6新型结构材料

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,1,材料化学,新 型 结 构 材 料,1.,高温结构材料,2.,轻型结构材料,3.,超低温材料,4.,超硬材料,5.,超塑性合金,6.,非晶态材料,7.,新制备方法开发的新材料,8.,工程塑料,9.,复合材料,2,材料化学,新 型 结 构 材 料,高温结构材料,1.1,超耐热合金,超耐热合金：在高温下能满意工作的金属材料。,航天飞机发动机的,高压氧涡轮泵和高压氢,涡轮泵上的叶片，都是,高,Cr-Co-W,基,耐高温合金，通过定向凝固精密铸造制成。,3,材料化学,新 型 结 构 材 料,高温材料需满足的条件,（,1,）高温下要有优良的抗腐蚀性,（,2,）在高温下要有较高的强度和韧性,形成金属,:,第,B,族（,V,，,Nb,，,Ta,）,第,B,族（,Cr,，,Mo,，,W,） 高熔点金属,第,B,族,（,Mn,，,Tc,，,Re,）,第,族,（,Fe,，,Co,，,Ni,）,耐热合金：以,B,B,副族元素和第,族元素形,成的合金。,4,材料化学,新 型 结 构 材 料,类型,5,材料化学,新 型 结 构 材 料,（,1,）,铁基合金,：,高温下，铁氧化；构型转化。,铁基合金中各元素的作用,镍,形成稳定奥氏体的主要元素,铬,提高抗氧化性和抗燃气腐蚀性,钼和钨,强化固溶体的晶界,铝、钛、铌,沉淀硬化作用,基体：奥氏体，主要强化相为 ，,以及其他微量碳化物、硼化物。,铁基高温合金：适用于低于,800,的条件,6,材料化学,新 型 结 构 材 料,(2),镍基合金：耐高温，使用时间长，质轻。,镍基超耐热合金基体：镍，镍含量,50%,使用范围：,7001000,镍基可溶解较多的合金元素，可保持其较,好的组织稳定性。含,Cr,的镍基合金比铁基的抗,氧化性和抗腐蚀性更好。,实例：现代喷气发动机中，涡轮叶片几乎全部,采用镍基合金制造,7,材料化学,新 型 结 构 材 料,（,3,）钴基合金：钴含量为,4060%,的奥氏体，可,在,7301100,条件下使用。,耐热温度高。,一般钴基合金含,1022%Ni,和,2030%Cr,，以及,Mo,，,W,Ta,Nb,等固溶强化元素和碳化物形成元素，,含碳量高，是以碳化物为主要强化相的超耐热合金。,应用：制作航空发动机、工业燃汽轮机、舰船燃汽,轮机的导向叶片和喷嘴导向叶片以及柴油机,喷嘴。,8,材料化学,新 型 结 构 材 料,1.2,高温结构陶瓷,传统陶瓷,工业陶瓷,原料,粘土，石粉,碳化硅，氮化硅,工艺,用水拌和,成型干燥后烧制,磨成均匀细粉,与烧结助剂混合或直接高压成型,烧制,耐热温度,1300,1500,2000,特征,易碎,坚硬,热致伸缩小,轻,耐高温,耐腐蚀,耐蠕变,耐机械性,耐热冲击性,研究领域,高温燃气轮机,9,材料化学,新 型 结 构 材 料,结构陶瓷材料主要包括氧化物、非氧化物及氧化物与非金属氧化物的复合系统。,1.2.1,氧化物陶瓷,(1),氧化铝陶瓷,一种以,-Al,2,O,3,为主晶相的陶瓷材料，,Al,2,O,3,含量 一般在75,%99%,。,(2)ZrO,2,陶瓷,密度大、硬度高、耐火度高、化学稳定性好，抗弯强度和断裂韧性等性能更为突出。,10,材料化学,新 型 结 构 材 料,1,.2.,2,非氧化物陶瓷,非氧化物陶瓷是由金属的碳化物、氮化物、硅化物和硼化物等制造的陶瓷的总称。,（1）氮化物陶瓷,氮化硅,Sialon陶瓷,系列化合物的总称,氮化硼陶瓷,（2）碳化物陶瓷,11,材料化学,新 型 结 构 材 料,实例,1,：氮化硅,Si,3,N,4,x,(N)=3.0,，,x,(Si)=1.8,结构：共价键，结构稳定,性能：硬度高，熔点高，绝缘性能好,合成方法：,硅氮结合法,3Si + 2N,2,Si,3,N,4,还原氮化法,3SiO,2,+6C + 2N,2, Si,3,N,4,+6CO,12,材料化学,新 型 结 构 材 料,化学气相法,3SiCl,4,+4NH,3,Si,3,N,4,+12HCl,或,3SiH,4,+4NH,3, Si,3,N,4,3SiH,4,+2N,2,H,4, Si,3,N,4,+10H,2,3SiH,4,+2N,2,+6Cl,2, Si,3,N,4,+12HCl,热分解法,3Si(NH),2, Si,3,N,4,+4NH,3,3Si(NH,2,),4, Si,3,N,4,+8NH,3,13,材料化学,新 型 结 构 材 料,氮化硅,(Si,3,N,4,),陶瓷，多晶材料,晶体结构：六方晶系，,有,和,两相,相,动力学上易生成，在,1400,1800,，高温下转化为,相,相,结构对称性高，摩尔体积小，,是热力学稳定相,14,材料化学,新 型 结 构 材 料,性能,高硬度，弹性模量大，高强度，耐高温，,热膨胀系数小，,导热系数大耐热冲击性能好，,密度低，耐腐蚀，抗氧化，,机械自润滑，表面摩擦系数小，,电绝缘性好,15,材料化学,新 型 结 构 材 料,实例,2,：氧化锆,ZrO,2,结构：室温稳定态 高温,亚稳态,单斜晶型,四方晶型,作用：韧化氮化硅陶瓷材料,用途：,制造轴承、汽轮机叶片、机械密封环、,永久性模具等机械构件。用于制造柴油,机中发动机部件的受热面等,类型：,氮化硼陶瓷、碳化硼陶瓷、氧化锆陶瓷、,碳化硅陶瓷等。,1170 ,有体积收缩,16,材料化学,新 型 结 构 材 料,2.,轻型结构材料,2.1,铝锂合金,定义：以铝为基添加锂（一般为,3wt,左右）,及其它元素组成的合金称作铝锂合金。,特点：,密度低、高强度、高模量以及高比强,度和比刚度等。,原因：,锂的密度为,0.534gcm,-3,，是铝的,1,5,，,钢的,1,15,。在铝合金中增加少量锂可,使密度显著降低。,17,材料化学,新 型 结 构 材 料,主要系列：,Al-Cu-Li-Zr,系、,Al-Cu-Mg-Li,系、,Al-Mg-Li,系。,用途,：,轻合金中用途最广泛。民航机上改用铝锂,合金，飞机重量可以减轻,8,16,。,如：,B737,将可减重,2178kg,B747SP,可减重,4200kg,B747200,可减重,5200kg,A310,可减重,2600kg,A340,可减重,3900kg,18,铝锂合金的生产工艺,铸造法,(IM),，应用最早。,各国生产的几种比较成熟的铸造铝锂合金：,美国的,2090,、,2091,和,8090,、,8091,英国的,8090,和,8091,法国的,CP271(8090),和,CP274(2091),，,前苏联的,BA23,、,01420,、,1421,等。,材料化学,新 型 结 构 材 料,19,粉末冶金法,(PM),优点：合金成分选择范围大，可获得微细的组织,和更好的性能，现处于研究开发阶段。,目前，美国联合信号公司采用这种方法研制的,644B,合金的力学性能与现用航空航天铝合金相当，但密度更低、比刚度更高，特别是具有优异的低温性能。,预计粉末铝锂合金可能成为航空、航天器的重要结构材料。,材料化学,新 型 结 构 材 料,20,机械合金化法,(MA),原理：将机械混合粉末进行高能球磨以获得复合,粉末再经压实成材。,90,年代美国,Incoa,公司采用该方法研制的,IncoMAPAl,-905XL,合金,(Al-Mg-Li),具有极好的抗应力腐蚀性能和热稳,定性,并生产出,136kg,和,544kg,的真空热压坯料,已用于美国,F-18,大黄蜂战斗机舱罩,机械合金化法铝锂合金因其热强,度优于其它铝锂合金,可能在航天材料中占有特殊地位。,材料化学,新 型 结 构 材 料,21,铝锂合金的一个发展方向：超塑成型。,目前超塑成型的主要方法是板材吹胀法，,90,年代采用的超塑成型,/,扩散连接技术，能够使形状,复杂的铝锂合金构件一次成型,并可大幅度提高结,构强度,降低结构重量。英国,Alcon,公司报导的铝,锂合金扩散连接工艺采用锌做夹层。,目前铝锂合金应用存在的主要问题是成本高、韧性和塑性较差、缺少足够的设计和使用经验。,材料化学,新 型 结 构 材 料,22,材料化学,新 型 结 构 材 料,2.2,纤维材料,（,1,）玻璃纤维,性能：质轻、高强、绝缘、防腐、耐高温用途：制造纤维增强材料，可纺织、缝编，易,于与各类材料复合。,因为玻纤增强材料的比强度、比模量、,耐疲劳性、阻尼减震性和破损安全性都超过,高强金属性能，是跨越传统的新型材料。,23,材料化学,新 型 结 构 材 料,由碳基物质或纤维在惰性气体气氛中经高,温碳化即可制成碳纤维和石墨纤维。在,800,1600,烧成碳纤维，在,25003000,烧成为石,墨纤维。,碳纤维的含碳量为,95%,，石墨纤维的含碳,量,99%,，均可制成短纤维，也可制成连续不断,的长纤维，还可以织成布、带及毡等制品。,（,2,）碳纤维,24,材料化学,新 型 结 构 材 料,特性：与一般碳素材料相比,相同点：耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀,不同点：外形有显著的各向异性、柔软、可加工,成各种织物，沿纤维轴方向强度很，力,学性能突出。,碳纤维比重小，比强度很高。,用途：与树脂、金属、陶瓷等基体复,合做结构材料。,25,材料化学,新 型 结 构 材 料,工业化生产碳纤维方法，按原料路线分类,聚丙烯腈,(PAN),基碳纤维,沥青基碳纤维：由沥青制取碳纤维，原料来源,丰富，碳化收率高，但因原料调制复杂、产品,性能较低，亦未得到大规模发展；,粘胶基碳纤维：从粘胶纤维制取高力学性能的,碳纤维必须经高温拉伸石墨化，碳化收率低，,技术难度大、设备复杂，成本较高，产品主要,为耐烧蚀材料及隔热材料所用。,26,材料化学,新 型 结 构 材 料,聚丙烯腈,(PAN),基碳纤维,27,材料化学,新 型 结 构 材 料,28,碳纤维的结构模型,Polymer Matrix Composites,，,PMC,普通型 高强度型 高弹性模量型,按力学性能分类,高强度碳纤维、高模量碳纤维和普通碳纤维。,材料化学,新 型 结 构 材 料,29,碳纤维的特点：,强度和模量高、密度小；,具有很好的耐酸性；热膨胀系数小，甚至为负值,具有很好的耐高温蠕变性能，一般碳纤维在,1900,以上才呈现出永久塑性变形。,摩擦系数小、润滑性好、导电性高。,碳纤维的缺点：,价格昂贵，比玻璃纤维贵,25,倍以上,抗氧化能力较差，高温有氧存在时会生成二氧化碳。,材料化学,新 型 结 构 材 料,30,材料化学,新 型 结 构 材 料,（,3,）其它无机纤维,碳化硅纤维（,Silicon Carbide Fibre,，,SF,或,SiCf,）,生产方法：有机合成法和,CVD,法。,特点：高强度高模量，良好的耐化学腐蚀性、耐,高温和耐辐射性能。比碳纤维和硼纤维具,有更好的高温稳定性。具有半导体性能。,与金属相容性好，常用于金属基和陶瓷基,复合材料。,31,材料化学,新 型 结 构 材 料,32,材料化学,新 型 结 构 材 料,硼纤维（,Boron Fibre,，,BF,或,Bf,）,1958,年,C.P.Talley,首先用,CVD,方法研制成功高模,量的硼纤维。,制备方法：在加热的钨丝表面通过化学反应沉积硼层。,规格：硼纤维直径有,100m,、,140m,、,200m,几种。,特点：具有很高的弹性模量和强度，性能受沉积条件,和纤维直径的影响，硼纤维的密度为,2.42.65,g/cm,3,，拉伸强度为,3.25.2GPa,，弹性模量为,350400GPa,。耐高温，耐中子辐射。,33,缺点 ：工艺复杂，不易大量生产，价格昂贵。,由于钨丝的密度大，硼纤维的密度也大。,目前已研究用碳纤维代替钨丝，以降低成本,和密度，结果表明，碳心硼纤维比钨丝硼纤维强,度下降,5%,，但成本降低,25%,。,常温为较惰性物质，但在高温下易与金属反,应，因此需在表面沉积,SiC,层，称之为,Bosic,纤维。,用途：主要用于聚合物基和金属基复合材料。,材料化学,新 型 结 构 材 料,34,材料化学,新 型 结 构 材 料,氧化铝,纤维（,Aluminia Fibre,AF,或（,Al,2,O,3,）,f,）,氧化铝纤维是多晶连续纤维，除,Al,2,O,3,外常,含有约,15%,的,SiO,2,。,优点：具有优良的耐热性（,1200,1300,）和,抗氧化性，直到,370,强度仍下降不大。,缺点：在所有纤维中密度最大。,用途：主要用于金属基复合材料。,35,（,4,）,Kevlar,有机纤维（芳纶、聚芳酰胺纤维）,特点：比强度、比模量高；其强度可达,2800,3700MPa,；密度小，只有,1.45 g/,3,；耐,热性比玻璃纤维好。它还具有优良的抗,疲劳性、耐蚀性、绝缘性和加工性。,材料化学,新 型 结 构 材 料,36,材料化学,新 型 结 构 材 料,Kevlar,纤维树脂复合材料,由,Kevlar,纤维与环氧、聚乙烯、聚碳酸酯、聚酯等树脂组成。,性能特点,:,抗拉强度大于玻璃钢，而与碳纤维,环氧树脂复合材料相似；,延性好，与金属相当；,其耐冲击性超过碳纤维增强塑料；,其疲劳抗力高于玻璃钢和铝合金；,减振能力为钢的,8,倍。,37,材料化学,新 型 结 构 材 料,（,5,）金属和钢纤维,类型：钨、钼、不锈钢、铝等,特点：导电性和导热性好，塑性和抗冲击性好。,制备方法：拉丝加工。,熔融纺丝法、挤压法、析出法、冷,却法等制造金属纤维的新途径也在,积极探索着。,用途：常用于混凝土基复合材料。,38,（,6,）晶须（,Wisker,）,晶须：具有一定长径比（一般大于,10,）和截面积,小于,5210,-5,cm,2,的单晶纤维材料。,具有实用价值的晶须直径约为,1,10m,，,长度与直径比在,5,1000,之间。,特点：含缺陷很少的单晶短纤维，其拉伸强度接,近其纯晶体的理论强度。相对密度小，弹,性模量高、高温强度好。,外形：白色、灰白色棒状、螺旋状或针状、发状,材料化学,新 型 结 构 材 料,39,用途：作复合材料的强化剂,分类：,金属晶须,（如,Ni,、,Fe,、,Cu,、,Si,、,Ag,、,Ti,、,Cd,等）,氧化物晶须,（如,MgO,、,ZnO,、,BeO,、,Al,2,O,3,、,TiO,2,、,Y,2,O,3,、,Cr,2,O,3,等）,陶瓷晶须,（如碳化物晶须,SiC,、,TiC,、,ZrC,、,WC,、,B,4,C,）,氮化物晶须,（如,TiB,2,、,ZrB,2,、,TaB,2,、,CrB,、,NbB,2,等）,无机盐类晶须,（如,K,2,Ti,6,O,13,和,Al,18,B,4,O,33,）,材料化学,新 型 结 构 材 料,40,晶须的制备方法：,化学气相沉积（,CVD,）法,溶胶,凝胶法,气液固（,VLS,）法,液相生长法,固相生长法,原位生长法,材料化学,新 型 结 构 材 料,41,材料化学,新 型 结 构 材 料,3.,超低温材料,超低温合金,把常温以下直至绝对零度的较大温度范围称为低温。,特殊要求：,防止低温脆性,低温下的热性能,非磁性合金,42,超低温合金的研究,液化天然气中使用含镍的钢；,不锈钢；,镍基合金；,高锰奥氏体钢；,铁锰铝新合金钢。,材料化学,新 型 结 构 材 料,43,材料化学,新 型 结 构 材 料,44,材料化学,新 型 结 构 材 料,4.,超硬材料,4.1,硬质合金（由,Sehroter,于,1926,年首先发明）,由,B,B,B,族金属和,C,N,B,形成的化合物，硬度和熔点特别高,(1000,),。,制备：粉末冶金方法，由,WC,、,TiC,、,TaC,、,NbC,、,VC,等难熔金属碳化物以及作为粘结剂的铁,族金属用而成。,类型：钨钴类，主要成分是,WC,和粘结剂,Co,钛钨钴类 ，主要成分是,WC,，,TiC,和,Co,45,材料化学,新 型 结 构 材 料,碳与,B,B,B,族,金属所形成的碳化物,金属型碳化物：间隙固溶体,特点：具有金属光泽，导电，传热性好，硬度高，,熔点高，脆性大,结论：第,4,周期中的金属，从第,B,族开始，自左,及右，其碳化物稳定性依次降低。,Ti,，,V,的碳化物稳定，,Cr,、,Mn,、,Fe,的碳化物稳定性较差，,Co,、,Ni,的碳化物不大稳定，,Cu,不能形成碳化物。,46,材料化学,新 型 结 构 材 料,氮、硼与金属所形成的氮化物、硼化物,金属型碳化物：间隙固溶体,特点：导电，传热性好，硬度高，熔点高,形成元素：,Ti,，,Zr,，,Hf,，,V,，,Nb,，,Ta,，,Mo,，,V,及,Cr,，,Mn,，,Fe,，,Co,，,Ni,，,47,目前的研究热点,(1),细化晶粒 通过细化硬质相晶粒度、增大硬质相晶间表,面积、增强晶粒间结合力，可使硬质合金刀具材,料的强度和耐磨性均得到提高。,当,WC,晶粒尺寸减小到亚微米以下时，材料,的硬度、韧性、强度、耐磨性等均可提高，达到,完全致密化所需温度也可降低。,材料化学,新 型 结 构 材 料,48,普通硬质合金晶粒度为,3,5m,，,细晶粒硬质合金晶粒度为,l,1.5m(,微米级,),，,超细晶粒硬质合金晶粒度可达,0.5m,以下,(,亚微米、纳米级,),。,超细晶粒硬质合金与成分相同的普通硬质,合金相比，硬度可提高,2HRA,以上，抗弯强度,可提高,600,800MPa,。,材料化学,新 型 结 构 材 料,49,常用的晶粒细化工艺方法：,物理气相沉积法、化学气相沉积法、,等离子体沉积法、 机械合金化法,等径侧向挤压法,(ECAE),是一种很有发展前,途的晶粒细化工艺方法。,材料化学,新 型 结 构 材 料,50,(2),涂层硬质合金 在韧性较好的硬质合金基体上，通过,CVD,(,化学气相沉积,),、,PVD(,物理气相沉积,),、,HVOF,(High Velocity Oxy-Fuel Thermal Spraying),等方,法涂覆一层很薄的耐磨金属化合物，可使基体,的强韧性与涂层的耐磨性相结合而提高硬质合,金的综合性能。,材料化学,新 型 结 构 材 料,51,(3),表面、整体热处理和循环热处理 对强韧性较好的硬质合金表面进行渗氮、渗,硼等处理，可有效提高其表面耐磨性。对耐磨性,较好但强韧性较差的硬质合金进行整体热处理，,可改变材料中的粘结成分与结构，降低,WC,硬质,相的邻接度，从而提高硬质合金的强度和韧性。,利用循环热处理工艺缓解或消除晶界间的应力，,可全面提高硬质合金材料的综合性能。,材料化学,新 型 结 构 材 料,52,(4),添加稀有金属 在硬质合金材料中添加,TaC,、,NbC,等稀有金属,碳化物，可使添加物与原有硬质相,WC,、,TiC,结合,形成复杂固溶体结构，从而进一步强化硬质相结,构，同时可起到抑制硬质相晶粒长大、增强组织,均匀性等作用，对提高硬质合金的综合性能大有,益处。,在,ISO,标准的,P,、,K,、,M,类硬质合金牌号中，,均有这种添加了,Ta(Nb)C,的硬质合金,(,尤以,M,类牌,号中较多,),。,材料化学,新 型 结 构 材 料,53,(5),添加稀土元素 在硬质合金材料中添加少量钇等稀土元素，可有效提高材料的韧性和抗弯强度，耐磨性亦有所改善。,稀土元素可强化硬质相和粘结相，净化晶界，并改善碳化物固溶体对粘结相的润湿性。,这类硬质合金在矿山工具、顶锤、拉丝模等硬质合金工具中亦有广阔应用前景。,我国稀土资源丰富，在硬质合金中添加稀土元素的研究也具有较高水平。,材料化学,新 型 结 构 材 料,54,材料化学,新 型 结 构 材 料,4.2,超硬陶瓷,人造金刚石,金刚石是世界上已知的最硬物质，并具有高导热性、高绝缘性、高化学稳定性、高温半导体特性等多种优良性能，,可用于铝、铜等有色,金属及其合金的精密,加工，特别适合加工,非金属硬脆材料。,55,制备原理：依据在,5-7,万大气压，,1200-1800,温度的条件下,碳元素就会结晶成为,金刚石这个原理用合金片作触媒使,外加的压力和温度降低,达到将碳转,为金刚石的目的。,用途：,金刚石的用途十分广泛，用量较大的是矿,山、地质、煤田勘探，公路建设、建材、,国防等行业及高精尖科研领域。,材料化学,新 型 结 构 材 料,56,材料化学,新 型 结 构 材 料,立方晶体氮化硼,(,白石墨,),：与石墨相似,立方氮化硼,(CBN),硬度仅次于金刚石。虽,然,CBN,的硬度低于金刚石，但其氧化温度高达,1360,，且与铁磁类材料具有较低的亲和性。,目前,CBN,还是以烧结体形式进行制备，但,仍是适合钢类材料切削、具有高耐磨性的优良,刀具材料。,CBN,具有高硬度、高热稳定性、高化学稳,定性等优异性能，因此特别适合加工高硬度、,高韧性的难加工金属材料。,57,材料化学,新 型 结 构 材 料,碳化硅（金刚砂）,晶体结构：与金刚石相似,性能：熔点,2827,，硬度接近金刚石；,蓝黑色、发珠光晶体，化学性能稳定,制备：,SiO,2,+3C SiC+2CO,类型：绿碳化硅，含,SiC97,以上，主要用于磨硬,质合金的工具,黑,碳,化,硅,，有金属光泽，强度比绿碳化硅,大而硬度较低，含,SiC95,以上，,主要用于磨铸铁和非金属材料,58,材料化学,新 型 结 构 材 料,人造宝石,红宝石和蓝宝石的主要成分都是,Al,2,O,3,(,刚玉,),。,红宝石呈红色，其中混有少量含铬化合物；,蓝宝石呈蓝色，其中混有少量含钛、铁化合物。,1900,年，科学家曾用氧化铝熔融后加入少,量氧化铬的方法，制出了质量为,2g-4g,的红宝石,（人造刚玉）。,现在，已经能制造出大到,10g,的红宝石和蓝,宝石。,。,59,材料化学,新 型 结 构 材 料,5.,超塑性合金,超塑性现象：,金属在某一小的应力状态下，可以,延伸十倍甚至上百倍，既不出现缩,颈，也不发生断裂，呈现一种异常,的延伸现象。,合金的超塑性现象：,用适当的温度和较小的应变,速率，使金属产生,300,以上,的平均延伸率的现象,。,机理：超细晶粒存在晶界,60,材料化学,新 型 结 构 材 料,类型,（,1,）,微细晶粒超塑性,（恒温超塑性）,特征：,发生超塑性的温度高,对变形速度的依赖性大,能实现在低压力下的固相结合,减振能力强,（,2,）相变超塑性,61,应用,（,1,）高变形能力的应用,（,2,）固相结合能力的利用,（,3,）减振能力的利用,材料化学,新 型 结 构 材 料,62,材料化学,新 型 结 构 材 料,实用超塑性合金,（,1,）,锌基超塑合金,63,材料化学,新 型 结 构 材 料,实用超塑性合金,（,2,）,铝基超塑性合金,64,材料化学,新 型 结 构 材 料,实用超塑性合金,（,3,）,镍基超塑性合金,65,材料化学,新 型 结 构 材 料,6.,非晶态金属材料,6.1,基本特征,（,1,）非晶态形成能力对合金组成的依赖性,（,2,）结构的长程无序和短程有序性,（,3,）热力学的亚稳性,66,材料化学,新 型 结 构 材 料,6,.2,性能与用途,（,1,）,高强度高韧性的力学性能,（,2,）,高导磁、低铁损的软磁特性,（,3,）,耐强酸、强碱腐蚀的化学特性,（,4,）非晶态催化剂,（,5,）,其他,超导性、高磁致伸缩、,低居里温度、高磁积,能、垂直各向异性等,67,材料化学,新 型 结 构 材 料,68,材料化学,新 型 结 构 材 料,7.,纳米材料,类型,:,纳米超微粒子：,粒子在,1,100nm,间的超微颗粒,纳米固体材料：由纳米超微粒子制成的固体材,料。,特点：,具有表面效应,小尺寸效应,宏观量子隧道效应,69,特性：,特殊的力学性质,特殊的热学性质,特殊的光学性质,特殊的磁性,引人注目的化学性质,光学,材料化学,新 型 结 构 材 料,70,材料化学,新 型 结 构 材 料,8.,工程塑料,8.1 ABS,塑料（,丙烯腈,-,丁二烯,-,苯乙烯塑料）,ABS,（,Acrylonitrile Butadiene Styrene,）树脂：,是,丙烯腈,、,丁二烯,、,苯乙烯,的三种成分组成的一群耐冲击性,热塑性,树脂的总称。,71,ABS,的成分： 树脂相（,AS,）、橡胶相（,PS,）的,两相不均匀,聚合物。,材料化学,新 型 结 构 材 料,AS,组分,：提高表面光泽度、耐热性、耐化学性,和加工性能，但抗冲击韧性下降。,PB,组分,：提高弹性和抗冲击性，但耐热性、刚,性不足。,ABS,树脂：集合了三种单体的优良性质。,苯乙烯：有光泽、电性能、成型性；,丙烯腈：耐热性、刚性、耐油性；,丁二烯：耐冲击性。,72,ABS,树脂的优点,（,1,）有优越的耐冲击强度，特别是在低温有无,与伦比的冲击强度，热变形温度高,（,2,）电性能、耐化学药品性、耐油性好，易电,镀,（,3,）加工适应性好，注射成型、挤出成型、模,压成型等所有的加工方法都可以，尺寸稳,定性好，耐碱性，耐应力开裂性也好,材料化学,新 型 结 构 材 料,73,ABS,树脂的用途,（,1,）壳体材料：,广泛用于制造电话机、移动电,话、复印机、传真机、玩具及,厨房用品等的壳体。,（,2,）汽车配件：,方向盘、仪表盘、风扇叶片、,挡泥板、手柄及扶手等。,（,3,）机械配件：,ABS,可用于制造齿轮、泵叶,轮、轴承、把手、管材、管,件、蓄电池槽及电动工具壳,材料化学,新 型 结 构 材 料,74,ABS,树脂的主要缺点,（,1,）透明性不好,ABS,树脂的构成是,AS,树脂的连续相中分,布橡胶粒子，这种,二相不均匀体系,结构中的,树脂与橡胶的,折射率不一样,，在界面上折射、,散射结果使其不透明。,材料化学,新 型 结 构 材 料,75,改善透明性的方法,A,、用,混炼,的方法使聚合物透明。混练可使树脂,和橡胶的折射率在一定范围内相近。,B,、或者使橡胶粒子必须小到不引起可见光散射,的程度。,材料化学,新 型 结 构 材 料,透明,ABS,透明,ABS,是由甲基丙烯酸甲酯（,MMA,）,-,苯乙,烯,-,丙烯腈三元共聚物和聚丁二烯两者,混炼,而成。,76,（,2,）耐候性差,丁二烯中存在着,双键,，成为,ABS,树脂耐候性,不好的根源。,内双键邻接的,-CH,2,-,上的,H,，由于光和氧发生,氧化反应，使主链与主链,交联,。,材料化学,新 型 结 构 材 料,改善耐候性的方法,A,、将丁二烯橡胶用不含双键的其他弹性体代替。,B,、加入抗老化和抗氧化的,光稳定剂,等，虽然不能,从根本上解决问题，但是是通常采用的方法。,77,光稳定剂,光屏蔽剂：,反射吸收紫外线，如碳黑、氧化锌。,紫外线吸收剂：,吸收紫外线并通过分子内部变,化将光能转化为振动能，再以,热能传递出去。,光淬灭剂：,将激发态光敏剂分子上的额外能量,通过分子内部转换为热能。,S*(,激发态光敏剂,)+Q(,淬灭剂,) S+Q* Q+,热能,自由基捕捉剂：,使自由基失去活性，可归入抗氧剂。,材料化学,新 型 结 构 材 料,78,材料化学,新 型 结 构 材 料,8.2,聚酰胺,PA,（俗称尼龙）,聚酰胺,：,具有许多重复的酰胺基团（ ）,的一大类聚合物,结构：,特征：,热塑性塑料，,具有较高的强度、冲击韧,度和自润滑性能，耐磨性最佳。绝缘性,也好。,用途：常用于做机器零件和耐磨衬套。,79,材料化学,新 型 结 构 材 料,8.3,聚碳酸酯,PC,聚碳酸酯：,分子链中含有碳酸酯的一类聚合物类型：种类很多，目前大规模生产的是双酚,A,（,44-,二羟基二苯基丙烷）型聚碳酸酯。,合成方法：,光气法（溶液法）,酯交换法（熔融缩聚法）,80,材料化学,新 型 结 构 材 料,特点：,可结晶；,具有特别高的韧性、硬度和抗冲、抗,张、抗压、抗弯曲强度；,具有金属的机械强度；,玻璃的光学性质；,在长期负荷下工作蠕变性小、疲劳强,度高，电绝缘性能优良，无毒，,81,材料化学,新 型 结 构 材 料,8.4,聚甲醛,POM,聚甲醛： ，是继尼龙之后发展的优,良工程塑料。,特点：原料单一，来源丰富，具有良好的,物理、机械和化学性能，尤其是优,异的耐摩 擦性能。,用途：可代替各种有色金属和合金，在汽,车、机床、电器制品、容器、精密,机械等方面得到广泛应用。,82,材料化学,新 型 结 构 材 料,8.5,聚砜,PSF,聚砜：,结构中含有砜基 的聚合物。,结构：,特点：稳定，耐温、耐蠕变，柔顺，在高温下,也能保持其在常温下所具有的各种机械,性能和硬度。电气性能良好，有自熄性，,对无机酸、碱和盐等稳定。,83,材料化学,新 型 结 构 材 料,8.6,聚脂,聚酯：主链上含有许多重复酯基,的一大类聚合物。,（,1,）饱和聚酯,聚对苯二甲酸乙二醇酯（,PET,）,结构,84,材料化学,新 型 结 构 材 料,特点,热塑性饱和聚酯，结晶度高，分子链的刚度大、弹性好、尺寸稳定性好、透明性及电性能优越。,用途,汽车、机械设备的零部件，如阀门、仪表罩、车灯支架、齿轮等；,电子电气零部件，如继电器、开关、电容等；,产品半数以上用于胶片片基、磁带、包装、绝缘材料和画报薄膜等。,85,材料化学,新 型 结 构 材 料,（,1,）饱和聚酯,聚对苯二甲酸丁二醇酯（,PBT,）,结构,特点：吸水率低，尺寸稳定性好，耐摩擦,性，机械性能优越。,用途：机械零件，家用电器。,86,材料化学,新 型 结 构 材 料,（,2,）不饱和聚酯,典型类型：间苯二甲酸型不饱和聚酯,特点：热固性工程塑料，坚硬，不溶，不熔，,耐腐蚀。,用途：机械零件，家用电器；,玻,璃钢用于电镀、造纸、石油化工设备等,87,材料化学,新 型 结 构 材 料,8.7,含氟塑料,含氟塑料：脂肪烃主链上的氢原子部分或全部,为,氟原子取代的聚合物。,共性：,耐热性、耐化学药品性、电绝缘性、低,摩,擦性和特异的不粘性,。,氟树脂广泛用,于化学工业、电子工业、航空工业、低,温工程和宇宙开发等领域。,88,材料化学,新 型 结 构 材 料,代表物：聚四氟乙烯（,PTFE,，,F-4,）,合成：,F-4,塑料王性能,综,合性能最突出的一种，,可在,-180,260,内长期使用；耐沸腾的王水；摩擦系数仅,0.04,；,不粘水、不吸水；介电常数和介电损耗最小的,固体绝缘材料。,缺点机械强度低。,89,复合材料：,由两种或两种以上物理和化学性质不同,的物质组合而成的一种多相固体材料。,组成：由基体材料加入增强材料合理复合。,*基体材料形成几何体并起粘结作用，,如：树脂、陶瓷、金属等；,*增强材料则起增强或韧化作用，,如：纤维、颗粒等。,9.,复合材料,材料化学,新 型 结 构 材 料,90,特点,*组分材料保持其相对独立性；,*复合材料的性能却不是组分材料性能的简单加,和,，而有着重要的改进,。（复合效应）,材料化学,新 型 结 构 材 料,复合材料的分类：,（,1,）,按增强材料形态分类,连续纤维复合材料；短纤维复合材料；,粒状填料复合材料；编织复合材料。,91,（,2,）,按增强纤维种类分类,玻璃纤维复合材料；,碳纤维复合材料；,有机纤维（如芳香族聚酰胺纤维、芳香族,聚酯纤维、高强度聚烯烃纤维等）复合材料；,金属纤维（如钨丝、不锈钢丝等）复合材,料；,陶瓷纤维（如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等）复合材料。,材料化学,新 型 结 构 材 料,92,（,3,）,按基体材料分类,聚合物基复合材料；,金属基复合材料；,无机非金属基复合材料,（,4,）,按材料作用分类,结构复合材料；,功能复合材料；,智能复合材料。,材料化学,新 型 结 构 材 料,93,9.1,树脂基复合材料,树脂基复合材料：以高聚物为基体与其他增强,材料复合而成的材料。,通过复合可以对高分子材料进行改性，赋,予材料各种优良性能，如高强度、耐热性、耐化学腐蚀性、耐磨性、耐燃性、尺寸稳定性和卓越的电性能等。,树脂基复合材料是现在使用最多的品种、在民用、军工方面都有广泛的应用。,材料化学,新 型 结 构 材 料,94,树脂基体：热固性树脂、热塑性树脂、以及各种,各样改性或共混基体,填料：玻璃纤维及其制品、碳纤维和石墨纤维、,硼纤维，非纤维状的粒子，晶须。,材料化学,新 型 结 构 材 料,常用的树脂基复合材料,*玻璃纤维增强塑料,*碳纤维和芳香酰胺纤维增强复合材料,*硼纤维增强塑料,95,9.2,金属基复合材料,特性：耐高温，不燃性，导热性，导电性，抗辐,射性，不吸湿，不放气，耐老化，耐疲劳，,膨胀系数小。,航天航空等尖端技术的理想材料。,金属基体：铝、镁，钛、铜、锌、铅、铍超合金,和金属间化合物及黑色金属。,材料化学,新 型 结 构 材 料,增强体,:,硼纤维和碳纤维，各种氧化铝纤维和,（钛酸钾）等晶须。,96,9.3,陶瓷基复合材料,（,CMC,）,陶,瓷中加入增强体,(,如石墨纤,维、氮化硅、碳化硅纤维等,),。,目的：陶瓷脆性降低，抗热震性能提高。,用途,:,制作高温结构材料、耐高温隔热材料、耐高,温防腐蚀材料等。,类型：纤维增强陶瓷,纳米复合陶瓷,碳碳复合材料,材料化学,新 型 结 构 材 料,