先进功能材料

第六章能源材料一、金属储氢原理1①氢分子吸附于金属表面，H-H键解离为氢原子；②氢原子从金属表面向内部扩散，进入金属原子的间隙中(晶格间位置)形成固溶体；③固溶于金属中的氢与金属反应生成氢化物。2、储氢合金的吸氢热力学原理(相[H]M氢压的平方根成正比②固溶体进一步与氢反应，产生相变，生成金属氢化物相(β相)：3、金属－氢系的相平衡金属-氢反应的特点：①可逆反应；②正向吸氢、放热；③逆向放氢、吸热；④温度(T)、压力(p)、成分(c)控制着反应的进行方向；⑤温度升高，氢平衡压力升高，有效氢容量减少；⑥吸氢和释氢时，虽在同一温度，但氢平衡压力不同，即出现滞后现象。储氢材料的滞后越小越好。二、储氢合金1、储氢合金应具备的条件：)(氧、水和二氧化碳等)敏感性小，抗中毒能力强。使用寿命长，在反复吸放氢循环中，合金的粉2、活化：储氢合金第一次与氢反映称为活化处理3(MechanicalMA)球磨机中进行较长时间的研磨，使其在固相状态下形成合金的一种材料制备技术。4、燃烧合成法(CombustionSynthesis，简称CS)：燃烧合成法又称自曼延高温合成法，它利用高放热反应的能量使化学反应自发地持续下去，从而实现材料合成与制备。三、Ni-MH电池的工作原理Ni-MH电池的工作基于储氢合金的电化学吸放氢特性和电催化活性，其充放电机理是：氢在金属氢化物(MH)电极和Ni(OH)2电极之间在KOH水溶液中的运动。简单地说，就是在电池充放电过程中，氢(原子)从一个电极转移到另一个电极的反复过程。电极总反应：xNi(OH)2四、锂离子电池的工作原理

M电放电

xNiOOH MHx充电：Li+从正极脱嵌，经电解质进入负极，使负极处于富锂态，正极处于贫锂态。同时电子的补偿电荷从外电路供给到负极。放电：Li+从负极脱出，经电解质嵌入正极，使正极处于富锂态。电子经外电路到正极。又称为摇椅电池(RockingChairBatteries)。五、燃料电池(fuelcells，FC)是将储存在燃料中的化学能直接转换为电能的电化学装置。燃料电池的一般原理：FC()()通过阴极提供，燃料在阳极催化CO2。FC(为六、太阳能电池材料组成太阳的物质中75%是氢，氢持续地聚变成氦，并释放出巨大的能量，并以辐射方式向宇宙空间发射。107K10pm～10Km99%的能量集中在0.276～4.96m3.8×1026W，照射到大气层之上的功率密度约为1.35×103W/m2外线被臭氧、氧气和水蒸气吸收后，到达地面的功率密度仍有1×103W/m2。1.8×101820120007×1012七、太阳能电池的工作原理太阳能电池本质上是一个大面积半导体二极管Eg的光子将价带中的电子激发到导带，并在价带留下空穴，形成电子空穴对（称光生载流子。电子和空穴扩散到pn结的空间电荷区，被该区的内建电场分离，电子聚集在n型一侧，空穴聚集在p型一侧，八、染料敏化太阳能电池染料敏化太阳电池主要是模仿光合作用原理工作原理：⑴染料分子受太阳光照射后由基态跃迁至激发态；⑵处于激发态的染料分子将电子注入到半导体的导带中；⑶电子扩散至导电基底，后流入外电路中；⑷处于氧化态的染料被还原态的电解质还原再生；⑸氧化态的电解质在对电极接受电子后被还原，从而完成一个循环；⑹分别为注入到TiO2解质间的复合第七章智能材料一、智能材料的定义：智能材料materials）是指具有感知环境（包括内环境和外环境）分析、处理、判断，并采取一定的措施进行适度响应的材料。智能材料的三大要素：感知、处理（驱动、执行（控制感知：能够检测并且可以识别刺激强度处理（驱动：能够响应外界变化执行（控制：能够按照设定的方式选择和控制响应智能材料的基本要求：①反应灵敏、及时和恰当的能力；②当外部剌激消除后，能够迅速恢复到原始状态的能力。二、智能材料系统智能材料系统包括基体材料、敏感材料、驱动材料、信息处理器四部分。①基体材料：担负承载作用。②敏感材料：担负传感任务。③驱动材料：担负响应和控制任务。④信息处理器三、智能材料系统的智能功能和生命特征①传感功能senso：能够感知外界或自身所处的环境条件。②反馈功能（feedbac果提供给控制系统。③信息识别与积累功能discernmentandaccumulatio并将其积累起来。responsiv并采取必要行动。⑤自诊断能力（self-diagnosi诸如系统故障与判断失误等问题进行自诊断并予以校正。⑥自修复能力self-recover些局部损伤或破坏。self-adjustin做出恰如其分的响应。四、形状记忆合金形状记忆合金(SMA，shapememoryalloys)是具有形状记忆效应的材料，是一种重要的执行器材料，可以用其控制振动和结构变形。1、形状记忆效应SMshapememoryeffect2、形状记忆效应的形式单向形状记忆效应加热或撤去应力，马氏体发生逆转变，合金完全恢复母相的原始形状。马氏体转变，则母相又回复至马氏体状态时的形状。冷却到马氏体转变温度以下，形状变为与母相相同但取向完全相反的现象。3、伪弹性PEPseudoelasticit应力时，这种附加应变也随之消失，这种现象称为伪弹性。五、形状记忆合金形状记忆合金应具备的条件①马氏体相变是热弹性的。要求合金必须具有热弹性马氏体相变。地移动，且两相为共格关系。忆。④相变时在晶体学上具有完全可逆性。第四节无机非金属系智能材料无机非金属系智能材料：智能陶瓷、电流变体、磁流变体、电致变色材料、压敏电阻器。1(Electro-rheologicalFluid)数粒子分散于低介电常数油液中形成的一种悬浮液。2、电流变效应：电流变体在电场作用下其流变性能迅速可逆变化的现象称电流变效应。3、磁流变体：又称磁流变液（Magneto-RheologicalFlui控流变特性的特定的非胶体性质的悬浮状液体。(Electrochemichromism)学反应条件下对可见光吸收有重大改变的材料。第七章梯度功能材料梯度功能材料（FGM，functionallygradientmaterials）是一种由两种或多种材料经复合而成的结构和组分呈连续梯度变化的材料。梯度功能材料的特点1、三大主要特征：①材料的组分和结构呈连续梯度变化；②材料的内部没有明显的界面；③材料的性质呈连续梯度变化。2、改善构件的热机械特征：①应力值可减至最小，并将热应力控制在适宜的临界位置；②对于给定的热机械载荷作用，可推迟塑性屈服和失效的发生；③可抑制自由边界与界面交接处的严重应力集中和奇异性；④成分的连续或逐级梯度可提高界面结合强度；⑤力学性能的梯度调整可降低裂纹扩展的驱动力；⑥逐级或连续的梯度可方便地在延性基底上沉积厚的脆性涂层；⑦成分的梯度变化，可消除表面压痕根部的奇异场或塑性变形特征设计构件使用条件设计构件使用条件设计知识库材料组合选择复合法则组成分布图形特性估算微观力学理论数值计算温度分布热应力材料物性数据库否是否最小是材料强度判据是是否有其它组合否最佳组合方式最佳梯度组成分布逆设计系统：热防护梯度功能材料的逆设计框图①确定热力学边界条件根据指定的材料结构形状和受热环境，得出热力学边界条件。②选择材料的组合体系从材料知识库中选择材料组合体系（如金属－陶瓷材料）及制备方法。③确定材料体系的物理参数混合法则得出材料体系的物理参数。④温度分布模拟和热应力模拟对选定的材料体系进行温度分布模拟和热应力模拟，寻求达到最大功能（一般为应力/材料强度值达到最小值）的组成分布状态及材料体系。⑤试验材料合成(制备)将获得的结果提交材料合成部门，进行梯度功能材料的合成。⑥性能测评及反馈合成后的材料经过性能测试和评价再反馈到材料设计部门。⑦合成(制备)梯度功能材料经过循环迭代设计、制备及评价，研制出实用的梯度功能材料。二、制备方法1.气相沉积法(vapourdeposition)物理气相沉积通过加热等物理方法使源物质(如金属等)蒸发，进而使蒸气沉积在基体上成膜的方法。化学气相沉积上沉积成膜的方法。第九章生物医学材料疫等系统不产生不良反应。会产生不同的反应。一、宿主反应1中毒和机体对材料的排斥。2突变反应；⑤适应性反应。3、引起宿主反应的主要原因：①材料中残留有毒性的低分子物质；②材料聚合过程残留有④材料和制品的形状、大小、表面光滑程度；⑤材料的酸碱度。二、材料反应1、材料反应：即活体系统对材料的作用，包括生物环境对材料的腐蚀、降解、磨损和性质退化，甚至破坏。2、引起材料反应的主要原因：①生理活动中骨骼、关节、肌肉的力学性动态运动；②细胞基酸、多肽、自由基对材料的生物降解作用。3、材料反应的主要后果：①使材料变形；②使材料老化；③使材料降解。三、生物相容性分类生物相容性包括血液相容性、织织相容性和生物降解吸收性。1、血液相容性血液相容性是指材料与血液接触时，不发生溶血或凝血。2、组织相容性组织相容性是指用材料植入体内后与组织、细胞接触无任何不良反应。3、生物降解吸收性生物降解吸收性是指材料在活体环境中可发生速度能控制的降解自行吸收代谢或排泄。四、生物金属材料1、生物体用金属材料应具备的条件①在生物学上不发生排异反应；②必要的物理性能；③耐蚀性能，耐磨性能好；④不发生疲劳现象；⑤无毒性及变态反应；⑥抗血栓。已应用于临床的医用金属材料主要有不锈钢、钴基合金和钛基合金等。五、生物陶瓷材料生物陶瓷：是指主要用于人体硬组织修复和重建的生物医学陶瓷材料。增强，因此又称为种植类陶瓷。六、生物高分子材料1增进或恢复其功能的高分子材料。2、用于药物释放的高分子材料一般的给药方式，药物在人体