材料结构与性能之四大材料ppt课件.ppt

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1、金属材料无机非金属材料高分子材料复合材料,四大材料,第三节、材料的概况,1、金属材料,定义：由金属原子堆彻而成的材料特点：原子核较重，核外电子云较多，金属原子最外层电子处于自由运动状态，每个电子可和若干个电子随时作用形成金属键，从而形成金属材料导电原因：电子的定向运动,金属：T电阻率电导率（电子热运动）半导体：T电阻率电导率（电子脱束缚）,金属的特性（与高分子材料相比）,无分子量有原子量强度、硬度高温变形有同位素抗冲击耐磨加工性能好,铝合金,钢材,2、无机非金属材料,传统无机非金属材料（硅酸盐材料）：水泥、玻璃、陶瓷等硅酸盐材料。新型无机非金属材料：半导体材料、超硬耐高温材料、发光材料等,新型

2、无机非金属材料的特性,2.1.1超导材料,材料在一定温度以下，其电阻为零的现象称为材料的超导电现象。在一定温度下具有零电阻超导电现象的材料，称为超导体（Superconductor）。目前我国能达到90k,2.1 新型无机非金属材料,超导材料的晶体图像,2.1.2 高温结构陶瓷,（1）高温结构陶瓷的种类：氧化铝陶瓷：又称人造刚玉，具有熔点很高、硬度高的优点。可用于作坩埚、高温炉管、球磨机、高压钠灯管等。,高压钠灯,氧化铝陶瓷制品,氮化硅陶瓷：具有硬度极高、耐磨损、抗腐蚀和抗氧化能力等优点。可用于制造轴承、汽轮机叶片、机械密封环、永久性模具、发动机部件等碳化硼陶瓷：具有熔点高、硬度大的优点。广泛

3、应用于工农业生产、原子能工业、宇航工业等,氮化硅陶瓷制品,碳化硼陶瓷制品,优点：能经受高温、不怕氧化、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等缺点：形变能力差、脆性大、韧性低，形变量约0.3%因裂纹、空隙、杂质等缺陷而导致碎裂 发展方向：提高弹性，使形变达1%增加韧性增加形变量但不破损,（2）高温结构陶瓷的优缺点及发展方向,光导纤维（光纤）,特点：传导光的能力非常强，抗干扰性能好，不发生电辐射等。应用：通讯、医疗、信息处理、传能传像、遥测遥控、照明等。,2.1.3 其他一些无机高分子材料,发光材料：En、Sr、Ba等氧化物可制得发光材料,发光产品,3、高分子材料,世界高分子材料年产量达1.5亿吨国

4、内每年需2千多万吨，但实际生产能力才1千多万吨,3.1 从行业角度看分四类：塑料,通用塑料特种塑料高强超韧工程塑料,超高分子量聚乙烯管材,高强超韧工程塑料管,聚乙烯薄膜制品,降解薄膜：淀粉填充光降解热降解,光-生物降解塑料餐盒是成本最低且符合国家标准的理想替代品。它具有光降解和生物降解双重降解性能。降解时间可控，典型的产品20天坍塌，40天碎成小片，60天成粉，最后完全被细菌和真菌降解。,实例,特种薄膜成型,在塑料薄膜的加工中，挤出吹塑薄膜（Bubble film）、流延薄膜（Casting film）和共挤出薄膜是目前经常使用的主要加工方法。但是对于一些特殊材料、如聚乙烯醇（PVA）、聚氟乙

5、烯（PVF）、聚四氟乙烯（PTFE）、（UHMWPE）等材料、由于这些材料具有特殊的性能、是无法用这些方法加工成膜的。,实例,PVA薄膜生产方法简介,熔融挤出吹膜投资小、产量大、成本低且性能优良,PVA挤出吹膜工艺流程,实例,熔融挤出吹塑PVA薄膜,实例,PVA熔融挤出生产薄膜,洗衣袋、洗涤剂袋、高尔夫球,实例,PVA薄膜特征,优异的生物降解性并且无毒，它能被微生物(假单细胞菌)分解为二氧化碳和水，并且降解速度快，不污染环境对氧气、氮气、碳酸气体等具有优异的阻隔性能。具有优异的耐油性、耐有机溶剂的性能。优异的抗静电性能和防尘性能。良好的水溶解性能。具有较高的强度以及良好的抗撕裂、抗冲击性能。良

6、好的热封性能，在180200下热封。良好的可印刷性。,实例,聚氟乙烯溶胶挤出（Polyvinyl Fluoride,PVF）,耐化学腐蚀性疏水性耐磨性耐老化性不粘性,在氟聚合物中，PVF的含氟量最低，密度最小，故而价格也最便宜，所有这些特性使得PVF广泛应用于建筑、化工、电子等许多工业领域。,实例,溶胶挤出聚氟乙烯薄膜的加工技术,潜溶剂技术的应用 所谓潜溶剂，是在室温下并不对聚氟乙烯有任何溶解能力，但在100以上高温下能对聚氟乙烯有活性，可以部分溶解。所用的潜溶剂：二甲基乙酰胺、二甲基甲酰胺、邻苯二甲酸二甲酯、碳酸丙烯酯、硝酸乙烯酯、-丁内酯、异佛尔酮,实例,PVB膜片挤出,聚乙烯醇缩丁醛（P

7、VB）PVB薄膜把两块普通玻璃粘结在一起，或是把一层普通玻璃与一层有机玻璃，或把普通玻璃与钢化玻璃粘结在一起做成安全玻璃,实例,市场前景,将聚乙烯醇缩丁醛（PVB）树脂与增塑剂按一定比例混合后挤出、压延制得的薄膜，特别适用于汽车、火车、飞机、坦克、舰艇等挡风玻璃的中间夹层，也可作为建筑用安全玻璃，保险面罩，照相底版和复合钢板等固体粘结层，以及制造高层建筑门窗用的围边材料。建设部、国家发改委等4部门联合下发文件建筑安全玻璃管理规定（以下简称规定）显示，自2004年起，7层及7层以上建筑物外开窗、公共建筑物的出入口、门厅等部位必须使用安全玻璃,实例,橡胶,天然橡胶 我国生产量不够多（主要产地：云南

8、、广州、海南等）合成橡胶,顺丁橡胶丁苯橡胶丁基橡胶,产地：北京房山的燕山化工厂催化剂：镍（环烷酸镍）、铝（丁基铝）、硼（三氟化硼）缺点：抗湿滑性差（不能用来做鞋底，轮胎等）产生应力剪切结晶,顺丁橡胶,产地：兰州组成：丁二烯+苯乙烯缺点：共聚时两者无规排列，导致材料强度低优点：经硫化后可增加拉伸强度加碳黑反应后，可增加强度,丁苯橡胶,优点：气密性好，可作轮胎内胎原理：分子式为，只有若干个连接组成，连段较短，其上的两个CH3在空间上不断地运动，形成屋顶形态，使空气被挡住，无法进出主要产地：北京燕山、兰州、上海高桥化工厂、广东茂名华工产、岳阳,丁基橡胶,我校先进弹性体材料研究中心研究的一些项目和成果

9、,千吨级热塑性硫化橡胶（TPV）动态全硫化技术平台建设,TPV粒料,TPV生产线,TPV汽车密封条,实例,TPV动态硫化技术,实例,合成的两种新型纳米填料,实例,合成的两种新型纳米填料,实例,Authors.Composites Science and Technology.2004.A Novel Separated Structure,实例,减振密封圈,侧裙防护板,顶窗电磁屏蔽密封条,中子防护服,大炮密封材料,发动机油管,国防军工技术平台及生产基地建设,橡胶履带板,负重轮,发动机密封材料,实例,民用重大技术平台建设,EPDM微孔橡胶体育跑道,地铁用EPDM微孔橡胶垫板,已在中原油田、辽河油

10、田试用,实例,无卤阻燃电缆,实例,无铅防护服,实例,涂料 主要用在：将庭装修、建筑、宇航等方面,应用于美国B-2隐身轰炸机的特殊配方的涂料，可降低轰炸机的雷达反射信号,纤维 涤纶、尼龙、氯纶、维尼龙等,3.2 从学科角度看高分子材料的分类,从聚合机理分,连锁聚合逐步聚合,自由基聚合阴离子聚合阳离子聚合配位聚合（d轨道的配位元素）,缩合聚合（比如：涤纶）开环聚合（不产生小分子）,聚合的一些特点,丁基锂引发苯乙烯聚合，每根分子链分子量都相同，长度都一样 这是因为丁基锂是以离子对的形式引发聚合，锂与C之间有一定的距离，正好适合一个单位进入缩合聚合中刚一开始单体与单体之间反应几率都是50%，再往后就不

11、一样了逐步聚合的分子量较宽,阳离子聚合：很低的温度下反应，温度越低反应越快,为什么？,连锁聚合中反应过程的特征：引发增长转移终止其中的阴离子聚合可作活性聚合逐步聚合中反应过程的特征：催化剂催化增长终止终止方法：其中一种官能团过量 或外加试剂封闭端基,PVC生产中，分子链向容器壁转移较频繁，导致器壁上结有很厚的高分子层，使反应温度不好控制，需要人工清理自由基聚合进行表面处理后，可达到活性聚合（可控自由基活性聚合）光聚合也可做成活性聚合,从聚合方法分,本体聚合（散热不好，有自动加速效应）溶液聚合悬浮聚合（不断搅拌，外加悬浮剂）乳液聚合,如何避免自动加速效应？,边搅拌边反应，先进行预聚，以躲过自动加

12、速效应，再倒入容器中成型，加温接着聚合,聚合反应场的大小,悬浮聚合的反应场是毫米级的本体和溶液聚合的反应场不论大小乳液聚合的反应场是微米级的最近世界上正在研究纳米级的反应场,纳米材料具有大的比表面，随着电子的暴露已显示出量子效应,4、复合材料,4.1定义：复合材料是指那些含有多个组分，且不同的组分有机地结合在一起、具有新的材料性能的新材料4.2 特点：典型的复合材料是在一个特定的基体中（matrix），填充有一种或多种填充体（filler）既能保留原组分或材料的主要特色，并通过复合效应获得原组分所不具备的性能；可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得新的优越性能,4.3 按基

13、体特征分类,高分子基复合材料(环氧、酚醛、尼龙、聚酰亚胺、PEEK等）无机非金属基复合材料（陶瓷、玻璃、水泥、碳基等）金属基复合材料（铜、铝、镍、镁等）,玻璃纤维增强HDPE目的是制备一种用于输油管道的高密度聚乙烯管材用料,HDPE/GF SEM,实例,4.4.1 组成特点（1）组成类型-填充剂+基体材料（2）填充剂为碳纤维-短或长纤维 单向排列、多向排列 编织或非编织物（3）基体聚合物、金属、碳、陶瓷或混合物,4.4一种典型的复合材料介绍 碳纤维复合材料,三明治式外，一般为三维连续式,4.4.2 性能特点（1）碳纤维：轻质、高强、高模的纤维状材料 优异的高比强度、高比模量 随意裁切长度、多维

14、编织，导电、导热，耐腐蚀，热膨胀率小等,（2）碳纤维/树脂基复合材料：弥补了高分子树脂强度、钢度等方面的缺陷，可制成有广泛用途的高性能材料（3）碳纤维/金属基复合材料：碳纤维降低了金属材料的热膨胀系数，增加了材料的强度和模量，降低了密度，有可能促进复合材料的导电性,（4）碳纤维/陶瓷基复合材料：很佳的抗氧化性 碳纤维改善陶瓷材料的脆性等弱点 拓展了陶瓷材料在高温环境领域的应用面（5）碳纤维/碳基复合材料 具有最高的比强度、最高的比模量、最高的比热导系数 热膨胀系数几乎为零 既具有碳物质的全部特点，又具有更高强度、更致密、更好的抗热冲击性,高模量炭纤维,4.4.3 我们学校的一些研究成果,实例,

15、中 试 线 实 景 图,高 模 量 炭 纤 维 成 品 丝,实例,BHM高模量炭纤维与东丽M40拉伸性能对比,*:表观模量,实例,炭纤维/环氧树脂复合板性能如表所示。从中可以看出BHM型高模量炭纤维稍好于日本M40B炭纤维，可以取代之。,实例,CF BHM M40B,纤维表面及断口形貌,实例,BHM型高模量炭纤维的制备技术成熟，在炭纤维原料性能和质量保证的前提下，所得纤维性能：抗拉强度（）：2.8 GPa；离散系数（Cv）：6%；抗拉模量（E）：400 GPa；离散系数（Cv）：3%；断裂伸长率（）：0.7%；离散系数（Cv）：6%；层间剪切强度（ILSS）：65 MPa；束丝长度（L）：50

16、00 m；,技 术 成 熟 程 度,实例,（2）碳纤维拉挤复合材料的制造专利技术,耐温90乙烯基酯树脂/碳纤维拉挤制造技术耐温120共混性乙烯基酯树脂/碳纤维拉挤制造技术耐温150互穿网络结构的环氧/乙烯基树脂的碳纤维拉挤复合材料制备技术,实例,碳纤维抽油杆的纤维排列,实例,碳纤维抽油杆的接头专利技术,接头的疲劳试验及实际使用效果,实例,碳纤维拉挤装备的制造,实例,碳纤维抽油杆的作业车及配套装备,实例,碳纤维预应力筋的研制,实例,军工项目：T800碳纤维缠绕树脂基体（MKPT-05-171）复合材料线轴(MKPT-05-185)机载复合材料气瓶国内最先进的缠绕机,(4)碳纤维缠绕复合材料的制备

17、与应用技术,实例,T800碳纤维表面状态分析及其对树脂基体设计的指导,T800炭化温度高于T700,石墨化程度高,其结晶结构相对完善,表面惰性，纤维与树脂基体间粘接能力较弱，复合材料易界面破坏而失效；,T800碳纤维的直径仅5微米,远小于T700碳纤维的7微米，导致纤维表面积增加，对浸胶造成难度，容易发生纤维表面缺胶现象。,；,树脂具有足够小的粘度基体相应也应具有足够高的强度基体具有较高的韧性,实例,环保,健康,缠绕树脂基体的固化剂和促进剂体系,湿法缠绕对树脂胶液粘度的特殊要求：0.2-0.8Pas石膏芯模，避免加热时水分对基体的侵蚀,液体胺类固化剂,改性芳香胺,化学改性,物理改性,TONOX

18、1：m-PDA/DDM60/40,TONOX2：DETDA/DDM60/40,实例,200直径的发动机壳体缠绕样品及耐压试验,实例,T700碳纤维缠绕复合材料的研究(沈阳飞机工业公司项目）,结构设计、程序、树脂、缠绕工艺、结构性能、机载产品,实例,光缆释放分系统：光缆+线轴,复合材料线轴,圆周方向热膨胀系数：0 7106长度方向热膨胀系数：70 110106 铝合金：各向同性：23 106,实例,按照实际尺寸缠绕的各种设计缠绕角的实物照片,实例,组织工程支架材料,碳材料CNTs,降解高分子PLLA,羟基磷灰石Nano-HA,(5)组织工程支架用复合材料的设计思路,电纺丝技术优势：1）能够制备直

19、径与细胞外基质相近的连续超细纤维；2）能简便快捷制备出各种类型的聚合物支架,并可在支架中引入无机粒子、生长因子、细胞调控因子甚至活细胞；3）支架具有较高的孔隙结构和较好的孔道联通，能满足细胞生长对材料孔隙率的要求，此外，纤维具有极大的体积比表面积。有利于细胞的粘附、增殖、表型和维持正常细胞形态。4）通过选择适当的材料和加工参数，可获得降解率可控的纤维支架,创新提出电纺丝PLLA/CNTs/HA杂化纳米纤维支架,实例,静电纺丝的原理及过程,实例,Vacanti小组研究表明，骨髓细胞(MSC)与电纺PCL支架复合培养时，细胞能够长入支架内部，经诱导分化为成骨细胞。,LSCM micrographs

20、 of FITC-stained ECs seeded on electrospun P(LLA-CL)copolymer scaffolds:after 7 days of culture.,国际上的最新研究进展,取向纤维的制备,实例,多壁碳纳米管/羟基磷灰石复合材料的制备,Ca(NO3)24H2O,多壁碳纳米管,超声振荡,搅拌,(NH4)2HPO4,HA,MWNTs/HA复合材料,研究进展,实例,TEM,a MWNTs,b MWNTs/HA,MWNTs/HA纳米粒子,实例,溶液浇铸法制备PLA/MWNTs/HA复合膜,湿态 HA,1，4二氧六环,PLLA/二氯甲烷,超声振荡,PLLA/HA

21、 混合溶液,真空脱泡,PLLA/HA复合膜,实例,SEM photos of PLA/MWNTs/HA membrane.(a)0(b)0.05(c)0.10(d)0.20(e)0.30,MWNTs/HA复合膜,实例,电纺丝装置的建立,实例,PLLA、PLLA/HA及PLLA/MWNTs/HA纳米纤维的制备,PLLA,PLLA/HA,PLLA/MWNTs/HA,实例,PLLA,PLLA/HA,降解前,降解16d,降解32d,降解前,降解28d,降解35d,降解前后的形态变化,实例,2.纤维牙桩复合材料,采用拉挤工艺制备纤维牙桩：1.玻璃纤维、石英纤维、碳纤维与树脂基体的界面技术2.纤维牙桩的模

22、量可调技术（20-50GPa）3.纤维牙桩的外观颜色的可调技术（三种颜色）4.中国人特点的核桩的结构设计规范（尺寸和规格）,实例,纤维牙桩的研究进展,1.中试产品：1万只，三种材质，4种规格2.国家医药管理局口腔材料质量检测中心生物相容性及临床试验相关标准检测已合格 3.北京大学口腔医院已完成一期临床应用试验 4.进入注册证的审查阶段，预计2005年底获得注册证,实例,光聚合生物材料,1.牙科材料,2.骨科材料,实例,3.药物缓释,4.组织工程,实例,聚膦腈,实例,主链为无机非金属材料，侧链上的两个氯可以被不同的有机基团所取代，通过引入不同的侧基就可以制备出一系列性能各异的材料，与现有的材料相

23、比，聚膦腈类无机功能高分子在合成方面具有独特的优越性,基本概念：组分、结构、性能随空间连续变化的一种高性能材料。(如：骨头、竹子),4.5功能梯度材料（Functionally Graded Materials，FGM）,a)梯度材料 b)均质材料,功能梯度材料（Functionally Graded Materials，FGM）,剑刃载面图,数千年前已有应用,近年来，FGMs已得到越来越多的应用，如：金属与陶瓷的连接、金属与高分子的连接，器官移植、切割工具、建筑中的防火物、火箭推力燃烧室衬里等。,功能梯度材料的优点：,热应力值可减至最小推迟塑性屈服和失效的发生抑制自由边界与界面处的应力集中和奇异性可以提高不同固体（如金属与陶瓷，金属与高分子）之间的界面结合强度可以通过对界面的力学性能梯度进行调整来降低裂纹沿着或穿过界面扩展的驱动力,结语,通过以上初步的学习，大家了解了四大材料各自的优点。当今社会，材料科学与工程的发展越来越倾向于吸收各种材料的优点，一些梯度材料将会迅速发展起来，将金属与非金属，金属与高分子等结合起来，增加他们的结合力，达到四大材料的并合。在下一次课里，我们将从最基本的知识开始学习,