功能材料--緒論

1、王書亮王書亮龍巖學(xué)院化學(xué)與材料系龍巖學(xué)院化學(xué)與材料系Email: 課課 程程 目目 的的選取一些重要的功能材料為代表選取一些重要的功能材料為代表物理原理、材料種類和性能，同物理原理、材料種類和性能，同時兼顧材料的制備技術(shù)及應(yīng)用時兼顧材料的制備技術(shù)及應(yīng)用為今后進一步研究、運用功能材為今后進一步研究、運用功能材料奠定基礎(chǔ)料奠定基礎(chǔ)材料學(xué)專業(yè)的方向性課程材料學(xué)專業(yè)的方向性課程成績構(gòu)成成績構(gòu)成平時成績（平時成績（30 %30 %）+ +期末綜合測試（期末綜合測試（70 %70 %）平時平時：考勤、回答問題、課堂紀律、學(xué)習(xí)態(tài)度：考勤、回答問題、課堂紀律、學(xué)習(xí)態(tài)度期末綜合測試題綱期末綜合測試題綱：選某一功

2、能材料制品：選某一功能材料制品( (或器件或器件) )，簡述該制品的主要材料成分、作用原理、主要制備工簡述該制品的主要材料成分、作用原理、主要制備工藝、應(yīng)用舉例、發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢、市場前景。藝、應(yīng)用舉例、發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢、市場前景?？疾樾问娇疾樾问剑篜PTPPT形式，五人一組，上臺匯報講解形式，五人一組，上臺匯報講解(10(10分分鐘以內(nèi)鐘以內(nèi)) )、回答問題、回答問題( (約約5 5分鐘分鐘) )，同學(xué)們可相互提問。，同學(xué)們可相互提問?？疾闀r間考查時間：第十周（：第十周（1111月份）開始月份）開始參參 考考 書書朱敏編，功能材料，機械工業(yè)出版社，2002年。何開元編，功能材料導(dǎo)論，冶金工業(yè)出版

3、社，2000年。田蒔編，功能材料，北京航空航天大學(xué)出版社，1994年。第一章第一章 緒論緒論功能材料功能材料發(fā)展概況發(fā)展概況功能材料功能材料在材料科在材料科學(xué)與工程學(xué)與工程中的地位中的地位1.11.21.3功能材料功能材料定義定義特點特點分類分類材料：人類社會的物質(zhì)基礎(chǔ)和進步的里程碑材料：人類社會的物質(zhì)基礎(chǔ)和進步的里程碑1.1 功能材料在材料科學(xué)與工程中的地位功能材料在材料科學(xué)與工程中的地位Your TextYour TextYour TextYour TextYour TextYour TextYour TextYour Text公元前公元前 20002000年年公元公元400400年年20

4、20世紀世紀前半期前半期20世紀世紀80年代年代石石 器器 時時 代代青青 銅銅 器器 時時 代代鐵鐵 器器 時時 代代信信 息息 時時 代代后后 半半 期期 三三 大大 材材 料料 并并 存存因為材料的應(yīng)用獲得的益處：因為材料的應(yīng)用獲得的益處： 秦帝國秦帝國青銅兵器性能的提高和兵器標準化制備。青銅兵器性能的提高和兵器標準化制備。 大航海時代的開始大航海時代的開始指南針的使用（磁性材料）指南針的使用（磁性材料） 工業(yè)革命工業(yè)革命鋼鐵材料的發(fā)展鋼鐵材料的發(fā)展 信息時代信息時代半導(dǎo)體材料、單晶硅、光纖材料。半導(dǎo)體材料、單晶硅、光纖材料。 航空航天航空航天有色輕金屬合金、先進陶瓷材料有色輕金屬合金、

5、先進陶瓷材料 1.1 功能材料在材料科學(xué)與工程中的地位功能材料在材料科學(xué)與工程中的地位因為材料的失效導(dǎo)致的悲劇因為材料的失效導(dǎo)致的悲劇 泰坦尼克號泰坦尼克號制造船體的鋼鐵材料缺乏韌性。制造船體的鋼鐵材料缺乏韌性。（金屬材料）（金屬材料） 挑戰(zhàn)者號航天飛機挑戰(zhàn)者號航天飛機密封環(huán)在低溫變脆。（高分密封環(huán)在低溫變脆。（高分子材料）子材料） 奮進號航天飛機奮進號航天飛機外層絕熱瓦的破裂。（外層絕熱瓦的破裂。（C/CC/C復(fù)復(fù)合材料陶瓷材料）合材料陶瓷材料）1.1 功能材料在材料科學(xué)與工程中的地位功能材料在材料科學(xué)與工程中的地位 現(xiàn)代文明的現(xiàn)代文明的四大支柱四大支柱材料材料信息信息能源能源生物生物結(jié)構(gòu)材

6、料結(jié)構(gòu)材料功能材料功能材料1.1 功能材料在材料科學(xué)與工程中的地位功能材料在材料科學(xué)與工程中的地位1.1 功能材料在材料科學(xué)與工程中的地位功能材料在材料科學(xué)與工程中的地位結(jié)構(gòu)材料占主導(dǎo)地位的時期結(jié)構(gòu)材料占主導(dǎo)地位的時期結(jié)構(gòu)材料曾經(jīng)是材料科學(xué)的主要研究對象結(jié)構(gòu)材料曾經(jīng)是材料科學(xué)的主要研究對象工業(yè)經(jīng)濟工業(yè)經(jīng)濟 （工業(yè)革命（工業(yè)革命 機械機械 動力）動力）機器機器 力學(xué)性能（機械性能）力學(xué)性能（機械性能） 結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料鋼鐵能力鋼鐵能力 曾經(jīng)的國力的標志曾經(jīng)的國力的標志1.1 功能材料在材料科學(xué)與工程中的地位功能材料在材料科學(xué)與工程中的地位功能材料現(xiàn)代社會中起主導(dǎo)作用的材料功能材料現(xiàn)代社會中起主導(dǎo)

7、作用的材料 功能材料是信息技術(shù)、生物技術(shù)、可再生能源功能材料是信息技術(shù)、生物技術(shù)、可再生能源技術(shù)、空間技術(shù)等現(xiàn)代社會支柱產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)技術(shù)、空間技術(shù)等現(xiàn)代社會支柱產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ) 功能信息功能信息 計算機計算機 相關(guān)的材料相關(guān)的材料 可再生能源可再生能源 太陽能太陽能 相關(guān)的材料相關(guān)的材料1.1 功能材料在材料科學(xué)與工程中的地位功能材料在材料科學(xué)與工程中的地位功能材料與結(jié)構(gòu)材料比較功能材料與結(jié)構(gòu)材料比較結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料功能材料功能材料傳統(tǒng)材料傳統(tǒng)材料新材料新材料產(chǎn)量大產(chǎn)量大品種多品種多附加值低附加值低附加值高附加值高技術(shù)成熟技術(shù)成熟技術(shù)發(fā)展快技術(shù)發(fā)展快勞動密集勞動密集技術(shù)密集技術(shù)密集轉(zhuǎn)移出發(fā)達國家轉(zhuǎn)移出

8、發(fā)達國家集中在發(fā)達國家集中在發(fā)達國家1.1 功能材料在材料科學(xué)與工程中的地位功能材料在材料科學(xué)與工程中的地位功能材料與結(jié)構(gòu)材料關(guān)系功能材料與結(jié)構(gòu)材料關(guān)系共同構(gòu)成現(xiàn)代社會的物質(zhì)基礎(chǔ)共同構(gòu)成現(xiàn)代社會的物質(zhì)基礎(chǔ)性能多樣：結(jié)構(gòu)材料和功能材料可能轉(zhuǎn)換性能多樣：結(jié)構(gòu)材料和功能材料可能轉(zhuǎn)換技術(shù)集成：結(jié)構(gòu)材料和功能材料緊密結(jié)合技術(shù)集成：結(jié)構(gòu)材料和功能材料緊密結(jié)合Fe: 鋼鐵材料的主要組成，也是磁性材料的主要組成鋼鐵材料的主要組成，也是磁性材料的主要組成Cu基形狀記憶合金：由基形狀記憶合金：由Cu合金發(fā)展而來合金發(fā)展而來智能材料：結(jié)構(gòu)材料與功能材料的復(fù)合智能材料：結(jié)構(gòu)材料與功能材料的復(fù)合1.2 功能材料的發(fā)展概

9、況功能材料的發(fā)展概況材料發(fā)展的基本進程材料發(fā)展的基本進程1.2 功能材料的發(fā)展概況功能材料的發(fā)展概況功功能能材材料料的的發(fā)發(fā)展展現(xiàn)代現(xiàn)代中期中期初期初期 第二次世界大戰(zhàn)以前第二次世界大戰(zhàn)以前二戰(zhàn)前至二戰(zhàn)前至2020世紀世紀6060年代年代2020世紀世紀6060年代年代至今至今1.2 功能材料的發(fā)展概況功能材料的發(fā)展概況初期階段初期階段磁現(xiàn)象的認識：天然磁石（公元前二世紀）、地球磁場等磁現(xiàn)象的認識：天然磁石（公元前二世紀）、地球磁場等電的發(fā)現(xiàn)：電的發(fā)現(xiàn)：18世紀末世紀末(富蘭克林、庫侖富蘭克林、庫侖)， 電池電池(1800年年)電磁現(xiàn)象和理論：磁針被電流偏轉(zhuǎn)（奧斯特電磁現(xiàn)象和理論：磁針被電流偏

10、轉(zhuǎn)（奧斯特1820年）；歐年）；歐姆定律（姆定律（1826年）；電磁感應(yīng)（年）；電磁感應(yīng)（1833年）；法拉第提年）；法拉第提出出“電介質(zhì)電介質(zhì)”和場的概念；麥克斯韋方程（和場的概念；麥克斯韋方程（1855年）。年）。電工材料電工材料 ：導(dǎo)電材料、磁性材料：導(dǎo)電材料、磁性材料光學(xué)材料：光學(xué)玻璃光學(xué)材料：光學(xué)玻璃1.2 功能材料的發(fā)展概況功能材料的發(fā)展概況中期中期階段階段理論準備：理論準備：20世紀初期物理學(xué)的發(fā)展世紀初期物理學(xué)的發(fā)展 量子力學(xué)、能帶理論、半導(dǎo)體理論等量子力學(xué)、能帶理論、半導(dǎo)體理論等需需 求：一次和二次世界大戰(zhàn)的軍事需求求：一次和二次世界大戰(zhàn)的軍事需求 聲納技術(shù)、無線電技術(shù)、雷達

11、技術(shù)、原子能等聲納技術(shù)、無線電技術(shù)、雷達技術(shù)、原子能等空間競賽：傳感器、特殊能源、信號記錄等空間競賽：傳感器、特殊能源、信號記錄等計算機技術(shù)：芯片材料、存儲材料、顯示材料等計算機技術(shù)：芯片材料、存儲材料、顯示材料等1.2 功能材料的發(fā)展概況功能材料的發(fā)展概況現(xiàn)代現(xiàn)代階段階段60年代半導(dǎo)體技術(shù)的興起年代半導(dǎo)體技術(shù)的興起 信息技術(shù)與產(chǎn)業(yè)信息技術(shù)與產(chǎn)業(yè)始于始于60年代的空間竟賽年代的空間竟賽 傳感器、屏蔽材料傳感器、屏蔽材料70年代爆發(fā)的能源危機年代爆發(fā)的能源危機 各種新能源材料各種新能源材料醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展 生物醫(yī)學(xué)材料生物醫(yī)學(xué)材料環(huán)境保護意識的凸現(xiàn)環(huán)境保護意識的凸現(xiàn) 環(huán)境友好材料環(huán)境

12、友好材料追求材料的仿生性追求材料的仿生性 仿生材料、智能材料仿生材料、智能材料基礎(chǔ)理論的突破基礎(chǔ)理論的突破 超導(dǎo)、納米材料、納米碳管超導(dǎo)、納米材料、納米碳管1.2 功能材料的發(fā)展概況功能材料的發(fā)展概況新材料的發(fā)現(xiàn)往往導(dǎo)新材料的發(fā)現(xiàn)往往導(dǎo)致新技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的興起致新技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的興起功能材料功能材料發(fā)展的動力發(fā)展的動力新的科學(xué)理論新的科學(xué)理論和現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn) 1新的材料制備新的材料制備技術(shù)的出現(xiàn)技術(shù)的出現(xiàn)新的工程和技術(shù)要求新的工程和技術(shù)要求14040年代末年代末5050年代初研制年代初研制出出SiSi、GeGe半導(dǎo)體單晶，并半導(dǎo)體單晶，并以此制成晶體三極管，進以此制成晶體三極管，進而產(chǎn)生了半導(dǎo)

13、體物理，導(dǎo)而產(chǎn)生了半導(dǎo)體物理，導(dǎo)致半導(dǎo)體器件及其它固體致半導(dǎo)體器件及其它固體器件的發(fā)展，使得半導(dǎo)體器件的發(fā)展，使得半導(dǎo)體技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用，導(dǎo)技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用，導(dǎo)致半導(dǎo)體材料的發(fā)展。致半導(dǎo)體材料的發(fā)展。2隨著對計算機存儲器記錄密隨著對計算機存儲器記錄密度的要求不斷提高，計算機度的要求不斷提高，計算機的記錄介質(zhì)材料不斷發(fā)展。的記錄介質(zhì)材料不斷發(fā)展。由磁性顆粒（如由磁性顆粒（如FeFe2 2O O3 3）涂）涂覆在高分子基片上發(fā)展到磁覆在高分子基片上發(fā)展到磁性薄膜記錄介質(zhì)，磁性薄膜性薄膜記錄介質(zhì)，磁性薄膜的記錄方式由縱向記錄發(fā)展的記錄方式由縱向記錄發(fā)展到垂直到垂直記錄，記錄，例子：半導(dǎo)體材料的發(fā)

14、展例子：半導(dǎo)體材料的發(fā)展1.2 功能材料的發(fā)展概況功能材料的發(fā)展概況1.2 功能材料的發(fā)展概況功能材料的發(fā)展概況例例子子快快速速凝凝固固技技術(shù)術(shù)Duwez在在2020世紀世紀5050年年代發(fā)展了快速凝固技代發(fā)展了快速凝固技術(shù)，制備出非晶態(tài)合術(shù)，制備出非晶態(tài)合金。其后的研究發(fā)現(xiàn)金。其后的研究發(fā)現(xiàn)非晶態(tài)鐵基合金具有非晶態(tài)鐵基合金具有優(yōu)異的軟磁性能，從優(yōu)異的軟磁性能，從而導(dǎo)致了非晶軟磁合而導(dǎo)致了非晶軟磁合金的發(fā)展與應(yīng)用。金的發(fā)展與應(yīng)用。9090年代初又用該技術(shù)發(fā)年代初又用該技術(shù)發(fā)展了非晶展了非晶/ /納米晶復(fù)合納米晶復(fù)合軟磁合金軟磁合金視頻短片視頻短片美國美國F/A-22A隱身戰(zhàn)機試驗飛行精彩視頻隱

15、身戰(zhàn)機試驗飛行精彩視頻2 2、飛機隱身的需求、飛機隱身的需求 隱身材料隱身材料F/A-22AF/A-22A被認為是現(xiàn)今世界上最為先進的戰(zhàn)斗被認為是現(xiàn)今世界上最為先進的戰(zhàn)斗機機, ,也是世界上第一種真正意義上的第四代作也是世界上第一種真正意義上的第四代作戰(zhàn)飛機戰(zhàn)飛機. .它集隱身它集隱身, ,高機動性高機動性, ,可維護性與短距可維護性與短距離起降四大優(yōu)勢于一身離起降四大優(yōu)勢于一身, ,單機造價高達單機造價高達1.31.3億美億美元元. .美軍計劃裝備美軍計劃裝備192192架架. .3 3、對材料兩面要求不同的性能、對材料兩面要求不同的性能 梯度材料梯度材料1.2 功能材料的發(fā)展概況功能材料的

16、發(fā)展概況國家體育場國家體育場“鳥巢鳥巢”可以容納觀眾人數(shù)是可以容納觀眾人數(shù)是20042004年雅典奧年雅典奧林匹克綜合體育場的林匹克綜合體育場的2 2倍，達到倍，達到9.19.1萬人！萬人！為了追求更好的現(xiàn)場效果，為了追求更好的現(xiàn)場效果，“鳥巢鳥巢”的看臺設(shè)計成的看臺設(shè)計成“碗碗”狀，同一圓周上觀眾與場地中心的視線距離都在狀，同一圓周上觀眾與場地中心的視線距離都在140140米左米左右。右。廣泛采用廣泛采用吸聲膜材料吸聲膜材料，并配合其他構(gòu)件上的吸聲材料及，并配合其他構(gòu)件上的吸聲材料及場內(nèi)電聲擴音系統(tǒng)，確保每個角落的觀眾都能清晰地聽場內(nèi)電聲擴音系統(tǒng)，確保每個角落的觀眾都能清晰地聽到廣播。到廣播

17、。木塑復(fù)合材料木塑復(fù)合材料是近年來出現(xiàn)的一種新型環(huán)保材料，被北是近年來出現(xiàn)的一種新型環(huán)保材料，被北京奧運會作為綠色建材用于奧運場館建設(shè)，它將京奧運會作為綠色建材用于奧運場館建設(shè)，它將70%70%至至80%80%的植物纖維粉和廉價填料與的植物纖維粉和廉價填料與20%20%至至30%30%的塑料混合，并的塑料混合，并添加少量的特殊添加劑，用擠出成型法制成類似于木材添加少量的特殊添加劑，用擠出成型法制成類似于木材外觀和特性的各種型材和板材。外觀和特性的各種型材和板材。 游泳場館游泳場館“水立方水立方”，沒有使用一根鋼筋，也沒，沒有使用一根鋼筋，也沒有使用一塊混凝土。有使用一塊混凝土。其所采用的材料是

18、一種名為其所采用的材料是一種名為四氟乙烯四氟乙烯 (ETFE)(ETFE)的的特殊材料，內(nèi)充空氣。這種材料耐腐蝕性、保溫特殊材料，內(nèi)充空氣。這種材料耐腐蝕性、保溫性俱佳，自清潔能力強。國外的抗老化試驗證明，性俱佳，自清潔能力強。國外的抗老化試驗證明，它可以使用它可以使用1515至至2020年。年。“水立方水立方”表面分布的耐高溫油墨可以有效反射表面分布的耐高溫油墨可以有效反射陽光，確保場館的溫度不會太高和采光。此外，陽光，確保場館的溫度不會太高和采光。此外，熔點為熔點為275275的膜材料不但耐熱，而且防火。它的膜材料不但耐熱，而且防火。它具有出色的具有出色的自潔功能自潔功能，即使表面沾上灰塵

19、，雨水，即使表面沾上灰塵，雨水也足以使之清潔如新。也足以使之清潔如新。1.3 功能材料的定義、特點及分類功能材料的定義、特點及分類功能材料的提出功能材料的提出 1965年、美國貝年、美國貝爾實驗室的爾實驗室的 J. A. Morton博士博士功能材料的定義功能材料的定義 “ “具有優(yōu)良的電具有優(yōu)良的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)、學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)等功能及其相互轉(zhuǎn)換的功化學(xué)和生物學(xué)等功能及其相互轉(zhuǎn)換的功能，被用于非結(jié)構(gòu)目的的材料能，被用于非結(jié)構(gòu)目的的材料” ” 1.3 功能材料的定義、特點及分類功能材料的定義、特點及分類性性 能能：以材料的電、磁、聲、光等物以材

20、料的電、磁、聲、光等物理、理、 化化學(xué)和學(xué)和 生生物學(xué)特性為主；物學(xué)特性為主；用用 途途：常制成元器件，材料與器件一體化；常制成元器件，材料與器件一體化；評評 價價：器件的功能常直接體現(xiàn)出材料的優(yōu)劣；器件的功能常直接體現(xiàn)出材料的優(yōu)劣；制制 造造：知識密集、多學(xué)科交叉、知識密集、多學(xué)科交叉、技術(shù)技術(shù) 含量高的產(chǎn)品含量高的產(chǎn)品。具有品種多、批量。具有品種多、批量小、小、 更更新?lián)Q代快；新?lián)Q代快；微觀結(jié)構(gòu)：微觀結(jié)構(gòu)：常有超純、超低缺陷密度、結(jié)構(gòu)常有超純、超低缺陷密度、結(jié)構(gòu)高度高度 精細精細等特等特點。點。按用途將材料分為兩大類按用途將材料分為兩大類結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料功能材料功能材料1.3 功能材料的定

21、義、特點及分類功能材料的定義、特點及分類橋梁鋼橋梁鋼工具鋼工具鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)鋼建筑材料建筑材料 通常是指利用其力學(xué)性通常是指利用其力學(xué)性能制造機器和工程結(jié)構(gòu)能制造機器和工程結(jié)構(gòu)中構(gòu)件的材料。中構(gòu)件的材料。磁性材料磁性材料光學(xué)材料光學(xué)材料電子材料電子材料儲能材料儲能材料通常是指利用材料的物理、通常是指利用材料的物理、化學(xué)和生物學(xué)等性能制造化學(xué)和生物學(xué)等性能制造具有電、磁、光、聲、熱、具有電、磁、光、聲、熱、生物等功能器件的材料。生物等功能器件的材料?；诓牧系奈镔|(zhì)基于材料的物質(zhì)性性1.3 功能材料的定義、特點及分類功能材料的定義、特點及分類 金金屬功能材料屬功能材料 無無機非金機非金屬功屬功 能能材料材料高高分子功能分子功能材料材料 復(fù)復(fù)合功能材料合功能材料形狀記憶合金形狀記憶合金儲氫合金儲氫合金壓電陶瓷壓電