第四章 新材料技术

2、碳化硅陶瓷
碳化硅陶瓷即金刚砂，主要组成物是SiC，这是一种高强度、高硬度的 耐高温陶瓷，仅次于金刚石、碳化硼和立方氧化硅。通过热压烧结法制得的高 密度碳化硅陶瓷，在1200℃~1400℃使用仍能保持高的抗弯强度，是目前高温 强度最高的陶瓷，碳化硅陶瓷还具有良好的导热性、抗氧化性、导电性和高的 冲击韧度。是良好的高温结构材料，可用于火箭尾喷管喷嘴、热电偶套管、炉 管等高温下工作的部件；利用它的导热性可制作高温下的热交换器材料；利用 它的高硬度和耐磨性制作砂轮、磨料等。
六、金属磁性材料
• 什么是金属磁性材料？ • 凡实际中可以用其磁性的金属磁性体， 都可称之为金属磁性材料。 • 分类：永磁材料 • 软磁材料 • 超高磁致伸缩材料 •
七、非晶态合金
• 非晶态合金， 自然界的各种物质的微观结 构可以按其组成原子的排列状态分为两大 类：有序结构和无序结构。晶体是典型的 有序结构，而气体、液体和非晶态固体属 于无序结构。非晶态固体材料又包括非晶 态无机材料(如玻璃)、非晶态聚合物和非晶 态合金(又称金属玻璃)等类型。
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特种陶瓷
特种陶瓷是一高纯、超细的人工合成的无机化 合物为原料，采用精密控制的制备工艺烧结而成的。 特种陶瓷又称为先进陶瓷、现代陶瓷、新型陶瓷、 高性能陶瓷、高技术陶瓷和精细陶瓷，突破了传统 陶瓷以豁土为主要原料的界限，主要以氧化物、炭 化物、氮化物、硅化物等为主要原料，有时还可以 与金属进行复合形成陶瓷金属复合材料。是陶瓷发 展史上的一次革命性的变化。 1、按化学成分可分为：氧化物陶瓷、氮 化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷、硅化物陶瓷、 氟化物陶瓷、硫化物陶瓷、磷化物陶瓷等。除以上 有一种化合物为主构成的单相陶瓷外，还有由两种 或两种以上的化合物构成的复合陶瓷。 2、性能和用途：机构陶瓷、功能陶瓷， 也有人把它分成三类，第三类为生物陶瓷。 特种陶瓷材料性能优越，用途广泛，并且 已成为现代化工业的重要组成部分。下面我们来认 识一下机构陶瓷、功能陶瓷和生物陶瓷。
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一、形状记忆合金
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所谓的形状记忆效应是指在高温下处理成一定形状 的金属冷却下来，在低温相状态下经塑性变形成另一种形 状，然后加热到高温相成为稳定状态的温度时通过马氏体 逆相变恢复到低温塑性变形前形状的现象。具有这一现象 的金属就叫记忆合金。
形状记忆合金的运用
• 形状记忆合金在航空航天工业中、机械电子产品中、 生物医疗上以及日常生活中都有广泛的运用。 • F14战斗机 形状记忆管接头
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第三节 新型高分子材料
新型高分子材料从实用性较强的可分： • 1、高性能高分子材料
• • 2、功能高分子材料 3、医用高分子材料
»高性能高分子材料：
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1、工程塑料：是指工业用的高性能热塑性塑料， 是为了满足电子、电工、航天、航空等领域的需 要而发展起来的。 • 2、 特点：良好的综合性能，刚性大、蠕变小、 机械强度高、耐热性能好、电绝缘性好，可在较 苛刻的化学、物理环境中长期使用。 • 3、用途：电子电器、机械零件、仪器仪表、办 公机器、家用电器、文化娱乐、建筑行业、交通 运输、医疗卫生等。 •
在工业上的运用：
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工业应用
宇航天线
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NiTI形状记忆合金折叠发射 自动张开的宇航天线原理图
在军事上的运用
• 形状记忆合金管接头具有高度的可靠性，不需熔焊的高温 高热，不会损害周围材料，在低温下易拆卸，便于检修检 查。 这种管接头在F-14战斗机上使用了10万个以上，从未 出现过漏油等事故。 这类管接头在核潜艇的管路连接上也可大量应用 150mm大口径管接头在海底输油管道及其修补工程上 得到应用。
• 3、高分子合金 通过物理或化学方法将已有的两种树脂 制成复合体系，来满足其中任一组分树脂 所不能满足的需求，使得多种组分之间可 以彼此弥补性能上的缺点，或起协同作用， 使其性能更能符合使用要求的高分子复合 体系。
• 2、高强度、高模量的高分子材料：
特点：高强度、高模量、质轻
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• 二、功能高分子材料
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Fra Baidu bibliotek
四、贮氢合金
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贮氢合金是靠其与氢进行化学反应生成金属氢化物来 贮氢的，这个化学反应是可逆的，无论是金属合金吸氢化 物生成金属氢化物还是金属氢化物分解释放出氢，都受温 度、压力及合金成分的控制。
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五、多孔金属材料
• 什么是多孔金属？ • 在金属材料生产过程中，出于每种特殊 性能要求和使用要求，有意识的制备出充 满着分散的小孔的金属合金，就叫多孔金 属。 • 多孔金属的有哪些特性？ • 多孔金属除了具有本体金属的强度、导热、 到电、耐腐蚀等特性以外，还具有质轻、 比表面积大等特性。
二、功能陶瓷材料
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功能陶瓷是指那些利用其电、磁、声、光、热、弹等直接及其耦合效应 所提供的一种或多种性质来实现某种使用功能的先进陶瓷。通常具有特殊 的物理性能，涉及的领域比较多，常用功能陶瓷的特性及应用见表。 • 常用功能陶瓷的组成、特性及应用
1、导电陶瓷
一般可分为非氧化物导电陶瓷和氧化物导电陶瓷两种。非氧化 物导电陶瓷有氮化硅、而硅化钼、硼化锆等。氧化物导电陶瓷品 种较多，如氧化锆、氧化钍等。现在已经研制出在高温环境下也 能导电的非氧化物导电陶瓷：如碳化硅陶瓷的最高使用温度为 1450℃，二硅化钼陶瓷的最高使用温度为1650℃，氧化锆陶瓷的 最高使用温度为2000℃，氧化钍陶瓷的最高使用温度高达2500℃。
3、氧化铝陶瓷陶瓷
氧化铝陶瓷具有耐腐蚀、高硬度、高强度、 高绝缘性及耐磨性，其 用途比较广泛。如作为高纯金属的钳埚及生长单晶用钳埚、高温炉的结构部 件、机械加工部件、各种切削工具等。需要注意的是需用超声波进行洗涤。 它的生物相容性好，属于惰性材料，可作为齿根、髋关节等人工骨骼。除外， 它还具有透光特性。
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第一节 先进的金属材料
金属的发现和运用曾对人类文明的发展起过重要的作 用，加速了人类社会发展的历史进程。它所具有的优良性 能，在材料工业中占统治地位。高新技术的发展一方面促 进了高分子材料、无机非金属材料的发展，同时也促进了 金属材料的发展。 先进金属材料的主要门类有： 形状记忆合金 超塑性合金 减振合金 贮氢合金 多孔金属材料 金属磁性材料 非晶态合金
形状记忆路灯：
• 法国巴黎用形状记忆合金制造城市照明灯，有两瓣随着灯 的亮、灭而逐渐张开或合上的叶片。 • 白天，路灯熄灭，叶片合上； • 傍晚之后，叶片受灯泡热度的作用而逐渐张开，让灯泡显 露出来进行照明。
二、超塑性合金
• • 什么是超塑性？ 某些材料在特定组织状态、一定的温 度和形变速率下表现出极高的塑性，这种 现象叫超塑性。 • 金属合金超塑性的分类： • 微晶超塑性 • 相变超塑性
三、减振合金
• 解决结构中的振动和噪音的根本办法是使振动源 和零部件材料具有良好的减振能力，理想的减振材料不 仅应该具备一般金属材料的强度及耐高温等特性，同时 又要有高减振的特性。因此就产生了减振合金。 减振合金在航空航天领域、汽车领域、土木建筑 领域、家用电器领域、铁路领域、船舶领域等等都有广 泛的运用。
导论：
材料是人类一切生产和生活活动的物质基础，是社 会生产力 要因素。人类社会进入20世纪中叶以来，科 技的突飞猛进的发展，世界各国对新材料的的开发也十分 的重视，出现了材料革命的新时代。 • 新材料的特点：第一，属于知识密集、技术密集、 资金密集的一类新兴产业；第二，其发展与新技术密切相 关。第三，常常是多种学科的相互交叉和渗透的结果。新 材料是新技术发展的必要物质基础，是当代新技术革命的 先导。 • 本章就从先进的金属材料、特种陶瓷材料、新型 高分子材料、高性能复合材料等方面进行介绍。 •
3、半导体陶瓷
半导体陶瓷又称为半导瓷，是具有半导体特性的陶瓷材料， 导电性能与绝缘体之间。半导体陶瓷的电导率因外界条件（温度、 光照、电场、气氛和温度等）的变化而发生显著的变化，因此可 以将外界环境的物理量变化转变为电信号，制成各种用途的敏感 元件。其主要用于制作热敏陶瓷、气敏陶瓷、压敏陶瓷、湿敏陶 瓷、光敏陶瓷。 （1）热敏陶瓷 （2）气敏陶瓷 （3）压敏陶瓷 （4）湿敏陶瓷 (5)半敏半导体陶瓷
可分为化学功能和物理功能高分子材料 1、高分子分离膜：是用高分子材料制成的具有选择性透 过功能的半透性薄膜。 从功能上分;气体分离膜、反渗透膜、超滤膜、渗透汽化 膜、渗析膜、离子交换膜等。 从结构上分：致密膜和多孔膜。 从形态上分：均质膜、非对称膜和复合膜 从应用形式上分：平面膜、中空纤维膜和管状膜
2、新型高性能介电陶瓷
介电陶瓷材料目前已被广泛用于电子工业，由于集成电路基 板的陶瓷材料要求绝缘电阻高、耐高压、介电常数小、介电损失 低、具有一定的强度、耐热性好、导热系数高、化学稳定等，氧 化铝、氧化铍、氧化硅及氮化铝等是作为集成电路的后板陶瓷材 料。除了在基板材料方面的用外，某些具有高介电常数的陶瓷也 广泛用于与电容器制造行业。
4、压电陶瓷
压电陶瓷，所谓压电效应是指某些介质在力的作用下，产生 形变，引起介质表面带电，这是正压电效应。反之，施加激励电 场，介质将产生机械变形，称逆压电效应。 一种能够将机械能和 电能互相转换的功能陶瓷材料，属于无机非金属材料。这是一种 具有压电效应的材料。
半导体陶瓷
压电陶瓷
三、生物陶瓷
生物陶瓷是指具有特殊生理行为的陶瓷材料，生物陶瓷除 用于测量、诊断治疗等外，主要是用作生物硬组织的代用材 料，可用于骨科、整形外科、牙科、口腔外科、心血管外科、 眼外科、耳鼻喉科及普通外科等方面。作为生物陶瓷必须具 有良好的生物相容性和力学匹配性。 • 生物陶瓷大体包括三种类型：①惰性生物陶瓷 ②表面活性生物陶瓷 • ③可吸收生物陶瓷
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分类
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一、结构陶瓷
结构陶瓷 主要指特种陶瓷中发挥其机械、热、化学等功能的材料。它具 有耐高温、乃冲刷、耐腐蚀、高硬度、高强度、低蠕变速率等一系列优异性能， 可以承受金属材料和高分子材料难以胜任的严酷环境，常常成为每种科学技术 得以实现的关键。
1、氮化物陶瓷
氮化物陶瓷是20多年来迅速发展起来的结构陶瓷。 （1）氮化硅陶瓷,具有高温强度高、抗热震性能好、高热蠕变变小、耐 腐蚀和地比重等优良性能，应用非常广泛。可用于热机的陶瓷材料、高温结构 材料、耐磨材料、金属加工的刀具材料等。 （2）氮化硼，又称白色的石墨，因其耐高温、电绝缘性好，热导率高 和高热滑性而引入注目。它的化学稳定性极好，致密的氮化硼陶瓷材料已广泛 用于高温电炉，低频、高频电额热装置，中子吸收剂和核反堆保护装置材料等。 立方氮化硅硬度仅低于金刚石，可用于制造切削刀具和拔丝模具。 （3）赛隆（sailon）是在氮化硅中添加氧化铝，用氧原子取代一部分氮， 用铝原子取代一部分硅，这样就从氧化硅派生出一种新化合物，即赛隆。
在日常生活中的运用
• (a) 防烫伤阀 在家庭生活中，已开发的形状记忆阀可用 来防止洗涤槽中、浴盆和浴室的热水意外烫伤；这些阀门 也可用于旅馆和其他适宜的地方。如果水龙头流出的水温 达到可能烫伤人的温度(大约 48℃)时，形状记忆合金驱动 阀门关闭，直到水温降到安全温度，阀门才重新打开。 • (b) 眼镜框架 在眼镜框架的鼻梁和耳部装配 TiNi 合金 可使人感到舒适并抗磨损，由于 TiNi 合金所具有的柔韧 性已使它们广泛用于改变眼镜时尚界。用超弹性 TiNi 合 金丝做眼镜框架，即使镜片热膨胀，该形状记忆合金丝也 能靠超弹性的恒定力夹牢镜片。这些超弹性合金制造的眼 镜框架的变形能力很大，而普通的眼镜框则不能做到。
4、高韧性陶瓷
由于陶瓷材料的抗冲击性差，也让限制它的使用范围，后来人们发现陶 瓷 材料中引入一定量的亚稳氧化锆微粒并使其均匀分布，可大大提高材料 的强度和韧度。这在结构陶瓷研究中取得了重大的进步，并已在机械加工、 冶金工业、化学工业、国防工业、航空航天等领域取得了广泛运用。
5、透明陶瓷
一般陶瓷是不透明的，但是光学陶瓷像玻璃一样透明，故称透明陶瓷。 一般陶瓷不透明的原因是其内部存在有杂质和气孔，前者能吸收光，后者令 光产生散射，所以就不透明了。因此如果选用高纯原料，并通过工艺手段排 除气孔就可能获得透明陶瓷。早期就是采用这样的办法得到透明的氧化铝陶 瓷，后来人们又陆续研究出如烧结白刚玉、氧化镁、氧化铍、氧化钇、氧化 钇-二氧化锆等多种氧化物系列透明陶瓷。近期又研制出非氧化物透明陶瓷， 如砷化镓、硫化锌、硒化锌、氟化镁、氟化钙等。 最早是使用在灯具上。