第八章 新材料简介.ppt

1、2019/6/2,材料科学与工程导论,2019/6/2,第八章 新材料简介,新材料简介,2019/6/2,内容简介：本章简要介绍了六种新材料：纳米材料、超导材料、生物材料、智能材料、非晶态合金和形状记忆材料。 本章重点： 2.1 各种新材料的发展和应用； 2.3 纳米材料的制备、生物材料应具备的基本性能； 2.4智能材料的设计思路、非晶态合金的工作原理,2019/6/2,概述,新材料是指最近发展或正在发展之中的具有传统材料无法比拟的特殊功能和效用、或优异性能的材料。新材料的种类很多，本章简要介绍了六种新材料：纳米材料、超导材料、生物材料、智能材料、非晶态合金和形状记忆材料。,2019/6/2,

2、第二节 超导材料,第三节 生物材料,第五节 非晶态合金,第四节 智能材料,章目录,第一节 纳米材料,8.1 纳米材料,学习目标：1.了解纳米材料的特点及制备方法；2.掌握纳米材料的应用；,2019/6/2,一、 纳米材料的制备方法 纳米粉体的制备纳米粉体也称超微粒子，是一类介于固体和分子之间的、具有极小粒径(1100nm)的亚稳态中间物质。,2019/6/2,纳米材料,纳米块材料的制备的新技术 真空 热等静压 微波烧结 等离子体,纳米块材料的制备由于纳米粉体具有巨大的比表面积，使作为粉体烧结驱动力的表面能剧增，扩散速率增大，扩散路径变短，烧结活化能降低，烧结速率加快，这就降低了材料烧结所需的温

3、度，缩短了材料的烧结时间,2019/6/2,纳米材料,二、纳米材料的性质和应用纳米材料性质：纳米材料是一种多晶体，其中每个晶粒的直径是纳米数量级。 纳米材料可以显示出较好的超塑性及强度。具有均匀的光吸收特性；纳米复合复合陶瓷材料的主要力学性能,2019/6/2,纳米材料,纳米材料应用： 传感器是超微粒最有前途的应用领域之一 ； 将纳米微粒作为引发剂也是很有应用前景的；纳米科学与技术的发展，已为现代材料的开发带来了一场新的革命。可以预计，今后纳米材料的发展将是日新月异、不可阻挡的。,2019/6/2,纳米材料,8.2 超导材料,2019/6/2,学习目标：1.了解超导材料的特点及分类2.掌握超导

4、材料的应用及新开发；,超导材料主要可分为：超导元素、超导合金、陶瓷超导体和聚合物超导体四大类。,2019/6/2,超导材料,一、超导材料的分类：,超导材料按其化学组成可分为：元素超导体合金超导体化合物超导体和氧化物超导体,。,2019/6/2,超导材料,二、超导材料的应用 ：, 开发新能源 节能方面 超导磁悬浮列车 超导贮能 在研究领域 在医学和生物学方面的应用,8.3 生物材料,2019/6/2,学习目标：1. 掌握生物材料的特点及分类2.了解生物材料的应用范围；,。,2019/6/2,生物材料,一、生物材料的分类, 无机非金属材料 高分子材料 金属材料 复合材料, 高分子材料 用于医用高分

5、子材料,2019/6/2,生物材料,二、各生物材料的特点：, 无机非金属材料其特点是在人体内化学稳定性好，组织相容性好，抗压强度高，易于高温消毒等。, 复合材料 通过多相材料的组合，使复合材料具有原有组成材料所不具备的优良性能。比如高弹性模量、高刚性的陶瓷材料与低弹性模量、柔软的高分子材料相组合，可制得力学性能与人骨特性近似的骨修复材料。,2019/6/2,生物材料, 金属材料 金属材料具有许多优越的性能。如较高的强度、良好的韧性等，在整形外科中起着重要作用。但其缺点是耐蚀和生物相容性差。,8.4 智能材料,2019/6/2,学习目标：1. 掌握智能材料的特点及分类2. 了解智能材料的应用范围

6、；,2019/6/2,智能材料,一、智能材料的概况 1、智能材料的含义智能材料是指能感知外部刺激、能判断并适当处理且本身可执行的材料。智能材料是集传感功能、处理功能和执行功能为一体的新型功能材料。,2019/6/2,智能材料,2、智能材料的应用 由于智能材科和系统的性能可随环境而变化，其应用前景十分广泛。,例: 高技术汽车中采用了许多灵巧系统，如空气-燃料氧化装置和压电雨滴传感器等，增加了使用功能 .智能卫生间能分析尿样，作出早期诊断;,2019/6/2,智能材料,二、智能材料与仿生 与智能材料设计的思路有关的几种因素:,材料开发的历史，结构材料功能材料智能材料。 人工智能计算机的影响，也就是

7、生物计算机的未来模式、学习计算机、三维识别计算机对材料提出的新要求。 从材料设计的角度考虑智能材料的制造。,2019/6/2,智能材料,软件功能引入材料。对材料的期望。能量的传递。,材料具有时间轴的观点，如寿命预告功能、自修复功能，甚至学习、自增殖和自净化功能，因外部刺激时间轴可对应作出积极自变的动态响应，即仿照生物体所具有的功能。,2019/6/2,智能材料,三、功能材料的智能化功能材料的智能化将生物体组织所具有的智能型刺激响应功能引入工业材料。例如：日本的研究与开发集中于运动功能材料、分离功能材料和释放功能材料。,2019/6/2,智能材料,四、结构材料的智能化陶瓷及其复合材料经常被用作结

8、构材料。但由于可靠性低而使其应用受到局限陶瓷承受应力时会因裂缝的扩展而引起其前端应力集中导致破坏。陶瓷的力学性质难于确保，而寿命预测又困难。陶瓷材料可靠性取决于： 确立能测定微细结构的非破坏性检验方法； 建立断裂行为解析为基础的可靠性试验法； 分散增强，纤维增强和层压等复合增韧。,2019/6/2,智能材料,五、自诊断效应及自愈合陶瓷材料自诊断也就是内部诊断，要是指依靠材料内部的组分或结构的变化所产生的信号而进行诊断的方法，诊断的内容包括应力状态、应变量、相交、缺陷或裂纹发展过程等。理想的自诊断方法应是所复合的纤维不仅具有增韧机制，并且具备损伤传感功能。,2019/6/2,智能材料,自诊断和自

9、愈合材料的新思路： 高温下陶瓷涂层的自动成膜机制 高温陶瓷的高温氧化自适应性 氧化锆自增韧陶瓷 自愈合混凝土,8.5 非晶态合金,2019/6/2,学习目标：1、了解非晶态合金的制造方法；2、掌握非晶态合金的结构及性能；,2019/6/2,非晶态合金,一、非晶态合金的制造方法：,历史回顾： 早在上世纪30年代，克达默就宣布过用汽相沉积方法制备出一系列的非晶态金属薄膜； 1947年布雷纳等人又利用电沉积方法获得非晶态Ni-P合金； 1959年由杜沃兹等人发明了能以超过106秒急冷速度将Au-Si合金熔液制成非晶态金属箔片；,2019/6/2,非晶态合金,目前制备非晶态合金的方法大致可以分为三种：

10、,液态淬火法要制备出非晶态合金，关键问题是使合金快速冷却。每种金属或合金都有各自的临界冷却速度Rc。目前，许多材料在Rc107/秒下就可制成薄带。淀 积 法将金属材料汽化成为蒸气再淀积在冷底板上而获得非晶态合金。它提供了一种使金属材料直接从气相转变为固相的淬火速度很高的方法。,2019/6/2,非晶态合金,二、非晶态合金的原子结构 实验研究的结果 非晶态结构模型 非晶态合金的亚稳结构,无规密堆硬球模型,微晶模型,2019/6/2,非晶态合金,三、非晶态合金的特异性能 强韧兼蓄的力学性能 高电阻、低温度系数的电学性能 高导磁、低铁损的软磁特性 耐强酸、强碱腐蚀的化学特性,韧性和脆化,强度和硬度,

11、形变与断裂,8.6 形状记忆材料,2019/6/2,学习目标：1、掌握形状记忆合金的单程记忆效应和双程记忆效应。2、了解形状记忆材料的用途；,2019/6/2,形状记忆材料,一、形状记忆的含义：形状记忆是指具有初始形状的制品变形后，通过加热等手段又回复到初始形状的功能。最初具有形状记忆功能的材料是一些合金材料，如Ti-Ni合金。,已发现具有形状记忆效应的合金有： Ti-Ni、Ti-Nb、Ti-Ni-x(Fe，Cu)； Au-Cd、Au-Cu-Zn； Cu-Zn、Cu-Zn-A1、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Ni、Cu-Zn-Si、Cu-Zn-Ga、Cu-A1、Cu-A1-Ni、Cu-Al-M

12、n、Cl-A1-Si； Ag-Cd、Ag-Zn-Cd、Ag-Zn； Ni-Al、Ni-Al-Co、Ni-Al-Ga、Ni-Al-Ti； Co、Co-Ni； Fe-Ni、Fe-Ni-Ti-Co、Fe-Mn、Fe-Mn-C、304型不锈钢和Fe-Pt等。,2019/6/2,形状记忆材料,形状记忆效应分为两种。材料在高温下制成某种形状，在低温下将其任意变形，若将其加热到高温，材料恢复高温下的形状，但重新冷却时材料不能恢复低温时的形状，这是单程记忆效应；若低温下材料仍能恢复低温下的形状，就是双程记忆效应。,2019/6/2,形状记忆材料,二、形状记忆高分子材料,形状记忆高分子材料结构 ：固定成品形状的固定相 ；在某种温度下能可逆地发生软化和固化的可逆相 ；,形状记忆高分子材料应用范围 ：在医疗、包装材料、建筑、玩具、运动用品及传感元件等方面； 在建筑、施工方面，可作为热收缩管，用于异径管的接合材料 ；,2019/6/2,形状记忆材料,本 章 小 结新材料是指最近发展或正在发展之中的具有传统材料无法比拟的特殊功能和效用、或优异性能的材料。新材料的种类很多，本章简要介绍了六种新材料：纳米材料、超导材料、生物材料、智能材料、非晶态合金和形状记忆材料。,