功能材料概論

1、中原工學(xué)院材料與化工學(xué)院中原工學(xué)院材料與化工學(xué)院本科生課程本科生課程功能材料研究進展功能材料研究進展授課教師：授課教師： 梁寶巖梁寶巖聯(lián)系方式：聯(lián)系方式：手機號：手機號現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的三大支柱能源、材料、信現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的三大支柱能源、材料、信 息，息，其中材料是基礎(chǔ)。新材料發(fā)展的重點已經(jīng)從結(jié)構(gòu)材其中材料是基礎(chǔ)。新材料發(fā)展的重點已經(jīng)從結(jié)構(gòu)材料轉(zhuǎn)向功能材料，從單一走向復(fù)合。料轉(zhuǎn)向功能材料，從單一走向復(fù)合。 結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料： 是以力學(xué)性能為基礎(chǔ)，主要制利用其是以力學(xué)性能為基礎(chǔ)，主要制利用其強度、硬度和韌性等機械性能制成的各種材料。強度、硬度和韌性等機械性能制成的各種材料。

2、功能材料功能材料：功能材料一般除了具有機械特性外，：功能材料一般除了具有機械特性外，還具有其他的功能特性，是指通過光、電、磁、熱、還具有其他的功能特性，是指通過光、電、磁、熱、化學(xué)、生化等作用后具有特定功能的材料。主要用化學(xué)、生化等作用后具有特定功能的材料。主要用來制造各種功能元器件而被廣泛應(yīng)用于各類高科技來制造各種功能元器件而被廣泛應(yīng)用于各類高科技領(lǐng)域的高新技術(shù)材料。領(lǐng)域的高新技術(shù)材料。 3主要參考資料主要參考資料1、現(xiàn)代功能材料及其應(yīng)用現(xiàn)代功能材料及其應(yīng)用郭衛(wèi)生郭衛(wèi)生, 汪濟奎（化學(xué)工業(yè)出版社汪濟奎（化學(xué)工業(yè)出版社,2002） 2、功能材料學(xué)、功能材料學(xué)-周馨我周馨我 (北京理工大學(xué)出版社

3、北京理工大學(xué)出版社,2002)3、新型功能材料、新型功能材料- 貢長生，張克立貢長生，張克立(化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社,2001)4、新型無機材料、新型無機材料-楊華明楊華明,宋曉嵐宋曉嵐,金勝明（化學(xué)工業(yè)出版社金勝明（化學(xué)工業(yè)出版社,2005）5、信息和功能材料、信息和功能材料-劉先曙劉先曙 馬傅華馬傅華 辛秀田（宇航出版社辛秀田（宇航出版社,1998 ）6、功能材料學(xué)概論、功能材料學(xué)概論-馬如璋馬如璋 蔣民華蔣民華 （冶金工業(yè)出版社（冶金工業(yè)出版社,1999）7. 功能材料基礎(chǔ)功能材料基礎(chǔ)建議教材：建議教材：功能材料概論功能材料概論-殷景華殷景華 王雅珍王雅珍 （哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社（

4、哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1999）1、 課程安排： 該課共30個學(xué)時（15次課） 最后一節(jié)課考試。 2、期末考核： 開卷考試，占70%；3、平時考核： 作業(yè)與課堂提問占10%；課堂考勤占20%；。 關(guān)于請假：考勤后的請假無效！或者本人在課前打電話，或?qū)W習(xí)委員課前統(tǒng)計名單。課程說明q在學(xué)完材料科學(xué)基礎(chǔ)等有關(guān)課程后，通過本在學(xué)完材料科學(xué)基礎(chǔ)等有關(guān)課程后，通過本課程的學(xué)習(xí)課程的學(xué)習(xí): :q掌握功能材料掌握功能材料的基本概念、物理本質(zhì)以及性的基本概念、物理本質(zhì)以及性能指標(biāo)的意義。能指標(biāo)的意義。q熟悉熟悉典型功能材料的主要應(yīng)用。典型功能材料的主要應(yīng)用。課程目的 1.功能材料的簡介 2.功能材料的分類 2.

5、功能材料的發(fā)展現(xiàn)狀功能材料的概念是美國功能材料的概念是美國 Morton J A于于1965年首先提出來的。年首先提出來的。功能材功能材料是指具有一種或幾種特定功能的材料，如磁性材料、光學(xué)材料等，它料是指具有一種或幾種特定功能的材料，如磁性材料、光學(xué)材料等，它具有優(yōu)良的物理、化學(xué)和生物功能，在物件中起著具有優(yōu)良的物理、化學(xué)和生物功能，在物件中起著“功能功能”的作用。的作用。 20世紀(jì)世紀(jì)60年代以來，各種現(xiàn)代技術(shù)的興起，強烈刺激了功能材料的年代以來，各種現(xiàn)代技術(shù)的興起，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(xué)、量子理論、結(jié)構(gòu)化學(xué)、生物物發(fā)展。同時，由于固體物理、固體化學(xué)、量子理論

6、、結(jié)構(gòu)化學(xué)、生物物理和生物化學(xué)等學(xué)科的飛速發(fā)展以及各種制備功能材料的新技術(shù)和現(xiàn)代理和生物化學(xué)等學(xué)科的飛速發(fā)展以及各種制備功能材料的新技術(shù)和現(xiàn)代分析測試技術(shù)在功能材料研究和生產(chǎn)中的實際應(yīng)用，許多新功能材料不分析測試技術(shù)在功能材料研究和生產(chǎn)中的實際應(yīng)用，許多新功能材料不僅已經(jīng)在實驗室中研制出來，而且已經(jīng)批量生產(chǎn)和得到應(yīng)用，并在不同僅已經(jīng)在實驗室中研制出來，而且已經(jīng)批量生產(chǎn)和得到應(yīng)用，并在不同程度上推動或加速了各種現(xiàn)代技術(shù)的進一步發(fā)展。因此，功能材料學(xué)科程度上推動或加速了各種現(xiàn)代技術(shù)的進一步發(fā)展。因此，功能材料學(xué)科已經(jīng)成為材料科學(xué)中的一個分支學(xué)科。已經(jīng)成為材料科學(xué)中的一個分支學(xué)科。日本和歐美各國對日

7、本和歐美各國對新型功能材料新型功能材料的研究十分的研究十分重視，這是因為功能材料是能源、計算機、通訊、重視，這是因為功能材料是能源、計算機、通訊、電子、激光等電子、激光等現(xiàn)代科學(xué)的基礎(chǔ)現(xiàn)代科學(xué)的基礎(chǔ)，功能材料在未來，功能材料在未來的社會發(fā)展中具有重大戰(zhàn)略意義。的社會發(fā)展中具有重大戰(zhàn)略意義。 近近10年來，功能材料成為年來，功能材料成為材料科學(xué)和工程領(lǐng)材料科學(xué)和工程領(lǐng)域中域中最為活躍的部分。每年以最為活躍的部分。每年以5以上的速度增以上的速度增長，相當(dāng)于每年有長，相當(dāng)于每年有1.25萬種新材料問世。未來世萬種新材料問世。未來世界需要更多的性能優(yōu)異的功能材料，功能材料正界需要更多的性能優(yōu)異的功能材

8、料，功能材料正在滲透到現(xiàn)代生活的各個領(lǐng)域。在滲透到現(xiàn)代生活的各個領(lǐng)域。壁虎手套壁虎手套 觸摸屏寶馬車 水立方膜世博會顯示屏 上海磁懸浮是中國第一條投入運行的磁懸浮鐵路，上海磁懸浮是中國第一條投入運行的磁懸浮鐵路，全長全長2929863863公里，設(shè)計時速和運行時速分別為公里，設(shè)計時速和運行時速分別為505505公里和公里和430430公里；由中國與德國合作，公里；由中國與德國合作，20022002年年1212月月3131日，中國總理朱日，中國總理朱鎔鎔基和德國總理施羅德成為上海磁基和德國總理施羅德成為上海磁懸浮的第一批乘客體會首次試運行。懸浮的第一批乘客體會首次試運行。 一、功能材料的概念一、

9、功能材料的概念 功能材料是指具有一種或幾種特定功能的材料，如磁性功能材料是指具有一種或幾種特定功能的材料，如磁性材料、光學(xué)材料等，它具有優(yōu)良的物理、化學(xué)和生物功能，材料、光學(xué)材料等，它具有優(yōu)良的物理、化學(xué)和生物功能，在物件中起著在物件中起著“功能功能”的作用。的作用。 在國外，常將這類材料稱為在國外，常將這類材料稱為(Functional Materials)、(Speciality Materials)或或(Fine Materials)。涉及面較廣，具體包括涉及面較廣，具體包括、，等。等。這類材料相對于通常的這類材料相對于通常的而言，一般除而言，一般除了具有機械特性外，還具有其他的功能特性

10、。了具有機械特性外，還具有其他的功能特性。材料的材料的與材料的與材料的是相聯(lián)系的。是相聯(lián)系的。如對于如對于導(dǎo)電聚合物導(dǎo)電聚合物來說，它一般具有來說，它一般具有長鏈共軛雙鍵長鏈共軛雙鍵；金屬結(jié)構(gòu)中由于金屬結(jié)構(gòu)中由于彈性馬氏體相變彈性馬氏體相變能產(chǎn)生記憶效應(yīng)，能產(chǎn)生記憶效應(yīng)，因此出現(xiàn)了因此出現(xiàn)了形狀記憶合金形狀記憶合金；壓電陶瓷晶體必須有；壓電陶瓷晶體必須有極極軸軸等。等。 功能材料是一門新的學(xué)科，目前對它進行功能材料是一門新的學(xué)科，目前對它進行尚有一定的難度，就像許多化學(xué)變尚有一定的難度，就像許多化學(xué)變化中存在著物理現(xiàn)象、高級運動中總是伴隨著化中存在著物理現(xiàn)象、高級運動中總是伴隨著低級運動一樣，

11、功能材料既遵循材料的低級運動一樣，功能材料既遵循材料的和和又具有其又具有其。因此可認(rèn)。因此可認(rèn)為是為是 二、二、 隨著技術(shù)的發(fā)展和人類認(rèn)識的擴展，新型的功能材料隨著技術(shù)的發(fā)展和人類認(rèn)識的擴展，新型的功能材料不斷被開發(fā)出來，因此對其也產(chǎn)生了許多不同的分類方不斷被開發(fā)出來，因此對其也產(chǎn)生了許多不同的分類方法。從法。從考慮，可將功能材料分為以下四類?？紤]，可將功能材料分為以下四類。 主要是指主要是指和和。 功能材料：如功能材料：如分離膜分離膜，離子交換樹脂離子交換樹脂、高分子絡(luò)合物高分子絡(luò)合物；功能材料；如功能材料；如高分子試劑高分子試劑、高分子催化劑高分子催化劑；功能材料：如功能材料：如生物反應(yīng)器

12、生物反應(yīng)器等等。功能材料：如功能材料：如超導(dǎo)體超導(dǎo)體，導(dǎo)電高分子導(dǎo)電高分子等；等；功能材料：如功能材料：如光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維、感光性高分子感光性高分子等等；材料：如材料：如壓電材料壓電材料、光電材料光電材料。功能材料：人工臟器用材料如功能材料：人工臟器用材料如人工腎人工腎、人工心肺人工心肺，可降解的可降解的醫(yī)用縫合線醫(yī)用縫合線、骨釘骨釘、骨板骨板等；等；：如：如緩釋性高分子緩釋性高分子，藥物活性高分子藥物活性高分子，高分高分子農(nóng)藥子農(nóng)藥等；等；材料材料 下圖為材料顯示功能的示意圖。下圖為材料顯示功能的示意圖。輸入輸入材料材料輸出輸出材料的材料的是指向材料輸入某種能量，經(jīng)過材料是指向材料輸入某種能

13、量，經(jīng)過材料的傳輸或轉(zhuǎn)換等過程，再作為輸出而提供給外部的一種作用。的傳輸或轉(zhuǎn)換等過程，再作為輸出而提供給外部的一種作用。功能材料按其功能材料按其又可分為又可分為和和。 當(dāng)向材料當(dāng)向材料和從材料和從材料屬于屬于時，材料起到時，材料起到部件的部件的作用。材料的這種功能稱為一次功能。作用。材料的這種功能稱為一次功能。功能。如功能。如慣性慣性、粘性粘性、流動性流動性、潤滑性潤滑性、成型性成型性、超塑性超塑性、恒彈性恒彈性、高彈性高彈性、振動性振動性和和防震性防震性。功能。如功能。如隔音隔音性、性、吸音吸音性。性。功能。如功能。如傳熱傳熱性、性、隔熱隔熱性、性、吸熱吸熱性和性和蓄熱蓄熱性等。性等。功能。

14、如功能。如導(dǎo)電導(dǎo)電性、性、超導(dǎo)超導(dǎo)性、性、絕緣絕緣性和性和電阻電阻等。等。功能。如功能。如硬磁性硬磁性、軟磁性軟磁性、半硬磁性半硬磁性等。等。功能。如功能。如遮光性遮光性、透光性透光性、折射光性折射光性、反射光性反射光性、吸吸光性光性、偏振光性偏振光性、分光性分光性、聚光性聚光性等。等。功能。如功能。如吸附作用吸附作用、氣體吸收性氣體吸收性、催化作用催化作用、生物生物化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)、酶反應(yīng)酶反應(yīng)等。等。功能。如功能。如放射特性放射特性、電磁波特性電磁波特性等。等。 當(dāng)向材料當(dāng)向材料和從材料和從材料屬于屬于時，材料起時，材料起部件作用，材料的部件作用，材料的這種功能稱為這種功能稱為二次功能二次

15、功能或或高次功能高次功能。有人認(rèn)為這種材料才是真正的功能材料。有人認(rèn)為這種材料才是真正的功能材料。二次功能按二次功能按可分為如下四類可分為如下四類。能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換；能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換； 能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換；能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換；能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換；能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換；能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換。能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換。如如反應(yīng)、反應(yīng)、反應(yīng)、反應(yīng)、反應(yīng)、反應(yīng)、，反應(yīng)，反應(yīng)，效應(yīng)和效應(yīng)和效應(yīng)。效應(yīng)。能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換 如如效應(yīng)、效應(yīng)、效應(yīng)、效應(yīng)、效應(yīng)、效應(yīng)、效應(yīng)、效應(yīng)、效應(yīng)、效應(yīng)、效應(yīng)和效應(yīng)和效應(yīng)等效應(yīng)等。能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換

16、能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換如如效應(yīng)、效應(yīng)、效應(yīng)、效應(yīng)、效應(yīng)和效應(yīng)和效應(yīng)等。效應(yīng)等。能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換。如如效應(yīng)、效應(yīng)、效應(yīng)、效應(yīng)、效應(yīng)、效應(yīng)、效應(yīng)、效應(yīng)、效應(yīng)、效應(yīng)、效應(yīng)、效應(yīng)、效應(yīng)和效應(yīng)和效應(yīng)等。效應(yīng)等。按按分，功能材料還可分為：分，功能材料還可分為：功功能材料、能材料、功能材料和功能材料和功能材料。功能材料。40 是是開發(fā)比較早開發(fā)比較早的功能材料，的功能材料，隨著高新技術(shù)的發(fā)展，一方面促進了隨著高新技術(shù)的發(fā)展，一方面促進了非金屬材料非金屬材料的迅速發(fā)展，同時也促進了的迅速發(fā)展，同時也促進了金屬材料金屬材料的發(fā)展。的發(fā)展。41許多許多應(yīng)運而生，有

17、的已被廣應(yīng)運而生，有的已被廣泛應(yīng)用，有的具有廣泛應(yīng)用的前景。泛應(yīng)用，有的具有廣泛應(yīng)用的前景。如如的發(fā)現(xiàn)及各種的發(fā)現(xiàn)及各種的開發(fā)研制，使得這類新型金屬材料在現(xiàn)代軍事、的開發(fā)研制，使得這類新型金屬材料在現(xiàn)代軍事、電子、汽車、能源、機械、宇航、醫(yī)療等領(lǐng)域得到電子、汽車、能源、機械、宇航、醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。廣泛的應(yīng)用。42另一方面，另一方面，由于具有由于具有優(yōu)異的物理、優(yōu)異的物理、化學(xué)性能化學(xué)性能，是一種極有發(fā)展前景的新型金屬材料。，是一種極有發(fā)展前景的新型金屬材料。具有具有的新型金屬功能材料很多，的新型金屬功能材料很多，如如、材料等。材料等。43的發(fā)展速度也很快，新的發(fā)展速度也很快，新的種類

18、也是層出不窮。它以的種類也是層出不窮。它以和和為主，近來也發(fā)展了一些新工藝和新品種。為主，近來也發(fā)展了一些新工藝和新品種。 44和和是無機非金屬功能材料中的主是無機非金屬功能材料中的主要組成部分，近年來得到了迅速的發(fā)展。要組成部分，近年來得到了迅速的發(fā)展。除了具有普通玻璃的一般性質(zhì)以外，除了具有普通玻璃的一般性質(zhì)以外，還具有許多還具有許多，如，如聲光玻璃聲光玻璃的聲光性、的聲光性、導(dǎo)電玻導(dǎo)電玻璃璃的導(dǎo)電性、的導(dǎo)電性、記憶玻璃記憶玻璃的記憶特性等。的記憶特性等。45以以為代表。作為代表。作為藍光、可見光元件上的為藍光、可見光元件上的轉(zhuǎn)換材料轉(zhuǎn)換材料、光存儲顯示材光存儲顯示材料料及各種及各種非線性

19、光學(xué)玻璃非線性光學(xué)玻璃特別引人注意，它們將占特別引人注意，它們將占據(jù)未來的光量子時代，是據(jù)未來的光量子時代，是功能玻璃材料研究的主要功能玻璃材料研究的主要方向方向?？祀x子導(dǎo)體玻璃的發(fā)展也很快，有機?？祀x子導(dǎo)體玻璃的發(fā)展也很快，有機無機無機復(fù)合玻璃是玻璃研究者的又一大開拓目標(biāo)。復(fù)合玻璃是玻璃研究者的又一大開拓目標(biāo)。46有以下幾方面發(fā)展趨向：有以下幾方面發(fā)展趨向：(1)微電子技術(shù)推動下的微電子技術(shù)推動下的(薄片化薄片化)和和；(2)在安全和環(huán)保工作的促進下，發(fā)展在安全和環(huán)保工作的促進下，發(fā)展和和；(3)重視重視技術(shù)；技術(shù)；(4)加速加速。47影響功能高分子材料影響功能高分子材料“功能性功能性”的的

20、 結(jié)構(gòu)決定性能，功能高分子材料之所以有許多獨具特色的性結(jié)構(gòu)決定性能，功能高分子材料之所以有許多獨具特色的性能，主要與其結(jié)構(gòu)因素有關(guān)。能，主要與其結(jié)構(gòu)因素有關(guān)。、，如，如潤濕性潤濕性、溶脹性溶脹性，骨架的鄰位效應(yīng)骨架的鄰位效應(yīng)等；等；、在分子中起到特殊關(guān)鍵作用的、在分子中起到特殊關(guān)鍵作用的。無論哪種功能材料，其無論哪種功能材料，其或者或者所涉及的微觀過程都與所涉及的微觀過程都與固體物理固體物理和和固體化學(xué)固體化學(xué)相相聯(lián)系。正是這兩門基礎(chǔ)科學(xué)為新興學(xué)科聯(lián)系。正是這兩門基礎(chǔ)科學(xué)為新興學(xué)科功能材料功能材料科學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，從而也推動了功能材料的研科學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，從而也推動了功能材料的研究和應(yīng)

21、用。它們把功能材料推進到究和應(yīng)用。它們把功能材料推進到的時代。的時代。功能材料種類繁多，用途廣泛，正在形成一個規(guī)模宏大功能材料種類繁多，用途廣泛，正在形成一個規(guī)模宏大的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)群，有著十分廣闊的市場前景和極為重要的戰(zhàn)的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)群，有著十分廣闊的市場前景和極為重要的戰(zhàn)略意義。世界各國均十分重視功能材料的研發(fā)與應(yīng)用，它已略意義。世界各國均十分重視功能材料的研發(fā)與應(yīng)用，它已成為世界各國新材料研究發(fā)展的熱點和重點，也是世界各國成為世界各國新材料研究發(fā)展的熱點和重點，也是世界各國高技術(shù)發(fā)展中戰(zhàn)略競爭的熱點。在全球新材料研究領(lǐng)域中，高技術(shù)發(fā)展中戰(zhàn)略競爭的熱點。在全球新材料研究領(lǐng)域中，功能材料約占功能材

22、料約占 85 % 。 在在“863”計劃支持下，開辟了計劃支持下，開辟了、等新能源材料，等新能源材料，高性能固體推進劑材料高性能固體推進劑材料，等功能材料新領(lǐng)域，取得了一批接近或達到國際等功能材料新領(lǐng)域，取得了一批接近或達到國際先進水平的研究成果，在國際上占有了一席之地。先進水平的研究成果，在國際上占有了一席之地。、的主要性能指標(biāo)和生產(chǎn)工藝技術(shù)的主要性能指標(biāo)和生產(chǎn)工藝技術(shù)均達到了國外的先進水平，推動了鎳氫電池的產(chǎn)業(yè)化；功能均達到了國外的先進水平，推動了鎳氫電池的產(chǎn)業(yè)化；功能陶瓷材料的研究開發(fā)取得了顯著進展，以陶瓷材料的研究開發(fā)取得了顯著進展，以為目為目標(biāo)，我國在高性能瓷料的研究上取得了突破，并

23、在標(biāo)，我國在高性能瓷料的研究上取得了突破，并在和和上形成了自己的特色并實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，使上形成了自己的特色并實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，使片式片式電容材料電容材料及其及其組件組件進入了世界先進行列。進入了世界先進行列。高檔高檔產(chǎn)品的研究開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化取得顯著進產(chǎn)品的研究開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化取得顯著進展，在某些成分配方和相關(guān)技術(shù)上取得了自主知識產(chǎn)展，在某些成分配方和相關(guān)技術(shù)上取得了自主知識產(chǎn)權(quán)；權(quán)； 功能材料還在功能材料還在“”等國防工程中作出等國防工程中作出了舉足輕重的貢獻。了舉足輕重的貢獻。 我國的國防現(xiàn)代化建設(shè)一直受到以美國為首的西方國家的我國的國防現(xiàn)代化建設(shè)一直受到以美國為首的西方國家的封鎖和禁運，所以我國的國防

24、用封鎖和禁運，所以我國的國防用是不可能依是不可能依靠進口來解決的，必須要走獨立自主、自力更生的道路。如靠進口來解決的，必須要走獨立自主、自力更生的道路。如軍軍事通信事通信、航空航空、航天航天、導(dǎo)彈導(dǎo)彈、熱核聚變熱核聚變、激光武器激光武器、激光雷達激光雷達、新型戰(zhàn)斗機新型戰(zhàn)斗機、主戰(zhàn)坦克主戰(zhàn)坦克以及以及軍用高能量密度組件軍用高能量密度組件等，都離不等，都離不開特種功能材料的支撐。開特種功能材料的支撐。 目前世界各國功能材料的研究極為活躍，充滿目前世界各國功能材料的研究極為活躍，充滿了機遇和挑戰(zhàn)，新技術(shù)、新專利層出不窮。發(fā)達了機遇和挑戰(zhàn)，新技術(shù)、新專利層出不窮。發(fā)達國家企圖通過知識產(chǎn)權(quán)的形式在特種

25、功能材料領(lǐng)國家企圖通過知識產(chǎn)權(quán)的形式在特種功能材料領(lǐng)域形成技術(shù)壟斷，并試圖占領(lǐng)域形成技術(shù)壟斷，并試圖占領(lǐng)中國中國廣闊的市場，廣闊的市場，這種態(tài)勢已引起我國的高度重視。近年來，我國這種態(tài)勢已引起我國的高度重視。近年來，我國在新型稀土永磁、生物醫(yī)用、生態(tài)環(huán)境材料、催在新型稀土永磁、生物醫(yī)用、生態(tài)環(huán)境材料、催化材料與技術(shù)等領(lǐng)域加強了專利保護。但是，我化材料與技術(shù)等領(lǐng)域加強了專利保護。但是，我們應(yīng)該看到，我國目前功能材料的創(chuàng)新性研究不們應(yīng)該看到，我國目前功能材料的創(chuàng)新性研究不夠，申報的專利數(shù)，尤其是具有原創(chuàng)性的國際專夠，申報的專利數(shù)，尤其是具有原創(chuàng)性的國際專利數(shù)與我國的地位遠不相稱。我國功能材料在系利

26、數(shù)與我國的地位遠不相稱。我國功能材料在系統(tǒng)集成方面也存在不足，有待改進和發(fā)展。統(tǒng)集成方面也存在不足，有待改進和發(fā)展。 形狀記憶效應(yīng)形狀記憶效應(yīng)(Shape Memory Effect ,(Shape Memory Effect ,簡稱簡稱SME)SME) 形狀記憶效應(yīng)形狀記憶效應(yīng)將材料在一定條件下進行一定將材料在一定條件下進行一定限度以內(nèi)的變形后，再對材料施加適當(dāng)?shù)耐饨鐥l件，限度以內(nèi)的變形后，再對材料施加適當(dāng)?shù)耐饨鐥l件，材料的變形隨之消失而回復(fù)到變形前的形狀的現(xiàn)象。材料的變形隨之消失而回復(fù)到變形前的形狀的現(xiàn)象。具有形狀記憶效應(yīng)的材料具有形狀記憶效應(yīng)的材料形狀記憶材料形狀記憶材料記憶合金同我們的

27、日常生活已經(jīng)是休戚相關(guān)。僅以記憶合金制成的彈簧為例，把這種彈簧放在熱水中，彈簧的長度立即伸長，再放到冷水中，它會立即恢復(fù)原狀。193219381951瑞典人歐勒特在瑞典人歐勒特在觀察某種金鎘合觀察某種金鎘合金的性能時首次金的性能時首次發(fā)現(xiàn)形狀記憶效發(fā)現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)。應(yīng)。哈佛大學(xué)的研究哈佛大學(xué)的研究人員在一種銅鋅人員在一種銅鋅合金中發(fā)現(xiàn)了一合金中發(fā)現(xiàn)了一種隨溫度的升高種隨溫度的升高和降低而逐漸增和降低而逐漸增大或縮小的形狀大或縮小的形狀變化，但當(dāng)時并變化，但當(dāng)時并未引起人們的重未引起人們的重視。視。美國里德等人在美國里德等人在金鎘合金的研究金鎘合金的研究中發(fā)現(xiàn)該合金的中發(fā)現(xiàn)該合金的形狀記憶效應(yīng)，

28、形狀記憶效應(yīng)，隨后在銦鈦合金隨后在銦鈦合金中也發(fā)現(xiàn)了形狀中也發(fā)現(xiàn)了形狀記憶效應(yīng)。記憶效應(yīng)。196219631970美國海軍軍械研美國海軍軍械研究所成員研究鎳究所成員研究鎳鈦合金時無意發(fā)鈦合金時無意發(fā)現(xiàn)被彎曲的鎳鈦現(xiàn)被彎曲的鎳鈦合金絲靠近雪茄合金絲靠近雪茄火焰的部分自己火焰的部分自己伸直了。伸直了。軍械研究所宣布軍械研究所宣布在鎳鈦合金絲中在鎳鈦合金絲中發(fā)現(xiàn)了形狀記憶發(fā)現(xiàn)了形狀記憶效應(yīng)。效應(yīng)。人們在銅鋁鎳合人們在銅鋁鎳合金中也發(fā)現(xiàn)了形金中也發(fā)現(xiàn)了形狀記憶現(xiàn)象，并狀記憶現(xiàn)象，并明確這種現(xiàn)象是明確這種現(xiàn)象是能產(chǎn)生熱彈性馬能產(chǎn)生熱彈性馬氏體相變的合金氏體相變的合金所共有的特性。所共有的特性。19841

29、9841988198819891989法國法國CDFChimieCDFChimie公司開發(fā)出了一公司開發(fā)出了一種新型材料聚降種新型材料聚降冰片烯，該材料冰片烯，該材料的分子量很高的分子量很高（300300萬以上），萬以上），是一種典型的熱是一種典型的熱致型形狀記憶聚致型形狀記憶聚合物合物日本的可樂麗公日本的可樂麗公司合成出了形狀司合成出了形狀記憶聚異戊二烯記憶聚異戊二烯。同年，日本三。同年，日本三菱重工開發(fā)出了菱重工開發(fā)出了由異氰酸酯，多由異氰酸酯，多元醇和擴鏈劑三元醇和擴鏈劑三元共聚而成的形元共聚而成的形狀記憶聚合物狀記憶聚合物PURPUR。日本杰昂公日本杰昂公司開發(fā)出了司開發(fā)出了以聚酯為主

30、以聚酯為主要成分的聚要成分的聚酯酯合金合金類形狀記憶類形狀記憶聚合物。聚合物。形狀記憶效應(yīng)可分為形狀記憶效應(yīng)可分為3 3種類型：種類型：單程形狀記憶效應(yīng)單程形狀記憶效應(yīng)雙程形狀記憶效應(yīng)雙程形狀記憶效應(yīng)全程形狀記憶效應(yīng)全程形狀記憶效應(yīng) 單程形狀記憶效應(yīng)單程形狀記憶效應(yīng)材料在高溫下制成某種形狀，材料在高溫下制成某種形狀， 在低溫相時將其任意變形，再加熱時恢復(fù)為高溫相形在低溫相時將其任意變形，再加熱時恢復(fù)為高溫相形狀，而重新冷卻時卻不能恢復(fù)低溫相時的形狀。狀，而重新冷卻時卻不能恢復(fù)低溫相時的形狀。 單程形狀記憶效應(yīng)單程形狀記憶效應(yīng)（a）未拉長(b) 被拉長后(c)放入熱水后恢復(fù)原長單程TiNi記憶合

31、金簧的動作變化情況 雙程形狀記憶效應(yīng)雙程形狀記憶效應(yīng)加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時恢復(fù)低溫相形狀，即通過溫度升降自發(fā)可逆地卻時恢復(fù)低溫相形狀，即通過溫度升降自發(fā)可逆地反復(fù)恢復(fù)高低溫相形狀的現(xiàn)象，或稱為可逆形狀記反復(fù)恢復(fù)高低溫相形狀的現(xiàn)象，或稱為可逆形狀記憶效應(yīng)。憶效應(yīng)。雙程形狀記憶效應(yīng)雙程形狀記憶效應(yīng)（a）沒放入熱水前 (b) 放入熱水后 (c)涼至室溫后雙程CuZnAl記憶合金花的動作變化情況 全程形狀記憶效應(yīng)全程形狀記憶效應(yīng)當(dāng)加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷當(dāng)加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹母邷叵嘈螤畹默F(xiàn)象。卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹母邷叵嘈螤畹默F(xiàn)象。只

32、能在富鎳的只能在富鎳的Ti- NiTi- Ni合金中出現(xiàn)。合金中出現(xiàn)。 全程形狀記憶效應(yīng)全程形狀記憶效應(yīng) 3.1 形狀記憶合金 3.2 形狀記憶陶瓷 3.3 形狀記憶高分子 Ti-Ni基形狀記憶合金基形狀記憶合金 Cu基形狀記憶合金基形狀記憶合金 Fe基形狀記憶合金基形狀記憶合金 形狀記憶合金的應(yīng)用形狀記憶合金的應(yīng)用 3.1 3.1 主要幾類形狀記憶合金主要幾類形狀記憶合金1 1、Ti-NiTi-Ni基形狀記憶合金基形狀記憶合金 優(yōu)點：記憶效應(yīng)優(yōu)良、性能穩(wěn)定、生物相容性優(yōu)點：記憶效應(yīng)優(yōu)良、性能穩(wěn)定、生物相容性好好 缺點：制造過程較復(fù)雜，價格高昂缺點：制造過程較復(fù)雜，價格高昂 Ti-NiTi-N

33、i合金通過在合金通過在10001000左右固溶后，在左右固溶后，在400400進行時效處理，再淬火得到馬氏體。進行時效處理，再淬火得到馬氏體。 Ti-NiTi-Ni基記憶合金中的基本相和相變基記憶合金中的基本相和相變CsClCsCl結(jié)構(gòu)的體心立方晶體結(jié)構(gòu)的體心立方晶體高溫相（母相高溫相（母相TiNi TiNi ）單斜晶體單斜晶體馬氏體馬氏體冷卻冷卻R R相（菱面體點陣）相（菱面體點陣）適當(dāng)?shù)臒崽幚砘虺煞謼l件適當(dāng)?shù)臒崽幚砘虺煞謼l件R R相變相變在在Ti-NiTi-Ni二元合金系中有二元合金系中有TiNiTiNi、TiTi2 2NiNi和和TiTi3 3NiNi三種金三種金屬間化合物。屬間化合物。

34、2 2、CuCu基形狀記憶合金基形狀記憶合金 主要由主要由Cu-ZnCu-Zn和和Cu-A1Cu-A1兩個二元系發(fā)展而來。兩個二元系發(fā)展而來。 通過第三元素可以有效地提高形狀記憶合通過第三元素可以有效地提高形狀記憶合金的相變溫度，發(fā)展了一系列的金的相變溫度，發(fā)展了一系列的Cu-Zn-XCu-Zn-X (X= Al, Ge, Si, Sn (X= Al, Ge, Si, Sn錫錫, Be, Be鈹鈹, Ni), Ni)三元合三元合金。金。lCu-Zn-A1Cu-Zn-A1基形狀記憶合金基形狀記憶合金lCu-A1-NiCu-A1-Ni基形狀記憶合金基形狀記憶合金性能特點性能特點優(yōu)點：制造加工容易，

35、價格便宜，具有良好的記憶優(yōu)點：制造加工容易，價格便宜，具有良好的記憶 性能，相變點可在一定溫度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，不同性能，相變點可在一定溫度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，不同 成分的成分的Cu-Zn-A1Cu-Zn-A1合金相變溫度不同。合金相變溫度不同。缺點：強度較低，穩(wěn)定性及耐疲勞性能差，不具有缺點：強度較低，穩(wěn)定性及耐疲勞性能差，不具有 生物相容性。生物相容性。3 3、FeFe基形狀記憶合金基形狀記憶合金 分為兩類：分為兩類：（1 1）熱彈性馬氏體相變）熱彈性馬氏體相變Fe-Pt, Fe-PdFe-Pt, Fe-Pd鈀鈀,Fe-Ni-Co-,Fe-Ni-Co- Ti Ti合金等；合金等；（2 2）應(yīng)力誘發(fā)馬氏體

36、相變（非熱彈性馬氏體），）應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變（非熱彈性馬氏體）， Fe-Mn-Si, Fe-Cr-Ni-Mn-Si-CoFe-Mn-Si, Fe-Cr-Ni-Mn-Si-Co合金等。合金等。性能特點：性能特點：價格較價格較Ti-NiTi-Ni系和系和CuCu基系合金便宜，原料易得，可基系合金便宜，原料易得，可以采用現(xiàn)有的鋼鐵工藝進行冶煉和加工，強度高，以采用現(xiàn)有的鋼鐵工藝進行冶煉和加工，強度高，剛性好，適用作結(jié)構(gòu)材料，也可作特種用途材料，剛性好，適用作結(jié)構(gòu)材料，也可作特種用途材料，在應(yīng)用方面具有明顯的競爭優(yōu)勢。在應(yīng)用方面具有明顯的競爭優(yōu)勢。形狀記憶特性比形狀記憶特性比Ti-NiTi-Ni合金差

37、。合金差。 2020世紀(jì)世紀(jì)6060年底人們確認(rèn)陶瓷材料也存在馬氏體年底人們確認(rèn)陶瓷材料也存在馬氏體相變，一個著名的例子就是相變，一個著名的例子就是ZrOZrO2 2陶瓷中的馬氏陶瓷中的馬氏體相變，這一相變現(xiàn)象可以使陶瓷材料具有形體相變，這一相變現(xiàn)象可以使陶瓷材料具有形狀記憶效應(yīng)。狀記憶效應(yīng)。 形狀記憶陶瓷的機理可分為：形狀記憶陶瓷的機理可分為：馬氏體形狀記憶陶瓷馬氏體形狀記憶陶瓷鐵電形狀記憶陶瓷鐵電形狀記憶陶瓷粘彈性形狀記憶陶瓷粘彈性形狀記憶陶瓷鐵磁性形狀記憶陶瓷等鐵磁性形狀記憶陶瓷等ZrOZrO2 2陶瓷陶瓷氧化鋯陶瓷的基本結(jié)構(gòu)與相變氧化鋯陶瓷的基本結(jié)構(gòu)與相變隨溫度的變化純隨溫度的變化純Z

38、rOZrO2 2有三種晶型，按溫度由高到有三種晶型，按溫度由高到低，其結(jié)構(gòu)分別為低，其結(jié)構(gòu)分別為立方晶系、四方晶系立方晶系、四方晶系(t(t相相) )、單斜晶系、單斜晶系(m(m相相) )相變過程：相變過程： 單斜單斜ZrOZrO2 2 四方四方ZrOZrO2 2 立方立方ZrOZrO2 2 (m (m相相) ) (t(t相相) ) 可逆馬氏體相變可逆馬氏體相變有約有約5 5的體積變化的體積變化注意注意體積效應(yīng)太大體積效應(yīng)太大晶型穩(wěn)定化處理晶型穩(wěn)定化處理在在ZrOZrO2 2中加入中加入CaOCaO、MgOMgO、Y Y2 2O O3 3、CeOCeO2 2( (氧化鈰氧化鈰) )等穩(wěn)定劑，可

39、以使立等穩(wěn)定劑，可以使立方相和四方相保持到低溫。方相和四方相保持到低溫。 第一步：加載。在室溫下施第一步：加載。在室溫下施加壓力，樣品首先發(fā)生加壓力，樣品首先發(fā)生彈性彈性變形變形，接著在近乎恒定的應(yīng)，接著在近乎恒定的應(yīng)力下發(fā)生力下發(fā)生流變流變； 第二步：卸載。卸載后第二步：卸載。卸載后彈性彈性變形消失變形消失而而塑性變形則保留塑性變形則保留下來。下來。 第三步：加熱到第三步：加熱到A Af f以上，樣以上，樣品從品從6060o oC C開始開始逆轉(zhuǎn)變逆轉(zhuǎn)變，到，到200200o oC C逆轉(zhuǎn)變結(jié)束，變形也逆轉(zhuǎn)變結(jié)束，變形也隨著消失。隨著消失。陶瓷的形狀記憶效應(yīng)與合金相比存在的主要差別：陶瓷的形

40、狀記憶效應(yīng)與合金相比存在的主要差別：（1 1）形狀記憶變形的量較??；）形狀記憶變形的量較??；（2 2）每次記憶循環(huán)中都有較大的不可恢復(fù)變形，隨）每次記憶循環(huán)中都有較大的不可恢復(fù)變形，隨 循環(huán)次數(shù)的增加，累積變形增加，循環(huán)次數(shù)的增加，累積變形增加，最終導(dǎo)致裂最終導(dǎo)致裂 紋出現(xiàn)；紋出現(xiàn)；（3 3）沒有雙程記憶效應(yīng)）沒有雙程記憶效應(yīng) 形狀記憶聚合物不同于馬氏體相變，而是基于高形狀記憶聚合物不同于馬氏體相變，而是基于高分子材料中分子材料中分子鏈的取向與分布分子鏈的取向與分布的變化過程；的變化過程； 這種聚合物具有兩相結(jié)構(gòu)，即這種聚合物具有兩相結(jié)構(gòu)，即固定相和可逆相固定相和可逆相； 可逆相是能夠隨溫度變

41、化在結(jié)晶與熔融態(tài)間，或可逆相是能夠隨溫度變化在結(jié)晶與熔融態(tài)間，或者在玻璃態(tài)與高彈狀態(tài)間可逆轉(zhuǎn)變的相，隨溫度者在玻璃態(tài)與高彈狀態(tài)間可逆轉(zhuǎn)變的相，隨溫度的升高或降低，可逆相的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使之發(fā)的升高或降低，可逆相的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使之發(fā)生軟化、硬化。生軟化、硬化。 固定相（固定相（熱固性或熱塑性）熱固性或熱塑性）則在工作溫度范圍內(nèi)則在工作溫度范圍內(nèi)保持不變。保持不變。u 密度小、強度較低、塑韌性較高密度小、強度較低、塑韌性較高u 形狀恢復(fù)可能允許的變形量大形狀恢復(fù)可能允許的變形量大u 形狀恢復(fù)的溫度范圍窄形狀恢復(fù)的溫度范圍窄u 形狀恢復(fù)應(yīng)力及形狀變化所需要的外力小形狀恢復(fù)應(yīng)力及形狀變化所需要的外力

42、小u 成本低成本低形狀記憶聚合物的特點形狀記憶聚合物的特點1.1.醫(yī)療應(yīng)用。自醫(yī)療應(yīng)用。自1978 1978 年以來年以來, , 我國對我國對TiNi TiNi 形狀記憶合金形狀記憶合金及其制品進行了廣泛的耐蝕性實驗、生物毒性試驗及其制品進行了廣泛的耐蝕性實驗、生物毒性試驗, , 結(jié)果結(jié)果表明表明TiNi TiNi 合金具有良好的生物相容性合金具有良好的生物相容性, , 而且在各種生理溶而且在各種生理溶液或介質(zhì)中具有良好的耐腐蝕性液或介質(zhì)中具有良好的耐腐蝕性, , 用其制成的各種制品植用其制成的各種制品植入人體后入人體后, , 未發(fā)現(xiàn)有排異性反應(yīng)或出現(xiàn)炎癥。未發(fā)現(xiàn)有排異性反應(yīng)或出現(xiàn)炎癥。2.2

43、.工程應(yīng)用?，F(xiàn)在形狀記憶合金在工程領(lǐng)域已經(jīng)得到廣工程應(yīng)用?，F(xiàn)在形狀記憶合金在工程領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用范圍從精密復(fù)雜的機器到簡單的連接件、泛的應(yīng)用。應(yīng)用范圍從精密復(fù)雜的機器到簡單的連接件、緊固件緊固件, , 從節(jié)約能源的形狀記憶合金發(fā)動機到電流保護器從節(jié)約能源的形狀記憶合金發(fā)動機到電流保護器管處處可見管處處可見, , 反映了形狀記憶合金的奇異性能及小巧、靈反映了形狀記憶合金的奇異性能及小巧、靈活的特點?；畹奶攸c。我國的記憶合金產(chǎn)業(yè)，經(jīng)過近我國的記憶合金產(chǎn)業(yè)，經(jīng)過近30 30 年的市場培育，已由年的市場培育，已由2020世紀(jì)世紀(jì)90 90 年年代的小作坊式的生產(chǎn)進入迅猛發(fā)展的產(chǎn)業(yè)化階段。我國從事記憶合代的小作坊式的生產(chǎn)進入迅猛發(fā)展的產(chǎn)業(yè)化階段。我國從事記憶合金應(yīng)用研究的單位較多，其中具有較好研究基礎(chǔ)的有北京有色金屬金應(yīng)用