功能材料及新型材料-課件

功能材料及新型材料功能材料是指具有特定功能的材料，例如導(dǎo)電、導(dǎo)熱、磁性、光學(xué)、生物活性等。新型材料則是指新開發(fā)的材料，具有傳統(tǒng)材料無法比擬的性能，例如輕質(zhì)、高強度、耐高溫、耐腐蝕等。課程大綱金屬材料金屬材料介紹，包括金屬的結(jié)構(gòu)、性能、加工工藝及應(yīng)用陶瓷材料陶瓷材料介紹，包括陶瓷的結(jié)構(gòu)、性能、加工工藝及應(yīng)用高分子材料高分子材料介紹，包括高分子的結(jié)構(gòu)、性能、加工工藝及應(yīng)用復(fù)合材料復(fù)合材料介紹，包括復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、性能、加工工藝及應(yīng)用什么是材料?材料是構(gòu)成物質(zhì)世界的基本要素。材料種類繁多，性質(zhì)各異，在人類生活中扮演著至關(guān)重要的角色。從遠(yuǎn)古時代人類使用石器、陶器開始，到現(xiàn)代社會各種高科技材料的應(yīng)用，材料的演變推動著人類文明的進(jìn)步。材料的發(fā)展歷程原始材料時代人類開始使用天然材料，如石頭、木頭和骨頭，制造簡單的工具和武器。金屬時代人們學(xué)會冶煉金屬，例如銅、鐵和青銅，這些金屬更堅固、耐用，并帶來新的工具和武器的開發(fā)。陶瓷時代陶瓷材料的出現(xiàn)，例如陶器和磚瓦，為人類提供了更耐用、更耐高溫的容器和建筑材料?，F(xiàn)代材料時代隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類開始合成新的材料，例如塑料、合成纖維和復(fù)合材料，并應(yīng)用于各個領(lǐng)域。材料分類傳統(tǒng)材料傳統(tǒng)材料包括金屬材料、陶瓷材料、高分子材料和復(fù)合材料。它們應(yīng)用廣泛，在各個領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。功能材料功能材料是指具有特殊功能和性能的材料，如智能材料、生物醫(yī)用材料、超導(dǎo)材料和催化材料等。它們在特定領(lǐng)域具有獨特優(yōu)勢。新型材料新型材料指的是具有新性能、新結(jié)構(gòu)或新成分的材料，如納米材料、新能源材料、先進(jìn)復(fù)合材料等。它們代表著材料科學(xué)發(fā)展的新方向。金屬材料金屬材料具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性和強度。金屬材料廣泛應(yīng)用于建筑、交通、電子、航空航天等領(lǐng)域。金屬材料可以分為黑色金屬和有色金屬。黑色金屬主要包括鐵、錳、鉻等，而有色金屬包括銅、鋁、鋅等。陶瓷材料11.耐高溫陶瓷材料具有很高的熔點，可在高溫環(huán)境下使用。22.耐腐蝕陶瓷材料對大多數(shù)酸堿和有機溶劑具有良好的耐腐蝕性。33.絕緣性好陶瓷材料是良好的電絕緣體和熱絕緣體。44.硬度高陶瓷材料具有很高的硬度，不易磨損。高分子材料定義與特點高分子材料通常稱為塑料，是由許多小分子單體通過化學(xué)反應(yīng)連接而成的長鏈狀大分子化合物。種類豐富高分子材料種類繁多，包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚酯、尼龍等。應(yīng)用廣泛廣泛應(yīng)用于生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各個領(lǐng)域，如包裝、建筑、電子、醫(yī)療等。優(yōu)缺點高分子材料輕便、耐腐蝕、易加工、成本低廉，但強度、耐熱性、耐高溫性相對較差。復(fù)合材料定義復(fù)合材料是由兩種或多種不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學(xué)方法結(jié)合在一起而形成的材料。例如，玻璃纖維增強塑料、碳纖維增強塑料等。優(yōu)勢復(fù)合材料具有多種優(yōu)勢，例如，強度高、重量輕、耐腐蝕性強、抗疲勞性好等。因此，它們在航空航天、汽車、建筑等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。功能性材料性能功能性材料具有特殊的功能，比如導(dǎo)電、導(dǎo)熱、光學(xué)、磁性、生物活性等應(yīng)用應(yīng)用于各種領(lǐng)域，包括航空航天、電子信息、能源環(huán)境、生物醫(yī)藥等研究功能性材料的研究是一個不斷發(fā)展和創(chuàng)新的領(lǐng)域，未來將繼續(xù)發(fā)揮重要作用智能材料定義智能材料，也稱為響應(yīng)材料，能夠感知環(huán)境變化并做出響應(yīng)，例如溫度、壓力、電場和磁場。它們具有“自感知”和“自適應(yīng)”能力，能夠主動調(diào)整其性能以滿足特定需求。種類智能材料的種類繁多，包括形狀記憶合金、壓電陶瓷、電致變色材料、光致變色材料等。它們在各個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。優(yōu)勢智能材料的優(yōu)勢在于其能夠在環(huán)境變化中保持性能穩(wěn)定，并且能夠根據(jù)環(huán)境變化進(jìn)行自我調(diào)整，提高效率和安全性。生物醫(yī)用材料人工關(guān)節(jié)生物醫(yī)用材料在人工關(guān)節(jié)方面發(fā)揮重要作用，如髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)置換。人工血管生物醫(yī)用材料用于制造人工血管，用于血管疾病治療和修復(fù)。人工心臟瓣膜生物醫(yī)用材料制成的人工心臟瓣膜可以修復(fù)或替代受損的心臟瓣膜。藥物釋放生物醫(yī)用材料可用于藥物釋放系統(tǒng)，控制藥物的釋放時間和速度。超導(dǎo)材料1零電阻超導(dǎo)材料在低于臨界溫度時，電阻降為零，電流可以無損耗地流動。2完全抗磁性超導(dǎo)體能夠完全排斥磁場，即邁斯納效應(yīng)。3應(yīng)用廣泛超導(dǎo)材料在磁懸浮列車、核磁共振成像等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。4發(fā)展前景廣闊超導(dǎo)材料的研究和應(yīng)用正在不斷發(fā)展，未來將有更廣泛的應(yīng)用。催化材料定義催化材料是指能夠改變化學(xué)反應(yīng)速度但不參與反應(yīng)本身的物質(zhì)。它們可以加速或減緩化學(xué)反應(yīng)，而本身的化學(xué)性質(zhì)保持不變。應(yīng)用催化材料在化工、能源、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。例如，汽車尾氣凈化器、石油煉制催化劑和燃料電池等。材料的性能測試1機械性能測試?yán)鞆姸取嚎s強度、彎曲強度、沖擊韌性等測試，評估材料抵抗外力作用的能力。2物理性能測試密度、硬度、熔點、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等測試，反映材料的物理特性。3化學(xué)性能測試耐腐蝕性、耐酸堿性、化學(xué)穩(wěn)定性等測試，評估材料在不同化學(xué)環(huán)境中的穩(wěn)定性。材料的性能指標(biāo)11.機械性能材料在外力作用下抵抗變形和斷裂的能力，如強度、硬度、韌性等。22.物理性能材料在物理因素作用下的表現(xiàn)，如密度、熔點、熱膨脹系數(shù)等。33.化學(xué)性能材料抵抗化學(xué)介質(zhì)腐蝕的能力，如耐酸堿性、耐氧化性等。44.加工性能材料在加工過程中表現(xiàn)出的性能，如可塑性、焊接性、鑄造性等。材料成型及加工技術(shù)1粉末冶金金屬粉末壓制成型2鑄造液態(tài)金屬澆注成型3鍛造金屬坯料錘擊成型4焊接金屬熔接成型5熱處理改變金屬微觀結(jié)構(gòu)材料成型技術(shù)是將原材料轉(zhuǎn)化為具有特定形狀和尺寸的工件的過程。加工技術(shù)則是在成型基礎(chǔ)上，對材料進(jìn)行進(jìn)一步的加工，以滿足最終產(chǎn)品的性能要求。材料表面處理表面涂層增加耐腐蝕性、耐磨性、耐熱性和裝飾性。表面改性改變表面物理或化學(xué)性質(zhì)，例如，表面硬化、表面鈍化。表面清潔去除表面污染物、氧化物或其他雜質(zhì)，提高材料表面清潔度。表面處理技術(shù)電鍍、噴涂、熱處理、激光表面處理、等離子體表面處理等。材料的選擇機械性能強度、硬度、韌性、疲勞強度等影響結(jié)構(gòu)的性能。電學(xué)性能電導(dǎo)率、電阻率、介電常數(shù)等影響電子設(shè)備性能。耐熱性能耐高溫、耐腐蝕、抗氧化性等影響高溫環(huán)境的應(yīng)用。生物相容性無毒、無刺激、可降解性等影響與生物體的接觸。材料的應(yīng)用領(lǐng)域航天航空耐高溫、抗氧化、高強度輕質(zhì)材料。電子信息半導(dǎo)體材料、導(dǎo)電材料、絕緣材料。能源環(huán)境太陽能電池材料、燃料電池材料、儲能材料。生物醫(yī)用人造器官、骨骼修復(fù)材料、藥物緩釋材料。航天航空材料輕質(zhì)高強航天航空材料要求輕質(zhì)高強，以降低飛行器的重量，提高飛行效率，降低燃料消耗。耐高溫航天器在高速飛行時，表面溫度會非常高，需要使用耐高溫材料，確保材料在高溫條件下保持穩(wěn)定性能?？垢g航天航空材料需要抵抗大氣中的腐蝕，以及在太空環(huán)境中抵抗宇宙射線的侵蝕?？蛊诤教炱餍枰?jīng)受反復(fù)的起降和飛行，材料需要具有良好的抗疲勞性能，以保證飛行安全。電子信息材料半導(dǎo)體材料硅、鍺是主要的半導(dǎo)體材料，廣泛應(yīng)用于集成電路、傳感器等領(lǐng)域。顯示材料液晶材料、有機發(fā)光材料用于平板顯示器、手機等，滿足人們對信息顯示的需求。存儲材料磁性材料、閃存材料，廣泛應(yīng)用于硬盤、U盤等，用于數(shù)據(jù)存儲。其他材料包括光纖材料、印刷電路板材料等，為電子信息產(chǎn)業(yè)提供基礎(chǔ)支撐。能源環(huán)境材料太陽能太陽能是一種可再生能源。太陽能電池板將光能轉(zhuǎn)化為電能，提供清潔電力。風(fēng)能風(fēng)能是另一種可再生能源，通過風(fēng)力渦輪機將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能。新能源汽車電動汽車減少了尾氣排放，有助于改善空氣質(zhì)量，緩解環(huán)境污染。生物質(zhì)能生物質(zhì)能來源于生物，例如木材、農(nóng)作物秸稈等，可轉(zhuǎn)化為能源。生物醫(yī)用材料11.生物相容性生物醫(yī)用材料必須與人體組織相容，不會引起排異反應(yīng)。22.生物降解性部分材料需在體內(nèi)逐漸降解，并被機體吸收或排出。33.機械強度需滿足一定的機械強度，以承受人體組織的壓力和拉伸。44.功能性可根據(jù)需求，設(shè)計具有特定功能的材料，如藥物釋放或組織再生。新型結(jié)構(gòu)材料碳纖維碳纖維具有高強度、高模量、耐腐蝕和耐高溫等優(yōu)異特性，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、體育器材等領(lǐng)域。復(fù)合材料復(fù)合材料由兩種或多種材料復(fù)合而成，綜合了不同材料的優(yōu)點，可以獲得比單一材料更優(yōu)異的性能。金屬合金金屬合金是通過將兩種或多種金屬熔合在一起而形成的，可以提高金屬材料的強度、硬度、耐腐蝕性等性能。納米材料納米材料具有獨特的物理和化學(xué)性質(zhì)，在結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力，例如提高材料強度和耐磨性。新能源材料太陽能電池太陽能電池將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能，為可持續(xù)能源提供了一種有前景的解決方案。燃料電池燃料電池利用氫氣或其他燃料與氧氣反應(yīng)生成電能，提供高效清潔的電力來源。鋰離子電池鋰離子電池具有高能量密度和長循環(huán)壽命，在電動汽車和便攜式電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。儲能材料儲能材料可以將能量儲存起來，并在需要時釋放出來，為電網(wǎng)穩(wěn)定性和可再生能源的應(yīng)用提供支持。納米材料尺寸效應(yīng)納米材料的尺寸在納米尺度，這會導(dǎo)致其獨特的物理和化學(xué)性質(zhì)。例如，納米材料的表面積會顯著增加，從而提高其催化活性。量子效應(yīng)當(dāng)材料的尺寸減小到納米尺度時，量子效應(yīng)變得顯著，例如量子尺寸效應(yīng)和量子隧道效應(yīng)。這些效應(yīng)可以導(dǎo)致新的光學(xué)、電學(xué)和磁性特性。表面效應(yīng)納米材料具有高表面積，這使得它們在表面改性、催化和吸附方面具有獨特的優(yōu)勢。例如，納米材料可以用作藥物載體或傳感器。宏觀效應(yīng)當(dāng)納米材料被大量組裝在一起時，它們會表現(xiàn)出與單個納米顆粒不同的宏觀性質(zhì)。例如，納米材料可以用于制造更輕、更強、更耐腐蝕的材料。功能材料的未來發(fā)展方向1智能化材料能夠感知環(huán)境變化并做出響應(yīng)，實現(xiàn)自適應(yīng)功能2多功能化材料同時具備多種功能，例如，導(dǎo)電和隔熱3可持續(xù)性環(huán)保材料的開發(fā)，以及可回收再利用4納米材料納米尺度下材料的獨特性質(zhì)，用于開發(fā)更先進(jìn)的功能材料功能材料未來將朝著更加智能化、多功能化、可持續(xù)性和納米化方向發(fā)展。這些