建筑功能材料导论2011.ppt

1 建筑功能材料导论张雄zhangxiong 同济大学建筑材料研究所 2 建筑功能材料导论 第一篇材料学概论第二篇功能材料概论第三篇建筑功能材料导论 3 主要参考书 1 现代建筑功能材料张雄张永娟 化学工业出版社 2009 2 建筑功能材料张雄韩继红 建工出版社 2000 3 建筑节能技术与节能材料张雄张永娟 化学工业出版社 2009 5 建筑功能外加剂张雄张小伟 化学工业出版社 2006 6 建筑功能砂浆张雄张永娟 化学工业出版社 2008 新型功能材料贡长生 张克立 化学工业出版社 2001 新型无机材料杨华明 宋晓岚 化学工业出版社 2005 6 功能材料学概论马如璋蒋民华 冶金工业出版社 1999 教材 现代建筑功能材料 张雄张永娟 化学工业出版社 2009 第一节概述第二节新材料研究开发的热点领域第三节传统材料的改性与有效利用第四节发展趋势 第一篇材料学概论 材料科学 研究材料的成分 结构及性能间关系的科学 材料工程 运用理论知识与经验的知识 为满足各特性需要而发展 制备 改进各种材料的工艺技术 材料学 研究材料的组成 结构 加工制造工艺和性能之间的相互关系和变化的规律 并根据这些规律合理选择 使用并指导设计和生产所需材料的科学 第一节概述 6 材料科学与工程一般都认为由四要素组成 即结构 成分 合成 流程 性能与效能 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 所以材料科学与工程应为五要素 即成分 合成 流程 结构 性能与效能 7 材料设计的实现是一个长期过程 其最终应达到提出一个需求目标就可设计出成分 制造流程并做出合乎要求的工程材料以至零件 器件或构件 根据材料所要求的性能不同 材料设计可以从电子 光子出发 也可从原子 原子集团出发 可以从微观 显微到宏观 材料及材料学现状 现状 自然资源日益枯竭 而人类文明的发展对材料的需求又迅速膨胀 尤其对材料功能的需求 远非天然材料或传统材料所能满足 而人类有关材料学的现今知识 也使人类有了创造 研制满足人类所需材料的基础和手段 标志 传统材料 天然材料 金属材料 有机材料 无机非金属材料等一次加工性材料 的地位日渐削弱 具有优异功能 特殊性能的新型材料日益掘起和状大 新材料及其特征 新材料 指那些新近发展或正在发展中的具有优异性能的材料 主要特征 1 现代科学理论成果的直接转化 2 形成于新技术 新工艺的尖端条件之下 3 具有类型多 更新快 性能优 成本低的优点 4 构成一个新材料科技体系 一 新型结构材料 二 新型功能材料 三 低维材料 第二节新材料研究开发热点领域 一 新型结构材料 1 高性能新金属材料高纯度化 通过特殊的提纯和轧 拉 制工艺 使金属高纯度 无杂质缺陷或单晶化 以达到高强 高韧 如直径为10 4cm的纯铁晶须 抗拉强度可达13000MPa 均质合金化 具有强度高 抗高温 高温抗氧化 抗硫化 耐腐蚀性好 且密度小 成本低 易于熔炼等优点 有望成为新一代高温结构材料 但室温氢脆性和环境敏感性较大 微晶玻璃化 快速冷却 105 6 S 强制凝固 形成 理想新金属 的非晶态金属 合金 其特点是具有极高的断裂强度和屈服强度并有良好的弹塑性 可经受180度弯曲不断裂复相化 创制的双相钢 合金化和控制轧制 提高强度和韧性 一 新型结构材料 2 高性能结构陶瓷 工程陶瓷 主要是氮化硅 碳化硅 硼化物等非氧化物系统陶瓷即所谓 第二代 陶瓷 特点 耐高温 1200 1600 耐磨 耐蚀 磨擦系数小 密度低 膨胀系数小等特点 缺点 室温脆性高 性能分散 价格贵 加工难 回收困难等 但是通过对原料的控制 超纯 超细 晶界控制 第二相加入 纤维增强以及利用相变应力 ZrO2 可以提高陶瓷的韧性 表1为近年来通过不同增韧方式取得的一些成就 一 新型结构材料 3 高性能高分子材料 工程塑料 工程塑料 是高分子材料中具有高强度 如50MPa 高模量 高使用温度 150 或有特殊功能 导电 导光 吸波 磁性 的材料 特点 熔化状态或非晶态时 弹性好 强度不高 结晶度接近100 则具有很高的强度和模量 制备 高结晶度可通过熔体的控制和固体挤压而达到 高分子共聚物的强度还可通过合金化及嵌段共聚等方法使两种及两种以上不同性质的分子成键 也可通过共混得到不同性能的材料 因此 高分子材料已进入按需设计阶段 即所谓 分子复合 一 新型结构材料 4 复合材料特点 优点 可设计性 比强度 比模量大 材料与结构的同一性 耐疲劳性能好 发挥复合效应的优越性 阻尼减震性好 材料性能对复合工艺的依赖性 破损安全性高 先进复合材料 1 树脂基复合材料 高分子 碳 陶瓷或金属纤维强化的树脂基材料 提高比强度和比刚度 大量用于飞机 汽车 2 金属基复合材料 金属用陶瓷 碳纤维 晶须或颗粒等增强的材料 可以大幅度提高比强度或比刚度 3 陶瓷基复合材料 通过纤维复合 纤维增强 弥散补强 相变补强 断裂韧性陶瓷基复合材料 韧性提高 4 C C复合材料 碳纤维编织物再粘结碳化而成为C C复合材料 热导好 膨胀系数小 比容热大 辐射系数大 是导弹及火箭喷管的理想材料 也是航天飞机鼻锥帽和机翼前缘材料 也可作生物医学材料 模具材料等 5 层状陶瓷复合材料 脆性陶瓷层状复合提高的强度和抗冲击韧性 6 梯度复合材料 过渡层成分连续变化的复合材料 具有很好的抗高温变形能力 二 新型功能材料 功能材料 具有优良的光 电 磁 声 力 热 化学 生物学功能及其相互转化的功能 被用于非结构目的的高技术材料的总称 新型功能材料 新近发展起来的和正在发展中的具有优异性能和特殊功能 对科学技术尤其是对高技术的发展及新产业的形成具有决定意义的新材料 新型功能材料研发热点 光电子信息材料 光电子技术中所需用的材料 如新型半导体材料 光存储介质材料 光纤通讯材料功能陶瓷材料 多层陶瓷电容器的材料与制备技术 高性能压电陶瓷 微波介质陶瓷材料与器件 高性能半导体敏感陶瓷材料及元件 发展方向 高可靠性 多功能 微型化 集成化和智能化生物医用材料 生物体功能或形态修复的材料 医用金属和合金 生物陶瓷 高分子材料 复合生物材料能源材料 新能源材料 节能材料和储能材料生态环境材料 具有良好的使用性能或功能 并且能够和环境相协调的材料 仿生材料 环境保护材料智能材料 能够感知环境变化并通过自我判断得出结论执行相应指令的材料 集传感 控制和驱动 执行 等功能于一体 实现自我检测 自诊断 自监控 自修复及自适应等多种功能 三 低维材料 低维材料 0 1 2维材料特点 尺寸效应 量子效应 从而导致电 磁 光学性质与力学性质的奇异变化 1 0维 纳米材料与结构 发展方向是纳米组装体和纳米器件 问题 超微粉体系 烧结动力学 纳米材料的物理性能 纳米材料的显微结构及其检测与表征方法 2 一维 纤维材料 光导纤维 碳纤维和有机高分子纤维3 二维 膜材料 功能陶瓷薄膜 金刚石薄膜 高分子功能膜 1 材料的深加工和精加工 钢铁的晶粒细化 多相复合陶瓷 高强度水泥基材料2 正确使用材料 延长材料寿命 3 合理设计材料 优势互补 第三节传统材料的性能提升 20 日本和欧美各国对新型功能材料的研究十分注意 这是因为功能材料是能源 计算机 通讯 电子 激光等现代科学的基础 功能材料在未来的社会发展中具有重大战略意义 第四节新材料发展趋势 21 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 未来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 材料与器件 元件 趋向一体化 制造材料的新工艺 新流程及性能和结构的新测试方法和设备 将成为研究开发新材料的突破点 材料的复合化是达到所需性能最经济和重要的途径 分子和原子尺度的研究工作日趋加强 形成低维材料 从而出现优异性能 材料与生物的交叉日趋重要 将得到与生物相近的高效率和高功能材料 材料应用将是以非金属代替部分金属材料 发展趋势特点 23 第二篇功能材料概论 第一节功能材料定义 分类与特点第二节功能设计的原理和方法第三节功能材料制备用的新方法第四节功能材料的发展现状 24 一 功能材料的定义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 FunctionalMaterials 特种材料 SpecialityMaterials 或精细材料 FineMaterials 第一节功能材料的定义 分类与特点 25 二 功能材料的分类 一 按物理化学功能分类 1 化学功能材料 2 物理化学功能材料 3 生物化学功能材料无论哪种功能材料 其能量传递过程或者能量转换形式所涉及的微观过程都与固体物理和固体化学相联系 26 1 化学功能材料 分离功能材料 如分离膜 离子交换树脂 高分子络合物 反应功能材料 如高分子试剂 高分子催化剂 生物功能材料 如固定化菌 生物反应器等 27 2 物理化学功能 电学功能材料 如超导体 导电高分子等 光学功能材料 如光导纤维 感光性高分子等 能量转换材料 如压电材料 光电材料 28 3 生物化学功能 医用功能材料 人工脏器用材料如人工肾 人工心肺 可降解的医用缝合线 骨钉 骨板等 功能性药物 如缓释性高分子 药物活性高分子 高分子农药等 生物降解材料 29 二 按其功能的显示过程分类1 一次功能材料2 二次功能材料 30 当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于同一种形式时 材料起到能量传输部件的作用 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载体材料 1 一次功能材料 31 一次功能主要有下面的八种 力学功能 如惯性 粘性 流动性 润滑性 成型性 超塑性 恒弹性 高弹性 振动性和防震性 声功能 如隔音性 吸音性 热功能 如传热性 隔热性 吸热性和蓄热性等 电功能 如导电性 超导性 绝缘性和电阻等 32 磁功能 如硬磁性 软磁性 半硬磁性等 光功能 如遮光性 透光性 折射光性 反射光性 吸光性 偏振光性 分光性 聚光性等 化学功能 如吸附作用 气体吸收性 催化作用 生物化学反应 酶反应等 其他功能 如放射特性 电磁波特性等 33 当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于不同形式时 材料起能量的转换部件作用 材料的这种功能称为二次功能或高次功能 有人认为这种材料才是真正的功能材料 2 二次功能材料 34 二次功能按能量的转换系统可分为如下四类 光能与其他形式能量的转换 电能与其他形式能量的转换 磁能与其他形式能量的转换 机械能与其他形式能量的转换 35 如光合成反应 光分解反应 光化反应 光致抗蚀 化学发光 感光反应 光致伸缩 光生伏特效应和光导电效应 光能与其他形式能量的转换 36 如电磁效应 电阻发热效应 热电效应 光电效应 场致发光效应 电化学效应和电光效应等 电能与其他形式能量的转换 37 磁能与其他形式能量的转换 如光磁效应 热磁效应 磁冷冻效应和磁性转变效应等 38 机械能与其他形式能量的转换 如形状记忆效应 热弹性效应 机械化学效应 压电效应 电致伸缩 光压效应 声光效应 光弹性效应和磁致伸缩效应等 39 三 按材料种类分类1 金属功能材料2 无机非金属功能材料3 有机功能材料 40 功能材料的结构与性能之间存在着密切的联系 材料的骨架 功能基团以及分子组成直接影响着材料的宏观结构与材料的功能 研究功能材料的结构与功能之间的关系 可以指导开发更为先进 新颖的功能材料 三 功能材料的特点 41 第二节功能材料设计的原理和方法 所谓功能材料设计 就是赋予材料以一次功能或二次功能特性的科学方法 有人认为21世纪将逐渐实现按需设计材料 根据材料所要求的性能不同 材料设计可以从电子 光子出发 也可从原子 原子集团出发 可以从微观 显微到宏观 42 一 金属功能材料设计金属功能材料按性能分主要包括磁性 电性 力学 热学 光学 化学 生物功能材料和特种功能材料 金属功能材料的功能设计主要有以下两个方面 寻找具有特定功能的金属材料 利用各种金属材料的特性 制备符合使用要求的合金 43 有些金属材料本身具有特定的功能 经过我们的开发研究 可以对这些特定的功能加以利用 例如 稀土功能材料的制备和应用 1 寻找具有特定功能的金属材料 44 稀土功能材料主要包括稀土永磁材料 稀土储氢材料 信息显示材料 催化材料 超磁致伸缩材料 巨磁电阻材料等 其应用遍及航天 航空 信息 电子 能源 交通 医疗卫生等13个领域的40多个行业 45 我国稀土资源非常丰富 其工业储量约占世界已探明总储量6200万t的80 将我国的稀土资源优势变为产业优势和经济优势 使它的研究开发既能形成一批新型高新技术产业 又能辐射 带动传统产业的技术进步 46 合金的迅速发展 给金属功能材料的发展提供了广泛的空间 随着各种合金的开发 各种各样的金属功能材料被开发出来 如纳米材料 大块非晶材料 真空快淬材料 磁性形状记忆合金等 2 利用各种金属材料的特性 制备符合使用要求的合金 47 无机非金属功能材料的主要代表是功能玻璃和功能陶瓷 无机非金属功能材料进行功能设计的方法主要有以下两种 1 根据功能的要求设计配方 2 根据功能的要求设计合适的加工工艺 二 无机非金属功能材料设计 48 无机非金属功能材料的配方比较复杂 每种不同功能的无机非金属功能材料采用不同的配方 无机非金属功能材料所含的材质决定了无机非金属功能材料的宏观性能 比如功能玻璃包括微晶玻璃 激光玻璃 半导体玻璃 光色玻璃 生物玻璃等 1 根据功能的要求设计配方 49 无机非金属功能材料的加工工艺根据所需功能的不同 有的采用普通的无机非金属材料加工工艺 有的采用特殊的加工工艺 不同的加工工艺可以得到不同功能的无机非金属功能材料 因此 控制合适的加工工艺对无机非金属功能材料的制造是非常重要的 2 根据功能的要求设计合适的加工工艺 50 功能高分子材料功能设计的主要途径如下 1 通过分子设计合成新功能 2 通过特殊加工赋予材料以功能特性 3 通过两种或两种以上的具有不同功能或性能的材料复合获得新功能 4 通过对材料进行各种表面处理以获得新功能 三 高分子功能材料设计 51 分子设计包括高分子结构设计和官能团设计 它是使高分子材料获得具有一定化学结构的本征性功能特征的主要方法 因而又称为化学方法 1 通过分子设计合成新功能 52 例如 通过高分子结构设计和官能团设计 在高分子结构中引入感光功能基团 从而合成出感光高分子材料 合成可供选择的措施有 共聚合 接技聚合 嵌段聚合 界面缩聚 交联反应 官能团引入 模板聚合 管道聚合 交替共聚以及用高聚物作支持体的聚合等 53 这种方法又称为物理方法 例如 高分子材料通过薄膜化制作偏振光膜 滤光片 电磁传感器 薄膜半导体 薄膜电池 接点保护材料 防蚀材料等 尤其是在超细过滤 反渗透 精密过滤 透析 离子交换等方面取得了广泛的应用 高分子材料纤维化可用于二次电子倍增管或作离子交换纤维 对于高分子材料来说 最引人注目的是塑料光纤的开发应用 2 通过特殊加工赋予材料以功能特性 54 例如借助纤维复合 层叠复合 细粒复合 骨架复合 互穿网络等方法 关于这方面的理论 近年来还提出了所谓复合相乘效应公式 即如A组分具有X Y功能 即对材料施加X作用 可得Y效应 例如加压生电 B组分有Y Z功能 则复合之后可产生 X Y Y Z X Z的新功能 根据这个原理 已试制出温度自控塑料发热体等一批新型复合功能高分子材料 3 通过具有不同功能或性能的材料复合获得新功能 55 将上述各种方法的适当组合就可以设计得到所需要的各种功能材料 功能材料的设计是当代材料技术的重大成就之一 4 通过对材料进行各种表面处理以获得新功能 56 第三节功能材料的发展现状 一 新型功能材料国外发展现状当前 国际功能材料及其应用技术正面临新的突破 诸如超导材料 微电子材料 光子材料 信息材料 能源转换及储能材料 生态环境材料 生物医用材料及材料的分子 原子设计等正处于日新月异的发展之中 发展功能材料技术正在成为一些发达国家强化其经济及军事优势的重要手段 57 以NbTi Nb3Sn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 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 高温超导材料的研究工作已在单晶 薄膜 体材料 线材和应用等方面取得了重要进展 超导材料 58 作为高技术重要组成部分的生物医用材料已进入一个快速发展的新阶段 其市场销售额正以每年16 的速度递增 预计20年内 生物医用材料所占的份额将赶上药物市场 成为一个支柱产业 生物活性陶瓷已成为医用生物陶瓷的主要方向 生物降解高分子材料是医用高分子材料的重要方向 生物医用材料 59 太阳能电池材料是新能源材料研究开发的热点 IBM公司研制的多层复合太阳能电池 转换率高达40 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 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 都是目前研究的热点 能源材料 60 是20世纪90年代在国际高技术新材料研究中形成的一个新领域 其研究开发在日 美 德等发达国家十分活跃 主要有三个研究方向 生态环境材料 61 直接面临的与环境问题相关的材料技术 例如 生物可降解材料技术 CO2气体的固化技术 SOx NOx催化转化技术 废物的再资源化技术 环境污染修复技术 材料制备加工中的洁净技术以及节省资源 节省能源的技术 62 开发能使经济可持续发展的环境协调性材料 如仿生材料 环境保护材料 氟里昂 石棉等有害物质的替代材料 绿色新材料等 材料的环境协调性评价 63 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 将支撑未来高技术的发展 使传统意义下的功能材料和结构材料之间的界线逐渐消失 实现结构功能化 功能多样化的目标 智能材料 64 国外智能材料的研发方面已取得很多技术突破 如英国宇航公司在导线传感器 可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秒钟 在压电材料 磁致伸缩材料 导电高分子材料等在航空上的应用取得大量创新成果 65 我国非常重视功能材料的发展 在国家攻关 863 973 国家自然科学基金