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高级新兴塑胶材料
 

新兴材料:

新材料(或称先进材料)是指那些新近发展或正在发展之中的具有比传统材料的性能更为优异的一类材料。新材料是指新近发展的或正在研发的、性能超群的一些材料,具有比传统材料更为优异的性能。新材料技术则是按照人的意志,通过物理研究、 材料设计、材料加工、试验评价等一系列研究过程,创造出能满足各种需要的新型材料的技术。

简介:

随着科学技术发展,人们在传统材料的基础上,根据现代科技的研究成果,开发出新材料。新材料按组分,有金属材料、无机非金属材料(如陶瓷、砷化镓半导体等)、有机高分子材料、先进复合材料四大类。按材 料性能分,有结构材料和功能材料。结构材料主要是利用材料的力学和理化性能,以满足高强度、高刚度、高 硬度、耐高温、耐磨、耐蚀、抗辐照等性能要求;功能材料主要是利用材料具有的电、磁、声、光热等效应, 以实现某种功能,如半导体材料、磁性材料、光敏材料、热敏材料、隐身材料和制造原子弹、氢弹的核材料等。新材料在国防建设上作用重大。例如,超纯硅、砷化镓研制成功,导致大规模和超大规模集成电路的诞生,使计算机运算速度从每秒几十万次提高到现在的每秒百亿次以上;航空发动机材料的工作温度每提高100℃,推力可增大24%;隐身材料能吸收电磁波或降低武器装备的红外辐射,使敌方探测系统难以发现等等。

21世纪科技发展的主要方向之一是新材料的研制和应用。新材料的研究,是人类对物质性质认识和应用向更深层次的进军。

技术:

新材料技术是按照人的意志,通过物理研究、 材料设计、材料加工、试验评价等一系列研究过程,创造出能满足各种需要的新型材料的技术。新材料按材料的属性划分,有金属材料、无机非金属材料(如陶瓷、砷化镓半导体等)、有机高分子材料、先进复合材料四大类。按材料的使用性能性能分,有结构材料和功能材料。结构材料主要是利用材料的力学和理化性能,以满足高强度、高刚度、高 硬度、耐高温、耐磨、耐蚀、抗辐照等性能要求;功能材料主要是利用材料具有的电、磁、声、光热等效应, 以实现某种功能,如半导体材料、磁性材料、光敏材料、热敏材料、隐身材料和制造原子弹、氢弹的核材料等 。新材料在国防建设上作用重大。例如,超纯硅、砷化镓研制成功,导致大规模和超大规模集成电路的诞生,使计算机运算速度从每秒几十万次提高到现在的每秒百亿次以上;航空发动机材料的工作温度每提高100℃,推力 可增大24%;隐身材料能吸收电磁波或降低武器装备的红外辐射,使敌方探测系统难以发现, 新材料技术被称为“发明之母”和“产业粮食”。

类型:

复合新材料

复合新材料使用的历史可以追溯到古代。从古至今沿用的稻草增强粘土和已使用上百年的钢筋混凝土均由两种材料复合而成。20世纪40年代,因航空工业的需要,发展了玻璃纤维增强塑料(俗称玻璃钢),从此出现了复合材料这一名称。50年代以后,陆续发展了碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维。70年代出现了芳纶纤维和碳化硅纤维。这些高强度、高模量纤维能与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合,构成各具特色的复合材料。超高分子量聚乙烯纤维的比强度在各种纤维中位居第一,尤其是它的抗化学试剂侵蚀性能和抗老化性能优良。它还具有优良的高频声纳透过性和耐海水腐蚀性,许多国家已用它来制造舰艇的高频声纳导流罩,大大提高了舰艇的探雷、扫雷能力,在国内思嘉新材料开发的复合新材料代表了国内的较高水平。除在军事领域,在汽车制造、船舶制造、医疗器械、体育运动器材等领域超高分子量聚乙烯纤维也有广阔的应用前景。该纤维一经问世就引起了世界发达国家的极大兴趣和重视。

中国复合新材料的发展

中国复合材料发展潜力很大,但须处理好以下热点问题。复合材料创新

复合材料创新包括复合材料的技术发展、复合材料的工艺发展、复合材料的产品发展和复合材料的应用,具体要抓住树脂基体发展创新、增强材料发展创新、生产工艺发展创新和产品应用发展创新。到2007年,亚洲占世界复合材料总销售量的比例将从18%增加到25%,目前亚洲人均消费量仅为0.29kg,而美国为6.8kg,亚洲地区具有极大的增长潜力。

聚丙烯腈基纤维发展

中国碳纤维工业发展缓慢,从CF发展回顾、特点、国内碳纤维发展过程、中国PANCF市场概况、特点、“十五”科技攻关情况看,发展聚丙烯腈基纤维既有需要也有可能。

玻璃纤维结构调整

中国玻璃纤维70%以上用于增强基材,在国际市场上具有成本优势,但在品种规格和质量上与先进国家尚有差距,必须改进和发展纱类、机织物、无纺毡、编织物、缝编织物、复合毡,推进玻纤与玻钢两行业密切合作,促进玻璃纤维增强材料的新发展。

开发能源、交通用复合材料市场

一是清洁、可再生能源用复合材料,包括风力发电用复合材料、烟气脱硫装置用复合材料、输变电设备用复合材料和天然气、氢气高压容器;二是汽车、城市轨道交通用复合材料,包括汽车车身、构架和车体外覆盖件,轨道交通车体、车门、座椅、电缆槽、电缆架、格栅、电器箱等;三是民航客机用复合材料,主要为碳纤维复合材料。热塑性复合材料约占10%,主要产品为机翼部件、垂直尾翼、机头罩等。中国未来20年间需新增支线飞机661架,将形成民航客机的大产业,复合材料可建成新产业与之相配套;四是船艇用复合材料,主要为游艇和渔船,游艇作为高级娱乐耐用消费品在欧美有很大市场,由于中国鱼类资源的减少、渔船虽发展缓慢,但复合材料特有的优点仍有发展的空间。

超导材料

有些材料当温度下降至某一临界温度时,其电阻完全消失,这种现象称为超导电性,具有这种现象的材料称为超导材料。超导体的另外一个特征是:当电阻消失时,磁感应线将不能通过超导体,这种现象称为抗磁性。

一般金属(例如:铜)的电阻率随温度的下降而逐渐减小,当温度接近于0K时,其电阻达到某一值。而1919年荷兰科学家昂内斯用液氦冷却水银,当温度下降到4.2K(即-269℃)时,发现水银的电阻完全消失,

超导电性和抗磁性是超导体的两个重要特性。使超导体电阻为零的温度称为临界温度(TC)。超导材料研究的难题是突破“温度障碍”,即寻找高温超导材料。

NbTiNb3Sn为代表的实用超导材料已实现了商品化,在核磁共振人体成像(NMRI)、超导磁体及大型加速器磁体等多个领域获得了应用;SQUID作为超导体弱电应用的典范已在微弱电磁信号测量方面起到了重要作用,其灵敏度是其它任何非超导的装置无法达到的。但是,由于常规低温超导体的临界温度太低,必须在昂贵复杂的液氦(4.2K)系统中使用,因而严重地限制了低温超导应用的发展。

高温氧化物超导体的出现,突破了温度壁垒,把超导应用温度从液氦( 4.2K)提高到液氮(77K)温区。同液氦相比,液氮是一种非常经济的冷媒,并且具有较高的热容量,给工程应用带来了极大的方便。另外,高温超导体都具有相当高的磁性能,能够用来产生20T以上的强磁场。

超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能。利用超导材料制作超导发电机的线圈磁体,可以将发电机的磁场强度提高到5~6万高斯,而且几乎没有能量损失,与常规发电机相比,超导发电机的单机容量提高5~10倍,发电效率提高50%;超导输电线和超导变压器可以把电力几乎无损耗地输送给用户,据统计,目前的铜或铝导线输电,约有15%的电能损耗在输电线上,在中国每年的电力损失达1000多亿度,若改为超导输电,节省的电能相当于新建数十个大型发电厂;超导磁悬浮列车的工作原理是利用超导材料的抗磁性,将超导材料置于永久磁体(或磁场)的上方,由于超导的抗磁性,磁体的磁力线不能穿过超导体,磁体(或磁场)和超导体之间会产生排斥力,使超导体悬浮在上方。利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车,如上海浦东国际机场的高速列车;用于超导计算机,高速计算机要求在集成电路芯片上的元件和连接线密集排列,但密集排列的电路在工作时会产生大量的热量,若利用电阻接近于零的超导材料制作连接线或超微发热的超导器件,则不存在散热问题,可使计算机的速度大大提高。

能源材料

  能源材料主要有太阳能电池材料、储氢材料、固体氧化物电池材料等。

太阳能电池材料是新能源材料,IBM公司研制的多层复合太阳能电池,转换率高达40%

氢是无污染、高效的理想能源,氢的利用关键是氢的储存与运输,美国能源部在全部氢能研究经费中,大约有50%用于储氢技术。氢对一般材料会产生腐蚀,造成氢脆及其渗漏,在运输中也易爆炸,储氢材料的储氢方式是能与氢结合形成氢化物,当需要时加热放氢,放完后又可以继续充氢的材料。目前的储氢材料多为金属化合物。如LaNi5HTi1.2Mn1.6H3等。

固体氧化物燃料电池的研究十分活跃,关键是电池材料,如固体电解质薄膜和电池阴极材料,还有质子交换膜型燃料电池用的有机质子交换膜等。

智能材料

  智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料,是现代高技术新材料发展的重要方向之一。国外在智能材料的研发方面取得很多技术突破,如英国宇航公司的导线传感器,用于测试飞机蒙皮上的应变与温度情况;英国开发出一种快速反应形状记忆合金,寿命期具有百万次循环,且输出功率高,以它作制动器时、反应时间仅为10分钟;形状记忆合金还已成功在应用于卫星天线等、医学等领域。

另外,还有压电材料、磁致伸缩材料、导电高分子材料、电流变液和磁流变液等智能材料驱动组件材料等功能材料。

磁性材料

  磁性材料可分为软磁材料和硬磁材料二类。

1.软磁材料

是指那些易于磁化并可反复磁化的材料,但当磁场去除后,磁性即随之消失。这类材料的特性标志是:磁导率(μ=B/H)高,即在磁场中很容易被磁化,并很快达到高的磁化强度;但当磁场消失时,其剩磁很小。这种材料在电子技术中广泛应用于高频技术。如磁芯、磁头、存储器磁芯;在强电技术中可用于制作变压器、开关继电器等。目前常用的软磁体有铁硅合金、铁镍合金、非晶金属。

Fe-3%~4%)Si的铁硅合金是最常用的软磁材料,常用作低频变压器、电动机及发电机的铁芯;铁镍合金的性能比铁硅合金好,典型代表材料为坡莫合金(Permalloy),其成分为79%Ni-21%Fe,坡莫合金具有高的磁导率(磁导率μ为铁硅合金的10~20倍)、低的损耗;并且在弱磁场中具有高的磁导率和低的矫顽力,广泛用于电讯工业、电子计算机和控制系统方面,是重要的电子材料;非晶金属(金属玻璃)与一般金属的不同点是其结构为非晶体。它们是由FeCoNi及半金属元素BSi 所组成,其生产工艺要点是采用极快的速度使金属液冷却,使固态金属获得原子无规则排列的非晶体结构。非晶金属具有非常优良的磁性能,它们已用于低能耗的变压器、磁性传感器、记录磁头等。另外,有的非晶金属具有优良的耐蚀性,有的非晶金属具有强度高、韧性好的特点。

2.永磁材料(硬磁材料)

永磁材料经磁化后,去除外磁场仍保留磁性,其性能特点是具有高的剩磁、高的矫顽力。利用此特性可制造永久磁铁,可把它作为磁源。如常见的指南针、仪表、微电机、电动机、录音机、电话及医疗等方面。永磁材料包括铁氧体和金属永磁材料两类。

铁氧体的用量大、应用广泛、价格低,但磁性能一般,用于一般要求的永磁体。

金属永磁材料中,最早使用的是高碳钢,但磁性能较差。高性能永磁材料的品种有铝镍钴(Al-Ni-Co)和铁铬钴(Fe-Cr-Co);稀土永磁,如较早的稀土钴(Re-Co)合金(主要品种有利用粉末冶金技术制成的SmCo5Sm2Co17),以及现在广泛采用的铌铁硼(Nb-Fe-B)稀土永磁,铌铁硼磁体不仅性能优,而且不含稀缺元素钴,所以很快成为目前高性能永磁材料的代表,已用于高性能扬声器、电子水表、核磁共振仪、微电机、汽车启动电机等。

纳米材料

  纳米本是一个尺度,纳米科学技术是一个融科学前沿的高技术于一体的完整体系,它的基本涵义是在纳米尺寸范围内认识和改造自然,通过直接操作和安排原子、分子创新物质。纳米科技主要包括:纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学七个方面。

纳米材料是纳米科技领域中最富活力、研究内涵十分丰富的科学分支。用纳米来命名材料是20世纪80年代,纳米材料是指由纳米颗粒构成的固体材料,其中纳米颗粒的尺寸最多不超过100纳米。纳米材料的制备与合成技术是当前主要的研究方向,虽然在样品的合成上取得了一些进展,但至今仍不能制备出大量的块状样品,因此研究纳米材料的制备对其应用起着至关重要的作用。

1.纳米材料的性能

‍  物化性能 纳米颗粒的熔点和晶化温度比常规粉末低得多,这是由于纳米颗粒的表面能高、活性大,熔化时消耗的能量少,如一般铅的熔点为600K,而20nm的铅微粒熔点低于288K;纳米金属微粒在低温下呈现电绝缘性;钠米微粒具有极强的吸光性,因此各种纳米微粒粉末几乎都呈黑色;纳米材料具有奇异的磁性,主要表现在不同粒径的纳米微粒具有不同的磁性能,当微粒的尺寸高于某一临界尺寸时,呈现出高的矫顽力,而低于某一尺寸时,矫顽力很小,例如,粒径为85nm的镍粒,矫顽力很高,而粒径小于15nm的镍微粒矫顽力接近于零;纳米颗粒具有大的比表面积,其表面化学活性远大于正常粉末,因此原来化学惰性的金属铂制成纳米微粒(铂黑)后却变为活性极好的催化剂。

扩散及烧结性能 纳米结构材料的扩散率是普通状态下晶格扩散率的1014~1020倍,是晶界扩散率的102~104倍,因此纳米结构材料可以在较低的温度下进行有效的掺杂,可以在较低的温度下使不混溶金属形成新的合金相。扩散能力提高的另一个结果是可以使纳米结构材料的烧结温度大大降低,因此在较低温度下烧结就能达到致密化的目的。

力学性能 纳米材料与普通材料相比,力学性能有显著的变化,一些材料的强度和硬度成倍地提高;纳米材料还表现出超塑性状态,即断裂前产生很大的伸长量。

2.纳米材料的应用

纳米金属:如纳米铁材料,是由6纳米的铁晶体压制而成的,较之普通铁强度提高12倍,硬度提高2~3个数量级,利用纳米铁材料,可以制造出高强度和高韧性的特殊钢材。对于高熔点难成形的金属,只要将其加工成纳米粉末,即可在较低的温度下将其熔化,制成耐高温的元件,用于研制新一代高速发动机中承受超高温的材料。

“纳米球”润滑剂:全称 “原子自组装纳米球固体润滑剂”,是具有二十面体原子团簇结构的铝基合金 成分并采用独特的纳米制备工艺加工而成的纳米级润滑剂。采用高速气流粉碎技术,精确控制添加剂的颗粒粒度,可在摩擦表面形成新表面,对机车发动机产生修复作用。其成分设计及制备工艺具有创新性,填补了润滑油合金基添加剂的空白技术。在机车发动机加入纳米球,可以起到节省燃油、修复磨损表面、增强机车动力、降低噪音、减少污染物排放、保护环境的作用。

纳米陶瓷:首先利用纳米粉末可使陶瓷的烧结温度下降,简化生产工艺,同时,纳米陶瓷具有良好的塑性甚至能够具有超塑性,解决了普通陶瓷韧性不足的弱点,大大拓展了陶瓷的应用领域。

纳米碳管 纳米碳管的直径只有1.4nm,仅为计算机微处理器芯片上最细电路线宽的1%,其质量是同体积钢的1/6,强度却是钢的100倍,纳米碳管将成为未来高能纤维的首选材料,并广泛用于制造超微导线、开关及纳米级电子线路。

纳米催化剂 由于纳米材料的表面积大大增加,而且表面结构也发生很大变化,使表面活性增强,所以可以将纳米材料用作催化剂,如超细的硼粉、高铬酸铵粉可以作为炸药的有效催化剂;超细的铂粉、碳化钨粉是高效的氢化催化剂;超细的银粉可以为乙烯氧化的催化剂;用超细的Fe3O4微粒做催化剂可以在低温下将CO2分解为碳和水;在火箭燃料中添加少量的镍粉便能成倍地提高燃烧的效率。

量子元件 制造量子元件,首先要开发量子箱。量子箱是直径约10纳米的微小构造,当把电子关在这样的箱子里,就会因量子效应使电子有异乎寻常的表现,利用这一现象便可制成量子元件,量子元件主要是通过控制电子波动的相位来进行工作的,从而它能够实现更高的响应速度和更低的电力消耗。另外,量子元件还可以使元件的体积大大缩小,使电路大为简化,因此,量子元件的兴起将导致一场电子技术革命。人们期待着利用量子元件在21世纪制造出16GB(吉字节)的DRAM,这样的存储器芯片足以存放10亿个汉字的信息。

目前中国已经研制出一种用纳米技术制造的乳化剂,以一定比例加入汽油后,可使象桑塔纳一类的轿车降低10%左右的耗油量;纳米材料在室温条件下具有优异的储氢能力,在室温常压下,约2/3的氢能可以从这些纳米材料中得以释放,可以不用昂贵的超低温液氢储存装置。

应用:

随着科学技术的进步,产业用纺织品新材料不断地呈现发展趋势,用途也不断向多种领域扩展。一些具有特殊功能的纤维如芳纶、聚苯硫醚、碳纤维等,虽然价格较贵,但在环境保护、节能减排、阻燃耐高温等领域仍被市场看好。

新材料作为高新技术的基础和先导,应用范围极其广泛,它同信息技术、生物技术一起成为二十一世纪最重要和最具发展潜力的领域。同传统材料一样,新材料可以从结构组成、功能和应用领域等多种不同角度对其进行分类,不同的分类之间相互交叉和嵌套,目前,一般按应用领域和当今的研究热点把新材料分为以下的主要领域:

电子信息材料、新能源材料、纳米材料、先进复合材料、先进陶瓷材料、生态环境材料、新型功能材料(含高温超导材料、磁性材料、金刚石薄膜、功能高分子材料等)、生物医用材料、高性能结构材料、智能材料、新型建筑及化工新材料等

阻燃

建筑与纺织的联姻是最近几年才有的。将纤维放入混凝土中,起到增强建筑强力、抗老化的效果,已经取得了成效,在奥运场馆的建设中,这样的实例不少。但是,作为建筑行业使用的防火、阻燃材料纺织品,还没有引起足够的重视。200929日央视配楼的火灾人们仍然记忆犹新。这场大火,给国家和人民群众的生命财产安全带来了严重危害。最近,媒体披露了失火原因系大楼外墙易燃材料——挤塑板遇燃放的烟花引燃起火。挤塑板虽然环保,但是具有易燃性,过火极快。使用这种易燃材料,一旦遇到火星,造成的损失就不可避免。在建筑工程领域,为了减少由此造成的损失,世界各国对阻燃材料的研究格外重视。一些高性能及高阻燃性的聚合物,包括聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚苯硫醚(PPS)、聚苯砜(PPSU)、聚醚砜(PES)、聚偏氟乙烯(PVDF)和改性聚苯醚(PPO)等浮出水面。

目前中国生产和使用最多的是阻燃剂整理织物,包括纯棉、纯涤纶、纯毛、涤棉和各种混纺的耐久性阻燃织物和纯棉、粘胶、纯涤纶非耐久性洗涤阻燃织物,有识人士指出,随着人民生活与环境条件的不断改善,人们对阻燃纺织品性能要求越来越高,应投入人力和资金,加大开发尺寸稳定性、耐化学品性和耐磨性的阻燃纤维产品,扩大应用范围。近年来,中国在研制阻燃材料方面投入了大量人力物力,其中产业用纺织品中阻燃、耐高温材料受到格外关注,并成为阻燃纤维发展的方向和趋势。2009年,一项重大科研成果——芳纶1313与耐高温绝缘纸制备关键技术及产业化通过了中国纺织工业协会组织的专家鉴定,此项成果还获得中国纺织工业协会科学技术一等奖。这项由上海东华大学、圣欧(苏州)安全防护材料PK10开奖和广东彩艳股份公司共同开发研究的技术和装备,开启了芳纶1313产业化的进程。圣欧开发部工程师颜言告诉记者,芳纶1313是一种综合性能优良的高科技纤维,具有良好的物理机械性能。芳纶产品不仅具有可观的经济价值,而且还具有重要的战略意义。因此它是目前世界上耐高温纤维中发展最快的品种之一。他说,在目前年产间位芳纶2000吨的基础上,公司决定扩建产能,二期工程计划达到年产7000吨芳纶13133000吨绝缘复合材料的规模。

据了解,目前全世界芳纶产量在3.1万吨,其中美国杜邦公司产量最大,为2.5万吨,其次是日本帝人公司,年产2500吨左右。中国生产芳纶1313的企业主要有烟台氨纶、圣欧集团和广东彩艳股份公司等,年产总量在5000~6000吨之间,远不能满足市场的需要。中国产业用纺织品行业协会高级工程师张艳博士介绍说,国家出台的建材下乡政策,产业用纺织品可以助一臂之力。一些高性能纤维用于建筑材料,可以起到增强、防火、阻燃的功效。如果可以把这些高性能纤维纳入建材下乡的范围,就可以扩大产业用纺织品用途,扩大产业用纺织品市场。

低碳:

 环保低碳是当今世界主流,减少碳排放是国家长期目标。由于聚苯硫醚(PPS)纤维具有耐磨损、高熔点(200度不熔化)和稳定性的特征,为工业除尘首选材料,在中国煤炭、电力、水泥行业被广泛使用,充当减排的“尖兵”。有资料显示,目前,中国燃煤电力、燃煤锅炉袋式除尘设备占到除尘设备总量不到10%。随着国家环保力度加大,对袋式除尘技术优势的认识也逐步提高,PPS纤维的年需求量将以每年30%以上的速度增长,市场前景十分广阔。另外,PPS纤维在城市垃圾焚烧、汽车尾气除尘、保温材料、绝缘材料、化工过滤材料等其它方面的应用也十分广阔,需求量也逐年加大。

近年来,中国加大了PPS纤维产业化进程。由中国纺织科学研究院参与工艺路线的研制,四川得阳科技股份PK10开奖承担的国家级高新产品研发项目——聚苯硫醚纤维产业化生产,于20081月投料开车成功,打破了国外对中国的技术封锁和产品销售的垄断。目前,得阳股份的聚苯硫醚生产能力已经接近3万吨/年。为了适应国内外市场不断增长的需求,该公司已经规划实施了新的扩产项目,预计在2010年,聚苯硫醚的生产能力将稳居世界首位,产品的性能也将达到世界先进水平。

 
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