功能材料(緒論)

1、內容簡介內容簡介本課程包括以下內容本課程包括以下內容緒論緒論 0.5 0.5 學時學時第一章第一章 超導材料超導材料 2.5 2.5 學時學時第二章第二章 儲氫材料儲氫材料 2.0 2.0 學時學時第三章第三章 形狀記憶材料形狀記憶材料 2.0 2.0 學時學時第四章第四章 非晶態(tài)材料非晶態(tài)材料 2.0 2.0 學時學時第五章第五章 磁性材料磁性材料 2.0 2.0 學時學時第六章第六章 半導體材料半導體材料 4.0 4.0 學時學時第七章第七章 光學材料光學材料 3.0 3.0 學時學時第八章第八章 精細功能陶瓷精細功能陶瓷 3.0 3.0 學時學時第九章第九章 功能轉換材料功能轉換材料 3

2、.0 3.0 學時學時功能材料概論功能材料概論，哈爾濱工業(yè)大學出版社，哈爾濱工業(yè)大學出版社，2002 2002 1.1.現代功能材料導論現代功能材料導論，科學出版社，科學出版社，198319832.2.功能材料功能材料，北京航空航天大學出版社，北京航空航天大學出版社，199919993.3.功能材料學概論功能材料學概論，冶金工業(yè)出版社，冶金工業(yè)出版社，199919994.4.現代功能陶瓷現代功能陶瓷，國防工業(yè)出版社，國防工業(yè)出版社，199819985.5.現代功能材料及其應用現代功能材料及其應用, ,化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社,2002,20026.6.功能材料學功能材料學，北京理工大學出版

3、社，北京理工大學出版社,2002,20027.7.新型功能材料新型功能材料，化學工業(yè)出版社，化學工業(yè)出版社,2001,20018.8.新型無機材料新型無機材料，化學工業(yè)出版社，化學工業(yè)出版社,2005,20059.9.信息和功能材料信息和功能材料，宇航出版社，宇航出版社,1998,1998 了解功能材料的分類、用途、功能原理、了解功能材料的分類、用途、功能原理、發(fā)展狀況和趨勢；各種功能材料的主要成分、發(fā)展狀況和趨勢；各種功能材料的主要成分、性能和制備方法。性能和制備方法。 理解和掌握各種功能材料的基本概念、基理解和掌握各種功能材料的基本概念、基本原理。本原理。 重點掌握幾種典型的功能材料的性能

4、、基重點掌握幾種典型的功能材料的性能、基本制備方法和應用本制備方法和應用 。一、一、 概述概述 材料：材料： 可以直接造成制品的物質?？梢灾苯釉斐芍破返奈镔|。支撐支撐2121世紀人類文明大廈的四大支柱技術：世紀人類文明大廈的四大支柱技術：l 材料科學與技術材料科學與技術l 生物科學與技術生物科學與技術l 能源科學與技術能源科學與技術l 信息科學與技術信息科學與技術 人類社會發(fā)展的歷史證明，材料是人類賴以人類社會發(fā)展的歷史證明，材料是人類賴以生存和發(fā)展、征服自然和改造自然的物質基礎，生存和發(fā)展、征服自然和改造自然的物質基礎，同時又是人類社會發(fā)展的先導，它是人類社會進同時又是人類社會發(fā)展的先導，它

5、是人類社會進步的里程碑。歷史上的石器時代、青銅器時代、步的里程碑。歷史上的石器時代、青銅器時代、鐵器時代都是以材料作為時代主要標志的。鐵器時代都是以材料作為時代主要標志的。 然而現代新技術，例如微電子、激光、紅外然而現代新技術，例如微電子、激光、紅外線、空間、能源、計算機、機器人、信息、生物線、空間、能源、計算機、機器人、信息、生物和醫(yī)學等技術領域，對材料的要求已遠遠超出了和醫(yī)學等技術領域，對材料的要求已遠遠超出了結構材料的范圍，即不單是利用材料的強度、硬結構材料的范圍，即不單是利用材料的強度、硬度等力學性能來滿足工程結構上的需要，而且對度等力學性能來滿足工程結構上的需要，而且對材料提出了許多

6、特殊的物理性能要求。例如，要材料提出了許多特殊的物理性能要求。例如，要求材料求材料具有光、電、聲、磁、熱等特殊物理性能具有光、電、聲、磁、熱等特殊物理性能而且可以有效利用。而且可以有效利用。 功能材料：功能材料： 所謂功能材料，是指對光、所謂功能材料，是指對光、 電、磁、熱、氣體、電、磁、熱、氣體、射線、輻射等具有接收、傳輸、存貯、顯示等功射線、輻射等具有接收、傳輸、存貯、顯示等功能以及仿生和生物體適應性的材料。能以及仿生和生物體適應性的材料。功能材料的問世給科學技術帶來了新的突破。功能材料的問世給科學技術帶來了新的突破。石石器、陶瓷、鐵、銅、玻璃、水泥、有機高分子器、陶瓷、鐵、銅、玻璃、水泥

7、、有機高分子（如塑料等）、單晶材料，每一種新型材料的研（如塑料等）、單晶材料，每一種新型材料的研制成功，都引起人類文化和生活的新變化。沒有制成功，都引起人類文化和生活的新變化。沒有半導體材料，便不可能有目前的計算機技術；沒半導體材料，便不可能有目前的計算機技術；沒有耐高溫、高強度的特殊結構材料，便沒有今天有耐高溫、高強度的特殊結構材料，便沒有今天的宇航工業(yè)；沒有低損耗的光導纖維，也就沒有的宇航工業(yè)；沒有低損耗的光導纖維，也就沒有現代的光通訊；沒有有機高分子材料，人們的生現代的光通訊；沒有有機高分子材料，人們的生活也不可能像今天這樣豐富多彩。活也不可能像今天這樣豐富多彩。 l20世紀世紀60年代

8、以來，各種現代新技術的年代以來，各種現代新技術的興起，強烈刺激了功能材料的發(fā)展。同興起，強烈刺激了功能材料的發(fā)展。同時，由于固體物理、固體化學、量子理時，由于固體物理、固體化學、量子理論、結構化學、生物物理和生物化學等論、結構化學、生物物理和生物化學等學科的飛速發(fā)展及各種制備功能材料的學科的飛速發(fā)展及各種制備功能材料的新技術和現代分析測試技術在功能材料新技術和現代分析測試技術在功能材料研究和生產中的實際應用，許多新的功研究和生產中的實際應用，許多新的功能材料不僅已在實驗室中研制出來，而能材料不僅已在實驗室中研制出來，而且已批量生產得到應用，并在不同程度且已批量生產得到應用，并在不同程度上推動或

9、加速了各種現代技術的進一步上推動或加速了各種現代技術的進一步發(fā)展。發(fā)展。 功能材料本身的范圍還沒有公認的嚴格的界定，功能材料本身的范圍還沒有公認的嚴格的界定，故對其分類也就很難有統(tǒng)一的認識。功能材料的分類故對其分類也就很難有統(tǒng)一的認識。功能材料的分類方法很多，常見的分類法有：方法很多，常見的分類法有：1. 1. 按材料的化學鍵分類按材料的化學鍵分類 (1)(1)功能性金屬材料功能性金屬材料(2)(2)功能性無機非金屬材料功能性無機非金屬材料(3)(3)功能性有機材料功能性有機材料(4)(4)功能性復合材料。功能性復合材料。2. 按照材料的某種特殊用途的功能進行分類按照材料的某種特殊用途的功能進

10、行分類（1）超導材料）超導材料當材料的溫度降低到某一溫度，出現電阻為零的非常當材料的溫度降低到某一溫度，出現電阻為零的非常狀態(tài)時稱為超導狀態(tài)，能夠產生超導狀態(tài)的材料稱為狀態(tài)時稱為超導狀態(tài)，能夠產生超導狀態(tài)的材料稱為超導材料。如在液氦溫區(qū)出現超導現象的鈮鈦合金、超導材料。如在液氦溫區(qū)出現超導現象的鈮鈦合金、鈮錫合金，液氮溫區(qū)出現超導現象的陶瓷（如釔鋇銅鈮錫合金，液氮溫區(qū)出現超導現象的陶瓷（如釔鋇銅氧）材料。氧）材料。（2）儲氫材料）儲氫材料在一定條件下，固體的金屬吸附氫而形成氫化金屬并在一定條件下，固體的金屬吸附氫而形成氫化金屬并放出熱，而且這一反應是可逆的，即氫化金屬吸收熱放出熱，而且這一反應

11、是可逆的，即氫化金屬吸收熱后可變成金屬并放出氫。能夠吸收氫并形成氫化物的后可變成金屬并放出氫。能夠吸收氫并形成氫化物的金屬和合金，稱為儲氫材料。這類材料很多，如鎂、金屬和合金，稱為儲氫材料。這類材料很多，如鎂、鎂鎳合金、鈦鐵合金等。利用這種材料可作氫儲運、鎂鎳合金、鈦鐵合金等。利用這種材料可作氫儲運、熱交換用的設備以及鎳氫電池的制造等。熱交換用的設備以及鎳氫電池的制造等。（3）敏感材料）敏感材料敏感材料是對溫度、濕度、氣體、壓力、磁場等敏感敏感材料是對溫度、濕度、氣體、壓力、磁場等敏感的材料，如壓敏材料、熱敏材料、氣敏材料、味敏材的材料，如壓敏材料、熱敏材料、氣敏材料、味敏材料等，它們是制造各

12、種傳感器基本元件的核心材料。料等，它們是制造各種傳感器基本元件的核心材料。（4）分離材料）分離材料分離材料是可以分離液體或氣體中的固體、液體、氣分離材料是可以分離液體或氣體中的固體、液體、氣體溶質的材料。如高分子分離膜、陶瓷類分子篩等。體溶質的材料。如高分子分離膜、陶瓷類分子篩等。這種材料在化工、環(huán)保等部門將能發(fā)揮重要的作用。這種材料在化工、環(huán)保等部門將能發(fā)揮重要的作用。（5）記錄材料）記錄材料在電子工業(yè)和電子計算機中廣泛應用著記錄材料，在電子工業(yè)和電子計算機中廣泛應用著記錄材料，這種材料發(fā)展迅速。記錄材料分為磁記錄材料和光這種材料發(fā)展迅速。記錄材料分為磁記錄材料和光記錄材料，磁記錄材料如錄音

13、磁帶、錄像磁帶、磁記錄材料，磁記錄材料如錄音磁帶、錄像磁帶、磁盤、磁卡和配套的磁粉等；光記錄材料如光盤等，盤、磁卡和配套的磁粉等；光記錄材料如光盤等，光記錄材料可制成容量更大的信息儲存元件。磁記光記錄材料可制成容量更大的信息儲存元件。磁記錄材料正在逐漸被光記錄材料所取代，如磁帶和磁錄材料正在逐漸被光記錄材料所取代，如磁帶和磁盤逐漸被光盤取代。盤逐漸被光盤取代。 在一定溫度條件下能夠記住自己原來的形狀的材料在一定溫度條件下能夠記住自己原來的形狀的材料稱為形狀記憶材料。用鎳鈦形狀記憶合金制作管接稱為形狀記憶材料。用鎳鈦形狀記憶合金制作管接頭作密封件，月面天線等。如過去美國的頭作密封件，月面天線等。

14、如過去美國的F-14戰(zhàn)斗戰(zhàn)斗機上的油管接頭處經常漏油，后來他們采用形狀記機上的油管接頭處經常漏油，后來他們采用形狀記憶合金做油管接頭代替漏油的接頭，順利地解決了憶合金做油管接頭代替漏油的接頭，順利地解決了難題。自難題。自1970年以后，這種飛機使用的油管接頭多年以后，這種飛機使用的油管接頭多達幾十萬個，沒有一個漏過油。道理很簡單，他們達幾十萬個，沒有一個漏過油。道理很簡單，他們在制作接頭時，把接頭的內徑做得略小于油管的外在制作接頭時，把接頭的內徑做得略小于油管的外徑，在連接時，先在低溫下用工具把形狀記憶合金徑，在連接時，先在低溫下用工具把形狀記憶合金的內徑擴大，再把接頭套在兩個油管上，然后用火

15、的內徑擴大，再把接頭套在兩個油管上，然后用火將接頭加熱，接頭立即將接頭加熱，接頭立即“記憶記憶”起原來的內徑往內起原來的內徑往內縮，緊緊地套在油管上，一點縫隙也不留，當然就縮，緊緊地套在油管上，一點縫隙也不留，當然就不會漏油了。不會漏油了。（6）形狀記憶材料）形狀記憶材料3. 按材料的物理性能分類按材料的物理性能分類（1）高強度材料）高強度材料對于承受重載荷而又要求斷面尺寸小的零部件和構對于承受重載荷而又要求斷面尺寸小的零部件和構件，必須使用高強度材料來制作。高強度材料發(fā)件，必須使用高強度材料來制作。高強度材料發(fā)展迅速，種類日益增多，如強化合金結構鋼，當展迅速，種類日益增多，如強化合金結構鋼，

16、當其屈服強度高于其屈服強度高于2200MN/m2時稱為超高強度鋼。時稱為超高強度鋼。另外如強化鈦合金、強化鋁合金、纖維增強復合另外如強化鈦合金、強化鋁合金、纖維增強復合材料等，都是輕質高強度材料。材料等，都是輕質高強度材料。（2）高溫材料）高溫材料承受高溫環(huán)境（熱和氣氛）的侵害和應力作用的材承受高溫環(huán)境（熱和氣氛）的侵害和應力作用的材料，稱為高溫材料。如在料，稱為高溫材料。如在600650溫度下工作溫度下工作的鉻鎳合金鋼，在的鉻鎳合金鋼，在8001200溫度下工作的鎳基、溫度下工作的鎳基、鈷基合金以及耐熱陶瓷等。鈷基合金以及耐熱陶瓷等。 （3）超硬材料）超硬材料材料的硬度，從本質上來分析是物質

17、鍵的強度。材料材料的硬度，從本質上來分析是物質鍵的強度。材料中硬度最高的是金剛石，硬度接近金剛石的材料稱為中硬度最高的是金剛石，硬度接近金剛石的材料稱為超硬材料。這類材料多為陶瓷材料，而且人工合成的超硬材料。這類材料多為陶瓷材料，而且人工合成的具有金剛石晶體結構的立方氮化硼，其硬度僅次于金具有金剛石晶體結構的立方氮化硼，其硬度僅次于金剛石，已成為最有前途的超硬材料。剛石，已成為最有前途的超硬材料。（4）導電材料）導電材料比電阻（也稱電阻率）為比電阻（也稱電阻率）為10-810-5m、能夠傳輸、能夠傳輸電流的材料稱為導電材料。良導電體有電流的材料稱為導電材料。良導電體有Ag、Cu、Au、Al等金

18、屬材料。目前已研究成功導電陶瓷、導電高分等金屬材料。目前已研究成功導電陶瓷、導電高分子材料。子材料。（5）絕緣材料）絕緣材料比電阻為比電阻為1071020m、不能夠導電的材料稱為絕、不能夠導電的材料稱為絕緣材料。如絕緣陶瓷、云母、木材、塑料、橡膠等材緣材料。如絕緣陶瓷、云母、木材、塑料、橡膠等材料，都是工業(yè)上常用的絕緣材料。料，都是工業(yè)上常用的絕緣材料。 （6）半導體材料）半導體材料電阻在導電體與絕緣體之間，即比電阻為電阻在導電體與絕緣體之間，即比電阻為10-5107m的材料稱為半導體材料。如硅、鍺、摻磷硅、的材料稱為半導體材料。如硅、鍺、摻磷硅、摻磷鍺、摻鋁硅、摻鋁鍺、鈦酸鋇、鈦酸鈣等材料，

19、摻磷鍺、摻鋁硅、摻鋁鍺、鈦酸鋇、鈦酸鈣等材料，都是目前工業(yè)上使用的半導體材料。都是目前工業(yè)上使用的半導體材料。（7）磁性材料）磁性材料物質在磁場中受到磁力線的作用，將顯示出特有的磁物質在磁場中受到磁力線的作用，將顯示出特有的磁學性質，可以應用其特有磁性的物質稱為磁性材料。學性質，可以應用其特有磁性的物質稱為磁性材料。根據各種材料磁學性質的不同，這類材料又可分為軟根據各種材料磁學性質的不同，這類材料又可分為軟磁材料、硬磁材料、順磁材料和非磁材料等。磁材料、硬磁材料、順磁材料和非磁材料等。（8）透光材料）透光材料光線透過時其強度降低較少的材料稱為透光材料。透光線透過時其強度降低較少的材料稱為透光材

20、料。透明玻璃就是一種常見的透光材料，這是一種含鐵及其明玻璃就是一種常見的透光材料，這是一種含鐵及其它雜質很少的玻璃。此外，石英及高分子有機玻璃也它雜質很少的玻璃。此外，石英及高分子有機玻璃也都是透光性好的材料。都是透光性好的材料。 4. 按材料發(fā)生的物理效應分類按材料發(fā)生的物理效應分類（1）壓電材料）壓電材料在晶體上施加壓應力時，會引起極化而出現壓電現在晶體上施加壓應力時，會引起極化而出現壓電現象。壓電材料有水晶、鈦酸鋇、磷酸二氫胺等，近象。壓電材料有水晶、鈦酸鋇、磷酸二氫胺等，近期發(fā)展起來的鈦酸鋇期發(fā)展起來的鈦酸鋇-鈦酸鈣系和鋯鈦酸鉛等都是有鈦酸鈣系和鋯鈦酸鉛等都是有價值的壓電材料。價值的壓電材料。（2）熱電材料）熱電材料這類材料在溫度作用下產生熱電效應，由熱能直接這類材料在溫度作用下產生熱電效應，由熱能直接轉變?yōu)殡娔芑蛴呻娔苻D變?yōu)闊崮?，可用于制造引燃轉變?yōu)殡娔芑蛴呻娔苻D變?yōu)闊崮埽捎糜谥圃煲家骷?。引爆器件等?（3 3）鐵電材料）鐵電材料所謂鐵電材料，是指材料的晶體結構在不加外電場時所謂鐵電材料，是指材料的晶體結構在不加外電場時就具有