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1、16.6 新材料技术新材料技术16.6.1新材料技术新材料技术1金属材料金属材料金属材料是进入工业社会以后，人类用得最早也是用得金属材料是进入工业社会以后，人类用得最早也是用得最多的材料，并长期占绝对优势。将来也将是主导地位，最多的材料，并长期占绝对优势。将来也将是主导地位，特别是发展中国家。其共同优点是高韧性、延展性好、特别是发展中国家。其共同优点是高韧性、延展性好、强度高、导电性好。作为结构材料，开始时几乎全是强度高、导电性好。作为结构材料，开始时几乎全是铁和钢，上世纪初出现了以硬铝为首的铝合金铁和钢，上世纪初出现了以硬铝为首的铝合金 一直到现在，作为结构材料的金属材料，主要仍是钢一直到现
2、在，作为结构材料的金属材料，主要仍是钢(铁的合金铁的合金)、铝合金、钛合金，、铝合金、钛合金， 但它们的品种层出不穷，性能也远非昔日可比。金属但它们的品种层出不穷，性能也远非昔日可比。金属材料的发展，几乎可用一材料的发展，几乎可用一“超超”字来概括。如发展超字来概括。如发展超高纯度铁、超高强度钢、超高速钢高纯度铁、超高强度钢、超高速钢(用作刀具用作刀具)、超硬、超硬合金、超塑性合金、超耐热合金、超低温材料等等合金、超塑性合金、超耐热合金、超低温材料等等 有色金属是指除铁、铬、锰等几种黑色金有色金属是指除铁、铬、锰等几种黑色金属之外的多种金属的统称属之外的多种金属的统称 在自然界的元素中，有色金
3、属占在自然界的元素中，有色金属占64种，是种，是元素周期表中最庞大的元素周期表中最庞大的“家族家族”。其中，。其中，铜、铝、铅、锌、锡、镍、锑、钛、镁、铜、铝、铅、锌、锡、镍、锑、钛、镁、汞等汞等10种有色金属被视为种有色金属被视为“家族家族”中的中的“十大金刚十大金刚”。 2非金属材料非金属材料陶瓷陶瓷陶瓷材料是人类最早利用的材料，由粘土、陶瓷材料是人类最早利用的材料，由粘土、石英、长石等矿物原料配制而成。石英、长石等矿物原料配制而成。从陶器发展到瓷器是第一次飞跃，从陶器发展到瓷器是第一次飞跃， 从传统陶瓷到先进陶瓷是第二次飞跃，从传统陶瓷到先进陶瓷是第二次飞跃，从先进陶瓷到纳米陶瓷是第三次
4、飞跃。从先进陶瓷到纳米陶瓷是第三次飞跃。 陶瓷的优点是强度高，收缩小，机械性能陶瓷的优点是强度高，收缩小，机械性能好；耐各种酸碱腐蚀，耐高温，耐辐射，好；耐各种酸碱腐蚀，耐高温，耐辐射，抗氧化。陶瓷的致命缺点是性脆易碎。抗氧化。陶瓷的致命缺点是性脆易碎。 以碳、硅、氮、氧、硼等元素的人工化合以碳、硅、氮、氧、硼等元素的人工化合物为主要原料，改进和发展传统陶瓷工艺物为主要原料，改进和发展传统陶瓷工艺而获得的新型陶瓷材料而获得的新型陶瓷材料 由于特种陶瓷的强度和韧性都有大幅度提由于特种陶瓷的强度和韧性都有大幅度提高，克服了传统陶瓷性脆易碎的弱点，已高，克服了传统陶瓷性脆易碎的弱点，已成为受到普遍重
5、视的一种重要的新型工程成为受到普遍重视的一种重要的新型工程材料。材料。这种陶瓷在国外又称为工程陶瓷、精密陶这种陶瓷在国外又称为工程陶瓷、精密陶瓷或结构陶瓷。按应用和发展大致可分为瓷或结构陶瓷。按应用和发展大致可分为高强高温结构陶瓷、电工电子特种功能陶高强高温结构陶瓷、电工电子特种功能陶瓷两大类。瓷两大类。 玻璃玻璃钢化玻璃是使用最普遍的玻璃深加工制品。钢化玻璃是使用最普遍的玻璃深加工制品。汽车、火车等交通工具的风挡玻璃、窗玻汽车、火车等交通工具的风挡玻璃、窗玻璃，高级宾馆的玻璃大门及隔断，玻璃桌璃，高级宾馆的玻璃大门及隔断，玻璃桌面及许多玻璃幕墙都使用钢化玻璃。这是面及许多玻璃幕墙都使用钢化玻
6、璃。这是因为钢化玻璃的强度是平板玻璃的因为钢化玻璃的强度是平板玻璃的35倍，倍，耐急冷急热性也较好，而且破碎后呈小粒耐急冷急热性也较好，而且破碎后呈小粒状，不会对人造成大的伤害，所以叫作安状，不会对人造成大的伤害，所以叫作安全玻璃。全玻璃。 夹层玻璃是另外一种安全玻璃。夹层玻璃是另外一种安全玻璃。 它的结构像它的结构像“三明治三明治”，两层玻璃中间有，两层玻璃中间有透明的有机材料，把玻璃牢固地粘在一起。透明的有机材料，把玻璃牢固地粘在一起。所以即使夹层玻璃被打破，也不会有碎片所以即使夹层玻璃被打破，也不会有碎片飞溅伤人，而且透明中间膜具有良好的强飞溅伤人，而且透明中间膜具有良好的强度和韧性，起
7、到很好的安全作用。度和韧性，起到很好的安全作用。 例如，在发生剧烈撞车时，汽车夹层风挡例如，在发生剧烈撞车时，汽车夹层风挡玻璃可阻止司机和乘客被从风档处抛出，玻璃可阻止司机和乘客被从风档处抛出，柔软的有机材料还可以减轻人头部的撞击。柔软的有机材料还可以减轻人头部的撞击。增加玻璃的厚度和层数可使夹层玻璃具有增加玻璃的厚度和层数可使夹层玻璃具有防弹，防爆及防盗等性能，成为特殊窗口防弹，防爆及防盗等性能，成为特殊窗口用的特种玻璃。用的特种玻璃。 中空玻璃中空玻璃是两片玻璃中间垫上铝制的隔离柜，再是两片玻璃中间垫上铝制的隔离柜，再用粘结材料把它们粘在一起，用粘结材料把它们粘在一起， 中空玻璃的隔热性很
8、好，中空玻璃的隔热性很好，12毫米厚的中空玻璃的毫米厚的中空玻璃的保温性可与保温性可与100毫米厚的混凝土墙相比拟。所以，毫米厚的混凝土墙相比拟。所以，建筑物的玻璃幕墙、较大的玻璃窗都应使用中空建筑物的玻璃幕墙、较大的玻璃窗都应使用中空玻璃以便减少取暖能耗。玻璃以便减少取暖能耗。中空玻璃还有良好的隔音效果。中空玻璃还有良好的隔音效果。除用平板玻璃为原片制造中空玻璃外，还可以用除用平板玻璃为原片制造中空玻璃外，还可以用钢化玻璃、夹层玻璃、镀热反射膜玻璃、吸热玻钢化玻璃、夹层玻璃、镀热反射膜玻璃、吸热玻璃等为原片制成具有多种功能的高级中空玻璃，璃等为原片制成具有多种功能的高级中空玻璃，用于超高层建
9、筑物的观光厅等重要部位。此外，用于超高层建筑物的观光厅等重要部位。此外，列车的空调车箱和地铁车窗玻璃都是钢化中空玻列车的空调车箱和地铁车窗玻璃都是钢化中空玻璃，以提高隔热、隔音等性能。璃，以提高隔热、隔音等性能。 镀膜玻璃镀膜玻璃是在玻璃的一个或两个表面上，是在玻璃的一个或两个表面上，用物理或化学的方法镀上金属、金属氧化用物理或化学的方法镀上金属、金属氧化物等的薄膜而制成的玻璃深加工制品。物等的薄膜而制成的玻璃深加工制品。不同的膜层颜色和对光线的反射率不同，不同的膜层颜色和对光线的反射率不同，使得用镀膜玻璃装饰的建筑物晶莹辉煌。使得用镀膜玻璃装饰的建筑物晶莹辉煌。 热反射镀膜玻璃可以控制阳光的
10、入射，减热反射镀膜玻璃可以控制阳光的入射，减少空调能耗，而低辐射镀膜玻璃可限制室少空调能耗，而低辐射镀膜玻璃可限制室内热量向外辐射散失，在寒冷地区有显著内热量向外辐射散失，在寒冷地区有显著的节能效果。的节能效果。 3高分子材料高分子材料由高分子化合物组成的一大类材料。由高分子化合物组成的一大类材料。分为天然的和合成的两类，都是由大量小分为天然的和合成的两类，都是由大量小分子单元以化学键连接起来的，具有很高分子单元以化学键连接起来的，具有很高分子量的聚合物。分子量的聚合物。 合成纤维、合成橡胶、合成树脂和塑料都合成纤维、合成橡胶、合成树脂和塑料都是合成高分子材料，也称为三大合成材料。是合成高分子
11、材料，也称为三大合成材料。 合成纤维合成纤维的主要品种有：聚酰胺纤维的主要品种有：聚酰胺纤维(商品名商品名尼龙、耐纶、锦纶尼龙、耐纶、锦纶)、聚丙烯腈纤维、聚丙烯腈纤维(商品名腈商品名腈纶、奥纶纶、奥纶)、聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维或简、聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维或简称聚酯纤维（商品名涤纶、的确良）、聚丙烯称聚酯纤维（商品名涤纶、的确良）、聚丙烯纤维（产品名丙纶）、聚乙烯醇缩甲醛纤维纤维（产品名丙纶）、聚乙烯醇缩甲醛纤维(商品名维尼纶商品名维尼纶)。它们的出现，使纺织工业大。它们的出现，使纺织工业大为改观。为改观。16.6.2 新材料的发展前景新材料的发展前景1.光子材料光子材料光导纤维传光原理是
12、不同折光率介质界面的全反光导纤维传光原理是不同折光率介质界面的全反射现象，即光从折射率大的光密介质以一定角度射现象，即光从折射率大的光密介质以一定角度射向折射率小的光疏介质时，光在界面会发生全射向折射率小的光疏介质时，光在界面会发生全反射而全部折回光密介质。反射而全部折回光密介质。 这一定的角度称全反射临界角。光导纤维的纤芯这一定的角度称全反射临界角。光导纤维的纤芯是光密介质，而包层是光疏介质，传输的光信号是光密介质，而包层是光疏介质，传输的光信号只要在界面的入射角大于临界角，光就在纤芯中只要在界面的入射角大于临界角，光就在纤芯中曲折反射前进而不会泄漏。曲折反射前进而不会泄漏。 2.先进电子材
13、料和研究材料先进电子材料和研究材料我们通常用的磁体是用钢、合金或金属氧化物制我们通常用的磁体是用钢、合金或金属氧化物制成的，叫人造磁性材料。成的，叫人造磁性材料。 最初，人造磁体是用钢制成的。最初，人造磁体是用钢制成的。20世纪初，发现世纪初，发现在钢中加入硅可以改善磁性。从此，硅钢就被大在钢中加入硅可以改善磁性。从此，硅钢就被大量用于制作变压器。量用于制作变压器。 将镍和铁以适当比例熔在一起时，在低磁化磁场将镍和铁以适当比例熔在一起时，在低磁化磁场下，磁导率比最好的铁的磁导率还高。镍铁合金下，磁导率比最好的铁的磁导率还高。镍铁合金的磁性与成分和热处理方法有关。镍铁合金是韧的磁性与成分和热处理
14、方法有关。镍铁合金是韧性磁性材料，可用作精密仪表的变压器铁芯。随性磁性材料，可用作精密仪表的变压器铁芯。随后又出现了铁钴、铁硅铝、铁铬、铁后又出现了铁钴、铁硅铝、铁铬、铁镍钼、铁钴钒、钴铝硼等合金磁性材镍钼、铁钴钒、钴铝硼等合金磁性材料和铁氧体（即人造的镍、锰、钴、锌一类氧化料和铁氧体（即人造的镍、锰、钴、锌一类氧化物烧结体）。物烧结体）。3.高级陶瓷材料高级陶瓷材料高强高温结构陶瓷、电工电子功能陶瓷和高强高温结构陶瓷、电工电子功能陶瓷和复合陶瓷是新材料中普遍注重的发展方向。复合陶瓷是新材料中普遍注重的发展方向。4.新型建筑材料新型建筑材料是区别于传统的砖瓦、灰砂石等建材的建是区别于传统的砖瓦
15、、灰砂石等建材的建筑材料新品种，包括的品种和门类很多。筑材料新品种，包括的品种和门类很多。从功能上分，有墙体材料、装饰材料、门从功能上分，有墙体材料、装饰材料、门窗材料、保温材料、防水材料、粘结和密窗材料、保温材料、防水材料、粘结和密封材料，以及与其配套的各种五金件、塑封材料，以及与其配套的各种五金件、塑料件及各种辅助材料等。从材质上分，不料件及各种辅助材料等。从材质上分，不但有天然材料，还有化学材料、金属材料、但有天然材料，还有化学材料、金属材料、非金属材料等等。非金属材料等等。 5.先进复合材料先进复合材料纤维增强型、弥散粒子型、叠层复合型复合材料以及纤维增强型、弥散粒子型、叠层复合型复合
16、材料以及碳纤维、石墨纤维、硼纤维、金属纤维、晶须的研制碳纤维、石墨纤维、硼纤维、金属纤维、晶须的研制发展，将使被称为发展，将使被称为“21世纪材料世纪材料”的复合材料更放光的复合材料更放光彩。彩。6.先进金属材料先进金属材料非晶态金属非晶态金属(金属玻璃金属玻璃)、记忆合金、防振合金、超导、记忆合金、防振合金、超导合金和金属氢等。合金和金属氢等。 一种原子排列很有规则、体积变化为小于一种原子排列很有规则、体积变化为小于0.5%的马氏的马氏体相变合金。这种合金在外力作用下会产生变形，当体相变合金。这种合金在外力作用下会产生变形，当把外力去掉，在一定的温度条件下，能回复原来的形把外力去掉，在一定的
17、温度条件下，能回复原来的形状。由于它具有百万次以上的回复功能，因此叫做状。由于它具有百万次以上的回复功能，因此叫做“记忆合金记忆合金”。当然它不可能像人类大脑思维记忆，更。当然它不可能像人类大脑思维记忆，更准确地说应该称之为准确地说应该称之为记忆形状的合金记忆形状的合金 7稀土材料：稀土材料：稀土金属在激光、荧光、磁性、红外、微稀土金属在激光、荧光、磁性、红外、微波、核能、特种陶瓷以及化工材料中，有波、核能、特种陶瓷以及化工材料中，有奇异的性能，稀土材料已成为重要的开发奇异的性能，稀土材料已成为重要的开发领域。领域。 我国稀土资源储量居世界首位，因此稀土我国稀土资源储量居世界首位，因此稀土的开
18、发对我国更为重要。的开发对我国更为重要。8.其它材料（极限材料）其它材料（极限材料） 在超高压、超高温、超低温、超高真空等在超高压、超高温、超低温、超高真空等极端条件下应用和制取的各种材料。极端条件下应用和制取的各种材料。 如超导、超硬、超塑性、超弹性、超纯、如超导、超硬、超塑性、超弹性、超纯、超晶格膜等材料。超晶格膜等材料。原子分子设计材料。这是在材料科学深入原子分子设计材料。这是在材料科学深入研究的基础上，对表面、非晶态、结构点研究的基础上，对表面、非晶态、结构点阵与缺陷、固态杂质、非平衡态、相变以阵与缺陷、固态杂质、非平衡态、相变以及变形、断裂、磨损等领域研究探索的发及变形、断裂、磨损等
19、领域研究探索的发展方向，以期获得原子、分子组成结构按展方向，以期获得原子、分子组成结构按性能要求设计的新材料。性能要求设计的新材料。 材料技术的发展趋势有以下几种：材料技术的发展趋势有以下几种：第一第一，从均质材料向复合材料发展。，从均质材料向复合材料发展。以前人们只使用金属材料、高分子材料等均质材以前人们只使用金属材料、高分子材料等均质材料，现在开始越来越多地使用诸如把金属材料和料，现在开始越来越多地使用诸如把金属材料和高分子材料结合在一起的复合材料。高分子材料结合在一起的复合材料。 第二，第二，由结构材料向功能材料、多功能材料并重由结构材料向功能材料、多功能材料并重的方向发展。的方向发展。
20、 随着高技术的发展，其它高技术要求材料技术为随着高技术的发展，其它高技术要求材料技术为它们提供更多更好的功能材料，而材料技术也越它们提供更多更好的功能材料，而材料技术也越来越有能力满足这一要求。所以现在各种功能材来越有能力满足这一要求。所以现在各种功能材料越来越多，终会有一天功能材料将同结构材料料越来越多，终会有一天功能材料将同结构材料在材料领域平分秋色。在材料领域平分秋色。 第三，第三，材料结构的尺度向越来越小的方向材料结构的尺度向越来越小的方向发展。发展。以前组成材料的颗粒，尺寸都在微米以前组成材料的颗粒，尺寸都在微米(100万分之一米万分之一米)方向发展的材料。由于颗粒极方向发展的材料。
21、由于颗粒极度细化，使有些性能发生了截然不同的变度细化，使有些性能发生了截然不同的变化。以前给人以极脆印象的陶瓷，居然可化。以前给人以极脆印象的陶瓷，居然可以用来制造发动机零件。以用来制造发动机零件。 第四，第四，由被动性材料向具有主动性的智能由被动性材料向具有主动性的智能材料方向发展。材料方向发展。 新的智能材料能够感知外界条件变化、进新的智能材料能够感知外界条件变化、进行判断并主动作出反应。行判断并主动作出反应。 第五第五，通过仿生途径来发展新材料。，通过仿生途径来发展新材料。 生物通过千百万年的进化，在严峻的自然生物通过千百万年的进化，在严峻的自然界环境中经过优胜劣汰，适者生存而发展界环境中经过优胜劣汰，适者生存而发展到今天，自有其独特之处。到今天，自有其独特之处。 通过通过“师法自然师法自然”并揭开其奥秘，会给我并揭开其奥秘，会给我们以无穷的启发，为开发新材料又提供了们以无穷的启发，为开发新材料又提供了一条广阔的途径。一条广阔的途径。
