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1、材料与社会进步 上海大学材料工程学院 戚飞鹏 前言 材料科学是当前最受人们重视的技术领 域之一。材料的应用与发展史，与人类 文明的发展和社会的进步是息息相关的 。了解各种材料的基本概况及它们的由 来、应用、发展以及与我们人类社会关 系，是极有意义的学习任务。 对金属材料及其合金，钢铁材料，非金 属材料中、复合材料和功能材料（超导 、 纳米、非晶、储氢等）作一一的介绍。 概述 人类的进化史 鱼类 无脊椎动物 两栖类 哺乳类 爬行类 古猿人 劳动创造了人本身 人类进步过程的三个阶段 我国古代冶炼和使用的金 属 第一章 有色金属及其合金 有色金属是相对黑色金属而言的，黑色金 属主要指铁、钢，所以有色
2、金属也被称为 非铁金属。 有色金属可以分为轻金属（铝、镁、钛 等）、重金属（铜、铅、锌、锡等）、贵金 属（金、银、铂等）、稀土金属及稀有金属 （锂、铍等）五大类。常用的有色金属有铝 、铜、镁、锌、锡、钛等。 第一节 铜与铜合金 一、工业纯铜的一般特性 1、铜具有优良的导电和导热性能 2、铜的摩擦系数很小 3、铜的耐腐蚀性能良好 4、铜具有很高的塑性 5、铜的熔点是1085C，密度为 8.89 第一节 铜与铜合金 二、铜合金的分类与牌号 铜合金按其主要组成和性能，可以分为两类， 即黄铜和青铜。 青铜合金牌号表示：例如合金牌号为 “ZCuSn3Zn8Pb6Ni”,合金名称为“3-8-6-1锡青铜
3、”。 其中“Z”表示铸造,为“铸”字汉语拼音第一 个字母。Sn、Zn、Pb、Ni的平均含量为“3%”、 “8%”、“6%”、“1%”，余下的是Cu的含量。 黄铜合金牌号表示：例如合金牌号 “ZCuZn25Al6Fe3Mn3”,合金名称为“25-6-3-3铝 黄铜”。其中“Z”仍表示铸造。Al、Fe、Mn、 Cu的平均含量为“6%”、“3%”、“3%”、 “63%”，余下的是Zn的含量。 第一节 铜与铜合金 三、铜器的精品 1、司母戊方鼎 商朝人面纹方鼎 西周小克鼎 2、世纪宝鼎 3、西汉“透光镜 ” 4、曾侯乙编钟 5、永乐大钟 6、武当山金殿 此外还有颐和园铜亭 、铜狮 、铜龟 等精品 。
4、第二节 铝与铝合金 一、纯铝的一般特性 铝的密度小，2.72g/cm3 铝的熔点为660.37C 铝的塑性好 铝的导电 性和导热 性很好 第二节 铝与铝合金 二、铝合金的分类 1、铸造铝合金 GB/T11731995 铸造AlSi类合金 铸造AlCu类合金 铸造AlMg类合金 铸造AlZn类合金 2、变形铝合金 不能热处理强化铝合金 可热处理强化铝合金 三、铝及铝合金的应用 第三节 镁与镁合金 一、镁的基本情况 1、镁的基本性质 镁熔点651C，密度为1.75.85g/cm3，较 高的比强度，切削加工性能也较好 镁的化学活性很强 镁的耐腐蚀性能差 2、镁在地球上存在形式 3我国的情况 三大一小
5、 （三强一弱） 第三节 镁与镁合金 二、镁合金的分类及特点 1、 镁合金的分类 镁合金的标记方法 ：我国将镁合金分为4类：变 形镁合金（MB）、铸造镁合金（ZM）、压铸镁 合金（YM）和航空镁合金（ZM-）。 2镁合金的性能特点 1）、比强度高 2）、减震性好 3) 、切削加工性好 4）、抗蚀性差 第三节 镁与镁合金 三、镁合金“绿色”合金 1、产品轻量化、强韧化 2、废物回收能量消耗低 3、产品单位体积价格低、消耗能量少 4、综合性能优于塑料 第四节 钛与钛合金 一、纯钛的性能与制取 1、熔点高(1725)密度小(4.50g/cm3) 2、比强度高 3、抗蚀性好 第四节 钛与钛合金 二、钛合
6、金的分类及性能 1）、分为相、相和+ 相钛合金 2）、抗蚀性能好 3）、钛合金有高的高温强度性能 第四节 钛与钛合金 三、钛合金的应用 1.航天航空:航空发动机的机匣壳体、 泵 体、叶轮、阀门、静止结构件 2.医学及其它 第二章 功能材料 一、超导材料 1）超导现象 超导材料绝不是电阻无限小的理想导体材料 。 1986年以前，发现的材料要在23.2K温度下， 也就是在液氦条件温度下才有超导电现象。 1986年发现了氧化物超导材料，是在液氮温度 条件下的超导材料 。 第一节 超导材料 2）超导材料的基本性质 （1）零电阻效应 超导体有三个临界参数：临界温度Tc、临界磁场Hc、临 界电流Ic。 临
7、界温度Tc：即电阻突然消失的温度。人们所希望的 是发现临界温度高的超导体。 临界磁场Hc：对处于超导态的超导材料，外加一个磁 场，当该磁场强度大于Hc时，超导材料的超导性被破 坏，Hc即是该超导材料的临界磁场。 临界电流Ic：处于超导态的超导体允许通入的最大电 流，即为超导体的临界电流。当通入的电流大于临界 电流Ic时，超导体的超导现象也会被破坏。 第一节 超导材料 （2）完全抗磁性 迈斯纳效应 ：锡(Sn)单晶球被冷却到超 导态时，体内的磁通线全部被排斥的现象 。 迈斯纳效应示意图 第一节 超导材料 3）超导材料分类 （1）、低温超导体 （T c30K，又称为常规超导 体） 低温超导体按其化
8、学成分分为：元素超导体、 合金超导体和化合物超导体。 元素超导体：近50种，其中金属元素有28种。 合金超导体：NbZr、NbTi、NiZrTi 、NiTiTa 化合物超导体：Nb3Sn、V3Gd 第一节 超导材料 （2）高温超导体 LaSrCuO（镧锶铜氧化物）超导体； YBa2Cu3O7（钇钡铜氧化物）超导体； BiSrCaCuO（铋锶钙铜氧化物）超导体 ； TlBaCaCuO（铊钡钙铜氧化物）超导体 ； HgBaCaCuO（汞钡钙铜氧化物）超导体 临界温度为 8090K 第一节 超导材料 4）超导材料的应用 （1）电力行业的应用 （2）磁悬浮列车 （3）医学上的应用 （4）贮存能量 （5
9、）热核反应堆 第二节 储氢材料 1）金属氢化物 金属或合金贮氢释氢的原理： 第二节 储氢材料 理想的、有使用价值的贮氢合金，必须具备如下的条 件： （1）吸氢能力高，即能吸尽量多的氢； （2）贮氢时生成热应尽量小，便于释氢时的温度不必太 高。而作为贮存热量作用时，则生成热应该越高越好 ； （3）贮氢和释氢的速度都要求快； （4）导热性能优良； （5）对氧气、一氧化碳和水等杂质的抵抗力要大； （6）化学稳定性好，经久耐用，不易产生破碎粉化； （7）来源广、价廉物美。 （8）使用与运输时安全、可靠； 第二节 储氢材料 2）贮氢合金简介 （1）镁系合金 （2）稀土系合金 （3）钛系合金 第二节 储氢
10、材料 3）贮氢合金的应用 (1）制取贮运氢气的容器 (2）制取高纯度氢气和回收氢 (3）氢能交通工具 (4）核反应堆中的使用 (5）氢化物镍电池 第二节 储氢材料 氢化物镍电池的工作原理是： 氢化物（贮氢合金）为负极，Ni（OH）2为正极，以 KOH水溶液为电解质构成了Ni/MH电池。 发生以下的反应： 正极：Ni（OH）2+OHNiOOH+H2O+e 负极：M+n H2O+neMHn+ nOH 总的电极反应： M+ nNi（OH）2 MHn+ nNiOOH 氢化物镍电池除了对环境无污染，对人体无毒害以外 ，还具有比能量高（为Ni/Ca电池的1.52倍）良好的 耐充电、放电性能，没有记忆效应，
11、而且还有能与 Ni/Ca电池互换使用的优点。 第三节 形状记忆合金 形状记忆合金有类似高级动物的“记忆 性能”，成为智能材料的一种。 1）形状记忆效应 单向形状记忆效应 双向形状记忆效应 全方位形状记忆效应 形状记忆合金记忆效应的形式 （a）单向形状记忆效应； （b）双向形状记忆效应； （c）全方向形状记忆效应 第三节 形状记忆合金 2）形状记忆合金简介 （1）TiNi基合金 （2）Cu基形状记忆合金 （3）Fe基形状记忆合金 第三节 形状记忆合金 3）形状记忆合金的应用 （1）工业上应用 ：紧固件、连接件、温控 元件 形状记忆合金管接头连接管子示意图 温控元件结构简图 第三节 形状记忆合金
12、（2）医学上应用 矫正牙齿用拱形金 属丝 骨折、骨裂所要固 的固定钉和接骨板 防止血栓形成的血 凝过滤器 形状记忆合金制成的血凝过滤器 第三节 形状记忆合金 形状记忆合金还可以制作人工肾用瓣、 人工心脏用的人工肌肉和血管扩张支架 、脑动脉瘤夹 。 它还可以用在智能机械、仿生机械、机 械手、机器人等方面。 第四节 生物医用功能材料 1）生物医用材料发展简史 2）生物医用材料的要求 （1）对人体是无毒的（即必须是惰性材料）； （2）不产生人体过敏反应； （3）不致癌； （4）不产生畸变； （5）不破环所接触的人体组织； （6）与血液接触时,不破坏血液成分,不引起凝血和血小 板凝聚,不改变电解质的平
13、衡等。 （7）理想的物理性能和力学性能 （8）来源广、价格低；容易加工成型 （9）不发生性能退化现象 第四节 生物医用功能材料 3）生物医用材料简介 （1）医用金属材料 医用不锈钢在骨科和牙科得到了不少的应用。 钴基合金具有高的耐磨性和耐蚀性，在医学 上广泛地用来制取人工关节、接骨板、骨钉。 钛和钛合金广泛地用在制取义齿、牙床、牙桥 、牙冠等。 形状记忆合金在医学上的应用（略）。 医用贵金属用于牙科。 第四节 生物医用功能材料 （2）生物陶瓷 近于惰性生物陶瓷用在承受力的人工骨 、关节修复体、牙根种植体等方面。 表面生物活性陶瓷用于人工血管、气管 、喉管的支架，牙齿植体等方面。 可吸收生物陶瓷
14、用于骨缺陷的修复，耳 听骨的补复和替换等。 第四节 生物医用功能材料 （3）医用高分子材料 心脏瓣膜：用聚四氟乙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、硅橡胶； 心脏起搏器：用聚乙烯、乙缩醛； 肺：用硅橡胶、聚烷基酮、硅砜、聚碳酸酯； 肾脏：用醋酸纤维素、聚丙腈、聚砜、聚氨酯； 胰脏：用丙烯酸脂共聚物（中空纤维）； 食道：用聚硅酮、聚氟乙烯； 喉头：用聚乙烯、聚四氟乙烯、聚硅酮； 气管：用聚乙烯、聚四氟乙烯、聚硅酮、聚酯纤维； 玻璃体：用聚乙烯醇水凝胶； 角膜：用硅橡胶、聚丙烯酸酯； 晶状体：用硅橡胶球； 鼻子：用聚乙烯、硅橡胶； 耳朵及鼓膜：用硅橡胶、丙烯酸基有机玻璃聚乙烯； 手术后缝合线：用聚亚胺酯。 第五
15、节 纳米材料 纳米材料的概念最早是在1911年由德国 科学家格莱特（Gleiter）提出的。 1nm=10-9m，纳米材料的微粒尺寸一般在 10100nm之间，材料尺寸变得如此之小 ，性能必定会有一系列变化。 第五节 纳米材料 1）纳米材料的制备 气相法：气相冷凝法、溅射法、化学气 相沉积法、通电加热蒸发法等； 液相法：溶胶凝胶法、喷雾法、水 热法、高压淬火法等； 固相法：高能球磨法、非晶晶化法、燃 烧合成法等 气相冷凝法示意图 第五节 纳米材料 2）纳米材料的特点 纳米材料属于原子簇与宏观物体交界的 过渡区域，该系统既非典型的微观系统 ，也非典型的宏观系统，具有独特的结 构特征，即一系列新的
16、特点。 三个效应：表面与界面效应、小尺寸效 应、量子尺寸效应。 第五节 纳米材料 3）纳米材料的应用 （1）纳米材料的催化作用 （2）纳米材料的磁学性能特殊 （3）纳米晶软磁材料 （4）纳米级的WC-Co材料 （5）纳米材料传感器 第三章 复合材料 第一节 概述 一、复合材料定义 一般认为，有两种或两种以上物理和化学性能不同的 物质组合而成的一种固体材料，称为复合材料。 复合材料是一种多相材料。其中一类相（或组成）为连 续相，称为基体，起粘结作用；另一类相(或组成)为 增强相。 自然界的许多物质都可以看成是复合材料。竹子和木材 是纤维素和木质素组成的复合物。 人类很早就仿效自然界，利用复合的原理，在生产和生 活中，创建了许多人工复合材料，例如混凝土、轮胎 。 第三节 概述 二、复合材料的分类 1、材料的作用 （1)、结构复合材料 （2）、
