材料的发展与未来

关于材料的发展与未来材料科学研究动向及其基本化学问题一、对新材料设计和研制的要求二、21世纪动向四、分类动向三、材料科学中的基本化学问题五、纳米材料一些新型材料发展第2页,共81页，2024年2月25日，星期天一、对新材料设计和研制的要求化学是新型材料的源泉，也是材料科学发展的推动力。20世纪化学家以结构－功能关系研究为主线，合成了许多具有各种功能的分子对新材料设计和研制的要求结构与功能相结合智能型，即敏感和驱动双重性无（少）污染，包括材料本身的无毒，环保，安全等可再生性，要求材料能再生循环使用节约能源长寿命第3页,共81页，2024年2月25日，星期天二、21世纪动向21世纪主要工作是如何把功能分子组装成有一定结构的组装体从功能分子到功能材料还有一个必要的环节需要解决两个问题分子及组装体的结构问题分子的合成与组装反应问题20世纪后期有两个动向具有特殊功能的先进材料变得越来越重要高级材料对于特殊物理性质和材料的高级结构的依赖性增加从材料科学独立出来并物理学交叉增加以后，忽视了两个问题一是虽然利用的是物理性质，但都是由化学结构决定的二是不仅分子要用化学方法合成，高级结构也必须通过化学过程来构筑。化学将在以上两方面作贡献第4页,共81页，2024年2月25日，星期天三、材料科学中的基本化学问题1、总结20世纪材料化学取得的具大进展，可以证明化学是新型材料的源泉，也是材料科学发展的推动力。20世纪化学研究方法先是针对已有的问题谋求改进，总结已知聚合物的结构，设计新的结构，研究新的聚合反应，又经过不同的单体的选择，找出可行的工艺。第5页,共81页，2024年2月25日，星期天

2、近年来化学家提出的新型“准材料”不少，高分子电子材料、富勒烯和纳米碳管、自组装单分子层、纳米晶体等，但有两个弱点。（1）缺少基于化学的设计思想。因此，采取大量合成并加大范围筛选的研究模式。一旦发现个别结构，便引起许多人跟踪研究。结果命中率低。近年来，引用组合化学方法大大扩大了化合物库，如建立组合材料库。虽然加快了工作效率，但缺少根据功能与结构关系的深入了解。（2）仅仅基于分子结构与性能关系，缺少对于材料高级结构的认识。多数研究目的定位在功能分子，没有考虑什么样的高级结构才能表现所需的功能。目前正在研究用计算机模拟复杂材料的合成、特性和预计理论最佳结构。不过，没有高级结构的测定以及对于材料结构与功能定量关系的深入了解，计算机就没有设计依据。材料科学中的基本化学问题第6页,共81页，2024年2月25日，星期天3、推动材料科学发展的化学基本问题（1）分子结构－分子聚集体高级结构－材料结构－理化性质－功能之间的关系掌握这些关系便可以减少盲目性，增加命中率。（2）合成功能分子与构筑高级结构的理论与方法研究结构单元如何自组装成为所需的高级结构，再组装成材料。（3）分子器件的研究要有实际目标，微流体器件是一种可行可用的手段。模拟生物材料形成过程的基础研究研究历史：开始多从组成上模拟，其后从结构上模拟，但没有模拟生物体内材料组装过程，因而不能有生物材料原有的功能或达不到工作水平第7页,共81页，2024年2月25日，星期天四、分类动向1、新型导电材料（1）半导体材料20世纪发现了纯半导体材料硅和锗，混合型半导体化合物如锑化铟、砷化镓，从综合性能看，砷化镓作为半导体材料更为优越，特别是开头速度大千倍。这种芯片做成计算机后，其运算速度将高出千倍。21世纪努力方向是寻找高性能的半导体第8页,共81页，2024年2月25日，星期天（2）超导材料1986年4月IBM公司瑞士苏黎世研究实验室的J.G.Bednorz和K.A.Mueller发现镧钡铜的复合氧化物在30K显示超导性，激起超导热。1987年2月，美国休斯顿大学的美籍华人朱经武研制成功YBa3Cu3O7,其转变温度在90K，进入了液氮温度区1988年研制出了转变温度为125K的新型超导材料Tl2Ca2Ba2Cu3O10.1911年荷兰物理学家Heike发现了汞冷却到4K（液氦温度）时具有零电阻，但由于液氦温度的获得成本昂贵且操作不便，让人们失去了应用的信心。1991年有两项重要发展一是有机超导体的临界温度达12.5K一是发现碱金属掺杂的C60也有超导性，临界温度达33K；21世纪的目标是创造各种超导体以提高临界转变温度（1993年俄L.N.Grigorov发现了经过氧化的聚丙烯体系能在300K呈现超导性。）第9页,共81页，2024年2月25日，星期天Ti(OC4H9)4Al(C2H5)3H－C≡C－H1000倍催化剂温度

1974年日本筑波大学H.Shirakawa在合成聚乙炔的实验中，偶然地投入过量1000倍的催化剂，合成出令人兴奋的有铜色的顺式聚乙炔薄膜与银白色光泽的反式聚乙炔。10－8～10－7S/m10－3～10－2S/m世界上第一种导电聚合物：掺杂聚乙炔（3）有机导体第10页,共81页，2024年2月25日，星期天

1975年，G.MacDiarmid、J.Heeger与H.Shirakawa合作进行研究，他们发现当聚乙炔曝露于碘蒸气中进行掺杂氧化反应(doping)后，其电导率令人吃惊地达到3000S/m。聚乙炔的掺杂反应美国物理学家Heeger美国化学家MacDiarmid日本化学家Shirakawa获得2000年诺贝尔化学奖第11页,共81页，2024年2月25日，星期天1987年日本的Bridgestone和Seiko公司率先开发了聚苯胺二次电池，首次获得工业化应用。（3）有机导体第12页,共81页，2024年2月25日，星期天导电聚合物是由具有共轭∏键的聚合物经过化学或电化学的掺杂而形成的高分子的导电是在一个分子链上实现的适当地控制分子链的结构，或者改变它的局部环境，一个分子的各个区域可能具有不同的导电行为有可能制成“分子导线”、“分子电路”和“分子器件”掺杂方法掺杂剂电导率，S/m未掺杂型顺式聚乙炔反式聚乙炔1.7×10－74.4

×10－3

p－掺杂型（氧化型）碘蒸汽掺杂五氟化二砷掺杂高氯酸蒸汽电化学掺杂5.5×1041.2×1055×1031×105

n－掺杂型（还原型）萘基钾掺杂萘基钠掺杂2×104103～104（3）有机导体21世纪的研究方向是如何合成缺陷少、结晶度高、电性能好和易于加工的有机高分子材料。第13页,共81页，2024年2月25日，星期天（4）有机磁性材料物质磁性抗磁性顺磁性铁磁性反铁磁性亚铁磁性软磁材料硬磁材料半硬磁材料旋磁材料矩磁材料压磁材料按磁性种类按化学成份金属磁性材料非金属磁性材料按使用形态块体磁性材料粉末磁性材料薄膜磁性材料磁性材料第14页,共81页，2024年2月25日，星期天常见的软磁材料：铁和MFe2O4、MFeO3、M3Fe2O5、MFe12O19（M为金属离子）等铁氧体都是软磁材料。变压器的铁芯处于不断变化的电磁场中，铁芯材料的磁化强度和磁感应强度也是不断改变的。这就自然要求铁芯材料对这种变化的阻力小，变化足够灵敏。所以，几乎对所有的变压器铁芯，都要求导磁率高。磁性传感器普通的水雷或者地雷只能在接触目标时爆炸，因此作用有限。而如果在水雷或地雷上安装磁性传感器，由于坦克或者军舰都是钢铁制造的，在它们接近（无须接触目标）时，传感器就可以探测到磁场的变化使水雷或地雷爆炸，提高了杀伤力。变压器变压器（4）有机磁性材料第15页,共81页，2024年2月25日，星期天铝镍钴系硬磁合金、硬磁铁氧体材料、稀土硬磁材料等几个系列硬磁材料扬声器第16页,共81页，2024年2月25日，星期天20世纪末林展如以二茂铁为原料合成出室温下具有磁性、居里温度达摄氏200度的高分子金属配合物，并发现用它们做成的磁性元件对电磁波的传输具有明显有低频率损耗系数和低温度损耗系数的特点。这说明有机磁性材料在高频电磁波通讯领域有潜在用途。（4）有机磁性材料科学家预言几种具有特殊结构的有机化合物和高分子化合物可能具有磁性高分子--金属配合物分子内含氮氧稳定自由基团结构的有机化合物平面大键结构的有机物21世纪将作进一步探索。电子转移复合物第17页,共81页，2024年2月25日，星期天2、新型光学材料（1）非线性光学材料这是一种广泛应用于倍频器件、激光唱盘、激光彩色打印、自聚焦透镜、红外成象、纤维光学等高科技领域的新型光学材料。20世纪在无机材料方面BBO（偏硼酸钡）是一种优质的紫外倍频晶体材料，广泛用于激光技术中。近年来，非线性有机光学材料发展较快，且发现材料要具有高的极化性，特别是高度的二次谐波发生性（简写为SHG），通常要求材料具有共轭电子体系，且共轭体系的一端连有强的吸电子基团，另一端连有强的给电子基团，晶格结构应为非中心对称（已知只有29％）。21世纪的方向和难题应用分子的手性，选择含手性中心的旋光活性分子，以优化分子在晶体中的排列，从而提高有机晶体的SHG活性第18页,共81页，2024年2月25日，星期天（2）液晶和有机电致发光材料1994年~2000年,全球显示器销售额从194亿美元增加到337亿美元。预期平板显示器生产将成为21世纪信息社会的支柱产业。液晶是一种具有一定的几何结构或极性的合成小分子有机物和高分子化合物。21世纪的目标是如何设计和合成一些新型结构（如球状、棒状、盘形、层状、螺旋状）液晶材料，从分子水平上揭示液晶的结构和性能的关系另一类显示器材料是电致发光材料，具有低压直流驱动，高亮度、高效率以及实现全色大面积显示、成本低等优点，可克服液晶显示的其些不足，具有很大的应用前景1998年英国和日本推出了一个仅2mm的聚合物电致发光电视显示屏，21世纪大屏幕电致发光电视屏的广泛使用将不是遥远的事情。第19页,共81页，2024年2月25日，星期天(3)光导纤维从高纯度的二氧化硅或称石英玻璃熔融体中，拉出直径约100um的细丝，称为石英玻璃纤维。其特点是光损耗小，故称为光导纤维，是精细陶瓷中的一种利用光导纤维进行光纤通讯。激光的方向性强，频率高，是进行光张通讯的理想光源。与电波通讯相比，光纤通讯能提供更多的通讯通路，可满足大容量通讯系统的需要。第20页,共81页，2024年2月25日，星期天光导纤维光导纤维也是玻璃的一种通常光是直线传播，但当光线从一种折射率较大的介质射向折射率较小的介质时，若光线的入射角度超过某一数值，则光线就会全部反射原来的介质。因此，科学家们就想是否用一种“管道”，让光在其中发生全反射而不能出去，只能在“管道”的界面上作波浪式前进，并从“管道”的另一端出来。于是，就发明了能任意弯曲的石英玻璃纤维。光导纤维一般由两层组成，里面一层称为内芯，直径几十微米，但折射率较高；外面一层称包层，折射率较低。从光导纤维一端入射的光线，经内芯反复折射而传到末端，由于两层折射率的差别，使进入内芯的光始终保持在内芯中传输着。第21页,共81页，2024年2月25日，星期天光导纤维在实际使用时，常把千百根光导纤维组合在一起并加以增强处理，制成象电缆一样的光缆，既提高了光导纤维的强度，又大大增加了通讯容量。但光在玻璃纤维中传播时,往往会被一些杂质吸收而减弱.经过长时间的试验与探索,工程师们最终制造了杂质含量仅有十亿分之一的光导纤维,这样光的损耗率达到了10～3分贝/千米.所以,在现代信息时代,光电通讯事业得以迅速发展。第22页,共81页，2024年2月25日，星期天光导纤维光纤电缆通信已在20世纪推广使用生产高透明度、低损耗的石英纤维是用化学－蒸汽沉积法（CVD），但石英纤维仍有一定光损耗。近年来发现氟纤维如三元氟玻璃（即ZrF4、LaF3和BaF4混合体）可提高光纤性能，从原理上讲，其光信号传输横跨太平洋而不需中继站。21世纪的动向是研究新型光纤材料，面临的难点是如何提高高分子光纤材料的纯度问题。第23页,共81页，2024年2月25日，星期天（4）光开关材料21世纪新的发现及其实际应用的潜力很大。在处理光信号的过程中需要一种光学装置来开关、放大及储存光信号。目前是铌酸锂、砷化镓铝。近年来发现，一些新材料如聚乙炔、手性有机分子、液晶等显示了更优越的光学性能第24页,共81页，2024年2月25日，星期天氧化物陶瓷

氮化物陶瓷

碳化物陶瓷

硼化物陶瓷

硅化物陶瓷特点：电、磁、光、热等性能用途：通信、电子、自控、集成电路……按化学成分按使用性能结构陶瓷功能陶瓷特点:耐高温、超硬度、高强度、耐磨损、抗腐蚀

用途：能源、机械、冶金、宇航……

3、新型陶瓷材料

第25页,共81页，2024年2月25日，星期天

3、新型陶瓷材料

目前有Si3N4、SiC、WSi2、ZrO2、Al2O3等。（1）工程陶瓷这些材料具有耐热、高硬度、耐磨、耐腐蚀、相对密度小等特点。若能用于燃气轮机，工作温度从目前1100℃

提高到1370℃

，热效率从60%提高到80%，是理想的发动机材料。致命的缺点是脆性近期表明：用不同配比的各种原料和陶瓷复合材料制成的纳米级原材料经烧结可提高韧性，预期合成陶瓷研究将使全陶瓷内燃机尽快成为现实。工作温度1300℃

不水冷

重量轻氮化硅结构陶瓷制品氮化硅(Si3N4)陶瓷在1200℃左右的高温下，仍具有很高的强度，可用来制造汽轮机叶片、轴承、永久性模具等。第26页,共81页，2024年2月25日，星期天湿敏元件ZnO-Li2O-Cr2O3-V2O5，其相对湿度为90％，电阻4.24欧，可用于空调机(2)超硬陶瓷材料金刚石是一种天然“陶瓷”。人造金刚石已进入工业生产，其高温抗氧化性能较差，在8000C开始氧化。现已研制出氮化硼材料，硬度仅次于金刚石，在1200℃才开始氧化，具良好的应用前景。(3)热敏元件陶瓷半导体热敏陶瓷（PTC）具有正的温度系数，当温度上升到相变温度时，电阻急剧增大，可用于各种温控元件。如电热器、电饭煲、烤箱、干燥器等。第27页,共81页，2024年2月25日，星期天以Al2O3为主体，经1500~19000C烧结而成，具有压电陶瓷性能，就可实现机械能与电能的相互转变，用于电波滤波器、压电变换器、点火器等。(4)透明陶瓷(光学陶瓷)特点光学性能优异耐高温(熔点2000℃以上)用途高压灯（如高压鈉灯工作温度1200℃

寿命1—2万小时）防弹玻璃（5）电气陶瓷第28页,共81页，2024年2月25日，星期天4复合材料将多种材料（不同功能和性能）用化学方法使其结合成一体，将产生某一些特殊性能并优点互补的新型复合。这是材料科学中的新的生长点，对解决某些实际用途起很大作用。（１）聚合物基复合材料主要是指纤维增强聚合物材料。如将碳纤维包埋在环氧树脂中使复合材料强度增强，用于制造网球拍、高尔夫球棍和滑雪撬等。玻璃纤维复合材料为玻璃纤维与聚酯的复合体，可以用于结构材料，如汽车和飞机中的某些部件、桥体的结构材料和船体等，其强度可与钢材相比。增强的聚酰亚胺树脂可用于汽车的“塑料发动机”，使发动机的质量减轻，节约燃料。玻璃纤维第29页,共81页，2024年2月25日，星期天（２）陶瓷基复合材料为改变陶瓷的脆性，将石墨或聚合物纤维包埋在陶瓷中，制成的复合材料有一定的韧性、不易碎裂，且还可在极高的温度下使用。这类陶瓷基复合材料可望成为汽车、火箭发动机的新型结构材料。金属网陶瓷基材料具有超强刚性，可作为防弱弹衣的材料。第30页,共81页，2024年2月25日，星期天（３）金属基复合材料在金属表面涂层，可以保护金属表面或赋以金属表面某种特殊功能，如金属表面涂油漆以防抗腐蚀金属表面作搪瓷内衬可制造化学反应釜金属表面镀铬使表面光亮金属表面涂以高分子弹性体赋以表面韧性，可作为抗气蚀材料用于水轮机，汽轮机的不锈钢叶片上，延长其使用年限在纯的硅晶片上复合多层有专门功能的物质可用于计算机的集成电路片铝－硼纤维，其比强度为铝合金的2倍，比模量为铝合金的3.5倍，用于飞机，重量可减轻23-40%铜－钨纤维可耐温1100-1300℃在醋枝纤维片上涂上氯化银及多层不同的染料化学品便成了彩色胶片近年第31页,共81页，2024年2月25日，星期天玻璃钢（1）钢筋混凝土：钢筋（金属材料）和混凝土（无机非金属材料）的复合材料；（2）机动车轮胎：合金钢（金属材料）和合成橡胶（合成材料）的复合材料；（3）玻璃钢：塑料（合成纤维）和玻璃纤维（无机非金属材料）的复合材料；（4）碳纤维主要几种复合材料第32页,共81页，2024年2月25日，星期天5、生物医学材料对植入生物部件的代替物的要求生物相容性好，对肌体无免疫排异反应血液相容好，无溶血、凝血反应不会引起代谢作用异常现象对人体无毒、不会致癌根据材料本身的性质分类医用金属材料医用高分子材料生物陶瓷材料医用复合材料生物医学材料发展方向之一是制造人工材料做生物部件的人工代替物或在非医学领域中使用第33页,共81页，2024年2月25日，星期天（1）医用金属材料医用金属材料主要适用于人体硬组织的修复和置换，有钴基合金、不锈钢、钛及钛合金、贵金属系、形状记忆合金、金属磁性材料等七大类。医用金属材料的显著特点是具有较高的强度和韧性，加工性能好，工艺成熟稳定可靠。广泛用于齿科充填、人工关节、人工心脏、磁疗、放射疗法、药物载体、生殖控制等。

如把不锈钢做成人工关节植入人体内，三五年内便会出现腐蚀斑，并且还会有微量金属离子析出生物合金的缺点易腐蚀第34页,共81页，2024年2月25日，星期天(7)生物陶瓷材料优点:生物相容性好，耐腐蚀、稳定性好用途:人体器官、组织修复、再造生物陶瓷是惰性材料，耐腐蚀，更适合植入人体。最大缺点是性脆，韧性不足。脆性和加工成型困难，仍是制约生物陶瓷广泛应用的两个最大难题，严重影响了它作为人工人体器官的推广应用。生物陶瓷材料根据材料本身的性质可分为三类：一类是生物体内近于惰性的生物材料，如氧化铝（纯刚玉）陶瓷材料、碳素材料等；第二类称为生物体内可控表面活性材料，如生物玻璃陶瓷、羟基磷灰石等；第三类是生物体内可吸收的生物材料，如磷酸钙系可吸收材料、熟石膏等第35页,共81页，2024年2月25日，星期天医用高分子人工器官在50年代试用于临床如人工尿道（1950年）、人工血管（1951年）、人工食道（1951年）、人工心脏瓣膜（1952年）、人工心肺（1953年）、人工关节（1954年）、人工肝（1958年）等。进入60年代，医用高分子材料开始进入一个崭新的发展时期有机高分子材料做成的人工器官容易老化（3）医用高分子材料降解型高分子材料材料在植入体内后，可在生物环境作用下发生结构破坏和性能蜕变，最终通过体内新陈代谢分解而排出体外如胶原、纤维素、聚氨基酸、壳聚糖及某些聚酯材料等非降解型高分子材料可作长期植入之用常见的聚乙烯、聚丙烯、硅橡胶、聚砜、聚丙烯酸酯（有机玻璃）等第36页,共81页，2024年2月25日，星期天人工脏器高分子材料心脏嵌段聚醚氨酯弹性体、硅橡胶肾脏铜氨法再生纤维素，醋酸纤维素，聚甲基丙烯酸甲酯，聚丙烯腈，聚砜，乙烯－乙烯醇共聚物（EVA），聚氨酯豪，聚丙烯，聚碳酸酯，聚甲基丙烯酸－β－羟乙酯肝脏赛璐玢（cellophane），聚甲基丙烯酸—β—羟乙酯胰脏共聚丙烯酸酯中空纤维肺硅橡胶，聚丙烯中空纤维，聚烷砜关节、骨超高分子量聚乙烯，高密度聚乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯，尼龙，聚酯人造心脏人工膝关节人工肾脏医用高分子材料第37页,共81页，2024年2月25日，星期天皮肤硝基纤维素，聚硅酮—尼龙复合物，聚酯，甲壳素角膜聚甲基丙烯酸甲酯，聚甲基丙烯酸－β－羟乙酯，硅橡胶玻璃体硅油，聚甲基丙烯酸－β－羟乙酯鼻、耳硅橡胶，聚乙烯乳房聚硅酮血管聚酯纤维，聚四氟乙烯，嵌段聚醚氨酯人工红血球全氟烃人工血浆羟乙基淀粉，聚乙烯基吡咯烷酮胆管硅橡胶医用高分子材料第38页,共81页，2024年2月25日，星期天人工心脏瓣膜鼓膜硅橡胶食道聚硅酮喉头聚四氟乙烯，聚硅酮，聚乙烯气管聚乙烯，聚四氟乙烯，聚硅酮，聚酯纤维腹膜聚硅酮，聚乙烯，聚酯纤维尿道硅橡胶，聚酯纤维医用高分子材料第39页,共81页，2024年2月25日，星期天6、新型合金材料锂（密度仅为0.5g/cm3

）是常温下最轻的固体单质，铍锂合金称为超轻合金，是金属结构材料中最轻的一种。铍铝合金（含铍62％、铝38％），具有质量轻、耐高温、强度大，加式性能好等优点，应用于导弹、火箭、超音速飞机的结构部件，电子计算机、核燃料包壳。镁合金是镁和铝、锌、锰等的合金。用于制造仪器、仪表零件，飞机起落架等。（1)轻质合金第40页,共81页，2024年2月25日，星期天铝及其合金的应用铝对人类最大的贡献，就在于航天航空事业。虽然其单质的密度小，强度不大，但与一些金属形成合金后，就具有了轻而结实的优越性能。所以航空、航天工业上发挥了极大的作用，目前，一架超音速飞机，铝合金的用量已占用材的70%用铝锂合金具有高比强度、高比刚性且相对密度小的特点，如用代替飞机蒙皮材料，一架大型飞机可减轻重量50kg，以波音747为例每减轻1kg，一年获利2000美元。我国第一颗人造地球卫星东方红I号”的外壳，就是全部用铝合金制成的美国“阿波罗Ⅱ号”宇宙飞船使用的金属材料中,75%以上是铝合金。东方红I号人造卫星阿波罗II号宇宙飞船第41页,共81页，2024年2月25日，星期天铝及其合金的应用若将铝粉、石墨及氧化钛等物质按一定比例混合,涂在火箭、导弹的金属外壳表面,再经高温处理后，可使火箭与导弹“穿”了一层特殊的“外衣”,经能保护火箭与导弹在飞行过程中不会因与空气摩擦而烧毁。俄罗斯KH29空地导弹美国AGM86B巡航导弹中国长征运载火箭美国中程空对空导弹

第42页,共81页，2024年2月25日，星期天钛合金优点：高强度高韧性耐腐蚀质地轻无磁性钛合金的性能与应用钛与铝比,硬度是其2倍，制成合金则比铝高出2～4倍。而与钢相比钛的密度仅相当于钢(7.8g/cm3)的57%，但强度与硬度与之接近。所以，钛同时兼有钢(高强度)和铝(质地轻)的优点。在原来使用钢材和铝材的地方，它可以而代之；而在钢和铝不能胜任的地方，钛则能“轻松应对”。第43页,共81页，2024年2月25日，星期天钛是制造宇宙飞船的关键材料。由于太空的温度低达零下100～200℃，这个环境中的飞船所需要的液氢和液氧燃料，必须贮藏在用耐超低温的容器中。但大多数金属罐均会破裂，而钛制成的容器非但不破,且强度还会增加.所以，液氢和液氧是贮藏在用钛制成罐中。美国航天飞机钛合金的性能与应用当美国航天飞机从太空返回地球时，必须穿过大气层。但由于高速摩擦会使航天飞机表面温度高达1000℃。一般金属及其合金都难以抵抗，也只有钛合金作为其“蒙皮”，才能担此重任。第44页,共81页，2024年2月25日，星期天钛材同时也是现代飞机的主要材料。以前飞机的外壳都用铝合金，但当飞机的速度超过音速的2.2倍时,飞机外壳与空气的剧烈摩擦而产生很高的温度。一般铝合金在300℃以上强度便大大下降。而钛合金在650℃以上仍泰然无事。美国制造的著名“黑鸟”战机，其飞行速度已达3200千米/小时,是音速的2.5倍以上，其表面材料即为钛合金。钛合金的性能与应用“黑鸟”军用飞机US隐形战斗机法国阵风战斗机

第45页,共81页，2024年2月25日，星期天海狼号核动力攻击潜艇英国大刀级导弹护卫舰普通钢铁制成的船体易被海水侵蚀，且海水深度每增加10米，压力就增大1个大气压。潜艇或军舰须用超强耐腐蚀材料来制造。而钛及其合金长期浸泡在海水中不被腐蚀，且由于其没有磁性，故用钛合金制造的舰船，可免受磁性水雷的攻击。美国的深海潜艇就是用钛合金制成的，它能够在4500米深海中航行。钛合金的性能与应用第46页,共81页，2024年2月25日，星期天（２）耐热合金能在高温（＞700℃）下工作的金属，通称为耐热金属，“耐热”是指金属在高温下能保持足够的强度和良好的抗氧化性。它们广泛地应用于制造航空涡轮发动机，各种燃气轮机热端部件，应用领域涉及航艇、火车、汽车、火箭发动机、核反应堆等高技术领域。耐热金属主要集中于周期表的中部，ⅣＢ、ⅤＢ、ⅥＢ元素，其中钨的熔点最高（3410℃），通常将熔点高于铬（熔点1903℃）的金属，叫做高熔点金属或难熔金属。工业上常用的高熔点金属，主要有Mo、W、Nb、Ta等金属及其合金，但它们的价格高，数量少。常采用合金化的方法提高金属的耐热性。即在钢铁中添加某些元素，制成耐热抗氧化的合金钢，合金元素有W、Mo、Cr、V、Nb、Al、Si等第47页,共81页，2024年2月25日，星期天（２）耐热合金耐热合金目前有铁基、钴基、镍基、钼基、铌基、钽基和钨基合金等。镍钴合金能耐1200℃用于喷气发动机和燃气轮机的构件镍铬铁非磁性耐热合金在1200℃时仍具有高强度、韧性好的特点，可用于航天飞机的部件和原子反应堆的控制棒。今后方向是寻找耐高温（1000℃以上）、可长时间运行（10000h以上）、耐腐蚀、高强度等要求的合金材料。第48页,共81页，2024年2月25日，星期天形状记忆合金是一种新的功能金属材料，用这种合金做成的金属丝，即使将它揉成一团，但只要达到某个温度，它便能在瞬间恢复原来形状。例如，最早研究成功的形状记忆合金镍钛脑(Ni-Ti合金)，如果把它加工成Nitanon字样，然后加热到１５０℃再冷却，再把字形弄成一团，当把它加热到９５℃时发现它又重现了Nitanon字样。这种能“记忆”起自己受外力作用而变形前的形状，并能自动恢复的合金，称为形状记忆合金。应用记忆合金铆钉紧固件卫星自展天线（镍—钛）

形状记忆合金发动机（3）形状记忆合金第49页,共81页，2024年2月25日，星期天形状记忆合金的这种“记忆”功能，是因为这类合金具有马氏体相变。凡是具有马氏体相变的合金，将它加热到相变温度时，就能从马氏体转变为奥氏体结构，完全恢复原来的形状。形状记忆合金具有形状记忆效应的合金现已发现很多，主要的有Ni-Ti体系合金、Cu-Zn-Al合金以及Cu-Al-Ni系合金。近年来发现在高分子材料、铁磁性材料和超导材料中也存在形状记忆效应。第50页,共81页，2024年2月25日，星期天形状记忆合金由于Ni-Ti合金具有神奇的形状记忆性能，因此它在许多工业和民用部门发挥神奇的作用，广泛地用于卫星、航空、生物工程、医药、能源和自动化等方面。在工业生产中，不同材料管道的连接是非常普遍的，但连接通常比较困难。若用记忆合金管路接头，问题即可解决。只要把常温下轻松连接的记忆合金连接件放入热水里，过一会儿再取出来，就会发现两根管子已经紧紧地连接在一起了。在对其做抗压试验时发现，先被击碎的竟是钢管，而记忆合金则完好无损。形状记忆合金还可以垫在机器底下起减振、消除噪声的作用。因为形状记忆合金在冷热交替时电阻率显著增大，所以还是很好的阻尼材料。在汽车工业中，可以制造出“可复原”的汽车外壳：即使被撞扁，只要用80℃的热水一浇便可恢复原状。第51页,共81页，2024年2月25日，星期天美国曾用Ni-Ti合金制成飞船的发射和接收天线。此天线被折叠发射到月球上，以减少飞船的体积。在月球上，由于吸收太阳的辐射而升温，又恢复抛物面形状。在服装工业中记忆合金最早用于在文胸内起托垫保形作用。这种托垫在冷水中可以洗涤，而带在身上因体温而恢复原状，保持其很强的弹性。另外人们还利用这种超弹性开发出手机天线、高级眼镜架等。在医学上，如对脊椎骨弯曲的患者进行脊椎校直时，可用形状记忆合金制成的器件固定在脊椎骨上，受热时因器件伸长，而使脊椎校直。又如，可用Ni-Ti合金制造人造牙和牙床。传统的治疗血管狭窄的方法是开刀手术，若用形状记忆合金的腔内支架，则只需开一小口，用导管把支架植入血管即可，从而大大减轻了病人的痛苦。北京有色金属研究总院在开发记忆合金方面走在世界前列，已成为我国最大、世界一流的形状记忆合金生产基地。形状记忆合金第52页,共81页，2024年2月25日，星期天

储氢金属或合金为什么能储存氢气？，氢元素较活泼，原子半径又小，它很容易钻进金属空隙中去并和金属起化学反应生成金属氢化物。金属结构中存在着很多空隙（4）储氢合金储氢的传统方法气态---150大气压液态---－253℃液化钢瓶钢瓶储氢金属或合金——能吸收H2

的金属或合金。例如LaNi5若吸氢后形成LaNi5H6，这时在合金中氢的密度为0.111g/cm3，它比标准状态下氢气的密度大千余倍，也比液氢密度大。第53页,共81页，2024年2月25日，星期天五、纳米材料纳米的“纳”字,在希腊文中是“矮小”之意。纳米的符号是nm,是一个长度单位。1nm＝10-9m,即1纳米是十亿分之一米,它是普通氢原子的27倍，相当于人发直径的十万分之一。纳米颗粒一般是指尺寸在1～100纳米之间的颗粒。这样小的固体颗粒是人眼无法看到的，所以，需要借助20万倍的电子显微镜才能看清楚。10厘米10微米10纳米1微米100微米1厘米100纳米1毫米第54页,共81页，2024年2月25日，星期天纳米材料颗粒加工到纳米级大小（1-100nm)特点粒子具超细微、粒子多，表面积大特性具有奇特的光、电、磁、热、力和化学性质。应用举例如Au熔点1063℃，纳米金330℃；Ag熔点1063℃，纳米Ag100℃；使低温烧结制备合金成为可能。纳米铁的抗断裂应力比普通铁高12倍纳米材料实际上，纳米材料早就存在(荷花叶的表面结构)，只是到20世纪80年代才被科技工作者发现与重视。第55页,共81页，2024年2月25日，星期天纳米颗粒与原子随着颗粒直径的不断减小，其表面原子的百分数会迅速增加。当微粒直径达到10纳米时，表面原子数是颗粒中原子总数的20%;但当直径小到1纳米时,表面原子百分数增加至99%。据资料报道，当表面原子百分数达到99%时，就会有组成该颗粒的30个原子几乎完全裸露在颗粒表面。因表面原子与纳米颗粒内部原子所处的环境不同，它周围缺少相邻的原子，又有许多悬空键，具有不饱和性，易与其他原子结合而稳定。所以，纳米颗粒直径减小的结果，使其表面积、表面结合能及化学活性等迅速增大。因而纳米材料就具有了一些特殊的性能。第56页,共81页，2024年2月25日，星期天纳米材料的性能纳米氧化铁⒈光学性质不同的金属块往往有不同的颜色,但当其颗粒度减小到纳米级的时候，其吸光能力大大增加，几乎所有的光线都被吸收。所以，不管原来金属块是什么颜色，此时都呈黑色，且颗粒越细，颜色越深。第57页,共81页，2024年2月25日，星期天超细的Fe、Ni、Fe2O3混合轻烧结体可代替贵金属作为汽车尾气的催化剂。纳米材料的性能⒉催化性质作为催化剂，催化反应通常是在其表面进行。当催化剂颗粒达到纳米级时，由于其表面积和表面能都非常高，导致活性点急剧增多。因此，与传统催化剂相比，纳米级催化剂的催化活性与选择性大幅度提高如纳米铂黑催化剂可使乙烯氢化反应的温度从600℃降至室温第58页,共81页，2024年2月25日，星期天平均颗粒度3～5nm纳米材料的性能⒊化学反应性质纳米颗粒的粒径小，表面原子百分数高，吸附能力强，因此，表面反应的活性很高。如金属纳米颗粒容易被氧化，在空气中极易发光燃烧。第59页,共81页，2024年2月25日，星期天纳米材料的应用1998年美国首次研制出由磁性纳米棒组成的“量子磁盘”，该磁盘的记录密度可达400Gb/in2，相当于每平方英寸可储存20万部《红楼梦》。计算机存储器的存储能力将提高1000倍，到那时巨型计算机小到放到口袋里；美国国会图书馆的全部资料的信息可以存储在一块水果糖大小的存储器中。⒈利用纳米半导体颗粒制备光电转化率更高的新型太阳能电池⒉再创“磁记录材料”的新高据调查，到2010年，纳米技术将成为仅次于芯片制造的世界第二大产业，拥有14400亿美元的市场份额。第60页,共81页，2024年2月25日，星期天纳米材料的应用⒊细胞机器人细胞是生命的最小单位，其中酶分子就是一个活的微型机器人。利用纳米技术模拟生命过程中功能不同的酶，就可以解决常规医疗条件不能解决的事情。纳米机器人可注入人体血管内，进行全身健康检查，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪淀积物，吞噬病毒，杀死癌细胞。第61页,共81页，2024年2月25日，星期天纳米材料的应用如制造出负责清扫血管的纳米机器人,专门清除血管壁上的胆固醇等沉积物,以预防心血管疾病。瑞典科学家用黄金和多层聚合物制作微型医用机器人，用它在人体内移动单个细胞，成为微型手术器械。第62页,共81页，2024年2月25日，星期天纳米材料的应用在汽车尾气处理中加入纳米复合稀土氧化物后，尾气净化的效果非常好，N、O和NO几乎完全转化成无毒的N2和CO2。纳米TiO2可用来降解有机磷，催化降解纺染中的废水，从而解决环境污染问题。⒋汽车尾气处理⒌纳米防晒品在防晒品中加入表面遮盖能力强,吸光性强但对身体无害的聚合物纳米颗粒,既可增强防晒品阻挡紫外线能力,同时也改善防晒品的其他功能。第63页,共81页，2024年2月25日，星期天纳米材料的应用⒍纳米杀菌除味剂利用纳米颗粒吸附能力强的特点,将纳米颗粒添加到纤维制品和制冰箱的塑料中，可制得除味杀菌的纤维和无菌冰箱。⒎纳米隐形飞机雷达探测飞行物的基本方法，是通过接受经由飞行物表面所反射回来的电磁波来确定其方位的。而纳米材料对电磁波有很强的吸收能力,因此,利用这个优势便可制造出隐形飞机。第64页,共81页，2024年2月25日，星期天纳米材料的应用纳米材料对光的反射率很低(约1%)，粒度越细，对光和电磁波的吸收越多，据此纳米金属材料可制作红外线检测元件、红外吸收材料和隐形飞机上的雷达吸收材料。据报道日本已用极微小的部件组装成一辆只有米粒大小、能够运转的汽车；德国还制成了一架只有黄蜂大小、并能升空的直升机以及肉眼几乎看不见的发动机。在20世纪90年代，科学家发现许多纳米陶瓷（如ZrO2、Ti2O3、Si3N4）在适当温度下具有很好的塑性，甚至塑性形变可达100％。这使人们想到陶瓷的最大缺点－－脆性是否可以在这种异常性能中得到解决。这是将来陶瓷材料研究中的一个重要课题。第65页,共81页，2024年2月25日，星期天碳纳米管是在20世纪末制成的新型纳米材料。碳纳米管是石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状“纤维”，内部是空的，外径只有几十纳米。这种纤维的密度是纲的1／6，而强度却是钢的100倍。有人指出，用它做绳索是惟一可以从月球表面拉到地球表面而不能被自身重量拉断的绳索。这种材料还能储存和凝聚大量氢气，并可能作为燃料电池驱动汽车。2000年11月香港科学家研制成功的最小碳管直径只有0.4mm,它是由一个个笼状的小单元连接而成,这些小单元看起来很像足球。现代纳米技术不仅是指制造超细粉末的技术，它的重要意义在于人类能够在纳米尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工，并按人的意愿组成所需要的超微细器件2001年11月三位中国科学家在美国制造出10-15mm厚，30-300nm宽的“纳米带”，纳米带的生产可解决在大量生产纳米管时难免出现的结构上的缺陷。纳米碳管

第66页,共81页，2024年2月25日，星期天纳米碳管

纳米碳管(NTs)以其特有的力学、电学和化学性质，独特的准一维管状分子结构和在未来高科技领域中所具有的许多潜在的应用价值，迅速成为化学、物理及材料科学等领域的研究热点。不过，纳米碳管是否属于碳的同素异形体在学术上还存在争议。第67页,共81页，2024年2月25日，星期天

纳米碳管(NTs)即管状的纳米级石墨晶体，是单层或多层石墨片围绕中心轴，按一定的螺旋角卷曲形成的无缝纳米级管，管端基本上都封口。每层纳米管是一个由碳原子通过sp2杂化与周围3个碳原子完全键合后所构成的六边形平面组成的圆柱面。其平面六角晶胞边长为24.6nm，最短的碳－碳键长14.2nm。根据制备方法和条件的不同，纳米碳管存在多壁纳米碳管(MWNTs)和单壁纳米碳管(SWNTs)两种表式。多壁纳米碳管的层间接近ABAB……堆垛，其层数从2～50不等，层间距为(0.34～0.01)nm，与石墨层间距(0.34nm)相当。单壁纳米碳管典型的直径和长度分别为0.75～3nm。纳米碳管的长度从几十纳米到1微米。无论是多壁纳米碳管还是单壁纳米碳管都具有很高的长径比,一般为100～1000,最高可达1000～10000,完全可以认为是一维分子。

碳纳米管的结构第68页,共81页，2024年2月25日，星期天电弧放电法中阴极采用厚约10mm，直径约30mm的高纯高致密的石墨片，阳极采用直径约6mm的石墨棒，整个系统保持在气压约l04Pa的氦气气氛中，放电电流为50A左右，放电电压20V，通过调节阳极进给速度，可以保持在阳极不断消耗和阴极不断生长的同时，两电极放电端面间的距离不变，从而可以得到大面积离散分布的碳纳米管。

碳纳米管的制备碳纳米管的制备方法有多种，其中电弧放电和催化热裂解是两种使用较广的方法

催化热裂解法制备的碳纳米管结构较单一、纯度较高。一般采用催化剂Ni作为衬底材料，在700℃温度下催化裂解乙烯制备碳纳米管。第69页,共81页，2024年2月25日，星期天碳纳米管的应用(1)高强度碳纤维材料理论计算表明，纳米碳管的抗张强度比钢高100倍，但重量只有钢的六分之一。其长度是直径的几千倍，5万个并排起来才有人的一根头发那么宽，因而号称“超级纤维”。

(2)复合材料近年的研究表明，纳米碳管与介孔固体(孔径在2～50nm的多孔固体)组装，形成介孔复合体，将是一种特殊性能的新型材料。碳纳米管自身重量轻，具有中空的结构，可以作为储存氢气的优良容器，储存的氢气密度甚至比液态或固态氢气的密度还高。适当加热，氢气就可以慢慢释放出来。研究人员正在试图用碳纳米管制作轻便的可携带式的储氢容器。（3）储氢材料第70页,共81页，2024年2月25日，星期天微型化学开关－朝着分子计算机迈出一大步一些新型材料发展现在科学家将开发出的微型化学开关细如毛发，可反复开启和关闭，从而可能用来制造随机存取的存储器。这是计算机中的关键设备，它使用户能保存和任意处理信息。分子计算机将淘汰掉今天体积庞大、笨重、能耗巨大的硅计算机目前的晶体管尺寸比分子器件大8000倍，最终计算机将变得十分微小，可编织到衣服中。它能完整地保存大量数据而不必担心出现系统崩溃或其它故障一般的计算机，基本器件是二极管（开关，电流放大器）、三极管（信号－电压放大器，信息存储器）。第71页,共81页，2024年2月25日，星期天它是由两个微小的互相连锁的环状结构组成的。通过施加电脉冲可以移走一个电子，从而导致一个环出现翻转或绕另一个环旋转，这就打开了开关。若把电子送回原处，便会使开关关闭。如右图的分子结构中，－SH与Au易结合，中间苯环的电子可流动。加电场时，苯环发生扭曲，电子不能通过－－这就是二极管。它在5V时，可承受0.2mA,穿过分子通道的电子数约为1012个，相当于电子是逐步通过的。微型化学开关的基础是一种叫连环体的分子（2、4－二苯硫酚－3－氨基硝基苯，如图）。微型化学开关－朝着分子计算机迈出一大步第72页,共81页，2024年2月25日，星期天基因芯片基因芯片，也叫DNA芯片，是在90年代中期发展出来的高科技产物。基因芯片大小如指甲盖一般，其基质一般是经过处理后的玻璃片。每个芯片的基面上都可划分出数万至数百万个小区。在指定的小区内，可固定大量具有特定功能、长约20个碱基序列的核酸分子（也叫分子探针）。第73页,共81页，2024年2月25日，星期天基因芯片即脱氧核糖核酸（DNA）阵。在不大的芯片上，储存着巨大数量的信息，而传递信息的使者就是DNA。基因芯片由若干基因探针构成，每种基因探针包含着由若干个核苷酸对构成的DNA片段。基因芯片的工作原理与探针相同。在指甲盖大小的芯片上，排列着许多已知碱基顺序的DNA片段，根据碱基互补规律，芯片上单链的DNA片段能捕捉样品中相应的ＤＮＡ，从而确定对方的身份，通过这种方式可准确识别异常蛋白等。基因芯片的制作是一项十分复杂的技术，要在小小的玻璃芯片上加工数十万个孔槽，然后在每个孔上精