新材料化学[1]

,制作人,:,刘娟,第六章 新材料化学,2011,年,5,月,16,日,第六章 新材料化学,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。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。,第六章 新材料化学,第一节 纳米材料,第二节 复合材料,第三节 生物材料,第四节 智能材料,第五节 新能源材料,第一节 纳米材料,一、纳米材料概述,二、纳米材料的主要制备方法,三、纳米材料的应用领域,第一节 纳米材料,一、纳米材料概述,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。,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，是一种典型人介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。,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,第一节 纳米材料,纳米材料的基本特性：,1.,量子尺寸效应,2.,表面效应,3.,小尺寸效应,4.,宏观量子隧道效应,第一节 纳米材料,1.,表面效应,第一节 纳米材料,2.,小尺寸效应,金属纳米固体材料的电阻增大与临界尺寸现象归因于小尺寸效应。当颗粒尺寸与电子运动的平均自由程可比拟或更小时，小尺寸效应不容忽视。界面散射为主因。,e,_,第一节 纳米材料,3.,量子尺寸效应,当纳米颗粒尺寸小到一定程度时，费米面附近电子能级的离散性非常显著，量子尺寸效应不容忽视，最后导致低温下导体向绝缘体的转变,（,如,k,B,T,）,第一节 纳米材料,4.,宏观量子隧道效应,隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。近年来，人们发现一些宏观量如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量及电荷也具有隧道效应，他们可以穿越宏观系统的势阱而产生变化，故称之为宏观量子隧道效应。,第一节 纳米材料,由于纳米材料的组织粒子极其小，其中所包含的原子个数极少、质量极轻，许多物理和化学性质表现就不能用宏观上块状物质的性质来描述，而是出现一些“反常现象”。,（,1,）光学性质,（,2,）力学性质,（,3,）热学性质,（,4,）磁学性质,第一节 纳米材料,（,1,）光学性质,1,、宽频带强吸收,当尺寸减小到纳米级时，各种金属纳米微粒几乎都呈黑色，它们对可见光的反射率极低。这就是纳米材料的强吸收率、低反射率。,例如，铂金纳米粒子的反射率为,1%,。,纳米氮化硅、碳化硅及三氧化二铝对红外有一个宽频带强吸收谱。,第一节 纳米材料,2,、纳米微粒分散物系的光学性质和发光效应,纳米微粒分散于介质中形成分散物系（溶胶），纳米微粒称为胶体（或分散相）。,由于在溶胶中胶体的高分散性和不均匀性，使得分散物系具有特殊的光学特性，例如丁达尔效应。丁达尔效应,如果让一束聚集的光线通过分散物系，在入射光的垂直方向上可以看到一个发光的圆锥体。,另外，当纳米微粒的尺寸小到一定值时，可在一定波长的光激发下发光。这是载流子的量子限域效应引起的。,第一节 纳米材料,（,2,）力学性质,金属纳米材料和陶瓷纳米材料有着比一般材料更高的强度和硬度，甚至大部分陶瓷纲米材料也具有良好的塑性和韧性。如,A1,2,O,3,基体中加入纳米,SiC,晶粒制成的陶瓷材料，其最高强度大于,1500MPa,，最高使用温度也可以原来的,800,提高到,1200 ,，纳米,Ag,微粒只要低于,373K,就开始熔化，而常规,Ag,的熔点却在,1173K,左右。,第一节 纳米材料,（,3,）热学性质,纳米微粒的熔,点、烧结温度,和晶化温度均,比常规粉体低,得多。这是纳,米微粒量子效,应造成的。,第一节 纳米材料,（,4,）磁学性质,纳米微粒的小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应，使其具有常规粗晶材料不具备的磁特性。,主要表现为：超顺磁性、矫顽力、居里温度和磁化率。,第一节 纳米材料,超顺磁状态的起因：,由于小尺寸下，当各向异性能减小到与热运动能可相比时，磁化方向就不再固定在一个易磁化方向，易磁化方向作无规律的变化，结果导致超顺磁性的出现。,例如，粒径为,85nm,的纳米镍,Ni,微粒，矫顽力很高，而当粒径小于,15nm,时，其矫顽力,Hc0,，即进入了超顺磁状态。,第一节 纳米材料,二、纳米材料的主要制备方法,1,、物理方法,(1),真空冷凝法 用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等离子体，然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。,(2),物理粉碎法 通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。,第一节 纳米材料,(3),机械球磨法 采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素纳米粒子、合金纳米粒子或复合材料的纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。,第一节 纳米材料,2.,化学方法,(1),气相沉积法 利用金属化合物蒸气的化学反应合成纳米材料。其特点产品纯度高，粒度分布窄。,(2),沉淀法 把沉淀剂加入到盐溶液中反应后，将沉淀热处理得到纳米材料。其特点简单易行，但纯度低，颗粒半径大，适合制备氧化物。,(3),水热合成法 高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，再经分离和热处理得纳米粒子。其特点纯度高，分散性好、粒度易控制。,第一节 纳米材料,三、纳米材料的应用领域,由于纳米微粒的小尺寸效应、表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应，使得它在磁、光、电、敏感等方面呈现常规材料不具备的特性，因此纳米微粒在磁性材料、传感、医学、传感、军事等方面有广泛的应用。,1,、,纳米技术在微电子学上的应用,2,、,纳米技术在光电领域的应用,3,、,纳米技术在化工领域的应用,4,、,纳米技术在医学上的应用,5,、,纳米技术在其它领域的应用,第一节 纳米材料,1.,纳米技术在微电子学上的应用,原理,纳米电子学的主要思想是基于纳米粒子的量子效应来设计并制备纳米量子器件,目标,将集成电路进一步减小，研制出由单原子或单分子构成、能在室温使用的各种器件。早在,1989,年，,IBM,公司的科学家已利用隧道扫描显微镜上的探针，成功地移动了氙原子，并利用它拼成了,IBM,三个字母。美国威斯康星大学已制造出可容纳单个电子的量子点。在一个针尖上可容纳这样的量子点几十亿个。利用量子点可制成体积小、耗能少的单电子器件，在微电子和光电子领域将获得广泛应用,第一节 纳米材料,2.,纳米技术在光电领域的应用,原理,纳米激光器的微小尺寸可使光子被限制在少数几个状态上，而低音廊效应则使光子受到约束，直到所产生的光波累积起足够多的能量后透过此结构。其结果是激光器达到极高的工作效率，而能量阈则很低。纳米激光器实际上是一根弯曲成极薄面包圈的形状的光子导线，实验发现，纳米激光器的大小和形状能够有效控制它发射出的光子的量子行为，从而影响激光器的工作。,第一节 纳米材料,应用,（,1,）提高效率：纳米激光器工作时只需约,100,微安的电流。最近，科学家把光子导线缩小到只有五分之一立方微米体积内。在这一尺度上，此结构的光子状态数少于,10,个，接近了无能量运行所要求的条件，但是光子的数目还没有减少到这样的极限上。最近，麻省理工学院的研究人员把被激发的钡原子一个一个地送入激光器中，每个原子发射一个有用的光子。,第一节 纳米材料,（,2,）速度极快由于只需要极少的能量就可以发射激光，这类装置可以实现瞬时开关。已经有一些激光器能够以快于每秒 钟,200,亿次的速度开关，适合用于光纤通信。由于纳米技术的迅速发展，这种无能量阈纳米激光器的实现将指日可待。,第一节 纳米材料,评价,纳米技术的发展，使微电子和光电子的结合更加紧密，在光电信息传输、存贮、处理、运算和显示等方面，使光电器件的性能大大提高。将纳米技术用于现有雷达信息处理上，可使其能力提高,10,倍至几百倍，甚至可以将超高分辨率纳米孔径雷达放到卫星上进行高精度的对地侦察。但是要获取高分辨率图像，就必需先进的数字信息处理技术。科学家发现，将光调制器和光探测器结合在一起的量子阱自电光效应器件，将为实现光学高速数学运算提供可能。,第一节 纳米材料,3.,纳米技术在化工领域的应用,光催化剂,纳米粒子作为光催化剂有许多优点。（,1,）粒径小，比表面大，光催化效率高。（,2,）纳米粒子生成的电子、空穴在到达表面之前，大部分不会重新结合。电子、空穴能够到达表面的数量多，故化学反应活性高。（,3,）纳米粒子分散在介质中往往具有透明性，容易运用光学手段和方法来观察界面间的电荷转移、质子转移、半导体能级结构与表面态密度的影响。,例,1,，工业上利用纳米二氧化钛,-,三氧化二铁作光催化剂，用于废水处理（含,SO32-,或,Cr2O72-,系统），已取得了很好的效果。,第一节 纳米材料,例,2,，用沉淀溶出法制备出的粒径约,30nm60nm,的白色球状钛酸锌粉体，比表面大、化学活性高，用它作吸附脱硫剂，较固相烧结法制备的钛酸锌粉体效果明显提高,纳米静电屏蔽材料,是纳米技术的另一重要应用。优点（,1,）,静电屏蔽材料一般由树脂掺加碳黑喷涂而成，用有半导体特性的纳米氧化物粒子如,Fe2O3,、,TiO2,、,ZnO,做成涂料，由于具有较高的导电特性，能起到静电屏蔽作用。（,2,）氧化物纳米微粒的颜色各种各样，可通过复合控制静电屏蔽涂料的颜色，克服了碳黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。,第一节 纳米材料,遮蔽紫外线,（,1,）将纳米,TiO2,粉体加到化妆品中，可有效地遮蔽紫外线。（,2,）用添加,0.1%0.5%,的纳米二氧化钛制成的透明塑料包装食品，可防止紫外线对食品的破坏，还可使食品保持新鲜。（,3,）金属纳米粒子掺杂到化纤制或纸张中，可大大降低静电作用,纳米反应器,利用纳米碳管独特的孔状结构，大的比表面，较高的机械强度做成纳米反应器，该反应器能够使化学反应局限于一个很小的范围内进行。在纳米反应器中，反应物在分子水平上有一定的取向和有序排列，同时限制了反应物分子和中间体的运动,第一节 纳米材料,纳米技术在医学上的应用,RNA,线度在,15nm20nm,之间，生物体内的多种病毒也是纳米粒子。,10nm,以下的粒子比血液中的红血球还要小，可在血管中自由流动。将超微粒子注入到血液中，输送到人体的各个部位，作为监测和诊断疾病的手段。已成功利用纳米,SiO2,微粒进行了细胞分离，用金的纳米粒子进行定位病变治疗，以减少副作用。利用纳米颗粒作为载体的病毒诱导物已经取得了突破性进展，已用于临床动物实验。,第一节 纳米材料,纳米技术在医学上的应用,研究纳米技术在生命医学上的应用，可以在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的关系，获取生命信息。科学家们设想利用纳米技术制造出分子机器人，在血液中循环，对身体各部位进行检测、诊断，并实施特殊治疗，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。这样，在不久的将来，被视为当今疑难病症的爱滋病、高血压、癌症等都可能被攻克，从而将使医学研究发生一次革命,第一节 纳米材料,纳米技术在其它领域的应用,纳米电脑,可人,机对话并具有自我复制能力的纳米装置,军事方面,昆虫作平台，分子机器人植入昆虫的神经系统中控制昆虫飞向敌方收集情报，使目标丧失功能,分子传感器和探测器,仿生纳米材料,制作人的牙齿、关节。药物储存在碳纳米管中，通过一定的机制激发药剂的释放，可控药剂有希望变为现实,第一节 纳米材料,利用碳纳米管来制作储氢材料，用作燃料汽车的燃料“储备箱”。利用纳米颗粒膜的巨磁阻效应研制高灵敏度的磁传感器；利用具有强红外吸收能力的纳米复合系统制备红外隐身材料，都是很具有应用前景的技术开发领域,评价,纳米尺寸左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的特点，会是一次技术革命，将是,21,世纪的又一次产业革命,第二节 复合材料,一、复合材料概述,二、复合材料的分类,三、复合材料的应用,第二节 复合材料,一、复合材料概述,复合材料的定义：,国际标准化组织：,由两种以上在物理和化学上不同的物质组合起来而得到的一种多相固体材料,材料大词典,：,复合材料是根据应用进行设计，把两种以上的有机聚合物材料或无机非金属材料或金属材料组合在一起，使其性能互补，从而制成的一类新型材料。,第二节 复合材料,复合材料的特点：,1,） 复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着明显的界面；,2,） 复合材料中各组元不但保持各自的固有特性，而且可最大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料组元所不具备的优良特殊性能；,3,）复合材料具有可设计性。可以根据使用条件要求进行设计和制造，以满足各种特殊用途，从而极大地提高工程结构的效能。,第二节 复合材料,二、复合材料的分类,复合材料的两种主要成分：,基体材料,和,增强体材料,按基体相的性质分,金属基复合材料,非金属基复合材料,铝基复合材料钛基复合材料铜基复合材料,塑料基复合材料橡胶基复合材料陶瓷基复合材料,第二节 复合材料,按增强相的形态分,纤维增强塑料（玻璃钢）纤维增强橡胶（轮胎）纤维增强陶瓷纤维增强金属,金属陶瓷弥散强化金属,纤维增强复合材料,颗粒增强复合材料,叠层复合材料,双层金属复合材料三层复合材料,第二节 复合材料,纤维增强复合材料,颗粒增强复合材料,叠层复合材料,第二节 复合材料,三、复合材料的应用,1,、聚合物基复合材料：以聚合物为基体的复合材料,。,根据基体材料不同分类：,1,）,热固性树脂复合材料的制造方法,手糊成型法、喷射成型法、模压成型法、注射成型法、,RTM,成型法,(,注射成型法,),等,。,2,）,热塑性复合材料的制造方法,模压成型法、注射成型法、,RTM,成型法、真空热压成型法、缠绕成型法等。,第二节 复合材料,2,、应用,聚合物基复合材料是目前应用最广、消耗量最大的一类，它被广泛应用于工农生产、航空航天、化工冶金、现代战争几乎所有领域。如美国先进的第四代战斗机上聚合物基复合材料用量达,24%25%,，直升机用量高达,46%,，而欧洲战斗机的复合材料用量高达,40%,。,第二节 复合材料,3,、金属基复合材料,航空航天用先进武器系统的迅速发展对材料的耐热性和其他性能要求日益提高，与聚合物基复合材料比，金属基复合材料有许多不可比拟的优点，如工作温度高、不易燃烧、导电导热、稳定性好、抗电磁干扰、抗辐射性好。帮以金属或合金为基体，以高性能的第二相为增强体的金属基复合材料成为最有发展前景和广泛用途的新型材料。,充当基体材料的金属一般有铝基、镍基、钛基、镁基、铜基、高温基、难熔金属基。,充当增强体的主要有纤维、晶须、颗粒，主要有碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、石墨颗粒、碳化硅颗粒等。,第二节 复合材料,这是美国历时,10,年，花费,73,亿美元研制出的,B-2,隐形战略轰炸机（见图）。它这所以能够隐形并躲避雷达的监控是因为在,B-2,机身上涂着一层复合材料，能吸收雷达波，使反射波减弱甚至不反射雷达波，从而达到隐身的目的，这种复合材料主要是由碳、硼、玻璃纤维等与金属复合构成，其密度低、力学性能好，既能吸收红外信号又能吸收雷达波信号，故可用在飞机蒙皮、雷达天线罩等构件上。,B-2,隐形战略轰炸机,第二节 复合材料,3,、陶瓷基复合材料,陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。纤维能阻止裂纹的扩展，从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。,第二节 复合材料,陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能，主要用作高温及耐磨制品。其最高使用温度主要取决于基体特征。陶瓷基复合材料已实用化或即将实用化的领域有刀具、滑动构件、发动机制件、能源构件等。法国已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于制造高速列车的制动件，显示出优异的摩擦磨损特性，取得满意的使用效果。,第二节 复合材料,2008,年,9,月,25,日，神舟号载人飞船成功发射我国宇航员身穿中国自行研制的舱外航天服进行了出舱太空行走据报道，航天服从内而外分多层，有棉布织成的舒适层，特种橡胶制成的备份气密层，复合材料制成的主气密层，以及特种涤沦面料制成的保护层等。,第三节 生物材料,一、生物材料概述,二、医用金属材料,三、生物医用无机非金属材料,四、医用高分子材料,五、生物医用复合材料,第三节 生物材料,一、生物材料概述,生物材料用于人体组织和器官的诊断、修复或增进其功能的一类高技术材料，即用于取代、修复活组织的天然或人造材料，其作用药物不可替代。生物材料能执行、增进或替换因疾病、损伤等失去的某种功能，而不能恢复缺陷部位。,第三节 生物材料,生物功能性根据用途主要分为,:,承受或传递负载功能。如人造骨骼、关节和牙等，占主导地位,控制血液或体液流动功能。如人工瓣膜、血管等,电、光、声传导功能。如心脏起博器、人工晶状体、耳蜗等,填充功能。如整容手术用填充体等,第三节 生物材料,二、医用金属材料,较优秀的生物医用金属材料有，医用不锈钢、钴基合金、钛及钛合金、镍钛形状记忆合金、金银等贵重金属、银汞合金、钽、铌等金属和合金。,第三节 生物材料,(1),医用不锈钢,具有一定的耐腐蚀性和良好的综合力学性能，且加工工艺简便，是生物医用金属材料中应用最多，最广的材料。,常用钢种有,US304,、,316,、,316 L,、,317,、,317L,等。,医用不锈钢植入活体后，可能发生点蚀，偶尔也产生应力腐蚀和腐蚀疲劳。医用不锈钢临床前消毒、电解抛光和钝化处理，可提高耐蚀性。,医用不锈钢在骨外科和齿科中应用较多。,第三节 生物材料,第三节 生物材料,(2),钴基合金,钴基合金人体内一般保持钝化状态，与不锈钢比较，钴基合金钝化膜更稳定，耐蚀性更好。在所有医用金属材料中，其耐磨性最好，适合于制造体内承载苛刻的长期植入件。,在整形外科中，用于制造人工髋关节、膝关节以及接骨板、骨钉、关节扣钉和骨针等。在心脏外科中，用于制造人工心脏瓣膜等。,第三节 生物材料,(3),医用钛和钛合金,不仅具有良好的力学性能，而且在生理环境下具有良好的生物相容性。由于其比重小，弹性模量较其他金属更接近天然骨，故广泛应用于制造各种能、膝、肘、肩等人造关节。此外，钛合金还用于心血管系统。钛合金耐磨性能不理想，且存在咬合现象，限制了其使用范围。,图是镍钛形状记忆合金血管支架,第三节 生物材料,Ti-Ni,记忆合金血管支架,第三节 生物材料,三、生物医用无机非金属材料,生物无机材料主要包括生物陶瓷、生物玻璃和医用碳素材料。,按植入生物活体内引起的组织与材料反应，生物陶瓷分为,:,(1),近于惰性的生物陶瓷，如氧化铝生物陶瓷、氧化锆生物陶瓷、硼硅酸玻璃；,(2),表面活性生物陶瓷，如磷酸钙基生物陶瓷、生物活性玻璃陶瓷；,(3),可吸收性生物陶瓷，如偏磷酸三钙生物陶瓷、硫酸钙生物陶瓷。,第三节 生物材料,生物活性玻璃陶瓷植入活体后，能够与体液发生化学反应，并在组织表面生成羚基磷灰石层，故可用于人工种植牙根、牙冠、骨充填料和涂层材料。,与自然骨比较，生物活性玻璃陶瓷虽然具有较高的强度，但韧性较差，弹性模量过高，易脆断，在生理环境中抗疲劳性能较差，目前还不能直接用于承力较大的人工骨。,第三节 生物材料,医用碳素材料：具有接近于自然骨的弹性模量。,医用碳素材料疲劳性能最优，强度不随循环载荷作用而下降。无序堆垛的碳材料耐磨性理想。,医用碳素材料在生理环境中较稳定，近于惰性，具有较好的生物相容性，不会引起凝血和溶血反应，特别适合于在生理环境中使用。,医用碳材料已大量用于心血管系统的修复，如人工心脏瓣膜、人工血管。还可作为金属和聚合物的涂层材料。,第三节 生物材料,四、医用高分子材料,按应用对象和材料物理性能分为软组织材料、硬组织材料和生物降解材料。其可满足人体组织器官的部分要求，因而在医学上受到广泛重视。目前已有数十种高分子材料适用于人体的植入材料。,第三节 生物材料,软组织材料：故主要用作为软组织材料，特别 是人工脏器的膜和管材。聚乙烯膜、聚四氟乙烯膜、硅橡胶膜和管，可用于制造人工肺、肾、心脏、喉头、气管、胆管、角膜。聚酯纤维可用于制造血管、腹膜等。,硬组织材料：丙烯酸高分子,(,即骨水泥,),、聚碳酸醋、超高分子量聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂（,PMMA,）、尼龙、硅橡胶等可用于制造人工骨和人工关节。,降解材料：脂肪族聚醋具有生物降解特性，已用于可接收性手术缝线。,第三节 生物材料,五、生物医用复合材料,生物医用复合材料是由二种或二种以上不同材料复合而成的。,按基材分为：高分子基、陶瓷基、金属基等生物医用复合材料。,按增强体形态和性质分为纤维增强、颗粒增强、生物活性物质充填生物医用复合材料。,按材料植入体内后引起的组织与材料反应分为：生物惰性、生物活性和可吸收性生物医用复合材料。,右为具有活性涂层的钛合计人工齿示意图,Fig. Schematic diagram of the screw-shaped artificial tooth.,第四节 智能材料,一、智能材料概述,二、智能材料的构成,三、智能材料的主要种类及应用,第四节 智能材料,一、智能材料概述,智能材料（,Intelligent material,），是一种能感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料。智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一，将支撑未来高技术的发展，使传统意义下的功能材料和结构材料之间的界线逐渐消失，实现结构功能化、功能多样化。科学家预言，智能材料的研制和大规模应用将导致材料科学发展的重大革命。一般说来，智能材料有七大功能，即传感功能、反馈功能、信息识别与积累功能、响应功能、自诊断能力、自修复能力和自适应能力。,第四节 智能材料,二、智能材料的构成,一般来说智能材料由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处理器四部分构成。,（,1,）基体材料,基体材料担负着承载的作用，一般宜选用轻质材料。一般基体材料首选高分子材料，因为其重量轻、耐腐蚀，尤其具有粘弹性的非线性特征。其次也可选用金属材料，以轻质有色合金为主。,第四节 智能材料,（）驱动材料,因为在一定条件下驱动材料可产生较大的应变和应力，所以它担负着响应和控制的任务。常用有效驱动材料如形状记忆材料、压电材料、电流变体和磁致伸缩材料等。可以看出，这些材料既是驱动材料又是敏感材料，显然起到了身兼二职的作用，这也是智能材料设计时可采用的一种思路。,第四节 智能材料,（,2,）敏感材料,敏感材料担负着传感的任务，其主要作用是感知环境变化（包括压力、应力、温度、电磁场、,PH,值等）。常用敏感材料如形状记忆材料、压电材料、光纤材料、磁致伸缩材料、电致变色材料、电流变体、磁流变体和液晶材料等。,（,4,）其它功能材料,包括导电材料、磁性材料、光纤和半导体材料等。,第四节 智能材料,三、智能材料的主要种类及应用,智能材料,智能金属材料,智能无机非金属材料,智能高分子材料,多水平结构层次,较弱的分子间作用力,侧链易引入官能团,便于分子设计和精细控制,质轻易涂覆,优 点,集感知、驱动和信息处理于一体，形成类似生物材料那样具有智能属性的高分子材料,利于感知判断环境,实现环境响应,第四节 智能材料,类别,性质,应用,记忆功能高分子材料,对,应力形状体积色泽等有,记忆效应,医用材料,包装材料,织物材料,热收缩管,智能纤维织物,聚乙二醇与各,种纤维共混物,热适应性 可逆收缩性,服装 保温系统,传感/执行系统,生物医用压力绷带,智能高分子凝胶,三维高分子网络与溶剂组成的体系,体积相转变,组织培养,环境工程,化学机械系统,调光材料,智能药物释放体系,智能高分子复合材料,集成传感器、信息处理器和功能驱动器,多学科交叉产物,自愈合，自应变，自动修补混凝土,减震速造建筑材料,形状记忆合金与复合功能器件,压电材料,智能高分子膜,选择性渗透、选择性吸附和分离等,膜的组成、结构和形态的变化-智能化,选择透过膜材,传感膜材,仿生膜材,人工肺,第五节 新能源材料,一、核能材料,二、生物质能源材料,三、能源材料新秀,氢,第五节 新能源材料,在新技术基础上，系统地开发利用的可再生能源。如核能、太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能、氢能等。新能源新材料是在环保理念推出之后引发的对不可再生资源节约利用的一种新的科技理念，新能源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。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。,第五节 新能源材料,一、核能材料,我们知道物质是由分子构成，分子又是由原子构成，而原子又是由中心部分密实的原子核与核外高速运动的电子构成。,1986,年，法国科学家贝克勒尔无意中发现一种含铀的矿物会自发地放出一种看不见的穿透力很强的射线，后经居里夫人等人的研究得知，铀这种具放射性的原子，在放出几种看不见的射线后，会变成另一种元素的原子,b,这是天然发生的核裂变反应，射线便是其原子能释放的形式。,第五节 新能源材料,1,、核反应和核能,核反应是指入射粒子（或原子核）与原子核（称靶核）碰撞导致原子核状态发生变化或形成新核的过程。反应前后的能量、动量、角动量、质量、电荷与宇称都必须守恒。核反应是宇宙中早已普遍存在的极为重要的自然现象。现今存在的化学元素除氢以外都是通过天然核反应合成的，在恒星上发生的核反应是恒星辐射出巨大能量的源泉,。,第五节 新能源材料,产生核能的核反应主要有下述两种形式：,（）核裂变,由一种重核分裂成两种或两种以上较轻核的裂变过程,第五节 新能源材料,（）核聚变反应,由两种轻核结合成一个重核，同时释放巨大能量的变化过程。,第五节 新能源材料,、核燃料,定义：含有可裂变或聚变核素的材料。前者如铀,-235,，后者如氘、氚等氢的同位素。,核燃料（,nuclear fuel,），可在核反应堆中通过核裂变或核聚变产生实用核能的材料。重核的裂变和轻核的聚变是获得实用铀棒核能的两种主要方式。铀,235,、铀,233,和钚,239,是能发生核裂变的核燃料，又称裂变核燃料。其中铀,235,存在于自然界，而铀,233,、钚,239,则是钍,232,和铀,238,吸收中子后分别形成的人工核素。,第五节 新能源材料,从广义上说，钍,232,和铀,238,也是核燃料。氘和氚是能发生核聚变的核燃料，又称聚变核燃料。氘存在于自然界，氚是锂,6,吸收中子后形成的人工核素。核燃料在核反应堆中“燃烧”时产生的能量远大于化石燃料，,1,千克铀,235,完全裂变时产生的能量约相当于,2500,吨煤。,第五节 新能源材料,、核电站,核电，就是把原子核聚变反应中释放出来的巨大热能从回路系统带出，产生蒸汽，驱动汽轮发电机运转发电。用原子能作动力的电站，称为核电站。,核电站的工作原理：核燃料在反应堆内进行核聚变反应，产生大量热量，由载热剂（水或气体）带出，在蒸汽发生器中把热量传给水，将水加热成蒸汽来驱动发电机发电。,核电站所有反应堆都包括：核燃料、减速剂和载热剂三个部分。,第五节 新能源材料,二、生物质能源材料,生物质能（,biomass energy,），就是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态和气态燃料，取之不尽、用之不竭，是一种可再生能源，同时也是唯一一种可再生的碳源。,麻风树是制造植物柴油的原料之一,第五节 新能源材料,、分类,依据来源的不同，可以将适合于能源利用的生物质分为林业资源、农业资源、生活污水和工业有机废水、城市固体废物和畜禽粪便等五大类。,林业资源,林业生物质资源是指森林生长和林业生产过程提供的生物质能源，包括薪炭林、在森林抚育和间伐作业中的零散木材、残留的树枝、树叶和木屑等；木材采运和加工过程中的枝丫、锯末、木屑、梢头、板皮和截头等；林业副产品的废弃物，如果壳和果核等,。,第五节 新能源材料,农业资源,农业生物质能资源是指农业作物,(,包括能源作物,),；农业生产过程中的废弃物，如农作物收获时残留在农田内的农作物秸秆（玉米秸、高粱秸、麦秸、稻草、豆秸和棉秆等）；农业加工业的废弃物，如农业生产过程中剩余的稻壳等。能源植物泛指各种用以提供能源的植物，通常包括草本能源作物、油料作物、制取碳氢化合物植物和水生植物等几类。,第五节 新能源材料,生活污水和工业有机废水,生活污水主要由城镇居民生活、商业和服务业的各种排水组成，如冷却水、洗浴排水、盥洗排水、洗衣排水、厨房排水、粪便污水等。工业有机废水主要是酒精、酿酒、制糖、食品、制药、造纸及屠宰等行业生产过程中排出的废水等，其中都富含有机物。,第五节 新能源材料,城市固体废物,城市固体废物主要是由城镇居民生活垃圾，商业、服务业垃圾和少量建筑业垃圾等固体废物构成。其组成成分比较复杂，受当地居民的平均生活水平、能源消费结构、城镇建设、自然条件、传统习惯以及季节变化等因素影响。,畜禽粪便,畜禽粪便是畜禽排泄物的总称，它是其他形态生物质（主要是粮食、农作物秸秆和牧草等）的转化形式，包括畜禽排出的粪便、尿及其与垫草的混合物。,沼气,沼气就是由生物质能转换的一种可燃气体，通常可以供农家用来烧饭、照明。,第五节 新能源材料,、生产和利用,（）种植能源作物，直接提取燃料油,（）将农作物秸秆和薪柴直接燃烧,（）通过微生物发酵制取沼气和酒精,（）生物质的化学转化,第五节 新能源材料,三、能源材料新秀,氢,氢是一种化学元素，化学符号为,H,，原子序数为,1,，在元素周期表中位于第一位。它的原子是所有原子中最小的。氢通常的单质形态是氢气。它是无色无味无臭，极易燃烧的由双原子分子组成的气体，氢气是最轻的气体。,一、氢的生产,氢同电一样，是二次能源，即必须通过消耗一次能源才能生产出来的。主要有以下几种方式。,第五节 新能源材料,、化学制氢,用天然气、煤、石油等作为原料，通过化学反应制取,2.,、电解水制氢,在电解过程中，电能转变为化学能，水分解为氢气和氧气。但电流本身来自一次能源，故这是一种相对昂贵的方法。,、太阳能制氢,利用太阳能，将水变成氢气，实现太阳能的高级转换和储存，尽管技术上还有许多问题需要解决，但已展现出诱人的发展前景，主要方法有：,（）通过太阳热分解水制取氢,（）电解水制氢,（）光催化制氢,第五节 新能源材料,、生物制氢,生物制氢：生物质通过气化和微生物催化脱氢方法制氢。在生理代谢过程中产生分子氢过程的统称,.,生物制氢过程可以分为,5,类：,（,1,）利用藻类或者青蓝菌的生物光解水法；,（,2,）有机化合物的光合细菌（,PSB,）光分解法；,（,3,）有机化合物的发酵制氢；,（,4,）光合细菌和发酵细菌的耦合法制氢；,（,5,）酶催化法制氢。,第五节 新能源材料,二、氢的贮存和利用,目前储氢主要方式有：高压压缩气体储氢、液化氢方式冷储存、金属氢化物储氢、其他化合物储氢。,由于氢气密度小、性质活泼，在储存时往往受到限制，如高压储氢往往易发生危险，且不易搬运，液态氢储存成本太高，须消耗大量能量，金属氢化物储氢越来越受到重视。,研究发现有许多金属都能与氢反应形成金属氢化物，金属氢化物又可以分解为氢气和金属，控制一定的条件就可以使反应方向发生改变。,谢谢观赏！,