1、新材料(cilio)的發展與應用制作(zhzu)人： 2011075班 201107511孫寬共四十四頁 1）新材料的出現是為了解決現有材料性能不能滿足人們對所需性能的矛盾而出現的。例如具有高強度(qingd)的同時，又具有較高的硬度，塑形，韌性，疲勞輕度等性能，但是現在的普通材料在具有高硬度，高強度(qingd)時，塑形，韌性卻大幅度降低；又比如汽車工業，需要在保持一定強度(qingd)的時，又具有較輕的質量，現在普通的鐵碳合金，以及金屬材料很難滿足高級賽車所需要的強度(qingd)與質量的一個平衡，故現在較好的賽車都已經開始摒棄普通的金屬材料。共四十四頁 這輛法拉利 Enzo 車身采用的材

2、料是碳纖維，擁有著較高的強度，還有著非常(fichng)輕的車身，車身的主體僅重92公斤，這對賽車是非常有實際意義的。這對其他領域也有很大的應用意義共四十四頁新材料(cilio)的定義1）新材料（或稱先進材料）是指那些新近發展或正在發展之中的具有比傳統材料的性能更為優異的一類材料。新材料是指新近發展的或正在研發的、性能超群的一些材料，具有比傳統材料更為優異的性能。2）新材料技術則是按照人的意志，通過物理研究、 材料設計、材料加工、試驗評價等一系列研究過程，創造出能滿足各種需要的新型材料的技術。共四十四頁新材料(cilio)的種類 為了滿足不同(b tn)的特殊要求及性能，現在對新材料有很多不同

3、(b tn)的研究方向。主要有以下幾種； 超導材料的研究； 納米材料的研究； 智能材料的研究； 能源材料的研究； 新型無機非金屬材料的研究等共四十四頁 一：超導(cho do)材料超導現象：1911年，荷蘭物理學家昂尼斯(18531926)發現，水銀的電阻率并不像預料的那樣(nyng)隨溫度降低逐漸減小，而是當溫度降到4.15K附近時，水銀的電阻突然降到零。某些金屬、合金和化合物，在溫度降到絕對零度附近某一特定溫度時，它們的電阻率突然減小到無法測量的現象叫做超導現象共四十四頁1）高溫(gown)超導材料的簡介超導(cho do)材料的基本物理特征：零電阻現象完全抗磁性（邁斯納效應）超導態并非僅

4、取決于溫度(臨界電流和臨界磁場)普通導體超導體共四十四頁超導材料(cilio)的分類：常規(chnggu)超導體(如Nb-Ti合金)高溫超導體(如YBa2Cu3O7-x) 非晶超導材料復合超導材料(如超導線帶材料)重費米子超導體(如CeCu2Si2)有機超導材料(如富勒烯等修飾的化合物)超導材料高溫超導材料的簡介共四十四頁釔鋇銅氧化物（ YBa2Cu3O7-x ) 超導體高溫(gown)超導材料的例子1987年朱經武、吳茂昆、趙忠賢等發現，Tc90K,超導轉變溫度打破(d p)了液氦，解決了阻礙超導技術應用的瓶頸問題。共四十四頁鉍鍶鈣銅氧化物（Bi-Sr-Ca-Cu-O）超導體Bi2Sr2Ca

5、n-1CunO2n+4 n=1 2201相n=2 2212相n=3 2223相n=4 2234相Cu-O 層Bi2O2層 鈣鈦礦層高溫超導(cho do)材料的例子Tc100K;Tl-Ba-Ca-Cu系，Tc達到(d do)了125K;Hg-Ba-Ca-Cu系，Tc達到了135K, 高壓下Tc達到了164K。-Michael Vershinin, Shashank Misra, et al. Science,303,1995(2004).共四十四頁Y系高溫(gown)氧化物超導體的制備高溫超導(cho do)材料的制備原料(氧化物或碳酸物)混合化學劑量比燒結氧化處理熔融織構工藝克服大角晶界塊材

6、帶材離子束輔助沉淀工藝軋制輔助雙軸織構襯底工藝薄膜磁控濺射法激光沉淀法共四十四頁高溫超導(cho do)材料的制備Bi系高溫氧化物超導(cho do)帶材的制備:原材料(氧化物或碳酸物)混 合化學劑量比煅 燒研 磨粉末充管拉 拔Ag管軋 制熱處理壓制/軋制熱處理重復共四十四頁發展前景節省大量資金緩解環境污染超導電纜、超導發電機、超導電纜預 測低電力低能耗靈敏度度高釔鋇銅超導薄膜-應用于諧振器、濾波器、天線等有源器件商品化低電力低能耗釔鋇銅超導超導塊材-用于磁懸浮、儲能飛輪等方面即 將實業化預計在2020年左右會形成1500-2000億美元的超導市場，其中高溫超導占一半共四十四頁高溫超導材料(c

7、ilio)制備所面臨的問題：高溫(gown)超導材料的制備 材料制造成本高, 價格昂貴。 在長距離超導線材的制造上面仍然有很大的難度。（氧化物高溫超導陶瓷材料各向異性和短的電子相干長度以及大量晶界的存在嚴重影響線材的超導電性。） 高溫超導材料臨界電流和臨界磁場的提高仍是科學家研究的難題。共四十四頁二：納米材料(n m ci lio)1）納米材料的發現與研究1980年，德國的長期從事晶體物理研究的物理學家Gleiter 格萊特，在澳大利亞度假時，想到一個經常困擾他的問題“如何研究出具有異乎尋常材料的新型材料呢？”，在長期的研究中，人們視具有完整空間點陣結構的實體為晶體，是晶體材料的主體，而把空間

8、點陣中的空位，替位原子，間隙原子，相界，位錯當作晶體材料的缺陷。對此，他想如果把“缺陷”作為主體，研究出一種晶界占有相當大體積比的材料，那會怎樣？共四十四頁這位科學家不經意間的一個想法，使他花了四年時間的研究，在1984年研究出了這種金屬超微粉，就這樣，納米固體材料誕生了！共四十四頁納米材料(n m ci lio)的結構納米材料的內部結構十分奇異復雜，在1這樣小的空間里，竟然裝進面積達到500因此(ync)納米材料有再怎么特別的功能也不奇怪了！共四十四頁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1100nm間的粒子，是處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區域從通

9、常的關于微觀和宏觀的觀點看，這樣的系統既非典型的微觀系統亦非典型的宏觀系統，是一種典型的介觀系統（介觀體系是介于宏觀體系與微觀體系之間的一種體系。實際上介觀體系在尺寸上已經是宏觀的, 同時具有微觀體系，宏觀體系的特點 ）原子(yunz)排成的“原子(yunz)”字樣1nm=1/10億米，10個氫原子緊密排列(pili)，20nm是頭發絲直徑的3000分之一共四十四頁1.表面效應2.小尺寸效應3.量子尺寸效應4.宏觀量子隧道效應納米(n m)材料的特性共四十四頁納米材料的小尺寸(ch cun)效應1納米材料有很多“奇怪”的性質，所有的金屬到了納米級別都變成了黑色；在電鏡的觀測下，發現納米微粒沒有

10、固定的形態，隨著時間的推移，會自動形成各種形態，在電子束的照射下，會劇烈運動；在空氣中還可以自燃共四十四頁納米材料(n m ci lio)的小尺寸效應2）晶體物質的熔點是固定的，但是當它們變成納米微粒后熔點會降低，金的熔點1064，但是當顆粒到2nm時，熔點僅327，銀的熔點由670降低到100；在鎢的原料中加入0.1%0.5%的鎳超微粒時，燒結溫度從3000降低到了1200左右，很神奇不是么！共四十四頁幾種(j zhn)典型的納米材料納米顆粒型材料納米固體材料納米膜材料納米磁性(cxng)液體材料碳納米管納米算盤C60每10個一組，在銅表面形成世界上最小的算盤。納米皇冠共四十四頁納米(n m

11、)顆粒型材料：也稱納米粉末，一般指粒度在100nm以下的粉末或顆粒。由于尺寸小，比表面大和量子尺寸效應等原因，它具有不同于常規固體的新特性。納米固體材料通常指由尺寸小于15納米的超微顆粒在高壓力下壓制成型，或再經一定熱處理工序后所生成的致密型固體材料。氧化鋅納米(n m)晶粒納米固體晶粒共四十四頁碳納米管：碳材料家族中的新成員，為黑色粉末狀，是由類似石墨的碳原子六邊形網格所組成的管狀物，它一般為多層，直徑為幾納米至幾十納米，長度可達數微米甚至數毫米。碳納米管本身有非常完美(wnmi)的結構，尺寸只有頭發絲的十萬分之一，但導電率是銅的1萬倍，強度是鋼的100倍而重量只有鋼的七分之一。它像金剛石那

12、樣硬，卻有柔韌性，可以拉伸。它的熔點是已知材料中最高的。共四十四頁納米材料(n m ci lio)的應用1）陶瓷增韌：由納米粒子壓制成的納米陶瓷材料有很好的韌性。因為納米材料具有較大的界面，界面的原子排列是相當混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現出甚佳的韌性與延展性。共四十四頁2）隱身材料應用：由于納米微粒尺寸(ch cun)遠小于紅外及雷達波波長，因此納米微粒材料對這種波的透過率比常規材料要強得多，這就大大減少波的反射率，使得紅外探測器和雷達接收到的反射信號變得很微弱，從而達到隱身的作用；另一方面，納米微粒材料的比表面積比常規粗粉大34個數量級，對紅外光和電磁波的吸收率也比常規

13、材料大得多，這就使得紅外探測器及雷達得到的反射信號強度大大降低，因此很難發現被探測目標，起到了隱身作用。美國(mi u)F117隱形轟炸機機共四十四頁3）計算機和電子工業：可以從閱讀硬盤上讀卡機以及存儲容量為目前芯片上千倍的納米材料級存儲器芯片都已投入生產。計算機在普遍(pbin)采用納米材料后，可以縮小成為“掌上電腦”。納米(n m)存儲器，存儲密度可達每平方厘米10萬億字節 4）機械工業：采用納米材料技術對機械關鍵零部件進行金屬表面納米粉涂層處理，可以提高機械設備的耐磨性、硬度和使用壽命。共四十四頁三：復合材料(f h ci lio)復合材料(Composite materials)，是由

14、兩種或兩種以上不同性質的材料，通過物理或化學的方法，在宏觀上組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長補短，產生協同效應，使復合材料的綜合性能優于原組成材料而滿足各種不同的要求。 比如20世紀40年代，因航空工業的需要，發展了玻璃纖維增強塑料（俗稱玻璃鋼），從此出現了復合材料這一名稱。50年代以后，陸續發展了碳纖維、石墨纖維和硼纖維等高強度和高模量纖維。70年代出現了芳綸纖維和碳化硅纖維。這些高強度、高模量纖維能與合成樹脂、碳、石墨、陶瓷、橡膠(xingjio)等非金屬基體或鋁、鎂、鈦等金屬基體復合，構成各具特色的復合材料。共四十四頁 比如說，超高分子量聚乙烯纖維的比強度在各種纖維中位居第

15、一，尤其是它的抗化學試劑侵蝕性能和抗老化性能優良。它還具有優良的高頻聲納透過性和耐海水腐蝕性，許多國家已用它來制造艦艇的高頻聲納導流罩，大大提高了艦艇的探雷、掃雷能力。 除在軍事領域，在汽車制造、船舶制造、醫療器械、體育運動器材等領域超高分子量聚乙烯纖維也有廣闊的應用前景(qinjng)。該纖維一經問世就引起了世界發達國家的極大興趣和重視共四十四頁復合材料(f h ci lio)的類型復合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要(zhyo)有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須

16、、金屬絲和硬質細粒等。共四十四頁復合材料(f h ci lio)的分類納米復合材料功能復合材料塑木復合材料該研究方向(fngxing)主要包括納米聚合物基復合材料、納米碳管功能復合材料、納米鎢銅復合材料。塑木是以鋸末、木屑、竹屑、稻殼、麥秸、大豆皮、花生殼、甘蔗渣、棉秸稈等低值生物質纖維為主原料，與塑料合成的一種復合材料。功能復合材料是指除機械性能以外而提供其他物理性能的復合材料。如：導電、超導、半導、磁性、壓電、阻尼、吸波、透波、磨擦、屏蔽、阻燃、防熱、吸聲、隔熱等凸顯某一功能。統稱為功能復合材料共四十四頁復合材料(f h ci lio)的應用航空航天領域。由于復合材料熱穩定性好，比強度、比

17、剛度高，可用于制造飛機機翼和前機身、衛星天線及其支撐結構、太陽能電池翼和外殼、大型運載火箭的 殼體、發動機殼體、航天飛機結構件等。汽車工業(gngy)。由于復合材料具有特殊的振動阻尼特性，可減振和降低噪聲、抗疲勞性能好，損傷后易修理，便于整體成形，故可用于制造汽車車身、受力構件、傳動軸、發動機架及其內部構件。化工、紡織和機械制造領域。有良好耐蝕性，熱膨脹系數小的碳纖維與樹脂基體復合而成的材料，可用于制造化工設備、紡織機、造紙機、復印機、高速機床、精密儀器等。共四十四頁其他(qt)新材料其他類新的新材料有很多種這里主要(zhyo)說由碳原子構成的各種新型材料，比如碳纖維，石墨烯等。碳纖維，石墨烯

18、，納米碳管等都具有較為類似的性能，故這里只說石墨烯共四十四頁石墨(shm)烯石墨烯（Graphene）是一種由碳原子構成的單層片狀結構的新材料，是一種由碳原子組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。石墨烯一直被認為是假設性的結構，無法單獨穩定存在，直至2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈海姆和康斯坦丁諾沃肖洛夫，成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，而證實(zhngsh)它可以單獨存在，兩人也因“在二維石墨烯材料的開創性實驗”為由，共同獲得2010年諾貝爾物理學獎共四十四頁石墨(shm)烯的性能石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅硬的納米材料它幾乎是完全透明的，只吸收2.3

19、%的光導熱系數高達5300 W/mK，高于碳納米管和金剛石常溫(chngwn)下其電子遷移率比納米碳管或硅晶體還高，而電阻率只約 cm，比銅或銀更低，為目前世上電阻率最小的材料。因為它的電阻率極低，電子遷移的速度極快，因此被期待可用來發展出更薄、導電速度更快的新一代電子元件或晶體管。共四十四頁石墨(shm)烯的性能石墨烯是迄今為止世界上強度最大的材料，強度比鋼高出200左右，如果用石墨烯制成厚度相當于普通食品塑料包裝袋厚度的薄膜（厚度約100 納米），那么它將能承受大約兩噸重物品的壓力，而不至于斷裂；石墨烯還具有(jyu)比金剛石更高的硬度共四十四頁石墨(shm)烯的制作撕膠帶法/輕微摩擦法碳化硅表面外延生長切割碳納米管法除了上邊幾種，還有其他方法，但無一例外都是實驗室制法，制造代價極貴(j u)，這也是對石墨烯大范圍應用的一個阻礙共四十四頁石墨(shm)烯的應用因為良好的導熱性，導電性，電子通過速度，所以石墨烯是極其(jq)好的取代單晶硅的晶體管材料，集成電路材料，2011年6月，IBM的研究人員宣布，他們已經成功地創造了第一個石墨烯為基礎的集成電路。電路處理頻率高達10 GHz，其性能在高達127的溫度下不受影響。共四十四頁石墨(shm)烯的應用因為石墨烯具有極高的強度，硬度，以及耐熱性，故石墨烯制造的零件可以應用于條件(tiojin)極其惡劣的