1、金属材料与热处理课题课题九九 非金属材料非金属材料高分子材料陶瓷材料复合材料纳米材料及功能材料简介学习目标学习目标了解高分子材料的基本知识；了解塑料、橡胶、胶黏剂的种类、特性和用途；了解陶瓷材料的概念、分类、组织结构、制备方法等基本知识；了解复合材料的概念、性能特点、种类及应用；了解纳米材料及功能材料的概念、分类、性能特点及应用。课题课题九九 非金属材料非金属材料非金属材料是金属及其合金以外的一切材料的总称。近几十年来，非金属材料在产品数量和品种方面都取得了快速增长，特别是人工合成高分子材料的发展非常迅速，其产量（体积）已远远超过钢产量（体积）。而且随着高分子材料、陶瓷材料和复合材料的发展，非
2、金属材料也越来越多地应用于工业、农业、国防和科学技术等领域。目前在机械工程中广泛使用的非金属材料主要有工程塑料、合成橡胶、胶黏剂、工业陶瓷和复合材料等。相关知识课题课题九九 非金属材料非金属材料学习情境一学习情境一 高分子材料高分子材料高分子材料分为天然高分子材料和人工合成高分子材料两大类。天然高分子材料有羊毛、蚕丝、淀粉、纤维素及橡胶等。工程上应用的高分子材料主要是人工合成的，如聚苯乙烯、聚氯乙烯及聚丙烯腈等。一、高分子材料的基本知识 高分子材料的概念高分子材料的概念1.高分子材料是以高分子化合物为主要组成物的材料，而高分子化合物是指分子量很大的化合物，它们的分子量都在几千、几万、几十万或几
3、百万以上，甚至无穷，但多数在5 000100 000。一般把分子量不大于5 000的化合物称为低分子化合物，把大于5 000的化合物称为高分子化合物。一般来说，低分子化合物没有强度和弹性，而高分子化合物则具有一定的强度、弹性和塑性。学习情境一学习情境一 高分子材料高分子材料高分子化合物一般由一种或几种简单的低分子化合物（即单体）重复连接而成。例如，聚乙烯由低分子乙烯（单体）组成，聚氯乙烯由低分子氯乙烯（单体）组成。低分子化合物聚合起来形成高分子化合物的过程称为聚合反应。所以，高分子化合物又称为高聚物或聚合物。由单体聚合为高聚物的基本方式有以下两种。学习情境一学习情境一 高分子材料高分子材料学习
4、情境一学习情境一 高分子材料高分子材料1 1）加成聚合反应加成聚合反应加成聚合反应也称加聚反应，是单体经过光照、加热或化学药品（即引发剂）的作用后相互结合成大分子的反应。学习情境一学习情境一 高分子材料高分子材料2 2）缩合聚缩合聚合反应合反应缩合聚合反应也称缩聚反应，是具有官能团（如OH、COOH、NH2、=CO等）的单体反应结合成较大的分子，同时生成某些低分子物质（如水、氨等）的反应。学习情境一学习情境一 高分子材料高分子材料高分子材料品种繁多，性质各异，为了研究高分子材料的结构与性质，必然要按一定原则对其进行分类，其常见的分类方法见表9-1。高分子材料的分类高分子材料的分类2.学习情境一
5、学习情境一 高分子材料高分子材料学习情境一学习情境一 高分子材料高分子材料塑料是指以树脂为主要成分，加入添加剂，在一定条件下塑制成型的材料的总称。由于塑料原料丰富、成本低、性能不断提高，已广泛应用于各行各业，正逐步取代部分其他材料。二、塑料学习情境一学习情境一 高分子材料高分子材料树脂是组成塑料的最基本成分，一般其质量分数为3040，它起着胶黏剂的作用，能将塑料的其他组分黏结成一个整体。树脂的种类、性质及加入量对塑料的性能起着很大的作用。因此，许多塑料就以所用树脂的名称来命名，如聚氯乙烯塑料就是以聚氯乙烯树脂为主要成分的塑料。有些合成树脂可直接用做塑料，如聚乙烯、聚苯乙烯、尼龙（聚酰胺）、聚碳
6、酸酯等。塑料的组成塑料的组成1.1 1）树脂树脂学习情境一学习情境一 高分子材料高分子材料2 2）增塑剂增塑剂增塑剂是用于提高树脂可塑性与柔软性的一种添加剂，其质量分数为520。常用的增塑剂是高沸点的液体或低熔点的固体有机化合物，主要有邻苯二甲酸酯类、磷酸酯类和氧化石蜡等。学习情境一学习情境一 高分子材料高分子材料3 3）稳定剂稳定剂稳定剂用于防止树脂在受热、光和氧气等作用时发生过早老化，延长塑料制品使用寿命。常用的稳定剂有抗氧化剂（如酚类和胺类等有机物）、抗紫外线吸收剂（如炭黑等）及热稳定剂等。填料用于弥补树脂某些性能上的不足，以改善塑料的性能。在许多塑料中填料占有相当大的比重，一般质量分数
7、为4070。常用的填料有提高机械强度的木屑、棉布、纸张、玻璃纤维等；提高塑料硬度和耐磨性的金属氧化物，如氧化铁等；提高耐热性的石棉粉；提高绝缘性的云母；可以制成磁性塑料的铁磁粉等。由于填料比合成树脂的价格低，所以加入填料可以降低塑料的成本。学习情境一学习情境一 高分子材料高分子材料4 4）填料填料学习情境一学习情境一 高分子材料高分子材料5 5）润滑剂润滑剂润滑剂用于防止塑料在成型过程中黏在模具或其他设备上，可以使制品表面光滑。常用的润滑剂有硬脂酸和硬脂酸盐。学习情境一学习情境一 高分子材料高分子材料6 6）染料染料染料使塑料制品具有美丽的色彩。除上述几种塑料的添加剂外，还有发泡剂、防老化剂、
8、抗静电剂、阻燃剂等，但并非每一种塑料都要加入所有的添加剂，而是根据塑料品种及使用要求选择所需的添加剂。学习情境一学习情境一 高分子材料高分子材料到目前为止，投入工业生产的塑料有几百种，常用的有60多种。塑料常用的分类方法有以下两种。塑料的分类塑料的分类2.学习情境一学习情境一 高分子材料高分子材料根据树脂在加热和冷却时表现的性质，塑料可分为热塑性塑料和热固性塑料两类。（1）热塑性塑料。热塑性塑料也称为热熔性塑料，主要是由聚合树脂制成的，它在加热时软化并熔融，冷却后硬化成型，并可如此多次反复。因此，可以用热塑性塑料的碎屑进行再生和再加工。热塑性塑料包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚酰胺（尼龙）、A
9、BS塑料、聚甲醛、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚砜、聚四氟乙烯、聚苯醚、聚氯醚等。1 1）按树脂性质分类按树脂性质分类（2）热固性塑料。热固性塑料大多是以缩聚树脂为基础，加入各种添加剂制成的。热固性塑料在一定条件（如加热、加压）下会发生化学反应，经过一定时间即固化为坚硬的制品。固化后的热固性塑料既不溶于任何溶剂，也不会再熔融（温度过高时则发生分解）。常用的热固性塑料有酚醛塑料、环氧塑料、氨基塑料、有机硅塑料等。学习情境一学习情境一 高分子材料高分子材料学习情境一学习情境一 高分子材料高分子材料根据塑料应用范围，将塑料分为通用塑料和工程塑料。（1）通用塑料。通用塑料是指那些产量大、用途广、价格低的常用塑
10、料，主要包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料和氨基塑料等。通用塑料的产量占塑料总产量的75%以上，用于制造生活用品、包装材料以及一些小型零件。2 2）按塑料应用范围分类按塑料应用范围分类（2）工程塑料。工程塑料是指在工程中作为结构材料的塑料，这类塑料一般具有较高的机械强度或具备耐高温、耐腐蚀、耐磨性等良好性能，因而可代替金属制作某些机械构件。常用的工程塑料有聚碳酸酯、聚酰胺、聚甲醛、聚砜、ABS塑料、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氯乙烯、环氧塑料等。学习情境一学习情境一 高分子材料高分子材料学习情境一学习情境一 高分子材料高分子材料随着高分子材料的发展，许多塑料通过各种措施加以改性和增强，
11、得到具有特殊性能的特种塑料，如具有高耐蚀性的氟塑料，以及导磁塑料、导电塑料、医用塑料等。常用塑料的种类、性能特点和用途见表9-2。学习情境一学习情境一 高分子材料高分子材料学习情境一学习情境一 高分子材料高分子材料学习情境一学习情境一 高分子材料高分子材料塑料的成型是将各种形态（粉状、粒状、液态、糊状等）的塑料制成具有一定形状和尺寸的制品的工艺过程。成型的塑料制品大都可以直接使用。一些要求表面光洁、精度高的塑料零件在成型后还需进行再加工，如机械加工、连接、喷涂、电镀等，以达到某些特殊要求。塑料的成型工艺简单，形式多样。对于一个具体的塑料制品的成型，要根据其使用要求、形状、原材料种类和生产批量来
12、决定。常用的成型方法有注射成型、压制成型、浇注成型、挤出成型和吹塑成型等。其中，注射成型、挤出成型和吹塑成型主要用于热塑性塑料制品的成型；压制成型主要用于热固性塑料制品的成型；浇注成型对于热塑性和热固性塑料制品都适用。塑料的成型加工塑料的成型加工3.学习情境一学习情境一 高分子材料高分子材料橡胶是以生胶为基础，加入适量配合剂制成的高分子材料。三、橡胶橡胶的成分橡胶的成分1.学习情境一学习情境一 高分子材料高分子材料1 1）生胶生胶生胶是天然橡胶或合成橡胶的总称。按原料来源不同，生胶可分为天然橡胶和合成橡胶，广泛应用的是合成橡胶。合成橡胶的品种很多，如丁苯橡胶、氯丁橡胶等。橡胶制品的性质主要取决
13、于生胶的性质。学习情境一学习情境一 高分子材料高分子材料2 2）配合剂配合剂配合剂是用于提高和改善橡胶制品性能的物质。配合剂的种类很多，大体可分为硫化剂、硫化促进剂、防老剂、软化剂、填充剂、发泡剂及着色剂等。学习情境一学习情境一 高分子材料高分子材料橡胶的种类及应用橡胶的种类及应用2.工业上常用橡胶的种类、代号、性能特点和用途见表9-3。学习情境一学习情境一 高分子材料高分子材料 橡胶最重要的特性是高弹性。因此，在使用和储存过程中要特别注意保护其弹性。氧化、光照（特别是紫外线照射）均会促使橡胶老化、龟裂、发黏或变脆，从而失去弹性。学习情境一学习情境一 高分子材料高分子材料胶黏剂又称胶合剂，它是
14、一种通过黏附作用使同质或异质材料紧密地结合在一起，并在胶接面上具有一定强度的物质。四、胶黏剂学习情境一学习情境一 高分子材料高分子材料早期使用的胶黏剂属于天然胶黏剂，如糨糊、虫胶、骨胶、树汁等动植物胶。现代胶接技术多采用人工合成胶黏剂。合成胶黏剂是一种多组分的、具有优良黏合性能的物质，它的组分包括基料、固化剂、增塑剂、增韧剂、填料、稀释剂等。胶黏剂的成分胶黏剂的成分1.学习情境一学习情境一 高分子材料高分子材料基料是胶黏剂的主要组分，对胶黏剂的性能如胶接强度、耐热性、韧性、耐老化性等起着重要作用。常用的基料有酚醛树脂、环氧树脂、聚酯树脂、聚酰胺树脂和氯丁橡胶等。1 1）基料基料学习情境一学习情
15、境一 高分子材料高分子材料固化剂用于固化胶黏剂，其种类和用量直接影响胶黏剂的使用性质和工艺性能。2 2）固化剂固化剂学习情境一学习情境一 高分子材料高分子材料3 3）增塑剂和增韧剂增塑剂和增韧剂增塑剂和增韧剂用于改善胶黏剂的塑性和韧性，提高胶接接头抗剥离、抗冲击的能力及耐寒性等。常用的增塑剂和增韧剂有热塑性树脂、合成橡胶等。学习情境一学习情境一 高分子材料高分子材料4 4）填料填料填料用于提高胶接接头的强度和表面硬度，提高耐热性，还可降低热膨胀系数和收缩率，增大黏度和降低成本。常用的填料有金属粉末、石棉和玻璃纤维等。学习情境一学习情境一 高分子材料高分子材料5 5）稀释剂稀释剂稀释剂用于降低胶
16、黏剂的黏度，增加胶黏剂对被黏物表面的浸润力，有利于施工。凡能与胶黏剂混溶的溶剂均可作为稀释剂。此外，还可以加入固化促进剂、防老化剂和稳定剂等。对于某一种具体的胶黏剂，其组成应根据使用要求采取相应的配合。而且必须注意，使用不同的胶黏剂时，形成胶接接头的条件也不同。接头可以在一定温度和时间的条件下经固化形成，也可以在加热接合处后经冷凝后形成，还可以先溶入易挥发溶剂中，胶接后溶剂挥发后形成。学习情境一学习情境一 高分子材料高分子材料胶黏剂的分类方法有两种。胶黏剂的分类胶黏剂的分类2.学习情境一学习情境一 高分子材料高分子材料1 1）按胶接强度分类按胶接强度分类按胶接强度的不同，胶黏剂可分为结构型胶黏
17、剂、非结构型胶黏剂和次结构型胶黏剂三类。其中，结构型胶黏剂的胶接强度最高，次结构型胶黏剂次之，非结构型胶黏剂最低。学习情境一学习情境一 高分子材料高分子材料2 2）按主要组成成分分类按主要组成成分分类按胶黏剂的主要组成成分的不同，胶黏剂可分为有机胶黏剂和无机胶黏剂两大类。其中有机胶黏剂又分为天然胶黏剂（包括动物胶如骨胶、鱼胶、虫胶等和植物胶如树胶、淀粉、松香等）和合成胶黏剂（包括树脂型胶黏剂、橡胶型胶黏剂和混合型胶黏剂）。学习情境一学习情境一 高分子材料高分子材料胶黏剂的分类如图9-1所示。图9-1 胶黏剂的分类学习情境一学习情境一 高分子材料高分子材料合成胶黏剂的种类及应用合成胶黏剂的种类及
18、应用3.常用胶黏剂的种类、代号、特点和用途见表9-4。陶瓷材料是指以天然硅酸盐（黏土、石英、长石等）或人工合成化合物（氮化物、氧化物、碳化物等）为原料，经过粉碎、成形、高温烧结而制成的无机非金属材料。陶瓷材料按照其成分和结构可分为普通陶瓷材料和特种陶瓷材料两大类。学习情境二学习情境二 陶陶 瓷瓷 材材 料料学习情境二学习情境二 陶陶 瓷瓷 材材 料料（1）普通陶瓷材料。普通陶瓷材料又称为传统陶瓷，它是以黏土、长石、石英等天然原料为主，经过粉碎、成型和烧结而制成的产品，包括日用陶瓷、建筑陶瓷、卫生陶瓷、低压和高压电瓷、化工陶瓷（耐酸碱用瓷）和多孔陶瓷（过滤、隔热用瓷）等，产量大、用途广。（2）特
19、种陶瓷材料。特种陶瓷主要是指采用高纯度人工合成原料制成的、具有特殊物理化学性能的新型陶瓷（包括功能陶瓷）。特种陶瓷包括金属陶瓷、氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、硅化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷和氟化物陶瓷等，其生产工艺过程与传统陶瓷相同。特种陶瓷主要用于化工、冶金、机械、电子等行业和某些新技术中。陶瓷的性能与其组织结构有密切关系。金属晶体是以金属键相结合构成的，高聚物是以共价键结合构成的，而陶瓷则是由天然或人工的原料经高温烧结成的致密固体材料，其组织结构比金属复杂得多，其内部存在晶体相、玻璃相和气相，这三种相的相对数量、形状和分布对陶瓷性能的影响很大。学习情境二学习情境二 陶陶 瓷瓷 材材 料料 一
20、、陶瓷的组织结构学习情境二学习情境二 陶陶 瓷瓷 材材 料料晶体相晶体相1.大多数陶瓷是由离子键构成的离子晶体（如MgO、Al2O3等），此外还有共价键（Si3N4、SiC等）构成的晶体。晶体相是陶瓷的主要组成相。离子键的结合能较高，正负离子以静电作用结合，比较牢固，因此，陶瓷具有硬度高、熔点高、质脆、耐磨等特性。与金属晶体类似，陶瓷一般也是多晶体，也存在晶粒和晶界，细化晶粒同样能提高其强度并影响其性能。陶瓷烧结时由各组成物和杂质通过一系列物理化学作用形成的非晶态物质称为玻璃相。玻璃相熔点较低，主要作用是把分散的晶粒黏结在一起。此外，玻璃相的存在还可以降低烧结温度，抑制晶粒长大，填充气孔空隙。
21、但是，玻璃相数量过多会降低陶瓷抗热性和绝缘性，因此，玻璃相的体积数量一般控制在2040。学习情境二学习情境二 陶陶 瓷瓷 材材 料料玻璃相玻璃相2.学习情境二学习情境二 陶陶 瓷瓷 材材 料料陶瓷中存在的气孔称为气相。气相常以孤立的状态分布在玻璃相、晶界、晶粒内。气相会引起应力集中，降低陶瓷强度和抗电击穿能力。因此，应尽量减少气孔数量和尺寸，并使气孔均匀分布。一般气相控制在陶瓷体积的510。气相气相3.学习情境二学习情境二 陶陶 瓷瓷 材材 料料陶瓷制品的种类繁多，生产工艺过程也不相同，但一般都要经历三个阶段：原料制备、成形和烧结。二、陶瓷制品的生产工艺原料的加工直接影响陶瓷制品成形后的加工性
22、能和使用性能。为了控制陶瓷制品的晶粒大小，要将原料粉碎，磨细到一定粒度；为了控制陶瓷制品的使用性能，要按一定配比配料，对原料要精选，除去杂质。原料加工后，根据陶瓷制品成形工艺的要求制备成粉料、浆料或可塑泥团。学习情境二学习情境二 陶陶 瓷瓷 材材 料料原料制备原料制备1.学习情境二学习情境二 陶陶 瓷瓷 材材 料料陶瓷制品的成形可以采用以下几种方法。（1）可塑成形，通过手工或机械挤压、车削，使可塑泥团成形。（2）压制成形，将含有一定水分和添加剂的粉料用较高的压力在模具中压制成形。（3）注浆成形，将浆料注入模具成形。一般注浆成形示意图如图9-2所示。将浆料注入石膏模中，经过一定时间后，在模壁上会
23、黏附具有一定厚度的坯料，然后将多余浆料倒出，坯料在模具内固定下来。这种成形方法常用于制造形状复杂、精度要求不高的日用陶瓷和建筑陶瓷。成形成形2.学习情境二学习情境二 陶陶 瓷瓷 材材 料料图9-2 注浆成形示意图学习情境二学习情境二 陶陶 瓷瓷 材材 料料未经烧结的陶瓷坯料只是许多固体颗粒的堆积。因此，成形以后的陶瓷制品经干燥、涂釉（或不涂）后须进行烧结。烧结烧结3.学习情境二学习情境二 陶陶 瓷瓷 材材 料料陶瓷的共同特点是硬度高，抗压强度高，耐高温，耐磨损，耐蚀性和抗氧化性好。但是一般来说，陶瓷脆性较大，没有延展性，经不起碰撞，耐急冷急热性较差。常用工业陶瓷的性能特点及用途见表9-5。三、
24、常用陶瓷性能特点及用途学习情境二学习情境二 陶陶 瓷瓷 材材 料料学习情境二学习情境二 陶陶 瓷瓷 材材 料料学习情境三学习情境三 复复 合材合材 料料金属材料、高分子材料和陶瓷材料等在使用性能上各有其优点和不足，因此，它们各有自己适合的应用范围。随着科学技术的发展，机械制造和工程结构对材料的性能要求越来越高，单一材料很难满足这些性能要求，所以出现了将多种单一材料采用不同成形方式组合的新材料复合材料。学习情境三学习情境三 复复 合材合材 料料凡是两种或两种以上不同物理性质、化学性质或不同组织结构的材料，以微观或宏观的形式组合而成的多相材料，均可称为复合材料。这种复合材料既保持原材料的各自特点，
25、又具有比原材料更好的性能，即具有“复合”效果。不同材料复合后，通常是其中一种材料作为基体材料，起黏结作用；另一种材料作为增强剂材料，起承载作用。复合材料一般是由强度、弹性模量较高但脆性大的增强剂和韧性好但强度和弹性模量低的基体组成。它是将增强剂材料均匀地混合分散在基体材料中，以克服单一材料的某些弱点。一、复合材料的概念学习情境三学习情境三 复复 合材合材 料料二、复合材料的特点复合材料可以是不同的非金属材料相互复合，也可以是不同的金属材料或金属与非金属材料相互复合。与其他传统材料比较，复合材料具有以下性能特点。复合材料具有比其他材料高得多的比强度（抗拉强度与相对密度的比值）和比模量（弹性模量与
26、密度的比值）。许多结构和设备不但要求材料的强度高，还要求材料的密度小，复合材料就具备这种特性。例如，碳纤维增强环氧树脂的比强度是钢的7倍，比模量是钢的3倍。材料的比强度高，则所制作零件的质量和尺寸小；材料的比模量大，则零件的刚度大。在强度和刚度基本相同的前提下，一般使用复合材料制作的构件比使用钢制作的构件的质量可减轻70左右。学习情境三学习情境三 复复 合材合材 料料比强度和比模量较高比强度和比模量较高1.学习情境三学习情境三 复复 合材合材 料料抗疲劳性能好抗疲劳性能好2.金属在交变载荷作用下的断裂是内部裂纹扩展的结果。金属材料，尤其是高强度金属材料，在交变载荷的作用下，对裂纹非常敏感，容易
27、产生没有预兆的突发性破坏，造成重大事故。而在纤维增强复合材料中，每平方厘米截面上有成千上万根独立的增强纤维，外加载荷由增强纤维承担，受载后如果有少量纤维断裂，载荷会迅速重新分布，由未断的纤维承担；另外，复合材料内部缺陷少、基体塑性好，有利于消除或减少应力集中现象。这样就使复合材料构件丧失承载能力的过程延长了，并在破坏前有预兆性，可提醒人们及时采取有效措施。例如，碳纤维增强聚酯树脂的疲劳极限相当于其抗拉强度的7080，而金属材料的疲劳极限一般只有其抗拉强度的4050。学习情境三学习情境三 复复 合材合材 料料工程上有许多机械结构，在工作过程中振动问题十分突出，如飞机、汽车及各种动力机械，当外加载
28、荷的频率与结构的自振频率相同时，将产生严重的共振现象。共振会严重威胁结构的安全运行，有时会造成灾难性事故。据研究，结构的自振频率除了同结构本身的形状有关外，还与材料比模量的平方根成正比。纤维增强复合材料的自振频率高，可以避免产生共振。同时纤维与基体的界面对振动具有反射和吸振作用，故振动阻尼很高。例如，用同样尺寸和形状的梁进行实验，金属梁需要9 s才停止振动，而碳纤维复合材料只要2.5 s，可见碳纤维复合材料振动阻尼之高。减振性能好减振性能好3.学习情境三学习情境三 复复 合材合材 料料一般铝合金在400 时，其弹性模量会急剧下降并接近于零，强度也会显著下降。在纤维增强复合材料中，由增强纤维承受
29、外加载荷，而增强纤维中除玻璃纤维的软化点较低（700 900）外，其他纤维材料的软化点（或熔点）一般都在2 000 以上。用这类纤维材料制作复合材料，可以提高复合材料的耐高温性能，如用钨纤维增强的钴、镍或其他合金，可在1 000 以上工作，大大提高了金属的抗高温性能。抗高温性能好抗高温性能好4.学习情境三学习情境三 复复 合材合材 料料复合材料制造工艺简单，易于加工，并可按设计需要突出某些特殊性能，如增强减磨性，增强电绝缘性，提高耐高温性等。另外，复合材料构件可以整体一次成形，减少零部件、紧固体和接头的数目，提高材料利用率。成形工艺独特成形工艺独特5.复合材料能根据设计要求来改善材料的使用性能
30、，它将各种组成材料的性能取长补短并保持各自的最佳特性，从而有效地发挥材料的潜力。所以，“复合”已成为改善材料性能的一种手段，越来越引起人们的重视，新型复合材料的研制和应用也越来越多。目前纤维复合材料还存在一些问题，如各向异性（横向的抗拉强度和层间剪切强度比纵向的低得多），断裂伸长率较小，抵抗冲击载荷能力较低，成本高，价格贵等。这些问题解决后，复合材料的推广和应用将得到进一步发展。学习情境三学习情境三 复复 合材合材 料料学习情境三学习情境三 复复 合材合材 料料按复合材料增强剂的种类和结构形式的不同，复合材料可分为纤维增强复合材料、层叠增强复合材料和颗粒复合材料。三、常用复合材料及其应用学习情
31、境三学习情境三 复复 合材合材 料料（1）玻璃纤维增强复合材料。玻璃纤维增强复合材料是以玻璃纤维为增强剂，以树脂为黏结剂（基体）制成的，俗称玻璃钢。以尼龙、聚烯烃类、聚苯乙烯类等热塑性树脂为黏结剂制成的热塑性玻璃钢，具有较好的力学、耐热和抗老化性能，工艺性能也较好。与基体材料相比，玻璃纤维增强材料的强度和抗疲劳性能提高23倍以上，冲击韧度提高14倍，蠕变抗力提高25倍以上，达到或超过了某些金属的强度，可用于制造轴承、齿轮、仪表盘和壳体等零件。纤维增强复合材料纤维增强复合材料1.学习情境三学习情境三 复复 合材合材 料料以环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、有机硅树脂等热固性树脂为黏结剂制成的热固性玻
32、璃钢，具有密度小、强度高、耐蚀性及成形工艺性好的优点，可用于制造车身、船体、直升机旋翼等。（2）碳纤维增强复合材料。碳纤维增强复合材料有碳纤树脂复合、碳纤金属树脂复合、碳纤陶瓷树脂复合。与玻璃钢相比，碳纤维增强复合材料的强度、弹性模量高，密度小，因此它的比强度、比模量在现有复合材料中名列前茅。此外，碳纤维增强复合材料还有较高的冲击韧度和疲劳极限，优良的减磨性、导热性、耐蚀性和耐热性。碳纤维树脂复合材料广泛用于制造要求比强度、比模量高的飞行器结构件，如火箭喷嘴、喷气发动机叶片等，还可用于制造重型机械的轴瓦、齿轮、化工设备的耐蚀零件等。学习情境三学习情境三 复复 合材合材 料料学习情境三学习情境三
33、 复复 合材合材 料料层叠增强复合材料层叠增强复合材料2.层叠增强复合材料由两层或两层以上不同性质的材料结合而成，以达到改善强度、刚度、耐磨、耐蚀、绝热、隔音、减轻自重等性能的目的，如三层复合材料是由两层薄面板（或称为蒙皮）在中间夹一层轻而柔的材料构成的。面板一般由强度高、弹性模量大的材料组成，如金属板等；而夹层结构有泡沫塑料和蜂窝格子两大类。层叠增强复合材料的特点是密度小，刚度和抗压稳定性高，抗弯强度好，常用于航空、船舶、化工等工业，如制作船舶的隔板及冷却塔等。颗粒复合材料是一种或多种颗粒均匀分布在基体材料内制成的。颗粒起增强作用，一般颗粒直径为0.010.10 m。如果颗粒直径偏离这一数值
34、范围，则颗粒复合材料无法获得最佳增强效果。学习情境三学习情境三 复复 合材合材 料料颗粒复合材料颗粒复合材料3.学习情境三学习情境三 复复 合材合材 料料常见的颗粒复合材料有以下两类。（1）金属颗粒与塑料复合。将金属颗粒加入塑料中，可改善塑料的导热性、导电性，还能降低线膨胀系数等，如将铅粉加入氟塑料中，可作为轴承材料。（2）陶瓷颗粒与金属复合。陶瓷颗粒与金属复合即金属陶瓷。例如，氧化物金属陶瓷可用做高速切削刀具的材料及高温耐磨材料；钴基碳化钨（即硬质合金）可制造切削刀具；镍基碳化钛可用于制造火箭上的高温零件。学习情境四学习情境四 纳米材料及功能材料简介纳米材料及功能材料简介纳米材料（nanom
35、eter material）是指组成相或晶粒结构尺寸控制在100 nm以下的材料。纳米材料分为两个层次，即纳米超微粒子与纳米固体材料。纳米超微粒子是指尺寸为1100 nm的粒子，纳米固体材料是指由纳米超微粒子制成的材料。一、纳米材料学习情境四学习情境四 纳米材料及功能材料简介纳米材料及功能材料简介目前人们已经能够制备多种结构的纳米材料，如图9-3所示。其中，图9-3（a）是原子簇或由原子簇形成的纳米粒子，其长径比为1，因此其中包括纤维；图9-3（b）是在一个方向上改变成分或厚度的多层膜；图9-3（c）是颗粒膜；图9-3（d）是纳米相材料。图9-3 纳米材料结构示意图学习情境四学习情境四 纳米材
36、料及功能材料简介纳米材料及功能材料简介纳米材料中的原子排列是一种“气体状”固体结构，是一种介于固体（晶体）和分子间的亚稳态物质。因此，一些研究人员把纳米材料称为晶态、非晶态之外的第三态晶体材料。纳米材料的这种特殊结构使之产生四大效应，即小尺寸效应、量子效应（含宏观量子隧道效应）、表面效应和界面效应，从而具有传统材料所不具备的物理、化学性能，表现出独特的光、电、磁和化学特性。纳米材料的结构与性能纳米材料的结构与性能1.由于纳米材料颗粒尺寸极小，纳米材料的表面积比较大，处于表面上的原子数目的百分比显著增加。当材料颗粒直径只有1 nm时，原子将全部暴露在表面，因此，原子极易迁移，使其物理性能发生极大
37、变化。纳米材料特殊的物理性能特点如下。学习情境四学习情境四 纳米材料及功能材料简介纳米材料及功能材料简介学习情境四学习情境四 纳米材料及功能材料简介纳米材料及功能材料简介（1）纳米材料具有高比热、高电导率、高扩散率，对电磁波具有强吸收特性。根据这个特点可制造出具有特定功能的产品，如电磁波屏蔽、隐形飞机等。（2）纳米材料对光的反射能力非常低，仅为普通材料的1%。（3）气体在纳米材料中的扩散速度是在普通材料中的几千倍。（4）纳米材料力学性能成倍增加，具有高强度、高韧性及超塑性，如纳米铁材料的抗拉强度比一般钢铁材料高12倍。学习情境四学习情境四 纳米材料及功能材料简介纳米材料及功能材料简介（5）纳米
38、材料与生物细胞结合力较强，为人造骨质的应用拓宽了途径。（6）纳米材料熔点大大降低，如金的熔点是1 064，但颗粒直径为2 nm的金粉末熔点只有33。（7）纳米材料具有特殊的磁性，如颗粒直径为20 nm的铁粉，其矫顽力可增加1 000倍。纳米磁性材料的磁记录密度可比普通的磁性材料提高10倍。学习情境四学习情境四 纳米材料及功能材料简介纳米材料及功能材料简介纳米结构材料包括纯金属、合金、复合材料和结构陶瓷，具有良好的力学及热力学性能，可使构件质量大大减轻。纳米材料的应用纳米材料的应用2.1 1）纳米结构材料纳米结构材料学习情境四学习情境四 纳米材料及功能材料简介纳米材料及功能材料简介这类材料用于制
39、造高效的异质催化剂、气体敏感器及气体捕获剂，还可用于汽车尾气净化、环境保护、石油化工、新型洁净能源等领域。2 2）纳米催化、敏感、储氢材料纳米催化、敏感、储氢材料学习情境四学习情境四 纳米材料及功能材料简介纳米材料及功能材料简介3 3）纳米光学材料纳米光学材料纳米光学材料用于制作具有独特性能的光电子器件，如蓝光二极管、量子点激光器、单电子晶体管等。学习情境四学习情境四 纳米材料及功能材料简介纳米材料及功能材料简介4 4）纳米技术电子器件纳米技术电子器件纳米技术电子器件的性能大大优于传统的电子器件：工作速度快，纳米电子器件的工作速度是硅器件的1 000倍；功耗低，纳米电子器件的功耗仅为硅器件的1
40、/1 000；信息存储量大；体积小、质量轻，可使各类电子产品体积和质量大为减小。学习情境四学习情境四 纳米材料及功能材料简介纳米材料及功能材料简介5 5）纳米生物与医学材料纳米生物与医学材料用纳米SiO2微粒可进行细胞分离，用金的纳米粒子可进行定位病变治疗；还可利用纳米粒子研制成机器人，注入人体血管内，对人体进行全身健康检查，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，甚至还能吞噬病毒、杀死癌细胞等。学习情境四学习情境四 纳米材料及功能材料简介纳米材料及功能材料简介6 6）军事方面军事方面利用先进的纳米技术，将纳米机器人植入昆虫的神经系统中控制昆虫，飞向敌方搜集情报，或使敌方目标丧失功能。学习
41、情境四学习情境四 纳米材料及功能材料简介纳米材料及功能材料简介材料的电阻随温度降低而减小并最终出现零电阻的现象称为超导电现象，这类材料被称为超导材料。使电阻完全为零的最高温度定义为临界温度Tc，如水银的Tc为4.2 K（K为热力学温度）。近百年来，世界各国竞相开展超导材料的研究，新材料不断被发现，临界温度不断被提高，超导材料在各个领域的应用已展现出诱人的广阔前景。二、超导材料学习情境四学习情境四 纳米材料及功能材料简介纳米材料及功能材料简介材料进入超导状态时，表现出如下几方面的基本特性。超导材料的基本特性超导材料的基本特性1.学习情境四学习情境四 纳米材料及功能材料简介纳米材料及功能材料简介1
42、 1）零电阻零电阻在超导状态下，导体内的电阻完全为零。零电阻意味着电流在超导线圈内可永久流动，然而，这一电流密度有一定的限度，超过这个限定值超导电性立即消失，这个限定值定义为临界电流密度Jc。学习情境四学习情境四 纳米材料及功能材料简介纳米材料及功能材料简介2 2）抗磁性抗磁性在超导态下，磁力线不能进入超导体内部，导体内的磁场强度恒为零，感应电流只流过导体表面，超导体的这种性质称为完全抗磁性。学习情境四学习情境四 纳米材料及功能材料简介纳米材料及功能材料简介在超导材料的应用上，目前处于领先地位的是制造高磁场的超导磁体。它不但应用于实验室，而且在高能物理、受控核反应、磁流体发电机、输电、磁悬浮列
43、车、舰船推进、储能、医疗各领域得到应用。具体有以下几个方面。超导材料的应用超导材料的应用2.（1）超导受控热核反应堆。受控热核反应的实现将从根本上解决人类面临的能源危机。如果想建立热核聚变反应堆，利用核聚变能量来发电，首先必须建成大体积、高强度的大型磁场，只有超导磁体才能满足要求。用于制造核聚变装置中超导磁体的超导材料主要是Nb3Sn、Nb-Ti合金、NbN、Nb3Al、Nb3（Al、Ge）等。学习情境四学习情境四 纳米材料及功能材料简介纳米材料及功能材料简介1 1）开发新能源开发新能源（2）超导磁流体发电。磁流体发电是一种靠燃料产生高温等离子气体，使这种气体通过磁场而产生电流的发电方式。磁流
44、体发电机的主体主要由三部分组成，即燃烧室、发电通道和电极，其输出功率与发电通道体积及磁场强度的平方成正比。如果使用常规磁体，不仅磁场的大小受到限制，而且励磁损耗大，发电机产生的电能将有很大一部分被自身消耗掉，尤其是磁场较强时。而超导磁体可以产生较大磁场，且励磁损耗小，体积、重量也可以大大减小。学习情境四学习情境四 纳米材料及功能材料简介纳米材料及功能材料简介学习情境四学习情境四 纳米材料及功能材料简介纳米材料及功能材料简介2 2）节能方面节能方面（1）超导输电。超导体的零电阻特性引起人们极大的兴趣。以前超导材料临界温度较低，使它的实际应用受到限制。随着高温超导体的发现，超导传输电缆在电力传输系
45、统中得到了实际应用。（2）超导发电机、电动机和超导变压器。超导发电机、电动机的优点是小型，重量轻，输出功率高，损耗小。据计算，发电机、电动机、变压器采用超导材料线圈，磁感应强度可提高510倍。学习情境四学习情境四 纳米材料及功能材料简介纳米材料及功能材料简介（3）超导磁悬浮列车。超导磁悬浮列车是利用路面的超导线圈与列车上超导线圈磁场间的排斥力使列车悬浮起来，消除了普通列车车轮与轨道的摩擦力，使列车速度大大提高。（4）超导储能。由于超导体电阻为零，在其回路中通入电流，电流会永不衰减，因此可以将电能存储于超导线圈中。目前，超导储能的应用研究主要集中于两个方面：一方面，计划用直径几百米的巨大线圈储存
46、电力，供电网调峰用；另一方面是作为脉冲电源，如用做激光武器电源。学习情境四学习情境四 纳米材料及功能材料简介纳米材料及功能材料简介三、储氢材料 由于地球上的煤炭、石油、天然气资源日渐枯竭，氢能源的开发利用日益重要。氢的资源丰富，发热值高，不污染环境，但储存和运输难度很大，于是人类考虑用金属（或合金）储氢。在一定温度和压力条件下，许多金属（或合金）能与氢发生反应生成金属氢化物，从而将氢储存起来。金属与氢的反应是一个可逆过程。正向反应可吸氢、放热；逆向反应可释氢、吸热。适当改变温度与压力条件，可使金属与氢的反应按正向、逆向反复进行，实现材料的吸氢、释氢功能。当降低温度或升高平衡氢压到一定范围时，合
47、金吸氢，生成金属氢化物，同时放热；反之，金属氢化物分解，放出氢气，同时吸热。学习情境四学习情境四 纳米材料及功能材料简介纳米材料及功能材料简介金属储氢基本原理金属储氢基本原理1.学习情境四学习情境四 纳米材料及功能材料简介纳米材料及功能材料简介虽然许多金属（或合金）都能与氢发生反应生成金属氢化物，但只有那些吸氢能力强、金属氢化物生成温度及平衡氢压适当、吸氢和释氢速度快、传热性能好、价格便宜的金属（或合金）才有实用价值。目前已投入使用的储氢合金主要有镁系、稀土系和钛系几类。储氢合金的分类储氢合金的分类2.学习情境四学习情境四 纳米材料及功能材料简介纳米材料及功能材料简介1 1）镁系储氢合金镁系储
48、氢合金镁与镁基合金具有储氢量大、质量轻、资源丰富、价格低廉的优点，但其分解温度高（250 以上），吸氢、释氢速度慢。向镁中添加铜或镍，可加快氢化速度，降低氢化物的稳定性，降低释氢温度，但储氢量大大降低。稀土系储氢合金的代表材料是LaNi5，其主要优点是吸氢释氢容易、平衡压力低、抗杂质等，但成本高，限制了大规模应用。为了降低成本和改进性能，可用混合稀土取代LaNi5中的镧以及用其他金属置换部分混合稀土和镍，这种合金称为多元稀土储氢合金。学习情境四学习情境四 纳米材料及功能材料简介纳米材料及功能材料简介2 2）稀土系储氢合金稀土系储氢合金钛系储氢合金主要包括钛铁系合金及钛锰系合金。TiFe可在室温
49、与氢反应，室温下的释氢压力不到1 Mpa，且价格便宜。主要缺点是活化困难，抗杂质气体中毒能力差，反复吸氢、释氢后性能下降。用过渡族金属置换TiFe中的部分铁，形成三元合金，可改善活化性能。TiMn1.5在室温下即可活化，吸氢、释氢性能均较好。向Ti-Mn合金中加入其他合金元素（如铁、钴、镍、钼、铬、锆、钨等），可改善储氢性能。学习情境四学习情境四 纳米材料及功能材料简介纳米材料及功能材料简介3 3）钛系储氢合金钛系储氢合金学习情境四学习情境四 纳米材料及功能材料简介纳米材料及功能材料简介用储氢合金作为储氢容器具有质量轻、体积小的优点。其次，用储氢合金储氢无须高压和储存液氢的极低温设备和绝热措施
50、，节省能量，安全可靠。储氢合金的应用储氢合金的应用3.1 1）作为储运氢气的容器作为储运氢气的容器用储氢合金制造储氢燃料电池作为车辆动力源，这类车辆称为氢能汽车。氢能汽车离我们的生活越来越近，如美国通用汽车公司生产的氢动力一号和上海生产的氢动力汽车已经接近实用化程度。当前的主要问题是储氢材料的质量比汽油箱质量大得多，影响汽车速度。但氢的热效率高于汽油，而且无燃烧污染，这使得氢能汽车的前景被十分看好。学习情境四学习情境四 纳米材料及功能材料简介纳米材料及功能材料简介2 2）氢能汽车氢能汽车学习情境四学习情境四 纳米材料及功能材料简介纳米材料及功能材料简介3 3）分离、回收氢分离、回收氢为了有效分
