功能材料概论

1中原工学院材料与化工学院本科生课程功能材料研究进展授课教师：梁宝岩联系方式：[e-mail]手机号：182036062562现代科学技术的三大支柱－能源、材料、信息，其中材料是基础。新材料发展的重点已经从结构材料转向功能材料，从单一走向复合。结构材料：是以力学性能为基础，主要制利用其强度、硬度和韧性等机械性能制成的各种材料。功能材料：功能材料一般除了具有机械特性外，还具有其他的功能特性，是指通过光、电、磁、热、化学、生化等作用后具有特定功能的材料。主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。33主要参考资料1、现代功能材料及其应用—郭卫生,汪济奎（化学工业出版社,2002）2、功能材料学---周馨我(北京理工大学出版社,2002)3、新型功能材料---贡长生，张克立(化学工业出版社,2001)4、新型无机材料-----杨华明,宋晓岚,金胜明（化学工业出版社,2005）5、信息和功能材料-----刘先曙马傅华辛秀田（宇航出版社,1998）6、功能材料学概论-----马如璋蒋民华（冶金工业出版社,1999）7.功能材料基础建议教材：功能材料概论---殷景华王雅珍（哈尔滨工业大学出版社,1999）41、课程安排：•该课共30个学时（15次课）•最后一节课考试。•2、期末考核：开卷考试，占70%；3、平时考核：作业与课堂提问占10%；课堂考勤占20%；。关于请假：考勤后的请假无效！或者本人在课前打电话，或学习委员课前统计名单。课程说明在学完材料科学基础等有关课程后，通过本课程的学习:掌握功能材料的基本概念、物理本质以及性能指标的意义。熟悉典型功能材料的主要应用。课程目的6概论内容•1.功能材料的简介•2.功能材料的分类•2.功能材料的发展现状7功能材料的概念是美国MortonJA于1965年首先提出来的。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、光学材料等，它具有优良的物理、化学和生物功能，在物件中起着“功能”的作用。20世纪60年代以来，各种现代技术的兴起，强烈刺激了功能材料的发展。同时，由于固体物理、固体化学、量子理论、结构化学、生物物理和生物化学等学科的飞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，许多新功能材料不仅已经在实验室中研制出来，而且已经批量生产和得到应用，并在不同程度上推动或加速了各种现代技术的进一步发展。因此，功能材料学科已经成为材料科学中的一个分支学科。一.功能材料简介8日本和欧美各国对新型功能材料的研究十分重视，这是因为功能材料是能源、计算机、通讯、电子、激光等现代科学的基础，功能材料在未来的社会发展中具有重大战略意义。9近10年来，功能材料成为材料科学和工程领域中最为活跃的部分。每年以5％以上的速度增长，相当于每年有1.25万种新材料问世。未来世界需要更多的性能优异的功能材料，功能材料正在渗透到现代生活的各个领域。10功能材料的一些应用11谍中谍412壁虎手套13触摸屏宝马车14磁记录材料的发展151617水立方膜18世博会显示屏1920我国的磁悬浮列车•上海磁悬浮是中国第一条投入运行的磁悬浮铁路，全长29．863公里，设计时速和运行时速分别为505公里和430公里；由中国与德国合作，2002年12月31日，中国总理朱鎔基和德国总理施罗德成为上海磁悬浮的第一批乘客体会首次试运行。21一、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、光学材料等，它具有优良的物理、化学和生物功能，在物件中起着“功能”的作用。在国外，常将这类材料称为功能材料(FunctionalMaterials)、特种材料(SpecialityMaterials)或精细材料(FineMaterials)。二.功能材料的概念与分类22功能材料涉及面较广，具体包括光、电功能，磁功能，分离功能，形状记忆功能等。这类材料相对于通常的结构材料而言，一般除了具有机械特性外，还具有其他的功能特性。23材料的特定的功能与材料的特定结构是相联系的。如对于导电聚合物来说，它一般具有长链共轭双键；金属结构中由于弹性马氏体相变能产生记忆效应，因此出现了形状记忆合金；压电陶瓷晶体必须有极轴等。24功能材料是一门新的学科，目前对它进行严格的定义尚有一定的难度，就像许多化学变化中存在着物理现象、高级运动中总是伴随着低级运动一样，功能材料既遵循材料的一般特性和变化规律又具有其自身的特点。因此可认为是传统材料的更高级的运动形式。25二、功能材料的分类随着技术的发展和人类认识的扩展，新型的功能材料不断被开发出来，因此对其也产生了许多不同的分类方法。从功能的不同考虑，可将功能材料分为以下四类。26(1)力学功能主要是指强化功能材料和弹性功能材料。(2)化学功能①分离功能材料：如分离膜，离子交换树脂、高分子络合物；②反应功能材料；如高分子试剂、高分子催化剂；③生物功能材料：如生物反应器等。27（3）物理化学功能①电学功能材料：如超导体，导电高分子等；②光学功能材料：如光导纤维、感光性高分子等；③能量转换材料：如压电材料、光电材料。28(4)生物化学功能①医用功能材料：人工脏器用材料如人工肾、人工心肺，可降解的医用缝合线、骨钉、骨板等；②功能性药物：如缓释性高分子，药物活性高分子，高分子农药等；③生物降解材料29下图为材料显示功能的示意图。输入材料输出材料的功能显示过程是指向材料输入某种能量，经过材料的传输或转换等过程，再作为输出而提供给外部的一种作用。功能材料按其功能的显示过程又可分为一次功能材料和二次功能材料。30当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于同一种形式时，材料起到能量传输部件的作用。材料的这种功能称为一次功能。Ａ、一次功能31一次功能主要有下面的八种。①力学功能。如惯性、粘性、流动性、润滑性、成型性、超塑性、恒弹性、高弹性、振动性和防震性。②声功能。如隔音性、吸音性。③热功能。如传热性、隔热性、吸热性和蓄热性等。④电功能。如导电性、超导性、绝缘性和电阻等。32⑤磁功能。如硬磁性、软磁性、半硬磁性等。⑥光功能。如遮光性、透光性、折射光性、反射光性、吸光性、偏振光性、分光性、聚光性等。⑦化学功能。如吸附作用、气体吸收性、催化作用、生物化学反应、酶反应等。⑧其他功能。如放射特性、电磁波特性等。33当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于不同形式时，材料起能量的转换部件作用，材料的这种功能称为二次功能或高次功能。有人认为这种材料才是真正的功能材料。Ｂ、二次功能34二次功能按能量的转换系统可分为如下四类。①光能与其他形式能量的转换；②电能与其他形式能量的转换；③磁能与其他形式能量的转换；④机械能与其他形式能量的转换。35如光合成反应、光分解反应、光化反应、光致抗蚀、化学发光，感光反应，光致伸缩，光生伏特效应和光导电效应。①光能与其他形式能量的转换36如电磁效应、电阻发热效应、热电效应、光电效应、场致发光效应、电化学效应和电光效应等。②电能与其他形式能量的转换37③磁能与其他形式能量的转换如光磁效应、热磁效应、磁冷冻效应和磁性转变效应等。38④机械能与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、光压效应、声光效应、光弹性效应和磁致伸缩效应等。39按材料种类分，功能材料还可分为：金属功能材料、无机非金属功能材料和有机功能材料。4040金属功能材料是开发比较早的功能材料，随着高新技术的发展，一方面促进了非金属材料的迅速发展，同时也促进了金属材料的发展。一、金属功能材料4141许多新型金属功能材料应运而生，有的已被广泛应用，有的具有广泛应用的前景。如形状记忆合金的发现及各种形状记忆合金体系的开发研制，使得这类新型金属材料在现代军事、电子、汽车、能源、机械、宇航、医疗等领域得到广泛的应用。4242另一方面，非晶态合金由于具有优异的物理、化学性能，是一种极有发展前景的新型金属材料。具有独特性能和用途的新型金属功能材料很多，如超导合金、纳米金属、高温合金、减振合金、储氢、多孔金属、金属磁性材料等。4343无机非金属功能材料的发展速度也很快，新的种类也是层出不穷。它以功能玻璃和功能陶瓷为主，近来也发展了一些新工艺和新品种。二、无机非金属功能材料4444功能玻璃和功能陶瓷是无机非金属功能材料中的主要组成部分，近年来得到了迅速的发展。新型功能玻璃除了具有普通玻璃的一般性质以外，还具有许多独特的性质，如声光玻璃的声光性、导电玻璃的导电性、记忆玻璃的记忆特性等。4545新型功能玻璃的发展以光功能玻璃为代表。作为蓝光、可见光元件上的转换材料、光存储显示材料及各种非线性光学玻璃特别引人注意，它们将占据未来的光量子时代，是功能玻璃材料研究的主要方向。快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开拓目标。4646功能陶瓷有以下几方面发展趋向：(1)微电子技术推动下的微型化(薄片化)和高速度化；(2)在安全和环保工作的促进下，发展传感器和多孔瓷；(3)重视材料复合技术；(4)加速智能化。4747影响功能高分子材料“功能性”的结构因素结构决定性能，功能高分子材料之所以有许多独具特色的性能，主要与其结构因素有关。Ａ、骨架的性质，如润湿性、溶胀性，骨架的邻位效应等；Ｂ、在分子中起到特殊关键作用的官能团的性质。三、功能高分子材料48无论哪种功能材料，其能量传递过程或者能量转换形式所涉及的微观过程都与固体物理和固体化学相联系。正是这两门基础科学为新兴学科——功能材料科学的发展奠定了基础，从而也推动了功能材料的研究和应用。它们把功能材料推进到功能设计的时代。49功能材料种类繁多，用途广泛，正在形成一个规模宏大的高技术产业群，有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。世界各国均十分重视功能材料的研发与应用，它已成为世界各国新材料研究发展的热点和重点，也是世界各国高技术发展中战略竞争的热点。在全球新材料研究领域中，功能材料约占85%。三.功能材料的发展现状50在“863”计划支持下，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，材料设计与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，在国际上占有了一席之地。51镍氢电池、锂离子电池的主要性能指标和生产工艺技术均达到了国外的先进水平，推动了镍氢电池的产业化；功能陶瓷材料的研究开发取得了显著进展，以片式电子组件为目标，我国在高性能瓷料的研究上取得了突破，并在低烧瓷料和贱金属电极上形成了自己的特色并实现了产业化，使片式电容材料及其组件进入了世界先进行列。52高档钕铁硼产品的研究开发和产业化取得显著进展，在某些成分配方和相关技术上取得了自主知识产权；功能材料还在“两弹一星”等国防工程中作出了举足轻重的贡献。53我国的国防现代化建设一直受到以美国为首的西方国家的封锁和禁运，所以我国的国防用关键特种功能材料是不可能依靠进口来解决的，必须要走独立自主、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、主战坦克以及军用高能量密度组件等，都离不开特种功能材料的支撑。54•目前世界各国功能材料的研究极为活跃，充满了机遇和挑战，新技术、新专利层出不穷。发达国家企图通过知识产权的形式在特种功能材料领域形成技术垄断，并试图占领中国广阔的市场，这种态势已引起我国的高度重视。近年来，我国在新型稀土永磁、生物医用、生态环境材料、催化材料与技术等领域加强了专利保护。但是，我们应该看到，我国目前功能材料的创新性研究不够，申报的专利数，尤其是具有原创性的国际专利数与我国的地位远不相称。我国功能材料在系统集成方面也存在不足，有待改进和发展。55第二节形状记忆材料形状记忆效应(ShapeMemoryEffect,简称SME)形状记忆效应——将材料在一定条件下进行一定限度以内的变形后，再对材料施加适当的外界条件，材料的变形随之消失而回复到变形前的形状的现象。具有形状记忆效应的材料——形