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材料概论4-2008_图文

材料概论
四川大学材料科学与工程学院 张 云 副教授
85410272、66176186 scuzy@163.com

一、结构材料
1.1 结构材料的性能
? 1.1.1

力学性能

?
?

(1)弹性与刚度
材料受载荷作用时立即引起变形, 当载荷去除,变形立即消失而恢复至原 来形状的性能,称为弹性。

?

在弹性范围内,载荷与变形量成正比 关系,其比例常数就是弹性模量。

?

拉伸弹性模量(E)、剪切弹性模量 (G)可用来衡量材料抵抗弹性变形的

能力,称为刚度。

? (2)强度 ?

材料抵抗外力破坏的能力称为强度, 用单位面积的受力大小表示,单位为 MPa。
屈服强度

?

?
?

抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、剪切强度
蠕变强度

?

持久强度

? (3)塑性
?

材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破

坏的能力称为塑性。
? ?

延伸率δ ≥5%的材料称为塑性材料; δ ≦5%的材料称为脆性材料。

? (4)硬度
?

材料抵抗其他物体压入其表面的性能称为
硬度。

?

它表示材料表面抵抗局部塑性变形和破坏 的能力。

? (5)韧性与脆性 ?

材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力称为冲 击韧性,或韧性。单位J/cm2。

?

材料受载荷作用时,不待改变形状就立即 破坏的性能称为脆性。

? (6)疲劳 ?

由于受大小(和方向)发生周期性重复 变化载荷的作用,使材料产生裂纹,裂纹逐 渐发展而突然断裂,这就是材料的疲劳。

物理性能 ? (1)相对密度 ? 材料密度与水密度之比。 ? (2)熔点 ? (3)热膨胀系数 ? (4)导热率 ? 1.1.3 化学性能 ? (1)耐蚀性 ? (2)抗氧化性
? 1.1.2

1.2 金属材料
? ? ? ? ?

分类:单质金属和金属合金两大类 1、钢铁

碳钢、

合金钢、

铸铁

2、铜和铜合金 纯铜、 黄铜、 青铜、 白铜

?
? ? ?

3、铝与铝合金
纯铝、 铝合金 4、钛与钛合金 钛、钛合金

? 特征:高导热 ? ? ? ?

高导电 高强度和高韧性 易成型加工 但耐腐蚀和摩擦性能较差。

1.3 有机高分子材料
?

有机高分子材料:是由C-C共价键为基本结构的碳
氢化合物高分子构成。

?
?

分类:
1、工程塑料

?
?

热塑性塑料、热固性塑料
2、橡胶塑料

? 特点:重量轻、耐腐蚀、绝缘性好、易于成

型加工
? 但强度、耐磨性和使用寿命较差。

? 常见工程塑料
? ? ? ? ?

(a)聚乙烯(PE) 低密度聚乙烯(LDPE) 高密度聚乙烯(H DPE) (b)聚氯乙烯(PVC) 密度、强度、刚度及硬度均高于PE。加入 少量添加剂时,可制得软硬两种PVC。

? (c)聚丙烯(PP) ?

质量最轻,耐热性好,绝缘性好,强度、 刚度、硬度高。

? (d)ABS塑料 ?

聚丙烯晴(A)、丁二烯(B) 、苯乙 烯(S)的三元共聚物。其含量可任意变化, 制成各种树脂。

? (e)聚酰胺(PA,尼龙或锦纶)

? (f)聚甲醛(POM)
? (g)聚碳酸脂(FC) ? (h)聚四氟乙烯(PTFE,F-4,塑料王) ? (i)酚醛塑料(PF) ? (j)环氧塑料(EP)

二、新能源材料
? 1.概述
? 1.1

新能源材料的特点

? (1)把原来使用的能源变为新能源 ? (2)提高储能和能量转化效果

? 1.2

面临的问题

? (1)资源的合理利用

? (2)安全与环境保护
? (3)材料规模生产的工艺 ? (4)材料的使用寿命

? 2.

新型二次电池

? 2.1
?
?
?

Ni/MH镍氢二次电池

(1)工作原理
正极:Ni(OH)2+OH? → NiOOH+H2O+e
负极:M+H2O+e → MH+OH ?

?
? ?

(2) 电极材料
正极材料:球形Ni(OH)2 负极材料:AB5型稀土合金、AB2型合金、

?

AB型Ti-Ni合金

? 2.2
?
?
? ?

锂离子二次电池

(1)工作原理
正极:LiCoO2 → CoO2+Li+e
负极:Li+e+C6 → LiC6 电池反应: LiCoO2 +C6 → CoO2+ LiC6

?
?

(2) 电极材料
正极材料: LiCoO2、 LiNiO2、 LiMn2O4

?

负极材料:金属锂(65年/3400)、锂合金(71年 /790)、碳材料(80年/372)、氧化物(95年/700)、 纳米合金(1998年/2000)

? 3.
?

燃料电池

把化学能转化为电能的装置。 ? 第一代燃料电池:磷酸型燃料电池,磷酸为电 解质,容量达万千瓦级,电流密度200mA/cm2 以上。成熟。 ? 第二代燃料电池:熔融碳酸盐型燃料电池,熔 融碳酸盐为电解质,运行温度高,不需贵金属 催化剂。有希望大规模生产。 ? 第三代燃料电池:固体氧化物型燃料电池,固 态氧化物为电解质,是最有效率和万能的发电 系统。有前景。

三、环境材料
?

所谓环境材料,是指同时具有满意的 使用性能和优良的环境协调性,或者能 改善环境的材料。
材料的环境友好加工

? ? ? ? ?

传统材料的环境化
金属材料的环境化

无机材料的环境化
高分子材料的环境化

? 天然材料的加工和应用
? 绿色包装材料 ? 绿色建材 ? 环境净化、替代和修复材料 ? 环境降解材料

4. 生物材料和生物医学材料
生物材料 (Biomaterial) 生物医学材料 (Biomedical Material)

--其定义随科学技术的发展而演变

4.1 生物材料和生物医学材料的定义

生物材料 (Biomaterials) “ 植入活体内或与活体结合而设计 的与活体系统不起药物反应的惰性物质” - - 1960‘s , Clemson Univ., USA
特征:人造、非生命、医用、生物相容

4.2 生物医学材料的发展
最早的应用可追溯到公元前3500年
棉花纤维、马鬃缝合伤口 ---古埃及,BC.3500 木片修补颅骨缺损 ---墨西哥印地安人

木质及石质的假牙、假鼻、假耳 ---中国、埃及, BC. 2500 黄金修补牙缺损 ---中国、埃及、罗马, BC. 2000

据文献记载
1588年,黄金板修复颚骨 1775年,金属内固定骨折 1809年,黄金种植牙 1851 年,天然硫化橡胶制作人工牙托及颚



进入 20 世纪,高分子材料的应用带来
了生物医学材料的巨大发展

- 1937年, PMMA用于牙科
- 1940‘s,维尼龙用于血管修复 - 1958年,涤纶用于动脉修复 - 1960’s,PMMA、UHMPE全髋关节

自 20 世纪 50 年代,各种复杂人工器官 的出现,标志着生物医学材料及人工关节的 发展进入了新的阶段--生物医学材料学科 与其它相关技术的交叉与渗透更趋深入 人工心脏瓣膜、人工肺、人工肾、人

工心脏、人工胰 ……

目前,生物医学材料和人工器官

所占世界医疗器械市场份额已接近 60%, 1995 年产值超过 700 亿美元,年增长率

持续保持在15-20%

我国生物医学材料产业基础薄弱,
绝大部分依靠进口,目前巨大的社会需 求与薄弱的研究开发及产业基础形成尖

锐的矛盾

4.3 生物医学材料的基本性能要求

A、生物功能性

(Biofunctionability)
B、生物相容性 (Biocompatibility) C、生物安全性 (Biological Safety)

4.4 生物医学材料的分类
A、按材料化学组份划分
(1)、无机生物医学材料
(2)、金属及合金生物医学材料

(3)、高分子生物医学材料
(4)、复合生物医学材料 (5)、生物功能材料

B、按材料来源划分

(1)、天然生物医学材料 (2)、合成生物医学材料

4.5 无机生物医学材料
根据无机生物医学材料的应用特征, 可以将其分为三种类型: (1)、接近惰性的生物陶瓷 (2)、生物活性陶瓷 (3)、可生物降解或可吸收的生物陶瓷


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