功能材料--绪论

1、王书亮王书亮龙岩学院化学与材料系龙岩学院化学与材料系Email: 课课 程程 目目 的的选取一些重要的功能材料为代表选取一些重要的功能材料为代表物理原理、材料种类和性能，同物理原理、材料种类和性能，同时兼顾材料的制备技术及应用时兼顾材料的制备技术及应用为今后进一步研究、运用功能材为今后进一步研究、运用功能材料奠定基础料奠定基础材料学专业的方向性课程材料学专业的方向性课程成绩构成成绩构成平时成绩（平时成绩（30 %30 %）+ +期末综合测试（期末综合测试（70 %70 %）平时平时：考勤、回答问题、课堂纪律、学习态度：考勤、回答问题、课堂纪律、学习态度期末综合测试题纲期末综合测试题纲：选某一功

2、能材料制品：选某一功能材料制品( (或器件或器件) )，简述该制品的主要材料成分、作用原理、主要制备工简述该制品的主要材料成分、作用原理、主要制备工艺、应用举例、发展现状及趋势、市场前景。艺、应用举例、发展现状及趋势、市场前景。考查形式考查形式：PPTPPT形式，五人一组，上台汇报讲解形式，五人一组，上台汇报讲解(10(10分分钟以内钟以内) )、回答问题、回答问题( (约约5 5分钟分钟) )，同学们可相互提问。，同学们可相互提问。考查时间考查时间：第十周（：第十周（1111月份）开始月份）开始参参 考考 书书朱敏编，功能材料，机械工业出版社，2002年。何开元编，功能材料导论，冶金工业出版

3、社，2000年。田莳编，功能材料，北京航空航天大学出版社，1994年。第一章第一章 绪论绪论功能材料功能材料发展概况发展概况功能材料功能材料在材料科在材料科学与工程学与工程中的地位中的地位1.11.21.3功能材料功能材料定义定义特点特点分类分类材料：人类社会的物质基础和进步的里程碑材料：人类社会的物质基础和进步的里程碑1.1 功能材料在材料科学与工程中的地位功能材料在材料科学与工程中的地位Your TextYour TextYour TextYour TextYour TextYour TextYour TextYour Text公元前公元前 20002000年年公元公元400400年年20

4、20世纪世纪前半期前半期20世纪世纪80年代年代石石 器器 时时 代代青青 铜铜 器器 时时 代代铁铁 器器 时时 代代信信 息息 时时 代代后后 半半 期期 三三 大大 材材 料料 并并 存存因为材料的应用获得的益处：因为材料的应用获得的益处： 秦帝国秦帝国青铜兵器性能的提高和兵器标准化制青铜兵器性能的提高和兵器标准化制备。备。 大航海时代的开始大航海时代的开始指南针的使用（磁性材料）指南针的使用（磁性材料） 工业革命工业革命钢铁材料的发展钢铁材料的发展 信息时代信息时代半导体材料、单晶硅、光纤材料。半导体材料、单晶硅、光纤材料。 航空航天航空航天有色轻金属合金、先进陶瓷材料有色轻金属合金、

5、先进陶瓷材料 1.1 功能材料在材料科学与工程中的地位功能材料在材料科学与工程中的地位因为材料的失效导致的悲剧因为材料的失效导致的悲剧 泰坦尼克号泰坦尼克号制造船体的钢铁材料缺乏韧性。制造船体的钢铁材料缺乏韧性。（金属材料）（金属材料） 挑战者号航天飞机挑战者号航天飞机密封环在低温变脆。（高分密封环在低温变脆。（高分子材料）子材料） 奋进号航天飞机奋进号航天飞机外层绝热瓦的破裂。（外层绝热瓦的破裂。（C/CC/C复复合材料陶瓷材料）合材料陶瓷材料）1.1 功能材料在材料科学与工程中的地位功能材料在材料科学与工程中的地位 现代文明的四大支柱现代文明的四大支柱材料材料信息信息能源能源生物生物结构材

6、料结构材料功能材料功能材料1.1 功能材料在材料科学与工程中的地位功能材料在材料科学与工程中的地位1.1 功能材料在材料科学与工程中的地位功能材料在材料科学与工程中的地位结构材料占主导地位的时期结构材料占主导地位的时期结构材料曾经是材料科学的主要研究对象结构材料曾经是材料科学的主要研究对象工业经济工业经济 （工业革命（工业革命 机械机械 动力）动力）机器机器 力学性能（机械性能）力学性能（机械性能） 结构材料结构材料钢铁能力钢铁能力 曾经的国力的标志曾经的国力的标志1.1 功能材料在材料科学与工程中的地位功能材料在材料科学与工程中的地位功能材料现代社会中起主导作用的材料功能材料现代社会中起主导

7、作用的材料 功能材料是信息技术、生物技术、可再生能源功能材料是信息技术、生物技术、可再生能源技术、空间技术等现代社会支柱产业的基础技术、空间技术等现代社会支柱产业的基础 功能信息功能信息 计算机计算机 相关的材料相关的材料 可再生能源可再生能源 太阳能太阳能 相关的材料相关的材料1.1 功能材料在材料科学与工程中的地位功能材料在材料科学与工程中的地位功能材料与结构材料比较功能材料与结构材料比较结构材料结构材料功能材料功能材料传统材料传统材料新材料新材料产量大产量大品种多品种多附加值低附加值低附加值高附加值高技术成熟技术成熟技术发展快技术发展快劳动密集劳动密集技术密集技术密集转移出发达国家转移出

8、发达国家集中在发达国家集中在发达国家1.1 功能材料在材料科学与工程中的地位功能材料在材料科学与工程中的地位功能材料与结构材料关系功能材料与结构材料关系共同构成现代社会的物质基础共同构成现代社会的物质基础性能多样：结构材料和功能材料可能转换性能多样：结构材料和功能材料可能转换技术集成：结构材料和功能材料紧密结合技术集成：结构材料和功能材料紧密结合Fe: 钢铁材料的主要组成，也是磁性材料的主要组成钢铁材料的主要组成，也是磁性材料的主要组成Cu基形状记忆合金：由基形状记忆合金：由Cu合金发展而来合金发展而来智能材料：结构材料与功能材料的复合智能材料：结构材料与功能材料的复合1.2 功能材料的发展概

9、况功能材料的发展概况材料发展的基本进程材料发展的基本进程1.2 功能材料的发展概况功能材料的发展概况功功能能材材料料的的发发展展现代现代中期中期初期初期 第二次世界大战以前第二次世界大战以前二战前至二战前至2020世纪世纪6060年代年代2020世纪世纪6060年代年代至今至今1.2 功能材料的发展概况功能材料的发展概况初期阶段初期阶段磁现象的认识：天然磁石（公元前二世纪）、地球磁场等磁现象的认识：天然磁石（公元前二世纪）、地球磁场等电的发现：电的发现：18世纪末世纪末(富兰克林、库仑富兰克林、库仑)， 电池电池(1800年年)电磁现象和理论：磁针被电流偏转（奥斯特电磁现象和理论：磁针被电流偏

10、转（奥斯特1820年）；欧年）；欧姆定律（姆定律（1826年）；电磁感应（年）；电磁感应（1833年）；法拉第提年）；法拉第提出出“电介质电介质”和场的概念；麦克斯韦方程（和场的概念；麦克斯韦方程（1855年）。年）。电工材料电工材料 ：导电材料、磁性材料：导电材料、磁性材料光学材料：光学玻璃光学材料：光学玻璃1.2 功能材料的发展概况功能材料的发展概况中期中期阶段阶段理论准备：理论准备：20世纪初期物理学的发展世纪初期物理学的发展 量子力学、能带理论、半导体理论等量子力学、能带理论、半导体理论等需需 求：一次和二次世界大战的军事需求求：一次和二次世界大战的军事需求 声纳技术、无线电技术、雷达

11、技术、原子能等声纳技术、无线电技术、雷达技术、原子能等空间竞赛：传感器、特殊能源、信号记录等空间竞赛：传感器、特殊能源、信号记录等计算机技术：芯片材料、存储材料、显示材料等计算机技术：芯片材料、存储材料、显示材料等1.2 功能材料的发展概况功能材料的发展概况现代现代阶段阶段60年代半导体技术的兴起年代半导体技术的兴起 信息技术与产业信息技术与产业始于始于60年代的空间竟赛年代的空间竟赛 传感器、屏蔽材料传感器、屏蔽材料70年代爆发的能源危机年代爆发的能源危机 各种新能源材料各种新能源材料医学技术的发展医学技术的发展 生物医学材料生物医学材料环境保护意识的凸现环境保护意识的凸现 环境友好材料环境

12、友好材料追求材料的仿生性追求材料的仿生性 仿生材料、智能材料仿生材料、智能材料基础理论的突破基础理论的突破 超导、纳米材料、纳米碳管超导、纳米材料、纳米碳管1.2 功能材料的发展概况功能材料的发展概况新材料的发现往往导新材料的发现往往导致新技术和产业的兴起致新技术和产业的兴起功能材料功能材料发展的动力发展的动力新的科学理论新的科学理论和现象的发现和现象的发现 1新的材料制备新的材料制备技术的出现技术的出现新的工程和技术要求新的工程和技术要求14040年代末年代末5050年代初研制年代初研制出出SiSi、GeGe半导体单晶，并半导体单晶，并以此制成晶体三极管，进以此制成晶体三极管，进而产生了半导

13、体物理，导而产生了半导体物理，导致半导体器件及其它固体致半导体器件及其它固体器件的发展，使得半导体器件的发展，使得半导体技术得到广泛的应用，导技术得到广泛的应用，导致半导体材料的发展。致半导体材料的发展。2随着对计算机存储器记录密随着对计算机存储器记录密度的要求不断提高，计算机度的要求不断提高，计算机的记录介质材料不断发展。的记录介质材料不断发展。由磁性颗粒（如由磁性颗粒（如FeFe2 2O O3 3）涂）涂覆在高分子基片上发展到磁覆在高分子基片上发展到磁性薄膜记录介质，磁性薄膜性薄膜记录介质，磁性薄膜的记录方式由纵向记录发展的记录方式由纵向记录发展到垂直记录，到垂直记录，例子：半导体材料的发

14、展例子：半导体材料的发展1.2 功能材料的发展概况功能材料的发展概况1.2 功能材料的发展概况功能材料的发展概况例例子子快快速速凝凝固固技技术术Duwez在在2020世纪世纪5050年年代发展了快速凝固技代发展了快速凝固技术，制备出非晶态合术，制备出非晶态合金。其后的研究发现金。其后的研究发现非晶态铁基合金具有非晶态铁基合金具有优异的软磁性能，从优异的软磁性能，从而导致了非晶软磁合而导致了非晶软磁合金的发展与应用。金的发展与应用。9090年代初又用该技术发年代初又用该技术发展了非晶展了非晶/ /纳米晶复合纳米晶复合软磁合金软磁合金视频短片视频短片美国美国F/A-22A隐身战机试验飞行精彩视频隐

15、身战机试验飞行精彩视频2 2、飞机隐身的需求、飞机隐身的需求 隐身材料隐身材料F/A-22AF/A-22A被认为是现今世界上最为先进的战斗被认为是现今世界上最为先进的战斗机机, ,也是世界上第一种真正意义上的第四代作也是世界上第一种真正意义上的第四代作战飞机战飞机. .它集隐身它集隐身, ,高机动性高机动性, ,可维护性与短距可维护性与短距离起降四大优势于一身离起降四大优势于一身, ,单机造价高达单机造价高达1.31.3亿美亿美元元. .美军计划装备美军计划装备192192架架. .3 3、对材料两面要求不同的性能、对材料两面要求不同的性能 梯度材料梯度材料1.2 功能材料的发展概况功能材料的

16、发展概况国家体育场国家体育场“鸟巢鸟巢”可以容纳观众人数是可以容纳观众人数是20042004年雅典奥年雅典奥林匹克综合体育场的林匹克综合体育场的2 2倍，达到倍，达到9.19.1万人！万人！为了追求更好的现场效果，为了追求更好的现场效果，“鸟巢鸟巢”的看台设计成的看台设计成“碗碗”状，同一圆周上观众与场地中心的视线距离都在状，同一圆周上观众与场地中心的视线距离都在140140米左米左右。右。广泛采用广泛采用吸声膜材料吸声膜材料，并配合其他构件上的吸声材料及，并配合其他构件上的吸声材料及场内电声扩音系统，确保每个角落的观众都能清晰地听场内电声扩音系统，确保每个角落的观众都能清晰地听到广播。到广播

17、。木塑复合材料木塑复合材料是近年来出现的一种新型环保材料，被北是近年来出现的一种新型环保材料，被北京奥运会作为绿色建材用于奥运场馆建设，它将京奥运会作为绿色建材用于奥运场馆建设，它将70%70%至至80%80%的植物纤维粉和廉价填料与的植物纤维粉和廉价填料与20%20%至至30%30%的塑料混合，并的塑料混合，并添加少量的特殊添加剂，用挤出成型法制成类似于木材添加少量的特殊添加剂，用挤出成型法制成类似于木材外观和特性的各种型材和板材。外观和特性的各种型材和板材。 游泳场馆游泳场馆“水立方水立方”，没有使用一根钢筋，也没，没有使用一根钢筋，也没有使用一块混凝土。有使用一块混凝土。其所采用的材料是

18、一种名为其所采用的材料是一种名为四氟乙烯四氟乙烯 (ETFE)(ETFE)的的特殊材料，内充空气。这种材料耐腐蚀性、保温特殊材料，内充空气。这种材料耐腐蚀性、保温性俱佳，自清洁能力强。国外的抗老化试验证明，性俱佳，自清洁能力强。国外的抗老化试验证明，它可以使用它可以使用1515至至2020年。年。“水立方水立方”表面分布的耐高温油墨可以有效反射表面分布的耐高温油墨可以有效反射阳光，确保场馆的温度不会太高和采光。此外，阳光，确保场馆的温度不会太高和采光。此外，熔点为熔点为275275的膜材料不但耐热，而且防火。它的膜材料不但耐热，而且防火。它具有出色的具有出色的自洁功能自洁功能，即使表面沾上灰尘

19、，雨水，即使表面沾上灰尘，雨水也足以使之清洁如新。也足以使之清洁如新。1.3 功能材料的定义、特点及分类功能材料的定义、特点及分类功能材料的提出功能材料的提出 1965年、美国贝年、美国贝尔实验室的尔实验室的 J. A. Morton博士博士功能材料的定义功能材料的定义 “ “具有优良的电具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学和生物学等功能及其相互转换的功化学和生物学等功能及其相互转换的功能，被用于非结构目的的材料能，被用于非结构目的的材料” ” 1.3 功能材料的定义、特点及分类功能材料的定义、特点及分类性性 能：能：以材料的电、磁、声、光等物理

20、、以材料的电、磁、声、光等物理、 化学和化学和 生物学特性为主；生物学特性为主；用用 途：途：常制成元器件，材料与器件一体化；常制成元器件，材料与器件一体化；评评 价：价：器件的功能常直接体现出材料的优劣；器件的功能常直接体现出材料的优劣；制制 造：造：知识密集、多学科交叉、技术知识密集、多学科交叉、技术 含量高的产品。具有品种多、批量小、含量高的产品。具有品种多、批量小、 更新换代快；更新换代快；微观结构：微观结构：常有超纯、超低缺陷密度、结构高度常有超纯、超低缺陷密度、结构高度 精细等特点。精细等特点。按用途将材料分为两大类按用途将材料分为两大类结构材料结构材料功能材料功能材料1.3 功能

21、材料的定义、特点及分类功能材料的定义、特点及分类桥梁钢桥梁钢工具钢工具钢结构钢结构钢建筑材料建筑材料 通常是指利用其力学性通常是指利用其力学性能制造机器和工程结构能制造机器和工程结构中构件的材料。中构件的材料。磁性材料磁性材料光学材料光学材料电子材料电子材料储能材料储能材料通常是指利用材料的物理、通常是指利用材料的物理、化学和生物学等性能制造化学和生物学等性能制造具有电、磁、光、声、热、具有电、磁、光、声、热、生物等功能器件的材料。生物等功能器件的材料。基于材料的物质基于材料的物质性性1.3 功能材料的定义、特点及分类功能材料的定义、特点及分类 金属功能材料金属功能材料 无机非金属功无机非金属功 能材料能材料高分子功能材料高分子功能材料 复合功能材料复合功能材料形状记忆合金形状记忆合金储氢合金储氢合金压电陶瓷