第七章 新材料

1、1新材料的定义 新材料是指新近发现的在成分、组织结构和性能等方面不同于传统材料的材料。主要包括：纳米材料、碳材料、非晶合金、生物材料、超导材料、环境材料等。 还有一些传统材料，由于采用了新工艺，使其性能得到较大改善，也可看做新材料。 另一说法是指为高技术领域,如信息、生物、新能源、航天航空、海洋、环境等高技术的发展提供的先进材料。2新材料与传统材料的对比传统材料（基础材料）：生产技术成熟，大量工业化生产的材料；如钢铁、水泥、塑料等。新材料（先进材料）：新材料（先进材料）：正在发展，具有优异性能和应用前景的材料。 采用新技术、提高附加价值大量工业化生产、应用范围扩大传统材料新材料3建筑新材料的应

2、用领域4交通5福特2000与西纳给2010这两款由材料工程师设计的汽车将成为未来交通工具。汽车用高强钢，比原先的轻24%，而强度高34%。汽车汽车 绪绪 论论 6 在美国卡拉维纳尔角航天基地待升空的（穿梭机）。它是人类高技术的结晶。它应用了成千上万种材料，特别是一些高技术的新型材料（本照片选自美国Kennedy Space Center 的Tourbook）。航天飞机航天飞机7超导磁悬浮列车超导磁悬浮列车 西南交通大学已研制成功全国唯一一辆“世纪号”超导磁悬浮列车，这种高温超导磁悬浮列车最大特点就是乘坐平稳、安全和快捷。和世界上最先进的轻轨列车比较，它没有一点轰隆隆的噪声，十分安静。1980s

3、：高温超导体8能源能源p 新能源材料则是指实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所要用到的关键材料。n主要包括储氢电极合金材料为代表的镍氢电池材料n嵌锂碳负极和LiCoO2正极为代表的锂离子电池材料、燃料电池材料nSi半导体材料为代表的太阳能电池材料n铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料等。 9核能材料核能材料Nuclear power station at Leibstadt, Switzerland uranium oxide beads 钨钒钢（W-V steel）铬钒钢（Cr-V steel）镍基高温合金（Hastelloy material）核反应堆材料：耐中子辐射、腐蚀、高温烧结后

4、烧结后烧结前烧结前10信息信息人类正在步入信息时代，同时也是信息材料竞争的时代。 11电子管电子管晶体管晶体管集成电路集成电路电子管电子管16K内存器。图中的女士要用显微镜才看得到现在的集集成电路成电路16 K内存器n第一台电子管电子管组成的计算机重达30吨，用电相当于一个小的城市。钨、钼钨、钼电极。锗、硅半导体。锗、硅半导体。单晶硅片，高纯钛、单晶硅片，高纯钛、SiO2和铬等薄膜和铬等薄膜12生物、生活生物、生活材料技术的发展改变我们的材料技术的发展改变我们的生活生活仿真手臂仿真手臂人工关节“自行车发烧友自行车发烧友” 的首选的首选钛结构自行车架微机械微机械13 一种重要新材料的发现和使用，

5、一种重要新材料的发现和使用，都把人类支配自然的能力提高到一都把人类支配自然的能力提高到一 个新水平，材料科学技术的每一次个新水平，材料科学技术的每一次重大突破都会引起生产技术的重大重大突破都会引起生产技术的重大变革，甚至引起一次世界性的技术变革，甚至引起一次世界性的技术变革，从而把人类物质文明和精神变革，从而把人类物质文明和精神文明推向前进。文明推向前进。14材料强度密度比在不同年代里的进展材料强度密度比在不同年代里的进展(由图中可以看由图中可以看出出,现代先进材料的强度已比原始材料提高了约现代先进材料的强度已比原始材料提高了约50倍倍)铝铝木材木材石料石料青铜青铜铸铁铸铁钢钢复合材料复合材料

6、碳纤维碳纤维芳香族酰胺纤维芳香族酰胺纤维6新材料技术是工业革新材料技术是工业革命和产业发展的先导命和产业发展的先导150200400600800100012001400190019201940196019802000年份发动机工作温度（）现代涡轮喷气发动机现代涡轮喷气发动机年代气冷年代气冷式航空发动机式航空发动机蒸汽机蒸汽机在本世纪内由于采用了现代材料使发动机工作温度急剧上升在本世纪内由于采用了现代材料使发动机工作温度急剧上升，因而发动机的理论效率大大提高。，因而发动机的理论效率大大提高。新材料技术是工业革新材料技术是工业革命和产业发展的先导命和产业发展的先导16新材料技术是工业革新材料技术是

7、工业革命和产业发展的先导命和产业发展的先导171950196519551970197519601990198019952000198520053070504060100908020110120130座座mile/Usgal 航空材料的发展与飞机的燃放航空材料的发展与飞机的燃放年份年份Comet707-120707-120B880990727-100DC-9-30A320-200747-400MD112.5倍飞机燃油效率提高飞机燃油效率提高2.5倍倍新材料技术是工业革新材料技术是工业革命和产业发展的先导命和产业发展的先导 航空材料的发展航空材料的发展18109316495381490C3150C

8、6490C10930C19270C发动机温度发动机温度一次大战水冷式一次大战水冷式30年代空冷式年代空冷式风扇喷气发动机风扇喷气发动机蜗轮喷气发动机蜗轮喷气发动机超音速燃烧冲压超音速燃烧冲压式喷气发动机式喷气发动机温度（温度（0C）新材料技术是工业革新材料技术是工业革命和产业发展的先导命和产业发展的先导1919501960197019801990200020102020900110015001300材料的表面温度材料的表面温度()1700单晶合金单晶合金普通铸件普通铸件定向凝固超级合金定向凝固超级合金共晶合金共晶合金弥散强化超级合金弥散强化超级合金隔热涂层隔热涂层陶瓷复合材料陶瓷复合材料碳碳-

9、碳碳新材料技术是工业革新材料技术是工业革命和产业发展的先导命和产业发展的先导在发动机上应用的年份在发动机上应用的年份叶片材料的发展历程叶片材料的发展历程纤维增强超级合金纤维增强超级合金2030年代教练机年代教练机二次大战战斗机二次大战战斗机80年代截击机年代截击机航天飞机航天飞机东方快车号东方快车号10931649538490C93.30C4270C10930C16490C不同类型的飞行器蒙皮温度不同类型的飞行器蒙皮温度蒙皮温度（蒙皮温度（0C）新材料技术是工业革新材料技术是工业革命和产业发展的先导命和产业发展的先导211101101100110021972197120018001001200

10、410950400飞船返回舱舱体温度情况飞船返回舱舱体温度情况新材料技术是工业革新材料技术是工业革命和产业发展的先导命和产业发展的先导22小飞机小飞机 直升机直升机 运输机运输机 波音波音707战斗机战斗机喷气式机喷气式机 超音速飞机超音速飞机近地卫星近地卫星卫星卫星飞机速率速度与效益速度与效益10102103104每减少1kg所收获效益 新材料技术是工业革新材料技术是工业革命和产业发展的先导命和产业发展的先导23新材料技术是工业革新材料技术是工业革命和产业发展的先导命和产业发展的先导+175+390+595金属金属玻璃纤维玻璃纤维KavlarC/C复合材料复合材料K m导弹射程导弹射程火箭壳

11、体材料与导弹射程火箭壳体材料与导弹射程24碳素工具钢碳素工具钢钨钴铬硬质合金钨钴铬硬质合金烧结碳化钨烧结碳化钨金属陶瓷金属陶瓷陶瓷陶瓷多晶金刚石多晶金刚石高速钢高速钢立方氮化硼立方氮化硼新材料技术是工业革新材料技术是工业革命和产业发展的先导命和产业发展的先导25高技术体系示意图高技术体系示意图探索智力探索智力探索宇宙空间探索宇宙空间探索物质结构探索物质结构探索生命本质探索生命本质探索海洋奥秘探索海洋奥秘环境科学技术环境科学技术空间科学技术空间科学技术新材料科新材料科学技术学技术新能源与再生能源新能源与再生能源信息科学技术信息科学技术生物科学技术生物科学技术海洋科学技术海洋科学技术人人材料发展总

12、的趋势材料发展总的趋势26材料发展总的趋势材料发展总的趋势u生物技术正经历着一场前所未有的技术革命生物技术正经历着一场前所未有的技术革命，一个庞大的生物产业正在孕育和形成，一个庞大的生物产业正在孕育和形成 对生命现象本质和过程研究，进入了定量和系统整合阶段对生命现象本质和过程研究，进入了定量和系统整合阶段 基因组学、蛋白质科学、干细胞及再生医学的研究成为生命基因组学、蛋白质科学、干细胞及再生医学的研究成为生命科学的前沿与热点科学的前沿与热点 蛋白质科学正向深度和广度迅速发展蛋白质科学正向深度和广度迅速发展 干细胞及再生医学的研究及应用为人类健康开辟了新道路干细胞及再生医学的研究及应用为人类健康

13、开辟了新道路 生物芯片在医疗和科研领域发挥巨大作用生物芯片在医疗和科研领域发挥巨大作用 转基因技术及应用呈现出高速发展的态势转基因技术及应用呈现出高速发展的态势27材料发展总的趋势材料发展总的趋势u航天技术快速发展，不断开辟人类探索的新航天技术快速发展，不断开辟人类探索的新空间空间 太空探索带动太空探索技术加速发展太空探索带动太空探索技术加速发展 研制多种用途的人货分离的新一代航天飞行器成研制多种用途的人货分离的新一代航天飞行器成未来趋势。未来趋势。 小卫星技术日趋成熟并将广泛应用。小卫星技术日趋成熟并将广泛应用。 太空攻防技术成为未来航天技术发展的重要领。太空攻防技术成为未来航天技术发展的重

14、要领。28材料发展总的趋势材料发展总的趋势u新材料技术出现群体性突破，将对新材料技术出现群体性突破，将对21世纪基世纪基础科学和几乎础科学和几乎所有工业领域所有工业领域产生革命性影响产生革命性影响 纳米技术是前沿技术中最具前瞻性和带动性的重点领域之一纳米技术是前沿技术中最具前瞻性和带动性的重点领域之一 电子信息材料技术进展迅速，光电子材料、光子材料将成为电子信息材料技术进展迅速，光电子材料、光子材料将成为发展最快和最有前途的电子信息材料。发展最快和最有前途的电子信息材料。 新型功能材料及其应用技术面临新的突破（超导材料、智能新型功能材料及其应用技术面临新的突破（超导材料、智能材料、生物医用材料

15、）材料、生物医用材料） 新型结构材料发展前景乐观（高温合金、难熔金属、金属间新型结构材料发展前景乐观（高温合金、难熔金属、金属间化合物、金属基复合材料、高分子材料、钛合金、镁合金）化合物、金属基复合材料、高分子材料、钛合金、镁合金）29上述事例雄辩的表明，新材料是上述事例雄辩的表明，新材料是人类社会进步、世界革命和提高人类社会进步、世界革命和提高人类生活品质中具有特别重要的人类生活品质中具有特别重要的基础和先导作用，其发展对提高基础和先导作用，其发展对提高国家的综合国力和国际实力具有国家的综合国力和国际实力具有巨大的推动作用和深远的影响巨大的推动作用和深远的影响。新材料技术是高新材料技术是高技

16、术发展的基础技术发展的基础30 三、新材料的种类 材料种类繁多，据测算目前世界上已有材料40多万种，而且每年以5%的速度增长。综合世界各国新材料技术的发展情况，新材料按其应用或组成大致可分为：信息材料、能源材料、高分子有机合成材料、复合材料和新型金属材料、纳米材料、生物材料、碳材料等。31 2、常用新材料简介 一、纳米材料 1、纳米材料与纳米技术 纳米是一个长度单位，1纳米是1米的十亿分之一，记为：1nm=10-9m， 纳米材料是指块体中的颗粒、粉体粒度在在1100纳米之间，使其某些性能发生突变的材料。可以是晶体，也可以是非晶体。 纳米技术是指与纳米材料制备、性能研究及其应用相关的技术。32

17、2、纳米材料的发展与重要性 纳米材料是80年代初发展起来的新材料领域，它具有奇特的性能和广阔的应用前景，被誉为跨世纪的新材料，引起了科学界和企业界的极大关注。一些国家政府高度重视纳米材料，先后将其列入美国的“星球大战”、欧洲的“尤里卡”及日本的“高技术探索研究”等高技术研究计划，发展迅速。我国也及时地编制“863”计划，对其进行跟踪和研究开发，国家火炬计划重点支持研究成果向生产力的转化，使纳米材料的研究开发取得了可喜的进展。 33 3、纳米材料的特性 纳米材料具有极佳的力学性能，如高强、高硬和良好的塑性。 纳米材料的表面效应和量子尺寸效应对纳米材料的光学特性有很大的影响。 纳米材料具有特殊的导

18、电性，当晶粒尺寸达到纳米量级，金属会显示非金属特征。 纳米材料与常规材料在磁结构方面的很大差异，具有特殊磁学性能。 纳米材料的比表面积体积很大，因此它具有相当高的化学活性，在催化等，敏感和响应等性能方面显得尤为突出。 34 4、纳米材料的应用 纳料材料由于具有特异的光、电、磁、热、声、力、化学和生物学性能，广泛应用于宇航、国防工业、磁记录设备、计算机工程、环境保护、化工、医药、生物工程和核工业等领域。不仅在高科技领域有不可替代的作用，也为传统产业带来生机和活力。 （1）在结构材料中的应用 纳米CoWC的硬度提高一倍以上，且韧性和耐磨性均显著改善。 纳米氧化铝添加到氧化铝陶瓷中，显著地起到增强和

19、增韧作用。 在硬度高的，耐磨涂层中添加纳米相，可进一步提高涂层的硬度和耐磨性能，并保持较高的韧性。35 （2）在化工产品中的应用 纳米粒子表面积大、表面活性中心多，为做催化剂提供了必要的条件。如：利用纳米镍粉作为火箭固体燃料反应催化剂，燃烧效率可提高100倍 。 （3）在电子工业产品中的应用 纳米材料达到单畴临界尺寸，产生很高的矫顽力，可用于制成各种磁卡，用于信息存储系统。 纳米敏感材料 纳米电磁波、光波吸收材料36 （4）在环保健康、医药卫生领域的应用 在传统表面涂层技术中，可以用纳米技术来加以改造，实现纳米材料复合涂层。 纳米材料涂层可以提高基体的腐蚀防护能力，达到表面修饰、装饰目的。 在

20、油漆或涂料中加入纳米颗粒，可进一步提高其防护能力，能够耐大气，紫外线侵害，从而实现防降解，防变色等功效； 还可以在建材产品，如卫生洁具、室内空间、用具等中运用纳米材料涂层，产生杀菌、保洁效果。 37 二、新型碳材料1、石墨与金刚石石墨与金刚石 石墨原子结构图 金刚石晶体结构图 3839 2、碳纤维 碳纤维是一种主要由碳元素组成的特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有碳素材料的特性，如耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各项异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，有很高的比强度。碳纤维是由含碳量较高

21、、在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。40 碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，做成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。碳纤维复合材料在高温条件下以及对材料强度、刚度、重量、疲劳度等有苛刻要求的应用领域具有很强的优势。碳纤维及其复合材料是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而发展起来的，在航空航天领域有着极其重要的应用。此外，还广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。41 三三 富勒烯富勒烯 1985年，美国化学家史莫利与英国化学家科尔托利用激光照射石墨，使其蒸发而成碳灰。质谱分析发现，这些碳灰中含有两种不明物质，其分子量分别为碳的60倍与70倍，故将它们分别命名为 C60与C70。C60中20个正六边形和12个正五边形构成圆球形结构，共有60个顶点，分别由60个碳原子所占有，经证实它们属于碳的第三种同素异形体，命名为富勒烯 (Fullerene）。 后来人们又发现了碳纳米管和洋葱状富勒烯。4243碳纳米管44 四、非晶材料 1、定义 非晶(amorphous)定义为不具有长程有序，即不具有10个以上的原子规则排列的固体物质。 2、性