新材料的发展与应用

1）高温超导材料的简介
超导材料的基本物理特征：
零电阻现象
完全抗磁性 （迈斯纳效应）
普通 导体 超导体
超导态并非仅取决于温度 (临界电流和临界磁场)
高温超导材料的简介
超导材料的分类：
常规超导体(如Nb-Ti合金)
高温超导体(如YBa2Cu3O7-x)
非晶超导材料 超导材料
复合超导材料(如超导线带材料) 重费米子超导体(如CeCu2Si2)
氧化锌纳米晶粒
纳米固体晶粒
•碳纳米管：碳材料家族中的新成
员，为黑色粉末状，是由类似石墨的 碳原子六边形网格所组成的管状物， 它一般为多层，直径为几纳米至几十 纳米，长度可达数微米甚至数毫米。 碳纳米管本身有非常完美的结构， 尺寸只有头发丝的十万分之一，但 导电率是铜的1万倍，强度是钢的 100倍而重量只有钢的七分之一。 它像金刚石那样硬，却有柔韧性， 可以拉伸。它的熔点是已知材料中 最高的。

一：超导材料
超导现象：1911年，荷兰物理学家昂尼斯
(1853～1926)发现，水银的电阻率并不像预料 的那样随温度降低逐渐减小，而是当温度降到 4.15K附近时，水银的电阻突然降到零。某些 金属、合金和化合物，在温度降到绝对零度附 近某一特定温度时，它们的电阻率突然减小到 无法测量的现象叫做超导现象
制作人： 2011075班 201107511孙宽
1）新材料的出现是为了解决现有材料性能 不能满足人们对所需性能的矛盾而出现的。 例如具有高强度的同时，又具有较高的硬 度，塑形，韧性，疲劳轻度等性能，但是 现在的普通材料在具有高硬度，高强度时， 塑形，韧性却大幅度降低；又比如汽车工 业，需要在保持一定强度的时，又具有较 轻的质量，现在普通的铁碳合金，以及金 属材料很难满足高级赛车所需要的强度与 质量的一个平衡，故现在较好的赛车都已 经开始摒弃普通的金属材料。
有机超导材料(如富勒烯等修饰的化合物)
高温超导材料的例子
钇钡铜氧化物（ YBa2Cu3O7-x ) 超导体
1987年朱经武、吴茂昆、赵忠贤等发现，Tc>90K,超导转变 温度打破了液氦，解决了阻碍超导技术应用的瓶颈问题。
高温超导材料的例子
铋锶钙铜氧化物（Bi-Sr-Ca-Cu-O）超导体
n=1 2201相
预 测 超导电缆、超导发电 机、超导电缆 节省大量资金 缓解环境污染
高温超导材料的制备
高温超导材料制备所面临的问题：

材料制造成本高, 价格昂贵。
高温超导材料临界电流和临界磁场的提 高仍是科学家研究的难题。 在长距离超导线材的制造上面仍然有很 大的难度。（氧化物高温超导陶瓷材料 各向异性和短的电子相干长度以及大量 晶界的存在严重影响线材的超导电性。）

二：纳米材料
1）纳 米材料 的发现 与研究
• 1980年，德国的长期从事晶体物理研究的物理 学家Gleiter [格莱特]，在澳大利亚度假时，想到 一个经常困扰他的问题“如何研究出具有异乎 寻常材料的新型材料呢？”，在长期的研究中， 人们视具有完整空间点阵结构的实体为晶体， 是晶体材料的主体，而把空间点阵中的空位， 替位原子，间隙原子，相界，位错当作晶体材 料的缺陷。对此，他想如果把“缺陷”作为主 体，研究出一种晶界占有相当大体积比的材料， 那会怎样？
高温超导材料的制备
Y系高温氧化物超导体的制备
块 材
带 材
原料(氧化物 或碳酸物)
化学剂量比 混合 烧结 氧化处理
离子束辅助沉淀工艺
克服大角晶界
轧制辅助双轴织构衬底工艺
熔融织构工艺
磁控溅射法
薄 膜
激光沉淀法
高温超导材料的制备
Bi系高温氧化物超导带材的制备:
原材料 (氧化物或碳酸物)
Ag管 研 磨 化学剂量比 混 合
煅 烧
粉末充管
拉 拔
轧 制
热处理
压制/轧制
热处理
重复
发展前景
钇钡铜超导薄膜----应用于谐振器、滤波 器、天线等有源器件 商品化 低电力 低能耗 灵敏度度高
钇钡铜超导超导块材用于磁悬浮、储能飞 轮等方面
即 将
低电力 低能耗
实业化
预计在2020年 左右会形成 1500-2000亿美 元的超导市场， 其中高温超导 占一半

其他类新的新材料有很多种这里主要说由 碳原子构成的各种新型材料，比如碳纤维， 石墨烯等。碳纤维，石墨烯，纳米碳管等 都具有较为类似的性能，故这里只说石墨 烯


石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成的单 层片状结构的新材料，是一种由碳原子组成六 角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子 厚度的二维材料。 石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独 稳定存在，直至2004年，英国曼彻斯特大学物 理学家安德烈· 海姆和康斯坦丁· 诺沃肖洛夫， 成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证 实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯 材料的开创性实验”为由，共同获得2010年诺 贝尔物理学奖
2）新材料技术则是按照人的意志，通过物理 研究、 材料设计、材料加工、试验评价等一 系列研究过程，创造出能满足各种需要的新 型材料的技术。
为了满足不同的特殊要求及性能，现在对 新材料有很多不同的研究方向。主要有以 下几种； 超导材料的研究； 纳米材料的研究； 智能材料的研究； 能源材料的研究； 新型无机非金属材料的研究等
从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的 系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系 统，是一种典型的介观系统（介观体系是介 于宏观体系与微观体系之间的一种体系。实 际上介观体系在尺寸上已经是宏观的, 同时具 有微观体系，宏观体系的特点 ）
原子排成的“原子”字样
1nm=1/10亿米，10个氢原 子紧密排列，20nm是头发 丝直径的3000分之一
Fra Baidu bibliotek米材料的应用
1）陶瓷增韧：由纳米粒子压制成的纳 米陶瓷材料有很好的韧性。因为纳米 材料具有较大的界面，界面的原子排 列是相当混乱的，原子在外力变形的 条件下很容易迁移，因此表现出甚佳 的韧性与延展性。
2）隐身材料应用：由于纳米微粒 尺寸远小于红外及雷达波波长， 因此纳米微粒材料对这种波的透 过率比常规材料要强得多，这就 大大减少波的反射率，使得红外 探测器和雷达接收到的反射信号 变得很微弱，从而达到隐身的作 用； 另一方面，纳米微粒材料的比表 面积比常规粗粉大3～4个数量级， 对红外光和电磁波的吸收率也比 常规材料大得多，这就使得红外 探测器及雷达得到的反射信号强 度大大降低，因此很难发现被探 测目标，起到了隐身作用。
1.表面效应 2.小尺寸效应 3.量子尺寸效应
4.宏观量子隧道效应
纳米材料的小尺寸效应 1>纳米材料有很多“奇怪”的性质，所 有的金属到了纳米级别都变成了黑色；； 在电镜的观测下，发现纳米微粒没有固 定的形态，随着时间的推移，会自动形 成各种形态，在电子束的照射下，会剧 烈运动；在空气中还可以自燃
这辆法拉利 Enzo 车身 采用的材料是碳纤维， 拥有着较高的强度，还 有着非常轻的车身，车 身的主体仅重92公斤， 这对赛车是非常有实际 意义的。这对其他领域 也有很大的应用意义
1）新材料（或称先进材料）是指那些新近发 展或正在发展之中的具有比传统材料的性能 更为优异的一类材料。新材料是指新近发展 的或正在研发的、性能超群的一些材料，具 有比传统材料更为优异的性能。
纳米材料的小尺寸效应
2）晶体物质的熔点是固定的，但是当它们变 成纳米微粒后熔点会降低，金的熔点1064℃， 但是当颗粒到2nm时，熔点仅327℃，银的熔 点由670℃降低到100℃；在钨的原料中加入 0.1%~0.5%的镍超微粒时，烧结温度从 3000℃降低到了1200℃左右，很神奇不是 么！！！
复合材料(Composite materials)，是由两种或两种以 上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏 观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互 相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性 能优于原组成材料而满足各种不同的要求。 比如20世纪40年代，因航空工业的需要，发展了 玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢），从此出现了复 合材料这一名称。50年代以后，陆续发展了碳纤维、 石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维。70年代 出现了芳纶纤维和碳化硅纤维。这些高强度、高模 量纤维能与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非 金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合，构成各具 特色的复合材料。
美国F117隐形轰炸机机
3）计算机和电子工业： 可以从阅读硬盘上读卡 机以及存储容量为目前 芯片上千倍的纳米材料 级存储器芯片都已投入 生产。计算机在普遍采 用纳米材料后，可以缩 小成为“掌上电脑”。 纳米存储器，存储密度可达每平方厘米10
万亿字节
4）机械工业：采用纳米材料技术对机械关键 零部件进行金属表面纳米粉涂层处理，可以 提高机械设备的耐磨性、硬度和使用寿命。
Bi2Sr2Can-1CunO2n+4 Tc>100K; n=2 2212相 Cu-O 层 钙钛矿层 Bi2O2层
n=3 2223相
n=4 2234相
Tl-Ba-Ca-Cu系，Tc达到了125K; Hg-Ba-Ca-Cu系，Tc达到了135K, 高压下Tc达到了164K。
---Michael Vershinin, Shashank Misra, et al. Science,303,1995(2004).
比如说，超高分子量聚乙烯纤维的比强度在各种纤 维中位居第一，尤其是它的抗化学试剂侵蚀性能和抗老 化性能优良。它还具有优良的高频声纳透过性和耐海水 腐蚀性，许多国家已用它来制造舰艇的高频声纳导流罩， 大大提高了舰艇的探雷、扫雷能力。 除在军事领域，在汽车制造、船舶制造、医疗器械、 体育运动器材等领域超高分子量聚乙烯纤维也有广阔的 应用前景。该纤维一经问世就引起了世界发达国家的极 大兴趣和重视
几种典型的纳米材料 纳米颗粒型材料 纳米固体材料 纳米膜材料 纳米磁性液体材料 碳纳米管

纳米皇冠
纳米算盘 C60每10个一 组，在铜表 面形成世界 上最小的算 盘。


纳米颗粒型材料：也称纳米粉末，一般指粒度 在100nm以下的粉末或颗粒。由于尺寸小，比 表面大和量子尺寸效应等原因，它具有不同于 常规固体的新特性。 纳米固体材料通常指由尺寸小于15纳米的超微 颗粒在高压力下压制成型，或再经一定热处理 工序后所生成的致密型固体材料。
这位科学家不经意间的一个想法， 使他花了四年时间的研究，在 1984年研究出了这种金属超微粉， 就这样，纳米固体材料诞生 了！！！
纳米材料的内部结构 3 十分奇异复杂，在1 cm 这样小的空间里，竟 2 然装进面积达到500 m 因此纳米材料有再怎 么特别的功能也不奇 怪了！！！
cm 3
纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组 成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在 1～100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体 交界的过渡区域

复合材料的基体材料分为金属和非金属两 大类。
金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合 金。 非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、 石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、 碳纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤 维、晶须、金属丝和硬质细粒等。


纳米复 合材料
该研究方向主要包括纳米聚合物基复合材 料、纳米碳管功能复合材料、纳米钨铜复 合材料。 功能复合材料是指除机械性能以外而提供其他物 理性能的复合材料。如：导电、超导、半导、磁 性、压电、阻尼、吸波、透波、磨擦、屏蔽、阻 燃、防热、吸声、隔热等凸显某一功能。统称为 功能复合材料
功能复 合材料
塑木复 合材料
塑木是以锯末、木屑、竹屑、稻壳、麦秸、大豆 皮、花生壳、甘蔗渣、棉秸秆等低值生物质纤维 为主原料，与塑料合成的一种复合材料。



航空航天领域。由于复合材料热稳定性好，比强度、 比刚度高，可用于制造飞机机翼和前机身、卫星天 线及其支撑结构、太阳能电池翼和外壳、大型运载 火箭的 壳体、发动机壳体、航天飞机结构件等。 汽车工业。由于复合材料具有特殊的振动阻尼特性， 可减振和降低噪声、抗疲劳性能好，损伤后易修理， 便于整体成形，故可用于制造汽车车身、受力构件、 传动轴、发动机架及其内部构件。 化工、纺织和机械制造领域。有良好耐蚀性，热膨 胀系数小的碳纤维与树脂基体复合而成的材料，可 用于制造化工设备、纺织机、造纸机、复印机、高 速机床、精密仪器等。