第10章 新型材料

第十章新型材料新型材料是相對(duì)于傳統(tǒng)材料而言，也稱為先進(jìn)材料。新材料研究的根本任務(wù)是利用新的科學(xué)原理和技術(shù)設(shè)計(jì)合成或制備出具有優(yōu)異性能的材料。當(dāng)前將新型材料分為復(fù)合材料、納米材料和功能材料等。10.1問題的提出---新型材料10.2復(fù)合材料1、復(fù)合材料的定義由兩種或兩種以上的異質(zhì)、異性、異形材料，在宏觀尺度上復(fù)合而成的一種完全不同于其組成材料的新型材料。按基體材料分類：金屬基復(fù)合材料，陶瓷基復(fù)合材料，水泥、混凝土基復(fù)合材料，塑料基復(fù)合材料，橡膠基復(fù)合材料等。按增強(qiáng)劑形狀：粒子、纖維及層狀復(fù)合材料。按復(fù)合材料的用途：結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料。2、復(fù)合材料的分類基體是復(fù)合材料的重要組成部分之一，主要作用是利用其黏附特性固定和黏附增強(qiáng)體，將復(fù)合材料所受的載荷傳遞并分布到增強(qiáng)體上。增強(qiáng)體主要用來承受載荷?；w與增強(qiáng)體之間的界面特性決定著基體與復(fù)合材料之間結(jié)合力的大小。3、復(fù)合材料中各組元的作用4、復(fù)合材料的性能特征低密度；膨脹系數(shù)??；導(dǎo)熱導(dǎo)電性好；阻尼性好等。1）物理性能特點(diǎn)比強(qiáng)度和比模量高例如碳纖維和環(huán)氧樹脂組成的復(fù)合材料，其比強(qiáng)度是鋼的8倍，比模量(彈性模量與密度之比)比鋼大3倍?？蛊谛阅芎美缣祭w維-聚酯樹脂復(fù)合材料的疲勞強(qiáng)度是其抗拉強(qiáng)度的70％-80％，而大多數(shù)金屬的疲勞強(qiáng)度是其抗拉強(qiáng)度的30％～50％。減振性能好纖維與基體界面有吸振能力，可減小振動(dòng)。例如，尺寸形狀相同的梁，金屬梁9s停止振動(dòng)，碳纖維復(fù)合材料制成的梁2.5s就可停止振動(dòng)。2）力學(xué)性能特點(diǎn)高溫性能好，抗蠕變能力強(qiáng)。例如，碳纖維增強(qiáng)碳化硅基體復(fù)合材料用于航天飛機(jī)高溫區(qū)，在1700℃仍可保持20℃時(shí)的抗拉強(qiáng)度，并且具有較好的抗壓性能和較高的層間抗剪強(qiáng)度。斷裂安全性高。例如，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的基體中有大量細(xì)小纖維，過載時(shí)部分纖維斷裂，載荷會(huì)迅速重新分配到未被破壞的纖維上，不致造成構(gòu)件在瞬間完全喪失承載能力而斷裂。成形工藝性好。對(duì)于形狀復(fù)雜的零部件，根據(jù)受力情況可以一次整體成形，減少了零件的銜接，提高材料的利用率。1）玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料以玻璃纖維為增強(qiáng)材料，以熱塑性發(fā)熱固性塑料為基體材料組成的復(fù)合材料，又稱玻璃鋼。強(qiáng)度、彈性模量、耐熱性、抗疲勞性和抗蠕變性均較高。5、常用的復(fù)合材料2）碳纖維復(fù)合材料

以碳纖維為增強(qiáng)材料，以樹脂、石墨、陶瓷或金屬味基體組成的復(fù)合材料。主要用于制作齒輪、軸承、活塞、密封環(huán)、化工器材零件、航空航天飛行器的機(jī)架、殼體、火箭、衛(wèi)星裝置、雷達(dá)天線構(gòu)架等重要器件。10.3納米材料1、納米材料的定義所謂納米材料，是指粒子尺寸在納米量級(jí)(1～100nm)的超細(xì)材料，又稱做超細(xì)粉體，其納米基本單元的顆粒或晶粒尺寸至少在一維上小于100nm，且必須是具有與常規(guī)材料截然不同的光、電、熱、化學(xué)或力學(xué)性能的一類材料體系。納米粉末又稱為超微粉或超細(xì)粉，一般指粒度在100nm以下的粉末或顆粒，是一種介于原子、分子與宏觀物體之間的處于中間物態(tài)的固體顆粒材料。納米纖維是指直徑為納米尺度而長(zhǎng)度較大的線狀材料。納米膜分為顆粒膜與致密膜，顆粒膜是指納米顆粒粘在一起，中間有極為細(xì)小的間隙的薄膜；致密膜是指膜層致密但晶粒尺寸為納米級(jí)的薄膜。納米塊體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。2、納米材料的分類按其結(jié)構(gòu)分為：①晶粒尺寸在三個(gè)方向都在幾個(gè)納米范圍內(nèi)的稱為三維納米材料；②具有層狀結(jié)構(gòu)的稱為二維納米材料；③具有纖維結(jié)構(gòu)的稱為一維納米材料；④具有原子簇和原子束結(jié)構(gòu)的稱為零維納米材料。按化學(xué)組成分為納米金屬、納米晶體、納米陶瓷、納米玻璃、納米高分子、納米復(fù)合材料等。按材料物性分為納米半導(dǎo)體、納米磁性材料、納米非線性材料、納米鐵電體、納米超導(dǎo)材料、納米熱電材料等。按材料用途可分為納米電子材料、納米生物醫(yī)用材料、納米敏感材料、納米光電子材料、納米儲(chǔ)能材料等。根據(jù)其微觀結(jié)構(gòu)組元的化學(xué)組成可分為：①所有晶粒和晶界具有相同的化學(xué)組成；②對(duì)于多相納米材料來說，晶粒間的化學(xué)組成不同；③晶粒與晶界的化學(xué)組成不同，例如在某一界面區(qū)域存在原子偏聚；④納米晶粒分布在具有不同化學(xué)成分的基體中，例如納米級(jí)彌散相強(qiáng)化合金。1）傳感器方面的應(yīng)用

由于納米材料具有大的比表面積、高的表面活性及與氣體相互作用強(qiáng)等因素，因此納米微粒對(duì)周圍環(huán)境如光、溫度、氣氛、濕度等十分敏感，可用作各種傳感器，如溫度、氣體、光、濕度等的傳感器。3、納米材料的應(yīng)用2）催化方面的應(yīng)用納米微粒由于尺寸小、表面原子數(shù)占較大的百分?jǐn)?shù)、表面的鍵態(tài)和電子態(tài)與顆粒內(nèi)部不同、表面原子配位不全等因素導(dǎo)致表面活性增加，使它具備了作為催化劑的基本條件。3）光學(xué)方面的應(yīng)用納米微粒由于小尺寸效應(yīng)使其具有常規(guī)大塊材料不具備的光學(xué)特性，如光學(xué)非線性、光吸收、光反射、光傳輸過程中的能量損耗等都與納米微粒的尺寸有很強(qiáng)的依賴關(guān)系。4）醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

由于納米微粒的尺寸一般比生物體內(nèi)的細(xì)胞及紅細(xì)胞小得多，這就使研究人員可利用納米微粒進(jìn)行細(xì)胞分離、細(xì)胞染色及利用納米微粒制成特殊藥物或新型抗體進(jìn)行局部定向治療。5）其他領(lǐng)域的應(yīng)用10.4其他新型材料---功能材料1、功能材料常見的分類方法1）按使用性能分類

微電子材料、光電子材料、傳感器材料、信息材料、生物醫(yī)用材料、生態(tài)環(huán)境材料、能源材料和機(jī)敏(智能)材料等。2）按材料的化學(xué)鍵分類功能性金屬材料、功能性無(wú)機(jī)非金屬材料、功能性有機(jī)材料和功能性復(fù)合材料。

3）按材料的物理性質(zhì)分類磁性材料、電性材料、光學(xué)材料、聲學(xué)材料、力學(xué)材料、化學(xué)功能材料等。4）按功能材料的應(yīng)用領(lǐng)域分類電子材料、軍工材料、核材料、信息工業(yè)用材料、能源材料、醫(yī)學(xué)材料等。2、幾種主要功能材的簡(jiǎn)介1）形狀記憶材料和智能材料

形狀記憶材料是指具有形狀記憶效應(yīng)的材料。形狀記憶效應(yīng)是指材料在高溫下形成一定形狀，冷卻到低溫進(jìn)行塑性變形使之形成另一種形狀，但當(dāng)加熱到高溫時(shí)又恢復(fù)到原先形狀的現(xiàn)象。具有形狀記憶效應(yīng)的金屬一般是由兩種以上的金屬元素組成的合金，故稱為形狀記憶合金(SMA)。2）半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料是構(gòu)成許多有源元件的基體材料，在光通信設(shè)備和信息存儲(chǔ)、處理、加工及顯示方面具有重要應(yīng)用，如半導(dǎo)體激光器、二極管、集成電路、存儲(chǔ)器等。半導(dǎo)體種類多，可分為有機(jī)半導(dǎo)體和無(wú)機(jī)半導(dǎo)體。無(wú)機(jī)半導(dǎo)體又可分為元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體。如從晶態(tài)上區(qū)分，可分為單晶、多晶以及非晶半導(dǎo)體等。3）超導(dǎo)材料具有超導(dǎo)性的材料稱為超導(dǎo)材料。所謂超導(dǎo)性是指當(dāng)溫度降至某一臨界值以下時(shí)，材料電阻突變?yōu)榱愕奶匦浴?）磁性材料磁性是物質(zhì)普遍存在的屬性。磁性材料或稱磁功能材料是指可以通過磁光效應(yīng)、磁電效應(yīng)、磁熱效應(yīng)或磁聲效應(yīng)應(yīng)用于各類功能器件的材料。磁性材料在能源、信息和材料科學(xué)中具有廣泛的應(yīng)用。5）儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)氫材料主要為合金，最基本的要求是能在合金晶體的空隙中大量?jī)?chǔ)存氫原子，同時(shí)具有可逆吸放氫的性質(zhì)。第一代儲(chǔ)氫材料為稀土系，第二代儲(chǔ)氫材料有鈦系、鋯系和鎂系等合金。6）非晶態(tài)材料非晶態(tài)合金具有原子非長(zhǎng)程有序排列結(jié)構(gòu)，這種與晶體截然不同的特殊結(jié)構(gòu)，賦予非晶態(tài)合金一系列優(yōu)異的物理、化學(xué)和力學(xué)性能。7）金屬間化合物金屬間化合