第0章-功能材料概论-1

功能材料 -前言张建峰， 2017.03 介绍功能材料的研究现状和发展趋势； 一些常见功能材料的基本知识、种类、特点和应用； 拓宽学生专业知识面，加深对本专业的认识。教学目标教学目标 : 周馨我主编， 功能材料 第一版，北京理工大学出版社，2011年 7月。参考书目参考书目 :新材料发展的重点新材料发展的重点 已经从已经从 结构结构材料材料 转向转向 功能材料：功能材料： 晶须材料、非晶材料、 超塑性合金、形状记忆材料 超导材料、能量转换材料 功能材料被誉为功能材料被誉为 2l世纪人类文明的重要支柱世纪人类文明的重要支柱 随着科学技术的进步与发展，人类将进入一个新时代 。 为了解决生产高速发展以及由此所产生的能源、环境等一系列的问题，更需要用高科技的方法和手段来生产新型的、功能性的产品，以获得各种优良的综合性能。 近年来 新型功能材料 层出不穷，得到了突破性的进展。第一章 功能材料概论 近 10年来 ，功能材料成 为 材料科学和工程 领 域中最 为活 跃 的部分。每年以 5以上的速度增 长 ，相当于每年有 1.25万种新材料 问 世。 功能材料在 未来 的社会 发 展中具有重大 战 略意 义 ，世界需要更多的性能 优 异的功能材料，功能材料正在渗透到 现 代生活的各个 领 域。功能材料的研究持续进行功能材料的研究持续进行应用广泛，市场火热应用广泛，市场火热中国半导体器件封装材料进出口比较（万美元）2011年 -2015年中国正极材料产业市场规模信息领域能源领域一、功能材料的概念一、功能材料的概念 功能材料是指通过光、电、磁、热、化学、生化等作用后具有 特定功能 的材料。 在国外，常将这类材料称为 功能材料 (Functional Materials)、 特种材料 (Speciality Materials)或 精细材料(Fine Materials)。第一节第一节 功能材料的概念与分类功能材料的概念与分类 功能材料涉及面较广，具体包括光、电功能，磁功能，分离功能，形状记忆功能等。 这类材料相对于通常的结构材料而言，一般除了具有机械特性外，还具有其他的功能特性。 材料的特定的功能与材料的特定结构是相联系的。如对于导电聚合物来说，它一般具有长链共轭双键；金属结构中由于弹性马氏体相变能产生记忆效应，因此出现了形状记忆合金；压电陶瓷晶体必须有极轴等。 功能材料是一 门 新的学科，目前 对 它 进 行 严 格的定义 尚有一定的 难 度 就像 许 多化学 变 化中存在着物理 现 象、高 级 运 动 中总 是伴随着低 级 运 动 一 样 ，功能材料既遵循材料的一般特性 和 变 化 规 律 又具有其 自身的特点 。 可 认为 是 传统 材料的更高 级 更复 杂 的表 现 形式。10二、功能材料的分类二、功能材料的分类随着技术的发展和人类认识的扩展，新型的功能材料不断被开发出来，因此对其也产生了许多不同的分类方法。从 功能的不同 考虑，可将如下四个方面对功能材料分类 ： 力学、化学、力学、化学、 物理化学、生物化学物理化学、生物化学11(1)力学功能力学功能 主要是指主要是指 强化功能材料强化功能材料 和和弹性功能材料弹性功能材料 如高结晶材料、超高强如高结晶材料、超高强材料等。材料等。 高分子管材变形示意图飞机变形示意图(2)化学功能化学功能 分离功能材料：如分离膜，离分离功能材料：如分离膜，离子交换树脂、高分子络合物；子交换树脂、高分子络合物； 反应功能材料；如高分子试剂反应功能材料；如高分子试剂、高分子催化剂；、高分子催化剂； 生物功能材料：如固定化菌，生物功能材料：如固定化菌，生物反应器等生物反应器等 。活性炭吸附原理示意图铑、金复合纳米催化剂示意图（ 3） 物理化学功能物理化学功能 电学功能材料：如超导体，导电学功能材料：如超导体，导电高分子等；电高分子等； 光学功能材料：如光导纤维、光学功能材料：如光导纤维、感光性高分子等感光性高分子等 ； 能量转换材料：如压电材料、能量转换材料：如压电材料、光电材料。光电材料。龙阳站 -浦东国际机场 最大 430公里 /小时超导超导功能材料及在军事中的应用(4)生物化学功能生物化学功能 医用医用 功能材料：人工脏器用材料功能材料：人工脏器用材料如人工肾、人工心肺，可降解的如人工肾、人工心肺，可降解的医用缝合线、骨钉、骨板等；医用缝合线、骨钉、骨板等； 功能性药物：如缓释性高分子，功能性药物：如缓释性高分子，药物活性高分子，高分子农药；药物活性高分子，高分子农药； 生物降解材料生物降解材料人工肺人工肾脏15下图为材料显示功能的示意图。下图为材料显示功能的示意图。输入输入 材料材料 输出输出第二节第二节 功能设计的原理和方法功能设计的原理和方法材料的 材料的 功能显示过程功能显示过程 是指向材料输入某种能量，经过材料是指向材料输入某种能量，经过材料的传输或转换等过程，再作为输出而提供给外部的一种作用。的传输或转换等过程，再作为输出而提供给外部的一种作用。16功能材料按其 功能材料按其 功能的显示过程功能的显示过程 又可分为又可分为一次功能材料一次功能材料 和和 二次功能材料二次功能材料 。 17当向材料 当向材料 输入的能量输入的能量 和从材料和从材料 输出的能量输出的能量属于属于 同一种形式同一种形式 时，材料起到时，材料起到 能量传输能量传输 部件的部件的作用。材料的这种功能称为一次功能。作用。材料的这种功能称为一次功能。以一次功能为使用目的的材料又称为以一次功能为使用目的的材料又称为 载体材料载体材料。、一次功能、一次功能18一次功能主要有下面的八种一次功能主要有下面的八种 。 力学力学 功能。如功能。如 惯性惯性 、 粘性粘性 、 流动性流动性 、 润滑性润滑性 、 成型性成型性、 超塑性超塑性 、 恒弹性恒弹性 、 高弹性高弹性 、 振动性振动性 和和 防震性防震性 。 声声 功能。如功能。如 隔音隔音 性、性、 吸音吸音 性。性。 热热 功能。如功能。如 传热传热 性、性、 隔热隔热 性、性、 吸热吸热 性和性和 蓄热蓄热 性等。性等。 电电 功能。如功能。如 导电导电 性、性、 超导超导 性、性、 绝缘绝缘 性和性和 电阻电阻 等。等。19 磁磁 功能。如功能。如 硬磁性硬磁性 、 软磁性软磁性 、 半硬磁性半硬磁性 等。等。 光光 功能。如功能。如 遮光性遮光性 、 透光性透光性 、 折射光性折射光性 、 反射光性反射光性 、 吸吸光性光性 、 偏振光性偏振光性 、 分光性分光性 、 聚光性聚光性 等。等。 化学化学 功能。如功能。如 吸附作用吸附作用 、 气体吸收性气体吸收性 、 催化作用催化作用 、 生物生物化学反应化学反应 、 酶反应酶反应 等。等。 其他其他 功能。如功能。如 放射特性放射特性 、 电磁波特性电磁波特性 等。等。20当向材料当向材料 输入的能量输入的能量 和从材料和从材料 输出的能量输出的能量 属于属于 不同不同形式形式 时，材料起时，材料起 能量的转换能量的转换 部件作用，材料的这种部件作用，材料的这种功能称为功能称为 二次功能二次功能 或或 高次功能高次功能 。有人认为这种材料。有人认为这种材料才是真正的功能材料。才是真正的功能材料。、二次功能、二次功能21二次功能按二次功能按 能量的转换系统能量的转换系统 可分为如下四类可分为如下四类 。 光光 能与其他形式能量的转换；能与其他形式能量的转换； 电电 能与其他形式能量的转换；能与其他形式能量的转换； 磁磁 能与其他形式能量的转换； 能与其他形式能量的转换； 机械机械 能与其他形式能量的转换。能与其他形式能量的转换。22 光合成光合成 反应、反应、 光分解光分解 反应、反应、光化光化 反应、反应、 光致抗蚀光致抗蚀 反应反应 化学发光化学发光 ， 感光感光 反应，反应， 光致伸缩光致伸缩 ， 光生伏特光生伏特 效应效应 光导电光导电 效应。效应。 光光 能与其他形式能量的转换能与其他形式能量的转换光催化光合成电磁电磁 效应效应电阻发热电阻发热 效应效应热电热电 效应效应电致发光电致发光 效应效应电化学电化学 效应效应 电电 能与其他形式能量的转换能与其他形式能量的转换电磁效应 电化学效应 -废水处理电阻发热效应 热电效应 磁磁 能与其他形式能量的转换能与其他形式能量的转换 磁电磁电 效应效应 磁光磁光 效应效应 磁热磁热 效应效应 磁冷冻磁冷冻 效应效应 磁性转变磁性转变 效应效应磁电效应 磁光效应磁热效应 巨磁阻效应 机械机械 能与其他形式能量的转换能与其他形式能量的转换 。 形状记忆形状记忆 、 热弹性热弹性 效应效应 电致伸缩电致伸缩 、 光弹性光弹性 效应效应 机械化学机械化学 效应、效应、 压电压电 效应效应 光压光压 效应、效应、 声光声光 效应效应 磁致伸缩磁致伸缩 效应效应压电效应 电致伸缩效应单程、双程及全程记忆效应按 按 材料种类材料种类 分，功能材料还可分为：分，功能材料还可分为： 金属金属 功功能材料、能材料、 无机非金属无机非金属 功能材料和功能材料和 有机有机 功能材料。功能材料。 无论哪种功能材料，其无论哪种功能材料，其 能量传递过程能量传递过程 或者或者 能量转换形式能量转换形式所涉及的微观过程都与所涉及的微观过程都与 固体物理固体物理 和和 固体化学固体化学 相联系。相联系。 正是这两门基础科学为新兴学科正是这两门基础科学为新兴学科 功能材料科学的发功能材料科学的发展奠定了基础，从而也推动了功能材料的研究和应用。展奠定了基础，从而也推动了功能材料的研究和应用。 它们把功能材料推进到它们把功能材料推进到 功能设计功能设计 的时代。的时代。功能材料研究的基础功能材料研究的基础 所谓所谓 功能设计功能设计 ，就是赋予材，就是赋予材料以料以 一次功能一次功能 或或 二次功能二次功能 特特性的科学方法。性的科学方法。 有人认为有人认为 21世纪将逐渐实现世纪将逐渐实现按需设计按需设计 材料。材料。功能材料研究的基础功能材料研究的基础功能设计，任重而道远材料科学与工程四要素材料科学与工程四要素 组成，即组成，即 结构结构 /成分成分 、 合成合成 /流程流程 、 性能性能与与 效能效能 。但考虑到结构与成分并非同义词，相同成分通过不同。但考虑到结构与成分并非同义词，相同成分通过不同制备方法可以得到不同结构，从而使材料出现不同性能，所以制备方法可以得到不同结构，从而使材料出现不同性能，所以材料科学与工程材料科学与工程 应为五要素，即应为五要素，即 成分成分 、 合成合成 /流程流程 、 结构结构 、 性性能能 与与 效能效能 。根据材料所要求的性能不同，根据材料所要求的性能不同， 材料设计材料设计 可以从可以从 电子电子 、 光子光子 出出发也可从发也可从 原子原子 、 原子集团原子集团 出发，可以从出发，可以从 微观微观 、 显微显微 到到 宏观宏观 。材料设计材料设计