新材料概论.pdf

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SO)的定义:两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。:(1)组元含量大于5%;(2)有明显的界面;(3)。复合材料的基本结构模式:复合材料由基体和增强剂两个组分构成基体:构成复合材料的连续相;增强剂(增强相、增强体):复合材料中独立的形态分布在整个基体中的分散相,这种分散相的性能优越,会使材料的性能显著改善和增强。增强剂(相)与基体之间存在着明显界面。:(1)由两种或多种不同性能的组分通过宏观或微观复合在一起的新型材料,组分之间存在着明显的界面。(2)各组分保持各自固有特性的同时可最大限度地挥各种组分的优点,赋予单一材料所不具9:..(3)复合材料具有可设计性。:材料为什么要复合)(1)高比强度、高比模量(刚度)(2)良好的高温性能(3)良好的尺寸稳定性(4)良好的化学稳定性(5)良好的抗疲劳、蠕变、冲击和断裂韧性(6):①先进复合材料在运动器械和娱乐用品方面的应用(1)在运动器械方面,先进复合材料都有大量使用:以玻璃纤维,碳纤维,芳纶纤维或陶瓷纤维增强复合材料为骨架的网球拍;采用层压复合材料制造滑雪棒;划桨、吊伞索、高尔夫球、曲棍球棒,撑杆跳杆等大量使用先进复合材料后,不但质轻,而且承力方向的强度很高,性能理想;性能要求较高的赛艇的帆现采用复合材料的结构形式:将芳纶纤维织物或定向超高分子量聚乙烯纤维层压在聚酯薄膜上,帆虽然很轻,但强度很高,没有蠕变问题。(2)先进复合材料在娱乐用品方面的应用先进复合材料同样被用来制作一些高质量的乐器,碳纤维复合材料制造提琴匣和吉它,比木料制得更可靠,尺寸稳定,音质不失真。碳纤维复合材料制扬声器,声波在这种复合材料的扬声器锥部表面传播速度比传统的扬声器要快几倍。②先进复合材料在航天器中的应用(代表航空航天技术开发水平的一个重要标志是看复合材料使用数量的多少。)提高航天器耐烧蚀性能;防热;减轻航天器质量;适应空天环境③复合材料在航空中的应用:航空发动机;机用雷达天线罩④先进复合材料在舰船上的应用:特点:质轻,优良的机械性能;抗疲劳性好,无磁性,耐腐蚀性好,具有可设计性,复合材料的成型过程中,同时形成了制品的结构⑤复合材料在装甲武器中的应用10:..复合材料在武器隐身技术中的应用:涂层型隐身复合材料;:根据具体要求,现则用两种或两种以上具有不同性质的材料,通过连续地改变这些材料的组成和结构,使其内如界面消失,从而得到功能相应于组成和结构的变化而渐变的非均质材料,以减小和克服结合部位的性能不匹配因素。,但与复合材料之间有明显区别。材料复合材料梯度材料设计思想材料优点的相互复合特殊功能为目标结合方式化学键/物理键分子间力/化学键/物理键微观组织界面处非均质均质/非均质宏观组织均质非均质(连续变化):①航天工业:按照基体陶瓷比率设计具有梯度的金属基/碳基复合结构(耐高温梯度)可解决起飞时遭到从燃料箱上脱落的泡沫绝缘材料的撞击,造成机体表面隔热保护层出现大面积松动和破损,造成机体表面隔热保护层出现大面积松动和破损,形成可让“热气进入的空洞”,返航途中因超高温空气的进入而彻底解体的问题②船舶工业:在舰船甲板上可采用含抗热障、抗摩擦或抗冲击的梯度功能材料涂层,或设计连续增强纤维排列的逐级梯度,显著提高其缺口阻力,抑制微观裂纹扩张③汽车工业:通过覆盖一些陶瓷含量不断增加的金属—陶瓷复合梯度涂层,可保证涂层力学完整性,保护活塞。④能源工业:采用金属/陶瓷结合的梯度材料,能消除热传递及热膨胀引起的应力,解决界面问题,可替代目前不锈钢/陶瓷复合材料⑤光学器件工业:梯度折射率透镜体积小、焦距短、消像差性好,组成的光学系统可大大减少非球面组件数,简化光学器件结构。⑥生物医学工业:羟基磷灰石(HA)陶瓷和钛或Ti-6Al-4V合金组成的梯废功能材料可作为仿生人工关节和牙齿。HA是生物相容性优良的生物活性陶瓷,钛及其合金生物相容性也很好,强度高,人造牙的齿根外表采用耐磨性优良的HA陶瓷,内部采用可承受较大变形的钛或Ti—6Al-4V合金。11:..电子材料:通过调整材料组成,使其梯度化,就能使压电系数和温度系数等得到最恰当的分配,:指化合物A在受到光频为V1的光照时,可通过特定的化学反应生成结构和光谱性能不同的产物B,而在光频为V2的光照或热的作用下,B又可逆地生成化合物A。光致变色基本特征为:A、B在一定条件下都能稳定存在,且颜色视差显著不同;A、B之间的变化是可逆的;该类材料的消色过程是光化学过程,有较好的稳定性和变色选择性。,其光致变色机理:没有光照时,玻璃呈现高度透明状态,在光照下,卤化银被从紫外到波段很宽范围的光照激发,产生光化学反应而析出游离的银离子和卤素原子,光照析出的银原子数与光照强度有关,因而在强光照射下,,室温热激发使游离态银与存在与其附近的卤素原子发生可逆化合作用,形成透明的亚微观晶相卤化银,:由产生红外辐射的目标、辐射所通过的大气和测量红外的仪器组成。用于探测目标的辐射特性、温度分布、空间方位及运动特征。4。红外系统的应用:①军事观测和测定肉眼看不见的物体②红外搜索跟踪系统比普通雷达具有更高的分辨率和更强的抗干扰能力。③红外辐射穿透雾、烟的能力比可见光强,可在不良的气候和观测条件下工作12:..红外系统在科学研究、国防建设、:红外光谱仪:光谱辐射测量。大气污染分析、燃烧废气的检测、润滑油品质分析、化妆品质量分析等远红外辐射加热:在粮食烘干、纺织品的热定型、固色等方面有广泛的应用远红外成像器件:如夜视仪器、红外显微镜等,可用于火山、地震研究,肿瘤、中风早期诊断;军事上的伪装识别;半导体元件和集成电路的质量监察等。红外测温在工业生产中,红外测温技术对高温、高压、告诉运转的设备进行监控和检测,既保证设备的安全运转,有能发现一场现象,及时排除隐患。通信和遥感:如宇宙飞船之间进行视频和音频传输,海洋、陆地、空中目标的距离和速度测量。搜索和跟踪系统:如宇航装置导、火箭、飞机预警、遥控引爆管等。无损检测:在探测焊接缺陷、火箭发动机壳体,集成电路、多层印刷电路板等方面比其他无损检测方法效果更明显。:分立发光和复合发光。分立发光:发光中心受激发时并未离化,即激发和发射过程发生在彼此独立的、个别的发光中心内部的发光。特点:单分子过程,并不伴随着光电导,又称“:受激发的粒子(如电子)在粒子内部电场作用下从激发态回到基态时的发光。其粒子跃迁的几率基本上决定于发射体内的电场,而不受外界因素影响。受迫发光:受激发的粒子(如电子)。复合发光:发光材料受激发时分离出一对带异号电荷的粒子(一般为正离子或者空穴和电子),这两种粒子复合时的发光由于离化的带电粒子在发光材料中漂移或扩散,从而构成特征性光电导,所以又称“光电导型”发光。,,由其引起的发光称为自激活发光,所以制备发光材料采用合适的基质十分重要。13:..由其引起的发光叫激活发光,掺入的微量杂质一般都充当发光中心,:激发光谱(在不同波长激发下,材料发射光谱线的强度与激发光谱长的关系),发射光谱(特定波长的激发下,材料发射光的强度随波长或能量分布的关系),发光效率(表征材料的发光本领,三种表示方法:量子效率:发光量子数与激发源输入的量子数之比。能量效率:发光的能量与激发源输入的能量之比。光度效率:发光的流明数与激发源输入的能量之比。),光色(指发光的颜色),余辉(激发停止后的发光),荧光寿命(激发态的寿命,电子返回基态之前耽搁在激发态时的平均时间):受激吸收、自发辐射和受激发射。(1)受激吸收:当一个频率为v21的准单色光波通过能隙hv21的二能级系数时,若能级满足辐射跃迁选择定则,这时处于低能级E1的原子吸收入射光子,跃迁到高能级E2上。宏观表现:光被吸收(2)自发辐射:跃迁到能级E2上的原子是不稳定的,它会自发地通过辐射一个能量的光子返回到E1能级上。各原子的自发发射是独立进行的,:发光(3)受激发射:处于高能级的粒子不仅可以自发发射,而且可以在入射频率为V21的光子感应下受激发射,跃迁到E1能级上,:光被放大(4)粒子数反转:粒子数反转分布的作用在于当外来辐射时,受激辐射总是大于受激吸收,因而产生了光的放大信号。实验证明,许多物质给予一定激励后,能实现这种反转分布,:由多种材料组元通过有机的紧密复合或严格的科学组装而构成的材料系统,与结构密切相关,互为一体。2。智能材料的构成:(1)基体材料作用和任务:承载材料其它三部分种类:轻质材料(高分子材料、轻质有色合金)(2)敏感材料14:..作用和任务:感知环境变化种类:光纤材料、压电材料、形状记忆材料、磁致伸缩材料、C纤维等(3)驱动材料作用和任务:产生应变和应力→→响应和控制。种类:压电材料、形状记忆材料、电(磁)流变体、磁致伸缩材料、刺激响应性高分子凝胶等.(4)信息处理器3。智能材料的设计思路:以功能材料为基础,以仿生学、人工智能及系统控制为指导,依据材料复合的非线性效应,用先进的材料复合技术,将感知材料、驱动材料和基体材料进行复合。4。智能材料设计的具体过程:明确材料的应用目标和实现思路确定智能材料的输入场和输出场→选择感知组元、驱动组元和中间场→借助于中间场,:在高温下处理成一定形状的金属急冷下来,在低温相状态下经塑性变形为另一种形状,然后加热到高温相成为稳定状态的温度时,通过马氏体逆相变恢复到低温塑性变形前的形状的现象。具有这种效应的金属,通常是由两种以上的金属元素构成的合金,故称为形状记忆合金形状记忆机理:形状记忆效应是由于合金中发生了热弹性或应力诱发马氏体相变。热弹性马氏体和应力诱发马氏体统称为弹性马氏体。只有弹性马氏体相变才能产生形状记忆效应.(1)热弹性马氏体相变:马氏体相变是无扩散相变,马氏体转变的微观过程是孪生变形过程,所形成的马氏体与母相有很好的共格性,因此在母相与马氏体的转变循环中,母相可完全恢复原状。(2)应力诱发马氏体相变与超弹性:(超弹性变形是由应力诱发马氏体相变导致的。)对母相状态的样品在Af温度以上施加外力,随外力增加,样品首先发生遵循虎克(Hook)定律的弹性变形。应力超过弹性极限后,随应力的缓慢增加,样品的应变显著增加,在一定的应变范围内卸载,应变会完全消失,如同弹性变形,但其应变量远远超出通常意义上的弹性变形,称之为超弹性变形。其实质与弹性变形不同,故又称为伪弹性(PE)变形。随外加应力的增加,在应力作用下母相与马氏体间处于平衡的温度T0(σ)增加,Ms和Af也相应增加。当Ms超过环境温度时,,Ms高于环境温度的幅度更大,马氏体转变的量随之增加,即马氏体由应力诱发而形成,发生了应力诱发马氏体相变。卸除外力,合金的相变点降低,,马氏体逆转变回母相,样品的变形随之消失,显示出超弹性。15:..7.:单程记忆效应,双程记忆效应,全程记忆效应8。自适应高温陶瓷材料:加入某种物质能够在高温下自动“流入”裂纹并屏蔽内部组织与氧气的接触实例:在氮化硅陶瓷中加入少量NbN自适应抗氧化机制:高温下铌在氮化硅表面形成NbO—NbO—NbO-,呈致密状覆盖在表面,隔断氧气向内部侵入;氧通过氧化层继续向内扩散时,氧将依次与氧化层中价态较低的铌的氧化物或氮化物反应,生成更高价态的氧化物,从而有效地阻挡氧向深度扩散;SiN和NbN与氧反应生成N,形成局部还原环境,抑制氧化。:电磁波导致材料内部的可极化物质(电子、离子、极化分子、空泛电荷等)发生频繁反转或摩擦而发热实例:在氮化硅陶瓷中加入少量介电常数较大的碳化钛和碳化铌等颗粒。自愈合机制:碳化物热膨胀系数较大,晶粒也较大,,温度高于周围基质氮化硅和晶界,促使碳化物颗粒向周围扩散并愈合周围的微细裂纹和孔隙。:智能特征:利用氧化锆的相变特性,能响应外界环境的变化,吸收环境冲击,具有自诊断和自修复功能。智能化机制——自诊断、自愈合①当外力作用达到一定程度后,它能迅速地作出反应,发生四方相向单斜相的马氏体相变,吸收外力作用能而阻碍裂纹继续扩展,防止材料整体破坏,提高材料的强度和韧性.②相变发生处材料组成、结构、尺寸发生变化,声波传播速率、热导率和电导率等性能也随之而变,以此作为材料受到外力作用的信号,对材料使用中的疲劳强度及膨胀情况等作出评价和诊断。