非金屬材料與新型材料簡(jiǎn)介

1、 謝亮謝亮 非金屬材料與新型材料非金屬材料與新型材料 4.1 4.1 高分子材料高分子材料 高分子化合物高分子化合物有機(jī)高分子化合物有機(jī)高分子化合物無(wú)機(jī)高分子化合物無(wú)機(jī)高分子化合物 有機(jī)高分子有天然的和合成的兩種有機(jī)高分子有天然的和合成的兩種.工程工程中使用的主要是人工合成的高分子聚合物中使用的主要是人工合成的高分子聚合物,簡(jiǎn)簡(jiǎn)稱高聚物稱高聚物 4.1.1 4.1.1 高聚物的人工合成高聚物的人工合成低分子化合物通過加聚反應(yīng)和縮聚反應(yīng)形成低分子化合物通過加聚反應(yīng)和縮聚反應(yīng)形成. 1、加聚反應(yīng)：一種或多種單體相互加成形成聚、加聚反應(yīng)：一種或多種單體相互加成形成聚合物的反應(yīng)。無(wú)低分子副產(chǎn)物生成。單

2、體為一種的合物的反應(yīng)。無(wú)低分子副產(chǎn)物生成。單體為一種的叫均加聚，如乙烯加聚成聚乙烯。單體為一種或兩叫均加聚，如乙烯加聚成聚乙烯。單體為一種或兩種以上的稱為共加聚。如種以上的稱為共加聚。如ABS工程塑料就是有丙烯工程塑料就是有丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三種單體共聚合成。腈、丁二烯和苯乙烯三種單體共聚合成。 2、縮聚反應(yīng)：一種或多種單體相互作用而形成、縮聚反應(yīng)：一種或多種單體相互作用而形成高聚物，同時(shí)析出新的低分子副產(chǎn)物的反應(yīng)。其單高聚物，同時(shí)析出新的低分子副產(chǎn)物的反應(yīng)。其單體是含有兩種或兩種以上活潑官能團(tuán)的低分子化合體是含有兩種或兩種以上活潑官能團(tuán)的低分子化合物。按照參加反應(yīng)的單體不同，縮聚反應(yīng)分為

3、均縮物。按照參加反應(yīng)的單體不同，縮聚反應(yīng)分為均縮聚和共縮聚兩種。酚醛樹脂（電木），聚酰胺（尼聚和共縮聚兩種。酚醛樹脂（電木），聚酰胺（尼龍），環(huán)氧樹脂等都是縮聚反應(yīng)產(chǎn)物。龍），環(huán)氧樹脂等都是縮聚反應(yīng)產(chǎn)物。 4.1.2 4.1.2 有機(jī)高分子材料的組成及性能特點(diǎn)有機(jī)高分子材料的組成及性能特點(diǎn)1、有機(jī)高分子材料的組成：、有機(jī)高分子材料的組成：基料基料:高聚物（樹脂、生橡膠），決定性能高聚物（樹脂、生橡膠），決定性能輔料輔料:(添加劑添加劑) 填充劑、增塑劑、軟化劑、填充劑、增塑劑、軟化劑、 固化劑、穩(wěn)定劑、防老化劑、固化劑、穩(wěn)定劑、防老化劑、 潤(rùn)滑劑、發(fā)泡劑、著色劑等潤(rùn)滑劑、發(fā)泡劑、著色劑等 改善

4、性能，補(bǔ)充性能改善性能，補(bǔ)充性能 2、有機(jī)高分子材料的性能特點(diǎn)：、有機(jī)高分子材料的性能特點(diǎn)：1）與金屬材料相比，性能特點(diǎn)：）與金屬材料相比，性能特點(diǎn)：A、比強(qiáng)度高：強(qiáng)度、比強(qiáng)度高：強(qiáng)度/密度密度B、高彈性和低彈性模量、高彈性和低彈性模量C、高耐磨性和低硬度、高耐磨性和低硬度 2）物理性能特點(diǎn)：）物理性能特點(diǎn)：A、電絕緣性優(yōu)良：共價(jià)鍵，不易電離，導(dǎo)電能、電絕緣性優(yōu)良：共價(jià)鍵，不易電離，導(dǎo)電能 力低力低B、耐熱性差：分子間力弱，受熱、受力易軟化、耐熱性差：分子間力弱，受熱、受力易軟化、 熔化熔化C、導(dǎo)熱性低：線膨脹系數(shù)是金屬的、導(dǎo)熱性低：線膨脹系數(shù)是金屬的3-4倍，機(jī)倍，機(jī) 械中會(huì)因膨脹變形過量，

5、引起開械中會(huì)因膨脹變形過量，引起開 裂，脫落，松動(dòng)等裂，脫落，松動(dòng)等 3）化學(xué)性能特點(diǎn)：）化學(xué)性能特點(diǎn)： 化學(xué)穩(wěn)定性高，在堿、酸、鹽中耐蝕性化學(xué)穩(wěn)定性高，在堿、酸、鹽中耐蝕性強(qiáng)，如聚四氟乙烯在沸騰的王水中仍很穩(wěn)定，強(qiáng)，如聚四氟乙烯在沸騰的王水中仍很穩(wěn)定，但某些高聚物在某些特定的溶劑和油中會(huì)發(fā)但某些高聚物在某些特定的溶劑和油中會(huì)發(fā)生軟化、熔脹等現(xiàn)象。生軟化、熔脹等現(xiàn)象。 4）有機(jī)高分子化合物的老化：）有機(jī)高分子化合物的老化： 高聚物在長(zhǎng)期的使用和存放過程中，由于外高聚物在長(zhǎng)期的使用和存放過程中，由于外界物理、化學(xué)及生物因素的影響（如熱、光、輻界物理、化學(xué)及生物因素的影響（如熱、光、輻射、氧和臭氧

6、、酸堿、微生物的作用等），使得射、氧和臭氧、酸堿、微生物的作用等），使得聚合物內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致聚合物的性聚合物內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致聚合物的性能隨時(shí)間延長(zhǎng)逐漸惡化，直至喪失使用功能，這能隨時(shí)間延長(zhǎng)逐漸惡化，直至喪失使用功能，這個(gè)過程成為老化。個(gè)過程成為老化。 橡膠：龜裂、變軟、變粘橡膠：龜裂、變軟、變粘 塑料：脫色、失去光澤、開裂塑料：脫色、失去光澤、開裂 防止方法：表面防護(hù)，抗老化劑防止方法：表面防護(hù)，抗老化劑 4.1.3 4.1.3 工程塑料工程塑料1、塑料的組成：、塑料的組成：基料基料:合成樹脂，對(duì)塑料性能起決定性作用合成樹脂，對(duì)塑料性能起決定性作用輔料輔料:(添加劑添加劑

7、) 填充劑、增塑劑、填充劑、增塑劑、 固化劑、固化劑、 穩(wěn)定劑（防老化劑）。此外還穩(wěn)定劑（防老化劑）。此外還 有阻燃劑、發(fā)泡劑、著色劑、抗有阻燃劑、發(fā)泡劑、著色劑、抗 靜電劑等靜電劑等 改善性能，補(bǔ)充性能改善性能，補(bǔ)充性能 2、塑料的分類：、塑料的分類：1）按樹脂的熱性能分為熱塑性塑料和熱固性塑料：）按樹脂的熱性能分為熱塑性塑料和熱固性塑料：（1） 為熱塑性塑料為熱塑性塑料 ：加熱時(shí)軟化、熔融、冷卻時(shí)：加熱時(shí)軟化、熔融、冷卻時(shí) 凝固，變硬，可反復(fù)進(jìn)行。如聚乙烯、聚氯凝固，變硬，可反復(fù)進(jìn)行。如聚乙烯、聚氯 乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺（尼龍）、乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺（尼龍）、 ABS、

8、聚甲醛、聚碳酸酯、聚砜、有機(jī)玻璃等。、聚甲醛、聚碳酸酯、聚砜、有機(jī)玻璃等。（2） 熱固性塑料：密網(wǎng)型分子鏈結(jié)構(gòu)。酚醛塑料、熱固性塑料：密網(wǎng)型分子鏈結(jié)構(gòu)。酚醛塑料、 氨基塑料、環(huán)氧樹脂、有機(jī)硅樹脂、不飽和氨基塑料、環(huán)氧樹脂、有機(jī)硅樹脂、不飽和 聚酯樹脂。不可再生使用。聚酯樹脂。不可再生使用。 2）按應(yīng)用范圍分為通用塑料，工程）按應(yīng)用范圍分為通用塑料，工程塑料和其他塑料（如耐熱塑料）：塑料和其他塑料（如耐熱塑料）：A、通用塑料：產(chǎn)量大，用途廣，價(jià)格低。聚乙烯、通用塑料：產(chǎn)量大，用途廣，價(jià)格低。聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、酚醛塑料聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、酚醛塑料B、工程塑料：主要用于制作

9、工程結(jié)構(gòu)，機(jī)器零件，、工程塑料：主要用于制作工程結(jié)構(gòu)，機(jī)器零件，工業(yè)容器和設(shè)備。有聚酰胺（尼龍）、工業(yè)容器和設(shè)備。有聚酰胺（尼龍）、ABS、聚甲、聚甲醛、聚碳酸酯醛、聚碳酸酯C、其他塑料：如耐熱塑料，工作溫度、其他塑料：如耐熱塑料，工作溫度100，有，有聚四氟乙烯（聚四氟乙烯（F-4）、聚三氟乙烯、環(huán)氧樹脂、有）、聚三氟乙烯、環(huán)氧樹脂、有機(jī)硅樹脂機(jī)硅樹脂 4.1.4 4.1.4 合成橡膠合成橡膠 1、橡膠的特性和應(yīng)用：、橡膠的特性和應(yīng)用：A 室溫下處于高彈態(tài)室溫下處于高彈態(tài)B 彈性模量低，只有彈性模量低，只有1-10MPaC 彈性變形量很大：彈性變形量很大：100-1000%D 具有優(yōu)良的伸縮

10、性和積儲(chǔ)能量的能力具有優(yōu)良的伸縮性和積儲(chǔ)能量的能力E 良好的耐磨性，隔音性，阻尼性和絕緣性良好的耐磨性，隔音性，阻尼性和絕緣性F 可做密封件，減震、防震件，傳動(dòng)件，運(yùn)可做密封件，減震、防震件，傳動(dòng)件，運(yùn)輸膠帶絕緣材料。輸膠帶絕緣材料。 2、橡膠的組成：、橡膠的組成：（1）生膠：未加配合劑的天然或合成的橡膠）生膠：未加配合劑的天然或合成的橡膠（2）配合劑：為提高和改善橡膠制品的各種）配合劑：為提高和改善橡膠制品的各種性能而加入的物質(zhì)稱為配合劑。性能而加入的物質(zhì)稱為配合劑。 硫化劑：相當(dāng)于固化劑，為硫磺和硫化物硫化劑：相當(dāng)于固化劑，為硫磺和硫化物 填料：提高力學(xué)性能，降低成本，主要是填料：提高力學(xué)

11、性能，降低成本，主要是碳黑，纖維，金屬絲，織品或金屬編織物等碳黑，纖維，金屬絲，織品或金屬編織物等 硫化促進(jìn)劑，增塑劑，防老化劑等。硫化促進(jìn)劑，增塑劑，防老化劑等。 3、常用橡膠、常用橡膠 ：按來(lái)源分為：天然橡膠按來(lái)源分為：天然橡膠NR和合成橡膠和合成橡膠按用途分為：通用橡膠和特種橡膠按用途分為：通用橡膠和特種橡膠 天然橡膠屬于通用橡膠，廣泛用于制造輪胎、膠帶、天然橡膠屬于通用橡膠，廣泛用于制造輪胎、膠帶、膠管等。常量最大的是丁苯橡膠膠管等。常量最大的是丁苯橡膠SBR，60-70%，發(fā)展最，發(fā)展最快的是順丁橡膠快的是順丁橡膠BR。 特種橡膠主要用于要求耐熱、耐寒、耐特種橡膠主要用于要求耐熱、耐

12、寒、耐蝕的特殊環(huán)境，價(jià)格較貴。蝕的特殊環(huán)境，價(jià)格較貴。 4.1.5 4.1.5 膠粘劑膠粘劑 膠粘劑是一種將同種或不同種材料粘膠粘劑是一種將同種或不同種材料粘合在一起，并在膠接面有足夠強(qiáng)度的物質(zhì)，合在一起，并在膠接面有足夠強(qiáng)度的物質(zhì)，它能起膠接、固定、密封、浸滲、補(bǔ)漏和它能起膠接、固定、密封、浸滲、補(bǔ)漏和修復(fù)的作用。修復(fù)的作用。 1、膠粘劑的組成：、膠粘劑的組成：（1）粘料：樹脂、橡膠、淀粉、蛋白質(zhì)等高分子）粘料：樹脂、橡膠、淀粉、蛋白質(zhì)等高分子材料；無(wú)機(jī)膠粘劑有硅酸鹽類，磷酸鹽類、陶瓷類材料；無(wú)機(jī)膠粘劑有硅酸鹽類，磷酸鹽類、陶瓷類（2）固化劑：胺、酸酐、咪唑。）固化劑：胺、酸酐、咪唑。（3）

13、該性劑：增塑劑、增韌劑、增粘劑、填料、）該性劑：增塑劑、增韌劑、增粘劑、填料、稀釋劑、穩(wěn)定劑、分散劑、偶聯(lián)劑、觸變劑，阻燃稀釋劑、穩(wěn)定劑、分散劑、偶聯(lián)劑、觸變劑，阻燃劑、抗老化劑、發(fā)泡劑、消泡劑、著色劑、防腐蝕劑、抗老化劑、發(fā)泡劑、消泡劑、著色劑、防腐蝕劑等，有利于膠粘劑的配制、儲(chǔ)存、加工工藝及性劑等，有利于膠粘劑的配制、儲(chǔ)存、加工工藝及性能等方面的改進(jìn)能等方面的改進(jìn) 2、膠粘劑的分類原則和表示方法：、膠粘劑的分類原則和表示方法：按應(yīng)用性能分為：按應(yīng)用性能分為：（1）結(jié)構(gòu)膠：強(qiáng)度要求較高）結(jié)構(gòu)膠：強(qiáng)度要求較高（2）非（半）結(jié)構(gòu)膠：強(qiáng)度要求較低）非（半）結(jié)構(gòu)膠：強(qiáng)度要求較低（3）密封膠：承受一定

14、壓力，不泄漏）密封膠：承受一定壓力，不泄漏（4）浸滲膠：填塞微孔沙眼，滲透性好）浸滲膠：填塞微孔沙眼，滲透性好（5）功能膠：具有導(dǎo)電、導(dǎo)磁、導(dǎo)熱、耐熱、耐超）功能膠：具有導(dǎo)電、導(dǎo)磁、導(dǎo)熱、耐熱、耐超低溫應(yīng)變及點(diǎn)焊膠接等，以及有特殊的固化反應(yīng)，低溫應(yīng)變及點(diǎn)焊膠接等，以及有特殊的固化反應(yīng)，如厭氧性、熱熔性、光敏性等如厭氧性、熱熔性、光敏性等 GB/T13553-1996 A B C被粘物材質(zhì)被粘物材質(zhì)膠粘劑的硬化方法膠粘劑的硬化方法膠粘劑的物理形態(tài)膠粘劑的物理形態(tài)膠粘劑的主要粘料膠粘劑的主要粘料 3、常用膠粘劑、常用膠粘劑 ：（1）結(jié)構(gòu)膠粘劑：該性環(huán)氧膠粘劑、該）結(jié)構(gòu)膠粘劑：該性環(huán)氧膠粘劑、該 性

15、酚醛樹脂膠粘劑、無(wú)機(jī)膠粘劑性酚醛樹脂膠粘劑、無(wú)機(jī)膠粘劑（2）非（半）結(jié)構(gòu)膠粘劑：聚氨酯膠粘）非（半）結(jié)構(gòu)膠粘劑：聚氨酯膠粘劑、丙烯酸酯膠、有機(jī)硅膠粘劑、橡膠膠劑、丙烯酸酯膠、有機(jī)硅膠粘劑、橡膠膠粘劑、熱熔膠粘劑、厭氧膠粘劑等粘劑、熱熔膠粘劑、厭氧膠粘劑等（3）密封膠粘劑：以合成樹脂或橡膠為）密封膠粘劑：以合成樹脂或橡膠為基料，防止?jié)B漏，機(jī)械松動(dòng)，沖擊損傷等，基料，防止?jié)B漏，機(jī)械松動(dòng)，沖擊損傷等，起密封作用。起密封作用。 4.2 4.2 陶瓷材料陶瓷材料 4.2.1 4.2.1 陶瓷的分類陶瓷的分類1 1、 普通陶瓷普通陶瓷 以天然硅酸鹽礦物如黏土、長(zhǎng)石、石以天然硅酸鹽礦物如黏土、長(zhǎng)石、石英、高

16、嶺土等為原料燒結(jié)而成的。有日用英、高嶺土等為原料燒結(jié)而成的。有日用陶瓷，衛(wèi)生瓷，建筑瓷，電工瓷，化工瓷陶瓷，衛(wèi)生瓷，建筑瓷，電工瓷，化工瓷等。等。 采用純度較高的人工合成原料，如氧采用純度較高的人工合成原料，如氧化物，氮化物，硅化物，硼化物，氟化物化物，氮化物，硅化物，硼化物，氟化物等制成的具有各種特殊力學(xué)，物理，化學(xué)等制成的具有各種特殊力學(xué)，物理，化學(xué)性能。性能。2、 特種陶瓷特種陶瓷 在工程結(jié)構(gòu)上使用的陶瓷。主要在高在工程結(jié)構(gòu)上使用的陶瓷。主要在高溫下使用，因此也稱為高溫陶瓷。具有在溫下使用，因此也稱為高溫陶瓷。具有在高溫下優(yōu)越的力學(xué)，物理和化學(xué)性能，在高溫下優(yōu)越的力學(xué)，物理和化學(xué)性能，在

17、某些科技場(chǎng)合和工作環(huán)境往往是唯一可用某些科技場(chǎng)合和工作環(huán)境往往是唯一可用的材料。有氧化鋁，氮化硅，碳化硅和增的材料。有氧化鋁，氮化硅，碳化硅和增韌氧化物等材料。韌氧化物等材料。3、 工程陶瓷工程陶瓷 利用陶瓷特有的物理性能制造出的用途各異利用陶瓷特有的物理性能制造出的用途各異的功能陶瓷材料。例如導(dǎo)電陶瓷，半導(dǎo)體陶瓷，的功能陶瓷材料。例如導(dǎo)電陶瓷，半導(dǎo)體陶瓷，壓電陶瓷，絕緣陶瓷，磁性陶瓷，光學(xué)陶瓷以及壓電陶瓷，絕緣陶瓷，磁性陶瓷，光學(xué)陶瓷以及利用某些精密陶瓷對(duì)聲，光，電，熱，磁，力，利用某些精密陶瓷對(duì)聲，光，電，熱，磁，力，濕度，射線及各種氣氛等信息顯示的敏感特性而濕度，射線及各種氣氛等信息顯示

18、的敏感特性而制得的各種陶瓷傳感器材料。制得的各種陶瓷傳感器材料。4、 功能陶瓷功能陶瓷 4.2.2 4.2.2 陶瓷的性能特點(diǎn)陶瓷的性能特點(diǎn) 同金屬材料相比，大多數(shù)陶瓷的硬度同金屬材料相比，大多數(shù)陶瓷的硬度高，彈性模量大，脆性大，幾乎沒有塑性，高，彈性模量大，脆性大，幾乎沒有塑性，抗拉強(qiáng)度低，抗壓強(qiáng)度高抗拉強(qiáng)度低，抗壓強(qiáng)度高 。1、 力學(xué)性能力學(xué)性能 熔點(diǎn)高，抗蠕變能力強(qiáng)，熱硬性可達(dá)熔點(diǎn)高，抗蠕變能力強(qiáng)，熱硬性可達(dá)1000 1000 。但陶瓷的熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)。但陶瓷的熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)小，承受溫度快速變化的能力差，在溫度小，承受溫度快速變化的能力差，在溫度劇變時(shí)會(huì)開裂。劇變時(shí)會(huì)開裂。2

19、、 熱性熱性能能 3、 化學(xué)性能化學(xué)性能 化學(xué)穩(wěn)定性高，有良好的抗氧化能化學(xué)穩(wěn)定性高，有良好的抗氧化能力，在強(qiáng)腐蝕介質(zhì)高溫共同作用下有良力，在強(qiáng)腐蝕介質(zhì)高溫共同作用下有良好的抗蝕性能。好的抗蝕性能。 4、 其他物理性能其他物理性能 大多數(shù)是電絕緣體，功能陶瓷材料具大多數(shù)是電絕緣體，功能陶瓷材料具有光、電、瓷、聲等特殊性能。有光、電、瓷、聲等特殊性能。 4.2.3 4.2.3 常用工程結(jié)構(gòu)陶瓷的常用工程結(jié)構(gòu)陶瓷的種類、性能和用途種類、性能和用途普通陶瓷普通陶瓷普通工業(yè)陶瓷普通工業(yè)陶瓷化工陶瓷化工陶瓷絕緣子，絕緣的機(jī)絕緣子，絕緣的機(jī)械支撐件，靜電紡械支撐件，靜電紡織導(dǎo)紗器織導(dǎo)紗器受力不大，工作溫受

20、力不大，工作溫度低的酸堿容器，度低的酸堿容器，反應(yīng)塔，管道反應(yīng)塔，管道 特種陶瓷特種陶瓷氧化鋁瓷氧化鋁瓷氧化硅瓷氧化硅瓷氮化硼瓷氮化硼瓷氧化鎂瓷氧化鎂瓷氧化鈹瓷氧化鈹瓷火花塞，軸承，密封環(huán)，刀具火花塞，軸承，密封環(huán)，刀具耐磨，耐腐蝕，耐高溫零件耐磨，耐腐蝕，耐高溫零件坩堝、絕緣零件，高溫軸承坩堝、絕緣零件，高溫軸承熔化高純度鈾、釷及其合金的坩堝熔化高純度鈾、釷及其合金的坩堝高溫絕緣電子元件，核反應(yīng)堆中子高溫絕緣電子元件，核反應(yīng)堆中子減速劑和反射材料，高頻電爐坩堝減速劑和反射材料，高頻電爐坩堝 4.3 4.3 復(fù)合材料復(fù)合材料 由兩種或多種不同性能的材料用由兩種或多種不同性能的材料用某種工藝方法

21、合成的多相材料。某種工藝方法合成的多相材料。 復(fù)合材料既保持組成材料各自的特性，有復(fù)合材料既保持組成材料各自的特性，有具有復(fù)合后的新特性，其性能往往超過組成材具有復(fù)合后的新特性，其性能往往超過組成材料的性能之和或平均值組成材料的種類、性能、料的性能之和或平均值組成材料的種類、性能、比例、形態(tài)不同，復(fù)合方法不同，會(huì)得到不同比例、形態(tài)不同，復(fù)合方法不同，會(huì)得到不同的強(qiáng)化效果。的強(qiáng)化效果。 4.3.1 4.3.1 復(fù)合材料的分類復(fù)合材料的分類 以高分子材料、陶瓷材料、金屬材料為以高分子材料、陶瓷材料、金屬材料為基體，以粒子、纖維和片狀為增強(qiáng)體組成?；w，以粒子、纖維和片狀為增強(qiáng)體組成。 按基體材料的

22、不同可將復(fù)合材料分為兩類：非按基體材料的不同可將復(fù)合材料分為兩類：非金屬基復(fù)合材料（塑料基、橡膠基、陶瓷基等）和金屬基復(fù)合材料（塑料基、橡膠基、陶瓷基等）和金屬基復(fù)合材料（如鋁基、銅基等）。金屬基復(fù)合材料（如鋁基、銅基等）。 按增強(qiáng)材料的不同可將復(fù)合材料分為三類：按增強(qiáng)材料的不同可將復(fù)合材料分為三類：纖維增強(qiáng)橡膠（橡膠輪胎、傳動(dòng)皮帶）、纖纖維增強(qiáng)橡膠（橡膠輪胎、傳動(dòng)皮帶）、纖維增強(qiáng)塑料（如玻璃鋼）；維增強(qiáng)塑料（如玻璃鋼）；顆粒增強(qiáng)復(fù)合材顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料（如金屬陶瓷、燒結(jié)彌散硬化合金等）；料（如金屬陶瓷、燒結(jié)彌散硬化合金等）；疊層復(fù)合材料，如雙層金屬（巴氏合金疊層復(fù)合材料，如雙層金屬（巴氏合金鋼

23、雙鋼雙金屬滑動(dòng)軸承材料）等。金屬滑動(dòng)軸承材料）等。 4.3.2 4.3.2 復(fù)合材料的性能特點(diǎn)復(fù)合材料的性能特點(diǎn)1 1、比模量高、比強(qiáng)度大、比模量高、比強(qiáng)度大 比模量是彈性模量與密度之比；比強(qiáng)度是抗拉比模量是彈性模量與密度之比；比強(qiáng)度是抗拉強(qiáng)度和密度之比。實(shí)質(zhì)是單位質(zhì)量所提供的變形抗強(qiáng)度和密度之比。實(shí)質(zhì)是單位質(zhì)量所提供的變形抗力和承載能力，這對(duì)要求自重小，運(yùn)轉(zhuǎn)速度高的結(jié)力和承載能力，這對(duì)要求自重小，運(yùn)轉(zhuǎn)速度高的結(jié)構(gòu)零件很重要。構(gòu)零件很重要。 由于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料對(duì)缺口、應(yīng)力集中敏感小，由于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料對(duì)缺口、應(yīng)力集中敏感小，纖維纖維-基體界面能阻止疲勞裂紋擴(kuò)展，使裂紋擴(kuò)展改變基體界面能阻止

24、疲勞裂紋擴(kuò)展，使裂紋擴(kuò)展改變方向。實(shí)驗(yàn)測(cè)定表明，碳纖維復(fù)合材料的疲勞極限可方向。實(shí)驗(yàn)測(cè)定表明，碳纖維復(fù)合材料的疲勞極限可達(dá)抗拉強(qiáng)度的達(dá)抗拉強(qiáng)度的70-80%，而金屬的疲勞極限只有其抗，而金屬的疲勞極限只有其抗拉強(qiáng)度的一半左右。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中有大量獨(dú)立拉強(qiáng)度的一半左右。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中有大量獨(dú)立的纖維，平均每平方厘米面積上有幾千到幾萬(wàn)根，當(dāng)?shù)睦w維，平均每平方厘米面積上有幾千到幾萬(wàn)根，當(dāng)少數(shù)纖維斷裂后載荷就會(huì)重新分配到其它未破斷的纖少數(shù)纖維斷裂后載荷就會(huì)重新分配到其它未破斷的纖維上使構(gòu)件不致發(fā)生突然破壞。維上使構(gòu)件不致發(fā)生突然破壞。2、良好的抗疲勞和破斷安全性、良好的抗疲勞和破斷安全性 3、

25、優(yōu)良的高溫性能、優(yōu)良的高溫性能 大多數(shù)增強(qiáng)纖維在高溫下仍保持高的強(qiáng)大多數(shù)增強(qiáng)纖維在高溫下仍保持高的強(qiáng)度，用其增強(qiáng)金屬和樹脂時(shí)能顯著提高高溫度，用其增強(qiáng)金屬和樹脂時(shí)能顯著提高高溫性能。例如鋁合金在性能。例如鋁合金在400時(shí)彈性模量大幅時(shí)彈性模量大幅度下降，強(qiáng)度也顯著降低，而用碳纖維增強(qiáng)度下降，強(qiáng)度也顯著降低，而用碳纖維增強(qiáng)后，在此溫度下彈性模量可基本保持不變。后，在此溫度下彈性模量可基本保持不變。 4.3.3 4.3.3 復(fù)合材料的應(yīng)用復(fù)合材料的應(yīng)用1、玻璃纖維、玻璃纖維-樹脂復(fù)合材料樹脂復(fù)合材料 以玻璃纖維和熱塑性樹脂復(fù)合的玻璃纖維增強(qiáng)以玻璃纖維和熱塑性樹脂復(fù)合的玻璃纖維增強(qiáng)材料比普通塑料具有

26、更高的強(qiáng)度和沖擊韌度。玻璃材料比普通塑料具有更高的強(qiáng)度和沖擊韌度。玻璃纖維和塑料基體組成的復(fù)合材料通常叫做玻璃鋼。纖維和塑料基體組成的復(fù)合材料通常叫做玻璃鋼。按所用基體可分為熱固性玻璃鋼（以環(huán)氧樹脂、酚按所用基體可分為熱固性玻璃鋼（以環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等為基體）和熱塑性玻璃鋼（以尼龍，聚苯醛樹脂等為基體）和熱塑性玻璃鋼（以尼龍，聚苯乙烯等為基體）兩種。強(qiáng)度較高，接近或超過銅鋁乙烯等為基體）兩種。強(qiáng)度較高，接近或超過銅鋁合金，而密度只有鋼的合金，而密度只有鋼的1/4-1/5。因此其比強(qiáng)度。因此其比強(qiáng)度甚至高于合金鋼。此外，還具有良好的耐蝕性。甚至高于合金鋼。此外，還具有良好的耐蝕性。 2、碳纖維

27、、碳纖維-樹脂復(fù)合材料樹脂復(fù)合材料 碳纖維通常和碳纖維通常和 環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚四氟環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚四氟乙烯等組成復(fù)合材料。它在保持了玻璃鋼許多性能乙烯等組成復(fù)合材料。它在保持了玻璃鋼許多性能優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，還有一些優(yōu)異的性能。它的強(qiáng)度和優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，還有一些優(yōu)異的性能。它的強(qiáng)度和彈性模量都高于鋁合金，接近高強(qiáng)度鋼；它的密度彈性模量都高于鋁合金，接近高強(qiáng)度鋼；它的密度比玻璃鋼還小，因此比強(qiáng)度和比模量在現(xiàn)有復(fù)合材比玻璃鋼還小，因此比強(qiáng)度和比模量在現(xiàn)有復(fù)合材料中居第一位。此外，它還有優(yōu)良的耐磨、減摩及料中居第一位。此外，它還有優(yōu)良的耐磨、減摩及自潤(rùn)滑、耐蝕、耐熱等優(yōu)點(diǎn)。在機(jī)械工業(yè)中，碳纖自

28、潤(rùn)滑、耐蝕、耐熱等優(yōu)點(diǎn)。在機(jī)械工業(yè)中，碳纖維復(fù)合材料可用作承載零件和耐磨零件，如齒輪、維復(fù)合材料可用作承載零件和耐磨零件，如齒輪、連桿、活塞和軸承等。它也可用作耐蝕化工零件，連桿、活塞和軸承等。它也可用作耐蝕化工零件，如容器、管道、泵等。如容器、管道、泵等。 4.4 4.4 其它新型材料其它新型材料4.4.1 4.4.1 高溫材料高溫材料 在在600,600,甚至甚至1000 1000 以上能滿足工作要求的材料以上能滿足工作要求的材料, ,可承受可承受較高的應(yīng)力及具有相應(yīng)的使用壽命較高的應(yīng)力及具有相應(yīng)的使用壽命. .應(yīng)用于鍋爐、蒸汽機(jī)、石應(yīng)用于鍋爐、蒸汽機(jī)、石油化工用各種高溫物理化學(xué)反應(yīng)裝置、

29、原子反應(yīng)堆的熱交換器、油化工用各種高溫物理化學(xué)反應(yīng)裝置、原子反應(yīng)堆的熱交換器、噴氣渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和航天部件。噴氣渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和航天部件。 高溫合金主要有鐵基高溫合金、鎳基高溫合金和高溫陶瓷高溫合金主要有鐵基高溫合金、鎳基高溫合金和高溫陶瓷材料等。新型高溫合金主要有定向凝固高溫合金、單晶高溫合材料等。新型高溫合金主要有定向凝固高溫合金、單晶高溫合金、粉末冶金高溫合金、快速凝固高溫合金、金屬間化合物高金、粉末冶金高溫合金、快速凝固高溫合金、金屬間化合物高溫合金和其它難熔金屬高溫合金等。溫合金和其它難熔金屬高溫合金等。 4.4.2 4.4.2 形狀記憶材料形狀記憶材料 1963年，美國(guó)海軍一個(gè)研究所奉命研

30、制一種年，美國(guó)海軍一個(gè)研究所奉命研制一種新式裝備。在一次試驗(yàn)中他們需要一些鎳新式裝備。在一次試驗(yàn)中他們需要一些鎳- 鈦合金鈦合金絲，然而當(dāng)他們將合金絲領(lǐng)回來(lái)時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)這些鎳絲，然而當(dāng)他們將合金絲領(lǐng)回來(lái)時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)這些鎳鈦合金絲是彎彎曲曲的，使用起來(lái)不方便。于是他鈦合金絲是彎彎曲曲的，使用起來(lái)不方便。于是他們就將這些細(xì)絲一根根地拉直，并用在試驗(yàn)中。在們就將這些細(xì)絲一根根地拉直，并用在試驗(yàn)中。在試驗(yàn)過程中，奇怪的現(xiàn)象出現(xiàn)了：當(dāng)溫度升到一定試驗(yàn)過程中，奇怪的現(xiàn)象出現(xiàn)了：當(dāng)溫度升到一定值的時(shí)候，這些已經(jīng)被拉得直直的鎳鈦合金絲，突值的時(shí)候，這些已經(jīng)被拉得直直的鎳鈦合金絲，突然又全部恢復(fù)到原來(lái)彎彎曲曲的形狀

31、，而且絲毫不然又全部恢復(fù)到原來(lái)彎彎曲曲的形狀，而且絲毫不差，和原來(lái)一模一樣。差，和原來(lái)一模一樣。 所謂形狀記憶效應(yīng)是指某些合金材料在一定條所謂形狀記憶效應(yīng)是指某些合金材料在一定條件下，雖經(jīng)變形但仍然能夠恢復(fù)到變形前原始形狀的件下，雖經(jīng)變形但仍然能夠恢復(fù)到變形前原始形狀的能力。目前發(fā)現(xiàn)的有能力。目前發(fā)現(xiàn)的有“記憶記憶”能力的金屬都是合金，能力的金屬都是合金，是通過人工的方法由幾種不同金屬混合而成的一類金是通過人工的方法由幾種不同金屬混合而成的一類金屬。在這種金屬里，金屬原子是按一定的方式排列起屬。在這種金屬里，金屬原子是按一定的方式排列起來(lái)的，而且這些金屬原子有一個(gè)特點(diǎn)就是當(dāng)受到一定來(lái)的，而且這

32、些金屬原子有一個(gè)特點(diǎn)就是當(dāng)受到一定的外力時(shí)，它們可以離開自己原來(lái)的位置而的外力時(shí)，它們可以離開自己原來(lái)的位置而“遷居遷居”到鄰近的另一個(gè)地方去暫時(shí)到鄰近的另一個(gè)地方去暫時(shí)“借住借住”。這個(gè)過程，也。這個(gè)過程，也就是金屬做成的物體發(fā)生形變的過程。而當(dāng)我們將這就是金屬做成的物體發(fā)生形變的過程。而當(dāng)我們將這金屬加溫后，由于獲得了一定的能量，這種金屬里的金屬加溫后，由于獲得了一定的能量，這種金屬里的原子又從原子又從“借住借住”的地方的地方“搬回搬回”原來(lái)的原來(lái)的“家家”去住。去住。 形狀記憶合金的可貴之處，在于它是一種無(wú)疲形狀記憶合金的可貴之處，在于它是一種無(wú)疲勞的材料，這種勞的材料，這種“回憶回憶”

33、“變形變形”的本領(lǐng)可以的本領(lǐng)可以反復(fù)使用反復(fù)使用 500萬(wàn)次而不產(chǎn)生疲勞斷裂，而且它恢萬(wàn)次而不產(chǎn)生疲勞斷裂，而且它恢復(fù)原狀幾乎可以達(dá)到復(fù)原狀幾乎可以達(dá)到100，即和原來(lái)一模一樣。，即和原來(lái)一模一樣。 開發(fā)成功的形狀記憶合金有開發(fā)成功的形狀記憶合金有Ti-Ni基形狀記憶基形狀記憶合金、銅基形狀記憶合金、鐵基形狀記憶合金等。合金、銅基形狀記憶合金、鐵基形狀記憶合金等。 （1）單程記憶效應(yīng)）單程記憶效應(yīng) 形狀記憶合金在較低的溫度下變形，加熱后形狀記憶合金在較低的溫度下變形，加熱后可恢復(fù)變形前的形狀，這種只在加熱過程中存在的可恢復(fù)變形前的形狀，這種只在加熱過程中存在的形狀記憶現(xiàn)象稱為單程記憶效應(yīng)。形狀

34、記憶現(xiàn)象稱為單程記憶效應(yīng)。（2）雙程記憶效應(yīng)）雙程記憶效應(yīng) 某些合金加熱時(shí)恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時(shí)又某些合金加熱時(shí)恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時(shí)又能恢復(fù)低溫相形狀，稱為雙程記憶效應(yīng)。能恢復(fù)低溫相形狀，稱為雙程記憶效應(yīng)。（3）全程記憶效應(yīng)）全程記憶效應(yīng) 加熱時(shí)恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時(shí)變?yōu)樾螤钕嗉訜釙r(shí)恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時(shí)變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏叵嘈螤?，稱為全程記憶效應(yīng)。同而取向相反的低溫相形狀，稱為全程記憶效應(yīng)。形狀記憶合金可以分為三種形狀記憶合金可以分為三種 1) 阿波羅登月艙帶到月球上的環(huán)形天線，就阿波羅登月艙帶到月球上的環(huán)形天線，就是用極薄的記憶合金材料先在正常情況下按預(yù)定是用極薄的記憶合金材料先

35、在正常情況下按預(yù)定要求做好，然后降低溫度把它壓成一團(tuán)，裝進(jìn)登要求做好，然后降低溫度把它壓成一團(tuán)，裝進(jìn)登月艙帶上天去。放到月面上以后，在陽(yáng)光照射下月艙帶上天去。放到月面上以后，在陽(yáng)光照射下溫度升高，當(dāng)達(dá)到轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，天線又溫度升高，當(dāng)達(dá)到轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，天線又“記記”起起了自己的本來(lái)面貌，變成一個(gè)巨大的半球形。了自己的本來(lái)面貌，變成一個(gè)巨大的半球形。 形狀記憶合金主要用途形狀記憶合金主要用途 2) 記憶合金已用于管道結(jié)合和自動(dòng)化控制方面，記憶合金已用于管道結(jié)合和自動(dòng)化控制方面，用記憶合金制成套管可以代替焊接，方法是在低溫時(shí)用記憶合金制成套管可以代替焊接，方法是在低溫時(shí)將管端內(nèi)全擴(kuò)大約將管端內(nèi)全擴(kuò)大約

36、 4，裝配時(shí)套接一起，一經(jīng)加熱，裝配時(shí)套接一起，一經(jīng)加熱，套管收縮恢復(fù)原形，形成緊密的接合。美國(guó)海軍飛機(jī)套管收縮恢復(fù)原形，形成緊密的接合。美國(guó)海軍飛機(jī)的液壓系統(tǒng)使用了的液壓系統(tǒng)使用了10萬(wàn)個(gè)這種接頭，多年來(lái)從未發(fā)萬(wàn)個(gè)這種接頭，多年來(lái)從未發(fā)生漏油和破損。船艦和海底油田管道損壞，用記憶合生漏油和破損。船艦和海底油田管道損壞，用記憶合金配件修復(fù)起來(lái)，十分方便。在一些施工不便的部位，金配件修復(fù)起來(lái)，十分方便。在一些施工不便的部位，用記憶合金制成銷釘，裝入孔內(nèi)加熱，其尾端自動(dòng)分用記憶合金制成銷釘，裝入孔內(nèi)加熱，其尾端自動(dòng)分開卷曲，形成單面裝配件。開卷曲，形成單面裝配件。 形狀記憶合金液壓系統(tǒng)管接頭形狀記

37、憶合金液壓系統(tǒng)管接頭 3) 記憶合金特別適合于熱機(jī)械和恒溫自動(dòng)記憶合金特別適合于熱機(jī)械和恒溫自動(dòng)控制，已制成室溫自動(dòng)開閉臂，能在陽(yáng)光照耀的控制，已制成室溫自動(dòng)開閉臂，能在陽(yáng)光照耀的白天打開通風(fēng)窗，晚間室溫下降時(shí)自動(dòng)關(guān)閉。記白天打開通風(fēng)窗，晚間室溫下降時(shí)自動(dòng)關(guān)閉。記憶合金熱機(jī)的設(shè)計(jì)方案也不少，它們都能在具有憶合金熱機(jī)的設(shè)計(jì)方案也不少，它們都能在具有低溫差的兩種介質(zhì)間工作，從而為利用工業(yè)冷卻低溫差的兩種介質(zhì)間工作，從而為利用工業(yè)冷卻水、核反應(yīng)堆余熱、海洋溫差和太陽(yáng)能開辟了新水、核反應(yīng)堆余熱、海洋溫差和太陽(yáng)能開辟了新途徑?，F(xiàn)在普遍存在的問題是效率不高，只有途徑?，F(xiàn)在普遍存在的問題是效率不高，只有 4

38、6，有待于進(jìn)一步改進(jìn)。，有待于進(jìn)一步改進(jìn)。 4）通用汽車?yán)眯螤钣洃浐辖饘?shí)現(xiàn)可動(dòng)把手）通用汽車?yán)眯螤钣洃浐辖饘?shí)現(xiàn)可動(dòng)把手 美國(guó)通用汽車發(fā)表了該公司研發(fā)中心利美國(guó)通用汽車發(fā)表了該公司研發(fā)中心利用具有形狀記憶功能的合金及樹脂替代馬達(dá)用具有形狀記憶功能的合金及樹脂替代馬達(dá)的應(yīng)用示例。該公司一直在研究當(dāng)溫度、受的應(yīng)用示例。該公司一直在研究當(dāng)溫度、受力、受熱及電壓等影響時(shí)，形狀、強(qiáng)度及剛力、受熱及電壓等影響時(shí)，形狀、強(qiáng)度及剛性等發(fā)生變化的材料，作為其中的一例，此性等發(fā)生變化的材料，作為其中的一例，此次介紹了把手、格柵片及氣壩。次介紹了把手、格柵片及氣壩。 新開發(fā)的汽車把手使用施加電壓后形狀可發(fā)生變新開

39、發(fā)的汽車把手使用施加電壓后形狀可發(fā)生變化的形狀記憶合金，在不使用馬達(dá)的情況下實(shí)現(xiàn)了旋化的形狀記憶合金，在不使用馬達(dá)的情況下實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。其機(jī)制是：一般情況下，把手處于折疊狀態(tài)，轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。其機(jī)制是：一般情況下，把手處于折疊狀態(tài)，在上下車時(shí)，通過按下車門按鈕、打開車門來(lái)施加電在上下車時(shí)，通過按下車門按鈕、打開車門來(lái)施加電壓，由此使把手打開，從而實(shí)現(xiàn)輕松的抓扶。壓，由此使把手打開，從而實(shí)現(xiàn)輕松的抓扶。 格柵片使用形狀記憶合金，可利用形狀記憶合格柵片使用形狀記憶合金，可利用形狀記憶合金的變形來(lái)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的：熱機(jī)時(shí)打開格柵片，可縮金的變形來(lái)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的：熱機(jī)時(shí)打開格柵片，可縮短熱機(jī)時(shí)間；在行駛時(shí)關(guān)閉格柵片，

40、可減小進(jìn)入發(fā)短熱機(jī)時(shí)間；在行駛時(shí)關(guān)閉格柵片，可減小進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)室的空氣流量，從而減小空氣阻力。動(dòng)機(jī)室的空氣流量，從而減小空氣阻力。 氣壩在高速行駛氣壩在高速行駛時(shí)可調(diào)整車輛下部及時(shí)可調(diào)整車輛下部及車輪周圍產(chǎn)生的空氣車輪周圍產(chǎn)生的空氣亂流，從而起到提高亂流，從而起到提高燃效的效果。不過，在低速行駛時(shí)，下側(cè)突出的氣燃效的效果。不過，在低速行駛時(shí)，下側(cè)突出的氣壩擋板容易碰到路面突起及冰雪等物體，時(shí)常會(huì)受壩擋板容易碰到路面突起及冰雪等物體，時(shí)常會(huì)受到損傷。因此此次在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中使用了形狀記憶合到損傷。因此此次在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中使用了形狀記憶合金、嵌入了根據(jù)行駛速度等提高擋板的機(jī)構(gòu)。金、嵌入了根據(jù)行駛速度等提高擋

41、板的機(jī)構(gòu)。 5) 記憶合金在醫(yī)療上的應(yīng)用記憶合金在醫(yī)療上的應(yīng)用 。例如接骨用的。例如接骨用的骨板，不但能將兩段斷骨固定，而且在恢復(fù)原形狀骨板，不但能將兩段斷骨固定，而且在恢復(fù)原形狀的過程中產(chǎn)生壓縮力，迫使斷骨接合在一起。齒科的過程中產(chǎn)生壓縮力，迫使斷骨接合在一起。齒科用的矯齒絲，結(jié)扎腦動(dòng)脈瘤和輸精管的長(zhǎng)夾，脊柱用的矯齒絲，結(jié)扎腦動(dòng)脈瘤和輸精管的長(zhǎng)夾，脊柱矯直用的支板等，都是在植入人體內(nèi)后靠體溫的作矯直用的支板等，都是在植入人體內(nèi)后靠體溫的作用啟動(dòng)，血栓濾器也是一種記憶合金新產(chǎn)品。被拉用啟動(dòng)，血栓濾器也是一種記憶合金新產(chǎn)品。被拉直的濾器植入靜脈后，會(huì)逐漸恢復(fù)成網(wǎng)狀，從而阻直的濾器植入靜脈后，會(huì)逐

42、漸恢復(fù)成網(wǎng)狀，從而阻止止 95的凝血塊流向心臟和肺部。的凝血塊流向心臟和肺部。 醫(yī)療器械產(chǎn)品醫(yī)療器械產(chǎn)品 4.4.3 4.4.3 非晶態(tài)材料非晶態(tài)材料 某些金屬熔體，以極快的速率急劇冷卻，例如某些金屬熔體，以極快的速率急劇冷卻，例如每秒鐘冷卻溫度大于每秒鐘冷卻溫度大于100萬(wàn)度，則可得到一種嶄新萬(wàn)度，則可得到一種嶄新的材料。由于冷卻極快，高溫下液態(tài)時(shí)原子的無(wú)序的材料。由于冷卻極快，高溫下液態(tài)時(shí)原子的無(wú)序狀態(tài)，被迅速狀態(tài)，被迅速“凍結(jié)凍結(jié)”而形成無(wú)定形的固體，這稱而形成無(wú)定形的固體，這稱為非晶態(tài)金屬；因其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與玻璃相似，故又稱為非晶態(tài)金屬；因其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與玻璃相似，故又稱金屬玻璃。從結(jié)構(gòu)上講非

43、晶態(tài)金屬與普通玻璃相近。金屬玻璃。從結(jié)構(gòu)上講非晶態(tài)金屬與普通玻璃相近。 1960年，美國(guó)科學(xué)家皮年，美國(guó)科學(xué)家皮 杜威等首先發(fā)現(xiàn)某些杜威等首先發(fā)現(xiàn)某些貴金屬合金（如金貴金屬合金（如金-硅合金）在超快速冷卻（冷卻速硅合金）在超快速冷卻（冷卻速度達(dá)度達(dá)100萬(wàn)度每秒）情況下可凝固成非晶態(tài)合金。萬(wàn)度每秒）情況下可凝固成非晶態(tài)合金。 非晶態(tài)的合金有兩大類；一類是金屬之非晶態(tài)的合金有兩大類；一類是金屬之間的合金，典型的有間的合金，典型的有Cu60Zr40、La76Au24、U70Cr30等；另一類是金屬與等；另一類是金屬與某些非金屬（最有效的是某些非金屬（最有效的是B、P、Si）組成的）組成的合金，例如

44、合金，例如Fe80B20、Fe40Ni40P14O6和和Fe5Co70Si15B10等。后一類合金最容等。后一類合金最容易成為非晶態(tài)。易成為非晶態(tài)。 化學(xué)沉積法是利用還原劑使溶液中金屬離子有選化學(xué)沉積法是利用還原劑使溶液中金屬離子有選擇地在活化表面上還原析出。用這種方法得到的第一擇地在活化表面上還原析出。用這種方法得到的第一個(gè)非晶態(tài)合金，是個(gè)非晶態(tài)合金，是Ni-P合金，這一過程稱化學(xué)鍍鎳，合金，這一過程稱化學(xué)鍍鎳，作為金屬的耐磨耐蝕鍍層，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用，較快速、作為金屬的耐磨耐蝕鍍層，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用，較快速、經(jīng)濟(jì)。經(jīng)濟(jì)。實(shí)驗(yàn)技術(shù)和工業(yè)方法實(shí)驗(yàn)技術(shù)和工業(yè)方法4、離子注入法、離子注入法5、化學(xué)沉積

45、法、化學(xué)沉積法6、電沉積法、電沉積法 1、熔體急冷法、熔體急冷法2、氣相沉積法、氣相沉積法3、激光表層熔化法、激光表層熔化法 特點(diǎn)：特點(diǎn)：1、強(qiáng)度和韌性兼具，一般的金屬這兩者是相互矛盾的，、強(qiáng)度和韌性兼具，一般的金屬這兩者是相互矛盾的，即強(qiáng)度高而韌性低，或與此相反。同時(shí)耐磨性也明顯即強(qiáng)度高而韌性低，或與此相反。同時(shí)耐磨性也明顯地高于鋼鐵材料。地高于鋼鐵材料。2、 耐蝕性遠(yuǎn)優(yōu)于不銹鋼，因?yàn)槠浔砻嬉仔纬杀《履臀g性遠(yuǎn)優(yōu)于不銹鋼，因?yàn)槠浔砻嬉仔纬杀《旅艿拟g化膜；同時(shí)其結(jié)構(gòu)均勻，沒有金屬晶體中經(jīng)常密的鈍化膜；同時(shí)其結(jié)構(gòu)均勻，沒有金屬晶體中經(jīng)常存在的晶粒、晶界、缺陷且不易產(chǎn)生引起電化學(xué)腐蝕存在的晶粒、

46、晶界、缺陷且不易產(chǎn)生引起電化學(xué)腐蝕的陰、陽(yáng)兩極。的陰、陽(yáng)兩極。 3、 具有優(yōu)良的磁學(xué)性能；由于其電阻具有優(yōu)良的磁學(xué)性能；由于其電阻率比一般金屬晶體高，可以大大減少渦流損率比一般金屬晶體高，可以大大減少渦流損失，低損耗、高磁導(dǎo)，成為引人注目的新型失，低損耗、高磁導(dǎo)，成為引人注目的新型材料。非晶態(tài)的鐵芯和硅鋼芯的空載損耗可材料。非晶態(tài)的鐵芯和硅鋼芯的空載損耗可降低降低60-80，被譽(yù)為節(jié)能的，被譽(yù)為節(jié)能的“綠色材料綠色材料”。 4、 明顯的催化性能；它還可作為儲(chǔ)氫明顯的催化性能；它還可作為儲(chǔ)氫材料。材料。 1.玻璃形成能力的理論判據(jù)及合金成分設(shè)玻璃形成能力的理論判據(jù)及合金成分設(shè)計(jì)。目前沒有一個(gè)令人

47、信服的理論判據(jù)，只有計(jì)。目前沒有一個(gè)令人信服的理論判據(jù)，只有經(jīng)驗(yàn)規(guī)則。單組元，二元的金屬玻璃鳳毛麟角。經(jīng)驗(yàn)規(guī)則。單組元，二元的金屬玻璃鳳毛麟角。三組元的成分也是屈指可數(shù)。三組元的成分也是屈指可數(shù)。 2.金屬玻璃的力學(xué)行為是當(dāng)前研究的絕對(duì)金屬玻璃的力學(xué)行為是當(dāng)前研究的絕對(duì)熱點(diǎn)，占據(jù)了至少熱點(diǎn)，占據(jù)了至少70%的研究方向和主力。的研究方向和主力。包括斷裂機(jī)制及提高塑性等。包括斷裂機(jī)制及提高塑性等。在理論和實(shí)際應(yīng)用中存在的問題在理論和實(shí)際應(yīng)用中存在的問題 3.計(jì)算機(jī)模擬方面，包括金屬玻璃的微計(jì)算機(jī)模擬方面，包括金屬玻璃的微觀結(jié)構(gòu)及宏觀特性是當(dāng)前研究熱點(diǎn)。觀結(jié)構(gòu)及宏觀特性是當(dāng)前研究熱點(diǎn)。 4. 制備成

48、本，包括制備原料及制備環(huán)制備成本，包括制備原料及制備環(huán)境等是制約其廣泛應(yīng)用的一個(gè)重要方面。境等是制約其廣泛應(yīng)用的一個(gè)重要方面。 4.4.4 4.4.4 超導(dǎo)體超導(dǎo)體 具有在一定的低溫條件下呈現(xiàn)出電阻等具有在一定的低溫條件下呈現(xiàn)出電阻等于零以及排斥磁力線的性質(zhì)的材料?，F(xiàn)已發(fā)于零以及排斥磁力線的性質(zhì)的材料?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)有現(xiàn)有28種元素和幾千種合金和化合物可以種元素和幾千種合金和化合物可以成為超導(dǎo)體。成為超導(dǎo)體。 superconducting material 性能性能 零電阻性：可無(wú)損耗傳輸電能。如果用零電阻性：可無(wú)損耗傳輸電能。如果用磁場(chǎng)在超導(dǎo)環(huán)中引發(fā)感生電流，這一電流可以磁場(chǎng)在超導(dǎo)環(huán)中引發(fā)感生電

49、流，這一電流可以毫不衰減地維持下去。毫不衰減地維持下去。 完全抗磁性：只要外加磁場(chǎng)不超過一定完全抗磁性：只要外加磁場(chǎng)不超過一定值，磁力線不能透入，超導(dǎo)材料內(nèi)的磁場(chǎng)恒為值，磁力線不能透入，超導(dǎo)材料內(nèi)的磁場(chǎng)恒為零。零。 約瑟夫森效應(yīng)：兩超導(dǎo)材料之間有一薄約瑟夫森效應(yīng)：兩超導(dǎo)材料之間有一薄絕緣層（厚度約絕緣層（厚度約1nm）而形成低電阻連接時(shí)，）而形成低電阻連接時(shí)，會(huì)有電子對(duì)穿過絕緣層形成電流，而絕緣層兩會(huì)有電子對(duì)穿過絕緣層形成電流，而絕緣層兩側(cè)沒有電壓，即絕緣層也成了超導(dǎo)體。當(dāng)電流側(cè)沒有電壓，即絕緣層也成了超導(dǎo)體。當(dāng)電流超過一定值后，絕緣層兩側(cè)出現(xiàn)電壓超過一定值后，絕緣層兩側(cè)出現(xiàn)電壓U（也可（也可

50、加一電壓加一電壓U），同時(shí)，直流電流變成高頻交流），同時(shí)，直流電流變成高頻交流電，并向外輻射電磁波電，并向外輻射電磁波 。 分類分類 按其化學(xué)成分可分為元素材料、合按其化學(xué)成分可分為元素材料、合金材料、化合物材料和超導(dǎo)陶瓷。金材料、化合物材料和超導(dǎo)陶瓷。 超導(dǎo)元素：在常壓下有超導(dǎo)元素：在常壓下有28種元素具超導(dǎo)電性，種元素具超導(dǎo)電性，其中鈮（其中鈮（Nb）的）的Tc最高，為最高，為9.26K。電工中實(shí)際應(yīng)。電工中實(shí)際應(yīng)用的主要是鈮和鉛用的主要是鈮和鉛(Pb，Tc=7.201K)，已用于制，已用于制造超導(dǎo)交流電力電纜、高造超導(dǎo)交流電力電纜、高Q值諧振腔等。值諧振腔等。 合金材料：合金材料： 超導(dǎo)

51、元素加入某些其他元超導(dǎo)元素加入某些其他元素作合金成分，素作合金成分， 可以使超導(dǎo)材料的全部性能可以使超導(dǎo)材料的全部性能提高提高 。目前鈮鈦合金是用于。目前鈮鈦合金是用于78特磁場(chǎng)下的特磁場(chǎng)下的主要超導(dǎo)磁體材料。鈮鈦合金再加入鉭的三主要超導(dǎo)磁體材料。鈮鈦合金再加入鉭的三元合金，性能進(jìn)一步提高。元合金，性能進(jìn)一步提高。 超導(dǎo)化合物超導(dǎo)化合物:超導(dǎo)元素與其他元素化合超導(dǎo)元素與其他元素化合常有很好的超導(dǎo)性能。如已大量使用的常有很好的超導(dǎo)性能。如已大量使用的Nb3Sn， V3Ga， Nb3Al 。 超導(dǎo)陶瓷：超導(dǎo)陶瓷： 米勒和貝德諾爾茨于米勒和貝德諾爾茨于1986年在鑭鋇銅氧化物中發(fā)現(xiàn)了超年在鑭鋇銅氧化

52、物中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)電性。導(dǎo)電性。1987年，中國(guó)、美國(guó)、日本等國(guó)年，中國(guó)、美國(guó)、日本等國(guó)科學(xué)家在鋇釔銅氧化物中發(fā)現(xiàn)科學(xué)家在鋇釔銅氧化物中發(fā)現(xiàn)Tc處于液處于液氮溫區(qū)有超導(dǎo)電性，使超導(dǎo)陶瓷成為極有發(fā)氮溫區(qū)有超導(dǎo)電性，使超導(dǎo)陶瓷成為極有發(fā)展前景的超導(dǎo)材料。展前景的超導(dǎo)材料。 應(yīng)用應(yīng)用 制作磁體，應(yīng)用于電機(jī)、高能粒子加制作磁體，應(yīng)用于電機(jī)、高能粒子加速器、磁懸浮運(yùn)輸、受控?zé)岷朔磻?yīng)、儲(chǔ)能等；速器、磁懸浮運(yùn)輸、受控?zé)岷朔磻?yīng)、儲(chǔ)能等；可制作電力電纜，用于大容量輸電（功率可可制作電力電纜，用于大容量輸電（功率可達(dá)達(dá)10000MVA）；可制作通信電纜和天線）；可制作通信電纜和天線 。 利用完全抗磁性可制作無(wú)摩擦陀螺

53、儀利用完全抗磁性可制作無(wú)摩擦陀螺儀和軸承。和軸承。 利用約瑟夫森效應(yīng)可制作一系列精密利用約瑟夫森效應(yīng)可制作一系列精密測(cè)量?jī)x表以及輻射探測(cè)器、微波發(fā)生器、邏測(cè)量?jī)x表以及輻射探測(cè)器、微波發(fā)生器、邏輯元件等。利用約瑟夫森結(jié)作計(jì)算機(jī)的邏輯輯元件等。利用約瑟夫森結(jié)作計(jì)算機(jī)的邏輯和存儲(chǔ)元件，其運(yùn)算速度比高性能集成電路和存儲(chǔ)元件，其運(yùn)算速度比高性能集成電路的快的快1020倍，功耗只有四分之一。倍，功耗只有四分之一。 4.4.5 4.4.5 納米材料納米材料 納米材料：將納米尺度范圍定義在納米材料：將納米尺度范圍定義在1-100nm范圍范圍 。廣義地講，在三維空間中。廣義地講，在三維空間中至少有一維處于納米尺

54、度范圍或由它們作至少有一維處于納米尺度范圍或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料都叫納米材料。為基本單元構(gòu)成的材料都叫納米材料。 (1) (1)零維：指在空間三維方向均為納米尺度的顆零維：指在空間三維方向均為納米尺度的顆粒、原子團(tuán)簇等；粒、原子團(tuán)簇等； (2) (2) 一維：指在空間有二維處于納米尺度，如一維：指在空間有二維處于納米尺度，如納米絲、納米棒、納米管等。納米絲、納米棒、納米管等。 (3) (3) 二維：指在空間中有一維在納米尺度，如二維：指在空間中有一維在納米尺度，如超薄膜、多層膜等。超薄膜、多層膜等。 納米材料大部分都是人工制備的，但自然界中納米材料大部分都是人工制備的，但自然界中早就存

55、在納米微粒和納米固體這樣的物質(zhì)。早就存在納米微粒和納米固體這樣的物質(zhì)。 分類分類 納米材料納米材料(nano material)尺寸接近電尺寸接近電子的相干長(zhǎng)度，它的性質(zhì)因?yàn)閺?qiáng)相干所帶來(lái)子的相干長(zhǎng)度，它的性質(zhì)因?yàn)閺?qiáng)相干所帶來(lái)的自組織使得性質(zhì)發(fā)生很大變化。且其尺度的自組織使得性質(zhì)發(fā)生很大變化。且其尺度接近光的波長(zhǎng)，并具有接近光的波長(zhǎng)，并具有 表面效應(yīng)、小尺寸效表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng) ，因此其所表現(xiàn)的特，因此其所表現(xiàn)的特性，例如熔點(diǎn)、磁性、光學(xué)、導(dǎo)熱、導(dǎo)電特性，例如熔點(diǎn)、磁性、光學(xué)、導(dǎo)熱、導(dǎo)電特性等等，不同于該物質(zhì)在整體狀態(tài)時(shí)所表現(xiàn)性等等，不同于該物質(zhì)在整體狀態(tài)

56、時(shí)所表現(xiàn)的性質(zhì)。的性質(zhì)。 納米金屬材料是世紀(jì)年代中期納米金屬材料是世紀(jì)年代中期研制成功的，后來(lái)相繼問世的有納米半導(dǎo)體研制成功的，后來(lái)相繼問世的有納米半導(dǎo)體薄膜、納米陶瓷、納米瓷性材料和納米生物薄膜、納米陶瓷、納米瓷性材料和納米生物醫(yī)學(xué)材料等。醫(yī)學(xué)材料等。 納米技術(shù)包括納米材料技術(shù)、納米加工納米技術(shù)包括納米材料技術(shù)、納米加工技術(shù)、納米測(cè)量技術(shù)、納米應(yīng)用技術(shù)等方面。技術(shù)、納米測(cè)量技術(shù)、納米應(yīng)用技術(shù)等方面。其中納米材料技術(shù)著重于納米功能性材料的其中納米材料技術(shù)著重于納米功能性材料的生產(chǎn)（超微粉、鍍膜、納米改性材料等），生產(chǎn)（超微粉、鍍膜、納米改性材料等），性能檢測(cè)技術(shù)（化學(xué)組成、微結(jié)構(gòu)、表面形性能檢

57、測(cè)技術(shù)（化學(xué)組成、微結(jié)構(gòu)、表面形態(tài)、物、化、電、磁、熱及光學(xué)等性能）。態(tài)、物、化、電、磁、熱及光學(xué)等性能）。納米加工技術(shù)包含精密加工技術(shù)（能量束加納米加工技術(shù)包含精密加工技術(shù)（能量束加工等）及掃描探針技術(shù)。工等）及掃描探針技術(shù)。 分類分類 納米粉末納米粉末： 又稱為超微粉或超細(xì)粉，一般指又稱為超微粉或超細(xì)粉，一般指粒度在粒度在100納米以下的粉末或顆粒，是一種介于原納米以下的粉末或顆粒，是一種介于原子、分子與宏觀物體之間處于中間物態(tài)的固體顆粒子、分子與宏觀物體之間處于中間物態(tài)的固體顆粒材料?？捎糜冢焊呙芏却庞涗洸牧希晃[身材料；材料?？捎糜冢焊呙芏却庞涗洸牧?；吸波隱身材料；磁流體材料；防輻射

58、材料；單晶硅和精密光學(xué)器件磁流體材料；防輻射材料；單晶硅和精密光學(xué)器件拋光材料；微芯片導(dǎo)熱基片與布線材料；微電子封拋光材料；微芯片導(dǎo)熱基片與布線材料；微電子封裝材料；光電子材料；先進(jìn)的電池電極材料；太陽(yáng)裝材料；光電子材料；先進(jìn)的電池電極材料；太陽(yáng)能電池材料；高效催化劑；高效助燃劑；敏感元件；能電池材料；高效催化劑；高效助燃劑；敏感元件；高韌性陶瓷材料（摔不裂的陶瓷，用于陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)高韌性陶瓷材料（摔不裂的陶瓷，用于陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)等）；人體修復(fù)材料；抗癌制劑等。等）；人體修復(fù)材料；抗癌制劑等。 納米纖維納米纖維： 指直徑為納米尺度而長(zhǎng)指直徑為納米尺度而長(zhǎng)度較大的線狀材料?？捎糜冢何?dǎo)線、微度較大的線狀

59、材料?？捎糜冢何?dǎo)線、微光纖（未來(lái)量子計(jì)算機(jī)與光子計(jì)算機(jī)的重光纖（未來(lái)量子計(jì)算機(jī)與光子計(jì)算機(jī)的重要元件）材料；新型激光或發(fā)光二極管材要元件）材料；新型激光或發(fā)光二極管材料等。料等。 納米膜納米膜： 納米膜分為顆粒膜與致密膜。納米膜分為顆粒膜與致密膜。顆粒膜是納米顆粒粘在一起，中間有極為細(xì)顆粒膜是納米顆粒粘在一起，中間有極為細(xì)小的間隙的薄膜。致密膜指膜層致密但晶粒小的間隙的薄膜。致密膜指膜層致密但晶粒尺寸為納米級(jí)的薄膜?？捎糜冢簹怏w催化尺寸為納米級(jí)的薄膜。可用于：氣體催化（如汽車尾氣處理）材料；過濾器材料；高（如汽車尾氣處理）材料；過濾器材料；高密度磁記錄材料；光敏材料；平面顯示器材密度磁記錄材料；光敏材料；平面顯示器材料；超導(dǎo)材料等。料；超導(dǎo)材料等。 納米塊體納米塊體： 是將納米粉末高壓成型或是將納米粉末高壓成型或控制金屬液體結(jié)晶而得到的納米晶粒材料?？刂平饘僖后w結(jié)晶而得到的納米晶粒材