新型功能材料ppt課件

1、王 念 重慶交通大學 土木建筑學院材料科學與工程系,功 能 材 料,第18章 新型功能材料,18.1智 能 材 料,一、智能材料基本原理,1、什么是智能材料 2、智能材料的特征 3、智能材料的構成 4、智能材料的分類,智能材料是二十世紀90年代迅速發(fā)展起來的一類新型復合材料。 智能材料目前還沒有統(tǒng)一的定義，不過，現(xiàn)有的智能材料的多種定義仍然是大同小異,1、什么是智能材料,大體來說，智能材料就是指具有感知環(huán)境（包括內(nèi)環(huán)境和外環(huán)境）刺激，對之進行分析、處理、判斷，并采取一定的措施進行適度響應的智能特征的材料,具體來說，智能材料需具備以下內(nèi)涵：(1)具有感知功能，能夠檢測并且可以識別外界(或者內(nèi)部)

2、的刺激強度，如電、光、熱、應力、應變、化學、核輻射等,2)具有驅(qū)動功能，能夠響應外界變化； (3)能夠按照設定的方式選擇和控制響應； (4)反應比較靈敏、及時和恰當； (5)當外部刺激消除后，能夠迅速恢復到原始狀態(tài),智能材料又可以稱為敏感材料，常用的有以下幾種： Intelligent material、 Intelligent material and structure、Smart material、 Smart material and structure、Adaptive material and structure等,智能材料的構想來源于仿生學，它的目標就是想研制出一種材料，使它成為

3、具有類似于生物的各種功能的“活”的材料。 因此智能材料必須具備感知、驅(qū)動和控制這三個基本要素,但是現(xiàn)有的材料一般比較單一，難以滿足智能材料的要求，所以智能材料一般由兩種或兩種以上的材料復合構成一個智能材料系統(tǒng),這就使得智能材料的設計、制造、加工和性能結構特征均涉及到了材料學的最前沿領域，使智能材料代表了材料科學的最活躍方面和最先進的發(fā)展方向,智能材料應用的簡單事例： 某些太陽鏡的鏡片當中含有智能材料，這種智能材料能感知周圍的光，并能夠?qū)獾膹娙踹M行判斷，當光強時，它就變暗，當光弱時，它就會變的透明,2、智能材料的特征 因為設計智能材料的兩個指導思想是材料的多功能復合和材料的仿生設計，所以智能材

4、料系統(tǒng)具有或部分具有如下的智能功能和生命特征,傳感功能（Sensor,能夠感知外界或自身所處的環(huán)境條件，如負載、應力、應變、振動、熱、光、電、磁、化學、核輻射等的強度及其變化,2)反饋功能（Feedback,可通過傳感網(wǎng)絡，對系統(tǒng)輸入與輸出信息進行對比，并將其結果提供給控制系統(tǒng),3)信息識別與積累功能,能夠識別傳感網(wǎng)絡得到的各類信息并將其積累起來,4) 響應功能,能夠根據(jù)外界環(huán)境和內(nèi)部條件變化，適時動態(tài)地作出相應的反應，并采取必要行動,5) 自診斷能力（Self-diagnosis,能通過分析比較系統(tǒng)目前的狀況與過去的情況，對諸如系統(tǒng)故障與判斷失誤等問題進行自診斷并予以校正,6）自修復能力（S

5、elf-recovery,能通過自繁殖、自生長、原位復合等再生機制，來修補某些局部損傷或破壞,7）自調(diào)節(jié)能力（Self-adjusting,對不斷變化的外部環(huán)境和條件，能及時地自動調(diào)整自身結構和功能，并相應地改變自己的狀態(tài)和行為，從而使材料系統(tǒng)始終以一種優(yōu)化方式對外界變化作出恰如其分的響應,3、智能材料的構成 一般來說智能材料由基體材料、敏感材料、驅(qū)動材料和信息處理器四部分構成,1）基體材料,基體材料擔負著承載的作用，一般宜選用輕質(zhì)材料。 一般基體材料首選高分子材料，因為其重量輕、耐腐蝕，尤其具有粘彈性的非線性特征。其次也可選用金屬材料，以輕質(zhì)有色合金為主,2）敏感材料,敏感材料擔負著傳感的任

6、務，其主要作用是感知環(huán)境變化（包括壓力、應力、溫度、電磁場、pH值等）。 常用敏感材料如形狀記憶材料、壓電材料、光纖材料、磁致伸縮材料、電致變色材料、電流變體、磁流變體和液晶材料等,3）驅(qū)動材料,因為在一定條件下，驅(qū)動材料可產(chǎn)生較大的應變和應力，所以它擔負著響應和控制的任務。常用有效驅(qū)動材料如形狀記憶材料、壓電材料、電流變體和磁致伸縮材料等。 可以看出，這些材料既是驅(qū)動材料又是敏感材料，顯然起到了身兼二職的作用，這也是智能材料設計時可采用的一種思路,4）其它功能材料,包括導電材料、磁性材料、光纖和半導體材料等,圖所示為智能材料的基本構成和工作原理,4、智能材料的分類,智能材料是繼天然材料、人造

7、材料、精細材料之后的第四代功能材料。因為現(xiàn)在可用于智能材料的材料種類不斷擴大，所以智能材料的分類也只能是粗淺的，分類方法也有多種,若按智能材料的功能來分，可以分為光導纖維、形狀記憶合金、壓電、電流變體和電（磁）致伸縮材料等。 若按智能材料的來源來分，可以分為金屬系智能材料、無機非金屬系智能材料和高分子系智能材料,目前研究開發(fā)的金屬系智能材料主要有形狀記憶合金和形狀記憶復合材料兩大類； 無機非金屬系智能材料在電流變體、壓電陶瓷、光致變色和電致變色材料等方面發(fā)展較快,高分子系智能材料的范圍很廣泛，作為智能材料的刺激響應性高分子凝膠的研究和開發(fā)非?；钴S， 其次還有智能高分子膜材、智能高分子粘合劑、智

8、能型藥物釋放體系和智能高分子基復合材料等,二、智能材料主要種類 1、形狀記憶合金； 2 、電流變體和磁流變體； 3 、磁致伸縮材料； 4 、壓電陶瓷； 5 、電致伸縮陶瓷； 6 、智能材料系統(tǒng)； 7 、光致變色玻璃； 8 、電致變色材料,1、形狀記憶合金 一般金屬材料受到外力作用后，首先發(fā)生彈性變形，達到屈服點，就產(chǎn)生塑性變形，應力消除后留下永久變形。（詳見第三講,2、電流變體和磁流變體 電致、磁致變體智能材料大多是由合成材料或陶瓷材料制成的，具有在電場或磁場的作用下發(fā)生變性的能力，其變化的大小與電場和磁場的強度有關,科學家研制成功一種電致變性材料，這種材料在接通電流時，可以從液體變?yōu)榻咏腆w

9、。 如果向空心復合梁中充入電流變性液體材料，在外電場的作用下，這種液體材料就會變硬，從而使梁變成僵硬狀,將電致變性現(xiàn)象與傳感器結合起來，就可以實現(xiàn)使復合梁隨著負載的變化而改變其性質(zhì)。這將是裝配結構智能化的一個突破性的新起點,電致變性材料還可以用作在地震時能自動加固建筑物的基礎。 此外，磁致變性材料在機電工業(yè)中也有廣泛的用途,3、磁致伸縮材料 目前磁致伸縮智能材料的主流是稀土磁致伸縮材料，稀土超磁致伸縮材料是近期才發(fā)展起來的一種新型功能材料,磁致伸縮材料在電磁場的作用下可以產(chǎn)生微變形或聲能，也可以將微變形或聲能轉(zhuǎn)化為電磁能,磁致伸縮智能材料具有磁致伸縮值大、機械響應速度快和功率密度高特點，在國防

10、、航空航天和高技術領域應用極為廣泛,磁致伸縮智能材料的主要用途,1）由于稀土超大磁致伸縮材料比傳統(tǒng)材料在性能上有了驚人的提高，所以在電器、家電、通訊器材、電腦等生產(chǎn)領域，稀土磁致伸縮材料逐漸取代了傳統(tǒng)的磁致伸縮材料和電致伸縮材料，使產(chǎn)品升級和更新?lián)Q代更加容易,2）由于稀土超大磁致伸縮材料的獨特的性能，可被用于開發(fā)新一代的元器件，如精密控制系統(tǒng)（如油料控制、導彈發(fā)射控制裝置等），聲光發(fā)射系統(tǒng)（如信號處理、聲納掃描、超聲、水聲等），以及換能器、驅(qū)動器等的開發(fā),對于磁致伸縮智能材料的應用，目前，美國位居各國之首，其成功標志在于開發(fā)出了一系列用于軍事目的的尖端產(chǎn)品，如艦艇水下聲納探測系統(tǒng)以及導彈發(fā)射控

11、制裝置等,我國對磁致伸縮智能材料新產(chǎn)品的開發(fā)也呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢頭。 如開發(fā)出的大功率巖體聲波探測器，應用于三峽工程和地球物理勘探；開發(fā)出的井下物理法采油裝置,4、壓電陶瓷,壓電效應 陶瓷的壓電機理 壓電陶瓷材料的組成與種類,壓電效應 在某些晶體材料上施加機械力時，晶體表面會產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱正壓電效應。在一定范圍內(nèi)，電荷密度與作用力成正比。 相反，在晶體上施加電場時，晶體會產(chǎn)生幾何變形，稱逆壓電效應,晶體的對稱性決定了材料能否產(chǎn)生壓電性。 顯然，壓電效應只存在于沒有對稱中心的晶體中,壓電效應的本質(zhì) 機械作用(應力與應變)引起了晶體的極化，從而導致介質(zhì)兩端表面出現(xiàn)相反的束縛電荷,5、電致伸縮

12、陶瓷,壓電材料加上電場之后，不僅存在逆壓電效應產(chǎn)生的應變，而且還存在一般電介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生的應變，并且該應變與電場強度的平方成正比，后一效應稱為電致伸縮效應,即電致伸縮效應是一種高階非線性機電耦合效應，外加電場所產(chǎn)生的應變s可表示為 S = dE + ME2 + NE3 + 式中，dE是一階的線性耦合效應，即壓電效應；系數(shù)d稱為壓電常數(shù)；ME2，NE3，為高階的非線性耦合效應，或電致伸縮效應；系數(shù)M、N等為電致伸縮常數(shù),電致伸縮陶瓷是利用電致伸縮效應產(chǎn)生微小應變，并能由電場非常精確地加以控制的陶瓷,由于高階耦合效應非常微弱，通常電致伸縮效應是指二階效應。 大多數(shù)材料的電致伸縮效應都非常小，

13、而在電致伸縮陶瓷中，此效應為應變的主體,6、智能材料系統(tǒng) 兼具傳感與驅(qū)動性能的壓電陶瓷，在構筑智能系統(tǒng)的功能材料中，是重要的材料之一,壓電材料具有機電、聲、光、熱、彈等多種功能及其耦合效應，可用作壓力、溫度、光等多種傳感器。 壓電驅(qū)動器又具有位移控制精度高(0.01m)、響應快(10s)、推動力大(40MPa)、驅(qū)動功率低和工作頻率寬等優(yōu)點,一些實用化及正進行研究的壓電類智能材料系統(tǒng)如下,1)智能雨刷 這是利用BaTiO3陶瓷的壓電效應制成的，它可以自動感覺雨量并自動調(diào)節(jié)擋風玻璃上的雨刷至最佳速度,2)高級轎車中的減震裝置 這是利用正壓電效應、逆壓電效應和電致伸縮效應的疊合研制成的智能減震器，

14、這套智能系統(tǒng)具有識別路面(粗糙度)并進行自我調(diào)節(jié)的功能，可以使粗糙路面產(chǎn)生的振動減至最低，從而提高乘坐舒適性,3)有源消聲 用于振動頻率低于500Hz的消聲，是由壓電陶瓷拾音器、諧振器、模擬聲線圈和數(shù)字信號處理集成電路組成,4)智能安全系統(tǒng)及智能傳輸系統(tǒng),5)利用組合功能效應來設計和制備新型智能材料和器件 這類智能材料系統(tǒng)，是由兩種或兩種以上功能陶瓷進行組合后形成的一種新型復合陶瓷功能塊，這種復合功能塊會呈現(xiàn)一些新效應，稱為組合功能效應,6)用壓電陶瓷制備仿生物 模仿自然界生物具有的特性構思仿生物，研究像尾鰭和鳥翼那樣柔軟，能折疊又很結實的智能材料用作智能機翼，并有效利用自然界的波浪和風能,7

15、)壓電陶瓷馬達 它是利用壓電陶瓷的逆壓電效應，直接把電能轉(zhuǎn)換成機械能輸出，而不需要通常使用的電磁線圈,這種新型壓電陶瓷馬達，具有結構簡單、起動快、轉(zhuǎn)矩大、體積小、功耗低等特點，主要用作自動控制、機器人等的致動器,8)壓電陶瓷Pachinkom游戲機,它是由若干層鋯鈦酸鉛(PZT)壓電陶瓷塊構成的，壓電塊既作為傳感器又作為執(zhí)行器,壓電陶瓷Pachinkom游戲機,當金屬球落到陶瓷壓電塊上時，球的沖擊力產(chǎn)生壓電電壓； 電壓脈沖通過反饋系統(tǒng)加以放大和調(diào)整，然后返回并施加到壓電塊的執(zhí)行器部分； 陶瓷壓電塊突然膨脹變形，把金屬球拋出壓電塊所在的孔，使球沿著螺旋軌道爬出，落入另一孔內(nèi)，再盤旋上升，如此周而

16、復始,科學家最近研制成功一種壓電晶體，如果將其放入壁紙中，就可以大大減小冰箱或空調(diào)機的噪聲，給住戶創(chuàng)造了一個安靜的居住環(huán)境,7、 光致變色玻璃 光致變色玻璃是一種能在光的激發(fā)下發(fā)生變色反應的玻璃,含鹵化銀的堿鋁硼硅酸鹽光色玻璃受到紫外光和可見光照射時，氯化銀晶體分解為Ag和Cl原子，析出的銀原子團簇使玻璃顏色變深，從而阻止陽光的透過。 發(fā)生的光化學反應如下,式中，h1為短波激活光能；h2為長波光源光能；為加熱退色效應,h1,玻璃變色過程中，發(fā)生的光化學反應如下,在沒有紫外線照射時，原來分解產(chǎn)生的銀和鹵素原子又重新結合恢復為無色的氯化銀AgCl，原于團簇解體，玻璃(鏡片)褪色。 因此，變色眼鏡在

17、陽光下變深，在室內(nèi)則恢復透明,若配料中加入少量敏化劑，就能顯著地提高敏感性，并增大光致變色的變暗能力。 如加入Cu2O時，Cu+ 是一種增感劑,Cu+在氯化銀晶體中作為空穴的捕獲中心，它 的存在增加了光解銀原子Ag0的濃度，使玻璃的變暗靈敏度大大提高,h1,光致變色玻璃具有隨光的波長和強度的變化而自動調(diào)節(jié)光的透過率的自適應特性，因而被稱為光敏型智能玻璃，除用作變色眼鏡外，還用作汽車防護玻璃、航天器窗口、激光防護、以及裝飾等,8、 電致變色材料 電致變色的原理是在外加電場作用下，材料由于電子、離子的雙注入導致結構或價態(tài)發(fā)生可逆變化，進而調(diào)節(jié)材料的透過與反射特性，表現(xiàn)為材料顏色的變化,電致變色器件

18、通常由多層結構組成，即透明電極/電致變色薄膜/離子儲備層/電極。 當兩組電極之間建立電場時，離子由離子儲備層經(jīng)過離子導體在電致變色膜中發(fā)生注入和抽出，從而導致電致變色薄膜的光學性能發(fā)生變化,無機電致變色材料有NiO、-WO3。 近年來利用薄膜材料的電致變色特性制造了“電開關”自動控制靈巧窗，用于建筑采光等,三、智能材料的使用領域 1、在軍事領域中的應用 2、智能材料與住宅智能化 3、與現(xiàn)代醫(yī)學相聯(lián)系的智能材料 4、主動結構聲控 5、主動震動聲控,1、在軍事領域中的應用 智能材料用于軍事，是隨著智能材料的發(fā)展不斷發(fā)展的一個領域,因為智能材料結構不僅象一般功能材料一樣可以承受載荷，而且它還具有了其

19、他功能材料所不具備的功能，即能感知所處的內(nèi)外部環(huán)境變化，并能通過改變其物理性能或形狀等做出響應，借此實現(xiàn)自診斷、自適應、自修復等功能,所以，智能材料在軍事應用中具有很大潛力，它的研究、開發(fā)和利用，對未來武器裝備的發(fā)展將產(chǎn)生重大影響。 目前，在各種軍事領域中，智能材料的應用主要涉及到以下幾個方面,1）智能蒙皮,例如，作為智能傳感元件的光纖用于飛機機翼的智能蒙皮中； 在武器平臺的蒙皮中植入傳感元件、驅(qū)動元件和微處理控制系統(tǒng)制成的智能蒙皮，可用于預警、隱身和通信,目前美國在智能蒙皮方面的研究包括：美國彈道導彈防御局為導彈預警衛(wèi)星研制含有多種傳感器的智能蒙皮； 美國海軍則重點研究艦艇用智能蒙皮，以提高

20、艦艇的隱身性能,2）結構監(jiān)測和壽命預測,智能結構可用于實時測量結構內(nèi)部的應變、溫度、裂紋，探測疲勞和受損傷情況，從而能夠?qū)Y構進行監(jiān)測和壽命預測,例如，采用光纖傳感器陣列和聚偏氟乙烯傳感器的智能結構可對機翼、機架以及可重復使用航天運載器進行全壽命期實時監(jiān)測、損傷評估和壽命預測,空間站等大型在軌系統(tǒng)采用光纖智能結構，可實時探測由于交會對接碰撞、隕石撞擊或其他原因引起的損傷，對損傷進行評估，實施自診斷,正在研究的自診斷智能結構技術有： 光纖傳感器自診斷技術； 可以測量裂紋的“聲音”傳感器自診斷技術； 可監(jiān)測復合材料層裂的傳感器自診斷技術等,3）減振降噪,智能結構用于航空、航天系統(tǒng)可以消除系統(tǒng)的有害

21、振動，減輕對電子系統(tǒng)的干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。 如美國防高級研究計劃局資助波音公司研制的直升機智能結構旋翼葉片，可以改善旋翼的空氣動力學性能，減小振動和噪音,智能結構用于艦艇，可以抑制噪聲傳播，提高潛艇和軍艦的聲隱身性能。 智能結構用于地面車輛，可以提高軍用車輛的性能和乘坐的舒適度。 國外正在研究的具有減振降噪功能的智能結構，主要由壓電陶瓷、形狀記憶合金和電致伸縮等新材料制成,4）環(huán)境自適應結構,智能結構制成的自適應機翼，能夠?qū)崟r感知外界環(huán)境的變化，并可以驅(qū)動機翼彎曲、扭轉(zhuǎn)，從而改變翼型和攻角，以獲得最佳氣動特性，降低機翼阻力系數(shù)，延長機翼的疲勞壽命,如當飛機在飛行過程中遇到渦流或猛烈的逆風時

22、，機翼中的智能材料就能夠迅速變形，并帶動機翼改變形狀，從而消除渦流或逆風的影響，使飛機仍能平衡地飛行,美國的一項研究表明，在機翼結構中使用磁致伸縮致動器，可使機翼阻力降低85%。 美國波音公司和麻省理工學院聯(lián)合研究在槳葉中嵌入智能纖維，電致流變體時可使槳葉扭轉(zhuǎn)變形達幾度,美國陸軍在開發(fā)直升機旋翼主動控制技術，將用于RAH-66武裝直升機。 美國防部和航空航天局也在研究自適應結構，包括翼片彎曲、彎曲造型/控制面造型等,2、智能材料與住宅智能化 未來的住宅可能是這樣的：墻壁可以隨心所欲的變換顏色；椅子可以隨人體不同的需要改變溫度和形狀；一切的電器都是觸摸式的，永遠不會再有觸電的危險；可視電話帶有傳

23、感功能,隨著智能材料的發(fā)展，尤其是毫微塑料設想的提出，有可能設計出智能化住宅。 雖然目前還處于設想階段，但是已經(jīng)開始著手進行研究，并且必然將在不久的將來成為現(xiàn)實。 幾種未來的智能產(chǎn)品如下,1）多功能磚 多功能磚用來構建整個房屋的結構單元，這種結構單元具有變通性和智能性。 這種多功能磚主要由以下三個分層構成,第一層是功能層，能感受來自周圍的聲能、熱能、光能，并能控制這些能量的輸出，如果是內(nèi)墻壁磚，還能控制和改變墻的功能,第二層是通訊層，能為居住者提供內(nèi)外通信聯(lián)系的通道； 第三層是輸送通道，可以用來輸送水和其它材料,住戶還可以挑選合適的帶“面膜”的磚材。 另外，面膜的設置及其構形并不是一成不變的，

24、而是很容易剝離并換上新的面膜,面膜在磚材的最上層，它也具有多功能性。 如壁膜可以使墻壁產(chǎn)生不同的色彩和圖案,傳感膜可以接收聲波、熱能和可見光并予以減弱或增強； 地膜可產(chǎn)生耐久的色彩和圖案； 界面膜可連接內(nèi)外通信線路,2）食物器皿,在未來的廚房里不會看到傳統(tǒng)的碗碟。在毫微塑料的桌面上，旋轉(zhuǎn)的碗不僅能測知食物的存在，而且可以根據(jù)用戶的需要自動形成各種形狀的碟子，供準備、烹調(diào)和上菜時使用。 并且，這種盛食物的碗還具有保溫和在不使用冰箱的情況下保鮮的功能,3）座椅,用毫微塑料制作的坐椅不僅功能將大大增加，而且也將增加舒適程度。 使用毫微塑料能改變椅座面的柔韌性和彈性，也可以形成各種型式的椅座面,如果出

25、于美學的考慮，或是便于人們?nèi)胱驈淖沃姓酒穑廖⑺芰弦部梢孕纬伤璧娜魏螆D案或結構，還能改變座椅本身的結構,由于不同年齡段的人對溫度舒適性的要求有很大區(qū)別，這種座椅還可以隨心所欲地升溫和降溫。它甚至還對人們喜愛的舒適溫度具有記憶功能,4）衛(wèi)生間,在衛(wèi)生間里，常見設施是洗臉盆、抽水馬桶和淋浴器。 采用了智能結構的衛(wèi)生間是這樣的,在洗漱時，人們只要接觸洗臉盆支架表面的任何區(qū)域，就能調(diào)節(jié)控制水溫、水速和水流的狀態(tài)（集中噴射的水流或?qū)掗煹乃煚畹龋┕┤藗冞x擇。 洗臉盆上方的鏡子能照出人的正常反轉(zhuǎn)象，還能照出真實的非反轉(zhuǎn)象,抽水馬桶的形狀和大小可隨使用者的不同而自動變化； 坐墊自動加熱至舒適的溫度，整

26、個結構十分輕便,在電腦住宅的廁所里，安裝了一臺檢查身體的電腦系統(tǒng)，每當有人上廁所時，與馬桶相連的體檢裝置即自動分析大小便的情況，如發(fā)現(xiàn)異常，電腦會立即發(fā)出警報，以便及時到醫(yī)院去看病,淋浴設備只要和多功能磚相連接，上下水、水溫和水流都能得到自動控制和調(diào)節(jié)。綜上所述，未來的智能化住宅必將顯著提高人們的生活質(zhì)量,3、與現(xiàn)代醫(yī)學相聯(lián)系的智能材料 （1）人造肌肉（2）人造皮膚 （3）在藥物自動投入系統(tǒng)上的應用 （4）智能材料的兩種抗癌應用,1）人造肌肉,因為生物彈性材料能模擬活體生物，而且其力量和反應速度均接近于人體的肌肉。所以這種材料可以應用于人體組織的修復，而且它們還具有與生物體的相容性，隨著傷口的

27、愈合，這種聚合物就會在體內(nèi)逐漸降解，最后將會消失,2）人造皮膚,人造皮膚智能材料，可以感知溫度、熱流的變化以及各種應力的大小，并且有良好的空間分辨力。 這種智能材料還可以分辨表面狀況，例如，粗糙度、摩擦力等,3)在藥物自動投入系統(tǒng)上的應用,科學家正在研制一種能根據(jù)血液中的葡萄糖濃度而擴張收縮的聚合物，這種聚合物可制成人造胰細胞，將它注入糖尿病患者的血液中，小球就可模擬胰細胞工作，使病人的血糖濃度始終保持在平常的水平上,4）智能材料的兩種抗癌應用,如圖所示是一種有效的抗癌藥物膠囊，即藥物“導彈,圖中的疏水性藥物載體形成了“導彈”的疏水內(nèi)核，而親水性部分則在內(nèi)核周圍形成了一個水化物外殼。 所形成的

28、這種高分子聚合物膠囊是一種智能型藥物載體，它能自動避免被機體內(nèi)單核吞噬細胞捕獲而有效的到達癌細胞所在地,90年代后期，研制出用對電磁場敏感的鐵氧體包覆Ti-Ni形狀記憶合金絲制成了癌癥溫熱療法用針,首先，通過導管將這種針植入病人癌變部位，由于形狀記憶作用，這種針會發(fā)生彎曲變形現(xiàn)象； 其次，在通過渦流效應產(chǎn)生高頻電磁場作用下，形狀記憶合金針將能夠產(chǎn)生一定的熱量而使癌變區(qū)得到萎縮,4、主動結構聲控 智能材料系統(tǒng)中最成熟的應用領域大概就是主動結構聲控。 采用智能結構進行主動結構聲控是降低軍用系統(tǒng)噪聲的有效途徑,一般說來，可以采用兩種方法來實現(xiàn)主動結構聲控。一種是簡單地使結構完全停止振動，顯然它可以使

29、聲輻射降低到零，這是一種強制性的方法，往往也是辦不到的,另一種就是采用智能控制方法，它是指有選擇地控制輻射振動模。 該方法的效率取決于對材料系統(tǒng)相互作用的基本物理現(xiàn)象的認識和智能材料系統(tǒng)的自適應能力,因為，并不是所有的振動模都輻射“具有危險性”的聲波，減少系統(tǒng)的質(zhì)量和功耗也同樣是必須考慮的因素,因而最好的辦法是“感覺”輻射“具有危險性”的輻射波振動模，并使用分布在整個結構中的作動器（壓電材料或電致流變體）對產(chǎn)生的該振動模進行控制,美國軍方提出采用主動聲控涂層進行聲信號抑制，提高潛艇主動隱身性能。這項技術將使噪聲降低60分貝，并使?jié)撏綔y目標的時間縮短100倍。 這種主動聲控涂層將采用壓電涂層材

30、料和采用電致流變體技術的主動消聲貼片,5、主動震動控制 震動會極大地降低工程系統(tǒng)的性能，如降低對地觀測衛(wèi)星的傳感器精度，減弱跟蹤和預警衛(wèi)星跟蹤目標的能力，使制導武器性能下降，導致系統(tǒng)金屬結構的疲勞破壞，此外還會干擾空間站的微重力環(huán)境等,采用壓電材料、形狀記憶合金或電致流變體的智能結構均可實現(xiàn)振動的主動控制，提高軍用系統(tǒng)的性能。 如采用智能結構進行主動震動控制，可降低直升機旋翼的振動振幅以及產(chǎn)生可控的扭曲形變，提高直升機的有效載荷，使速度增加，戒備能力提高,空間系統(tǒng)的主動震動控制智能結構，主要采用壓電陶瓷或電致伸縮材料作為作動器。考慮的主要因素是低功耗、耐久性、疲勞特性、穩(wěn)定性和溫度環(huán)境效應等問

31、題，同時還考慮控制器的小型化,傳感器可用光纖和壓電材料。當系統(tǒng)結構受到外力作用振動并產(chǎn)生形變時，壓電應變傳感器可產(chǎn)生與壓力成正比的表面電荷，控制系統(tǒng)對傳感器測量的信號進行處理后，再給壓電作動器反饋一個適當?shù)碾妷海蛊洚a(chǎn)生反向變形力，從而產(chǎn)生對系統(tǒng)結構的阻尼作用，使系統(tǒng)結構的振動隨之迅速減弱,自適應結構的主動振動控制，另一項主要應用是可能消除航天器控制系統(tǒng)與柔性結構的相互干擾作用。 未來大型柔性航天結構因其振動頻率低于控制系統(tǒng)的頻率，會導致有害的控制結構干擾作用。必須從結構優(yōu)化、阻尼減振方面考慮,在地震多發(fā)區(qū)應用智能結構的建筑物通過振動控制，將大大提高建筑物的抗震性,18.2 梯度功能材料,梯度

32、功能材料及其特點 熱防護梯度功能材料 梯度折射率材料 梯度功能材料的應用,18.2.1 梯度功能材料及其特點概念的提出,許多結構件會遇到各種服役條件，因此，要求材料的性能應隨構件中的位置而不同。 例如：菜刀刃部堅硬；而其它地方具有高強度和韌性。 同樣地，一個齒輪輪體必須有好的韌性，而其表面則必須堅硬和耐磨。渦輪葉片的主體必須高強度、高韌性和抗蠕變，而它的外表面必須耐熱和抗氧化,航空航天事業(yè)的快速發(fā)展，對材料的機械性能提出越來越苛刻的要求。 例如，當航天飛機往返大氣層，飛行速度超過25馬赫茲時，其表面溫度高達2000。而燃燒室的溫度更高，燃燒氣體溫度可超過2000，燃燒室的熱流量大于5MWrn2

33、，其空氣入口的前端熱通量達50MWm2，對如此巨大熱量必須采取冷卻的措施，因此燃燒室壁內(nèi)外溫差大于1000,傳統(tǒng)的金屬材料難以滿足這種苛刻的使用環(huán)境，而金屬表面陶瓷涂層材料或金屬與陶瓷復合材料在此高溫環(huán)境中使用時，由于二者的熱膨脹系數(shù)相差較大，往往在金屬和陶瓷的界面處產(chǎn)生較大的熱應力，導致出現(xiàn)剝落或龜裂現(xiàn)象而使材料失效。 構件中材料成分和性能的突然變化常常會導致明顯的局部應力集中。 如果材料逐步過渡，應力集中就會大大降低,為了有效解決此類耐熱材料，日本學者新野正之、平井敏雄和渡邊龍三等人于1987年首次提出了金屬和超耐熱陶瓷梯度化結合這一新奇想法，即梯度功能材料(FGM)的新概念。 梯度功能材

34、料(functionally gradient materials，縮寫FGM) 是兩種或多種材料復合成組分和結構呈連續(xù)梯度變化的一種新型復合材料；它的設計要求功能、性能隨機件內(nèi)部位置的變化而變化，通過優(yōu)化構件的整體性能而得以滿足,18.2.2 梯度功能材料的特點與分類 （一） 主要特征： () 材料的組分和結構呈連續(xù)梯度變化。 () 材料內(nèi)部沒有明顯的界面。 () 材料的性質(zhì)也相應呈連續(xù)梯度變化,表18-1 梯度功能材料與混雜材料和復合材料的比較,梯度功能材料是一種集各種組分(如金屬、陶瓷、纖維、聚合物等)、結構、物性參數(shù)和物理、化學、生物等單一或綜合性能都呈連續(xù)變化，以適應不同環(huán)境，實現(xiàn)某

35、一特殊功能的一類新型材料,梯度功能材料能夠以幾種方式來改善一個構件的熱機械特征： () 熱應力值可減至最小，而且適宜地控制熱應力達到峰值的臨界位置； () 對于一給定的熱機械載荷作用推遲塑性屈服和失效的發(fā)生； () 抑制自由邊界與界面交接處的嚴重的應力集中和奇異性； () 與突變的界面相比，可以通過在成分中引入連續(xù)的或逐級的梯度來提高不同固體(如金屬和陶瓷)之間的界面結合強度,可以通過對界面的力學性能梯度進行調(diào)整來降低裂紋沿著或穿過一個界面擴展的驅(qū)動力； () 通過逐級的或連續(xù)的梯度可以方便地在延性基底上沉積厚的脆性涂層(厚度一般大于1mm)； () 通過調(diào)整表面層成分中的梯度，可消除表面銳利

36、壓痕根部的奇異場，或改變壓痕周圍的塑性變形特征,二）梯度功能材料分類 1.組合方式上： 金屬陶瓷、金屬非金屬、陶瓷陶瓷、陶瓷非金屬以及非金屬塑料等多種結合方式,2.組成變化上： 梯度功能整體型(組成從一側(cè)到另一側(cè)呈梯度漸變的結構材料)，梯度功能涂履型(在基體材料上形成組成漸變的涂層)和梯度功能連接型(粘接兩個基體間的接縫組成呈梯度變化)； 3.功能上： 熱防護梯度功能材料和梯度折射率材料等,18.2.3 梯度功能材料的制備方法,圖18-1 制作方法的分類,1.氣相沉積法 分為：物理氣相沉積(PVD)法、化學氣相沉積(CVD)法和物理-化學氣相沉積(PVD-CVD)法， 優(yōu)點：不用燒結，沉積層致

37、密牢固，組成可連續(xù)變化,a.物理氣相沉積法(PVD) 通過加熱等物理方法使源物質(zhì)(如金屬等)蒸發(fā)，進而使蒸氣沉積在基體上成膜。 特點：可以制得多層不同物質(zhì)的膜，但用該法制得的膜較薄，且每層膜只能是某種物質(zhì),b.化學氣相沉積法(CVD) 通過兩種氣相物質(zhì)在反應器中均勻混合，在一定的條件下發(fā)生化學反應，使生成的固相物質(zhì)在基板上沉積。 特點：可以通過選擇合成溫度，調(diào)節(jié)原料氣的流量和壓力等來控制FGM各成分的組分比和結構，而且可鍍復雜形狀的表面材料，沉積面光滑致密，沉積率高，因而成為制備復雜結構的FGM的表觀涂層關鍵技術之一,c.物理-化學氣相沉積 (PVD-CVD) 綜合了PVD法和CVD法的優(yōu)點。

38、CVD法的沉積溫度一般高于 PVD法的沉積溫度，故在基體的低溫側(cè)采用PVD法，高溫側(cè)采用CVD法。 例如：TiTiC、TiTiN、TiTiAlN和SiCCTiC等,2.等離子噴涂法 基本原理： 使用粉末狀物質(zhì)作為噴涂材料，以氮氣、氬氣等氣體為載體，吹入等離子射流中，粉末在被加熱熔融后進一步加速，以極高速度沖撞在基材表面形成涂層。 關鍵：精確控制組分比、噴涂壓力、噴涂速度和噴涂顆粒的粒度等參數(shù)，以調(diào)整FGM的組織結構和成分。 要求：材料不能分解,等離子體放電燒結（SPS） 是日本最近幾年開發(fā)的一種新型陶瓷燒結工藝技術。 SPS法具有內(nèi)部加熱和快速升溫特點，可用于需要抑制晶粒生長的燒結，也可以通過

39、模具設計 來實現(xiàn)溫度梯度，從而滿足梯度功能材料燒結工藝的需要。 利用SPS法來燒結Si3N4、 SiC、Al2O3、ZrO2陶瓷和Ti-Al 系金屬間化合物等。 東北大學已利用SPS燒 結成功地制備了金屬陶瓷系和高分子陶瓷系梯度功能材料,3.自蔓延高溫合成法 基本原理： 將金屬粉末和陶瓷粉末按梯度化填充，加壓壓實，從成形體的一端點火燃燒，反應自行向另一端傳播，利用粉末狀混合物間化學反應產(chǎn)生的熱量和反應的自傳播性，使材料燒結和合成,特點：利用高放熱反應的能量使化學反應自動持續(xù)下去，最適合于生成熱大的化合物的合成，如AlN、TiC、TiB2等 優(yōu)點：操作過程簡單，反應迅速，能耗低，純度高 缺點：材

40、料致密度低,改進：(提高密度) 電磁加壓自蔓延技術合成TiB2Cu系梯度功能材料； 自蔓延和熱等靜壓相結合，研制了成分為TiCTiC+10Ni/ TiC +20NiTiC+30Ni 的大型梯度功能TiCNi材料； 爆炸壓實生坯和自蔓延高溫合成技術制備了A12O3Ti系梯度功能材料（理論密度從8294,4.顆粒梯度排列法 優(yōu)點：比較適合制備大體積的梯度材料， 缺點：工藝比較復雜，制品有一定的孔隙率，尺寸受模具限制,a.顆粒直接填充法： 將金屬、陶瓷或晶須等的粒子(粒度約為0.1微米至幾十微米)，按一定的梯度分布直接填充到模具中經(jīng)過加壓、燒結而成； b.薄膜疊層法： 將金屬和陶瓷粉末摻入微量膠粘劑

41、、分散劑等，用振動磨制成泥漿，并脫除氣泡壓成薄膜，然后將這些不同成分和結構的薄膜進行疊層、燒結,18.2.4 梯度功能材料的應用 高強度耐熱材料 梯度折射光學材料 生物醫(yī)學材料 電子材料,18.3 功 能 復 合 材 料,2021/1/30,功能復合材料,157,復合材料按使用目的可分為兩類: 結構復合材料和功能復合材料,1. 緒論,功能復合材料是指除力學性能以外而提供其他物理性能（并包括部分化學和生物性能）的復合材料，如導電、超導、半導、磁性、壓電、阻尼、吸聲、摩擦、吸波、屏蔽、阻燃、防熱、隔熱等功能復合材料,18.3.1 功能復合材料概述,功能復合材料主要由一種或多種功能體和基體組成,18

42、.3.2 功能復合材料的設計,18.3.2.1 功能復合材料的設計原則,柔韌性磁體： 磁粉 功能體 橡膠和塑料 基體 黏結和賦形作用，并同時改善材料的物理機械性能,在單一功能體的復合材料中，其功能性質(zhì)雖然由功能體提供，但基體不僅起到粘結和賦形作用，同時也會對復合材料整體的物理性能有影響,多元功能體的復合材料可以具有多種功能，同時還有可能由于產(chǎn)生復合效應而出現(xiàn)新的功能。 因此，多功能復合材料成為功能復合材料的發(fā)展方向,功能復合材料的主要設計原則,1）首先考慮關鍵的、主要的性能； （2）兼顧其它性能； （3）選擇性能分散性小的原材料; （4）采取的成型工藝盡可能簡單、方便； （5）經(jīng)濟性合理,復合

43、材料設計的目的：提高材料的綜合性能,也就是材料的優(yōu)值,材料的優(yōu)值：是由幾個物理量綜合起來對材料的使用性能進行評價的量。 復合材料有很多途徑以達到高優(yōu)值，即按照要求調(diào)整其特有的參數(shù)，經(jīng)設計來滿足材料有關的物理量組元。也可通過復合材料的復合效應設計制造各種功能復合材料,18.3.2.2 功能復合材料的設計特點,復合材料的最大特點在于它的可設計性。 因此，在給定的性能要求、使用環(huán)境及經(jīng)濟條件限制的前提下，從材料的選擇途徑和工藝結構途徑上進行設計,1）具有提高材料優(yōu)值的廣泛途徑和自由度 調(diào)整復合度 復合度是參與復合各組分的體積（質(zhì)量）分數(shù)。 調(diào)整聯(lián)接方式 復合材料中各組分在三維空間中互相連接的形式可任

44、意調(diào)整。 調(diào)整對稱性 對稱性是功能復合材料組分在空間幾何布局上的特征。不同功能復合材料的對稱性須選用不同的描述方法。如，0-3型（球形顆粒分散在基體中）復合材料各向同性；1-3型（針行顆粒按一定方向排列）產(chǎn)生雙折射行為；2-2型（片狀顆粒分散在基體中）則出現(xiàn)負光性。 調(diào)整尺寸 當功能體尺寸從微米、亞微米減小到納米時，原有的宏觀物理性質(zhì)會發(fā)生變化。這是由于物體尺寸減小時表面原子數(shù)增多引起的。 調(diào)整周期性,2）可利用復合效應創(chuàng)造新型復合功能材料,例如，利用線性效應的混合法則，通過合理鋪設可以設計出某一溫度區(qū)間膨脹系數(shù)為零或接近于零的構件,又如XY平面是壓電，XZ平面呈電致發(fā)光性，通過鋪層設計可以得

45、到YZ平面壓致發(fā)光的復合材料,模仿生物體中的纖維和基體的合理分布，通過數(shù)據(jù)庫和計算機輔助設計可望設計出性能優(yōu)良的仿生功能材料,材料在復合后所得的復合材料，依據(jù)其產(chǎn)生復合效應的特征，可分為兩大類： 一類復合效應為線性效應； 另一類則為非線性效應。 在這兩類復合效應中，又可以顯示出不同的特征,18.3.3 功能復合材料的復合效應,不同復合效應的類別,下表列出了不同復合效應的類別,平均效應 是復合材料所顯示的最典型的一種復合效應。它可以表示為,式中，為材料性能，為材料體積含量，角標c、m、f分別表示復合材料、基體和增強體（或功能體,復合材料的某些功能性質(zhì)，例如電導、熱導、密度和彈性模量等服從平均效應

46、這一規(guī)律。 例如，復合材料的彈性模量，若用混合率來表示，則為,平行效應 顯示這一效應的復合材料，它的各組分材料在復合材料中，均保留本身的作用，既無制約，也無補償,對于增強體（如纖維）與基體界面結合很弱的復合材料，所顯示的復合效應，可以看作是平行效應,相補效應 組成復合材料的基體與增強體，在性能上相互補充，從而提高了綜合性能，則顯示出相補效應,對于脆性的高強度纖維增強體與韌性基體復合時，兩相間若能得到適宜的結合而形成的復合材料，其性能顯示為增強體與基體的互補,相抵效應 基體與增強體組成復合材料時，若組分間性能相互制約，限制了整體性能提高，則復合后顯示出相抵效應,例如，脆性的纖維增強體與韌性基體組

47、成的復合材料，當兩者界面結合很強時，復合材料整體顯示為脆性斷裂,在玻璃纖維增強塑料中，當玻璃纖維表面選用適宜的硅烷偶聯(lián)劑處理后，與樹脂基體組成的復合材料，由于強化了界面的結合，故致使材料的拉伸強度比未處理纖維組成的復合材料可高出30-40%，而且濕態(tài)強度保留率也明顯提高,但是，這種強結合的界面同時卻導致了復合材料沖擊性能的降低。 因此，在金屬基、陶瓷基增強復合材料中，過強的界面結合不一定是最適宜的,相補效應和相抵效應常常是共同存在的。 顯然，相補效應是希望得到的，而相抵效應要盡量能夠避免。 所有這些，可通過相應復合材料的設計來加以實現(xiàn),乘積效應 兩種具有轉(zhuǎn)換效應的材料復合在一起，即可發(fā)生乘積效

48、應。 乘積效應是在復合材料兩組分之間產(chǎn)生可用乘積關系表達的協(xié)同作用。 例如，把具有電磁效應的材料與具有磁光效應的材料復合時，將可能產(chǎn)生具有電光效應的復合材料,因此，通?？梢詫⒁环N具有兩種性能相互轉(zhuǎn)換的功能材料X/Y和另一種換能材料Y/Z復合起來，可用下列通式來表示，即,式中，、分別表示各種物理性能。 上式符合乘積表達式，所以稱之為乘積效應,相乘效應的組合可以非常廣泛，已被用于設計功能復合材料。 常用的物理乘積效應見下表所示,熱-形變材料（X/Y）與另一種形變-電導材料（Y/Z）復合，其效果就是 即由于兩組分的協(xié)同作用得到一種新的熱-電導功能復合材料,復合材料的乘積效應,誘導效應 在一定條件下，

49、復合材料中的一個組分材料可以通過誘導作用使另一個組分材料的結構改變，從而改變整體性能或產(chǎn)生新效應。 這種誘導行為已在很多實驗中發(fā)現(xiàn)，同時也在復合材料界面的兩側(cè)發(fā)現(xiàn),例如，結晶的纖維增強體對非晶基體的誘導結晶或晶形基體的晶形取向產(chǎn)生作用。 在碳纖維增強尼龍或聚丙烯中，由于碳纖維表面對基體的誘導作用，致使界面上的結晶狀態(tài)與數(shù)量發(fā)生了改變，如出現(xiàn)橫向穿晶等，這種效應對尼龍或聚丙烯起著特殊的作用,共振效應 兩個相鄰的材料在一定條件下，會產(chǎn)生機械的或電、磁的共振。 由不同材料組成的復合材料，其固有頻率不同于原組分的固有頻率，當復合材料中某一部位的結構發(fā)生變化時，復合材料的固有頻率也會發(fā)生改變,利用共振效

50、應，可以根據(jù)外來的工作頻率，改變復合材料固有頻率而避免材料在工作時引起的破壞。 對于吸波材料，同樣可以根據(jù)外來波長的頻率特征，調(diào)整復合頻率，達到吸收外來波的目的,系統(tǒng)效應 這是材料的一種復雜效應，至目前為止，這一效應的機理尚不很清楚，但在實際現(xiàn)象中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這種效應的存在,例如，交替疊層鍍膜的硬度大于原來各單一鍍膜的硬度和按線性混合率估算值，說明組成了復合系統(tǒng)才能出現(xiàn)的現(xiàn)象,彩色膠片是以紅、藍、黃三色感光材料膜組成一個系統(tǒng)，能顯示出各種色彩，單獨存在即無此作用。這也是系統(tǒng)效應的例子,平均效應、乘積效應、平行效應、誘導效應、相補效應、共振效應、相抵效應、系統(tǒng)效應等各種復合效應，都是復合材料科學所研

51、究的對象和重要內(nèi)容，這也是開拓新型復合材料，特別是功能型復合材料的基礎理論問題,18.3.4 功能復合材料分類,18.3.5 功能復合材料制造方法,傳統(tǒng)的方法與結構復合材料成型方法基本相同，主要取決于基體,新興的制備技術： （1）以材料合成過程中于基體中產(chǎn)生彌散相且與母體有良好相容性、無重復污染為特色的原位復合技術； （2）以自放熱、自潔凈和高活性、亞穩(wěn)結構產(chǎn)物為特色的自蔓延復合技術； （3）以組分、結構及性能漸變?yōu)樘攸c的梯度復合技術； （4）以攜帶電荷基體通過交替的靜電引力來形成層狀高密度、納米級均勻分散材料為特點的分子自組裝技術； 仿生技術、凝膠澆注技術、微波合成與燒成技術,18.3.6

52、功能特性的可靠性控制,可靠性控制的難度和復雜性非常高，原因： （1）組分材料的多重性； （2）材料-結構工藝的同步性,復合材料可靠性目前存在的問題： （1）材料特性知識的缺乏； （2）材料性能的分散性； （3）制備工藝的不穩(wěn)定性； （4）試驗方法的不完善； （5）統(tǒng)計數(shù)據(jù)不足； （6）對復合材料性能隨時間變化的規(guī)律和知識掌握不夠,18.3.7 功能復合材料發(fā)展方向,1）由單功能向雙功能、多功能化發(fā)展； （2）由功能向機敏、智能化方向發(fā)展； （3）功能-承力一體與輕量化； （4）功能體的高性能化與微細化； （5）使用性能的穩(wěn)定性與長壽命； （6）高精度的設計技術與設計制造一體化； （7）無余量成

53、型與低成本制造技術,18.4 多孔硅材料,主要內(nèi)容,多孔硅 1. 多孔硅的結構特征； 2. 多孔硅的發(fā)光機理； 納米晶硅 納米晶硅的發(fā)光特性,Si,硅是當代微電子技術的核心材料，但硅是間接帶隙結構，發(fā)光效率很低(約為10-6)，因而長期以來，被認為不能用于光子學中起關鍵作用的光源,根據(jù)能帶結構的能量與波矢量關系(如下圖所示)，半導體材料可以分為光電性質(zhì)完全不同的兩類，即直接帶隙材料和間接帶隙材料。 在直接帶隙材料中，導帶中的最低能量狀態(tài)與價帶中的最高能量狀態(tài)具有相同的波矢量，即位于動量空間中的同一點上。 在間接帶隙材料中，導帶中的最低能量狀態(tài)與價帶中的最高能量狀態(tài)處在不同的波矢量位置上，即具有

54、不同的動量,直接帶隙與間接帶隙,在直接帶隙材料中，電子在價帶和導帶之間躍遷符合動量守恒條件，因此具有較大的躍遷幾率。 在間接帶隙材料中，電子在價帶和導帶之間躍遷不符合動量守恒條件，光子與電子的相互作用需要在聲子的作用下才能完成，因此躍遷幾率非常低。 所以間接帶隙材料發(fā)光效率比較低，不適合于制作光源。因此多孔硅發(fā)光在光電技術中具有十分重要的意義,硅基發(fā)光材料的探索,集成電路以電子作為信息載體。與光子相比，電子的傳輸速度極低，且受到很多因素的限制。 人們希望以高速發(fā)展的微電子技術為基礎，在相同的半導體材料上同時將電路和光路集成在一起，把光子引進來也作為信息的一種載體,硅基發(fā)光材料的探索,硅是一種間

55、接帶隙材料，它的禁帶寬度約為1.12ev，僅在低溫下才有極弱的光致發(fā)光。 1990年，Canham首先發(fā)現(xiàn)多孔硅(PS)在室溫下可以產(chǎn)生很強的光致可見光。并觀察到PS的結構是由一些直徑小于5nm的晶絲所組成,多孔硅(Porous Silicon,硅在HF溶液中經(jīng)電化學腐蝕，成為多孔狀多孔硅。 孔度：電化學處理時，腐蝕掉的硅的質(zhì)量分數(shù)。 低孔度多孔硅：主要用于集成器件的隔離和SOI材料的絕緣襯底； 高孔度多孔硅(高于70)：可用作發(fā)光材料，孔度越高，發(fā)射光的波長就越短,研究硅基藍光發(fā)射材料的意義,藍光無論在光顯示、光信息處理還是光通信等方面都是極為重要的。從集成光電子學的要求來看，在硅基上實現(xiàn)藍

56、光發(fā)射則意義更大。 在光顯示中，藍色、綠色和紅色是全色顯示的三基色; 在光信息處理中，數(shù)據(jù)的存儲量正比于1/; 因此在水下通信中如采用藍光可以滿足空間分辨率高、探測范圍廣的要求;在光纖通信中，如采用藍光，目前的石英光纖有可能被普通廉價的塑料光纖所取代; 目前研制成功的GaN的制備需要MBE設備或金屬有機物化學氣相沉淀(MOCVD)設備，成本高、技術難度大,多孔硅的結構,研究中發(fā)現(xiàn)，只有高孔度(高于70)的多孔硅才能發(fā)光，而且孔度越高，發(fā)射光的波長就越短。 當孔度達到80以后，相鄰的孔將連通，留下一些孤立的晶柱或晶絲； 鮑希茂等認為，多孔硅是由許多小顆粒組成，顆粒的內(nèi)核是有序的，外面覆蓋一個無序

57、殼層，這些顆粒在空間堆成無規(guī)則的珊瑚狀，有序晶核的排列保持原來單晶的晶向,多孔硅發(fā)光的基本理論,基態(tài)：原子分子的穩(wěn)定態(tài)，即能量最低狀態(tài)； 激發(fā)態(tài)：原子分子中電子處于能量相對較高狀態(tài)，非穩(wěn)定態(tài)； 基態(tài) 躍遷 激發(fā)態(tài) 對于一個給定的電子態(tài)，勢能相對于分子的構型變化稱為“勢能面” 。 基態(tài)和激發(fā)態(tài)的不同并不僅僅局限于能量的高低上，而是表 現(xiàn)在許多方面，例如分子的構型、構象、極性、酸堿性等。在構型上主要表現(xiàn)在鍵長上,多孔硅發(fā)光的基本理論,分子在勢能面間的“跳躍”過程稱為躍遷，相應于電子從一個 軌道跳躍到另一個軌道。 輻射躍遷：即躍遷過程伴隨著光子的放出，包括熒光和磷光過程； 非輻射躍遷：即躍遷過程沒有

58、光子參與，能量以熱或者其他形式耗散，包括內(nèi)轉(zhuǎn)換、系間竄越等,多孔硅的熒光特性,多孔硅的孔度與熒光波長的關系 熒光波長隨多孔硅的孔度增加而移向短波段，即光子能量隨孔度的增加而增大。 低孔度 無熒光發(fā)射； 60 近紅外區(qū) 70以上 熒光從紅外區(qū)進入可見區(qū)； 80以上， 橙光段 藍移現(xiàn)象 多孔硅的電化學處理結束之后切斷電源，繼續(xù)在HF中進行化學腐蝕，這被稱作開路腐蝕，光譜可以繼續(xù)向短波波段移動； 或者化學處理結束后，將樣品從HF溶液中取出后，光譜也會移向短波段。這是由于多孔硅的樣品上吸附了大量的HF溶液，化學腐蝕依然在進行、這種現(xiàn)象稱藍移現(xiàn)象,多孔硅的熒光特性,熒光的退化與恢復。 多孔硅的熒光在空氣

59、中或氧氣中不僅有籃移現(xiàn)象，它的發(fā)光強度也往往隨時間的推移而變化。一般光強隨時間增加而減弱，甚至淬滅；如果加溫或有光照，這個退化過程進行得更快。 但是退化了的多孔硅經(jīng)HF腐蝕，往往可以恢復部分發(fā)光強度；氮氣中進行處理后也可以在一定程度上恢復熒光發(fā)射。 多孔硅熒光瞬態(tài)特性。 多孔硅熒光瞬態(tài)衰減過程不是一個簡單的指數(shù)過程。 文獻報道多孔硅紅光的瞬態(tài)時間常數(shù)為10100us量級，而藍光的瞬態(tài)時間常數(shù)在110ns，相差35個量級,在上述幾種發(fā)光帶中最重要的是S帶(Slow Band，它的衰變時間慢)，因為這種光可以通過電激發(fā)產(chǎn)生,多孔硅的發(fā)光機理量子尺寸模型,Canham提出，采用電化學腐蝕法制備的多孔

60、硅是由密集的、具有納米量級線度和微米量級尺寸的硅絲構成，形成了所謂“量子線”，當空隙密度達80以上，硅絲之間是自由豎立的。 多孔硅的發(fā)光被認為是約束在這些量子線上激子的輻射復合。與體材料相比，一維的量子線的量子尺寸效應導致能隙變大，這也是導致激子結合能增大的一個重要原因。 顯然在一維量子線上，載流子及激子等元激發(fā)態(tài)受周圍環(huán)境的電屏敞作用要弱得多，也就是說，介電常數(shù)要小得多，這也會導致激子的結合能的增大，由此可以解釋多孔硅發(fā)射可見光所表現(xiàn)出的寬能隙效應。 顯然，量子線越細，能隙越大， 越小則結合能也越高，這將導致室溫下及更高溫度下可觀察到發(fā)光，以及發(fā)光峰波長“藍移,多孔硅的發(fā)光機理量子限制發(fā)光中