功能材料介紹

1、功能材料物理學(xué),講授內(nèi)容：,緒論第一章 晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)第二章 凝聚態(tài)材料簡(jiǎn)介第三章 磁性材料第四章 半導(dǎo)體材料第五章 光功能材料第六章 功能陶瓷第七章 能量轉(zhuǎn)換材料第八章 功能高分子材料,第九章 特殊功能合金（膨脹合金、儲(chǔ)氫合金、形狀記憶合金）第十章 薄膜功能材料第十一章 電阻及導(dǎo)電 材料,還有化學(xué)功能材料如高分子試劑、催化劑，

2、高分子藥物，生物醫(yī)學(xué)材料不講,重點(diǎn)前八章,概 論,一、材料及材料發(fā)展簡(jiǎn)史,1、材料,材料是人類(lèi)賴以生存和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。材料、信息、能源被公認(rèn)為現(xiàn)代文明的三大支柱。80年代，又把新材料、信息技術(shù)和生物技術(shù)并列為新技術(shù)的重要標(biāo)志。 什么是材料？材料是人類(lèi)用于制造物品、器件、機(jī)器或其他產(chǎn)品的物質(zhì)。材料技術(shù)是探討材料的制備、結(jié)構(gòu)、性能、功效及其相互關(guān)系的技術(shù)。,當(dāng)代每一項(xiàng)重大技術(shù)的出現(xiàn)都依賴于新材料的發(fā)展。例如：,半導(dǎo)

3、體材料的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展導(dǎo)致了微電子工業(yè)、大規(guī)模集成電路、高速運(yùn)算計(jì)算機(jī)等的出現(xiàn)； 高溫材料及高性能結(jié)構(gòu)材料的出現(xiàn)使航空航天技術(shù)快速發(fā)展； 低損耗光導(dǎo)纖維使當(dāng)今你蓬勃發(fā)展的光纖通信得以實(shí)現(xiàn)；等等。 材料科學(xué)是物理、化學(xué)、冶金學(xué)、金屬學(xué)、陶瓷學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)及計(jì)算科學(xué)等多學(xué)科交叉融合的結(jié)果。材料技術(shù)的基本原理植根于凝聚態(tài)物理、物理化學(xué)和合成化學(xué)。物理學(xué)及物理技術(shù)為材料科學(xué)提供了強(qiáng)有力的理論和實(shí)驗(yàn)研究手段，材料的組織、

4、結(jié)構(gòu)及性能的研究都離不開(kāi)物理學(xué)。,2、材料的發(fā)展史,人類(lèi)發(fā)展的歷史證明，材料的發(fā)展導(dǎo)致時(shí)代變遷。人類(lèi)的歷史曾以使用的主要材料來(lái)劃分，如石器時(shí)代、銅器時(shí)代和鐵器時(shí)代等。 早在100萬(wàn)年前，人類(lèi)開(kāi)始使用石頭做工具，使人類(lèi)進(jìn)入舊石器時(shí)代。大約1萬(wàn)年前，人類(lèi)能對(duì)石頭進(jìn)行加工，使石頭成為精制的器皿和工具，從而進(jìn)入新石器時(shí)代。在新石器時(shí)代，人類(lèi)開(kāi)始用毛皮遮身。8000年前，中國(guó)開(kāi)始用蠶絲做衣服。4500年前，印度人開(kāi)始種植棉花，這些都標(biāo)志

5、著人類(lèi)使用材料促進(jìn)人類(lèi)文明進(jìn)步。此外，人類(lèi)還使用竹、木、骨等原始天然材料，不經(jīng)或稍許加工而制成工具或用具。這是材料發(fā)展的初始階段，其特點(diǎn)是人類(lèi)單純選用天然材料。,人類(lèi)還處于新石器時(shí)代，就已經(jīng)發(fā)明了粘土成型，在火燒固化而得到陶器，用作器皿或裝飾品。陶器的出現(xiàn)，是對(duì)人類(lèi)文明的一大促進(jìn)。在燒制陶器的過(guò)程中，又偶然發(fā)現(xiàn)了銅和錫，實(shí)際上是銅和錫的氧化物在高溫下被碳還原的產(chǎn)物，進(jìn)而生產(chǎn)出色澤鮮艷且能澆鑄的青銅，使人類(lèi)進(jìn)入青銅時(shí)代。這是人類(lèi)較大量使用

6、金屬的開(kāi)始。希臘、印度、埃及和中國(guó)都在公元前3000年左右進(jìn)入青銅時(shí)代。 中國(guó)在商周處于青銅時(shí)代的鼎盛時(shí)期，湖北隋縣出土的編鐘、西安青銅馬車(chē)都反映當(dāng)時(shí)中國(guó)冶金技術(shù)水平和高超的制造工藝。 公元前13-14世紀(jì)，人類(lèi)開(kāi)始使用鐵。3000年前的鐵器比青銅器更為普遍，人類(lèi)開(kāi)始進(jìn)入鐵器時(shí)代。,到春秋末期，中國(guó)的生鐵技術(shù)遙遙領(lǐng)先于其他國(guó)家。如生鐵退火而制成的韌性鑄鐵以及生鐵煉鋼技術(shù)發(fā)明，促進(jìn)了當(dāng)時(shí)生產(chǎn)力的大發(fā)展，對(duì)農(nóng)業(yè)、水利和軍

7、事的發(fā)展起到了極大的作用，推動(dòng)了世界的文明與進(jìn)步。 18、19世紀(jì)蒸汽機(jī)、電動(dòng)機(jī)的發(fā)明對(duì)金屬材料提出了更高的要求，同時(shí)對(duì)鋼鐵冶金技術(shù)產(chǎn)生了更大的推動(dòng)作用。煉鋼技術(shù)大大促進(jìn)了機(jī)械制造、交通鐵路及紡織業(yè)的發(fā)展。隨之，各種特殊鋼如高速鋼、硅鋼及不銹鋼相繼問(wèn)世，銅、鋁業(yè)得到大量應(yīng)用，其他金屬和合金也都出現(xiàn)，從而使金屬材料在20世紀(jì)占據(jù)了主導(dǎo)地位。銅、鐵和其他合金的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用是材料發(fā)展的第二階段。在這一階段，金屬（主要是鐵和鋼）確立了工

8、業(yè)材料的絕對(duì)權(quán)威。這個(gè)階段的特點(diǎn)是人類(lèi)從自然界提取有用的材料。,一、材料分類(lèi) 功能材料,從材料來(lái)源上看，材料可分為天然材料和合成材料。人類(lèi)為了生存發(fā)展，一方面從大自然中直接獲取天然材料。 天然材料——選擇天然有形物質(zhì)直接或進(jìn)行簡(jiǎn)單加工改造的材料，如沙石、木材、石材、天然纖維、天然橡膠等等。 另一方面，要合成新的材料供生產(chǎn)生活需要。 合成材料——通過(guò)化學(xué)或物理手段，利用化學(xué)原料制取不能從自然界直

9、接得到的新型材料。如合金、玻璃、陶瓷、合成高分子等。,從功能上看，材料可以分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料。,結(jié)構(gòu)材料—通常指具有力學(xué)承載功能的材料。體積較大，常被稱為第一代材料。如建筑材料、機(jī)械制造材料，用于制造工具、機(jī)器、車(chē)輛，修建房屋、橋梁、道路等。 另一類(lèi)材料是功能材料。功能材料的概念最早由美國(guó)的Morton與1965年提出。 功能材料——指具有光、電、磁、聲、熱、化學(xué)、生物等特定功能和性質(zhì)的材料。用于非承載目

10、的，涉及面很廣。如電阻及導(dǎo)電材料、磁性材料、介電材料、發(fā)光材料、光電材料、電極材料、壓電材料、聲光材料、電光材料、磁光材料、超導(dǎo)材料、智能材料、仿生材料等。利用他們可以制造具有記錄、儲(chǔ)存、信息傳輸?shù)裙δ茉骷?，在電子、激光、光電、通信、生物醫(yī)學(xué)等許多新技術(shù)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。,現(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展如微電子、激光、光電、能源、計(jì)算機(jī)、信息等技術(shù)的興起，強(qiáng)烈地刺激著現(xiàn)代功能材料的發(fā)展。,三、功能材料的特征和分類(lèi),功能材料的范圍還沒(méi)有嚴(yán)格的界限。一

11、般認(rèn)為功能材料的特征如下：,1、用于非結(jié)構(gòu)目的，是現(xiàn)代材料中比較高級(jí)的材料。,它排除了用于結(jié)構(gòu)目的的一般結(jié)構(gòu)材料和高級(jí)結(jié)構(gòu)材料（如高溫合金、結(jié)構(gòu)陶瓷等），也排除了像普通玻璃、普通塑料、耐火磚之類(lèi)的一般非力學(xué)性能的普通材料，但包含了彈性材料那樣屬于力學(xué)性能（非承載功能）的非結(jié)構(gòu)材料。,2、結(jié)構(gòu)材料常以材料形式為最終產(chǎn)品，功能材料常以元件形式為最終產(chǎn)品，即材料-元件一體化。,結(jié)構(gòu)材料的功能常與宏觀物體的運(yùn)動(dòng)聯(lián)系。功能材料的功能常與物體的微觀

12、運(yùn)動(dòng)聯(lián)系。,功能材料的制備技術(shù)不同于結(jié)構(gòu)材料，而采用許多先進(jìn)新工藝和新技術(shù)如超凈、超純、薄膜化、集成化、微型化、智能化以及精細(xì)控制和檢測(cè)技術(shù)。,功能材料元件體積小，如傳感器件、電子器件等。,現(xiàn)代社會(huì)對(duì)研制新一代材料提出了結(jié)構(gòu)和功能相結(jié)合的要求。即材料不僅能作為結(jié)構(gòu)材料使用，而且具有特殊功能或多種功能。同一構(gòu)件、設(shè)備、器件可能是結(jié)構(gòu)材料和功能材料的結(jié)合。如航天航空器既有特殊結(jié)構(gòu)材料，又有特殊的功能材料。,分類(lèi)：,很難有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，常見(jiàn)的分

13、類(lèi)方法有：,1、按材料的物理化學(xué)屬性（化學(xué)鍵、成分）：,無(wú)機(jī)功能材料,有機(jī)功能材料,復(fù)合功能材料（高分子基、金屬基、陶瓷基復(fù)合材料）,金屬功能材料,無(wú)機(jī)非金屬功能材料（玻璃、陶瓷）,2、按物理性質(zhì)或功能：,磁性、電性、光學(xué)、力學(xué)、聲學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、核功能材料及功能轉(zhuǎn)換材料等。,進(jìn)一步細(xì)分：如光學(xué)功能材料包括非線性光學(xué)材料、發(fā)光材料、紅外材料、感光材料、激光材料等。功能轉(zhuǎn)換材料包括壓電材料、光電材料、熱電材料、磁光材料、電光材料、聲光

14、材料、磁致伸縮材料等。,3、按服役技術(shù)領(lǐng)域：,儀表材料，傳感材料、電子材料，電工材料、信息材料，核材料，能源材料，隱身材料，航天航空材料、生物醫(yī)學(xué)材料等等。,還可以細(xì)分：如信息材料可以分為信息檢測(cè)與獲取材料、信息傳輸材料、信息存儲(chǔ)材料、信息處理材料等。傳感材料包括氣敏、濕敏、光敏、壓敏、磁電阻材料等。,4、按聚集態(tài)： 氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)、液晶態(tài)、混合態(tài)功能材料。細(xì)分：固態(tài)分為晶態(tài)（單晶、多晶）、非晶、準(zhǔn)晶，或單相、多相、復(fù)合材料。

15、,5、按材料形態(tài)： 體積、膜、纖維、顆粒功能材料,6、按維度,三維、二維、一維、零維功能材料。三維材料即固態(tài)材料，二維、一維、零維材料稱為低維材料。二維材料指超薄膜、量子阱、超晶格材料，一維材料指直徑極小的纖維、高分子、納米線、納米管等，零維材料指原子團(tuán)簇、納米顆粒、量子點(diǎn)材料。,系統(tǒng)設(shè)計(jì)，選擇與服務(wù)目標(biāo)相適應(yīng)的材料，“量體裁衣”,2、創(chuàng)制新材料，根據(jù)性能再開(kāi)發(fā)利用,無(wú)預(yù)先設(shè)定或意向性，從基礎(chǔ)研究范疇，發(fā)現(xiàn)和研究材料的性能，在做相

16、應(yīng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用,例：目前納米材料的研究，開(kāi)始是發(fā)現(xiàn)和研究其各種特殊性能，沒(méi)有明確的應(yīng)用目標(biāo)。如小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)等。根據(jù)這些性能，研發(fā)出各種功能材料，如光催化劑，納米電子功能器件，特種陶瓷，特種磁性材料等等,1、根據(jù)要求進(jìn)行材料的定制設(shè)計(jì),四、功能材料的開(kāi)發(fā)途徑,五、功能材料學(xué)科研究?jī)?nèi)容,1、研究功能材料的設(shè)計(jì)、合成、制備、提純、改性等工藝。 2、研究功能材料的物理與化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)。 3、研究功能材料的

17、性能及應(yīng)用開(kāi)發(fā)。 4、功能材料的結(jié)構(gòu)表征與性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)技術(shù)。,六、功能材料的發(fā)展趨勢(shì),1、開(kāi)發(fā)極端條件下的高性能功能材料。極端條件指超高壓、超高溫、超低溫、強(qiáng)腐蝕、高真空、強(qiáng)激光、高輻照等。,2、從單一功能向多功能或綜合功能方向發(fā)展，從低級(jí)功能（如單一物理功能）向高級(jí)功能（如人工智能、生物功能和生命功能等）方向發(fā)展。 3、功能材料和器件一體化、高集成化、超微型化等。 4、功能材料結(jié)構(gòu)化，結(jié)構(gòu)材料功能化，兩者兼