《材料概论》PPT课件.ppt

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1、材材 料料 概概 论论四川大学材料科学与工程学院四川大学材料科学与工程学院张张 云云 副教授副教授85410272、66176186一、结构材料1.1 结构材料的性能v1.1.1 力学性能v （1）弹性与刚度v 材料受载荷作用时立即引起变形，当载荷去除，变形立即消失而恢复至原来形状的性能，称为弹性弹性。v 在弹性范围内，载荷与变形量成正比关系，其比例常数就是弹性模量弹性模量。v 拉伸弹性模量（E）、剪切弹性模量（G）可用来衡量材料抵抗弹性变形的能力，称为刚度刚度。v（2）强度）强度v 材料抵抗外力破坏的能力称为强度强度，用单位面积的受力大小表示，单位为MPa。v屈服强度屈服强度v抗拉强度、抗压

2、强度、抗弯强度、剪切强度抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、剪切强度v蠕变强度蠕变强度v持久强度持久强度v（3）塑性）塑性v 材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力称为塑性塑性。v 延伸率5的材料称为塑性材料塑性材料；v 5的材料称为脆性材料脆性材料。v（4）硬度）硬度v 材料抵抗其他物体压入其表面的性能称为硬度硬度。v 它表示材料表面抵抗局部塑性变形和破坏的能力。v（5）韧性与脆性）韧性与脆性v 材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力称为冲冲击韧性击韧性，或韧性韧性。单位J/cm2。v 材料受载荷作用时，不待改变形状就立即破坏的性能称为脆性脆性。v（6）疲劳）疲劳v 由于受大小（和方向）发生周期性重

3、复变化载荷的作用，使材料产生裂纹，裂纹逐渐发展而突然断裂，这就是材料的疲劳疲劳。v1.1.2 物理性能物理性能v（1）相对密度v 材料密度与水密度之比。v（2）熔点v（3）热膨胀系数v（4）导热率v1.1.3 化学性能化学性能v（1）耐蚀性v（2）抗氧化性1.2 金属材料金属材料v分类：分类：单质金属和金属合金两大类v1、钢铁v 碳钢、合金钢、铸铁v2、铜和铜合金v 纯铜、黄铜、青铜、白铜v3、铝与铝合金v 纯铝、铝合金v4、钛与钛合金v 钛、钛合金v特征特征：高导热v 高导电v 高强度和高韧性v 易成型加工v 但耐腐蚀和摩擦性能较差。1.3 有机高分子材料有机高分子材料v有机高分子材料：有机

4、高分子材料：是由CC共价键为基本结构的碳氢化合物高分子构成。v分类：分类：v1、工程塑料、工程塑料v 热塑性塑料、热固性塑料v2、橡胶塑料、橡胶塑料v特点：特点：重量轻、耐腐蚀、绝缘性好、易于成型加工v但强度、耐磨性和使用寿命较差。v常见工程塑料常见工程塑料v（a）聚乙烯（）聚乙烯（PE）v 低密度聚乙烯（LDPE）v 高密度聚乙烯（H DPE）v（b）聚氯乙烯（）聚氯乙烯（PVC）v 密度、强度、刚度及硬度均高于PE。加入少量添加剂时，可制得软硬两种PVC。v（c）聚丙烯（）聚丙烯（PP）v 质量最轻，耐热性好，绝缘性好，强度、刚度、硬度高。v（d）ABS塑料塑料v 聚丙烯晴（A）、丁二烯（

5、B）、苯乙烯（S）的三元共聚物。其含量可任意变化，制成各种树脂。v（e）聚酰胺（PA，尼龙或锦纶）v（f）聚甲醛（POM）v（g）聚碳酸脂（FC）v（h）聚四氟乙烯（PTFE，F4,塑料王）v（i）酚醛塑料（PF）v（j）环氧塑料（EP）二、新能源材料v1.概述v1.1 新能源材料的特点v（1）把原来使用的能源变为新能源v（2）提高储能和能量转化效果v 面临的问题v（1）资源的合理利用v（2）安全与环境保护v（3）材料规模生产的工艺v（4）材料的使用寿命v2.新型二次电池v2.1 Ni/MH镍氢二次电池镍氢二次电池v（1）工作原理）工作原理v正极：Ni(OH)2+OH NiOOH+H2O+ev

6、负极：M+H2O+e MH+OH v(2)电电极材料极材料v正极材料：正极材料：球形Ni(OH)2v负极材料：负极材料：AB5型稀土合金、AB2型合金、v AB型TiNi合金v2.2 锂离子二次电池锂离子二次电池v（1）工作原理）工作原理v正极：LiCoO2 CoO2+Li+ev负极：Li+e+C6 LiC6v电池反应：LiCoO2+C6 CoO2+LiC6v(2)电电极材料极材料v正极材料：正极材料：LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4v负极材料：负极材料：金属锂（65年/3400）、锂合金（71年/790）、碳材料（80年/372）、氧化物（95年/700）、纳米合金（1998年/2

7、000)v3.燃料电池燃料电池v 把化学能转化为电能的装置。把化学能转化为电能的装置。v第一代燃料电池：第一代燃料电池：磷酸型燃料电池，磷酸为电解质，容量达万千瓦级，电流密度200mA/cm2以上。成熟。v第二代燃料电池：第二代燃料电池：熔融碳酸盐型燃料电池，熔融碳酸盐为电解质，运行温度高，不需贵金属催化剂。有希望大规模生产。v第三代燃料电池：第三代燃料电池：固体氧化物型燃料电池，固态氧化物为电解质，是最有效率和万能的发电系统。有前景。三、环境材料v 所谓环境材料所谓环境材料，是指同时具有满意的使用性能和优良的环境协调性，或者能改善环境的材料。v 材料的环境友好加工v 传统材料的环境化v 金属

8、材料的环境化v 无机材料的环境化v 高分子材料的环境化v天然材料的加工和应用v绿色包装材料v绿色建材v环境净化、替代和修复材料v环境降解材料4.4.生物材料和生物医学材料生物材料和生物医学材料生物材料生物材料(Biomaterial)生物医学材料生物医学材料(Biomedical Material)其定义随科学技术的发展而演变其定义随科学技术的发展而演变生物材料生物材料 (Biomaterials)“植植入入活活体体内内或或与与活活体体结结合合而而设设计计的的与与活活体体系系统统不不起起药药物物反反应应的的惰惰性性物物质质”1960s，Clemson Univ.,USA特征特征：人造、非生命、

9、医用、生物相容人造、非生命、医用、生物相容4.1 4.1 生物材料和生物医学材料的定义生物材料和生物医学材料的定义最早的应用可追溯到公元前最早的应用可追溯到公元前3500年年 棉花纤维、马鬃缝合伤口棉花纤维、马鬃缝合伤口 古埃及，古埃及，木片修补颅骨缺损木片修补颅骨缺损 墨西哥印地安人墨西哥印地安人4.2 4.2 生物医学材料的发展生物医学材料的发展 木质及石质的假牙、假鼻、假耳木质及石质的假牙、假鼻、假耳木质及石质的假牙、假鼻、假耳木质及石质的假牙、假鼻、假耳 中国、埃及，中国、埃及，中国、埃及，中国、埃及，BC.2500BC.2500 黄金修补牙缺损黄金修补牙缺损黄金修补牙缺损黄金修补牙缺

10、损 中国、埃及、罗马，中国、埃及、罗马，中国、埃及、罗马，中国、埃及、罗马，BC.2000BC.2000据文献记载据文献记载 1588年，黄金板修复颚骨年，黄金板修复颚骨 1775年，金属内固定骨折年，金属内固定骨折 1809年，黄金种植牙年，黄金种植牙 1851年，天然硫化橡胶制作人工牙托及颚骨年，天然硫化橡胶制作人工牙托及颚骨 进进入入20世世纪纪，高高分分子子材材料料的的应应用用带带来来了生物医学材料的巨大发展了生物医学材料的巨大发展 1937年，年，PMMA用于牙科用于牙科 1940s，维尼龙用于血管修复，维尼龙用于血管修复 1958年，涤纶用于动脉修复年，涤纶用于动脉修复 1960s

11、，PMMA、UHMPE全髋关节全髋关节 自自20世世纪纪50年年代代，各各种种复复杂杂人人工工器器官官的的出出现现，标标志志着着生生物物医医学学材材料料及及人人工工关关节节的的发发展展进进入入了了新新的的阶阶段段生生物物医医学学材材料料学学科科与其它相关技术的交叉与渗透更趋深入与其它相关技术的交叉与渗透更趋深入 人人工工心心脏脏瓣瓣膜膜、人人工工肺肺、人人工工肾肾、人人工工心脏、人工胰心脏、人工胰 目目前前，生生物物医医学学材材料料和和人人工工器器官官所所占占世世界界医医疗疗器器械械市市场场份份额额已已接接近近60，1995年年产产值值超超过过700亿亿美美元元，年年增增长长率率持续保持在持续

12、保持在1520 我我国国生生物物医医学学材材料料产产业业基基础础薄薄弱弱，绝绝大大部部分分依依靠靠进进口口，目目前前巨巨大大的的社社会会需需求求与与薄薄弱弱的的研研究究开开发发及及产产业业基基础础形形成成尖尖锐的矛盾锐的矛盾 A、生物功能性、生物功能性 (Biofunctionability)B、生物相容性、生物相容性 (Biocompatibility)C、生物安全性、生物安全性 (Biological Safety)4.3 4.3 生物医学材料的基本性能要求生物医学材料的基本性能要求(1)(1)、无机生物医学材料、无机生物医学材料(2)(2)、金属及合金生物医学材料、金属及合金生物医学材料

13、(3)(3)、高分子生物医学材料、高分子生物医学材料(4)(4)、复合生物医学材料、复合生物医学材料(5)(5)、生物功能材料、生物功能材料4.4 4.4 4.4 4.4 生物医学材料的分类生物医学材料的分类生物医学材料的分类生物医学材料的分类 A A A A、按材料化学组份划分、按材料化学组份划分、按材料化学组份划分、按材料化学组份划分(1)(1)、天然生物医学材料、天然生物医学材料(2)(2)、合成生物医学材料、合成生物医学材料B B、按材料来源划分、按材料来源划分 根根据据无无机机生生物物医医学学材材料料的的应应用用特特征征，可以将其分为三种类型：可以将其分为三种类型：(1)(1)、接近惰性的生物陶瓷、接近惰性的生物陶瓷 (2)(2)、生物活性陶瓷、生物活性陶瓷 (3)(3)、可生物降解或可吸收的生物陶瓷、可生物降解或可吸收的生物陶瓷4.5 4.5 无机生物医学材料无机生物医学材料