1.4　非金屬材料

非金屬材料指除金屬材料以外的其他一切材料。這類材料發展迅速，種類繁多，已在工業領域中廣泛應用。非金屬材料主要包括有機高分子材料（如塑料、合成橡膠、合成纖維、膠黏劑、涂料及液晶等）和陶瓷材料（如陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料及各類新型陶瓷材料等），其中工程塑料和工程陶瓷的應用在工程結構中占有重要的地位。

人類已進入21世紀，隨著科學技術的迅速發展，在傳統金屬材料與非金屬材料仍大量應用的同時，各種適應高科技發展的新型材料不斷涌現，為新技術取得突破創造了條件。所謂新型材料，是指那些新發展或正在發展中的、采用高新技術制取的、具有優異性能和特殊性能的材料。新型材料是相對于傳統材料而言的，二者之間并沒有截然的分界。新型材料的發展往往以傳統材料為基礎，傳統材料進一步發展也可以成為新型材料。材料，尤其是新型材料，是21世紀知識經濟時代的重要基礎和支柱之一，它將對經濟、科技、國防等領域的發展起到至關重要的推動作用，對機械制造業更是如此。

1.4.1　工程塑料

1.塑料的組成

塑料一般以合成樹脂（高聚物）為基體，再加入各種添加劑而制成。

（1）合成樹脂　合成樹脂即人工合成線型高聚物，是塑料的主要組分（約占40％～100％），對塑料的性能起著決定性作用，故絕大多數塑料以樹脂的名稱命名。合成樹脂受熱時呈軟化或熔融狀態，因而塑料具有良好的成形能力。

（2）添加劑　添加劑是為改善塑料的使用性能或成形工藝性能而加入的輔助組分。

①填料（填充劑）　主要起增強作用，還可使塑料具有所要求的性能。如在塑料中加入鋁粉可提高其對光的反射能力和防老化，加入二硫化鋁可提高其自潤滑性，加入云母粉可提高其電絕緣性，加入石棉粉可提高其耐熱性等。另外，有一些填料比樹脂便宜，加入后可降低塑料成本。

②增塑劑　為提高塑料的柔軟性和可成形性而加入的物質，主要是一些低熔點的低分子有機化合物。合成樹脂中加入增塑劑后，大分子鏈間距離增大，降低了分子鏈間作用力，增加了大分子鏈的柔順性，因而使塑料的彈性、韌性、塑性提高，強度、剛度、硬度、耐熱性降低。加入增塑劑的聚氯乙烯比較柔軟，未加入增塑劑的聚氯乙烯則比較剛硬。

③固化劑（交聯劑）　加入到某些樹脂中可使線型分子鏈間產生交聯，從而由線型結構變成體型結構，固化成剛硬的塑料。

④穩定劑（防老化劑）　其作用是提高樹脂在受熱、光、氧等作用時的穩定性。此外，為防止塑料在成形過程中粘連在模具上，并使塑料表面光亮美觀而加入的潤滑劑；為使塑料具有美麗的色彩而加入的有機染料或無機顏料等著色劑；以及為使塑料具有不同性能而加入發泡劑、阻燃劑、抗靜電劑等。總之，根據不同的塑料品種和性能要求，可加入不同的添加劑。

2.塑料的分類

（1）按樹脂的熱性能分類

①熱塑性塑料　這類塑料為線型結構分子鏈，加熱時會軟化、熔融，冷卻時會凝固、變硬，此過程可以反復進行。典型的品種有聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺（尼龍）、ABS、聚甲醛、聚碳酸酯、聚砜、聚四氟乙烯、聚苯醚、聚氯醚、有機玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯）等。這類塑料機械強度較高，成形工藝性能良好，可反復成形和再生使用，但耐熱性與剛性較差。

②熱固性塑料　這類塑料為密網型結構分子鏈，其形成是固化反應的結果。具有線型結構的合成樹脂，初加熱時軟化、熔融，進一步加熱、加壓或加入固化劑，通過共價交聯而固化。固化后再加熱，則不再軟化、熔融。品種有由酚醛塑料、氨基塑料、環氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、有機硅樹脂等構成的塑料。這類塑料具有較高的耐熱性與剛性，但脆性大，不能反復成形與再生使用。

（2）按應用范圍分類

①通用塑料　主要指產量大、用途廣、價格低廉的聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料等幾大品種，它們約占塑料總產量的75％以上，廣泛用于工業、農業和日常生活各個方面，但其強度較低。

②工程塑料　主要指用于制作工程結構、機器零件、工業容器和設備的塑料。最重要的有聚甲醛、聚酰胺（尼龍）、聚碳酸酯、ABS四種，還有聚砜、聚氯醚、聚苯醚等。這類塑料具有較高的強度（60～100MPa）、彈性模量、韌性、耐磨性，耐蝕和耐熱性也較好。目前，工程塑料發展十分迅速。

③其他塑料　例如耐熱塑料，一般塑料的工作溫度不超過100℃，耐熱塑料可在100～200℃，甚至更高的溫度下工作，如聚四氟乙烯、聚三氟乙烯、有機硅樹脂、環氧樹脂等。目前耐熱塑料的產量較少，價格較貴，僅用于特殊用途，但有發展前途。

隨著塑料性能的改善和提高，新塑料品種不斷出現，通用塑料、工程塑料和耐熱塑料之間沒有明顯的界限了。

3.常用工程塑料的性能和用途

工程塑料相對金屬來說，具有密度小、比強度高、電絕緣性好、耐腐蝕、耐磨和自潤滑性好等特點，還有透光、隔熱、消音、吸震等優點，也有強度低、耐熱性差、容易蠕變和老化的缺點。

不同類別的塑料有著不同的性能特點。表1.4.1和表1.4.2分別列出了工業上常用的熱塑性塑料和熱固性塑料的性能特點和用途。除此之外，還有以兩種或兩種之上的聚合物，用物理或化學方法共混而成的共混聚合物，這在塑料工業中稱為塑料合金。這使可供選用的工程塑料的性能范圍更加廣泛。

1.4.2　合成橡膠

1.橡膠的特性和應用

橡膠是在室溫下處于高彈態的高分子材料，最大的特性是高彈性，其彈性模量很低，只有1～10MPa；彈性變形量很大，可達100％～1000％；具有優良的伸縮性和積儲能量的能力。此外，還有良好的耐磨性、隔音性、阻尼性和絕緣性。

橡膠在工業上應用相當廣泛，可用于制作輪胎、動靜態密封件（如旋轉軸、管道接口密封件）、減震防震件（如機座減震墊片、汽車底盤橡膠彈簧）、傳動件（如三角膠帶、傳動滾子）、運輸膠帶、管道、電線、電纜、電工絕緣材料和制動件等。

2.橡膠的組成

橡膠制品是以生膠為基礎加入適量的配合劑制成的。

（1）生膠　未加配合劑的天然或合成的橡膠統稱生膠。天然橡膠綜合性能好，但產量不能滿足日益增長的需要，及滿足某些特殊性能要求，因此合成橡膠獲得了迅速發展。

（2）配合劑　為了提高和改善橡膠制品的各種性能而加入的物質稱為配合劑。配合劑種類很多，其中主要是硫化劑，其作用類似于熱固性塑料中的固化劑，它使橡膠分子鏈間形成橫鏈，適當交聯，成為網狀結構，從而提高橡膠的力學性能和物理性能。常用的硫化劑是硫黃和硫化物。

為提高橡膠的力學性能，如強度、硬度、耐磨性和剛性等，還需加入填料。使用最普遍的是炭黑，以及作為骨架材料的織品、纖維，甚至是金屬絲或金屬編織物。填料的加入還可減少膠用量，降低成本。其他配合劑還有為加速硫化過程、提高硫化效果而加入的硫化促進劑；用以增加橡膠塑性，改善成形工藝性能的增塑劑；以及防止橡膠老化而加入的防老化劑（抗氧化劑）等。

3.常用橡膠

橡膠品種很多，主要有天然橡膠和合成橡膠兩類。合成橡膠按用途及使用量分為通用橡膠和特種橡膠。

（1）天然橡膠　天然橡膠是橡膠樹流出的膠乳，經凝固、干燥等工序制成的彈性固狀物，其單體為異戊二烯高分子化合物。它具有很好的彈性，但強度、硬度不高。為提高強度并硬化，需進行硫化處理。天然橡膠是優良的絕緣體，但耐熱老化性和耐大氣老化性較差，不耐臭氧、油和有機溶劑，且易燃。天然橡膠廣泛用于制造輪胎、膠帶和膠管等。

（2）合成橡膠　合成橡膠是指具有類似橡膠性質的各種高分子化合物。它的種類很多，主要有以下幾種：

a.丁苯橡膠　它是合成橡膠中應用最廣、產量最大的一種，由丁二烯和苯乙烯聚合而成，具有較好的耐磨、耐自然老化、耐臭氧性，但加工性能不如天然橡膠，廣泛用于制造輪胎膠、布膠鞋、膠管等。

b.順丁橡膠　順丁橡膠是以丁二烯為原料，在催化劑作用下經聚合反應而得到的產品，產量僅次于丁苯橡膠。順丁橡膠具有良好的耐磨性、耐老化性、耐寒性和高彈性，但不易加工、強度較差，主要用于制造輪胎、三角膠帶、減振器和橡膠彈簧等。

c.氯丁橡膠　氯丁橡膠是由氯丁二烯經聚合反應得到的產品，具有良好的耐臭氧、耐油和耐溶劑性能，但絕緣性能較差，主要用于制造膠帶、膠管、汽車門窗嵌條等。

d.丁腈橡膠　是由丙烯腈和丁二烯經聚合反應得到的產品，具有良好的耐油性、耐磨性、耐熱性，耐臭氧性、耐寒性較差，加工性能不好，主要用于制造耐油制品，如輸油管、耐油密封圈等。

e.聚氨酯橡膠　是由氨基甲酸酯經聚合而成，屬特種橡膠，具有良好的耐磨性、耐油性，但耐水、酸、堿性能較差，主要用于制造膠輥、實心輪胎和耐磨制品。

f.硅橡膠　是指分子鏈中含有硅氧鍵，經硫化后具有彈性的有機硅聚合物，屬特種橡膠。它具有耐高溫、耐寒、電絕緣性能優良的特點，但抗拉強度低、價格較貴，主要用于制造耐高溫、耐寒或耐高溫電絕緣制品等。

g.氟橡膠　主要是全氟丙烯和偏二氟乙烯的共聚物，屬特種橡膠。它具有良好的耐高溫、耐腐蝕、耐臭氧和大氣老化性能，但加工性能差，價格貴，主要用于制造高級密封件、高真空耐蝕件等。

橡膠按原料來源分為天然橡膠與合成橡膠，按用途分為通用橡膠和特種橡膠。天然橡膠屬通用橡膠，廣泛用于制造輪胎、膠帶、膠管等。其中，產量最大的是丁苯橡膠，占橡膠總產量的60％～70％；發展最快的是順丁橡膠。

特種橡膠價格較貴，主要用于要求耐熱、耐寒、耐蝕的特殊環境。

1.4.3　陶瓷材料

陶瓷是由金屬和非金屬元素組成的無機化合物材料，其性能硬而脆，比金屬材料和工程塑料更能抵抗高溫環境的作用，已成為現代工程材料的三大支柱之一。

1.陶瓷的分類

陶瓷種類繁多，工業陶瓷大致可分為普通陶瓷和特種陶瓷兩大類。

（1）普通陶瓷（傳統陶瓷）。除陶、瓷器之外，玻璃、水泥、石灰、磚瓦、搪瓷、耐火材料都屬于陶瓷材料。一般人們所說的陶瓷常指日用陶瓷、建筑瓷、衛生瓷、電工瓷、化工瓷等。普通陶瓷以天然硅酸鹽礦物如黏土（多種含水的鋁酸鹽混合料）、長石（堿金屬或堿土金屬的鋁硅酸鹽）、石英（SiO2）、高嶺土（Al2O3·2SiO2·2H2O）等為原料燒結而成。

（2）特種陶瓷（現代陶瓷）。特種陶瓷采用純度較高的人工合成原料，如氧化物、氮化物、硅化物、硼化物、氟化物等制成，具有各種特殊力學、物理、化學性能。

按性能和應用不同，陶瓷也可分為工程陶瓷和功能陶瓷兩大類。

（1）工程陶瓷。在工程結構上使用的陶瓷稱為工程陶瓷。現代工程陶瓷主要在高溫下使用，故也稱高溫結構陶瓷。這些陶瓷具有在高溫下優越的力學、物理和化學性能，在某些科技場合和工作環境往往是唯一可用的材料。工程陶瓷有許多種，目前應用廣泛和有發展前途的有氧化鋁、氮化硅、碳化硅和增韌氧化物等材料。

（2）功能陶瓷。利用陶瓷特有的物理性能可制造出種類繁多、用途各異的功能陶瓷材料。例如導電陶瓷、半導體陶瓷、壓電陶瓷、絕緣陶瓷、磁性陶瓷、光學陶瓷（如光導纖維、激光材料）等，以及利用某些精密陶瓷對聲、光、電、熱、磁、力、濕度、射線及各種氣氛等信息顯示的敏感特性而制得的各種陶瓷傳感器材料。

2.陶瓷材料的性能特點

（1）力學性能。和金屬材料相比較，大多數陶瓷的硬度高，彈性模量大，脆性大，幾乎沒有塑性，抗拉強度低，抗壓強度高。

（2）熱性能。陶瓷材料熔點高，抗蠕變能力強，熱硬性可達1000℃。但陶瓷熱膨脹系數和熱導率小，承受溫度快速變化的能力差，在溫度劇變時會開裂。

（3）化學性能。陶瓷的化學性能最突出的特點是化學穩定性很高，有良好的抗氧化能力，在強腐蝕介質、高溫共同作用下有良好的抗蝕性能。

（4）其他物理性能。大多數陶瓷是電絕緣體，功能陶瓷材料具有光、電、磁、聲等特殊作用。

3.常用工程陶瓷的種類、性能和用途

（1）普通陶瓷　普通陶瓷按用途可分為日用陶瓷、建筑用瓷、電瓷、衛生瓷、化學瓷與化工瓷等。這類陶瓷質地堅硬、不氧化、耐腐蝕、不導電、成本低，但含有相當數量的玻璃相，強度較低，使用溫度不能過高。普通陶瓷產量大、種類多，廣泛應用于電氣、化工、建筑等行業。

（2）特種陶瓷

氧化鋁陶瓷的主要特點是耐高溫性能好，可在1600℃高溫下長期使用，耐蝕性很強，硬度很高，耐磨性好，因此可用于制造熔化金屬的坩堝、高溫熱電耦套管、刀具與模具等。氧化鋁有很好的電絕緣性能，在高頻下的電絕緣性能尤為突出。其缺點是脆性大，不能承受沖擊載荷，也不適于溫度急劇變化的場合。

氮化硅陶瓷的原料豐富，加工性能優良，用途廣泛。可以用較低的成本生產各種尺寸精確的部件，尤其是形狀復雜的部件，其成品率高于其他陶瓷材料。

氮化硅是鍵性很強的共價鍵化合物，穩定性極強，能耐各種酸和堿的腐蝕，也能抵抗熔融有色金屬的侵蝕。氮化硅的硬度很高，耐磨性好，摩擦因數小，在無潤滑條件下工作是一種極為優良的耐磨材料。氮化硅陶瓷的熱膨脹系數小，有極好的抗溫度急變性。氮化硅陶瓷的使用溫度不如氧化鋁陶瓷，但它的硬度在1200℃時仍不降低。

氮化硅陶瓷的制造方法有熱壓燒結和反應燒結兩種。熱壓燒結氮化硅陶瓷組織致密，強度與韌性均高于反應燒結氮化硅陶瓷，但受模具限制，只能制作形狀簡單且精度要求不高的零件。熱壓燒結氮化硅陶瓷主要用于制造刀具，可切削淬火鋼、鑄鐵、鋼結硬質合金等，可制作高溫軸承等。反應燒結氮化硅陶瓷的強度低于熱壓燒結氮化硅陶瓷，多用于制造形狀復雜、尺寸精度要求高的零件，可用于要求耐磨、耐腐蝕、耐高溫、絕緣等場合，如泵的機械密封環、熱電耦套管、燃氣輪機葉片等。

碳化硅和氮化硅一樣，也是鍵能很高的共價鍵結合的晶體。碳化硅陶瓷的生產方式除反應燒結與熱壓燒結以外，新近還開發了一種常壓燒結的方法。

碳化硅陶瓷的最大特點是高溫強度高，在1400℃時抗彎強度仍保持在500～600MPa的較高水平。碳化硅陶瓷有很好的耐磨損、耐腐蝕、抗蠕變性能，熱傳導能力很強，可用于制作火箭尾噴管的噴嘴、爐管、高溫軸承與高溫熱交換器等。

氮化硼有兩種晶型：六方晶型和立方晶型。六方氮化硼的結構、性能均與石墨相似，故有“白石墨”之稱，它有良好的耐熱性、熱穩定性、導熱性和高溫介電強度，是理想的散熱材料、高溫絕緣材料，如制作冶金用高溫容器、半導體散熱絕緣材料、高溫軸承、熱電耦套管等。六方氮化硼陶瓷的硬度不高，是目前唯一易于機械加工的陶瓷。立方氮化硼陶瓷結構牢固，硬度接近金剛石，是極好的耐磨材料，作為超硬工模具材料，現已用于高速切削刀具的拔絲模具等。

此外，其他應用較多的特種陶瓷還有氧化物陶瓷，如氧化鋯陶瓷、氧化鎂陶瓷等。近幾年，在氧化鋯陶瓷的增韌研究方面已取得了突破性進展，在氧化鋯中加入某種穩定劑，形成部分穩定氧化鋯陶瓷，其斷裂韌性遠高于其他結構陶瓷，有“陶瓷鋼”之稱。

1.4.4　新型材料

目前，對各種新型材料的研究和開發正在加速。新型材料的特點是高性能化、功能化、復合化。傳統的金屬材料、有機材料、無機材料的界限正在消失，新型材料的分類變得困難起來，材料的屬性區分也變得模糊起來。例如，傳統認為導電性是金屬固有的，而如今有機、無機材料也均可出現導電性。復合材料更是融多種材料性能于一體，甚至出現一些與原來截然不同的性能。

1.高溫材料

所謂高溫材料，一般是指在600℃以上，甚至在1000℃以上能滿足工作要求的材料，這種材料在高溫下能承受較高的應力并具有相應的使用壽命。常見的高溫材料是高溫合金，出現于20世紀30年代，其發展和使用溫度的提高與航天航空技術的發展緊密相關。現在高溫材料的應用范圍越來越廣，從鍋爐、蒸汽機、內燃機到石油、化工用的各種高溫物理化學反應裝置、原子反應堆的熱交換器、噴氣渦輪發動機和航天飛機的許多部件都有廣泛的使用。高新技術領域對高溫材料的使用性能不斷提出要求，促使高溫材料的種類不斷增多，耐熱溫度不斷提高，性能不斷改善。反過來，高溫材料的性能提高，又擴大了其應用領域，推動了高新技術的發展。

到目前為止，開發使用的高溫材料主要有以下幾類。

（1）鐵基高溫合金　鐵基高溫合金由奧氏體不銹鋼發展而來。這種高溫合金在成分中加入比較多的Ni以穩定奧氏體基體。現代鐵基高溫合金中，有的含Ni質量分數接近50％。另外，加入10％～25％的Cr可以保證獲得優良的抗氧化及抗熱蝕能力；W和Mo主要用來強化固溶體的晶界，Al、Ti、Nb起沉淀強化作用。我國研制的FeNiCr系鐵基高溫合金有GH1140、GH2130、K214等。用作導向葉片的工作溫度最高可達900℃。一般而言，這種高溫合金的抗氧化性和高溫強度都還不足，但其成本較低，可用于制作一些使用溫度要求較低的航空發動機和工業燃氣輪機的部件。

（2）鎳基高溫合金　這種合金以Ni為基體，含Ni質量分數超過50％，使用溫度可達1000℃。

鎳基高溫合金可溶解較多的合金元素，可保持較好的組織穩定性，其高溫強度、抗氧化性和抗蝕性都較鐵基高溫合金好。在現代噴氣發動機中，渦輪葉片幾乎全部采用鎳基高溫合金制造。鎳基高溫合金按其生產方式可分為變形合金與鑄造合金兩大類。由于使用溫度越高的鎳基高溫合金，其鍛造性能越差，所以，現在的發展趨勢是耐熱溫度高的零部件大多選用鑄造鎳基高溫合金制造。

為適應現代工業更高的要求，高溫合金的研究開發盡管難度極大，但也在不斷地取得進展。現在已經使用或正在研制的新型高溫合金有定向凝固高溫合金、單晶高溫合金、粉末冶金高溫合金、快速凝固高溫合金、金屬間化合物高溫合金和其他難熔金屬高溫合金等。單晶高溫合金一般采用選晶法或籽晶法制取。由于單晶高溫合金消除了晶界、去除了晶界強化元素，使合金的初熔溫度大為提高，這樣可加入更多的強化元素并采取更高的固溶處理溫度，使強化元素的作用充分發揮。單晶高溫合金的工作溫度比普通鑄造高溫合金高約100℃。對渦輪葉片而言，每提高25℃，相當于提高葉片壽命三倍，發動機的推力將會有較大幅度的增加。因此，單晶高溫合金等新型高溫合金的問世極大地促進了航空航天等工業的發展。

（3）高溫陶瓷材料　高溫高性能結構陶瓷正在得到普遍關注。以氮化硅陶瓷為例，其已成為制造新型陶瓷發動機的重要材料，目前采用的鎳基汽輪機葉片的使用溫度可達1050℃。氮化硅陶瓷不僅有良好的高溫強度，且熱膨脹系數較小，熱導率高，抗熱震性能好。用它制成的發動機可在更高的溫度工作，效率將會有較大的提高。

2.形狀記憶材料

形狀記憶是指某些材料在一定條件下，雖經變形但仍然能夠恢復到變形前原始形狀的能力。最初具有形狀記憶功能的材料是一些合金材料，如NiTi合金。目前，高分子形狀記憶材料因為其優異的綜合性能已成為重要的研究與應用對象。

材料的形狀記憶現象是由美國海軍軍械實驗室的科學家布勒（W.J.Buchler）在研究Ni-Ti合金時發現的。典型的形狀記憶合金的應用例子是制造月面天線。半球形的月面天線直徑達數米，用登月艙難以運載進入太空。科學家們利用Ni-Ti合金的形狀記憶效應，首先將處于一定狀態下的Ni-Ti合金絲制成半球形的天線，然后壓成小團，用阿波羅火箭送上月球，放置在月球上，小團被陽光曬熱后恢復成原狀，即可成功地用于通信。

（1）形狀記憶合金　目前，形狀記憶合金主要分為Ni-Ti系、Cu系和Fe系合金等。Ni-Ti系形狀記憶合金是最具有實用化前景的形狀記憶材料，其室溫抗拉強度可達1000MPa以上，密度為6.45g/cm2，疲勞強度高達480MPa，而且具有很好的耐蝕性。近年來又發展了一系列改良型的Ni-Ti合金，如在Ni-Ti合金中加入微量的Fe、Cr、Cu等元素，以進一步擴大NiTi材料的應用范圍。銅系形狀記憶合金主要是Cu-Zn-Al合金和Cu-Ni-Al合金，與Ni-Ti合金相比，其加工制造較容易，價格便宜，記憶性能也較好，但主要問題是合金的熱穩定性等較差。鐵系形狀記憶合金，如FePt、FeNiCoTi等系列合金在價格上有明顯優勢，目前處于研究應用的初始階段。

（2）形狀記憶高聚物　高聚物材料的形狀記憶機理與金屬不同。目前開發的形狀記憶高聚物具有兩相結構，即固定成品形狀的固定相以及某種溫度下能可逆地發生軟化和固化的可逆相。固定相的作用是記憶初始形態，第二次變形和固定是由可逆相來完成的。凡是有固定相和軟化固化可逆相的聚合物都可以作為形狀記憶高聚物。根據固定相的種類，分為熱固性和熱塑性兩類。如聚乙烯類結晶性聚合物、苯乙烯丁二烯共聚物等。

（3）形狀記憶材料的應用　形狀記憶材料可用于各種管接頭、電路的連接，自控系統的驅動器和熱機能量轉換材料等。如圖1.4.1所示為形狀記憶材料在鉚釘中的應用實例。

大量使用形狀記憶材料的是各種管接頭。由于在相變溫度以下馬氏體非常軟，接頭內徑很容易擴大。在此狀態下，把管子插入接頭，加熱后接頭內徑即可恢復原來的尺寸，完成管子的連接過程。因為形狀恢復力很大，故連接很嚴密，很少有漏油、脫落等事故發生。形狀記憶材料還可用于各種溫度控制儀器，如溫室窗戶的自動開閉裝置，防止發動機過熱用的風扇離合器等。由于形狀記憶材料具有感知和驅動的雙重功能，因此可能成為未來微型機械手和機器人的理想材料。

3.超導材料

超導材料是近年來發展最快的功能材料之一。超導體是指在一定溫度下，材料電阻為零，物質內部失去磁通成為完全抗磁性的物質。

超導現象是荷蘭物理學家昂內斯（Onnes）在1911年首先發現的。他在檢測水銀低溫電阻時發現，在溫度低于4.2K時水銀的電阻突然消失。這種零電阻現象稱為超導現象，出現零電阻的溫度稱為臨界溫度Tc。Tc是物質常數，同一種材料在相同條件下有確定值。Tc的高低是超導材料能否實際應用的關鍵。1933年，邁斯納（Meissner）發現了超導的第二個標志——完全抗磁。當金屬在超導狀態時，它能將通過其內部的磁力線排出體外，稱為邁斯納效應。零電阻和完全抗磁是超導材料的兩個最基本的宏觀特性。

此后，人們不僅在超導理論研究上做了大量工作，而且在研究新超導材料、提高超導零電阻溫度上進行了不懈努力。Tc值愈大，超導體的使用價值愈大。由于大多數超導材料的Tc值都太低，必須用液氦才能降到所需溫度，這樣不僅費用昂貴而且操作不便，因而許多科學家都致力于提高Tc值的研究工作。1973年應用濺射法制成的Nb3Ge薄膜，其Tc值從4.2K提高到23.2K。到20世紀80年代中期，超導材料研究取得突破性進展。中國、美國、日本等國先后獲得了Tc高達90K以上的YCaCuO高溫超導材料，而后又研制出Tc超過120K的高溫超導材料。這些結果已成為技術發展史上的重要里程碑，使在液氮溫度下使用的超導材料變為現實，這必將對許多科學技術領域產生難以估量的深遠影響。至今，高溫超導材料的研究仍方興未艾。超導材料在工業中也有重大應用價值。

在電力系統方面，超導電力儲存是目前效率最高的電力儲存方式。利用超導輸電可降低目前高達7％左右的輸電損耗。超導磁體用于發電機，可大大提高電機中的磁感應強度，提高發電機的輸出功率。利用超導磁體實現磁流體發電，可直接將熱能轉換為電能，使發電效率提高50％～60％。

在運輸方面，超導磁懸浮列車是在車底部安裝許多小型超導磁體，在軌道兩旁埋設一系列閉合的鋁環。列車運行時，超導磁體產生的磁場相對于鋁環運動，鋁環內產生的感應電流與超導磁體相互作用，產生的浮力使列車浮起，列車浮力愈大，速度愈高。磁懸浮列車速度可達500km/h。在其他方面，超導材料可用于制作各種高靈敏度的器件，利用超導材料的隧道效應可制造運算速度極快的超導計算機。

4.超硬結構材料

切削物體或對物體進行塑性變形加工的工具材料分為高碳鋼、高速鋼、超硬質合金、金剛石，其中可列入超硬質材料范疇的是超硬質合金和金剛石等材料。

金屬陶瓷可作為超硬質材料，是具有耐磨、耐高溫等優良特性的陶瓷和具有韌性的金屬組合而成的復合材料。碳化物基金屬陶瓷已工業化規模生產，這類超硬質合金的組成有：WC-Co，WC-C-Co，TiC-Ni-Mo，Cr2O3-Ni等，其中應用最多的是前兩種。WC-Co可用于制造耐磨、抗沖擊工具等；WC-C-Co可用于切削鋼的工（刀）具；TiC-Ni-Mo也主要用來切削鋼；Cr2O3-Ni僅作為抗蝕材料。硅化物、硼化物、氮化物基金屬陶瓷方面的研究進程也發展很快。

從經濟角度考慮，若切削工具由于刀片尖端產生一定磨損就報廢整塊材料，是很可惜的，因此涂層刀片就顯得很重要。涂層刀片是在超硬質合金刀片表面覆蓋非常耐磨的成分，形成疊層結構。表面薄薄的涂層可以顯著提高刀具的使用壽命。如用化學氣相沉積法在刀片的表面覆蓋約5μm的TiC，由于約5μm耐磨涂覆層而使這種刀片的耐磨性大大提高，韌性并不顯著地下降，目前表面覆有這種TiN或Al2O3的刀片已得到大量應用。WC基超硬質合金的熱導率高，能適應溫度急劇變化而引起的熱沖擊，可作為基體。

由于金剛石具有極高的硬度，因此人工合成金剛石是科學工作者一直探索的課題。通過采用超高壓高溫裝置可以形成完整結晶的金剛石，這可作為加工硬質巖石的材料；一些不規則形狀的強度較低的結晶可用樹脂結合起來做成砂輪，用來研磨超硬質合金。目前，人造金剛石專門用于巖石、玻璃、硬質金屬的研磨和切削，也可以用來制作地質鉆頭。

5.納米材料

（1）納米技術　21世紀新產品誕生的源泉。

①神奇的介觀世界　直到20世紀80年代，科學家們才驚奇地發現，在宏觀與微觀之間的納米體系（介觀）中，許多我們認為理所當然的性質都完全變了模樣：在介觀狀態時，金屬Ag竟會失去典型的金屬特征；納米SiO2比典型的粗晶SiO2的電阻下降了幾個數量級；常態下電阻較小的金屬到了納米級電阻會增大，電阻溫度系數下降甚至出現負數；原始絕緣體的氧化物到了納米級，電阻卻反而下降；10～25nm的鐵磁金屬顆粒，其矯頑力比相同的宏觀材料大1000倍，而當顆粒尺寸小于10nm，矯頑力變為零，表現為超順磁性現象。

②巨大的應用價值　1959年美國物理學家理查德·費曼大膽地提出了一個設想：“如果有一天，可以按照人的意志安排一個個原子的話，將會產生怎樣的奇跡？”1989年，美國IBM公司的科學家用單個原子排列寫出IBM的商標，日本科學家用單個原子排列了漢字“原子”的字形。從此以后科學家們都在研究利用納米材料的奇特物理、化學和力學性能，涉及納米復合材料、設計納米組裝體系和納米結構材料，并應用到各個領域中。

把金屬的納米顆粒放入常規的陶瓷中，可大大提高材料的力學性能；納米Si2O3和SiO2離子放入橡膠中可提高橡膠的介電性和耐磨性；放入金屬或合金中可以使晶粒細化，大大改善力學性能，既不影響透明度又提高了高溫沖擊韌性；納米氧化鋁的懸浮液被用于高級光學玻璃、石英晶體及各種寶石的拋光；納米微粒加入油墨中可改善油墨的流動性。

目前，一般彩電等電器是黑色家電，由于需要樹脂加炭黑來進行靜電屏蔽。日本松下公司已成功研制具有良好靜電屏蔽作用的納米涂料，可以通過控制納米微粒的種類來控制涂料的顏色。在化纖制品和紡織品中添加納米微粒還具有殺菌作用，把Ag納米微粒加入到襪子中，可以清除腳臭；醫用紗布中放入納米Ag粒子有消毒殺菌作用。

③產品創新的好思路　人們普遍認為，納米技術將是21世紀新產品誕生的源泉，納米技術會引起新一輪的產業革命，必將推動生產力的發展，改善人類生活環境。有信息表明，不少國產無菌冰箱上用了納米材料制成的抗菌塑料；深圳一家公司推出了包括無菌餐具、無菌撲克牌在內的一系列納米材料制成的產品。

（2）納米TiO2應用　隨著工業的飛速發展，環境污染問題日益突出。而納米TiO2在治理環境污染方面可以達到現有的處理方法難以達到理想的效果。

①納米TiO2光催化降解有機物水處理技術具有明顯的優勢——無二次污染，純凈度高。

②降解空氣中的有害有機物，降解效果好，可達到100％。其機理是在光照條件下將這些有害物質轉化為CO2、H2O、有機酸。

③可以降解有機磷農藥。

④可以加速城市生活垃圾的降解。

⑤納米TiO2表面具有超親水性和超親油性，因此其表面具有防污、防霧、易洗、易干的特點。如在汽車擋風玻璃、后視鏡表面鍍上納米TiO2薄膜，可防止鏡面起水霧。

⑥納米TiO2在可見光的照射下對碳氫化合物有催化作用，利用這一效應可以在玻璃、陶瓷和瓷磚的表面涂上一層納米TiO2薄層，這會有很好的自潔作用。如日本已經制成自潔玻璃和自潔瓷磚。任何粘在其表面上的物質，包括油污、細菌在光的照射下由納米TiO2光致催化作用，使這些碳氫化合物進一步氧化變成氣體。日本已經用這種保潔瓷磚裝飾了一家醫院的墻壁，經使用證明，這種保潔瓷磚有明顯的殺菌作用。

（3）納米陶瓷極具市場潛力　氧化物陶瓷進入規模生產以來，其研究朝著高純超細的方向發展，在一定程度上改善了陶瓷性能和微觀結構。如氧化鋁陶瓷：從普通瓷→高鋁瓷→75瓷（指75％Al2O3）→95瓷→99瓷，其強度性能有了很大提高。隨著科技的發展，對高性能的陶瓷要求不斷提高。實驗表明，在95瓷中添加少量的納米Al2O3可以使陶瓷更加致密，強度和抗冷熱疲勞等性能大大提高。如果把納米SiOx粉體添加到95瓷中，不但提高陶瓷材料的強度、韌性，而且提高了材料的硬度和彈性模量等性能，其效果比添加Al2O3更理想。目前，主要研究方向為添加納米如何使常規陶瓷綜合性能得到改善，特別是提高陶瓷的韌性。研究表明，納米氧化鋁粉體添加到常規85瓷、95瓷中，強度和韌性均可以提高50％以上。

（4）其他方面的應用

①涂料。我國是涂料生產和消費大國，但是，當前國產涂料普遍存在性能方面的不足，如懸浮穩定性差、觸變性差、耐候性差、耐洗刷性差等，致使每年要進口大量高質量的涂料。上海、北京、杭州、寧波等地的一些涂料生產企業，成功地實現了納米SiOx在涂料中的應用，這種納米改性涂料一改以往產品的不足，經測試其主要性能指標均大幅提高。

②橡膠。橡膠是一種伸縮性優異的彈性體，但其綜合性能并不令人滿意，生產橡膠制品過程中通常需在膠料中加入炭黑來提高強度、耐磨性、抗老化性，但由于炭黑的加入使得制品均為黑色，且檔次不高。1997年舟山明日納米公司通過和首都師范大學新材料研究所合作，成功開發出納米SiO2改性的彩色場地材料，在普通橡膠中添加少量納米SiOx后，產品的強度、耐磨性、抗老化性能等性能均達到或超過高檔橡膠制品，而且可以保持顏色長久不變。原化工部橡膠研究所利用納米SiOx替代炭黑成功開發出新型橡膠，其耐磨性、抗拉強度、抗折性能、抗老化性能均明顯提高，且色彩鮮艷，保色效果優異。如輪胎側面的抗折性能由原來的10萬次提高到50萬次以上，而且不久的將來，將實現國產汽車、摩托車輪胎的彩色化。

③納米材料在電子封裝材料、樹脂基復合材料、塑料、顏（染）料、密封膠及黏結劑、玻璃鋼制品、藥物載體、化妝品、抗菌材料等方面也具有十分重要的意義。如飛機的窗口材料常用的是有機玻璃鋼（PMMA），當飛機在高空飛行時窗口玻璃經紫外線輻射易老化，造成透明度下降。上海華東理工大學研究人員利用納米SiOx極強的紫外反射性能，在有機玻璃生產過程中加入表面修飾后的納米SiOx，生產出的產品抗紫外線輻射能力提高一倍以上，抗沖擊強度提高80％。一般家電外殼都是由樹脂加炭黑的涂料噴涂而形成的一個光滑表面，由于炭黑有導電作用，因而表面的涂層就有靜電屏蔽作用，如果不能進行靜電屏蔽，電器的信號就會受到外部靜電的嚴重干擾。例如，人體接近屏蔽效果不好的電視機時，人體的靜電就會對電視圖像產生嚴重的干擾。日本松下公司已成功研制出具有良好靜電屏蔽的納米涂料，不但可起到良好的靜電屏蔽效果，而且也克服了炭黑靜電屏蔽涂料只有單一顏色的單調性，所應用的納米微粒有Fe2O3、TiO2、Cr2O3、ZnO等。這些具有半導體特性的納米氧化物粒子在室溫下具有比常規氧化物更高的導電性，因而能起到靜電屏蔽作用，同時氧化物納米微粒的顏色不同，TiO2、SiO2納米粒子為白色，Cr2O3為綠色，Fe2O3為褐色，這樣就可以復合控制涂料的顏色。

（5）在21世紀特別引人注目的是納米半導體的研究和應用。雖然由于成本太高，目前已經商用化的光伏電池難以大規模推廣應用。但是自從Crabel首次報道經染料敏比的納米晶光伏電池優異的光電轉換特性以來，各國科學家圍繞納米晶光伏電池的研究越來越熱。這是由于納米晶光伏電池的制備較為簡單，且具有較高的界面電荷轉移效率，利用太陽作為輻照光源即可獲得較高的光電轉換效率。研究表明，除了納米晶體TiO2光伏電池外，其他如ZnO、Fe2O3、WO3、SnO2等單一氧化物和CdSe等單一硒化物納米晶光伏電池亦顯示出較好的光電轉換特性。納米半導體粒子的高比表面、高活性等特性使之成為應用于傳感器方面最有前途的材料。它對溫度、光、濕氣等環境因素相當敏感，外界環境的改變會迅速引起表面或界面離子價態及電子輸運的變化。利用其電阻的顯著變化可做成傳感器，特點是響應速度快、靈敏度高、選擇性優良。

納米半導體微粒是在納米尺度原子和分子的集合體，這個過去從來沒有被人們注意的非宏觀、非微觀的中間層次出現了許多新問題，例如電子的平均自由程比傳統固體短，周期性被破壞，過去建立在平移周期上對電子的布洛赫波已不適用，建立在亞微米范圍內的半導體PN結理論對于小于10μm的微粒已經失效。對納米尺度上電子行為的描述必須引入新的理論，這也將促進介觀物理和混沌物理的發展。納米科學與技術為現代材料的開發引發了新的革命。