建筑功能材料导论2011

1建筑功能材料导论张雄[e-mail]同济大学建筑材料研究所2建筑功能材料导论第一篇材料学概论第二篇功能材料概论第三篇建筑功能材料导论3主要参考书1、现代建筑功能材料张雄张永娟（化学工业出版社,2009）2、建筑功能材料张雄韩继红(建工出版社,2000)3、建筑节能技术与节能材料张雄张永娟（化学工业出版社,2009）5.建筑功能外加剂张雄张小伟（化学工业出版社,2006）6.建筑功能砂浆张雄张永娟（化学工业出版社,2008）4.新型功能材料贡长生，张克立(化学工业出版社,2001)5.新型无机材料杨华明,宋晓岚(化学工业出版社,2005）6、功能材料学概论马如璋蒋民华(冶金工业出版社,1999）教材：现代建筑功能材料---张雄张永娟（化学工业出版社,2009）第一节概述第二节新材料研究开发的热点领域第三节传统材料的改性与有效利用第四节发展趋势第一篇材料学概论材料科学：研究材料的成分、结构及性能间关系的科学。材料工程：运用理论知识与经验的知识，为满足各特性需要而发展、制备、改进各种材料的工艺技术。材料学：研究材料的组成、结构、加工制造工艺和性能之间的相互关系和变化的规律，并根据这些规律合理选择，使用并指导设计和生产所需材料的科学。第一节概述6材料科学与工程一般都认为由四要素组成，即结构/成分、合成/流程、性能与效能。但考虑到结构与成分并非同义词，相同成分通过不同制备方法可以得到不同结构，从而使材料出现不同性能，所以材料科学与工程应为五要素，即成分、合成/流程、结构、性能与效能。7材料设计的实现是一个长期过程，其最终应达到提出一个需求目标就可设计出成分、制造流程并做出合乎要求的工程材料以至零件、器件或构件。根据材料所要求的性能不同，材料设计可以从电子、光子出发．也可从原子、原子集团出发，可以从微观、显微到宏观。材料及材料学现状现状：自然资源日益枯竭，而人类文明的发展对材料的需求又迅速膨胀，尤其对材料功能的需求，远非天然材料或传统材料所能满足。而人类有关材料学的现今知识，也使人类有了创造、研制满足人类所需材料的基础和手段。标志：传统材料（天然材料、金属材料、有机材料、无机非金属材料等一次加工性材料）的地位日渐削弱，具有优异功能、特殊性能的新型材料日益掘起和状大。新材料及其特征新材料：指那些新近发展或正在发展中的具有优异性能的材料。主要特征：（1）现代科学理论成果的直接转化（2）形成于新技术、新工艺的尖端条件之下（3）具有类型多、更新快、性能优、成本低的优点（4）构成一个新材料科技体系（一）新型结构材料（二）新型功能材料（三）低维材料第二节新材料研究开发热点领域（一）新型结构材料1、高性能新金属材料高纯度化：通过特殊的提纯和轧（拉）制工艺，使金属高纯度、无杂质缺陷或单晶化，以达到高强、高韧。如直径为10-4cm的纯铁晶须，抗拉强度可达13000MPa。均质合金化：具有强度高，抗高温、高温抗氧化、抗硫化、耐腐蚀性好；且密度小、成本低、易于熔炼等优点，有望成为新一代高温结构材料。但室温氢脆性和环境敏感性较大。微晶玻璃化：快速冷却（105～6℃/S），强制凝固，形成“理想新金属”的非晶态金属（合金），其特点是具有极高的断裂强度和屈服强度并有良好的弹塑性，可经受180度弯曲不断裂复相化：创制的双相钢（合金化和控制轧制），提高强度和韧性。（一）新型结构材料2、高性能结构陶瓷（工程陶瓷）主要是氮化硅、碳化硅、硼化物等非氧化物系统陶瓷即所谓“第二代”陶瓷。特点：耐高温（1200～1600℃）、耐磨、耐蚀、磨擦系数小、密度低、膨胀系数小等特点。缺点：室温脆性高，性能分散，价格贵，加工难，回收困难等。但是通过对原料的控制（超纯、超细）、晶界控制、第二相加入、纤维增强以及利用相变应力（ZrO2）可以提高陶瓷的韧性。表1为近年来通过不同增韧方式取得的一些成就。（一）新型结构材料3、高性能高分子材料（工程塑料）工程塑料：是高分子材料中具有高强度（如50MPa）、高模量、高使用温度（＞150℃）或有特殊功能（导电、导光、吸波、磁性）的材料。特点：熔化状态或非晶态时，弹性好、强度不高。结晶度接近100%，则具有很高的强度和模量。制备：高结晶度可通过熔体的控制和固体挤压而达到。高分子共聚物的强度还可通过合金化及嵌段共聚等方法使两种及两种以上不同性质的分子成键，也可通过共混得到不同性能的材料。因此，高分子材料已进入按需设计阶段，即所谓“分子复合”。（一）新型结构材料4、复合材料特点：优点：①可设计性①比强度、比模量大②材料与结构的同一性②耐疲劳性能好③发挥复合效应的优越性③阻尼减震性好④材料性能对复合工艺的依赖性④破损安全性高。先进复合材料（1）树脂基复合材料：高分子、碳、陶瓷或金属纤维强化的树脂基材料。提高比强度和比刚度。大量用于飞机、汽车。（2）金属基复合材料：金属用陶瓷、碳纤维、晶须或颗粒等增强的材料，可以大幅度提高比强度或比刚度。（3）陶瓷基复合材料：通过纤维复合、纤维增强、弥散补强、相变补强，断裂韧性陶瓷基复合材料。韧性提高。（4）C/C复合材料：碳纤维编织物再粘结碳化而成为C/C复合材料。热导好、膨胀系数小、比容热大、辐射系数大，是导弹及火箭喷管的理想材料，也是航天飞机鼻锥帽和机翼前缘材料。也可作生物医学材料、模具材料等（5）层状陶瓷复合材料：脆性陶瓷层状复合提高的强度和抗冲击韧性。（6）梯度复合材料：过渡层成分连续变化的复合材料，具有很好的抗高温变形能力。（二）新型功能材料功能材料：具有优良的光、电、磁、声、力、热、化学、生物学功能及其相互转化的功能，被用于非结构目的的高技术材料的总称。新型功能材料：新近发展起来的和正在发展中的具有优异性能和特殊功能，对科学技术尤其是对高技术的发展及新产业的形成具有决定意义的新材料。新型功能材料研发热点光电子信息材料：光电子技术中所需用的材料，如新型半导体材料，光存储介质材料，光纤通讯材料功能陶瓷材料：多层陶瓷电容器的材料与制备技术，高性能压电陶瓷，微波介质陶瓷材料与器件，高性能半导体敏感陶瓷材料及元件，发展方向：高可靠性、多功能、微型化、集成化和智能化生物医用材料：生物体功能或形态修复的材料，医用金属和合金，生物陶瓷，高分子材料，复合生物材料能源材料：新能源材料、节能材料和储能材料生态环境材料：具有良好的使用性能或功能，并且能够和环境相协调的材料，仿生材料，环境保护材料智能材料：能够感知环境变化并通过自我判断得出结论执行相应指令的材料，集传感、控制和驱动（执行）等功能于一体，实现自我检测、自诊断、自监控、自修复及自适应等多种功能（三）低维材料低维材料：0、1、2维材料特点：①尺寸效应，②量子效应，从而导致电、磁、光学性质与力学性质的奇异变化。1．0维－纳米材料与结构：发展方向是纳米组装体和纳米器件。问题：①超微粉体系、②烧结动力学、③纳米材料的物理性能、④纳米材料的显微结构及其检测与表征方法。2．一维－纤维材料：光导纤维、碳纤维和有机高分子纤维3．二维－膜材料：功能陶瓷薄膜、金刚石薄膜、高分子功能膜1、材料的深加工和精加工：钢铁的晶粒细化、多相复合陶瓷、高强度水泥基材料2、正确使用材料、延长材料寿命：3、合理设计材料、优势互补：第三节传统材料的性能提升20日本和欧美各国对新型功能材料的研究十分注意，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。第四节新材料发展趋势21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。①材料与器件（元件）趋向一体化；②制造材料的新工艺、新流程及性能和结构的新测试方法和设备，将成为研究开发新材料的突破点；③材料的复合化是达到所需性能最经济和重要的途径；④分子和原子尺度的研究工作日趋加强，形成低维材料，从而出现优异性能；⑤材料与生物的交叉日趋重要，将得到与生物相近的高效率和高功能材料；⑥材料应用将是以非金属代替部分金属材料发展趋势特点23第二篇功能材料概论第一节功能材料定义、分类与特点第二节功能设计的原理和方法第三节功能材料制备用的新方法第四节功能材料的发展现状24一、功能材料的定义功能材料是指通过光、电、磁、热、化学、生化等作用后具有特定功能的材料。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)。第一节功能材料的定义、分类与特点25二、功能材料的分类（一）按物理化学功能分类(1)化学功能材料(2)物理化学功能材料(3)生物化学功能材料无论哪种功能材料，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。26(1)化学功能材料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：如固定化菌，生物反应器等。27（2）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(3)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（二）按其功能的显示过程分类1、一次功能材料2、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。以一次功能为使用目的的材料又称为载体材料。1、一次功能材料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。2、二次功能材料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（三）按材料种类分类1、金属功能材料2、无机非金属功能材料3、有机功能材料。40功能材料的结构与性能之间存在着密切的联系，材料的骨架、功能基团以及分子组成直接影响着材料的宏观结构与材料的功能。研究功能材料的结构与功能之间的关系，可以指导开发更为先进、新颖的功能材料。三、功能材料的特点41第二节功能材料设计的原理和方法所谓功能材料设计，就是赋予材料以一次功能或二次功能特性的科学方法。有人认为21世纪将逐渐实现按需设计材料。根据材料所要求的性能不同，材料设计可以从电子、光子出发．也可从原子、原子集团出发，可以从微观、显微到宏观。42一、金属功能材料设计金属功能材料按性能分主要