第三讲新材料

1、第三章 新材料技术 材料是人类生产和生活的物质基础，是现代化文明社会的重要支柱。能源、材料、信息是现代社会的三大要素。材料是骨架，能源是血液，信息是神经。 材料是社会生产力的标志，是人类文明的里程碑石器原始社会青铜奴隶社会铁器封建社会钢铁资本主义社会、工业社会新材料信息社会、后工业社会 材料科学技术是研究材料的组成、性质、性能、制备工艺和用途的应用性科学技术。 材料分类 1、按形成方式：天然材料、人工材料 2、按发展历史：传统材料、新材料 3、按用途性能：结构材料（力学性质） 功能材料（光、电、磁、热等性能）4、按化学组成：金属材料 黑色金属和有色金属 黑色金属有铁、铬、锰 有色金属有钾、钠、

2、铜、金、银 无机非金属材料 陶瓷、水泥、玻璃有机高分子材料 天然有机和人工合成（分子量大于10000）复合材料第一节 金属材料 1、黑色金属 8高温合金 2、稀土金属 9防震合金 3、轻合金 4、超塑合金 5、记忆合金 6、贮氢合金 7、快速冷凝金属（金属玻璃）1、黑色金属 铁、锰、铬及以其为基的合金统称为黑色金属。 含C量大于2% 生铁 含C量0.04%2 % 钢 其中可加锰、钼、钛、镍、铬等 含C量0.03%0.04% 熟铁 塑性好2、稀土金属 钪、钇和镧系（原子量5771）共17种元素总称为稀土元素。化学活性强、物理性能差异大。3、轻合金 锂的密度是0.53g/cm，是铝的1/5。锂在镁

3、、铝中溶解度高，易形成合金。1924年，德国制得AlLi1957年，美国把AlLi用于飞机蒙皮，减重6%1971年，美国制得 AlMgLiZr现今美国制得AlMgLi、AlCuLi、 AlCuLiMg三个系列，可用于航空航天材料。 这种合金具有抗辐射、耐低温性能。4、超塑合金 金属合金在特定的情况下可以象麦芽糖一样在外力作用下发生粘滞性变形，达到非常大的变形量而不破裂，这就是金属合金的超塑现象。处于超塑性状态的合金，其变形抵抗力较小，但延伸率却很高，可达到百分之几千。5、形状记忆合金 1962年，美国海军军械实验室在钛镍合金中发现了“形状记忆效应”，即合金在一定条件下，虽然发生变形，但是仍然能

4、够恢复到变形前原始形状的能力。称其为镍钛诺尔（Nitinol)。 特点：变形可以非常大（1/10） 目前发现这种合金已有几十种之多。合金的这种奇异效应是由合金微观结构固有的变化规律所决定的。形状记忆合金6、贮氢合金 能在通常条件下大量吸收，放出氢气的合金。如铁钛、钛锰、镁镍、镧镍。7、快速冷凝金属 包括非晶态金属、微晶和单晶金属非晶态金属是指液态金属急冷（冷凝106度/秒）使原子无规则排列而得到的金属。 8 高温合金 涡轮叶片 超过1000度 镍 钴 9 防震合金 高韧性的基体 嵌在基体中的柔软颗粒 交界面容易产生变形 降噪340 分贝第二节 陶瓷材料 陶瓷材料是人类最早利用自然界所提供的原材

5、料制造而成的材料，它的研究历史经历了三次飞跃：传统陶瓷、先进陶瓷和纳米陶瓷。 传统陶瓷：黏土、石英等无机非金属天然矿物 为原料 特殊陶瓷：合成的化学原料，经特殊工艺合成 的原料 先进陶瓷按功能和用途可分为两类：结构陶瓷和功能陶瓷。结构陶瓷发挥其机械、热、化学等功能，具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损的特性。功能陶瓷指那些利用其电、磁、声、光、热等性质或其耦合效应以实现某种使用功能的先进陶瓷。 特种陶瓷有热压铸、热压、静压及气相沉积等多种成型方法。 这些陶瓷由于其化学组成、显微结构及性能不同于普通陶瓷，故称为特种陶瓷或高技术陶瓷，在日本称为精细陶瓷。 特种陶瓷不同的化学组成和组织结构决定了它不同的特殊性

6、质和功能，如高强 度、高硬度、高韧性、耐腐蚀、导电、绝缘、磁性、透光、半导体以及压电、光电、电光、声光、磁光等。 由于性能特殊，这类陶瓷可作为工程结构材料和功能材料应用于机械、电子、化工、冶炼、能源、医学、激光、核反应、宇航等方面。 一、国外特种陶瓷的发展及新动向 1.生产工艺技术方面的新进展 （1）在粉末制备方面，目前最引人注目的是超高温技术。 （2）在成型及烧结方面，热等静压法最为引人注目。 （3）在特种陶瓷的精密加工方面，真空扩散焊接法是一种最有前途的方 法。 2.应用方面的新发展 特种陶瓷由于拥有众多优异性能，因而用途广泛。现按材料的性能及种类简要说明。 （1）耐热性能优良的特种陶瓷可

7、望作为超高温材料用于原子 能有关的高温结构材料、高温电极材料等。 （2）隔热性优良的特种陶瓷可作为新的高温隔热材料，用于高 温加热炉、热处理炉、高温反应容器、核反应堆等。 （3）导热性优良的特种陶瓷极有希望用作内部装有大规模集 成电路和超大规模集成电路电子器件的散热片。 （4）耐磨性优良的硬质特种陶瓷用途广泛，目前的工作主要是集中在轴承、切削刀具方面。 （5）高强度的陶瓷可用于燃气轮机的燃烧器、叶片、涡轮、套管等;在加工机械上可用于机床身、轴承、燃烧喷嘴等。目前，这方面的工作开展得较多，许多国家如美国、日本、德国等都投入了大量的人力和物力，试图取得领先地位。这类陶瓷有氮硅、碳化硅、塞隆、氮化铝

8、、氧化锆等。 （6）具有润滑性的陶瓷如六方晶型氮化硼极为引人注目，目前国外正在加紧研究。 （7）生物陶瓷方面目前正在进行将氧化铝、磷石炭等用作人工牙齿、人工骨、人工关节等研究，这方面的应用引起人们极大关注。 3.今后研究与开发的重点 （1）特种陶瓷基础技术的研究，例如烧结机理、检测技术和粉末制备技术等; （2）超导陶瓷的研究; （3）特种陶瓷的薄膜化或非晶化是提高陶瓷功能的有效方法，因而许多国家都把它作为一项主要内容而加以研究; （4）陶瓷的纤维化是研制隔热材料、复合增强材料等的重要基础，目前国外，尤其是日本对陶瓷纤维及晶须增强金属复合材料的研究极为重视，其研究主要集中于碳化硅及氮化硅; （5

9、）多孔陶瓷由于具有特殊结构，所以引起了各界的重视; （6）陶瓷与陶瓷或陶瓷与其他材料复合（陶瓷纤维增强陶瓷，陶瓷纤维增强金属）问题也是现阶段的研究重点。 （7）在非氮化物陶瓷中，目前国外研究最多的是陶瓷发动机， 高压热交换器及陶瓷刀具等; （8）随着生物化学，生物医学这些新兴学科的发展，生物陶瓷的开发研究也变得越来越重要。 二、国内特种陶瓷产业概况及材料发展趋势 我国目前特陶行业特点是:在材料开发上具有一定能力，水平较高，但要低成本、高效地将优质材料大批量制造成优质的商品，则缺乏必要的先进技术、设备和管理水平，这也与全国整体基础工 业水平较为落后有关。因而，目前世界最先进的超高利润的特陶产品我

10、们未能占领市场，许多电子整机中的电子陶瓷元件仍需大量进口，如手机中使用的片式压电陶瓷滤波器，市场很大，但全是进口。 影响我国特陶发展的重要因素之一是特陶粉体 （ 原材料 ） 的生产加工落后，体现在专用粉体生产缺乏，产量低，质量稳定性差，从而影响产品质量的稳定性和可靠性，因而目前许多生产线所需原材料必须从国外进口。可以说这是我国特陶发展的一个“ 瓶 颈 ” 。 根据国家新材料技术发展纲要，我国今后高性能陶瓷发展规划包括下列8个方面: （1） 超纯超细粉末原料的制备技术，批量和工业生产装备的 研制; （2） 高性能陶瓷特殊成型、烧结、精密加工、涂层纤维增强复合技术和工艺装备的研制; （3） 脆性材

11、料评价技术、无损检测、破坏准则及烧结、复合机理; （4） 高温工程陶瓷:包括陶瓷无冷机、燃气轮机、高温密封阀、轴承、泵、风机、炼钢机械、辊道等的研制; （5） 敏感陶瓷与电子陶瓷，如各种气敏、热敏、光敏、声敏、压敏等敏感元件，高导热高绝缘基板及磁性材料等的研制; （6） 光学功能 （ 如透光、偏光、集光、荧光等 ） 陶瓷和光电、光磁、非线性光学陶瓷的研制; （7） 化学功能 （ 如耐腐蚀、催化剂及其载体、燃料电池、离子交换、吸附剂等 ） 陶瓷的研制; （8） 生物功能 （ 如具有生物活性和亲和性的人工骨、牙齿、心瓣膜等 ） 及固体酶载体陶瓷的研究、试剂及系列化生产并用于医疗临床实践或工业化应用

12、等。第三节 高分子材料 高分子材料具有重量轻、容易加工等特点 包括 天然高分子材料 人工合成高分子材料 1、塑料 具有可塑性，即在一定温度和压力下受到外力时可以产生形变，而外力去除后仍能保持受力时的形状。 现在的塑料有三、四十大类，300多个品种。按其热性能可分为热塑性塑料和热固性塑料两大类。顾名思义，前者的特点是遇热会软化或熔化，产生热塑料，冷却后又会变硬;而热固性塑料是在一定条件下起化学反应后，形成固化塑料，再不能软化或熔化。 通用塑料 工程塑料（可承受一定的外力载荷，具有良好的机械性能，有较宽的使用温度范围，能经受比较苛刻的物理和化学环境） 特种工程塑料（性能更优异，可在150度以上使用

13、） 通用塑料包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、酚醛塑料和氨基塑料等。通用塑料的产量较大，占塑料总产量的80%以上。它们共同的特点是价格低、用途广，可制成生活用品、一般零 件和包装材料，以代替纸和木材，并部分代替金属。 工程塑料是指机械性能好，可以代替金属制造机械零件，并且能在一些特殊环境，如高温、低温、腐蚀、大载荷条件下长期工作的工程材料的一类塑料。工程塑料的出现是20世纪60年代塑料应用方面的重大突破，它既可用作电工器材，又可应用于机械工业，作钢铁和有色金属的代用品。广泛使用工程塑料的工业部门包括:机械制造、电子、化工、汽车、飞机、制造、原子能和建筑等 从20世纪70年代中期开始，又逐

14、渐从工程塑料中分出高性能工程塑料。高性能工程塑料包括聚芳醚、聚芳砜、聚芳酯、聚芳杂环类、聚芳酰胺、聚对二甲苯、含氟材料等。2、合成橡胶具有高弹性，即在很小的作用力下能产生很大的形变（500%1000%），外力去除后形变能恢复。合成橡胶问世已有半个多世纪的历史。在20世纪20年代，人们首先合成了丁二烯橡胶，它具有很高的弹性和耐寒性，到了30年代，合成橡胶工业蓬勃发展。目前，合成橡胶的数量和性能都大大超过了天然橡胶。 在通用合成橡胶中，最常用的有丁苯、丁基、氯丁、丁腈橡胶等，它们都可以代替天然橡胶制成日常橡胶制品如轮胎、救生艇、密封件、电缆、软管和油箱等。丁苯橡胶在合成橡胶中产量最高，主要用于制造

15、汽车和飞机轮胎等;氯丁橡胶弹性和加工性好，可制造密封件和减震零件;丁腈橡胶具有耐热、耐油和耐老化的特点，可制作耐油胶管和油箱。 特种合成橡胶在国防尖端工业中起着重要作用，它们产量不大但品种繁多，包括乙丙橡胶、异戊橡胶、聚硫橡胶、硅橡胶、氟橡胶、聚氨酯橡胶、氯磺化聚乙烯橡胶、丙烯酸橡胶、氯醇橡胶等。 胶粘剂和涂料也是有机高分子化合物的重要应用领域，在许多新型机械、电工和电子产品中都离不开它们。各种胶粘剂不仅可用于木材、皮革、纺织品、塑料、玻璃、陶瓷自身和相互间的胶接，还适用于金属自身和与上述材料相互间的胶接，甚至在医学上划破的伤口、人工骨与天然骨之间也采用了胶接。 三、合成纤维 合成纤维是以煤、

16、石油、天然气、水、空气、食盐、石灰石等为原料，经化学处理制成的人工纤维。20世纪70年代合成纤维的年产量已占世界纤维总产量的一半。合成纤维的主要品种有:绵纶（聚酰胺）、腈纶（聚丙烯腈）、涤纶（聚酯）、维纶（聚乙烯醇）、丙纶（聚丙烯）和氯纶（聚氯乙烯）等6种，其中前3种产量最大，占整个合成纤维产量的90%。它们都具有强度高、耐磨、比重小、弹性大、防蛀、防霉等优点。除做衣服以外，在工业或其他方面也很有用处。它们共同的缺点是吸湿性和耐热性较差，染色比较困难。 在尖端工业中起作用的是特种合成纤维，它们的产量不大，品种却不下数十种，它们具有特殊的物理、机械性能，是天然纤维和通用合成纤维无法达到的。 与“

17、塑料王”氟塑料源出一家的氟纶（聚四氟乙烯），在各种酸碱介质中耐腐蚀性最好，还可耐250左右的高温，并保持良好的绝缘性，在原子能、航空和化学工业中发挥着重要的作用。 号称“合成的钢丝”的芳纶（芳香族聚酰胺）在20世纪60年代就打入航空和航天领域，是目前有机合成纤维中强度最大、产量最高的纤维。比强度（同样重量材料得到的强度）是钢丝的5倍，用手指粗的芳纶绳就可以吊起两辆大卡车!有的品种可以在260高温下连续使用上百小时。在飞机上，芳纶被制成降落伞、机轮帘布、电绝缘和过滤结构，或作为增强纤维用于复合材料框架、桁条和舱门等;在航天飞机上，芳纶毡毯用于再返大气层时的热防护;宇航员穿的宇航服中有氟纶防火保暖

18、层和芳纶防辐射及防流星层。 芳纶坚韧耐磨，刚柔兼备，现在又发展成最有希望的防弹材料。过去的防弹材料主要是防弹铝板和钢板，都比较笨重，使用起来不灵活。现在用芳纶编织的防弹背心重量轻、结构紧凑、层数多、防护力强，适合于警察和公安人员日常穿用。士兵在战场上感到威胁最大的是弹片和散弹，穿上一种内衬陶瓷板的芳纶避弹衣，就可以保证肺、胸、脊骨等重要部位的安全。芳纶编织层能吸收弹丸60%的能量，陶瓷板能使弹丸偏离或碰掉。由80%芳纶纤维20%树脂制成的“钢”盔，在与真正钢盔重量大致相等的情况下，安全性提高了两倍以上。据统计，芳纶防弹衣和钢盔最少能防护人的60%70%关键部位，使伤亡人数至少降低1/3。 四、

19、高分子材料技术的创新研究 1.高分子材料的化学合成 多品种的合成高分子材料虽然体现了多用途的使用价值，但却增加了材料合成与制备的复杂性和材料回收再利用的难度。因为不同品种的高分子材料是由不同的原料单体采用不同的合成技术制得的，要采用不同的技术进行分类后才能回收再利用。如果能开发一种化学合成技术，实现分子结构和立体结构的调控，达到由一种或有限的几种原料单体，制得具备不同性质、满足多种需求的高分子材料，显然是很有挑战意义的。这和钢铁材料产业提出的“一钢多能”一样，对通用高分子材料的更新换代有战略意义。 2.高分子材料的物理合成 高分子材料的作用和功能的发挥，不仅取决于化学合成形成的分子链的化学结构

20、，还取决于分子链间的非化学成键的相互作用的支撑和协调。分子链间的非化学成键的相互作用的形成，可以通过所谓的物理合成方法来实现。利用外场的物理作用，在确定的空间或环境中像搬运积木块一样地移动分子链，采用自组合、自合成或自组装等方法，靠分子链间的相互作用，构建具有特殊结构形态的分子链聚集体。如果再在分子链聚集体中引发化学 成键，则能得到具有高度准确的多级结构的高分子材料。这种物理合成的方法对获得大面积高分子功能薄膜材料和器件很有意义。 3.高分子材料的仿生合成和生命活性化 日光、二氧化碳和水经过植物的“合成”，成为可以使用的高分子材料（如天然橡胶等）。柔蚕将桑叶“合成”蚕丝，蜘蛛将体液“合成”蜘蛛

21、网，可以得到别具特色的纤维材料。自然界中生物体的这种活性反应器和活性催化剂的功能和作用，正是高分子材料的仿 生合成可借鉴之处。传递着所有生命过程的生物大分子，与合成高分子一样都是长链分子，但由于难以在合成高分子的分子链上接上确定的序列结构，难以形成精确的链折叠和链间组装，合成高分子表现不出生命活性。生命大分子结构的精确、活性的专一和功能的多元，对合成高分子材料的生物应用提出了挑战。合成高分子材料与生物工程学和生命科学的结合，不仅能开发出更多生物医用高分子材料，还能制备出与生物高分子一样精确的序列结构，组装成类似细胞那样能控制生命过程的生物活性合成高分子材料，也能得到连接细胞与计算机、沟通生命与

22、信息的合成高分子材料。 4.高分子材料的成型加工 高分子材料的最终使用形式是高分子材料制品，而高分子材料制品的性能与其成型加工过程息息相关。成型加工技术不仅要适应化学结构不断变化的各种新型高分子材料的出现，不仅要通过成型加工，在材料制品中实现甚至优化体现材料性能的分子聚集架构，还要发展诸如在工程学层次上操纵分子链进行高分子材料成型加工的新技术，这是纳米材料规模化应用的关键技术。注意发展在材料表面引人分子、纳米粒子的超临界流体溶胀技术，制备分子链有序排列的大面积高分子光电功能薄膜或纳米纤维的外场辅助制膜成纤技术，适用于超分子体系制备的成型加工技术，以 及计算模拟技术在成型加工中的应用等技术，是很

23、有战略意义的。 5.高分子材料的智能化 材料的智能化是未来各类材料发展的一个方向。智能化是指材料的作用和功能可随外界条件的变化而有意识的调节、修饰和修复。高分子材料中长链分子的丰富构象变化及较弱的分子相互作用，赋予高分子材料以自适应性。高分子表现出的其结构、作用和功能随外界环境而变化的软物质特征，是高分子材料作为 智能材料应用的基础。已经知道无论是最大的力学载荷的传递，还是最快的功能信号的传递，都是沿着高分子的链轴方向，因此，了解和掌握外场存在下分子链的取向和聚集，实现外场方向与分子链取向和聚集的同步变化（即当根据需要调节外场方向和强度时，分子链的取向方向和聚集层次也可以随之变化），则能在不同

24、方向和不同层次上调节和发挥高分子材料的功能和性质，使其表现出智能性。 五、我国高分子材料产业的持续发展 1.改善高分子材料对资源的依赖 当代合成高分子材料主要依赖石油这种化石资源。石油的生成是一个漫长的地质过程，石油资源正日益减少而又无法及时再生，因此，有必要寻找可以替代石油的其他资源来作为合成高分子材料的原料来源。解决的途径可以是天然高分子的利用，也可以探索无机高分子材料的合成。结合基因工程的方法，促使植物产生出更多的可直接利用的天然高分子，或可供合成高分子材料需要的原料单体。无机高分子泛指主链原子是除碳以外的其他原形成的长链分子。无机高分子的原料来源丰富且多样，已知约有四五十种无机元素可以

25、形成长链分子。如地球上储量最丰富的硅元素，可以合成得到主链全部是硅原子且具有有机侧链的聚硅烷材料。这种聚硅烷既可用作结构材料又可用作功能材料，还可以制得氮化硅结构陶瓷材料。 2.加强高分子材料与环境的协调 合成高分子材料的生产要尽可能实现绿色化学过程，高分子材料的应用要体现绿色材料的概念。研究高分子材料的环境同化，强化环境友好的特征，实现高分子材料的生物降解、无害焚烧或循环再生。增加高分子材料的循环和再生使用的价值和效率，减少对环境的污染乃至用高分子材料治理环境污染。探索化学合成、物理合成或仿生合成的新概念、新方法，利用植物或微生物比如生物催化剂或菌种，进行有实用价值的高分子的合成，在环境友好

26、的水或二氧化碳等化学介质中进行合成，甚至利用日光、二氧化碳和水合成高分子材料等等。研究高分子材料与生态环境的相互影响，实现高分子材料与生态环境的和谐等。 3.政府组织，应对国家需求 对于国家急需而又短缺的材料，例如碳纤维材料，在充分论证的基础上，要由政府组织采取国家行为进行一体化的研究、开发和产业化。为保证这类国家行为行之有效，一是可行性要有充分论证，二是要保护参与国家行为的人员的积极性。这类政府组织的工作，有许多在科学技术方面是硬骨头，个人决定是否参与的一个重要因素是考虑科学技术上的难度和可行性。在当今较注重个人绩效与个人利益挂钩的大环境下，保护参与者的积极性，显然是政 府组织的国家攻关工作

27、要考虑的问题。 4.企业为主，提高高新技术含量 实现由材料大国到材料强国的跨越，提高传统材料产业的技术含量至关重要。如我国通用聚烯烃材料的专用牌号的质量问题亟待改进，虽有各种形式的研究开发活动得到了若干改进技术，但 只有通过企业的工业化验证才能发挥作用，只有尽可能多的企业采用，这些技术才能形成生产力。这就需要企业集团进行组织协调和所有相关企业自觉参与。 5.开辟新型材料产业 新兴的信息产业和生物技术相关产业的发展，需要新型材料予以支 撑。先进高分子结构材料、光电高分子材料、高分子光通讯材料、生物高分子材料和高分子材料智能系统等新型材料的研发，需要不同领域的知识交叉，需要不同行业的技术交流，因而

28、是最可能由新人形成的崭新产业。不拘一格的用人、宽松平等的学术氛围、公平公正的产业政策等，是新型材料百花齐放的关键。当代材料领域的科技研究和产业开发具有以下特点:传统材料（钢铁、陶瓷和有机高分子）之间的界限变得越来越模糊而融合变得更明显，如无机高分子材料和有机/无机杂化材料的应用等;通用材料与功能材料之间的相互渗透越来越明显，更多的通用材料会同时具有某些功能特性，而功能材料也会显现通用性;材料中原子和分子组合配置的精确设计和精确制备，以及纳米尺度上其结构、性质的观察和测量变得更重要，如化学制备智能材料、生命 材料和单分子薄膜器件等;材料的传统研究方法与当代信息社会 提供的新技术的结合变得更为必要

29、，如计算材料科学等。这些特点表明一个材料发展的新时代已经到来。第四节 先进复合材料 基体 复合材料 增强材料 按基体不同可分为以下几种： 1、高聚物基（树脂基）复合材料 2、陶瓷基复合材料 3、金属基复合材料 1.玻璃钢 玻璃钢是人们熟悉的一种多用途的复合材料，它的学名叫玻璃纤维增强塑料，诞生于20世纪30年代。人们发现玻璃原来很脆，但拉成纤维后柔软如丝，可以像棉纱一样纺织。玻璃纤维愈细，强度愈高。玻璃网所用的增强纤维直径为59微米，只有头发的十几分之一，但单丝的拉伸强度高达100300公斤每平方毫米，比天然纤维和化学纤维高510倍，比高强度钢高12倍。 2.人造大理石和塑料混凝土 20世纪7

30、0年代以来，传统的建筑材料也发生了很大的变化。以合成树脂为粘接剂，加入各种填料的人造大理石和塑料混凝土异军突起，迅速打入高层建筑和豪华的宾馆中。人造大理石色泽鲜明，纹理清晰，在外观和性能上与天然大理石相似，而价格只有它的1/51/2，特别是一些异型制品，如浴盆和洗面池等，使用人造大理石的优点更为突出。人造大理石是在聚酯树脂中加入粉末填料，如碳酸钙、氧化铝、石英砂、玻璃粉和天然大理石粉等混合浇 注而成。为了追求色泽和花纹的美观典雅，还可以加入各种颜料，如二氧化钛、三氧化二铁等。 3.碳纤维复合材料 碳纤维是20世纪60年代发展起来的另一种新型增强纤维。 碳纤维的诞生是在百年之前，直到人们在寻求复

31、合材料的新增强纤维时才想到它。现代的碳纤维是以聚丙烯腈、人造丝或木质素为原丝，在高温分解和碳化后得到的，具有强度高、重量轻、比重小、刚性好、抵抗变形能力强等特点，是现代良好的复合材料。 碳碳复合材料是一种性能特殊的复合材料，它是由多孔碳素基体和埋在其中的碳纤维骨架组成的。在极高的温度下，仍有可以抵抗腐蚀性介质的作用，保持很高的强度。它的耐热、耐腐蚀性也十分优异，因而是一种高温结构和热防护的理想材料。在所有的复合材料中，它的工作温度居第一位。它用于制造先进飞机的刹车盘，以代替过去用的钢和烧结材料，可以减重60%左右，提高寿命23倍。首先采用碳碳刹车盘的为A310“空中公共汽车”旅客机，减重400

32、公斤以上。在火箭和航天飞机上，碳碳复合材料用于受热最高的再返大气层头锥、前缘、热屏蔽、激光屏蔽和火箭喷嘴等部位。 在修复医学上，碳碳人工骨和人工关节已被植入人体，其密度、强度和生物相容性都比金属件和陶瓷件优越。 在民用工业中，使用碳纤维最多的是汽车和运动器具。 二、金属基复合材料 与非金属基复合材料相比，金属基复合材料的潜力尚未充分发挥，应用面比较窄，成熟的品种很少。这种情况一直到20世纪70年代中期才略有好转。1974年美国材料咨询局第一次肯定了研制和使用金属基复合材料的正确性，表示对这项工作要重视和支持。这主要是航空、航天、能源工业的发展提出的一系列严格的要求，只有依赖金属基复合材料和精陶

33、瓷才能够解决。金属基复合材料所用的增强剂除了石墨、硼（硼硅克）纤维外，还有高强度钢线、高熔点合金丝（钨、钼）和晶须（氧化铝、碳化硅）等。这些纤维分别用来与铝、镁、钛、铜和镍钴基高温合金组成复合材料。 我国复合材料发展潜力很大，但须处理好以下热点问题。 1.复合材料创新 2.聚丙烯腈基纤维发展 3.玻璃纤维结构调整 4.开发能源、交通用复合材料市场 5.纤维复合材料基础设施应用 6.复合材料综合处理与再生 第五节 电子材料与光电子材料 一、电子材料 电子材料是指在电子技术和微电子技术中使用的材料，包括半导体材料、介电材料、压电及铁电材料、磁性材料、某些金属材料、高分子材料及其他相关材料，其中最重

34、要的是半导体材料。 在人类社会的发展中，没有一种材料像半导体那样会如此迅速地推动科学技术进步和经济社会发展。半导体是划时代的材料，它使社会发展从工业时代进入信息时代 第一代的半导体材料以硅（包括锗）材料为主 第二代化合物半导体材料以砷化镓（GaAs）为代表的显示 第三代半导体材料为以氮化物（包括SiC、ZnO等宽禁带半导体） 其中氮化镓是最早被利用的、并且是研究得最充分的第三代半导体。 二、光电子材料 光电子信息材料无疑是整个光电子技术的基础和先导。光电子信息材料包括光源和信息获取材料、信息传输材料、信息存储材料以及信息处理和运算材料等，其中主要是各类光电子半导体材料、各种光纤和薄膜材料、各种

35、液晶显示材料和电色材料、新型相变和光色存储材料、光子选通材料、光致折变材料、新型非线性光学晶体材料等。 1.激光材料 2.光存储材料 3.光电子控制元件材料 4.光电子集成化材料 5.光导纤维 第六节 其他新材料技术 一、纳米材料 所谓纳米科学，是人们研究纳米尺度 即100纳米至0.1纳米范围的物质所具有的特异现象和特异功能的科学，而纳米技术则是指在此基础之上制造新材料，研究新工艺的方法和手段。纳米材料纳米材料 纳米材料是指在三维空间中至少有一纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围维处于纳米尺度范围(10(10-9-91010-7-7m)m)或由或由它们作为基本单元构成的材料。它们

36、作为基本单元构成的材料。 纳米结构纳米结构 所谓纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或营造一种新的体系.纳米微粒纳米微粒稳定的团簇稳定的团簇人造原子人造原子纳米管纳米管纳米棒纳米棒纳米丝纳米丝纳米尺寸的孔洞纳米尺寸的孔洞() 零维指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等；纳米材料纳米材料SnO2 () ) 一维一维指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒纳米棒、纳米管等纳米管等；() () 二维二维指在三维空间中有一维在纳米尺度，如超指在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜薄膜、多层膜多层膜；超晶格等。超晶格等。 Si-S

37、i3N4 Film 纳米材料的奇异性能纳米材料的奇异性能 纳米材料的特殊性能是由于纳米材料纳米材料的特殊性能是由于纳米材料的特殊结构，会产生小尺寸效应、表面的特殊结构，会产生小尺寸效应、表面效应等其它效应，从而具有传统材料所效应等其它效应，从而具有传统材料所不具备的物理、化学性能。由于纳米材不具备的物理、化学性能。由于纳米材料在磁、热、光、电、催化、生物等方料在磁、热、光、电、催化、生物等方面具有奇异的特性，使其在诸多领域有面具有奇异的特性，使其在诸多领域有着非常广泛的应用前景，并已经成为当着非常广泛的应用前景，并已经成为当今世界科技前沿的热点之一今世界科技前沿的热点之一。纳米材料特殊效应原理

38、 表面效应 ：随着颗粒直径变小，比表面积（表面积体积）将会显著增大，表面原子所占的百分数将会显著地增加 。表面原子极易迁移，使颗粒物理性能发生极大变化。 小尺寸效应 ：随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。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。纳米材料的奇异特性纳米材料的奇异特性 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。例如金的常规熔点为10640C ，2纳米尺寸时的熔点仅为327oC左右 。纳米材料的奇异特性纳米材料的奇异特性 特殊的光学性质 ：超微颗粒对光的反射率很低，

39、通常可低于l，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。 纳米材料的奇异特性纳米材料的奇异特性 特殊的磁学性质 ：人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在超微的磁性颗粒，使这类生物在地磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领 。超微颗粒磁性与大块材料显著不同，大块的纯铁矫顽力约为 80安米，而当颗粒尺寸减小到2微米以下时，其矫顽力可增加1千倍。据此已作成高贮存密度的磁记录磁粉 。纳米材料的奇异特性纳米材料的奇异特性 特殊的力学性质 ：陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗

40、粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。因为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 。 奇异性能实例奇异性能实例纳米材料家族的重要成员纳米材料家族的重要成员- -碳碳 碳纳米管多种优异性能碳纳米管多种优异性能 碳纳米管是由碳原碳纳米管是由碳原子按一定规则排列形成子按一定规则排列形成的空心笼状管式结构，的空心笼状管式结构，其直径不超过几十纳米其直径不超过几十纳米（一纳米为十亿分之一（一纳米为十亿分之一米）。导电性强、场发米）。导电性强、场发射性能优良、强度是钢射性能优良、强度是钢的的100100倍、韧度高等，是倍、韧

41、度高等，是一种用途广泛的新材料。一种用途广泛的新材料。碳纳米管制造人造卫星的拖绳碳纳米管制造人造卫星的拖绳 在航天事业中，在航天事业中，利用碳纳米管制利用碳纳米管制造人造卫星的拖造人造卫星的拖绳，不仅可以为绳，不仅可以为卫星供电，还可卫星供电，还可以耐受很高的温以耐受很高的温度而不会烧毁。度而不会烧毁。 用碳纳米管制成像纸一样薄的弹簧用碳纳米管制成像纸一样薄的弹簧 莫斯科大学的研究人员为了弄清纳米管莫斯科大学的研究人员为了弄清纳米管的受压强度，将少量纳米管置于的受压强度，将少量纳米管置于2929KpaKpa的水的水压下（相当于水下压下（相当于水下1800018000千米深的压力）做千米深的压力

42、）做实验。不料未加到预定压力的实验。不料未加到预定压力的1/31/3，纳米管，纳米管就被压扁了。他们马上卸去压力，它却像就被压扁了。他们马上卸去压力，它却像弹簧一样立即恢复了原来形状。应用：科弹簧一样立即恢复了原来形状。应用：科学家得到启发，发明了用碳纳米管制成像学家得到启发，发明了用碳纳米管制成像纸一样薄的弹簧，用作汽车或火车的减震纸一样薄的弹簧，用作汽车或火车的减震装置，可大大减轻车辆的重量。装置，可大大减轻车辆的重量。纳米为医学带来什么纳米为医学带来什么 科学家们已经设想，用基因芯片、蛋白质芯片组装成“纳米机器人”，通过血管送入人体去侦察疾病；携带DNA去更换或修复有缺陷的基因片段。这当

43、然还比较遥远 ，但纳米技术在医学中的应用已经起步。 美国已发明了携带纳米药物的芯片放入人体，在外部加以导向，使药物集中到患处，提高药物疗效。 最近德国柏林医疗中心将铁氧体纳米粒子用葡萄糖分子包裹，在水中溶解后注入肿瘤部位，使癌细胞部位完全被磁场封闭，通电加热时温度达到47，慢慢杀死癌细胞，而周围的正常组织丝毫不受影响，以改变目前化疗、放疗中“好人坏人统统杀光”的状况。 现在已能制备出包含几百、现在已能制备出包含几百、几千个原子的颗粒，长度只有几千个原子的颗粒，长度只有几十个纳米，表面活性很大，几十个纳米，表面活性很大，可以在血管中自由移动，就像可以在血管中自由移动，就像一个巡航导弹，能自动寻找

44、沉一个巡航导弹，能自动寻找沉积于静脉血管壁上的胆固醇，积于静脉血管壁上的胆固醇，然后一一分解，也可以清除心然后一一分解，也可以清除心脏动脉脂肪沉积物，疏通脑血脏动脉脂肪沉积物，疏通脑血管中的血栓，因此纳米技术在管中的血栓，因此纳米技术在治疗心血管疾病上十分看好。治疗心血管疾病上十分看好。 纳米机器人在清除血管中的有还沉淀物 医学界更看好的是纳米药物。例如将不易被人体吸收的药物（如雌二醇）或食品做成纳米粉或悬浮液，就变得容易吸收，提高了药物的生物利用度，把纳米药物做成膏药贴在患处，可通过皮肤直接吸收而无须注射。二 超导材料 1911年荷兰科学家昂内斯发现：在液氮温度条件下汞的电阻完全消失即电阻为

45、零，处于环路中流通的电流持续试验一年以上不见衰减而继续流动。 材料的电阻等于零的现象称为超导现象，这样的材料称为超导材料。 已发现常温下有28种元素、近5000种合金和化合物具有超导电性。超导电性的基本特征：1、完全导电性 完全导电性是超导电性的基本特征。用次感应方法在一个闭合的超导环中产生电流，它便可以长时间持续下去。2、完全抗磁性。科学家研究发现，不仅是外加磁场不能进入超导体的内部，而且原来处在外磁场中的正常态样品，当温度下降使它变成超导体时，也会把原来在体内的磁场完全排除出去。这种特性称完全抗磁性，也称迈斯纳效应。超导材料的应用1、超导磁体超导体在超导状态下具有零电阻和完全抗磁性，只要消

46、耗极小的电力，就可以获得10万高斯以上的稳态强磁场。医疗诊断上的超导核磁共振成像装置，高能环形加速器。2、磁悬浮列车 超导体随列车行进，超导磁体产生的磁场被地面线圈切割，在地面线圈中就会产生强大的感应电流，同时也产生很强的磁场。这个新产生的磁场和超导体的磁场形成排斥力，就造成磁悬浮，从而把行进的列车“托”起来。超导磁悬浮列车超导磁悬浮列车三、功能材料 功能材料是指在电、光、热、催化、分离、生物和医学等方面具有特殊性能的材料、如日光灯管内壁涂的发光材料、照像胶卷上的感光材料、扩音器话筒和电唱机唱头里的压电晶体材料等，均属于功能材料。 1.记忆功能材料 电子计算机的存贮器是一个很大的“记忆仓库”，

47、是存贮数据和指令的地方。它好比我们使用的笔和纸。用氧化铁磁性材料制成的磁芯成了电子计算机的关键材料。 2.光电功能材料 19世纪末，人们发现铯、铷、钾、钠等金属内部的电子很不稳定，受到光线照射后，一部分电子会被释放出来，所释放的电子数量与光的强弱成正比，这种现象叫做光电效应。如果用一块具有光电效应的金属板和另一导电的金属板组成光电管，并分别加上正负电压。那么，一旦光线照在负极板上，电路中就立即会有电流通过，而电流的大小与光照的强弱成正比。由于光电管能够把光和电联系起来，使光信号变成电信号，因此，光电管又称“光电眼”。而铯、铷等金属正是制造光电管最重要的材料。光电管现已广泛用于电视、电影、无线电

48、传真等方面，正为人类造福。 3.气敏功能材料 气体检漏仪是发现危险气体和检查危险气体浓度的仪器。这个仪器中装有一种金属氧化物材料，叫气敏半导体。由二氧化锡、氯化钯等材料混合烧结制成，它的表面吸附着氧分子。当仪器靠 近易燃、易爆气体时，这些气体很容易和氧结合，夺走气敏半导体表面的氧，警报器便发出信号。气体消散后，即可再次使用。因此，气体检漏仪又称为“电鼻”。 4.压电晶体功能材料 声纳的探测和接收元件，是用一种所谓压电陶瓷制成的。这是一种具有压电特性的陶瓷材料。压电效应是1880年由法国科学家皮埃尔居里兄弟发现的。他们在研究石英、电石、酒石酸钾钠等晶体的过程中，发现这些晶体在一定温度下受压时会有信号产生;在通电时，又会发生形变。后来，人们便利用这种奇特的压电效应，将机械能转变成电能，或把电能转变成为机械能。如果把电子振荡器产生的几万周的振荡电流加到压电晶体上，使薄片周围的水也随着发生波动，这就是超声波。装有声纳的潜水艇就是凭借压电晶体所发出的超声波以及接收的回波，来发现敌舰、水雷、