷軋，有些合金的冷軋壓下率可達(dá)50%。用途：非晶態(tài)合金的高強(qiáng)度、高硬度和高韌性可以被利用制做輪胎、傳送帶、水泥制品及高壓管道的增強(qiáng)纖維。39第39頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月非晶態(tài)金屬材料1非晶態(tài)金屬材料及其基本特征（1）非晶態(tài)形成能力對合金的依賴性非晶態(tài)合金通常由金屬組成或由金屬與類金屬組合金屬與類金屬組合更有利于非晶態(tài)的形成較好的組合類金屬：B、P、Si、Ge40第40頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）結(jié)構(gòu)的長程無序和短程有序性不存在原子排列的長程有序性觀察不到晶粒的存在非晶態(tài)金屬原子的最近鄰、第二近鄰這樣近程的范圍內(nèi)，原子排列與晶態(tài)合金極其相似，即存在近程有序性

41第41頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）熱力學(xué)的亞穩(wěn)性從熱力學(xué)來看，它有繼續(xù)釋放能量、向平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變的傾向從動力學(xué)來看，要實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變首先必須克服一定的能壘位壘高低直接關(guān)系到非晶態(tài)金屬材料的實(shí)用價值和使用壽命42第42頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月Performance&use非晶態(tài)金屬材料的性能與用途（1）高強(qiáng)度高韌性的力學(xué)性能非晶態(tài)合金的力學(xué)性能合金硬度/HV抗拉強(qiáng)度/MPa斷后伸長率/%彈性模量/MPa非晶態(tài)合金Pd83Fe7Si10401818600.166640Cu57Zr43529219600.174480Co75Si15B10891830000.253900Fe80P7744830400.03121520Ni75Si81478400晶態(tài)18Ni-9Co-5Mo1810～213010～1243第43頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)中不存在位錯，沒有晶體那樣的滑移面，因而不易發(fā)生滑移。非晶態(tài)合金斷后伸長率低但并不脆，而且具有很高的韌性，非晶薄帶可以反復(fù)彎曲180°而不斷裂，并可以冷軋，有些合金的冷軋壓下率可達(dá)50%。用途：非晶態(tài)合金的高強(qiáng)度、高硬度和高韌性可以被利用制做輪胎、傳送帶、水泥制品及高壓管道的增強(qiáng)纖維。44第44頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）高導(dǎo)磁、低鐵損的軟磁性能無序結(jié)構(gòu)——不存在磁晶各向異性易于磁化；沒有位錯、晶界等晶體缺陷磁導(dǎo)率、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高；矯頑力低、損耗小

目前比較成熟的非晶態(tài)軟磁合金主要有鐵基，鐵一鎳基和鈷基三大類。金屬玻璃在磁性材料方面的應(yīng)用主要是作為變壓器材料、磁頭材料、磁屏敝材料、磁致伸縮材料等。45第45頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿腐蝕的化學(xué)特性不存在第二相，組織均勻其無序結(jié)構(gòu)中不存在晶界，位錯等缺陷本身活性很高，能夠在表面迅速形成均勻的鈍化膜，阻止內(nèi)部進(jìn)一步腐蝕。目前對耐蝕性能研究較多的是鐵基、鎳基、鈷基非晶態(tài)合金，其中大都含有鉻。制造耐腐蝕管道、電池的電極、海底電纜屏蔽、磁分離介質(zhì)及化工用的催化劑、污水處理系統(tǒng)中的零件等

46第46頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月非晶態(tài)合金的優(yōu)點(diǎn)（1）高強(qiáng)韌性（2）優(yōu)良的磁性（3）簡單的制造工藝和節(jié)能環(huán)保四、非晶態(tài)合金的應(yīng)用（1）電子技術(shù)（2）電力系統(tǒng)第47頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月非晶態(tài)合金的主要特性和應(yīng)用主要特性實(shí)際應(yīng)用材料高強(qiáng)度、高韌性結(jié)構(gòu)加強(qiáng)材料高電阻率、低溫度系數(shù)高電阻材料、精密電阻合金材料高導(dǎo)磁率、低矯頑力磁分離、磁屏蔽、磁頭、磁芯材料高磁感、低損耗功率變壓器、磁芯材料高耐蝕性刀具材料、電極材料、表面保持材料恒體積、恒彈性不脹鋼材料、恒彈性合金材料超導(dǎo)電性超導(dǎo)材料高磁致伸縮應(yīng)變儀、延遲線、磁致伸縮振子材料高磁能積永磁薄膜材料48第48頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)海綿金屬和“無聲”合金

一、海綿金屬

這種金屬從里到外，布滿了孔洞，孔洞大小不一，相互連通，像海綿一樣，被稱為海綿金屬。因?yàn)樗悬c(diǎn)像泡沫塑料，所以也稱為泡沫金屬。

1．海綿金屬的實(shí)現(xiàn)（1）起泡劑法（2）泡沫樹脂法（3）金屬條直接制造

第49頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月2．海綿金屬的性能及其應(yīng)用

由于獨(dú)特的多孔結(jié)構(gòu)，海綿金屬有一些獨(dú)特的性能及應(yīng)用。如減噪消振、過濾、控制導(dǎo)熱導(dǎo)電、催化以及熱交換和集熱等。第50頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月二、“無聲”合金無聲合金是一種高性能的減振合金，其減振性能非?？捎^，例如用鐵錘敲打錳銅無聲合金板，發(fā)出的聲音很微弱，就象敲打橡膠一樣。它是由于物體內(nèi)部原子、晶體缺陷等組成單元不斷運(yùn)動及相互作用、相互干擾從而消耗聲波的能量——內(nèi)耗而引起的。第51頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）無聲合金的分類引起金屬內(nèi)耗的原因很多。振動發(fā)生的時候，金屬內(nèi)部出現(xiàn)的間隙原子跳動、位錯運(yùn)動、原子微擴(kuò)散、磁性材料的磁性變化等，都會消耗振動的能量。根據(jù)引起內(nèi)耗的主要原因的不同，可以把無聲合金分為四類：①依靠相界面作用的內(nèi)耗相應(yīng)地有灰口鑄鐵、鑄造鋁鋅合金等，屬于復(fù)合型，其內(nèi)部組織由兩種或兩種以上的不同軟硬的合金相組成，內(nèi)耗主要是在相界面上進(jìn)行的?？稍谳^高溫度下使用。

第52頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月②依靠磁性的變化的內(nèi)耗

有鐵鎳、鐵鉻、鐵鉻鋁、鐵鉻銅等強(qiáng)磁性無聲合金，它們主要依靠磁性材料受磁場作用時會改變尺寸的磁致伸縮效應(yīng)，以及受外力作用時又會產(chǎn)生磁致逆效應(yīng)而消耗能量。在居里點(diǎn)下使用。③依靠位錯的內(nèi)耗

鎂、鎂鋯、鎂鎳等無聲合金依靠的是位錯運(yùn)動來消耗能量，所以叫做位錯型無聲合金。這類合金使用溫度常在15℃以下。④依靠孿晶的內(nèi)耗錳銅、錳銅鋁、銅鋁鎳、鎳鈦等屬于孿晶型的無聲合金，內(nèi)耗主要就是在孿晶面上發(fā)生的?？傊?，由于合金內(nèi)部在每個應(yīng)力循環(huán)過程中都有顯著的能量消耗，所以能夠達(dá)到無聲防噪的目的。第53頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）無聲合金的應(yīng)用——降低噪音早在本世紀(jì)二十年代，鐵磁性不銹鋼（含鉻12%，鎳0.5%，其余都是鐵）就被應(yīng)用于蒸汽輪機(jī)，直到今天，它仍然是一種很受歡迎的減振材料。Mn-Cu-Al-Fe-Ni合金用作潛水艇的螺旋槳材料已經(jīng)十幾年了，實(shí)際證明，這種材料的減振效果特別好，使?jié)撍軠p少被聲納發(fā)覺的機(jī)會。把這種合金用到鏈?zhǔn)竭\(yùn)輸機(jī)上，可使噪聲降低5分貝，用在高速鑿巖機(jī)上可降低14分貝噪音，用到碎石機(jī)上可降低13分貝噪音。第54頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月通常用于木材加工的圓盤鋸工作時能發(fā)出斯耳的噪聲，如果用可鍛鑄鐵來制造圓盤鋸，噪聲就能降低10分貝；而用錳銅鋁合金制造圓盤鋸，可降低噪聲13~30分貝。

在航空、宇宙技術(shù)中可用做火箭、導(dǎo)彈、噴氣式飛機(jī)的控制盤或?qū)Ш絻x等精密儀器以及發(fā)動機(jī)罩、汽輪機(jī)葉片等發(fā)動機(jī)部件。

另外，微晶超塑性材料將來在減振材料中可能占有相當(dāng)?shù)牡匚?，有人認(rèn)為這類材料的減振機(jī)理可能是由晶體界引起的應(yīng)力緩和松弛。第55頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)梯度功能材料

梯度功能材料是兩種或多種材料復(fù)合，構(gòu)成組分和結(jié)構(gòu)沿（構(gòu)件）截面呈連續(xù)變化的一種新型復(fù)合材料。一、梯度功能材料概念的提出當(dāng)代航空航天等高技術(shù)的發(fā)展，對材料性能的要求越來越苛刻。例如，當(dāng)航天飛機(jī)往返大氣層，飛行速度超過25個馬赫數(shù)時，其表面溫度高達(dá)2000℃。而其燃燒室內(nèi)燃燒氣體溫度可超過2000℃，燃燒室的熱流量大于5MW/m2，其空氣入口的前端熱通量達(dá)50MW/m2。對于如此巨大的熱量必須采取冷卻的措施。一般將用作燃料的液氫作為強(qiáng)制冷卻的制冷劑，此時燃燒室內(nèi)外溫差大于1000℃。傳統(tǒng)的金屬材料根本無法滿足這種苛刻的使用環(huán)境；而金屬表面涂層陶瓷材料或金屬與陶瓷復(fù)合材料在高溫環(huán)境中使用時，由于二者的熱膨脹系數(shù)相差較大，往往在金屬和陶瓷的界面處產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致出現(xiàn)剝落或龜裂現(xiàn)象而使材料失效。為了有效解決此類極端條件下常規(guī)耐熱材料的不足，日本學(xué)者新野正之、平井敏雄和渡邊龍三人于1987年首次提出了金屬和陶瓷二者梯度化結(jié)合這一新奇想法。梯度功能材料的提出，引起了世界各國的普遍重視，美國、前蘇聯(lián)、法國和英國等許多國家相繼開展了研究。第56頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月二、梯度功能材料的特點(diǎn)和分類從材料的組合方式來看，梯度功能材料可分為金屬/陶瓷、陶瓷/陶瓷以及陶瓷/塑料等多種結(jié)合方式。從組成變化來看，梯度功能材料可分為三類：梯度功能整體型（組成從一側(cè)到另一側(cè)呈梯度漸變的結(jié)構(gòu)材料），梯度功能涂覆型（在基體材料上形成組成漸變的涂層）和梯度功能連接型（粘接兩個基體間的界面層呈梯度變化）。第57頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月三、梯度功能材料的應(yīng)用（1）航空航天材料和核反應(yīng)堆材料

梯度功能材料主要應(yīng)用于航天工業(yè)。航天飛機(jī)在往返大氣層的過程中，機(jī)頭的前段和機(jī)翼的前沿處于高溫狀態(tài)。過去航天飛機(jī)采用以陶瓷為主組合成的復(fù)合材料防熱系統(tǒng)，除了重復(fù)使用性差外，整個系統(tǒng)的可靠性也存在很大的問題。采用熱應(yīng)力緩和梯度材料有可能解決上述問題。從1987年到1991年這5年里，日本科學(xué)家成功地開發(fā)了熱應(yīng)力緩和型梯度功能材料，為日本HPOE衛(wèi)星提供小推力火箭引擎和熱遮蔽材料。目前又研制出能耐1700℃的ZnO2/Ni梯度功能材料，準(zhǔn)備用作馬赫數(shù)大于20的可重復(fù)使用的航天飛機(jī)的機(jī)體材料。另外，核反應(yīng)堆的內(nèi)壁溫度高達(dá)6000℃左右，原先其內(nèi)壁材料采用單純的雙層結(jié)構(gòu)，熱傳導(dǎo)不好，在熱應(yīng)力作用下有剝離的傾向。采用金屬/陶瓷結(jié)合的梯度材料作為核反應(yīng)堆材料，能消除熱傳遞及熱膨脹引起的應(yīng)力，解決內(nèi)層容易剝離的問題，有望替代金屬/陶瓷復(fù)合材料。第58頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）生物醫(yī)學(xué)材料

將羥基磷灰石陶瓷（HA）和鈦或Ti-6Al-4V合金組成的梯度功能材料可作為仿生活性人工關(guān)節(jié)和牙齒。用梯度功能材料制成的人工牙齒（圖13-3），完全仿照人的真實(shí)牙齒構(gòu)造，齒根的外表面是布滿微孔的磷灰石陶瓷，內(nèi)部由鈦或其合金構(gòu)成。因?yàn)镠A（解釋）是生物相容性優(yōu)良的生物活性陶瓷，鈦及其合金是生物穩(wěn)定性和親和性好的高強(qiáng)度材料，采用燒結(jié)法將它們制成含有HA陶瓷涂層的鈦基材料（HA-G-Ti），特別適于植入人體，在滿足生物相容性的同時提供一定的支撐強(qiáng)度。圖13-3梯度功能材料制成的人造牙

第59頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）電子材料

隨著電子儀器日趨輕量化、高密度化和微型化，迫切要電子元件的基本一體化、二維或三維復(fù)合型電子產(chǎn)品。梯度功能材料的制造技術(shù)非常適合于制造此類電子產(chǎn)品。例如，壓電陶瓷（PZT）廣泛用于制造超聲波振子、陶瓷濾波器等電子元件，但其在溫度穩(wěn)定性和失真震蕩方面存在問題。通過調(diào)整材料的組成，使其梯度化，就能使壓電系數(shù)和溫度系數(shù)等性能得到最恰當(dāng)?shù)姆峙?，提高壓電器件的性能和壽命?/p>

第60頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月生物相容性(compatibility)生物醫(yī)用材料與人體之間相互作用產(chǎn)生復(fù)雜的生物、物理和化學(xué)反應(yīng)的一種現(xiàn)象;也即生物材料與組織間的一種適應(yīng)性第六節(jié)生物醫(yī)學(xué)材料

一、生物醫(yī)用高分子

biomedicalpolymer61第61頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月引起生物醫(yī)用材料變化的因素生理活動中骨骼、關(guān)節(jié)、肌肉的力學(xué)性動態(tài)運(yùn)動;細(xì)胞生物電、磁場和電解、氧化作用;新陳代謝過程中生物化學(xué)和酶催化作用;細(xì)胞黏附吞噬作用;體液中各種酶、細(xì)胞因子、蛋白質(zhì)、氨基酸、多肽、自由基對材料的生物降解作用。62第62頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月引起生物體反應(yīng)的因素高分子材料中的雜質(zhì)物理力學(xué)性能形狀表面結(jié)構(gòu)和形貌高分子本體的化學(xué)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)63第63頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月幾種用于人工器官的重要高分子polysiloxanepolyethylene(PE)polypropylene(PP)polyurethane(PU)polytetrafluoroethylene(PTFE)poly(vinylchloride)(PVC)polyamides(PA)PMMAPolyacetalpolycarbonate(PC)poly(ethyleneterephthalate)(PET)polyetheretherketone(PEEK)polysulfone(PSU)生物惰性醫(yī)用高分子及在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用64第64頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）聚硅氧烷polysiloxane

（結(jié)構(gòu)中含有-Si-O-Si-的聚合物）65第65頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月醫(yī)用聚硅氧烷的特性66第66頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）聚氨酯材料（PU）

Polyurethane由軟鏈段和硬鏈段交替鑲嵌組成的、含有許多－NHCOO－基團(tuán)的極性高聚物通過選擇適當(dāng)?shù)能?、硬鏈段結(jié)構(gòu)及其比例,就可合成出既具有良好的物理機(jī)械性能,又具有血液相容性和生物相容性的醫(yī)用高分子材料。67第67頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

PU彈性體的應(yīng)用領(lǐng)域68第68頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

具有微相分離結(jié)構(gòu)的材料高分子材料表面接枝改性化學(xué)方法（偶聯(lián)，等離子體，高能輻射，紫外光法等）物理方法肝素固定（肝素是一種防止凝血的多糖藥物）改善PU表面的抗凝血性能69第69頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月降解化學(xué)鍵分子間力側(cè)鏈切斷——轉(zhuǎn)化為水溶性高分子交聯(lián)點(diǎn)切斷——恢復(fù)為未交聯(lián)高分子主鏈切斷——無規(guī)降解、拉鏈?zhǔn)椒兜萌A力庫侖力降解吸收機(jī)制生物可吸收醫(yī)用高分子70第70頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月影響降解的因素——材料：化學(xué)結(jié)構(gòu)、構(gòu)型、形態(tài)、分子量、形狀、雜質(zhì)——植入部位的環(huán)境因素：體液、酶——物理因素：外應(yīng)力、消毒方法、保存歷史71第71頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月典型的可生物降解高分子Monomer

Polymer

Acron.

Glycolide

Poly(glycolicacid)

聚羥基乙酸PGALactide

Poly(lacticacid)

聚乳酸PLAε-caprolactone

Poly(ε-caprolactone)

聚ε-己內(nèi)酯PCLβ-butyrolactone

Poly(hydroxybutyrate)聚丁內(nèi)酯

PHBβ-bunzyl-β-malolactone

Poly(β-malicacid)

聚β-蘋果酸PMLA1,4-dioxane-2-onePoly(dioxanone)

聚二惡烷PDS72第72頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月MacroPore是一個具有延展性，多孔的植入產(chǎn)品。該產(chǎn)品能在愈合過程中保護(hù)骨頭碎片。該產(chǎn)品是乳酸聚合物，由70％左旋丙交酯和30％消旋丙交酯交聯(lián)而成。MacroPore可用于外傷，顏面中部和顱面骨骼的重塑，包括顱頜骨缺損，前凹壁的粉碎性骨折，以及鼻篩骨或眼窩以下區(qū)域的粉碎性骨折。73第73頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月手術(shù)縫合線用PLA類材料74第74頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月

二、生物陶瓷材料

Bioceramics生物陶瓷是指具有特殊生理行為的一類陶瓷材料，主要用來構(gòu)成人類骨骼和牙齒的某些部分，甚至可望部分或整體地修復(fù)或替換人體的某些組織、器官，或增進(jìn)其功能。75第75頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月請同學(xué)們猜一猜人工骨第76頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月對生物醫(yī)用材料的要求生物兼容性Biocompatibility無毒性及無致癌性化學(xué)穩(wěn)定性（不隨時間衰退）充分的機(jī)械強(qiáng)度（對人工骨等材料）充分的疲勞壽命（對人工骨等材料）適當(dāng)?shù)闹亓颗c密度具市場競爭力，如成本低廉、再現(xiàn)性高、易大量制造等77第77頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月各類生物材料比較材料特性金屬高分子陶瓷生物相容性不太好較好很好耐侵蝕性除貴金屬外，多數(shù)不耐侵蝕，表面易變質(zhì)化學(xué)性能穩(wěn)定，耐侵蝕化學(xué)性能穩(wěn)定，耐侵蝕，不易氧化、水解耐熱性較好，耐熱沖擊受熱易變形，易老化熱穩(wěn)定性好，耐熱沖擊強(qiáng)度很高差很高耐磨性不太好，磨損產(chǎn)物易污染周圍組織不耐磨耐磨性好，有一定潤滑性能加工及成形性能非常好，可加工成任意形狀，延展性良好可加工性好，有一定韌性塑形性好，脆性大，無延展性78第78頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）生物陶瓷分類可吸收性生物陶瓷CompletelyAbsorbableBioceramics近惰性生物陶瓷NearlyInertBioceramics表面活性生物陶瓷Surface-ActiveBioceramics按其與動物組織間的反應(yīng)程度分類79第79頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)生理環(huán)境中所發(fā)生的生物化學(xué)反應(yīng)，生物陶瓷可分為三種類型：

第一類是接近于生物惰性的陶瓷，如氧化鋁，氧化鋯及氧化鈦陶瓷等；

第二類是表面活性生物陶瓷，包括致密羥基磷灰石陶瓷、生物活性微晶玻璃等；

第三類是可吸收生物陶瓷，如熟石膏、磷酸三鈣及鋁酸鈣等。