新材料导论考试资料.docx

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新材料导论考试资料

高分子材料特性有哪些？

试举例先进高分子材料在汽车上应用

一、高分子材料是指以高分子为化合物为主要成分的所有材料，一般来说高分子化合物的分子量应在1000以上。

高分子材料的特性有：

   1、高分子材料的力学性能特点：

     ①低强度和高比强度：

高分子强度很低，但由于高分子材料密度很低，故其比强度较高。

     ②高弹性和低弹性模量：

高分子材料弹性模量很低，但具有很优秀的弹性性能。

     ③粘弹性：

高分子材料在外力作用下发生高弹性变形和粘性流动其变形与时间有关。

     ④高耐磨性：

高分子材料为大分子结构，具有高耐磨性。

  2、高分子材料的其他其性能特点：

1高绝缘性：

高分子材料内部主要以共价键或分子键结合，导电性能低。

②膨胀性：

高分子材料中分子链柔性大，其膨胀系数大。

     ③导热性低：

高分子材料是由分子链缠绕交联形成，导热性很差。

     ④热稳定性差：

加热时高分子的分子链易发生链段运动或整个链的移动。

     ⑤高化学稳定性。

     ⑥高分子材料的老化：

高分子材料长期受外力影响失去弹性。

二、先进高分子材料在汽车上的应用举例：

制造发动机罩，制造发动机活塞、缸体，制造汽车凸轮轴，制造汽车油箱，挡风玻璃，电气仪表，歧管接头，减振橡胶，橡胶制品,如:

轮胎、胶管、密封圈，天然纤维、生物高分子和大豆油系聚氨醋已被开发用于汽车内饰件，包括仪表板、座椅、组装槽和衬里。

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第一讲材料概况

材料和人类发展有怎样的关系？

材料是人类文明的基石

人类利用材料的历史源远流长。

人们按照在使用中占主导地位的材料划分历史：

石器时代石器时代→陶器陶器→青铜器青铜器→铁器铁器→钢铁（资本主钢铁（资本主义大工业时期）→合成材料（20世纪）→复合材料（20世纪40年代）

人类利用的材料的历史，溯来源远流长。

人类最早使用的工具--石器，就是一种最早的天然陶瓷材料，大约在公元前5000年，人类发明用粘土烧成陶器，同时在烧陶过程中又还原出金属铜和锡，创造了炼铜技术，从而进入青铜器时代，5000年前发明炼铜技术。

而现在被认为是材料的一重要发展方展方向的复合材料，其实在很久以前就已再出现，人类在6000年前就知道用稻草和泥巴混合垒墙，这是早期人工制备的复合材料；5000年前中东地区曾用芦苇增强沥青造船；我国越王剑是古代金属基复合材料的代表，它采用金属包层复合材料，不仅光亮锋利，且韧性和耐蚀性优异，在地下埋藏几千年，出土时仍然寒光夺目，锋利无比。

如果说19世纪是机械世纪，20世纪是电子时代，那么21世纪将是光子时代。

也有人认为21世纪将是生物、信息和材料的世纪。

材料是人类文明的基石材料是社会进步的物质基础是人类社会进步的里程碑和划时代的标志。

材料和能源、信息被称为人类社会的材料和能源、信息被称为人类社会的“三大支柱”。

在高科技发展的今天，材料还重要吗？

在高科技发展的今天，材料还重要吗？

新材料是实现人类社会可持续发展的重要保证。

材料的产值在我国GDP中占1/3

当历史进入20世纪下半叶开始的新技术革命时代后，新材始的新技术革命时代后，新材料已成为各个高科技领域发展的奠基石、推进器与突破口。

的奠基石、推进器与突破口。

开发新材料，发展高新技术产业。

材料科学技术为开发新产业。

材料科学技术为开发新材料，改进现有材料和合理使用材料服务。

什么是材料？

材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其它产品的物质。

材料的特性总是和一定的用途相联系；可以由可以由一种或若干种物质构成；种或若干种物质构成；在自然界中存在同素异构，如金刚石和石墨都是碳组成，但金刚石最硬、绝缘，石墨最软的固态物质、导电。

材料的分类按物理、化学属性分：

金属非金属高分子化合物复合材料

金属（Metals）:

金属中含有大量可以自由移动的电子。

因此金属是热和电的良导体。

此外金属具有良好的强度与延展性以及金属光泽。

陶瓷（Ceramics）:

陶瓷通常由金属与非金属元素化合而成，一般含有氧化物、氮化物与碳化物。

陶瓷一般都是绝缘体而且比较耐热。

高分子化合物（Polymers）：

通常是基于碳、氢的有机化合物。

他们的分子结构都非常巨大。

通常密度较低，在高温下不稳定。

半导体（Semiconductors）：

半导体在电学性能上有介于导体与半导体之间的性能。

这些性能极大的取决于其中所掺的杂质。

复合材料（Composites）：

有多种材料复合而成。

玻璃纤维，有玻璃与聚合体组成，是一个例子。

混凝土和聚合板是另一些常见的复合材料。

许多新材料包括陶瓷、光纤材料都是复合材料。

按组成与按组成与结构划分：

金属材料无机非金属材料无机非金属材料高分子材料复合材料复合材料

按用途划分：

电子信息材料航空航天材料航空航天材料能源材料生物医用材料

按性能划分按性能划分：

结构材料功能材料

按应用与按应用与发展划分：

传统材料新材料新材料

高分子材料的迅速发展1原因●原料丰富●性能优异●能耗少、周期短、利润高

2类别●塑料（合成树脂）：

包括薄膜、棒管材、日用塑料、包装容器、编织品●合成橡胶●合成纤维●特殊性能高分子

新材料技术发展的重点

用新技术对现有材料的更新、改造依然是关注的重点；发展新材料技术及其产业化将是21世纪经济发展的支柱性产业，并对其它高技术起先导、带动作用；重视材料制备、使用到废弃整个寿命周期中，与资源、能源和生态环境的协调性，发展生态环境材料，实现材料的可持和生态环境的协调性，发展生态环境材料，实现材料的可持续发展。

生态环境材料　　

从材料的生产－使用－废弃的过程来看，可以说是将大量的资源提取出来，又将大量废弃物排回到自然环境的循环过程，人类在创造社会文明的同时，也在不断的破坏人类赖以生存的环境空间。

传统的材料研究、开发与生产往往过多的追求良好的使用性能，而对材料的生产、使用和废弃过程中需消耗大量的能源和资源，并造成严重的环境污染，危害人类生存的严峻事实重视不够。

生态环境材料是在人类认识到生态环境保护的重要战略意义和世界各国纷纷走可持续发展道路的背景下提出来的，是国内外材料科学与工程研究发展的必然趋势。

生态环境材料是由日本学者山本良一教授于20世纪90年代初提出的一个新的概念，它代表了21世纪材料科学的一个新的发展方向。

生态环境材料是指那些具有良好的使用性能和优良的环境协调性的材料。

良好的环境协调性是指资源、能源消耗少，环境污染小，再生循环利用率高。

生态环境材料是人类主动考虑材料对生态环境的影响而开发的材料，是充分考虑人类、社会、自然三者相互关系的前提下提出的新概念，这一概念符合人与自然和谐发展的基本要求，是材料产业可持续发展的必由之路。

海水淡化材料：

他们利用超细钛粉烧结成骨架，在其表面电解形成致密性包覆层，以小分子模板将有机高分子材料复合在其表面，形成多孔不对称介孔通道，通过技术手段除去多余的不饱和单体、自由基聚合，形成原位聚合的钛合金基反渗透分离膜。

攻方法主要分3步，首先以超细钛粉烧结制备多孔的金属粉基材（骨架）；然后在多孔的钛粉基材表面改性，形成无机多孔陶瓷膜；最后在该无机多孔陶瓷膜上原位聚合有机高分子形成有机高分子活性层。

这种骨架和分离层一体化的海水淡化技术在世界范围内属首创。

新材料的发展趋势

1.注重注重多学科交叉多学科交叉，综合利用现代科学技术最新成就，促进，综合利用现代科学技术最新成就，促进材料科学与材料工程、各大类材料之间的交叉、借鉴、互补，充实和完善以成分与结构、性质、合成与加工、使用补，充实和完善以成分与结构、性质、合成与加工、使用性能为核心知识，能指导各类材料研究与开发的材料科学与工程学科。

与工程学科。

2.整体向着高性能化、多功能化、复合化、智能化和经济实用化方向发展。

3.结构材料仍然是研究与开发的主体，高技术新材料研究与开发与现有材料提升改造并重，以满足工业经济和国防安全的基础产业的需求；防安全的基础产业的需求；

功能材料是21世纪新材料研究与开发的热点，其动力主要来自于高技术需求和有关材料行为深层次的认识和控制来自于高技术需求和有关材料行为深层次的认识和控制的科学进展。

4.重视基础性研究，实现在微观、介观和宏观不同层次上，在分子、原子、电子层次上按预定同层次上，在分子、原子、电子层次上按预定性能设计和制备新材料。

5.高度重视材料及其制品和生态环境与资源的协高度重视材料及其制品和生态环境与资源的协调性。

6.新材料的合成与加工技术（制备技术）和表征评价技术及其装备的研究与开发是新材料发展的重要基础，倍受重视。

信息时代的信息功能材料仍是最活跃的领域以硅为基础的微电子技术继续占有重要位置。

不同档次的硅芯片在21世纪仍将大量存在，并将有新的发展。

单晶硅的直径不断增加，从目前8英寸（20毫米）到2010年要达到18英寸（450毫米），而且对晶片质量要求愈来愈高。

Ⅲ-V族化合物是第二代半导体材料，是移动电话的主要材料，又是光纤通讯所必需。

现已广泛得到应用。

第三代半导体材料是禁带更宽的Sic及金刚石，它们可用于高温。

光电子材料在21世纪将得到更大发展。

中继距离由目前的几十公里提高到几千公里。

材料科学与工程的内涵材料科学与工程是关于材料制备与加工工艺、组成与结构、材料性能和使用性能之间相互关系的知识成与结构、材料性能和使用性能之间相互关系的知识和应用科学。

材料科学和材料工程是一个整体，不可分割；它们之间的差异主要表现在学科的侧重点不同。

们之间的差异主要表现在学科的侧重点不同。

材料科学侧重于发现和揭示四个要素之间的关系，提出新概念、新理论。

提出新概念、新理论。

材料工程侧重于寻求新手段实现新材料的设计思想并使之投入应用，二者相辅相成。

想并使之投入应用，二者相辅相成。

汽车材料：

价廉，易成形，长寿，高可靠性，低油耗，低污染，便于回收。

小结人类社会的发展与材料的发展密切相关，人类对材料的使用从简单到复杂，从以经验为主到以科学知识为基础，逐步形成了材料科学。

成了材料科学。

材料是人类从事生产和生活的物质基础，是人类文明的重要支柱，材料的进步取决于社会生产力和科学技术的进步，支柱，材料的进步取决于社会生产力和科学技术的进步，同时材料的发展又会推动社会经济和科学技术的发展，因此材料对于人类和社会的进步具有极为重要的地位。

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高分子材料及其应用高分子材料及其应用

高分子材料是以高分子化合物为主要组分的材料。

常称聚合物或高聚物。

从化学角度来定义，高分子是由分子量很大的长链分子所组成，而每个分子链都是由共价键联结的成百上千的共价键联结的成百上千的一种或多种小分子构造而成种或多种小分子构造而成。

高分子的分类有多种高分子的分类有多种，按来源按来源可分为天然高分子、天然高分子衍生物、合成高分子三大类；根据用途则可分为结构高分子和功能高分子；另外根据工业产量和价格还可分为通用高分子、中间高分子、工程塑料以及特种高分子等等。

高分子的聚集态结构是指高分子链之间的排列和堆砌结构，也称为超分子结构。

高分子的链结构是决定高聚物基本性质的主要因素，而高分子的聚集态结构是决定高分子材料本体性质的主要因素。

固态高聚物分为晶态和非晶态两大类，晶态为分子链排列规则的部分，而排列不规则的部分为非晶态。

一个大分子链可以穿过几个晶区和非晶区。

晶区熔点、密度、强度、硬度、刚性、耐热性、化学稳定性高，而弹性、塑性、冲击强度下降。

构造影响高分子材料性能高分子材料性能构造是决定高分子材料性能最基本的因素之一。

构造是决定高分子材料性能最基本的因素之一。

种类均不同，种类均不同，所以材料性能有很大的差别。

结构单元化学组成和取代基种类相同，而联接顺序不同，结构单元化学组成和取代基种类相同，而联接顺序不同，性能也会存在差异。

三、高聚物的基本性能及特点

1．重量轻2．高弹性3．强度低4．韧性5．粘弹性．粘弹性6．断裂及其影响因素7．减摩，耐摩性．减摩，耐摩性8．绝缘性好，低导热性。

9．耐热性10．耐蚀性好11．化学稳定性12．老化．

工程塑料工程塑料与金属材料相比工程塑料有许多优点容易加工容易加工生产效率高节约能源节约能源绝缘性能；质量轻，比重约质量轻，比重约1.01.0～～1.41.4，比铝轻一半，比钢轻，比铝轻一半，比钢轻3/43/4比强度高；具有突出耐磨、耐腐蚀性等

是良好的工程机械更新换代产品是良好的工程机械更新换代产品

高分子材料的应用进展高分子材料的应用进展高分子材料因具有从可流动的高分子材料因具有从可流动的凝胶体凝胶体到到柔软弹性体柔软弹性体再到再到刚性固体的极宽的力学状态而获得了广泛应用。

现在，以塑料、合成橡胶和合成纤维为代表的三大合成材料的体积已经超过了所有金属材料的总和，并继续高速发展。

生物高分子生物高分子在汽车上应用呈增长态势在汽车上应用呈增长态势汽车厂越来越多地采用生态友好的生物高分子汽车厂越来越多地采用生态友好的生物高分子及其复合材料和其他创新技术。

及其复合材料和其他创新技术。

天然纤维、生物高分子和大豆油系聚氨醋天然纤维、生物高分子和大豆油系聚氨醋已被已被开发用于汽车内饰件，包括仪表板、座椅、组装槽和衬里。

预计通过选择更好的农作物、天然纤维及其加工技术和相容剂，可进一步提高进一步提高天然纤维复合材料天然纤维复合材料的功能性。

新材料改变我们的生活方式新材料改变我们的生活方式

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先进陶瓷材料及其应用先进陶瓷材料及其应用

1.什么是陶瓷材料？

2.先进陶瓷在工程上如何发挥作用？

陶瓷是人类最早使用的材料之一传统意义上的陶瓷是指陶器和瓷器包括玻璃、搪瓷、耐火材料、砖瓦、水泥、石膏等

陶瓷材料是除金属和高聚物以外的无机非金属材料通称。

陶瓷—是用天然或人工合成的的粉状化合物粉状化合物，经过成型和高温烧结制成的，是由无机化合物构成的多相固体材料。

陶瓷材料的相组成特点通常由三种不同的相组成晶相、气相、玻璃相

陶瓷材料的性能

（1）硬度是各类材料中最高的。

（高聚物<20HV，淬火钢500-800HV，陶瓷1000-5000HV）

（2）刚度是各类材料中最高的。

（塑料1380MN/m，钢207000MN/m）（3）强度理论强度很高；由于晶界的存在，实际强度比理论值低的多。

耐压（抗压强度高），抗弯（抗弯强度高），不耐拉（抗拉强度很低，比抗压强度低一个数量级）较高的高温强度。

（4）塑性低：

在室温几乎没有塑性。

（5）韧性差，脆性大。

是陶瓷的最大缺点。

（6）热膨胀性低－导热性差，多为较好的绝热材料（λ=10-2～10-5w/m﹒K）（7）热稳定性热稳定性—抗热振性（在不同温度范围波动时的寿命）急冷到水中不破裂抗热振性（在不同温度范围波动时的寿命）急冷到水中不破裂

所能承受的最高温度。

陶瓷的抗热振性很低（比金属低的多，日用陶瓷220℃）（8）化学稳定性化学稳定性：

耐高温，耐火，不可燃烧，抗蚀（抗液体金属、酸、碱、盐）：

耐高温，耐火，不可燃烧，抗蚀（抗液体金属、酸、碱、盐）

（9）导电性—大多数是良好的绝缘体，同时也有不少半导体（NiO，FeO等）（10）其它其它：

不可燃烧，高耐热，不老化，温度急变抗力低。

：

不可燃烧，高耐热，不老化，温度急变抗力低。

纳米陶瓷的应用

1、应用于提高陶瓷材料的机械强度

2、应用于提高陶瓷材料的超塑性

3、应用于制备电子（功能）陶瓷

4、应用于制备陶瓷工具刀

5、应用于制备生物陶瓷

6、应用于制备功能性陶瓷纤维

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复合材料应用与展望复合材料应用与展望

什么是复合材料？

国际标准化组织定义为“由两种以上物理和化学上不同的物质组合起来而得到的一种多相体系”。

有人认为“两种或两种以上不同化学性质或不同组织相的物体，以微观或宏观形式组合而成的材料均可以称为复合材料复合材料”

复合材料两点特征：

多相体系

由两种或两种以上的不同物质组成复合效果复合材料比单一组成的材料具有更好的综合性能的综合性能

复合材料分类复合材料分类1）有机纤维增强复合材料

芳纶纤维增强环氧树脂,尼龙丝增强树脂,超高分子量聚乙烯纤维增强树脂等有机纤维主要用于聚合物基复合材料合材料。

2）无机非金属增强复合材料

3）金属增强复合材料

5.复合材料的特性

1）比强度、比模量高

2）抗疲劳性能好

3）减振性能好

4）使用安全性高

5）耐热性能好

6）性能具有可设计性

从材料的认识角度，汽车的发展应该如何？

复合材料在复合材料在汽车上应用汽车上应用

碳纤维增强复合材料在汽车上的应用碳纤维增强复合材料在汽车上的应用

汽车工业汽车的轻量化轻质高强加工方便

汽车工业作为发达国家支柱产业,一直把轻质高强、加工方便的复合材料视为汽车表面覆盖件和内部结构理想材料,以推动汽车的轻量化、低油耗、高安全性,并减少环境污染和降低汽车的制造与使用综合成本。

从节约能源的角度来解决混合动力汽车。

采用轻质材料，如碳复合材料取代钢铁汽车能减轻重量一半以上碳纤维汽车在碰撞后应该能保护乘客，因为材料会破碎成很小的碎片，从而减缓了撞击，这也是减轻汽车重量的好处之一。

·····································································新型汽车材料应用

汽车发展对材料的要求汽车发展对材料的要求*除满足强度和使用寿命的要求外，还应满足性能、外观、安全、价格还应满足性能、外观、安全、价格、环保、节能等方面的需要。

2.汽车发展对材料的要求汽车发展对材料的要求节能、减污染的措施

*减轻汽车自重*提高燃烧效率提高燃烧效率*采用无污染能源*排放净化

汽车材料研究发展方向*满足减轻汽车自重、提高燃烧效率的要求烧效率的要求*研究无污染能源、排放净化相关的材料相关的材料*开发应用高比强度的材料

增加铝材在汽车上的应用增加铝材在汽车上的应用*发动机缸盖、变速箱壳体*散热器、车轮、铝结构件*底盘和悬挂系统*车身

4.国际汽车材料技术发展趋势国际汽车材料技术发展趋势用高新科技改造和提升传统材料，提高强度，降低构件质量，延长寿命，节约使用合金元素，降低成本，降低制造成本。

制造成本。

采用复合材料、代用材料。

国际汽车产业探索以铝代钢。

奥迪A8、捷豹全铝车身宝马铝－镁发动机铝－镁车轮复合材料复合材料减轻车身重量－－节油

对钢材的新要求：

外覆盖件和车架：

低屈强比，高延展性，合适的烘烤硬外覆盖件和车架：

低屈强比，高延展性，合适的烘烤硬化值，高表面质量。

表面镀层。

复杂零件：

超深冲成型复合材料（夹层钢板）：

减震阻尼钢板拼焊：

不同厚度、不同强度、不同表面处理的钢板。

高强度轻型钢板高强度轻型钢板双相钢金属基复合材料：

短纤维和粒子增强金属基复合材料：

短纤维和粒子增强塑料：

目前占车重12％，进一步提高到15％。

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纳米材料及其应用

纳米材料:

在纳米量级（1~100nm）内调控物质结构制成的具有特异性能的新材料四大特点:

尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子比例大面原子比例大四大效应:

小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、表面效应

超微粉（纳米材料）：

工程上，＜500nm称为纳米材料，＞＞500nm，称为微粉学术上，＜100nm称为纳米材料

纳米技术的应用

微粒的活性及其催化作用

光吸收材料

陶瓷增韧

红外反射材料纳米级武器

碳纳米管“秤”

碳纳米管

碳纳米管的径向尺寸较小，管的外径一般在几纳米到几十纳米；管的内径更小，有的只有1纳米左右。

而碳纳米管的长度一般在微米量级，相对其直径而言是比较长的。

因此，碳纳米管被认为是一种典型的一维纳米材料。

主要应用领域纳米电子器件加强型纤维加强型纤维生物/化学传感器纳米探针纳米探针储氢、储能材料催化剂载体催化剂载体