功能材料研究进展.ppt

1、1.XXX学院材料与化学工程学院本科功能材料研究进展；2.现代科学技术的三大支柱：能源、材料和信息，其中材料是基础。新材料开发的重点已经从结构材料转移到功能材料，从单一材料转移到复合材料。结构材料：以机械性能为基础，主要由各种具有强度、硬度和韧性等机械性能的材料制成。功能材料：一般来说，功能材料除了机械特性外，还具有其他功能特性，即光、电、磁、热、化学和生物化学之后具有特定功能的材料。主要用于制造各种功能部件，广泛用于各种高科技领域的高科技材料。3，3，主要参考文献，1。现代功能材料及其应用郭卫生，王(化学工业出版社，2002)2。功能材料科学-周新窝(北京理工大学出版社，2002)3。新型功

2、能材料龚长生、张克立(化学工业出版社，2001)4。新无机材料2005)5。信息与功能材料刘贤玉马福华新秀田(航天出版社，1998)6。功能材料科学导论马如真江华敏(冶金工业出版社，1999)7。功能材料基础教材建议：功能材料导论尹雅珍(哈尔滨工业大学出版社，1999) 2。期末考核：开卷考试，占70%；3.平时评估：作业和课堂提问占10%；课堂出勤率占20%；关于休假：考勤无效后休假！或者我在课前打电话，或者在课前研究委员会成员的统计名单。通过本课程的学习，掌握功能材料的基本概念、物理本质和性能指标的意义。熟悉典型功能材料的主要应用。课程的目的。导言，1。功能材料介绍2。功能材料的分类。功能

3、材料的发展现状。功能材料的概念是由美国的莫东加于1965年首次提出的。功能材料是指具有一种或几种特定功能的材料，如磁性材料和光学材料，它们具有优异的物理、化学和生物功能，并在物体中发挥“功能”作用。自20世纪60年代以来，各种现代技术的兴起有力地刺激了功能材料的发展。与此同时，由于固体物理学、固体化学、量子理论、结构化学、生物物理学和生物化学的迅速发展，以及各种制备功能材料的新技术和现代分析测试技术在功能材料研究和生产中的实际应用，许多新的功能材料不仅在实验室得到了开发，而且得到了大规模生产和应用，不同程度地推动或加速了各种现代技术的进一步发展。因此，功能材料已经成为材料科学的一个分支。功能材

4、料介绍。日本和欧美国家非常重视新型功能材料的研究，因为功能材料是能源、计算机、通信、电子、激光等现代科学的基础，对未来社会发展具有重大的战略意义。近十年来，功能材料已经成为材料科学和工程领域最活跃的部分。年增长率超过5%，相当于每年有12500种新材料问世。未来，世界需要更多性能优异的功能材料，功能材料正渗透到现代生活的各个领域。10，功能材料的一些应用，11，不可能的任务4，12，壁虎手套，13，触摸屏宝马，14，磁记录材料的发展，15，16，17，水立方薄膜，18，世界博览会显示屏，19，20，中国的磁悬浮列车，上海磁悬浮是第一条磁悬浮铁路在中国投入运营，全长与中德合作，2002年12月3

5、1日，中国总理朱镕基和德国总理施罗德成为第一批乘客体验第一次试验功能材料的概念功能材料是指具有一种或几种特定功能的材料，如磁性材料和光学材料，它们具有优异的物理、化学和生物功能，并在物体中起“功能”作用。在国外，这些材料通常被称为功能材料、特种材料或精细材料。2.功能材料的概念和分类。22.功能材料涵盖广泛，包括光学和电学功能、磁性功能、分离功能、形状记忆功能等。与普通结构材料相比，这些材料除了机械特性外，通常还具有其他功能特性。23、材料的具体功能与材料的具体结构有关。对于导电聚合物，它通常具有长链共轭双键；由于弹性马氏体相变会在金属结构中产生记忆效应，形状记忆合金应运而生。压电陶瓷晶体必须

6、有极轴等。功能材料是一门新兴学科，但目前仍难以严格定义。正如许多化学变化存在物理现象，高级运动总是伴随着低级运动一样，功能材料不仅遵循材料的一般特性和变化规律，而且也有自己的特点。因此，它可以被认为是传统材料的一种更高级的运动形式。功能材料的分类随着技术的发展和人类知识的扩展，新的功能材料不断发展，产生了许多不同的分类方法。考虑到不同的功能，功能材料可分为以下四类。机械功能主要指增强功能材料和弹性功能材料。(2)化学功能分离功能材料：如分离膜、离子交换树脂和聚合物复合物；活性功能材料；如聚合物试剂和聚合物催化剂；生物功能材料：如生物反应器。27，(3)物理和化学功能性电功能材料：如超导体和导电

7、聚合物；光学功能材料：如光纤和光敏聚合物；能量转换材料：如压电材料和光电材料。28、(4)生化功能医用功能材料：人工器官材料，如人工肾、人工心肺、可降解医用缝合线、骨钉、骨板等。功能药物：如缓释聚合物、药物活性聚合物和聚合物杀虫剂；生物降解材料，29。下图是材料显示功能的示意图。材料的功能显示过程是指材料输入某种能量，并在材料传输或转换后作为输出提供给外界的一种功能。功能材料根据其功能的展示过程可分为初级功能材料和次级功能材料。30，当输入到材料的能量和从材料输出的能量属于相同的形式时，材料充当能量传输部件。物质的这种功能叫做初级功能。初级功能31、初级功能主要有以下八种。机械功能。例如惯性、

8、粘度、流动性、润滑性、可成形性、超塑性、恒定弹性、高弹性、抗振动和抗冲击性。声学功能。比如隔音和吸音。热功能。如传热、隔热、吸热和蓄热。电气功能。如导电性、超导性、绝缘性和电阻。32，磁性功能。如硬磁、软磁和半硬磁。灯光功能。例如遮光、透光、折射、反射、光吸收、偏振、分光、聚光等。化学功能。如吸附、气体吸收、催化、生化反应、酶反应等。其他功能。例如辐射特性、电磁波特性等。33、当输入到材料中的能量和从材料中输出的能量属于不同的形式时，材料充当能量转换的成分，而材料的这种功能称为二次功能或高阶功能。有些人认为这种材料是真正的功能材料。二级功能、34、二级功能根据能量转换系统可分为以下四类。光能和

9、其他形式能量的转换；电能转换，35，如光合作用反应、光解反应、光化学反应、光致抗蚀剂、化学发光、光敏反应、光拉伸、光电效应和光电导效应。36、光能和其他形式能量的转换，如电磁效应、电阻热效应、热电效应、光电效应、电致发光效应、电化学效应和电光效应等。37、电能和其他形式能量的转换，磁能和其他形式能量的转换，如光磁效应、热磁效应、磁冻结效应和磁转换效应。38、机械能和其他形式能量的转换。如形状记忆效应、热弹性效应、机械化学效应、压电效应、电致伸缩效应、光压力效应、声光效应、光弹性效应和磁致伸缩效应。根据材料类型，功能材料也可分为金属功能材料、无机非金属功能材料和有机功能材料。40、40、金属功能

10、材料发展较早。随着高新技术的发展，一方面促进了非金属材料的快速发展，另一方面也促进了金属材料的发展。1.金属功能材料，41，41。许多新的金属功能材料应运而生，其中一些得到了广泛的应用，一些具有广阔的应用前景。如形状记忆合金的发现和各种形状记忆合金体系的发展，这些新型金属材料已经广泛应用于现代军事、电子、汽车、能源、机械、航空航天、医疗等领域。42，42。另一方面，非晶合金因其优异的物理和化学性能，是一种很有前途的新型金属材料。有许多具有独特性能和用途的新型金属功能材料，如超导合金、纳米金属、高温合金、阻尼合金、储氢、多孔金属、金属磁性材料等。无机非金属功能材料发展迅速，新种类层出不穷。它主要

11、由功能玻璃和功能陶瓷组成，最近开发了一些新的工艺和品种。2.无机非金属功能材料，44，44。功能玻璃和功能陶瓷是无机非金属功能材料的主要组成部分，近年来发展迅速。新型功能玻璃不仅具有普通玻璃的一般性能，还具有许多独特的性能，如声光玻璃的声光性能、导电玻璃的导电性、记忆玻璃的记忆特性等。新型功能玻璃的发展以光学功能玻璃为代表。作为蓝光和可见光元件的转换材料、光存储显示材料和各种非线性光学玻璃，它们将占据未来光量子时代，成为功能玻璃材料的主要研究方向。快速离子导体玻璃的发展也很快，有机-无机复合玻璃是玻璃研究者的又一大发展目标。功能陶瓷有以下发展趋势：(1)微电子技术驱动的小型化和高速化；(2)在

12、安全环保的推动下，开发传感器和多孔陶瓷；(3)重视材料复合技术；(4)加速智能。影响功能高分子材料“功能性”的结构因素决定了其性能。功能高分子材料具有许多独特性能的原因主要与它们的结构因素有关。骨架的性质，如润湿性、膨胀性、骨架的正交效应等。以及在分子中起特殊关键作用的官能团的性质。功能高分子材料，48。无论何种功能材料，能量传递过程或能量转换形式中涉及的微观过程都与固体物理和固体化学有关。正是这两门基础科学为功能材料科学的发展奠定了基础，从而促进了功能材料的研究和应用。他们推动功能材料进入功能设计时代。功能材料的种类和用途很多，正在形成一个具有非常广阔市场前景和极其重要战略意义的大型高科技产

13、业集群。世界各国都非常重视功能材料的研发和应用，这已经成为人们关注的焦点在“863计划”的支持下，开辟了超导材料、平板显示材料、稀土功能材料、生物医用材料、储氢等新能源材料、金刚石薄膜、高性能固体推进剂材料、红外隐身材料、材料设计和性能预测等功能材料新领域，取得了一批接近或达到国际先进水平的研究成果，居世界领先地位。镍氢电池和锂离子电池的主要性能指标和生产技术达到国外先进水平，推动了镍氢电池的产业化；功能陶瓷材料的研究和开发取得了重大进展。针对片式电子元器件，中国在高性能陶瓷材料的研究上取得了突破，形成了自己的特色，实现了低烧陶瓷材料和贱金属电极的产业化，使片式电容器材料及其元器件进入世界先进

14、行列。高档钕铁硼产品研发和产业化取得重大进展，部分配料及相关技术获得自主知识产权；功能材料也为“两枚炸弹、一颗卫星”等国防工程做出了重要贡献。中国国防现代化建设被以美国为首的西方国家封锁和禁运，中国国防关键特殊功能材料不可能靠进口解决，必须走独立自主、自力更生的道路。如军事通信、航空、航天、导弹、热核聚变、激光武器、激光雷达、新型战斗机、主战坦克和军用高能密度部件等。离不开特殊功能材料的支撑。目前，功能材料的研究在世界范围内非常活跃，充满机遇和挑战，新技术和新专利层出不穷。发达国家试图通过知识产权的形式在特殊功能材料领域形成技术垄断，并试图占领中国的巨大市场，这引起了中国的极大关注。近年来，中

15、国在新型稀土永磁体、生物医学、生态环境材料、催化材料和技术等领域加强了专利保护。但是，我们应该看到，目前我国对功能材料的创新研究还不够，申报的专利数量，尤其是原始国际专利的数量，与我国的地位还很不相称。我国功能材料的系统集成也存在不足，需要改进和发展。55，第2节形状记忆材料，形状记忆效应(简称SME)形状记忆效应将在一定条件下使材料在一定限度内变形，然后对材料施加适当的外部条件，材料的变形将消失并恢复到变形前的形状。具有形状记忆效应的材料形状记忆材料，56。记忆合金与我们的日常生活密切相关。以记忆合金制成的弹簧为例。如果将弹簧放入热水中，弹簧的长度将立即延长，然后放入冷水中，它将立即恢复。5

16、7，1。形状记忆材料的发现，1932，1938，1951，瑞典的欧拉在观察金-镉合金的性质时首次发现了形状记忆效应。哈佛大学的研究人员发现，随着温度的升高和降低，铜锌合金的形状会逐渐变化，但这并没有引起人们的注意。美国里德等人在研究金-镉合金时发现了这种合金的形状记忆效应，然后在铟-钛合金中发现了形状记忆效应。在1962年、1963年和1970年，当美国海军军械研究所的成员研究NiTi合金时，他们意外地发现弯曲的NiTi合金丝在雪茄火焰附近被自己拉直了。军械研究所宣布在NiTi合金丝中发现了形状记忆效应。人们还在铜铝镍合金中发现了形状记忆现象，并明确指出这种现象是能产生热弹性马氏体相变的合金的共同特征。1984年、1988年和1989年，法国的CDFChimie公司开发了一种新型材料聚降冰片烯，它是一种典型的热致形状记忆聚合物日本捷昂公司开发了以聚酯为主要成分的聚酯合金形状记忆聚合物。形状记忆效应可分为三种类型：单向形状记忆效应、双向形状记忆效应、全程形状记忆效应。形状记忆效应，61。单向形状记忆效应材料在高温下被制成一定的形状，在低温下可以任意变形，再加热后恢复到高温相的