第10章 新型材料

第十章新型材料新型材料是相对于传统材料而言，也称为先进材料。新材料研究的根本任务是利用新的科学原理和技术设计合成或制备出具有优异性能的材料。当前将新型材料分为复合材料、纳米材料和功能材料等。10.1问题的提出---新型材料10.2复合材料1、复合材料的定义由两种或两种以上的异质、异性、异形材料，在宏观尺度上复合而成的一种完全不同于其组成材料的新型材料。按基体材料分类：金属基复合材料，陶瓷基复合材料，水泥、混凝土基复合材料，塑料基复合材料，橡胶基复合材料等。按增强剂形状：粒子、纤维及层状复合材料。按复合材料的用途：结构复合材料和功能复合材料。2、复合材料的分类基体是复合材料的重要组成部分之一，主要作用是利用其黏附特性固定和黏附增强体，将复合材料所受的载荷传递并分布到增强体上。增强体主要用来承受载荷。基体与增强体之间的界面特性决定着基体与复合材料之间结合力的大小。3、复合材料中各组元的作用4、复合材料的性能特征低密度；膨胀系数小；导热导电性好；阻尼性好等。1）物理性能特点比强度和比模量高例如碳纤维和环氧树脂组成的复合材料，其比强度是钢的8倍，比模量(弹性模量与密度之比)比钢大3倍。抗疲劳性能好例如碳纤维-聚酯树脂复合材料的疲劳强度是其抗拉强度的70％-80％，而大多数金属的疲劳强度是其抗拉强度的30％～50％。减振性能好纤维与基体界面有吸振能力，可减小振动。例如，尺寸形状相同的梁，金属梁9s停止振动，碳纤维复合材料制成的梁2.5s就可停止振动。2）力学性能特点高温性能好，抗蠕变能力强。例如，碳纤维增强碳化硅基体复合材料用于航天飞机高温区，在1700℃仍可保持20℃时的抗拉强度，并且具有较好的抗压性能和较高的层间抗剪强度。断裂安全性高。例如，纤维增强复合材料的基体中有大量细小纤维，过载时部分纤维断裂，载荷会迅速重新分配到未被破坏的纤维上，不致造成构件在瞬间完全丧失承载能力而断裂。成形工艺性好。对于形状复杂的零部件，根据受力情况可以一次整体成形，减少了零件的衔接，提高材料的利用率。1）玻璃纤维增强复合材料以玻璃纤维为增强材料，以热塑性发热固性塑料为基体材料组成的复合材料，又称玻璃钢。强度、弹性模量、耐热性、抗疲劳性和抗蠕变性均较高。5、常用的复合材料2）碳纤维复合材料

以碳纤维为增强材料，以树脂、石墨、陶瓷或金属味基体组成的复合材料。主要用于制作齿轮、轴承、活塞、密封环、化工器材零件、航空航天飞行器的机架、壳体、火箭、卫星装置、雷达天线构架等重要器件。10.3纳米材料1、纳米材料的定义所谓纳米材料，是指粒子尺寸在纳米量级(1～100nm)的超细材料，又称做超细粉体，其纳米基本单元的颗粒或晶粒尺寸至少在一维上小于100nm，且必须是具有与常规材料截然不同的光、电、热、化学或力学性能的一类材料体系。纳米粉末又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100nm以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间的处于中间物态的固体颗粒材料。纳米纤维是指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。纳米膜分为颗粒膜与致密膜，颗粒膜是指纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜；致密膜是指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。纳米块体是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料。2、纳米材料的分类按其结构分为：①晶粒尺寸在三个方向都在几个纳米范围内的称为三维纳米材料；②具有层状结构的称为二维纳米材料；③具有纤维结构的称为一维纳米材料；④具有原子簇和原子束结构的称为零维纳米材料。按化学组成分为纳米金属、纳米晶体、纳米陶瓷、纳米玻璃、纳米高分子、纳米复合材料等。按材料物性分为纳米半导体、纳米磁性材料、纳米非线性材料、纳米铁电体、纳米超导材料、纳米热电材料等。按材料用途可分为纳米电子材料、纳米生物医用材料、纳米敏感材料、纳米光电子材料、纳米储能材料等。根据其微观结构组元的化学组成可分为：①所有晶粒和晶界具有相同的化学组成；②对于多相纳米材料来说，晶粒间的化学组成不同；③晶粒与晶界的化学组成不同，例如在某一界面区域存在原子偏聚；④纳米晶粒分布在具有不同化学成分的基体中，例如纳米级弥散相强化合金。1）传感器方面的应用

由于纳米材料具有大的比表面积、高的表面活性及与气体相互作用强等因素，因此纳米微粒对周围环境如光、温度、气氛、湿度等十分敏感，可用作各种传感器，如温度、气体、光、湿度等的传感器。3、纳米材料的应用2）催化方面的应用纳米微粒由于尺寸小、表面原子数占较大的百分数、表面的键态和电子态与颗粒内部不同、表面原子配位不全等因素导致表面活性增加，使它具备了作为催化剂的基本条件。3）光学方面的应用纳米微粒由于小尺寸效应使其具有常规大块材料不具备的光学特性，如光学非线性、光吸收、光反射、光传输过程中的能量损耗等都与纳米微粒的尺寸有很强的依赖关系。4）医学上的应用

由于纳米微粒的尺寸一般比生物体内的细胞及红细胞小得多，这就使研究人员可利用纳米微粒进行细胞分离、细胞染色及利用纳米微粒制成特殊药物或新型抗体进行局部定向治疗。5）其他领域的应用10.4其他新型材料---功能材料1、功能材料常见的分类方法1）按使用性能分类

微电子材料、光电子材料、传感器材料、信息材料、生物医用材料、生态环境材料、能源材料和机敏(智能)材料等。2）按材料的化学键分类功能性金属材料、功能性无机非金属材料、功能性有机材料和功能性复合材料。

3）按材料的物理性质分类磁性材料、电性材料、光学材料、声学材料、力学材料、化学功能材料等。4）按功能材料的应用领域分类电子材料、军工材料、核材料、信息工业用材料、能源材料、医学材料等。2、几种主要功能材的简介1）形状记忆材料和智能材料

形状记忆材料是指具有形状记忆效应的材料。形状记忆效应是指材料在高温下形成一定形状，冷却到低温进行塑性变形使之形成另一种形状，但当加热到高温时又恢复到原先形状的现象。具有形状记忆效应的金属一般是由两种以上的金属元素组成的合金，故称为形状记忆合金(SMA)。2）半导体材料半导体材料是构成许多有源元件的基体材料，在光通信设备和信息存储、处理、加工及显示方面具有重要应用，如半导体激光器、二极管、集成电路、存储器等。半导体种类多，可分为有机半导体和无机半导体。无机半导体又可分为元素半导体和化合物半导体。如从晶态上区分，可分为单晶、多晶以及非晶半导体等。3）超导材料具有超导性的材料称为超导材料。所谓超导性是指当温度降至某一临界值以下时，材料电阻突变为零的特性。4）磁性材料磁性是物质普遍存在的属性。磁性材料或称磁功能材料是指可以通过磁光效应、磁电效应、磁热效应或磁声效应应用于各类功能器件的材料。磁性材料在能源、信息和材料科学中具有广泛的应用。5）储氢材料储氢材料主要为合金，最基本的要求是能在合金晶体的空隙中大量储存氢原子，同时具有可逆吸放氢的性质。第一代储氢材料为稀土系，第二代储氢材料有钛系、锆系和镁系等合金。6）非晶态材料非晶态合金具有原子非长程有序排列结构，这种与晶体截然不同的特殊结构，赋予非晶态合金一系列优异的物理、化学和力学性能。7）金属间化合物金属间化合