第10章新材料简介北大.ppt

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1、第十章 新材料简介,广义的新材料泛指先进材料，包括新近发展或正在研制的具有优异性能或特定功能的材料。 狭义范畴可由各国基于其物理、化学、数学、自然科学基础理论，结合电子、化工、冶金等工程技术取得的最新的材料科技成就，灵活确定的学科和产业。,潜艇,骨科内固定,第十章 新材料简介,第一节 减振合金 第二节 记忆合金 第三节 磁性材料 第四节 超导材料 第五节 纳米材料,第一节 减振合金,减震合金即能显著地将振动能量转变成热能而损耗掉的精密合金。 使振动衰减的方法有三种，即系统减振、结构减振和材料减振。,一、减振合金的类型及其机理,汽车减振轮毂,系统减振是在外部设置衰减系统来吸收振动能； 结构减振是

2、在金属材料和金属材料中间夹入黏弹性高分子材料，制成夹心结构； 材料减振是利用金属材料本身具有大的衰减能力去消除振动或噪声的发生源，就是像铝和镁那样发不出金属声，但却像钢一样坚固的材料，即衰减能大、强度高的材料。,常用的减振合金有Fe-C-Si合金、Al-Zn合金、Fe-Cr-Al合金、Mg-Zr合金、Ni-Ti合金等。 根据阻尼机理，减振合金分为孪晶型、铁磁性型、位错型、复相型和复合型等。,Ni-Ti合金,1) 孪晶型 这类减振材料是利用记忆合金的热弹性行为作为减振的主要原因。如锰铜系合金在外界振动作用下，由于马氏体相变所产生的孪晶界容易移动，伴随孪晶界的移动产生静滞作用而造成能量损失，具有减

3、振作用。,锰铜合金,2) 铁磁性型 此种类型合金的减振效果主要依靠磁畴壁在交变应力作用下的不可逆移动，导致磁-机械滞后而损耗能量。主要分为铁基和钴镍基两种类型。 3) 位错型 这类材料中位错运动引起的能量损耗成为减振的主要原因。合金的高阻尼是由于在外力作用下，位错的不可逆移动，以及在滑移时位错相互作用引起的。典型代表为纯镁、Mg-Zr及Mg-Mg2Ni 等合金，这类合金使用温度常在 150以下。,Mg-Zr合金,4) 复相型 此种类型的减振合金具有两相以上的组织，其阻尼机制在于，在振动应力作用下，软质第二相与处于弹性行为的基体界面或第二相晶内产生局部塑性变形，导致振动能量消耗掉。 5） 复合型

4、 复合型减振合金是高阻尼的高分子物质与金属板材的复合体。分为金属间复合型和金属与非金属复合型，前者又分为异种金属板的复合和某种基体金属与金属纤维的复合；后者分为非约束型和约束型两种，非约束型是在金属板表面覆上一层粘弹性高分子物质，约束型是在两层或多层金属板之间加入一层高分子粘结剂。,二、减振合金的应用和发展,宇宙航天方面，用作卫星、导弹、火箭、喷气式飞机的控制 盘和陀螺仪等精密仪器的防振台架； 汽车方面，用于车体、制动器、发动机转动部分、变速器、滤气器等； 土木建筑方面，用于桥梁、凿岩机、钢梯等；,减震合金,机械方面，用作大型鼓风机框架及叶片、圆盘锯、各种齿轮等； 铁路方面，用于火车车轮等；

5、船舶方面，用作发动机转动部件、螺旋桨等； 家用电器方面，用于空调器、洗衣机、垃圾处理机等； 音响方面，用作演出转动台、扩音器框架、立体声放大器底盘等。,船舶螺旋桨,第二节 记忆合金,一、记忆合金 形状记忆是指具有初始形状的制品变形后，通过加热等手段处理又回复初始形状的功能。具有这种形状记忆效应的金属叫作形状记忆合金，简称记忆合金。,自展天线,利用记忆合金在特定温度下的形变功能，可以制作多种温控器件，可以制作温控电路、温控阀门，温控的管道连接。 自动的消防龙头，失火温度升高，记忆合金变形，使阀门开启，喷水救火。 飞机的空中加油的接口处就是利用了记忆合金-两机油管套结后，利用电加热改变温度，接口处

6、记忆合金变形，使接口紧密滴水（油）不漏。 制作了宇宙空间站的面积几百平米的自展天线，先在地面上制成大面积的抛物线形或平面天线，折叠成一团，用飞船带到太空，温度转变，自展成原来的大面积和形状。,记忆合金目前已发展到几十种，在航空、军事、工业、农业、医疗等领域有着应用，而且发展趋势十分可观，它将大展宏图、造福于人类。,形状记忆合金受热恢复原状,二、记忆合金的应用 记忆合金应用十分广泛。比如机械上的固紧销、管接头，电子仪器设备上的火灾报警器、插接件、集成电路的钎焊，医疗上的人造心瓣膜、脊椎矫正棍、头颅骨修补整形、口腔牙齿矫形和颌骨修补手术等。它还将在通讯卫星、彩色电视机、温度控制器以及玩具等方面发挥

7、神奇的效能，也将成为现代航海、航空、航天、交通运输、轻纺等各条战线上的新型材料。,镍钛合金棒,骨固定,记忆合金在医疗上的应用也很引人注目。,医学记忆合金器件,如今记忆合金产品主要有钛镍形状记忆合金下尿路扩展支架、记忆合金食道支架、医用高强度记忆合金矫形棒、记忆合金食道支架、记忆合金人体椎体、记忆合金防伪标志、单侧骨皮质记忆合金钉、记忆合金无声脉动电机、记忆合金脊柱棒、形状记忆合金温控器等等。,第三节 磁性材料,一、磁性材料 磁性材料主要是指由过渡元素铁、钴、镍及其合金等组成的能够直接或间接产生磁性的物质。,钕铁硼磁铁,二、磁性材料的分类及其应用 磁性材料从材质和结构上讲，分为“金属及合金磁性材

8、料”和“铁氧体磁性材料”两大类，铁氧体磁性材料又分为多晶结构和单晶结构材料。 从应用功能上讲，磁性材料分为： 软磁材料、永磁材料、磁记录-矩磁材料、旋磁材料等种类。 磁性材料从形态上讲，包括粉体材料、液体材料、块体材料、薄膜材料等。,磁性材料的应用很广泛，可用于电声、电信、电表、电机中，还可作记忆元件、微波元件等。可用于记录语言、音乐、图像信息的磁带、计算机的磁性存储设备、乘客乘车的凭证和票价结算的磁性卡等。,磁性材料,铁氧体磁性材料按其晶体结构可分为：尖晶石型（MFe2O4）；石榴石型（R3Fe5O12）；磁铅石型（MFe12O19）；钙钛矿型（MFeO3）。其中M指离子半径与Fe 2相近的

9、二价金属离子，R为稀土元素。 按铁氧体的用途不同，又可分为软磁、硬磁、矩磁和压磁等几类。 软磁材料是指在较弱的磁场下，易磁化也易退磁的一种铁氧体材料。 硬磁材料是指磁化后不易退磁而能长期保留磁性的一种铁氧体材料，也称为永磁材料或恒磁材料。,3. 矩磁材料 重要的矩磁材料有锰锌铁氧体和温度特性稳定的Li-Ni-Zn铁氧体、Li-Mn-Zn铁氧体。 矩磁材料具有辨别物理状态的特性，如电子计算机的“1”和“0”两种状态，各种开关和控制系统的“开”和“关”两种状态及逻辑系统的“是”和“否”两种状态等。,锰锌铁氧体环,4. 压磁材料 压磁材料是指磁化时能在磁场方向作机械伸长或缩短的铁氧体材料。 目前应用

10、最多的是镍锌铁氧体，镍铜铁氧体和镍镁铁氧体等。 压磁材料主要用于电磁能和机械能相互转换的超声器件、磁声器件及电讯器件、电子计算机、自动控制器件等。,三、磁性材料的基本特性 1. 磁性材料的磁化曲线 磁性材料是由铁磁性物质或亚铁磁性物质组成的，在外加磁场H作用下，必有相应的磁化强度M 或磁感应强度B，它们随磁场强度H 的变化曲线称为磁化曲线（MH或BH曲线）。,2. 软磁材料的常用磁性能参数,饱和磁感应强度 Bs：其大小取决于材料的成分，它所对应的物理状态是材料内部的磁化矢量整齐排列。 剩余磁感应强度Br：是磁滞回线上的特征参数，H回到0时的B值。 矩形比：BrBs 矫顽力Hc：是表示材料磁化难

11、易程度的量，该数值取决于材料的成分及缺陷（杂质、应力等）。 磁导率：是磁滞回线上任何点所对应的B与H的比值，该数值与器件工作状态密切相关。,初始磁导率i、最大磁导率m、微分磁导率d、振幅磁导率a、有效磁导率e、脉冲磁导率p。 居里温度Tc：铁磁物质的磁化强度随温度升高而下降，达到某一温度时，自发磁化消失，转变为顺磁性，该临界温度为居里温度。它确定了磁性器件工作的上限温度。 损耗P：磁滞损耗Ph及涡流损耗Pe, P = Ph + Pe = af + bf2+ c Pe f2 t2 /，降低磁滞损耗Ph的方法是降低矫顽力Hc；降低涡流损耗Pe 的方法是减薄磁性材料的厚度t 及提高材料的电阻率。在自

12、由静止空气中磁芯的损耗与磁芯的温升关系为：总功率耗散（mW）/表面积（cm2）,3. 软磁材料的磁性参数与器件的电气参数之间的转换 在设计软磁器件时，首先要根据电路的要求确定器件的电压电流特性。 器件的电压、电流特性与磁芯的几何形状及磁化状态密切相关。 设计者必须熟悉材料的磁化过程并拿握材料的磁性参数与器件电气参数的转换关系。 设计软磁器件通常包括三个步骤：正确选用磁性材料；合理确定磁芯的几何形状及尺寸；根据磁性参数要求，模拟磁芯的工作状态得到相应的电气参数。,第四节 超导材料,一、超导材料 某些物质达到临界温度(Tc)以下时，电阻急剧消失，这样的物质成为超导体。这种现象只有在温度(T)、磁场

13、(H)和其中流过的电流密度(J)达到其相应的临界值(Tc、Hc、Jc)以下时才能发生，其临界值越高，超导体的使用价值越大。,图10-6 超导纳米器件,二、超导材料特性 1. 零电阻性 超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电能。如果用磁场在超导环中引发感生电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。 2. 完全抗磁性 超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零。,3. 约瑟夫森效应 两超导材料之间有一薄绝缘层（厚度约1nm）而形成低电阻连接时，会有电子对穿过绝缘层形成电流，而绝缘层两侧没有电压，即绝缘层也成了超导体。当电流超过一定值后，绝缘层两侧出

14、现电压U（也可加一电压U），同时，直流电流变成高频交流电，并向外辐射电磁波，其频率为，其中h为普朗克常数，e为电子电荷。,约瑟夫森效应,4. 同位素效应 超导体的临界温度Tc与其同位素质量M有关。M越大，Tc越低，这称为同位素效应。例如，原子量为199.55的汞同位素，它的Tc是4.18开，而原子量为203.4的汞同位素，Tc为4.146开。,同位素效应,三、超导材料基本临界参量 1. 临界温度 外磁场为零时超导材料由正常态转变为超导态(或相反)的温度，以Tc表示。Tc值因材料不同而异。已测得超导材料的最低Tc是钨，为0.012K。到1987年，临界温度最高值已提高到100K左右。 2. 临界

15、磁场 使超导材料的超导态破坏而转变到正常态所需的磁场强度，以Hc表示。Hc与温度T 的关系为Hc=H01-(T/Tc)2，式中H0为0K时的临界磁场。 3. 临界电流和临界电流密度 通过超导材料的电流达到一定数值时也会使超导态破态而转变为正常态，以Ic表示。Ic一般随温度和外磁场的增加而减少。单位截面积所承载的Ic称为临界电流密度，以Jc表示。,四、超导材料分类 1. 超导元素 在常压下有28种元素具超导电性，其中铌（Nb）的Tc最高，为9.26K。电工中实际应用的主要是铌和铅(Pb，Tc=7.201K)，已用于制造超导交流电力电缆、高Q值谐振腔等。 2. 合金材料 超导元素加入某些其他元素作

16、合金成分，可以使超导材料的全部性能提高。如最先应用的铌锆合金(Nb-75Zr)，其Tc为10.8K，Hc为8.7特。继后发展了铌钛合金，虽然Tc稍低了些，但Hc高得多，在给定磁场能承载更大电流。,钛铌合金,3. 超导化合物 超导元素与其他元素化合常有很好的超导性能。如已大量使用的Nb3Sn，其Tc=18.1K，Hc=24.5特。其他重要的超导化合物还有V3Ga，Tc=16.8K，Hc=24特；Nb3Al，Tc=18.8K，Hc =30特。 4. 超导陶瓷 20世纪80年代初，米勒和贝德诺尔茨开始注意到某些氧化物陶瓷材料可能有超导电性，他们的小组对一些材料进行了试验，于1986年在镧钡铜氧化物中

17、发现了Tc=35K的超导电性。1987年，中国、美国、日本等国科学家在钡钇铜氧化物中发现Tc处于液氮温区有超导电性，使超导陶瓷成为极有发展前景的超导材料。,五、超导材料的应用 1. 超导材料在电力系统中的应用 2. 超导材料在运输方面的应用 超导悬浮列车是在车底部安装许多小型超导磁体，在轨道两旁埋设一系列闭合铝环。列车运行时，超导磁体产生的磁场相对于铝环运动，铝环内产生的感应电流与超导磁体相互作用，产生浮力使列车浮起。列车的速度越高，浮力越大。磁悬浮列车的车速可达500km/h。 3. 超导材料的其他应用,第五节 纳米材料,一、纳米材料 从尺寸大小来说，通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的

18、尺寸在0.1微米以下，即100纳米以下。因此，微粒尺寸在1100纳米的材料称为纳米材料。 纳米级结构材料简称为纳米材料(nano-material)，是指其结构单元的尺寸介于1纳米100纳米范围之间。,图10-8 石墨烯纳米材料,二、 纳米材料的特性 1. 纳米材料的表面效应 纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。 2. 纳米材料的体积效应 由于纳米粒子体积极小，所包含的原子数很少，相应的质量极小。因此，许多现象就不能用通常有无限个原子的块状物质的性质加以说明，这种特殊的现象通常称之为体积效应。,表面效应,3. 纳米材料的量子尺寸

19、效应 当纳米粒子的尺寸下降到某一值时，金属粒子费米面附近电子能级由准连续变为离散能级；并且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据的分子轨道能级，使得能隙变宽的现象，被称为纳米材料的量子尺寸效应。,量子尺寸效应,三、纳米材料的分类 纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。 其中纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟，是生产其他三类产品的基础。,纳米纤维洗脸巾,四、纳米材料的应用 1. 纳米磁性材料 磁性材料方面的典型应用是磁流体和磁记录材料。 2. 超微粒传感器 传感器是超微粒的最有前途的应用领域之一。 3. 在生物和医学上的应用,纳米磁性材料,五、纳

20、米结构材料 纳米结构材料又称纳米固体，是由颗粒为 1nm100nm 的粒子凝聚而成的块体、薄膜、多层膜和纤维。 纳米结构材料的基本构成是纳米微粒以及它们之间的分界面。由于纳米粒子尺寸小，界面所占的体积百分数几乎可与纳米粒子所占的体积百分数相比拟。,锥形碳纳米结构,因此纳米材料的界面不能简单地看成是一种缺陷，它已成为纳米材料的基本构成之一，对其性能的影响起着举足轻重的作用。因此，可以预期纳米微晶材料的力学性能比常规大块晶体有许多优点。,纳米结构,六、纳米仿生材料,美国科学家开发的仿生纳米传感器,通过研究荷叶效应的拒水自洁原理可知，具有高度拒水自洁的织物必须具备如下条件： (1) 首先应使纤维表面具有基本的拒水性能(即水在其表面的接触角大于 90)。对于这一步，可以通过纳米技术、等离子处理技术和涂层浸轧技术达到。,(2) 要使织物具有粗糙的表面。虽然织物表面本身是非常粗糙的，但这种粗糙结构是以纤维为最小单位，远大于纳米结构的要求。拒水自洁织物表面的粗糙应是纤维表面的粗糙，该粗糙应达到纳米级水平。,荷叶自洁效应,