新材料化學(xué)1

1、第六章 新材料化學(xué),新材料是指新近發(fā)展的或正在研發(fā)的、性能超群的一些材料，具有比傳統(tǒng)材料更為優(yōu)異的性能。新材料技術(shù)則是按照人的意志，通過物理研究、 材料設(shè)計(jì)、材料加工、試驗(yàn)評價(jià)等一系列研究過程，創(chuàng)造出能滿足各種需要的新型材料的技術(shù)。,,,,,第六章 新材料化學(xué),第一節(jié) 納米材料,,第二節(jié) 復(fù)合材料,第三節(jié) 生物材料,第四節(jié) 智能材料,第五節(jié) 新能源材料,第一節(jié) 納米材料,一、納米材料概述二、納米材料的主要制備方法

2、三、納米材料的應(yīng)用領(lǐng)域,第一節(jié) 納米材料,一、納米材料概述納米材料又稱為超微顆粒材料，由納米粒子組成。納米粒子也叫超微顆粒，一般是指尺寸在1～100nm間的粒子，是處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區(qū)域。從通常的關(guān)于微觀和宏觀的觀點(diǎn)看，這樣的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng)，是一種典型人介觀系統(tǒng)，它具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。,原子排成的“原子”字樣,1nm=1/10億米，10個(gè)氫原子緊密排列，20nm是頭發(fā)絲

3、直徑的3000分之一,第一節(jié) 納米材料,納米材料的基本特性：1. 量子尺寸效應(yīng)2. 表面效應(yīng)3.小尺寸效應(yīng)4.宏觀量子隧道效應(yīng),第一節(jié) 納米材料,1.表面效應(yīng),第一節(jié) 納米材料,2.小尺寸效應(yīng)金屬納米固體材料的電阻增大與臨界尺寸現(xiàn)象歸因于小尺寸效應(yīng)。當(dāng)顆粒尺寸與電子運(yùn)動(dòng)的平均自由程可比擬或更小時(shí)，小尺寸效應(yīng)不容忽視。界面散射為主因。,第一節(jié) 納米材料,3.量子尺寸效應(yīng) 當(dāng)納米顆粒尺寸小到一定程

4、度時(shí)，費(fèi)米面附近電子能級的離散性非常顯著，量子尺寸效應(yīng)不容忽視，最后導(dǎo)致低溫下導(dǎo)體向絕緣體的轉(zhuǎn)變,第一節(jié) 納米材料,4.宏觀量子隧道效應(yīng) 隧道效應(yīng)是基本的量子現(xiàn)象之一，即當(dāng)微觀粒子的總能量小于勢壘高度時(shí)，該粒子仍能穿越這一勢壘。近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量如微顆粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量及電荷也具有隧道效應(yīng)，他們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢阱而產(chǎn)生變化，故稱之為宏觀量子隧道效應(yīng)。,第一節(jié) 納米材料,由于納米材料的組織粒子

5、極其小，其中所包含的原子個(gè)數(shù)極少、質(zhì)量極輕，許多物理和化學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)就不能用宏觀上塊狀物質(zhì)的性質(zhì)來描述，而是出現(xiàn)一些“反?，F(xiàn)象”。（1）光學(xué)性質(zhì)（2）力學(xué)性質(zhì)（3）熱學(xué)性質(zhì)（4）磁學(xué)性質(zhì),第一節(jié) 納米材料,（1）光學(xué)性質(zhì)1、寬頻帶強(qiáng)吸收 當(dāng)尺寸減小到納米級時(shí)，各種金屬納米微粒幾乎都呈黑色，它們對可見光的反射率極低。這就是納米材料的強(qiáng)吸收率、低反射率。 例如，鉑金納米粒子的反射率為1%。 納米氮化硅

6、、碳化硅及三氧化二鋁對紅外有一個(gè)寬頻帶強(qiáng)吸收譜。,第一節(jié) 納米材料,2、納米微粒分散物系的光學(xué)性質(zhì)和發(fā)光效應(yīng) 納米微粒分散于介質(zhì)中形成分散物系（溶膠），納米微粒稱為膠體（或分散相）。 由于在溶膠中膠體的高分散性和不均勻性，使得分散物系具有特殊的光學(xué)特性，例如丁達(dá)爾效應(yīng)。丁達(dá)爾效應(yīng)——如果讓一束聚集的光線通過分散物系，在入射光的垂直方向上可以看到一個(gè)發(fā)光的圓錐體。 另外，當(dāng)納米微粒的尺寸小到一定值時(shí)，

7、可在一定波長的光激發(fā)下發(fā)光。這是載流子的量子限域效應(yīng)引起的。,第一節(jié) 納米材料,,（2）力學(xué)性質(zhì) 金屬納米材料和陶瓷納米材料有著比一般材料更高的強(qiáng)度和硬度，甚至大部分陶瓷綱米材料也具有良好的塑性和韌性。如A12O3基體中加入納米SiC晶粒制成的陶瓷材料，其最高強(qiáng)度大于1500MPa，最高使用溫度也可以原來的800℃提高到1200 ℃，納米Ag微粒只要低于373K就開始熔化，而常規(guī)Ag的熔點(diǎn)卻在1173K左右。,第一節(jié) 納米材

8、料,（3）熱學(xué)性質(zhì),納米微粒的熔點(diǎn)、燒結(jié)溫度和晶化溫度均 比常規(guī)粉體低得多。這是納米微粒量子效應(yīng)造成的。,第一節(jié) 納米材料,（4）磁學(xué)性質(zhì),納米微粒的小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)，使其具有常規(guī)粗晶材料不具備的磁特性。 主要表現(xiàn)為：超順磁性、矯頑力、居里溫度和磁化率。,第一節(jié) 納米材料,超順磁狀態(tài)的起因： 由于小尺寸下，當(dāng)各向異性能減小到與熱運(yùn)動(dòng)能可相

9、比時(shí)，磁化方向就不再固定在一個(gè)易磁化方向，易磁化方向作無規(guī)律的變化，結(jié)果導(dǎo)致超順磁性的出現(xiàn)。 例如，粒徑為85nm的納米鎳Ni微粒，矯頑力很高，而當(dāng)粒徑小于15nm時(shí)，其矯頑力Hc→0，即進(jìn)入了超順磁狀態(tài)。,第一節(jié) 納米材料,二、納米材料的主要制備方法1、物理方法(1)真空冷凝法 用真空蒸發(fā)、加熱、高頻感應(yīng)等方法使原料氣化或形成等離子體，然后驟冷。其特點(diǎn)純度高、結(jié)晶組織好、粒度可控，但技術(shù)設(shè)備要求高。 (2)物理粉碎

10、法 通過機(jī)械粉碎、電火花爆炸等方法得到納米粒子。其特點(diǎn)操作簡單、成本低，但產(chǎn)品純度低，顆粒分布不均勻。,第一節(jié) 納米材料,(3)機(jī)械球磨法 采用球磨方法，控制適當(dāng)?shù)臈l件得到純元素納米粒子、合金納米粒子或復(fù)合材料的納米粒子。其特點(diǎn)操作簡單、成本低，但產(chǎn)品純度低，顆粒分布不均勻。,第一節(jié) 納米材料,2. 化學(xué)方法 (1)氣相沉積法 利用金屬化合物蒸氣的化學(xué)反應(yīng)合成納米材料。其特點(diǎn)產(chǎn)品純度高，粒度分布窄。(2)沉淀法 把沉淀劑加入到鹽

11、溶液中反應(yīng)后，將沉淀熱處理得到納米材料。其特點(diǎn)簡單易行，但純度低，顆粒半徑大，適合制備氧化物。 (3)水熱合成法 高溫高壓下在水溶液或蒸汽等流體中合成，再經(jīng)分離和熱處理得納米粒子。其特點(diǎn)純度高，分散性好、粒度易控制。,第一節(jié) 納米材料,三、納米材料的應(yīng)用領(lǐng)域 由于納米微粒的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，使得它在磁、光、電、敏感等方面呈現(xiàn)常規(guī)材料不具備的特性，因此納米微粒在磁性材料、傳感、醫(yī)學(xué)、傳感、

12、軍事等方面有廣泛的應(yīng)用。 1、納米技術(shù)在微電子學(xué)上的應(yīng)用 2、納米技術(shù)在光電領(lǐng)域的應(yīng)用 3、納米技術(shù)在化工領(lǐng)域的應(yīng)用 4、納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 5、納米技術(shù)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用,第一節(jié) 納米材料,1. 納米技術(shù)在微電子學(xué)上的應(yīng)用 ——原理　納米電子學(xué)的主要思想是基于納米粒子的量子效應(yīng)來設(shè)計(jì)并制備納米量子器件 ——目標(biāo)　將集成電路

13、進(jìn)一步減小，研制出由單原子或單分子構(gòu)成、能在室溫使用的各種器件。早在1989年，IBM公司的科學(xué)家已利用隧道掃描顯微鏡上的探針，成功地移動(dòng)了氙原子，并利用它拼成了IBM三個(gè)字母。美國威斯康星大學(xué)已制造出可容納單個(gè)電子的量子點(diǎn)。在一個(gè)針尖上可容納這樣的量子點(diǎn)幾十億個(gè)。利用量子點(diǎn)可制成體積小、耗能少的單電子器件，在微電子和光電子領(lǐng)域?qū)@得廣泛應(yīng)用,第一節(jié) 納米材料,2.納米技術(shù)在光電領(lǐng)域的應(yīng)用 ——原理　納米激光器的微小尺寸可使光子被

14、限制在少數(shù)幾個(gè)狀態(tài)上，而低音廊效應(yīng)則使光子受到約束，直到所產(chǎn)生的光波累積起足夠多的能量后透過此結(jié)構(gòu)。其結(jié)果是激光器達(dá)到極高的工作效率，而能量閾則很低。納米激光器實(shí)際上是一根彎曲成極薄面包圈的形狀的光子導(dǎo)線，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，納米激光器的大小和形狀能夠有效控制它發(fā)射出的光子的量子行為，從而影響激光器的工作。,第一節(jié) 納米材料,——應(yīng)用?。?）提高效率：納米激光器工作時(shí)只需約100微安的電流。最近，科學(xué)家把光子導(dǎo)線縮小到只有五分之一立方微米體積

15、內(nèi)。在這一尺度上，此結(jié)構(gòu)的光子狀態(tài)數(shù)少于10個(gè)，接近了無能量運(yùn)行所要求的條件，但是光子的數(shù)目還沒有減少到這樣的極限上。最近，麻省理工學(xué)院的研究人員把被激發(fā)的鋇原子一個(gè)一個(gè)地送入激光器中，每個(gè)原子發(fā)射一個(gè)有用的光子。,第一節(jié) 納米材料,（2）速度極快　由于只需要極少的能量就可以發(fā)射激光，這類裝置可以實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)開關(guān)。已經(jīng)有一些激光器能夠以快于每秒 鐘200億次的速度開關(guān)，適合用于光纖通信。由于納米技術(shù)的迅速發(fā)展，這種無能量閾納米激光器的

16、實(shí)現(xiàn)將指日可待。,第一節(jié) 納米材料,——評價(jià)　納米技術(shù)的發(fā)展，使微電子和光電子的結(jié)合更加緊密，在光電信息傳輸、存貯、處理、運(yùn)算和顯示等方面，使光電器件的性能大大提高。將納米技術(shù)用于現(xiàn)有雷達(dá)信息處理上，可使其能力提高10倍至幾百倍，甚至可以將超高分辨率納米孔徑雷達(dá)放到衛(wèi)星上進(jìn)行高精度的對地偵察。但是要獲取高分辨率圖像，就必需先進(jìn)的數(shù)字信息處理技術(shù)?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，將光調(diào)制器和光探測器結(jié)合在一起的量子阱自電光效應(yīng)器件，將為實(shí)現(xiàn)光學(xué)高速數(shù)學(xué)運(yùn)算

17、提供可能。,第一節(jié) 納米材料,3.納米技術(shù)在化工領(lǐng)域的應(yīng)用 ——光催化劑　納米粒子作為光催化劑有許多優(yōu)點(diǎn)。（1）粒徑小，比表面大，光催化效率高。（2）納米粒子生成的電子、空穴在到達(dá)表面之前，大部分不會(huì)重新結(jié)合。電子、空穴能夠到達(dá)表面的數(shù)量多，故化學(xué)反應(yīng)活性高。（3）納米粒子分散在介質(zhì)中往往具有透明性，容易運(yùn)用光學(xué)手段和方法來觀察界面間的電荷轉(zhuǎn)移、質(zhì)子轉(zhuǎn)移、半導(dǎo)體能級結(jié)構(gòu)與表面態(tài)密度的影響。例1，工業(yè)上利用納米二氧

18、化鈦-三氧化二鐵作光催化劑，用于廢水處理（含SO32-或 Cr2O72-系統(tǒng)），已取得了很好的效果。,第一節(jié) 納米材料,例2，用沉淀溶出法制備出的粒徑約30nm?60nm的白色球狀鈦酸鋅粉體，比表面大、化學(xué)活性高，用它作吸附脫硫劑，較固相燒結(jié)法制備的鈦酸鋅粉體效果明顯提高——納米靜電屏蔽材料　是納米技術(shù)的另一重要應(yīng)用。優(yōu)點(diǎn)（1）　靜電屏蔽材料一般由樹脂摻加碳黑噴涂而成，用有半導(dǎo)體特性的納米氧化物粒子如Fe2O3、TiO2、ZnO做成

19、涂料，由于具有較高的導(dǎo)電特性，能起到靜電屏蔽作用。（2）氧化物納米微粒的顏色各種各樣，可通過復(fù)合控制靜電屏蔽涂料的顏色，克服了碳黑靜電屏蔽涂料只有單一顏色的單調(diào)性。,第一節(jié) 納米材料,——遮蔽紫外線?。?）將納米TiO2粉體加到化妝品中，可有效地遮蔽紫外線。（2）用添加0.1%?0.5%的納米二氧化鈦制成的透明塑料包裝食品，可防止紫外線對食品的破壞，還可使食品保持新鮮。（3）金屬納米粒子摻雜到化纖制或紙張中，可大大降低靜電作用

20、 ——納米反應(yīng)器　利用納米碳管獨(dú)特的孔狀結(jié)構(gòu)，大的比表面，較高的機(jī)械強(qiáng)度做成納米反應(yīng)器，該反應(yīng)器能夠使化學(xué)反應(yīng)局限于一個(gè)很小的范圍內(nèi)進(jìn)行。在納米反應(yīng)器中，反應(yīng)物在分子水平上有一定的取向和有序排列，同時(shí)限制了反應(yīng)物分子和中間體的運(yùn)動(dòng),第一節(jié) 納米材料,納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 RNA線度在15nm~20nm之間，生物體內(nèi)的多種病毒也是納米粒子。10nm以下的粒子比血液中的紅血球還要小，可在血管中自由流動(dòng)。將超微粒子注入

21、到血液中，輸送到人體的各個(gè)部位，作為監(jiān)測和診斷疾病的手段。已成功利用納米SiO2微粒進(jìn)行了細(xì)胞分離，用金的納米粒子進(jìn)行定位病變治療，以減少副作用。利用納米顆粒作為載體的病毒誘導(dǎo)物已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展，已用于臨床動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。,第一節(jié) 納米材料,納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 研究納米技術(shù)在生命醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，可以在納米尺度上了解生物大分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其與功能的關(guān)系，獲取生命信息?？茖W(xué)家們設(shè)想利用納米技術(shù)制造出分子機(jī)器人，

22、在血液中循環(huán)，對身體各部位進(jìn)行檢測、診斷，并實(shí)施特殊治療，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動(dòng)脈脂肪沉積物，甚至可以用其吞噬病毒，殺死癌細(xì)胞。這樣，在不久的將來，被視為當(dāng)今疑難病癥的愛滋病、高血壓、癌癥等都可能被攻克，從而將使醫(yī)學(xué)研究發(fā)生一次革命,第一節(jié) 納米材料,納米技術(shù)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用 ——納米電腦　可人—機(jī)對話并具有自我復(fù)制能力的納米裝置 ——軍事方面　昆蟲作平臺(tái)，分子機(jī)器人植入

23、昆蟲的神經(jīng)系統(tǒng)中控制昆蟲飛向敵方收集情報(bào)，使目標(biāo)喪失功能 ——分子傳感器和探測器 ——仿生納米材料　制作人的牙齒、關(guān)節(jié)。藥物儲(chǔ)存在碳納米管中，通過一定的機(jī)制激發(fā)藥劑的釋放，可控藥劑有希望變?yōu)楝F(xiàn)實(shí),第一節(jié) 納米材料,——利用碳納米管來制作儲(chǔ)氫材料，用作燃料汽車的燃料“儲(chǔ)備箱”。利用納米顆粒膜的巨磁阻效應(yīng)研制高靈敏度的磁傳感器；利用具有強(qiáng)紅外吸收能力的納米復(fù)合系統(tǒng)制備紅外隱身材料，都

24、是很具有應(yīng)用前景的技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域 ——評價(jià)　納米尺寸左右和納米以下的結(jié)構(gòu)將是下一階段科技發(fā)展的特點(diǎn)，會(huì)是一次技術(shù)革命，將是21世紀(jì)的又一次產(chǎn)業(yè)革命,第二節(jié) 復(fù)合材料,一、復(fù)合材料概述二、復(fù)合材料的分類三、復(fù)合材料的應(yīng)用,第二節(jié) 復(fù)合材料,一、復(fù)合材料概述復(fù)合材料的定義：國際標(biāo)準(zhǔn)化組織：由兩種以上在物理和化學(xué)上不同的物質(zhì)組合起來而得到的一種多相固體材料 《材料大詞典》 ：復(fù)合材料是根據(jù)應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)，把兩種以上

25、的有機(jī)聚合物材料或無機(jī)非金屬材料或金屬材料組合在一起，使其性能互補(bǔ)，從而制成的一類新型材料。,第二節(jié) 復(fù)合材料,復(fù)合材料的特點(diǎn)： 1） 復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性能的材料組元通過宏觀或微觀復(fù)合形成的一種新型材料，組元之間存在著明顯的界面；2） 復(fù)合材料中各組元不但保持各自的固有特性，而且可最大限度發(fā)揮各種材料組元的特性，并賦予單一材料組元所不具備的優(yōu)良特殊性能；3）復(fù)合材料具有可設(shè)計(jì)性?？梢愿鶕?jù)使用條件要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和制

26、造，以滿足各種特殊用途，從而極大地提高工程結(jié)構(gòu)的效能。,第二節(jié) 復(fù)合材料,二、復(fù)合材料的分類復(fù)合材料的兩種主要成分：基體材料和增強(qiáng)體材料,按基體相的性質(zhì)分,鋁基復(fù)合材料鈦基復(fù)合材料銅基復(fù)合材料,塑料基復(fù)合材料橡膠基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料,第二節(jié) 復(fù)合材料,按增強(qiáng)相的形態(tài)分,纖維增強(qiáng)塑料（玻璃鋼）纖維增強(qiáng)橡膠（輪胎）　纖維增強(qiáng)陶瓷　　　　　纖維增強(qiáng)金屬,金屬陶瓷　　　　　　彌散強(qiáng)化金屬,雙層金屬復(fù)合材料　　　　　　三層復(fù)合材料,第二

27、節(jié) 復(fù)合材料,纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料,疊層復(fù)合材料,第二節(jié) 復(fù)合材料,三、復(fù)合材料的應(yīng)用1、聚合物基復(fù)合材料：以聚合物為基體的復(fù)合材料。根據(jù)基體材料不同分類：1）熱固性樹脂復(fù)合材料的制造方法 手糊成型法、噴射成型法、模壓成型法、注射成型法、RTM成型法(注射成型法)等。2）熱塑性復(fù)合材料的制造方法 模壓成型法、注射成型法、RTM成型法、真空熱壓成型法、纏繞成型法等。,第二節(jié) 復(fù)合材料,2

28、、應(yīng)用 聚合物基復(fù)合材料是目前應(yīng)用最廣、消耗量最大的一類，它被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)生產(chǎn)、航空航天、化工冶金、現(xiàn)代戰(zhàn)爭幾乎所有領(lǐng)域。如美國先進(jìn)的第四代戰(zhàn)斗機(jī)上聚合物基復(fù)合材料用量達(dá)24%~25%，直升機(jī)用量高達(dá)46%，而歐洲戰(zhàn)斗機(jī)的復(fù)合材料用量高達(dá)40%。,第二節(jié) 復(fù)合材料,3、金屬基復(fù)合材料 航空航天用先進(jìn)武器系統(tǒng)的迅速發(fā)展對材料的耐熱性和其他性能要求日益提高，與聚合物基復(fù)合材料比，金屬基復(fù)合材料有許多不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，

29、如工作溫度高、不易燃燒、導(dǎo)電導(dǎo)熱、穩(wěn)定性好、抗電磁干擾、抗輻射性好。幫以金屬或合金為基體，以高性能的第二相為增強(qiáng)體的金屬基復(fù)合材料成為最有發(fā)展前景和廣泛用途的新型材料。 充當(dāng)基體材料的金屬一般有鋁基、鎳基、鈦基、鎂基、銅基、高溫基、難熔金屬基。 充當(dāng)增強(qiáng)體的主要有纖維、晶須、顆粒，主要有碳纖維、硼纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維、石墨顆粒、碳化硅顆粒等。,第二節(jié) 復(fù)合材料,這是美國歷時(shí)10年，花費(fèi)73億美元研制出的

30、B-2隱形戰(zhàn)略轟炸機(jī)（見圖）。它這所以能夠隱形并躲避雷達(dá)的監(jiān)控是因?yàn)樵贐-2機(jī)身上涂著一層復(fù)合材料，能吸收雷達(dá)波，使反射波減弱甚至不反射雷達(dá)波，從而達(dá)到隱身的目的，這種復(fù)合材料主要是由碳、硼、玻璃纖維等與金屬復(fù)合構(gòu)成，其密度低、力學(xué)性能好，既能吸收紅外信號(hào)又能吸收雷達(dá)波信號(hào)，故可用在飛機(jī)蒙皮、雷達(dá)天線罩等構(gòu)件上。,B-2 隱形戰(zhàn)略轟炸機(jī),第二節(jié) 復(fù)合材料,3、陶瓷基復(fù)合材料　　　陶瓷基復(fù)合材料是以陶瓷為基體與各種纖維復(fù)合的一類復(fù)

31、合材料。陶瓷基體可為氮化硅、碳化硅等高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。這些先進(jìn)陶瓷具有耐高溫、高強(qiáng)度和剛度、相對重量較輕、抗腐蝕等優(yōu)異性能，而其致命的弱點(diǎn)是具有脆性，處于應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生裂紋，甚至斷裂導(dǎo)致材料失效。而采用高強(qiáng)度、高彈性的纖維與基體復(fù)合，則是提高陶瓷韌性和可靠性的一個(gè)有效的方法。纖維能阻止裂紋的擴(kuò)展，從而得到有優(yōu)良韌性的纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料。,第二節(jié) 復(fù)合材料,陶瓷基復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐高溫性能，主要用作高溫及耐磨制品。其最高使用溫度主

32、要取決于基體特征。陶瓷基復(fù)合材料已實(shí)用化或即將實(shí)用化的領(lǐng)域有刀具、滑動(dòng)構(gòu)件、發(fā)動(dòng)機(jī)制件、能源構(gòu)件等。法國已將長纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料應(yīng)用于制造高速列車的制動(dòng)件，顯示出優(yōu)異的摩擦磨損特性，取得滿意的使用效果。,第二節(jié) 復(fù)合材料,2008年9月25日，神舟７號(hào)載人飛船成功發(fā)射．我國宇航員身穿中國自行研制的艙外航天服進(jìn)行了出艙太空行走．據(jù)報(bào)道，航天服從內(nèi)而外分多層，有棉布織成的舒適層，特種橡膠制成的備份氣密層，復(fù)合材料制成的主氣密層，以及特

33、種滌淪面料制成的保護(hù)層等。,第三節(jié) 生物材料,一、生物材料概述二、醫(yī)用金屬材料三、生物醫(yī)用無機(jī)非金屬材料四、醫(yī)用高分子材料五、生物醫(yī)用復(fù)合材料,第三節(jié) 生物材料,一、生物材料概述 　　 生物材料用于人體組織和器官的診斷、修復(fù)或增進(jìn)其功能的一類高技術(shù)材料，即用于取代、修復(fù)活組織的天然或人造材料，其作用藥物不可替代。生物材料能執(zhí)行、增進(jìn)或替換因疾病、損傷等失去的某種功能，而不能恢復(fù)缺陷部位。,第三節(jié) 生物材料,生物功能性根據(jù)

34、用途主要分為:承受或傳遞負(fù)載功能。如人造骨骼、關(guān)節(jié)和牙等，占主導(dǎo)地位控制血液或體液流動(dòng)功能。如人工瓣膜、血管等電、光、聲傳導(dǎo)功能。如心臟起博器、人工晶狀體、耳蝸等填充功能。如整容手術(shù)用填充體等,第三節(jié) 生物材料,二、醫(yī)用金屬材料,較優(yōu)秀的生物醫(yī)用金屬材料有，醫(yī)用不銹鋼、鈷基合金、鈦及鈦合金、鎳鈦形狀記憶合金、金銀等貴重金屬、銀汞合金、鉭、鈮等金屬和合金。,第三節(jié) 生物材料,(1) 醫(yī)用不銹鋼 　具有一定的耐腐蝕性和

35、良好的綜合力學(xué)性能，且加工工藝簡便，是生物醫(yī)用金屬材料中應(yīng)用最多，最廣的材料。 常用鋼種有US304、316、316 L、317、317L等。 醫(yī)用不銹鋼植入活體后，可能發(fā)生點(diǎn)蝕，偶爾也產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞。醫(yī)用不銹鋼臨床前消毒、電解拋光和鈍化處理，可提高耐蝕性。 醫(yī)用不銹鋼在骨外科和齒科中應(yīng)用較多。,第三節(jié) 生物材料,第三節(jié) 生物材料,(2) 鈷基合金 鈷基合金人體內(nèi)一般保持

36、鈍化狀態(tài)，與不銹鋼比較，鈷基合金鈍化膜更穩(wěn)定，耐蝕性更好。在所有醫(yī)用金屬材料中，其耐磨性最好，適合于制造體內(nèi)承載苛刻的長期植入件。 在整形外科中，用于制造人工髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)以及接骨板、骨釘、關(guān)節(jié)扣釘和骨針等。在心臟外科中，用于制造人工心臟瓣膜等。,第三節(jié) 生物材料,(3) 醫(yī)用鈦和鈦合金 不僅具有良好的力學(xué)性能，而且在生理環(huán)境下具有良好的生物相容性。由于其比重小，彈性模量較其他金屬更接近天然骨，故廣泛應(yīng)用于制造

37、各種能、膝、肘、肩等人造關(guān)節(jié)。此外，鈦合金還用于心血管系統(tǒng)。鈦合金耐磨性能不理想，且存在咬合現(xiàn)象，限制了其使用范圍。 圖是鎳鈦形狀記憶合金血管支架,第三節(jié) 生物材料,Ti-Ni記憶合金血管支架,第三節(jié) 生物材料,三、生物醫(yī)用無機(jī)非金屬材料　　　生物無機(jī)材料主要包括生物陶瓷、生物玻璃和醫(yī)用碳素材料。 按植入生物活體內(nèi)引起的組織與材料反應(yīng)，生物陶瓷分為: (1)近于惰性的生物陶瓷，如氧化鋁生物陶瓷、

38、氧化鋯生物陶瓷、硼硅酸玻璃； (2)表面活性生物陶瓷，如磷酸鈣基生物陶瓷、生物活性玻璃陶瓷； (3)可吸收性生物陶瓷，如偏磷酸三鈣生物陶瓷、硫酸鈣生物陶瓷。,第三節(jié) 生物材料,生物活性玻璃陶瓷植入活體后，能夠與體液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并在組織表面生成羚基磷灰石層，故可用于人工種植牙根、牙冠、骨充填料和涂層材料。 與自然骨比較，生物活性玻璃陶瓷雖然具有較高的強(qiáng)度，但韌性較差，彈性模量過高，易脆斷，在生理環(huán)境

39、中抗疲勞性能較差，目前還不能直接用于承力較大的人工骨。,第三節(jié) 生物材料,醫(yī)用碳素材料：具有接近于自然骨的彈性模量。 醫(yī)用碳素材料疲勞性能最優(yōu)，強(qiáng)度不隨循環(huán)載荷作用而下降。無序堆垛的碳材料耐磨性理想。 醫(yī)用碳素材料在生理環(huán)境中較穩(wěn)定，近于惰性，具有較好的生物相容性，不會(huì)引起凝血和溶血反應(yīng)，特別適合于在生理環(huán)境中使用。 醫(yī)用碳材料已大量用于心血管系統(tǒng)的修復(fù)，如人工心臟瓣膜、人工血管。還可作為金屬和聚合

40、物的涂層材料。,第三節(jié) 生物材料,四、醫(yī)用高分子材料 按應(yīng)用對象和材料物理性能分為軟組織材料、硬組織材料和生物降解材料。其可滿足人體組織器官的部分要求，因而在醫(yī)學(xué)上受到廣泛重視。目前已有數(shù)十種高分子材料適用于人體的植入材料。,第三節(jié) 生物材料,軟組織材料：故主要用作為軟組織材料，特別 是人工臟器的膜和管材。聚乙烯膜、聚四氟乙烯膜、硅橡膠膜和管，可用于制造人工肺、腎、心臟、喉頭、氣管、膽管、角膜。聚酯纖維可用于制造血管

41、、腹膜等。 硬組織材料：丙烯酸高分子(即骨水泥)、聚碳酸醋、超高分子量聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）、尼龍、硅橡膠等可用于制造人工骨和人工關(guān)節(jié)。 降解材料：脂肪族聚醋具有生物降解特性，已用于可接收性手術(shù)縫線。,第三節(jié) 生物材料,五、生物醫(yī)用復(fù)合材料,生物醫(yī)用復(fù)合材料是由二種或二種以上不同材料復(fù)合而成的。 按基材分為：高分子基、陶瓷基、金屬基等生物醫(yī)用復(fù)合材料。 按增強(qiáng)體形態(tài)和性質(zhì)分為纖維增強(qiáng)、顆粒增強(qiáng)、生

42、物活性物質(zhì)充填生物醫(yī)用復(fù)合材料。 按材料植入體內(nèi)后引起的組織與材料反應(yīng)分為：生物惰性、生物活性和可吸收性生物醫(yī)用復(fù)合材料。 右為具有活性涂層的鈦合計(jì)人工齒示意圖,Fig. Schematic diagram of the screw-shaped artificial tooth.,第四節(jié) 智能材料,一、智能材料概述二、智能材料的構(gòu)成三、智能材料的主要種類及應(yīng)用,第四節(jié) 智能材料,一、智能材料概述　　　智能

43、材料（Intelligent material），是一種能感知外部刺激，能夠判斷并適當(dāng)處理且本身可執(zhí)行的新型功能材料。智能材料是繼天然材料、合成高分子材料、人工設(shè)計(jì)材料之后的第四代材料，是現(xiàn)代高技術(shù)新材料發(fā)展的重要方向之一，將支撐未來高技術(shù)的發(fā)展，使傳統(tǒng)意義下的功能材料和結(jié)構(gòu)材料之間的界線逐漸消失，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能化、功能多樣化?？茖W(xué)家預(yù)言，智能材料的研制和大規(guī)模應(yīng)用將導(dǎo)致材料科學(xué)發(fā)展的重大革命。一般說來，智能材料有七大功能，即傳感功能、反

44、饋功能、信息識(shí)別與積累功能、響應(yīng)功能、自診斷能力、自修復(fù)能力和自適應(yīng)能力。,第四節(jié) 智能材料,二、智能材料的構(gòu)成　　　一般來說智能材料由基體材料、敏感材料、驅(qū)動(dòng)材料和信息處理器四部分構(gòu)成。 （1）基體材料 　　基體材料擔(dān)負(fù)著承載的作用，一般宜選用輕質(zhì)材料。一般基體材料首選高分子材料，因?yàn)槠渲亓枯p、耐腐蝕，尤其具有粘彈性的非線性特征。其次也可選用金屬材料，以輕質(zhì)有色合金為主。,第四節(jié) 智能材料,（２）驅(qū)動(dòng)材料 　　　因?yàn)樵谝欢?/p>

45、條件下驅(qū)動(dòng)材料可產(chǎn)生較大的應(yīng)變和應(yīng)力，所以它擔(dān)負(fù)著響應(yīng)和控制的任務(wù)。常用有效驅(qū)動(dòng)材料如形狀記憶材料、壓電材料、電流變體和磁致伸縮材料等。可以看出，這些材料既是驅(qū)動(dòng)材料又是敏感材料，顯然起到了身兼二職的作用，這也是智能材料設(shè)計(jì)時(shí)可采用的一種思路。,第四節(jié) 智能材料,（2）敏感材料 　　　敏感材料擔(dān)負(fù)著傳感的任務(wù)，其主要作用是感知環(huán)境變化（包括壓力、應(yīng)力、溫度、電磁場、PH值等）。常用敏感材料如形狀記憶材料、壓電材料、光纖材料、磁致伸縮

46、材料、電致變色材料、電流變體、磁流變體和液晶材料等。 　（4）其它功能材料 　　　包括導(dǎo)電材料、磁性材料、光纖和半導(dǎo)體材料等。,第四節(jié) 智能材料,三、智能材料的主要種類及應(yīng)用,集感知、驅(qū)動(dòng)和信息處理于一體，形成類似生物材料那樣具有智能屬性的高分子材料,利于感知判斷環(huán)境實(shí)現(xiàn)環(huán)境響應(yīng),第四節(jié) 智能材料,第五節(jié) 新能源材料,一、核能材料二、生物質(zhì)能源材料三、能源材料新秀——?dú)?第五節(jié) 新能源材料,在新技術(shù)基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地開

47、發(fā)利用的可再生能源。如核能、太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、海洋能、氫能等。新能源新材料是在環(huán)保理念推出之后引發(fā)的對不可再生資源節(jié)約利用的一種新的科技理念，新能源新材料是指新近發(fā)展的或正在研發(fā)的、性能超群的一些材料，具有比傳統(tǒng)材料更為優(yōu)異的性能。新材料技術(shù)則是按照人的意志，通過物理研究、 材料設(shè)計(jì)、材料加工、試驗(yàn)評價(jià)等一系列研究過程，創(chuàng)造出能滿足各種需要的新型材料的技術(shù)。,第五節(jié) 新能源材料,一、核能材料　　 我們知道物質(zhì)是由分子

48、構(gòu)成，分子又是由原子構(gòu)成，而原子又是由中心部分密實(shí)的原子核與核外高速運(yùn)動(dòng)的電子構(gòu)成?！　　?986年，法國科學(xué)家貝克勒爾無意中發(fā)現(xiàn)一種含鈾的礦物會(huì)自發(fā)地放出一種看不見的穿透力很強(qiáng)的射線，后經(jīng)居里夫人等人的研究得知，鈾這種具放射性的原子，在放出幾種看不見的射線后，會(huì)變成另一種元素的原子Ｐb,這是天然發(fā)生的核裂變反應(yīng)，射線便是其原子能釋放的形式。,第五節(jié) 新能源材料,1、核反應(yīng)和核能　　　核反應(yīng)是指入射粒子（或原子核）與原子核（稱靶核

49、）碰撞導(dǎo)致原子核狀態(tài)發(fā)生變化或形成新核的過程。反應(yīng)前后的能量、動(dòng)量、角動(dòng)量、質(zhì)量、電荷與宇稱都必須守恒。核反應(yīng)是宇宙中早已普遍存在的極為重要的自然現(xiàn)象?，F(xiàn)今存在的化學(xué)元素除氫以外都是通過天然核反應(yīng)合成的，在恒星上發(fā)生的核反應(yīng)是恒星輻射出巨大能量的源泉。,第五節(jié) 新能源材料,產(chǎn)生核能的核反應(yīng)主要有下述兩種形式：（１）核裂變　　　由一種重核分裂成兩種或兩種以上較輕核的裂變過程,第五節(jié) 新能源材料,（２）核聚變反應(yīng)　　由兩種輕核結(jié)合

50、成一個(gè)重核，同時(shí)釋放巨大能量的變化過程。,第五節(jié) 新能源材料,２、核燃料　　　定義：含有可裂變或聚變核素的材料。前者如鈾-235，后者如氘、氚等氫的同位素?！　　『巳剂希╪uclear fuel），可在核反應(yīng)堆中通過核裂變或核聚變產(chǎn)生實(shí)用核能的材料。重核的裂變和輕核的聚變是獲得實(shí)用鈾棒核能的兩種主要方式。鈾235、鈾233和钚239是能發(fā)生核裂變的核燃料，又稱裂變核燃料。其中鈾235存在于自然界，而鈾233、钚239則是釷232和

51、鈾238吸收中子后分別形成的人工核素。,第五節(jié) 新能源材料,從廣義上說，釷232和鈾238也是核燃料。氘和氚是能發(fā)生核聚變的核燃料，又稱聚變核燃料。氘存在于自然界，氚是鋰6吸收中子后形成的人工核素。核燃料在核反應(yīng)堆中“燃燒”時(shí)產(chǎn)生的能量遠(yuǎn)大于化石燃料，1千克鈾235完全裂變時(shí)產(chǎn)生的能量約相當(dāng)于2500噸煤。,第五節(jié) 新能源材料,２、核電站　　　核電，就是把原子核聚變反應(yīng)中釋放出來的巨大熱能從回路系統(tǒng)帶出，產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)

52、轉(zhuǎn)發(fā)電。用原子能作動(dòng)力的電站，稱為核電站?！　　『穗娬镜墓ぷ髟恚汉巳剂显诜磻?yīng)堆內(nèi)進(jìn)行核聚變反應(yīng)，產(chǎn)生大量熱量，由載熱劑（水或氣體）帶出，在蒸汽發(fā)生器中把熱量傳給水，將水加熱成蒸汽來驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電?！　　『穗娬舅蟹磻?yīng)堆都包括：核燃料、減速劑和載熱劑三個(gè)部分。,第五節(jié) 新能源材料,二、生物質(zhì)能源材料　　　生物質(zhì)能（biomass energy ），就是太陽能以化學(xué)能形式貯存在生物質(zhì)中的能量形式，即以生物質(zhì)為載體的能量。它直接或間

53、接地來源于綠色植物的光合作用，可轉(zhuǎn)化為常規(guī)的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料，取之不盡、用之不竭，是一種可再生能源，同時(shí)也是唯一一種可再生的碳源。,麻風(fēng)樹是制造植物柴油的原料之一,第五節(jié) 新能源材料,１、分類 依據(jù)來源的不同，可以將適合于能源利用的生物質(zhì)分為林業(yè)資源、農(nóng)業(yè)資源、生活污水和工業(yè)有機(jī)廢水、城市固體廢物和畜禽糞便等五大類。林業(yè)資源　　林業(yè)生物質(zhì)資源是指森林生長和林業(yè)生產(chǎn)過程提供的生物質(zhì)能源，包括薪炭林、在森林撫

54、育和間伐作業(yè)中的零散木材、殘留的樹枝、樹葉和木屑等；木材采運(yùn)和加工過程中的枝丫、鋸末、木屑、梢頭、板皮和截頭等；林業(yè)副產(chǎn)品的廢棄物，如果殼和果核等。,第五節(jié) 新能源材料,農(nóng)業(yè)資源　　 農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能資源是指農(nóng)業(yè)作物(包括能源作物)；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的廢棄物，如農(nóng)作物收獲時(shí)殘留在農(nóng)田內(nèi)的農(nóng)作物秸稈（玉米秸、高粱秸、麥秸、稻草、豆秸和棉稈等）；農(nóng)業(yè)加工業(yè)的廢棄物，如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中剩余的稻殼等。能源植物泛指各種用以提供能源的植物，通常包括草

55、本能源作物、油料作物、制取碳?xì)浠衔镏参锖退参锏葞最悺?第五節(jié) 新能源材料,生活污水和工業(yè)有機(jī)廢水　　生活污水主要由城鎮(zhèn)居民生活、商業(yè)和服務(wù)業(yè)的各種排水組成，如冷卻水、洗浴排水、盥洗排水、洗衣排水、廚房排水、糞便污水等。工業(yè)有機(jī)廢水主要是酒精、釀酒、制糖、食品、制藥、造紙及屠宰等行業(yè)生產(chǎn)過程中排出的廢水等，其中都富含有機(jī)物。,第五節(jié) 新能源材料,城市固體廢物　　 城市固體廢物主要是由城鎮(zhèn)居民生活垃圾，商業(yè)、服務(wù)業(yè)垃圾和少量

56、建筑業(yè)垃圾等固體廢物構(gòu)成。其組成成分比較復(fù)雜，受當(dāng)?shù)鼐用竦钠骄钏健⒛茉聪M(fèi)結(jié)構(gòu)、城鎮(zhèn)建設(shè)、自然條件、傳統(tǒng)習(xí)慣以及季節(jié)變化等因素影響。 畜禽糞便　　 畜禽糞便是畜禽排泄物的總稱，它是其他形態(tài)生物質(zhì)（主要是糧食、農(nóng)作物秸稈和牧草等）的轉(zhuǎn)化形式，包括畜禽排出的糞便、尿及其與墊草的混合物。 沼氣　　 沼氣就是由生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換的一種可燃?xì)怏w，通?？梢怨┺r(nóng)家用來燒飯、照明。,第五節(jié) 新能源材料,２、生產(chǎn)和利用（１）種植能源作物，

57、直接提取燃料油（２）將農(nóng)作物秸稈和薪柴直接燃燒（３）通過微生物發(fā)酵制取沼氣和酒精（４）生物質(zhì)的化學(xué)轉(zhuǎn)化,第五節(jié) 新能源材料,三、能源材料新秀——?dú)洹　　涫且环N化學(xué)元素，化學(xué)符號(hào)為H，原子序數(shù)為1，在元素周期表中位于第一位。它的原子是所有原子中最小的。氫通常的單質(zhì)形態(tài)是氫氣。它是無色無味無臭，極易燃燒的由雙原子分子組成的氣體，氫氣是最輕的氣體。一、氫的生產(chǎn)　　　氫同電一樣，是二次能源，即必須通過消耗一次能源才能生產(chǎn)出

58、來的。主要有以下幾種方式。,第五節(jié) 新能源材料,１、化學(xué)制氫　　　用天然氣、煤、石油等作為原料，通過化學(xué)反應(yīng)制?。?.２、電解水制氫　　　在電解過程中，電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，水分解為氫氣和氧氣。但電流本身來自一次能源，故這是一種相對昂貴的方法。３、太陽能制氫　　　利用太陽能，將水變成氫氣，實(shí)現(xiàn)太陽能的高級轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存，盡管技術(shù)上還有許多問題需要解決，但已展現(xiàn)出誘人的發(fā)展前景，主要方法有：　　?。ǎ保┩ㄟ^太陽熱分解水制取氫　　　

59、（２）電解水制氫　　　（３）光催化制氫,第五節(jié) 新能源材料,４、生物制氫　　 生物制氫：生物質(zhì)通過氣化和微生物催化脫氫方法制氫。在生理代謝過程中產(chǎn)生分子氫過程的統(tǒng)稱. 生物制氫過程可以分為5類： （1）利用藻類或者青藍(lán)菌的生物光解水法； （2）有機(jī)化合物的光合細(xì)菌（PSB）光分解法； （3）有機(jī)化合物的發(fā)酵制氫； （4）光合細(xì)菌和發(fā)酵細(xì)菌的耦合法制氫； （5）酶催化法制氫。,第五

60、節(jié) 新能源材料,二、氫的貯存和利用　　　目前儲(chǔ)氫主要方式有：高壓壓縮氣體儲(chǔ)氫、液化氫方式冷儲(chǔ)存、金屬氫化物儲(chǔ)氫、其他化合物儲(chǔ)氫?！　　∮捎跉錃饷芏刃?、性質(zhì)活潑，在儲(chǔ)存時(shí)往往受到限制，如高壓儲(chǔ)氫往往易發(fā)生危險(xiǎn)，且不易搬運(yùn)，液態(tài)氫儲(chǔ)存成本太高，須消耗大量能量，金屬氫化物儲(chǔ)氫越來越受到重視?！　　⊙芯堪l(fā)現(xiàn)有許多金屬都能與氫反應(yīng)形成金屬氫化物，金屬氫化物又可以分解為氫氣和金屬，控制一定的條件就可以使反應(yīng)方向發(fā)生改變。,精品課件！,精品課