鎳鋅鐵氧體

1、2024/2/27,1,現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)通論,,2024/2/27,2,第4章 材料科學(xué)與新材料技術(shù),材料科學(xué)的內(nèi)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(xué)簡(jiǎn)介,材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是社會(huì)生產(chǎn)力的三大重要因素之一。20世紀(jì)70年代，人們把資訊、材料和能源作為社會(huì)文明的支柱。80年代，隨著高技術(shù)群的興起，又把新材料技術(shù)與資訊技術(shù)、生物技術(shù)並列

2、作為新技術(shù)革命的重要標(biāo)誌。現(xiàn)代社會(huì)，材料已成為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防建設(shè)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(jī)器、構(gòu)件、器件和其他產(chǎn)品的物質(zhì)。但並不是所有物質(zhì)都可稱為材料，如燃料和化工原料、工業(yè)化學(xué)品、食物和藥品等，一般都不算作材料。,新材料（或稱先進(jìn)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(xué)是研究材料的組織結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、生產(chǎn)流程和使用效能，

3、以及它們之間相互關(guān)係的科學(xué)。材料科學(xué)是多學(xué)科交叉與結(jié)合的結(jié)晶，是一門與工程技術(shù)密不可分的應(yīng)用科學(xué)。,2024/2/27,5,材料的分類：1.按物理化學(xué)屬性:金屬材料、無機(jī)非金屬材料、有機(jī)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(shí)際應(yīng)用中又常分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料。（1）結(jié)構(gòu)材料是以力學(xué)性質(zhì)為基礎(chǔ)，用以製造以受力為主的構(gòu)件。結(jié)構(gòu)材料也有物理性質(zhì)或化學(xué)性質(zhì)的要求，如光澤

4、、熱導(dǎo)率、抗輻射能力、抗氧化、抗腐蝕能力等。根據(jù)材料用途不同，對(duì)性能的要求也不一樣。（2）功能材料主要是利用物質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)或生物現(xiàn)象等對(duì)外界變化產(chǎn)生的不同反應(yīng)而製成的一類材料。如半導(dǎo)體材料、超導(dǎo)材料、光電子材料、磁性材料、生物醫(yī)學(xué)工程材料等。,2024/2/27,6,4.1.2新材料的特點(diǎn),新材料與新技術(shù)密切相關(guān)，常常是多種學(xué)科的相互交叉和滲透的結(jié)果，新材料是新技術(shù)發(fā)展的必要物質(zhì)基礎(chǔ)，是當(dāng)代技術(shù)革命的先導(dǎo)。在新材料的設(shè)計(jì)、製備、

5、性能檢測(cè)等方面往往都需要高新技術(shù)，而某些未來的高新技術(shù)的實(shí)現(xiàn)往往依賴於新材料的研製。所以說新材料是高技術(shù)的一部分，同時(shí)又為高技術(shù)服務(wù)。,2024/2/27,7,新材料的六大特徵,1）表徵性 新材料是生產(chǎn)力發(fā)展的產(chǎn)物，社會(huì)進(jìn)步的結(jié)果，歷史前進(jìn)的必然，也是人類文明的表徵。新材料的研究水準(zhǔn)與產(chǎn)業(yè)化程度已成為衡量一個(gè)國家和地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技進(jìn)步和國防實(shí)力的重要標(biāo)誌。2）先導(dǎo)性 新材料是發(fā)展其他高新技術(shù)的先導(dǎo)、基礎(chǔ)與支撐，是一切高新技術(shù)付諸

6、實(shí)施的前提與條件。3）依託性 新材料通常是採用高新技術(shù)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(shí)間性 新材料大多是新近出現(xiàn)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(xué)組成、更為合理的組織結(jié)構(gòu)、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(xué)的形成材料是早已存在的名詞，但“材料科學(xué)”則是在20世紀(jì)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(rèn)識(shí)到先進(jìn)材料對(duì)於高技術(shù)發(fā)展的重要性，於是在一些大學(xué)相繼成立了十餘個(gè)材料科學(xué)研究中心，從此，材料科學(xué)這一名詞開始被人們廣泛地引用。,4.1.1材料科學(xué)的形成與發(fā)展簡(jiǎn)史,2024/2/27,10,（1）固體物理、無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，對(duì)

8、物質(zhì)結(jié)構(gòu)和物性的深入研究，推動(dòng)了對(duì)材料本質(zhì)的研究和瞭解；同時(shí)，冶金學(xué)、金屬學(xué)、陶瓷學(xué)等對(duì)材料本身的研究也大大加強(qiáng)，從而對(duì)材料的製備、結(jié)構(gòu)和性能，以及它們之間的相互關(guān)係的研究也越來越深入，這為材料科學(xué)的形成打下了比較堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。,2024/2/27,11,（2）在材料科學(xué)這個(gè)名詞出現(xiàn)以前，金屬材料、高分子材料與陶瓷材料科學(xué)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(jìn)本學(xué)科的發(fā)展。如馬氏體相變本來是金屬學(xué)家提出來的，而且廣泛地

9、用來作為鋼熱處理的理論基礎(chǔ)。但在氧化鋯陶瓷材料中也發(fā)現(xiàn)了馬氏體相變現(xiàn)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(shè)備與生產(chǎn)手段也有很多相似之處。雖然不同類型的材料各有專用測(cè)試設(shè)備與生產(chǎn)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(cè)試及物理性能和力學(xué)性能測(cè)試設(shè)備等。在材料生產(chǎn)中，許多加工裝置也是通用的。研究設(shè)備與生產(chǎn)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(xué)技術(shù)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(dá)到物盡其用的目的。長期以來，金屬、高分子及無機(jī)非金屬材料學(xué)科相互分割，自成體系。由於互不瞭解，習(xí)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(duì)其不太瞭解，不敢問津。相反，習(xí)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(xué)技術(shù)發(fā)展對(duì)材料提出的新的要求，促進(jìn)了材料科學(xué)的形成。,2024/2/27,14,（5

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

12、中認(rèn)識(shí)了礦石，並在燒陶生產(chǎn)中發(fā)展了冶銅術(shù)，開創(chuàng)了冶金技術(shù)。西元前5 000年，人類進(jìn)入青銅器時(shí)代。西元前1 200年，人類開始使用鑄鐵，從而進(jìn)入了鐵器時(shí)代。,2．材料科學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史,2024/2/27,16,隨著技術(shù)的進(jìn)步，又發(fā)展了鋼的製造技術(shù)。18世紀(jì)，鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，成為產(chǎn)業(yè)革命的重要內(nèi)容和物質(zhì)基礎(chǔ)。19世紀(jì)中葉，現(xiàn)代平爐和轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)的出現(xiàn)，使人類真正進(jìn)入了鋼鐵時(shí)代。與此同時(shí)，銅、鉛、鋅等有色金屬也大量得到應(yīng)用，鋁、鎂、鈦等金屬也相

13、繼得到應(yīng)用。直到20世紀(jì)中葉，金屬材料在材料工業(yè)中一直佔(zhàn)有主導(dǎo)地位。,2024/2/27,17,20世紀(jì)中葉以後，科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，作為“發(fā)明之母”和“產(chǎn)業(yè)糧食”的新材料又出現(xiàn)了劃時(shí)代的變化。首先是人工合成高分子材料問世，並得到廣泛應(yīng)用。先後出現(xiàn)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(gè)世紀(jì)時(shí)間，高分子材料已與有上千年歷史的金屬材料並駕齊驅(qū)，並在年產(chǎn)量的體積上已超過了

14、鋼，成為國民經(jīng)濟(jì)、國防尖端科學(xué)和高科技領(lǐng)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(jì)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(chǎn)生了一個(gè)飛躍，出現(xiàn)了從傳統(tǒng)陶瓷向先進(jìn)陶瓷的轉(zhuǎn)變，許多新型功能陶瓷形成了產(chǎn)業(yè)，滿足了電力、電子技術(shù)和航太技術(shù)的發(fā)展和需要。,2024/2/27,19,結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展，推動(dòng)了功能材料的進(jìn)步。20世紀(jì)初，開始對(duì)半導(dǎo)體材料進(jìn)

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(dǎo)體等，使電子技術(shù)領(lǐng)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(dǎo)體材料的應(yīng)用和發(fā)展，使人類社會(huì)進(jìn)入了資訊時(shí)代。,2024/2/27,20,現(xiàn)代材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了金屬、非金屬無機(jī)材料和高分子材料之間的密切聯(lián)繫，從而出現(xiàn)了一個(gè)新的材料領(lǐng)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(qiáng)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(jié)構(gòu)材

16、料和功能材料，不僅用於航空航太領(lǐng)域，而且在現(xiàn)代民用工業(yè)、能源技術(shù)和資訊技術(shù)方面不斷擴(kuò)大應(yīng)用。,2024/2/27,21,4.2先進(jìn)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(xiàn)形狀記憶效應(yīng)，當(dāng)時(shí)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(xiàn)形狀記憶效應(yīng)之後才受到世界矚目。 形狀記憶效應(yīng)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(jīng)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(shí)通過馬氏體逆相變恢復(fù)到低溫塑性變形前形狀的現(xiàn)象。具有這種效應(yīng)的金屬，通常是由兩種以上的金屬元素構(gòu)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(jī)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(kuò)徑，隨即裝套。隨著溫度回升到室溫，接頭套即自動(dòng)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(zhuǎn)換熱機(jī)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(nèi),當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)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(xué)領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)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(guān)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(jiǎn)單、方便

19、、有良好的生物相容性和耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)。,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(xì)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(jìn)行動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，形成細(xì)晶組織。,（2）相變超塑性 相變超塑性是在相變點(diǎn)的溫度附近，反復(fù)進(jìn)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(dǎo)致超塑性變形。

20、,2024/2/27,27,4.2.3減振合金解決機(jī)械結(jié)構(gòu)中的振動(dòng)和雜訊的根本辦法是使振動(dòng)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(yīng)該具備一般金屬的強(qiáng)度及耐高溫等特性，同時(shí)又要有高減振（或稱高阻尼）的特性。因此就產(chǎn)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(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。航空航太領(lǐng)域：可以用於火箭、導(dǎo)彈、噴氣機(jī)等

21、控制盤和陀螺儀的外殼、座艙等；汽車領(lǐng)域：可用於剎車盤、發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部件、空氣淨(jìng)化器等；土木建築領(lǐng)域：用於橋樑、鑿巖機(jī)、鋼梯等；機(jī)械方面：如鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)導(dǎo)板，大型鼓風(fēng)機(jī)框架及葉片等；家用電器方面，用於空調(diào)器、洗衣機(jī)、垃圾處理機(jī)等、音響設(shè)備的喇叭等；鐵路領(lǐng)域：可以用於車輪、鐵軌及線路修補(bǔ)機(jī)；船舶領(lǐng)域：可用於推進(jìn)器傳動(dòng)部件、艙室隔板等等。,2024/2/27,30,4.2.4儲(chǔ)氫合金氫在新能源的開發(fā)中佔(zhàn)有重要的地位。所以人們?cè)谔綄ず?jiǎn)

22、便地制氫方法同時(shí)，也探尋著簡(jiǎn)便而有效地儲(chǔ)存氫的方法?？茖W(xué)家們進(jìn)行了艱苦的探索，根據(jù)金屬能吸氫的特點(diǎn)，提出了用金屬儲(chǔ)氫的辦法。這種用於貯氫的金屬稱為貯氫合金。儲(chǔ)氫合金是靠其與氫進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成金屬氫化物來儲(chǔ)氫的，這個(gè)化學(xué)反應(yīng)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(chǔ)氫時(shí)，讓合金與氫反應(yīng)生成金屬氫化物；需要用氫時(shí)，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(diào)節(jié)其

23、釋放量。,2024/2/27,31,儲(chǔ)氫合金的應(yīng)用領(lǐng)域很多：（1）以儲(chǔ)氫合金儲(chǔ)存的氫為動(dòng)力，取代汽油發(fā)動(dòng)機(jī)而製成的燃?xì)淦囈延袑?shí)驗(yàn)樣品。（2）以燃?xì)錇閯?dòng)力的汽車可以大大減少對(duì)環(huán)境的污染。（3）在電廠中用儲(chǔ)氫材料可以完成能量的轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存；可利用其可逆反應(yīng)中的吸熱和放熱特性來設(shè)計(jì)調(diào)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(chǔ)氫合金引入家用廚房設(shè)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(shí)，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(shí)也是一個(gè)結(jié)晶的過程，所以金屬凝固又稱金屬結(jié)晶。1960年美國科學(xué)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(jié)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(shí)的無序狀態(tài)，沒有發(fā)生結(jié)晶過程，成為非晶態(tài)合金。非晶態(tài)合金在化學(xué)成分上它們是金屬或合金，而在微觀結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)出典型的玻璃態(tài)結(jié)構(gòu)，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(xué)性能。,2024/2/27,33,非晶態(tài)合金的強(qiáng)度和硬度比現(xiàn)有的一般晶態(tài)金屬都高，如果用它製作高強(qiáng)度控制電纜和橡膠輪胎的增強(qiáng)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(fàn)圍內(nèi)反復(fù)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(qiáng)，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(shù)低，不同的非晶態(tài)合金的電阻溫度係數(shù)可以由正到負(fù)在很大的範(fàn)圍內(nèi)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(shù)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(chǎng)下工作時(shí)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(jù)估計(jì)，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(chǔ)氫：有的非晶態(tài)材料還具有很強(qiáng)的吸氫能力。超導(dǎo)：有的非晶態(tài)材料還具有超導(dǎo)性等,2024/2/27,36,4

28、.2.6其他先進(jìn)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(qiáng)的抗退磁能力和高的剩餘磁感應(yīng)強(qiáng)度的強(qiáng)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(jī)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(diǎn)是質(zhì)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?cè)谳^低的磁場(chǎng)中即可被飽和磁化，從而呈現(xiàn)很強(qiáng)的磁性，但在磁場(chǎng)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(diǎn)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(xiàn)象是指磁性材料在磁場(chǎng)中被磁化後，其外形尺寸發(fā)生伸長或縮短的現(xiàn)象。尺寸變化的大小通常隨著磁場(chǎng)的增大而增大，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度增大到一定值時(shí)，材料的長度便不再隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的進(jìn)一步增大而改變。這時(shí)材料長度的相對(duì)變化率稱為飽和磁致伸縮係數(shù)。磁致伸縮性質(zhì)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(shí)際器件中得到了廣泛應(yīng)用。稀土超磁致伸縮材料在執(zhí)行器方面的應(yīng)用包括線性馬達(dá)、蠕動(dòng)馬達(dá)、機(jī)器人、燃料注入泵、液壓系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、衝壓系統(tǒng)、微位移器、照相機(jī)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(xì)的人工合成的無機(jī)化合物為原料，採用精密控制的製備工藝燒結(jié)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(xì)陶瓷或新型陶瓷等。它的出現(xiàn)與現(xiàn)代工業(yè)和高技術(shù)密切相關(guān)。特種陶瓷在許多方面都突破了傳統(tǒng)陶瓷的概念和範(fàn)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(xué)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(gòu)成的單相陶瓷外，還有由兩種或兩種以上的化合物構(gòu)成的複合陶瓷。（2）按性能和用途，特種陶瓷一般分為結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷主要指特種陶瓷中發(fā)揮其機(jī)械、熱、化學(xué)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(qiáng)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(yán)酷工作環(huán)境，常常成為某種

34、科學(xué)技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。,2024/2/27,43,1．氮化物陶瓷 （1）氮化矽陶瓷。具有高溫強(qiáng)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(yīng)用非常廣泛?？捎渺稛釞C(jī)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(chǎn)；可用於高溫結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(dǎo)率高和高潤滑性而引人注目。它的化學(xué)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(dòng)焊接保護(hù)套，雷達(dá)天線支架和視窗材料，中子吸收劑和核反應(yīng)爐保護(hù)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(xiàn)鈹、鋰原子也可取代矽，這樣就構(gòu)成了一系列新的化合物。人們目前對(duì)這類化合物還不太熟知，對(duì)其進(jìn)行研究，可能會(huì)得到一批性能優(yōu)良的新型陶瓷材料。塞?。⊿ialon）複合材料產(chǎn)品具有高強(qiáng)、超硬、耐高溫和耐腐蝕，熱穩(wěn)定性強(qiáng)，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(zhì)滑動(dòng)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(qiáng)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(fàn)圍。人們發(fā)現(xiàn)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(qiáng)度和韌性。,2024/2/27,47,5．透明陶瓷製造陶瓷透明的關(guān)鍵是，原料要有很高的純度，而且對(duì)稱性越高越好（否則會(huì)發(fā)生雙折射），並採用使光散射減

38、至最小的生產(chǎn)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?shù)妊趸锾沾伞Ｔ诜茄趸锾沾煞矫嬉灿袌?bào)導(dǎo)，如氯化鎂、硒化鋅等。這些陶瓷都具有耐高溫、抗腐蝕的特點(diǎn)，最早的應(yīng)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(yīng)用於航空航太等領(lǐng)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(dǎo)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(yīng)及其耦合效應(yīng)所提供的一種或多種性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)某種使用功能的先進(jìn)陶瓷。功能陶瓷又稱為電子陶瓷。在電子通訊、自動(dòng)控制、積體電路、電腦技術(shù)和資訊處理等方面日益得到廣泛的應(yīng)用。深入瞭解功能陶瓷的性質(zhì)以及開拓新的應(yīng)用領(lǐng)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(dǎo)電陶瓷 導(dǎo)電陶瓷是指電導(dǎo)率大於10-2 S／cm的一類陶瓷材料。（

40、1）非氧化物導(dǎo)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(dǎo)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(jié)體。氧化物導(dǎo)電陶瓷比非氧化物導(dǎo)電陶瓷更耐高溫，抗氧化能力更強(qiáng)，用途更廣泛。鉻酸鑭導(dǎo)電陶瓷的使用溫度可達(dá)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(dǎo)電陶瓷的使

41、用溫度在2 000℃以上，可作為磁流體發(fā)電機(jī)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(shù)小、介電損耗低。具有一定強(qiáng)度、耐熱性好、導(dǎo)熱係數(shù)高以及化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)，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(guān)係不大

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

43、晶界層陶瓷電容器。,2024/2/27,52,（1）熱敏陶瓷是利用半導(dǎo)體陶瓷的電阻值對(duì)溫度敏感的特性製成的一種對(duì)溫度敏感的器件。熱敏陶瓷分負(fù)溫度係數(shù)、正溫度係數(shù)、臨界溫度係數(shù)熱敏陶瓷。主要用於製作熱敏電阻器、溫度感測(cè)器、加熱器及限電流器件等。（2）氣敏陶瓷是利用材料對(duì)氣體的吸附化學(xué)反應(yīng)而製成的半導(dǎo)體陶瓷。因其對(duì)氣體敏感主要用於防災(zāi)報(bào)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(dǎo)體材料。（4）濕敏陶瓷可用

44、於對(duì)濕度的控制和測(cè)量。（5）光敏半導(dǎo)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(yīng)可分為：光電效應(yīng)材料、光導(dǎo)電效應(yīng)材料、光電子發(fā)射效應(yīng)材料及熱釋電效應(yīng)材料。,2024/2/27,54,4．壓電陶瓷 某些電介質(zhì)在力的作用下，產(chǎn)生形變，極化狀態(tài)發(fā)生變化，引起介質(zhì)表面帶電。如果表面電荷密度與應(yīng)力成正比，稱為正壓電效應(yīng)。反之，施加激勵(lì)電場(chǎng)，介質(zhì)將產(chǎn)生機(jī)械變形，應(yīng)變與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比，這稱為逆壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)

45、。,2024/2/27,55,壓電陶瓷的應(yīng)用範(fàn)圍非常廣泛，壓電陶瓷可將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，壓電點(diǎn)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(dòng)，用於對(duì)金屬無損探傷，超聲探傷等。用壓電陶瓷製成的感測(cè)器可用於聲吶系統(tǒng)、遙感遙測(cè)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(yáng)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(gòu)成人體骨骼和牙齒的某些部位，部分或整體的修復(fù)或替換人體的某種組織或器官，或增進(jìn)其功能。作為生物陶瓷必須具有良好的生物相容性和力學(xué)匹配性。根據(jù)在生理環(huán)境中所發(fā)生的生物化學(xué)反應(yīng)。 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(zhǔn)和不同類別的雷射器，並應(yīng)用於光電子技術(shù)的不同領(lǐng)域。在光電子資訊技術(shù)中廣泛應(yīng)用的半導(dǎo)體雷射器，鐳射管和發(fā)光管都用半導(dǎo)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(dǎo)體超晶格材料的出現(xiàn)以及相應(yīng)製備技術(shù)的發(fā)展極大地推動(dòng)了半導(dǎo)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(jià)鈥）、Ni2等和過渡金屬離子如：C4、Cr3、Ti3、Co2等摻雜的電介質(zhì)。 其他固體鐳射材料主要是調(diào)諧鐳射晶體，目前已有多種調(diào)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(shù)中起開關(guān)、調(diào)製、隔離、偏轉(zhuǎn)、變頻等功能的元件。這類功能元件主要應(yīng)用光學(xué)非線性材料來製作，光學(xué)非線性效應(yīng)是指當(dāng)外加於介質(zhì)的電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)和光場(chǎng)引起介質(zhì)內(nèi)部的非線性極化，因而使通過介質(zhì)的光特性（如強(qiáng)度、位相、偏振及頻率等）也隨之改變，這些效應(yīng)廣泛用來實(shí)現(xiàn)對(duì)光波的控制。,2024/2/27,62,2．光

50、電探測(cè)及光電資訊傳輸材料光電探測(cè)材料是將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的材料，主要是製作光電二極體的半導(dǎo)體材料。近來發(fā)展圖像顯示和接收的陣列光電探測(cè)器材料；常用的如矽、鍺、III-V族、IV-VI族化合物半導(dǎo)體等。光電資訊傳輸材料是以光導(dǎo)纖維（即光纖）用作光通信的材料，在高速寬頻網(wǎng)路中得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。光導(dǎo)纖維可分為多組分矽酸鹽玻璃光導(dǎo)纖維、熔石英玻璃光導(dǎo)纖維、氟化物玻璃光導(dǎo)纖維和單晶光導(dǎo)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(zhì)，而且纖芯的密度遠(yuǎn)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(huì)在光纖內(nèi)部不停地進(jìn)行全反射而傳向另一端。,2024/2/27,64,用光纖製成的內(nèi)窺鏡,廣泛應(yīng)用於醫(yī)療行業(yè)的內(nèi)窺鏡就是利用傳像束實(shí)現(xiàn)傳像功能的。醫(yī)生們把這種內(nèi)窺鏡伸入到患者體內(nèi)，可以直接觀看到病情。內(nèi)窺鏡還可以同電腦相聯(lián)接，將圖像顯示在螢?zāi)簧稀?2024/2/27,65,3．光存儲(chǔ)和顯示

52、材料長期以來電子電腦上的存儲(chǔ)都用半導(dǎo)體動(dòng)態(tài)儲(chǔ)存裝置器作內(nèi)存儲(chǔ)，用磁片等磁記錄材料作為外存儲(chǔ)，20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的數(shù)位化光碟存儲(chǔ)技術(shù)開闢了光存儲(chǔ)的新道路，光碟存儲(chǔ)技術(shù)經(jīng)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(zhì)材料是燒蝕型的，一般使用碲基合金和有機(jī)染料作為材料?？刹林貙懝獾橘|(zhì)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(diǎn)半導(dǎo)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(yīng)用於電腦終端顯示等方面，當(dāng)前主要應(yīng)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(yīng)時(shí)間可達(dá)微秒量級(jí)。,2024/2/27,66,4．光電轉(zhuǎn)換、光電子集成化材料 光電轉(zhuǎn)換材料以單晶、多晶和非晶矽為主要材料，主要應(yīng)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(shù)與良好的砷化鎵光電子器件材料結(jié)合起來，可降低成本，改善其熱學(xué)性能，可望在光互聯(lián)、資訊處理和光電腦中佔(zhàn)有重要地位；（2）磷化銦/矽體系，現(xiàn)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(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)電晶體具有很高的性能，困而備受重視。,2024/2/27,67,4.5超導(dǎo)材

55、料4.5.1超導(dǎo)現(xiàn)象的基本特徵和臨界參數(shù) 1．超導(dǎo)現(xiàn)象 有些物質(zhì)在一定的臨界溫度Tc以下會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆珱]有電阻的狀態(tài)，同時(shí)具有完全抗磁性，這就是所謂的超導(dǎo)現(xiàn)象。具有這種性質(zhì)的材料稱為超導(dǎo)材料，超導(dǎo)材料構(gòu)成了當(dāng)今新材料領(lǐng)域中一門十分重要的方面。超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)是20世紀(jì)物理學(xué)的一項(xiàng)重大成就。它為人類展現(xiàn)出一個(gè)前景十分廣闊的技術(shù)領(lǐng)域，人們深信，超導(dǎo)技術(shù)的廣泛應(yīng)用將對(duì)社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。,2024/2/27,68

56、,4.5.2超導(dǎo)材料的應(yīng)用目前能夠在工業(yè)上實(shí)用的超導(dǎo)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(dá)到了商品化，並成為一種“工程材料”?；衔镄统瑢?dǎo)材料主要有鈮三錫和釩三鎵等，已發(fā)展成為一種實(shí)用超導(dǎo)體。高溫超導(dǎo)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(dǎo)體還未進(jìn)入實(shí)際使用階段。一旦高溫超導(dǎo)材料的成材工藝有所突破，那麼超導(dǎo)技術(shù)將在能源、交通、電子技術(shù)等方面發(fā)揮其巨大威力。,2024/2

57、/27,69,1．超導(dǎo)磁體的應(yīng)用在超導(dǎo)應(yīng)用上，處於領(lǐng)先地位的是超導(dǎo)磁體的製造和應(yīng)用。超導(dǎo)磁體不只是常規(guī)（銅線繞成）磁體的替代品，而是對(duì)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(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)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(dǎo)磁體，用作粒子的加速、探測(cè)、聚焦和儲(chǔ)能等。最早在高能加速器上使用超導(dǎo)磁體的是美國的費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室，他們製造的世界上第一臺(tái)超導(dǎo)加速器，能量為8×1011 eV，用近1 000塊二極超導(dǎo)偏轉(zhuǎn)

58、磁體和四極集束超導(dǎo)磁體。,2024/2/27,70,全超導(dǎo)托卡馬克高能加速器——超導(dǎo)磁體在數(shù)十立方米的廣大空間內(nèi)產(chǎn)生高強(qiáng)的磁場(chǎng)作為熱核反應(yīng)的“磁爐” ，它關(guān)乎核聚變得成敗。,2024/2/27,71,,時(shí)速達(dá)430km的全球第一條商業(yè)化運(yùn)營超導(dǎo)磁懸浮列車線路,2024/2/27,72,MRI——採用超導(dǎo)磁體，不僅體積小，場(chǎng)強(qiáng)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(dòng)力方面的應(yīng)用利用超導(dǎo)材料的零電阻特

59、性，超導(dǎo)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(dǎo)體最重要的應(yīng)用之一。利用超導(dǎo)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(zhì)、提高效率。用常規(guī)導(dǎo)體製成的發(fā)電機(jī)，由於導(dǎo)線發(fā)熱和散熱技術(shù)以及材料的強(qiáng)度等限制，單機(jī)功率極限為2 000 MW，如用超導(dǎo)發(fā)電機(jī)則至少可提高5～10倍，而且體積小、品質(zhì)輕。未來特大容量的發(fā)電機(jī)勢(shì)必考慮超導(dǎo)化。超導(dǎo)貯能裝置可將夜間剩餘的電能輸進(jìn)巨型

60、超導(dǎo)磁體，需要時(shí)引出。,2024/2/27,74,4.6納米科學(xué)與納米材料技術(shù)4.6.1納米科技簡(jiǎn)介 是指在0.1~100nm的尺度範(fàn)圍裡，研究電子、原子和分子內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和特性的一項(xiàng)嶄新的科學(xué)和技術(shù)。納米結(jié)構(gòu)通常是指尺寸在100納米以下的微小結(jié)構(gòu)。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(fàn)圍內(nèi)研究分子世界的學(xué)科，它的最終目標(biāo)是直接以原子或分子來構(gòu)造具有特定功能的產(chǎn)品。因此，納米技術(shù)其

61、實(shí)就是一種用單個(gè)原子、分子設(shè)計(jì)物質(zhì)的技術(shù)。,2024/2/27,75,在納米尺度下隔離出來的幾個(gè)、幾十個(gè)可數(shù)原子或分子，顯著地表現(xiàn)出許多新的特性，而利用這些特性製造具有特定功能設(shè)備的技術(shù)，就稱為納米技術(shù)。納米技術(shù)與微電子技術(shù)的主要區(qū)別是：納米技術(shù)研究的是以控制單個(gè)原子、分子來實(shí)現(xiàn)設(shè)備特定的功能，是利用電子的波動(dòng)性來工作的；而微電子技術(shù)則主要通過控制電子群體來實(shí)現(xiàn)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(gè)主要研究方面：（1）納米材料。當(dāng)物質(zhì)到納米尺度以後，大約是在1～100 nm這個(gè)範(fàn)圍空間，物質(zhì)的性能就會(huì)發(fā)生突變，出現(xiàn)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(zhì)的特殊性能構(gòu)成的材料，即為納米材料。 一個(gè)導(dǎo)電、導(dǎo)熱的銅、銀導(dǎo)體做成納米尺度以後，它就失去原來的性質(zhì)，表現(xiàn)出既不導(dǎo)電、也不導(dǎo)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(dòng)力學(xué)。主要是微機(jī)械和微電機(jī)，或總稱為微型電動(dòng)機(jī)械系統(tǒng),用於有傳動(dòng)機(jī)械的微型感測(cè)器和執(zhí)行器、光纖通訊系統(tǒng)，特種電子設(shè)備、醫(yī)療和診斷儀器等。用的是一種類似于集成電器設(shè)計(jì)和製造的新工藝。特點(diǎn)是部件很小，刻蝕的深度往往要求數(shù)十至數(shù)百μm，而寬度誤差很小。這種工藝還可用於製作三相電動(dòng)機(jī)，用於超快速離心機(jī)或陀螺儀等。在研究方面還要相應(yīng)地檢測(cè)準(zhǔn)原子尺度的微變形和微摩擦等。,2024/2/27,78,（3）

64、納米生物學(xué)和納米藥物學(xué)。如在雲(yún)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(yàn)，磷脂和脂肪酸雙層平面生物膜，DNA的精細(xì)結(jié)構(gòu)等。有了納米技術(shù)，還可用自組裝方法在細(xì)胞內(nèi)放入零件或元件使構(gòu)成新的材料。一些新的藥物，即使是微米粒子的細(xì)粉，也大約有半數(shù)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(xué)。包括基於量子效應(yīng)的納米電子器件、納米結(jié)構(gòu)的光/

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

66、但對(duì)於超微粒，由於其比表面積顯著增大，表面原子對(duì)整個(gè)物質(zhì)性能的影響已不能忽略。因此超微粒的表面對(duì)納米材料的性質(zhì)將具有重要的作用，這就是所謂的表面效應(yīng)。超微粒的表面效應(yīng)主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：1） 隨著微粒細(xì)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(jì)算表明，對(duì)於銅超微粒，當(dāng)細(xì)微性分別為100 nm和1nm時(shí)，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(xì)微性的減小，顆粒表面的原子數(shù)占顆粒的總原子數(shù)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(huì)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(xué)性質(zhì)。固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時(shí)，其熔點(diǎn)是固定的。但是人們發(fā)現(xiàn)在超微粒狀態(tài)下固體

68、的熔點(diǎn)將會(huì)明顯下降（與同種大尺寸固態(tài)物質(zhì)相比較）。超微粒和大塊物質(zhì)之間的熱學(xué)性質(zhì)的區(qū)別來源於表面效應(yīng)或量子尺寸效應(yīng)。當(dāng)顆粒小於10nm量級(jí)時(shí)尤為顯著。例如，金的常規(guī)熔點(diǎn)為1 064℃，當(dāng)顆粒尺寸減小到10nm時(shí)，則降低27℃，當(dāng)顆粒尺寸為2nm時(shí)，熔點(diǎn)僅為327℃左右。納米材料的比熱容也和晶體物質(zhì)或非晶態(tài)物質(zhì)有明顯的不同，並明顯增加。實(shí)驗(yàn)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(xué)性質(zhì)。