新材料的发展与应用

1、 1）新材料的出现是为了解决现有材料性能不能满足人们对所需性能的矛盾而出现的。例如具有高强度的同时，又具有较高的硬度，塑形，韧性，疲劳轻度等性能，但是现在的普通材料在具有高硬度，高强度时，塑形，韧性却大幅度降低；又比如汽车工业，需要在保持一定强度的时，又具有较轻的质量，现在普通的铁碳合金，以及金属材料很难满足高级赛车所需要的强度与质量的一个平衡，故现在较好的赛车都已经开始摒弃普通的金属材料。 这辆法拉利 Enzo 车身采用的材料是碳纤维，拥有着较高的强度，还有着非常轻的车身，车身的主体仅重92公斤，这对赛车是非常有实际意义的。这对其他领域也有很大的应用意义1）新材料（或称先进材料）是指那些新近

2、发展或正在发展之中的具有比传统材料的性能更为优异的一类材料。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，具有比传统材料更为优异的性能。2）新材料技术则是按照人的意志，通过物理研究、 材料设计、材料加工、试验评价等一系列研究过程，创造出能满足各种需要的新型材料的技术。 为了满足不同的特殊要求及性能，现在对新材料有很多不同的研究方向。主要有以下几种； 超导材料的研究； 纳米材料的研究； 智能材料的研究； 能源材料的研究； 新型无机非金属材料的研究等u超导现象：1911年，荷兰物理学家昂尼斯(18531926)发现，水银的电阻率并不像预料的那样随温度降低逐渐减小，而是当温度降到4.15K附

3、近时，水银的电阻突然降到零。某些金属、合金和化合物，在温度降到绝对零度附近某一特定温度时，它们的电阻率突然减小到无法测量的现象叫做超导现象超导材料的基本物理特征超导材料的基本物理特征：v零电阻现象v完全抗磁性（迈斯纳效应）v超导态并非仅取决于温度(临界电流和临界磁场)普通导体超导体超导材料的分类：超导材料的分类：常规超导体(如Nb-Ti合金)高温超导体高温超导体( (如如YBaYBa2 2CuCu3 3O O7 7-x-x) ) 非晶超导材料复合超导材料(如超导线带材料)重费米子超导体(如CeCu2Si2)有机超导材料(如富勒烯等修饰的化合物)超导材料钇钡铜氧化物（钇钡铜氧化物（ YBa2Cu

4、3O7-x ) YBa2Cu3O7-x ) 超导体超导体1987年朱经武、吴茂昆、赵忠贤等发现，Tc90K,超导转变温度打破了液氦，解决了阻碍超导技术应用的瓶颈问题。铋锶钙铜氧化物（铋锶钙铜氧化物（Bi-Sr-Ca-Cu-OBi-Sr-Ca-Cu-O）超导）超导体体Bi2Sr2Can-1CunO2n+4 n=1 2201相n=2 2212相n=3 2223相n=4 2234相Cu-O 层Bi2O2层 钙钛矿层Tc100K;Tl-Ba-Ca-Cu系，Tc达到了125K;Hg-Ba-Ca-Cu系，Tc达到了135K, 高压下Tc达到了164K。-Michael -Michael Vershinin

5、Vershinin, , ShashankShashank MisraMisra, , et alet al. . Science,Science,303,1995(2004).303,1995(2004).Y Y系高温氧化物超导体的制备系高温氧化物超导体的制备原料原料( (氧化物氧化物或碳酸物或碳酸物) )混合混合化学剂量比烧结烧结氧化处理氧化处理熔融织构工艺熔融织构工艺克服大角晶界块块材材带带材材离子束辅助沉淀工艺离子束辅助沉淀工艺轧制辅助双轴织构衬底工艺轧制辅助双轴织构衬底工艺薄膜薄膜磁控溅射法磁控溅射法激光沉淀法激光沉淀法BiBi系高温氧化物超导带材的制备系高温氧化物超导带材的制备:

6、:原材料原材料( (氧化物或碳酸物氧化物或碳酸物) )混混 合合化学剂量比煅煅 烧烧研研 磨磨粉末充管粉末充管拉拉 拔拔Ag管轧轧 制制热处理热处理压制压制/ /轧制轧制热处理热处理重复节省大量资金节省大量资金缓解环境污染缓解环境污染超导电缆、超导发电超导电缆、超导发电机、超导电缆机、超导电缆预预 测测低电力低电力低能耗低能耗灵敏度度高灵敏度度高钇钡铜超导薄膜钇钡铜超导薄膜-应用于谐振器、滤波应用于谐振器、滤波器、天线等有源器件器、天线等有源器件商品化商品化低电力低电力低能耗低能耗钇钡铜超导超导块材钇钡铜超导超导块材- -用于磁悬浮、储能飞用于磁悬浮、储能飞轮等方面轮等方面即即 将将实业化实业

7、化预计在预计在20202020年年左右会形成左右会形成1500-20001500-2000亿美亿美元的超导市场，元的超导市场，其中高温超导其中高温超导占一半占一半高温超导材料制备所面临的问题：高温超导材料制备所面临的问题： 材料制造成本高, 价格昂贵。 在长距离超导线材的制造上面仍然有很大的难度。（氧化物高温超导陶瓷材料各向异性和短的电子相干长度以及大量晶界的存在严重影响线材的超导电性。） 高温超导材料临界电流和临界磁场的提高仍是科学家研究的难题。 1980年，德国的长期从事晶体物理研究的物理学家Gleiter 格莱特，在澳大利亚度假时，想到一个经常困扰他的问题“如何研究出具有异乎寻常材料的新

8、型材料呢？”，在长期的研究中，人们视具有完整空间点阵结构的实体为晶体，是晶体材料的主体，而把空间点阵中的空位，替位原子，间隙原子，相界，位错当作晶体材料的缺陷。对此，他想如果把“缺陷”作为主体，研究出一种晶界占有相当大体积比的材料，那会怎样？1）纳米材料的发现与研究这位科学家不经意间的一个想法，使他花了四年时间的研究，在1984年研究出了这种金属超微粉，就这样，纳米固体材料诞生了！纳米材料的内部结构十分奇异复杂，在1这样小的空间里，竟然装进面积达到500因此纳米材料有再怎么特别的功能也不奇怪了！3cm3cm3cm3cm3cm2m纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子纳米材料又称为超微颗粒材料，

9、由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在寸在1 1100nm100nm间的粒子，是处在间的粒子，是处在原子簇和和宏观物体交界的过渡区域的过渡区域从通常的关于微观和宏观的观点看，这样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的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型观系统，是一种典型的的介观系统介观系统（介观体系是介于宏观体系与微观体系之间的一种体系。实际上介观体系在尺寸上已经是宏观的, 同时具有微观体系，宏观体系的特点 ）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

10、，1010个氢原个氢原子紧密排列，子紧密排列，20nm20nm是头发是头发丝直径的丝直径的30003000分之一分之一1.1.表面效应表面效应2.2.小尺寸效应小尺寸效应3.3.量子尺寸效应量子尺寸效应4.4.宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应1纳米材料有很多“奇怪”的性质，所有的金属到了纳米级别都变成了黑色；在电镜的观测下，发现纳米微粒没有固定的形态，随着时间的推移，会自动形成各种形态，在电子束的照射下，会剧烈运动；在空气中还可以自燃2）晶体物质的熔点是固定的，但是当它们变成纳米微粒后熔点会降低，金的熔点1064，但是当颗粒到2nm时，熔点仅327，银的熔点由670降低到100；在钨的原料中加

11、入0.1%0.5%的镍超微粒时，烧结温度从3000降低到了1200左右，很神奇不是么！纳米颗粒型材料纳米颗粒型材料纳米固体材料纳米固体材料纳米膜材料纳米膜材料纳米磁性液体材料纳米磁性液体材料碳纳米管碳纳米管纳米算盘纳米算盘C60C60每每1010个一个一组，在铜表组，在铜表面形成世界面形成世界上最小的算上最小的算盘。盘。纳米皇冠纳米皇冠纳米颗粒型材料：纳米颗粒型材料：也称纳米粉末，一般指粒度也称纳米粉末，一般指粒度在在100nm100nm以下的粉末或颗粒。由于尺寸小，比以下的粉末或颗粒。由于尺寸小，比表面大和量子尺寸效应等原因，它具有不同于表面大和量子尺寸效应等原因，它具有不同于常规固体的新特

12、性。常规固体的新特性。纳米固体材料纳米固体材料通常指由尺寸小于通常指由尺寸小于1515纳米的超微纳米的超微颗粒在高压力下压制成型，或再经一定热处理颗粒在高压力下压制成型，或再经一定热处理工序后所生成的致密型固体材料。工序后所生成的致密型固体材料。氧化锌纳米晶粒氧化锌纳米晶粒纳米纳米固体固体晶粒晶粒碳纳米管碳纳米管：碳材料家族中的新成碳材料家族中的新成员，为黑色粉末状，是由类似石墨的员，为黑色粉末状，是由类似石墨的碳原子六边形网格所组成的管状物，碳原子六边形网格所组成的管状物，它一般为多层，直径为几纳米至几十它一般为多层，直径为几纳米至几十纳米，长度可达数微米甚至数毫米。纳米，长度可达数微米甚至

13、数毫米。u 碳纳米管本身有非常完美的结构，碳纳米管本身有非常完美的结构，尺寸只有头发丝的十万分之一，但尺寸只有头发丝的十万分之一，但导电率是铜的导电率是铜的1 1万倍万倍，强度是钢的强度是钢的100100倍倍而重量只有而重量只有钢的七分之一钢的七分之一。它像金刚石那样硬，却有柔韧性，它像金刚石那样硬，却有柔韧性，可以拉伸。它的熔点是已知材料中可以拉伸。它的熔点是已知材料中最高的。最高的。 1）陶瓷增韧：由纳米粒子压制成陶瓷增韧：由纳米粒子压制成的纳米陶瓷材料有很好的韧性。因的纳米陶瓷材料有很好的韧性。因为纳米材料具有较大的界面，界面为纳米材料具有较大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在的

14、原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与延展性。此表现出甚佳的韧性与延展性。2 2）隐身）隐身材料应用：材料应用：由于纳米微粒由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米微粒材料对这种波的透因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，这就过率比常规材料要强得多，这就大大减少波的反射率，使得红外大大减少波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的作变得很微弱，从而达到隐身的作用；用；另一方面，纳米微粒材料的比表另一方面，纳米微粒材料

15、的比表面积比常规粗粉大面积比常规粗粉大3 34 4个数量级，个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多，这就使得红外常规材料大得多，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用测目标，起到了隐身作用。美国美国F117F117隐形轰炸机机隐形轰炸机机3 3）计算机）计算机和电子工业：和电子工业：可以从阅读硬盘上读卡可以从阅读硬盘上读卡机以及存储容量为目前机以及存储容量为目前芯片上千倍的纳米材料芯片上千倍的纳米材料级存储器芯片都已投入级存储器芯片都已投入生产。

16、计算机在普遍采生产。计算机在普遍采用纳米材料后，可以缩用纳米材料后，可以缩小成为小成为“掌上电脑掌上电脑”。纳米存储器，存储密度可达每平方厘米纳米存储器，存储密度可达每平方厘米1010万万亿字节亿字节 4 4）机械）机械工业工业：采用纳米材料技术对机械关键采用纳米材料技术对机械关键零部件进行金属表面纳米粉涂层处理，可以零部件进行金属表面纳米粉涂层处理，可以提高机械设备的耐磨性、硬度和使用寿命提高机械设备的耐磨性、硬度和使用寿命。复合材料(Composite materials)，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，

17、产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。 比如20世纪40年代，因航空工业的需要，发展了玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢），从此出现了复合材料这一名称。50年代以后，陆续发展了碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维。70年代出现了芳纶纤维和碳化硅纤维。这些高强度、高模量纤维能与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合，构成各具特色的复合材料。 比如说，超高分子量聚乙烯纤维的比强度在各种纤维中位居第一，尤其是它的抗化学试剂侵蚀性能和抗老化性能优良。它还具有优良的高频声纳透过性和耐海水腐蚀性，许多国家已用它来制造舰艇的高频声纳导流罩，大大

18、提高了舰艇的探雷、扫雷能力。 除在军事领域，在汽车制造、船舶制造、医疗器械、体育运动器材等领域超高分子量聚乙烯纤维也有广阔的应用前景。该纤维一经问世就引起了世界发达国家的极大兴趣和重视复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。纳米复合材料功能复合材料塑木复合材料该研究方向主要包括纳米聚合物基复合材料、纳米碳管功能复合材料、纳米钨铜复合材料。塑木是以锯末、木屑、竹屑、稻壳、麦秸、大豆皮、花生壳、甘蔗渣、棉秸秆等低值生物

19、质纤维为主原料，与塑料合成的一种复合材料。功能复合材料是指除机械性能以外而提供其他物理性能的复合材料。如：导电、超导、半导、磁性、压电、阻尼、吸波、透波、磨擦、屏蔽、阻燃、防热、吸声、隔热等凸显某一功能。统称为功能复合材料航空航天领域。由于复合材料热稳定性好，比强度、比刚度高，可用于制造飞机机翼和前机身、卫星天线及其支撑结构、太阳能电池翼和外壳、大型运载火箭的 壳体、发动机壳体、航天飞机结构件等。汽车工业。由于复合材料具有特殊的振动阻尼特性，可减振和降低噪声、抗疲劳性能好，损伤后易修理，便于整体成形，故可用于制造汽车车身、受力构件、传动轴、发动机架及其内部构件。化工、纺织和机械制造领域。有良好

20、耐蚀性，热膨胀系数小的碳纤维与树脂基体复合而成的材料，可用于制造化工设备、纺织机、造纸机、复印机、高速机床、精密仪器等。其他类新的新材料有很多种这里主要说由碳原子构成的各种新型材料，比如碳纤维，石墨烯等。碳纤维，石墨烯，纳米碳管等都具有较为类似的性能，故这里只说石墨烯石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，是一种由碳原子组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光导热系数高达5300 W/mK，高于碳纳米管和金刚石常温下其电子迁移率比纳米碳管或硅晶体还高，而电阻率只约 cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件