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1功能材料概论IntroductiontoFunctionalMaterials化学化工学院常海波2课程简介课程性质：专业基础课先修课程：无机化学，物理化学，高分子化学，高分子物理总学时：36学时教材：《功能材料概论》殷景华王雅珍等编参考书：现代功能材料及其应用—郭卫生,汪济奎功能材料学——周馨我新型功能材料——贡长生，张克立课程内容：1．功能材料的科学基础2．金属功能材料3．无机非金属功能材料4．功能高分子材料3课程基本要求和考核基本要求1.请不要无故旷课、迟到，若有事请假，请写好假条，辅导员签字方可；2.课堂上请不要做干扰老师上课或同学听讲的事情；3.按时按量完成作业考核：平时成绩（10%）+期中成绩（报告10%）+期末成绩（80%）4第一章绪论现代文明的三大支柱-----能源、信息和材料。材料是一切技术发展的物质基础。5一、材料科学及其发展材料是可以用来制造有用的构件、器件或物品的物质。师昌绪主编：《材料大辞典》材料是“具有一定性能的物质,可以用来制成一些机器、器件、结构和产品”美国科学院、工程院联合编写《材料：人类的需求》1、什么是材料？6几乎所有的物质都可以称为是材料，但并不是所有的材料都能引起人们的广泛关注。那么，什么样的材料值得我们关注？——实用价值7材料实用价值的五个判据资源能源环保经济质量8考虑到上述各种因素之后，有人提出材料应该定义为：人类社会所能够接受的经济地制造有用器件的物质92、材料科学及其发展第一代（天然材料）：自然界的矿物、植物以及动物第二代（烧炼材料）：烧结：砖瓦、陶瓷、玻璃、水泥；冶炼：铜铁第三代（合成材料）：20世纪初出现化工产品，塑料、橡胶、纤维等已广泛用于生活。第四代（可设计材料）：前三代为单一产品，于是根据需要设计特殊性能的材料。例20世纪40年代的复合材料第五代智能材料：近三、四十年研制的新型功能材料，例记忆合金等。10材料科学的发展过程：P6发现与使用自然材料↓合成与设计材料↓赋予材料生命体功能1120世纪科学技术领域发生了一系列惊人的重大发现（原子能、航空航天、激光、信息、能源等领域），它有力地促进了材料的发展，使得材料在20世纪中叶，发生了一次“革命性”的飞跃：超音速飞机(镍基超级合金)计算机(晶体管、半导体)航天飞机(高温结构陶瓷)这个飞跃的标志就是“材料科学”的形成。123、材料科学形成的背景20世纪中叶是苏美两个超级大国在各个领域进行全面竞争的时代。材料的竞争是其中的主要内容之一。1957年苏联率先将人造地球卫星送上了天，从而引发了全球性的材料科学研究。美国从此相继成立了一些材料研究中心，正式将材料科学作为一个学科对待。13美国：50年代末美国政府就制定了全国材料发展规划，70~80年代又进行了多次的补充和修正，把重点放在超硬化合物、半导体激光材料、磁性材料和精密陶瓷上。日本：在1980年开展了为期10年耗资4亿美元的新材料发展规划，重点领域为精密陶瓷、功能高分子、复合材料、生物材料等。欧洲：与前苏联也制订了类似的规划，竞争的项目也集中在这些领域。14英国人悲哀地说：英国没有硅工业了，英国从第一流的经济大国变为了第二流的经济发达国家，而日本却从第二流的经济发达国家变成了第一流的经济大国。15二、材料的分类161.按材料的组成分类金属材料（纯金属、合金）：优良力学性能（强度、塑性）；可加工性；优异的物理性能。高分子材料（天然、合成）：密度小；比强度大；绝缘性好；耐腐蚀；易加工。无机非金属材料（陶器、瓷器、水泥、玻璃、耐火材料）：耐高温；抗腐蚀；高硬度；优良介电、压电、光学、磁学性能。复合材料（玻璃钢，碳纤维聚合物，陶瓷基、金属基）：两种以上；特殊方法。172.按材料内部原子排列情况分类晶态材料非晶态材料液态材料气态材料183.从材料尺度角度分类三维材料--块体材料二维材料--薄膜、涂层等(金刚石薄膜、高温超导薄膜、半导体薄膜、耐磨涂层)一维材料--纤维、晶须等(光导纤维、高强纤维)零维材料--粉体194.按材料的用途分类结构材料(structuralmaterial)：是以力学性能为基础，以制造受力构件所用材料，当然，结构材料对物理或化学性能也有一定要求，如光泽、热导率、抗辐照、抗腐蚀、抗氧化等。（例支撑件、连接件、传动件、紧固件）功能材料(functionalmaterial)：指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，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。（磁性、电子、信息、光学、敏感、能源）1965年由美国贝尔实验室的J.A.Morton博士首先提出功能材料概念。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)。结构材料与功能材料的划分并不严格：生物医学材料？20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。21三、功能材料的特征和分类221、功能材料的特征与结构材料相比，有以下主要特征：1）功能材料的功能对应于材料的微观结构和微观物体的运动，是最本质的特征。2）功能材料的聚集态和形态非常多样化，除晶态外，还有气态、液态、液晶态、非晶态、混合态和等离子态。除三维材料外，还有二维、一维和零维材料。3）结构材料常以材料形式为最终产品，而功能材料有相当一部分是以元件形式为最终产品，即材料元件一体化。234）功能材料是利用现代科学技术，多学科交叉的知识密集型产物。5）功能材料的制备技术不同于结构材料用的传统技术，而是采用许多先进的新工艺和新技术，如急冷、超净、超微、超纯、薄膜化、集成化、微型化、智能化以及精细控制和检测技术。242、功能材料的分类功能材料的种类繁多，为了研究、生产和应用的方便，常把它分类。目前尚无统一的分类标准，由于着眼点不同，分类方法也不同，目前主要有以下六种分类方法：25即按材料的化学键、化学成分分类，功能材料可分为：金属功能材料；无机非金属功能材料；有机功能材料；复合功能材料等。功能材料无机金属(精密合金)非金属半导体陶瓷玻璃其它有机(高分子)复合高分子系复合金属系复合陶瓷系复合⑴基于材料的物质性的分类26按材料的物理性质分类，功能材料可分为：磁性材料；电性材料、光学材料；声学材料；力学材料；化学功能材料；热学功能材料；生物医学功能材料，核功能材料等。目前，现代技术对物理功能材料的需求最多，因此，物理功能材料发展最快，品种多，功能新，商品化率和实用化率高。有时，习惯上把功能材料和物理功能材料看作一个名称。⑵基于材料的物理性质、功能分类27⑶基于材料的应用领域的分类按材料的应用领域，功能材料可分为仪器仪表材料；电子材料；军工材料；反应堆材料；信息工业用材料；能源材料；生物医学工程材料等。28⑷按聚集态分类：气态、液态、固态、液晶态、非晶态、混合态功能材料等。⑸按材料形态分类：体积、膜、纤维和颗粒等功能材料。⑹按维度分类：三维、二维、一维和零维功能材料。三维材料即固态体相材料；二维、一维和零维能材料分别为其厚度、径度和粒度小到纳米量级的薄膜、纤维和微粒，其主要特征是具有量子化效应。29四、功能设计的原理和方法30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。31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。32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。Ａ、一次功能33一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。34⑤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。35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36二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。37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38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39③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。40④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。41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。42所谓功能设计，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。43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。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。44材料设计是一个很复杂的过程：如材料的制备与存在状态往往属于非平衡热力学；有些结构敏感性质(材料的力学性质)的可变因素太多，即使一个微小缺陷都会产生很大影响；表面与内部结构及性质的不一致性；复杂的环境因素等等。45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。46为实现材料设计，必须开展深入的基础研究，以了解物质结构与性能的关系；要建立完整的精确的数据库；建立正确的物理模型；需要有大容量计算机；更重要的是要不同学科科学家与工程技术人员的通力合作。47五、功能材料的现状与展望48功能材料的现状近几年来，功能材料迅速发展，已有几十大类，10万多品种，且每年都有大量新品种问世。现已开发的以物理功能材料最多，主要有：1）单功能材料，如：导电材料、介电材料、铁电材料、磁性材料、磁信息材料、发热材料、热控材料、光学材料、激光材料、红外材料等。2）功能转换材料，如：压电材料、光电材料、热电材料、磁光材料、声光材料、电流变材料、磁敏材料、磁致伸缩材料、电色材料等。49功能材料的现状3）多功能材料：如防振降噪材料、三防材料（防热、防激光和防核）、电磁材料等。4）复合和综合功能材料，如：形状记忆材料、隐身材料、传感材料、智能材料、显示材料、分离功能材料、环境材料、电磁屏蔽材料等。5）新形态和新概念功能材料，如：液晶材料、梯度材料、纳米材料、非平衡材料等。目前，化学和生物功能材料的种类虽较少，但其发展速度很快，其功能也更多样化。50功能材料的展望展望21世纪，功能材料的发展趋势为：1）开发高技术所需的新型功能材料，特别是尖端领域（航空航天、分子电子学、新能源、海洋技术和生命科学