材料新世界講義

2021-03-04 09:20:27 字數 4691 閱讀 9468

一、人類對材料的認識歷程

人類對材料的認識是逐步深入的:

● 2023年,光學顯微鏡首次應用於金屬研究,誕生了金相學,使人們能夠將材料的巨集觀效能與微觀組織聯絡起來。

● 2023年發現了x-射線對晶體的作用並在隨後被用於晶體衍射分析,使人們對固體材料微觀結構的認識從最初的假想到科學的現實。

● 2023年發明了電子顯微鏡,把人們帶到了微觀世界的更深層次(10-7m).

● 2023年位錯理論的提出,解決了晶體理論計算強度與實驗測得的實際強度之間存在的巨大差別的矛盾,對於人們認識材料的力學效能及設計高強度材料具有劃時代的意義。

二、金屬材料的發展

1、金屬材料的優點

力學效能(如強度、塑性、韌性等)堪稱「全能冠軍」。

既耐熱,又耐寒。

金屬材料的有出色的工藝效能。

金屬有良好的導熱性、導電性和鐵磁性,在電力電子等行業有不可替代的作用。

2、五光十色的有色合金

有色金屬的產量和用量雖然大大低於鋼鐵(只佔6%),但其重要性卻無法用數量來表示。我國有色金屬的總產量佔世界第四,但人均占有量在世界排名第50位。世界有色金屬生產的構成中,鋁、銅、鉛、鋅四種佔總量的95%以上。

鋁合金:鋁是最重要的、最有特色的有色金屬,其主要特點是:密度低;抗大氣腐蝕;優良的導電性;比強度高;良好的加工效能。在從日常用品到汽車、航空材料等各行業中都有廣泛應用。

鈦合金:輕合金中的又一佼佼者,密度小、強度高、耐高溫和耐腐蝕,在航空航天及其它領域中具有主要用途。

鎂合金:比重輕,減震能力強,在航空航天領域有重要應用。

鈹合金:尺寸穩定,慣性低,用於航天;比熱大,用於散熱片和飛行器頭部;熱中子吸收截面低,用於核工業。

銅合金:包括黃銅、青銅、白銅等,用於機械、儀表、電機、化工、造船、汽車等工業。

鋅合金:用於電池鋅板,照相和膠印印刷,鑄造溫度低用於模具和儀表零件等。

鎳合金:高溫強度高,用於航空、火箭發動機和核反應堆等。

錳合金:減振效能好,用於潛艇螺旋槳、鑽桿等。

3、低熱點合金和難熔金屬

低熔點合金:鉛(熔點327℃)、錫(232℃)、鎘(321℃)、鉍(271℃)等及其合金,用於保險絲、熔斷器、焊料等。

難熔金屬:鎢合金(熔點3407℃),用於電光源材料、電子發射材料,軍事上用作穿甲彈;鉬合金(2610℃)、鈮合金(2477℃)、鉭合金(2985℃),在飛機、宇航、核工業等領域有廣泛應用。

4、***和稀土金屬

***:包括金(au)、銀(ag)、鉑(pt)、鈀(pd)、銠(rh)、銥(ir)等。有艷麗的光澤,耐腐蝕,可用於裝飾品等。

稀土金屬:稀土包括15個鑭系元素,以及鈧、釔共17種元素。在世界上分布相對集中在中國、美國、印度、澳大利亞、前蘇聯和巴西。

我國稀土資源佔世界儲量的80%左右。目前稀土已在金屬加工、永磁材料、生命科學、發光材料、高溫超導等領域有廣泛應用

5、精密合金

電熱合金:用於製造電熱器發電體,把電能轉化為熱能,如鐵基或鎳基材料。

熱電偶:主要材料及其最高使用溫度如下:鉑-鉑銠合金(1800 ℃)、鎳鉻-鎳矽合金(1300℃)、鎳鉻-鎳銅(900 ℃)、銅-鎳銅(400℃)等

精密電阻:電阻隨溫度變化小,穩定性高,用於精密儀器。

彈性合金、膨脹合金等

三、新材料介紹

新材料之一:奈米材料

1. 相關基本概念

奈米(nano meter,nm)

是一種長度單位,一奈米等於十億分之一公尺,千分之一微公尺。大約是

三、四個原子的寬度。

奈米科學(nano-science)

研究奈米尺度範圍內的物質所具有的特異現象和特異功能的科學。

奈米科學技術(nano-technology)

是指用數千個分子或原子製造新型材料或微型器件的科學技術。它以現代科學技術為基礎,是現代科學和現代技術結合的產物。

2. 奈米材料的發展歷程

人工製備奈米材料的歷史至少可以追溯到 2023年以前。中國人利用燃燒的蠟燭形成的煙霧製成碳黑,作為墨的原料或著色染料,科學家們將其譽為最早的奈米材料。中國古代的銅鏡表面防鏽層是由 sn02 顆粒構成的薄膜。

遺憾的是,當時人們並不知道這些材料是由肉眼根本無法看到的奈米尺度小顆粒構成。

2023年,隨著膠體化學( colloid chemistry)的建立,科學家們開始對1~loo nm 的粒子系統 (colloids)進行研究。但限於當時的科學技術水平,化學家們並沒有意識到在這樣乙個尺寸範圍是人類認識世界的乙個嶄新層次,而僅僅是從化學角度作為巨集觀體系的中間環節進行研究。20世紀初,有人開始用化學方法製備作為催化劑使用的鉑超微顆粒。

2023年, kchlshuthe 用 a1、cr、cu、fe 等金屬作電極,在空氣中產生弧光放電,得到了15 種金屬氧化物的溶膠。同年,welesley 等人開始對超微顆粒進行x 光射線實驗研究。2023年, ardeume首次採用電子顯微鏡對金屬氧化物的煙狀物進行觀察。

1945 年,balk 提出在低壓惰性氣體中獲得金屬超微粒子的方法。現在看來,20 世紀上半葉的研究特點是,人類已經自覺地把奈米微粒作為研究物件來探索奈米體系的奧秘。20 世紀 50 年代末, y.

aharonov 和 d.bohm 預計,在微公尺、亞微公尺(奈米材料尺寸上限)的細小體系中,一束電子分成兩束,以形成不同的位相,重新相遇後會產生電子波函式相干現象,從而導致電導的波動性。60 年代初,r.c.chambers 等人用實驗觀察到了電子束的波動性,證明了y.aharonov的預言。

幾乎在同一時期,日本理論物理大師r.kubo 在金屬超微粒子的理論研究中發現,金屬粒子顯示出與塊狀物質不同的熱性質,被科學界稱做kubo 效應。1963 年, ryozi uyedo 及其合作者發展了氣體蒸發法 (gas evaporation method) 或稱為氣體冷凝法 (gas condensation method ),通過在純淨氣體中的蒸發和冷凝過程獲得了單個金屬微粒的形貌和晶體結構。

70年代末,美國m it的w. r. cannon等人發明了雷射驅動氣相合成數十奈米尺寸的矽基陶瓷粉末 (si、sic、si 3n4),從此,人類開始了規模生產奈米材料的歷史。

2023年, mit 的德雷克斯提出,從模擬活細胞中生物分子的人工類似物出發可以組裝和排布原子,並稱之為奈米技術 ——nanotechnology。70年代末到80 年代初,人類對奈米微粒的結構、形態和特性進行了比較系統的研究,在描述金屬微粒方面可達電子能級狀態的 kubo 理論日臻完善,在用量子尺寸效應解釋超微粒子等特性方面也獲得了極大成功。70年代末,美國m it的w. r. cannon等人發明了雷射驅動氣相合成數十奈米尺寸的矽基陶瓷粉末 (si、sic、si 3n4),從此,人類開始了規模生產奈米材料的歷史。

2023年, mit 的德雷克斯提出,從模擬活細胞中生物分子的人工類似物出發可以組裝和排布原子,並稱之為奈米技術 ——nanotechnology。2023年,原聯邦德國薩爾藍大學 gleitor 教授採用惰性氣體蒸發原位加壓法製備了具有清潔介面的奈米晶體 pd、cu、fe 等多晶奈米固體。 2023年,美國科學家 kroto 等人用雷射加熱石墨蒸發法在甲苯中形成碳的團簇 c60 和 c70 (團簇的尺寸一般在l nm 以下,它由幾個到幾百個原子構成)。

2023年,美國 argon 實驗室 siegol 博土用同樣方法製備了人工奈米材料 t102等晶體。 90 年代初,採用各種方法製備的人工奈米材料已多達百種,其中,引起科技界極大重視的奈米粒子應屬於團簇粒子。 2023年,日本 nec 公司電鍍專家 iijima 在用 hrtem 檢查 c60 分子時意外發現了完全由碳原子構成的奈米碳管。

縱觀 20 世紀 90 年代奈米材料研究現狀,可以證明人類已在各個學科層面上開展了深人細緻的研究並逐漸形成了奈米科學與技術群和高科技生長點。縱觀 20 世紀 90 年代奈米材料研究現狀,可以證明人類已在各個學科層面上開展了深人細緻的研究並逐漸形成了奈米科學與技術群和高科技生長點。

奈米技術發展史上16時間節點

2023年12月29日

理查德·費曼(richard feynman)在美國物理學會會議上做了題為「在底部有很多空間」的演講。雖然沒有使用「奈米」這個詞,但他實際上介紹了奈米技術的基本概念。 「我想談的是關於操縱和控制小尺度物體的問題,」他說。

2023年

日本教授谷口紀男(norio taniguchi)在一篇題為:「論奈米技術的基本概念「的科技**中給出了新的名詞——奈米(nano)。

2023年

格爾德·賓寧(gerd binnig)和海因里希·羅雷爾(heinrich rohrer)發明了掃瞄隧道顯微鏡,它使科學家第一次可以觀察並操縱單個原子。

2023年

賴斯大學的研究人員發現了富勒烯(fullerenes)(更為人熟知的名稱是「布基球」(buckyballs),由著名未來學家,多面網格球頂的發明人巴克明斯特·富勒(r. buckminster fuller)命名),它可以被用來製造碳奈米管,是如今使用最廣泛的奈米材料之一。

2023年

在蘇黎世的ibm研究實驗室中,卡爾文·夸特(calvin quate)和克里斯托·格柏(christoph gerber)與德國物理學家賓尼(binnig)協作,發明了原子力顯微鏡*。它成為在奈米尺度成像,測量和操作的最重要的工具之一,這是奈米技術最核心的部分。

2023年

在加州聖何塞的ibm阿爾馬登研究中心,公司的科學家唐艾·格勒(don eigler)和埃哈德·施魏策爾(erhard schweizer)使用35個氙原子拼出了ibm公司的標誌,進一步表明了奈米顆粒的可操作性。

2023年

nec公司的飯島澄男(sumio iijima)製造出了碳奈米管。

2023年

白宮的國家科學技術理事會成立了奈米技術的機構間工作組。它的任務是:贊助研討會和研究,以界定奈米科學技術和**其發展前景。

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