《新材料概论/教育部高等学校·材料科学与工程教学指导委员会规划教材》为教育部高等学校材料科学与工程教学指导委员会规划教材,根据教育部高等学校材料科学与工程教学指导委员会本课程“教学基本要求”编写。
对材料类专业及其他相关专业的学生,掌握各类材料,特别是新材料的相关知识,对于拓展其知识结构,提高综合科学素质是十分必要的。本教材正是为满足上述教学改革和人才培养需要而编写的。全书共分12章,第1章为材料概论,简要介绍了材料的特征和分类,材料结构与性能的基本知识,材料的发展简史,阐述了新材料的基本特点和对人类社会发展的科技推动作用,同时还简要介绍了材料科学与工程的内涵和基本要素。其余11章分别从概念、性能特点、应用和发展等方面分类介绍了高性能结构材料、先进复合材料、电性材料、磁性材料、光学功能材料、信息功能材料、新能源材料、智能材料、生物医用材料、纳米材料、生态环境材料。
《新材料概论/教育部高等学校·材料科学与工程教学指导委员会规划教材》具有内容新颖,涵盖面广,通俗易懂,可读性强等特点。可作为材料科学与工程专业导论课程的选用教材,也可作为非材料专业大学通识教育基础课程的参考教材,还适合从事与材料相关的科研人员、管理人员以及生产技术人员阅读参考。
第1章 材料概论
1.1 材料及其分类
1.2 材料的结构与性能
1.2.1 材料结构的基本知识
1.2.2 材料的性能
1.3 材料是人类文明的基石
1.3.1 材料发展简史
1.3.2 新材料是社会现代化的先导
1.3.3 新材料是实现人类社会可持续发展的重要保证
1.4 新材料技术发展的重点
1.4.1 开发新材料,发展高技术产业
1.4.2 材料设计
1.4.3 材料制备新工艺与新技术的开发
1.4.4 材料的应用研究与开发
1.5 材料科学与工程的内涵和基本要素
1.5.1 材料科学与工程的内涵
1.5.2 材料科学与工程的基本要素
参考文献
第2章 高性能结构材料
2.1 新型金属结构材料
2.1.1 超级钢
2.1.2 先进锅合金
2.1.3 先进钛合金
2.1.4 高温合金
2.2 金属间化合物结构材料
2.2.1 金属问化合物的基本特性
2.2.2 典型的金属间化合物
2.2.3 金属间化合物的制备技术和应用前景
2.3 新型无机非金属结构材料
2.3.1 新型超高强水泥
2.3.2 新型陶瓷材料
2.3.3 新型玻璃
2.4 新型高分子材料
2.4.1 特种工程塑料
2.4.2 高性能合成橡胶
2.4.3 高性能纤维
参考文献
第3章 先进复合材料
3.1 复合材料概述
3.1.1 复合材料的命名与分类
3.1.2 复合材料的增强体
3.2 金属基复合材料
3.2.1 金属基复合材料的种类和性能特点
3.2.2 铝基复合材料
3.2.3 钛基复合材料
3.2.4 镍基复合材料
3.2.5 镁基复合材料
3.3 陶瓷基复合材料
3.3.1 陶瓷基复合材料的种类和基本性能
3.3.2 氧化物基陶瓷复合材料
3.3.3 非氧化物陶瓷基复合材料
3.4 高分子基复合材料
3.4.I 高分子基复合材料的分类与性能特点
3.4.2 高分子基复合材料的结构设计
3.4.3 高分子基复合材料的力学性能与应用
3.5 新型水泥基复合材料
3.5.1 纤维增强水泥基复合材料
3.5.2 聚合物水泥基复合材料
3.5.3 水泥基功能复合材料
3.6 炭/炭复合材料
3.6.1 炭/炭复合材料的发展
3.6.2 炭/炭复合材料的制造工艺
3.6.3 炭/炭复合材料的性能
3.6.4 炭/炭复合材料的应用
3.7 梯度功能复合材料
3.7.1 梯度功能复合材料的概念
3.7.2 梯度功能复合材料的结构设计
3.7.3 梯度功能复合材料的应用
参考文献
第4章 电性材料
4.1 电性材料概述
4.2 导电材料
4.2.1 导电材料的特性
4.2.2 导电材料的种类及应用
4.3 电阻材料
4.3.1 电阻材料简介
4.3.2 电阻材料分类及应用
4.4 半导体材料
4.4.1 半导体材料概述
4.4.2 半导体材料分类及应用
4.5 超导材料
4.5.1 超导材料概述
4.5.2 超导材料的特性
4.5.3 超导材料的分类
4.5.4 超导材料的应用
4.6 铁电、庄电、热释电材料
4.6.1 铁电陶瓷
4.6.2 压电材料
4.6.3 热释电材料
参考文献
第5章 磁性材料
5.1 磁学基础
5.1.1 物质的磁性
5.1.2 磁性材料的技术磁参量
5.2 永磁材料
5.2.1 铝镍钴和铁铬钴系磁体
5.2.2 永磁铁氧体
5.2.3 稀土一过渡金属间化合物
5.2.4 纳米微晶稀土永磁材料
5.3 软磁材料
5.3.1 软磁材料简况
5.3.2 纯铁和铁合金
5.3.3 铁一镍合金(坡莫合金)
5.3.4 铁钴合金
5.3.5 非晶态软磁合金
5.3.6 软磁铁氧体
5.3.7 新型纳米软磁合金
5.4 其他新型磁性材料
5.4.1 矩磁材料
5.4.2 旋磁材料
5.4.3 压磁材料
5.4.4 其他磁性材料
参考文献
第6章 光学功能材料
6.1 光色材料
6.1.1 光致变色机理
6.1.2 光色材料的种类
6.1.3 光色材料的应用
6.2 红外光学材料
6.2.1 概述
6.2.2 主要红外光学材料及应用
6.3 发光材料
6.3.1 概述
6.3.2 典型发光材料
6.3.3 发光材料的应用
6.4 激光材料
6.4.1 激光产生的原理
6.4.2 激光材料的性能要求
6.4.3 激光材料的种类及应用
……
第7章 信息功能材料
第8章 新能源材料
第9章 智能材料
第10章 生物医用材料
第11章 纳米材料
第12章 生态环境材料
3.7.2梯度功能复合材料的结构设计
传统的复合材料虽然微观上是不均一的,但在研究材料的宏观性能时可以将它作为均质材料处理。因此,人们可以利用建立在均质材料的力学理论基础上的理论或半经验的混合法则来设计复合材料的性能。但是,梯度功能材料和传统复合材料相比,在材料设计方面有着根本不同之处。梯度功能材料的研究开发的针对性更强,在材料设计时必须首先考虑具体的使用环境。梯度功能材料设计包括两个重要的方面,一是构成梯度材料的物系设计,另一个则是热应力缓和结构设计。物系设计主要是考虑所设计的性质要与目标环境相适应,此外还要充分注意所选材料间的物理及化学相容性,包括热膨胀系数相差不能太大,两相尽可能好的润湿性和材料制备条件的同一性(烧结、致密化条件等);热应力缓和结构设计是追求在选定物系前提下梯度材料的热应力最为适宜,一方面考虑材料在制备过程中的残余应力,同时还要考虑材料在使用条件(温度梯度、热冲击等)下的热应力。故此,梯度功能复合材料设计需导入热应力分布函数和材料成分构成与成分分布函数。例如,航天飞机发动机燃烧室的一侧要承受极高的温度,另一侧接触液氢又要承受极低的温度。设计这种特殊环境下使用的梯度功能材料时,需要通过如图3—9所示的逆向设计程序找到最佳梯度分布。
梯度功能材料的制备关键在于如何使材料组成和组织结构等按设计要求形成梯度分布。常用的梯度功能材料的制备技术有:等离子喷涂法、化学或物理气相沉积法、激光熔覆法、薄膜叠层法、泥浆浸涂法等。
3.7.3梯度功能复合材料的应用
梯度功能复合材料是一类具有全新概念的材料,其应用前景极为广泛(见表3—14)。现在的主要应用为以下几方面:
1.耐高温材料
耐高温梯度功能复合材料主要应用于航天工业,它可以用于航天飞机和宇宵飞船的壳体。航天飞机在往返大气层的过程中,机头的前端和机翼的前沿处于超高温状态。过去航天飞机采用以陶瓷为主的复合材料防热系统,其重复使用性差,整个系统的可靠性也存在问题。采用热应力缓和的梯度功能复合材料可解决上述问题。梯度功能材料也可用于喷气燃烧器和重复使用型的火箭燃烧器。另外,用金属一陶瓷结合的梯度功能材料可作为核反应堆材料,能消除热传递及热膨胀引起的应力,解决内层容易剥离的问题。