功能材料介绍

1、功能材料介绍第1页，共17页，2022年，5月20日，14点46分，星期一 讲授内容：绪论第一章 晶体结构基础第二章 凝聚态材料简介第三章 磁性材料第四章 半导体材料第五章 光功能材料第六章 功能陶瓷第七章 能量转换材料第八章 功能高分子材料第九章 特殊功能合金（膨胀合金、储氢合金、形状记忆合金）第十章 薄膜功能材料第十一章 电阻及导电 材料 还有化学功能材料如高分子试剂、催化剂，高分子药物，生物医学材料不讲 重点前八章第2页，共17页，2022年，5月20日，14点46分，星期一 概 论一、材料及材料发展简史1、材料 材料是人类赖以生存和国民经济发展的物质基础。材料、信息、能源被公认为现代文

2、明的三大支柱。80年代，又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术的重要标志。 什么是材料？材料是人类用于制造物品、器件、机器或其他产品的物质。材料技术是探讨材料的制备、结构、性能、功效及其相互关系的技术。 当代每一项重大技术的出现都依赖于新材料的发展。例如：第3页，共17页，2022年，5月20日，14点46分，星期一 半导体材料的发现和发展导致了微电子工业、大规模集成电路、高速运算计算机等的出现； 高温材料及高性能结构材料的出现使航空航天技术快速发展； 低损耗光导纤维使当今你蓬勃发展的光纤通信得以实现；等等。 材料科学是物理、化学、冶金学、金属学、陶瓷学、医学、生物学及计算科学等多学科交叉

3、融合的结果。材料技术的基本原理植根于凝聚态物理、物理化学和合成化学。物理学及物理技术为材料科学提供了强有力的理论和实验研究手段，材料的组织、结构及性能的研究都离不开物理学。第4页，共17页，2022年，5月20日，14点46分，星期一 2、材料的发展史 人类发展的历史证明，材料的发展导致时代变迁。人类的历史曾以使用的主要材料来划分，如石器时代、铜器时代和铁器时代等。 早在100万年前，人类开始使用石头做工具，使人类进入旧石器时代。大约1万年前，人类能对石头进行加工，使石头成为精制的器皿和工具，从而进入新石器时代。在新石器时代，人类开始用毛皮遮身。8000年前，中国开始用蚕丝做衣服。4500年前

4、，印度人开始种植棉花，这些都标志着人类使用材料促进人类文明进步。此外，人类还使用竹、木、骨等原始天然材料，不经或稍许加工而制成工具或用具。这是材料发展的初始阶段，其特点是人类单纯选用天然材料。第5页，共17页，2022年，5月20日，14点46分，星期一 人类还处于新石器时代，就已经发明了粘土成型，在火烧固化而得到陶器，用作器皿或装饰品。陶器的出现，是对人类文明的一大促进。在烧制陶器的过程中，又偶然发现了铜和锡，实际上是铜和锡的氧化物在高温下被碳还原的产物，进而生产出色泽鲜艳且能浇铸的青铜，使人类进入青铜时代。这是人类较大量使用金属的开始。希腊、印度、埃及和中国都在公元前3000年左右进入青铜

5、时代。 中国在商周处于青铜时代的鼎盛时期，湖北隋县出土的编钟、西安青铜马车都反映当时中国冶金技术水平和高超的制造工艺。 公元前13-14世纪，人类开始使用铁。3000年前的铁器比青铜器更为普遍，人类开始进入铁器时代。第6页，共17页，2022年，5月20日，14点46分，星期一 到春秋末期，中国的生铁技术遥遥领先于其他国家。如生铁退火而制成的韧性铸铁以及生铁炼钢技术发明，促进了当时生产力的大发展，对农业、水利和军事的发展起到了极大的作用，推动了世界的文明与进步。 18、19世纪蒸汽机、电动机的发明对金属材料提出了更高的要求，同时对钢铁冶金技术产生了更大的推动作用。炼钢技术大大促进了机械制造、交

6、通铁路及纺织业的发展。随之，各种特殊钢如高速钢、硅钢及不锈钢相继问世，铜、铝业得到大量应用，其他金属和合金也都出现，从而使金属材料在20世纪占据了主导地位。铜、铁和其他合金的发现与应用是材料发展的第二阶段。在这一阶段，金属（主要是铁和钢）确立了工业材料的绝对权威。这个阶段的特点是人类从自然界提取有用的材料。第7页，共17页，2022年，5月20日，14点46分，星期一一、材料分类 功能材料 从材料来源上看，材料可分为天然材料和合成材料。人类为了生存发展，一方面从大自然中直接获取天然材料。 天然材料选择天然有形物质直接或进行简单加工改造的材料，如沙石、木材、石材、天然纤维、天然橡胶等等。 另一方

7、面，要合成新的材料供生产生活需要。 合成材料通过化学或物理手段，利用化学原料制取不能从自然界直接得到的新型材料。如合金、玻璃、陶瓷、合成高分子等。 从功能上看，材料可以分为结构材料和功能材料。第8页，共17页，2022年，5月20日，14点46分，星期一 结构材料通常指具有力学承载功能的材料。体积较大，常被称为第一代材料。如建筑材料、机械制造材料，用于制造工具、机器、车辆，修建房屋、桥梁、道路等。 另一类材料是功能材料。功能材料的概念最早由美国的Morton与1965年提出。 功能材料指具有光、电、磁、声、热、化学、生物等特定功能和性质的材料。用于非承载目的，涉及面很广。如电阻及导电材料、磁性

8、材料、介电材料、发光材料、光电材料、电极材料、压电材料、声光材料、电光材料、磁光材料、超导材料、智能材料、仿生材料等。利用他们可以制造具有记录、储存、信息传输等功能元器件，在电子、激光、光电、通信、生物医学等许多新技术领域有广泛应用。第9页，共17页，2022年，5月20日，14点46分，星期一 现代高新技术的发展如微电子、激光、光电、能源、计算机、信息等技术的兴起，强烈地刺激着现代功能材料的发展。三、功能材料的特征和分类 功能材料的范围还没有严格的界限。一般认为功能材料的特征如下：1、用于非结构目的，是现代材料中比较高级的材料。 它排除了用于结构目的的一般结构材料和高级结构材料（如高温合金、

9、结构陶瓷等），也排除了像普通玻璃、普通塑料、耐火砖之类的一般非力学性能的普通材料，但包含了弹性材料那样属于力学性能（非承载功能）的非结构材料。第10页，共17页，2022年，5月20日，14点46分，星期一2、结构材料常以材料形式为最终产品，功能材料常以元件形式为最终产品，即材料-元件一体化。 结构材料的功能常与宏观物体的运动联系。功能材料的功能常与物体的微观运动联系。 功能材料的制备技术不同于结构材料，而采用许多先进新工艺和新技术如超净、超纯、薄膜化、集成化、微型化、智能化以及精细控制和检测技术。 功能材料元件体积小，如传感器件、电子器件等。 现代社会对研制新一代材料提出了结构和功能相结合的

10、要求。即材料不仅能作为结构材料使用，而且具有特殊功能或多种功能。同一构件、设备、器件可能是结构材料和功能材料的结合。如航天航空器既有特殊结构材料，又有特殊的功能材料。第11页，共17页，2022年，5月20日，14点46分，星期一分类： 很难有统一的认识，常见的分类方法有：1、按材料的物理化学属性（化学键、成分）：无机功能材料有机功能材料复合功能材料（高分子基、金属基、陶瓷基复合材料）金属功能材料无机非金属功能材料（玻璃、陶瓷）2、按物理性质或功能： 磁性、电性、光学、力学、声学、化学、生物医学、核功能材料及功能转换材料等。第12页，共17页，2022年，5月20日，14点46分，星期一 进一

11、步细分：如光学功能材料包括非线性光学材料、发光材料、红外材料、感光材料、激光材料等。功能转换材料包括压电材料、光电材料、热电材料、磁光材料、电光材料、声光材料、磁致伸缩材料等。3、按服役技术领域： 仪表材料，传感材料、电子材料，电工材料、信息材料，核材料，能源材料，隐身材料，航天航空材料、生物医学材料等等。 还可以细分：如信息材料可以分为信息检测与获取材料、信息传输材料、信息存储材料、信息处理材料等。传感材料包括气敏、湿敏、光敏、压敏、磁电阻材料等。第13页，共17页，2022年，5月20日，14点46分，星期一4、按聚集态： 气态、液态、固态、液晶态、混合态功能材料。细分：固态分为晶态（单晶

12、、多晶）、非晶、准晶，或单相、多相、复合材料。5、按材料形态： 体积、膜、纤维、颗粒功能材料6、按维度 三维、二维、一维、零维功能材料。三维材料即固态材料，二维、一维、零维材料称为低维材料。二维材料指超薄膜、量子阱、超晶格材料，一维材料指直径极小的纤维、高分子、纳米线、纳米管等，零维材料指原子团簇、纳米颗粒、量子点材料。第14页，共17页，2022年，5月20日，14点46分，星期一 系统设计，选择与服务目标相适应的材料，“量体裁衣”2、创制新材料，根据性能再开发利用 无预先设定或意向性，从基础研究范畴，发现和研究材料的性能，在做相应的开发应用 例：目前纳米材料的研究，开始是发现和研究其各种特

13、殊性能，没有明确的应用目标。如小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应等。根据这些性能，研发出各种功能材料，如光催化剂，纳米电子功能器件，特种陶瓷，特种磁性材料等等1、根据要求进行材料的定制设计四、功能材料的开发途径第15页，共17页，2022年，5月20日，14点46分，星期一五、功能材料学科研究内容 1、研究功能材料的设计、合成、制备、提纯、改性等工艺。 2、研究功能材料的物理与化学组成、结构。 3、研究功能材料的性能及应用开发。 4、功能材料的结构表征与性能测试实验技术。 六、功能材料的发展趋势 1、开发极端条件下的高性能功能材料。极端条件指超高压、超高温、超低温、强腐蚀、高真空、强激光、高辐照等。第16页，共17页，2022年，5月20日，14点46分，星期一 2、从单一功能向多功能或综合功能方向发展，从低级功能（如单一物理功能）向高级功能（如人工智能、