第七章-新材料.ppt

单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,新材料与传统材料的对比,传统材料（基础材料）,：,生产技术成熟，大量工业化生产的材料；如钢铁、水泥、塑料等。,新材料（先进材料）：,正在发展，具有优异性能和应用前景的材料。,1,建筑,新材料的应用领域,2,交通,3,超导磁悬浮列车,西南交通大学已研制成功全国唯一一辆“世纪号”超导磁悬浮列车，这种高温超导磁悬浮列车最大特点就是乘坐平稳、安全和快捷。和世界上最先进的轻轨列车比较，它没有一点轰隆隆的噪声，十分安静。,1980s：高温超导体,6,能源,新能源材料则是指实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所要用到的关键材料。,主要包括储氢电极合金材料为代表的镍氢电池材料,嵌锂碳负极和,LiCoO,2,正极为代表的锂离子电池材料、燃料电池材料,Si,半导体材料为代表的太阳能电池材料,铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料等。,7,核能材料,Nuclear power station at Leibstadt,Switzerland,uranium oxide beads,钨钒钢（W-V steel）,铬钒钢（Cr-V steel）,镍基高温合金（Hastelloy material）,核反应堆材料：,耐中子辐射、腐蚀、高温,烧结后,烧结前,8,信息,人类正在步入信息时代，同时也是信息材料竞争的时代。,9电子管晶体管集成电路,电子管,16K内存器。,图中的女士要用显微镜才看得到现在的,集成电路,16 K内存器,第一台,电子管,组成的计算机重达,30,吨,，用电相当于一个小的城市。,钨、钼,电极。,锗、硅半导体。,单晶硅片，高纯钛、SiO2和铬等薄膜,10,生物、生活,材料技术的发展改变我们的生活,仿真手臂,人工关节,“自行车发烧友”的首选,钛结构自行车架,微机械,11,一种重要新材料的发现和使用，都把人类支配自然的能力提高到一 个新水平，材料科学技术的每一次重大突破都会引起生产技术的重大变革，甚至引起一次世界性的技术变革，从而把人类物质文明和精神文明推向前进。,12,材料强度密度比在不同年代里的进展(由图中可以看,出,现代先进材料的强度已比原始材料提高了约50倍),铝,木材,石料,青铜,铸铁,钢,复合材料,碳纤维,芳香族酰胺纤维,6,新材料技术是工业革,命和产业发展的先导,13,现代涡轮喷气发动机,年代气冷,式航空发动机,蒸汽机,在本世纪内由于采用了现代材料使发动机工作温度急剧上升，因而发动机的理论效率大大提高。,新材料技术是工业革,命和产业发展的先导,14,新材料技术是工业革,命和产业发展的先导,15,1950,1965,1955,1970,1975,1960,1990,1980,1995,2000,1985,2005,30,70,50,40,60,100,90,80,20,110,120,130,座mile/Usgal,航空材料的发展与飞机的燃放,年份,Comet,707-120,707-120B,880,990,727-100,DC-9-30,A320-200,747-400,MD11,2.5倍,飞机燃油效率提高2.5倍,新材料技术是工业革,命和产业发展的先导,航空材料的发展,16,1093,1649,538,149,0,C,315,0,C,649,0,C,1093,0,C,1927,0,C,发动机温度,一次大战水冷式,30年代空冷式,风扇喷气发动机,蜗轮喷气发动机,超音速燃烧冲压,式喷气发动机,温度（,0,C）,新材料技术是工业革,命和产业发展的先导,17,1950,1960,1970,1980,1990,2000,2010,2020,900,1100,1500,1300,材料的表面温度(),1700,单晶合金,普通铸件,定向凝固超级合金,共晶合金,弥散强化超级合金,隔热涂层,陶瓷复合材料,碳-碳,新材料技术是工业革,命和产业发展的先导,在发动机上应用的年份,叶片材料的发展历程,纤维增强超级合金,18,30年代教练机,二次大战战斗机,80年代截击机,航天飞机,东方快车号,1093,1649,538,49,0,C,93.3,0,C,427,0,C,1093,0,C,1649,0,C,不同类型的飞行器蒙皮温度,蒙皮温度（,0,C）,新材料技术是工业革,命和产业发展的先导,19,110,1100,2197,12001800,1001200,410950,400,飞船返回舱舱体温度情况,新材料技术是工业革,命和产业发展的先导,20,小飞机,直升机,运输机,波音707,战斗机,喷气式机,超音速飞机,近地卫星,卫星,飞机速率,速度与效益,10,10,2,10,3,10,4,每减少1kg所收获效益,新材料技术是工业革,命和产业发展的先导,21,新材料技术是工业革,命和产业发展的先导,+175,+390,+595,金属,玻璃纤维,Kavlar,C/C复合材料,K m,导弹射程,火箭壳体材料与导弹射程,22,碳素工具钢,钨钴铬硬质合金,烧结碳化钨,金属陶瓷,陶瓷,多晶金刚石,高速钢,立方氮化硼,新材料技术是工业革,命和产业发展的先导,23,高技术体系示意图,探索智力,探索宇宙空间,探索物质结构,探索生命本质,探索海洋奥秘,环境科学技术,空间科学技术,新材料科,学技术,新能源与再生能源,信息科学技术,生物科学技术,海洋科学技术,人,材料发展总的趋势,24,材料发展总的趋势,生物技术正经历着一场前所未有的技术革命，一个庞大的生物产业正在孕育和形成,对生命现象本质和过程研究，进入了定量和系统整合阶段,基因组学、蛋白质科学、干细胞及再生医学的研究成为生命科学的前沿与热点,蛋白质科学正向深度和广度迅速发展,干细胞及再生医学的研究及应用为人类健康开辟了新道路,生物芯片在医疗和科研领域发挥巨大作用,转基因技术及应用呈现出高速发展的态势,25,材料发展总的趋势,航天技术快速发展，不断开辟人类探索的新空间,太空探索带动太空探索技术加速发展,研制多种用途的人货分离的新一代航天飞行器成未来趋势。,小卫星技术日趋成熟并将广泛应用。,太空攻防技术成为未来航天技术发展的重要领。,26,材料发展总的趋势,新材料技术出现群体性突破，将对,21,世纪基础科学和几乎,所有工业领域,产生革命性影响,纳米技术是前沿技术中最具前瞻性和带动性的重点领域之一,电子信息材料技术进展迅速，光电子材料、光子材料将成为发展最快和最有前途的电子信息材料。,新型功能材料及其应用技术面临新的突破（超导材料、智能材料、生物医用材料）,新型结构材料发展前景乐观（高温合金、难熔金属、金属间化合物、金属基复合材料、高分子材料、钛合金、镁合金）,27,上述事例雄辩的表明，新材料是人类社会进步、世界革命和提高人类生活品质中具有特别重要的基础和先导作用，其发展对提高国家的综合国力和国际实力具有巨大的推动作用和深远的影响,。,新材料技术是高技术发展的基础,28,三、新材料的种类,材料种类繁多，据测算目前世界上已有材料40多万种，而且每年以5%的速度增长。综合世界各国新材料技术的发展情况，新材料按其应用或组成大致可分为：信息材料、能源材料、高分子有机合成材料、复合材料和新型金属材料、纳米材料、生物材料、碳材料等。,29,2、常用新材料简介,一、纳米材料,1、纳米材料与纳米技术,纳米是一个长度单位，1纳米是1米的十亿分之一，记为：1nm=10,-9,m，,纳米材料是指块体中的颗粒、粉体粒度在在1100纳米之间，使其某些性能发生突变的材料。可以是晶体，也可以是非晶体。,纳米技术是指与纳米材料制备、性能研究及其应用相关的技术。,30,2、纳米材料的发展与重要性,纳米材料是80年代初发展起来的新材料领域，它具有奇特的性能和广阔的应用前景，被誉为跨世纪的新材料，引起了科学界和企业界的极大关注。一些国家政府高度重视纳米材料，先后将其列入美国的“星球大战”、欧洲的“尤里卡”及日本的“高技术探索研究等高技术研究计划，发展迅速。我国也及时地编制“863”计划，对其进行跟踪和研究开发，国家火炬计划重点支持研究成果向生产力的转化，使纳米材料的研究开发取得了可喜的进展。,31,3、纳米材料的特性,纳米材料具有极佳的力学性能，如高强、高硬和良好的塑性。,纳米材料的表面效应和量子尺寸效应对纳米材料的光学特性有很大的影响。,纳米材料具有特殊的导电性，当晶粒尺寸达到纳米量级，金属会显示非金属特征。,纳米材料与常规材料在磁结构方面的很大差异，具有特殊磁学性能。,纳米材料的比表面积体积很大，因此它具有相当高的化学活性，在催化等，敏感和响应等性能方面显得尤为突出。,32,4、纳米材料的应用,纳料材料由于具有特异的光、电、磁、热、声、力、化学和生物学性能，广泛应用于宇航、国防工业、磁记录设备、计算机工程、环境保护、化工、医药、生物工程和核工业等领域。不仅在高科技领域有不可替代的作用，也为传统产业带来生机和活力。,（1）在结构材料中的应用,纳米CoWC的硬度提高一倍以上，且韧性和耐磨性均显著改善。,纳米氧化铝添加到氧化铝陶瓷中，显著地起到增强和增韧作用。,在硬度高的，耐磨涂层中添加纳米相，可进一步提高涂层的硬度和耐磨性能，并保持较高的韧性。,33,（2）在化工产品中的应用,纳米粒子表面积大、表面活性中心多，为做催化剂提供了必要的条件。如：利用纳米镍粉作为火箭固体燃料反应催化剂，燃烧效率可提高100倍3）在电子工业产品中的应用,纳米材料达到单畴临界尺寸，产生很高的矫顽力，可用于制成各种磁卡，用于信息存储系统。,纳米敏感材料,纳米电磁波、光波吸收材料,34,（4）在环保健康、医药卫生领域的应用,在传统表面涂层技术中，可以用纳米技术来加以改造，实现纳米材料复合涂层。,纳米材料涂层可以提高基体的腐蚀防护能力，达到表面修饰、装饰目的。,在油漆或涂料中加入纳米颗粒，可进一步提高其防护能力，能够耐大气，紫外线侵害，从而实现防降解，防变色等功效；,还可以在建材产品，如卫生洁具、室内空间、用具等中运用纳米材料涂层，产生杀菌、保洁效果。,35,二、新型碳材料,1、,石墨与金刚石,石墨原子结构图 金刚石晶体结构图,36,37,2、碳纤维,碳纤维是一种主要由碳元素组成的特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有碳素材料的特性，如耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各项异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，有很高的比强度。碳纤维是由含碳量较高、在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。,38,碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，做成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。碳纤维复合材料在高温条件下以及对材料强度、刚度、重量、疲劳度等有苛刻要求的应用领域具有很强的优势。碳纤维及其复合材料是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而发展起来的，在航空航天领域有着极其重要的应用。此外，还广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。,39,三 富勒烯,1985年，美国化学家史莫利与英国化学家科尔托利用激光照射石墨，使其蒸发而成碳灰。质谱分析发现，这些碳灰中含有两种不明物质，其分子量分别为碳的60倍与70倍，故将它们分别命名为 C60与C70。C60中20个正六边形和12个正五边形构成圆球形结构，共有60个顶点，分别由60个碳原子所占有，经证实它们属于碳的第三种同素异形体，命名为富勒烯,Fullerene）。,后来人们又发现了碳纳米管和洋葱状富勒烯。,40,41,碳纳米管,42,四、非晶材料,1、定义,非晶(amorphous)定义为不具有长程有序，即不具有10个以上的原子规则排列的固体物质。,2、性能特点,高强度、高硬度、高韧性,优良的物理、化学性能,3、应用,磁性器件、非晶态硅、非晶薄膜等,43,五、新型金属材料,它包括非晶态金属、新型合金及金属氢等。,非晶体金属是原子以杂乱无章的非晶态排列的金属。这种金属既不失去金属的固有特征，又有许多比晶态金属更可贵的特性。高强度、高硬度、高韧性及优良的物理、化学性能等。,新型合金主要指记忆合金、防振合金、超导合金等。记忆合金在外力作用下会产生形变，当把外力去掉，在一定温度下能回复原来的形状。,还有超导合金、硬质合金、贮氢合金和金属氢等。,44,六、新型高分子材料,1、高分子分离膜,主要有：离子交换膜、反渗透膜、气体分离膜、透过蒸发膜等。,2、磁性高分子材料,主要有：磁性塑料、磁性橡胶等。,3、光功能高分子材料,对光产生吸收、折射、散射、反射、透过等。,4、导电高分子材料,5、化学功能高分子材料,6、医用高分子材料,45,七、信息材料,信息材料的特点是要求高（超纯、超净、高精度）、专用性强、涉及面广、技术更新快。它可分为4种：,半导体材料。,信息记录材料。,敏感材料。指物理性质对电、光、声、力、热、磁以及气体有敏感的材料。,光导纤维。光导纤维主要用于通信，还广泛用于传感、测量、数据处理、医疗和照明等方面。,46,八、能源新材料,能源新材料是发展新能源及节约能源的关键。这类材料种类较多，当前引起世界各国重视的有：非晶硅薄膜。高温结构陶瓷。这类材料具有高强度、抗氧化、耐腐蚀等优点。当前世界发达国家正在大量应用结构陶瓷，使工业设备性能发生改变。例如，如果美国热能设备广泛采用结构陶瓷，其热效率可提高15%30%，由此每年可节省能源费近千亿美元。超导材料是有广阔发展前途的新材料。,47,九、生物材料,48,