功能材料及新型材料-课件

功能材料及新型材料功能材料是指具有特定功能的材料，例如导电、导热、磁性、光学、生物活性等。新型材料则是指新开发的材料，具有传统材料无法比拟的性能，例如轻质、高强度、耐高温、耐腐蚀等。课程大纲金属材料金属材料介绍，包括金属的结构、性能、加工工艺及应用陶瓷材料陶瓷材料介绍，包括陶瓷的结构、性能、加工工艺及应用高分子材料高分子材料介绍，包括高分子的结构、性能、加工工艺及应用复合材料复合材料介绍，包括复合材料的结构、性能、加工工艺及应用什么是材料?材料是构成物质世界的基本要素。材料种类繁多，性质各异，在人类生活中扮演着至关重要的角色。从远古时代人类使用石器、陶器开始，到现代社会各种高科技材料的应用，材料的演变推动着人类文明的进步。材料的发展历程原始材料时代人类开始使用天然材料，如石头、木头和骨头，制造简单的工具和武器。金属时代人们学会冶炼金属，例如铜、铁和青铜，这些金属更坚固、耐用，并带来新的工具和武器的开发。陶瓷时代陶瓷材料的出现，例如陶器和砖瓦，为人类提供了更耐用、更耐高温的容器和建筑材料。现代材料时代随着科学技术的发展，人类开始合成新的材料，例如塑料、合成纤维和复合材料，并应用于各个领域。材料分类传统材料传统材料包括金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料。它们应用广泛，在各个领域发挥着重要作用。功能材料功能材料是指具有特殊功能和性能的材料，如智能材料、生物医用材料、超导材料和催化材料等。它们在特定领域具有独特优势。新型材料新型材料指的是具有新性能、新结构或新成分的材料，如纳米材料、新能源材料、先进复合材料等。它们代表着材料科学发展的新方向。金属材料金属材料具有良好的导电性、导热性、延展性和强度。金属材料广泛应用于建筑、交通、电子、航空航天等领域。金属材料可以分为黑色金属和有色金属。黑色金属主要包括铁、锰、铬等，而有色金属包括铜、铝、锌等。陶瓷材料11.耐高温陶瓷材料具有很高的熔点，可在高温环境下使用。22.耐腐蚀陶瓷材料对大多数酸碱和有机溶剂具有良好的耐腐蚀性。33.绝缘性好陶瓷材料是良好的电绝缘体和热绝缘体。44.硬度高陶瓷材料具有很高的硬度，不易磨损。高分子材料定义与特点高分子材料通常称为塑料，是由许多小分子单体通过化学反应连接而成的长链状大分子化合物。种类丰富高分子材料种类繁多，包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚酯、尼龙等。应用广泛广泛应用于生活、工业、农业等各个领域，如包装、建筑、电子、医疗等。优缺点高分子材料轻便、耐腐蚀、易加工、成本低廉，但强度、耐热性、耐高温性相对较差。复合材料定义复合材料是由两种或多种不同性质的材料，通过物理或化学方法结合在一起而形成的材料。例如，玻璃纤维增强塑料、碳纤维增强塑料等。优势复合材料具有多种优势，例如，强度高、重量轻、耐腐蚀性强、抗疲劳性好等。因此，它们在航空航天、汽车、建筑等领域得到广泛应用。功能性材料性能功能性材料具有特殊的功能，比如导电、导热、光学、磁性、生物活性等应用应用于各种领域，包括航空航天、电子信息、能源环境、生物医药等研究功能性材料的研究是一个不断发展和创新的领域，未来将继续发挥重要作用智能材料定义智能材料，也称为响应材料，能够感知环境变化并做出响应，例如温度、压力、电场和磁场。它们具有“自感知”和“自适应”能力，能够主动调整其性能以满足特定需求。种类智能材料的种类繁多，包括形状记忆合金、压电陶瓷、电致变色材料、光致变色材料等。它们在各个领域有着广泛的应用。优势智能材料的优势在于其能够在环境变化中保持性能稳定，并且能够根据环境变化进行自我调整，提高效率和安全性。生物医用材料人工关节生物医用材料在人工关节方面发挥重要作用，如髋关节和膝关节置换。人工血管生物医用材料用于制造人工血管，用于血管疾病治疗和修复。人工心脏瓣膜生物医用材料制成的人工心脏瓣膜可以修复或替代受损的心脏瓣膜。药物释放生物医用材料可用于药物释放系统，控制药物的释放时间和速度。超导材料1零电阻超导材料在低于临界温度时，电阻降为零，电流可以无损耗地流动。2完全抗磁性超导体能够完全排斥磁场，即迈斯纳效应。3应用广泛超导材料在磁悬浮列车、核磁共振成像等领域具有重要应用。4发展前景广阔超导材料的研究和应用正在不断发展，未来将有更广泛的应用。催化材料定义催化材料是指能够改变化学反应速度但不参与反应本身的物质。它们可以加速或减缓化学反应，而本身的化学性质保持不变。应用催化材料在化工、能源、环境保护等领域应用广泛。例如，汽车尾气净化器、石油炼制催化剂和燃料电池等。材料的性能测试1机械性能测试拉伸强度、压缩强度、弯曲强度、冲击韧性等测试，评估材料抵抗外力作用的能力。2物理性能测试密度、硬度、熔点、导电性、导热性等测试，反映材料的物理特性。3化学性能测试耐腐蚀性、耐酸碱性、化学稳定性等测试，评估材料在不同化学环境中的稳定性。材料的性能指标11.机械性能材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力，如强度、硬度、韧性等。22.物理性能材料在物理因素作用下的表现，如密度、熔点、热膨胀系数等。33.化学性能材料抵抗化学介质腐蚀的能力，如耐酸碱性、耐氧化性等。44.加工性能材料在加工过程中表现出的性能，如可塑性、焊接性、铸造性等。材料成型及加工技术1粉末冶金金属粉末压制成型2铸造液态金属浇注成型3锻造金属坯料锤击成型4焊接金属熔接成型5热处理改变金属微观结构材料成型技术是将原材料转化为具有特定形状和尺寸的工件的过程。加工技术则是在成型基础上，对材料进行进一步的加工，以满足最终产品的性能要求。材料表面处理表面涂层增加耐腐蚀性、耐磨性、耐热性和装饰性。表面改性改变表面物理或化学性质，例如，表面硬化、表面钝化。表面清洁去除表面污染物、氧化物或其他杂质，提高材料表面清洁度。表面处理技术电镀、喷涂、热处理、激光表面处理、等离子体表面处理等。材料的选择机械性能强度、硬度、韧性、疲劳强度等影响结构的性能。电学性能电导率、电阻率、介电常数等影响电子设备性能。耐热性能耐高温、耐腐蚀、抗氧化性等影响高温环境的应用。生物相容性无毒、无刺激、可降解性等影响与生物体的接触。材料的应用领域航天航空耐高温、抗氧化、高强度轻质材料。电子信息半导体材料、导电材料、绝缘材料。能源环境太阳能电池材料、燃料电池材料、储能材料。生物医用人造器官、骨骼修复材料、药物缓释材料。航天航空材料轻质高强航天航空材料要求轻质高强，以降低飞行器的重量，提高飞行效率，降低燃料消耗。耐高温航天器在高速飞行时，表面温度会非常高，需要使用耐高温材料，确保材料在高温条件下保持稳定性能。抗腐蚀航天航空材料需要抵抗大气中的腐蚀，以及在太空环境中抵抗宇宙射线的侵蚀。抗疲劳航天器需要经受反复的起降和飞行，材料需要具有良好的抗疲劳性能，以保证飞行安全。电子信息材料半导体材料硅、锗是主要的半导体材料，广泛应用于集成电路、传感器等领域。显示材料液晶材料、有机发光材料用于平板显示器、手机等，满足人们对信息显示的需求。存储材料磁性材料、闪存材料，广泛应用于硬盘、U盘等，用于数据存储。其他材料包括光纤材料、印刷电路板材料等，为电子信息产业提供基础支撑。能源环境材料太阳能太阳能是一种可再生能源。太阳能电池板将光能转化为电能，提供清洁电力。风能风能是另一种可再生能源，通过风力涡轮机将风能转化为电能。新能源汽车电动汽车减少了尾气排放，有助于改善空气质量，缓解环境污染。生物质能生物质能来源于生物，例如木材、农作物秸秆等，可转化为能源。生物医用材料11.生物相容性生物医用材料必须与人体组织相容，不会引起排异反应。22.生物降解性部分材料需在体内逐渐降解，并被机体吸收或排出。33.机械强度需满足一定的机械强度，以承受人体组织的压力和拉伸。44.功能性可根据需求，设计具有特定功能的材料，如药物释放或组织再生。新型结构材料碳纤维碳纤维具有高强度、高模量、耐腐蚀和耐高温等优异特性，广泛应用于航空航天、汽车、体育器材等领域。复合材料复合材料由两种或多种材料复合而成，综合了不同材料的优点，可以获得比单一材料更优异的性能。金属合金金属合金是通过将两种或多种金属熔合在一起而形成的，可以提高金属材料的强度、硬度、耐腐蚀性等性能。纳米材料纳米材料具有独特的物理和化学性质，在结构材料领域展现出巨大潜力，例如提高材料强度和耐磨性。新能源材料太阳能电池太阳能电池将太阳能直接转化为电能，为可持续能源提供了一种有前景的解决方案。燃料电池燃料电池利用氢气或其他燃料与氧气反应生成电能，提供高效清洁的电力来源。锂离子电池锂离子电池具有高能量密度和长循环寿命，在电动汽车和便携式电子设备中得到广泛应用。储能材料储能材料可以将能量储存起来，并在需要时释放出来，为电网稳定性和可再生能源的应用提供支持。纳米材料尺寸效应纳米材料的尺寸在纳米尺度，这会导致其独特的物理和化学性质。例如，纳米材料的表面积会显著增加，从而提高其催化活性。量子效应当材料的尺寸减小到纳米尺度时，量子效应变得显著，例如量子尺寸效应和量子隧道效应。这些效应可以导致新的光学、电学和磁性特性。表面效应纳米材料具有高表面积，这使得它们在表面改性、催化和吸附方面具有独特的优势。例如，纳米材料可以用作药物载体或传感器。宏观效应当纳米材料被大量组装在一起时，它们会表现出与单个纳米颗粒不同的宏观性质。例如，纳米材料可以用于制造更轻、更强、更耐腐蚀的材料。功能材料的未来发展方向1智能化材料能够感知环境变化并做出响应，实现自适应功能2多功能化材料同时具备多种功能，例如，导电和隔热3可持续性环保材料的开发，以及可回收再利用4纳米材料纳米尺度下材料的独特性质，用于开发更先进的功能材料功能材料未来将朝着更加智能化、多功能化、可持续性和纳米化方向发展。这些