新型功能材料

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综合测评

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兰州理工大学学生作业

2014年春季学期

专业班级：工业设计（1）班

课程名称：新型功能材料

学生姓名：郭建兵

学生学号：08020120

指导教师：李翠霞

浅谈新型功能材料的性能与应用

随着时代的进步，科技的发展，我国在各个方面都进入了高科技和新型功能材料的领域。比如说在功能材料应用这方面，我国已经引进并且也自己研发了许多种新型功能材料。有了这些新型功能材料，使得我们的工业生产和日常生活都得到了实惠，也为我们提供了诸多方便。

下面我就浅谈我所了解的几种新型功能材料。首先我想说的是玻璃纤维，玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料。英文原名为：glassfiber或fiberglass。成分为二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化硼、氧化镁、氧化钠等。它是以玻璃球或废旧玻璃为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺。最后形成各类产品，玻璃纤维单丝的直径从几个微米到二十几米个微米，相当于一

根头发丝的1/20-1/5，每束纤维原丝都有数百根甚至上千根单丝组成，通常

作为复材料中的增强材料，电绝缘材料和绝热保温材料，电路基板等，广泛应用于国民经济各个领域。玻璃一般人之观念为质硬易碎物体，并不适于作为结构

用材，但如其抽成丝后，则其强度大为增加且具有柔软性，故配合树脂赋予形状以后终于可以成为优良之结构用材。玻璃纤维随其直径变小其强度增高。作为补强材玻璃纤维具有以下之特点，这些特点使玻璃纤维之使用远较其他种类纤维来得广泛。

其特性列举如下：(1)拉伸强度高，伸长小(3%)。(2)弹性系数高，刚性佳。

(3)弹性限度内伸长量大且拉伸强度高，故吸收冲击能量大。(4)为无机纤维，具不燃性，耐化学性佳。(5)吸水性小。(6)尺度安定性，耐热性均佳。(7)加工

性佳，可作成股、束、毡、织布等不同形态之产品。(8)透明可透过光线。(9) 与树脂接着性良好之表面处理剂之开发完成。(10)价格便宜。也就是因为其有这样的特性，所以才使其发展速度相对于其它功能材料遥遥领先。

玻璃纤维依其性能的特点在很多领域也都有着实际性的应用：1、在建筑业上，玻璃纤维已广泛使用在冷却塔、储水塔以及卫生间的浴盆、浴缸、门窗，安全帽和通风设施等。另外由于玻璃纤维不易沾污、隔热和不燃烧，因此它在建筑业上的应用日益广泛。玻璃纤维在基础设施中使用，主要有桥梁、码头、栈桥和临水结构等。沿海和岛上的建筑容易受到海水的腐蚀，这最能发挥玻璃纤维的特长。2、玻璃纤维在航空航天、汽车和火车上也有应用，目前波音747飞机使用

玻璃纤维复合材质构件的总面积已经达到929平方米。玻璃纤维可用作汽车的零部件，轿车的整体壳体，还可以用来制造渔船，其工艺简单，防腐又防蚀，维修频数和保养费低，使用寿命长。3、机械工业上用玻璃纤维增强后的聚苯乙烯系塑料，其机械性能、制品的尺寸稳定性以及耐热耐冲击强度都有很大的提高，广泛使用在家用电器零件、机壳等。玻璃纤维增强聚甲醛，还被广泛的用来代替有色金属。用在制造传动零件，如轴承、齿轮和凸轮等。4、化学工业上设施腐蚀严重，玻璃纤维的出现给化学工业带来了光明的前景。玻璃纤维主要用在制造各种槽、罐、塔、管道、泵、阀和风机等化工设施及配件。玻璃纤维耐腐蚀、强度高、使用寿命长，但一般只能用在低压或常压设施，且温度不超过120摄氏度，此外，玻璃纤维在绝缘、防热和过滤材质等方面，已在很大程度上取代了石棉，同时玻璃纤维在新能源开发、环保、旅游和工艺美术等诸多方面，也得到了使用。

如今形状记忆合金的使用也越来越广泛，所谓形状记忆合金也就是具有形状记忆效应的合金了。1932年,瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到"记忆"效应，即合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以魔术般地变回到原来的形状，人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。其特点如下：1、弯曲量大，塑性高2、在记忆温度以上恢复以前的形状。记忆合金

分为以下几种，单程记忆效应：形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。双程记忆效应：某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。全程记忆效应：加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。至今为止发现的记忆合金体

系有Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、In-Ti、Au-Cu-Zn、NiAl、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-Nb和Fe-Mn-Si 等。

形状记忆合金由于具有许多优异的性能，因而广泛应用于航空航天、机械电子、生物医疗、桥梁建筑、汽车工业及日常生活等多个领域：

1、航空航天工业中的应用

形状记忆合金已应用到航空和太空装置。如用在军用飞机的液压系统中的低

温配合连接件，欧洲和美国正在研制用于直升飞机的智能水平旋翼中的形状记忆合金材料。由于直升飞机高震动和高噪声使用受到限制，其噪声和震动的来源主要是叶片涡流干扰，以及叶片型线的微小偏差。这就需要一种平衡叶片螺距的装置，使各叶片能精确地在同一平面旋转。目前已开发出一种叶片的轨迹控制器，它是用一个小的双管形状记忆合金驱动器控制叶片边缘轨迹上的小翼片的位置，使其震动降到最低[6]。还可用于制造探索宇宙奥秘的月球天线，人们利用形状

记忆合金在高温环境下制做好天线，再在低温下把它压缩成一个小铁球，使它的体积缩小到原来的千分之一，这样很容易运上月球，太阳的强烈的辐射使它恢复原来的形状，按照需求向地球发回宝贵的宇宙信息。另外，在卫星中使用一种可打开容器的形状记忆释放装置，该容器用于保护灵敏的锗探测器免受装配和发射期间的污染。

2、机械电子产品中的应用

将形状记忆合金制作成一个可打开和关闭快门的弹簧，用于保护雾灯免于飞行碎片的击坏。用于制造精密仪器或精密车床，一旦由于震动、碰撞等原因变形，只需加热即可排除故障。在机械制造过程中，各种冲压和机械操作常需将零件从一台机器转移到另一台机器上，现在利用形状记忆合金开发了一种取代手动或液压夹具，这种装置叫驱动汽缸，它具有效率高灵活，装夹力大等特点。

3、生物医疗上的应用

(a)牙齿矫形丝用超弹性TiNi合金丝和不锈钢丝做的牙齿矫正丝，

其中用超弹性TiNi合金丝是最适宜的。通常牙齿矫形用不锈钢丝CoCr合

金丝，但这些材料有弹性模量高，弹性应变小的缺点。为了给出适宜的矫正力，在矫正前就要加工成弓形，而且结扎固定要求熟练。如果用TiNi合金作牙齿

矫形丝，即使应变高达10%也不会产生塑性变形，而且应力诱发马氏体相变使弹

性模量呈现非线型特性，即应变增大时矫正力波动很少。这种材料不仅操作简单，疗效好，也可减轻患者不适感。(b)脊柱侧弯矫形各种脊柱侧弯症

(先天性、习惯性、神经性、佝偻病性、特发性等)疾病，不仅身心受到严重损伤，而且内脏也受到压迫，所以有必要进行外科手术矫形。目前这种手术采用不锈钢制哈伦敦棒矫形，在手术中安放矫形棒时，要求固定后脊柱受到的矫正力保持在30~40kg以下，一但受力过大，矫形棒就会破坏，结果不仅是脊柱，而且连神经