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1、1、 新型材料的主要特征1）获得途径：新型材料获得途径与传统(普通)材料不同，新型材料是过去不曾有、自然界中亦不存在的人造材料。新型材料是人类在研究并掌握了物质结构、变化规律的基础上，根据人类的需要，通过对源子、分子等的选择、组合，并创造必要的环境条件了得到的具有预期性能的物质，所以是人正合成或人工创造的2）、新型材料的出现是多种学科相互交叉、渗透和互相促进，综合研究和进步的成果；是基础学科(如物理、化学、生物：数学等)与理化专业技术(如微电子、计算机、冶金学等)新成果交织在一起的成果。3）、新型材料具有高新性能，能满足尖端技术和设备制造的需要新型材料，是高新技术、高新设备得以完成和实现的重要
2、条件和保证。4）新型材料发展的驱动力由军事需求向经济需求转变5）新型材料的开发与应用联系更加紧密6）新型材料应注重与生态环境及资源的协调性2、材料的成分、结构、与性能之间的关系。材料科学的重要研究领域是材料的成分、结构、性能与应用之间的关系。材料的化学成分对其强韧化的影响有直接作用和间接作用，且以间接作用为主。一般而言，材料的组成元素与其含量的改变对材料的强韧化作用是通过材料结构的改变来实现的。所以材料的化学成分或化学组成是其结构的主要决定因素之一。材料的结构是指材料的组元及其排列和运动方式，它包括形貌、相组成、晶体结构和缺陷等内涵。通常用来表示材料结构的名词有宏观组织、显微组织、晶体结构、原
3、子结构等。原子结构与电子结构是研究材料特性的两个最基本的物质层次。当材料的化学成分或化学组成一定时，可通过变更不同的加工工艺(如改变热处理工艺，进行冷、热变形加工等)来改变材料的组织结构，从而导致材料在力学性能上有较大的差异。另一影响材料性能的主要因素是原材料的质量或冶金质量，如钢材在生产过程中要经过冶炼、铸造、轧制(或锻造)等工序，最后成材，由这些工艺过程所控制的质量，一般称冶金质量(它包括疏松、气孑L、偏析、白点、带状组织及非金属夹杂物等)。3、伴随着高科技的迅速发展，对新型材料提出新的总体要求是：1结构与功能相结合：要求材料不仅能作为结构材料使用，而且具有特殊的功能或多种功能，正在开发研
4、制的梯度功能材料和仿生材料即属于此。2智能化：要求材料本身具有感知、自我调节和反馈的能力，即具有敏感和驱动的双重功能。3减少污染：为了人类的健康和生存，要求材料的制作和废弃过程中对环境产生的污染尽可能少。今后在开发、发展和应用那些具有良好性能和功能的材料的同时，又要能与环境相协调，也就是说，在研究材料时必须要有环境保护意识。4可再生性：可再生性是指一方面可保护和充分利用自然资源，另一方面又不为地球积存太多的废物，而且能再次利用。如正在研制开发中的自降解塑料，这种材料一方面可减少白色污染，还可再生利用，与环境保护有一定关系。5节省能源，制造材料时耗能尽可能少，同时又可利用新开发的能源。6长寿命，
5、要求材料能长期保持其基本特性，稳定可靠，制造的设备和元器件能少维修或不维修。4、纳米材料的制备方法：1）、物理制备方法早期的物理制备方法是将较粗的物质粉碎，如低温粉碎法、超声波粉碎法、冲击波粉碎法、蒸气快速冷却法、蒸气快速油面法、分子束外延法等等 。近年来发展了一些新的物理方法 ，如旋转涂层法将聚苯乙烯微球涂敷到基片上 ，由于转速不同 ，可以得到不同的空隙度 。然后用物理气相沉积法在其表面上沉积一层银膜 ，经过热处理 ，即可得到银纳米颗粒的阵列2）化学制备方法，包括固相法、气相法和液相法。固相法包括固相物质热分解法和物理粉碎法 。固相物质热分解法是利用金属化合物的热分解来制备超微粒 ，但其粉末
6、易固结 ，还需再次粉碎 ，成本较高 。物理粉碎是通过机械粉碎、电火花爆炸等法制得纳米粒子气相法在纳米微粒制造技术中占有重要地位 ，利用此法可以制造出纯度高、颗粒分布性好、粒径分布窄而细的纳米超微粒 。尤其是通过控制气氛 ，可制备出液相法难以制备的金属碳化物、硼化物等非氧化物的纳米超微粒，主要包括：真空蒸发冷凝法、高频感应加热法、高压气体雾化法，此外 ,还有溅射法、气体还原法、化学气相沉淀法和粒子气相沉淀法 。液相法主要包括：沉淀法该法包括直接沉淀法、均匀沉淀法和共沉淀法 。溶胶凝胶法57溶胶凝胶法可制备传统制备方法不能制得的产物 ，尤其对制备非晶态材料显得尤为重要，溶胶凝胶法包括金属醇盐和非醇
7、盐两种方法。 水解反应法8依据水热反应的类型不同，可分为水热氧化、还原、合成、分解和结晶等几种。其原理是在水热条件下加速粒子反应和促进水解反应。 胶体化学法9采用粒子交换法、化学絮凝法、胶溶法制得透明性金属氧化物的水凝胶，以阴粒子表面活性剂 如进行憎水处理，然后用有机溶剂冲洗制得有机胶体，经脱水和减压蒸馏，在低于表面活性剂的热分解温度的条件下，制得无定性球状纳米材料。 溶液蒸发和热分解法该法包括喷雾干燥、燃烧等方法，它用于盐溶液快速蒸发、升华、冷凝和脱水过程，避免了分凝作用，能制得均匀盐类粉末。若将一定配比的金属盐溶液用粒子喷雾器在干燥室内与不同浓度的气流接触，快速蒸发分解该盐溶液，即可得到纳
8、米微粒3)物理化学法：热等离子体法、激光加热蒸气法、电解法、辐射合成法5、材料的亚稳态及亚稳态常见的类型。亚稳态：体系高于平衡态时自由能的状态的一种非平衡 非平衡的亚稳态大致有以下几种类型： （1）细晶组织 当组织细小时，界面增多，自由能升高，故为亚稳状态。 （2）高密度晶体缺陷的存在 晶体缺陷使原子偏离平衡位置，晶体结构排列的规则性下降，故体系自由能增高。（3）形成过饱和固溶体 即溶质原子在固溶体中的浓度超过平衡浓度，甚至在平衡状态是互不溶解的组元发生了相互溶解 。 （4）发生非平衡转变，生成具有与原先不同结构的亚稳新相 例如钢及合金中的马氏体、贝氏体，以及合金中的准晶态相（5）由晶态转变为
9、非晶态，由结构有序变为结构无序，自由能增高 。6、生物材料的性能要求：（1）生物相容性，生物相容性主要包括血液相容性、组织相容性。材料在人体内要求无不良反应，不引起凝血、溶血现象，活体组织不发生炎症、排拒、致癌等。 （2）力学性能，材料要有合适的强度、硬度、韧性、塑性等力学性能以满足耐磨、耐压、抗冲击、抗疲劳、弯曲等医用要求。 （3）耐生物老化性能，材料在活体内要有较好的化学稳定性，能够长期使用，即在发挥其医疗功能的同时要耐生物腐蚀、耐生物老化。 （4）成形加工性能，容易成形和加工，价格适中。7、新型材料的基本发展趋势：1继续重视高性能的新型金属结构材料 ；2结构材料的复合化、功能化；3低维材
10、料正扩大应用；4非晶材料日益受到重视；5功能材料迅速发展多功能集成化、智能化、材料和器件一体化目前新型多相复合材料的研究开发热点有以下几个方面。(1)纤维(或晶须)增强或补强复合材料。(2)第二相颗粒弥散强化复合材料。(3)无机和有机功能复合材料。(4)梯度功能复合材料。，(5)纳米复合材料等。8、塑性差及改善方法：超细晶/纳米晶材料的强度和硬度很高，但塑性差。1.塑性较差是由于变形态组织在拉伸变形时不能形成足够数量的位错或动态回复抵消已形成的位错，引起加工硬化效应减弱，导致屈服后快速缩颈失稳。2.是纳米晶体材料中存在各类缺陷、微观应力及界面状态等。用适当工艺制改善措施：材料组织呈双峰晶粒尺度
11、分布（即在纳米晶粒基体中分布一定体积分数的微米尺度晶粒），大晶粒可发生塑性变形以增殖位错及提供加工硬化效应和变形材料组织存在弥散分布的第二相微粒，第二相微粒阻碍动态回复发生并增强位错积聚能力（即增强加工硬化速率）。金属材料的主要强韧化途径：1细化晶粒；2调整化学成分，降低杂质。提高钢的纯净度；3控制轧制与控制冷却；4.马氏体强韧化；5.下贝氏体强韧化；6.相变诱发塑性新型材料的分类1、 按材料使用性能或用途的侧重点不同分类可把材料分为结构材料和功能材料两大类2、在工程上，或从成分、特性的角度分类可将材料划分为金属材料、元机非金属材料(包括陶瓷、半导体等)、聚合物材料以及复合材料4大类。每种材料
12、各具不同的结构特性和功能特性。国外也有把固体材料分成金属材料、无机非金属材料、聚合物材料、复合材料和半导体材料5类。(3)按材料应用对象的不同进行分类可将材料分为结构材料、电子材料、航天航空材料、汽车材料、核材料、建筑材料、包装材料、能源材料、生物医学材料、信息材料等。(4)按材料的某种特殊用途(功能)分类可将材料分为超导材料、贮氢材料、形状记忆材料、信息材料、非晶态材料、磁性材料、生物医学材料、机敏材料、智能材料等。(5)按材料的结晶状态进行分类可将材料分为单晶材料、多晶材料、非晶材料、准晶材料以及液晶材料等。(6)按材料的物理性能分类可将材料分为高强度材料、高温材料、超硬材料、导电材料、绝
13、缘材料等。(7)按材料发生的物理效应分类可将材料分为压电材料、热电材料、铁电材料、光电材料、激光材料、磁光材料、声光材6料等。(8)从化学的角度进行分类可将材料分为无机材料与有机材料。(9)传统材料及新型材料则是另外一种对材料的分类方法超细晶与霍尔佩奇的关系：霍尔佩奇(Hall-Petch)公式指出了多晶体材料的强度与其晶粒尺寸之间的关系，晶粒越细小则强度越高。但通常的材料制备方法至多只能获得细小到微米级的晶粒，霍尔佩奇公式的验证也只是到此范围。纳米晶金属间化合物的硬度测试值表明，随着晶粒的减小，在初始阶段（类似于纯金属盼情况）发生硬化，进一步减小晶粒，硬化的斜率减缓或者发生软化。由硬化转变为
14、软化的行为是相当复杂的，但这些现象与样品的制备方法无关。材料的热处理和晶粒尺寸的变化可能导致微观结构和成份的变化，如晶界、致密性、相变、应力等，都可能影响晶粒尺寸与硬度的关系。纳米结构材料的硬度（或强度）与粒径成反比（符合Hall-Retch关系式）。材料晶粒的细化及高密度界面的存在，必将对纳米材料的力学性能产生很大的影响。在纳米材料中位错密度非常低，位错滑移和增殖采取Frand-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以在纳米材料中位错的滑移和增殖不会发生，此即纳米晶强化效应结语在过去十多年里，尽管纳米材料的研究已经取得了显著进展，但许多
15、重要问题仍有待探索和解决。诸如，如何获得清洁、无孔隙、大尺寸的块体纳米材料，以真实地反映纳米材料的本征结构与性能？如何开发新的制备技术与工艺，实现高品质、低成本、多品种的纳米材料产业化？纳米材料的奇异性能是如何依赖于微观结构（晶粒尺寸与形貌、晶界等缺陷的性质、合金化等）的？反之，如何利用微观结构的设计与控制，发展具有新颖性能的纳米材料，以拓宽纳米材料的应用领域？某些传统材料的局域纳米化能否为其注入新的生命力？如何实现纳米材料的功能与结构一体化？如何使纳米材料在必要的后续处理或使用过程中保持结构与性能的稳定性？等等。这些基本问题是进一步深入研究纳米材料及其实用化的关键，也是纳米材料研究被称为高风
16、险与高回报并存的原因。按照HP关系式，由于晶粒尺寸的减少，纳米结构材料的强度或硬度应该提高。但是，应该看到这一关系式有一定的局限。首先强度值不可能无限地增长，不能超出理论强度的限制。其次，晶界上的任何弛豫过程都可能导致强度的降低，从而在某一临界粒径下出现反HP关系式的现象。第三，HP关系式是以位错的塞积为理论基础的，当晶粒比较小时(纳米尺寸)，单个的晶粒不能产生多个位错塞积，HP关系式就会失效。因此可以认为纳米结构材料的硬化或软化机制与传统的粗晶材料会有很大的不同。超导材料超导现象是指材料在低于某一温度时，电阻变为零的现象，而这一温度称为超导转变温度（Tc）。超导现象的特征是零电阻和完全抗磁性
17、具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。超导体主要具有三个特性: 1.零电阻性 超导材料处于超导态时电阻为零,如果用磁场在超导环中引发感生电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。这种“持续电流”已多次在实验中观察到。 2.完全抗磁性超导材料处于超导态时，只要外加磁场小于临界磁场，磁场不能透入超导体内，超导材料内部的磁场恒为零。超导悬浮，就是利用超导体的完全抗磁性。3.约瑟夫森效应当两超导体之间有一薄绝缘层（厚度约1nm）而形成低电阻连接时，会有电子对穿过绝缘层形成电流，而绝缘层两侧没有电压，即绝缘层也成了超导体。当电流超过一定值后，绝缘层两侧出现电压U（也可加一电压U）
18、，同时，直流电流变成高频交流电，而且频率与电压成正比超导材料的应用主要有：利用材料的超导电性可制作磁体，应用于电机、高能粒子加速器、磁悬浮运输、受控热核反应、储能等；可制作电缆电力电缆，用于大容量输电（功率可达10000MVA）；可制作通信电缆和天线，其性能优于常规材料。利用材料的完全抗磁性可制作无摩擦陀螺仪和轴承。利用约瑟夫森效应可制作一系列精密测量仪表以及辐射探测器、微波发生器、逻辑元件等。利用约瑟夫森结作计算机的逻辑和存储元件，其运算速度比高性能集成电路的快1020倍，功耗只有四分之一。纳米材料的特性小尺寸效应当纳米微粒尺寸与光波的波长、传导电子的得布罗意波长以及超导态的相干长度或透深度
19、等物理特征尺寸相当时 ,晶体周期性的边界条件将破坏 ,声、光、电、磁、热、力学等特性均会呈现新的小尺寸效应。表面与界面效应纳米微粒由于尺寸小 ,表面积大 ,表面能高 ,因此其活性极高 ,极不稳定 ,很容易与其他原子结合。量子尺寸效应当粒子尺寸下降到最低值时 ,费米能级附近的电子能级会由准连续变为离散能级。纳米微粒的声、光、电、磁、热以及超导性与宏观特性有着显著的不同 ,这被称为量子尺寸效应。宏观量子隧道效应隧道效应是指微观粒子具有贯穿势垒的能力 ,人们发现一些宏观量 ,如磁化强度、量子相干器中的磁通量等具有隧道效应 ,称之为宏观量子隧道效应。由于以上 4个效应的存在 ,纳米材料呈现如下的宏观物
20、理性能 :(1 )高强度和高韧性 ; (2 )高热膨胀系数、高比热容和低熔点 ; (3 )异常的导电率和磁化率 ; (4)极强的吸波性 ; (5)高扩散性。航天航空中的功能材料1、用途：聚酰亚胺薄膜绝缘性能好、耐高低温性能好、柔韧性好、占用空间体积小，因此得到了广泛的应用。主要用于印刷线路基板、电磁线、电动机绝缘、集成电路的载带和带式自动粘接等。应用最多的是挠性印制电路板(FPC)和自粘带(TAB)，主要用于挠性印制电路板的基材 和覆盖膜。聚酰亚胺挠性印制电路板早期主要用于军事部门和航空航天工业，几乎占其总量的90以上。聚酰亚胺薄膜的另一大类用途是电线电缆绝缘，虽然近5年增长不多，但用量仍然较
21、大。这一领域应用的聚酰亚胺薄 膜大多为单面或双面涂有含氟树脂的薄膜，主要用作电缆的粘结、密封，并具有耐热性及 耐化学药品性。 聚酰亚胺薄膜在其他方面的应用包括条形码、雷达、音膜、汽车配电板、防火罩、隔 离墙和电子绝缘等。聚酰亚胺薄膜价格虽然昂贵，但由于性能好，使其保持了几十年的发 展势头，以后还将继续发展2、性能：聚酰亚胺薄膜以其优良的电气性能、耐溶剂性能、耐高温和耐辐射等多种优异性能而被广泛应用于电气电子领域。它是电力电器的关键性绝缘材料，也是微电子制造与封装的关键性材料 3、聚酰亚胺薄膜生产方法：1、浸渍法、2、流涎法；3、流延拉伸法4、提高聚酰亚胺薄膜性能途径 其一，通过改变单体 合成不同化学结构的聚酰亚胺和制膜工艺上的改进 其二，由于纳米技术的快速发展，纳米粉体制备工艺已经很成熟，通过不同的制 备方法在聚合物中加入纳米级的无机粉体，可以综合纳米粒子和聚合物的优点，得到综合 性能优异的复合材料。这种方法成为提高聚酰亚胺薄膜性能的主要途径，并已经成为目前 研究热点