新材料化学专题教育课件省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第六章第六章 新材料化学新材料化学 新能源学院5月16日第1页 第六章第六章 新材料化学新材料化学 新材料是指新近发展或正在新材料是指新近发展或正在研发、性能超群一些材料，含有研发、性能超群一些材料，含有比传统材料更为优异性能。新材比传统材料更为优异性能。新材料技术则是按照人意志，经过物料技术则是按照人意志，经过物理研究、理研究、材料设计、材料加工、材料设计、材料加工、试验评价等一系列研究过程，创试验评价等一系列研究过程，创造出能满足各种需要新型材料技造出能满足各种需要新型材料技术。术。第2页 第六章第六章 新材料化学新材料化学第一节 纳米材料第二节 复合材料第三节 生物材料第四节 智能材料第五节 新能源材料第3页 第一节 纳米材料一、纳米材料概述一、纳米材料概述二、纳米材料主要制备方法二、纳米材料主要制备方法三、纳米材料应用领域三、纳米材料应用领域第4页 第一节 纳米材料一、纳米材料概述一、纳米材料概述纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒，普通是指尺寸在纳米粒子也叫超微颗粒，普通是指尺寸在1 1100nm100nm间粒子，是处于原子簇和宏观物体交界过渡间粒子，是处于原子簇和宏观物体交界过渡区域。区域。从通常关于微观和宏观观点看，这么系统既非经从通常关于微观和宏观观点看，这么系统既非经典微观系统亦非经典宏观系统，是一个经典人介典微观系统亦非经典宏观系统，是一个经典人介观系统，它含有表面效应、小尺寸效应和宏观量观系统，它含有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。子隧道效应。原子排成原子排成“原子原子”字样字样1nm=1/101nm=1/10亿米，亿米，1010个氢原子个氢原子紧密排列，紧密排列，20nm20nm是头发丝直是头发丝直径径30003000分之一分之一第5页 第一节 纳米材料纳米材料基本特征：纳米材料基本特征：1.量子尺寸效应量子尺寸效应2.表面效应表面效应3.小尺寸效应小尺寸效应4.宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应第6页 第一节 纳米材料1.表面效应表面效应第7页 第一节 纳米材料2.2.小尺寸效应小尺寸效应金属纳米固体材料电阻增大与临界尺寸现象归因于小尺寸效金属纳米固体材料电阻增大与临界尺寸现象归因于小尺寸效应。当颗粒尺寸与电子运动平均自由程可比拟或更小时，应。当颗粒尺寸与电子运动平均自由程可比拟或更小时，小尺寸效应不容忽略。界面散射为主因。小尺寸效应不容忽略。界面散射为主因。e e_ _第8页 第一节 纳米材料3.3.量子尺寸效应量子尺寸效应 当纳米颗粒尺寸小到一定程度时，费米面附近电子能当纳米颗粒尺寸小到一定程度时，费米面附近电子能级离散性非常显著，量子尺寸效应不容忽略，最终造成低级离散性非常显著，量子尺寸效应不容忽略，最终造成低温下导体向绝缘体转变温下导体向绝缘体转变d （如如k kB BT T）第9页 第一节 纳米材料4.4.宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应 隧道效应是基本量子现象之一，即当微观粒子总能量隧道效应是基本量子现象之一，即当微观粒子总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。近年来，人小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。近年来，人们发觉一些宏观量如微颗粒磁化强度、量子相干器件中磁们发觉一些宏观量如微颗粒磁化强度、量子相干器件中磁通量及电荷也含有隧道效应，他们能够穿越宏观系统势阱通量及电荷也含有隧道效应，他们能够穿越宏观系统势阱而产生改变，故称之为宏观量子隧道效应。而产生改变，故称之为宏观量子隧道效应。第10页 第一节 纳米材料 因为纳米材料组织粒子极其小，其中所包含原子个数因为纳米材料组织粒子极其小，其中所包含原子个数极少、质量极轻，许多物理和化学性质表现就不能用宏观极少、质量极轻，许多物理和化学性质表现就不能用宏观上块状物质性质来描述，而是出现一些上块状物质性质来描述，而是出现一些“反常现象反常现象”。（1 1）光学性质）光学性质（2 2）力学性质）力学性质（3 3）热学性质）热学性质（4 4）磁学性质）磁学性质第11页 第一节 纳米材料（1 1）光学性质）光学性质1 1、宽频带强吸收、宽频带强吸收 当尺寸减小到纳米级时，各种金属纳米微粒几乎都呈当尺寸减小到纳米级时，各种金属纳米微粒几乎都呈黑色，它们对可见光反射率极低。这就是纳米材料强吸收黑色，它们对可见光反射率极低。这就是纳米材料强吸收率、低反射率。率、低反射率。比如，铂金纳米粒子反射率为比如，铂金纳米粒子反射率为1%1%。纳米氮化硅、碳化硅及三氧化二铝对红外有一个宽频纳米氮化硅、碳化硅及三氧化二铝对红外有一个宽频带强吸收谱。带强吸收谱。第12页 第一节 纳米材料2 2、纳米微粒分散物系光学性质和发光效应、纳米微粒分散物系光学性质和发光效应 纳米微粒分散于介质中形成份散物系（溶胶），纳米纳米微粒分散于介质中形成份散物系（溶胶），纳米微粒称为胶体（或分散相）。微粒称为胶体（或分散相）。因为在溶胶中胶体高分散性和不均匀性，使得分散物因为在溶胶中胶体高分散性和不均匀性，使得分散物系含有特殊光学特征，比如丁达尔效应。丁达尔效应系含有特殊光学特征，比如丁达尔效应。丁达尔效应假如让一束聚集光线经过分散物系，在入射光垂直方向上假如让一束聚集光线经过分散物系，在入射光垂直方向上能够看到一个发光圆锥体。能够看到一个发光圆锥体。另外，当纳米微粒尺寸小到一定值时，可在一定波长另外，当纳米微粒尺寸小到一定值时，可在一定波长光激发下发光。这是载流子量子限域效应引发。光激发下发光。这是载流子量子限域效应引发。第13页 第一节 纳米材料 （2 2）力学性质）力学性质 金属纳米材料和陶瓷纳米材料有着比普通材料更高强金属纳米材料和陶瓷纳米材料有着比普通材料更高强度和硬度，甚至大部分陶瓷纲米材料也含有良好塑性和韧度和硬度，甚至大部分陶瓷纲米材料也含有良好塑性和韧性。如性。如A1A12 2O O3 3基体中加入纳米基体中加入纳米SiCSiC晶粒制成陶瓷材料，其最晶粒制成陶瓷材料，其最高强度大于高强度大于1500MPa1500MPa，最高使用温度也能够原来，最高使用温度也能够原来800800提升提升到到1200 1200，纳米，纳米AgAg微粒只要低于微粒只要低于373K373K就开始熔化，而常就开始熔化，而常规规AgAg熔点却在熔点却在1173K1173K左右。左右。第14页 第一节 纳米材料（3 3）热学性质）热学性质纳米微粒熔纳米微粒熔点、烧结温度点、烧结温度和晶化温度均和晶化温度均 比常规粉体低比常规粉体低得多。这是纳得多。这是纳米微粒量子效米微粒量子效应造成。应造成。第15页 第一节 纳米材料（4 4）磁学性质）磁学性质 纳米微粒小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应，纳米微粒小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应，纳米微粒小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应，纳米微粒小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应，使其含有常规粗晶材料不具备磁特征。使其含有常规粗晶材料不具备磁特征。使其含有常规粗晶材料不具备磁特征。使其含有常规粗晶材料不具备磁特征。主要表现为：超顺磁性、矫顽力、居里温度和磁主要表现为：超顺磁性、矫顽力、居里温度和磁主要表现为：超顺磁性、矫顽力、居里温度和磁主要表现为：超顺磁性、矫顽力、居里温度和磁化率。化率。化率。化率。第16页 第一节 纳米材料超顺磁状态起因：超顺磁状态起因：因为小尺寸下，当各向异性能减小到与热运动能可相因为小尺寸下，当各向异性能减小到与热运动能可相比时，磁化方向就不再固定在一个易磁化方向，易磁化方比时，磁化方向就不再固定在一个易磁化方向，易磁化方向作无规律改变，结果造成超顺磁性出现。向作无规律改变，结果造成超顺磁性出现。比如，粒径为比如，粒径为85nm85nm纳米镍纳米镍NiNi微粒，矫顽力很高，而当微粒，矫顽力很高，而当粒径小于粒径小于15nm15nm时，其矫顽力时，其矫顽力Hc0Hc0，即进入了超顺磁状态。，即进入了超顺磁状态。第17页 第一节 纳米材料二、纳米材料主要制备方法二、纳米材料主要制备方法1、物理方法、物理方法(1)(1)真空冷凝法真空冷凝法 用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等离子体，然后骤冷。其特点纯度高、结晶组气化或形成等离子体，然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。织好、粒度可控，但技术设备要求高。(2)(2)物理粉碎法物理粉碎法 经过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米经过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。布不均匀。第18页 第一节 纳米材料(3)(3)机械球磨法机械球磨法 采取球磨方法，控制适当条件得到纯元素纳采取球磨方法，控制适当条件得到纯元素纳米粒子、合金纳米粒子或复合材料纳米粒子。其特点操作米粒子、合金纳米粒子或复合材料纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。第19页 第一节 纳米材料2.2.化学方法化学方法 (1)(1)气相沉积法气相沉积法 利用金属化合物蒸气化学反应合成纳米材料。利用金属化合物蒸气化学反应合成纳米材料。其特点产品纯度高，粒度分布窄。其特点产品纯度高，粒度分布窄。(2)(2)沉淀法沉淀法 把沉淀剂加入到盐溶液中反应后，将沉淀热处理把沉淀剂加入到盐溶液中反应后，将沉淀热处理得到纳米材料。其特点简单易行，但纯度低，颗粒半径大，得到纳米材料。其特点简单易行，但纯度低，颗粒半径大，适合制备氧化物。适合制备氧化物。(3)(3)水热合成法水热合成法 高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，再经分离和热处理得纳米粒子。其特点纯度高，分散性好、再经分离和热处理得纳米粒子。其特点纯度高，分散性好、粒度易控制。粒度易控制。第20页 第一节 纳米材料三、纳米材料应用领域三、纳米材料应用领域 因为纳米微粒小尺寸效应、表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应，因为纳米微粒小尺寸效应、表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应，使得它在磁、光、电、敏感等方面展现常规材料不具备特征，所以纳米微使得它在磁、光、电、敏感等方面展现常规材料不具备特征，所以纳米微粒在磁性材料、传感、医学、传感、军事等方面有广泛应用。粒在磁性材料、传感、医学、传感、军事等方面有广泛应用。1 1、纳米技术在微电子学上应用纳米技术在微电子学上应用 2 2、纳米技术在光电领域应用纳米技术在光电领域应用 3 3、纳米技术在化工领域应用纳米技术在化工领域应用 4 4、纳米技术在医学上应用纳米技术在医学上应用 5 5、纳米技术在其它领域应用纳米技术在其它领域应用 第21页 第一节 纳米材料1.1.纳米技术在微电子学上应用纳米技术在微电子学上应用 原理原理纳米电子学主要思想是基于纳米粒子量子效应纳米电子学主要思想是基于纳米粒子量子效应来设计并制备纳米量子器件来设计并制备纳米量子器件 目标目标将集成电路深入减小，研制出由单原子或单分将集成电路深入减小，研制出由单原子或单分子组成、能在室温使用各种器件。早在子组成、能在室温使用各种器件。早在19891989年，年，IBMIBM企业科学企业科学家已利用隧道扫描显微镜上探针，成功地移动了氙原子，并利家已利用隧道扫描显微镜上探针，成功地移动了氙原子，并利用它拼成了用它拼成了IBMIBM三个字母。美国威斯康星大学已制造出可容纳三个字母。美国威斯康星大学已制造出可容纳单个电子量子点。在一个针尖上可容纳这么量子点几十亿个。单个电子量子点。在一个针尖上可容纳这么量子点几十亿个。利用量子点可制成体积小、耗能少单电子器件，在微电子和光利用量子点可制成体积小、耗能少单电子器件，在微电子和光电子领域将取得广泛应用电子领域将取得广泛应用第22页 第一节 纳米材料2.2.纳米技术在光电领域应用纳米技术在光电领域应用 原理原理纳米激光器微小尺寸可使光子被限制在少数几个状纳米激光器微小尺寸可使光子被限制在少数几个状态上，而低音廊效应则使光子受到约束，直到所产生光波累态上，而低音廊效应则使光子受到约束，直到所产生光波累积起足够多能量后透过此结构。其结果是激光器到达极高工积起足够多能量后透过此结构。其结果是激光器到达极高工作效率，而能量阈则很低。纳米激光器实际上是一根弯曲成作效率，而能量阈则很低。纳米激光器实际上是一根弯曲成极薄面包圈形状光子导线，试验发觉，纳米激光器大小和形极薄面包圈形状光子导线，试验发觉，纳米激光器大小和形状能够有效控制它发射出光子量子行为，从而影响激光器工状能够有效控制它发射出光子量子行为，从而影响激光器工作。作。第23页 第一节 纳米材料应用应用（1 1）提升效率：纳米激光器工作时只需约）提升效率：纳米激光器工作时只需约100100微安电流。最微安电流。最近，科学家把光子导线缩小到只有五分之一立方微米体积近，科学家把光子导线缩小到只有五分之一立方微米体积内。在这一尺度上，此结构光子状态数少于内。在这一尺度上，此结构光子状态数少于1010个，靠近了个，靠近了无能量运行所要求条件，不过光子数目还没有降低到这么无能量运行所要求条件，不过光子数目还没有降低到这么极限上。最近，麻省理工学院研究人员把被激发钡原子一极限上。最近，麻省理工学院研究人员把被激发钡原子一个一个地送入激光器中，每个原子发射一个有用光子。个一个地送入激光器中，每个原子发射一个有用光子。第24页 第一节 纳米材料 （2 2）速度极快因为只需要极少能量就能够发射激光，）速度极快因为只需要极少能量就能够发射激光，这类装置能够实现瞬时开关。已经有一些激光器能够以快这类装置能够实现瞬时开关。已经有一些激光器能够以快于每秒于每秒 钟钟200200亿次速度开关，适适用于光纤通信。因为亿次速度开关，适适用于光纤通信。因为纳米技术快速发展，这种无能量阈纳米激光器实现将指日纳米技术快速发展，这种无能量阈纳米激光器实现将指日可待。可待。第25页 第一节 纳米材料 评价评价纳米技术发展，使微电子和光电子结合愈纳米技术发展，使微电子和光电子结合愈加紧密，在光电信息传输、存贮、处理、运算和显示等方加紧密，在光电信息传输、存贮、处理、运算和显示等方面，使光电器件性能大大提升。将纳米技术用于现有雷达面，使光电器件性能大大提升。将纳米技术用于现有雷达信息处理上，可使其能力提升信息处理上，可使其能力提升1010倍至几百倍，甚至能够将倍至几百倍，甚至能够将超高分辨率纳米孔径雷达放到卫星上进行高精度对地侦察。超高分辨率纳米孔径雷达放到卫星上进行高精度对地侦察。不过要获取高分辨率图像，就必需先进数字信息处理技术。不过要获取高分辨率图像，就必需先进数字信息处理技术。科学家发觉，将光调制器和光探测器结合在一起量子阱自科学家发觉，将光调制器和光探测器结合在一起量子阱自电光效应器件，将为实现光学高速数学运算提供可能。电光效应器件，将为实现光学高速数学运算提供可能。第26页 第一节 纳米材料3.3.纳米技术在化工领域应用纳米技术在化工领域应用 光催化剂光催化剂纳米粒子作为光催化剂有许多优点。纳米粒子作为光催化剂有许多优点。（1 1）粒径小，比表面大，光催化效率高。（）粒径小，比表面大，光催化效率高。（2 2）纳米粒子生成）纳米粒子生成电子、空穴在抵达表面之前，大部分不会重新结合。电子、空电子、空穴在抵达表面之前，大部分不会重新结合。电子、空穴能够抵达表面数量多，故化学反应活性高。（穴能够抵达表面数量多，故化学反应活性高。（3 3）纳米粒子分）纳米粒子分散在介质中往往含有透明性，轻易利用光学伎俩和方法来观察散在介质中往往含有透明性，轻易利用光学伎俩和方法来观察界面间电荷转移、质子转移、半导体能级结构与表面态密度影界面间电荷转移、质子转移、半导体能级结构与表面态密度影响。响。例例1 1，工业上利用纳米二氧化钛，工业上利用纳米二氧化钛-三氧化二铁作光催化剂，用于三氧化二铁作光催化剂，用于废水处理（含废水处理（含SO32-SO32-或或 Cr2O72-Cr2O72-系统），已取得了很好效果。系统），已取得了很好效果。第27页 第一节 纳米材料 例例2 2，用沉淀溶出法制备出粒径约，用沉淀溶出法制备出粒径约30nm30nm 60nm60nm白色球状钛白色球状钛酸锌粉体，比表面大、化学活性高，用它作吸附脱硫剂，较酸锌粉体，比表面大、化学活性高，用它作吸附脱硫剂，较固相烧结法制备钛酸锌粉体效果显著提升固相烧结法制备钛酸锌粉体效果显著提升纳米静电屏蔽材料纳米静电屏蔽材料是纳米技术另一主要应用。优点是纳米技术另一主要应用。优点（1 1）静电屏蔽材料普通由树脂掺加碳黑喷涂而成，用有半静电屏蔽材料普通由树脂掺加碳黑喷涂而成，用有半导体特征纳米氧化物粒子如导体特征纳米氧化物粒子如Fe2O3Fe2O3、TiO2TiO2、ZnOZnO做成涂料，因做成涂料，因为含有较高导电特征，能起到静电屏蔽作用。（为含有较高导电特征，能起到静电屏蔽作用。（2 2）氧化物纳）氧化物纳米微粒颜色各种各样，可经过复合控制静电屏蔽涂料颜色，米微粒颜色各种各样，可经过复合控制静电屏蔽涂料颜色，克服了碳黑静电屏蔽涂料只有单一颜色单调性。克服了碳黑静电屏蔽涂料只有单一颜色单调性。第28页 第一节 纳米材料 遮蔽紫外线遮蔽紫外线（1 1）将纳米）将纳米TiO2TiO2粉体加到化装品中，可粉体加到化装品中，可有效地遮蔽紫外线。（有效地遮蔽紫外线。（2 2）用添加）用添加0.1%0.1%0.5%0.5%纳米二氧化钛制成透纳米二氧化钛制成透明塑料包装食品，可预防紫外线对食品破坏，还可使食品保持新明塑料包装食品，可预防紫外线对食品破坏，还可使食品保持新鲜。（鲜。（3 3）金属纳米粒子掺杂到化纤制或纸张中，可大大降低静）金属纳米粒子掺杂到化纤制或纸张中，可大大降低静电作用电作用 纳米反应器纳米反应器利用纳米碳管独特孔状结构，大比表面，利用纳米碳管独特孔状结构，大比表面，较高机械强度做成纳米反应器，该反应器能够使化学反应局限于较高机械强度做成纳米反应器，该反应器能够使化学反应局限于一个很小范围内进行。在纳米反应器中，反应物在分子水平上有一个很小范围内进行。在纳米反应器中，反应物在分子水平上有一定取向和有序排列，同时限制了反应物分子和中间体运动一定取向和有序排列，同时限制了反应物分子和中间体运动第29页 第一节 纳米材料4.纳米技术在医学上应用纳米技术在医学上应用 RNA RNA线度在线度在15nm20nm15nm20nm之间，生物体内各种病毒也是纳之间，生物体内各种病毒也是纳米粒子。米粒子。10nm10nm以下粒子比血液中红血球还要小，可在血管以下粒子比血液中红血球还要小，可在血管中自由流动。将超微粒子注入到血液中，输送到人体各个中自由流动。将超微粒子注入到血液中，输送到人体各个部位，作为监测和诊疗疾病伎俩。已成功利用纳米部位，作为监测和诊疗疾病伎俩。已成功利用纳米SiO2SiO2微微粒进行了细胞分离，用金纳米粒子进行定位病变治疗，以粒进行了细胞分离，用金纳米粒子进行定位病变治疗，以降低副作用。利用纳米颗粒作为载体病毒诱导物已经取得降低副作用。利用纳米颗粒作为载体病毒诱导物已经取得了突破性进展，已用于临床动物试验。了突破性进展，已用于临床动物试验。第30页 第一节 纳米材料4.纳米技术在医学上应用纳米技术在医学上应用 研究纳米技术在生命医学上应用，能够在纳米尺度上了研究纳米技术在生命医学上应用，能够在纳米尺度上了解生物大分子精细结构及其与功效关系，获取生命信息。解生物大分子精细结构及其与功效关系，获取生命信息。科学家们构想利用纳米技术制造出分子机器人，在血液中科学家们构想利用纳米技术制造出分子机器人，在血液中循环，对身体各部位进行检测、诊疗，并实施特殊治疗，循环，对身体各部位进行检测、诊疗，并实施特殊治疗，疏通脑血管中血栓，去除心脏动脉脂肪沉积物，甚至能够疏通脑血管中血栓，去除心脏动脉脂肪沉积物，甚至能够用其吞噬病毒，杀死癌细胞。这么，在很快未来，被视为用其吞噬病毒，杀死癌细胞。这么，在很快未来，被视为当今疑难病症爱滋病、高血压、癌症等都可能被攻克，从当今疑难病症爱滋病、高血压、癌症等都可能被攻克，从而将使医学研究发生一次革命而将使医学研究发生一次革命第31页 第一节 纳米材料5.纳米技术在其它领域应用纳米技术在其它领域应用 纳米电脑纳米电脑可人可人机对话并含有自我复制能力纳机对话并含有自我复制能力纳米装置米装置 军事方面军事方面昆虫作平台，分子机器人植入昆虫神昆虫作平台，分子机器人植入昆虫神经系统中控制昆虫飞向敌方搜集情报，使目标丧失功效经系统中控制昆虫飞向敌方搜集情报，使目标丧失功效 分子传感器和探测器分子传感器和探测器 仿生纳米材料仿生纳米材料制作人牙齿、关节。药品储存在制作人牙齿、关节。药品储存在碳纳米管中，经过一定机制激发药剂释放，可控药剂有希碳纳米管中，经过一定机制激发药剂释放，可控药剂有希望变为现实望变为现实第32页 第一节 纳米材料 利用碳纳米管来制作储氢材料，用作燃料汽车燃料“贮备箱”。利用纳米颗粒膜巨磁阻效应研制高灵敏度磁传感器；利用具有强红外吸收能力纳米复合系统制备红外隐身材料，都是很具有应用前景技术开发领域 评价纳米尺寸左右和纳米以下结构将是下一阶段科技发展特点，会是一次技术革命，将是二十一世纪又一次产业革命第33页 第二节 复合材料一、复合材料概述一、复合材料概述二、复合材料分类二、复合材料分类三、复合材料应用三、复合材料应用第34页 第二节 复合材料一、复合材料概述一、复合材料概述复合材料定义：国际标准化组织：国际标准化组织：由两种以上在物理和化学上不一样物质由两种以上在物理和化学上不一样物质组合起来而得到一个多相固体材料组合起来而得到一个多相固体材料 材料大词典材料大词典：复合材料是依据应用进行设计，把两种复合材料是依据应用进行设计，把两种以上有机聚合物材料或无机非金属材料或金属材料组合在以上有机聚合物材料或无机非金属材料或金属材料组合在一起，使其性能互补，从而制成一类新型材料。一起，使其性能互补，从而制成一类新型材料。第35页 第二节 复合材料复合材料特点：复合材料特点：1 1）复合材料是由两种或两种以上不一样性能材料组元经过复合材料是由两种或两种以上不一样性能材料组元经过宏观或微观复合形成一个新型材料，组元之间存在着显著宏观或微观复合形成一个新型材料，组元之间存在着显著界面；界面；2 2）复合材料中各组元不但保持各自固有特征，而且可最大复合材料中各组元不但保持各自固有特征，而且可最大程度发挥各种材料组元特征，并赋予单一材料组元所不具程度发挥各种材料组元特征，并赋予单一材料组元所不具备优良特殊性能；备优良特殊性能；3 3）复合材料含有可设计性。能够依据使用条件要求进行设）复合材料含有可设计性。能够依据使用条件要求进行设计和制造，以满足各种特殊用途，从而极大地提升工程结计和制造，以满足各种特殊用途，从而极大地提升工程结构效能。构效能。第36页 第二节 复合材料二、复合材料分类二、复合材料分类复合材料两种主要成份：复合材料两种主要成份：基体材料基体材料和和增强体材料增强体材料按基体相性质分金属基复合材料非金属基复合材料铝基复合材料钛基复合材料铜基复合材料塑料基复合材料橡胶基复合材料陶瓷基复合材料第37页 第二节 复合材料按增强相形态分纤维增强塑料（玻璃钢）纤维增强橡胶（轮胎）纤维增强陶瓷纤维增强金属金属陶瓷弥散强化金属纤维增强复合材料颗粒增强复合材料叠层复合材料双层金属复合材料三层复合材料第38页 第二节 复合材料纤纤维维增增强强复复合合材材料料颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料叠层叠层复合复合材料材料第39页 第二节 复合材料三、复合材料应用三、复合材料应用1、聚合物基复合材料：以聚合物为基体复合材料、聚合物基复合材料：以聚合物为基体复合材料。依据基体材料不一样分类：依据基体材料不一样分类：1 1）热固性树脂复合材料制造方法热固性树脂复合材料制造方法 手糊成型法、喷射成型法、模压成型法、注射成型法、手糊成型法、喷射成型法、模压成型法、注射成型法、RTMRTM成型法成型法(注射成型法注射成型法)等等。2 2）热塑性复合材料制造方法热塑性复合材料制造方法 模压成型法、注射成型法、模压成型法、注射成型法、RTMRTM成型法、真空热压成型成型法、真空热压成型法、缠绕成型法等。法、缠绕成型法等。第40页 第二节 复合材料2 2、应用、应用 聚合物基复合材料是当前应用最广、消耗量最大一类，聚合物基复合材料是当前应用最广、消耗量最大一类，它被广泛应用于工农生产、航空航天、化工冶金、当代战它被广泛应用于工农生产、航空航天、化工冶金、当代战争几乎全部领域。如美国先进第四代战斗机上聚合物基复争几乎全部领域。如美国先进第四代战斗机上聚合物基复合材料用量达合材料用量达24%25%24%25%，直升机用量高达，直升机用量高达46%46%，而欧洲战斗，而欧洲战斗机复合材料用量高达机复合材料用量高达40%40%。第41页 第二节 复合材料3 3、金属基复合材料、金属基复合材料 航空航天用先进武器系统快速发展对材料耐热性和其航空航天用先进武器系统快速发展对材料耐热性和其它性能要求日益提升，与聚合物基复合材料比，金属基复它性能要求日益提升，与聚合物基复合材料比，金属基复合材料有许多不可比拟优点，如工作温度高、不易燃烧、合材料有许多不可比拟优点，如工作温度高、不易燃烧、导电导热、稳定性好、抗电磁干扰、抗辐射性好。帮以金导电导热、稳定性好、抗电磁干扰、抗辐射性好。帮以金属或合金为基体，以高性能第二相为增强体金属基复合材属或合金为基体，以高性能第二相为增强体金属基复合材料成为最有发展前景和广泛用途新型材料。料成为最有发展前景和广泛用途新型材料。充当基体材料金属普通有铝基、镍基、钛基、镁基、充当基体材料金属普通有铝基、镍基、钛基、镁基、铜基、高温基、难熔金属基。铜基、高温基、难熔金属基。充当增强体主要有纤维、晶须、颗粒，主要有碳纤维、充当增强体主要有纤维、晶须、颗粒，主要有碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、石墨颗粒、碳化硅颗硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、石墨颗粒、碳化硅颗粒等。粒等。第42页 第二节 复合材料这是美国历时，花费73亿美元研制出B-2隐形战略轰炸机（见图）。它这所以能够隐形并躲避雷达监控是因为在B-2机身上涂着一层复合材料，能吸收雷达波，使反射波减弱甚至不反射雷达波，从而到达隐身目标，这种复合材料主要是由碳、硼、玻璃纤维等与金属复合组成，其密度低、力学性能好，既能吸收红外信号又能吸收雷达波信号，故可用在飞机蒙皮、雷达天线罩等构件上。B-2 隐形战略轰炸机隐形战略轰炸机第43页 第二节 复合材料3 3、陶瓷基复合材料、陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合一类陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合一类复合材料。陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。复合材料。陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。这些先进陶瓷含有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、这些先进陶瓷含有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而其致命弱点是含有脆性，处于应力抗腐蚀等优异性能，而其致命弱点是含有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂造成材料失效。而采取高状态时，会产生裂纹，甚至断裂造成材料失效。而采取高强度、高弹性纤维与基体复合，则是提升陶瓷韧性和可靠强度、高弹性纤维与基体复合，则是提升陶瓷韧性和可靠性一个有效方法。纤维能阻止裂纹扩展，从而得到有优良性一个有效方法。纤维能阻止裂纹扩展，从而得到有优良韧性纤维增强陶瓷基复合材料。韧性纤维增强陶瓷基复合材料。第44页 第二节 复合材料陶瓷基复合材料含有优异耐高温性能，主要用作高温陶瓷基复合材料含有优异耐高温性能，主要用作高温及耐磨制品。其最高使用温度主要取决于基体特征。陶瓷及耐磨制品。其最高使用温度主要取决于基体特征。陶瓷基复合材料已实用化或即将实用化领域有刀具、滑动构件、基复合材料已实用化或即将实用化领域有刀具、滑动构件、发动机制件、能源构件等。法国已将长纤维增强碳化硅复发动机制件、能源构件等。法国已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于制造高速列车制动件，显示出优异摩擦磨损合材料应用于制造高速列车制动件，显示出优异摩擦磨损特征，取得满意使用效果。特征，取得满意使用效果。第45页 第二节 复合材料9月25日，神舟号载人飞船成功发射我国宇航员身穿中国自行研制舱外航天服进行了出舱太空行走据报道，航天服从内而外分多层，有棉布织成舒适层，特种橡胶制成备份气密层，复合材料制成主气密层，以及特种涤沦面料制成保护层等。第46页 第三节 生物材料一、生物材料概述一、生物材料概述二、医用金属材料二、医用金属材料三、生物医用无机非金属材料三、生物医用无机非金属材料四、医用高分子材料四、医用高分子材料五、生物医用复合材料五、生物医用复合材料第47页 第三节 生物材料一、生物材料概述一、生物材料概述 生物材料用于人体组织和器官诊疗、修复或促进其功生物材料用于人体组织和器官诊疗、修复或促进其功效一类高技术材料，即用于取代、修复活组织天然或人造效一类高技术材料，即用于取代、修复活组织天然或人造材料，其作用药品不可替换。生物材料能执行、促进或替材料，其作用药品不可替换。生物材料能执行、促进或替换因疾病、损伤等失去某种功效，而不能恢复缺点部位。换因疾病、损伤等失去某种功效，而不能恢复缺点部位。第48页 第三节 生物材料生物功效性依据用途主要分为生物功效性依据用途主要分为:承受或传递负载功效。如人造骨骼、关节和牙等，占主导承受或传递负载功效。如人造骨骼、关节和牙等，占主导地位地位控制血液或体液流动功效。如人工瓣膜、血管等控制血液或体液流动功效。如人工瓣膜、血管等电、光、声传导功效。如心脏起博器、人工晶状体、耳蜗电、光、声传导功效。如心脏起博器、人工晶状体、耳蜗等等填充功效。如整容手术用填充体等填充功效。如整容手术用填充体等第49页 第三节 生物材料二、医用金属材料二、医用金属材料较优异生物医用金属材料有，医用不锈钢、钴基合金、钛及钛合金、较优异生物医用金属材料有，医用不锈钢、钴基合金、钛及钛合金、镍钛形状记忆合金、金银等珍贵金属、银汞合金、钽、铌等金属和合金。镍钛形状记忆合金、金银等珍贵金属、银汞合金、钽、铌等金属和合金。第50页 第三节 生物材料(1)(1)医用不锈钢医用不锈钢 含有一定耐腐蚀性和良好综协力学性能，且加工工艺简含有一定耐腐蚀性和良好综协力学性能，且加工工艺简便，是生物医用金属材料中应用最多，最广材料。便，是生物医用金属材料中应用最多，最广材料。惯用钢种有惯用钢种有US304US304、316316、316 L316 L、317317、317L317L等。等。医用不锈钢植入活体后，可能发生点蚀，偶然也产生应医用不锈钢植入活体后，可能发生点蚀，偶然也产生应力腐蚀和腐蚀疲劳。医用不锈钢临床前消毒、电解抛光和钝力腐蚀和腐蚀疲劳。医用不锈钢临床前消毒、电解抛光和钝化处理，可提升耐蚀性。化处理，可提升耐蚀性。医用不锈钢在骨外科和齿科中应用较多。医用不锈钢在骨外科和齿科中应用较多。第51页 第三节 生物材料第52页 第三节 生物材料(2)(2)钴基合金钴基合金 钴基合金人体内普通保持钝化状态，与不锈钢比较，钴基合金人体内普通保持钝化状态，与不锈钢比较，钴基合金钝化膜更稳定，耐蚀性更加好。在全部医用金属钴基合金钝化膜更稳定，耐蚀性更加好。在全部医用金属材料中，其耐磨性最好，适合于制造体内承载苛刻长久植材料中，其耐磨性最好，适合于制造体内承载苛刻长久植入件。入件。在整形外科中，用于制造人工髋关节、膝关节以及接在整形外科中，用于制造人工髋关节、膝关节以及接骨板、骨钉、关节扣钉和骨针等。在心脏外科中，用于制骨板、骨钉、关节扣钉和骨针等。在心脏外科中，用于制造人工心脏瓣膜等。造人工心脏瓣膜等。第53页 第三节 生物材料(3)(3)医用钛和钛合金医用钛和钛合金 不但含有良好力学性能，而且在生理环境下含有良好不但含有良好力学性能，而且在生理环境下含有良好生物相容性。因为其比重小，弹性模量较其它金属更靠近生物相容性。因为其比重小，弹性模量较其它金属更靠近天然骨，故广泛应用于制造各种能、膝、肘、肩等人造关天然骨，故广泛应用于制造各种能、膝、肘、肩等人造关节。另外，钛合金还用于心血管系统。钛合金耐磨性能不节。另外，钛合金还用于心血管系统。钛合金耐磨性能不理想，且存在咬合现象，限制了其使用范围。理想，且存在咬合现象，限制了其使用范围。图是镍钛形状记忆合金血管支架图是镍钛形状记忆合金血管支架第54页 第三节 生物材料Ti-Ni记忆合金血管支架记忆合金血管支架第55页 第三节 生物材料三、生物医用无机非金属材料三、生物医用无机非金属材料生物无机材料主要包含生物陶瓷、生物玻璃和医用碳生物无机材料主要包含生物陶瓷、生物玻璃和医用碳素材料。素材料。按植入生物活体内引发组织与材料反应，生物陶瓷分按植入生物活体内引发组织与材料反应，生物陶瓷分为为:(1)(1)近于惰性生物陶瓷，如氧化铝生物陶瓷、氧化锆近于惰性生物陶瓷，如氧化铝生物陶瓷、氧化锆生物陶瓷、硼硅酸玻璃；生物陶瓷、硼硅酸玻璃；(2)(2)表面活性生物陶瓷，如磷酸钙基生物陶瓷、生物表面活性生物陶瓷，如磷酸钙基生物陶瓷、生物活性玻璃陶瓷；活性玻璃陶瓷；(3)(3)可吸收性生物陶瓷，如偏磷酸三钙生物陶瓷、硫可吸收性生物陶瓷，如偏磷酸三钙生物陶瓷、硫酸钙生物陶瓷。酸钙生物陶瓷。第56页 第三节 生物材料 生物活性玻璃陶瓷植入活体后，能够与体液发生化学生物活性玻璃陶瓷植入活体后，能够与体液发生化学反应，并在组织表面生成羚基磷灰石层，故可用于人工种反应，并在组织表面生成羚基磷灰石层，故可用于人工种植牙根、牙冠、骨充填料和涂层材料。植牙根、牙冠、骨充填料和涂层材料。与自然骨比较，生物活性玻璃陶瓷即使含有较高强度，与自然骨比较，生物活性玻璃陶瓷即使含有较高强度，但韧性较差，弹性模量过高，易脆断，在生理环境中抗疲但韧性较差，弹性模量过高，易脆断，在生理环境中抗疲劳性能较差，当前还不能直接用于承力较大人工骨。劳性能较差，当前还不能直接用于承力较大人工骨。第57页 第三节 生物材料 医用碳素材料：含有靠近于自然骨弹性医用碳素材料：含有靠近于自然骨弹性模量。模量。医用碳素材料疲劳性能最优，强度不随医用碳素材料疲劳性能最优，强度不随循环载荷作用而下降。无序堆垛碳材料耐磨循环载荷作用而下降。无序堆垛碳材料耐磨性理想。性理想。医用碳素材料在生理环境中较稳定，近医用碳素材料在生理环境中较稳定，近于惰性，含有很好生物相容性，不会引发凝于惰性，含有很好生物相容性，不会引发凝血和溶血反应，尤其适合于在生理环境中使血和溶血反应，尤其适合于在生理环境中使用。用。医用碳材料已大量用于心血管系统修复，医用碳材料已大量用于心血管系统修复，如人工心脏瓣膜、人工血管。还可作为金属如人工心脏瓣膜、人工血管。还可作为金属和聚合物涂层材料。和聚合物涂层材料。第58页 第三节 生物材料四、医用高分子材料四、医用高分子材料 按应用对象和材料物理性能分为软组织材料、硬组织按应用对象和材料物理性能分为软组织材料、硬组织材料和生物降解材料。其可满足人体组织器官部分要求，材料和生物降解材料。其可满足人体组织器官部分要求，因而在医学上受到广泛重视。当前已经有数十种高分子材因而在医学上受到广泛重视。当前已经有数十种高分子材料适合用于人体植入材料。料适合用于人体植入材料。第59页 第三节 生物材料 软组织材料：故主要用作为软组织材料，尤其软组织材料：故主要用作为软组织材料，尤其 是人工是人工脏器膜和管材。聚乙烯膜、聚四氟乙烯膜、硅橡胶膜和管，脏器膜和管材。聚乙烯膜、聚四氟乙烯膜、硅橡胶膜和管，可用于制造人工肺、肾、心脏、喉头、气管、胆管、角膜。可用于制造人工肺、肾、心脏、喉头、气管、胆管、角膜。聚酯纤维可用于制造血管、腹膜等。聚酯纤维可用于制造血管、腹膜等。硬组织材料：丙烯酸高分子硬组织材料：丙烯酸高分子(即骨水泥即骨水泥)、聚碳酸醋、超、聚碳酸