功能材料課件

功能材料課件2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu1第一頁，共三十六頁，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu2納米材料第一節(jié)Nano-Grainmateral材料科學(xué)與工程學(xué)院第二頁，共三十六頁，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu3

納米（nanometer）mn。長度單位，1nm=10-3μm=10-6mm=10-9m.高分子材料的納米化一、概述：材料科學(xué)與工程學(xué)院納米材料納米超微粒子；納米固體材料；納米超微粒子：粒子尺寸為1～100nm的超微粒子；納米固體材料：由納米超微粒子制成的固體材料。納米材料和技術(shù)：研究納米超微粒子的制備、結(jié)構(gòu)和特性；同時(shí)也研究納米固體材料和納米組裝材料。第三頁，共三十六頁，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu41.表面效應(yīng)

：二、納米材料的性能特點(diǎn)材料科學(xué)與工程學(xué)院粉末粒徑越小，表面積愈大。

例:粒徑10nm時(shí)比表面積90㎡/g；5nm時(shí)180㎡/g；2nm時(shí)459㎡/g納米粒子性能變化

納米粒子減小表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比增加粒子的表面能增加納米原子象第四頁，共三十六頁，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu5超微顆粒的表面具有很高的活性：

在空氣中金屬顆粒會(huì)迅速氧化而燃燒。材料科學(xué)與工程學(xué)院

高倍電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)金屬超微顆粒沒有固定的形態(tài)，隨間的變化形成各種形狀，它不同于固體，又不同于液體，是一種準(zhǔn)固體。在電子束照射下，表面原子仿佛進(jìn)入了“沸騰”狀態(tài)，尺寸大于10納米后才看到穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)。

利用表面活性，金屬超微顆粒可望成為新一代的高效催化劑、貯氣材料以及低熔點(diǎn)材料。第五頁，共三十六頁，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu6

當(dāng)超微顆粒尺寸減小到一定條件，將引起材料宏觀物理、化學(xué)性質(zhì)上的變化，稱為小尺寸效應(yīng)。

2.小尺寸效應(yīng)

：材料科學(xué)與工程學(xué)院（1）特殊的光學(xué)性質(zhì)：

黃金細(xì)分到小于光波波長時(shí)，即失去了原有的光澤。金屬超微顆粒都為黑色：尺寸越小，顏色愈黑。銀白色的鉑變成鉑黑，金屬鉻變成鉻黑。

原因：金屬超微顆粒對光的反射率很低，通常低于l％，幾微米厚度就能全消光。

利用：制作高效的光熱、光電轉(zhuǎn)換材料，將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋㈦娔?。也可能?yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等。第六頁，共三十六頁，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu7利用：日本川崎制鐵公司用0．1～1微米的銅、鎳超微顆粒制成導(dǎo)電漿料代替鈀與銀貴金屬。超微顆粒熔點(diǎn)下降有利于粉末冶金生產(chǎn)。例如，在鎢顆粒中附加0.1～0.5％超微鎳顆粒后，燒結(jié)溫度從3000℃降到1200～1300℃。材料科學(xué)與工程學(xué)院（2）特殊的熱學(xué)性質(zhì)：固態(tài)物質(zhì)超細(xì)化后熔點(diǎn)顯著降低，小于10納米時(shí)尤為顯著金（1064℃）顆粒10納米時(shí)，熔點(diǎn)降到1037℃，2納米時(shí)僅327℃；銀（670℃）超微顆粒的熔點(diǎn)低于100℃。超細(xì)銀粉制的導(dǎo)電漿料可低溫?zé)Y(jié)，此時(shí)元件的基片不必采用陶瓷材料，甚至可用塑料。第七頁，共三十六頁，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu8

例如：大塊純鐵矯頑力約為80安／米；顆粒尺寸10-2微米以下，矯頑力增加1千倍；小于10-3微米，矯頑力反而降低到零，呈現(xiàn)出超順磁性。材料科學(xué)與工程學(xué)院（3）特殊的磁學(xué)性質(zhì)：超微顆粒磁性顯著不同與大塊材料。利用：磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，制成高貯存密度的磁記錄磁粉，應(yīng)用于磁帶、磁盤、磁卡以及磁性鑰匙等。利用超順磁性，將磁性超微顆粒制成用途廣泛的磁性液體。第八頁，共三十六頁，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu9（4）特殊的力學(xué)性質(zhì)：

納米陶瓷：具有良好的韌性。納米材料具有大的界面，界面的原子排列相當(dāng)混亂，原子在外力作用下很容易遷移，表現(xiàn)出甚佳的韌性與一定的延展性。氟化鈣納米材料：在室溫下可以大幅度彎曲而不斷裂。納米晶粒金屬：比傳統(tǒng)金屬硬3～5倍。金屬一陶瓷復(fù)合納米材料：可在更大的范圍內(nèi)改變力學(xué)性質(zhì)，應(yīng)用前景十分寬廣。超微顆粒的小尺寸效應(yīng)還表現(xiàn)在：

超導(dǎo)電性、介電性能、聲學(xué)特性以及化學(xué)性能等方面。

材料科學(xué)與工程學(xué)院第九頁，共三十六頁，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu10原因：粒子尺寸下降到某一值時(shí)，金屬費(fèi)米能級(jí)附近的電子能由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散。即納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的被占據(jù)的最高原子軌道能級(jí)，并且存在未被占據(jù)的最低的原子軌道能級(jí)，同時(shí)能系變寬。超微顆粒能級(jí)間距隨顆粒尺寸減小而增大。3.量子尺寸效應(yīng)

：量子尺寸效應(yīng)的宏觀表現(xiàn)：金屬超微顆粒變成絕緣體，比熱亦會(huì)反常變化，光譜線會(huì)產(chǎn)生向短波長方向的移動(dòng)。材料科學(xué)與工程學(xué)院

熱能、電場能或磁場能小于電子平均的能級(jí)間距時(shí)，材料呈現(xiàn)一系列反常特性，稱為量子尺寸效應(yīng)。超微顆粒在低溫條件下使用必須考慮量子效應(yīng)。第十頁，共三十六頁，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu11

三、納米材料的應(yīng)用1.在力學(xué)方面的應(yīng)用

：材料世界中的大力士--納米金屬塊體：

金屬納米顆粒粉體制成塊狀金屬材料，強(qiáng)度比一般金屬高十幾倍，同時(shí)又可以像橡膠一樣富于彈性。

剛?cè)岵?jì)的納米陶瓷：

納米陶瓷粉制成的陶瓷有一定的塑性，高硬度和耐高溫，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在更高的溫度下。材料科學(xué)與工程學(xué)院第十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu12

神奇的納米碳管

碳納米管是由石墨中一層或若干層碳原子卷曲而成的籠狀“纖維”，內(nèi)部是空的，外部直徑只有幾到幾十納米。性能：碳納米管比重是鋼的六分之一，強(qiáng)度是鋼的100倍。輕而柔軟，又非常結(jié)實(shí)，是作防彈背心的最好材料。碳納米管作出繩索，是從月球上掛到地球表面，而唯一不被自身重量所拉斷的繩索。用它作為地球--月球乘人電梯的繩索。材料科學(xué)與工程學(xué)院碳納米管纖維第十二頁，共三十六頁，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu13

利用某些納米材料的光致發(fā)光現(xiàn)象制作發(fā)光材料。2.在光學(xué)方面的應(yīng)用：材料科學(xué)與工程學(xué)院例如：利用納米非晶氮化硅塊體在紫外光到可見光范圍的光致發(fā)光現(xiàn)象，來制作發(fā)光材料。例如：載激光束（藍(lán)色）的納米傳感器探針穿過活細(xì)胞，以檢測該細(xì)胞是否曾置于致癌物質(zhì)下。第十三頁，共三十六頁，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu14善變顏色的納米氧化物材料：

氧化物納米顆粒最大的本領(lǐng)是在電場作用下或在光的照射下迅速改變顏色。作成士兵防護(hù)激光槍的眼鏡和廣告板，在電、光的作用下，會(huì)變得更加喧麗多彩。

法力無邊的半導(dǎo)體納米材料：

半導(dǎo)體納米材料可以發(fā)出各種顏色的光，可以做成超小型的激光光源。它還可以吸收太陽光中的光能；把它們直接變成電能。

材料科學(xué)與工程學(xué)院第十四頁，共三十六頁，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu15脾氣爆燥、易燃易爆的納米金屬顆粒：

金屬納米顆粒表面上的原子十分活潑。

例如：金屬銅或鋁作成納米顆粒，遇到空氣就會(huì)激烈燃燒，發(fā)生爆炸。用納米顆粒的粉體成功用作固體火箭的燃料、催化劑。5.在化學(xué)方面的應(yīng)用：愛清潔的納米材料：

例如：把透明疏油、疏水的納米材料顆粒組合在大樓表面或窗玻璃上，大樓不會(huì)被空氣中的油污弄臟，玻璃也不會(huì)沾上水蒸氣而永遠(yuǎn)透亮。將這種納米顆粒放到織物纖維中，做成的衣服不沾塵。

材料科學(xué)與工程學(xué)院第十五頁，共三十六頁，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu16國家大劇院（頂部采用納米材料制造）材料科學(xué)與工程學(xué)院第十六頁，共三十六頁，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu17非晶材料第二節(jié)Non-CrystallineAlloy材料科學(xué)與工程學(xué)院第十七頁，共三十六頁，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu18

非晶態(tài)合金也稱“金屬玻璃”，其結(jié)構(gòu)呈玻璃態(tài)。一、非晶態(tài)合金的定義：二、非晶態(tài)合金的性能：1.高的強(qiáng)度、硬度；2.良好的軟磁性；3.良好的耐蝕性。材料科學(xué)與工程學(xué)院由熔融狀態(tài)的合金以極高速度冷卻得到的。理想的非晶態(tài)合金的結(jié)構(gòu)是長程無序，可以認(rèn)為是均勻的，各向同性的。第十八頁，共三十六頁，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu19

Fe基非晶態(tài)合金抗拉強(qiáng)度可達(dá)4000MPa；Co基非晶態(tài)合金的顯微硬度高達(dá)1400HV。1、高的強(qiáng)度和硬度：一般金屬材料σf≈E/500，非晶合金約E/50-E/30。合金硬度Hv斷裂強(qiáng)度σf延伸率δ％彈性模量EPd73Fe7Si20401818600.166640Fe80P13C7744830400.03121520Ni75Si81478400Cu57Zn43529219600.17448非晶合金的延伸率很低，壓縮變形量可達(dá)到40％。材料科學(xué)與工程學(xué)院第十九頁，共三十六頁，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu202.良好的軟磁性

非晶態(tài)合金的無序結(jié)構(gòu)，不存在磁晶各向異性，因而易于磁化，且沒有位錯(cuò)、晶界等晶體缺陷，故磁導(dǎo)、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高，矯頑力低、損耗小、非晶鐵芯材料科學(xué)與工程學(xué)院理想的軟磁材料，成功的用于變壓器、磁頭材料等。第二十頁，共三十六頁，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu213.良好的耐蝕性

非晶態(tài)合金在中性鹽溶液和酸性溶液中的耐蝕性比不銹鋼好的多，可用來制造耐腐蝕管道、電池電極、海底電纜屏蔽等。試樣40℃腐蝕速度60℃腐蝕速度18Cr-8Ni17.512017Cr-14Ni-2.5Mo-29.24Fe72Cr8P13C70.0000.000Fe70Cr10P13C70.0000.000非晶合金和不銹鋼在10％FeCl3.10H2O溶液中的腐蝕速率（mm/年）材料科學(xué)與工程學(xué)院第二十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu22三、非晶態(tài)合金的制備：1、非晶態(tài)的形成條件：快冷、極大的過冷度例如：純金屬1010℃/S，合金106℃/S。提高材料的非晶形成能力提高合金的冷卻速度2、非晶態(tài)合金的制備方法：1）熔體極冷法；2）氣相沉積法；3）化學(xué)法；4）大塊非晶合金的制備材料科學(xué)與工程學(xué)院第二十二頁，共三十六頁，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu23梯度材料第三節(jié)Gradientmateral材料科學(xué)與工程學(xué)院第二十三頁，共三十六頁，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu24一、問題的提出：

航天飛機(jī)的超音速燃燒沖壓式發(fā)動(dòng)機(jī)為例：燃燒室壁一側(cè)承受超過2000℃的溫度，另一側(cè)保存液氫，溫度－200℃，人們將金屬和陶瓷結(jié)合起來，用陶瓷對付高溫，用金屬對付低溫。在極大的熱應(yīng)力下結(jié)合面會(huì)破壞。通過連續(xù)地控制內(nèi)部組成和微細(xì)結(jié)構(gòu)的變化，使金屬和陶瓷之間不出現(xiàn)界面，就可以解決這一難題。

材料科學(xué)與工程學(xué)院第二十四頁，共三十六頁，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu25二、梯度材料的定義：

依據(jù)使用要求，選擇兩種不同性能的材料，采用先進(jìn)的材料復(fù)合技術(shù)，使中間部分的組成和結(jié)構(gòu)連續(xù)地呈梯度變化，內(nèi)部不存在明顯的界面，從而使材料的性質(zhì)和功能，沿厚度方向也呈梯度變化的一種新型復(fù)合材料。

化學(xué)氣相沉淀法；物理蒸發(fā)法；等離子噴涂法；自蔓延高溫合成法等方法。三、梯度材料的制備：材料科學(xué)與工程學(xué)院第二十五頁，共三十六頁，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu26四、梯度材料的應(yīng)用：

梯度材料已成功的應(yīng)用于航天工業(yè)和其它領(lǐng)域。1、由耐放射性材料和耐熱應(yīng)力材料梯度復(fù)合的核反應(yīng)第一層壁及周邊材料；2、由光學(xué)材料梯度組成高性能激光器；3、由陶瓷和金屬梯度復(fù)合的人工關(guān)節(jié)等。材料科學(xué)與工程學(xué)院第二十六頁，共三十六頁，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu27記憶合金第四節(jié)MemoryAlloy材料科學(xué)與工程學(xué)院第二十七頁，共三十六頁，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu28形狀記憶效應(yīng)：指一定形狀的合金在某種條件下經(jīng)塑性變形，然后加熱至該材料的某一臨界溫度以上時(shí)，又完全恢復(fù)其原來形狀的現(xiàn)象。

形狀記憶合金種類：

鈦—鎳系、銅系、鐵系、一些聚合物和陶瓷材料。已實(shí)用化的形狀記憶材料只有鈦—鎳和銅系合金。材料科學(xué)與工程學(xué)院具有形狀記憶效應(yīng)的金屬稱為記憶合金。第二十八頁，共三十六頁，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu29（1）管子接頭：用記憶合金加工成內(nèi)徑比欲連接管的外徑小4％的套管，然后在低溫下（Mf以下）將套管擴(kuò)徑約8％，裝配后，隨溫度升高，套管恢復(fù)原來的內(nèi)徑，形成緊密配合，這類接頭已用于海底輸油管道的修補(bǔ)等。（2）熱敏裝置：如火災(zāi)報(bào)警器、記憶鉚釘?shù)取＃?）熱能－機(jī)械能轉(zhuǎn)換裝置：利用馬氏體相變逆轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的應(yīng)力和位移，將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，這種裝置可利用海水溫差發(fā)電，也可制成太陽能發(fā)動(dòng)機(jī)。

材料科學(xué)與工程學(xué)院記憶合金在工程和醫(yī)學(xué)得到成功的應(yīng)用第二十九頁，共三十六頁，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu30儲(chǔ)氫材料第五節(jié)StoredBydrogenAlloy材料科學(xué)與工程學(xué)院第三十頁，共三十六頁，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu31以金屬氫化物的形式吸收氫，加熱后又釋放氫的金屬。

一、儲(chǔ)氫材料的定義：氫是重要的能源。

二、氫能源的特點(diǎn)：資源豐富發(fā)熱值高潔凈無污染存儲(chǔ)困難氫氣存儲(chǔ)鋼瓶存儲(chǔ)：危險(xiǎn)；儲(chǔ)量??；

液態(tài)存儲(chǔ)：要求極好的絕熱保護(hù)；

儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)氫：安全又、經(jīng)濟(jì)；

材料科學(xué)與工程學(xué)院第三十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日2023/3/14AnmingLi,DeptofMSE,hpu32

三、儲(chǔ)氫的原理：許多金屬可固溶氫氣，形成含氫的固溶體。在一定的溫度和壓力條件下，含氫的固溶體（MHX）與氫氣反應(yīng)生成金屬氫化物（MHY）,并釋放出熱量。

MHX+H2MHY+△H△H：生成熱

1、正向反應(yīng)，吸氫、放熱，逆向反應(yīng)，釋氫、吸熱。2、改變溫度和壓力，可使反應(yīng)按正向、逆向反復(fù)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)材料的吸收、釋放氫的功能。材料科學(xué)與工程學(xué)院第三十二頁，共三十六頁，2022年，8月28日