文档介绍：新材料与纳米技术
同济大学物理系
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一、新材料技术与人类文明
1. 材料:科学技术的必要物质基础,新技术突破的前提保证;而且某些新材料的研制过程本身就是新技术的发展。
光通信--光导纤维和激光材料
计算机技术--半导体材料和磁性材料
新能源--超导材料、光电材料和贮氢材料
生物工程--生物功能材料
2. 材料事业--科学技术密集型
材料科学:在固体物理、结晶化学、结构化学、电磁学、光学、力学、热学等现代科学理论基础上,运用现代精密测试、分析技术对材料的化学组成、结合键、合成方法、结构与性能关系进行深入研究的结果。
新材料的研制:研究材料的宏观、微观和迁移现象,物质的相互作用与结合关系规律,材料的组成结构特征和力学、光学、热学、电磁、声学等物理性能的关系,材料的制取生产工艺和应用等。
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3. 材料的发展史
1) 石器材料----对自然界天然物质作简单的打、磨加工
陶器材料----人类通过加工技术以一定的工艺制造非天然物质材料的起点
新材料技术与人类文明
2) 青铜、铁器材料----加工、冶炼技术和工艺的改进
3) 20世纪末主要的新材料----塑料、合成橡胶、化纤等各种高分子材料,特种陶瓷、特种玻璃、特种水泥、光导纤维、碳纤维、硼纤维等硅酸盐和无机功能新材料,记忆合金、非晶态金属、晶须、超导材料、超塑性金属、超弹性合金等型金属材料,以及纤维增强、弥散粒子、叠层复合等新型复合材料。
4) 第四代、第五代材料----超微粒子、超晶格膜、超纯材料等“极限材料”和“分子设计”材料等。
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二、新材料技术
1. 金属材料
优点: 高纫性,延展性好,强度高,导电性好。
发展及分类:
初期:铁和钢(铁的合金)
20世纪初:以硬铝为首的铝合金
20世纪50年代:起又出现只有钢一半重、耐热性比钢好而强度不低于钢的钛合金。
现在:主要仍是钢、铝合金、钛合金,性能提高
发展:超高纯度铁、超高强度钢、超高速钢(用作刀具)、超硬合金、超塑性合金、超耐热合金、超低温材料等等。
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新材料技术
分类:
黑色金属:铁、铬、锰等几种
有色金属:除黑色金属外的多种金属(64/103)
有色金属“家族”中的“十大金刚”
铜、铝、铅、锌、锡、镍、锑、钛、镁、汞
有色金属工业----高能耗产业。近年来,采用富氧闪速熔炼工艺,使铜生产能耗大大降低,比采用传统工艺生产铜降低能耗达30%。此外,在氧化铝制备工艺上采用串联法,并开发出智能控制的大型预焙电解槽,可使能耗降低20%~25%。
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新材料技术
石墨变金刚
将石墨放在1500℃到2000℃的高温和4~5万个大气压的装置中,在催化剂的作用下,就能把石墨的结构“改造”成金刚石,黑黝黝的石墨摇身一变就成了光灿灿的“人造宝石”了。
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新材料技术
超塑金属
某些坚固的金属进行特定的高温处理或添加某些元素,就可以使它们变得象“软糖”或“粘糕”—样,只用很小的力,就能把它们拉长几十倍、几百倍、甚至几千倍,随你加工成什么形状。人们形象地把这类金属称为“超塑金属”。例如,纯镍、铁镍铬合金、钛合金等。
超塑合金槽筒
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新材料技术
将金属镍和钛以9:11的比例掺合在一起,如果在某一较高温度下,用这种材料做成一根笔直的金属丝,冷却后,把它随意地盘卷起来,只要用火一烧,就会立即恢复到原来的笔直形状。
记忆合金
形状记忆合金是材料家族中的一个后起之秀,由于它的奇特性能,人们已经给它派了一些恃殊用场。如航天器上体积较大的天线、新型发动机……
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新材料技术
2. 非金属材料
1) 陶瓷
优点: 强度高,收缩小,机械性能好;耐各种酸碱腐蚀,耐高温,耐辐射,抗氧化。致命缺点是易脆性。
按应用和发展分类
高强高温结构陶瓷
电工电子特种功能陶瓷
高强高温结构陶瓷强度高,机械性能好,是高温发热元件、绝热发动机和燃气涡轮机叶片、喷嘴等高温工作器件的重要材料,还可用作高温坩锅、高速切削刀具和磨具材料。
电工电子特种功能陶瓷具有特殊的声、光、电、磁、热和机械力的转换、放大等物理、化学效应,是功能材料中引人注目的新型材料。
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新材料技术
2) 玻璃
钢化玻璃(安全玻璃)
强度是平板玻璃的3~5倍,耐急冷急热性较好, 而且破碎后呈小粒状。常用于汽车、火车等交通工具的风挡玻璃、窗玻璃,高级宾馆的玻璃大门及隔断,玻璃桌面及许多玻璃幕墙。
夹层玻璃(另一种安全玻璃)
具有良好的隔音效果,有效地降低噪声(一般可降低噪声35~40分贝),被广泛地应用于机场办公室、候机大厅等需要隔音的场合。
中空玻璃
用于超高层建筑物的观光厅等重要部位。此外,列车的空调车箱和地铁车窗玻璃都是钢化中空玻璃,以提高隔热、隔音等性能。
镀膜玻璃
控制阳光的入射,减少空调能耗,而