新材料的發(fā)展與應(yīng)用

1、新材料(cilio)的發(fā)展與應(yīng)用制作(zhzu)人： 2011075班 201107511孫寬共四十四頁(yè) 1）新材料的出現(xiàn)是為了解決現(xiàn)有材料性能不能滿足人們對(duì)所需性能的矛盾而出現(xiàn)的。例如具有高強(qiáng)度(qingd)的同時(shí)，又具有較高的硬度，塑形，韌性，疲勞輕度等性能，但是現(xiàn)在的普通材料在具有高硬度，高強(qiáng)度(qingd)時(shí)，塑形，韌性卻大幅度降低；又比如汽車工業(yè)，需要在保持一定強(qiáng)度(qingd)的時(shí)，又具有較輕的質(zhì)量，現(xiàn)在普通的鐵碳合金，以及金屬材料很難滿足高級(jí)賽車所需要的強(qiáng)度(qingd)與質(zhì)量的一個(gè)平衡，故現(xiàn)在較好的賽車都已經(jīng)開(kāi)始摒棄普通的金屬材料。共四十四頁(yè) 這輛法拉利 Enzo 車身采用的材

2、料是碳纖維，擁有著較高的強(qiáng)度，還有著非常(fichng)輕的車身，車身的主體僅重92公斤，這對(duì)賽車是非常有實(shí)際意義的。這對(duì)其他領(lǐng)域也有很大的應(yīng)用意義共四十四頁(yè)新材料(cilio)的定義1）新材料（或稱先進(jìn)材料）是指那些新近發(fā)展或正在發(fā)展之中的具有比傳統(tǒng)材料的性能更為優(yōu)異的一類材料。新材料是指新近發(fā)展的或正在研發(fā)的、性能超群的一些材料，具有比傳統(tǒng)材料更為優(yōu)異的性能。2）新材料技術(shù)則是按照人的意志，通過(guò)物理研究、 材料設(shè)計(jì)、材料加工、試驗(yàn)評(píng)價(jià)等一系列研究過(guò)程，創(chuàng)造出能滿足各種需要的新型材料的技術(shù)。共四十四頁(yè)新材料(cilio)的種類 為了滿足不同(b tn)的特殊要求及性能，現(xiàn)在對(duì)新材料有很多不同

3、(b tn)的研究方向。主要有以下幾種； 超導(dǎo)材料的研究； 納米材料的研究； 智能材料的研究； 能源材料的研究； 新型無(wú)機(jī)非金屬材料的研究等共四十四頁(yè) 一：超導(dǎo)(cho do)材料超導(dǎo)現(xiàn)象：1911年，荷蘭物理學(xué)家昂尼斯(18531926)發(fā)現(xiàn)，水銀的電阻率并不像預(yù)料的那樣(nyng)隨溫度降低逐漸減小，而是當(dāng)溫度降到4.15K附近時(shí)，水銀的電阻突然降到零。某些金屬、合金和化合物，在溫度降到絕對(duì)零度附近某一特定溫度時(shí)，它們的電阻率突然減小到無(wú)法測(cè)量的現(xiàn)象叫做超導(dǎo)現(xiàn)象共四十四頁(yè)1）高溫(gown)超導(dǎo)材料的簡(jiǎn)介超導(dǎo)(cho do)材料的基本物理特征：零電阻現(xiàn)象完全抗磁性（邁斯納效應(yīng)）超導(dǎo)態(tài)并非僅

4、取決于溫度(臨界電流和臨界磁場(chǎng))普通導(dǎo)體超導(dǎo)體共四十四頁(yè)超導(dǎo)材料(cilio)的分類：常規(guī)(chnggu)超導(dǎo)體(如Nb-Ti合金)高溫超導(dǎo)體(如YBa2Cu3O7-x) 非晶超導(dǎo)材料復(fù)合超導(dǎo)材料(如超導(dǎo)線帶材料)重費(fèi)米子超導(dǎo)體(如CeCu2Si2)有機(jī)超導(dǎo)材料(如富勒烯等修飾的化合物)超導(dǎo)材料高溫超導(dǎo)材料的簡(jiǎn)介共四十四頁(yè)釔鋇銅氧化物（ YBa2Cu3O7-x ) 超導(dǎo)體高溫(gown)超導(dǎo)材料的例子1987年朱經(jīng)武、吳茂昆、趙忠賢等發(fā)現(xiàn)，Tc90K,超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度打破(d p)了液氦，解決了阻礙超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用的瓶頸問(wèn)題。共四十四頁(yè)鉍鍶鈣銅氧化物（Bi-Sr-Ca-Cu-O）超導(dǎo)體Bi2Sr2Ca

5、n-1CunO2n+4 n=1 2201相n=2 2212相n=3 2223相n=4 2234相Cu-O 層Bi2O2層 鈣鈦礦層高溫超導(dǎo)(cho do)材料的例子Tc100K;Tl-Ba-Ca-Cu系，Tc達(dá)到(d do)了125K;Hg-Ba-Ca-Cu系，Tc達(dá)到了135K, 高壓下Tc達(dá)到了164K。-Michael Vershinin, Shashank Misra, et al. Science,303,1995(2004).共四十四頁(yè)Y系高溫(gown)氧化物超導(dǎo)體的制備高溫超導(dǎo)(cho do)材料的制備原料(氧化物或碳酸物)混合化學(xué)劑量比燒結(jié)氧化處理熔融織構(gòu)工藝克服大角晶界塊材

6、帶材離子束輔助沉淀工藝軋制輔助雙軸織構(gòu)襯底工藝薄膜磁控濺射法激光沉淀法共四十四頁(yè)高溫超導(dǎo)(cho do)材料的制備Bi系高溫氧化物超導(dǎo)(cho do)帶材的制備:原材料(氧化物或碳酸物)混 合化學(xué)劑量比煅 燒研 磨粉末充管拉 拔Ag管軋 制熱處理壓制/軋制熱處理重復(fù)共四十四頁(yè)發(fā)展前景節(jié)省大量資金緩解環(huán)境污染超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)發(fā)電機(jī)、超導(dǎo)電纜預(yù) 測(cè)低電力低能耗靈敏度度高釔鋇銅超導(dǎo)薄膜-應(yīng)用于諧振器、濾波器、天線等有源器件商品化低電力低能耗釔鋇銅超導(dǎo)超導(dǎo)塊材-用于磁懸浮、儲(chǔ)能飛輪等方面即 將實(shí)業(yè)化預(yù)計(jì)在2020年左右會(huì)形成1500-2000億美元的超導(dǎo)市場(chǎng)，其中高溫超導(dǎo)占一半共四十四頁(yè)高溫超導(dǎo)材料(c

7、ilio)制備所面臨的問(wèn)題：高溫(gown)超導(dǎo)材料的制備 材料制造成本高, 價(jià)格昂貴。 在長(zhǎng)距離超導(dǎo)線材的制造上面仍然有很大的難度。（氧化物高溫超導(dǎo)陶瓷材料各向異性和短的電子相干長(zhǎng)度以及大量晶界的存在嚴(yán)重影響線材的超導(dǎo)電性。） 高溫超導(dǎo)材料臨界電流和臨界磁場(chǎng)的提高仍是科學(xué)家研究的難題。共四十四頁(yè)二：納米材料(n m ci lio)1）納米材料的發(fā)現(xiàn)與研究1980年，德國(guó)的長(zhǎng)期從事晶體物理研究的物理學(xué)家Gleiter 格萊特，在澳大利亞度假時(shí)，想到一個(gè)經(jīng)常困擾他的問(wèn)題“如何研究出具有異乎尋常材料的新型材料呢？”，在長(zhǎng)期的研究中，人們視具有完整空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的實(shí)體為晶體，是晶體材料的主體，而把空間

8、點(diǎn)陣中的空位，替位原子，間隙原子，相界，位錯(cuò)當(dāng)作晶體材料的缺陷。對(duì)此，他想如果把“缺陷”作為主體，研究出一種晶界占有相當(dāng)大體積比的材料，那會(huì)怎樣？共四十四頁(yè)這位科學(xué)家不經(jīng)意間的一個(gè)想法，使他花了四年時(shí)間的研究，在1984年研究出了這種金屬超微粉，就這樣，納米固體材料誕生了！共四十四頁(yè)納米材料(n m ci lio)的結(jié)構(gòu)納米材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分奇異復(fù)雜，在1這樣小的空間里，竟然裝進(jìn)面積達(dá)到500因此(ync)納米材料有再怎么特別的功能也不奇怪了！共四十四頁(yè)納米材料又稱為超微顆粒材料，由納米粒子組成。納米粒子也叫超微顆粒，一般是指尺寸在1100nm間的粒子，是處在原子簇和宏觀物體交界的過(guò)渡區(qū)域從通

9、常的關(guān)于微觀和宏觀的觀點(diǎn)看，這樣的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng)，是一種典型的介觀系統(tǒng)（介觀體系是介于宏觀體系與微觀體系之間的一種體系。實(shí)際上介觀體系在尺寸上已經(jīng)是宏觀的, 同時(shí)具有微觀體系，宏觀體系的特點(diǎn) ）原子(yunz)排成的“原子(yunz)”字樣1nm=1/10億米，10個(gè)氫原子緊密排列(pili)，20nm是頭發(fā)絲直徑的3000分之一共四十四頁(yè)1.表面效應(yīng)2.小尺寸效應(yīng)3.量子尺寸效應(yīng)4.宏觀量子隧道效應(yīng)納米(n m)材料的特性共四十四頁(yè)納米材料的小尺寸(ch cun)效應(yīng)1納米材料有很多“奇怪”的性質(zhì)，所有的金屬到了納米級(jí)別都變成了黑色；在電鏡的觀測(cè)下，發(fā)現(xiàn)納米微粒沒(méi)有

10、固定的形態(tài)，隨著時(shí)間的推移，會(huì)自動(dòng)形成各種形態(tài)，在電子束的照射下，會(huì)劇烈運(yùn)動(dòng)；在空氣中還可以自燃共四十四頁(yè)納米材料(n m ci lio)的小尺寸效應(yīng)2）晶體物質(zhì)的熔點(diǎn)是固定的，但是當(dāng)它們變成納米微粒后熔點(diǎn)會(huì)降低，金的熔點(diǎn)1064，但是當(dāng)顆粒到2nm時(shí)，熔點(diǎn)僅327，銀的熔點(diǎn)由670降低到100；在鎢的原料中加入0.1%0.5%的鎳超微粒時(shí)，燒結(jié)溫度從3000降低到了1200左右，很神奇不是么！共四十四頁(yè)幾種(j zhn)典型的納米材料納米顆粒型材料納米固體材料納米膜材料納米磁性(cxng)液體材料碳納米管納米算盤C60每10個(gè)一組，在銅表面形成世界上最小的算盤。納米皇冠共四十四頁(yè)納米(n m

11、)顆粒型材料：也稱納米粉末，一般指粒度在100nm以下的粉末或顆粒。由于尺寸小，比表面大和量子尺寸效應(yīng)等原因，它具有不同于常規(guī)固體的新特性。納米固體材料通常指由尺寸小于15納米的超微顆粒在高壓力下壓制成型，或再經(jīng)一定熱處理工序后所生成的致密型固體材料。氧化鋅納米(n m)晶粒納米固體晶粒共四十四頁(yè)碳納米管：碳材料家族中的新成員，為黑色粉末狀，是由類似石墨的碳原子六邊形網(wǎng)格所組成的管狀物，它一般為多層，直徑為幾納米至幾十納米，長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)微米甚至數(shù)毫米。碳納米管本身有非常完美(wnmi)的結(jié)構(gòu)，尺寸只有頭發(fā)絲的十萬(wàn)分之一，但導(dǎo)電率是銅的1萬(wàn)倍，強(qiáng)度是鋼的100倍而重量只有鋼的七分之一。它像金剛石那

12、樣硬，卻有柔韌性，可以拉伸。它的熔點(diǎn)是已知材料中最高的。共四十四頁(yè)納米材料(n m ci lio)的應(yīng)用1）陶瓷增韌：由納米粒子壓制成的納米陶瓷材料有很好的韌性。因?yàn)榧{米材料具有較大的界面，界面的原子排列是相當(dāng)混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現(xiàn)出甚佳的韌性與延展性。共四十四頁(yè)2）隱身材料應(yīng)用：由于納米微粒尺寸(ch cun)遠(yuǎn)小于紅外及雷達(dá)波波長(zhǎng)，因此納米微粒材料對(duì)這種波的透過(guò)率比常規(guī)材料要強(qiáng)得多，這就大大減少波的反射率，使得紅外探測(cè)器和雷達(dá)接收到的反射信號(hào)變得很微弱，從而達(dá)到隱身的作用；另一方面，納米微粒材料的比表面積比常規(guī)粗粉大34個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)紅外光和電磁波的吸收率也比常規(guī)

13、材料大得多，這就使得紅外探測(cè)器及雷達(dá)得到的反射信號(hào)強(qiáng)度大大降低，因此很難發(fā)現(xiàn)被探測(cè)目標(biāo)，起到了隱身作用。美國(guó)(mi u)F117隱形轟炸機(jī)機(jī)共四十四頁(yè)3）計(jì)算機(jī)和電子工業(yè)：可以從閱讀硬盤上讀卡機(jī)以及存儲(chǔ)容量為目前芯片上千倍的納米材料級(jí)存儲(chǔ)器芯片都已投入生產(chǎn)。計(jì)算機(jī)在普遍(pbin)采用納米材料后，可以縮小成為“掌上電腦”。納米(n m)存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)密度可達(dá)每平方厘米10萬(wàn)億字節(jié) 4）機(jī)械工業(yè)：采用納米材料技術(shù)對(duì)機(jī)械關(guān)鍵零部件進(jìn)行金屬表面納米粉涂層處理，可以提高機(jī)械設(shè)備的耐磨性、硬度和使用壽命。共四十四頁(yè)三：復(fù)合材料(f h ci lio)復(fù)合材料(Composite materials)，是由

14、兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過(guò)物理或化學(xué)的方法，在宏觀上組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。 比如20世紀(jì)40年代，因航空工業(yè)的需要，發(fā)展了玻璃纖維增強(qiáng)塑料（俗稱玻璃鋼），從此出現(xiàn)了復(fù)合材料這一名稱。50年代以后，陸續(xù)發(fā)展了碳纖維、石墨纖維和硼纖維等高強(qiáng)度和高模量纖維。70年代出現(xiàn)了芳綸纖維和碳化硅纖維。這些高強(qiáng)度、高模量纖維能與合成樹(shù)脂、碳、石墨、陶瓷、橡膠(xingjio)等非金屬基體或鋁、鎂、鈦等金屬基體復(fù)合，構(gòu)成各具特色的復(fù)合材料。共四十四頁(yè) 比如說(shuō)，超高分子量聚乙烯纖維的比強(qiáng)度在各種纖維中位居第

15、一，尤其是它的抗化學(xué)試劑侵蝕性能和抗老化性能優(yōu)良。它還具有優(yōu)良的高頻聲納透過(guò)性和耐海水腐蝕性，許多國(guó)家已用它來(lái)制造艦艇的高頻聲納導(dǎo)流罩，大大提高了艦艇的探雷、掃雷能力。 除在軍事領(lǐng)域，在汽車制造、船舶制造、醫(yī)療器械、體育運(yùn)動(dòng)器材等領(lǐng)域超高分子量聚乙烯纖維也有廣闊的應(yīng)用前景(qinjng)。該纖維一經(jīng)問(wèn)世就引起了世界發(fā)達(dá)國(guó)家的極大興趣和重視共四十四頁(yè)復(fù)合材料(f h ci lio)的類型復(fù)合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要(zhyo)有合成樹(shù)脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強(qiáng)材料主要有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須

16、、金屬絲和硬質(zhì)細(xì)粒等。共四十四頁(yè)復(fù)合材料(f h ci lio)的分類納米復(fù)合材料功能復(fù)合材料塑木復(fù)合材料該研究方向(fngxing)主要包括納米聚合物基復(fù)合材料、納米碳管功能復(fù)合材料、納米鎢銅復(fù)合材料。塑木是以鋸末、木屑、竹屑、稻殼、麥秸、大豆皮、花生殼、甘蔗渣、棉秸稈等低值生物質(zhì)纖維為主原料，與塑料合成的一種復(fù)合材料。功能復(fù)合材料是指除機(jī)械性能以外而提供其他物理性能的復(fù)合材料。如：導(dǎo)電、超導(dǎo)、半導(dǎo)、磁性、壓電、阻尼、吸波、透波、磨擦、屏蔽、阻燃、防熱、吸聲、隔熱等凸顯某一功能。統(tǒng)稱為功能復(fù)合材料共四十四頁(yè)復(fù)合材料(f h ci lio)的應(yīng)用航空航天領(lǐng)域。由于復(fù)合材料熱穩(wěn)定性好，比強(qiáng)度、比

17、剛度高，可用于制造飛機(jī)機(jī)翼和前機(jī)身、衛(wèi)星天線及其支撐結(jié)構(gòu)、太陽(yáng)能電池翼和外殼、大型運(yùn)載火箭的 殼體、發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、航天飛機(jī)結(jié)構(gòu)件等。汽車工業(yè)(gngy)。由于復(fù)合材料具有特殊的振動(dòng)阻尼特性，可減振和降低噪聲、抗疲勞性能好，損傷后易修理，便于整體成形，故可用于制造汽車車身、受力構(gòu)件、傳動(dòng)軸、發(fā)動(dòng)機(jī)架及其內(nèi)部構(gòu)件?；?、紡織和機(jī)械制造領(lǐng)域。有良好耐蝕性，熱膨脹系數(shù)小的碳纖維與樹(shù)脂基體復(fù)合而成的材料，可用于制造化工設(shè)備、紡織機(jī)、造紙機(jī)、復(fù)印機(jī)、高速機(jī)床、精密儀器等。共四十四頁(yè)其他(qt)新材料其他類新的新材料有很多種這里主要(zhyo)說(shuō)由碳原子構(gòu)成的各種新型材料，比如碳纖維，石墨烯等。碳纖維，石墨烯

18、，納米碳管等都具有較為類似的性能，故這里只說(shuō)石墨烯共四十四頁(yè)石墨(shm)烯石墨烯（Graphene）是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料，是一種由碳原子組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料。石墨烯一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無(wú)法單獨(dú)穩(wěn)定存在，直至2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈海姆和康斯坦丁諾沃肖洛夫，成功地在實(shí)驗(yàn)中從石墨中分離出石墨烯，而證實(shí)(zhngsh)它可以單獨(dú)存在，兩人也因“在二維石墨烯材料的開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”為由，共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)共四十四頁(yè)石墨(shm)烯的性能石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅(jiān)硬的納米材料它幾乎是完全透明的，只吸收2.3

19、%的光導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300 W/mK，高于碳納米管和金剛石常溫(chngwn)下其電子遷移率比納米碳管或硅晶體還高，而電阻率只約 cm，比銅或銀更低，為目前世上電阻率最小的材料。因?yàn)樗碾娮杪蕵O低，電子遷移的速度極快，因此被期待可用來(lái)發(fā)展出更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或晶體管。共四十四頁(yè)石墨(shm)烯的性能石墨烯是迄今為止世界上強(qiáng)度最大的材料，強(qiáng)度比鋼高出200左右，如果用石墨烯制成厚度相當(dāng)于普通食品塑料包裝袋厚度的薄膜（厚度約100 納米），那么它將能承受大約兩噸重物品的壓力，而不至于斷裂；石墨烯還具有(jyu)比金剛石更高的硬度共四十四頁(yè)石墨(shm)烯的制作撕膠帶法/輕微摩擦法碳化硅表面外延生長(zhǎng)切割碳納米管法除了上邊幾種，還有其他方法，但無(wú)一例外都是實(shí)驗(yàn)室制法，制造代價(jià)極貴(j u)，這也是對(duì)石墨烯大范圍應(yīng)用的一個(gè)阻礙共四十四頁(yè)石墨(shm)烯的應(yīng)用因?yàn)榱己玫膶?dǎo)熱性，導(dǎo)電性，電子通過(guò)速度，所以石墨烯是極其(jq)好的取代單晶硅的晶體管材料，集成電路材料，2011年6月，IBM的研究人員宣布，他們已經(jīng)成功地創(chuàng)造了第一個(gè)石墨烯為基礎(chǔ)的集成電路。電路處理頻率高達(dá)10 GHz，其性能在高達(dá)127的溫度下不受影響。共四十四頁(yè)石墨(shm)烯的應(yīng)用因?yàn)槭┚哂袠O高的強(qiáng)度，硬度，以及耐熱性，故石墨烯制造的零件可以應(yīng)用于條件(tiojin)極其惡劣的