资源简介

(共33张PPT)
新型工程材料简介
陶瓷材料
陶瓷材料
陶瓷材料是无机非金属材料的统称，是用天然的或人工合成的粉状化合物，通过成形和高温烧结制成的多晶体固体材料。陶瓷材料包括陶瓷、玻璃、搪瓷及耐火材料等。
一、陶瓷材料的分类
陶瓷材料按其成分和结构不同可分为普通陶瓷（传统陶瓷）和特种陶瓷（近代陶瓷）两大类。
1. 普通陶瓷
普通陶瓷是以黏土、长石、石英等天然原料为主，经过粉碎、成形和烧结制成的产品，包括日用陶瓷、建筑陶瓷、卫生陶瓷、低压和高压电瓷、化工陶瓷（耐酸碱用瓷）和多孔陶瓷（过滤、隔热用瓷）等。普通陶瓷产量大，用途广。
一、陶瓷材料的分类
2. 特种陶瓷
特种陶瓷主要是指采用高纯度人工合成化合物（如Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4、BN等）制成的具有特殊物理和化学性能的新型陶瓷（包括功能陶瓷）。特种陶瓷包括金属陶瓷（硬质合金）、氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、硅化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷、氟化物陶瓷、半导体陶瓷、磁性陶瓷及压电陶瓷等。特种陶瓷的生产工艺过程与普通陶瓷基本相同，主要用于化工、冶金、机械、电子等行业和某些新技术中。
虽然陶瓷制品种类繁多，其生产工艺过程各不相同，但是陶瓷制品的生产一般都要经历原料制备、成形（图1）和烧结三个阶段。
一、陶瓷材料的分类
图1 注浆成形示意图
二、陶瓷材料的特性和用途
陶瓷材料具有硬度高、抗压强度高、耐高温、耐磨损、耐腐蚀和抗氧化性能好等特性。但是一般来说，陶瓷材料脆性较大，没有延展性，经不起碰撞，耐急冷急热性较差。
陶瓷材料不仅用于制造生活用品，而且在现代工业中也得到广泛应用，如耐酸陶瓷用于制造耐酸耐碱容器、反应塔及管道等，氧化铝陶瓷和氮化硅陶瓷用于制造耐高温轴承、输送铝液的电液泵管道、阀门、燃气轮机叶片、切削刀具及热电偶套管等。
复合材料
复合材料
金属材料、高分子材料和陶瓷材料在使用性能上各有其优点和不足，因此它们各有自己的应用范围。随着科学技术的发展，机械制造和工程结构对材料提出了越来越高的性能要求，而使用单一的工程材料来满足这些性能要求变得越来越困难。因此，出现了将几种单一的工程材料采用不同的成形方法组合在一起的复合材料。
复合材料是两种或两种以上不同物理性质或化学性质或不同组织结构的材料，以微观或宏观的形式组合而成的材料。复合材料既保持了原有材料各自的特点，又具有比原有材料更好的性能，即具有“复合”效果。不同材料复合后，通常是以其中一种材料为基体材料，起黏接作用，另一种材料作为增强剂材料，起承载作用。
一、复合材料的分类
复合材料按增强剂种类和结构形式的不同可分为纤维增强复合材料、层叠增强复合材料和细粒增强复合材料，如图1所示。
图1 复合材料结构示意图
一、复合材料的分类
以玻璃纤维、碳纤维、硼纤维等材料作为复合材料的增强剂，复合于塑料、橡胶、金属、陶瓷等基体材料中形成的复合材料称为纤维增强复合材料。
例如，纤维增强橡胶（橡胶轮胎等）、纤维增强金属、纤维增强塑料（玻璃钢等）及纤维增强陶瓷等都是纤维增强复合材料。
1. 纤维增强复合材料
一、复合材料的分类
由两层或两层以上不同材料接合而成的复合材料称为层叠增强复合材料。例如三合板、五合板、钢-铜-塑料复合的无油润滑轴承材料、巴氏合金-钢双金属层滑动轴承材料、蜂窝夹层板以及表面涂层等就是这类复合材料。
2. 层叠增强复合材料
由一种或多种颗粒均匀分布在基体材料内形成的复合材料称为细粒增强复合材料。例如塑料中加颗粒状填料、橡胶用炭黑增强、硬质合金等都是细粒增强复合材料。
3. 细粒增强复合材料
二、复合材料的特性和用途
复合材料的优点是根据要求来改善材料的使用性能，将各种组成材料取长补短，并保持各组成材料的最佳特性，克服单一材料的某些缺点，从而有效地发挥材料的潜力。与其他传统材料相比，复合材料具有较高的比强度和比模量（弹性模量与密度之比），较好的抗疲劳性能、减振性及耐高温性，制造工艺简单，易于加工成形，用材省等特点。
纤维增强复合材料（如碳纤维增强树脂复合材料）可用于制造承载零件和耐磨零件，如连杆活塞、齿轮和轴承等；制造有耐腐蚀要求的化工机械零件，如容器、管道和泵等；制造航空航天飞行器的外层、人造卫星和火箭的机架、壳体及天线构架等。
二、复合材料的特性和用途
玻璃纤维增强复合材料（如玻璃纤维增强热固性树脂复合材料，又称玻璃钢）可用于制造各种罐、管道、泵、阀门、船舶（图2）及日用品等，或者作为金属、混凝土等设备内壁的衬里，可提高这些化工设备在不同介质、温度和压力条件下的工作寿命。
图2 玻璃钢船舶
二、复合材料的特性和用途
自然界中的许多天然材料都可看作复合材料。例如，树木是由纤维素和木质素复合而得，纸张是由纤维物质与胶质物质组成的复合材料，动物的骨骼也可看作由硬而脆的无机磷酸盐和软而韧的蛋白质骨胶组成的复合材料。人类很早就开始仿制天然复合材料了，如在建造房屋时，往泥浆中加入麦秸、稻草、毛发等增加泥土的强度。钢筋混凝土也是由水泥、砂子、石子、钢筋组成的复合材料。诸如此类的复合材料在工程、生产和生活中屡见不鲜。
拓展知识
功能材料
功能材料
功能材料是指具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学和生物医学功能，能产生特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。
功能材料已成为世界各国新材料研究发展的热点和重点，也是世界各国高科技发展中战略竞争的热点。
一、功能材料的分类
功能材料种类繁多，分类方法各异，主要有以下几种：
①功能材料按化学成分可分为金属功能材料、无机非金属功能材料、有机高分子功能材料和复合功能材料。
②功能材料按聚集态可分为气态功能材料、液态功能材料、固态功能材料、液晶态功能材料和混合态功能材料，其中固态功能材料又包括晶态功能材料、准晶态功能材料和非晶态功能材料。
③功能材料按功能可分为物理功能（如光、电、磁、声、热等）材料、化学功能（如感光、催化、降解、交换等）材料、生物功能（如生物医药、生物模拟、仿生等）材料和核功能材料。
二、功能材料的性能特点和用途
高温合金是指在600℃以上，甚至在1000℃以上能满足使用性能要求的合金，主要有铁基高温合金（如GH1140、GH2132等）镍基高温合金（如GH3039、GH4033等）和钴基高温合金（如K640）等。
铁基高温合金的最高工作温度可达900℃，用于制造航空发动机和工业燃气轮机部件。
镍基高温合金的温度可达700~1000℃，主要用于制造现代喷气发动机的涡轮叶片、导向叶片和涡轮盘等。
1. 新型高温合金
二、功能材料的性能特点和用途
没有原子三维周期性排列的固体合金称为非晶态合金，又称为金属玻璃。非晶态合金通过急冷方法或电化学沉积法制取。
与普通晶态金属或合金相比，非晶态合金具有较高的强度（如非晶态铝合金的抗拉强度是超硬铝的2倍）；具有良好的塑性和韧性，许多非晶态合金薄带可以反复弯曲，即使弯曲到180°也不会断裂，因此既可以进行冷轧弯曲加工，又可以编织各种网状构件；具有良好的磁学性能和耐蚀性等，可部分替代硅钢、铁氧体等软磁材料；具有较高的综合性能。目前，非晶态合金主要用于制造磁头、脉冲变压器和磁传感元件等。
2. 非晶态合金
二、功能材料的性能特点和用途
3. 磁功能材料
磁功能材料一般是指在常温下表现为强磁性的材料。根据其用途可分为软磁性材料、硬磁性材料、信息磁材料及特殊功能磁性材料。例如，信息磁材料可作为磁记录材料、磁泡材料、磁光材料等。特殊功能磁性材料广泛用于雷达、卫星通信、电子对抗、声呐系统等领域。
二、功能材料的性能特点和用途
有记忆的金属
法国研制出了一种奇妙的记忆合金，并用其制作了一个雕刻艺术品，悬挂在凯旋门下，这件艺术品会随着四季不同的气温呈现出不同的形态。用这种记忆合金制成钉子安装在汽车轮胎的外胎上，一旦气温降低到0℃以下，公路结冰时，钉子就会“记得”从外胎内伸出来，防止汽车在结冰的公路上打滑。日本三菱公司用记忆合金制造自动门窗，当室内温度稍高于设定温度时，门窗则会自动开启降温，从而使室内保持恒温状态。汽车或家用电器的外壳常因碰撞而凹陷，如果用记忆合金制造外壳，即使严重撞凹，只要用开水一浇，就能“唤起”记忆合金的“记忆”，凸起如初，整个恢复过程不超过3min。
职业常识
二、功能材料的性能特点和用途
材料在受热或温度变化时会产生性能变化并出现一系列现象，如热膨胀、热传导（或隔热）、热辐射等，凡具有此类特性的材料就称为热功能材料。
根据热性能变化的特性，热功能材料可分为膨胀材料、热电材料、形状记忆材料、热释电材料和隔热材料等，它们广泛用于仪器仪表、医疗器械、导弹武器、空间技术和能源开发等领域。
4. 热功能材料
二、功能材料的性能特点和用途
能够减弱物体的目标特征的材料称为隐身材料。目前，获得成功应用的是涂敷吸波材料，该材料是一种功能复合材料，它以高分子溶液、乳液或液态高聚物为基料，加入吸波剂和其他组分并使其均匀分散而制成。涂敷吸波材料广泛应用于军事装备，如军舰、巡航导弹、隐形飞机（图1）及坦克等。
5. 隐身材料
图1 隐形飞机
二、功能材料的性能特点和用途
由两种或多种材料复合成组分和结构呈现连续梯度变化的新型复合材料称为梯度功能材料。其主要特征是材料的组分和结构呈现连续梯度变化，材料内部无明显界面，材料的性质呈现连续梯度变化。
例如，宇宙飞船在进入太空的过程中会受到大气层的摩擦热和较高的热应力循环，如果采用金属材料制造飞船部件，虽然其强度高、韧性好，但其耐高温性能和耐蚀性较低；如果采用陶瓷材料制造飞船部件，虽然其耐高温、耐腐蚀，但其脆性大，不耐冲击；如果将两者组合，发挥两者的优点，克服两者的缺点，就可以满足飞船部件的使用要求。但普通的黏接技术或复合技术不能消除两者在界面处的巨大结构变化和性能差异，很容易引起剥离、开裂和脱落，造成材料损坏，而采用梯度热防护功能材料就可满足航天飞机、飞船部件（如壳体、发动机燃烧室等）的使用要求。
6. 梯度功能材料
二、功能材料的性能特点和用途
目前，国际上将处于1~100nm尺寸范围内的超微颗粒及其致密的聚集体以及由纳米微晶所构成的材料统称为纳米材料，包括金属和非金属，有机、无机及生物等多种粉末材料。纳米材料是目前材料科学研究的一个热点，由其发展起来的纳米技术被公认为是21世纪最具前途的科研领域。
纳米材料中的原子排列既不同于长程有序的晶体，也不同于长程无序的“气体状”固体结构，是一种介于固体与分子间的亚稳中间态物质。
7. 纳米材料
二、功能材料的性能特点和用途
正是纳米材料的这种特殊结构，使纳米材料具备传统材料所不具备的物理性能和化学性能，表现出独特的力学、光、电、热、磁和化学特性。纳米材料广泛应用于新材料研发、病变治疗、电子器件生产及军事领域等。
例如，利用昆虫作平台，借助纳米技术，把纳米机器人植入昆虫的神经系统中并控制昆虫，使昆虫飞入敌方区域收集情报，或使敌方的目标丧失，达到出奇制胜的目的。
二、功能材料的性能特点和用途
在一定温度下，如果材料的电阻变为零，并且磁力线不能进入其内部，则材料呈现完全的抗磁性，这样的材料称为超导材料。
超导材料从正常的电阻态过渡到超导态（零电阻态）的转变称为正常超导转变，对应的转变温度称为超导体的临界温度，用TC表示。TC是物质常数，同一种材料在相同条件下有确定值。TC值越高，超导体的实用价值越大。
目前，采用液氮冷却技术，超导材料的TC值可达125K。
8. 超导材料
二、功能材料的性能特点和用途
超导材料一般分为超导合金、超导陶瓷和超导聚合物三类。超导材料具有广阔的应用前景，如利用超导磁悬浮技术可制造磁悬浮列车（图2），其运行速度可达500km/h；利用超导材料输电可以大大降低输电损耗；利用超导磁体进行磁流体发电可直接将热能转变为电能，使发电效率提高50%~60%；利用超导材料可以制造运算速度更快的计算机。
图2 磁悬浮列车
二、功能材料的性能特点和用途
塑料给人们的生活带来很多方便，但也带来了“白色污染”，你有哪些好建议可减少“白色污染”？
实践与思考
二、功能材料的性能特点和用途
鼠牙为什么能咬穿铁皮？
鼠牙和粉笔都是由碳酸钙构成的，但是为什么一个坚硬牢固，一个脆弱易碎？科学家们用电子显微镜仔细观察了鼠牙的结构，结果发现在高倍放大下鼠牙的结构几乎与房子的砖墙一模一样，那一层层交叠的超薄碳酸钙片仿佛一排排砌起的砖块，夹入其间起黏合作用的有机蛋白质好像灰浆，这种交叉黏合的结构使碳酸钙薄片不会有丝毫的松动，它的强度也因此整整提高了20倍。
拓展知识
二、功能材料的性能特点和用途
鼠牙之所以如此锐利耐磨，是因为在鼠牙的胶原蛋白质中杂乱无章地插入了一根根细长的棒状钙化物，其形态很像在水泥中插入了许多钢筋。
动物的这些微妙结构所创造的奇迹使科学家惊叹不已。科学家也从中获取了灵感，开发新一代的仿生材料。例如，在鼠牙结构的启迪下，美国科学家研制出了一种超高强度的陶瓷材料。他们在碳化硼材料中加入了许多铝分子，它们的作用与贝壳内的蛋白质相似，可显著增强陶瓷的韧性和牢固度。另外，鼠牙的结构也正在被用于一种新型掘进工具材料的设计中。
谢谢观看！

展开更多......

收起↑