12.新型功能材料课件

15.新型功能材料Newfunctionalmaterials15.1智能功能材料SmartFunctionalMaterials引言材料发展的总趋势：高性能化、多功能化、复合化、精细化、智能化…材料的聪明程度:智能材料功能材料普通材料信息神经系统大脑脊髓中枢神经系统神经系统身体的各种动作感觉执行智能材料的仿生学构思生物体对环境的响应源于细胞。细胞本身就是具有传感、处理和执行三种功能的融合材料，可作为智能材料的蓝本。生物体对环境的响应源于细胞。细胞本身就是具有传感、处理和执行三种功能的融合材料，可作为智能材料的蓝本。2.1生物体的信息传感、处理和执行元件智能材料的类型

(1)金属系智能材料按材料基质的不同分类：强度比较大、耐热性好、耐腐蚀性能好航空、航天、原子能工业——结构材料。检测自身的损伤,且可将其抑制,具有自修复功能,从而确保使用过程中的稳定性。形状记忆合金、磁致伸缩材料等。特点：应用领域：智能效应：主要种类：(2)无机非金属系智能材料最初的考虑：局部吸收外力以防止材料整体破坏。电(磁)流变体、压电陶瓷、光致变色和电致变色材料、光纤等。主要种类：智能材料的应用

将微型传感元件、微型计算机芯片、形状记忆合金、电流变体及压电材料等经设计后复合在结构体中，可研制出带有感知及判断能力，可自动加固及防护的自适应性智能结构，实现在线监测、自诊断、自预警、自修复，防止灾难性事故的发生。(1)建筑和结构工程领域

自诊断混凝土

自愈合混凝土

智能蒙皮:对于飞行器及潜水艇等，具有探测周围环境以及随外界条件变化而变化的能力的表皮(蒙皮)。检测飞行速度、温度、湿度等各种条件,并能对变化的环境做出反应，如抑制噪声和振动、维持座舱的通风、温度恒定、改变机翼形状等。对于材料内部的缺陷和损伤,能进行自诊断，确定缺陷和损伤部位并进行自修复、自适应。

压电材料将压电材料置于结构表面或内部用来感测振动,利用经过放大的输出功率去驱动另一个粘贴于不同区域的压电材料,来减小振动反应。——已成功应用于降低圆柱型卫星天线桅杆的振动。

电(磁)流变体在复合材料悬臂梁的空腔内注入电流变体,通过外加电场改变电流变体的状态,从而实时控制梁的刚度、阻尼,实现了对结构整体振动的主动控制.（4）用于机器人

形状记忆合金：能够感知温度或位移的变化,可将热能转换为机械能.如果控制加热或冷却,可获得重复性很好的驱动动作.

刺激响应性高分子凝胶在机器人中的应用：触觉传感器、机器人手足和筋骨动作部分等.（5）在医学领域的应用智能药物释放体系——以智能材料为载体材料，根据病情所引起的化学物质和物理量(信号)的变化自反馈控制药物释放的通/断特性。

智能胰岛素释放体系：可感知人体血糖浓度水平并做出反应，有效地把糖尿病患者的血糖浓度维持在正常水平。

靶向抗癌药物：与癌细胞有很好的相容性和亲和性，能优先与癌细胞结合即能识别癌细胞，从而只对癌细胞产生作用，而不会对正常细胞产生影响。（6）用于日常生活

智能纤维做成的服装：可随人体和环境温度的变化发生相变，起到空调的作用，使人体始终感受到适宜的温度。

电致变色玻璃：在电场控制下，可以改变玻璃对同波长的光的透过能力，从而构成智能窗。许多结构件会遇到各种服役条件，因此要求材料的性能应随构件位置不同而不同。刀具只需刃部坚硬，其它部位需要具有高强度和韧性；齿轮轮体必须有好的韧性，表面必须坚硬和耐磨；涡轮叶片的主体必须具有高强度、高韧性和抗蠕变，而它的外表面必须耐热和抗氧化。诸如此类，工程应用的许多材料都属于这个范畴。中国刀涡轮叶片构件中材料成分和性能的突然变化常常会导致明显的局部应力集中。如果一种材料过渡到另一种材料是逐步进行的，这些应力集中就会大大地降低。为减少材料的应力集中，提高材料性能，人们发展了新型的功能梯度材料(简称FGM)。梯度功能材料是一种集各种组分(如金属、陶瓷、纤维、聚合物等)于一体的新型材料，其微观结构和物理、化学、生物等单一或综合性能都呈连续变化，以适应不同环境，实现某一特殊功能。梯度功能材料制备的耐磨轴承，外表为陶瓷，内表面为金属梯度功能材料主要通过连续控制材料的微观要素(包括组成、结构)，使界面的成分和组织呈连续性变化，主要特征有：材料的组分和结构呈连续性梯度变化；材料内部没有明显的界面；材料的性质也呈连续性梯度变化。ZrO2-CrNi合金FGM横截面，白色的陶瓷粉末与黑色的合金粉末含量呈连续性梯度变化，没有明显的界面，梯度功能材料的制备技术和方法：化学气相沉积法(CVD)物理蒸镀法(PVD)等离子喷涂法(PS)颗粒梯度排列法自蔓延高温合成法(SHS)液膜直接成型法颗粒梯度排列法将金属、陶瓷等粉末按一定梯度分布直接填充到模具中加压烧结；也可将不同组分粉末压成薄膜/片后进行叠层烧结。控制各组分混合比，使粉坯梯度层间任一组分浓度变化较小，梯度层间接合紧密。调节粉末粒度分布和烧结工艺，可得具有良好热应力缓和的梯度功能材料。通过粉末混合烧结形成的FGM结构示意图液膜直接成型法将聚乙烯醇配制成一定浓度的水溶液，加一定量单体丙烯酰胺及其引发剂与交联剂，形成混合溶液，经溶剂挥发、单体逐渐析出，母体聚合物交联、单体聚合与交联形成聚乙烯醇-丙烯酰胺复合膜材料。梯度功能材料的应用2003年2月，“哥伦比亚”号航天飞机爆炸，原因就是航天飞机的左翼在起飞时遭到从燃料箱上脱落的泡沫绝缘材料的撞击，造成机体表面隔热保护层出现大面积松动和破损，形成可让“热气进入的空洞”，返航途中因超高温空气的进入而彻底解体。起飞时燃料箱上的脱落物击中机翼飞机的左翼上有两条清晰的裂纹

在舰船甲板上可采用含抗热障、抗摩擦或抗冲击的梯度功能材料涂层，或设计连续增强纤维排列的逐级梯度，显著提高其缺口阻力，抑制微观裂纹扩张，大幅改善甲板的抗高速应变和冲击的能力，对舰船的防护及搭载飞行器具有重要意义。航空母舰甲板船舶工业为对柴油机或汽油机活塞头进行热保护，需在钢基底上喷涂厚度大于2mm的ZrO2涂层。如果直接在金属上覆盖陶瓷，在构件投入使用前就会导致界面脱层。通过覆盖一些陶瓷含量不断增加的金属-陶瓷复合梯度涂层，可保证涂层力学完整性，保护活塞。柴油机活塞头汽油机活塞头汽车工业能源工业核反应堆内壁温度高达数千K，其内壁材料采用单纯双层结构，热传导不好，孔洞较多，热应力下有剥离倾向。采用金属/陶瓷结合的梯度材料，能消除热传递及热膨胀引起的应力，解决界面问题，可替代目前不锈钢/陶瓷复合材料。核反应堆光学器件工业梯度功能材料推动一个新的光学分支-梯度折射率光学的形成，在光学器件中有大量应用。梯度折射率透镜体积小、焦距短、消像差性好，组成的光学系统可大大减少非球面组件数，简化光学器件结构。梯度折射率光纤可以自聚焦，提高耦合效率。梯度折射透镜棒透镜15.3功能复合材料FunctionalCompositeMaterials功能复合材料功能复合材料是指除机械性能以外还提供其他物理性能的复合材料。如:导电、超导、半导、磁性、压电、阻尼、吸波、透波、摩擦、屏蔽、阻燃、防热、吸声、隔热等功能。统称为功能复合材料。功能复合材料主要由功能体或增强体及基体组成。功能体可由一种或以上功能材料组成。多元功能体的复合材料可以具有多种功能。同时，还有可能由于复合效应而产生新的功能。多功能复合材料是功能复合材料的发展方向。15.4多孔硅材料PorousSiliconMaterialContents多孔硅概念多孔硅的制备方法多孔硅的特点多孔硅的应用多孔硅(PorousSilicon)是在硅表面通过电化学腐蚀的方法形成的，具有以纳米硅晶粒为骨架的海绵状结构的新型功能材料。多孔硅概念什么是多孔硅？多孔硅SEM表面形貌以硅片将电解槽分割成两个独立的半槽，两个半槽其他部分绝缘，仅通过硅衬底实现电导通。在两个半槽中放置电极，施加电压后形成通过硅片的电流，空穴向阴极移动，硅片表面被腐蚀。多孔硅的制备方法：双槽电化学腐蚀法通过对电流密度，腐蚀时间以及电解液浓度等参数的控制，可以得到不同厚度，不同孔径和孔隙率的多孔硅材料双电解槽装置示意图。腐蚀液为HF和乙醇多孔硅绝热层绝热性导热率达到0.624w/(m·k)易腐蚀性在腐蚀液中迅速腐蚀，机械性能好发光性常温下发出可见光特性牺牲层发光性多孔硅的特点多孔硅的特点多孔硅的应用多孔硅引人注目，关键是其发光性质。在集成电路中，如果能将世界上传播速度最快的光引进来，不但可以作光连接，代替原来的金属连线，还可以直接参与信息处理和存贮，把集成电路变成光电子集成。多孔硅发光机理目前，提出的多孔硅发光模型有十几种，主要可归为三类：量子限制模型：多孔硅可