鎳鋅鐵氧體

1、2024/2/27,1,現代科學技術通論,,2024/2/27,2,第4章 材料科學與新材料技術,材料科學的內含？ 何謂新材料？ 新材料有那些主要特徵？ 新材料的類型？ 怎樣開發(fā)利用新材料？,2024/2/27,3,4.1材料科學簡介,材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質基礎，是社會生產力的三大重要因素之一。20世紀70年代，人們把資訊、材料和能源作為社會文明的支柱。80年代，隨著高技術群的興起，又把新材料技術與資訊技術、生物技術並列

2、作為新技術革命的重要標誌?，F代社會，材料已成為國民經濟建設、國防建設和人民生活的重要組成部分。,2024/2/27,4,4.1.1材料的定義和分類,材料是人類用來製造機器、構件、器件和其他產品的物質。但並不是所有物質都可稱為材料，如燃料和化工原料、工業(yè)化學品、食物和藥品等，一般都不算作材料。,新材料（或稱先進材料）是指新近發(fā)展或正在發(fā)展之中的具有比傳統(tǒng)材料的性能更為優(yōu)異的一類材料。材料科學是研究材料的組織結構、性質、生產流程和使用效能，

3、以及它們之間相互關係的科學。材料科學是多學科交叉與結合的結晶，是一門與工程技術密不可分的應用科學。,2024/2/27,5,材料的分類：1.按物理化學屬性:金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料和複合材料。2.按用途:電子材料、宇航材料、建築材料、能源材料、生物材料等。 實際應用中又常分為結構材料和功能材料。（1）結構材料是以力學性質為基礎，用以製造以受力為主的構件。結構材料也有物理性質或化學性質的要求，如光澤

4、、熱導率、抗輻射能力、抗氧化、抗腐蝕能力等。根據材料用途不同，對性能的要求也不一樣。（2）功能材料主要是利用物質的物理、化學性質或生物現象等對外界變化產生的不同反應而製成的一類材料。如半導體材料、超導材料、光電子材料、磁性材料、生物醫(yī)學工程材料等。,2024/2/27,6,4.1.2新材料的特點,新材料與新技術密切相關，常常是多種學科的相互交叉和滲透的結果，新材料是新技術發(fā)展的必要物質基礎，是當代技術革命的先導。在新材料的設計、製備、

5、性能檢測等方面往往都需要高新技術，而某些未來的高新技術的實現往往依賴於新材料的研製。所以說新材料是高技術的一部分，同時又為高技術服務。,2024/2/27,7,新材料的六大特徵,1）表徵性 新材料是生產力發(fā)展的產物，社會進步的結果，歷史前進的必然，也是人類文明的表徵。新材料的研究水準與產業(yè)化程度已成為衡量一個國家和地區(qū)經濟發(fā)展、科技進步和國防實力的重要標誌。2）先導性 新材料是發(fā)展其他高新技術的先導、基礎與支撐，是一切高新技術付諸

6、實施的前提與條件。3）依託性 新材料通常是採用高新技術研究與開發(fā)出來的。新材料來源並依託于科技創(chuàng)新。,2024/2/27,8,4）時間性 新材料大多是新近出現與創(chuàng)制出來的，或正處在研究開發(fā)與發(fā)展之中的材料。5）優(yōu)能性 新材料具有傳統(tǒng)材料無法企及、無法比擬或更為優(yōu)異的綜合性能與特殊功能。6）新穎性 新材料與傳統(tǒng)材料相比，往往具有更為新穎的化學組成、更為合理的組織結構、更為出色的加工性能或更為適用的色澤外形等

7、。,2024/2/27,9,1．材料科學的形成材料是早已存在的名詞，但“材料科學”則是在20世紀60年代提出的。1957年，前蘇聯(lián)人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功之後，美國政府及科技界為之震驚，並認識到先進材料對於高技術發(fā)展的重要性，於是在一些大學相繼成立了十餘個材料科學研究中心，從此，材料科學這一名詞開始被人們廣泛地引用。,4.1.1材料科學的形成與發(fā)展簡史,2024/2/27,10,（1）固體物理、無機化學、有機化學、物理化學等學科的發(fā)展，對

8、物質結構和物性的深入研究，推動了對材料本質的研究和瞭解；同時，冶金學、金屬學、陶瓷學等對材料本身的研究也大大加強，從而對材料的製備、結構和性能，以及它們之間的相互關係的研究也越來越深入，這為材料科學的形成打下了比較堅實的基礎。,2024/2/27,11,（2）在材料科學這個名詞出現以前，金屬材料、高分子材料與陶瓷材料科學都已自成體系，它們之間存在頗多相似之處，可以相互借鑒，促進本學科的發(fā)展。如馬氏體相變本來是金屬學家提出來的，而且廣泛地

9、用來作為鋼熱處理的理論基礎。但在氧化鋯陶瓷材料中也發(fā)現了馬氏體相變現象，並用來作為陶瓷增韌的一種有效手段。,2024/2/27,12,（3）各類材料的研究設備與生產手段也有很多相似之處。雖然不同類型的材料各有專用測試設備與生產裝置，但更多的是相同或相近的，如顯微鏡、電子顯微鏡、表面測試及物理性能和力學性能測試設備等。在材料生產中，許多加工裝置也是通用的。研究設備與生產裝備的通用不但節(jié)約了資金，更重要的是相互得到啟發(fā)和借鑒，加速了材料的發(fā)

10、展。,2024/2/27,13,（4）科學技術的發(fā)展，要求不同類型的材料之間能相互代替，充分發(fā)揮各類材料的優(yōu)越性，以達到物盡其用的目的。長期以來，金屬、高分子及無機非金屬材料學科相互分割，自成體系。由於互不瞭解，習慣於使用金屬材料的想不到採用高分子材料，即使想用，又對其不太瞭解，不敢問津。相反，習慣於用高分子材料的，也不想用金屬材料或陶瓷材料。因此，科學技術發(fā)展對材料提出的新的要求，促進了材料科學的形成。,2024/2/27,14,（5

11、）複合材料的發(fā)展，將各種材料有機地聯(lián)成了一體。複合材料在多數情況下是不同類型材料的組合，通過材料科學的研究，可以對各種類型材料有一個更深入的瞭解，為複合材料的發(fā)展提供必要的基礎。,2024/2/27,15,人類社會的發(fā)展歷程，是以材料為主要標誌的。100多萬年以前，原始人以石頭作為工具，稱舊石器時代。1萬年以前，人類對石器進行加工，使之成為器皿和精緻的工具，從而進入新石器時代。新石器時代後期，出現了利用粘土燒制的陶器。人類在尋找石器過程

12、中認識了礦石，並在燒陶生產中發(fā)展了冶銅術，開創(chuàng)了冶金技術。西元前5 000年，人類進入青銅器時代。西元前1 200年，人類開始使用鑄鐵，從而進入了鐵器時代。,2．材料科學發(fā)展簡史,2024/2/27,16,隨著技術的進步，又發(fā)展了鋼的製造技術。18世紀，鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，成為產業(yè)革命的重要內容和物質基礎。19世紀中葉，現代平爐和轉爐煉鋼技術的出現，使人類真正進入了鋼鐵時代。與此同時，銅、鉛、鋅等有色金屬也大量得到應用，鋁、鎂、鈦等金屬也相

13、繼得到應用。直到20世紀中葉，金屬材料在材料工業(yè)中一直佔有主導地位。,2024/2/27,17,20世紀中葉以後，科學技術迅猛發(fā)展，作為“發(fā)明之母”和“產業(yè)糧食”的新材料又出現了劃時代的變化。首先是人工合成高分子材料問世，並得到廣泛應用。先後出現尼龍、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等塑膠，以及維尼綸、合成橡膠、新型工程塑料、高分子合金和功能高分子材料等。僅半個世紀時間，高分子材料已與有上千年歷史的金屬材料並駕齊驅，並在年產量的體積上已超過了

14、鋼，成為國民經濟、國防尖端科學和高科技領域不可缺少的材料。,2024/2/27,18,其次是陶瓷材料的發(fā)展。陶瓷是人類最早利用自然界所提供的原料製造而成的材料。20世紀50年代，合成化工原料和特殊製備工藝的發(fā)展，使陶瓷材料產生了一個飛躍，出現了從傳統(tǒng)陶瓷向先進陶瓷的轉變，許多新型功能陶瓷形成了產業(yè)，滿足了電力、電子技術和航太技術的發(fā)展和需要。,2024/2/27,19,結構材料的發(fā)展，推動了功能材料的進步。20世紀初，開始對半導體材料進

15、行研究，50年代，製備出鍺單晶，後又製備出矽單晶和化合物半導體等，使電子技術領域由電子管發(fā)展到電晶體、積體電路、大規(guī)模和超大型積體電路。半導體材料的應用和發(fā)展，使人類社會進入了資訊時代。,2024/2/27,20,現代材料科學技術的發(fā)展，促進了金屬、非金屬無機材料和高分子材料之間的密切聯(lián)繫，從而出現了一個新的材料領域——複合材料。複合材料以一種材料為基體，另一種或幾種材料為增強體，可獲得比單一材料更優(yōu)越的性能。複合材料作為高性能的結構材

16、料和功能材料，不僅用於航空航太領域，而且在現代民用工業(yè)、能源技術和資訊技術方面不斷擴大應用。,2024/2/27,21,4.2先進金屬材料 4.2.1形狀記憶合金 1951年美國瑞德（Read）等人首先在金-鎘（Au-Cd）合金中發(fā)現形狀記憶效應，當時卻沒有引起人們的足夠重視。直到1964年有人在鈦-鎳（Ti-Ni）合金中發(fā)現形狀記憶效應之後才受到世界矚目。 形狀記憶效應是指將在高溫下處理

17、成一定形狀的金屬急冷下來，在低溫相狀態(tài)下經塑性變形成另一種形狀，然後加熱到高溫相成為穩(wěn)定狀態(tài)的溫度時通過馬氏體逆相變恢復到低溫塑性變形前形狀的現象。具有這種效應的金屬，通常是由兩種以上的金屬元素構成的合金，故稱為形狀記憶合金。,2024/2/27,22,美國在噴氣式戰(zhàn)鬥機的油壓系統(tǒng)中，用鈦-鎳形狀記憶合金製成管接頭套，在低溫下擴徑，隨即裝套。隨著溫度回升到室溫，接頭套即自動箍緊。 用這種接頭，從未發(fā)生過漏油、脫落或破損等事故

18、。,2024/2/27,23,可用來製造人造衛(wèi)星的天線和能量轉換熱機等。鎳鈦形狀記憶合金可製成人造衛(wèi)星天線而捲入衛(wèi)星體內,當衛(wèi)星進入軌道後，借助太陽熱或其他熱源能在太空中展開。,2024/2/27,24,形狀記憶合金做成的自鉚釘,2024/2/27,25,形狀記憶合金在醫(yī)學領域也有廣泛應用。利用形狀記憶合金的超彈性可以製造血栓篩檢程式、脊柱矯形棒、牙齒矯形弓絲、人工關節(jié)和人造心臟等。如用鈦-鎳合金製成的牙齒矯正弓形絲．具有操作簡單、方便

19、、有良好的生物相容性和耐腐蝕性等優(yōu)點。,用形狀記憶合金製成的幾種人造骨骼,2024/2/27,26,4.2.2超塑性合金 （1）微晶超塑性 微晶超塑性的條件要求晶粒微細化、等軸化和穩(wěn)定化。有些材料（如-銅-鋅-鋁合金等）超塑變形前為變形組織，利用超塑性中的高溫和載入形變進行動態(tài)再結晶，形成細晶組織。,（2）相變超塑性 相變超塑性是在相變點的溫度附近，反復進行溫度迴圈（加熱和冷卻），在此過程中施加一定的外力，也可導致超塑性變形。

20、,2024/2/27,27,4.2.3減振合金解決機械結構中的振動和雜訊的根本辦法是使振動源和零部件材料具有良好的減振能力，理想的減振材料不僅應該具備一般金屬的強度及耐高溫等特性，同時又要有高減振（或稱高阻尼）的特性。因此就產生了減振合金。減振合金又稱為高阻尼合金。,2024/2/27,28,用減震合金支撐的軍用車裝甲,減震合金汽車配件,2024/2/27,29,減振合金的應用領域非常廣泛。航空航太領域：可以用於火箭、導彈、噴氣機等

21、控制盤和陀螺儀的外殼、座艙等；汽車領域：可用於剎車盤、發(fā)動機的轉動部件、空氣淨化器等；土木建築領域：用於橋樑、鑿巖機、鋼梯等；機械方面：如鏈式輸送機導板，大型鼓風機框架及葉片等；家用電器方面，用於空調器、洗衣機、垃圾處理機等、音響設備的喇叭等；鐵路領域：可以用於車輪、鐵軌及線路修補機；船舶領域：可用於推進器傳動部件、艙室隔板等等。,2024/2/27,30,4.2.4儲氫合金氫在新能源的開發(fā)中佔有重要的地位。所以人們在探尋簡

22、便地制氫方法同時，也探尋著簡便而有效地儲存氫的方法?？茖W家們進行了艱苦的探索，根據金屬能吸氫的特點，提出了用金屬儲氫的辦法。這種用於貯氫的金屬稱為貯氫合金。儲氫合金是靠其與氫進行化學反應生成金屬氫化物來儲氫的，這個化學反應是可逆的，無論是金屬合金吸氫生成金屬氫化物還是金屬氫化物分解釋放出氫，都受溫度、壓力及合金成分的控制。需要儲氫時，讓合金與氫反應生成金屬氫化物；需要用氫時，則可將金屬氫化物加熱，使氫釋放出來，並可通過溫度、壓力調節(jié)其

23、釋放量。,2024/2/27,31,儲氫合金的應用領域很多：（1）以儲氫合金儲存的氫為動力，取代汽油發(fā)動機而製成的燃氫汽車已有實驗樣品。（2）以燃氫為動力的汽車可以大大減少對環(huán)境的污染。（3）在電廠中用儲氫材料可以完成能量的轉換與儲存；可利用其可逆反應中的吸熱和放熱特性來設計調節(jié)溫度的供暖與製冷系統(tǒng)；（4）還可以利用氫燃料無污染的特性將儲氫合金引入家用廚房設備。,2024/2/27,32,4.2.5非晶態(tài)合金在通常的情況下，液

24、態(tài)金屬冷卻凝固時，原子總是按一定的規(guī)則排列，成為晶體。液態(tài)金屬的凝固過程同時也是一個結晶的過程，所以金屬凝固又稱金屬結晶。1960年美國科學家首次通過快速冷卻的方法（冷卻速度每秒100萬ºC /s），抑制了液固結晶過程，使得凝固後的金-矽（70％金~30％矽）合金中的原子基本上保持著原來液態(tài)時的無序狀態(tài)，沒有發(fā)生結晶過程，成為非晶態(tài)合金。非晶態(tài)合金在化學成分上它們是金屬或合金，而在微觀結構上呈現出典型的玻璃態(tài)結構，因此又被稱

25、之為金屬玻璃。這種新型材料具有許多優(yōu)異的物理性能和化學性能。,2024/2/27,33,非晶態(tài)合金的強度和硬度比現有的一般晶態(tài)金屬都高，如果用它製作高強度控制電纜和橡膠輪胎的增強材料，將大大提高其使用壽命。非晶態(tài)合金兼有良好的韌性，有的非晶態(tài)合金薄帶在180º範圍內反復彎曲而不斷裂。非晶態(tài)合金具有高的耐腐蝕性。例如，常用不銹鋼在溫度為60ºC、濃度為10％的三氯化鐵溶液中，每年表層被蝕掉120 mm，而含鉻的非晶態(tài)

26、合金在同樣的環(huán)境下年腐蝕速率卻接近於零。所以非晶態(tài)合金的耐腐蝕性特別強，是一種極有發(fā)展前景的耐腐蝕材料。,2024/2/27,34,非晶態(tài)合金的電阻率很高，電阻率一般為晶態(tài)的2~5倍，電阻溫度係數低，不同的非晶態(tài)合金的電阻溫度係數可以由正到負在很大的範圍內變化，因此可望用非晶態(tài)合金製備出具有高電阻率和低電阻溫度係數的材料。非晶態(tài)軟磁合金材料性能優(yōu)異，採用軋輥法制得的Fe8Si9B13快淬薄帶，電阻率是取向矽鋼的2.5倍還多，用這種材料

27、繞制配電變壓器鐵芯，使鐵芯在交變磁場下工作時渦流損耗大大下降，其損耗只有矽鋼鐵芯變壓器的1／3，如果我國能夠全部用非晶鐵芯變壓器代替矽鋼鐵芯變壓器，據估計，每年可節(jié)省電能60多億kw·h，約合10億元人民幣。,2024/2/27,35,催化：有些非晶態(tài)合金具有很好的催化特性，比一般的晶態(tài)材料的催化活性及穩(wěn)定性都高得多。儲氫：有的非晶態(tài)材料還具有很強的吸氫能力。超導：有的非晶態(tài)材料還具有超導性等,2024/2/27,36,4

28、.2.6其他先進金屬材料1．金屬磁性材料,（1）永磁材料永磁材料是指具有強的抗退磁能力和高的剩餘磁感應強度的強磁性材料。永磁材料大體分成以下幾類：1）可變形永磁合金，包括含碳（或鎢、鉻、鈷）的磁鋼、鐵-鉻-鈷系合金、鐵-鈷-釩系合金、鉑-鐵（鉑-鈷）系合金。錳-鋁-碳系合金、銅-鎳-鐵（銅-鎳-鈷）系合金等。這類材料可以通過熱、冷塑性變形和機械加工製成絲、帶及各種形狀的永磁體。2）鑄造永磁合金，主要指鑄造的鐵-鎳-鋁和鐵-鎳-鋁

29、-銅系合金，其特點是質脆而硬，只能通過鑄造（或粉末冶金）成型和磨削加工製成磁體。3）稀土永磁合金。,2024/2/27,37,（2）軟磁材料軟磁材料和永磁材料不同，它們在較低的磁場中即可被飽和磁化，從而呈現很強的磁性，但在磁場撤除以後，磁性就基本消失。典型的軟磁材料有純鐵、錳鋅鐵氧體、鎳鋅鐵氧體、鎂鋅鐵氧體。鐵-矽（Fe-Si）合金、鐵-鎳合金和鐵-鈷合金等。非晶態(tài)軟磁材料性能優(yōu)異，目前重點研究的非晶態(tài)軟磁材料主要有：過渡金屬-類金

30、屬非晶態(tài)磁性合金、稀土-過渡族非晶態(tài)磁性合金、過渡金屬-過渡金屬非晶態(tài)磁性合金。,2024/2/27,38,（3）超高磁致伸縮材料 磁致伸縮現象是指磁性材料在磁場中被磁化後，其外形尺寸發(fā)生伸長或縮短的現象。尺寸變化的大小通常隨著磁場的增大而增大，當磁場強度增大到一定值時，材料的長度便不再隨磁場強度的進一步增大而改變。這時材料長度的相對變化率稱為飽和磁致伸縮係數。磁致伸縮性質是鐵磁體所具有的特性。傳統(tǒng)磁致伸縮材料包括有鎳及鎳基合金、

31、鐵基合金、鐵氧體材料等，飽和磁致伸縮都在10-5以上。這些磁性材料已在實際器件中得到了廣泛應用。稀土超磁致伸縮材料在執(zhí)行器方面的應用包括線性馬達、蠕動馬達、機器人、燃料注入泵、液壓系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、衝壓系統(tǒng)、微位移器、照相機快門和打印頭墨水注入器等。,2024/2/27,39,,圖4-7磁致伸縮焊線鉗,圖4-8 稀土超磁致伸縮材料製作的 水下發(fā)射型聲吶元件,2024/2/27,40,4.3特種陶瓷材料特種陶瓷是以高

32、純、超細的人工合成的無機化合物為原料，採用精密控制的製備工藝燒結而成的，是比傳統(tǒng)陶瓷性能更加優(yōu)異的新一代陶瓷。特種陶瓷又稱為精細陶瓷或新型陶瓷等。它的出現與現代工業(yè)和高技術密切相關。特種陶瓷在許多方面都突破了傳統(tǒng)陶瓷的概念和範疇，是陶瓷發(fā)展史上的一次革命性的變化。,2024/2/27,41,特種陶瓷的分類：（1）按其化學成分可分為氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷、矽化物陶瓷、氟化物陶瓷、硫化物陶瓷和磷化物陶瓷等。除以上由

33、一種化合物為主構成的單相陶瓷外，還有由兩種或兩種以上的化合物構成的複合陶瓷。（2）按性能和用途，特種陶瓷一般分為結構陶瓷和功能陶瓷兩類。也有人把它分成三類，其中另一類為生物陶瓷。,2024/2/27,42,4.3.1結構陶瓷結構陶瓷主要指特種陶瓷中發(fā)揮其機械、熱、化學等效能的材料。由於它們具有耐高溫、耐沖刷、耐腐蝕、高耐磨、高硬度、高強度以及低蠕變速率等一系列優(yōu)異性能，可以承受金屬材料和高分子材料難以勝任的嚴酷工作環(huán)境，常常成為某種

34、科學技術得以實現的關鍵。,2024/2/27,43,1．氮化物陶瓷 （1）氮化矽陶瓷。具有高溫強度高、抗熱震性能好、高溫蠕變小、耐腐蝕和低密度等優(yōu)良性能，應用非常廣泛?？捎渺稛釞C的陶瓷材料，如陶瓷電熱塞、增壓器陶瓷葉輪等已在日本等國工業(yè)化生產；可用於高溫結構材料，如可用於在空氣中高溫條件下使用的支架、軸、螺絲及焊接用噴嘴等結構材料；可用作耐磨材料，如軸承、軸瓦等；還可以用作金屬加工的刀具材料等。（2）氮化硼。又稱白色石墨，因其耐高

35、溫、電絕緣性好、熱導率高和高潤滑性而引人注目。它的化學穩(wěn)定性極好，緻密的氮化硼陶瓷材料已廣泛用於高溫電爐，低頻。高頻電熱裝置，等離子和電弧脈衝發(fā)生器的絕緣材料，自動焊接保護套，雷達天線支架和視窗材料，中子吸收劑和核反應爐保護裝置材料等。立方氮化硼硬度僅略低於金剛石，可用於製造切削刀具和拔絲模具。,2024/2/27,44,（3）賽隆（Silalon）。在氮化矽中添加氧化鋁，用氧原子取代一部分氮，用鋁原子取代一部分矽，這樣就由氮化矽派生出

36、一種新化合物，即賽隆。後來又發(fā)現鈹、鋰原子也可取代矽，這樣就構成了一系列新的化合物。人們目前對這類化合物還不太熟知，對其進行研究，可能會得到一批性能優(yōu)良的新型陶瓷材料。塞隆（Sialon）複合材料產品具有高強、超硬、耐高溫和耐腐蝕，熱穩(wěn)定性強，無污染，綠色環(huán)保等優(yōu)良特性。,2024/2/27,45,立方氮化硼刀具,賽隆鋁鋯碳質滑動水口,2024/2/27,46,2．碳化矽陶瓷 碳化矽即金剛砂，它有許多優(yōu)良的特性。在硬度方面，它僅次

37、於金剛石、碳化硼和立方氮化硼。3．氧化鋁陶瓷 氧化鋁陶瓷具有耐高溫、抗腐蝕、高強度、高硬度、高絕緣性及耐磨性。 4．高韌性陶瓷 由於陶瓷材料的抗衝擊性差，因而限制了它的使用範圍。人們發(fā)現在某些陶瓷材料中引入一定量亞穩(wěn)氧化鋯微粒（1μm以下）並使其均勻分佈，可大大提高材料的強度和韌性。,2024/2/27,47,5．透明陶瓷製造陶瓷透明的關鍵是，原料要有很高的純度，而且對稱性越高越好（否則會發(fā)生雙折射），並採用使光散射減

38、至最小的生產控制工藝。透明陶瓷的品種很多，主要有氧化鋁、氧化鎂、氧化釔、氧化釷和氧化鈹等氧化物陶瓷。在非氧化物陶瓷方面也有報導，如氯化鎂、硒化鋅等。這些陶瓷都具有耐高溫、抗腐蝕的特點，最早的應用是透明氧化鋁陶瓷作為高壓鈉燈的燈管材料，目前透明陶瓷材料已廣泛的應用於航空航太等領域。例如，透明氧化鎂陶瓷是理想的高溫紅外材料，可用於火箭、導彈及宇航器的紅外窗口、整流罩、紅外透鏡等。,2024/2/27,48,4.3.2功能陶瓷材料功能陶瓷是

39、指那些利用其電、磁、聲、光、熱、彈等直接效應及其耦合效應所提供的一種或多種性質來實現某種使用功能的先進陶瓷。功能陶瓷又稱為電子陶瓷。在電子通訊、自動控制、積體電路、電腦技術和資訊處理等方面日益得到廣泛的應用。深入瞭解功能陶瓷的性質以及開拓新的應用領域，無疑將有重要意義。目前功能陶瓷正向高可靠、微型化、薄膜化、多功能和高效能方向發(fā)展。,2024/2/27,49,1．導電陶瓷 導電陶瓷是指電導率大於10-2 S／cm的一類陶瓷材料。（

40、1）非氧化物導電陶瓷：碳化矽、二矽化銀、硼化鋁等，它們的使用溫度分別為1 450℃、1 700℃、2 000～2 800℃。（2）氧化物導電陶瓷：氧化鋯、氧化釷、鉻酸鑭等摻雜或不摻雜的氧化物燒結體。氧化物導電陶瓷比非氧化物導電陶瓷更耐高溫，抗氧化能力更強，用途更廣泛。鉻酸鑭導電陶瓷的使用溫度可達1 800℃，在空氣中的使用壽命在1 700 h以上，可用於1 500～1 800℃的高溫電爐，稱得上是最好的電熱材料；硼化諸導電陶瓷的使

41、用溫度在2 000℃以上，可作為磁流體發(fā)電機中通道的電極材料。,2024/2/27,50,2．新型高性能介電陶瓷 介電陶瓷材料目前已廣泛用於電子工業(yè)，由於積體電路基板的陶瓷材料要求絕緣電阻高、耐高壓、介電常數小、介電損耗低。具有一定強度、耐熱性好、導熱係數高以及化學性質穩(wěn)定等特點，氧化鋁、氧化鈹、碳化矽及氮化鋁等是作為積體電路基板的候選陶瓷材料。氧化鋁的性能隨坯體中氧化鋁含量的提高而提高。這種陶瓷的介電損耗低，電性能與溫度的關係不大

42、、機械強度高、化學穩(wěn)定性好，已被廣泛應用於基板材料。除了在基板材料方面的應用外，某些具有高介電常數的陶瓷也廣泛應用於電容器製造行業(yè)。,2024/2/27,51,3．半導體陶瓷 半導體陶瓷又簡稱為半導瓷，是具有半導體特性的陶瓷材料，導電性能介於金屬與絕緣體之間。通常具有比較大的負電阻溫度特性，微量雜質可以改變其電阻率，與金屬或不同導電體接觸形成勢壘顯示整流作用等性質。半導體陶瓷的晶粒、晶界及介面現象顯示多種多樣的功能特性，可製作半導體

43、晶界層陶瓷電容器。,2024/2/27,52,（1）熱敏陶瓷是利用半導體陶瓷的電阻值對溫度敏感的特性製成的一種對溫度敏感的器件。熱敏陶瓷分負溫度係數、正溫度係數、臨界溫度係數熱敏陶瓷。主要用於製作熱敏電阻器、溫度感測器、加熱器及限電流器件等。（2）氣敏陶瓷是利用材料對氣體的吸附化學反應而製成的半導體陶瓷。因其對氣體敏感主要用於防災報警。,2024/2/27,53,（3）壓敏陶瓷是一類具有壓電電流非線性的半導體材料。（4）濕敏陶瓷可用

44、於對濕度的控制和測量。（5）光敏半導體陶瓷材料的電參量隨環(huán)境的變化而變化；按照光敏效應可分為：光電效應材料、光導電效應材料、光電子發(fā)射效應材料及熱釋電效應材料。,2024/2/27,54,4．壓電陶瓷 某些電介質在力的作用下，產生形變，極化狀態(tài)發(fā)生變化，引起介質表面帶電。如果表面電荷密度與應力成正比，稱為正壓電效應。反之，施加激勵電場，介質將產生機械變形，應變與電場強度成正比，這稱為逆壓電效應。正壓電效應和逆壓電效應統(tǒng)稱為壓電效應

45、。,2024/2/27,55,壓電陶瓷的應用範圍非常廣泛，壓電陶瓷可將機械能轉換為電能，壓電點火就是最典型的例子。用壓電陶瓷也可以把電能換為超聲振動，用於對金屬無損探傷，超聲探傷等。用壓電陶瓷製成的感測器可用於聲吶系統(tǒng)、遙感遙測等。壓電陶瓷還可以用來製造各種濾波器和諧振器。,,壓電陶瓷蜂鳴器和揚聲器 圖3-12壓電陶瓷諧波器,2024/2/2

46、7,56,4.3.3生物陶瓷材料生物陶瓷是指具有特殊生理行為的陶瓷材料，可以用來構成人體骨骼和牙齒的某些部位，部分或整體的修復或替換人體的某種組織或器官，或增進其功能。作為生物陶瓷必須具有良好的生物相容性和力學匹配性。根據在生理環(huán)境中所發(fā)生的生物化學反應。 ① 惰性生物陶瓷， ② 表面活性生物陶瓷， ③ 可吸收生物陶瓷。,2024/2/27,57,,圖4-13生物陶瓷製成的聽小骨及其他器件,2024/2/27,58

47、,4.4光電子材料,4.4.1鐳射材料鐳射材料多種多樣，用於製作不同波長、不同功率水準和不同類別的雷射器，並應用於光電子技術的不同領域。在光電子資訊技術中廣泛應用的半導體雷射器，鐳射管和發(fā)光管都用半導體化合物做材料，如 磷化鎵（GaP）、硫化鎘（CdS）、砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）、銻化鎵（GaSb）等，其中磷化鎵發(fā)紅－綠光、硫化鎘發(fā)黃－紅光、砷化鎵、磷化銦、銻化鎵發(fā)近紅外光。,2024/2/27,59,雷射器發(fā)光原理,20

48、24/2/27,60,半導體超晶格材料的出現以及相應製備技術的發(fā)展極大地推動了半導體雷射器用於高功率和高能量固體雷射器的材料，主要是鐳射晶體和鐳射玻璃，大都是用稀土金屬離子如：Nd3、Cr3、Ho3（三價鈥）、Ni2等和過渡金屬離子如：C4、Cr3、Ti3、Co2等摻雜的電介質。 其他固體鐳射材料主要是調諧鐳射晶體，目前已有多種調諧晶體，最有發(fā)展前途的是鈦寶石（Ti3+Al2O3）、金綠寶石（Cr3+BeAl2O4）、鉻橄欖石（C

49、r4+Mg2SiO4）等晶體。,2024/2/27,61,4.4.2光電材料1．光電子控制元件材料 光電子控制元件材料用於製作光電子技術中起開關、調製、隔離、偏轉、變頻等功能的元件。這類功能元件主要應用光學非線性材料來製作，光學非線性效應是指當外加於介質的電場、磁場、聲場和光場引起介質內部的非線性極化，因而使通過介質的光特性（如強度、位相、偏振及頻率等）也隨之改變，這些效應廣泛用來實現對光波的控制。,2024/2/27,62,2．光

50、電探測及光電資訊傳輸材料光電探測材料是將光信號轉變?yōu)殡娦盘柕牟牧希饕茄u作光電二極體的半導體材料。近來發(fā)展圖像顯示和接收的陣列光電探測器材料；常用的如矽、鍺、III-V族、IV-VI族化合物半導體等。光電資訊傳輸材料是以光導纖維（即光纖）用作光通信的材料，在高速寬頻網路中得到了相當廣泛的應用。光導纖維可分為多組分矽酸鹽玻璃光導纖維、熔石英玻璃光導纖維、氟化物玻璃光導纖維和單晶光導纖維。,2024/2/27,63,光所以能在光纖中傳輸

51、，主要是纖芯和包層的共同作用。光纖的纖芯和它外面的包層是兩種密度不同的物質，而且纖芯的密度遠大于包層。這樣，只要光線射入的角度合適，那麼這束光線就會在光纖內部不停地進行全反射而傳向另一端。,2024/2/27,64,用光纖製成的內窺鏡,廣泛應用於醫(yī)療行業(yè)的內窺鏡就是利用傳像束實現傳像功能的。醫(yī)生們把這種內窺鏡伸入到患者體內，可以直接觀看到病情。內窺鏡還可以同電腦相聯(lián)接，將圖像顯示在螢幕上。,2024/2/27,65,3．光存儲和顯示

52、材料長期以來電子電腦上的存儲都用半導體動態(tài)儲存裝置器作內存儲，用磁片等磁記錄材料作為外存儲，20世紀80年代出現的數位化光碟存儲技術開闢了光存儲的新道路，光碟存儲技術經歷了唯讀式（ROM）、一次寫入、多次讀出（WROM）可擦重寫方式（ERW）等不同階段。前兩種光碟介質材料是燒蝕型的，一般使用碲基合金和有機染料作為材料?？刹林貙懝獾橘|材料有磁光型和相變型兩類：磁光型光碟材料主要有稀土-過渡元素合金和非晶薄膜如鈷化釓（Gd Co）、鐵化

53、鋱等；相變型光碟材料大都採用低熔點半導體材料，如鍺-碲（Ge-Te）、銦-銻-硒（In-Sb-Se）、銻-硒等。光電子顯示器材料主要應用於電腦終端顯示等方面，當前主要應用電致發(fā)光材料，大都使用稀土摻雜硫化物、氧化物。液晶顯示器材料也在迅速發(fā)展，目前發(fā)展的鐵電液晶，其回應時間可達微秒量級。,2024/2/27,66,4．光電轉換、光電子集成化材料 光電轉換材料以單晶、多晶和非晶矽為主要材料，主要應用于太陽能利用上。（1）

54、砷化鎵/矽體系。把成熟的矽積體電路工藝技術與良好的砷化鎵光電子器件材料結合起來，可降低成本，改善其熱學性能，可望在光互聯(lián)、資訊處理和光電腦中佔有重要地位；（2）磷化銦/矽體系，現在光通信採用長波長（1.5 μm）鐳射，磷化銦/矽材料適宜於製作此類鐳射材料；（3）砷化鎵／磷化銦體系 這種體系充分利用磷化銦的長波長特性，用它和砷化鎵做成的金屬-半導體場效應電晶體具有很高的性能，困而備受重視。,2024/2/27,67,4.5超導材

55、料4.5.1超導現象的基本特徵和臨界參數 1．超導現象 有些物質在一定的臨界溫度Tc以下會轉變?yōu)橥耆珱]有電阻的狀態(tài)，同時具有完全抗磁性，這就是所謂的超導現象。具有這種性質的材料稱為超導材料，超導材料構成了當今新材料領域中一門十分重要的方面。超導材料的發(fā)現是20世紀物理學的一項重大成就。它為人類展現出一個前景十分廣闊的技術領域，人們深信，超導技術的廣泛應用將對社會發(fā)展產生深遠的影響。,2024/2/27,68

56、,4.5.2超導材料的應用目前能夠在工業(yè)上實用的超導材料可分為合金型和化合物型兩大類，合金型主要有鈮鈦合金，它比較成熟，真正達到了商品化，並成為一種“工程材料”?；衔镄统瑢Р牧现饕锈壢a和釩三鎵等，已發(fā)展成為一種實用超導體。高溫超導材料的穩(wěn)定性，尤其是成材工藝問題尚未完全解決，所以臨界溫度較高的超導體還未進入實際使用階段。一旦高溫超導材料的成材工藝有所突破，那麼超導技術將在能源、交通、電子技術等方面發(fā)揮其巨大威力。,2024/2

57、/27,69,1．超導磁體的應用在超導應用上，處於領先地位的是超導磁體的製造和應用。超導磁體不只是常規(guī)（銅線繞成）磁體的替代品，而是對常規(guī)磁體的革命，它具有許多常規(guī)磁體無法比擬的優(yōu)點，應用領域也十分廣闊。高能物理研究所用的加速器中，需要大型超導磁體，用作粒子的加速、探測、聚焦和儲能等。最早在高能加速器上使用超導磁體的是美國的費米實驗室，他們製造的世界上第一臺超導加速器，能量為8×1011 eV，用近1 000塊二極超導偏轉

58、磁體和四極集束超導磁體。,2024/2/27,70,全超導托卡馬克高能加速器——超導磁體在數十立方米的廣大空間內產生高強的磁場作為熱核反應的“磁爐” ，它關乎核聚變得成敗。,2024/2/27,71,,時速達430km的全球第一條商業(yè)化運營超導磁懸浮列車線路,2024/2/27,72,MRI——採用超導磁體，不僅體積小，場強高，還可大大改善系統(tǒng)的靈敏度及解析度。,2024/2/27,73,2．能源和動力方面的應用利用超導材料的零電阻特

59、性，超導電纜在理論上可以無損耗地輸送電能。而常規(guī)輸電即使採用高壓線，能量損失仍很大，因此，電能的輸送將是超導體最重要的應用之一。利用超導材料製造變壓器，可以大幅度降低激磁損耗、縮小體積、減輕品質、提高效率。用常規(guī)導體製成的發(fā)電機，由於導線發(fā)熱和散熱技術以及材料的強度等限制，單機功率極限為2 000 MW，如用超導發(fā)電機則至少可提高5～10倍，而且體積小、品質輕。未來特大容量的發(fā)電機勢必考慮超導化。超導貯能裝置可將夜間剩餘的電能輸進巨型

60、超導磁體，需要時引出。,2024/2/27,74,4.6納米科學與納米材料技術4.6.1納米科技簡介 是指在0.1~100nm的尺度範圍裡，研究電子、原子和分子內的運動規(guī)律和特性的一項嶄新的科學和技術。納米結構通常是指尺寸在100納米以下的微小結構。1981年掃描隧道顯微鏡發(fā)明後，便誕生了一門以0.1到100納米長度範圍內研究分子世界的學科，它的最終目標是直接以原子或分子來構造具有特定功能的產品。因此，納米技術其

61、實就是一種用單個原子、分子設計物質的技術。,2024/2/27,75,在納米尺度下隔離出來的幾個、幾十個可數原子或分子，顯著地表現出許多新的特性，而利用這些特性製造具有特定功能設備的技術，就稱為納米技術。納米技術與微電子技術的主要區(qū)別是：納米技術研究的是以控制單個原子、分子來實現設備特定的功能，是利用電子的波動性來工作的；而微電子技術則主要通過控制電子群體來實現其功能，是利用電子的粒子性來工作的。,2024/2/27,76,納米科技四

62、個主要研究方面：（1）納米材料。當物質到納米尺度以後，大約是在1～100 nm這個範圍空間，物質的性能就會發(fā)生突變，出現特殊性能。這種既不同于原來組成的原子、分子，也不同於宏觀的物質的特殊性能構成的材料，即為納米材料。 一個導電、導熱的銅、銀導體做成納米尺度以後，它就失去原來的性質，表現出既不導電、也不導熱。磁性材料也是如此，像鐵鈷合金，把它做成大約20～30nm大小，磁疇就變成單磁疇，它的磁性要比原來高1 00

63、0倍。,2024/2/27,77,（2）納米動力學。主要是微機械和微電機，或總稱為微型電動機械系統(tǒng),用於有傳動機械的微型感測器和執(zhí)行器、光纖通訊系統(tǒng)，特種電子設備、醫(yī)療和診斷儀器等。用的是一種類似于集成電器設計和製造的新工藝。特點是部件很小，刻蝕的深度往往要求數十至數百μm，而寬度誤差很小。這種工藝還可用於製作三相電動機，用於超快速離心機或陀螺儀等。在研究方面還要相應地檢測準原子尺度的微變形和微摩擦等。,2024/2/27,78,（3）

64、納米生物學和納米藥物學。如在雲母表面用納米微粒度的膠體金固定DNA的粒子，在SiO2表面的叉指形電極做生物分子間互作用的試驗，磷脂和脂肪酸雙層平面生物膜，DNA的精細結構等。有了納米技術，還可用自組裝方法在細胞內放入零件或元件使構成新的材料。一些新的藥物，即使是微米粒子的細粉，也大約有半數不溶于水；但如果粒子為納米尺度（即超微粒子），則可溶于水。,2024/2/27,79,（4）納米電子學。包括基於量子效應的納米電子器件、納米結構的光/

65、電性質、納米電子材料的表徵，以及原子操縱和原子組裝等。當前電子技術的趨勢要求器件和系統(tǒng)更小、更快、更冷。更小是指回應速度要快，更冷是指單個器件的功耗要小。,2024/2/27,80,4.6.2納米材料的特點和性質,1．納米材料的性質 納米材料的特殊性質主要取決納米顆粒的表面效應、小尺寸效應以及量子效應。（1）超微粒的高比表面積和活性。普通物質中表面原子所占的比例非常小，它們所顯示的性質對整個物質的性質幾乎沒有影響，

66、但對於超微粒，由於其比表面積顯著增大，表面原子對整個物質性能的影響已不能忽略。因此超微粒的表面對納米材料的性質將具有重要的作用，這就是所謂的表面效應。超微粒的表面效應主要表現在兩個方面：1） 隨著微粒細微性的減小，顆粒的比表面積迅速增加，其表面能也迅速增加。例如，計算表明，對於銅超微粒，當細微性分別為100 nm和1nm時，則比表面積分別為6.7m2/g和6.7×102 m2／g，表面能分別為5.9×102J/mo

67、l和5.9×104J/mol。,2024/2/27,81,2）隨顆粒細微性的減小，顆粒表面的原子數占顆粒的總原子數的比例也迅速增大。由於粒徑的減小，比表面積和表面原子的迅速增加，這就使得超微粒的表面成為極有活性的表面。如果將剛製成的金屬超微粒暴露在空氣中，瞬間就會氧化。,,顆粒納米材料與固體納米材料,2024/2/27,82,,（2）納米材料的熱學性質。固態(tài)物質在其形態(tài)為大尺寸時，其熔點是固定的。但是人們發(fā)現在超微粒狀態(tài)下固體

68、的熔點將會明顯下降（與同種大尺寸固態(tài)物質相比較）。超微粒和大塊物質之間的熱學性質的區(qū)別來源於表面效應或量子尺寸效應。當顆粒小於10nm量級時尤為顯著。例如，金的常規(guī)熔點為1 064℃，當顆粒尺寸減小到10nm時，則降低27℃，當顆粒尺寸為2nm時，熔點僅為327℃左右。納米材料的比熱容也和晶體物質或非晶態(tài)物質有明顯的不同，並明顯增加。實驗和分析表明，比熱容的增加主要是介面部分引起的。,2024/2/27,83,（3）納米材料的光學性質。