第六章化学与工程材料

1、第六章 化学与工程材料工程材料：在工程技术中使用的材料叫工程材料 不锈钢 氧化锆 聚甲醛主要内容6.1 材料性能的内在依据6.2 工程材料与元素周期表6.3 材料的化学制备6.4 几种重要材料简介6.5 复合材料6.6 材料的设计6.1 材料性能的内在依据学习要求：1. 了解工程材料的重要性及其发展2. 熟悉“材料的性能取决于它的化学组成和结构以及加工工艺”这一基本原理3. 能分别从材料的化学组成、化学键型、晶体结构和结构缺陷等方面进行分析6.1.1 材料的重要性材料是推动社会前进的物质基础，是人类赖以生存和发展、征服自然的基本条件。按材料的发展情况看，大致分为五代天然材料石器、骨器、兽皮等烧

2、炼材料砖瓦、陶瓷、玻璃等青铜、铁器等合成材料合成塑料、合成橡胶、合成纤维等新型无机非金属材料可设计材料特殊性能材料智能材料感知、自我调节和反馈，敏感和驱动双重功能 材料的组成和性能：组成不同可以得到物理、化学性质迥异的物质6.1.2 材料的组成、结构和性能H2OxH2O:十分稳定，呈中性，良好的溶剂H2O2:极易分解，呈弱酸性，可以作为氧化剂或者还原剂铁碳合金C0.03%为熟铁，质软，不能作为结构材料0.03%C2.0%为铸铁（生铁），硬而脆但耐压耐磨在碳钢里面加入一种或多种合金元素，得到高硬度、高强度、高韧性、高耐蚀性、高耐热性和高耐磨性等（合金化）硅杂质会影响硅的性能；掺入少量杂质提高半导

3、体性能，并得到不同的半导体类型和特性 化学键类型和材料性能：按化学键类型区分三大工程材料6.1.2 材料的组成、结构和性能材料分类键合类型性能金属材料金属键金属光泽；良好的导热性和导电性；高强度和硬度；良好的韧性和机械加工性能；易受化学和电化学腐蚀；高温强度差（高温下金属中正离子间距变大，金属键减弱，金属材料的机械强度显著下降，氧化腐蚀趋势变大）无机非金属材料离子键或共价键硬度大；强度高；耐热性好；抗高温氧化锌能和耐酸碱侵蚀能力强；是热和电良好的绝缘体；脆性大，难以作为工程材料（细化晶粒，减少气孔率。利用相变增韧和设置消耗能量的附加材料相）；成型加工困难，需要若干特殊的烧结工艺有机高分子化合物

4、共价键密度小；弹性好；比强度高；塑性和韧性好；减摩、耐磨性强，有自润滑性；化学稳定性高，耐水、酸和碱的腐蚀；绝缘性好；耐热性差，有的易燃，安全性差；在溶剂、空气、热和光线作用下，高聚物易产生老化现象 晶体结构与材料性能：晶格类型相同的物质往往具有相似或相近的性质 金刚石和石墨是碳的两种同素异形体6.1.2 材料的组成、结构和性能 结构缺陷与材料性能： 点缺陷：晶格结点上的粒子和粒子的间隙处产生的偏离理想晶体的缺陷 线缺陷：晶体中某一列或若干列原子发生的规律性搓牌现象，通常称为位错。位错对很多固态反应都有不同程度的加速作用晶界：多晶体中不同晶粒间的交界面称为晶面。晶界处原子能量高，杂质原子集中或

5、者偏析，粒子扩散快，熔点低，容易俘获电子形成势垒6.1.2 材料的组成、结构和性能6.2 工程材料与元素周期表学习要求：1. 通过半导体和超导体的实例，熟悉元素周期表对寻找、研究工程材料的指导作用2. 从组成和结构上了解半导体的机理6.2.1 周期表中元素的分类 半导体材料：半导体是室温电阻率介于导体和绝缘体之间的材料。 半导体材料的导电机理：6.2.2 工程材料与元素周期表外界提供足够能量价电子跃迁形成自由电子和空穴自由电子向空穴跃迁产生新的空穴空穴在原子间转移外加电场中自由电子和空穴逆向运动形成电流电子或空穴被称为“载流子”，以电子导电为主的半导体叫n型半导体，以空穴导电为主的半导体叫p型

6、半导体6.2.2 工程材料与元素周期表半导体材料的分类超导材料：具有在一定的低温条件下呈现出零电阻以及排斥磁力线的性质的材料临界条件：临界温度Tc，临界磁场强度Hc和临界电流密度Jc。临界值越高，超导材料实用价值越大。获得工业应用的超导材料：Ni-Ti类、Nb-Zr类超导合金和V3Ga、Nb3Sn、V2（HfZr）、V2（HfNb）类化合物超导材料6.2.2 工程材料与元素周期表 超导材料的应用6.2.2 工程材料与元素周期表 学习要求： 了解制备金属、现代陶瓷和有机高聚物的一般方法6.3 材料的化学制备 从矿石中制取金属单质的过程称为冶金，实质是用还原的方法，使金属化合物中的金属阳离子得到电

7、子变成金属原子（单质）6.3.1 金属的冶炼即：即：Mn+ + ne-M赤铁矿赤铁矿 ( Fe2O3 )磁铁矿磁铁矿 ( Fe3O4 )转变铁块铁块铁铁钉钉 冶金过程分为三个步骤预处理 除杂和富集冶炼 在一定条件下将金属离子还原成金属单质，分为湿法冶金和火法冶金精炼 出去冶炼产品中的杂质，常用的有氧化杂质法、热分解法、区域精炼法和电解精炼法6.3.1 金属的冶炼 金属的冶炼方法 （1）电解法： 通过电解熔融盐或氧化物及金属盐水溶液来制备金属单质 电解法适用于制备活泼金属6.3.1 金属的冶炼2NaCl电解电解2Na + Cl2 电解电解MgCl2Mg + Cl2 电解电解4Al + 3O2 2

8、Al2O3（1）热还原法：在一定条件下用还原剂还原金属氧化物而得到金属单质适用于金属活动性顺序表中的中间的多数金属。它是金属冶炼最常用的方法。常用的还原剂有：焦炭 、CO 、氢气 、 活泼金属等。6.3.1 金属的冶炼3CO + Fe2O3高温高温2Fe + 3CO22Al + Fe2O3高温高温2Fe + Al2O33H2 + WO3高温高温W + 3H2O（3）热分解法：加热金属氧化物，使其分解得到金属单质适用于很不活泼的金属（金属活动性顺序表中氢后面的金属）6.3.1 金属的冶炼2HgO2 Hg + O2 2Ag2O4 Ag + O2 不同金属冶炼方法的选择依据 金属活动性顺序表K Ca

9、 Na Mg Al Zn Fe Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au电解法电解法热还原法热还原法热分解法热分解法 物理方法物理方法6.3.1 金属的冶炼 无机材料存在的形态又很多，如单晶体、多晶体和非晶体等，对应了相应的制备方法。 1. 烧结法：制备多晶材料 2. 熔融法制取非晶体（玻璃体）6.3.2 无机非金属材料的制备粉体成型高温烧结加热熔融除气泡、杂质快速冷却3. 制备单晶6.3.2 无机非金属材料的制备高聚物指由许多相同的、简单的结构单元通过共价键重复连接而成的高分子量(通常可达104106)化合物由低分子单体合成有机高聚物称为聚合反应，分为加成聚合反应（加聚反应）和缩合聚

10、合反应（缩聚反应）两种6.3.3 有机高聚物的合成有机高分子天然高分子：淀粉、纤维素、蛋白质等合成高分子：合成纤维、塑料、合成橡胶等1.由若干单体经加成反应而聚合生成高聚物的过程，叫加聚反应，单体中都含有不饱和键。 6.3.3 有机高聚物的合成不同种类聚合物单体连接方式2. 缩聚反应：具有两个或两个以上官能团的单体，相互反应生成高分子化合物，同时产生有简单分子（如 H2O、HX、醇等）的化学反应。以合成尼龙66为例 6.3.3 有机高聚物的合成nH2N(CH2)6NH2+nHOOC(CH2)4COOHHO-OC(CH2)4COHN(CH2)6NHn-H+(n-1)H2O许多重要的天然高聚物，如

11、蛋白质、淀粉、纤维素等都是经缩聚反应而形成的缩聚物学习要求：1、了解合金概念类型和“合金化原理”的一般应用，熟悉结构性和功能性材料的区别2、了解各类重要的金属、陶瓷、有机高聚物的性能和应用。6.4 几类重要材料简介1.耐热合金：能在高于700的高温下工作的金属通称耐热合金，“耐热”是指金属在高温下能保持足够的强度、韧性和良好的抗氧化性温度/ 70010001100铁基、镍基和钴基高温合金镍基高温合金钨、钼、铌、钽等难熔金属提高铁基合金高温性能的方法6.4.1 特种合金2.钛合金6.4.1 特种合金钛及钛合金比强度高高的热强性耐低温易钝化生物相容性关节、骨骼耐蚀材料、海洋工程低温容器、贮气罐、高

12、压瓶耐热材料航空航天但目前钛因冶炼困难，价格昂贵，限制了它的普遍使用3. 磁性合金材料在磁场中，可表现出三种情况：6.4.1 特种合金材料种类在磁场中的反应原理反磁性材料不被磁场吸引原子中电子均成对，电子自选磁矩相互抵消顺磁性材料微弱地被磁场吸引原子中有未成对电子，原子磁矩不为零铁磁性材料（永磁材料）被磁场强烈地吸引且外磁场移走后仍能保留磁性未成对电子和磁畴铁磁性：铁磁性来源是未成对电子，但在铁磁性材料内部存在“磁畴”，“磁畴”内相邻原子磁矩取向一致6.4.1 特种合金 未磁化 磁化金属中组成永磁材料的主要元素是Fe、Co、Ni和稀土金属，比较有代表性的是稀土钴系、FeCrCo系和MnAlC系

13、永磁材料贮氢合金：某些金属或合金具有吸收氢气的能力，在适当的温度和压力下，可与氢气反应生成金属氢化物，吸收并储存氢气；而在另一温度和压力下，金属氢化物又会分解并释放氢气6.4.1 特种合金M + x/2H2Abs.Des.MHx + H 贮氢合金的性能要求：（1）活性大，吸附氢量大并易于获得，价格低廉（2）用来吸附氢气时，标准生成焓要小；用来储热时，标准生成焓要大（3）吸氢析氢速率要大，氢的平衡压差要小（4）使用过程中，材料破碎和粉化率低，力学性能无明显变化贮氢合金按合金系统分类6.4.1 特种合金贮氢合金稀土贮氢合金镁系贮氢合金钛系贮氢合金钙系贮氢合金锆系贮氢合金贮氢合金的应用： a. 储运

14、氢气的容器 b. 氢制冷取暖设备 c. 氢的分离精制超塑性合金：金属在适当的温度下变得像软糖一样柔软，而且其应变速度为每秒10毫米时产生300%以上的延伸率，称为超塑性现象，相应的合金称超塑性合金。超塑性合金的应用（1）利用高的形变能力来实现通常压力加工方法难于完成或用多道工序才能完成的加工任务（2）利用低压力下易于固相结合的特性，制造轧合多层材料、包覆材料和各种复合材料（3）利用减振特性，可将超塑性合金直接制成各种零件以适应不同温度下的减振需要6.4.1 特种合金6.4.2 非晶态材料固体晶态材料粒子排列长程有序结构具有周期性和对称性产生X射线衍射宏观上有棱有角（晶体的自限性）非晶态材料粒子

15、排列长程无序、短程有序结构不具备周期性和对称性不产生X射线衍射宏观上比较圆滑1.非晶态金属：在特殊冷却条件下凝固时，熔液态金属没有发生结晶而形成的具有短程有序而长程无序结构的固体。由于结构类似于玻璃，也称金属玻璃。6.4.2 非晶态材料 性质来源高强度、高硬度和高韧性兼具1非晶态合金中原子间有很强的化学键，使得合金强度大2非晶态合金中原子间不规则排列使其有良好的韧性优良的耐蚀性1均匀的纤维组织，不存在位错、晶界等缺陷2自身具有高活性，在表面迅速生成均匀、牢固的钝化膜良好的磁学性能非晶态合金中没有晶粒，不存在磁晶的各向异性，磁特性极软，高磁导、低损耗独特的催化特性非晶态合金表面原子混乱的排列有利

16、于反应物的吸附和进行反应非晶态金属的分类：单独金属元素难以形成非晶态 金属+金属型非晶态合金，Cu60Zn40、La76Au24、U70Cr30 金属+某些非金属型非晶态合金，Fe80B20、Fe40Ni40P14O6、Fe5Co70Si15B106.4.2 非晶态材料软磁材料如非晶铁芯非晶合金传感器非晶催化剂结构材料2.非晶硅6.4.2 非晶态材料非晶硅中原子的分布基本上是正四面体的形式，但是却发生了变形，即产生出了许多缺陷出现大量的悬挂键和空洞等非晶硅中的悬空键可以被氢所填充，经氢化之后，非晶硅的悬空键密度会显著减小。少量的掺杂就能改变非晶硅的能级和导电性能。非晶硅在太阳能电池上的应用单晶

17、硅的光电转换效率非晶硅高，但单晶硅的加工费用高，难以工业化。非晶硅虽然转换效率不高，但相比单晶硅有很多优点 非晶态硅可大面积成卷生产，成本是晶态硅的一半 生产能耗少，价格低 耐热性、化学稳定性好 尺寸稳定，可靠性好6.4.2 非晶态材料精细陶瓷：又称现代陶瓷，按功能又可以分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类6.4.3 精细陶瓷材料精细陶瓷结构陶瓷功能陶瓷高硬度、高强度、耐磨耐蚀、润滑性好，用作机械结构零部件的陶瓷材料具有声、光、热、电、磁特性的化学、生物功能的陶瓷材料1.结构陶瓷6.4.3 精细陶瓷材料陶瓷种类性质用途氧化铝硬度大、耐高温、抗氧化、耐急冷急热、化学稳定性好、绝缘性好机械部件、工具和刀具

18、氧化锆高温热稳定性、隔热性最好、热膨胀系数与金属材料相近，通过控制晶型转变（其他氧化物的加入量）可以得到完全和部分稳定的氧化锆耐火材料、隔热材料、电子材料及结构陶瓷氮化硅原子晶体、机械高、导热性好、热稳定性高、热膨胀系数小、耐磨、耐骤冷骤热、抗高温腐蚀陶瓷发动机、宇航工程、陶瓷轴承和超精密车床、刀具碳化硅原子晶体、熔点高、硬度大、高温强度最好火箭喷嘴、热电偶保护管、涡轮叶片和耐磨耐蚀零件2.功能陶瓷材料6.4.3 精细陶瓷材料功能陶瓷材料单一功能材料能量转换材料交互感应材料传感敏感材料功能陶瓷材料种类繁多，着重介绍几种（1）光导纤维 光通信原理：6.4.3 精细陶瓷材料送话器发光元件光导纤维受

19、光元件受话器声音电信号光信号光信号电信号声音光通信的优势：1.光导纤维质轻而软、弯曲自如、传光效率高、抗机械振动性强、耐蚀性强；2.光通信容量比微波通信打100010000倍，能量损耗小、抗干扰力强、保密性好；3.用光导纤维代替电缆可以节省有色金属，经济效益十分可观光导纤维的用途：国防建设、交通、精密仪器制造、宇航、医学、传感器和各种通讯事业（2）固体电解质离子晶体通常属于绝缘体、因为其中无可自由移动的离子或电子；若其中存在非密堆积或一定量的空位、间隙离子等缺陷，则可借助缺陷实现某些离子的扩散，在外电场下便可以实现离子迁移而导电固体电解质一维：单向隧道结构二维：层状结构 -Al2O3三维：骨架

20、结构 Li3N、Na1+xZr2P3-xSixO14广泛应用于新型固体电池、高温氧化物燃料电池、电致变色器件和离子传导型传感器件6.4.3 精细陶瓷材料（3）磁性陶瓷：主要指铁氧体，是将铁的氧化物与其他某些金属氧化物用烧结法制得的复合氧化物磁性材料6.4.3 精细陶瓷材料磁性陶瓷尖晶石型 MFe2O4石榴石型 M2Fe2O6钙钛矿型 MFeO3尖晶石型 MFe12O19铁氧体的磁导率与磁化率比金属磁性材料大，且电阻比金属磁性材料打1011个数量级，涡流损失小、介质损耗低。磁性陶瓷按照磁性分类1.软磁铁氧体性质：易于磁化和去磁、磁导率高、剩磁和矫顽力小应用：高频磁芯、录像机和电子计算机的磁头铁心

21、、饱和电抗器、磁放大器等2.硬磁铁氧体性质：高矫顽力、高剩余磁感强度应用：声电器件（扬声器、助听器、录音磁头）；电器仪表（电磁式仪表、磁通计、示波器）；控制器件（极化继电器、电压调整器、温度和压力控制、限制开关）6.4.3 精细陶瓷材料6.4.3 精细陶瓷材料磁性陶瓷按照磁性分类3.旋磁铁氧体性质：在高频磁场作用下,平面偏振的电磁波在铁氧体中一定的方向传播时,偏振面会不断绕传播方向旋转应用：环行器、隔离器等不可逆器件、磁共振型隔离器、衰减器、移相器、调谐器等4.磁致伸缩铁氧体性质：被磁化时会产生极小的变形应用：超声波换能器和接收器、滤波器、稳压器等5.矩磁铁氧体性质：磁滞回线呈矩形、剩磁和最大

22、磁感应强度尽可能接近应用：磁放大器、脉冲变压器等非线性器件和磁记忆元件（4）传感材料传感材料：可以代替人的感觉视觉、听觉、嗅觉、触觉、味觉的器件材料传感器：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置6.4.3 精细陶瓷材料 湿气 温度光线气体探测器电子线路记录仪计算机控 制显示器传感材料电信号传感器工作原理1.温度传感材料：这类陶瓷材料的电阻或介电、半导等电性随温度而变化，其中电阻随温度变化显著，称为热敏电阻。按照其温度特性分为三类 a. 负温度系数热敏电阻（NTC） b. 正温度系数热敏电阻（PTC） c. 临界温度电阻（CTR） 热敏电阻可以用于温度测量、控制等热敏元件，

23、可以测到2000，测量温区大，准确度高，较为灵敏，操作简便。6.4.3 精细陶瓷材料abc2.气体传感材料：某些半导体陶瓷材料表面吸附气体分子后，其电导率将随材料的类型和气体分子的种类而变化，利用这一现象，可以得到对不同气体敏感的气体传感器。6.4.3 精细陶瓷材料n型半导体吸附H2，CxHy等还原性气体电导率增加吸附O2等氧化性气体电导率降低P型半导体正好相反气体传感器可用作气体检测、气体泄漏报警装置元件；也用于控制锅炉燃烧、大气污染检测、汽车尾气检测等。3.湿度传感器：作为湿度传感器的陶瓷，具有特定的孔隙度，表面积很大，吸附力强，可以吸附、吸收或凝结水蒸气而引起电阻变化 Fe3O4、Al2

24、O3、Cr2O3等氧化物与其他氧化物的二元或多元材料，可测30%95%的相对湿度 MgCr2O4+TiO2混合物，可从高湿度测到小于1%的低湿度，灵敏度高，在相对湿度低于10%以下，响应时间为1s 湿度传感器在工农业生产、仪器制造、医疗、汽车和家电制造等部门中，有着广泛的应用。6.4.3 精细陶瓷材料4.压力和振动传感材料：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷6.4.3 精细陶瓷材料压力传感材料主要是钛酸钡、钛酸铅和锆酸铅固溶体和铌酸盐应用： 振动传感器（人工耳），用以探测超声、次声或极微弱的声音；雷达、宇航、导弹、超

25、声技术、精密测量等1.合成树脂与塑料：塑料是在一定温度和压力下可以塑制成型的有机高聚物材料的通称。 由单体经加聚反应所得的有机高聚物通称合成树脂，是塑料的主要成分，起黏结作用。6.4.4 重要有机高聚物塑料通用塑料工程塑料综合性能（机械性能、电性能、耐高温耐低温等）好，可代替金属用作工程材料如聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯等应用广、产量大而价格低廉的塑料如聚乙烯、聚丙烯等名称性质用途聚甲醛耐磨、自润滑、耐过氧化物、不耐酸碱轴承、齿轮、叶片和管道聚酰胺强度高、耐磨、耐腐蚀、自润滑轴承、齿轮、轮胎帘子布、降落伞、潜水服、船缆和滤布聚碳酸酯高韧性和抗冲击性、尺寸稳定、透明度高机械、汽车、仪器仪表、无线电、

26、电器工业聚四氟乙 烯耐化学腐蚀、耐热耐寒、自润滑、不粘附耐蚀部件、自润滑部件、绝缘器件、医疗器械ABS树脂耐热耐蚀、表面硬度高、尺寸稳定、电性能好、易加工成型机械工业、电气、飞机、汽车、造船、化工和纺织工业6.4.4 重要有机高聚物几种重要工程塑料简介2.黏结剂：能将两种固体材料连接起来，具有较好黏结性能的物质叫做黏结剂。6.4.4 重要有机高聚物黏结剂无机有机天然 淀粉、虫胶、松香合成 主要是合成树脂黏结剂的性质： a. 黏度适中，容易流动 b. 能充分润湿被黏物表面，填补其凹凸不平处 c. 将被黏物黏结起来，具有较强的附着力和内聚力 分子链中含有极性基团，如羟基、羧基、酰胺基、氨基和环氧基

27、等的高聚物，都有很好的黏结能力。如环氧树脂，对金属、玻璃、陶瓷和木材等都有牢固的粘结力，被称为万能胶6.4.4 重要有机高聚物具体应用时，黏结剂有三种类型：a. 使用单体或预聚状态的黏结剂，粘合后在加热或催化剂作用下何成体型高聚物，称为反应固化型反应固化型。如环氧、呋喃、异氰酸树脂等b.将高聚物分散成溶液或乳液，溶剂是高分子链松弛，易在被黏物表面铺开而充分润湿、密切接触，称为溶液溶液-乳乳液型。液型。如橡胶类黏结剂、聚丙烯酸类黏结剂和聚乙酸乙烯酯类黏结剂等c.将高聚物加热熔化、减小其黏度，有助于黏结剂分子铺展并吸附于被黏物表面上。这类受热熔化，冷却固话而具有一定黏结强度的黏结剂，称为热熔胶热熔

28、胶6.4.4 重要有机高聚物3.功能高分子材料功能高分子材料是具有特殊力学、热学、光学、电磁、化学和生物功能的新型高聚物。6.4.4 重要有机高聚物功能高分子材料离子交换树脂高分子分离膜感光性树脂导电高聚物光导纤维（1）离子交换树脂：在具有立体交联结构的高分子基体上，接有能进行离子交换官能团的物质的总称。它在电解质溶液中能与带相同电荷的离子进行交换反应。a.阳离子交换树脂，这类树脂中具有活性的酸性官能团（SO3H、COOH等），H+是交换离子b. 阴离子交换树脂，这类树脂含有活性的碱性基团（NH2、NHR、NR2和N+R3OH-等），能交换阴离子6.4.4 重要有机高聚物以NaCl溶液的离子交

29、换过程为例 当阳离子交换树脂与NaCl溶液相遇时，交换反应如下 RSO3H+NaCl RSO3Na+HCl 该反应可逆，交换后用盐酸淋洗，又可再生 当阴离子交换树脂与NaCl溶液相遇时，交换反应如下RN（CH2）3OH+NaCl RN（CH2）3Cl+NaOH 该反应可逆，交换后用氢氧化钠淋洗，又可再生 被交换出来的H+和OH-再经过阴和阳离子交换树脂便可生成纯度很高的水。 离子交换树脂广泛用于水处理，铀和贵金属提取，稀土元素分离，医药、食品工业中化合物的分离和提纯等。6.4.4 重要有机高聚物（2）高分子分离膜：具有选择透过性而实现某些特定物质分离的高聚物薄膜材料。6.4.4 重要有机高聚物

30、高分子分离膜离子交换膜 海水淡化、工业废水处理、电解食盐制碱反渗透膜 海水淡化气体分离膜 分离气体（3）感光性树脂：在短时间光照下即能发生聚合、交联或解聚等反应，从而引起物理和化学性质变化的树脂，又称光致抗蚀剂。6.4.4 重要有机高聚物 按光作用和成像性质的不同，有负性和正性感光性树脂 负性感光树脂：受光部分发生聚合、交联反应而固化 正性感光树脂：光照部分发生光分解反应（a）负性（b）正性光刻工艺流程图（4）导电高聚物：具有共扼-键的高分子经化学或电化学“掺杂”使其由绝缘体转变为导体的一类高分子材料1.高聚物导电材料：选用性能合适的合成树脂，以橡胶作为黏结剂，加入导电性良好的金属超微粒子、金

31、属氧化物和炭黑等混配成的复合材料。树脂起支持体和成型作用，起导电作用的是金属粒子等，因此称为掺杂型导电高聚物。2.导电高聚物：从具有电绝缘性的高聚物中开发出导电性，称为本征型导电高聚物。以聚乙炔为例：聚乙炔强度高、耐磨性好，而且还有导电性，有“合成金属”之称；如在合成过程中加入某些粒子，则其导电性剧增。6.4.4 重要有机高聚物（5）光导纤维：利用透明高聚物的光传播特性开发出的非线性光学元件。拉伸时，不产生双折射和偏光的材料，才适合制造光导纤维 经高度纯化的有机玻璃制造的光导纤维的传输损耗已接近石英光导纤维。 优点：质轻而柔软，抗曲挠、抗冲击性强；易加工；价格低。6.4.4 重要有机高聚物纳米

32、材料：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(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料6.4.5 纳米材料纳米材料四大效应表面效应：纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化小尺寸效应：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量子尺寸效应：吸收光谱阙值向短波方向移动(蓝移)宏观量子隧道效应：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纳米材料的特殊性质： 具有很高的活性具有很高的活性 特殊特殊的光学性质的光学性质 特殊特殊的热学性质的热学性质 特殊特殊的磁学性质的磁学性质 特殊特殊的力学性质的力学性质 特殊特殊的电学

33、性质的电学性质 6.4.5 纳米材料纳米材料的高活性： 随着纳米微粒粒径减小，比表面积增大，表面原子数增多及表面原子配位不饱和性导致大量的悬键和不饱和键等，这就使纳米微粒具有高的表面活性 并且粒径越小，表面原子数所占比率越大，比表面积越大，表面光滑程度变差，形成凹凸不平的原子台阶，增加了化学反应的接触面，使其具有优良的催化性能。6.4.5 纳米材料纳米材料特殊的光学性质：1、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。 2、纳米微粒分散物系的光学性质和发光效应，纳米分散物系具有特殊的光学特性，当纳米微粒的尺寸小

34、到一定值时，可在一定波长的光激发下发光 。 6.4.5 纳米材料纳米材料特殊的热学性质： 固体物质在其形态为粗晶粒尺寸时（大尺寸时），其熔点是固定的，超细微化后，其熔点显著降低，当颗粒小于10nm时尤为显著。 例如，金的常规熔点为1064，当颗粒尺寸减小到10纳米尺寸时，则降低27，2纳米尺寸时的熔点仅为327左右；银的常规熔点为670，而超微银颗粒的熔点可低于100。6.4.5 纳米材料纳米材料特殊的磁学性质 主要表现为：超顺磁性、高矫顽力、低居里温度、高磁化率 。 小尺寸超微颗粒的磁性比大块材料强许多倍，大块的纯铁矫顽力约为80A/m，而当颗粒尺寸见效到20nm以下时，其矫顽力可增加100

35、0倍，若进一步减小尺寸，大约小于6nm时，其矫顽力反而降低到零，表现出所谓超顺磁性。6.4.5 纳米材料纳米材料特殊的力学性质： 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，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。 纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬35倍。至于金属一陶瓷等复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质，其应用前景十分宽广。6.4.5 纳米材料形状记忆效应：具有一定形状的固体材料,在某种条件下经过一定的塑性变形后,加热到一

36、定温度时,材料又完全恢复到变形前原来形状的现象。具有这种效应的材料称为形状记忆材料。形状记忆效应分为单向、双向和全程记忆三类。6.4.6 形状记忆材料（a）单向（b）双向（c）全程形状记忆效应示意图6.4.6 形状记忆材料形状记忆材料形状记忆合金 马氏体相变“冷胀热缩”的性质形状记忆陶瓷 单斜晶型向四方晶型转变“热胀冷缩”的性质形状记忆树脂 存在保持固定形状的固定相和可发生可逆软化硬化的可逆相形状记忆材料的分类形状记忆材料的应用6.4.6 形状记忆材料应用原理宇航天线发射时低温处理并折叠起来，进入轨道后张开点接触器通过接触棒形状记忆效应控制开关闭合管道紧固低温时机械扩张接口，室温时接口恢复而紧

37、密配合热致机械利用形状记忆材料与预压弹簧力的大小来带动机械医疗方面体外局部加热实现弯曲部位矫正等学习要求：1、认识复合材料的特性2、了解复合材料的分类3、了解颗粒增强和纤维增强两大类结构性复合材料的性能和应用6.5 复合材料复合材料：由两种及两种以上性质不同的物质或材料组合在一起的新材料。复合材料的优点：1. 克服了组成材料的弱点，充分利用它们的优点2. 可按照构件的结构和受力要求，进行材料的最佳设计3. 创造了单一材料不易具备的性能6.5.1 复合材料概述6.5.1 复合材料概述基体增强相黏结剂或成型作用增加强度或韧性基体和增强材料的要求：（1）基体对增强材料较好的润湿；具有较好的塑性和韧性；能保护增强材料表面；基体和增强材料间易形成化学键（或分子间力）（2）增强材料具有高强度、刚度和较高的热稳定性（3）基体与增强材料间应有合适的结合强度（4）增强材料在基体中有合理的含量、尺寸和均匀分布颗粒增强复合材料：由基体和均匀