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一、材料与材料科学 材料是一个国家科学技术水平、 经济发展水平和人民生活水平的重要标志, 也是一个时代的 重要标志。 人类社会的发展史事实上也是一部材料的发展史, 材料与人类的发展和进步息息 相关,材料的每一次重大发现及其大量制造和使用,推动人类社会向更新更高的阶段发展。 几百万年来,人类已经跨越了石器时代,青铜器时代,铁器时代,以水泥、玻璃、塑料、橡 胶为代表的非金属时代,21 世纪将以复合材料和功能材料为特色。 材料的涵义及其分类 材料是指人类利用化合物的某些功能来制作物件时用的化学物质。 使用性能(物理) 合成/加工(工程)性质(化学) 结构/成分(物理) 作为材料,必须具备如下特点: 一定的组成 可加工性 现状保持性 使用性能 经济性 再生性 从以上的分析可见,材料与物质是两个不同的概念,材料总是和一定的用场相联系的。材料 按用途可分为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质, 广泛应用 于机械制造、工程建设、交通运输和能源等各个工业部门。功能材料则利用材料的热、光、 电、磁等性能,用于电子、激光、通讯、能源和生物工程等许多高新技术领域。功能材料的 最新发展是智能材料。 材料按化学组成的不同,可分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料。 金属材料又分为黑色金属和有色金属。黑色金属通常包括铁、锰、铬以及它们的合金。除黑 色金属以外的其他各种金属及其合金都称为有色金属。产量最大的金属材料是钢铁。 无机非金属材料主要是指硅酸盐材料,包括陶瓷、玻璃和水泥。新近发展起来的特种陶瓷, 成分扩展到纯的氧化物、 碳化物、 氮化物和硅化物。 此外半导体材料也属于无机非金属材料。 高分子材料是一类合成材料, 主要有塑料、 合成纤维和合成橡胶, 此外还有涂料和胶粘剂等。 这类材料具有优异的性能, 如较高的强度、 优良的塑性、 耐腐蚀、 不导电等, 发展速度很快, 已部分取代了金属材料。合成具有特殊性能的高分子材料是其发展方向。 复合材料是由金属材料、陶瓷材料和高分子材料复合组成的。复合材料的强度、刚性和耐腐 蚀性等比单一材料更为优越,是一类具有广阔应用发展前景的新型材料。 材料科学:范畴及任务 材料是一切技术发展的物质基础,是与人类社会的发展进步密切相关的。最初,各种材料的 发展是分别进行,互不相关的。随着科学技术的发展,人们对材料的认识不断深化,积极吸 取了近代物理、化学,特别是固体物理、量子化学等基础理论并应用各种先进分析仪器和尖 端技术来研究和阐明材料的本性, 为认识材料的性能——结构——应用之间的关系和探索新 材料提供了理论基础。这样就在各种基础学科的渗透和现代科学仪器的帮助下,从 20 世纪 60 年代开始形成了一门新的综合性学科——材料科学。 材料科学是一门以材料为研究对象,介于基础科学与应用科学之间的应用基础科学。 材料科学的内容:一是从化学的角度出发,研究材料的化学组成、键性、结构与性能的关系 规律;二是从物理学角度出发,阐述材料的组成原子、分子及其运动状态与各种物性之间的 关系,在此基础上为材料的合成、加工工艺及应用提出科学依据。

材料科学的主要任务是以现代物理学、化学等基础学科理论为基础,从电子、原子分子间结 合力、晶体及非晶体结构、显微组织、结构缺陷等观点研究材料的各种性能以及材料在制造 和应用过程中的行为,了解结构——性能——应用之间的规律关系,提高现有材料的性能, 发挥材料的潜力, 并能动地探索和发展新型材料以满足工农业生产、 国防建设和现代技术发 展对材料日益增长的需求。 金属材料自然界中存在的 94 多种化学元素中有 2/3 是金属(72 种),20 世纪中几乎所有的金 属都被研究过。金属材料在工程中一直是最重要的材料。 钢铁是铁和碳的合金体系总称。钢铁中含碳量大于 2%的叫生铁,小于 0.02%的叫纯铁,在 这两者之间的称为钢。钢中含碳量大于 0.25%的称低碳钢,介于 0.25%~ 0.60%的称中碳钢, 大于 0.60%的称为高碳钢。所谓炼钢,其实质是控制生铁中含碳量达到钢的要求,同时除去 危害钢的性能的一些杂质,如 S、P 等。若要想得到特殊性能的合金钢,当然还要加入一些 其他金属。 电力系统中的工业锅炉、 高压锅炉及其热交换管道, 发电机中的大型篆字和叶轮, 变压器的铁芯。 汽车工业:根据美国的一份调查,美国平均美台车消耗的材料钢铁的九大应用领域 机床与工程机械,包括起重机、挖掘机、拖拉机。 铁路(钢轨)与桥梁。 船舶和海上钻井平台。它们对钢材的强度、韧性和耐海水腐蚀都有很高的要求。 兵器:包括坦克、大炮、枪械。 石油开采机械、输油管道和泵站。 化工压力容器、反应釜和管道,其中不锈钢、耐热钢等特殊钢用量很大。 建筑钢筋和构架 有机高分子材料和金属以外的固体材料都属于无机非金属材料, 范围很广。 无机非金属材料 大都具有熔点高、硬度高、化学稳定性好、耐高温、耐磨损、耐氧化、耐腐蚀、强度高等优 良性能, 有些无机非金属材料还具有某些独特的性能而作为功能材料使用。 这里主要介绍陶 瓷、水泥和玻璃等材料。 无机非金属材料 高分子材料是一种古老而又年轻的材料。 合成高分子材料从问世到今天不到一个世纪, 但在 这短短的几十年中,其发展速度却远远超过其它传统材料。在过去的 40 年中,美国塑料生 产猛增 100 倍,而同一时期钢铁生产却几乎是负增长。如按体积计算,全世界塑料的产量在 90 年代初已超过钢铁,高分子材料在世界经济中的作用已变得越来越重要。 高分子材料 主要能源分类 凡是能提供某种形式能量的物质,或是物质的运动,统称为能源。它是人类取得能量的来源, 包括已开采出来的可供使用的自然资源与经过加工或转移的能量的来源。 二、能源材料 能源可分为一次能源和二次能源: 自然界中以现成形式提供的能源称为一次能源, 需依靠其他能源的能量间接制取的能源称为二次能源。 能源还可以分为常规能源与新能源。 常规能源:在一定历史时期和科学水平下,已被人们广泛利用的能源称为常规能源,如煤、 石油、天然气、水能等; 新能源: 随着科技的不断发展, 才开始被人类采用先进的方法加以利用的古老能源以及新发 展的利用先进技术所获得的能源都是新能源,如:核聚变能、用以发电的风能、太阳能、海 洋能等。

此外,能源也可以分为再生能源和非再生能源。 再生能源:可连续再生、持续利用的一次能源称为可再生能源,如水力、风能等; 非再生能源:经过亿万年形成的、短期内无法恢复的能源,称之为非再生能源,如:石油、 煤、天然气等。 能源是与人类社会的生存和发展休戚相关的。 人类社会的发展伴随着能源消耗的增加, 另一 方面,随着科技进步包括能源技术的进步,单位 GDP 的能耗正逐步降低。 为了实现可持续发展,科学工作者提出了资源与能源最充分利用技术(maximum energy and resoureces utilization, MERU) 和环境最小负担技术(minimum environmental impact MEI)等。 新材料的作用: 新材料把原来习用已久的能源变成新能源一些新材料可提高储能和能量转化效果新材料决 定着核反应堆的性能与安全性 材料的组成、结构、制作与加工工艺决定着新能源的投资与运行成本。新能源材料的任务及 面临的课题:研究新材料、新结构、新效应以提高能量的利用效率与转换效率。能源的合理 利用。安全与环境保护,材料规模生产的制作与加工工艺延长材料的使用寿命。 一些主要的新能源材料: 金属氢化物镍电池材料 锂离子二次电池材料 燃料电池材料 太阳能电池材料 核能材料 目前,世界各国都投入极大的人力和物力来发展新型二次电池技术,并形成以下研究热点: 储氢材料及金属氢化物镍电池; 锂离子嵌入材料及液态电解质锂离子电池; 聚合物电解质锂蓄电池或锂离子电池。 Ni/MH 电池 Ni-MH 电池的正极都是镍电极(氢氧化镍) ,负极是储氢合金,电解液是氢氧化钾的水 溶液。储氢合金是一种能大量吸收并释放氢的功能材料一般适用于 Ni-MH 电池的储氢材料 有两大系列:一类是以 LaNi5 稀土系储氢合金;另一类是以 TiNi2 为主体的储氢合金。 Ni/MH 二次电池及正负极材料的发展现状 正极:泡沫镍、纤维镍和高密度球形 Ni(OH)2 负极:主要有 AB5 和 AB2 型合金两种,在 AB5 型方面,采用富 Ce 或富 La 混合稀土(Mm 或 Ml)取代 LaNi5 中的 La,并对合金 B 侧进行多元合金化,研究开发出性价比良好的 AB5 型混合稀土系多元合金。 锂离子二次电池 锂是金属中最轻的元素,且标准电极电位为-3.045 v,是金属元素中电位最负的一个元素。 自 70 年代以来, 以金属锂为负极的各种高比能量锂原电池分别问世, 并得以广泛应用。 1990 年日本索尼公司宣称, 采用可以使锂离子嵌入和脱嵌的碳材料代替金属锂和采用可以脱嵌和 可逆嵌入锂离子的高电位氧化钴锂正负极材料和与正负极能相容的 LiPF6 –EC + DEC 电解质 后,终于研制出新一代实用化的新型锂离子蓄电池。 锂离子电池的优越性能 相对于传统的镉镍电池(Ni/Cd)和氢镍电池(Ni/MH),锂离子电池的电压大约是它们的 3 倍;重量比能量密度提高了约 3 倍;对于同样的功率消耗,锂离子电池的使用期限约为镍镉 电池的 2.25~2.57 倍.现在锂离子电池已经是电子信息产品设计人员的普通配置. 工作电压高比能量大

循环寿命长自放电率低 无记忆效应 无污染镉镍、氢镍、锂离子蓄电池性能对比 太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源,生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太 阳能,广义地说,太阳能包含以上各种可再生能源。太阳能作为可再生能源的一种,则是指 太阳能的直接转化和利用。 通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的属于太阳能热利用 技术,再利用热能进行发电的称为太阳能热发电,也属于这一技术领域;通过转换装置把太 阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术, 光电转换装置通常是利用半导体器件的 光伏效应原理进行光电转换的,因此又称太阳能光伏技术。 太阳能电池 按照所用材料的不同: 硅太阳能电池(单晶硅、多晶硅、非晶硅) (光电转化效率高,成本高,制备工艺复杂! ) 以无机盐如砷化镓、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池 (镉:剧毒。铟、硒:稀有元素) 功能高分子材料制备的大阳能电池 (处于研发初期、转化效率低、使用寿命短) 染料敏化纳米晶体太阳能电池 (正在研发) 太阳能发电(Photovoltaic)原理 (I) 太阳能电池是以 P 型与 N 型半导体材料接合构成正极与负极。 当太阳光照射太阳能电池时,光的能量會使半导体材料內的正、负电荷分离。 正、负电荷会分別往正、负极方向移动并且聚集。 將太阳能电池正、 负极接上负载時, 將有电流流出, 可以對负载作功(灯泡会亮、 马达会转)。 “十五”国家 863 计划电动汽车重大专项,从国家汽车产业发展战略的高度出发,选择新一 代电动汽车技术作为我国汽车科技创新的主攻方向, 组织企业、 高等院校和科研机构, 以官、 产、学、研四位一体的方式,联合进行攻关,为实现我国能源安全、改善大气环境、提高加 入 WTO 后我国汽车工业的竞争力做出积极贡献。专项总体目标是:在“十五”期间,促进 我国符合市场经济发展要求的研发体系、 机制和人才队伍的形成; 以电动汽车的产业化技术 平台为工作重点, 力争在电动汽车关键单元技术、 系统集成技术及整车技术上取得重大突破; 集中有限资源抢占新一代电动汽车制高点,促进我国汽车工业实现跨越式发展。 “电动汽车重大专项”提出“三纵三横”研究开发布局。强调建立符合整车开发规律严密的 整车开发程序。提出以整车开发为主导,关键零部件和相关材料紧密结合,基础设施协调发 展,政策法规、技术标准与评估技术同步展开的基本方针,作为国内汽车科技项目的一个探 索,以保证电动汽车重大专项产品化和产业化目标的实现。 “电动汽车重大专项”在市场和 技术分析的基础上,对混合动力电动汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车、电动车共性技术采 取了不同的研发导向、时段安排、投资策略和推广及产业化措施,致力于体现有所为有所不 为的原则,恰当定位、突出重点、取得实效。专项特别提出了支持技术创新和专利保护。 美国知名科学家 Stephen Wainwright 更指出, 仿生学將結合分子生物学并取代分子生物技术, 成为 21 世紀最具挑战与重要性的生物科技! 生物的骨骼构造比钢铁強硬; 啄木鸟的脑壳有最紧密组织的抗震骨骼; 蜘蛛丝有五倍钢铁的硬度与延展性; 墨鱼的瞬间加速可以达到每小時 20 哩;

蜂鸟飞行 600 哩旅程耗費不到十分之一盎司的能量; 蝙 蝠 的 回 音 定 位 使 用 促 進 了 雷 达 开 发 改 进 ; 蓮 花 效 应 有 绝 佳 的 抗 污 性 (self-cleaning properties )和疏水性 (water repellent ) 自然生命世界蕴藏所有科技的奧秘与答案??。 但数千年來,人类卻靠剝削自然为基础而发明各种科技, 並开始卷入大自然反扑的漩渦。 三、仿生材料 仿生结构陶瓷 陶瓷材料的脆性和增韧问题一直是研究的热点之一, 也是陶瓷材料得到广泛应用的关键问题 之一 。 近二十年来,人们相继提出了长纤维或晶须增韧补强、颗粒弥散强化、相变增韧等多种强韧 化措施,也取得了很多积极的研究成果。但是,这些强韧化措施的增韧效果还很有限,还没 有从本质上解决陶瓷材料的脆性问题。 仿竹木结构的纤维独石结构陶瓷材料 仿贝壳结构的层状结构陶瓷 许多植物表面,如莲叶面具有超疏水(superhydrophobicity)及自洁(self-cleaning)的特性。 莲叶表 面的疏水、不吸水的表面始终叶面永远保持一尘不染。为什么会有这种“莲花效应”? 用传 统的化学分子极性理论来解释,不仅解释不通,恰恰是相反。从机械学的粗糙度、光洁度角度 来解释也不行,因为它的表面光洁度根本达不到机械学意义上的光洁度(粗糙度),用手触摸就 可以感到它的粗糙程度。 经过两位德国科学家的长期观察研究,即在 1990 年代初终于揭开了 荷叶叶面的奥妙。 原来在荷叶叶面上存在着非常复杂的多重奈米和微米级的超威结构。 表面 细微的奈米结构在自洁功能上扮演着关键的角色以莲叶为例,水珠与叶面接触的面积大约只 占总面积的 2~3%, 若将叶面倾斜,则水珠被迫以滚动方式运动。滚动时,会顺便吸附起叶面上 的污泥颗粒,一同滚出叶面达到清洁的效果。表面细微的奈米结构在自洁功能上扮演着关键 的角色相形之下,在同样具有疏水性的光滑表面水珠只会以滑动的方式移动并不会夹带灰尘 离开因此不具有自洁的能力。 今年六月初,BBC 新闻指出,英国曼彻斯特(Manchester)大学一群 材料科学家研发出一种超强黏性的胶带,任何人只要掌心贴上这种胶带,便可如壁虎挂吊在天 花板上。科学家发现,爬虫类每只爪布满了几十亿个毛发状分子结构,并藉由分子与周遭不平 衡电流的相互吸引产生力量,让壁虎能在壁上爬行自如。目前,科学家正努力进一步开发大量 生产方式,并期望这种新胶带与新技术可应用来处理计算机芯片,或用在医学方面。跳蚤-节 肢弹性蛋白而澳大利亚的科学家日前宣布, 他们已经成功利用跳蚤身上的特殊组织合成出一 种超弹性材料,并可能生产出全世界最完美的橡胶。他们还表示,这种节肢弹性蛋白未来的 应用前景非常广泛,如在工业中用于高效能橡胶,医学上用于脊椎盘移植、心脏和血压的替 换,甚至可能用于增加跑鞋后跟的弹力。 四、纳米材料 纳米(Nano meter)又称毫微米,是一种长度单位. 把 1 米分成 10 亿份,每一份就是 1 纳 米(1nm=10-9m) 。 1982 年,一种奇特的显微镜(扫描隧道显微镜)发明后,便诞生了一门以 0.1 至 100 纳米尺度空间为研究对象的前沿学科,也就是研究电子、原子和分子运动规律、特 性的高新学科,它就是纳米科技 进一步认识纳米 蛋白质、DNA、RNA、病毒,都在 1~100nm 的范围 光合作用在“纳米车间”进行细胞中的一些结构单元都是执行某种功能的“纳米机械” ,细 胞象一个“纳米工厂”莲花荷叶出污泥而不染:“荷叶效应”纳米结构是生命现象中基本的 东西

纳米材料的特性 A .特殊的光学性质 当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时,便失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上,所有 的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。 尺寸越小, 颜色愈黑, 银白色的铂 (白金) 变成铂黑, 金属铬变成铬黑。 金属超微颗粒对光的反射率很低,通常可低于 l%,大约几微米的厚度就能完全消光。利用 这个特性可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。还可能应用于红外敏感元件、红外隐身 技术等。1991 年春的海湾战争,美国 F-117A 型隐身战斗机外表所包覆的材料中就包含有 多种纳米超微颗粒,它们对不同波段的电磁波有强烈的吸收能力,以欺骗雷达,达到隐形目 的,成功地实现了对伊拉克重要军事目标的打击。 B .特殊的热学性质 固态物质在其形态为大尺寸时,其熔点是固定的,超细微化后其熔点将显著降低,当颗粒小 于 10 纳米量级时尤为显著。 例如,金的常规熔点为 1064℃,当颗粒尺寸减小到 10 纳米时,则降低 27℃,2 纳米尺寸时 的熔点仅为 327℃左右; 银的常规熔点为 670℃, 而超微银颗粒的熔点可低于 100℃。 因此, 超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结,此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料, 甚至可用塑料。 金属纳米颗粒表面上的原子十分活泼。可用纳米颗粒的粉体作为火箭的固体燃料、催化剂。 例如, 在火箭发射的固体燃料推进剂中添加 l%重量比的超微铝或镍颗粒,每克燃料的燃烧 热可增加 l 倍。 C .特殊的磁学性质 人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在超微的磁性颗 粒,使这类生物在地磁场导航下能辨别方向,具有回归的本领。磁性超微颗粒实质上是一个 生物磁罗盘, 生活在水中的趋磁细菌依靠它游向营养丰富的水底。 通过电子显微镜的研究表 明,在趋磁细菌体内通常含有直径约为 2*10-2 微米的磁性氧化物颗粒。 当颗粒尺寸减小到 2*10-2 微米以下时,其矫顽力可增加 1 千倍,若进一步减小其尺寸,大 约小于 6*10-3 微米时,其矫顽力反而降低到零,呈现出超顺磁性。 利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性, 已作成高贮存密度的磁记录磁粉, 大量应用于磁带、 磁盘及磁卡中。利用超顺磁性,已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。 D .特殊的力学性质 由于纳米材料粒度非常微小,具有良好的表面效应,1 克纳米材料的表面积达到几百平方米。 因此,用纳米材料制成的产品其强度、柔韧度、延展性都十分优越,就象一种有千万对脚的 毛毛虫,当它吸附在光滑的玻璃面上时,由于接触面积大,12 级台风有也吹不掉它。 陶瓷材料在通常情况下呈脆性, 陶瓷茶壶一摔就碎, 然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷 材料,竟然可以象弹簧一样具有良好的韧性。 研究表明,人的牙齿之所以具有很高的强度,是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。呈纳 米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬 3~5 倍。至于金属---陶瓷等复合纳米材料,其应用 前景十分宽广。 E .特殊的电学性质 由于颗粒内的电子运动受到限制, 电子能量被量子化了。 结果表现为当在金属颗粒的两端加 上合适电压时,金属颗粒导电;而电压不合适时金属颗粒不导电。原来是导体的铜等金属, 在尺寸减少到几个纳米时就不导电了;而绝缘的二氧化硅等,电阻会大大下降,失去绝缘特 性,变得能导电了。 还有一种奇怪的现象, 当金属纳米颗粒从外电路得到一个额外的电子时, 金属颗粒具有了负

电性, 它的库仑力足以排斥下一个电子从外电路进入金属颗粒内, 从而切断了电流的连续性。 这就使得人们想到是否可以发展用一个电子来控制的电子器件, 即所谓的单电子器件。 单电 子器件的尺寸很小,把它们集成起来做成计算机芯片其容量和计算速度不知要提高多少倍。 第一次产业革命(1734-1834) ? 主导技术:蒸汽机动力变革, 热能、机械能 ? 科学基础:牛顿力学、热力学、 能量转化原理 第二次产业革命(1835-1914) ? 科学基础:电的发现 电磁理论 ? 主导技术:电气化技术 (发电机和电动机、电力传输、 无线电通讯) 第三次产业革命(1945-2010?) ? 科学基础: X 射线的发现 放射线的发现 半导体的发现 ? 主导技术:微米技术 微电子技术 三次产业革命的启示: 1.每一次产业革命造就了一、二个先进国家; 2.主导技术经历了孕育期?生长期、高速发展期、稳定期,主导技术周期约 50-60 年; 3.主导技术的稳定期开始蕴酿下一个主导技术; 4.主导技术带动产业革命,先从传统产业开始,逐渐形成新的产业群。 半导体材料的分代 以硅 Si 为代表的半导体材料为第一代半导体材料 以砷化镓 GaAs 为代表的化合物半导体材料为第二代半导体材料 以氮化镓 GaN 为代表的宽带隙化合物半导体材料为第三代半导体材料 GaN 半导体材料特点 宽带隙化合物半导体材料,有很高的禁带宽度(2.3—6.2eV),可以覆盖红、黄、绿、蓝、紫 和紫外光谱范围,是到目前为止其它任何半导体材料都无法达到的 高频特性,可以达到 300G Hz(硅为 10G,砷化镓为 80G) 高温特性,在 300℃正常工作(非常适用于航天、军事和其它高温环境) 耐酸、耐碱、耐腐蚀(可用于恶劣环境) 高压特性(耐冲击,可靠性高) 大功率(对通讯设备是非常渴望的) GaN 半导体材料特点 优异的性能 白光 LED 固体冷光源,效率高,绿色环保 寿命长,可以达到 10 万小时(连续 10 年) 低电压工作 是照明领域的又一次革命

白光 LED 的构成方式 基于蓝光 LED,通过荧光粉激发一个黄光,组合成为白光 通过红、绿、蓝三种 LED 组合成为白光 基于紫外光 LED,通过三基色粉,组合成为白光 光纤通信 光(导)纤(维)是 20 世纪 70 年代的重要发明之一,它与激光器、半导体探测器一起构成了新 的光学技术,创造了光电子学的新天地(领域)。光纤的出现产生了光纤通信技术,特别是光 纤在有线通信广的优势越来越突出,它为人类 21 世纪的通信基础一——信息高速公路奠定 了基础,为多媒体(符号、数字、语音、图形和动态图像)通信提供了实现的必需条件。 光纤通信发明家高锟(左) 1998 年在英国接受 IEE 授予的奖章 光导纤维(Optical Fiber):简称“光纤” ,是一种能利用光的全反射作用来传导光线的透明度 极高的玻璃纤维。 (2)光纤光缆与普通电缆比较 生物医学材料的定义 用于与生命系统接触和发生相互作用的,并能对其细胞、组织和器官进行诊断治疗、替换修 复或诱导再生的一类天然或人工合成的特殊功能材料,亦称生物材料。 生物医用材料 诊断,现代诊断系统,治疗,修复、置换、增进,组织器,官功能 先进控制释放系统 通用生物医用材料 组织工程生物医用材料 生物医学材料的用途 替代损害的器官或组织,例如:人造心脏瓣膜、假牙、人工血管等; 改善或恢复器官功能的材料,如:隐型眼镜、心脏起搏器等; 用于治疗过程,例如:介入性治疗血管内支架、用于血液透析的薄膜、药物载体与控释材料 等。 生物医学材料的研究内容 生物体生理环境、组织内容、器官生理功能及其替代方法。 具有特种生理功能的生物医学材料的合成、 改性、 加工成型以及材料的特种生理功能与其结 构关系。 材料与生物体的细胞、组织、血液、体液、免疫、内分泌等生理系统的相互作用以及养活材 料毒副作用的对策。 材料灭菌、 消毒、 医用安全性评价方法与标准以及医用材料与制品生产管理与国家管理法规。 对生物医学材料的基本要求 生物相容性 化学稳定性 力学条件 其它要求 生物相容性 对人体无毒、无刺激、无致畸、致敏、致突变或致癌作用; 在体内不被排斥,无炎症,无慢性感染,种植体不致引起周围组织产生局部或全身性反应, 最好能与骨形成化学结合,具有生物活性; 无溶血、凝血反应等。

化学稳定性 耐体液侵蚀,不产生有害降解产物; 不产生吸水膨润、软化变质; 自身不变化。 力学条件 足够的静态强度,如抗弯、抗压、拉伸、剪切等; 具有适当的弹性模量和硬度; 耐疲劳、摩擦、磨损、有润滑性能。 其它要求 良好的空隙度,体液及软硬组织易于长入; 易加工成形,使用操作方便; 热稳定好,高温消毒不变质等性能。


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