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1、第八章第八章 新材料技术新材料技术 自然界由物质、能量、信息构成。材料、能源、自然界由物质、能量、信息构成。材料、能源、信息是现代文明的三大支柱。信息是现代文明的三大支柱。本章要点：新型金属材料新型金属材料陶瓷材料新型高分子材料新型高分子材料复合材料复合材料信息材料和超导材料信息材料和超导材料纳米材料纳米材料2019.12.2 材料是人类赖以生存和发展的物质基础，是人类进材料是人类赖以生存和发展的物质基础，是人类进步的里程碑。历史上的石器时代、青铜器时代、铁器时代步的里程碑。历史上的石器时代、青铜器时代、铁器时代都是以材料作为时代主要标志的。（是现代文明的支柱）都是以材料作为时代主要标志的。（

2、是现代文明的支柱）第一节第一节 材料与人类社会材料与人类社会 石器、陶瓷、铁、铜、玻璃、水泥、有机高分子（如石器、陶瓷、铁、铜、玻璃、水泥、有机高分子（如塑料等）、单晶材料，每一种新型材料的研制成功，都引塑料等）、单晶材料，每一种新型材料的研制成功，都引起人类文化和生活的新变化。如：起人类文化和生活的新变化。如：(1)半导体材料半导体材料计算机技术；计算机技术；(2)耐高温、高强度的特殊结构材料耐高温、高强度的特殊结构材料宇航工业；宇航工业；(3)光导纤维光导纤维现代的光通讯；现代的光通讯；(4)有机高分子材料有机高分子材料丰富多彩的现代生活丰富多彩的现代生活 新材料，主要是指最近发展或正在发

3、展之中新材料，主要是指最近发展或正在发展之中的具有比传统材料更为优异性能的一类材料。的具有比传统材料更为优异性能的一类材料。如：新型的金属材料、陶瓷材料、如：新型的金属材料、陶瓷材料、高分子高分子材料、复合材料、信息材料、超导材料、纳米材料、复合材料、信息材料、超导材料、纳米材料等。材料等。煤气炉中的电子打火压电陶瓷煤气炉中的电子打火压电陶瓷海底电缆光导纤维海底电缆光导纤维电脑的电脑的CPU单晶硅单晶硅在各行各业都有广泛的应用在各行各业都有广泛的应用 一、形状记忆合金一、形状记忆合金（钛（钛镍合金）镍合金）形状记忆合金是一种新的功能金属材料，用这种合金做形状记忆合金是一种新的功能金属材料，用这

4、种合金做成的金属丝，即使将它揉成一团，但只要达到某个温度，成的金属丝，即使将它揉成一团，但只要达到某个温度，它便能在瞬间恢复原来的形状。它便能在瞬间恢复原来的形状。第二节第二节 新型金属材料新型金属材料 新型金属材料种类繁多，它们都属合金新型金属材料种类繁多，它们都属合金。状态1状态2状态1卫星天线收藏的状态卫星天线 二、超塑性合金二、超塑性合金 超塑性合金是指那些具有超塑性的金属材料。超塑性是超塑性合金是指那些具有超塑性的金属材料。超塑性是一种奇特的现象。具有超塑性的合金在一定的温度下，能一种奇特的现象。具有超塑性的合金在一定的温度下，能像饴糖一样伸长像饴糖一样伸长10倍、倍、20倍甚至上百

5、倍，也不会断裂。倍甚至上百倍，也不会断裂。新型金属材料新型金属材料 试想一下，金属变成了饴糖状，从而具有了可吹塑试想一下，金属变成了饴糖状，从而具有了可吹塑和可挤压的柔软性能和可挤压的柔软性能，加工成型非常方便。，加工成型非常方便。超塑性成形工艺将在航天、汽车、车厢制造等部门中超塑性成形工艺将在航天、汽车、车厢制造等部门中广泛采用，所用的超塑性合金包括铝、镁、钛、碳钢、广泛采用，所用的超塑性合金包括铝、镁、钛、碳钢、不锈钢和高温合金等不锈钢和高温合金等。三、减震合金三、减震合金 又称阻尼合金又称阻尼合金 新型金属材料新型金属材料 一种阻尼一种阻尼(内耗内耗)大，能使振动迅速衰减的特种金属材大，

6、能使振动迅速衰减的特种金属材料。料。采用阻尼合金减震防噪，具有结构简便、体积小、采用阻尼合金减震防噪，具有结构简便、体积小、轻量化等优点。轻量化等优点。新近开发成功的一种新型锰基减振合金新近开发成功的一种新型锰基减振合金“M2052合合金金”，其化学成分含，其化学成分含Mn73、Cu20、Ni5、Fe2(均为原子百分比均为原子百分比)。应用在高速运动的机械零部件和家用电器中（冰箱、应用在高速运动的机械零部件和家用电器中（冰箱、空调、音响等），可减少振动，提高稳定性，降低噪音。空调、音响等），可减少振动，提高稳定性，降低噪音。四、储氢合金四、储氢合金 新型金属材料新型金属材料能储存氢的合金，称为

7、储氢合金能储存氢的合金，称为储氢合金。储氢合金具有很强的捕捉氢的能力，它可以在一定的温度储氢合金具有很强的捕捉氢的能力，它可以在一定的温度和压力条件下，氢分子在合金中先分解成单个的原子，而这些和压力条件下，氢分子在合金中先分解成单个的原子，而这些氢原子便氢原子便“见缝插针见缝插针”般地进入合金原子之间的缝隙中，并与般地进入合金原子之间的缝隙中，并与合金进行化学反应生成金属氢化物，外在表现为大量合金进行化学反应生成金属氢化物，外在表现为大量“吸收吸收”氢气，同时放出大量热量。而当对这些金属氢化物进行加热时，氢气，同时放出大量热量。而当对这些金属氢化物进行加热时，它们又会发生分解反应，氢原子又能结

8、合成氢分子释放出来，它们又会发生分解反应，氢原子又能结合成氢分子释放出来，而且伴随有明显的吸热效应。而且伴随有明显的吸热效应。主要用途主要用途:氢气分离、回收和净化材料氢气分离、回收和净化材料；制冷或采暖设备材料；制冷或采暖设备材料；镍氢充电电池镍氢充电电池。五、金属多孔材料（略）五、金属多孔材料（略）六、非晶及微晶合金六、非晶及微晶合金（略）（略）第三节 陶瓷材料1 1、陶器瓷器（传统陶瓷）、陶器瓷器（传统陶瓷）先进结构陶瓷先进结构陶瓷先进功能陶瓷先进功能陶瓷陶瓷的了展经过三次飞跃，图见陶瓷的了展经过三次飞跃，图见P286P2862 2、传统陶瓷先进陶瓷、传统陶瓷先进陶瓷3 3、先进陶瓷纳米

9、陶瓷、先进陶瓷纳米陶瓷本书主本书主要提到要提到一、结构材料一、结构材料高温结构陶瓷高温结构陶瓷(1)(1)氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷用用 途途 坩埚、高温炉管、坩埚、高温炉管、刚玉球磨机、刚玉球磨机、性性 能能 熔点高熔点高 硬度大硬度大 透明、耐高温透明、耐高温 高压钠灯灯管、高压钠灯灯管、用途示例：钠蒸气放电发光问题早在用途示例：钠蒸气放电发光问题早在19501950年就得以解决，由年就得以解决，由于没有一种能抵御高温钠蒸气（于没有一种能抵御高温钠蒸气（14001400）强烈腐蚀的特殊材料，）强烈腐蚀的特殊材料，所以，直到所以，直到19651965年才制取第一支高压钠灯。年才制取第一支高压钠灯。

10、高温结构材料与金属材料的性能比较：高温结构材料与金属材料的性能比较：耐高温、耐腐蚀、硬度大、耐磨损、不怕氧化。耐高温、耐腐蚀、硬度大、耐磨损、不怕氧化。金属材料：金属材料：易受腐蚀、不耐氧化、不适合高温时使用易受腐蚀、不耐氧化、不适合高温时使用 高纯氧化铝透明陶瓷管高纯氧化铝透明陶瓷管氧化铝陶瓷制品氧化铝陶瓷制品高温结构材料高温结构材料:(2)(2)氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷主要特性主要特性超硬度，耐磨损；超硬度，耐磨损；抗腐蚀，高温抗腐蚀，高温时也抗氧化；时也抗氧化；抗冷热冲击而不碎裂；抗冷热冲击而不碎裂；耐高温且不易传热；耐高温且不易传热；本身具有润本身具有润滑性滑性 主要用途主要用途 制造轴承

11、、汽轮机叶片、机械密制造轴承、汽轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件。用于封环、永久性模具等机械构件。用于制造柴油机中发动机部件的受热面等制造柴油机中发动机部件的受热面等如：如：，此外，高温结构陶瓷还有：氮化硼陶瓷、碳化此外，高温结构陶瓷还有：氮化硼陶瓷、碳化硼陶瓷、硼陶瓷、等。等。SiSi3 3N N4 4基陶瓷球轴承基陶瓷球轴承氮化硅陶瓷部件氮化硅陶瓷部件沙漠车沙漠车等等氧化锆陶瓷氧化锆陶瓷碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷(3)(3)人造宝石人造宝石 红宝石和蓝宝石的主要成分都是红宝石和蓝宝石的主要成分都是AlAl2 2O O3 3（刚玉）。（刚玉）。红宝石呈现红色是由于其中混有少量含铬化合物；

12、红宝石呈现红色是由于其中混有少量含铬化合物；而蓝宝石呈蓝色则是由于其中混有少量含钛化合物。而蓝宝石呈蓝色则是由于其中混有少量含钛化合物。19001900年，科学家曾用氧化铝熔融后加入少量氧化铬年，科学家曾用氧化铝熔融后加入少量氧化铬的方法，制出了质量为的方法，制出了质量为2g-4g2g-4g的红宝石。的红宝石。现在，已经现在，已经能制造出大到能制造出大到10g10g的红宝石和蓝宝石。的红宝石和蓝宝石。钻石、宝石、玉石的成分是什钻石、宝石、玉石的成分是什么，它们是同一类物质吗？么，它们是同一类物质吗？钻石就是钻石就是 ，其成分是碳；，其成分是碳；的的主要成分是氧化铝，不同颜色的宝石是因为其中主要

13、成分是氧化铝，不同颜色的宝石是因为其中含少量不同的氧化物杂质；含少量不同的氧化物杂质；的主要成分是的主要成分是 硅酸盐。所以，钻石、宝石、玉石都是价格昂贵硅酸盐。所以，钻石、宝石、玉石都是价格昂贵的的“石头石头”，但它们不是同一类物质。，但它们不是同一类物质。金刚石金刚石宝石宝石玉石玉石 是指利用材料的电、磁、声、光、热、弹性等直接的或是指利用材料的电、磁、声、光、热、弹性等直接的或耦合的效应以实现各种使用功能的陶瓷。耦合的效应以实现各种使用功能的陶瓷。二、先进功能陶瓷二、先进功能陶瓷 半导体陶瓷、绝缘陶瓷、介电陶瓷、发光陶瓷、感光陶半导体陶瓷、绝缘陶瓷、介电陶瓷、发光陶瓷、感光陶瓷、吸波陶瓷

14、、激光用陶瓷、核燃料陶瓷、推进剂陶瓷、瓷、吸波陶瓷、激光用陶瓷、核燃料陶瓷、推进剂陶瓷、太阳能光转换陶瓷、贮能陶瓷、陶瓷固体电池、阻尼陶瓷、太阳能光转换陶瓷、贮能陶瓷、陶瓷固体电池、阻尼陶瓷、生物技术陶瓷、催化陶瓷、特种功能薄膜等，在自动控制、生物技术陶瓷、催化陶瓷、特种功能薄膜等，在自动控制、仪器仪表、电子、通讯、能源、交通、冶金、化工、精密仪器仪表、电子、通讯、能源、交通、冶金、化工、精密机械、航空航天、国防等部门均发挥着重要作用。机械、航空航天、国防等部门均发挥着重要作用。其用途实在太多了其用途实在太多了。第四节新型高分子材料第四节新型高分子材料 高分子是由碳、氢、氧、氮、硅、硫等高分子

15、是由碳、氢、氧、氮、硅、硫等元素组成的分子量足够高的有机化合物。元素组成的分子量足够高的有机化合物。高分子材料包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶高分子材料包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶粘剂等材料。粘剂等材料。现代高分子材料为三大合成材料：橡胶、塑料、合现代高分子材料为三大合成材料：橡胶、塑料、合成纤维。成纤维。现代高分子材料（新型高分子材料），具有磁性、现代高分子材料（新型高分子材料），具有磁性、光信息的处理、人体器官的替代等方面。光信息的处理、人体器官的替代等方面。第五节复合材料第五节复合材料 复合材料复合材料是由两种或两种以上不同性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，在宏质

16、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。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，产各种材料在性能上互相取长补短，产生生协同效应协同效应，使复合材料的综合性能优于，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。原组成材料而满足各种不同的要求。有玻璃纤维（玻璃钢）、碳纤维、芳纶纤维、有玻璃纤维（玻璃钢）、碳纤维、芳纶纤维、超高分子聚乙烯纤维超高分子聚乙烯纤维 等。等。第六节第六节 信息材料和超导材料信息材料和超导材料一、信息材料一、信息材料 二、超导材料：二、超导材料：超导材料是一类在低温下超导材料是一类在低温下23.2K（大约零下（大约零下250摄氏

17、度）或更低温度下摄氏度）或更低温度下电阻可以完全消失的材料。电阻可以完全消失的材料。T（K）273+t（摄氏度）（摄氏度）信息材料属于功能材料，是为实现信息探测、传信息材料属于功能材料，是为实现信息探测、传输、存储、显示和处理等功能使用的材料。如电子材输、存储、显示和处理等功能使用的材料。如电子材料，光电子材料等。料，光电子材料等。超导材料的作用：超导材料的作用：（1）用超导材料做成导线，电阻几乎为零，可以实现远）用超导材料做成导线，电阻几乎为零，可以实现远距离无损耗输电；距离无损耗输电；（2）超导材料可以产生极强的磁场，用于制造磁悬浮列）超导材料可以产生极强的磁场，用于制造磁悬浮列车；车；（

18、3）用超导材料制成的发电机将会比现有的发动机输出）用超导材料制成的发电机将会比现有的发动机输出功率高功率高100倍以上。倍以上。1986年，获得了临界温度年，获得了临界温度Tc达达35K的超导体，的超导体，1987年，发现了临界温度年，发现了临界温度Tc为为90K的材料，实现了在的材料，实现了在液氧（液氧（77K）中的超导性。）中的超导性。超导研究的进展：超导研究的进展：人类已发现由镧、锶、铜、氧组成的陶瓷材料在人类已发现由镧、锶、铜、氧组成的陶瓷材料在1414温度下存在超导迹象。温度下存在超导迹象。纳米材料指的是微粒直径最多不超过纳米材料指的是微粒直径最多不超过100纳纳米的材料，米的材料，

19、（通常情况下，微粒直径不超过（通常情况下，微粒直径不超过10nm纳米）它具有奇特的光、电、磁、热、力纳米）它具有奇特的光、电、磁、热、力和化学性质。和化学性质。实验发现如果将金属铜或铝做成几个纳米的实验发现如果将金属铜或铝做成几个纳米的颗粒，一遇到空气就会产生剧烈的燃烧，发生爆颗粒，一遇到空气就会产生剧烈的燃烧，发生爆炸。有人认为用纳米颗粒作新型火箭的固体燃料炸。有人认为用纳米颗粒作新型火箭的固体燃料将会有更大的推力。将会有更大的推力。第七节第七节 纳米材料纳米材料 如果把纳米颗粒粉末制成块状金属材料，它如果把纳米颗粒粉末制成块状金属材料，它会变得十分结实，强度比一般金属高十几倍，会变得十分结

20、实，强度比一般金属高十几倍，同时又可以像橡胶一样富有弹性。纳米金属有同时又可以像橡胶一样富有弹性。纳米金属有着奇异的性能着奇异的性能超塑延展性，纳米铜在室温超塑延展性，纳米铜在室温下可延伸下可延伸50多倍而不折断。用这种材料制造飞多倍而不折断。用这种材料制造飞机、汽车、轮船，会使它们的质量减少到机、汽车、轮船，会使它们的质量减少到1/10。（1）纳米碳管是石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成）纳米碳管是石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状纤维，内部是空的，外部直径只有几到几十纳米。的笼状纤维，内部是空的，外部直径只有几到几十纳米。这样的材料很轻，但很结实。它的密度是钢的这样的材料很轻，但很结实。

21、它的密度是钢的1/6，而强度，而强度却是钢的却是钢的100倍。用来做防弹背心是再好不过的了。纳米碳倍。用来做防弹背心是再好不过的了。纳米碳管的细尖极易发射电子，用于做电子枪，可做成几厘米厚管的细尖极易发射电子，用于做电子枪，可做成几厘米厚的壁挂式电视。的壁挂式电视。（2）如果把透明、防油、防水的纳米材料颗粒组合在）如果把透明、防油、防水的纳米材料颗粒组合在大楼表面或窗玻璃上，大楼不会被空气中的油污弄脏，玻大楼表面或窗玻璃上，大楼不会被空气中的油污弄脏，玻璃也不会沾上水蒸气而永远透明。璃也不会沾上水蒸气而永远透明。（3）纳米材料在医学上前途不可限量。用数层纳米材）纳米材料在医学上前途不可限量。用

22、数层纳米材料包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或料包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。在人工器官外面涂上纳米粒子可预防移植修补损伤组织。在人工器官外面涂上纳米粒子可预防移植后的排异反应。使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少后的排异反应。使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液，就能诊断出各种疾病。纳米颗粒还可用于人体的量血液，就能诊断出各种疾病。纳米颗粒还可用于人体的细胞分离或细胞染色，也可以用来携带细胞分离或细胞染色，也可以用来携带DNA进行进行DNA治疗治疗基因缺陷症。基因缺陷症。高纯氧化铝透明陶瓷管高纯氧化铝透明陶瓷管返回氧化铝陶瓷制品氧化铝陶瓷制

23、品高压钠灯管高压钠灯管1 1灯内温度高达灯内温度高达1400 1400。2 2钠蒸气具有强烈的腐蚀作用。钠蒸气具有强烈的腐蚀作用。SiSi3 3N N4 4基陶瓷球轴承基陶瓷球轴承返回天天然然玛玛瑙瑙矿矿石石玛瑙饰品玛瑙饰品用光导纤用光导纤维做手术，维做手术，不用开刀。不用开刀。返回人人造造金金刚刚石石锯锯片片返回金刚石钻头金刚石钻头返回金刚石金刚石氧化锆陶瓷氧化锆陶瓷F-117F-117是一种单座战斗轰炸机。设计目的是凭隐身性能，突破敌是一种单座战斗轰炸机。设计目的是凭隐身性能，突破敌火力网，压制敌方防空系统，摧毁严密防守的指挥所、战略要地、火力网，压制敌方防空系统，摧毁严密防守的指挥所、战略要地、重要工业目标，还可执行侦察任务，具有一定空战能力。重要工业目标，还可执行侦察任务，具有一定空战能力。返回返回返回第九章新能源技术