新工程材料及其应用前景17

玻璃、生化玻璃、溶胶－凝胶玻璃等。
透明隔热材料
中空玻璃结构示意图
调光玻璃
空心玻璃砖用于建筑隔断
热反射玻璃在建筑物上大量使用
陶瓷
陶瓷是指以天然或人工合成的无 机非金属物质为原料，经过成形和高 温烧结而制成的固体材料和制品。
陶鹰鼎——仰韶文化庙底沟类型 高36cm
三彩——我国古代陶器中一颗璀灿的明珠
新型建筑材料及其发展趋势
纳米材料技术在建筑材料中的应用，智能材料、 新型装饰材料、节能材料在建筑工程中的应用。
材料与社会的发展
材料是人类社会进化和人类文明的里 程碑，是人类赖以生产和生活的物质基础， 是社会进步的物质基础和先导。因为对材 料的认识和利用能力，决定着社会的形态 和人类生活的质量，所以，历史学家往往 用制造工具的原材料作为历史分期的标志。
纳米材料研究是目前材料科学研究的一个热点，其相应发展起 来的纳米技术被公认为是21世纪最具有前途的科研领域。
纳米材料的特性
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。
纳米材料的量子尺寸效应
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。
库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、 超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的 将来全面取代目前的常规半导体器件。
热学性质：纳米材料的比热和热膨胀系数都
大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于 界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子 耦合作用变弱的结果。因此在储热材料、纳米复 合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用 前景。
高分子特性：同样由于高聚物的分子量很大，所以 其力学性质、热性质、溶解性等与小分子化合物大为不 同。 力学性质：低分子一般没有强度，是结晶性的硬固 体。而高分子的性质变化范围很大，从软的橡胶状到硬 的金属状。有很好的强度、断裂伸长率、弹性、硬度、 耐磨性等力学性质。高分子的相对密度小(0.91-2.3)， 因而其比强度可与金属匹敌。
顺丁橡胶原料
氯丁橡胶制成的扁平电缆
氟橡胶密封垫圈
合成纤维（synthetic fibre） 合成纤维是化学纤维的一种。以小分子 的有机化合物为原料，经加聚反应或缩聚 反应合成的线型有机高分子化合物，如聚 丙烯腈、聚酯、聚酰胺等。从纤维的分类 可以看出它属于化学纤维的一个类别。
涂料与胶粘剂
涤纶面料
氧化铝陶瓷电阻 纺织瓷件
氧化铝髋关节
高压钠灯
高纯氧化铝透明陶瓷管
氮化硅陶瓷 氮化硅陶瓷的性能：作为一种理想的高温结构材料， 最主要的应具备如下性能：（1）强度好、韧性好；（2） 抗氧化性好；（3）抗热震性好；（4）抗蠕变性好；（5） 结构稳定性好；（6）抗机械振动。 氮化硅除抗机械振动性能和韧性相对比较差外，其余 几种性能都优于一般陶瓷，曾被誉为“像钢一样强，像金 钢石一样硬，像铝一样轻”。由于制备工艺不同和所获得 显微结构的差别，Si3N4陶瓷的综合性能有很大的变化。 各中资料所提供的数据繁多，下面仅介绍一般参考值。
木质素(lignin)
木质素是一种复杂的、非结晶性的、三维网状酚类高 分子聚合物，它广泛存在于高等植物细胞中，是针叶树类、
阔叶树类和草类植物的基本化学组成之一。
合成高分子材料
说起高分子材料，普通人也许会觉得莫测高深，其 实我们身边到处都是它们的身影。 无论是作为食物的蛋白质还是作为织物的棉、毛和 蚕丝都是天然高分子材料，就连人体本身，基本上也是由 各种生物高分子构成的。我国在开发天然高分子材料方面 曾走在世界领先水平。利用竹、棉、麻等纤维等高分子材 料造纸是我国古代的四大发明之一。另外，利用桐油与大 漆等高分子材料作为油漆、涂料制作漆制品也是我国古代 的传统技术。 高分子是由碳、氢、氧、硅、硫等元素组成的高分 子化合物的简称。高分子的分子量从几千到几十万甚至几 百万，所含原子数目一般在几万以上，而且这些原子是通 过共价键连接起来的。
者是既没有长程序也没有短程序的无序结构。
从材料的结构单元层次来说，它介于宏 观物质和微观原子、分子的中间领域。在纳 米材料中，界面原子占极大比例，而且原子 排列互不相同，界面周围的晶格结构互不相 关，从而构成与晶态、非晶态均不同的一种 新的结构状态。
在纳米材料中，纳米晶粒和由此而产 生的高浓度晶界是它的两个重要特征。纳 米晶粒中的原子排列已不能处理成无限长 程有序，通常大晶体的连续能带分裂成接 近分子轨道的能级，高浓度晶界及晶界原 子的特殊结构导致材料的力学性能、磁性、 介电性、超导性、光学乃至热力学性能的 改变。
材料的分类
世界各国对材料的分类不尽相同，若按 照材料的使用性能来看，可以分为结构材料 和功能材料，从材料的应用对象来看有可以 分为信息材料、能源材料、建筑材料、生物 材料、航空材料等多种类别，但就大的类别
可以分为金属材料、无机非金属材料、高分 子材料和复合材料四大类。
玻璃制品的分类 无机玻璃的化学组成包括有众多元素的氧化物或非氧化物。 （1）普通玻璃 普通玻璃是以硅酸盐系统为主要基础的传统玻璃。包括 有平板玻璃、日用玻璃、光学玻璃、电真空玻璃、点光源玻 璃、玻璃纤维等。 （2）特种玻璃 随着社会和科学的发展，在玻璃材料科学领域中，由于 某些新品种是根据特殊用途专门研制的，其成分、性能、制 造工艺均与一般工业和日用玻璃有所差别，它们往往被归入 专门的一类，叫做特种玻璃。这些特种玻璃逐渐脱离了传统 玻璃的基础系统范围。常见的特种玻璃有光子学玻璃、微晶
天然高分子材料
纤维素(cellulose)
1839年：法国的科学家佩因（a．payen）在 研究从植物中提取某种化合物的过程中分离出了 一种物质并把它称为纤维素。纤维素是世界上最 丰富的天然有机物，占植物界碳含量的50％以上。 棉花的纤维素含量接近100％,为天然的最纯纤维 素来源。一般木材中,纤维素占40～50％,还有 10～30％的半纤维素和20～30％的木质素。此外， 麻、麦秆、稻草、甘蔗渣等，都是纤维素的丰富 来源。
日用陶瓷－盘子
建筑陶瓷－墙面砖
化工陶瓷
结构陶瓷－陶瓷刀
功能陶瓷－电子陶瓷
图6-电瓷绝缘子
饰面瓦－鱼鳞瓦
氧化锌避雷器
新型无机非金属材料
传统的无机非金属材料具有抗腐蚀、耐 高温等许多优点，但也有质脆、经不起热冲 击等弱点。新型无机非金属材料继承了传统 材料的许多优点，并克服某些弱点，使材料 具有更加优异的特性，用途更加广泛。新型
光纤导管胃镜
利用光纤作手术
光纤式传感器
光纤式传感器
金属材料 金属是指具有良好的导电性和导热性， 有一定的强度和塑性的并具有光泽的物质， 如铜、锌和铁等。而金属材料则是指由金 属元素或以金属元素为主组成的具有金属 特性的工程材料，它包括纯金属和合金两 类。
合金材料是指由两种或两种以上的金属或金属 与非金属组成的材料，如黄铜是由铜和锌两种金属 组成的合金。与组成合金的纯金属相比，合金具有 更好的力学性能，还可通过调整组成元素之间的比 例得到一系列性能不同的合金，从而满足工业生产 上不同性能的要求。 金属材料，尤其是钢铁材料在国民经济建设的 各个方面都有重要的作用，它们的发现和应用，开 创了人类物质文明的新纪元，加速了人类社会发展 的历史进程。可以毫不夸张地说，离开了金属材料 的“钢筋铁骨”，世界将变得面目全非。







光纤通信的特点 （1）传输频带极宽，通信容量很大。 （2）传输衰减小，可用于远距离无中断传输。 （3）信号串扰少，传输质量高。 （4）抗电磁干扰，保密性好。 （5）光纤尺寸小，质量轻，便于运输和铺设。 （6）耐化学侵蚀，适用于特殊环境。 （7）原料资源丰富。 （8）节约有色金属。
氮化硅陶瓷涡轮转子 氮化硅陶瓷刀具
氮化硅陶瓷吸管
氮化硅轴承球
光导纤维 光导纤维是现代科学创造的奇迹之一， 是使光像电流一样沿着导线传输。不过， 这种导线不是一般的金属导线，而是一种 特殊的玻璃丝，人们称它为光导纤维，又 叫光学纤维，简称光纤 。

智能化材料在土木建筑工程中的应用
光纤传感器在混凝土固化监测中的应用 在混凝土大坝上的应用 在房屋建筑中的应用 智能自修复混凝土
纳米材料的应用
力学性质：纳米结构的材料强度与粒径 成反比。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒 材料时，其韧性、强度、硬度大幅提高，使 其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地 位。使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地 应用于航空、航天、航海、石油钻探等恶劣 环境下使用。
磁学性质 ：利用纳米粒子的隧道量子效应和
智能化材料
所谓智能化材料是指材料本身具有自我诊断，预知破坏的功 能，具有根据外界的作用情况进行自我调节的功能，在即 将破坏时具有自我修复功能以及可重复利用性。

在混凝土大坝上的应用 在房屋建筑中的应用 智能自修复混凝土

调节湿度材料
无机非金属材料的特性有：1．能承受高温， 强度高。2．具有电学特性。3．具有光学特 性。4．具有生物功能。
氧化铝陶瓷具有机械强度高、硬度大、 高频介电损耗小、高温绝缘电阻高、耐化学 腐蚀性和导热性良好等优良综合技术性能， 以及原料来源广、价格相对便宜、加工制造 技术较为成熟等优势，已被广泛应用于电子、 电器、机械、化工、纺织、汽车、冶金和航 空航天等行业，成为目前世界上用量最大的 氧化物陶瓷材料。
热性质：低分子有明确的沸点和熔点，可成为固相、 液相和气相。 高分子分热塑性和热固性两类，热塑性高分子加热 时在某个温度下软化(或融解)、流动，冷却后成形；而 热固性高分子加热时固化成网状结构而成形。
溶解性：低分子溶解很快，但高分子都很慢， 通常要过夜，甚至数天才能观察到溶解。高分子溶 解的第一步是溶胀，由于高分子难以摆脱分子间相 互作用而在溶剂中扩散，所以第一步总是体积较小 的溶剂分子先扩散入高分子中使之胀大。如果是线 形高分子，由溶胀会逐渐变为溶解；如果是交联高 分子，只能达到溶胀平衡而不溶解。因此一般来说， 高分子有较好的抗化学性，即抗酸、抗碱和抗有机 溶剂的侵蚀。
高分子的溶解性受化学结构、分子量、结晶性、 支化或交联结构等的影响。总的来说有如下关系。 分子量越高，溶解越难；结晶度越高，溶解越难； 支化或交联程度越高，溶解越难。
合成橡胶(synthetic rubber) 合成橡胶是人工合成的高弹性聚合物， 以煤、石油、天然气为原料，便宜易得， 而且品种很多，并可按工业、公交运输的 需要合成各种具有特殊性能(如耐热、耐寒、 耐磨、耐油、耐腐蚀等)的橡胶，因此目前 世界上合成橡胶的总产量已远远超过了天 然橡胶。
轮胎帘子线（合成纤维）编制的子午线轮胎
航天器用降落伞
纳米材料
纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级(10-9米)的超
细材料。它的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微 粒，一般为100~102nm。它包括体积分数近似Βιβλιοθήκη Baidu等的 两个部分：一是直径为几个或几十个纳米的粒子二 是粒子间的界面。前者具有长程序的晶状结构，后
高分子化合物由于分子量很大，分子间作用力的情 况与小分子大不相同，具有特有的高强度、高韧性、高 弹性等，从而可以作为材料使用。
功能高分子材料主要包括物理功能高分子材料及化 学功能高分子材料。前者如导电高分子、高分子半导体、 光导电高分子、压电及热电高分子、磁性高分子、光功 能高分子、液晶高分子和信息高分子材料等；后者如反 应性高分子、离子交换树脂、高分子分离膜、高分子催 化剂、高分子试剂及人工脏器等，此外还有生物功能和 医用高分子材料，如生物高分子、模拟器、高分子药物 及人工骨材料等。