材料科學(xué)導(dǎo)論

材料科學(xué)導(dǎo)論第一章材料—劃時代的重要標(biāo)志石器時代、青銅器時代、鐵器時代等。材料與能源、信息一道被公認(rèn)為現(xiàn)代文明的三大基礎(chǔ)支柱。1．1人類進(jìn)化與文明的標(biāo)志——材料發(fā)展簡史為什么石器時代綿延數(shù)十萬年之久？1．2新型材料——當(dāng)代新技術(shù)革命的先鋒新型材料——通常是指對現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及提高綜合國力有重大推動作用的最新發(fā)展或正在發(fā)展的材料．金屬復(fù)雜氧化物陶瓷超導(dǎo)體各種新型材料的發(fā)現(xiàn)，使得當(dāng)今科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，正向包括超高壓、超高溫、超低溫、超高速、超真空、超凈、超純、超導(dǎo)、超細(xì)微、超大規(guī)模等在內(nèi)的自然界的各種“極限”逼近。

人工晶體、儲能材料、精密陶瓷、金屬間化合物、金剛石薄膜、航天防熱系統(tǒng)材料1.3五彩繽紛的材料世界

1.按物質(zhì)的屬性分為:金屬、有機(jī)高分子、無機(jī)非金屬（包括陶瓷、半導(dǎo)體等）三大門類以及它們的復(fù)合材料。2.按材料的應(yīng)用對象不同,可分為:航空航天材料、信息材料、生物材料、能源材料、輕紡材料和建筑材料等。3.按使用性能的側(cè)重點(diǎn)分為:結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩類。（1）結(jié)構(gòu)材料著重于材料強(qiáng)度、韌性等力學(xué)性能。（2）功能材料則側(cè)重利用材料的電、磁、聲、光、熱等特性和效應(yīng)以實(shí)現(xiàn)某種功能。4.按材料在各領(lǐng)域中的用途不同,大體上可分為以下幾類:(1)電子信息材料(2)新能源材料(3)高性能結(jié)構(gòu)材料和功能材料當(dāng)今社會的發(fā)展面臨著人口膨脹、資源短缺、環(huán)境惡化三大問題。環(huán)境材料—是指同時具有優(yōu)良的使用性能和最佳環(huán)境協(xié)調(diào)性的一大類材料.特點(diǎn):這類材料對資源和能源消耗少,對生態(tài)與環(huán)境污染小,再生利用率高或可降解化和可循環(huán)利用,而且要求從材料制造、使用、廢棄直到再生利用的整個壽命周期中，都必須具有與環(huán)境協(xié)調(diào)的共存性。第二章金屬材料，長盛不衰2.1金屬材料與人類文明合金青銅(CuSn)黃銅(CuZn)貴金屬與賤金屬之分

電的產(chǎn)生與應(yīng)用是人類社會近代發(fā)展的最重大轉(zhuǎn)折,但是應(yīng)該記住,正是金屬才是人類這一進(jìn)步的階梯.W18Cr4V“高速鋼”

固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、位錯強(qiáng)化、

彌散第二相強(qiáng)化、相變強(qiáng)化2.2金屬王國的風(fēng)采及面臨的挑戰(zhàn)金屬具有以下一些突出優(yōu)點(diǎn):(1)金屬的力學(xué)性能堪稱“全能冠軍”.(2)既耐寒,又耐熱.(3)金屬材料有很出色的工藝性能.(4)金屬有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和鐵磁性，在電力工業(yè)中有不可替代的作用.所有的金屬材料都可以分為兩大類:

黑色金屬(即鋼鐵)和有色金屬(除了鋼鐵以外的其他金屬)一.鋼鐵—現(xiàn)代工業(yè)化的基礎(chǔ)鋼鐵在不同領(lǐng)域中的用途：(1)電力工業(yè)(2)汽車工業(yè)(3)機(jī)床與工程機(jī)械(4)鐵路(鋼軌)與橋梁(5)船舶和海上石油鉆井平臺(6)兵器方面(7)石油開采機(jī)械(8)化工壓力容器(9)建筑行業(yè)鋼鐵是現(xiàn)代工業(yè)的基礎(chǔ),鋼鐵可以堪稱為工程結(jié)構(gòu)材料之王鋼鐵材料的主要分類及特點(diǎn):(1)鑄鐵工業(yè)上常用的具有不同性能的三種鑄鐵:灰口鑄鐵(HT)、可鍛鑄鐵(KT)、球墨鑄鐵(QT)(2)碳素鋼低碳鋼(0.10%—0.25%C)中碳鋼(0.25%—0.55%C)高碳鋼(0.70%—1.30%C)鑄鐵具有很高的耐壓強(qiáng)度、耐蝕性和良好的鑄造性和減振性以及切削性，而且價格低廉，工業(yè)上應(yīng)用十分廣泛。(3)合金鋼

①合金結(jié)構(gòu)鋼可分為低合金高強(qiáng)度鋼、滲碳鋼、氮化鋼、調(diào)質(zhì)鋼、超高強(qiáng)度鋼、彈簧鋼等。

②合金工具鋼可分為刃具鋼、高速鋼、量具鋼、摸具鋼、軸承鋼等。③特殊鋼主要包括不銹鋼、耐熱鋼、低溫鋼、耐磨鋼和電工用鋼等。

Cr2O3馬氏體不銹鋼(C0.1%~0.4%,Cr13%)鐵素體不銹鋼(C<0.12%,Cr>17%)奧氏體不銹鋼(C<0.1%Cr17%Ni>8%)沉淀硬化不銹鋼超低碳不銹鋼耐熱鋼金屬間化合物Ni3Al、NiAl、Ti3Al、TiAl、Fe3Al、FeAl二、五光十色的有色金屬有色金屬的分類及主要特點(diǎn)：(1)輕合金①鋁合金鋁是最重要的最有特色的有色金屬,其主要特點(diǎn):ⅰ密度2.7g/cm3,只有鋼的1/3;ⅱ抗大氣腐蝕;ⅲ優(yōu)良的導(dǎo)電性,導(dǎo)電率是銅的2/3;ⅳ比強(qiáng)度(斷裂強(qiáng)度/密度)比鋼高得多;ⅴ很好的加工性.鋁合金應(yīng)該說是現(xiàn)代航空工業(yè)的基礎(chǔ)鋁是熱的良導(dǎo)體,又是熱的良好反射體鋁-鋰(Al-Li)合金②鈦合金密度小(4.5g/cm3),強(qiáng)度高,比強(qiáng)度高于鋁合金,而且耐高溫和耐腐蝕,因此在航空航天及其它領(lǐng)域均有重要用途.Ti6Al4V③鎂合金密度僅為1.74g/cm3,比強(qiáng)度高,減震能力強(qiáng),在航空航天領(lǐng)域有重要應(yīng)用.④鈹合金(Be)密度為1.8g/cm3,比剛度很高,尺寸穩(wěn)定,慣性低,用于慣性導(dǎo)航及航天低重量剛性件,比熱大,可用于散熱片和飛機(jī)頭部,還可用于X射線窗口以及原子能反應(yīng)堆中的反射層等.F-14和F-15F-100和TF-39(2)部分重有色合金①銅合金包括黃銅(CuZn)、錫青銅、鋁青銅、鈹青銅、白銅(CuNi).②鋅合金用于電池鋅板、照相和膠印制版。③鎳合金Ni基高溫合金(Al、Ti、Cr、W、Mo、Nb、Ta、B、Zr等合金元素)④錳合金減震錳合金還有高膨脹錳合金(Mn21Bi)(3)低熔點(diǎn)合金鉛Pb(熔點(diǎn)327℃)、錫Sn（232℃）、鎘Cd（321℃）、鉍Bi（271℃）、銦In（157℃）鎵Ga（29.8℃)、汞Hg（-39℃）及其合金（4）難熔金屬①鎢合金熔點(diǎn)3407℃②鉬合金熔點(diǎn)2610℃③鈮合金熔點(diǎn)2477℃④鉭合金熔點(diǎn)2985℃(5)貴金屬

貴金屬包括金Au、銀Ag、鉑Pt、鈀Pd、銠Rh、銥Ir、鋨Os、釕Ru，它們的特點(diǎn)如下:(1)有良好的化學(xué)惰性,艷麗的光澤,長期不腿色,可做裝飾品.(2)耐蝕.Ir>Ru>Rh>Os>Au>Pt>Pd>Ag(3)有催化特性和良好的導(dǎo)電性.（６）稀土金屬

①彈性合金a．恒彈性合金有FeNiCrBe、FeNiMo、FeNiCrNb等b.高彈性合金有2Cr19Ni9Mo、Ni36CrTiAl②膨脹合金③引線框架合金④電熱合金⑤精密電阻合金⑥熱電偶有鉑-鉑銠（1800℃）、鎳鉻-鎳硅（1300℃）、鎢錸（2300℃）（７）精密合金三、金屬材料科學(xué)金相學(xué)——合金相——顯微組織結(jié)構(gòu)金屬材料科學(xué)的最突出特點(diǎn)是把材料的宏觀性質(zhì)與微觀過程聯(lián)系起來，它是人類知識寶庫中的重要財富。四、金屬材料面臨的挑戰(zhàn)金屬、陶瓷、高分子材料三足鼎立的新格局各種表面熱處理工藝、表面合金化、表面改性、表面涂鍍層等新技術(shù)一些最先進(jìn)的技術(shù)如等離子噴涂技術(shù)、離子注入技術(shù)、激光表面淬火、激光熔凝或合金化技術(shù)、離子鍍、化學(xué)鍍、化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積等近幾十年來，金屬材料并沒有停止發(fā)展，新的合金鋼、超高強(qiáng)度鋼、超低碳不銹鋼、新的有色合金，如Al-Li合金、鈦合金、還有高溫合金、金屬間化合物、阻尼合金、超導(dǎo)合金、形狀記憶合金、儲氫合金、納米金屬材料等都有了新的發(fā)展。2.3神秘的形狀記憶合金形狀記憶效應(yīng)–是指合金經(jīng)過變形后,在一定的條件下,仍然能恢復(fù)到原始形狀的現(xiàn)象.T---工作溫度

Ms---表示冷卻開始產(chǎn)生熱彈性馬氏體的起始轉(zhuǎn)變溫度

Mf---表示冷卻時轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的終止溫度

As---表示升溫時開始逆轉(zhuǎn)的溫度

Af---表示逆轉(zhuǎn)完全的溫度

淬火一般的馬氏體相變有一個特殊的性質(zhì):在一定溫度下一旦形成的馬氏體不會隨著時間的延長而繼續(xù)長大,只有進(jìn)一步降低溫度,才會不斷地產(chǎn)生新的馬氏體,從而使馬氏體的數(shù)量增加.熱彈性馬氏體相變:熱彈性馬氏體一旦產(chǎn)生可以隨著溫度的降低繼續(xù)長大.相反,當(dāng)溫度回升時,長大的馬氏體又可以縮小,直至恢復(fù)到原來的狀態(tài),即馬氏體隨著溫度的變化可以可逆地長大或縮小.熱彈性馬氏體相變隨之拌有形狀的變化和體積的改變.金Au-鎘Cd合金銦In-鉈Tl合金鎳Ni-鈦Ti合金單向形狀記憶合金雙向形狀記憶合金目前我們已將形狀記憶合金成功地用于醫(yī)學(xué)上,作為牙科的齒形矯正器.還可用于矯正脊椎側(cè)彎及靜脈過濾器.目前正在用形狀記憶合金試制人造腎的微型泵,可以收縮的人造肌肉及人造心臟等.機(jī)敏或智能材料2.4未來能源材料之星-儲氫合金1Kg氫氣燃燒可以放出14×104J的熱量,比1Kg石油放出的熱量高兩倍.氫是地球上取之不盡的清潔能源.鎂Mg-鎳Ni合金SmCo5(釤-鈷)LaNi5(鑭-鎳)在儲氫合金中氫的密度比標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的氫氣高出1400倍以上,超出了液氫甚至固態(tài)氫.之所以如此,是因?yàn)閮浜辖鹁哂歇?dú)特的晶體結(jié)構(gòu),使氫原子容易進(jìn)入其晶體中的間隙位置并形成金屬氫化物.由于吸氫和放氫的過程分別為放熱和吸熱的過程,因此我們還可用儲氫材料做空調(diào)機(jī)、制冷器、熱機(jī)械泵等，此外還可用于鎳氫電池，重氫的濃縮等。氫氣的精制與回收純度高達(dá)99.9999%的超純氫用于電子工業(yè)利用儲氫合金制成空調(diào)器利用儲氫合金制成超低溫致冷機(jī):77K液氮致冷器21~29K液氫致冷器甚至低于10K的超低溫微型致冷器利用儲氫合金制作熱機(jī)械泵燃?xì)淦囀莾浜辖饝?yīng)用中最誘人的領(lǐng)域第三章、古老的陶瓷舊貌換新顏3.1一個最古老的材料王國無機(jī)非金屬材料是與金屬不同的另一大類材料,它是以無機(jī)非金屬物質(zhì)為原料,經(jīng)高溫煅燒而成的制品或材料.從化學(xué)的角度來說,無機(jī)材料是兼有離子鍵和共價鍵的固體材料,由此決定了它們的一般特性是熔點(diǎn)高、硬度高、強(qiáng)度高、耐腐蝕、電絕緣以及質(zhì)地脆。(1)世界上第一種”人造材料”陶器－它是人類創(chuàng)造的第一種“人造材料”（２）“瓷器（ｃｈｉｎａ）”－－中國的同義詞陶器的制造過程是以粘土為原料(篩除大的顆粒),再經(jīng)過成型和燒制,這一工藝流程至今仍然是大多數(shù)無機(jī)非金屬材料的基本生產(chǎn)過程.釉陶器的不足之處是不致密，易滲漏，強(qiáng)度也不高．從陶到瓷，在技術(shù)上主要有三大突破：一是瓷土的發(fā)現(xiàn)和利用；二是釉的發(fā)明和創(chuàng)新；三是燒制溫度的提高．瓷器是我國古代最重要的發(fā)明之一，它凝聚著我國勞動人民的智慧．江西景德鎮(zhèn)的薄胎瓷器被贊為“潔如玉，明如鏡，薄如紙，聲如磬．”實(shí)際上，陶器和瓷器在一起就是所謂的“陶瓷”．（３）功勛卓著的硅酸鹽宗族硅酸鹽材料，有四大類：陶瓷，水泥，耐火材料和玻璃．陶瓷的特點(diǎn)是耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、不導(dǎo)電等。①陶瓷②水泥是當(dāng)前工業(yè)用量最大的材料.最常用的硅酸鹽水泥是由石灰?guī)r、粘土和鐵礦石為原料，按一定比例混合并磨細(xì)形成所謂生料，經(jīng)1450℃的高溫煅燒成為熟料，然后加入一定量的石膏后再次磨細(xì)即成為水泥。這一制造過程可以概括為“兩磨一燒”。③耐火材料耐火材料是能夠滿足高溫條件下使用要求的無機(jī)非金屬材料，即在高溫使用時不熔融、不分解、不氧化變質(zhì)，并具有一定的牢固性，通常規(guī)定其耐火度在1580℃以上，主要用于高溫冶煉、煅燒、熔制、加熱等工業(yè)爐的內(nèi)襯、墻體、窗口等，在冶金工業(yè)中有突出重要的地位。④玻璃熱敏電阻是一種電阻值隨溫度而變化的電阻元件，電阻值隨溫度升高而增加的稱為正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC),反之電阻值隨溫度的升高而降低的稱為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC).②壓敏陶瓷這種陶瓷的電阻值隨電壓呈現(xiàn)非線性的變化,在低電壓下,電阻值高,因此流過的電流很小;但當(dāng)電壓高于某一定值后,電阻值迅速下降,流過的電流迅速增大.壓敏陶瓷:在ZnO中摻入Bi2O3等雜質(zhì)而制成③氣敏陶瓷氣敏陶瓷是某些半導(dǎo)體陶瓷在吸附了某種氣體后其電阻值會發(fā)生敏銳變化的一類材料,利用這一特點(diǎn)做成氣敏元件可直接、簡便、靈敏的檢測各種氣體。④濕敏陶瓷⑤光敏陶瓷光敏電阻一般選用高純度的CdS或CdSe摻入Al、Ga、In等三價金屬的化合物或Cu、Ag、Au等一價金屬的化合物，然后加上電極便可制成光敏電阻，一般用銦或鎵蒸鍍到CdS或CdSe上作為電極。光生伏特效應(yīng)第四章年輕的高分子材料千姿百態(tài)

４－１２０世紀(jì)新興的材料世界(1)異軍突起的高分子材料高分子材料是由相對分子質(zhì)量比一般有機(jī)化合物高得多的高分子化合物為主要成分制成的物質(zhì).高分子所具有的嶄新的物理、化學(xué)性質(zhì)：①可以壓延成膜:②可以仿制成纖維;③可以擠鑄或模壓成各種形狀的構(gòu)件;④可以產(chǎn)生強(qiáng)大的粘結(jié)能力;⑤可以產(chǎn)生巨大的彈性形變;并具有質(zhì)輕、絕緣、高強(qiáng)、耐熱、耐腐蝕、自潤滑等許多獨(dú)特的性能。烯烴（乙烯、丙烯）在當(dāng)前的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、運(yùn)輸、通訊乃至人類的生活中，高分子材料與金屬、陶瓷一起并列為三類最重要的材料。(2)優(yōu)異獨(dú)特的性能①質(zhì)量輕、自重小。②良好的電絕緣性能。③低的熱導(dǎo)性能、優(yōu)良的隔熱保溫性能。④良好的化學(xué)穩(wěn)定性。⑤寬范圍內(nèi)的力學(xué)可選擇性。⑥突出的減震阻尼性質(zhì)。⑦良好的耐磨、耐疲勞性質(zhì)。⑧良好的透光率。⑨原料來源廣泛，加工成型方便、成本低。與金屬或其他材料的加工過程相比，高分子材料的加工具有高速、高效、低損耗的特點(diǎn)。⑩漂亮美觀的裝飾性。(3)高分子材料是怎樣制造出來的?絕大部分高分子材料都是以樹脂(未經(jīng)加工的各種高聚物)為主要成分進(jìn)行加工而得到的.無論是何種高分子材料最重要的是獲得其基材聚合物,即高分子樹脂.(4)高分子材料的分類①按照來源可分為兩大類:一是自然界賜給人類的天然高分子;二是20世紀(jì)以來發(fā)展的人工合成高分子.浙江河母渡發(fā)現(xiàn)的6000年前的漆碗.在浙江吳興錢家漾發(fā)現(xiàn)的4700年前的絹、絲帶、萱麻織物。發(fā)酵繅絲鞣制晾制②按用途主要分為兩大類：(ⅰ)結(jié)構(gòu)材料(包括通用高分子、工程塑料和復(fù)合材料）(ⅱ)非結(jié)構(gòu)材料(又稱功能高分子材料)合成高分子是指通過化學(xué)反應(yīng)而獲得的一系列高分子樹脂,利用這些高分子樹脂人們制成了五光十色的塑料、纖維和橡膠制品。結(jié)構(gòu)材料是以良好的機(jī)械力學(xué)性能而獲得應(yīng)用的結(jié)構(gòu)材料，這類高分子材料最多，包括面大量廣的通用高分子和高溫（100℃）情況下具有高強(qiáng)度（50MPa）的工程塑料以及復(fù)合材料。通用高分子材料包括塑料中的“四烯”（即聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯）；纖維中的“四綸”（即滌綸、錦綸、腈綸、維綸）；橡膠中的“四膠”（即丁苯橡膠、順丁橡膠、異戊橡膠、異丙橡膠），此外通用高分子還包括廣泛應(yīng)用的各種涂料和膠粘劑。工程塑料是指一類強(qiáng)度和剛度高、韌性好、耐磨、耐熱的優(yōu)質(zhì)塑料，可代替金屬或陶瓷而應(yīng)用于車輛、飛機(jī)、船只、電子設(shè)備。由各種纖維與高分子樹脂制成的復(fù)合材料也屬于工程塑料之列。非結(jié)構(gòu)材料除了具有一定的機(jī)械力學(xué)性能以外，主要具備某種特殊的功能，因而也稱為功能高分子。③按鏈結(jié)構(gòu)分為兩類：（?。┚€型高分子－以線型鏈存在的形式。常用的聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等都是相對分子質(zhì)量高達(dá)數(shù)十萬甚至上百萬的長鏈高分子。特點(diǎn)：由于這些線型鏈間沒有化學(xué)鍵連接，所以它們是可溶可熔的。所有的塑料都是熱塑性高分子（ⅱ）體型高分子－它們的鏈之間是通過化學(xué)鍵的形式組成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。也稱熱固性高分子特點(diǎn)：不溶不熔4－2現(xiàn)代生活中的高分子材料(1)從人造棉到仿毛仿絲的確良腈綸棉目前合成纖維中大量生產(chǎn)的“四綸”，即由聚對苯二甲酸乙二酯仿制的滌綸；由聚酰胺制成的尼龍（錦綸）；由聚丙烯腈紡成的腈綸和由聚乙烯醇縮甲醛制得的維尼綸。合成纖維－是指自然界原本不存在，靠人類聰明才智，通過化學(xué)方法合成得到高分子以后仿制出來的纖維．人造纖維－將天然纖維進(jìn)行二次加工，經(jīng)化學(xué)和物理方法處理以后仿制出來的纖維稱為人造纖維（即所謂的人造絲）注意，這里所說的人造纖維不屬于合成纖維．為了使合成纖維更能滿足人們的需要,人們對其實(shí)用性(免燙、易洗、吸汗、透氣、保溫絕熱)、裝飾性(色澤齊全,挺擴(kuò)懸垂,手感好)、耐用性(耐蟲蛀、耐摩擦、不褪色、不變形)等方面提出了越來越高的要求.所謂差別化纖維是指在常規(guī)服用纖維中采用某種物理或化學(xué)改性技術(shù),賦予更良好性能的纖維,其結(jié)果是使同一品種纖維性能多樣化.(2)從農(nóng)業(yè)地膜到不粘鍋塑料地膜與化肥及農(nóng)藥一起已成為現(xiàn)今農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的三大化工材料.(3)從家具到活動房屋豬血－老粉膩?zhàn)?即血朊膠粘劑)和桐油－石粉－竹纖維(4)從自行車到汽車輪胎例如,碳纖維復(fù)合材料以其比強(qiáng)度、比摸量高、質(zhì)輕，且在高溫(2000℃以上)情況下,強(qiáng)度不下降的優(yōu)異特性,而被選作宇宙飛船的結(jié)構(gòu)材料和戰(zhàn)略導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部的穩(wěn)定裙.玻璃纖維復(fù)合材料以其質(zhì)輕、耐腐蝕、抗微生物附著、非磁性、可吸收撞擊能、設(shè)計成型自由度大等一系列優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于制造汽艇、游船、救生船、漁船、氣墊船以及各種軍用艦艇.(5)從體育用品到宇宙飛船在現(xiàn)代生活中起重要作用的另一類高分子材料是遍及各行各業(yè)和人類日常生活的高分子粘合劑.膠粘技術(shù)具有許多非凡的功能:可以連接材質(zhì)形狀各異的材料;可以在維持產(chǎn)品良好性能的前提下減輕結(jié)構(gòu)的重量;連接處應(yīng)力分布均勻,又延長結(jié)構(gòu)壽命(螺釘連接、鉚接、焊接都會帶來應(yīng)力集中);連接強(qiáng)度高,相同面積的接頭,膠接比鉚接的剪切強(qiáng)度高40%~100%,同時具有連接、密封、絕緣、防潮、防震等各種功能；施工簡單，成本低廉。有萬能膠美稱的環(huán)氧樹脂,則可以粘接木材、玻璃、陶管、金屬。第五章先進(jìn)復(fù)合材料,巧奪天工

5－1復(fù)合材料是材料科技進(jìn)步的必然復(fù)合材料－即由兩種或兩種以上不同性質(zhì)或不同組織構(gòu)成的材料都可稱為復(fù)合材料.從工程概念上,將復(fù)合材料的范圍劃得就比較窄了,它是指以人工方式將一種或多種性質(zhì)不同又可性能互補(bǔ)的材料復(fù)合起來做成的新材料,它具有比任何單一材料更優(yōu)越的綜合性能.玻璃鋼利用了玻璃的強(qiáng)度和樹脂的塑性,使它們的長處結(jié)合起來,充分發(fā)揮,同時又克服了各自的缺點(diǎn),即玻璃的脆性和樹脂的強(qiáng)度不足.玻璃鋼質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、成本低，在20世紀(jì)40年代一旦研制成功，很快就風(fēng)靡全球，廣泛用于建筑、交通、化工和機(jī)械制造，至今仍占據(jù)著復(fù)合材料銷售的最大市場。復(fù)合材料的理論、設(shè)計、工藝技術(shù)和品種飛速發(fā)展，不僅能夠生產(chǎn)出強(qiáng)度更高的多種纖維，而且基體材料也從樹脂基擴(kuò)展到金屬基、陶瓷基、碳基等，從此復(fù)合材料進(jìn)入了一個新的里程，為了與前面的復(fù)合材料相區(qū)別，我們把后面出現(xiàn)的這些復(fù)合材料就稱之為先進(jìn)復(fù)合材料。先進(jìn)復(fù)合材料可以通過合理的選擇和精心的設(shè)計，使之具有密度小(重量輕),強(qiáng)度和剛度高,耐溫、耐磨、耐蝕、抗輻射、導(dǎo)熱、導(dǎo)電、吸波、換能以及其他多種物理功能的特點(diǎn)。(一)復(fù)合材料的分類①按性能與用途可以分為結(jié)構(gòu)和功能兩大類.②按增強(qiáng)體的特點(diǎn)可分為顆粒增強(qiáng)、晶須增強(qiáng)和纖維增強(qiáng)等復(fù)合材料；③按基體不同可分為樹脂基、金屬基、陶瓷基等幾大類；其中樹脂基復(fù)合材料目前研究得最為透徹，應(yīng)用也已比較成熟，并最具有典型性。(二)復(fù)合材料的特點(diǎn)(1)高的比強(qiáng)度和比摸量我們通常將材料的強(qiáng)度、摸量與密度之比分別稱為比強(qiáng)度和比摸量，它們是材料性能的重要指標(biāo)，高的比強(qiáng)度和比摸量可望使結(jié)構(gòu)質(zhì)量大幅度減輕。(2)各向異性和可設(shè)計性纖維復(fù)合材料表現(xiàn)出顯著的各向異性,即沿纖維方向和垂直于纖維軸方向的許多性質(zhì),包括光、電、磁、導(dǎo)熱性能、比熱容性能、力學(xué)性能、熱膨脹性能都有顯著的差別。先進(jìn)復(fù)合材料的彈性性質(zhì)需要由四個彈性摸量來描述：縱向彈性摸量、橫向彈性摸量、泊松比和面內(nèi)剪切彈性摸量。在強(qiáng)度性能上，復(fù)合材料需由五個強(qiáng)度值決定；縱向拉伸、縱向壓縮、橫向拉伸、橫向壓縮和面內(nèi)剪切強(qiáng)度。(3)良好的抗疲勞特性我們說疲勞特性是指材料在交變載荷作用下,由于裂紋的形成和擴(kuò)展而產(chǎn)生的一種低應(yīng)力破壞.(4)成型工藝好耦合效應(yīng)整體共固化成型法樹脂基復(fù)合材料展現(xiàn)了非?？少F的性能和應(yīng)用價值,它的最主要的不足是只能在低于350℃以下的溫度范圍使用.碳纖維增強(qiáng)碳基復(fù)合材料是無機(jī)非金屬范疇,廣義上也屬于陶瓷基復(fù)合材料,它以碳纖維的編制物浸漬樹脂、瀝青等可碳化的物質(zhì)，經(jīng)過高溫碳化和石墨化做成碳－碳復(fù)合材料，具有高的比強(qiáng)度、耐高溫、耐磨損、抗燒蝕，已在導(dǎo)彈頭錐、火箭噴管、航天飛機(jī)機(jī)翼前緣等部位采用，成為航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域中的關(guān)鍵材料。先進(jìn)復(fù)合材料是現(xiàn)代高性能材料發(fā)展的一種必然趨勢。5－2先進(jìn)復(fù)合材料的原料

復(fù)合材料有結(jié)構(gòu)型復(fù)合材料和功能型復(fù)合材料兩種.前者是以承受外載為主,其主要特征是應(yīng)有滿足設(shè)計的強(qiáng)度與剛度;后者是以滿足功能為主,例如電、磁功能、隱身功能。就結(jié)構(gòu)復(fù)合材料來說，其基本組成是增強(qiáng)劑纖維和基體材料；功能復(fù)合材料則以功能材料與基體材料組成。(1)先進(jìn)復(fù)合材料的增強(qiáng)材料現(xiàn)在用于先進(jìn)復(fù)合材料的增強(qiáng)材料的品種很多,其中應(yīng)用最廣的品種是碳纖維.碳纖維目前是復(fù)合材料中最重要的一種增強(qiáng)劑;現(xiàn)在工業(yè)上一般都采用從粘膠纖維、聚丙烯腈纖維、瀝青纖維三種原材料中來制取碳纖維。(2)先進(jìn)復(fù)合材料的基體材料目前作為先進(jìn)復(fù)合材料的基體材料品種很多,但已進(jìn)入商品化階段并獲得廣泛應(yīng)用的則是以樹脂基體為主.以它為基體時,通常稱為聚合物基復(fù)合材料.在樹脂基體中,又以熱固性樹脂為主體.它包括環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺樹脂。5－3先進(jìn)復(fù)合材料是怎樣制造出來的復(fù)合材料構(gòu)件的制造完全不同于傳統(tǒng)金屬構(gòu)件的制造,它是材料成型與構(gòu)件成型同時完成的.材料成型與構(gòu)件成型一次完成是復(fù)合材料制品的又一重要特點(diǎn).5－4先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用(1)在軍用和民用飛機(jī)上的應(yīng)用(2)在導(dǎo)彈和宇航中的應(yīng)用熱焓－單位質(zhì)量的物質(zhì)所含的全部熱能.碳化鉭(TaC)和碳化鉿(HfC)的熔點(diǎn)為4000℃左右.而碳－碳復(fù)合材料在分解、解聚、蒸發(fā)、氣化及離子化等化學(xué)和物理過程中能驅(qū)散大量的熱能，并利用材料本身消耗來換取隔熱效果，因此這是一種很好的絕緣、防燒蝕材料。美國國家航空和宇宙航行局(NASA)(3)在體育器材上的應(yīng)用近年來先進(jìn)復(fù)合材料在體育用品上的應(yīng)用也是一大熱門,其原因主要有兩點(diǎn):①具有比木材、鋼材高得多的比強(qiáng)度和比剛度，從而獲得輕質(zhì)量。②良好的阻尼特性，對于相同的幾何尺寸的復(fù)合材料梁和金屬梁，同時施加振動力，金屬材料比復(fù)合材料遠(yuǎn)難于停振。第六章電子與光電子材料,信息時代的基石原子能、半導(dǎo)體、激光和電子計算機(jī)被稱為20世紀(jì)的四大發(fā)明。信息材料大體上可以分為電子材料和光電子材料兩大部分,其實(shí)這兩大部分中也有重復(fù)和交叉.因此,我們在本章中只能重點(diǎn)對半導(dǎo)體材料和激光材料做一簡單介紹.6－1半導(dǎo)體材料和電子技術(shù)的突破性進(jìn)展20世紀(jì)初(即1905年)世界上第一個真空電子管的發(fā)明,標(biāo)志著人類社會進(jìn)入了電子化時代,電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)了第一次重大技術(shù)突破.晶體管的發(fā)明,是電子技術(shù)的第二次重大技術(shù)突破,為微電子技術(shù)揭開了序幕.發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體硅Si比鍺Ge有更多的優(yōu)點(diǎn).發(fā)明了晶體管平面工藝,為20世紀(jì)50年代末集成電路的問世準(zhǔn)備了可靠的基礎(chǔ),這正是微電子技術(shù)的一大突破,也是電子技術(shù)的第三次重大技術(shù)突破.從1958年~1978年20年間,集成電路的集成度從10個元件發(fā)展到10萬個元件,整整提高了10000倍!這是電子技術(shù)史上的第四次重大技術(shù)突破.100nm被認(rèn)為是微電子技術(shù)的極限.隧道三極管量子隧道效應(yīng)這種體積小、速度快、功耗低的嶄新器件，對于超越集成電路的物理限制具有重大意義，是電子技術(shù)的第五次重大技術(shù)突破。6－2現(xiàn)代電子器件的基礎(chǔ)－單晶硅和砷化鎵我們說半導(dǎo)體材料最具特征的性質(zhì)是對溫度、雜質(zhì)和光照等外界作用有十分靈敏的反應(yīng)。(1)單晶硅硅單晶材料是制造現(xiàn)代電子器件的基礎(chǔ).自然界中存在的石英砂和硅酸鹽不具有半導(dǎo)體性質(zhì),其原因是自然界中以化合物形式存在的硅含有大量的雜質(zhì),所以必須經(jīng)過提純和拉制單晶體,才能顯示半導(dǎo)體性質(zhì).本征半導(dǎo)體單晶材料的純度可以達(dá)到99.99999%.(電子級純度)這里所謂的“本征半導(dǎo)體單晶材料”是指純凈的半導(dǎo)體硅單晶.半導(dǎo)體材料對摻入的雜質(zhì)、外界溫度、外加壓力和光線照射等具有特別的靈敏性。光電導(dǎo)效應(yīng)－當(dāng)用光線照射半導(dǎo)體材料時,半導(dǎo)體材料的電阻立即變小,在相同電壓下，半導(dǎo)體的電流變大了,我們把這個現(xiàn)象就稱為光電導(dǎo)效應(yīng).光生伏特效應(yīng)－在光的照射下,在p-n結(jié)兩端將產(chǎn)生穩(wěn)定的電勢差,稱為光生伏特效應(yīng).溫差電效應(yīng)－當(dāng)半導(dǎo)體材料兩端的溫度不同時,載流子就從高溫端流向低溫端,結(jié)果半導(dǎo)體材料的兩端產(chǎn)生了電勢差,我們稱這種現(xiàn)象為溫差電效應(yīng).壓阻效應(yīng)－當(dāng)我們對半導(dǎo)體材料施加壓力時,它的電阻就會立即發(fā)生變化,這種現(xiàn)象就稱為壓阻效應(yīng).(2)砷化鎵(GaAs)硅單晶材料中電子的有效質(zhì)量是自由電子質(zhì)量的1/5,而砷化鎵中電子的有效質(zhì)量僅為自由電子質(zhì)量的1/15.磷化鎵(GaP)、磷化銦(InP)和銻化銦(InSb)等都是Ⅲ－Ⅴ族化合物半導(dǎo)體.6－3激光材料與光通信媒體1960年5月15日第一束激光問世.(1)激光材料爭奇斗艷激光材料的種類:①高功率的固體激光材料固體激光器的基質(zhì)材料－晶體材料或玻璃材料.如紅寶石中的鉻離子,釹玻璃中的釹離子發(fā)光的激活離子有:稀土元素釹(Nd)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鐠(Pr)等;過渡元素鉻Gr、錳Mn、鈷Co、鎳Ni等;另外還有鈾U等放射性元素.基質(zhì)材料有上百種晶體,但真正實(shí)用的僅有紅寶石和釔鋁石榴晶體;雖說有幾十種玻璃材料,但真正實(shí)用的只有硅酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽、氟化物和硼硅玻璃等。固體激光器的特點(diǎn)：體積小，堅固可靠，脈沖功率高和應(yīng)用廣泛。②應(yīng)用廣泛的氣體激光材料實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，除了固體材料可以作為激光材料外，氣體也可以作為工作物質(zhì)。氣體激光器的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、造價低廉、穩(wěn)定性好、連續(xù)工作和性能優(yōu)秀。③小巧玲瓏的半導(dǎo)體激光器最成熟的有砷化鎵(GaAs)和鎵鋁砷(GaAlAs)等.(2)21世紀(jì)之光－激光激光同原子能、半導(dǎo)體和計算機(jī)一起，被譽(yù)為當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的四大發(fā)明。我們說激光也是光，從本質(zhì)上說光是電磁波，無論普通光還是激光都概不例外。

激光不同于普通光之處就在于它具有高超的方向性、獨(dú)特的單色性、巨大的亮度和優(yōu)異的相干性，因此被譽(yù)為21世紀(jì)之光。激光的四個特性：①極高的方向性.②鮮艷的單色性.(1=10-8cm,即億分之一厘米),光波長范圍越小,它的顏色越純、越鮮艷.激光是世界上顏色最純、彩色最鮮艷的光。③驚人的亮度.光的亮度是光源在單位面積上的發(fā)光強(qiáng)度.我們可以把一些光源按亮度大小從小到大排成隊(duì):蠟燭、電燈、炭弧燈、超高壓水銀燈、長弧氙燈、高壓脈沖氙燈、激光器等。激光不愧是世界上最亮的光源。④奇妙的相干性。其中全息照相是激光相干性成功應(yīng)用的例證之一。(3)激光器及其應(yīng)用①激光雷達(dá).②激光測距.光波長大于1.40μm的激光對人眼睛基本上無損傷作用.③激光通信.有線電通信和無線電通信是迄今為止最重要的通信手段.在這里信息的載體是電子,而光通信的信息的載體是光子.從本質(zhì)上說,電子和光子都是電磁波,只是光波的波長比無線電波短得多.因此它作為信息的載體速度要快得多.④全人類同時通話.無線電短波通信的頻率范圍為3~30MHz,微波通信的頻率范圍為1000~10000MHz,后者頻率提高了幾百倍,可以容納上千門電話和多路電視.而激光的頻率范圍為(1×107)~(100×107)MHz,比微波提高了1萬~10萬倍.假定每路電話的頻率為4KHz,這樣就大約可以容納100億路電話.全世界人口按50億人計算,那么全世界所有的人同時利用一束激光通話仍然綽綽有余.⑤藍(lán)綠通信.(4)光子通信的媒體信息傳輸?shù)拿襟w當(dāng)然是關(guān)鍵技術(shù)之一.當(dāng)信息以電子為載體時,信息傳輸?shù)拿襟w是金屬導(dǎo)線或金屬波導(dǎo)管;而當(dāng)信息的載體是光子時,信息傳輸?shù)拿襟w則是光導(dǎo)纖維.光導(dǎo)纖維是一種比頭發(fā)絲還細(xì)的玻璃纖維絲.1966年一位英籍華人高琨博士發(fā)表了一篇題為“適合于光頻率的絕緣介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)”的著名論文.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，石英玻璃材料中的雜質(zhì)濃度是影響光波衰減的主要因素，并對波長為1μm的光波進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得到每公里只衰減1dB的好成果。在時隔近半個世紀(jì)后的今天,高琨博士終于在2010年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎.特殊的制造工藝，特殊的材料，使光纖既纖細(xì)似發(fā)，柔順如絲，又具有很高的抗拉強(qiáng)度和較大的抗壓能力。光纖在性能上，對光波衰減小，可以多功能傳輸聲音、圖象和文字，適應(yīng)高低溫環(huán)境，抗電磁干擾，耐放射性輻射，光波在光纖中傳播不向外部輻射電磁波，并有極高的保密特點(diǎn)。信息以光速傳送，速度無與倫比，光通信比電通信的容量要提高1億~10億倍，一根光纖能同時傳輸100億個電話，或1000萬套電視節(jié)目，容量之大難以想象。我們作一個形象的比較：一根一公里長，直徑125μm的光導(dǎo)纖維，僅重30克，它的重量是銅電纜的十萬分之三，而價格為銅電纜的萬分之五。“信息高速公路”“美國全國信息基礎(chǔ)設(shè)施計劃”，耗資4000億美元，歷時數(shù)十年。第七章超導(dǎo)材料,神奇的無電阻導(dǎo)體

７－１超導(dǎo)材料的問世及其特性(1)超導(dǎo)材料的問世在常溫下,按導(dǎo)電能力的大小我們可以將固體分為良導(dǎo)體(如Cu、Al、Au、Ag、Pt等金屬材料),半導(dǎo)體(半金屬Si、Ge及GaAs等)和絕緣體(玻璃、陶瓷等).人們經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)了這樣一個現(xiàn)象:良導(dǎo)體的金屬材料會隨著環(huán)境溫度的降低,其電阻逐漸的減小.開氏溫度等于－273℃即為絕對零度.1908年荷蘭著名物理學(xué)家卡麥林·昂尼斯超導(dǎo)電性－物質(zhì)在低溫狀態(tài)下,電阻消失為零的現(xiàn)象叫做超導(dǎo)電性.超導(dǎo)體－在低溫狀態(tài)下具有超導(dǎo)電性的材料叫做超導(dǎo)體.我們把超導(dǎo)體開始失去電阻的溫度稱為超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc.著名的“永久電流”實(shí)驗(yàn)(2)超導(dǎo)態(tài)的特性與形成條件超導(dǎo)態(tài)－當(dāng)超導(dǎo)體顯示超導(dǎo)電性時我們就說它處于超導(dǎo)態(tài);否則就說是正常態(tài).超導(dǎo)體的特性:①電阻為零;②完全抗磁.1933年荷蘭的另外兩位物理學(xué)家邁斯納和奧赫森·費(fèi)爾德做了一個實(shí)驗(yàn)“邁斯納效應(yīng)”,它證明了超導(dǎo)體具有完全抗磁性.Al的臨界溫度Tc=7.2K,也就是－265.8℃(因?yàn)殚_氏零度等于－273℃,所以,－273℃+7.2=－265.8℃)實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)具有兩個重要的特征:①當(dāng)T<Tc時,電阻為零,因而超導(dǎo)體內(nèi)不會“發(fā)熱”,不會有能量損耗.即“零電阻效應(yīng)”．②當(dāng)T<Tc時,超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B總是為零,具有完全的抗磁性.即“麥斯納效應(yīng)”．1957年,美國物理學(xué)家巴丁、庫柏和斯里佛三人創(chuàng)建了被稱為BCS的超導(dǎo)微觀理論.1933年荷蘭萊頓實(shí)驗(yàn)室的兩位科學(xué)家特哈斯和伍德用超導(dǎo)材料鉛鉍合金繞制線圈,發(fā)現(xiàn)只能容許在通過小電流時應(yīng)用.電流增大到某一值(Ic)時,超導(dǎo)態(tài)就被破壞,即叫做“失超”.實(shí)現(xiàn)“超導(dǎo)”的三個基本條件是:①臨界溫度Tc,必須T<Tc,電阻才為零;②臨界磁場強(qiáng)度Hc,超過某一磁場強(qiáng)度時,超導(dǎo)便被破壞;③臨界電流密度Ⅰc(A/cm2)或臨界電流Ⅰc,當(dāng)Ⅰ>Ⅰc時便失超.7－2超導(dǎo)材料的應(yīng)用與展望超導(dǎo)磁體不僅可以產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場,而且具有體積小、重量輕、能耗小的三大優(yōu)點(diǎn)。超導(dǎo)磁體不需要像常規(guī)獨(dú)特那樣龐大的供水裝置,它還具有質(zhì)量輕、體積小、穩(wěn)定性好、均勻度高、高梯度以及易于啟動和能長期運(yùn)轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。1)1979年,超導(dǎo)磁懸浮高速列車首先在日本試車成功.2)在電力行業(yè)上有著最為廣泛的應(yīng)用:a.超導(dǎo)體發(fā)電;b.超導(dǎo)體儲電;c.超導(dǎo)體輸電;3)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用:a.核磁共振斷層成像;b.超導(dǎo)結(jié);4)磁分離技術(shù)這項(xiàng)新技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于選礦.5)研制電磁炮.影響超導(dǎo)技術(shù)發(fā)展的最大障礙就是低溫;直到1973年,科學(xué)家們找到了一種叫鈮三鍺(Nb3Ge)的材料,它的轉(zhuǎn)變溫度是23.2K.鑭鋇銅(LaBaCu)52.5K1987年2月15日,朱經(jīng)武和吳茂昆宣布,他們的研究小組獲得了轉(zhuǎn)變溫度為98K的超導(dǎo)體,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于液體氮的臨界溫度77K.中國科學(xué)院物理所的13位科學(xué)家獲得了臨界溫度為100K的超導(dǎo)體.第八章稀土,我國富有的戰(zhàn)略資源

8－121世紀(jì)的戰(zhàn)略元素(1)稀土元素及其性質(zhì)稀土元素包括15個鑭系元素,以及與鑭系元素化學(xué)性質(zhì)近似的鈧、釔,共17個元素,都處在元素周期表中的ⅢB族,常用R或RE表示.根據(jù)原子結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性質(zhì)和地球化學(xué)性質(zhì)的相似程度，通常將稀土元素分為以下兩組：①輕稀土或鈰組稀土：鑭La、鈰Ce、鐠Pr、釹Nd、钷Pm、釤Sm、銪Eu;(共七個元素)②重稀土或釓組稀土:釓Gd、鋱Tb、鏑Dy、鈥Ho、鉺Er、銩Tm、鐿Yb、镥Lu、鈧Sc、釔Y(共10個元素).相同的外層電子排列:4fn5d0-16s2決定了稀土的共性,其中n=0(鑭)至n=14(镥);因?yàn)?f電子數(shù)的不同,稀土元素有各自具有明顯不同的個性.稀土其實(shí)非“土”,它們都是典型的金屬,其金屬光澤介于鐵和銀之間.大多數(shù)稀土金屬都呈現(xiàn)鐵磁性.稀土永磁材料(Nd-Fe-B)是目前已知的綜合性能最好的一種永磁材料;LaNi5能吸收大量的氫氣,是很好的儲氫材料;TbFe2是迄今為止最好的磁致伸縮材料.(2)稀土史略及資源分布從1794年芬蘭科學(xué)家加多林發(fā)現(xiàn)釔土開始,至1947年從鈾裂變產(chǎn)物中分離出钷為止,稀土各元素的全部被發(fā)現(xiàn)歷時153年,前后記載著14位科學(xué)家的功績.由于稀土各元素的性質(zhì)十分相似,又往往共生于一種礦石中,難于分離,從而造成了稀土元素發(fā)現(xiàn)史的曲折復(fù)雜.硝酸釷加少量稀土制造白熾氣燈紗罩稀土其實(shí)不“稀”.這組元素約占地殼組成的0.0236%,其克拉克值(即元素在地殼中的%質(zhì)量)甚至大于Zn、Pb、Ni、Sn等常見金屬元素的克拉克值,尚可供人類開采使用500年以上,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鐵(100年),銅(40年)和鋅(30年)等金屬的可供開采年代,在月球表面和海水中也發(fā)現(xiàn)有稀土存在.稀土在世界上的分布區(qū)域較少,稀土資源和稀土儲量相對地集中于中國、美國、印度、澳大利亞、前蘇聯(lián)和巴西等六個國家。自然界中已發(fā)現(xiàn)的稀土礦物大約有169種,可供工業(yè)利用的礦物約50多種,而重要的稀土工業(yè)礦物有18種,其中最重要的為氟碳鈰礦和獨(dú)居石.我國的稀土資源總儲量約占世界已知儲量的2/3以上,工業(yè)儲量則占世界工業(yè)總儲量的80%左右.另外我國稀土資源還有品種全、分布廣和類型多的特點(diǎn)。含高技術(shù)新材料用的重稀土元素高于國外類似的工業(yè)礦物中含量的1~5倍以上。從1986年開始，我國成為稀土的最大生產(chǎn)國。

8－2微量稀土的奇妙作用(1)稀土與生命稀土在自然界中可謂無處不有,土壤、巖石、水、大氣、植物中均含有稀土。近20年來,稀土微肥、稀土飼料、稀土藥物逐漸得到推廣使用，進(jìn)入環(huán)境循環(huán)的稀土量大幅度增加。稀土元素不僅能提高作物產(chǎn)量,還能改善作物品質(zhì).稀土鹽類和化合物有較廣泛的藥理學(xué)性質(zhì),人們很早以前就用鈰鹽治療海洋性眩暈和妊娠嘔吐.稀土元素在藥物上的應(yīng)用主要有以下幾方面:①抗凝血作用;②抗腫瘤作用;③燒傷藥物;④抗炎、殺菌作用;⑤抗動脈硬化作用;⑥稀土化合物還有鎮(zhèn)痛、降血糖等作用.(2)“工業(yè)味精”的美名在每噸鋼中加入1~5Kg的稀土(即0.1%~0.5%)鋼的熱加工性、強(qiáng)韌性和耐氧化性就能得到大幅度提高;現(xiàn)在稀土的這種神奇作用也在銅、鋁、鉬等有色金屬、硬質(zhì)合金、陶瓷材料中得到應(yīng)用。稀土元素也因此獲得了“工業(yè)味精”的美名。在強(qiáng)度為60Kg/mm2的高強(qiáng)度鋼中添加0.025%的鈰(Ce),即能顯著提高其低溫脆性.稀土元素除了在鋼鐵中有神奇作用外,在非鐵金屬方面也大顯身手.在青銅及黃銅中添加少量的稀土能提高材料的強(qiáng)度、加工性能、耐熱性和導(dǎo)電性。如在銅合金中加入0.1%的鈰組稀土,在300℃下加熱2h,其抗張強(qiáng)度高達(dá)61.6Kg/mm2,而未加稀土的銅合金僅為32.6Kg/mm2,前者的導(dǎo)電率達(dá)到85.3%IACS(即相對標(biāo)準(zhǔn)退火銅線電導(dǎo)率的百分比),是一種非常好的高溫導(dǎo)電材料.另外鋁導(dǎo)線能越過千山萬水把電力輸送到千家萬戶,也主要?dú)w功于稀土能顯著提高鋁導(dǎo)線的抗張強(qiáng)度、耐熱性和耐腐蝕性，同時卻又不降低其導(dǎo)電率。在金屬家族中，金屬鉬Mo、鎢W、鉭Ta、鈮Nb等被稱為難熔金屬.再結(jié)晶室溫脆性如在鉬中添加0.1%~5%的稀土鑭La或釔Y的氧化物,它就變得既“剛”又“柔”。為什么微量稀土元素有如此巨大的作用呢?科學(xué)家經(jīng)過長期研究后發(fā)現(xiàn),稀土性質(zhì)活躍,與鋼鐵中的有害雜質(zhì)－氫、氧、氮和硫的化學(xué)親和力很大，易形成氫化物、氧化物、氮化物、硫化物和硫氧化物，起到脫氧、脫硫效果，成為鋼鐵的“清道夫”。另外稀土還能控制硫化物的形態(tài)。8－3當(dāng)代永磁王磁性材料習(xí)慣上按矯頑力的高低進(jìn)行分類,矯頑力是材料承受退磁作用強(qiáng)弱的一種度量.通常磁性材料分為以下三種:①第一種是矯頑力小于100A/m(約1.25Oe)(奧斯特)的材料稱為軟磁材料;②第二種是矯頑力介于100~1000A/m(約12.5Oe)的材料稱為半硬磁材料;③第三種是矯頑力大于1000A/m(約12.5Oe)的材料稱為硬磁材料.(又稱為永磁材料或恒磁材料)20世紀(jì)60年代,美國首先研制成功了第一代稀土永磁材料SmCo5磁體.70年代日本開發(fā)成功第二代稀土永磁材料Sm2Co17,使磁性進(jìn)一步提高.80年代,稀土永磁材料取得突破性進(jìn)展,日本首次開發(fā)成功第三代稀土永磁材料Nd-Fe-B,它是目前所有永磁體中磁性最高的,因而獲得“永磁王”的美稱.Nd-Fe-B永磁體不僅性能優(yōu)異,而且由于采用價廉的稀土釹(Nd)代替了釤(Sm),用鐵(Fe)代替了鈷(Co),因而使成本大大降低,成為目前廣泛應(yīng)用的永磁材料.20世紀(jì)90年代后,稀土永磁材料又有新的發(fā)展,Sm2Fe17Nx與NdFe10.5Mo1.5Nx(稀土－鐵氮化物)材料具有更好的內(nèi)稟磁性能,目前正在大力研究,可望成為第四代稀土永磁材料.稀土永磁材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域有以下幾個方面:①微波通信技術(shù);②電機(jī)工程;③未來交通運(yùn)輸工具;④音響器材;⑤磁療及鍵身器械;核磁共振成像儀(MRI)與X射線成像儀(CT)第九章生物醫(yī)學(xué)材料造福千秋萬代

9－1生物醫(yī)學(xué)材料及其分類

生物醫(yī)學(xué)材料又稱為生物材料或醫(yī)用材料;它是一類與人體組織、血液或體液相接觸，具有人體器官和組織的功能或部分功能的材料。它是制造人工器官、醫(yī)療裝置和藥物的物質(zhì)基礎(chǔ)。特別是20世紀(jì)60年代以后,各種具有特殊功能的高分子材料不斷涌現(xiàn)出來,為人工器官領(lǐng)域的研究提供了性能優(yōu)異的新型材料,如制作人工心臟用的聚氨酯和硅橡膠,以及人工腎的中空纖維等,促進(jìn)了醫(yī)學(xué)和人工器官的飛躍發(fā)展.(1)生物醫(yī)學(xué)材料的分類:①硬組織材料,主要用作骨科和牙科材料.②軟組織材料,眼科材料以及一些填充和修復(fù)材料.③吸附分離材料,用于人工腎、肝、肺的膜材料和吸附劑材料.④心血管材料和人工血液材料.⑤組織粘合劑和縫合線材料.⑥用作藥物和藥物載體的材料.⑦一次性使用的醫(yī)用材料,如紗布、橡皮膏、注射器、輸液器等.(2)對生物醫(yī)學(xué)材料的要求材料與人體的相互適應(yīng)性,我們稱之為生物相容性.生物醫(yī)學(xué)材料的具體要求有以下四個:①耐生物老化性.②物理和力學(xué)性能好.③便于消毒和滅菌,易于加工,價格適當(dāng).④生物相容性好.

9－2人造硬組織材料(1)牙科材料作為牙科材料,要求具有足夠的強(qiáng)度,耐磨損,不變型,無毒無味,還具有理想的與牙齒一致的顏色和透明度.從用途上分,牙科材料可分為:牙托材料、牙齒材料和粘合劑材料。①牙托材料最常用的牙托材料是聚甲基丙烯酸甲酯等高分子材料.②牙齒材料牙汞齊(即銀汞合金)是最早的牙齒材料,現(xiàn)在正逐漸被由無機(jī)材料和高分子材料構(gòu)成的復(fù)合材料所代替.無機(jī)材料主要是磨碎的石英或玻璃微粒.③粘合劑材料(即牙水泥)牙水泥主要是磷酸鋅和含有磷酸基團(tuán)的甲基丙烯酸衍生物.④種植牙(2)骨科材料作為骨科材料,要求具有與骨骼相似的力學(xué)性質(zhì),如強(qiáng)度、彈性等.所以只有金屬、陶瓷和一些高效工程塑料能用來制作人工骨。其中陶瓷主要是羥基磷灰石、磷酸三鈣和碳纖維，三者與骨骼成分相似，材料植入人體后能夠與骨骼組織生長結(jié)合在一起。目前理想的方法是使用高分子粘合劑，即骨水泥。骨水泥主要是聚丙烯酸系列，骨水泥與陶瓷等顆粒混合后，注入修復(fù)部位，并自動固化。在近年來的研究中逐漸發(fā)展了生物降解骨水泥。目前比較好的一種生物降解骨水泥是聚丙交酯和羥基磷灰石的復(fù)合材料。目前更先進(jìn)的一種骨科材料是誘導(dǎo)成骨高分子材料。9－3人工器官及關(guān)鍵材料(1)器官移植與人工器官到目前為止,已經(jīng)研究成功和正在研究的人工器官有:人工心臟、人工腎、人工肝、人工肺、人工胰、人工眼、人工耳、人工舌、人工乳房、人工關(guān)節(jié)、人工骨、人工牙、人工血管、人工血液、人工喉、人工氣管、人工食道、人工皮膚、人工膀胱等。可以說，現(xiàn)在除了大腦之外,幾乎所有的人工器官都取得了相當(dāng)好的研究進(jìn)展和應(yīng)用效果.(2)人工心臟人工心臟分為完全人工心臟和人工心臟輔助裝置.后者包括:心室輔助泵、人工心臟瓣膜和人工心臟起博器.尤其是制造人工心臟的高分子材料,要求具有高度的抗撓曲性,長期撓曲不產(chǎn)生疲勞裂痕.(3)人工腎人工腎是人工器官中研究最早而又最成熟的人工器官,已實(shí)現(xiàn)了廣泛應(yīng)用.目前人工腎大致分為三類:透析型、過濾型和灌流型.(4)人工皮膚早期的人工皮膚,是利用硅橡膠或聚氨酯等高分子膜,貼在傷處,只起到屏障作用.后來發(fā)展的膠原膜和甲殼素膜,不僅有保護(hù)功能,而且還有促進(jìn)組織生長的功能,生物相容性好,感覺上也舒服.(5)人工假肢最初的假肢多為木材制作,后來發(fā)展為金屬、輕型鋁合金等;而近代高分子材料的發(fā)展為假肢又提供了更優(yōu)良的材料.最令人鼓舞的是假肢由原來的機(jī)械牽引型發(fā)展成