金属基等生物医用复合材料课件.ppt

1、 第六章第六章 新材料化学新材料化学 新能源学院新能源学院2011年年5月月16日日 第六章第六章 新材料化学新材料化学 新材料是指新近发展的或正新材料是指新近发展的或正在研发的、性能超群的一些材料，在研发的、性能超群的一些材料，具有比传统材料更为优异的性能。具有比传统材料更为优异的性能。新材料技术则是按照人的意志，新材料技术则是按照人的意志，通过物理研究、通过物理研究、材料设计、材料材料设计、材料加工、试验评价等一系列研究过加工、试验评价等一系列研究过程，创造出能满足各种需要的新程，创造出能满足各种需要的新型材料的技术。型材料的技术。制作人:刘娟第六章第六章 新材料化学新材料化学第一节 纳米

2、材料第二节 复合材料第三节 生物材料第四节 智能材料第五节 新能源材料 制作人:刘娟第一节 纳米材料一、纳米材料概述一、纳米材料概述二、纳米材料的主要制备方法二、纳米材料的主要制备方法三、纳米材料的应用领域三、纳米材料的应用领域 制作人:刘娟第一节 纳米材料一、纳米材料概述一、纳米材料概述纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1 1100nm100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域。过渡区域。从通常的关于微观和宏观的观点

3、看，这样的系统从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型人介观系统，它具有表面效应、小尺寸效种典型人介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。应和宏观量子隧道效应。原子排成的原子排成的“原子原子”字样字样1nm=1/101nm=1/10亿米，亿米，1010个氢原子个氢原子紧密排列，紧密排列，20nm20nm是头发丝直是头发丝直径的径的30003000分之一分之一 制作人:刘娟第一节 纳米材料纳米材料的基本特性：纳米材料的基本特性：1.量子尺寸效应量子尺寸效应2.表面效应表面效应3.小尺寸效应

4、小尺寸效应4.宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应 制作人:刘娟第一节 纳米材料1.表面效应表面效应 100 80 60 40 20 0 比例（%）表面原子数相对总原子数 0 10 20 30 40 50 制作人:刘娟第一节 纳米材料2.2.小尺寸效应小尺寸效应金属纳米固体材料的电阻增大与临界尺寸现象归因于小尺寸金属纳米固体材料的电阻增大与临界尺寸现象归因于小尺寸效应。当颗粒尺寸与电子运动的平均自由程可比拟或更小效应。当颗粒尺寸与电子运动的平均自由程可比拟或更小时，小尺寸效应不容忽视。界面散射为主因。时，小尺寸效应不容忽视。界面散射为主因。e e_ _ 制作人:刘娟第一节 纳米材料3.3.量子尺寸

5、效应量子尺寸效应 当纳米颗粒尺寸小到一定程度时，费米面附近电子能当纳米颗粒尺寸小到一定程度时，费米面附近电子能级的离散性非常显著，量子尺寸效应不容忽视，最后导致级的离散性非常显著，量子尺寸效应不容忽视，最后导致低温下导体向绝缘体的转变低温下导体向绝缘体的转变d （如如k kB BT T）制作人:刘娟第一节 纳米材料4.4.宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应 隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。近年来，能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。近年来，人们发现一些宏观量如微颗粒的磁化强度、量子相干

6、器件人们发现一些宏观量如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量及电荷也具有隧道效应，他们可以穿越宏观系中的磁通量及电荷也具有隧道效应，他们可以穿越宏观系统的势阱而产生变化，故称之为宏观量子隧道效应。统的势阱而产生变化，故称之为宏观量子隧道效应。制作人:刘娟第一节 纳米材料 由于纳米材料的组织粒子极其小，其中所包含的原子由于纳米材料的组织粒子极其小，其中所包含的原子个数极少、质量极轻，许多物理和化学性质表现就不能用个数极少、质量极轻，许多物理和化学性质表现就不能用宏观上块状物质的性质来描述，而是出现一些宏观上块状物质的性质来描述，而是出现一些“反常现反常现象象”。（1 1）光学性质）光学性质（

7、2 2）力学性质）力学性质（3 3）热学性质）热学性质（4 4）磁学性质）磁学性质 制作人:刘娟第一节 纳米材料（1 1）光学性质）光学性质1 1、宽频带强吸收、宽频带强吸收 当尺寸减小到纳米级时，各种金属纳米微粒几乎都呈当尺寸减小到纳米级时，各种金属纳米微粒几乎都呈黑色，它们对可见光的反射率极低。这就是纳米材料的强黑色，它们对可见光的反射率极低。这就是纳米材料的强吸收率、低反射率。吸收率、低反射率。例如，铂金纳米粒子的反射率为例如，铂金纳米粒子的反射率为1%1%。纳米氮化硅、碳化硅及三氧化二铝对红外有一个宽频纳米氮化硅、碳化硅及三氧化二铝对红外有一个宽频带强吸收谱。带强吸收谱。制作人:刘娟第

8、一节 纳米材料2 2、纳米微粒分散物系的光学性质和发光效应、纳米微粒分散物系的光学性质和发光效应 纳米微粒分散于介质中形成分散物系（溶胶），纳米纳米微粒分散于介质中形成分散物系（溶胶），纳米微粒称为胶体（或分散相）。微粒称为胶体（或分散相）。由于在溶胶中胶体的高分散性和不均匀性，使得分散由于在溶胶中胶体的高分散性和不均匀性，使得分散物系具有特殊的光学特性，例如丁达尔效应。丁达尔效物系具有特殊的光学特性，例如丁达尔效应。丁达尔效应应如果让一束聚集的光线通过分散物系，在入射光的如果让一束聚集的光线通过分散物系，在入射光的垂直方向上可以看到一个发光的圆锥体。垂直方向上可以看到一个发光的圆锥体。另外，

9、当纳米微粒的尺寸小到一定值时，可在一定波另外，当纳米微粒的尺寸小到一定值时，可在一定波长的光激发下发光。这是载流子的量子限域效应引起的。长的光激发下发光。这是载流子的量子限域效应引起的。制作人:刘娟第一节 纳米材料 （2 2）力学性质）力学性质 金属纳米材料和陶瓷纳米材料有着比一般材料更高的金属纳米材料和陶瓷纳米材料有着比一般材料更高的强度和硬度，甚至大部分陶瓷纲米材料也具有良好的塑性强度和硬度，甚至大部分陶瓷纲米材料也具有良好的塑性和韧性。如和韧性。如A1A12 2O O3 3基体中加入纳米基体中加入纳米SiCSiC晶粒制成的陶瓷材料，晶粒制成的陶瓷材料，其最高强度大于其最高强度大于1500

10、MPa1500MPa，最高使用温度也可以原来的，最高使用温度也可以原来的800800提高到提高到1200 1200，纳米，纳米AgAg微粒只要低于微粒只要低于373K373K就开始熔就开始熔化，而常规化，而常规AgAg的熔点却在的熔点却在1173K1173K左右。左右。制作人:刘娟第一节 纳米材料（3 3）热学性质）热学性质纳米纳米微粒的熔微粒的熔点、烧结温度点、烧结温度和晶化温度均和晶化温度均 比常规粉体低比常规粉体低得多。这是纳得多。这是纳米微粒量子效米微粒量子效应造成的。应造成的。制作人:刘娟第一节 纳米材料（4 4）磁学性质）磁学性质 制作人:刘娟第一节 纳米材料超顺磁状态的起因：超顺

11、磁状态的起因：由于小尺寸下，当各向异性能减小到与热运动能可相由于小尺寸下，当各向异性能减小到与热运动能可相比时，磁化方向就不再固定在一个易磁化方向，易磁化方比时，磁化方向就不再固定在一个易磁化方向，易磁化方向作无规律的变化，结果导致超顺磁性的出现。向作无规律的变化，结果导致超顺磁性的出现。例如，粒径为例如，粒径为85nm85nm的纳米镍的纳米镍NiNi微粒，矫顽力很高，而微粒，矫顽力很高，而当粒径小于当粒径小于15nm15nm时，其矫顽力时，其矫顽力Hc0Hc0，即进入了超顺磁状，即进入了超顺磁状态。态。制作人:刘娟第一节 纳米材料二、纳米材料的主要制备方法二、纳米材料的主要制备方法1、物理方

12、法、物理方法(1)(1)真空冷凝法真空冷凝法 用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等离子体，然后骤冷。其特点纯度高、结晶组气化或形成等离子体，然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。织好、粒度可控，但技术设备要求高。(2)(2)物理粉碎法物理粉碎法 通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。布不均匀。制作人:刘娟第一节 纳米材料(3)(3)机械球磨法机械球磨法 采用球磨方法，控制

13、适当的条件得到纯元素采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素纳米粒子、合金纳米粒子或复合材料的纳米粒子。其特点纳米粒子、合金纳米粒子或复合材料的纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。制作人:刘娟第一节 纳米材料2.2.化学方法化学方法 (1)(1)气相沉积法气相沉积法 利用金属化合物蒸气的化学反应合成纳米材利用金属化合物蒸气的化学反应合成纳米材料。其特点产品纯度高，粒度分布窄。料。其特点产品纯度高，粒度分布窄。(2)(2)沉淀法沉淀法 把沉淀剂加入到盐溶液中反应后，将沉淀热处理把沉淀剂加入到盐溶液中反应后，将沉淀热处理得到

14、纳米材料。其特点简单易行，但纯度低，颗粒半径大，得到纳米材料。其特点简单易行，但纯度低，颗粒半径大，适合制备氧化物。适合制备氧化物。(3)(3)水热合成法水热合成法 高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，再经分离和热处理得纳米粒子。其特点纯度高，分散性好、再经分离和热处理得纳米粒子。其特点纯度高，分散性好、粒度易控制。粒度易控制。制作人:刘娟第一节 纳米材料三、纳米材料的应用领域三、纳米材料的应用领域 由于纳米微粒的小尺寸效应、表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应，由于纳米微粒的小尺寸效应、表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应，使得它在磁、光、电、敏感等方

15、面呈现常规材料不具备的特性，因此纳米使得它在磁、光、电、敏感等方面呈现常规材料不具备的特性，因此纳米微粒在磁性材料、传感、医学、传感、军事等方面有广泛的应用。微粒在磁性材料、传感、医学、传感、军事等方面有广泛的应用。1 1、纳米技术在微电子学上的应用纳米技术在微电子学上的应用 2 2、纳米技术在光电领域的应用纳米技术在光电领域的应用 3 3、纳米技术在化工领域的应用纳米技术在化工领域的应用 4 4、纳米技术在医学上的应用纳米技术在医学上的应用 5 5、纳米技术在其它领域的应用纳米技术在其它领域的应用 制作人:刘娟第一节 纳米材料1.1.纳米技术在微电子学上的应用纳米技术在微电子学上的应用 原理

16、原理纳米电子学的主要思想是基于纳米粒子的量子纳米电子学的主要思想是基于纳米粒子的量子效应来设计并制备纳米量子器件效应来设计并制备纳米量子器件 目标目标将集成电路进一步减小，研制出由单原子或单将集成电路进一步减小，研制出由单原子或单分子构成、能在室温使用的各种器件。早在分子构成、能在室温使用的各种器件。早在19891989年，年，IBMIBM公司公司的科学家已利用隧道扫描显微镜上的探针，成功地移动了氙的科学家已利用隧道扫描显微镜上的探针，成功地移动了氙原子，并利用它拼成了原子，并利用它拼成了IBMIBM三个字母。美国威斯康星大学已制三个字母。美国威斯康星大学已制造出可容纳单个电子的量子点。在一个

17、针尖上可容纳这样的造出可容纳单个电子的量子点。在一个针尖上可容纳这样的量子点几十亿个。利用量子点可制成体积小、耗能少的单电量子点几十亿个。利用量子点可制成体积小、耗能少的单电子器件，在微电子和光电子领域将获得广泛应用子器件，在微电子和光电子领域将获得广泛应用 制作人:刘娟第一节 纳米材料2.2.纳米技术在光电领域的应用纳米技术在光电领域的应用 原理原理纳米激光器的微小尺寸可使光子被限制在少数几个纳米激光器的微小尺寸可使光子被限制在少数几个状态上，而低音廊效应则使光子受到约束，直到所产生的光状态上，而低音廊效应则使光子受到约束，直到所产生的光波累积起足够多的能量后透过此结构。其结果是激光器达到波

18、累积起足够多的能量后透过此结构。其结果是激光器达到极高的工作效率，而能量阈则很低。纳米激光器实际上是一极高的工作效率，而能量阈则很低。纳米激光器实际上是一根弯曲成极薄面包圈的形状的光子导线，实验发现，纳米激根弯曲成极薄面包圈的形状的光子导线，实验发现，纳米激光器的大小和形状能够有效控制它发射出的光子的量子行为，光器的大小和形状能够有效控制它发射出的光子的量子行为，从而影响激光器的工作。从而影响激光器的工作。制作人:刘娟第一节 纳米材料应用应用（1 1）提高效率：纳米激光器工作时只需约）提高效率：纳米激光器工作时只需约100100微安的电流。微安的电流。最近，科学家把光子导线缩小到只有五分之一立

19、方微米体最近，科学家把光子导线缩小到只有五分之一立方微米体积内。在这一尺度上，此结构的光子状态数少于积内。在这一尺度上，此结构的光子状态数少于1010个，接个，接近了无能量运行所要求的条件，但是光子的数目还没有减近了无能量运行所要求的条件，但是光子的数目还没有减少到这样的极限上。最近，麻省理工学院的研究人员把被少到这样的极限上。最近，麻省理工学院的研究人员把被激发的钡原子一个一个地送入激光器中，每个原子发射一激发的钡原子一个一个地送入激光器中，每个原子发射一个有用的光子。个有用的光子。制作人:刘娟第一节 纳米材料 （2 2）速度极快由于只需要极少的能量就可以发射激）速度极快由于只需要极少的能量

20、就可以发射激光，这类装置可以实现瞬时开关。已经有一些激光器能够光，这类装置可以实现瞬时开关。已经有一些激光器能够以快于每秒以快于每秒 钟钟200200亿次的速度开关，适合用于光纤通信。亿次的速度开关，适合用于光纤通信。由于纳米技术的迅速发展，这种无能量阈纳米激光器的实由于纳米技术的迅速发展，这种无能量阈纳米激光器的实现将指日可待。现将指日可待。制作人:刘娟第一节 纳米材料 评价评价纳米技术的发展，使微电子和光电子的结纳米技术的发展，使微电子和光电子的结合更加紧密，在光电信息传输、存贮、处理、运算和显示合更加紧密，在光电信息传输、存贮、处理、运算和显示等方面，使光电器件的性能大大提高。将纳米技术

21、用于现等方面，使光电器件的性能大大提高。将纳米技术用于现有雷达信息处理上，可使其能力提高有雷达信息处理上，可使其能力提高1010倍至几百倍，甚至倍至几百倍，甚至可以将超高分辨率纳米孔径雷达放到卫星上进行高精度的可以将超高分辨率纳米孔径雷达放到卫星上进行高精度的对地侦察。但是要获取高分辨率图像，就必需先进的数字对地侦察。但是要获取高分辨率图像，就必需先进的数字信息处理技术。科学家发现，将光调制器和光探测器结合信息处理技术。科学家发现，将光调制器和光探测器结合在一起的量子阱自电光效应器件，将为实现光学高速数学在一起的量子阱自电光效应器件，将为实现光学高速数学运算提供可能。运算提供可能。制作人:刘娟

22、第一节 纳米材料3.3.纳米技术在化工领域的应用纳米技术在化工领域的应用 光催化剂光催化剂纳米粒子作为光催化剂有许多优点。纳米粒子作为光催化剂有许多优点。（1 1）粒径小，比表面大，光催化效率高。（）粒径小，比表面大，光催化效率高。（2 2）纳米粒子生成）纳米粒子生成的电子、空穴在到达表面之前，大部分不会重新结合。电子、的电子、空穴在到达表面之前，大部分不会重新结合。电子、空穴能够到达表面的数量多，故化学反应活性高。（空穴能够到达表面的数量多，故化学反应活性高。（3 3）纳米粒）纳米粒子分散在介质中往往具有透明性，容易运用光学手段和方法来子分散在介质中往往具有透明性，容易运用光学手段和方法来观

23、察界面间的电荷转移、质子转移、半导体能级结构与表面态观察界面间的电荷转移、质子转移、半导体能级结构与表面态密度的影响。密度的影响。例例1 1，工业上利用纳米二氧化钛，工业上利用纳米二氧化钛-三氧化二铁作光催化剂，用于三氧化二铁作光催化剂，用于废水处理（含废水处理（含SO32-SO32-或或 Cr2O72-Cr2O72-系统），已取得了很好的效果。系统），已取得了很好的效果。制作人:刘娟第一节 纳米材料 例例2 2，用沉淀溶出法制备出的粒径约，用沉淀溶出法制备出的粒径约30nm30nm 60nm60nm的白色球的白色球状钛酸锌粉体，比表面大、化学活性高，用它作吸附脱硫剂，状钛酸锌粉体，比表面大、

24、化学活性高，用它作吸附脱硫剂，较固相烧结法制备的钛酸锌粉体效果明显提高较固相烧结法制备的钛酸锌粉体效果明显提高纳米静电屏蔽材料纳米静电屏蔽材料是纳米技术的另一重要应用。优点是纳米技术的另一重要应用。优点（1 1）静电屏蔽材料一般由树脂掺加碳黑喷涂而成，用有半静电屏蔽材料一般由树脂掺加碳黑喷涂而成，用有半导体特性的纳米氧化物粒子如导体特性的纳米氧化物粒子如Fe2O3Fe2O3、TiO2TiO2、ZnOZnO做成涂料，做成涂料，由于具有较高的导电特性，能起到静电屏蔽作用。（由于具有较高的导电特性，能起到静电屏蔽作用。（2 2）氧化）氧化物纳米微粒的颜色各种各样，可通过复合控制静电屏蔽涂料物纳米微粒

25、的颜色各种各样，可通过复合控制静电屏蔽涂料的颜色，克服了碳黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。的颜色，克服了碳黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。制作人:刘娟第一节 纳米材料 遮蔽紫外线遮蔽紫外线（1 1）将纳米）将纳米TiO2TiO2粉体加到化妆品中，可粉体加到化妆品中，可有效地遮蔽紫外线。（有效地遮蔽紫外线。（2 2）用添加）用添加0.1%0.1%0.5%0.5%的纳米二氧化钛制成的纳米二氧化钛制成的透明塑料包装食品，可防止紫外线对食品的破坏，还可使食品的透明塑料包装食品，可防止紫外线对食品的破坏，还可使食品保持新鲜。（保持新鲜。（3 3）金属纳米粒子掺杂到化纤制或纸张中，可大大）金属纳米

26、粒子掺杂到化纤制或纸张中，可大大降低静电作用降低静电作用 纳米反应器纳米反应器利用纳米碳管独特的孔状结构，大的比表利用纳米碳管独特的孔状结构，大的比表面，较高的机械强度做成纳米反应器，该反应器能够使化学反应面，较高的机械强度做成纳米反应器，该反应器能够使化学反应局限于一个很小的范围内进行。在纳米反应器中，反应物在分子局限于一个很小的范围内进行。在纳米反应器中，反应物在分子水平上有一定的取向和有序排列，同时限制了反应物分子和中间水平上有一定的取向和有序排列，同时限制了反应物分子和中间体的运动体的运动 制作人:刘娟第一节 纳米材料4.纳米技术在医学上的应用纳米技术在医学上的应用 RNA RNA线度

27、在线度在15nm20nm15nm20nm之间，生物体内的多种病毒也是之间，生物体内的多种病毒也是纳米粒子。纳米粒子。10nm10nm以下的粒子比血液中的红血球还要小，可以下的粒子比血液中的红血球还要小，可在血管中自由流动。将超微粒子注入到血液中，输送到人在血管中自由流动。将超微粒子注入到血液中，输送到人体的各个部位，作为监测和诊断疾病的手段。已成功利用体的各个部位，作为监测和诊断疾病的手段。已成功利用纳米纳米SiO2SiO2微粒进行了细胞分离，用金的纳米粒子进行定位微粒进行了细胞分离，用金的纳米粒子进行定位病变治疗，以减少副作用。利用纳米颗粒作为载体的病毒病变治疗，以减少副作用。利用纳米颗粒作

28、为载体的病毒诱导物已经取得了突破性进展，已用于临床动物实验。诱导物已经取得了突破性进展，已用于临床动物实验。制作人:刘娟第一节 纳米材料4.纳米技术在医学上的应用纳米技术在医学上的应用 研究纳米技术在生命医学上的应用，可以在纳米尺度研究纳米技术在生命医学上的应用，可以在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的关系，获取生上了解生物大分子的精细结构及其与功能的关系，获取生命信息。科学家们设想利用纳米技术制造出分子机器人，命信息。科学家们设想利用纳米技术制造出分子机器人，在血液中循环，对身体各部位进行检测、诊断，并实施特在血液中循环，对身体各部位进行检测、诊断，并实施特殊治疗，疏通脑血管中的

29、血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，殊治疗，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。这样，在不久的将甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。这样，在不久的将来，被视为当今疑难病症的爱滋病、高血压、癌症等都可来，被视为当今疑难病症的爱滋病、高血压、癌症等都可能被攻克，从而将使医学研究发生一次革命能被攻克，从而将使医学研究发生一次革命 制作人:刘娟第一节 纳米材料5.纳米技术在其它领域的应用纳米技术在其它领域的应用 纳米电脑纳米电脑可人可人机对话并具有自我复制能力的机对话并具有自我复制能力的纳米装置纳米装置 军事方面军事方面昆虫作平台，分子机器人植入昆虫的昆虫作平台，分子

30、机器人植入昆虫的神经系统中控制昆虫飞向敌方收集情报，使目标丧失功能神经系统中控制昆虫飞向敌方收集情报，使目标丧失功能 分子传感器和探测器分子传感器和探测器 仿生纳米材料仿生纳米材料制作人的牙齿、关节。药物储存制作人的牙齿、关节。药物储存在碳纳米管中，通过一定的机制激发药剂的释放，可控药在碳纳米管中，通过一定的机制激发药剂的释放，可控药剂有希望变为现实剂有希望变为现实 制作人:刘娟第一节 纳米材料 利用碳纳米管来制作储氢材料，用作燃料汽车利用碳纳米管来制作储氢材料，用作燃料汽车的燃料的燃料“储备箱储备箱”。利用纳米颗粒膜的巨磁阻效应研制高。利用纳米颗粒膜的巨磁阻效应研制高灵敏度的磁传感器；利用具

31、有强红外吸收能力的纳米复合灵敏度的磁传感器；利用具有强红外吸收能力的纳米复合系统制备红外隐身材料，都是很具有应用前景的技术开发系统制备红外隐身材料，都是很具有应用前景的技术开发领域领域 评价评价纳米尺寸左右和纳米以下的结构将是下纳米尺寸左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的特点，会是一次技术革命，将是一阶段科技发展的特点，会是一次技术革命，将是2121世纪世纪的又一次产业革命的又一次产业革命 制作人:刘娟第二节 复合材料一、复合材料概述一、复合材料概述二、复合材料的分类二、复合材料的分类三、复合材料的应用三、复合材料的应用 制作人:刘娟第二节 复合材料一、复合材料概述一、复合材料概述复合材

32、料的定义：国际标准化组织：国际标准化组织：由两种以上在物理和化学上不同的物质由两种以上在物理和化学上不同的物质组合起来而得到的一种多相固体材料组合起来而得到的一种多相固体材料 材料大词典材料大词典：复合材料是根据应用进行设计，把两复合材料是根据应用进行设计，把两种以上的有机聚合物材料或无机非金属材料或金属材料组种以上的有机聚合物材料或无机非金属材料或金属材料组合在一起，使其性能互补，从而制成的一类新型材料。合在一起，使其性能互补，从而制成的一类新型材料。制作人:刘娟第二节 复合材料复合材料的特点：复合材料的特点：1 1）复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通过复合材料是由两种或两种以上

33、不同性能的材料组元通过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着明宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着明显的界面；显的界面；2 2）复合材料中各组元不但保持各自的固有特性，而且可最复合材料中各组元不但保持各自的固有特性，而且可最大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料组元所大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料组元所不具备的优良特殊性能；不具备的优良特殊性能；3 3）复合材料具有可设计性。可以根据使用条件要求进行设）复合材料具有可设计性。可以根据使用条件要求进行设计和制造，以满足各种特殊用途，从而极大地提高工程结计和制造，以满足各种特殊用途，从而极大地提高工程结构的

34、效能。构的效能。制作人:刘娟第二节 复合材料二、复合材料的分类二、复合材料的分类复合材料的两种主要成分：复合材料的两种主要成分：基体材料基体材料和和增强体材料增强体材料按基体相的性质分金属基复合材料非金属基复合材料铝基复合材料钛基复合材料铜基复合材料塑料基复合材料橡胶基复合材料陶瓷基复合材料 制作人:刘娟第二节 复合材料按增强相的形态分纤维增强塑料（玻璃钢）纤维增强橡胶（轮胎）纤维增强陶瓷纤维增强金属金属陶瓷弥散强化金属纤维增强复合材料颗粒增强复合材料叠层复合材料双层金属复合材料三层复合材料 制作人:刘娟第二节 复合材料纤纤维维增增强强复复合合材材料料颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料叠层叠层复

35、合复合材料材料 制作人:刘娟第二节 复合材料三、复合材料的应用三、复合材料的应用1、聚合物基复合材料：以聚合物为基体的复合材料、聚合物基复合材料：以聚合物为基体的复合材料。根据基体材料不同分类：根据基体材料不同分类：1 1）热固性树脂复合材料的制造方法）热固性树脂复合材料的制造方法 手糊成型法、喷射成型法、模压成型法、注射成型法、手糊成型法、喷射成型法、模压成型法、注射成型法、RTMRTM成型法成型法(注射成型法注射成型法)等。等。2 2）热塑性复合材料的制造方法）热塑性复合材料的制造方法 模压成型法、注射成型法、模压成型法、注射成型法、RTMRTM成型法、真空热压成型成型法、真空热压成型法、

36、缠绕成型法等。法、缠绕成型法等。制作人:刘娟第二节 复合材料2 2、应用、应用 聚合物基复合材料是目前应用最广、消耗量最大的一聚合物基复合材料是目前应用最广、消耗量最大的一类，它被广泛应用于工农生产、航空航天、化工冶金、现类，它被广泛应用于工农生产、航空航天、化工冶金、现代战争几乎所有领域。如美国先进的第四代战斗机上聚合代战争几乎所有领域。如美国先进的第四代战斗机上聚合物基复合材料用量达物基复合材料用量达24%25%24%25%，直升机用量高达，直升机用量高达46%46%，而欧，而欧洲战斗机的复合材料用量高达洲战斗机的复合材料用量高达40%40%。制作人:刘娟第二节 复合材料3 3、金属基复合

37、材料、金属基复合材料 航空航天用先进武器系统的迅速发展对材料的耐热性航空航天用先进武器系统的迅速发展对材料的耐热性和其他性能要求日益提高，与聚合物基复合材料比，金属和其他性能要求日益提高，与聚合物基复合材料比，金属基复合材料有许多不可比拟的优点，如工作温度高、不易基复合材料有许多不可比拟的优点，如工作温度高、不易燃烧、导电导热、稳定性好、抗电磁干扰、抗辐射性好。燃烧、导电导热、稳定性好、抗电磁干扰、抗辐射性好。帮以金属或合金为基体，以高性能的第二相为增强体的金帮以金属或合金为基体，以高性能的第二相为增强体的金属基复合材料成为最有发展前景和广泛用途的新型材料。属基复合材料成为最有发展前景和广泛用

38、途的新型材料。充当基体材料的金属一般有铝基、镍基、钛基、镁基、充当基体材料的金属一般有铝基、镍基、钛基、镁基、铜基、高温基、难熔金属基。铜基、高温基、难熔金属基。充当增强体的主要有纤维、晶须、颗粒，主要有碳纤充当增强体的主要有纤维、晶须、颗粒，主要有碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、石墨颗粒、碳化维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、石墨颗粒、碳化硅颗粒等。硅颗粒等。制作人:刘娟第二节 复合材料这是美国历时这是美国历时1010年，花费年，花费7373亿美元研制亿美元研制出的出的B-2B-2隐形战略轰炸机（见图）。它这所隐形战略轰炸机（见图）。它这所以能够隐形并躲避雷达的监控是因为在以能够隐

39、形并躲避雷达的监控是因为在B-2B-2机身上涂着一层复合材料，能吸收雷达波，机身上涂着一层复合材料，能吸收雷达波，使反射波减弱甚至不反射雷达波，从而达到使反射波减弱甚至不反射雷达波，从而达到隐身的目的，这种复合材料主要是由碳、硼、隐身的目的，这种复合材料主要是由碳、硼、玻璃纤维等与金属复合构成，其密度低、力玻璃纤维等与金属复合构成，其密度低、力学性能好，既能吸收红外信号又能吸收雷达学性能好，既能吸收红外信号又能吸收雷达波信号，故可用在飞机蒙皮、雷达天线罩等波信号，故可用在飞机蒙皮、雷达天线罩等构件上。构件上。B-2 隐形战略轰炸机隐形战略轰炸机 制作人:刘娟第二节 复合材料3 3、陶瓷基复合材

40、料、陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶类复合材料。陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量瓷。这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而其致命的弱点是具有脆性，较轻、抗腐蚀等优异性能，而其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合，则是提高陶瓷而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合，则

41、是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。纤维能阻止裂纹的扩展，韧性和可靠性的一个有效的方法。纤维能阻止裂纹的扩展，从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。制作人:刘娟第二节 复合材料陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能，主要用作高陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能，主要用作高温及耐磨制品。其最高使用温度主要取决于基体特征。陶温及耐磨制品。其最高使用温度主要取决于基体特征。陶瓷基复合材料已实用化或即将实用化的领域有刀具、滑动瓷基复合材料已实用化或即将实用化的领域有刀具、滑动构件、发动机制件、能源构件等。法国已将长纤维增强碳构件、发动机制件、能源构件等

42、。法国已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于制造高速列车的制动件，显示出优异化硅复合材料应用于制造高速列车的制动件，显示出优异的摩擦磨损特性，取得满意的使用效果。的摩擦磨损特性，取得满意的使用效果。制作人:刘娟第二节 复合材料20082008年年9 9月月2525日，神舟日，神舟号载人飞船成功发号载人飞船成功发射我国宇航员身穿中国射我国宇航员身穿中国自行研制的舱外航天服进自行研制的舱外航天服进行了出舱太空行走据报行了出舱太空行走据报道，航天服从内而外分多道，航天服从内而外分多层，有棉布织成的舒适层，层，有棉布织成的舒适层，特种橡胶制成的备份气密特种橡胶制成的备份气密层，复合材料制成的主气层，复合材

43、料制成的主气密层，以及特种涤沦面料密层，以及特种涤沦面料制成的保护层等。制成的保护层等。制作人:刘娟第三节 生物材料一、生物材料概述一、生物材料概述二、医用金属材料二、医用金属材料三、生物医用无机非金属材料三、生物医用无机非金属材料四、医用高分子材料四、医用高分子材料五、生物医用复合材料五、生物医用复合材料 制作人:刘娟第三节 生物材料一、生物材料概述一、生物材料概述 生物材料用于人体组织和器官的诊断、修复或增进其生物材料用于人体组织和器官的诊断、修复或增进其功能的一类高技术材料，即用于取代、修复活组织的天然功能的一类高技术材料，即用于取代、修复活组织的天然或人造材料，其作用药物不可替代。生物

44、材料能执行、增或人造材料，其作用药物不可替代。生物材料能执行、增进或替换因疾病、损伤等失去的某种功能，而不能恢复缺进或替换因疾病、损伤等失去的某种功能，而不能恢复缺陷部位。陷部位。制作人:刘娟第三节 生物材料生物功能性根据用途主要分为生物功能性根据用途主要分为:承受或传递负载功能。如人造骨骼、关节和牙等，占主导承受或传递负载功能。如人造骨骼、关节和牙等，占主导地位地位 控制血液或体液流动功能。如人工瓣膜、血管等控制血液或体液流动功能。如人工瓣膜、血管等 电、光、声传导功能。如心脏起博器、人工晶状体、耳蜗电、光、声传导功能。如心脏起博器、人工晶状体、耳蜗等等 填充功能。如整容手术用填充体等填充功

45、能。如整容手术用填充体等 制作人:刘娟第三节 生物材料二、医用金属材料二、医用金属材料较优秀的生物医用金属材料有，医用不锈钢、钴基合金、钛及钛合较优秀的生物医用金属材料有，医用不锈钢、钴基合金、钛及钛合金、镍钛形状记忆合金、金银等贵重金属、银汞合金、钽、铌等金属和金、镍钛形状记忆合金、金银等贵重金属、银汞合金、钽、铌等金属和合金。合金。制作人:刘娟第三节 生物材料(1)(1)医用不锈钢医用不锈钢 具有一定的耐腐蚀性和良好的综合力学性能，且加工工具有一定的耐腐蚀性和良好的综合力学性能，且加工工艺简便，是生物医用金属材料中应用最多，最广的材料。艺简便，是生物医用金属材料中应用最多，最广的材料。常用

46、钢种有常用钢种有US304US304、316316、316 L316 L、317317、317L317L等。等。医用不锈钢植入活体后，可能发生点蚀，偶尔也产生应医用不锈钢植入活体后，可能发生点蚀，偶尔也产生应力腐蚀和腐蚀疲劳。医用不锈钢临床前消毒、电解抛光和钝力腐蚀和腐蚀疲劳。医用不锈钢临床前消毒、电解抛光和钝化处理，可提高耐蚀性。化处理，可提高耐蚀性。医用不锈钢在骨外科和齿科中应用较多。医用不锈钢在骨外科和齿科中应用较多。制作人:刘娟第三节 生物材料 制作人:刘娟第三节 生物材料(2)(2)钴基合金钴基合金 钴基合金人体内一般保持钝化状态，与不锈钢比较，钴基合金人体内一般保持钝化状态，与不锈

47、钢比较，钴基合金钝化膜更稳定，耐蚀性更好。在所有医用金属材钴基合金钝化膜更稳定，耐蚀性更好。在所有医用金属材料中，其耐磨性最好，适合于制造体内承载苛刻的长期植料中，其耐磨性最好，适合于制造体内承载苛刻的长期植入件。入件。在整形外科中，用于制造人工髋关节、膝关节以及接在整形外科中，用于制造人工髋关节、膝关节以及接骨板、骨钉、关节扣钉和骨针等。在心脏外科中，用于制骨板、骨钉、关节扣钉和骨针等。在心脏外科中，用于制造人工心脏瓣膜等。造人工心脏瓣膜等。制作人:刘娟第三节 生物材料(3)(3)医用钛和钛合金医用钛和钛合金 不仅具有良好的力学性能，而且在生理环境下具有良不仅具有良好的力学性能，而且在生理环

48、境下具有良好的生物相容性。由于其比重小，弹性模量较其他金属更好的生物相容性。由于其比重小，弹性模量较其他金属更接近天然骨，故广泛应用于制造各种能、膝、肘、肩等人接近天然骨，故广泛应用于制造各种能、膝、肘、肩等人造关节。此外，钛合金还用于心血管系统。钛合金耐磨性造关节。此外，钛合金还用于心血管系统。钛合金耐磨性能不理想，且存在咬合现象，限制了其使用范围。能不理想，且存在咬合现象，限制了其使用范围。图是镍钛形状记忆合金血管支架图是镍钛形状记忆合金血管支架 制作人:刘娟第三节 生物材料Ti-Ni记忆合金血管支架记忆合金血管支架 制作人:刘娟第三节 生物材料三、生物医用无机非金属材料三、生物医用无机非

49、金属材料生物无机材料主要包括生物陶瓷、生物玻璃和医用碳生物无机材料主要包括生物陶瓷、生物玻璃和医用碳素材料。素材料。按植入生物活体内引起的组织与材料反应，生物陶瓷按植入生物活体内引起的组织与材料反应，生物陶瓷分为分为:(1)(1)近于惰性的生物陶瓷，如氧化铝生物陶瓷、氧化近于惰性的生物陶瓷，如氧化铝生物陶瓷、氧化锆生物陶瓷、硼硅酸玻璃；锆生物陶瓷、硼硅酸玻璃；(2)(2)表面活性生物陶瓷，如磷酸钙基生物陶瓷、生物表面活性生物陶瓷，如磷酸钙基生物陶瓷、生物活性玻璃陶瓷；活性玻璃陶瓷；(3)(3)可吸收性生物陶瓷，如偏磷酸三钙生物陶瓷、硫可吸收性生物陶瓷，如偏磷酸三钙生物陶瓷、硫酸钙生物陶瓷。酸钙

50、生物陶瓷。制作人:刘娟第三节 生物材料 生物活性玻璃陶瓷植入活体后，能够与体液发生化学生物活性玻璃陶瓷植入活体后，能够与体液发生化学反应，并在组织表面生成羚基磷灰石层，故可用于人工种反应，并在组织表面生成羚基磷灰石层，故可用于人工种植牙根、牙冠、骨充填料和涂层材料。植牙根、牙冠、骨充填料和涂层材料。与自然骨比较，生物活性玻璃陶瓷虽然具有较高的强与自然骨比较，生物活性玻璃陶瓷虽然具有较高的强度，但韧性较差，弹性模量过高，易脆断，在生理环境中度，但韧性较差，弹性模量过高，易脆断，在生理环境中抗疲劳性能较差，目前还不能直接用于承力较大的人工骨。抗疲劳性能较差，目前还不能直接用于承力较大的人工骨。制作