材料科學(xué)與工程學(xué)導(dǎo)論—第四章—功能材料

1、材料科學(xué)與工程導(dǎo)論材料科學(xué)與工程導(dǎo)論EngineeringScience第四章第四章功能材料功能材料本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容：超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料納米材料納米材料能源材料能源材料熱電材料熱電材料生物醫(yī)學(xué)材料生物醫(yī)學(xué)材料功能陶瓷材料功能陶瓷材料功能高分子材料功能高分子材料功能材料功能材料概述概述什么是什么是“功能材料功能材料” ？功能材料：具有某種優(yōu)良的電學(xué)、磁學(xué)、功能材料：具有某種優(yōu)良的電學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)功能及熱學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)功能及其相互轉(zhuǎn)化的功能，被用于非結(jié)構(gòu)目的高其相互轉(zhuǎn)化的功能，被用于非結(jié)構(gòu)目的高技術(shù)材料。技術(shù)材料。功能材料功能材料功能材料功能材料:超

2、導(dǎo)材料超導(dǎo)材料納米材料納米材料能源材料能源材料熱電材料熱電材料生物醫(yī)學(xué)材料生物醫(yī)學(xué)材料功能陶瓷材料功能陶瓷材料功能高分子材料功能高分子材料概述概述功能材料功能材料超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料什么是什么是“超導(dǎo)現(xiàn)象超導(dǎo)現(xiàn)象”、“超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料”？超導(dǎo)現(xiàn)象超導(dǎo)現(xiàn)象超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料1911年荷蘭低溫物理學(xué)家年荷蘭低溫物理學(xué)家H. K.Onnes發(fā)現(xiàn)有些物質(zhì)從特定的溫發(fā)現(xiàn)有些物質(zhì)從特定的溫度開始會轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆珱]有電阻的度開始會轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆珱]有電阻的狀態(tài)，這就是所謂的超導(dǎo)現(xiàn)象。狀態(tài)，這就是所謂的超導(dǎo)現(xiàn)象。超導(dǎo)材料：在一定溫度以下，材料超導(dǎo)材料：在一定溫度以下，材料電阻為零，物體內(nèi)部失去磁通成為電阻為零，物體內(nèi)部失去磁

3、通成為完全抗磁性的物質(zhì)。這一特定溫度完全抗磁性的物質(zhì)。這一特定溫度稱為轉(zhuǎn)變溫度、或臨界溫度稱為轉(zhuǎn)變溫度、或臨界溫度Tc。功能材料功能材料年代年代現(xiàn)象與成果現(xiàn)象與成果超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料超超導(dǎo)導(dǎo)現(xiàn)現(xiàn)象象發(fā)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)與與超超導(dǎo)導(dǎo)理理論論發(fā)發(fā)展展1911年年1931年年1950年年1956年年1957年年1962年年1986年年1993年年荷蘭人荷蘭人Onnes發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)的正常超導(dǎo)轉(zhuǎn)變是相變；發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)的正常超導(dǎo)轉(zhuǎn)變是相變；發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)具有完全抗磁性具有完全抗磁性提出電子間通過聲子相互作用作為超導(dǎo)電性的提出電子間通過聲子相互作用作為超導(dǎo)電性的微觀機制微觀機制提出超導(dǎo)態(tài)中的電子是兩

4、兩束縛在一起，不是提出超導(dǎo)態(tài)中的電子是兩兩束縛在一起，不是普通的自由電子普通的自由電子超導(dǎo)微觀理論發(fā)表超導(dǎo)微觀理論發(fā)表從理論上預(yù)言了超導(dǎo)體隧道效應(yīng)從理論上預(yù)言了超導(dǎo)體隧道效應(yīng)高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)。超導(dǎo)陶瓷材料，轉(zhuǎn)變溫度高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)。超導(dǎo)陶瓷材料，轉(zhuǎn)變溫度在在30K以上。以上。Hg-Ba-Ca-Cu-O氧化物體系超導(dǎo)材料，轉(zhuǎn)變氧化物體系超導(dǎo)材料，轉(zhuǎn)變溫度已達溫度已達130K以上以上材材料料本本特特功能材料功能材料超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料超超導(dǎo)導(dǎo)零電阻效應(yīng)零電阻效應(yīng)物質(zhì)在一特定的溫度下沒有電阻。零電阻是物質(zhì)在一特定的溫度下沒有電阻。零電阻是超導(dǎo)體的基本特征之一，稱為零電阻效應(yīng)。超導(dǎo)體的基本特征之一，稱為零

5、電阻效應(yīng)。的的兩兩個個邁斯納效應(yīng)邁斯納效應(yīng)基基超導(dǎo)態(tài)的物質(zhì)完全排斥磁場，即磁力線不能超導(dǎo)態(tài)的物質(zhì)完全排斥磁場，即磁力線不能進入超導(dǎo)體內(nèi)部。這一特征稱為完全抗磁性進入超導(dǎo)體內(nèi)部。這一特征稱為完全抗磁性征征或邁斯納效應(yīng)?；蜻~斯納效應(yīng)。超導(dǎo)磁懸浮的物理基礎(chǔ)超導(dǎo)磁懸浮的物理基礎(chǔ)超超導(dǎo)導(dǎo)材材的的臨臨界界參參功能材料功能材料超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料料料臨界溫度臨界溫度臨界磁場臨界磁場具有超導(dǎo)現(xiàn)象的材料稱為超導(dǎo)材料，這一具有超導(dǎo)現(xiàn)象的材料稱為超導(dǎo)材料，這一特定溫度稱為轉(zhuǎn)變溫度、或臨界溫度特定溫度稱為轉(zhuǎn)變溫度、或臨界溫度Tc。溫度低于溫度低于Tc時，當(dāng)磁場值超過某一臨界值時，當(dāng)磁場值超過某一臨界值Hc時，材料就從超導(dǎo)

6、態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，時，材料就從超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，Hc就稱為臨界磁場。就稱為臨界磁場。數(shù)數(shù)臨界電流密度臨界電流密度當(dāng)電流密度當(dāng)電流密度J超過某一值超過某一值Jc時，超導(dǎo)體出時，超導(dǎo)體出現(xiàn)電阻現(xiàn)象，現(xiàn)電阻現(xiàn)象，Jc就稱為臨界電流密度。就稱為臨界電流密度。超超材材料料分分類類：應(yīng)應(yīng)范范圍圍功能材料功能材料強電超導(dǎo)材料強電超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料可承受大電流和強磁場可承受大電流和強磁場導(dǎo)導(dǎo)Nb3Sn為代表。在溫度為代表。在溫度4.2K和磁場和磁場8.8T的的情況下可達到情況下可達到104A/cm2的電流密度。的電流密度。超導(dǎo)電子材料超導(dǎo)電子材料利用約瑟夫結(jié)效應(yīng)，僅利用約瑟夫結(jié)效應(yīng)，僅涉及小電流和弱磁場

7、涉及小電流和弱磁場用用一種弱電應(yīng)用的超導(dǎo)材料。多數(shù)是將超導(dǎo)體一種弱電應(yīng)用的超導(dǎo)材料。多數(shù)是將超導(dǎo)體做成薄膜，再加工成元器件。如鉛膜氧化做成薄膜，再加工成元器件。如鉛膜氧化鉛膜鉛膜做成的鉛膜鉛膜做成的SIS型約瑟夫森結(jié)。型約瑟夫森結(jié)。功能材料功能材料超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料超超導(dǎo)導(dǎo)材材元素元素超導(dǎo)體超導(dǎo)體合金合金超導(dǎo)體超導(dǎo)體化合物化合物超導(dǎo)體超導(dǎo)體氧化物氧化物超導(dǎo)體超導(dǎo)體料料分分類類：化化學(xué)學(xué)組組Ti，V，Zr，Nb，Mo，Ta，W，ReBi，Al，SnCd，PbNb-Zr系系Nb-Ti系系Nb-Zr-Ti系系Nb-Ti-Ta系系Nb3GeV3GaNb3AlNb3(AlGe)La2CuO3YBa2Cu2

8、OBi-Sr-Cu-OTa-Ba-Ca-Cu-O成成轉(zhuǎn)變溫度轉(zhuǎn)變溫度,TCNbNbCV3Si液氦液氦功能材料功能材料超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料?超超導(dǎo)導(dǎo)材材料料Tc(K)180160140120Ba-Ca-Cu-O#Hg-Ba-Ca-Cu-OTl-Ba-Ca-Cu-OHg-Ba-Ca-Cu-O甲烷甲烷Ba-Ca-Cu-O提提高高年年表表10080604020 Hg Pb01900 1920Bi-Sr-Ca-Cu-OY-Ba-Cu-OLa-Ba-Cu-O#La-Ba-Cu-O#Nb GeNb3Sn 3Nb-Al-Ge1940 1960 19802000液氮液氮Mg-BLa-Ba-Cu-OMWNTs年代年代

9、#：加壓：加壓高高導(dǎo)導(dǎo)材材提提高高功能材料功能材料超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料高溫超導(dǎo)材料：高溫超導(dǎo)材料：臨界溫度臨界溫度Tc達到液氮（達到液氮（77K）以上）以上溫溫超超第一代鑭系第一代鑭系的超導(dǎo)材料。的超導(dǎo)材料。La Cu Ba氧化物為代表，氧化物為代表，臨界溫度：臨界溫度：Tc= 91K。料料第二代釔系第二代釔系第三代鉍系第三代鉍系第四代鉈系第四代鉈系Y Ba Cu氧化物為代表，氧化物為代表，臨界溫度：臨界溫度：Tc= 92.3K。Bi Ca Cu氧化物為代表，氧化物為代表，臨界溫度：臨界溫度：Tc= 114-120K。Tl Ca Ba-Cu氧化物為代表，氧化物為代表，臨界溫度：臨界溫度：Tc= 1

10、22-125K。Tc不不斷斷溫溫超超導(dǎo)導(dǎo)材材料料功能材料功能材料超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料高高含銅高溫超導(dǎo)材料含銅高溫超導(dǎo)材料1。鑭鋇銅氧化物系（。鑭鋇銅氧化物系（Tc=36K）。）。2。釔鋇銅氧化物系（。釔鋇銅氧化物系（ Tc=93K）。）。3。鉍鍶鈣銅氧化物系（。鉍鍶鈣銅氧化物系（ Tc=110K，85K）。）。4。鉈鋇鈣銅氧化物系（。鉈鋇鈣銅氧化物系（ Tc=125K）。）。5。汞鋇鈣銅氧化物系（。汞鋇鈣銅氧化物系（ Tc=133K）。）。不含銅高溫超導(dǎo)材料不含銅高溫超導(dǎo)材料1。鋇鉀鉍氧系（。鋇鉀鉍氧系（Tc=30K）。）。2。MgB2（Tc=93K）高高功能材料功能材料釔鋇銅氧高溫超導(dǎo)材料釔鋇銅

11、氧高溫超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料溫溫超超導(dǎo)導(dǎo)材材料料RE2O3,CeO2,YSZ,LMO,STOMgO，YSZ，GZO，TiNPolycrystalline Substrate:SS, Hastelloy, AgYBCO超超導(dǎo)導(dǎo)材材料料的的應(yīng)應(yīng)用用功能材料功能材料超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料 同步加速器中超導(dǎo)磁體的同步加速器中超導(dǎo)磁體的應(yīng)用應(yīng)用 電子顯微鏡中超導(dǎo)磁體的應(yīng)用電子顯微鏡中超導(dǎo)磁體的應(yīng)用超導(dǎo)儲能超導(dǎo)儲能科學(xué)研究領(lǐng)域科學(xué)研究領(lǐng)域 核磁共振成像技術(shù)核磁共振成像技術(shù) 約瑟夫結(jié)器件約瑟夫結(jié)器件超導(dǎo)懸浮列車超導(dǎo)懸浮列車超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料醫(yī)學(xué)和生物醫(yī)學(xué)和生物學(xué)應(yīng)用學(xué)應(yīng)用 超導(dǎo)受控?zé)岷朔磻?yīng)堆超導(dǎo)受控?zé)岷朔磻?yīng)堆 超

12、導(dǎo)磁流體發(fā)電機超導(dǎo)磁流體發(fā)電機開發(fā)新能源開發(fā)新能源節(jié)約能源節(jié)約能源 超導(dǎo)輸電超導(dǎo)輸電 超導(dǎo)發(fā)電機超導(dǎo)發(fā)電機和電動機和電動機 超導(dǎo)變壓器超導(dǎo)變壓器超超導(dǎo)導(dǎo)材材料料的的應(yīng)應(yīng)功能材料功能材料超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料用用2000A超導(dǎo)電纜超導(dǎo)電纜磁懸浮列車磁懸浮列車核磁共振設(shè)備核磁共振設(shè)備功能材料功能材料納米材料納米材料什么是什么是“納米材料納米材料”？納米材料通常定義為材料的顯微結(jié)納米材料通常定義為材料的顯微結(jié)構(gòu)中，包括顆粒直徑、晶粒大小、構(gòu)中，包括顆粒直徑、晶粒大小、晶界、厚度等特征尺寸都處于納米晶界、厚度等特征尺寸都處于納米尺寸水平的材料。其性能發(fā)生突變尺寸水平的材料。其性能發(fā)生突變的材料。的材料。料料

13、的的特特點點納納功能材料功能材料納米材料納米材料米米材材界面結(jié)構(gòu)界面結(jié)構(gòu)界面占有可與微粒整體相比的體積分界面占有可與微粒整體相比的體積分?jǐn)?shù)。納米晶體的界面結(jié)構(gòu)既不是非晶數(shù)。納米晶體的界面結(jié)構(gòu)既不是非晶態(tài)的長程有序，也不是非晶態(tài)的短程態(tài)的長程有序，也不是非晶態(tài)的短程有序。而是一種類似于氣態(tài)的更無序有序。而是一種類似于氣態(tài)的更無序排列的結(jié)構(gòu)。排列的結(jié)構(gòu)。材材料料的的特特功能材料功能材料納米材料納米材料納納米米晶粒結(jié)構(gòu)晶粒結(jié)構(gòu)納米尺寸的晶粒結(jié)構(gòu)與完整晶格也有差異。納米尺寸的晶粒結(jié)構(gòu)與完整晶格也有差異。納米晶粒在一定程度上表現(xiàn)出點畸變效應(yīng)，納米晶粒在一定程度上表現(xiàn)出點畸變效應(yīng)，點陣常數(shù)偏離平衡值。點陣

14、常數(shù)偏離平衡值。點點晶界偏聚晶界偏聚納米晶體中，溶質(zhì)原子或雜質(zhì)原子易在納米晶體中，溶質(zhì)原子或雜質(zhì)原子易在晶界上偏聚，從而降低晶界能。晶界上偏聚，從而降低晶界能。8功能材料功能材料納米材料納米材料納納表面效應(yīng)表面效應(yīng)米米材材料料1cm1nm的的特特點點個數(shù)個數(shù)總體積總體積總面積總面積棱邊數(shù)棱邊數(shù)頂角數(shù)頂角數(shù)11cm 36cm 21210211cm 36000m 2121021條條81021個個10211102110211021功能材料功能材料納米材料納米材料納納米米材材料料的的特特點點表面效應(yīng)表面效應(yīng)米米材材料料功能材料功能材料納米材料納米材料納納表面效應(yīng)表面效應(yīng)表面原子隨顆粒粒徑的變化規(guī)律表面

15、原子隨顆粒粒徑的變化規(guī)律粒徑（粒徑（nm）總原子數(shù)總原子數(shù)表面原子數(shù)表面原子數(shù)/總原子數(shù)總原子數(shù)的的特特點點125102010030250400310425104310790804020102納納米米材材料料功能材料功能材料納米材料納米材料小尺寸效應(yīng)小尺寸效應(yīng)隨著顆粒尺寸的量變，在一定條隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變，由于顆粒尺寸變小件下會引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變，由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。的的特特點點顆粒大小顆粒大小金熔點金熔點常態(tài)常態(tài)106410nm10372nm327納米金屬具有超塑延展性，納米銅納

16、米金屬具有超塑延展性，納米銅在室溫下竟可延伸在室溫下竟可延伸50多倍而多倍而“不折不折不撓不撓”。納納米米材材料料的的特特點點功能材料功能材料納米材料納米材料量子效應(yīng)量子效應(yīng)對納米顆粒而言，大塊材料中對納米顆粒而言，大塊材料中連續(xù)的能帶將分裂為分立的能級，能級間的間連續(xù)的能帶將分裂為分立的能級，能級間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。當(dāng)熱能、電場能或距隨顆粒尺寸減小而增大。當(dāng)熱能、電場能或者磁場能比平均的能級間距還小時，就會呈現(xiàn)者磁場能比平均的能級間距還小時，就會呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之為量子效應(yīng)。為量子效應(yīng)。粒徑小于粒徑小于20nm的納米

17、銀會變成絕緣體。的納米銀會變成絕緣體。原本導(dǎo)電的銅到某一納米界限就不導(dǎo)電。原本導(dǎo)電的銅到某一納米界限就不導(dǎo)電。的的性性能能功能材料功能材料納米材料納米材料納納米米材材料料力學(xué)性能力學(xué)性能強度高強度高例如納米銅的屈服強度高達例如納米銅的屈服強度高達350MPa，而冷扎，而冷扎態(tài)晶銅為態(tài)晶銅為260MPa，退火態(tài)粗晶銅為，退火態(tài)粗晶銅為70MPa。塑性低塑性低納米材料的塑性都很低，且塑性隨晶粒的減小納米材料的塑性都很低，且塑性隨晶粒的減小而降低。主要原因是缺陷密度增加。而降低。主要原因是缺陷密度增加。彈性模量彈性模量納米材料的彈性模量比多晶材料低納米材料的彈性模量比多晶材料低1550。料料的的性性

18、能能功能材料功能材料納米材料納米材料納納米米熱學(xué)性能熱學(xué)性能材材納米材料界面體積分?jǐn)?shù)大，具有較大的納米材料界面體積分?jǐn)?shù)大，具有較大的總界面能，使其熔點大大下降?？偨缑婺埽蛊淙埸c大大下降。納米材料的熱容比多晶材料的大。納米材料的熱容比多晶材料的大。材材料料制制功能材料功能材料納米材料納米材料納納氣相冷凝法氣相冷凝法米米其中納米微粒采用氣相冷凝制得。然后再通過壓其中納米微粒采用氣相冷凝制得。然后再通過壓制、燒結(jié)等環(huán)節(jié)制備納米材料的方法。制、燒結(jié)等環(huán)節(jié)制備納米材料的方法。備備方方球磨法球磨法法法球磨法可以降低粉粒尺寸，固態(tài)合金化、混合或球磨法可以降低粉粒尺寸，固態(tài)合金化、混合或融合，以及改變粉粒的

19、形狀。球磨法可以制備納融合，以及改變粉粒的形狀。球磨法可以制備納米晶純金屬、不互溶體系的固溶體納米晶、納米米晶純金屬、不互溶體系的固溶體納米晶、納米非晶、納米金屬間化合物以及納米金屬陶瓷復(fù)非晶、納米金屬間化合物以及納米金屬陶瓷復(fù)合材料等。合材料等。材材料料制制備備功能材料功能材料納米材料納米材料納納米米非晶晶化法非晶晶化法先將原料用急冷技術(shù)制成非晶薄帶或薄膜，控先將原料用急冷技術(shù)制成非晶薄帶或薄膜，控制晶化退火時間和溫度，使非晶全部或部分晶制晶化退火時間和溫度，使非晶全部或部分晶化，生成尺寸為納米級的粉粒。化，生成尺寸為納米級的粉粒。方方法法溶膠凝膠法溶膠凝膠法將易于水解的金屬化合物與水溶劑中

20、水發(fā)生將易于水解的金屬化合物與水溶劑中水發(fā)生水解與縮聚反應(yīng)而逐漸凝膠化，再講過干水解與縮聚反應(yīng)而逐漸凝膠化，再講過干燥、燒結(jié)等過程，可制得納米材料。燥、燒結(jié)等過程，可制得納米材料。納納米米功能材料功能材料納米材料的內(nèi)涵不斷擴大納米材料的內(nèi)涵不斷擴大納米顆粒納米顆粒 納米線（絲、管）納米線（絲、管）納米材料納米材料介孔材料介孔材料材材料料發(fā)發(fā)展展趨趨勢勢納米材料的制備技術(shù)不斷發(fā)展納米材料的制備技術(shù)不斷發(fā)展模板制備技術(shù)、粉末冶金技術(shù)、非水熱合成技術(shù)模板制備技術(shù)、粉末冶金技術(shù)、非水熱合成技術(shù) 納納米米材材料料發(fā)發(fā)展展勢勢功能材料功能材料納米材料納米材料納米科技由基礎(chǔ)研究向技術(shù)應(yīng)用轉(zhuǎn)化，其產(chǎn)業(yè)應(yīng)納米科

21、技由基礎(chǔ)研究向技術(shù)應(yīng)用轉(zhuǎn)化，其產(chǎn)業(yè)應(yīng)用成為關(guān)注焦點。用成為關(guān)注焦點。美國國家科學(xué)基金會預(yù)測，未來美國國家科學(xué)基金會預(yù)測，未來15-20年，全球納年，全球納米市場規(guī)模達米市場規(guī)模達1萬億美元萬億美元/年年。趨趨納米科技與其他學(xué)科的交叉融合加速納米科技與其他學(xué)科的交叉融合加速納米科技向物理、化學(xué)、材料、信息、生物、醫(yī)納米科技向物理、化學(xué)、材料、信息、生物、醫(yī)學(xué)、國防、環(huán)境、能源、農(nóng)業(yè)和食品等不同領(lǐng)域?qū)W、國防、環(huán)境、能源、農(nóng)業(yè)和食品等不同領(lǐng)域滲透。滲透。納納米米功能材料功能材料納米材料納米材料逐漸轉(zhuǎn)向以加工和器件為核心的材料研究逐漸轉(zhuǎn)向以加工和器件為核心的材料研究分子開關(guān)、分子儲存器、單分子整流器等

22、原型分子器件已開發(fā)成功。分子開關(guān)、分子儲存器、單分子整流器等原型分子器件已開發(fā)成功。材材料料發(fā)發(fā)展展趨趨勢勢分子開關(guān)分子開關(guān)納米齒輪納米齒輪單電子晶體管結(jié)構(gòu)單電子晶體管結(jié)構(gòu)納米發(fā)動機組裝的納米汽車納米發(fā)動機組裝的納米汽車納納功能材料功能材料納米材料納米材料納米結(jié)構(gòu)材料、納米復(fù)合材料的應(yīng)用納米結(jié)構(gòu)材料、納米復(fù)合材料的應(yīng)用米米材材料料的的應(yīng)應(yīng)用用納米鋼管納米鋼管納米鈦合金球拍納米鈦合金球拍納米彌散顆粒增強結(jié)構(gòu)材料納米彌散顆粒增強結(jié)構(gòu)材料納米復(fù)合納米復(fù)合納納功能材料功能材料納米材料納米材料納米能源材料、納米凈化材料、納米特種功能材料納米能源材料、納米凈化材料、納米特種功能材料米米材材料料的的應(yīng)應(yīng)用用

23、納米納米TiO2光催化光催化納米能源材料納米能源材料納米納米Pt電極電極納米納米Ag的消毒殺菌的消毒殺菌納納用用米米材材料料的的應(yīng)應(yīng)功能材料功能材料納米生物醫(yī)學(xué)器件納米生物醫(yī)學(xué)器件檢測生物毒性的檢測生物毒性的納米傳感器納米傳感器納米藥物納米藥物納米材料納米材料檢測單分子的檢測單分子的納米傳感器納米傳感器應(yīng)應(yīng)用用功能材料功能材料納米材料納米材料納納米米材材料料的的碳納米管及其應(yīng)用前景碳納米管及其應(yīng)用前景納米齒輪納米齒輪納納米米材材料料的的應(yīng)應(yīng)用用功能材料功能材料納米納米TiO2光催化光催化納米材料納米材料納米納米Ag的消毒殺菌的消毒殺菌功能材料功能材料能源材料能源材料能源危機能源危機約約200年

24、年約約25 年年約約50年年石油石油天然氣天然氣煤炭煤炭按按2000年需求，主要年需求，主要能源預(yù)計可開采年限能源預(yù)計可開采年限新能源新能源功能材料功能材料能源材料能源材料材料在新能源發(fā)展中的作用材料在新能源發(fā)展中的作用把習(xí)用已久的能源變?yōu)樾履茉矗话蚜?xí)用已久的能源變?yōu)樾履茉?；提高儲能和能量轉(zhuǎn)化效果；提高儲能和能量轉(zhuǎn)化效果；確保新能源系統(tǒng)運行的安全和環(huán)境保確保新能源系統(tǒng)運行的安全和環(huán)境保護，尤指核反應(yīng)堆的安全和廢料處理；護，尤指核反應(yīng)堆的安全和廢料處理；決定新能源的投資和運行成本；決定新能源的投資和運行成本；功能材料功能材料能源材料能源材料什么是什么是“新能源材料新能源材料”？新能源材料指正在發(fā)

25、展的，可能支撐新新能源材料指正在發(fā)展的，可能支撐新能源體統(tǒng)的建立，滿足各種新能源及節(jié)能源體統(tǒng)的建立，滿足各種新能源及節(jié)能技術(shù)所要求的一類材料。能技術(shù)所要求的一類材料。功能材料功能材料新能源材料的種類新能源材料的種類新型二次電池材料新型二次電池材料燃料電池材料燃料電池材料太陽電池材料太陽電池材料儲氫材料儲氫材料能源材料能源材料二二次次池池材材料料功能材料功能材料能源材料能源材料二次電池的概念二次電池的概念又稱為又稱為充電電池充電電池，是指在電池放電后可通過充，是指在電池放電后可通過充電的方式使活性物質(zhì)激活而繼續(xù)使用的電池。電的方式使活性物質(zhì)激活而繼續(xù)使用的電池。電電二次電池體系的發(fā)展二次電池體系

26、的發(fā)展鋰離子電池鋰離子電池鉛酸電池鉛酸電池鎳鎘電池鎳鎘電池鎳氫電池鎳氫電池燃料電池燃料電池1993199419951996199719981999200020012002200320042005200620072008功能材料功能材料100%90%能源材料能源材料二二次次電電池池材材80%70%60%50%40%30%20%10%0%料料鎳鎘電池鎳鎘電池鋰氫電池鋰氫電池鋰離子電池鋰離子電池聚合物鋰離子電池聚合物鋰離子電池1993-2008 年全球各類二次電池的市場份額統(tǒng)計和預(yù)測年全球各類二次電池的市場份額統(tǒng)計和預(yù)測功能材料功能材料典型的二次電池體系典型的二次電池體系能源材料能源材料二二 電池系

27、列電池系列 負(fù)極負(fù)極正極正極電性能（理論值）電性能（理論值）次次物質(zhì)物質(zhì)物質(zhì)物質(zhì)電壓電壓/V 比容量比容量/AhKg-1 比能量比能量/AhKg-1電電 鉛酸電池鉛酸電池池池 鎳鎘電池鎳鎘電池材材 鋅鎳電池鋅鎳電池PbCdZnPbO2NiOOHNiOOH2.11.351.70120181189252244321料料 鎳氫電池鎳氫電池 MHNiOOH1.5160240硫鈉電池硫鈉電池鋰電池鋰電池NaLiC6SLiCoO22.14.1345377791697二次電池材料二次電池材料二二功能材料功能材料應(yīng)用：應(yīng)用：能源材料能源材料次次電電鎳氫電池鎳氫電池池池材材料料鋰電池鋰電池燃燃料料電電功能材料功

28、能材料燃料電池體系燃料電池體系能源材料能源材料池池堿性堿性磷酸磷酸熔融碳酸鹽熔融碳酸鹽材材料料質(zhì)子交換膜質(zhì)子交換膜固體氧化物固體氧化物甲醇甲醇甲醇甲醇甲醇甲醇燃料燃料燃燃料料電電池池材材電極電極功能材料功能材料燃料電池體系燃料電池體系能源材料能源材料磷酸型磷酸型熔融碳酸鹽熔融碳酸鹽 固體電解質(zhì)固體電解質(zhì)堿性氫堿性氫-氧氧質(zhì)子交換質(zhì)子交換(PAFC)(MCFC)型型(SOFC)型型(AFC)膜型膜型(第一代第一代) (第二代第二代) (第三代第三代) (PEMFC)天然氣天然氣 煤氣天然氣煤氣天然氣 煤氣天然氣煤氣天然氣 氫氫 氫氫重整氫重整氫氧化劑氧化劑 空氣空氣 空氣空氣 空氣空氣 純氧純氧

29、 空氣空氣磷酸水溶液磷酸水溶液 碳酸鹽碳酸鹽 氧化鋯等氧化鋯等 氫氧化鉀水氫氧化鉀水 全氟磺酸全氟磺酸電解質(zhì)電解質(zhì) （氫離子）（氫離子） (碳酸離子碳酸離子) （氧離子）（氧離子） 溶液（氫氧溶液（氫氧 膜（氫離膜（氫離料料離子）離子）多孔質(zhì)石墨多孔質(zhì)石墨 多孔質(zhì)鎳等多孔質(zhì)鎳等 氧化鎳等氧化鎳等 多孔質(zhì)石墨多孔質(zhì)石墨Pt催化劑催化劑 （不用（不用Pt催催 （不用催化（不用催化 （Pt或或Ni催催子）子）化劑）化劑）劑）劑）燃料電池材料燃料電池材料化劑）化劑）燃燃料料電電池池材材料料功能材料功能材料燃料電池的應(yīng)用燃料電池的應(yīng)用能源材料能源材料太太陽陽電電池池材材料料功能材料功能材料太陽電池發(fā)電的

30、原理太陽電池發(fā)電的原理光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)能源材料能源材料料料功能材料功能材料太陽電池的分類：太陽電池的分類：能源材料能源材料太太陽陽空間用太陽電池空間用太陽電池電電池池材材太陽電池太陽電池地面用太陽電池地面用太陽電池電源用太陽電池電源用太陽電池消費電子產(chǎn)品用消費電子產(chǎn)品用太陽電池太陽電池InPbse2 S功能材料功能材料太陽電池材料：太陽電池材料：能源材料能源材料80-90%以上以上太太陽陽單晶單晶Si電電池池多晶多晶Si非晶非晶Si材材料料CdSGeAlSGACuCuInSe2CdTe太太陽陽電電池池功能材料功能材料太陽電池材料太陽電池材料能源材料能源材料材材料料單晶硅單晶硅多晶硅多晶

31、硅非晶硅非晶硅太太陽陽電電池池材材料料功能材料功能材料太陽電池的應(yīng)用太陽電池的應(yīng)用能源材料能源材料儲儲功能材料功能材料能源材料能源材料儲氫材料：儲氫材料：能以物理或化學(xué)方法保存氫氣而使氫能以物理或化學(xué)方法保存氫氣而使氫氣改變狀態(tài)的材料。氣改變狀態(tài)的材料。氫氫材材料料氫的存儲氫的存儲物理法物理法高壓壓縮法、深冷液化法、高壓壓縮法、深冷液化法、活性碳吸附法等；活性碳吸附法等；金屬氫化物、無機化合物、金屬氫化物、無機化合物、化學(xué)法化學(xué)法 有機液態(tài)氫化物；有機液態(tài)氫化物；功能材料功能材料儲氫材料的分類：儲氫材料的分類：能源材料能源材料儲儲氫氫材材料料活性碳儲氫材料活性碳儲氫材料儲氫合金儲氫合金無機化合

32、物儲氫材料無機化合物儲氫材料有機液體氫化物儲氫材料有機液體氫化物儲氫材料儲儲氫氫材材料料功能材料功能材料典型金屬儲氫材料典型金屬儲氫材料稀土系儲氫合金稀土系儲氫合金LaNi5為代表為代表鎂系儲氫合金鎂系儲氫合金Mg2Ni為代表為代表H能源材料能源材料鈦系儲氫合金鈦系儲氫合金TiFe為代表為代表鋯系儲氫合金鋯系儲氫合金ZrV2等為代表等為代表儲儲氫氫材材料料功能材料功能材料以金屬儲氫材料為例以金屬儲氫材料為例能源材料能源材料LaNi5-TypeREMn + (x+y)H2MgCu2-TypeREMnHx+yCuAu3-TypeREHx + MnHy功能材料功能材料熱電材料熱電材料什么是什么是“熱

33、電材料熱電材料”？能把熱轉(zhuǎn)化為電的材料就稱之為熱電材料。能把熱轉(zhuǎn)化為電的材料就稱之為熱電材料。熱電導(dǎo)材料熱電導(dǎo)材料熱釋電材料熱釋電材料電電材材料料功能材料功能材料熱電材料熱電材料熱電導(dǎo)材料又稱熱敏材料。實質(zhì)上是溫敏熱電導(dǎo)材料又稱熱敏材料。實質(zhì)上是溫敏材料，重要的傳感器材料。材料，重要的傳感器材料。熱熱正溫度系數(shù)熱電材料正溫度系數(shù)熱電材料導(dǎo)導(dǎo)溫度升高，材料的電導(dǎo)率增加。這類材料多半時具有溫度升高，材料的電導(dǎo)率增加。這類材料多半時具有半導(dǎo)性的金屬氧化物和過渡金屬的復(fù)合氧化物半導(dǎo)性的金屬氧化物和過渡金屬的復(fù)合氧化物負(fù)溫度系數(shù)熱電材料負(fù)溫度系數(shù)熱電材料溫度升高，材料的電導(dǎo)率下降。這類材料主要是摻雜溫度

34、升高，材料的電導(dǎo)率下降。這類材料主要是摻雜半導(dǎo)體陶瓷如鑭摻雜鈦酸鋇，鈦酸鍶陶瓷等。半導(dǎo)體陶瓷如鑭摻雜鈦酸鋇，鈦酸鍶陶瓷等。熱熱料料功能材料功能材料熱電材料熱電材料熱電導(dǎo)材料的應(yīng)用熱電導(dǎo)材料的應(yīng)用熱電導(dǎo)材料可以作熱敏電阻等熱敏元件。這熱電導(dǎo)材料可以作熱敏電阻等熱敏元件。這電電 類合金有鈷基、鎳基和鐵基，它們廣泛應(yīng)用與類合金有鈷基、鎳基和鐵基，它們廣泛應(yīng)用與航航導(dǎo)導(dǎo) 空、航天器的大氣溫度加熱器、家用電器元件，空、航天器的大氣溫度加熱器、家用電器元件，材材 如電褥、電熨斗、電烙鐵等。如電褥、電熨斗、電烙鐵等。半導(dǎo)體熱點材料還可以作半導(dǎo)體熱敏器件，半導(dǎo)體熱點材料還可以作半導(dǎo)體熱敏器件，如二極管溫度敏感

35、器、半導(dǎo)體熱敏傳感器等。如二極管溫度敏感器、半導(dǎo)體熱敏傳感器等。熱電導(dǎo)材料還可用作紅外探測器元件，如紅熱電導(dǎo)材料還可用作紅外探測器元件，如紅外成像集成陣列等。外成像集成陣列等。熱熱釋釋功能材料功能材料熱電材料熱電材料熱釋電效應(yīng)是指當(dāng)某些晶體受到溫度變熱釋電效應(yīng)是指當(dāng)某些晶體受到溫度變化時，由于自發(fā)極化的相應(yīng)變化而在晶體的化時，由于自發(fā)極化的相應(yīng)變化而在晶體的一定方向上產(chǎn)生表面電荷的現(xiàn)象。一定方向上產(chǎn)生表面電荷的現(xiàn)象。電電材材料料熱電冷卻熱電冷卻熱電發(fā)電熱電發(fā)電熱電電子熱電電子熱熱釋釋電電材材料料功能材料功能材料熱電材料熱電材料熱釋電材料的種類熱釋電材料的種類晶體晶體可以是單晶也可以是陶瓷。這類

36、熱釋電晶體可以分可以是單晶也可以是陶瓷。這類熱釋電晶體可以分為具有自發(fā)極化，但自發(fā)極化不能為外電場所轉(zhuǎn)向為具有自發(fā)極化，但自發(fā)極化不能為外電場所轉(zhuǎn)向的晶體，如電氣石、的晶體，如電氣石、CaS、CaSe、ZnO等，以及自等，以及自發(fā)極化可以為外電場轉(zhuǎn)向的晶體，如發(fā)極化可以為外電場轉(zhuǎn)向的晶體，如LiTaO3、PbTiO3等等有機高聚物晶體有機高聚物晶體如聚偏二氟乙烯（如聚偏二氟乙烯（PVDF）等熱釋電材料。）等熱釋電材料。熱熱釋釋電電材材功能材料功能材料熱電材料熱電材料熱釋電材料的應(yīng)用熱釋電材料的應(yīng)用熱釋電材料可作熱釋電探測器使用。其中鋯鈦酸鉛熱釋電材料可作熱釋電探測器使用。其中鋯鈦酸鉛（Pb（Z

37、r，Ti）O3）鐵電順電相變陶瓷材料，由）鐵電順電相變陶瓷材料，由于改性減少了熱滯，使它顯示了良好的熱釋電性能，于改性減少了熱滯，使它顯示了良好的熱釋電性能，已制成了單個探測器和矩陣，在紅外探測和熱成像系已制成了單個探測器和矩陣，在紅外探測和熱成像系統(tǒng)中得到應(yīng)用。統(tǒng)中得到應(yīng)用。料料熱釋電紅外檢測元件熱釋電紅外檢測元件功能材料功能材料生物醫(yī)學(xué)材料生物醫(yī)學(xué)材料生物醫(yī)學(xué)材料生物醫(yī)學(xué)材料顧名思義，是和醫(yī)學(xué)、生物科學(xué)發(fā)展相關(guān)的材顧名思義，是和醫(yī)學(xué)、生物科學(xué)發(fā)展相關(guān)的材料的總稱。料的總稱。1987年，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（年，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）定義）定義 “以醫(yī)用目的，用于和活體組織接觸，具有功以醫(yī)用目的

38、，用于和活體組織接觸，具有功能的無生命材料能的無生命材料” 。功能材料功能材料生物醫(yī)學(xué)材料生物醫(yī)學(xué)材料按材料屬性分類按材料屬性分類醫(yī)用金屬及合金醫(yī)用金屬及合金醫(yī)用不銹鋼醫(yī)用不銹鋼醫(yī)用鈷基合金醫(yī)用鈷基合金醫(yī)用鈦及鈦合金醫(yī)用鈦及鈦合金生物陶瓷生物陶瓷氧化鋁、氧化鋯、氧化鋁、氧化鋯、磷酸鈣、碳素磷酸鈣、碳素生物醫(yī)學(xué)生物醫(yī)學(xué)材料材料醫(yī)用高分子醫(yī)用高分子醫(yī)用聚乙烯、醫(yī)用聚乙烯、聚氨酯、聚硅氧烷聚氨酯、聚硅氧烷生物衍生材料生物衍生材料豬心瓣膜、再生膠原、豬心瓣膜、再生膠原、殼聚糖、凝膠殼聚糖、凝膠醫(yī)用復(fù)合材料醫(yī)用復(fù)合材料羥基磷石灰增強聚乙烯羥基磷石灰增強聚乙烯碳纖維增強聚乳酸碳纖維增強聚乳酸料料功能材料功

39、能材料生物醫(yī)學(xué)材料生物醫(yī)學(xué)材料按與生體間相互作用分類按與生體間相互作用分類生物惰性材料生物惰性材料生生物物醫(yī)醫(yī)學(xué)學(xué)生物活性材料生物活性材料與可降解生物材料與可降解生物材料材材細(xì)胞與基因活性生物材料細(xì)胞與基因活性生物材料功能材料功能材料生物醫(yī)學(xué)材料生物醫(yī)學(xué)材料生物惰性材料生物惰性材料第一代生物材料。指生物化學(xué)性能穩(wěn)定、相容性好的材料，第一代生物材料。指生物化學(xué)性能穩(wěn)定、相容性好的材料，包括生物惰性金屬、陶瓷、高分子材料等。包括生物惰性金屬、陶瓷、高分子材料等。生物活性材料與可降解生物材料生物活性材料與可降解生物材料第二代生物材料。生物活性材料主要包括多孔陶瓷植入體，第二代生物材料。生物活性材料主

40、要包括多孔陶瓷植入體，表面反應(yīng)性陶瓷、玻璃等。可降解吸收材料包括可吸收陶表面反應(yīng)性陶瓷、玻璃等?？山到馕詹牧习晌仗沾?、可吸收玻璃及可吸收高分子材料等。瓷、可吸收玻璃及可吸收高分子材料等。細(xì)胞與基因活性生物材料細(xì)胞與基因活性生物材料第三代生物材料。期望在分子水平上激活特定細(xì)胞對材料的第三代生物材料。期望在分子水平上激活特定細(xì)胞對材料的識別和反應(yīng)，最大限度地使生物材料與主體組織融為一體，識別和反應(yīng)，最大限度地使生物材料與主體組織融為一體，參與主體組織的修復(fù)過程。參與主體組織的修復(fù)過程。生生物物金金功能材料功能材料生物醫(yī)學(xué)材料生物醫(yī)學(xué)材料生物金屬生物金屬生物醫(yī)用金屬材料用是人類最早利用的生物

41、材料之一。生物醫(yī)用金屬材料用是人類最早利用的生物材料之一。由于其具有高強度、耐疲勞和易加工等優(yōu)良性能，至由于其具有高強度、耐疲勞和易加工等優(yōu)良性能，至今在臨床上仍占有重要地位。今在臨床上仍占有重要地位。.屬屬金屬絲固金屬絲固純金片修復(fù)純金片修復(fù)銀被用于縫銀被用于縫 鍍鎳鋼釘用鍍鎳鋼釘用定牙缺失定牙缺失公元前公元前缺損顱骨缺損顱骨1546年年合膝蓋骨合膝蓋骨1880年年于骨折治療于骨折治療1896年年300-400年年生生物物屬屬功能材料功能材料重要的生物金屬材料重要的生物金屬材料醫(yī)用不銹鋼醫(yī)用不銹鋼最早開發(fā)、應(yīng)用廣最早開發(fā)、應(yīng)用廣醫(yī)用鈷基合金醫(yī)用鈷基合金耐蝕性、硬度較前者更高耐蝕性、硬度較前者

42、更高生物醫(yī)學(xué)材料生物醫(yī)學(xué)材料金金醫(yī)用鈦及其合金醫(yī)用鈦及其合金生物相容性、耐蝕性、硬度均優(yōu)于前兩者，生物相容性、耐蝕性、硬度均優(yōu)于前兩者，極具開發(fā)價值極具開發(fā)價值醫(yī)用鉑及其合金醫(yī)用鉑及其合金優(yōu)異的抗氧化性、耐蝕性優(yōu)異的抗氧化性、耐蝕性其他醫(yī)用合金其他醫(yī)用合金鉭、鈮和鋯等金屬及其合金鉭、鈮和鋯等金屬及其合金醫(yī)用形狀記憶合金醫(yī)用形狀記憶合金醫(yī)用磁性合金醫(yī)用磁性合金生生物物陶陶瓷瓷功能材料功能材料生物醫(yī)學(xué)材料生物醫(yī)學(xué)材料生物陶瓷生物陶瓷什么是生物陶瓷？什么是生物陶瓷？用于人體器官替換用于人體器官替換、修補以及、修補以及外科矯形的陶瓷材料。外科矯形的陶瓷材料。要求：具有良好的力學(xué)性能，在體內(nèi)難于溶解，不

43、要求：具有良好的力學(xué)性能，在體內(nèi)難于溶解，不易氧化，不易腐蝕變質(zhì)，熱穩(wěn)定性好，耐磨且有一易氧化，不易腐蝕變質(zhì)，熱穩(wěn)定性好，耐磨且有一定的潤滑性，和人體組織的親和性好，組成范圍定的潤滑性，和人體組織的親和性好，組成范圍寬，易于成形等。寬，易于成形等。生生物物陶陶功能材料功能材料生物醫(yī)學(xué)材料生物醫(yī)學(xué)材料生物惰性陶瓷生物惰性陶瓷具有優(yōu)異的生物相容性，能與骨形成結(jié)合面，具有優(yōu)異的生物相容性，能與骨形成結(jié)合面，結(jié)合強度高，穩(wěn)定性好，參與代謝。結(jié)合強度高，穩(wěn)定性好，參與代謝。瓷瓷生物活性陶瓷生物活性陶瓷該陶瓷的物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，在生物體內(nèi)完該陶瓷的物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，在生物體內(nèi)完全呈惰性狀態(tài)。全呈惰性狀

44、態(tài)。功能材料功能材料氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷生物醫(yī)學(xué)材料生物醫(yī)學(xué)材料生生物物陶陶瓷瓷生生物物惰惰性性陶陶瓷瓷傳統(tǒng)的生物陶瓷，穩(wěn)定性好，純度高。傳統(tǒng)的生物陶瓷，穩(wěn)定性好，純度高。 可制成可制成單晶、多晶或多孔材料。單晶、多晶或多孔材料。氧化鋯陶瓷氧化鋯陶瓷與血液相容性、抗血栓性好，與人體組織親和與血液相容性、抗血栓性好，與人體組織親和性好，耐蝕、耐疲勞、量輕。性好，耐蝕、耐疲勞、量輕。炭素類陶瓷炭素類陶瓷生物相容性好，穩(wěn)定性高，具有更高的斷裂韌生物相容性好，穩(wěn)定性高，具有更高的斷裂韌性和更耐磨。性和更耐磨。生生物物陶陶瓷瓷功能材料功能材料生物惰性陶瓷生物惰性陶瓷生物醫(yī)學(xué)材料生物醫(yī)學(xué)材料功能材料功能材

45、料磷酸鈣陶瓷磷酸鈣陶瓷生物醫(yī)學(xué)材料生物醫(yī)學(xué)材料生生物物陶陶瓷瓷生生物物活活性性陶陶瓷瓷生物活性玻璃陶瓷生物活性玻璃陶瓷Na2O-K2O-MgO-CaO-SiO2-P2O5陶瓷陶瓷BCG人工骨頭人工骨頭生生物物陶陶瓷瓷功能材料功能材料生物活性陶瓷生物活性陶瓷磷酸鈣陶瓷植入狗體磷酸鈣陶瓷植入狗體6個月個月生物醫(yī)學(xué)材料生物醫(yī)學(xué)材料醫(yī)醫(yī)用用高高分分子子功能材料功能材料醫(yī)用高分子醫(yī)用高分子人工生體軟組織人工生體軟組織人工生體硬組織人工生體硬組織藥用高分子藥用高分子高分子藥物高分子藥物高分子載藥體系高分子載藥體系醫(yī)療器械與診斷材料醫(yī)療器械與診斷材料生物醫(yī)學(xué)材料生物醫(yī)學(xué)材料醫(yī)醫(yī)用用高高分分子子功能材料功能材

46、料生物醫(yī)學(xué)材料生物醫(yī)學(xué)材料醫(yī)用修復(fù)材料醫(yī)用修復(fù)材料齲齒密封材料、外科縫合線、高分子繃托齲齒密封材料、外科縫合線、高分子繃托眼球人工玻璃體眼球人工玻璃體隱形眼鏡隱形眼鏡人工臟器人工臟器人造皮膚、人工骨、肌肉腱、角膜、喉、食人造皮膚、人工骨、肌肉腱、角膜、喉、食道、人工肺、腎、肝、心臟等等。道、人工肺、腎、肝、心臟等等。在美國，每年有幾百萬件人工器件或修復(fù)材在美國，每年有幾百萬件人工器件或修復(fù)材料植入病人體內(nèi)。料植入病人體內(nèi)。功能材料功能材料生物材料的應(yīng)用生物材料的應(yīng)用生物醫(yī)學(xué)材料生物醫(yī)學(xué)材料功能材料功能材料生物醫(yī)學(xué)材料生物醫(yī)學(xué)材料功能材料功能材料生物醫(yī)學(xué)材料生物醫(yī)學(xué)材料生物材料發(fā)展的前沿生物材料

47、發(fā)展的前沿組織工程與組織工程材料組織工程與組織工程材料藥物、基因與藥物、基因與DNA控釋材料與系統(tǒng)控釋材料與系統(tǒng)生物材料與人體器官克隆生物材料與人體器官克隆功能材料功能材料功能陶瓷材料功能陶瓷材料什么是什么是“功能陶瓷功能陶瓷”？功能陶瓷是指具有電、光、磁以及部分化學(xué)功能的多晶功能陶瓷是指具有電、光、磁以及部分化學(xué)功能的多晶無機固體材料。其功能的實現(xiàn)主要來自于它所具有的特?zé)o機固體材料。其功能的實現(xiàn)主要來自于它所具有的特定的電絕緣性、半導(dǎo)體性、導(dǎo)電性、壓電性、鐵電性、定的電絕緣性、半導(dǎo)體性、導(dǎo)電性、壓電性、鐵電性、磁性、生物適應(yīng)性等。磁性、生物適應(yīng)性等。電電子子陶陶瓷瓷超超導(dǎo)導(dǎo)陶陶瓷瓷磁磁性性陶

48、陶瓷瓷敏敏感感陶陶瓷瓷生生物物陶陶瓷瓷光光學(xué)學(xué)陶陶瓷瓷壓壓電電陶陶瓷瓷功能材料功能材料功能陶瓷材料功能陶瓷材料壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)當(dāng)外力作用于晶體時，發(fā)生與應(yīng)力成比例的介當(dāng)外力作用于晶體時，發(fā)生與應(yīng)力成比例的介質(zhì)極化，同時在晶體兩端將出現(xiàn)正負(fù)電荷，這質(zhì)極化，同時在晶體兩端將出現(xiàn)正負(fù)電荷，這種由于形變而產(chǎn)生的電效應(yīng)，稱為壓電效應(yīng)。種由于形變而產(chǎn)生的電效應(yīng)，稱為壓電效應(yīng)。反之，當(dāng)在晶體上施加電場引起極化時，將產(chǎn)反之，當(dāng)在晶體上施加電場引起極化時，將產(chǎn)生與電場成比例的變形或壓力，稱之為逆壓電生與電場成比例的變形或壓力，稱之為逆壓電效應(yīng)。材料的壓電效應(yīng)取決于晶體結(jié)構(gòu)的不對效應(yīng)。材料的壓電效應(yīng)取決于晶體結(jié)構(gòu)

49、的不對稱性，晶體必須有極軸，才有壓電效應(yīng)。稱性，晶體必須有極軸，才有壓電效應(yīng)。壓壓電電功能材料功能材料功能陶瓷材料功能陶瓷材料壓電陶瓷的種類壓電陶瓷的種類壓電陶瓷主要有鈦酸鋇、鈦酸鉛、鋯鈦酸、壓電陶瓷主要有鈦酸鋇、鈦酸鉛、鋯鈦酸、（PZT）、改性）、改性PZT等。等。陶陶瓷瓷鈦酸鋇鈦酸鋇PZT壓壓電電陶陶功能材料功能材料功能陶瓷材料功能陶瓷材料壓電陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)隨溫度的變化而變化。對壓電陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)隨溫度的變化而變化。對于鈦酸鋇和鈦酸鉛，當(dāng)溫度高于居里溫度于鈦酸鋇和鈦酸鉛，當(dāng)溫度高于居里溫度Tc時，為立方晶體，具有對稱性，無壓電效應(yīng)；時，為立方晶體，具有對稱性，無壓電效應(yīng)；低于低于Tc時，為

50、四方晶體，具有非對稱性，有壓時，為四方晶體，具有非對稱性，有壓瓷瓷電效應(yīng)。電效應(yīng)。壓電陶瓷的優(yōu)點是價格便宜，可以批量生壓電陶瓷的優(yōu)點是價格便宜，可以批量生產(chǎn)，能控制極化方向，添加不同成分，可產(chǎn)，能控制極化方向，添加不同成分，可改變壓電特性。改變壓電特性。壓壓電電陶陶瓷瓷功能材料功能材料功能陶瓷材料功能陶瓷材料壓電陶瓷的應(yīng)用壓電陶瓷的應(yīng)用壓電陶瓷可用作超聲波發(fā)生源壓電陶瓷可用作超聲波發(fā)生源的振子或水下測聲聘儀器上的的振子或水下測聲聘儀器上的振子；也可用作聲轉(zhuǎn)換器。振子；也可用作聲轉(zhuǎn)換器。同時壓電陶瓷收到機械應(yīng)力的同時壓電陶瓷收到機械應(yīng)力的作用時，由壓電效應(yīng)發(fā)生的電作用時，由壓電效應(yīng)發(fā)生的電能可用

51、于煤氣灶的點火器和打能可用于煤氣灶的點火器和打火機等；壓電陶瓷還可用于濾火機等；壓電陶瓷還可用于濾波器等。波器等。光光電電陶陶瓷瓷功能材料功能材料功能陶瓷材料功能陶瓷材料光電導(dǎo)現(xiàn)象和光電陶瓷光電導(dǎo)現(xiàn)象和光電陶瓷當(dāng)光電陶瓷受到光照射時，由于能帶間的遷移和能當(dāng)光電陶瓷受到光照射時，由于能帶間的遷移和能帶與能級間的遷移而引起光的吸收現(xiàn)象時，能帶內(nèi)帶與能級間的遷移而引起光的吸收現(xiàn)象時，能帶內(nèi)產(chǎn)生自由載流子，而使電導(dǎo)率增加，這種現(xiàn)象稱為產(chǎn)生自由載流子，而使電導(dǎo)率增加，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)現(xiàn)象。光電導(dǎo)現(xiàn)象。光電陶瓷是具有光電導(dǎo)效應(yīng)的陶瓷材料光電陶瓷是具有光電導(dǎo)效應(yīng)的陶瓷材料光光電電陶陶瓷瓷功能材料功能材料功

52、能陶瓷材料功能陶瓷材料光電陶瓷的應(yīng)用光電陶瓷的應(yīng)用利用光電導(dǎo)效應(yīng)檢測光強度的元件稱為光敏元件。檢利用光電導(dǎo)效應(yīng)檢測光強度的元件稱為光敏元件。檢測從波長很短的測從波長很短的X射線到波上很長的紫外線的光敏元件射線到波上很長的紫外線的光敏元件主要是燒結(jié)主要是燒結(jié)GdS多晶；如果在多晶；如果在GdS中添加中添加Cu雜質(zhì)，可雜質(zhì)，可以用作檢測可見光的光敏元件。以用作檢測可見光的光敏元件。光光陶陶 電子能源領(lǐng)域：電子能源領(lǐng)域：瓷瓷功能材料功能材料功能陶瓷材料功能陶瓷材料信息領(lǐng)域：信息領(lǐng)域：用作高速轉(zhuǎn)換元件、通信元件和連接電路。用作高速轉(zhuǎn)換元件、通信元件和連接電路。生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：用于核磁共振斷

53、層攝像儀、量子干涉用于核磁共振斷層攝像儀、量子干涉儀、粒子線治療裝置等。儀、粒子線治療裝置等。電電用于超導(dǎo)磁體發(fā)電、超導(dǎo)輸電、超導(dǎo)用于超導(dǎo)磁體發(fā)電、超導(dǎo)輸電、超導(dǎo)儲能等。儲能等。通信元件通信元件超導(dǎo)量子干涉儀超導(dǎo)量子干涉儀光光電電陶陶功能材料功能材料功能陶瓷材料功能陶瓷材料交通運輸領(lǐng)域：交通運輸領(lǐng)域：完全抗磁體制造的磁懸浮列車、電磁完全抗磁體制造的磁懸浮列車、電磁推進器、飛機航天飛機發(fā)射臺等。推進器、飛機航天飛機發(fā)射臺等。宇宙開發(fā)、軍事領(lǐng)域：宇宙開發(fā)、軍事領(lǐng)域： 潛艇的無螺旋漿無噪聲電磁潛艇的無螺旋漿無噪聲電磁推進器、超導(dǎo)磁炮等。推進器、超導(dǎo)磁炮等。瓷瓷磁懸浮列車磁懸浮列車航天飛機發(fā)射臺航天飛

54、機發(fā)射臺磁磁性性瓷瓷功能材料功能材料功能陶瓷材料功能陶瓷材料什么是鐵氧體？鐵氧體是鐵和其他金屬的復(fù)合氧化什么是鐵氧體？鐵氧體是鐵和其他金屬的復(fù)合氧化物，物，MO-Fe2O3，M代表一價、二價金屬。鐵氧體代表一價、二價金屬。鐵氧體屬半導(dǎo)體，電阻率在屬半導(dǎo)體，電阻率在1-1010m。由于電阻率高，。由于電阻率高，渦流損失小，介質(zhì)耗損低，故廣泛用于高頻和微波渦流損失小，介質(zhì)耗損低，故廣泛用于高頻和微波陶陶領(lǐng)域。領(lǐng)域。磁性陶瓷主要指鐵氧體磁性陶瓷主要指鐵氧體鐵鐵氧氧體體軟磁鐵氧體軟磁鐵氧體硬磁鐵氧體硬磁鐵氧體磁磁性性陶陶瓷瓷功能材料功能材料功能陶瓷材料功能陶瓷材料軟磁鐵氧體軟磁鐵氧體主要有：尖晶石型的

55、主要有：尖晶石型的Mn-Zn鐵氧體、鐵氧體、 Ni-Zn鐵氧鐵氧體、體、Mg-Zn鐵氧體、鐵氧體、 Li-Zn鐵氧體和磁鉛石型的鐵氧體和磁鉛石型的甚高頻鐵氧體（甚高頻鐵氧體（Ba3Co2Fe24O41）。）。軟磁鐵氧體要求起始磁化率高，磁導(dǎo)率溫度系數(shù)軟磁鐵氧體要求起始磁化率高，磁導(dǎo)率溫度系數(shù)小，矯頑力小，矯頑力小，比損耗因數(shù)小。小，比損耗因數(shù)小。磁磁性性陶陶瓷瓷功能材料功能材料功能陶瓷材料功能陶瓷材料軟磁鐵氧體的應(yīng)用軟磁鐵氧體的應(yīng)用軟磁鐵氧體主要用于無線軟磁鐵氧體主要用于無線電電子學(xué)和電訊工程等弱電電子學(xué)和電訊工程等弱點技術(shù)中，如各種電感線點技術(shù)中，如各種電感線圈的磁芯、天線磁芯、變?nèi)Φ拇判尽?/p>

56、天線磁芯、變壓器磁芯、濾波器磁芯以壓器磁芯、濾波器磁芯以及錄音與錄像磁頭等。及錄音與錄像磁頭等。磁磁性性陶陶瓷瓷功能材料功能材料功能陶瓷材料功能陶瓷材料硬磁鐵氧體硬磁鐵氧體硬磁鐵氧體可分為：硬磁鐵氧體可分為：BaO-xFe2O3、CoFe2O4-Fe2O3兩種兩種硬磁鐵氧體要求具有較大的矯頑力硬磁鐵氧體要求具有較大的矯頑力Hc、較高的、較高的剩余磁剩余磁Br和高的最大磁積能（和高的最大磁積能（BH）max。功能材料功能材料功能陶瓷材料功能陶瓷材料硬磁鐵氧體的應(yīng)用硬磁鐵氧體的應(yīng)用磁磁 硬磁鐵氧體可用作永磁體，用于高頻磁場領(lǐng)域。由于硬磁鐵氧體可用作永磁體，用于高頻磁場領(lǐng)域。由于Hc性性 值大，可制

57、成片狀或粉末狀，應(yīng)用在與橡膠和樹脂混合值大，可制成片狀或粉末狀，應(yīng)用在與橡膠和樹脂混合陶陶 制成的復(fù)合磁鐵上。制成的復(fù)合磁鐵上。瓷瓷敏敏感感功能材料功能材料功能陶瓷材料功能陶瓷材料敏感陶瓷敏感陶瓷指某些性能隨外界條件（溫度、濕度、氣氛）的指某些性能隨外界條件（溫度、濕度、氣氛）的變化而發(fā)生改變的陶瓷材料。變化而發(fā)生改變的陶瓷材料。陶陶瓷瓷磁磁敏敏電電阻阻陶陶瓷瓷濕濕敏敏電電阻阻陶陶瓷瓷氣氣敏敏電電阻阻陶陶瓷瓷壓壓敏敏電電阻阻陶陶瓷瓷熱熱敏敏電電阻阻陶陶瓷瓷功能材料功能材料功能陶瓷材料功能陶瓷材料熱敏電阻陶瓷熱敏電阻陶瓷敏敏 熱敏電阻陶瓷是電阻隨熱敏電阻陶瓷是電阻隨溫度發(fā)生明顯變化的陶瓷材溫度發(fā)

58、生明顯變化的陶瓷材感感 料，它包括：負(fù)溫度系數(shù)陶瓷（料，它包括：負(fù)溫度系數(shù)陶瓷（PCT）、臨界溫度）、臨界溫度陶陶 系數(shù)陶瓷（系數(shù)陶瓷（PCT）和正溫度系數(shù)陶瓷（）和正溫度系數(shù)陶瓷（PCT）。）。瓷瓷敏敏感感陶陶瓷瓷功能材料功能材料功能陶瓷材料功能陶瓷材料1.負(fù)溫度系數(shù)陶瓷（負(fù)溫度系數(shù)陶瓷（NCT）電阻隨溫度升高而減小的陶瓷材料。電阻隨溫度升高而減小的陶瓷材料。多為尖晶石型氧化物，有二元和三元等。如：多為尖晶石型氧化物，有二元和三元等。如：MnO-CuO2-O2; Mn-Co-Ni 等。等。2.正溫度系數(shù)陶瓷（正溫度系數(shù)陶瓷（PCT）電阻隨溫度升高而增加的陶瓷材料。電阻隨溫度升高而增加的陶瓷材

59、料。鈦酸鋇陶瓷或以鈦酸鋇為主晶相的陶瓷鈦酸鋇陶瓷或以鈦酸鋇為主晶相的陶瓷敏敏感感瓷瓷功能材料功能材料功能陶瓷材料功能陶瓷材料應(yīng)用：應(yīng)用： 馬達的過熱保護、液面深度測量、溫度控制和報馬達的過熱保護、液面深度測量、溫度控制和報警、非破壞性保險絲、晶體管過熱保護、溫度電警、非破壞性保險絲、晶體管過熱保護、溫度電陶陶流控制器等。流控制器等。 彩色電視機自動消磁、馬達啟動器、自動開關(guān)等。彩色電視機自動消磁、馬達啟動器、自動開關(guān)等。 等溫發(fā)熱件、空調(diào)加熱器等等溫發(fā)熱件、空調(diào)加熱器等。敏敏感感陶陶功能材料功能材料正溫度系數(shù)陶瓷（正溫度系數(shù)陶瓷（PCT）功能陶瓷材料功能陶瓷材料瓷瓷生長中的鈦酸鋇晶體生長中的鈦

60、酸鋇晶體鈦酸鋇毛坯鈦酸鋇毛坯鈦酸鋇晶體元件鈦酸鋇晶體元件敏敏感感功能材料功能材料功能陶瓷材料功能陶瓷材料壓敏電阻陶瓷壓敏電阻陶瓷電阻值對外加電壓敏感的陶瓷材料。電壓提高，電阻值對外加電壓敏感的陶瓷材料。電壓提高，陶陶電阻率下降。電阻率下降。瓷瓷壓敏陶瓷有壓敏陶瓷有SiC、Si、Ge、ZnO等。以等。以ZnO的性的性能最優(yōu)。具有高非線形、大電流和高能量承受能能最優(yōu)。具有高非線形、大電流和高能量承受能力。力。感感功能材料功能材料功能陶瓷材料功能陶瓷材料壓敏電阻陶瓷壓敏電阻陶瓷稀土氧化鐠為主要添加劑的稀土氧化鐠為主要添加劑的ZnO壓敏陶瓷。壓敏陶瓷。敏敏應(yīng)用：微型馬達電噪聲、彩色顯像管放電吸收、繼應(yīng)