金屬基等生物醫(yī)用復(fù)合材料課件

1、第六章 新材料化學(xué) 新能源學(xué)院2011年5月16日第六章 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、材料加工、試驗評價等一系列研究過程，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1100nm間的粒子，是處

2、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個氫原子緊密排列，20nm是頭發(fā)絲直徑的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)顆粒尺寸與電子運動的平均自由程可比擬或更小時，小尺寸效應(yīng)不容忽視。界面散射為主因。e_第一節(jié) 納

3、米材料3.量子尺寸效應(yīng) 當(dāng)納米顆粒尺寸小到一定程度時，費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 （如kBT）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，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極其小，其中所包含的原子個數(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“反常

4、現(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、寬頻帶強吸收 當(dāng)尺寸減小到納米級時，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、碳化硅及三氧化二鋁對紅外有一個寬頻帶強吸收譜。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

5、向上可以看到一個發(fā)光的圓錐體。 另外，當(dāng)納米微粒的尺寸小到一定值時，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的熔點卻在1173K左右。第一節(jié) 納米材料（3）熱學(xué)性質(zhì)納米微粒的熔點、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

6、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動能可相比時，磁化方向就不再固定在一個易磁化方向，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，其矯頑力Hc0，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。其特點純度高、結(jié)晶組織好

7、、粒度可控，但技術(shù)設(shè)備要求高。 (2)物理粉碎法 通過機械粉碎、電火花爆炸等方法得到納米粒子。其特點操作簡單、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。其特點產(chǎn)品純度高，粒度分布窄。(2)沉淀法 把沉淀劑加入到鹽溶液中反應(yīng)后，將沉淀熱處理得到納米材料。其特點簡單易行，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

8、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、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)計并制備納米量子器件 目標(biāo)將集成

9、電路進(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，成功地移動了氙原子，并利用它拼成了IBM三個字母。美國威斯康星大學(xué)已制造出可容納單個電子的量子點。在一個針尖上可容納這樣的量子點幾十億個。利用量子點可制成體積小、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限制在少數(shù)幾個狀態(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。納米激光器實際上是一根

10、彎曲成極薄面包圈的形狀的光子導(dǎo)線，實驗發(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（1）提高效率：納米激光器工作時只需約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，接近了無能量運行所要求的條件，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)的鋇原子一個一個地送入激光器中，每個原子發(fā)射一個有用的光子。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，這類裝置可以實現(xiàn)瞬時開關(guān)。已經(jīng)有一些激光器能夠以快于每秒 鐘20

11、0億次的速度開關(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實現(xiàn)將指日可待。第一節(jié) 納米材料 評價納米技術(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，將為實現(xiàn)光學(xué)高速數(shù)學(xué)運算提供可能。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

12、許多優(yōu)點。（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30nm60nm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

13、材料是納米技術(shù)的另一重要應(yīng)用。優(yōu)點（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（1）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 納米反應(yīng)器利用納米碳管獨特的孔狀結(jié)

14、構(gòu)，大的比表面，較高的機械強度做成納米反應(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，同時限制了反應(yīng)物分子和中間體的運動第一節(jié) 納米材料納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 RNA線度在15nm20nm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。將超微粒子注入到血液中，輸送到人體的各個部位，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，已用于臨床動物實驗。第一節(jié) 納

15、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)制造出分子機器人，在血液中循環(huán)，對身體各部位進(jìn)行檢測、診斷，并實施特殊治療，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動脈脂肪沉積物，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，分子機器人植入昆蟲的神經(jīng)系統(tǒng)中控制昆蟲飛向敵方收集情報，使目標(biāo)喪失功能 分

16、子傳感器和探測器 仿生納米材料制作人的牙齒、關(guān)節(jié)。藥物儲存在碳納米管中，通過一定的機制激發(fā)藥劑的釋放，可控藥劑有希望變?yōu)楝F(xiàn)實第一節(jié) 納米材料 利用碳納米管來制作儲氫材料，用作燃料汽車的燃料“儲備箱”。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；利用具有強紅外吸收能力的納米復(fù)合系統(tǒng)制備紅外隱身材料，都是很具有應(yīng)用前景的技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域 評價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，會是一次技術(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

17、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，把兩種以上的有機聚合物材料或無機非金屬材料或金屬材料組合在一起，使其性能互補，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： 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)計性。可以根據(jù)使用條件要求進(jìn)行設(shè)計和制造，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

18、材料的分類復(fù)合材料的兩種主要成分：基體材料和增強體材料按基體相的性質(zhì)分金屬基復(fù)合材料非金屬基復(fù)合材料鋁基復(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)合材料按增強相的形態(tài)分纖維增強塑料（玻璃鋼）纖維增強橡膠（輪胎）纖維增強陶瓷纖維增強金屬金屬陶瓷彌散強化金屬纖維增強復(fù)合材料顆粒增強復(fù)合材料疊層復(fù)合材料雙層金屬復(fù)合材料三層復(fù)合材料第二節(jié) 復(fù)合材料纖維增強復(fù)合材料顆粒增強復(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

19、、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、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)斗機上聚合物基復(fù)合材料用量達(dá)24%25%，直升機用量高達(dá)46%，而歐洲戰(zhàn)斗機的復(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，如工作溫度高、不易燃燒、導(dǎo)電導(dǎo)

20、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10年，花費73億美元研制出的B-2隱形戰(zhàn)略轟炸機（見圖）。它這所以能夠隱形并躲避雷達(dá)的監(jiān)控是因為在B-2機身上涂著一層復(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

21、密度低、力學(xué)性能好，既能吸收紅外信號又能吸收雷達(dá)波信號，故可用在飛機蒙皮、雷達(dá)天線罩等構(gòu)件上。B-2 隱形戰(zhàn)略轟炸機第二節(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)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，而其致命的弱點是具有脆性，處于應(yīng)力狀態(tài)時，會產(chǎn)生裂紋，甚至斷裂導(dǎo)致材料失效。而采用高強度、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有效的方法。纖維能阻止裂紋的擴展，從而得到有優(yōu)良韌性的纖維增強陶瓷基復(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

22、用作高溫及耐磨制品。其最高使用溫度主要取決于基體特征。陶瓷基復(fù)合材料已實用化或即將實用化的領(lǐng)域有刀具、滑動構(gòu)件、發(fā)動機制件、能源構(gòu)件等。法國已將長纖維增強碳化硅復(fù)合材料應(yīng)用于制造高速列車的制動件，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，神舟號載人飛船成功發(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)用無機非金屬材料四、醫(yī)用高分子材料五、生物醫(yī)用復(fù)合

23、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)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

24、、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

25、，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)用無機非金屬材料生物無機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

26、為: (1)近于惰性的生物陶瓷，如氧化鋁生物陶瓷、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度，但韌性較差，彈性模量過高，易脆斷，在生理環(huán)境中抗疲勞性能較差，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)，強度不隨

27、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

28、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、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。 按增強體形態(tài)和性質(zhì)分為纖維增強、顆粒增強、生物活性物質(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

29、具有活性涂層的鈦合計人工齒示意圖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，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能化、功能多樣化?？茖W(xué)家

30、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、反饋功能、信息識別與積累功能、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，因為其重量輕、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（）驅(qū)動材料 因為在一定條件下驅(qū)動材料可產(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)動材料如形狀

31、記憶材料、壓電材料、電流變體和磁致伸縮材料等?？梢钥闯觯@些材料既是驅(qū)動材料又是敏感材料，顯然起到了身兼二職的作用，這也是智能材料設(shè)計時可采用的一種思路。 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)用智能材料智能金屬材料智能無機非金屬材料智能高分子材料多水平結(jié)構(gòu)層次較弱的分子間作用力側(cè)鏈易引入官能

32、團(tuán)便于分子設(shè)計和精細(xì)控制質(zhì)輕易涂覆優(yōu) 點集感知、驅(qū)動和信息處理于一體，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)境實現(xiàn)環(huán)境響應(yīng)第四節(jié) 智能材料類別性質(zhì)應(yīng)用記憶功能高分子材料對應(yīng)力形狀體積色澤等有記憶效應(yīng)醫(yī)用材料包裝材料織物材料熱收縮管智能纖維織物聚乙二醇與各種纖維共混物熱適應(yīng)性 可逆收縮性服裝 保溫系統(tǒng)傳感/執(zhí)行系統(tǒng)生物醫(yī)用壓力繃帶智能高分子凝膠三維高分子網(wǎng)絡(luò)與溶劑組成的體系體積相轉(zhuǎn)變組織培養(yǎng)環(huán)境工程化學(xué)機械系統(tǒng)調(diào)光材料智能藥物釋放體系智能高分子復(fù)合材料集成傳感器、信息處理器和功能驅(qū)動器多學(xué)科交叉產(chǎn)物自愈合，自應(yīng)變，自動修補混凝土減震速造建筑材料形狀記憶合金與復(fù)合功能器件壓電材

33、料智能高分子膜選擇性滲透、選擇性吸附和分離等膜的組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài)的變化-智能化選擇透過膜材傳感膜材仿生膜材人工肺第五節(jié) 新能源材料一、核能材料二、生物質(zhì)能源材料三、能源材料新秀氫第五節(jié) 新能源材料在新技術(shù)基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地開發(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、材料加工、試驗評價等一系列研究過程，創(chuàng)造出能滿足各種需要的新型材料的技術(shù)。 第五

34、節(jié) 新能源材料一、核能材料 我們知道物質(zhì)是由分子構(gòu)成，分子又是由原子構(gòu)成，而原子又是由中心部分密實的原子核與核外高速運動的電子構(gòu)成。1986年，法國科學(xué)家貝克勒爾無意中發(fā)現(xiàn)一種含鈾的礦物會自發(fā)地放出一種看不見的穿透力很強的射線，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，會變成另一種元素的原子b,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）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、動量、角動量、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

35、重要的自然現(xiàn)象。現(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：（）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（）核聚變反應(yīng)由兩種輕核結(jié)合成一個重核，同時釋放巨大能量的變化過程。第五節(jié) 新能源材料、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。核燃料（nuclear fuel），可在核反應(yīng)堆中通過核裂變或核聚變產(chǎn)生實用核能的材料。重核的裂變和輕核的聚變是獲得實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

36、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”時產(chǎn)生的能量遠(yuǎn)大于化石燃料，1千克鈾235完全裂變時產(chǎn)生的能量約相當(dāng)于2500噸煤。 第五節(jié) 新能源材料、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)動汽輪發(fā)電機運轉(zhuǎn)發(fā)電。用原子能作動力的電站，稱為核電站。核電站的工作原理：核燃料在反應(yīng)堆內(nèi)進(jìn)行核聚變反

37、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)動發(fā)電機發(fā)電。核電站所有反應(yīng)堆都包括：核燃料、減速劑和載熱劑三個部分。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、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)作物收獲時殘留在農(nóng)田內(nèi)的農(nóng)作物秸