第四节新材料技术课件.ppt

1、第四节 新材料技术.教学要求：1、掌握材料的定义及其分类2、了解传统材料3、了解新材料技术，介绍纳米材料和超导材料. 材料：是具备有用性能、可用来制造物质产品的物质。材料是人类社会赖以生存和发展的物质基础。材料与社会文明程度的关系.一、传统材料的新开发1、金属材料黑色金属：铁、铬、锰等几种有色金属是指除铁、铬、锰等几种黑色金属之外的多种金属的统称。在自然界元素中，有色金属占64种，是元素周期表中最庞大的“家族”。重金属与轻金属贵金属与稀有金属.钛及其合金在地壳中约占总重量的0.42%,在金属世界里排行第七,含钛的矿物多达70多种、在海水中含量是1ug/L，在海底结核中也含有大量的钛。钛的抗腐蚀

2、能力，比常用的不锈钢强15倍,使用寿命比不锈钢长10倍以上。.钛是“亲生物金属”。应用于膝关节、肩关节、肋关节、头盖骨、主动心瓣、骨骼固定夹等方面。二氧比钛是一种宝贵的白色颜料，叫钛白。钛白兼有铅白的掩盖性能和锌白的持久性能，它是世界上最白的物质之一，1克钛白可以把450多平方厘米的面积涂得雪白。特别可贵的是钛白无毒。.“钛飞机”可以减轻机体重量5吨，多载乘客100多名。在新型喷气发动机中，钛合金已占整个发动机重量的1825；在最新出现的超音速飞机上，钛的使用量几乎占到整个机体结构总重量的95钛潜艇可以下潜到4500米以下，用钛制造军舰、轮船，不用涂漆，在海水中航行几年也不会生锈。由于钛不是铁

3、磁体物质，不会被磁水雷发现。.钛和镍组成的合金，被成为“记忆合金”。这种合金制成预先确定的形状,再经定型处理后,若受外力变形，只要稍微加热便可恢复原来的面貌。.2、无机非金属材料 陶瓷是人类最早利用的材料，由粘土、石英、长石等矿物原料配制而成。从陶器发展到瓷器是第一次飞跃，从传统陶瓷到先进陶瓷是第二次飞跃。从先进陶瓷到纳米陶瓷是第三次飞跃。陶瓷材料优点是强度高，收缩小，机械性能好；耐各种酸碱腐蚀，耐高温，耐辐射，抗氧化。致命缺点是易脆性。 以碳、硅、氮、氧硼等元素的人工化合物为主要原料，改进和发展传统陶瓷工艺而获得的新型陶瓷材料。由于特种陶瓷的强度和韧性都有大幅度提高，克服了传统陶瓷性脆易碎的

4、弱点，已成为受到普遍重视的一种重要的新型工程材料。 这种陶瓷在国外又称工程陶瓷、精密陶瓷或结构陶瓷。按应用和发展大致可分为高强高温结构陶瓷、电工电子特种功能陶瓷两大类。陶瓷防弹板 .3、高分子材料合成纤维、合成橡胶、合成塑料三大合成材料合成纤维的主要品种有：聚酰胺纤维(商品名尼龙、耐纶、锦纶)、聚丙烯腈纤维(商品名腈纶、奥纶)、聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维或简称聚酯纤维（商品名涤纶、的确良）、聚丙烯纤维（产品名丙纶）、聚乙烯醇缩甲醛纤维(商品名维尼纶)。合成橡胶的主要品种有：丁苯橡胶、氯丁橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶、丁腈橡胶。.复合材料分为：结构复合材料、功能复合材料二、新材料技术1、定义：2、设计

5、分子设计/分子工程学3、发展趋势：高功能、多功能、特殊功能、低污染或无污染、节能化、智能化.纳米和纳米材料纳米和纳米材料 . 一种长度单位，一纳米等于十亿分之一米，千分之一微米。大约是三、四个原子的宽度。 1、纳米（nanoeter，nm）.2、纳米科学技术（nanotechnology） 是用单个原子、分子制造物质的科学技术。 纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物。纳米科学技术将引发一系列新的科学技术，例如纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学等。

6、.3、纳米技术发展历程 著名的诺贝尔奖获得者Feyneman在60年代就预言，如果对物体微小规模上的排列加以某种控制的话，物体就能得到大量的异乎寻常的特性。他所说的材料就是现在的纳米材料。1974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工 .1982年，科学家葛.宾尼和海.罗雷尔发明研究纳米的重要工具扫描隧道显微镜（简称为STM），为我们揭示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极的促进作用1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生 1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的10倍，成为纳米

7、技术研究的热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等 1993年，继1989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文名字、1990年美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排出“IBM”之后，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地 . 1990年，IBM公司的科学家在金属镍表面用35个惰性气体氙原子组成“IBM”三个英文字母。意味着人类从此可以对原子进行操纵！.这是中国科学院化学所的科技人员利用纳米加工技术在石墨表面通过搬迁碳原子而

8、绘制出的世界上最小的中国地图。.1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在20年后研制成功速度和存储容量比现在提高成千上万倍的量子计算机；1999年，巴西和美国科学家在进行碳纳米管实验时发明了世界上最小的“秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量；此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的“秤”，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。 . 纳米材料从根本上改变了材料的结构，为克服材料科学研究领域中长期未能解决的问题开辟了新途径。其性质主要体现在以下三个方面：一、表面效应 二、小尺寸效应 三、宏观量子隧道效应 4、纳米材料的性质.对直径大于0.1

9、微米的颗粒表面效应可忽略不计，当尺寸小于 0.1微米时，其表面原子百分数激剧增长，甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达100m2，这时的表面效应将不容忽略。 超微颗粒的表面具有很高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。如要防止自燃，可采用表面包覆或有意识地控制氧化速率，使其缓慢氧化生成一层极薄而致密的氧化层，确保表面稳定化。利用表面活性，金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂和贮气材料以及低熔点材料。 一、表面效应.二、小尺寸效应由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。 （1） 特殊的光学性质

10、 所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。 .（2） 特殊的热学性质固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。金的常规熔点为1064，当颗粒尺寸减小2纳米尺寸时，熔点仅为327左右；银的常规熔点为670，而超微银颗粒的熔点可低于100。 超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷

11、材料，甚至可用塑料。采用超细银粉浆料，可使膜厚均匀，覆盖面积大，既省料又具高质量。超微颗粒熔点下降的性质对粉末冶金工业具有一定的吸引力例如，在钨颗粒中附加0.10.5重量比的超微镍颗粒后，可使烧结温度从3000降低到12001300，以致可在较低的温度下烧制成大功率半导体管的基片。 .（3） 特殊的磁学性质 小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同，利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，已作成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。利用超顺磁性，人们已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。. （4）特殊的力学性质 纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在

12、外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性 超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。.5、纳米材料的应用 在陶瓷领域的应用 纳米陶瓷能克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金属一样的柔韧性和可加工性。许多专家认为，如能解决单相纳米陶瓷的烧结过程中抑制晶粒长大的技术问题，则它将具有高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等优点。 例如纳米ZnO可不经磨碎直接用于陶瓷行业，并使陶瓷制品的烧结温度降低400600，烧成品光亮如镜，减少了生产工序，降低了能耗。加有纳米ZnO的陶瓷制品具有抗菌除臭和分解有机物的自洁作用，任何粘污在表面上的物质，包括油污、细菌在

13、光的照射下，由纳米的催化作用，可以变成气体或者容易被擦掉的物质，大大提高了产品质量。.在电子计算机和电子工业中的应用 在信息技术领域，现在普遍使用的数据处理和存储技术即将达到最终极限。为获得更强大的信息处理能力，人们正在开发DNA计算机和量子计算机，而制造这两种计算机都需要有控制单个分子和原子的技术能力。纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的理念来构造电子系统，并开发物质潜在的储存和处理信息的能力，实现信息采集和处理能力的革命性突破，纳米电子学将成为下世纪信息时代的核心。.在纺织工业中的应用 在合成纤维树脂中添加纳米SiO2、纳米ZnO、纳米SiO2复配粉体材料，经抽丝、

14、织布，可制成杀菌、防霉、除臭和抗紫外线辐射的内衣和服装，可用于制造抗菌内衣、用品，可制得满足国防工业要求的抗紫外线辐射的功能纤维。采用纳米ZnO和SiO2混合消臭剂的除臭纤维，能吸收臭味净化空气，可用于制造长期卧床病人和医院的消臭敷料、绷带、尿布、睡衣、窗帘及厕所用纺织品等。将ZnO微粉掺入异形截面的聚酯纤维或长丝中，可制成防紫外线纤维，除具有屏蔽紫外线的功能外，还有抗菌、消毒、除臭的奇异功能。除用于制造手术服、护士服外，还可制造内衣、外装、鞋、帽、袜、浴巾、帐蓬、日光伞、夏日装、农用工作服、运动服等。.在化妆品中的应用 纳米ZnO在阳光，尤其在紫外线照射下，能把大多数病菌和病毒杀死。据有关单

15、位对纳米ZnO的定量杀菌试验，在5min内纳米ZnO的浓度为1%时，金黄色葡萄球菌的杀菌率为98.86%，大肠杆菌的杀菌率为99.93%。所以在化妆品中添加纳米ZnO，既能屏蔽紫外线防晒，又能抗菌除臭。 近年来诸如纳米ZnO、TiO2和氧化铁红等一批无机粉体的防晒剂倍受青睐，因为它们无毒、无味、对皮肤无刺激性，不分解、不变质、热稳定性好，且纳米ZnO本身为白色，可以简单地加以着色，价格便宜，吸收紫外线能力强，对UVA（长波320400nm）和UVB（中波280320nm）均有屏蔽作用，因而得到广泛使用。 .6、 碳纳米管 碳纳米管是由碳60分子经加工形成的一种直径只有几纳米的微型管，是纳米材料

16、研究的重点之一。与其它材料相比，碳纳米管具有特殊的机械、电子和化学性能：它的强度比钢高100倍，但是重量只有钢的六分之一；它的导电性十分怪异，不同结构碳纳米管的导电性可能呈现良导体、半导体、甚至绝缘体。因此碳纳米管可制成具有导体、半导体或绝缘体特性的高强度纤维，在传感器、锂离子电池、场发射显示、增强复合材料等领域有广泛应用前景，也可能成为纳米级印刷电路的材料，因而受到工业界的普遍重视。目前，碳纳米管虽仍处于研究阶段，但许多研究成果已显示出良好的应用前景。 .在 1985 年，克罗托 (Kroto) 说服一位美国同事里克斯莫尔 (Rick Smalley) 合作研究了一个项目，目的是在试验室条件

17、下对红巨星的状况进 行模拟。但在实验中意外的发现了C-60存在 。C-60因其结构上的对称性，在当时，这种对称性在建筑师布克敏斯特富勒 (Buckminster Fuller) 的某些建筑物中体现得十分明显。因此，科学家将此分子命名为布克敏斯特富勒分子。布克敏斯特富勒分子常被简化为富勒分子或布基球。研究小组将结论发表在著名的刊物自然（Nature）杂志上。该分子的对称性结构只是一种假设，人们有必要搜集直接的几何学证据来证实此结论是完全正确的。 .克罗托 (Kroto)回到英国后尝试通过某种方法来制备足够量的 C-60，以进行结构分析。但是，还没等Kroto将其新的研究发现详细记录下来，Krot

18、o就收到一份传真，请他为（Nature）杂志审核一篇由一德/美研究小组撰写的论文。该小组的沃尔夫冈科瑞斯莫尔 和唐霍夫曼 已成功地用碳弧法产生 C-60，并将 C-60晶体化通过 X 射线确定了它的结构。令 Kroto 感到沮丧的是，这篇论文恰好包含了他希望亲自发现的结论！当把碳弧的电源由交流电改为直流电时，在其中一种电极沉积物中发现了奇特的管状结构。这些管状分子完全由碳构成，因为管径只有几毫微米长，因此，它们被命名为纳米管。它们是由一位日本科学家饭岛澄男（Sumio Iijima）在 1991 年首次发现并公布的。 .通过电子显微镜观察到的纳米管 .电子显微镜下的纳米碳管(左)与纳米碳管墙

19、.1992年，科研人员发现碳纳米管随管壁曲卷结构不同而呈现出半导体或良导体的特异导电性；1995年，科学家研究并证实了其优良的场发射性能；1996年，我国科学家实现碳纳米管大面积定向生长；1998年，科研人员应用碳纳米管作电子管阴极；1998年，科学家使用碳纳米管制作室温工作的场效应晶体管；1999年，韩国一个研究小组制成碳纳米管阴极彩色显示器样管；2000年，日本科学家制成高亮度的碳纳米管场发射显示器样管。 近年来，我国科学家不仅在世界上合成出最长的碳纳米管，而且加紧了碳纳米管的应用研究，研制出具备良好储氢性能的碳纳米管和具备初步显示功能的碳纳米管显示器，并在利用其电子发射性能研制发光器件。

20、 . 目前，国际上出现了“纳米热”，美、日、欧各国都在争夺纳米科技制高点。美国制定了纳米技术战略。它与21世纪信息技术战略并列为最优先研究开发的重点。日本政府在其“2001年度科学技术振兴重点指针”中，把纳米技术列为重点，并成立了专门机构。西欧对纳米技术的投入也已达数亿美元，还将纳米技术列入欧盟2002至2006年科研框架计划。据统计，1999年，全球纳米技术的年产值已经达到500亿美元。根据预测，到2010年，纳米技术将成为仅次于芯片制造的世界第二大产业，全球纳米技术创造的年产值将达到14400亿美元，十年中将增长30倍！很多未来学家乐观地预测，纳米技术在今后二三十年内将从根本上改变人类的生

21、活。 .超导体. 超导体(Superconductor)是一种导电性较一般导体更佳的”超级导体”。当温度低于其超导转变温度(或称临界温度)Critical Temperature ,Tc时，它具有以下两种特性 零电阻以及反磁性。.超导体的导电现象则与一般导体不同。当温度高于其Tc时，超导体表现出一般导体或半导体之特性，此时仍有电阻产生；但温度降至Tc以下时，电子在结构中运动完全不会受到晶格之影响，亦即电阻完全消失，此种现象即称为零电阻。将超导体冷却到某一临界温度（Tc）以下时电阻突然降为零的现象称为超导体的零电阻现象。不同超导体的临界温度各不相同。 .反磁性（迈斯纳效应） 超导体在温度高于其T

22、c时，其外加磁场可自由穿过其内部，亦即超导体内部可有磁场存在；但温度低于Tc时，则超导体内之磁场便全被排出其内部，成为一零磁场状态，即为反磁性。Meissner于1933年发现此现象，故称为Meissner效应 .即当超导体冷却到临界温度以下而转变为超导态后，只要周围的外加磁场没有强到破坏超导性的程度，超导体就会把穿透到体内的磁力线完全排斥出体外，在超导体内永远保持磁感应强度为零。该效应可用一个试验来演示：一块永磁体可以使浸泡在液氮中的超导体悬浮起来。只有当磁场较小时才会出现麦斯纳效应，如果磁场过大，磁场将穿透金属内部，从而金属失去超导性。 .超导现象的发现历程 1894年荷兰莱顿大学实验物理

23、学教授卡麦林昂内斯（Heike Kamerlingh-Onnes，荷兰人，1853-1926，1913年诺贝尔奖得主）建立了著名的低温试验室。1908年7月昂内斯使用20升的液化氢，将氦液化（生产了60立方分米的液态氦），成功地液化了地球上最后一种“永久气体”氦气，并且获得了接近绝对零度（摄氏零下273.15度，标为OK）的低温：4.25K1.15K （相当于摄氏零下272.05268.95度）,开启了低温物理的研究领域。 . 1911年昂内斯发现：汞的电阻在4.2K左右的低温度时急剧下降，以致完全消失（即零电阻）。他观察到汞（Hg）在4.2 K以下，直流电阻降为0（电阻迅速消失的温度范围为0

24、.02度，电阻变化值超过104倍）。他称这个奇特的物理性质为超导性(superconductivity)，而直流电阻开始降为0时的温度，则称为超导转变的临界温度Tc ( Superconducting transition temperature)。1914年昂内斯用延长观察时间的方法，确定了超导金属铅电阻率的上限为10-16 cm。1913年他在一篇论文中首次以“超导电性”一词来表达这一现象。由于“对低温下物质性质的研究，并使氦气液化”方面的成就，昂内斯获1913年诺贝尔物理学奖。 .超导温度的演进 .高温超导体的研究与开发1986年，瑞士科学家Mller与Bednorz在几乎不可能成为良好

25、导体的陶瓷氧化物La2BaCuO4中发现了极佳超导性，设在瑞士苏黎士的美国IBM公司的研究中心报道了这种氧化物（镧钡铜氧）具有35K的高温超导性，打破了传统“氧化物陶瓷是绝缘体”的观念，引起世界科学界的轰动。 1986年底，美国贝尔实验室研究的氧化物超导材料，其临界超导温度达到40K，液氢的“温度壁垒”（40K）被跨越。1987年2月，美国华裔科学家朱经武和中国科学家赵忠贤相继在钇钡铜氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上，液氮的禁区（77K）也奇迹般地被突破了。1987年底，铊钡钙铜氧系材料又把临界超导温度的记录提高到125K。从19861987年的短短一年多的时间里，临界超导温度竟然提高

26、了100K以上。.超导体的用途 磁浮与磁浮列车 超导体的反磁性类似磁铁的相斥性，但其发出的磁力更强，故可应用于需产生大磁场的装置。如果将其置于火车车体内，而在轨道上布置电磁铁，则便成为磁浮列车(图七)。 .优点：克服了传统列车对速度的限制；非接触的运行克服了恶劣气候的障碍；采用非接触运行，没有机械磨损，减少了维修成本；由于没有运动部件，大大提高了系统的可靠性；可节省能源。 1人公里消耗能源只是飞机或汽车的 1/4；速度极大提高，增加了运送旅客的能力，具有很大的潜在市场；大幅度地降低了噪声和振动，有利于保护环境。 . 超导导线(含2120根微米直径之铌钛合金纤维) .超导发电机，拥有两万千瓦的功率.超导电磁动力船 利用磁体动力学，通过电解海水产生的电流，与船体下方垂直于电流方向的磁场作用，可对海水产生水平推进的电磁力，推动海水而使船身前进。 26 米长, 10 米宽， 250 吨重.使用超导磁体的磁共振成像比使用常规磁体的磁共振成像有如下优点：重量轻，磁场稳定性好；磁场强度大，如中心磁场，前者约为后者的 6倍；成像更为清晰等。 .