高中物理《固体新材料》课件1（24张PPT）

欢迎进入物理课堂 第三节固体新材料 未来是新科技 新技术 新材料的世界 晶体 橄榄铜 青金石 雌黄雄黄 硅晶 黄铁矿 异极矿 固体材料的发展史 根据人类使用的材料把古代史划分为青石器时代 陶瓷时代 青铜器时代 铁器时代而今人类已经越过钢铁时代跨入人工合成材料和复合材料的新时代即将进入 纳米时代 新材料的基本特征 新材料往往具有特殊性能 1 超高强度2 超高硬度3 超塑性4 各种特殊的物理性质 如磁性 超导性 新材料的研发及其应用 推动了人类文明和社会进步 半导体材料是支撑现代文明社会的最重要的材料之一 应用于 晶体管 集成电路 红外发光管 太阳能电池 微小集成电路 激光器件 光电集成电路等信息处理与通讯领域上至雷达 火箭 卫星 家用电视机 DVD机 手机 空调和家用电器的遥控器等都离不开它 硅是当前用途最广的半导体材料 主要应用于电子器件和集成电路 磁存储材料经历了氧化物磁粉 金属合金磁粉 金属薄膜 如磁性铁气体单晶薄膜 其存磁密度已达到约107cm 2值 新材料的未来 各种复合材料 复合金属材料复合陶瓷材料复合高分子材料纳米材料机敏材料同时具有感知外界环境或参数变化和驱动功能生物医学材料 复合材料1 玻璃纤维复合材料 玻璃钢增强剂 玻璃纤维 SiO2 其他氧化物 比强度和比模量高 如40 玻璃纤维增强尼龙的强度大于铝合金 耐高温 化学稳定性好 电绝缘性较好 1 热塑性玻璃钢粘结剂 热塑性树脂 尼龙 聚烯烃类 聚苯乙烯类 热塑性聚脂 聚碳酸脂 机械性能 介电性能 耐热性和抗衰老性能较好性能 与基体材料相比 i强度和疲劳性能提高2 3倍以上ii冲击韧性提高2 4倍 脆性材料 iii蠕变抗力提高2 5倍 2 热固性玻璃钢粘结剂 热固性树脂 酚醛树脂 环氧树脂 不饱和聚酯树脂 有机硅树脂 性能 轻 比强度高 高于铜合金和铝合金 有高于合金钢 耐蚀性好 介电性能优越 成型性能良好刚度较差 易老化 易蠕变用途 玻璃纤维 尼龙 轴承 轴承架 齿轮 玻璃纤维 聚苯乙烯 汽车内装饰制品 机壳 2 碳纤维复合材料 1 碳纤维树脂复合材料基体 环氧树脂 酚醛树脂 聚四氟乙烯性能普遍优于玻璃钢 比铝轻 比钢强 E比铝合金和钢大 疲劳强度高 冲击韧性高 耐水和湿气 化学稳定性高 摩擦系数小 导热性好 耐X射线 纤维和树脂粘结力不够 各向异性大 耐高温性能有差距用途 航天材料 飞行器 火箭外层材料 天线支架 壳体 机架齿轮 轴承 活塞 密封圈 化工容器 2 碳纤维碳复合材料性能 强度和冲击韧性比石墨高5 10倍 刚度高 耐磨性 化学稳定性好 尺寸稳定性好 用途 高温技术 化工和核反应装置中棗航天航空材料 导弹鼻锥 飞船的前缘 超音速飞机制动装置 3 碳纤维金属复合材料基体 金属 主要为熔点较低的金属或合金 如碳纤 铝锡合金 性能特点 接近于金属熔点仍有很好的强度和弹性模量 用途 碳纤 铝锡合金 高强度高级轴承 减磨性能优于铝锡合金 4 碳纤维陶瓷复合材料基体 陶瓷 如 石英玻璃 性能特点 碳纤 石英玻璃 抗弯强度提高了约12倍 冲击韧性提高了约40倍 热稳定性也非常好 3 硼纤维复合材料增强剂 硼纤维 硼纤维沉积于钨丝 金属硼 WB晶体 芯 d 9 15 m b 2750 3140MN m2 E 382600 392400MN m2 4倍玻纤 0 7 0 8 1 硼纤维树脂复合材料基体 环氧树脂 聚苯并咪唑 聚酰亚胺树脂性能 抗压强度为碳纤维复合材料的2 2 5倍 剪切强度高 蠕变小 硬度和弹性模量高 高疲劳强度 340 390MN m2 耐辐射 化学稳定 水 有机溶剂 燃料 润滑剂 导热性能和导电性能好 硼纤维是半导体 应用 航空和宇航材料 如 翼面 仪表盘 转子 压气机叶片 直升机螺旋桨叶的传动轴等 2 硼纤维金属复合材料基体 铝镁及其合金 钛及其合金性能 如铝基复合材料的强度 弹性模量 疲劳极限高于高强铝合金和耐热铝合金 比强度高于钢和钛合金 应用 航空 火箭 4 金属纤维复合材料增强纤维 高熔点金属 钨 钼丝 1 金属 金属 基体 镍合金 钛合金提高合金的高温强度和弹性模量 塑性和韧性较好 用于飞机构件 2 金属 陶瓷 基体 氧化铝 氧化锆改善陶瓷脆性和抗拉能力 用作高温结构材料 金属纤维复合材料的电磁波吸收特性将金属纤维混入混凝土 制成金属纤维复合材料混凝土 与普通混凝土进行电磁波吸纳比较试验 证实金属纤维复合材料有良好的吸收电磁波特性 利用该特性 金属纤维复合材料可用作国防工业和民用工业的电磁波屏蔽材料 美国EMS复合金属材料项目落户电缆城日前 美国EMS公司投资2000万美元的复合金属材料项目顺利落户宝胜电缆城 EMS公司是全球最大的热敏感复合金属材料制造商 即将建立的采用冷复合工艺的复合金属材料生产线 是国内第一条此类生产线 建立后的企业将是国内第一家生产热敏感材料企业 所需的原材料均从国外进口 2002年底 宝胜以 现代化 外向型 花园式 为发展思路 有计划 分步骤地启动了宝胜电缆城建设 目前园区总体规划和基本建设已基本完成 为宝胜加快打造百亿企业集团创造了理想的发展空间 此次EMS公司落户宝胜电缆城 是对园区硬件设施建设及总体投资环境的充分肯定 进一步提升了园区的形象 对园区产业结构的提升和产业方向的拓宽也将产生重要影响 未来是新科技 新技术 新材料的世界 新材料的制备工艺 检测仪器和计算机应用等是今后新材料科学技术发展的重要内容 如 利用空间失重条件进行晶体生长 利用强磁场 强冲击波 超高压 超高真空以及强制冷等手段制备特殊性能的新材料 纳米是一个微小的长度单位 1纳米等于10亿分之一米 根头发丝有7万到8万纳米 纳米技术这个词汇出现在1974年 纳米科学 纳米技术是在0 10到100纳米尺度的空间内研究电子 原子和分子运动规律及特性 纳米材料是纳米技术的重要的组成部分 也是国际上竞争的热点和难点 碳纳米管自从1991年被发现以来 就一直被誉为未来的材料 碳纳米管在强度上大约比钢强100倍 其传热性能优于所有已知的其它材料 碳纳米管具有良好的导电性 在常温下导电时 几乎不产生电阻 纳米陶瓷材料在1600摄氏度高温下能像橡皮泥那样柔软 在室温下也能自由弯曲 从1998年世界上第一只纳米晶体管制成 到1999年100纳米芯片问世 使20世纪最后10年世界上出现的 纳米热 进一步升温 纳米技术和纳米材料 1 已成功制备出包括金属 合金 氧经化物 氢化物 碳化物 离子晶体和半导体等多种纳米材料 2 合成出多种同轴纳米电缆 3 掌握了制备纯净碳纳米管技术 能大批量制备长度为2至3毫米的超长纳米管 合成的最细的碳纳米管的直径只有0 33纳米 这不但打破了我国科学家自已不久前创造的直径只为0 5纳米的世界纪录 而且突破了日本科学家1992年所提出的0 4纳米的理论极限值 4 稻草变黄金 从四氯化碳制成金刚石 的文章高度评价 最近又研制成功新型纳米材料 超双疏性界面材料 这种材料具有超疏水性及超疏油性 制成纺织品 不染油污 不用洗染 我国在纳米技术领域占有一度之地 处于国际先进行列 5 现在我国以纳米材料和纳米技术注册的公司有近100个 建立了10多条纳米材料和纳米技术的生产线 纳米布料 服装已批量生产 象电脑工作装 无静电服 防紫外线服等纳米服装都已问世 加入纳米技术的新型油漆 不仅耐洗刷性提高了十几倍 而且无毒无害无异味 一张纳米光盘上能存几百部 上千部电影 而一张普通光盘只能存两部电影 纳米技术正在改善着 提高着人们的生活质量 我国在纳米技术领域占有一度之地 处于国际先进行列 纳米技术应用前景十分广阔 经济效益十分巨大 美国权威机构预测 2010年纳米技术市场估计达到14400亿美元 纳米技术未来的应用将远远超过计算机工业 纳米复合 塑胶 橡胶和纤维的改性 纳米功能涂层材料的设计和应用 将给传统产生和产品注入新的高科技含量 专家指出 纺织 建材 化工 石油 汽车 军事装备 通讯设备等领域 将免不了一场因纳米而引发的 材料革命 纳米技术的应用前景 能织布裁衣的碳纳米材料 制造锂电池的特殊结构纳米材料 纳米技术的应用前景电子和通讯 如用纳米薄层和纳米点记录的全媒体存储器 平板显示器和其他全频道通讯工程和计算机用的器件等 对此 美国军方提出的初期指标是 在室温下 比现有的器件运算速度快10 100倍 信息存贮密度大5 100倍 能耗小50倍 将来则要求存贮密度和运算速度都要比现在大或快3 6个数量级 且廉价而节能 纳米医疗 如新的纳米结构药物 基因和药物的传送系统 可到达身体的指定部位 有生物相容性的器官和血液代用品 家用早期病情自诊系统 生物传感器 骨头和组织的自生长材料 化学和材料 如催化剂 提高化工厂燃烧效率 减少汽车的污染 超硬但不脆裂的钻头及切削工具 用于真空封接和润滑的智能磁性液体 化学或生物载体的探测器和解毒剂等 能源 这方面的应用有新型电他 使用人工光合作用的清洁能源 量子阱式太阳能电池 氢燃料的安全贮存等等 制造工业 主要用于微细加工 基于新的显微镜和测量仪器 新的操纵原子的工具和方法 掺有纳米粒子的块状材料和使用纳米粒子的化学 机械磨削等 飞机和汽车 如由纳米粒子加强的轻质材料 由纳米粒子加强的轮胎 耐磨且可直接再生 无须洗涤的外壳油漆 廉价的不燃塑料以及有自修补功能的涂层和纤维等 航天 如轻型航天器 经济的能量发生器和控制器以及微型机器人等方面的应用 环境保护 主要用于工业废料污水处理 制备廉价的海水除盐膜等 特别指出 从原子和分子做起的 由小变大 bottom up 的工艺 与现有从大块材料开始的制造工艺不同 因无切削 无化学处理 可以减少材料消耗和环境污染 纳米技术的应用前景 碳纳术管是在用电弧滚制备C60分子 上图 时发现的 是由类似石墨结构的六边形网格卷绕而成的一种一维纳米材料 这种中空的 微管 的电学性质非常奇特 而且强度比钢高100倍 我国科学家已经在国际上首次制成了长度达3毫米的碳纳米管 同学们 来学校和回家的路上要注意安全 同学们 来学校和回家的路上要注意安全