课题十了解工程前沿新材料的特点与应用

所谓新材料，指新出现的、具有特殊性能和特殊功能的材料。它是相对于传统材料而言的，二者之间并没有严格的分界线。新材料的发展往往以传统材料的组织结构和性能为基础。传统材料经过进一步改良和发展也可以成为新材料。目前，各国都在加速新材料的研究和开发，新材料的研究正朝着高性能化、功能化、复合化和专用化的方向发展。传统的金属材料、有机材料、无机材料的界限正在逐渐消失，新材料的分类也变得困难起来，材料的属性区分也变得越来越模糊。课十了解工程前沿新材料的特点与应用学习目标知识目标：了解新型高温材料能力目标：能对新型高温材料作出初步选用如果金属构件的工作温度超过600℃，就不能选择普通的耐热钢，而要选择高温材料或高温合金。所谓高温材料，是指能在600℃以上，甚至在1000℃以上满足使用要求的材料。高温材料的应用范围越来越广，从锅炉、蒸汽机、内燃机到石油、化工用的各种高温物理化学反应装置、原子反应堆的热交换器、喷气涡轮发动机和航天飞机的多种部件等，都有广泛的应用。任务一了解新型高温材料的特点与应用（1）高温合金的分类按高温合金基本组成元素分类，高温合金分为铁基高温合金、镍基高温合金和钴基高温合金等；按高温合金的生产方法分类，高温合金分为变形高温合金和铸造高温合金。任务一了解新型高温材料的特点与应用变形高温合金的牌号以“GH＋合金类别号＋顺序号”表示，其中“GH”表示“高合”铸造高温合金的牌号以“Κ＋分类号＋顺序号”表示用作焊丝的高温合金在“GH”前加“H”，即“HGH”采用粉末冶金方法生产的高温合金以“FGH”表示。任务一了解新型高温材料的特点与应用（2）铁基高温合金和镍基高温合金1）铁基高温合金2）镍基高温合金（3）高温合金的发展趋势2.了解高温陶瓷材料的性能与应用任务一了解新型高温材料的特点与应用氮化硅陶瓷已成为制造新型陶瓷发动机的重要材料；碳化物基金属陶瓷已经应用于航空、航天工业的部分耐热构件，如制造涡轮喷气发动机中的燃烧室、涡轮叶片、涡轮盘学习目标知识目标：了解形状记忆材料能力目标：能对形状记忆材料作出初步选用形状记忆材料是指具有形状记忆效应（SME，ShapeMemoryEffect）的材料。形状记忆效应是指将材料在一定条件下进行一定限度以内的变形后，在对材料施加适当的外界条件（如加热）时，材料的变形会随之消失，并回复到变形前形状的现象。形状记忆合金的应用范围涉及机械、电子、化工、宇航、能源和医疗等许多领域。20世纪80年代，科学家在一些陶瓷和高分子材料中也发现了形状记忆效应现象，并将其作为研究和开发的重点对象。任务二了解形状记忆材料的特点与应用1.了解形状记忆合金的性能目前已开发成功的形状记忆合金有Ti－Ni系、Cu系、Fe系形状记忆合金等。典型的形状记忆合金的应用例子是制造月面天线。半球形的月面天线全部展开后，其直径达数米，用登月舱难以将其运载进人太空。利用Ti－Ni合金的形状记忆效应，首先将处于一定状态下的合金丝制成半球形的天线，然后压成小卷团状，使它的体积缩小到原来的千分之几，然后用火箭送上月球，放置在月球上。小卷团状天线被阳光晒热后，逐步恢复成原状，即可成功地进行通信。任务二了解形状记忆材料的特点与应用2.了解形状记忆陶瓷的特性20世纪60年代，人们发现在ZrO2陶瓷中也存在形状记忆效应。3．了解形状记忆高分子材料性能高分子材料的形状记忆机理与形状记忆合金和形状记忆陶瓷不同。形状记忆高分子材料可以是光敏（通过光照条件的变化实现形状记忆效应）、热敏、电敏等不同类型。任务二了解形状记忆材料的特点与应用4．了解形状记忆合金的应用（1）在汽车制造方面的应用。制造后雾灯罩、手动变速器的防噪声装置、燃料蒸发气体排出控制阀、防止发动机过热用的风扇离合器、防滑轮胎等。（2）在电子设备制造方面的应用。制造各种不需电力的温度控制仪器（如温室窗户的自动开闭装置、电磁调理器、过热感知器、咖啡牛奶沸腾感知器、温泉浴池调理器等），电路的连接，自控系统的驱动器，电子炉灶换气门的开闭器，空调风向自动调节器，电饭锅压力调节器等。（3）在安全器具制造方面的应用。利用形状记忆合金可以制造过热报警器、火灾报警器、自动灭火喷头、烟灰缸灭火栓等。任务二了解形状记忆材料的特点与应用（4）在医学领域方面的应用。由于形状记忆合金与生物体的相容性好、耐蚀性好，因些，形状记忆合金在医学领域方面也获得了广泛的应用，如制成脊柱矫形棒、牙齿矫形唇弓丝、人工关节、人造骨骼、骨折部位的固定板、人造心脏、血栓过滤器等。任务二了解形状记忆材料的特点与应用血栓过滤器的工作原理任务二了解形状记忆材料的特点与应用（5）在能源开发方面的应用。制造小型固体热机，用作热机能量转换材料。（6）在日常生活方面的应用。制作家庭换气门开闭器、记忆密码锁、防火挡板、净水器热水防止阀、恒温箱混合水栓温度调节阀、眼镜固定件、眼镜框架、钓鱼线、便携电话天线、装饰品等。（7）在工件连接方面的应用。用于特殊要求场合（如军用飞机、化工管道、化工容器、深底管道等）下制作各种管接头和铆钉，实现各种管道及容器的连接等（8）作为智能材料。Ti－Ni形状记忆合金是目前研究最充分的智能材料。利用形状记忆合金的形状记忆效应和超弹性等特征可开发出大量集感知、判断与动作为一体的小型智能零部件或产品。任务二了解形状记忆材料的特点与应用学习目标知识目标：了解非晶态合金材料能力目标：能对非晶态合金材料作出初步选用非晶态合金是六十年代问世的新金属材料，它利用超急冷技术即10的6次方/秒的冷却速度使液态金属快速凝固直接成材而制成非晶态软磁合金。它具有高导磁率、高电阻率、高磁感、耐蚀等优异特性，是传统金属无可比拟的。任务三了解非晶态合金材料的特点与应用非晶态合金是一种没有原子三维周期性排列的固体合金。非晶态是相对晶态而言的，在非晶态材料中，原子在微观排列方面不存在有规律的周期性；在宏观上具有各向同性和无规则的外形。非晶态材料有传统的硅酸盐玻璃、非晶态聚合物、非晶态半导体、非晶态超导体、非晶态离子导体等。非晶态合金可采用液相急冷法、气相沉积法、注人法等工艺制取。任务三了解非晶态合金材料的特点与应用与普通晶态金属或合金相比，非晶态合金在力学、电学、磁学和化学性能诸方面均有独特之处。非晶态合金具有很高的强度和硬度。非晶态合金(非晶纳米晶材料)具有饱和磁感高、磁导率高、损耗低等优异特性，广泛应用于通讯、电子、电力等工业，能替代传统坡莫合金及铁氧体等材料，被称为“二十一世纪绿色电子材料”，在电子、信息领域的应用将会越来越广，前景广阔。任务三了解非晶态合金材料的特点与应用非晶态合金材料应用任务三了解非晶态合金材料的特点与应用学习目标知识目标：了解超导材料能力目标：能对超导材料作出初步选用超导材料是指在一定温度下材料的电阻变为零，并且磁力线不能进人其内部，材料呈现完全抗磁性的材料任务四了解超导材料的特点与应用1.了解超导材料分类超导材料：超导合金、超导陶瓷和超导聚合物三类（1）超导合金超导合金是超导材料中机械强度最高、应力应变小、磁场强度低的超导体，是早期具有实用价值的超导材料。广泛使用的是Nb－Zr系和Ti－Nb系超导合金。（2）超导陶瓷｜1986年随着超导陶瓷的出现，使超导体的Tc获得重大突破。Tc高于120K的Ti－Ba－Ca－Cu－O材料就属于超导陶瓷材料。（3）超导聚合物与超导合金相比，超导聚合物材料的发展比较缓慢，目前最高临界温度只达到10K左右。任务三了解非晶态合金材料的特点与应用2.了解超导材料的应用（1）超导材料在电力系统方面的应用采用的传统铜导线或铝导线的输电方式，约有15％的电能要损耗在输电线路上，仅在我国造成的损耗每年就达1000多亿度。如果利用超导材料输电，电力损耗则几乎为零，可节省大量的电能。将超导线圈用于发电机，可大大提高电机中的磁感应强度，提高发电机的输出功率，使发电效率提高约50％。利用超导体可将热核反应堆中的超高温等离子体包围和约束起来，然后慢慢地释放能量，从而使受控核聚变能源成为人类取之不尽的新能源。任务三了解非晶态合金材料的特点与应用超导材料的应用任务三了解非晶态合金材料的特点与应用（2）超导材料在运输方面的应用利用超导材料的抗磁性，将超导材料放在一块永久磁体上方，由于永久磁体的磁力线不能穿过超导体，磁体和超导体之间就会产生排斥力，使超导体悬浮在永久磁体上方。磁悬浮列车运行时，铝环内产生的磁场与超导体相互作用，产生的浮力便使列车浮起。磁悬浮列车速度越高，浮力越大。目前，超导磁悬浮列车的运行速度可达550km／h任务三了解非晶态合金材料的特点与应用（3）超导材料在电子信息方面的应用利用超导材料的隧道效应，可解决计算机器件的散热难题，制造运算速度极快的超导计算机等；超导材料还可用于制作各种高灵敏度的超导电磁测量装置，用于测量微弱的电磁信号，实现高精度测量和对比（4）超导材料在军事方面的应用利用超导材料具有高载流能力和零电阻的特点，可长时间无损耗地储存大量电能，需要时即可将储存的能量连续地释放出来。利用超导材料制作超导粒子武器、自由电子激光器、超导电磁炮、超导电磁推进系统和超导陀螺仪等。学习目标知识目标：了解纳米材料能力目标：能对纳米材料作出初步选用1.理解纳米材料的定义及分类纳米是一种度量单位，1纳米（nm）等于10－9m（1毫米等于10－3m，1微米等于10－6m），即百万分之一毫米、十亿分之一米。1nm相当于头发丝直径的10万分之一。广义地说，纳米材料是指微观结构至少在一维方向上受纳米尺度（1～100nm）调制的各种固体超细材料。纳米材料包括金属、非金属、有机、无机和生物等多种粉末材料。任务五了解纳米材料的特点与应用纳米材料研究是目前材料科学研究的一个热点，纳米材料是纳米技术应用的基础，由其发展起来的纳米技术被公认为是21世纪最具有前途的科研领域。所谓纳米科学，是指研究纳米尺寸范围在0.1～100nm之内的物质所具有的物理、化学性质和功能的科学。纳米科技大致涉及以下七个分支：纳米材料学、纳米电子学、纳米生物学、纳米物理学、纳米化学、纳米机械学（制造工艺学）、纳米加工及表征。任务五了解纳米材料的特点与应用2.了解纳米材料的结构与性能纳米固体中的原子排列既不同于长程有序的晶体，也不同于长程无序的“气体状”固体结构，是一种介于固体和分子间的亚稳中间态物质。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”。纳米材料特殊的物理性能：1）具有高比热、高电导率、高扩散率，对电磁波具有强吸收特性，据此可制造出具有特定功能的产品，如电磁波屏蔽、隐形飞机涂料等。2）对光的反射能力非常低，低到仅为原非纳米材料的百分之一。任务五了解纳米材料的特点与应用3）气体在纳米材料中的扩散速度比在普通材料中快几千倍。4）力学性能成倍增加，具有高强度、高韧性及超塑性，如纳米铁材料的断裂应力比一般铁材料高12倍。5）与生物细胞的结合力较强，为人造骨质的应用拓宽了途径。6）熔点大大降低，如纯金熔点是1064℃，但2nm的金粉末熔点只有327℃。7）具有特殊的磁性，如20nm的铁粉，其磁矫顽力可增加1000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。任务五了解纳米材料的特点与应用3.纳米材料的应用1）纳米结构材料。纯金属、合金、复合材料和结构陶瓷，具有十分优异的力学及热力性能，可使构件重量大大减轻。2）纳米催化、敏感、储氢材料。用于制造高效的异质催化剂、气体敏感器及气体捕获剂，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。3）纳米光学材料。用于制作多种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。4）纳米技术电子器件。纳米技术制作的电子器件的性能大大优于传统的电子器件。3）纳米光学材料。用于制作多种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。4）纳米技术电子器件。纳米技术制作的电子器件的性能大大优于传统的电子器件。5）纳米生物与医学材料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。6）在军事方面。以昆虫作平台，利用先进的纳米技术，可把纳米机器人植人昆虫的神经系统中以控制昆虫，使昆虫飞向敌方，收集情报，或使敌方的目标或设施丧失功能。7）纳米硬质合金。纳米硬质合金的出现是硬质合金制造技术的飞跃。任务五了解纳米材料的特点与应用学习目标知识目标：了解功能材料能力目标：能对功能材料作出初步选用功能材料：具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，具有特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。任务六了解功能材料的特点与应用是世界各国高技术发展中战略竞争的热点。它涉及信息技术、生物工程技术、能源技术、纳米技术、环保技术、空间技术、计算机技术、海洋工程技术等现代高新技术及其产业，正在形成一个规模宏大的高技术产业群，有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。功能材料不仅对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，还对我国相关传统产业的改造和升级，实现跨越式发展起着重要的促进作用。在全球新材料研究领域中，功能材料约占85％。任务六了解功能材料的特点与应用1．功能材料的分类功能材料种类繁多，分类方法各异，主要有以下几种分类方法：1）功能材料按化学组成分类，金属功能材料、无机非金属功能材料、有机高分子功能材料和复合功能材料。2）功能材料按聚集态分类。气态功能材料、液态功能材料、固态功能材料、液晶态功能材料和混合态功能材料，其中固态功能材料又包括晶态功能材料、准晶态功能材料和非晶态功能材料。任务六了解功能材料的特点与应用3）功能材料按功能分类，物理功能材料（如光、电、磁、声、热等）、化学功能材料（如感光、催化、降解、交换等）、生物功能材料（如生物医药、生物模拟、仿生等）和核功能材料。任务六了解功能材料的特点与应用2．了解功能材料的性能特点和用途1）导电功能材料。它是指那些具有导电特性的物质，包括电阻材料、电热与电光材料、导电与超导材料、半导体材料、介电材料、离子导体和导电高分子材料等。任务六了解功能材料的特点与应用2）超塑性材料。长期以来，人们希望能够很容易地对高强度材料进行塑性加工成形，成形以后，又能像钢铁一样坚固耐用。任务六了解功能材料的特点与应用3）磁功能材料。磁性是物质普遍存在的基本属性。所谓磁性材料和非磁性材料，实际上是指强磁性材料和弱磁性材料。早期的磁性材料是指软铁、硅钢片、铁氧体等。任务六了解功能材料的特点与应用4）电子信息材料。指那些用于集成电路的半导体材料、电子元器件材料、人工晶体材料，以及通信技术中使用的光导纤维等。它是新材料领域中最重要的组成部分，已成为推动信息产业增长的主要动力。5）智能材料。指能够根据所处环境的变化，使自身功能处于最佳状态的材料，如形状记忆材料、电流变体材料、电致变色材料、微孔材料等都可列人智能材料。任务六了解功能材料的特点与应用6）热功能材料。材料在受热或温度变化时，会出现性能变化并产生一系列现象，如热膨胀、热传导（或隔热）、热辐射等，凡具有此类现象的材料，就称为热功能材料。根据热性能变化的特性，热功能材料可分为膨胀材料、热电材料、形状记忆材料、热释电材料、隔热材料等，它们广泛用于仪器仪表、医疗器械、导弹武器、空间技术和能源开发等领域。任务六了解功能材料的特点与应用7）梯度功能材料。由两种或多种材料复合成组分和结构呈现连续梯度变化的新型复合材料，称为梯度功能材料。其主要特征是：材料的组分和结构呈现连续梯度变化，材料内部无明显界面，材料的性质呈现连续梯度变化。任务六了解功能材料的特点与应用8）能源转化与储存材料。地球上可再生的能源主要指太阳能、风能、地热能、潮汐能等，这些能源在大多数情况下不能直接使用，也不能储存，因此，必须将它们转换成可以使用的能源形式，或将之用适当的方式储存起来，再加以利用。能源转化与储存材料就是围绕可再生能源的利用这一目标而发展起来的新材料，如太阳能转换材料（如光电转换材料）、热电转换材料、储氢材料（如镁基储氢材料）等。任务六了解功能材料的特点与应用9）阻尼材料。随着工业和交通运输业的飞速发展，噪声污染对人类的危害越来越大。因此，将噪声降低到无害的程度，是环境保护的一项重要任务。噪声与振动可以通过吸声、隔音、消声、阻尼减振技术等措施治理。阻尼减振技术中所用的材料称为阻尼材料或减振材料。阻尼材料分为金属基阻尼材料（烧结多孔铸铁、泡沫铝合金等）和非金属基阻尼材料（橡胶系、沥青系、塑料系等）两大类。任务六了解功能材料的特点与应用10）光学材料。根据光与材料相互作用时产生的不同物理效应可将光学材料分为光介质材料和光功能材料两大类。光介质材料是指传输光线的材料，这些材料以折射、反射和透射的方式，改变光线的方向、强度和位相，使光线按照预定的要求传输，也可以吸收或透过一定波长的光线而改变光线的光谱成分，如光学玻璃、光学塑料、光导纤维和光学晶体等；光功能材料是指在电、声、磁、热、压力等外场作用下，其光学性质能发生变化，或者在光的作用下其结构和性能能发生变化的材料。利用这些变化，可以实现能量的探测和转换，如激光材料、电光材料、声光材料、非线性光学材料、显示材料和光信息存储材料等。任务六了解功能材料的特点与应用11）生物医学材料。它是指用于与生命系统接触和发生相互作用的，并能对其细胞、组织和器官进行诊断、治疗、替换修复或诱导再生的天然或人工合成的特殊功能材料，或称生物材料。生物医学材料按材料的物质属性来分，可分为医用金属材料（如不锈钢、钛合金等）、生物陶瓷（如Al2O3，陶瓷、ZrO2，陶瓷、磷酸盐陶瓷等）、医用高分子材料（如硅橡胶、聚四氟乙烯等）和复合材料四类。任务六了解功能材料的特点与应用12）隐身材料。能够减弱物体目标特征的材料称为隐身材料。目前，获得成功应用的是涂敷吸波材料，该材料是一种功能复合材料，它以高分子溶液、乳液或液态高聚物为基料，加人吸波剂和其他组分并均匀分散制成。涂敷吸波材料广泛应用于军事装备，如军舰、巡航导弹、飞机、坦克等。任务六了解功能材料的特点与应用作业◆P221页，思考与练习一、二、三题，课堂提问。四、简答题写在作业本上。