《材料技术罗》PPT课件.ppt

第四章 新材料技术,材料是指用来加工成器件、结构件或其他可供使用的物质。新材料是那些新近发展或正在发展之中的具有比传统材料的性能更为优异的一类材料。新材料的发展与新技术密切相关，并且是多种学科相互交叉和渗透的结果。新材料是新技术发展的必要物质基础，是当代新技术革命的先导。20世纪中叶以来，世界各国对新材料的研究和开发都十分重视，出现了一个“材料革命”的新时代。当前人类进入知识经济时代，材料与信息、能源并称为现代科学技术的三大支柱，成为现代科学技术发展的物质基础。,第一节 材料技术发展简史材料的历史与人类史一样久远。从考古学的角度，人类文明曾被划分为旧石器时代、新石器时代、青铜器时代、铁器时代等，由此可见材料的发展对人类社会的影响。材料也是人类进化的标志之一，任何工程技术都离不开材料的设计和制造工艺，一种新材料的出现，必将支持和促进当时文明的发展和技术的进步。从人类的出现到20世纪的今天，人类的文明程度不断提高，材料及材料科学也在不断发展。在人类文明的进程中，材料大致经历了以下五个发展阶段。,1使用纯天然材料的初级阶段在原古时代，人类只能使用天然材料（如兽皮、甲骨、羽毛、树木、草叶、石块、泥土等），相当于人们通常所说的旧石器时代。这一阶段，人类所能利用的材料都是纯天然的，在这一阶段的后期，虽然人类文明的程度有了很大进步，在制造器物方面有了种种技巧，但是都只是纯天然材料的简单加工。2人类单纯利用火制造材料的阶段这一阶段横跨人们通常所说的新石器时代、铜器时代和铁器时代，也就是距今约10000年前到20世纪初的一个漫长的时期，并且延续至今，它们分别以人类的三大人造材料为象征，即陶、铜和铁。这一阶段主要是人类利用火来对天然材料进行煅烧、冶炼和加工的时代。例如人类用天然的矿土烧制陶器、砖瓦和陶瓷等等。,3利用物理与化学原理合成材料的阶段20世纪初，随着物理学和化学等科学的发展以及各种检测技术的出现，人类一方面从化学角度出发，开始研究材料的化学组成、化学键、结构及合成方法，另一方面从物理学角度出发开始研究材料的物性，就是以凝聚态物理、晶体物理和固体物理等作为基础来说明材料组成、结构及性能间的关系，并研究材料制备和使用材料的有关工艺性问题。由于物理和化学等科学理论在材料技术中的应用，从而出现了材料科学。在此基础上，人类开始了人工合成材料的新阶段。这一阶段以合成高分子材料的出现为开端，一直延续到现在，而且仍将继续下去。,人工合成塑料、合成纤维及合成橡胶等合成高分子材料的出现，加上已有的金属材料和陶瓷材料（无机非金属材料）构成了现代材料的三大支柱。除合成高分子材料以外，人类也合成了一系列的合金材料和无机非金属材料。超导材料、半导体材料、光纤等材料都是这一阶段的杰出代表。从这一阶段开始，人们不再是单纯地采用天然矿石和原料，经过简单的煅烧或冶炼来制造材料，而且能利用一系列物理与化学原理及现象来创造新的材料。,4材料的复合化阶段20世纪50年代金属陶瓷的出现标志着复合材料时代的到来。随后又出现了玻璃钢、铝塑薄膜、梯度功能材料以及最近出现的抗菌材料的热潮，都是复合材料的典型实例。它们都是为了适应高新技术的发展以及人类文明程度的提高而产生的。到这时，人类已经可以利用新的物理、化学方法，根据实际需要设计独特性能的材料。,金属陶瓷是由一种或几种陶瓷相与金属相或合金所组成的复合材料,5材料的智能化阶段自然界中的材料都具有自适应、自诊断合资修复的功能。如所有的动物或植物都能在没有受到绝对破坏的情况下进行自诊断和修复。人工材料目前还不能做到这一点。但是近三四十年研制出的一些材料已经具备了其中的部分功能。这就是目前最吸引人们注意的智能材料，如形状记忆合金、光致变色玻璃等等。尽管近10余年来，智能材料的研究取得了重大进展，但是离理想智能材料的目标还相距甚远，而且严格来讲，目前研制成功的智能材料还只是一种智能结构。,如上所述，在20世纪中，材料经历了五个发展阶段中的三个阶段，这种发展速度是前所未有的。总的说来，本世纪材料科学的发展有以下几个特点:超纯化（从天然材料到合成材料）、量子化（从宏观控制到微观和介质控制）、复合化（从单一到复合）及可设计化（从经验到理论）。当前，高技术新材料的发展日新月异，材料科学的内涵也日益丰富，21世纪会出现什么样的高技术材料，材料科学又将发展到何种程度，我们很难预料。,材料学科发展至今日，追溯其历史相关性，它主要是来自冶 金与化工。虽然现在物理、化学、电子、能源、信息、建筑等许多学科 领域都有致力于研究材料的学术内容，但它们都只偏重于某 些特定的材料或材料四要素中的一个。针对多数材料，较多 地涉及四要素中主要方面的学科只有冶金与化工。而面对所有材料，面向所有四个要素，特别是它们之间关系 的学科则只有“材料科学与工程”。图 是材料、冶金及化工学科与现代材料领域的关系。它显示，大部分新型材料仍然位于三大学科的交汇范围。,当 前 的 材 料从使用要求：多样化、复合化、智能化、高性能从 应 用：结构材料功能材料结构/功能一体化材料从 材 料：金属（合金）-金属间化合物金属/非金 属化合物金属/非金属复合材料非金属 复合材料从组织结构：多晶单晶微晶纳米晶非晶从形态尺度：块体薄膜线材（一维）现材料已发展到成千上万种，涉及社会经济生活的几乎所有方面。,随社会经济与科学技术的发展，材料品种及用途日趋繁多，新材料层出不穷，据统计每年出现的新材料达 3000多 种。据前述材料的发展趋势，决定材料基本性质的键合特性与结构特征，必然由相对单纯的金属键向混合键，由简单立方的晶体结构向复杂晶体结构及复杂分子结构演进，从而决定或影响了材料的制备/加工、组织、力学和功能性能。,第二节 纳米科学技术纳米科学技术，简称为纳米技术，是指在0.1100纳米的尺度里，研究电子、原子和分子内部运动规律和特性的一项崭新技术。科学家们在研究物质构成的过程中，发现纳米尺度下隔离出来的几个、几十个可数原子或分子，显著地表现出许多新的特性，而利用这些特性制造具有特定功能设备的技术，就称为纳米技术。纳米是一种长度单位，就是10-9米（10亿分之一米），相当于4至5个原子串起来那么长。纳米技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它的最终目标是人类按照自已的意志直接操纵单个原子，制造具有特定功能的产品，这一目标的实现意味着纳米技术改变人类生活和生产方式的时代的来临。,纳米材料的特点,（一）特殊的光学性质,当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，便失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。,美国F117隐形轰炸机机,美国B2隐形轰炸机,（二）特殊的热学性质,固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。例如，金的常规熔点为1064，当颗粒尺寸减小到10纳米尺寸时，则降低27，2纳米尺寸时的熔点仅为327左右；银的常规熔点为670，而超微银颗粒的熔点可低于100。因此，超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用塑料。金属纳米颗粒表面上的原子十分活泼。实验发现，如果将金属铜或铝作成纳米颗粒，遇到空气就会激烈燃烧，发生爆炸。可用纳米颗粒的粉体作为固体火箭的燃料、催化剂。,（三）特殊的力学性质,由于纳米材料粒度非常微小,具有良好的表面效应,1克纳米材料的表面积达到几百平方米。因此,用纳米材料制成的产品其强度、柔韧度、延展性都十分优越，就象一种有千万对脚的毛毛虫，当它吸附在光滑的玻璃面上时，由于接触面积大，12级台风有也吹不掉它。陶瓷材料在通常情况下呈脆性，陶瓷茶壶一摔就碎，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料，竟然可以象弹簧一样具有良好的韧性。,纳米材料“绝水”雨伞,（四）特殊的电学性质,把自由运动的电子囚禁在一个小的纳米颗粒内或一根非常细的短金属线内，线的宽度只有几个纳米，会发生十分奇妙的事情。由于颗粒内的电子运动受到限制，电子能量被量子化了。结果表现为当在金属颗粒的两端加上电压，电压合适时，金属颗粒导电；而电压不合适时金属颗粒不导电。原来是导体的铜等金属，在尺寸减少到几个纳米时就不导电了；而绝缘的二氧化硅等，电阻会大大下降，失去绝缘特性，变得能导电了。,纳米材料应用,陶瓷领域的应用微电子学的应用生物工程的应用光电领域的应用化工领域的应用医学上的应用分子组装方面的应用 在其它方面的应用,微观纳米精美组图,二氧化硅纳米线能够自行组成形成令人深刻印象的图案，米微观图片与真实的向日葵颇为相似。,氧化锌纳米针呈现出典型的中国国画风格。,用横向极化光显微镜将有机晶体管进行微观转换。从微观上观测，薄膜的明亮区域就像是山川湖泊，而金电极部分则像一面篱笆墙。,钾铌氧化物堆积在硅表面,使用一个光学显微镜拍摄这张图像，观看起来非常像一个遥远星系。,多孔硅模具的聚合体图像,这张图片是电子扫描显微镜覆盖一个多孔硅模具的聚合体图像，但是对于美国德克萨斯州大学研究员法蒂赫-布约克塞林来说，这看上去非常像哈得孙河畔的森林。,国外纳米技术进展,实心的纳米棒、纳米线、量子线,国外纳米技术进展,朗讯公司和牛津大学:纳米镊子碳纳米管“秤”，称量一个病毒的重量称量单个原子重量的“纳米秤”,国外纳米技术进展,DNA开关,纳米技术在中国,1993年，中科院操纵原子写字,第三节 新材料技术的基本内容新材料技术是按照人的意志，通过物理研究、材料设计、材料加工、试验评价等一系列研究过程，创造出能满足各种需要的新型材料的技术。新材料按材料的属性划分，有金属材料、无机非多属材料（如陶瓷、砷化镓半导体等）、有机高分子材料、先进复合材料四大类。新材料在国防建设上作用重大。,能源材料能源材料主要有太阳能电池材料、储氢材料、固体氧化物电池材料等。氢是无污染、高效的理想能源，氢的利用关键是氢的储存与运输，美国能源部在全部氢能研究经费中，大约有50%用于储氢技术。氢对一般材料会产生腐蚀，造成氢脆及其渗漏，在运输中也易爆炸，储氢材料的储氢方式是能与氢结合形成氢化物，当需要时加热放氢，放完后又可以继续充氢的材料。目前的储氢材料多为金属化合物。如LaNi5H、等。,智能材料 智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一。国外在智能材料的研发方面取得很多技术突破，如英国宇航公司的导线传感器，用于测试飞机蒙皮上的应变与温度情况；英国开发出一种快速反应形状记忆合金，寿命期具有百万次循环，且输出功率高，以它作制动器时、反应时间仅为10分钟；形状记忆合金还已成功在应用于卫星天线等、医学等领域。,碳纤维碳纤维是指化学组成中碳元素质量分数在90%以上的纤维材料，每一根碳纤维由数千条更微小的碳纤维所组成，在原子层面的碳纤维跟石墨很相近，由一层层以六角型排列的碳原子构成。碳纤维与石墨两者的差别在于层与层之间的连接，石墨是晶体结构，它的层间连接松散；而碳纤维不是晶体结构，层间连接是不规则的，这样可防止滑移，增强物质强度。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如比重小、耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。,新型陶瓷新型陶瓷采用人工合成的高纯度无机化合物为原料，在严格控制的条件下经成型、烧结和其他处理而制成具有微细结晶组织的无机材料。新型陶瓷以其独特的优异性能，已成为航天、航空、建筑、冶金、机械、化工、电子、生物等工程技术中的关键材料，且应用领域仍处于不断扩展中。,新型陶瓷制成的人造骨等,光纤光纤为光导纤维的简称，由直径大约为0.1mm的细玻璃丝构成。光纤通信就是因为光纤的这种神奇结构而发展起来的以光波为载频，光导纤维为传输介质的一种通信方式。,由光导纤维构成的光缆,第四节 新材料技术展望 进入20世纪90年代以来，材料科学技术的发展异常迅速。材料科学与生命科学、信息科学、认知科学、环境科学和非线性科学共同构成了当代科学技术的前沿。展望21世纪，基于物理、化学、数学等自然科学与电子、化工、冶金等工程技术最新成就的材料科学技术前沿有：新型光电子材料,稀土功能材料：主要是高纯稀土材料的制备技术，超高磁能和稀土永磁材料的大规模生产技术，高性能稀土储氢材料及相关技术，高性能稀土催化剂材料制备与应用技术。生物医用材料：高可靠植入体内的生物活性材料合成关键技术，生物相容材料制备技术，如组织器官替代材料，人造血液、人造皮和透析膜技术。,先进复合材料：主要是复合材料的低成本制备技术，复合材料的界面控制与优化技术，不同尺度不同结构异质材料复合新技术，以及复合增强材料的高性能、低成本化技术。新型金属材料：主要是交通运输用轻质高强材料，能源动力用高温耐蚀材料，新型有序金属间化合物的脆性控制与韧化技术以及高可靠性生产制备技术。先进陶瓷材料：主要是信息功能陶瓷的新制备技术和多功能化及系统集成技术，高性能陶瓷薄膜、异质薄膜的制备、集成与微加工技术，结构陶瓷及其复合材料的补强、韧化技术，先进陶瓷的低成本、高可靠性技术。,材料是国民经济、社会进步和国家安全 的物质基础与先导 先进材料具有强烈的基础性、支撑性、技术经济价值和迫切战略需求,材料发展战略思考,与新材料相关的战略研究,科技发展总体战略研究,世界科学技术发展的优先领域,信息科学和技术生命科学和生物技术能源科学和技术环境科学和技术材料科学和技术高密度存储材料、生态材料、生物材料、碳材料 和高性能结构材料等纳米科学和技术先进制造技术,研发原创性成果在微电子材料技术、光电子材料技术、功能陶瓷、纳米材料、生物医用材料等前沿技术领域取得一批原创性成果提升支柱产业钢铁、有色金属、建材、化工等领域的关键新材料达到国际先进水平，辐射带动一大批支柱产业的技术改造升级促进高新成果转化一批应用型新材料项目取得重大突破,引导和促进形成年产值达数十亿元的大型新材料产业,材料领域总体战略目标,培育经济新增长点-信息新材料和特种功能新材料领域一批新兴 的、产业化前景好的新材料技术步入国际先进行 列；培育一批新兴产业生长点。形成和完善若干 新材料研究开发基地 保障重点工程建设-为国防重点工程、“振兴东部老工业基地”、“奥运”、“大型民用客机”、“探月计划”等重大 建设工程项目提供一批关键新材料 培养创新人才-培育一批创新能力强、综合素质高的新材料科 研群体,美国6070年代 阿波罗登月 7080年代 星球大战 8090年代 信息高速公路 90 纳米科技 俄罗斯 21世纪9项优先发展的科学、工艺、技术中“新材料和化学”排在第三,先进材料科技的国际发展趋势,建立先进材料科技体系,加强基础与战略性的材料研究，促进成果快速转化材料的复合与组装材料智能化及结构功能一体化材料与环境、资源的“协调与融合”材料制备和表征技术备受重视经济可承受性和可持续发展军民结合、寓军于民,我国新材料技术发展趋势,2003年我国钢铁业产量再创历史新高。全国累计产钢22011.63万吨，比去年增加3843.47万吨，增长21.15占全球钢产量的23，超 过美国和日本之和，成为全球第一个年钢产量突破2亿吨的国家，并续八年钢产量世界第一。2004年全国钢产量达到26700万吨 2003年十种有色金属总产量继续保持世界第一，总产量达 1205万吨，比上年增长19.1 2003年水泥产量8.47亿吨，增幅为16.3,基 础 材 料,我国传统材料产量快速增长，跃居世界前列,关键要点：基础材料产业的可持续发展：节能、降耗、环境友好,信 息 功 能 材 料,突破12-18英寸硅、6-8英寸砷化镓和以它们为基的微结构材料与器件的关键制备技术。第三代半导体材料与器件、海量存储、显示材料与大器件和纳米结构材料和量子器件及其系统集成技术。突破人工晶体、大功率半导体激光材料与器件和全固态激光与系统的关键制备与生产技术,半导体白光照明材料与器件,半导体照明新光源的优点：耗电低：仅为白炽灯的1/10寿命长：为白炽灯的100倍无环境污染：无汞色彩更接近自然光,我国是仅次于美国的世界第二发电大国。2002年我国照明用电约占我国1.65万亿度总发电量的12%，相当于三峡总发电量的二倍多。如果采用“半导体灯”替代传统光源，按节能45%计，等于多建一个三峡电站。半导体照明工程的核心技术是基于材料技术的全固态激光器。,我国已经基本完成了半导体照明光源产业化所需的全部技术开发和人才培养，正在促进半导体照明光源的投资热潮。,举例：高温超导技术,2004年4月，我国33.5米的三相、35kV/2kA的高温超导电缆系统开始在云南昆明普吉变电站成功实现挂网试运行，使昆明西北地区的几万个用户用上了超导电缆传输的电能。我国因此成为继美国、丹麦之后世界第三个将超导电缆投入电网运行的国家。,超导技术被誉为是21世纪的电力储备，对电力安全和节约能源具有非常重要的意义,对先进结构材料的需求,航空航天的需求 能源工业的需求交通运输业的需求 武器系统的需求 建筑业的需求机械设备制造业的需求环境保护的需求国家重大工程的需求,我国先进结构材料与先进国家的差距,先进结构材料未形成自己的体系我国先进结构材料基本上仍处于仿制阶段,科技创新能力 不足,自主开发的新材料很少。目前我国先进结构材料综合性能较低，生产技术和装备 落后，通用性差，由于受部门分割，条块专政的影响，军用和民用材料两张皮。缺少先进材料的研究开发平台。对材料的制备技术重视不够。,先进结构材料研究发展重点,先进复合材料 高温结构材料 轻合金材料高强、高韧、耐蚀钢铁材料极端条件下使用的合金材料智能材料与结构 前瞻性先进结构材料传统结构材料的高性能化和绿色化材料先进制备工艺技术材料的表征、寿命预测和安全评估,