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材料与社会进步 上海大学材料工程学院 戚飞鹏 前言 材料科学是当前最受人们重视的技术领 域之一。材料的应用与发展史,与人类 文明的发展和社会的进步是息息相关的 。了解各种材料的基本概况及它们的由 来、应用、发展以及与我们人类社会关 系,是极有意义的学习任务。 对金属材料及其合金,钢铁材料,非金 属材料中、复合材料和功能材料(超导 、 纳米、非晶、储氢等)作一一的介绍。 概述 人类的进化史 鱼类 无脊椎动物 两栖类 哺乳类 爬行类 古猿人 劳动创造了人本身 人类进步过程的三个阶段 我国古代冶炼和使用的金 属 第一章 有色金属及其合金 有色金属是相对黑色金属而言的,黑色金 属主要指铁、钢,所以有色金属也被称为 非铁金属。 有色金属可以分为轻金属(铝、镁、钛 等)、重金属(铜、铅、锌、锡等)、贵金 属(金、银、铂等)、稀土金属及稀有金属 (锂、铍等)五大类。常用的有色金属有铝 、铜、镁、锌、锡、钛等。 第一节 铜与铜合金 一、工业纯铜的一般特性 1、铜具有优良的导电和导热性能 2、铜的摩擦系数很小 3、铜的耐腐蚀性能良好 4、铜具有很高的塑性 5、铜的熔点是1085C,密度为 8.89 第一节 铜与铜合金 二、铜合金的分类与牌号 铜合金按其主要组成和性能,可以分为两类, 即黄铜和青铜。 青铜合金牌号表示:例如合金牌号为 “ZCuSn3Zn8Pb6Ni”,合金名称为“3-8-6-1锡青铜 ”。 其中“Z”表示铸造,为“铸”字汉语拼音第一 个字母。Sn、Zn、Pb、Ni的平均含量为“3%”、 “8%”、“6%”、“1%”,余下的是Cu的含量。 黄铜合金牌号表示:例如合金牌号 “ZCuZn25Al6Fe3Mn3”,合金名称为“25-6-3-3铝 黄铜”。其中“Z”仍表示铸造。Al、Fe、Mn、 Cu的平均含量为“6%”、“3%”、“3%”、 “63%”,余下的是Zn的含量。 第一节 铜与铜合金 三、铜器的精品 1、司母戊方鼎 商朝人面纹方鼎 西周小克鼎 2、世纪宝鼎 3、西汉“透光镜 ” 4、曾侯乙编钟 5、永乐大钟 6、武当山金殿 此外还有颐和园铜亭 、铜狮 、铜龟 等精品 。 第二节 铝与铝合金 一、纯铝的一般特性 铝的密度小,2.72g/cm3 铝的熔点为660.37C 铝的塑性好 铝的导电 性和导热 性很好 第二节 铝与铝合金 二、铝合金的分类 1、铸造铝合金 GB/T11731995 铸造AlSi类合金 铸造AlCu类合金 铸造AlMg类合金 铸造AlZn类合金 2、变形铝合金 不能热处理强化铝合金 可热处理强化铝合金 三、铝及铝合金的应用 第三节 镁与镁合金 一、镁的基本情况 1、镁的基本性质 镁熔点651C,密度为1.75.85g/cm3,较 高的比强度,切削加工性能也较好 镁的化学活性很强 镁的耐腐蚀性能差 2、镁在地球上存在形式 3我国的情况 三大一小 (三强一弱) 第三节 镁与镁合金 二、镁合金的分类及特点 1、 镁合金的分类 镁合金的标记方法 :我国将镁合金分为4类:变 形镁合金(MB)、铸造镁合金(ZM)、压铸镁 合金(YM)和航空镁合金(ZM-)。 2镁合金的性能特点 1)、比强度高 2)、减震性好 3) 、切削加工性好 4)、抗蚀性差 第三节 镁与镁合金 三、镁合金“绿色”合金 1、产品轻量化、强韧化 2、废物回收能量消耗低 3、产品单位体积价格低、消耗能量少 4、综合性能优于塑料 第四节 钛与钛合金 一、纯钛的性能与制取 1、熔点高(1725)密度小(4.50g/cm3) 2、比强度高 3、抗蚀性好 第四节 钛与钛合金 二、钛合金的分类及性能 1)、分为相、相和+ 相钛合金 2)、抗蚀性能好 3)、钛合金有高的高温强度性能 第四节 钛与钛合金 三、钛合金的应用 1.航天航空:航空发动机的机匣壳体、 泵 体、叶轮、阀门、静止结构件 2.医学及其它 第二章 功能材料 一、超导材料 1)超导现象 超导材料绝不是电阻无限小的理想导体材料 。 1986年以前,发现的材料要在23.2K温度下, 也就是在液氦条件温度下才有超导电现象。 1986年发现了氧化物超导材料,是在液氮温度 条件下的超导材料 。 第一节 超导材料 2)超导材料的基本性质 (1)零电阻效应 超导体有三个临界参数:临界温度Tc、临界磁场Hc、临 界电流Ic。 临界温度Tc:即电阻突然消失的温度。人们所希望的 是发现临界温度高的超导体。 临界磁场Hc:对处于超导态的超导材料,外加一个磁 场,当该磁场强度大于Hc时,超导材料的超导性被破 坏,Hc即是该超导材料的临界磁场。 临界电流Ic:处于超导态的超导体允许通入的最大电 流,即为超导体的临界电流。当通入的电流大于临界 电流Ic时,超导体的超导现象也会被破坏。 第一节 超导材料 (2)完全抗磁性 迈斯纳效应 :锡(Sn)单晶球被冷却到超 导态时,体内的磁通线全部被排斥的现象 。 迈斯纳效应示意图 第一节 超导材料 3)超导材料分类 (1)、低温超导体 (T c30K,又称为常规超导 体) 低温超导体按其化学成分分为:元素超导体、 合金超导体和化合物超导体。 元素超导体:近50种,其中金属元素有28种。 合金超导体:NbZr、NbTi、NiZrTi 、NiTiTa 化合物超导体:Nb3Sn、V3Gd 第一节 超导材料 (2)高温超导体 LaSrCuO(镧锶铜氧化物)超导体; YBa2Cu3O7(钇钡铜氧化物)超导体; BiSrCaCuO(铋锶钙铜氧化物)超导体 ; TlBaCaCuO(铊钡钙铜氧化物)超导体 ; HgBaCaCuO(汞钡钙铜氧化物)超导体 临界温度为 8090K 第一节 超导材料 4)超导材料的应用 (1)电力行业的应用 (2)磁悬浮列车 (3)医学上的应用 (4)贮存能量 (5)热核反应堆 第二节 储氢材料 1)金属氢化物 金属或合金贮氢释氢的原理: 第二节 储氢材料 理想的、有使用价值的贮氢合金,必须具备如下的条 件: (1)吸氢能力高,即能吸尽量多的氢; (2)贮氢时生成热应尽量小,便于释氢时的温度不必太 高。而作为贮存热量作用时,则生成热应该越高越好 ; (3)贮氢和释氢的速度都要求快; (4)导热性能优良; (5)对氧气、一氧化碳和水等杂质的抵抗力要大; (6)化学稳定性好,经久耐用,不易产生破碎粉化; (7)来源广、价廉物美。 (8)使用与运输时安全、可靠; 第二节 储氢材料 2)贮氢合金简介 (1)镁系合金 (2)稀土系合金 (3)钛系合金 第二节 储氢材料 3)贮氢合金的应用 (1)制取贮运氢气的容器 (2)制取高纯度氢气和回收氢 (3)氢能交通工具 (4)核反应堆中的使用 (5)氢化物镍电池 第二节 储氢材料 氢化物镍电池的工作原理是: 氢化物(贮氢合金)为负极,Ni(OH)2为正极,以 KOH水溶液为电解质构成了Ni/MH电池。 发生以下的反应: 正极:Ni(OH)2+OHNiOOH+H2O+e 负极:M+n H2O+neMHn+ nOH 总的电极反应: M+ nNi(OH)2 MHn+ nNiOOH 氢化物镍电池除了对环境无污染,对人体无毒害以外 ,还具有比能量高(为Ni/Ca电池的1.52倍)良好的 耐充电、放电性能,没有记忆效应,而且还有能与 Ni/Ca电池互换使用的优点。 第三节 形状记忆合金 形状记忆合金有类似高级动物的“记忆 性能”,成为智能材料的一种。 1)形状记忆效应 单向形状记忆效应 双向形状记忆效应 全方位形状记忆效应 形状记忆合金记忆效应的形式 (a)单向形状记忆效应; (b)双向形状记忆效应; (c)全方向形状记忆效应 第三节 形状记忆合金 2)形状记忆合金简介 (1)TiNi基合金 (2)Cu基形状记忆合金 (3)Fe基形状记忆合金 第三节 形状记忆合金 3)形状记忆合金的应用 (1)工业上应用 :紧固件、连接件、温控 元件 形状记忆合金管接头连接管子示意图 温控元件结构简图 第三节 形状记忆合金 (2)医学上应用 矫正牙齿用拱形金 属丝 骨折、骨裂所要固 的固定钉和接骨板 防止血栓形成的血 凝过滤器 形状记忆合金制成的血凝过滤器 第三节 形状记忆合金 形状记忆合金还可以制作人工肾用瓣、 人工心脏用的人工肌肉和血管扩张支架 、脑动脉瘤夹 。 它还可以用在智能机械、仿生机械、机 械手、机器人等方面。 第四节 生物医用功能材料 1)生物医用材料发展简史 2)生物医用材料的要求 (1)对人体是无毒的(即必须是惰性材料); (2)不产生人体过敏反应; (3)不致癌; (4)不产生畸变; (5)不破环所接触的人体组织; (6)与血液接触时,不破坏血液成分,不引起凝血和血小 板凝聚,不改变电解质的平衡等。 (7)理想的物理性能和力学性能 (8)来源广、价格低;容易加工成型 (9)不发生性能退化现象 第四节 生物医用功能材料 3)生物医用材料简介 (1)医用金属材料 医用不锈钢在骨科和牙科得到了不少的应用。 钴基合金具有高的耐磨性和耐蚀性,在医学 上广泛地用来制取人工关节、接骨板、骨钉。 钛和钛合金广泛地用在制取义齿、牙床、牙桥 、牙冠等。 形状记忆合金在医学上的应用(略)。 医用贵金属用于牙科。 第四节 生物医用功能材料 (2)生物陶瓷 近于惰性生物陶瓷用在承受力的人工骨 、关节修复体、牙根种植体等方面。 表面生物活性陶瓷用于人工血管、气管 、喉管的支架,牙齿植体等方面。 可吸收生物陶瓷用于骨缺陷的修复,耳 听骨的补复和替换等。 第四节 生物医用功能材料 (3)医用高分子材料 心脏瓣膜:用聚四氟乙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、硅橡胶; 心脏起搏器:用聚乙烯、乙缩醛; 肺:用硅橡胶、聚烷基酮、硅砜、聚碳酸酯; 肾脏:用醋酸纤维素、聚丙腈、聚砜、聚氨酯; 胰脏:用丙烯酸脂共聚物(中空纤维); 食道:用聚硅酮、聚氟乙烯; 喉头:用聚乙烯、聚四氟乙烯、聚硅酮; 气管:用聚乙烯、聚四氟乙烯、聚硅酮、聚酯纤维; 玻璃体:用聚乙烯醇水凝胶; 角膜:用硅橡胶、聚丙烯酸酯; 晶状体:用硅橡胶球; 鼻子:用聚乙烯、硅橡胶; 耳朵及鼓膜:用硅橡胶、丙烯酸基有机玻璃聚乙烯; 手术后缝合线:用聚亚胺酯。 第五节 纳米材料 纳米材料的概念最早是在1911年由德国 科学家格莱特(Gleiter)提出的。 1nm=10-9m,纳米材料的微粒尺寸一般在 10100nm之间,材料尺寸变得如此之小 ,性能必定会有一系列变化。 第五节 纳米材料 1)纳米材料的制备 气相法:气相冷凝法、溅射法、化学气 相沉积法、通电加热蒸发法等; 液相法:溶胶凝胶法、喷雾法、水 热法、高压淬火法等; 固相法:高能球磨法、非晶晶化法、燃 烧合成法等 气相冷凝法示意图 第五节 纳米材料 2)纳米材料的特点 纳米材料属于原子簇与宏观物体交界的 过渡区域,该系统既非典型的微观系统 ,也非典型的宏观系统,具有独特的结 构特征,即一系列新的特点。 三个效应:表面与界面效应、小尺寸效 应、量子尺寸效应。 第五节 纳米材料 3)纳米材料的应用 (1)纳米材料的催化作用 (2)纳米材料的磁学性能特殊 (3)纳米晶软磁材料 (4)纳米级的WC-Co材料 (5)纳米材料传感器 第三章 复合材料 第一节 概述 一、复合材料定义 一般认为,有两种或两种以上物理和化学性能不同的 物质组合而成的一种固体材料,称为复合材料。 复合材料是一种多相材料。其中一类相(或组成)为连 续相,称为基体,起粘结作用;另一类相(或组成)为 增强相。 自然界的许多物质都可以看成是复合材料。竹子和木材 是纤维素和木质素组成的复合物。 人类很早就仿效自然界,利用复合的原理,在生产和生 活中,创建了许多人工复合材料,例如混凝土、轮胎 。 第三节 概述 二、复合材料的分类 1、材料的作用 (1)、结构复合材料 (2)、
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