《材料分类》课件.ppt

《《材料分类》课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《材料分类》课件.ppt（31页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、新材料技术新材料技术 材材 料：料：人类能用来制作有用物件的物质。人类能用来制作有用物件的物质。新材料：新材料：指最近发展或正在发展之中的具有比传统材料性能指最近发展或正在发展之中的具有比传统材料性能 更为优异的一类材料。更为优异的一类材料。历史分期：历史分期：新石器时代新石器时代 青铜器时代青铜器时代 以人类使用工具的材料划分以人类使用工具的材料划分 铁器时代铁器时代 硅时代硅时代 材料的分类材料的分类:使用性能使用性能力学性能力学性能 硬度硬度 强度强度 延展性延展性-结构材料结构材料 用于机械制造用于机械制造 工程建设工程建设 交通运输交通运输 能源能源-使用性能使用性能 光、光、电、热

2、、磁、声性能电、热、磁、声性能 功能材料功能材料 用于：激光用于：激光 通信通信 能源能源 生物工程生物工程-按按用途用途1按成分和特性按成分和特性金属材料金属材料陶瓷材料陶瓷材料高分子材料高分子材料复合材料复合材料纳米材料纳米材料按应用按应用对象对象信息材料信息材料能源材料建筑材料能源材料建筑材料生物材料生物材料航空航天材料航空航天材料2 一一、金属材料金属材料 1.传统金属材料传统金属材料 黑色金属黑色金属 钢铁及合金钢铁及合金 轻金属轻金属（d5g/cm3）铜铜.镍镍.银银 等等 有色金属有色金属 耐高温金属（熔点耐高温金属（熔点1857）铬铬.钼钼.钨钨 等等 低熔金属（熔点低熔金属（

3、熔点400）锡、铅、锡、铅、.鉍鉍 等等 贵金属贵金属 金金.铂等铂等 2.新型新型金属材料金属材料 (1)形状记忆合金形状记忆合金 金属或合金金属或合金 T1 (形状形状)1 恢复恢复 T2 (形状形状)23形状记忆合金记忆原理：形状记忆合金记忆原理：n在在有有些些材材料料中中，即即使使是是同同一一材材料料组组成成的的晶晶体体中中，也也可可能能存存在在不不同同的的晶晶体体结结构构，这这种种现现象象称称为为同同素素异构。金刚石和石墨就是炭的同素异构体。异构。金刚石和石墨就是炭的同素异构体。石墨的晶体结构石墨的晶体结构4铁铁也也有有两两种种不不同同的的基基本本晶晶体体结结构构，即即体体心心立立方

4、方铁铁和和面面心心立立方铁。方铁。这种由相同的原子这种由相同的原子 组成的不组成的不同的晶体结构，在材料学中又同的晶体结构，在材料学中又称为不同的称为不同的“相相”。体心立方铁和面心立方铁属体心立方铁和面心立方铁属不同的不同的“相相”，前者称为，前者称为-Fe(Fe(铁素体铁素体)，后者称为，后者称为-Fe(Fe(奥氏体奥氏体)。前者是常温下存在，而后者是高温下存在，它们在前者是常温下存在，而后者是高温下存在，它们在硬度、密度和塑性变形能力等性质上都不相同。硬度、密度和塑性变形能力等性质上都不相同。5n 人人们们利利用用同同一一种种成成分分的的材材料料可可以以有有不不同同的的“相相”，就就能能

5、演演出出一一幕幕幕幕“相相”变变戏戏，即即改改变变外外界界条条件件如如温温度度,使使材材料料由由一一种种晶晶体体结结构构变变成成另另一一种种晶晶体体结结构构，材材料料的的力力学学性性能能和和物物理理或或化化学学性性能能也也就就随随之之改改变变，当当温温度度恢恢复复时时材材料料的的晶晶体体结结构构也也恢复到原来的状态，性质也随之复原。恢复到原来的状态，性质也随之复原。n 在实际应用中，形状记忆合金就是利用一些在实际应用中，形状记忆合金就是利用一些材料的晶体结构的相互转变来开发其形状记忆功材料的晶体结构的相互转变来开发其形状记忆功能的。能的。6举例举例 金金镉镉 （Au-Cd)Au-Cd)镍镍钛钛

6、 (Ni-Ti)(Ni-Ti)铜铜金金锌锌 (Cu-Au-Zn)(Cu-Au-Zn)铜铜铝铝镍镍 (Cu-Al-Ni)(Cu-Al-Ni)特性特性 有确定的转变温度有确定的转变温度 镍镍-钛钛 40 40 超弹性超弹性 外力作用下外力作用下 形变形变 抗疲劳抗疲劳 回忆变形回忆变形500500万次不疲劳变形万次不疲劳变形 耐腐蚀耐腐蚀7 应用应用 1 1）记忆合金铆钉）记忆合金铆钉 2 2）紧固件）紧固件 3 3）卫星自展天线）卫星自展天线 （镍（镍 钛）钛）4 4）形状记忆合金发动机）形状记忆合金发动机 8紧固件紧固件 待连接管待连接管 室温下室温下形状记忆合金套管，内径比待连接管外径小约4

7、%液液N2中中 扩管约8%待连接管从两端插入待连接管从两端插入 室室温温 套 管收缩形成紧固 密封件9（2 2）储氢合金）储氢合金 气态气态-150 -150 大气压大气压 钢瓶钢瓶 储氢的传统方法储氢的传统方法 液态液态-253 253 液化液化 钢瓶钢瓶 储氢储氢 金属或合金金属或合金 能吸收能吸收 H H2 2 的金属或合金。的金属或合金。储氢金属或合金为什么能储存氢气？储氢金属或合金为什么能储存氢气？，氢元素较活泼，原子氢元素较活泼，原子半径半径又小，它又小，它很容易钻进金属空隙中去并和金属很容易钻进金属空隙中去并和金属 起化学反应生成金属氢化物。起化学反应生成金属氢化物。金属结构中存

8、在着很多空隙金属结构中存在着很多空隙10在储氢合金中，一个金属原子能与在储氢合金中，一个金属原子能与2-32-3个甚至个甚至更多个氢原子结合，生成金属氢化物。所以储氢合更多个氢原子结合，生成金属氢化物。所以储氢合金的储氢能力很强，金的储氢能力很强，典型的反应方程式如下所示：典型的反应方程式如下所示：(2/x)M +H2 =(2/x)MHx +Q X=1：2M +H2 =2 MH+Q X=2：M +H2 =MH 2+Q 一单位体积的储氢合金能储一单位体积的储氢合金能储存存1000130010001300单位体积的氢。单位体积的氢。11 在在储储氢氢合合金金中中，氢氢原原子子密密度度要要比比同同样

9、样温温度度和和压压力力条条件件下下的的气气态态氢氢大大 10001000倍倍，也也就就是是说说，相当于储存相当于储存10001000个大气压的高压氢气。个大气压的高压氢气。放热放热 金属（合金）金属（合金）+H2 储氢金属或合金储氢金属或合金 吸热吸热 一般储氢合金，吸收与氢气瓶储氢容量相一般储氢合金，吸收与氢气瓶储氢容量相等的氢气，其重量只有氢气瓶的等的氢气，其重量只有氢气瓶的1/31/3，而体积，而体积却不到氢气瓶的却不到氢气瓶的1/101/10。因此，用储氢合金储氢。因此，用储氢合金储氢是一种很理想的储氢手段。是一种很理想的储氢手段。12例例 镁系镁系 钛系钛系 储氢合金储氢合金 铁系铁

10、系 稀土稀土 应用应用 氢能汽车、高速飞机燃料氢能汽车、高速飞机燃料 传热介质传热介质镍氢电池镍氢电池紧急救生材料紧急救生材料13（3）非晶态合金）非晶态合金 晶态晶态 物质物质 内部质点排列有序内部质点排列有序 （普通金属普通金属）非晶态物质非晶态物质 内部质点排列无序内部质点排列无序 （玻玻 璃璃）非晶态非晶态合金合金 化学成分化学成分 金属或合金金属或合金 （金属（金属玻璃）玻璃）内部结构内部结构 玻璃态玻璃态 形成形成：熔融态熔融态合金合金 骤冷（每秒上百万度）骤冷（每秒上百万度）特点：特点：整体均匀整体均匀 各向同性各向同性 拉伸强度大拉伸强度大 硬度高硬度高 用途：用途：变压器、电

11、动机芯、光磁记录、变压器、电动机芯、光磁记录、超大规模集成电路板超大规模集成电路板14 二、陶瓷材料二、陶瓷材料 1.陶瓷材料陶瓷材料.传统陶瓷传统陶瓷 原料原料:天然矿物天然矿物(岩石、沙子、粘土、岩石、沙子、粘土、)制备制备：烧制烧制 例如例如 水泥、玻璃、砖瓦、耐火材料水泥、玻璃、砖瓦、耐火材料 新型（精细、先进）陶瓷新型（精细、先进）陶瓷 原料原料:精致、高纯的精致、高纯的 化工原料化工原料 制备制备:先进成型、烧结技术等制备工艺，具有优异性能先进成型、烧结技术等制备工艺，具有优异性能主要成分是硅酸盐，其耐热性低，易碎。主要成分是硅酸盐，其耐热性低，易碎。15 氧化物陶瓷氧化物陶瓷 氮

12、化物陶瓷氮化物陶瓷 碳化物陶瓷碳化物陶瓷 硼化物陶瓷硼化物陶瓷 硅化物陶瓷硅化物陶瓷特点：特点：电、磁、光、热等性能电、磁、光、热等性能用途：用途：通信、电子、自控、通信、电子、自控、集成电路集成电路 按化学成分按化学成分新型陶瓷分类新型陶瓷分类:按使用性能按使用性能结构陶瓷结构陶瓷功能陶瓷功能陶瓷特点特点:耐高温、超硬度、耐高温、超硬度、高高 强度、强度、耐磨损、耐磨损、抗腐蚀抗腐蚀用途：用途：能源、机械、冶金、能源、机械、冶金、宇航宇航 162.几种新型陶瓷材料几种新型陶瓷材料(1)高温结构陶瓷高温结构陶瓷 原料原料:氮化硅、碳化硅、氮化硅、碳化硅、制备制备:1700 烧结烧结 用途用途:

13、汽车、飞机发动机汽车、飞机发动机 陶瓷刀具陶瓷刀具 （超薄超薄）工作温度工作温度 1300 不水冷不水冷 重量轻重量轻17 (2)透明陶瓷透明陶瓷(光学陶瓷光学陶瓷)特点特点 光学性能优异光学性能优异 耐高温耐高温 (熔点熔点 2000 以上以上)用途用途 高压灯高压灯 （如高压鈉灯如高压鈉灯 工作温度工作温度 1200 寿命寿命12万小时）万小时）防弹玻璃防弹玻璃 (3)光导纤维光导纤维 (4)生物陶瓷生物陶瓷 特点特点:耐腐蚀、耐腐蚀、稳定性好稳定性好 用途用途:人体器官、组织修复、再造人体器官、组织修复、再造 三、三、高分子材料高分子材料 塑料、橡胶、纤维塑料、橡胶、纤维 高分子化合物高

14、分子化合物 制成的材料制成的材料 涂料、粘合剂涂料、粘合剂 填料、助剂填料、助剂 新型高分子材料新型高分子材料18新型高分子材料：新型高分子材料：在高分子链上引入有特殊功能的基团制成的材料在高分子链上引入有特殊功能的基团制成的材料 （1）生物高分子材料：）生物高分子材料：用途用途：修复、替代人体组织修复、替代人体组织 （2）吸水高分子材料：吸水高分子材料：高吸水、高保水高吸水、高保水 应用：应用：日常生活日常生活 纸巾纸巾 医疗卫生医疗卫生 血液吸收剂、人工玻璃体血液吸收剂、人工玻璃体 农农 业业 土壤保水剂土壤保水剂 工工 业业 干燥剂干燥剂 空气过滤器空气过滤器 密封材料密封材料 （3）导

15、电高分子材料：）导电高分子材料：如如 聚乙炔聚乙炔导电能力大于铜导电能力大于铜 电池电池 体积小体积小 可弯曲可弯曲 （4）光电导高分子材料光电导高分子材料 19 由两种或两种以上的组份材料组成的新材料。由两种或两种以上的组份材料组成的新材料。复合效应复合效应 保持原材料的特点保持原材料的特点 组份间取长补短组份间取长补短 协同形成优于原材料协同形成优于原材料的特性的特性 2.特点特点 强度高、重量轻、剛性大、强度高、重量轻、剛性大、抗疲劳、减振性、耐温性好抗疲劳、减振性、耐温性好3.构成及用途构成及用途 四、复合材料四、复合材料1.复合材料复合材料复合材料三要素复合材料三要素 基体材料基体材

16、料 增强剂增强剂 复合方式复合方式20 树脂基树脂基(高分子高分子)基体材料基体材料 金属基金属基 陶瓷基陶瓷基 粒子状粒子状 增强剂增强剂 纤维状纤维状 层状层状 聚脂树脂聚脂树脂 飞机、汽车、飞机、汽车、树脂基树脂基 (玻璃钢玻璃钢)玻璃纤维玻璃纤维 船舶、建筑船舶、建筑 结构结构 金属金属 复合复合 金属基金属基 耐热纤维耐热纤维 航空、航天航空、航天 复合方式复合方式 基体陶瓷基体陶瓷 Al2O3、SiO2、SiC、陶瓷基陶瓷基 增强纤维增强纤维 C、SiC、航空航天航空航天 功能功能 功能体功能体 换能、导电、导磁换能、导电、导磁 复合复合 基基 体体 屏蔽屏蔽 吸波材料吸波材料 增

17、强纤维增强纤维 隐形飞机隐形飞机 21五、电子、光电子、超导、纳米材料五、电子、光电子、超导、纳米材料 1.电子材料电子材料 半导体材料半导体材料 电子、微电子技术中使用的材料电子、微电子技术中使用的材料 介电材料介电材料 磁性材料磁性材料 压电材料压电材料 半导体材料半导体材料 晶体管、晶体管、集成电路集成电路 固体激光器、探测器固体激光器、探测器 单晶硅单晶硅 大规模集成电路基石大规模集成电路基石 砷化镓砷化镓 化合物半导体化合物半导体 性能优于硅性能优于硅 高速计算机高速计算机 激光光源激光光源222.光电子材料光电子材料 光电子半导体光电子半导体 光和电子共同参与传递信息的材料光和电子

18、共同参与传递信息的材料 光纤、液晶光纤、液晶 “十一十一五五”国家高技术研究发展计划（国家高技术研究发展计划（863计划）新材料计划）新材料技术领域重大项目技术领域重大项目“半导体照明工程半导体照明工程”2006年度课题申请年度课题申请指南指南 研究开发高效节能、长寿命的半导体照明产品是国家中长期科研究开发高效节能、长寿命的半导体照明产品是国家中长期科学和技术发展规划纲要（学和技术发展规划纲要（2006-20202006-2020年）工业节能优先主题的重要内年）工业节能优先主题的重要内容。容。“半导体照明工程半导体照明工程”项目在项目在“十一五十一五”的战略目标是：通过自主的战略目标是：通过自

19、主创新，突破白光照明部分核心专利，解决半导体照明市场急需的产业创新，突破白光照明部分核心专利，解决半导体照明市场急需的产业化关键技术，建立完善的技术创新体系与特色产业集群，完善半导体化关键技术，建立完善的技术创新体系与特色产业集群，完善半导体照明产业链，形成我国具有国际竞争力的半导体照明新兴产业。照明产业链，形成我国具有国际竞争力的半导体照明新兴产业。项目支持金额：项目支持金额：2.22.2亿元。亿元。23 应用：应用：超导发电机超导发电机 不产热、发电效率高不产热、发电效率高 超导输电超导输电 节电节电 磁悬浮列车磁悬浮列车 3.超导材料超导材料 超导超导：材料在一定低温下电阻突然变为零的现

20、象。材料在一定低温下电阻突然变为零的现象。低温超导低温超导 液氦液氦(He)4 K 高温超导高温超导 液氮液氮(N2)77 K 244.纳米材料纳米材料纳纳 米米 长度单位长度单位 1nm=10-9 m（十亿分之一米）（十亿分之一米）纳米颗粒纳米颗粒 尺寸在尺寸在 1100nm 之间的颗粒之间的颗粒 类型类型纳米颗粒与粉体纳米颗粒与粉体纳米碳管和一维纳米材料纳米碳管和一维纳米材料纳米薄膜纳米薄膜纳米块材纳米块材纳米材料纳米材料 是指材料的几何尺寸达到纳米级尺度水是指材料的几何尺寸达到纳米级尺度水 平并且具有特殊性能的材料。平并且具有特殊性能的材料。25奇特的光、电、磁、声、热、力学性质和化学性

21、质奇特的光、电、磁、声、热、力学性质和化学性质 空气空气纳米铜、纳米铝纳米铜、纳米铝燃烧燃烧（纳米金属粉（纳米金属粉 催化剂催化剂 杀菌剂）杀菌剂）熔点熔点 金金 1063纳米金纳米金330 银银纳米银纳米银100960.8（低温烧结制备合金或（低温烧结制备合金或 不互熔的金属冶炼成合金）不互熔的金属冶炼成合金）纳米颗粒纳米颗粒 光学性质光学性质 光吸收能力强光吸收能力强 半导体纳米颗粒在光照下可以发光半导体纳米颗粒在光照下可以发光 火箭燃料火箭燃料 炸药炸药26(1)纳米陶瓷纳米陶瓷(2)普通陶瓷普通陶瓷 硬、脆、易碎硬、脆、易碎(3)纳米陶瓷纳米陶瓷 坚韧、塑性、弯曲、耐磨坚韧、塑性、弯曲

22、、耐磨(4)汽车、高速列车汽车、高速列车几种纳米材料几种纳米材料27（2）纳米金属）纳米金属 强度为铁的强度为铁的12倍倍 纳米铁纳米铁:铁粉碎铁粉碎 6 nm 颗粒颗粒 压制压制 硬度硬度1001000倍倍 可任意弯曲可任意弯曲 弹性好弹性好（3）碳纳米管）碳纳米管 直径直径 理论理论 0.4 nm（国际（国际 0.7 nm,我国我国0.5 nm)性质性质:质量质量 同体积钢的同体积钢的 1/6 强度强度 钢的钢的100倍倍 导电导电 大于铜大于铜 制高能纤维制高能纤维 用途：用途：超微导线、超微开关超微导线、超微开关 纳米级电子线路纳米级电子线路 储氢储氢28纳米科技纳米科技 是指在纳米尺

23、度上研究物质的特性和相互作用，以及利是指在纳米尺度上研究物质的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。用这些特性的多学科交叉的科学和技术。纳米科技的最终目的是以原子和分子为起点，去制造具纳米科技的最终目的是以原子和分子为起点，去制造具有特殊功能的产品。有特殊功能的产品。扫描探针显微镜（扫描探针显微镜（SPM）是纳米科技重要的研究手段。）是纳米科技重要的研究手段。29纳米科技的重要意义纳米科技的重要意义1纳米科技将促使人类认知的革命纳米科技将促使人类认知的革命2纳米科技将引发一场新的工业革命纳米科技将引发一场新的工业革命30【复习思考题及习题】【复习思考题及习题】1何为新材料？材料有哪及种类分类方法？何为新材料？材料有哪及种类分类方法？2形形状状记记忆忆合合金金、储储氢氢合合金金属属于于哪哪一一类类材材料料？它它们们的的主要用途分别是什麽？主要用途分别是什麽？3新型高分子材料有什麽特殊的功能？试举例说明。新型高分子材料有什麽特殊的功能？试举例说明。4复合材料的特点是什麽？结构复合材料分几大类？复合材料的特点是什麽？结构复合材料分几大类？5什麽是超导材料？超导材料的特点和用途是什麽？什麽是超导材料？超导材料的特点和用途是什麽？6什麽是纳米材料？它的特点和用途是什麽？什麽是纳米材料？它的特点和用途是什麽？31