第八章先进材料

材料科学与工程导论主讲人：黄艳琴南京邮电大学材料科学与工程学院2011年12月28日先进材料先进材料是根据对材料的物理和化学性能的了解，为了特定的需要设计和加工而成的；

先进材料使新技术得以产生和应用，而新技术又促进了新工业的出现和发展；

智能材料、仿生材料、新能源材料以及在特殊条件下使用的结构材料和功能材料是新材料研究和开发中最受关注的主题；

纳米材料科学技术已成为先进材料阶段最活跃的领域，因为这一技术涉及材料、信息、能源、医学、航天等各个方面。对未来材料的发展趋势大致可以概括为“六化”：即智能化、仿生化、复合化、纳米化、轻量化和高功能化。先进材料阶段的特征“物联网”信息时代“物联网”几大支柱领域：传感、通信、计算机

“物联网”是指通过各类信息传感设备，按约定的协议，把物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。“物联网”信息时代的智能家居

获取存储处理传输显示信息功能材料光电功能材料包括着巨大的科学空间和领域：计算机传感通信共轭高分子材料光纤、光导材料电光材料光存储材料、高分子电存储材料液晶高分子高分子发光材料高灵敏度、高选择性、操作简便、实时响应和获取信息量信息功能材料传统半导体的硅存储器件存在尺寸较大、制备工艺复杂以及生产成本偏高等问题，急需研发满足信息时代存储速度更快、密度更高、小型化、制作工艺简单、成本低的海量存储要求的新兴存储技术。单纯的语音通信已经不能满足人们的需要，其多媒体化的趋势日益明显（更明亮、更清晰、可视面积更大的彩色显示屏）。传感通信存储指具有某些特殊功能的高分子材料。例如离子交换、渗透、催化活性、导电、发光、对环境因素（光、电、磁、热、pH）的敏感性等。功能高分子材料早期的功能高分子材料有离子交换树脂，光刻胶，医用高分子材料，高分子催化剂等。早期的功能高分子材料大都是功能单一的。功能材料研究的进步，使对功能材料的研究从简单的发展到复杂的功能体系。同时，对材料进行功能性操作所需驱动力的认识，也因持续的深入研究而不断深化，出现了光、电、磁、热、化学等驱动因子。于是就有按驱动力而分类的材料科学体系，例如光、电功能高分子材料的出现。导电共轭高分子

2000年诺贝尔化学奖获得者在高分子的整个主链上π电子共用，形成一个大π轨道，电子能在整个共轭主链上流动，具有类似“分子导线”的性质，形成了一个用于电子导电的“超级轨道”。当载流子（即电子或空穴）被注入“超级轨道”上时，可直接导致电导率等的变化，室温电导率可在绝缘体-半导体-金属态范围内（10-9—105S/cm）变化，这是迄今为止任何材料都无法比拟的特性。聚苯胺类、聚噻吩类、聚吡咯类导电共轭高分子已被广泛用于制作导电性变化传感器等。导电共轭高分子在1990年由英国剑桥大学的科学家R.Friend等发现而提出的。第一种被报道的共轭高分子化合物是聚对苯乙烯撑（PPV）：高分子电致、光致发光材料PPV及PPV苯环上取代的共轭高分子除PPV外，还有聚噻吩（PT）和聚对苯撑（PPP），聚烷基芴（PF）等，它们有如下的基本结构：高分子电致、光致发光材料

有机高分子电致发光材料的发现和研究热潮的兴起导致了一门新兴学科——有机电子学的诞生，至今仍是备受国际学术届关注的前沿研究领域。高分子属于软物质（softmatter），其特点是对弱的外界影响作出相对显著的响应和变化（光、电信号），可用于实现传感功能。高分子电致、光致发光材料的应用传感材料1991年，诺贝尔奖获得者、法国物理学家德热纳（P.G.DeGennes)在诺贝尔奖授奖会上以“软物质”为演讲题目，给出软物质的一个重要的特征：弱力引起大变化。或者说“对外界微小作用的敏感性、自组织等行为”。软物质研究对象包括聚合物、液晶、表面活性剂、胶体以及生物大分子等与人们日常生活及生命活动密切相关的物质，具有极为重要的应用背景。

高分子电致、光致发光材料的应用软物质相关书籍“软物质”概念的提出为物理学、化学、材料科学和生物学之间提供了的一个新的学科发展平台，软物质的许多新奇行为、丰富的科学内涵和广泛的应用背景正引起越来越多科学家的兴趣。智能化是指其功能可随外界环境变化因素产生感知，而自动作出适时、灵敏和适当的响应，并能自动地调节、修饰和修复。例如，形状记忆合金便是一种智能材料。可以利用外界的变化来调节高分子光、电等功能的变化，发掘高分子的软物质特性，寻找实现高分子功能材料智能化的途径，是人们当前和今后的努力目标。高分子电致、光致发光材料的应用智能化传感器基本结构示意图DetectorReporter后端RelayRecognize前端检测器外光路或电路信号转换元感应元新一代信息获取技术—基于共轭高分子的荧光传感机理泥：光诱垒导的范电子漠转移铺过程幸或能纱量转设移过束程新一昨代信瓜息获音取技纯术—基于康共轭纽奉高分纱子的掘荧光瘦传感长的观共轭逮主链+具有呈分子捉选择盖性的挂捕集定器共轭云高分训子相带对于辞小分册子荧座光物续质的鞠独特秋优势那：新一触代信叛息获下取技四术—基于锐共轭高高分称子的径荧光骡传感荧光猝灭“放大”效应高灵发敏度捷、高鸭选择谁性、捕实时喝响应寺、操习作简出便软物自质特轮性（肌发光墙、构肿象调产整、下颜色举）水溶洋性共家轭高迹分子新一提代信墙息获航取技蒸术—基于旬共轭繁高分沉子的炉荧光怠传感优势岁：可应竿用于谢水环元境、牺生命榴体系验的检薄测，允对化趋学和遗生物邀物质诱的检笨测可拥望被届广泛咽应用拖到环站境卫剥生监覆控、电疾病无诊断专、遗晕传分笑析、奸军事窜、反湿恐等溪众多蜜方面镜。新一骂代信完息获店取技甩术—基于止水溶贿性共已轭高栽分子胖的荧裕光传赛感QT沾L（qu孝en曲ch卸er攻-t仿et符he登r-li闸ga啊nd）检偷测方兆法示请意图猎：avidin对生命物素疑（av守id萝in）的拜检测原理缴示意图：新一率代信凡息获准取技匠术—基于躲水溶笨性共晴轭高近分子奇的踢荧光沫传感FluorescencequenchingbiotinFluorescencerecovery发展信趋势竹：新一把代信要息获益取技舒术—基于形共轭尽高分会子的着荧光妄传感有机劣/高毙分子潮电致每发光霜二极青管（肃OL寇ED驾/谋P盯LE钳D)器件威发光锐的工梢作过还程，熔大致充可分限为两婶个阶宏段.一是弦载流虹子的凭注入揪；输稠运和羡相遇旅（偶就合）提，即克激子(Ex迈ci帜to旦n)的生哪成阶血段。二是热激子狼的衰积变(D排ec咬ay葡)，包冈括辐慰射与劲非辐屿射衰购变及确其间叛的竞揪争等欺。高分允子电粥致、惕光致虑发光竞材料非的应出用OL脖ED具有席全固薯态主尸动发糖光，刊亮度故、效着率高泳，重从量轻白，厚讯度薄受，材缩慧料选汽择范咳围宽荐，显展示色射彩丰梳富，野容易岂实现嘉白光初，响躲应速盟度快时，视卧角范云围宽咱，使截用温却度范富围宽昌，抗真震动便性强部，可药实现逗柔性修显示够，制退作工即艺相疑对简学单等绿优点亡，被鄙认为护是最围有希被望取孔代液侵晶显捆示（LC喷D）成库为下当一代魔平板杯显示耕主流刃的技睬术之读一。显示歼技术块的发俯展方新向：超薄侨、管大面钉积、妄柔某性、绞视牵频显供示、刮低成顿本高清晰度大屏幕广视角全彩超薄微显柔性照明OLED的特色有机报/高撇分子迎电致窝发光夸二极须管（视OL泥ED小/刷P残LE眯D)偏振时片玻璃姜基板液晶您层滤色行器玻璃缴基板偏振饭片透明稼电极自发忠光TF翠T-括LC阿DOL寄EDLC差D要靠绿背景傻光，OL卫ED自发吐光、当更省短电背景永光新一殊代信址息显枕示技弱术O戒LE腰D织性能塌对比土—1倍.自目发光TF阴T-锤LC丑D-薄TVPM淹-O朋LE落D(峡QV恩GA终)连续的水流清晰的水滴OL牛ED响应腐速度劳比LC班D快10擦00多倍符，适灿于快坦速动肌态显挥示。新一昨代信彻息显译示技听术O贝LE黄D宾性能仇对比聪—2迫.快影速响意应TF珍T-铸LC番DPM雁-O埋LE半D视角Pa桑ne盾l右上方视角前视右上方视角新一慌代信货息显名示技灭术O带LE肃D槐性能榜对比嫂—3涂.宽友视角OL胀ED亮度榆：15盲0c店d/笋m2对比度:10是00川:1轻/毕1傲00Lu命xTF屈T-班LC育D亮度：20腊0c武d/岭m2对比度：20歌0:吃1柔/捏10据0Lu权xOL唤ED即使盖在较帽低的注亮度肿下，盘对比皆度也恋比LC蛙D高许悦多倍停。QV只GA：32庙0×判24旗0新一翠代信殃息显秋示技鸣术O仗LE神D垫性能挂对比蓬—4狮.高症对比块度TF携T-老LC蛮DOL消ED新一忧代信罢息显服示技全术O尾LE私D血性能柱对比侦—5鹊.高罗清晰权度（2）透鼓明（3）可戒印刷冶生产（1）柔燃性其他兼特性个：（4）高冰亮度（5）低困驱动（6）温疯域广（7）全并固态（8）超派薄（4）照诵明新一百代信宣息显烧示技贞术O愚LE汤D易性能里对比炉—6岩.独店具特住性通过储研究川自然管界中接生物沈体的伴物质服结构换及其久特有勾的功甩能，舌学习倾制造状新材步料的庙思路锈和方可法，艇并在朵材料灰的设呢计和膏制造螺中加宰以模染仿，哭称为仿生寇材料害学。仿生惠材料为什衫么荷术叶“邀出淤顿泥而掩不染降”？研制访新一驰代仿文荷叶春表面抵材料疯和涂杜料荷叶上布满细结致且凹梅凸不雁平表造面微结吸构，紧贴刊叶面马上形才成一久层极疮薄的循只有票纳米胖级的蜡空气怠层,让尘土和水不拍易沾来附。纳米池科技主的提助出宏观价领域滩：以人弹的肉葵眼可润见的位物体杆为最牙小物蛾体为脏下限骡，上码至无稳限大暖的宇辉宙天起体。微观天领域蝴：以分牧子、茅原子观（约0.含1尝nm）为最灿大起脑点，封下至怪无限雕小的谎领域乐（如爽电子拼、原叼子核爬）的任运动符。人类械对客滴观世典界的基认识看己经互发展戏了两招个领旧域，巨即宏选观和医微观毫领域茶。纳米易科技然而龄，在建宏观盒领域灾和微接观领武域之额间存咏在着送近年悟来才溪引起洪重视爬的介观丛领域,在这漫个不枯同于磁宏观齿和微锯观的卸领域虽，由成于三野维尺杠寸很鹅细小晚，出跃现了绕许多回奇异貌的性电能，阿不能糕用我戚们现从有的管常识锋来描翅述这育个领狐域的员规律贝。美国匹半导钥体协猾会预庄计：品以硅度为基辅础的滩半导撕体芯树片特芝征尺臣寸以品每三支年缩屡小计但算,到20询10年，够半导架体器的件的闻尺寸客将达抛到0.雾1m（10郑0孟nm）极限侦，由民于量汉子效胆应,小于绵这一吵尺寸撤的所倦有芯冰片就狡不再贯保持汇原有径的性博能,需要吩按新教的原奔理来期设计刺，要予突破厘这一惨极限腐，我烈们就布得研才究纳耕米尺鸦度中物的理单论问应题和课技术现问题爱。纳米洒科技0.朱1～10慎0n商m为纳仁米尺驾度空怖间，处肃在原筋子簇咸和宏错观物敏体交晃界的任过渡秧区域歇。在纳汗米层樱次，依许多正原来军在宏滤观尺固度上慎使用丘的规床律、麻定理茄、方副式、沸方法敢，都楼将不漠再适狂用。嚷正如罩牛顿断力学誉只适嫩用于贺低速村的宏肉观物戚体，木而高服速运响动，斩只能独用相左对论抹来解蹄释。纳米朗材料勇的特评性组成抬纳米愉材料炎的颗华粒极昏小，胃界面忍组元找所占潮比重绸显著喉增大下，具屿有小尺授寸效最应、迁表面此效应碎、量询子尺默寸效两应和命宏观典量子态隧道拌效应等。——小尺稍寸效夹应当金贺属或论非金庄属被摩制备若成小冬于纳偶米尺阵度的纺粉末侄时，龟其物臂理、巾力学粒性质处就发电生了即根本渡的变凯化，背可能引具有惕高强受度、刑高韧死性、浴高比遭热、滋高导滩电率严等性丘质。纳米因科技黄金尚在正孝常情兼况下泥呈金迅黄色网，而警它的县纳米苍颗粒叨却变顶成了买黑色笛，且伙熔点虚显著群下降.纳米帅科技毫的研泡究内油容是一吼个内速容极粮广的多学照科群，包抖括纳召米物箭理学针、纳就米化核学、雁纳米径材料黄学、爱纳米减生物肺学、挺纳米河电子捆学、林纳米赶加工卖学、捉纳米贿力学脚等学哑科。主要叫以物返理、何化学少的微笑观研柏究理深论为途基础植，以助现代膝高精法密检脂测仪录器和残先进轿的分崖析技夹术为鞭手段尾，在缎纳米块尺寸埋范围真内通位过直厦接操当纵和验安排泽原子教、分进子来华创造泉新物搞质。——表面肯效应纳米广微粒余位于鸟表面抢的原赔子或验分子快所占锡的比苏例非偷常大臂。并亏随纳衫米粒笋子尺舒寸的家减小予而急伤剧增崭大，垮从而聋导致膛了性跳质的像急剧学变化严。这枝种表悠面原灶子数孙随纳重米粒肾子尺森寸减乖小而洽急剧旱增大停后引叙起的盛性质拖上的涝显著龄变化袜称为匆表面喷效应昌。纳米存科技纳米母科技渠大厦纳米姓分析摸和检测排技术纳米晌材料雀的制造疑技术纳米秤器件裳的制造移技术纳米女生物医疗湿技术纳米枯分析帜和检窃测技爬术1.扫描塔隧道溪显微织镜(S缠TM外)绩2.扫描报电子畏显微朗镜(S搂EM旧)抄3.透射棍电子扯显微罪镜(T围EM绢)瞎4.原子墓力显势微镜(A巧FM叫)萄5.黄…茶…纳米详科技扫描骨隧道赶电子伙显微句镜在扫礼描隧缘瑞道显牵微镜这下，陶科学或家将48个铁屑原子眉排列浊在铜躁表面挤上，耻形成案一个舟圆形奇围栏宏。量子教围栏纳米齿轮纳米陶瓷1993年后，我国科学家先后操纵原子写出“中国”、“原子”、绘出中国轮廓图。碳纳寒米管湾：19堆91年日悦本科扎学家掩发现反的一祖种针文状的题管形夜碳单饲质，唐主要倦由呈丧六边筛形排沾列的严碳原酷子构弯成数牵层到胶数十缎层的药同轴分圆管歉，层没与层窑之间锁保持崭固定劣的距雾离，爷约为0.玻34缩慧n党m，直绳径一咏般为2～20针n凳m，轴渣向尺羞寸为淋微米破量级饶。19羽85年在片科学虚家研登究石归墨气虹化后朋的质伴谱时凉被发玻现被状发现技，科润学家档因此付获得19激96年诺仙贝尔骨化学堡奖。仅由肯碳原翠子构荒成闭所合状宴三维聚结构旋，60个碳似原子屋位于60个顶乞点，迈组成12个五体边形劲和20个六叫边形专，外的形类套