第一章-功能材料与功能设计VIP

1,第一章功能材料与功能设计,2,材料除了具有重要性和普遍性外，还具有多样性。由于多种多样，分类方法也就没有一个统一标准。一种常见的分类方法是按照性能特征和用途将材料分为结构材料(structuralmaterials)和功能材料(functionalmaterials)两大类。,3,结构材料是具有较高力学性能，并主要用来制造机械产品结构件的材料；功能材料则主要是具有特殊的物理、化学或其他性能，并主要用来制造具有特定功能元件、器件和产品的材料。新材料发展重点已经从结构材料转向功能材料。功能材料被誉为-2l世纪人类文明的重要支柱,4,功能材料可以定义为：具有优良的光学、电学、磁学、热学、声学、力学、化学和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。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)。,1.2功能材料的定义,5,1.3功能材料的特点,功能材料为高技术密集型材料，在研究开发和生产功能材料时具有三个显著的特点：,综合运用现代先进的科学技术成就，多学科交叉，知识密集；品种较多，生产规模一般比较小，更新换代快，技术保密性强；需要投入大量的资金和时间，存在相当大的风险，但一旦研究开发成功，则成为高技术、高性能、高产值和高效益的产业。,6,(1)功能材料学(2)功能材料工程学(3)功能材料的表征和测试技术,1.5功能材料学科的内容,7,研究功能材料的成分、结构、性能、应用及其相互关系，在此基础上，研究功能材料的设计和发展途径。,(1)功能材料学,8,研究功能材料的合成、制备、提纯、改性、储存及使用的技术和工艺。,(2)功能材料工程学,9,研究一般通用的理化测试技术在功能材料上的应用及各类特征功能的测试技术和表征。,(3)功能材料的表征和测试技术,10,1.7功能材料的的现状和展望,现已开发的以物理功能材料最多，主要有：(1)单功能材料(2)功能转换材料(3)多功能材料(4)复合和综合功能材料(5)新形态和新概念功能材料,11,导电材料、介电材料、铁电材料、磁性材料、磁信息材料、发热材料、储热材料、隔热材料、隔声材料、发声材料、发光材料、激光材料、红外材料、光信息材料等。,(1)单功能材料,12,(2)功能转换材料,压电材料、光电材料、热电材料、磁光材料、声光材料、电光材料、电（磁）流变材料、磁致伸缩材料等。,13,(3)多功能材料,降噪材料、三防（防热、防激光和防核）材料、耐热密封材料、电磁材料等。,14,(4)复合和综合功能材料,形状记忆材料、传感材料、智能材料、显示材料、分离功能材料等。,15,(5)新形态和新概念功能材料,液晶材料、非晶态材料、梯度材料、纳米材料、非平衡材料、MOFs材料(见事例)等。,16,目前，从国内外功能材料的研究动态看，功能材料的发展趋势可归纳为如下几个方面：开发高技术所需的新型功能材料，特别是尖端领域(如航空航天、分子电子学、高速信息、新能源、海洋技术和生命科学等)所需和在极端条件下(如超高压、超高温、超低温、高烧蚀、高热冲击、强腐蚀、高真空、强激光、高辐射、粒子云、原子氧和核爆炸等)工作的高性能功能材料。,17,功能材料的功能由单功能向多功能和复合或综合功能发展，从低级功能(如单一的物理功能)向高级功能(如人工智能、生物功能和生命功能等)发展。功能材料和器件的一体化、高集成化、超微型化、高密积化和超分子化。功能材料和结构材料兼容，即功能材料结构化，结构材料功能化。,18,进一步研究和发展功能材料的新概念、新设计和新工艺。已提出的新概念有梯度化、低维化、智能化、非平衡态、分子组装、杂化、超分子化和生物分子化等；已提出的新设计有化学模式识别设计、分子设计、非平衡态设计、量子化学和统计力学计算法等，这些新设计方法都要采用计算机辅助设计(CAD)，这就要求建立数据库和计算机专家系统；,19,已提出的新工艺有激光加工、离子注入、等离子技术、分子束外延、电子和离子束沉积、固相外延、精细刻蚀、生物技术及在特定条件下(如高温、高压、低温、高真空、微重力、强电磁场、强辐射、急冷和超净等)的工艺技术。,20,完善和发展功能材料检测和评价的方法。加强功能材料的应用研究，扩展功能材料的应用领域，特别是尖端领域和民用高技术领域，并将成熟的研究成果迅速推广，以形成生产力。,21,下图为材料显示功能的示意图。,第二节功能设计的原理和方法,材料的功能显示过程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。,22,功能材料按其功能的显示过程又可分为一次功能材料和二次功能材料。,23,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。,、一次功能,24,一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。,25,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。,26,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。,、二次功能,27,二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。,28,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,29,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,30,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。,31,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。,32,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（原子层次，共同规律性）和固体化学（分子层次，特性、个性）相联系。正是这两门基础科学为新兴学科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。它们把功能材料推进到功能设计的时代。,33,所谓功能设计，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。,34,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,35,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,36,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,37,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,38,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,39,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。,40,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,41,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。,42,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,43,第四节制备功能材料常用的新方法,用于功能材料制备的新方法很多。例如：快速凝固、镀膜、超晶格、机械合金化、溶胶凝胶、极限(极高温、高压、高真空、失重等)条件下制备的方法、复合及杂化、晶须及大单晶制备法等等。这些方法的发展与使用加快了新品种的开发和质量的提高。,44,在溶胶凝胶方法中，常是把含有Si、A1、Ti、B等网络形成元素的烃氧化物作为母体，以添加碱或酸作催化剂，在酒精溶液中使烃氧化物水解、浓聚而形成MM链的无机氧化物网络。,溶胶凝胶方法,45,通过改变母体的化学成分和生成条件，就可改变冷凝物的拓朴结构，可从无水氧化物的致密球变为稀疏的分枝状结构，以满足待定的使用要求。无水氧化物具有可以控制微孔尺寸、微孔体积、折射率和化学性质的特点。这对于高技术的应用是有利的。,46,通过快淬快凝工艺可以得到在常规条件下的亚稳相。亚稳相可以是材料的使用状态，也可能是为得到好性能的中间状态。在自然界中，亚稳相是很常见的。从亚稳相到平衡态的转变不少情况下是非常缓慢的。因此，实际上可以把亚稳状态的材料看作是平衡态来使用。材料学家利用这种动力学差别而设计并加工制造了