新材料概论.pdf

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1、 1 第1章 材料概论 1。材料的定义：材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其它产品的那些物质.2.材料是物质，但不是所有物质都可以称为材料.如燃料和化学原料、工业化学品、食物和药物,一般都不算是材料。3.材料的分类 根据材料的来源分类:天然材料，人工材料(钢铁材料，陶瓷材料，合成纤维，复合材等）材料按化学组成（或基本组成）分类:金属材料 无机非金属材料(以某些元素的氧化物、碳化物、氢化物、卤素化合物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。）如：陶瓷，玻璃，水泥，耐火材料 高分子材料（聚合物)复合材料（是由两种或两种以上化学本质不同的材料组合在一起,使之互补性能优势，从而制成

2、的一类新型材料.一种组成为基体，其粘结作用，另一种或几种为增强体或功能组元，起增加强度或功能的作用.)按基体材料分类：金属基复合材料，陶瓷基复合材料，水泥、混凝土基复合材料，塑料基复合材料，橡胶基复合材料等。按增强剂形状分类：粒子、纤维及层状复合材料。材料按用途来分类：结构材料（以力学性能为基础,制造受力构件所用材料。)，功能材料(主要是利用物质的独特物理、化学性质或生物功能等而形成的一类材料。）一种材料往往既是结构材料又是功能材料，如铁、铜、铝等。结构材料对物理或化学性能也有一定要求，如光泽、热导率、抗辐照、抗腐蚀、抗氧化等。材料按结晶状态分类：单晶材料（由一个比较完整的晶粒构成的材料，如单

3、晶纤维、单晶硅；)多晶材料（由许多晶粒组成的材料，其性能与晶粒大小、晶界的性质有密切的关系。）非晶态材料(由原子或分子排列无明显规律的固体材料,如玻璃、高分子材料。）准晶材料（指准周期性晶体材料的简称，准晶仍然是晶体，准晶中的原子分布有严格的位置序，但位置序无周期性，即没有周期性平移对称关系。）材料按使用领域分类：根据材料服役的技术领域可分为信息材料、航空航天材料、能源材料、生物医用材料等。其他常见的分类方法：传统材料（基础材料）如钢铁、水泥、塑料等.新型材料（先进材料)2 4.新材料一般具有以下特点：（1)具有一些优异性能或特定功能 如:超高强度、超高硬度、超塑性等力学性能,超导性、磁致伸缩

4、、能量转化、形状记忆等特殊物理或化学性能（2）新材料的发展与材料科学理论比传统材料更为密切（3）新材料的制备和生产往往与新技术、新工艺紧密相关（4）更新换代快，样式多变 5.所有材料的宏观性能都是由其化学组成和内部组织结构决定。6.组元（或称组分）是组成材料最基本的、能够独立存在的物质。组元可以是元素（金属材料），也可以是稳定的化合物（陶瓷材料，高分子材料）。7.相是材料中具有化学成分相同并且结构和性质相同的均匀连续部分。相与相之间有明显的界面 8.材料的组织：材料内部的微观形貌。一般分为微观组织与宏观组织。9.材料中的化学键合：一次键结合力较强,包括离子键、共价键和金属键。二次键-结合力较弱

5、,包括范德瓦耳斯键和氢键。10.离子键：金属和非金属原子分别形成正离子与负离子，正、负离子间相互吸引 特点：饱和性和无定向性.离子键的键能高,结合力很大。材料的性能表现为硬度高、强度大、热膨胀系数小，常温下导电性差 11.共价键：共价结合时由于电子对之间的强烈排斥力，使共价键具有明显的饱和性和方向性，不允许改变原子间的相对位置，所以材料不具塑性且比较坚硬,像金刚石就是世界上最坚硬的物质之一。共价键晶体具有很高的熔点和硬度，但延展性和导电性差。12.金属键：没有方向性，因而金属具有良好的塑性。金属正离子被另一种金属的正离子取代时也不会破坏结合键，这种金属之间的溶解(称固溶)能力也是金属的重要特性

6、.金属导电性、导热性以及金属晶体中原子的密集排列等,都直接起因于金属键结合。金属对光的非透明性和金属表面的高反射性。13.范德瓦耳斯键，氢键：是靠原子(或分子）的偶极吸引力结合的，只是氢键中氢原子起 3 了关键作用，结合力比范德瓦耳斯键强 14.材料的力学性能：主要是指材料在力的作用下抵抗变形和开裂的性能 15.力学性能指标:弹性、刚度、塑性、韧性、强度、硬度、疲劳强度等。16.材料的强度：材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力.1)屈服强度s/条件屈服强度0.02:代表材料开始明显塑性变形的抗力。（0。2 条件屈服强度:中高碳钢等无屈服点)s=Ps/Fo（Ps 试样屈服时的载荷（N），Fo 试

7、样原始横截面积(mm2）2)抗拉强度b：代表材料抵抗外力而不致断裂的极限应力值。b=Pb/Fo （Pb 试样断裂前的最大载荷(N)3)疲劳强度-1（疲劳极限-1）：材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值.条件疲劳极限：经受 107应力循环而不致断裂的最大应力值。17.疲劳现象：承受载荷的大小和方向随时间作周期性变化。在交变应力作用下，往往在远小于强度极限，甚至小于屈服极限的应力下发生断裂.80%的断裂由疲劳造成。4 18.塑性:材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。（延伸率，断面收缩率，越大，塑性愈好）19.刚度：材料在受力时，抵抗弹性变形的能力 20.弹性：材料不产生塑性变

8、形的情况下，所能承受的最大应力 21.硬度：抵抗外物压入的能力：布氏硬度 HB，洛氏硬度 HR，维氏硬度 22.冲击韧性:材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。23.断裂韧性：是材料的一种固有特性，与裂纹本身的大小、形状、外加应力等无关，而与材料本身的成分、热处理及加工工艺有关.(表明了材料有裂纹存在时抵抗脆性断裂的能力。）24.材料科学与工程是研究材料组成、结构、生产过程、材料性能与使用效能以及它们之间的关系。因而把组成与结构（composition-structure）、合成与生产过程（synthesis-processing）、性质（properties）及使用效能（performance

9、)称之为材料科学与工程的四个基本要素（basic elements）。把四要素连结在一起，便形成一个四面体（tetrahedron）25。材料科学与工程内涵：材料科学与工程就是研究有关材料组成，结构，制备工艺流程与材料性能和用途的关系的知识产生及其运用.第2章 高性能结构材料 1.超级钢：钢铁是钢和铸铁的总称，它们是铁元素和碳元素（以及其它元素）形成的合金。性质 合成/制备 结构/成份 性能 5 2.通常按有无共晶转变来区分碳钢和铸铁，即无共晶转变的为碳钢,有共晶转变的为铸铁 3.超级刚的主要特征：超细晶粒组织，高净洁度，高均匀性 4.与传统材料相比，超碳钢满足的条件:有更高的性能价格比；良好

10、的强韧性；低能源、资源消耗,便于回收利用。5.超级钢生产中的关键技术:1）高洁净度技术：不纯和夹杂有害,往往造成脆性。钢的强度越大，要求越高 2）高均匀性技术：尽可能减少钢在凝固过程中的偏析和争取获得全等轴的晶粒。3）超细晶技术：金属材料的强化方式:固溶强化、析出强化、位错强化和晶粒强化等.晶粒细化强化是唯一能够同时提高强度和韧性的有效方法。6。超级刚的应用:（1)应用于汽车制造业。可以减轻车身自重，减少油耗。汽车的零部件：底盘发动机前置横梁，卡车纵梁（2）应用于建筑业：超级刚替代传统 II 级钢筋有良好应用前景。如国家大剧院，金茂大厦，广州西塔，鸟巢.(3）应用于其他行业：造船、桥梁、容器等

11、 7.铝合金的应用 Al-Si 系铸造铝合金：用于制造飞机、仪表、电动机壳体、汽缸体、风机叶片、发动机活塞等.Al-Cu 系铸造铝合金：用于制造在较高温度下工作的高强零件,如内燃机汽缸头、汽车活塞等。Al-Mg 系铸造铝合金：用于制造外形简单、承受冲击载荷、在腐蚀性介质下工作的零件，如舰船配件、氨用泵体等。Al-Zn 系铸造铝合金:用于制造形状复杂受力较小的汽车、飞机、仪器零件。航空航天铝合金:具有高比强度、高比模量、良好的断裂韧性及抗疲劳、耐腐蚀的先进铝合金是航空工业中的主要结构材料。8.航空航天铝合金主要指：导弹武器，军用飞机,民用飞机，航天器，运载火箭 9.钛合金按其成分和室温下的组织分

12、为三类：1)-钛合金:显微组织是相，含有相稳定元素及一些中性强化元素。主要元素是铝、锆、锡等。典型合金有 Ti8Al-1Mo-1V.6 2)+钛合金:显微组织是+相,含有较多的相稳定元素和相稳定元素。3)钛合金和近钛合金：含有大量的相稳定元素，多数还含有铝、锆、锡等。室温强度可达到+钛合金水平，但具有更佳的工艺性能，高温强度比不上+合金。近钛合金的显微组织是+相，强化相分布在相基体上。10.钛合金的应用：（1）航天工业：（有较高的冲击强度，耐高压抗震动）用于导弹、运载火箭和卫星中的高压气瓶、高强螺栓、通讯卫星的承力筒锥和姿控发动机喷注器，气象卫星的支撑架，火箭发动机的燃料导管等，以及低温液态燃

13、料箱等.（2）航空工业：由于耐高温和高比强，在航空发动机的高压压气机上应用,大幅度提高推重比。（3）舰艇:钛合金比强度高、无磁和耐海水腐蚀等特点,减轻舰艇质量、增加下潜深度、提高安全性和延长寿命（4）兵器:用于喷火器、防弹衣、反坦克,导弹等，轻型战车、轻型坦克,轻型火炮。（5）轻型耐蚀结构材料、功能材料和生物医学材料（6）植入材料：有形状记忆和超弹性双重功能,在脊椎校正、断骨固定等有特殊的应用（7）首饰：表面颜色变化，表面氧化膜厚薄决定颜色变化（由光的折射原理造成）,不需要外加元素，致色氧化膜坚硬，不退色，硬度高和结合力强。（8）日用品（质轻、强度高、易氧化着色):钛自行车，钛手表。11.高温

14、钛合金应用：（可在 400以上长期工作的钛合金)主要用于航空发动机的压气机盘和叶片等，用它代替部分钢，可使发动机减重，提高推重比。12.高温钛合金的制备方法：快速凝固/粉末冶金技术 13.高温合金：一般指在 600以上承受一定应力条件下工作的合金材料。它不但有良好的高温抗氧化和抗腐蚀能力，而且有较高的高温强度、蠕变强度和持久性能以及良好的抗疲劳性能。14.高温合金应用：是现代航空发动机、航天器和火箭发动机以及舰艇和工业燃气轮机的关键热端部件材料（如涡轮叶片、导向器叶片、涡轮盘、燃烧室和机匣等)，也是核反应堆、化工设备、煤转化技术等方面需要的重要高温结构材料.15.单晶高温合金是航空最佳材料（发

15、动机叶片）原因：7 结晶方向平行于零件的主应力轴的柱状晶，基本消除了垂直于应力轴的横向晶界，提高了蠕变寿命和塑性，改善零件的抗热冲击性能 有良好的中高温蠕变断裂强度和塑形,具有比合晶高 5 倍的热疲劳性能，机械疲劳，抗氧化及抗蠕变性能，提高了合金工作稳定 50100 在单晶高温合金加入合理的元素使合金的持久性能和抗环境性能提高.16.金属间化合物的定义：金属间化合物是由两种或两种以上金属元素结合而成的化合物，不过现在所讲的金属间化合物范围往往不限于金属元素，一部分构成元素可以是非金属元素。金属金属化合物和金属-非金属化合物（硅化物、硼化物、碳化物、氮化物等)17.Ti-Al 系金属间化合物（三

16、者的性能区别）1)Ti3Al：传统钛合金的使用温度：550-600oC 镍基高温合金使用温度：650800oC.Ti3Al 合金开发的目的是填补上述材料使用温度间的空白。添加 Nb 元素可以改善 Ti3Al 的变形和提高其抗氧化性。2)TiAl:TiAl 比 Ti3Al更难变形。45%Al 以下：全层状组织，晶粒粗大（韧性最高）4551:等轴 TiAl 晶粒和等轴 TiAl/Ti3Al 层状晶粒(双相组织,更高的延性或韧性）51%以上：TiAl 单相组织，中等晶粒度 合金元素添加改善 TiAl 的力学性能和其他性能：（典型的 TiAl 合金：Ti-48%Al-2Cr2%Nb)Cr:改善它的室温

17、延性 Nb，Ta：提高高温强度以及改善抗氧化性和耐蚀性 W，Mo：提高高温强度 Fe,Si：改善铸造性 B，TiB2：细化晶粒并防止晶粒粗化 TiAl 作为废气阀门以及增压器转子已应用在轿车、轮船上；最有望作为发动机叶片的材料。3)Al3Ti：Al3Ti 的优点：密度低和抗氧化性好 。Al3Ti 的缺点：室温下塑性几乎为零 尽管添加 Cr、Mn、Fe、Cu 等置换型元素改变了晶体结构，塑性略有所提高.但是克服室温延性低仍然是(Al、X）3Ti 作为结构材料所面临的挑战。18.新型超高强水泥 8 DSP 水泥，又称超微密水泥，是含有均匀分布的超细颗粒的致密材料的简称。（超级钢强化材料）它是通过在

18、硅酸盐水泥中掺入 2025的硅灰，硅灰在水泥石中充填孔隙，它也是高活性材料，与硅酸盐水泥水化所释放出来的 Ca(OH)2 化合成 CS-H 凝胶，提高了水泥石的密实性，使水泥块材的抗压强度达到 200300 兆帕.掺入超塑化剂（有机高分子表面活性剂），对水泥粒子有极强的分散作用，易形成浆体。加入 3%-5纤维(碳/钢/SiC）等，改善 DSP 的断裂韧性 MDF 水泥即无宏观缺陷水泥（超高强水泥)主要成分是水泥（基材）和水溶性聚合物（丙基甲基纤维素、聚丙烯酰胺和聚乙烯醇等）19.形成超高强水泥原因：（MDF 水泥制备关键）掺加水溶性聚合物：同时减小水泥浆的屈服应力和颗粒间滑移的摩擦阻力，从而使

19、水泥颗粒达到比较紧密的堆积 碾压式拌 加压排气成型 使水泥浆体达到非常紧密的堆积 20.DSP 水泥 MDF 水泥区别:1)成分不同：DSP：在硅酸盐水泥中掺入硅灰，超塑化剂和纤维 MDF:成分是水泥和水溶性聚合物 2)性能差别大：DSP 的抗压强度高达 300MPa,弹性模量 5x（104-105）MPa，抗冻性能极好在恶劣的环境下使用 MDF 抗压强度高达 150MPa，弹性模量 3550GPa 3)制备工艺不同:DSP 采用的是塑料或陶瓷加工技术 4)应用领域不同 DSP 各种侵蚀环境，高耐磨 DSP 材料用于代替铸石、橡胶和钢材,其他用途的高级材料（海洋建筑物的补修材料）MPS 良好的

20、介电绝缘材料，用于未来电子电路基板,低温工程，声学工程，医学等领域 21.新型陶瓷性能特点：（理解，不用记）9 熔点高、密度小。化学稳定性好、抗腐蚀、抗氧化。高强度、高硬度、高刚度、耐磨损。具有一定的热强性（抗蠕变）。绝缘性、压电性、半导体性、磁性、电特性.生物体适应性，催化剂等生物化学的功能.光学功能及其他一些特殊功能。韧性、塑性很小、塑性变形能力差、易发生脆性破坏。加工成型性较差。22.氮化硅（组元 Si3N4）陶瓷，赛隆陶瓷（组元：某些金属氧化物或氮化物进入 Si3N4的晶格形成 Si6xAlxN8-xOx）碳化硅陶瓷（SiC）第3章 先进复合材料 1。复合材料(ISO)的定义：两种或两

21、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。2.复合材料应满足下面三个条件：（1)组元含量大于 5；（2）有明显的界面;(3)复合材料的性能显著不同于各组元的性能.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。4.复合材料的特点：（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

22、分的优点,赋予单一材料所不具 1 0 备的优良特殊性能。(3)复合材料具有可设计性。5.复合材料的基本性能：(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）良好的功能性能 6.复合材料在社会发展中的地位和作用：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

23、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。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 复合材料在航空中的应用：航空发动机

24、；机用雷达天线罩 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 复合材料在装甲武器中的应用 1 1 复合材料在武器隐身技术中的应用：涂层型隐身复合材料；结构隐身材料 7.梯度功能材料的设计思想: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。8.梯度功能材料由几种性质不同的材料组成,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

25、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）功能 一致 梯度化 9.梯度功能材料的应用: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 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

26、著提高其缺口阻力，抑制微观裂纹扩张 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。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 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。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

27、可承受较大变形的钛或Ti6Al-4V 合金。1 2 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，提高压电器件的性能和寿命.第6章光学功能材料 1.光致变色：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。2.含 有 卤 化 银 的 玻 璃 是 一 种 典 型 的 异 相 型 光 色

28、 材 料,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，玻璃由于众多游离态银的散射而着色.去除光照后,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，玻璃又恢复透明.3.红外系统：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：军事观测和测定肉眼看不见的物体 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

29、抗干扰能力。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 1 3 红外系统在科学研究、国防建设、空间技术及国民经济的各个领域得到广泛的应用.如：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

30、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。5.发光机理：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“非光电导型发光.分立发光又分为自发发光和受迫发光.自发发光：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

31、响。受迫发光：受激发的粒子（如电子）在外界因素的影响下的发光.其需要经过一个成为亚稳态的中间过程才能发光。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。6.发光材料的晶格要具有结构缺陷或杂质缺陷，材料才具有发光性能.结构缺陷是晶格间的空位等晶格缺陷,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。1 4 如果在基质材料中有选择地掺入微量杂质在晶格中形成杂质缺陷，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，称

32、为激活剂.7.发光材料的主要性能参数: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）8.激光产生的原理 爱因斯坦认为辐射与物质的相互作用主要包括：受激吸收、自发辐射和受激发射。（1）受激吸收：当一个频率为 v

33、21 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,彼此无关.宏观表现：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，并同时辐射出一个与入射光子完全一样的光子.宏观表现：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

34、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,它为激光的产生提供了基础.第 9 章 智能材料 1.智能材料结构：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 1 5 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

35、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，通过几个物理或化学效应的耦合来实现所需的智能化效应 5.形状记忆效应：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

36、为形状记忆合金 6.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

37、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（)增加，Ms 和 Af也相应增加。当 Ms 超过环境温度时，母相开始相变为马氏体.随应力的增加，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,回复到应力为零时的相变点.由于此时合金的 Af点低于环境温度，马氏体逆转变回母相，样品的变形随之消失，显示出超弹性。1 6 7.形状记忆合金分类:单程记

38、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 Nb2O5NbO2Nb2O3-NbN 的过渡氧化物层.这些氧化物为玻璃态,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;Si3N4和 NbN 与氧反应生成 N2,形成局部还原环境，抑制氧化。9.微波辐射使陶瓷材料内部裂纹愈合 微波加热原理：电磁波导致材料内部的可极

39、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，受力时材料内部的微细裂纹易沿着碳化物晶粒扩展.碳化物颗粒优先加热,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。10.氧化锆相变增韧陶瓷: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 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，

40、提高材料的强度和韧性.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。11.电致变色：指材料在电场的作用下而引起颜色的变化，这种变化是可逆并且连续可调.1 7 12。电致变色玻璃：利用电致变色材料特性由基础玻璃和电致变色材料构造的玻璃装置，可通过“电开关”实现对通过光、热的动态调节.也称为智能窗（应用：建筑物门窗、交通工具的挡风玻璃及大面积显示器等）13.电致变色智能玻璃的结构：由普通玻璃及沉积于玻璃上的五层薄膜材料组成，即“玻璃TC EC FIC CE TC玻璃”。GS-玻

41、璃基片 TC氧化铟锡（ITO)膜制成的透明电极 EC电致变色膜 FIC快离子导体隔膜 CE离子储存层(对电极 EC 电致变色材料)14.电致变色智能玻璃工作原理:在外电场作用下,由于电致变色层中离子的注入和抽出而使整个智能玻璃发生漂白和着色变化。正向直流电压：离子贮存层中阳离子被抽出，通过离子导体层进入电致变色层，引起变色层变色，材料的透射率减小“着色”;反向电压：电致变色层中离子被抽出后又进入贮存层，整个装置恢复透明原状，材料的可见光透射率增加-“漂白”。15.电流变液：由高介电常数、低电导率的电介质颗粒分散于低介电常数的绝缘液体中形成的悬浮体系，是可快速和可逆地对电场作出反应，迅速实现液体

42、-固体性质转变的一类智能材料。16。电流变效应：在电场作用下电流变液颗粒自身发生极化,由于极化颗粒间产生静电引力而使颗粒排成链或柱状结构，电流变液粘度增大；当外场高于某一值时，流体状态由液态转变为固态，流体类型也由 Newton 流体转变为 Bingham 流体；当电场减弱或消失时,它又可以快速地恢复到原始状态.17。(a)颗粒中心连线平行于电场方向：吸引力；1 8 (b）颗粒中心连线垂直于电场方向:排斥力；(c)颗粒中心连线既不平行又不垂直于电场方向：使颗粒沿电场方向排列的扭转力。故极化力最终使颗粒沿电场方向排列成链状结构 18.影响电流变效应的主要因素:分散相颗粒的介电性质,化学性质，大小

43、、形状，电导率，浓度,基础液，添加剂 19。电流变液的组成：分散相，分散介质，添加剂。19。电流变液材料的应用：机电一体化的自适应控制机构，离合器，减振器，制动器，发电机悬挂装置,阻尼装置，防震装置 20。磁流变液：由磁性颗粒，载液和稳定剂组成,是具有随外加磁场变化而有可控制流变特性的非胶体性质的悬浮液。21.磁流变效应：在强磁场作用下能在瞬间(毫秒级）从流动性良好的、具有一定粘滞度的牛顿流体，转变为具有相当屈服剪切力的粘塑性体直至固体，呈现可控的屈服强度，而且这种变化是可逆的，当磁场移去之后，又立即恢复液态。22 磁流变液的组成:磁性粒子基础液添加剂 23.磁流变效应机理:电流变流体(效应)

44、的磁模拟 磁场作用时：磁性颗粒自由分散在基础液中，牛顿流体。有磁场作用时:颗粒被磁化而产生磁偶极矩,形成磁偶极子。磁偶极子在磁场力作用下相互吸引，沿 N 极和 S 极之间的磁力线在二极之间形成粒子桥，产生抗剪切应力，外观表现为粘稠的特性液体的粘度随磁场变化而无级变化。响应时间在 0.1-1ms 之间，磁场越强，粒子桥越稳定，抗剪切能力越强.24.性能优良的磁流变液的主要特征:（理解，不记）1)屈服强度高，2030kPa;2）零磁场粘度低；3)工作温度范围宽：一般应在 40150范围内；1 9 4)具备较高的击穿磁场；5）抗沉降稳定性好；6）化学稳定性好，无毒，环境安全，25。磁流变液材料的应用

45、：阻尼元件（磁流变液的最大应用领域)，卡车座位减振器，磁流变液离合器、制动器,磁流变液可控阀门，抛光装置,密封装置.作业：1、铸造法与粉末冶金法都是属于材料的成型技术，它们各自的优缺点在哪里?铸造法：指将室温中为液态但不久后将固化的物质倒入特定形状的铸模待其凝固成形的加工方式。被铸物质多为原为固态但加热至液态的金属，而铸模的材料可以是沙、金属甚至陶瓷.因应不同要求，使用的方法也会有所不同.优点:1)可以生产出形状复杂，特别是具有复杂内腔的零件毛坯，如各种箱体、床身、机架等.2）铸造生产的适应性广，工艺灵活性大。工业上常用的金属材料均可用来进行铸造，铸件的重量可由几克到几百吨，壁厚可由 0。5m

46、m 到 1m 左右。3）铸造用原材料大都来源广泛,价格低廉，并可直接利用废机件，故铸件成本较低。缺点：1）铸造组织疏松、晶粒粗大，内部易产生缩孔、缩松、气孔等缺陷，因此，铸件的力学性能，特别是冲击韧度低于同种材料的锻件.2）铸件质量不够稳定。粉末冶金:制取金属粉末（添加或不添加非金属粉末），实施成形和烧结,制成材料或制品的加工方法。主要优点:成分分布均匀、偏析小，易得到微细组织、可按成品形状成形、加工量小，材料复合简单.缺点：成本高，粉末容易吸入如氧等对力学性能有害的杂质.2、无宏观缺陷水泥（即 MDF 水泥）除了优良的力学性能之外,为何在低温工程、声学工程、医学等领域也有良好的潜在市场?MD

47、F 水泥抗折强度高韧性好，可用于制造各种管道尤其是用其他材料不易制作的大直径管道,及对抗折强度有较高要求的支撑材料；MDF 水泥绝缘性好，体积电阻率和击穿电压高，可代替陶瓷、塑料用作力学性能好的经久耐用电绝缘材料;2 0 （1)声学 MDF 水泥同时具有较高的扬氏摸量和较好的声阻尼性能（tan5=01）,适合于做发 电机、发动机和各种机床的底座,以降低其震动和噪音也可用作需要防震的精密仪器如 医用 x 射线透视机的底座。扬声器机壳、唱盘高保真音材料 （2）低温 MDF 水泥 77K 时的抗弯强度、杨氏模量、和断裂韧性 KIC 等值都比室温时高。KIC 的增大有助于阻止裂纹扩展。.室温时 MDF 水泥的热导率约为 1wmK，比金属小 2 个数量级,到低温时仍比金属低很多。此外，MDF 水泥的渗透率也比较低。由于这些性能，MDF 水泥适合于做低温液体的容器、管道或低温超导装置的组件储存、输送低温液体的容器、管道或低温超导装置的组件。（3）危险废料处理 由于该材料具有高强度、高韧性、低渗透性以及良好 抗溶剂和耐酸碱腐蚀性能,所以可用作盛装核废渣、废液等危险废料的容器，以及作特种耐蚀管材。（4）护甲/防弹装甲材料 利用该材料良好的冲击韧性，可作为人员和交通工具的护甲、重要工业或军用建筑的外墙板或隔板 (5）生物医学材料 作为外科、骨科、牙科的移植材料使用。