新型功能材料材料化學(xué)課件

1、材料化學(xué)第七章 新型功能材料7.1 超導(dǎo)材料17.2 能源轉(zhuǎn)換與儲能材料 27.3 生物材料 37.4信息功能材料 4 1911年，荷蘭物理學(xué)家Onnes在研究水銀低溫電阻時首先發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象。后來又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)一些金屬、合金和化合物在低溫時電阻也變?yōu)榱?，即具有超?dǎo)現(xiàn)象。物質(zhì)在超低溫下，失去電阻的性質(zhì)稱為超導(dǎo)電性；相應(yīng)的具有這種性質(zhì)的物質(zhì)就稱為超導(dǎo)體。超導(dǎo)體在電阻消失前的狀態(tài)稱為常導(dǎo)狀態(tài)；電阻消失后的狀態(tài)稱為超導(dǎo)狀態(tài)。7.1 超導(dǎo)材料一、超導(dǎo)材料的種類按成分可將超導(dǎo)材料分為元素超導(dǎo)體、合金和化合物超導(dǎo)體、有機高分子超導(dǎo)體三類?，F(xiàn)在已知的有24種元素具有超導(dǎo)性。除堿金屬、堿土金屬、鐵磁金屬、貴金屬外

2、幾乎全部金屬元素都具有超導(dǎo)性。合金和化合物超導(dǎo)體包括二元、三元和多元的合金及化合物。組成可以是全為超導(dǎo)元素，也可以部分為超導(dǎo)元素、部分為非超導(dǎo)元素。有機高分子超導(dǎo)體主要是非碳高分子(SN)X。(1) 氧化物超導(dǎo)體(2) 非氧化物超導(dǎo)體(3) 非晶超導(dǎo)材料(4) 復(fù)合超導(dǎo)材料(5) 重費米子超導(dǎo)體(6) 有機超導(dǎo)材料(3) 化合物超導(dǎo)材料(1)元素超導(dǎo)體 (2) 合金超導(dǎo)體1. 低溫超導(dǎo)材料2. 高溫超導(dǎo)材料1. 低溫超導(dǎo)材料 這種材料的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度較低，大約在30K以下。 具體又可分為: 元素超導(dǎo)體 合金超導(dǎo)體 化合物超導(dǎo)體二、超導(dǎo)材料的性能目前已查明常壓下具有超導(dǎo)電性的金屬元素有32種（如上

3、圖元素周期表中青色方框所示）高壓下或制成薄膜狀時具有超導(dǎo)電性的金屬元素有14種（如上圖元素周期表中綠色方框所示） (1) 元素超導(dǎo)體(1)元素超導(dǎo)體 常壓下，已發(fā)現(xiàn)具有超導(dǎo)電性的金屬元素有32種。其中過渡元素占22種，如Ti，V，Zr，Nb，Mo，Ta，W，Re等。非過渡族元素10種，如Bi，Al，Sn，Cd，Pb等。按臨界溫度高低排列，鈮居首位，臨界溫度為9.24K；其次是人造元素锝，臨界溫度為7.8K；第三是鉛，7.197K；第四是鑭，6.00K。然后是釩，5.4K；鉭，4.47K；汞，4.15K；以下依次為錫、銦、鉈、鋁。研究發(fā)現(xiàn)，在施以30Gpa的條件下，超導(dǎo)元素的最高臨界溫度可達(dá)13

4、K。元素超導(dǎo)體除V，Nb，Ta以外均屬于第一類超導(dǎo)體，很難實用化。超導(dǎo)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)后，Onnes曾試驗用鉛絲繞制超導(dǎo)磁體，但其臨界電流、臨界磁場均較小，無法實用。1950年前后，研究者又采用純鈮線制作超導(dǎo)磁體，最終也宣告失敗。(2) 合金超導(dǎo)體在目前的合金超導(dǎo)材料中，NbTi系合金實用線材的使用最為廣泛，原因之一是在于它與銅很易復(fù)合。復(fù)合的目的是防止超導(dǎo)態(tài)受到破壞時，超導(dǎo)材料自身被毀。這種合金線材雖然不是當(dāng)前最佳的超導(dǎo)材料，但由于這種線材的制造技術(shù)比較成熟，性能也較穩(wěn)定，生產(chǎn)成本低，所以目前仍是實用線材中的主導(dǎo)。20世紀(jì)70年代中期，在NbZr，NbTi合金的基礎(chǔ)上又發(fā)展了一系列具有很高臨界電流的

5、三元超導(dǎo)合金材料，如Nb40Zr10Ti，NbTiTa等，它們是制造磁流體發(fā)電機大型磁體的理想材料。(3) 化合物超導(dǎo)體超導(dǎo)化合物的超導(dǎo)臨界參量均較高，是性能良好的強磁場超導(dǎo)材料。但質(zhì)脆，不易直接加工成線材或帶材，需要采用特殊的加工方法。目前能夠?qū)嵱玫某瑢?dǎo)材料，如NbTi合金、V3Ga所產(chǎn)生的磁場均不超過20T。而其他材料，如Nb3Al和Nb3(AlGe)等臨界溫度及上臨界磁場均高于Nb3Sn，V3Ga。近年來，日本采用熔體急冷法、激光和電子束輻照等新方法進(jìn)行試驗，取得了重要進(jìn)展。如用電子束和激光束輻照Nb3(AlGe)，在4.2K，25T的磁場下，臨界電流密度達(dá)到3104Acm-2。具有超導(dǎo)

6、電性的合金及化合物多達(dá)幾千種，真正能夠?qū)嶋H應(yīng)用的并不多。超導(dǎo)的應(yīng)用從目前的研究情況來看，超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用可分成三類： 用超導(dǎo)材料做成磁性極強的超導(dǎo)磁鐵，用于核聚變研究和制造大容量儲能裝置、高速加速器、超導(dǎo)發(fā)電機和超導(dǎo)列車，以解決人類的能源和交通問題。超導(dǎo)磁浮列車超導(dǎo)磁流體發(fā)電機 用超導(dǎo)材料薄片制作Josephson器件，用于制造高速電子計算機和靈敏度極高的電磁探測設(shè)備。高能量粒子超導(dǎo)加速器及碰撞器超導(dǎo)射頻濾波器 用超導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場來研究生物體內(nèi)的結(jié)構(gòu)及用于對人的各種復(fù)雜疾病的治療。心臟血管檢查 影像圖頭部及足部MRI 影像圖2. 高溫超導(dǎo)材料 這種材料大多具有較高的臨界轉(zhuǎn)變溫度，超過了77K，可

7、在液氮的溫度下工作。它們大多為氧化物陶瓷，首先開發(fā)的氧化物超導(dǎo)體是釔系氧化物YBa2Cu3O7 (YBCO)超導(dǎo)體，隨后開發(fā)的是鉍系氧化物 Bi2Sr2Ca2Cu3Ox(BSCCO)超導(dǎo)體和鉈系氧化物TlBaCaCuO超導(dǎo)體。少數(shù)的非氧化物高溫超導(dǎo)體主要是C60化合物。(1) 氧化物超導(dǎo)體(2) 非氧化物超導(dǎo)體(3) 非晶超導(dǎo)材料(4) 復(fù)合超導(dǎo)材料(5) 重費米子超導(dǎo)體(6) 有機超導(dǎo)材料一.能源轉(zhuǎn)換 能源轉(zhuǎn)換是改變能源物理形態(tài)的能源生產(chǎn)一次能源直接或間接轉(zhuǎn)變化石燃料、水能等電能、熱能、汽油、煤油、柴油、煤氣等二次能源7.2 能源轉(zhuǎn)換與儲能材料例如：水的勢能使水輪機運轉(zhuǎn)，水輪機帶動發(fā)電機而轉(zhuǎn)

8、變?yōu)殡娔?；煤通過燃燒轉(zhuǎn)換為熱能，熱能產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動汽輪機轉(zhuǎn)換為機械能，再帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)換為電能?；鹆Πl(fā)電廠之“烏龍戲珠”轉(zhuǎn)換后的二次能源比一次能源具有更高的終端利用效率，使用時更方便、更清潔。但是在有熱轉(zhuǎn)換的過程中，不可避免地會伴有轉(zhuǎn)換損失。例如，用一定量的煤來發(fā)電時，煤的有些能量將殘存在未燃盡的煤粒中，有些將以熱的形式從煙囪中損失掉或成為鍋爐或蒸汽管道的輻射熱而散發(fā)掉，有些以廢熱的形態(tài)失去，有些成為摩擦損失，剩下的部分轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。所有這些能量加在一起等于煤完全燃燒所應(yīng)釋放的能量。在研究能源轉(zhuǎn)換的問題時，不僅要注意能量的數(shù)量，還應(yīng)注意能量的質(zhì)量。人類對能源的利用主要有三次大轉(zhuǎn)換：第一次是煤炭取代木

9、材等成為主要能源；第二次是石油取代煤炭而居主導(dǎo)地位；第三次是20世紀(jì)后半葉開始出現(xiàn)的向多能源結(jié)構(gòu)的過渡轉(zhuǎn)換。人類利用能源的歷史可分為五大階段：火的發(fā)現(xiàn)和利用；畜力、風(fēng)力、水力等自然動力的利用；化石燃料的開發(fā)和熱的利用；電的發(fā)現(xiàn)及開發(fā)利用；原子核能的發(fā)現(xiàn)及開發(fā)利用。吐魯番烏魯木齊大黃山高等級公路像一條黑色緞帶，蜿蜒于天山腳下。沿路南行，在通往絲路重鎮(zhèn)達(dá)坂城的道路兩旁，上百臺風(fēng)力發(fā)電機擎天而立、迎風(fēng)飛旋，與藍(lán)天、白云相襯，在博格達(dá)峰清奇峻秀的背景下，在廣袤的曠野之上，形成了一個蔚為壯觀的風(fēng)車大世界。目前我國最大的風(fēng)能基地：新疆達(dá)坂城風(fēng)力發(fā)電廠。2008新疆行，達(dá)坂城的風(fēng)車能源轉(zhuǎn)換實例生物質(zhì)轉(zhuǎn)換成生

10、物質(zhì)燃料垃圾堆各類植物 能源轉(zhuǎn)換實例生物質(zhì)轉(zhuǎn)換成生物質(zhì)燃料動力照明鞋 這雙鞋子照亮黑暗的小徑，而電源則由跑步或徒步時所產(chǎn)生的能源轉(zhuǎn)換而成。 二.化學(xué)反應(yīng)儲能材料 化學(xué)儲能實際上就是利用儲能材料相接觸時發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而通過熱能與化學(xué)能的轉(zhuǎn)換將能量儲存起來。目前化學(xué)儲能廣泛應(yīng)用于化學(xué)熱泵、化學(xué)熱管、化學(xué)熱機、空調(diào)設(shè)備和滅火材料等方面。最新的研究表明，一些可逆化學(xué)反應(yīng)過程在儲熱方面比純物理過程(熱容量變化和相變)更有效。主要優(yōu)點不僅在于儲熱量大，而且如果反應(yīng)過程能用催化劑或反應(yīng)物控制，就可以長期儲存熱量。其中，儲存低中溫?zé)崃孔钣行У幕瘜W(xué)反應(yīng)是水合脫水反應(yīng)，該反應(yīng)的可逆性很好，對設(shè)計多途的低中溫儲熱系

11、統(tǒng)中非常有益。目前有四種無機物的可逆水合脫水反應(yīng)已受到人們的關(guān)注，即結(jié)晶水合物、氫氧化物、多孔材料和復(fù)合材料。涼爽冰帽 普通太陽帽的換代產(chǎn)品 清涼感覺 從頭開始涼爽冰帶（萬能冰涼帶）橫空出世涼爽冰帽的超級換代產(chǎn)品夏天熱,戴帽子也熱!萬能冰帶解決了你的煩惱，想涼爽可就不喜歡冰帽的款式。你想戴怎樣的帽子仍戴怎樣的帽子.只要戴上萬能冰帶，所有的問題都好辦想戴就戴。 眾所周知，涼爽冰帽其實就是一個普通帽子加上里面的一條制冷冰條組成的，然而因為冰條和普通帽子是用磨術(shù)貼組合在一起像哥倆一樣不能分開的，冰條膨脹后致使一些太陽鏡帽、布帽成人根本無法配戴。同時因全國各地流行的款式不一樣，人對各種帽子的愛好不一樣

12、，致使一些冰帽存在著一些不可避免的缺陷。我廠現(xiàn)在生產(chǎn)的這種萬能冰涼帶與眾不同，可以直接配戴在頭上，因為它與帽子分離，上下、松緊均可調(diào)節(jié)，不管是普通帽子、太陽鏡帽，還是摩托車安全頭盔、交警帽，都可以隨心所欲的配戴。1結(jié)晶水合物結(jié)晶水合物蓄熱是在低于其熔點的溫度下，使水合鹽全部或部分脫去其結(jié)晶水，利用脫水過程中吸收的水合熱實現(xiàn)熱量的儲存。當(dāng)需要回收熱量時，把脫去的水與脫水鹽接觸即可實現(xiàn)。例如：吸熱放熱由表可以看出，這些氫氧化物性能參數(shù)對低溫蓄熱很有潛力，如利用Ca(OH)2/CaO的可逆反應(yīng)對水蒸氣進(jìn)行加熱，可獲得溫度達(dá)500的高品位過熱水蒸氣。利用這種材料的化學(xué)熱泵具有可逆性能好，反應(yīng)速率快、反

13、應(yīng)熱量大、穩(wěn)定安全且價廉等優(yōu)點。但由于無機氫氧化物和水合物相比有較強的腐蝕性，并且和含CO2的空氣相互作用，穩(wěn)定性很差，故目前在儲熱中應(yīng)用較少。2無機氫氧化物無機氫氧化物的脫水反應(yīng)也可用來儲存熱量3多孔蓄熱材料 多孔蓄熱材料是利用了沸石和硅膠等材料對水的高吸附熱。其中，如沸石這種多孔材料可吸收質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3035的水，因此通過吸水過程儲存的熱量很多，其儲能密度一般能超過100kJkg-1。而且，此種材料有較長的使用壽命，Y型沸石進(jìn)行1 000次循環(huán)其活性也不降低。此外，沸石可加工成粒狀，極有利于水蒸氣透過沸石床進(jìn)行傳質(zhì)。迄今為止，對沸石制冷和沸石熱泵已經(jīng)做過大量的研究，多孔蓄熱材料無毒廉價，吸附

14、蒸汽而體積變化不大，有很大的發(fā)展前景。但多孔蓄熱材料存在再生溫度較高(200)以及如何高效地進(jìn)行再活化等問題，還有待今后去解決。另外一種化學(xué)儲熱材料是將結(jié)晶水合鹽填充到多孔材料中形成的復(fù)合材料。這種復(fù)合材料是在各種多孔材料，如硅膠、氧化鋁及其他聚合物的、金屬的和含碳的多孔材料中填充選定類型的結(jié)晶水合物而制得。如CaCl26H2O硅膠復(fù)合材料，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70 時，僅水的蒸發(fā)就可以使干儲熱材料提供1 580kJkg-1的儲熱量。這種材料的主要優(yōu)點是：儲熱能力高(可達(dá)到2 000kJkg-1)，傳熱傳質(zhì)性能優(yōu)良，理化性質(zhì)可調(diào)節(jié)，工作溫度范圍(2080)適宜，原材料簡單易得。目前CaCl26H2O硅

15、膠復(fù)合材料已經(jīng)做過應(yīng)用試驗，包括用于空調(diào)設(shè)備、電子設(shè)備冷卻裝置，以及做滅火材料(覆蓋在可燃物表面及制成粉末噴灑滅火均可)的試驗。4復(fù)合蓄熱材料 三. 相變儲能材料目前，相變材料中研究和應(yīng)用最多的是固液相變儲能材料，它已經(jīng)是相對成熟的一類材料。國內(nèi)外研制的固液相變材料主要有無機水合鹽和有機物。1固液相變儲能材料（2）有機儲能材料 有機類相變材料常用的有高級脂肪烴類、脂肪酸或其酯或鹽類、醇類、芳香烴類、芳香酮類、酰胺類、氟利昂類和多羥基碳酸類等，另外高分子類有聚烯烴類、聚多元醇類、聚烯醇類、聚烯酸類、聚酰胺類以及其他的一些高分子，其中典型的有尿素、CnH2n+2、CnH2n、C10H8、CFC、P

16、E、PEG、PMA、PA等。（1）無機儲能材料 無機水合鹽有較大的熔解熱和固定的熔點，是中低溫相變材料中重要的一類，主要有結(jié)晶水合鹽類、熔融鹽類、金屬或合金類等。最典型的是結(jié)晶水合鹽類，這類材料具有熔化熱大、導(dǎo)熱系數(shù)高、相變時體積變化小等優(yōu)點，使用較多的主要有堿及堿土金屬的鹵化物、硝酸鹽、硫酸鹽、磷酸鹽、碳酸鹽及醋酸鹽等。2固固相變材料 固固相變材料與固液相變材料相比具有很多的優(yōu)點，一是它無需容器盛裝，可以直接加工成型；二是固固相變膨脹系數(shù)較小，體積變化??；三是無過冷現(xiàn)象和相分離現(xiàn)象；四是無毒、無腐蝕、無污染；五是性能穩(wěn)定，使用壽命長；六是使用方便，裝置簡單。因此，固一固相變材料是最有前途的研

17、究領(lǐng)域之一。 目前已經(jīng)開發(fā)出的具有技術(shù)和經(jīng)濟潛力的固固相變材料主要有多元醇、高分子類和層狀鈦鈣礦，其中多元醇在實際應(yīng)用中較多。 （1）多元醇 多元醇的相變溫度較高，很大程度上限制了其實用性。為了得到較寬的相變穩(wěn)定范圍，滿足各種情況下對儲熱溫度的相應(yīng)要求，可將多元醇中兩種或三種按不同比例混合，調(diào)節(jié)相變溫度。不同種類和不同比例的多元醇混合體系其相變溫度和相變焓有較大變化，其中以加入TMP(三羥甲基丙烷)所形成的PETMP體系為最好。 多元醇相變材料具有性能穩(wěn)定，使用壽命長，相變焓較大，無液相產(chǎn)生，體積變化小等優(yōu)點。（2）高分子類 這類相變材料主要是指一些高分子交聯(lián)樹脂，如交聯(lián)聚烯烴類、交聯(lián)聚縮醛類

18、和一些接枝共聚物，如纖維素接枝共聚物、聚酯類接枝共聚物、聚苯乙烯接枝共聚物、硅烷接枝共聚物。 目前使用較多的是聚乙烯。聚乙烯價廉，易于加工成各種形狀，表面光滑，易于與發(fā)熱體表面緊密結(jié)合，導(dǎo)熱率高，且結(jié)晶度越高其導(dǎo)熱率也越高。尤其是結(jié)構(gòu)規(guī)整性較高的聚乙烯，如高密度聚乙烯，線性低密度聚乙烯等，具有較高的結(jié)晶度，因而單位質(zhì)量的熔化熱值較大，但在某些使用場合下，略顯其相變溫度太高。（3）層狀鈣鈦礦 層狀鈣鈦礦是一種有機金屬化合物，它被稱為層狀鈣鈦礦是因為其晶體結(jié)構(gòu)是層型的，和礦物鈣鈦礦的結(jié)構(gòu)相似。純的層狀鈣鈦礦以及它們的混合物在固固轉(zhuǎn)變時有較高的相變焓(42146kJkg-1)，轉(zhuǎn)變時體積變化較小(5

19、%lO%)，適合于高溫范圍的儲能和控溫使用。由于其相變溫度高、價格較貴等原因較少使用。太陽能+相變材料地板采暖系統(tǒng)系統(tǒng)采用29的相變材料，配合太陽能熱水裝置，是一種100%環(huán)保型的室內(nèi)采暖系統(tǒng)。具有安裝容易，能效高，運行成本極低的特點。 太陽能相變材料儲熱器可使室溫在整個冬季保持在21C (70F)左右的溫度范圍完全不受氣候的影響。燃料電池生物材料可以是天然材料，也可以是人工材料?？蓡为毣蚺c藥物一起用于人類組織或器官，起替代、增強、修復(fù)等治療作用。對生物材料的要求是：移植在人體內(nèi)不會引起急性或慢性危害，無毒、無副作用；接觸人體各種體液（如唾液、血液、淋巴液）時，應(yīng)有良好的耐腐蝕性能，不會在生物

20、體內(nèi)變質(zhì)；具有必要的強度、耐磨性和耐疲勞性能等。至關(guān)重要的是材料與生物體組織、血液有相容性（不會引起血液凝固和溶血）；與軟硬組織有良好的黏結(jié)性，不會產(chǎn)生吸收物和沉淀物。7.3 生物材料一. 生物聚合物材料1血液相容性材料 血液與異物接觸會出現(xiàn)凝血現(xiàn)象。凝血就是血漿中的可溶性纖維蛋白原轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗芙獾睦w維蛋白，血漿從溶膠態(tài)變?yōu)槟z態(tài)。異物表面對促成凝血栓塞具有決定性作用。凝血過程的機理迄今還不十分清楚。提高異物表面的抗凝血性能，是研究抗凝血材料的主攻方向。2組織相容性材料 組織相容性材料分為軟組織材料和硬組織材料兩類。前者如人工皮膚、人工氣管、人工食道、隱形眼鏡等；后者如人工關(guān)節(jié)、人工骨和牙等。組

21、織工程人工骨缺損修復(fù)示意圖人造血管人工心臟瓣膜3人工皮膚 人工皮膚的種類很多，有硅橡膠或塑料薄膜人工皮，合成纖維人工皮，合成多肽類人工皮、水凝膠等。甲殼素人工皮的電鏡照片 雙層人工皮膚4硬組織材料 人工髖關(guān)節(jié)是臨床應(yīng)用比較成功的一種。其中髖臼用超高相對分子質(zhì)量的聚乙烯制成，股骨多為金屬制品，這種塑料與金屬的配合，使其耐磨性較金屬與金屬的配合強10倍。頭顱微型鋼板牙齒矯正5隱形眼鏡 早期作隱形眼鏡的是有機玻璃，稱硬角膜接觸鏡，它對眼珠有一定的刺激作用?，F(xiàn)已研究出柔水性聚合物甲基丙烯酸，它容性好，彎曲90也能迅速復(fù)原，也稱為親水軟鏡。有機玻璃的人工晶體已用于治療白內(nèi)障。隱形眼鏡又稱為角膜接觸眼鏡，

22、簡稱接觸鏡。目前有兩種:一種由有機玻璃制成;一種由凝膠制成，具有親水性，故又稱為親水角膜鏡。由于隱形眼鏡是戴在眼球表面，與眼球呈相對固定狀態(tài)，隨眼球轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，使角膜鏡的中心與眼球角膜中心始終同軸，從而消除了三棱鏡的干擾作用，減少了視網(wǎng)膜像大小的失真，視野開闊，不影響面部外形，有許多框架式眼鏡沒有的優(yōu)點。二. 生物降解材料 有些人體醫(yī)用材料，希望只是暫時存在于體內(nèi)，最終能消失，最典型的就是手術(shù)用縫合線，這類材料稱之為生物降解材料。此外，如人造骨骼，也希望其外表面有一層生物降解材料，并希望人造骨的降解速率與組織生長速率一致。這樣，隨著組織內(nèi)部的降解吸收，原來的組織得以再生，與生物體組織結(jié)成一體。

23、可作為生物降解材料的聚合物有聚酯脂、聚氨基酸、交聯(lián)白蛋白、骨膠原、明膠等。硅橡膠醫(yī)用導(dǎo)管類 人工晶體 普通藥物多是低分子化合物，在體內(nèi)的代謝速度快，因而病人需連續(xù)服藥，藥物高分子化后，釋放速度緩慢，還可定向釋放，療效增加。用作藥物載體的聚合物材料，是通過低分子藥物結(jié)合到聚合物上或?qū)⑺幬锇谟镁酆衔镒龅奈⒛依?，使低分子藥物高分子化。新康泰克膜控小丸結(jié)構(gòu)聚合物緩釋包衣層藥物層基丸色衣層 本品內(nèi)容物：速釋小丸，能在一定時間內(nèi)發(fā)揮作用的緩釋小丸，其有效濃度可維持12h。藥物的釋放方式有如下4種：（1）擴散控制釋放 用微膠囊、空心纖維、脂質(zhì)體或膜承載藥物，釋放速率受聚合物相對分子質(zhì)量和組成、藥物含量及藥

24、粒大小控制。采用的聚合物有甲基纖維素、羥丙基纖維素、聚乙烯醇和甲基丙烯酸羥基酯等。（2）化學(xué)反應(yīng)控制釋放 包埋在載體內(nèi)的藥物，隨載體的降解而釋放，降解速率控制釋放速率。采用的聚合物有聚乳酸、聚乙烯醇及其共聚物、聚酰胺、聚縮醛、多糖類聚合物等。（3）溶劑活性控制釋放 由滲透和溶脹機理來控制藥物的釋放。滲透控制是溶劑經(jīng)半透膜或聚合物膜的微孔進(jìn)入藥物，溶解藥物后再以等體積輸出含有藥物的溶液。溶劑的滲透速率影響藥物釋放的快慢。溶脹控制是介質(zhì)使載體溶脹，然后藥物向外擴散。按這種方式所用的藥用聚合物有纖維素衍生物、甲基丙烯酸羥乙酯和甲酯的共聚物等。（4）磁性控制釋放 將藥物和鐵磁性顆粒包埋在聚合物中，在病

25、灶外磁場的作用下，磁性藥物微珠定向運動而集中于病灶，可有目的地局部輸送藥物、控制釋放。這是先進(jìn)的“導(dǎo)彈療法” 。三. 生物活性材料 由于陶瓷材料在生物體內(nèi)極為穩(wěn)定，與生物組織有良好的親和性，特別適于作人體硬組織的替換、修補材料。這類材料主要有氧化鋁、羥基磷灰石、生物活性玻璃、生物活性玻璃陶瓷、生物活性骨水泥等，能與人體骨生長在一起形成化學(xué)結(jié)合。1氧化鋁陶瓷 氧化鋁陶瓷是傳統(tǒng)的生物材料，具有卓越的抗腐蝕性能，強度、硬度都很高，還有較高的耐磨性和優(yōu)異的壓縮強度，良好的生物相容性，但由于質(zhì)脆限制了其應(yīng)用。 2磷酸鈣陶瓷 具有生物降解性，并能被人體吸收。 磷酸鈣陶瓷生物降解速率與其結(jié)構(gòu)有關(guān)，-磷酸三鈣

26、-磷酸三鈣羥基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2。 羥基磷灰石是骨組織和牙組織的無機組成部分，它的單位晶胞與人體骨組織相同。 羥基磷灰石與聚合物復(fù)合用于人造骨，效果更好，現(xiàn)已有聚乙烯與它復(fù)合的材料。3玻璃碳 一種透明的碳，是近年發(fā)展起來的碳素材料。 由聚合物（如酚醛樹脂）加熱裂解碳化而得。 力學(xué)性能與人骨很相近，有優(yōu)良的抗血黏性能，有耐蝕性和化學(xué)穩(wěn)定性?？捎靡灾谱魅斯ば陌昴?、人工齒根等。 信息功能材料是信息科學(xué)技術(shù)的先導(dǎo)和基礎(chǔ)。 20世紀(jì)40年代末5O年代初，晶體管的發(fā)明、硅單晶材料和硅集成電路(ICs)的研制成功，導(dǎo)致了電子工業(yè)大革命。 光導(dǎo)纖維材料和以砷化鎵(GaAs)材料為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體

27、激光器的發(fā)明，使人類進(jìn)入到光纖通信和高速、寬帶信息網(wǎng)的時代。 20世紀(jì)70年代，超晶格概念的提出，分子束外延(MBE)、金屬有機物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)等生長技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，以及超晶格、量子阱材料的研制成功，使半導(dǎo)體器件的設(shè)計思想由“雜質(zhì)工程”發(fā)展到“能帶工程”，出現(xiàn)了器件的電學(xué)、光學(xué)性質(zhì)可剪裁的新范疇，為材料和器件科學(xué)家提供了一個施展才能和創(chuàng)新的廣闊天地。7.4 信息功能材料一. 半導(dǎo)體硅材料高速發(fā)展的深亞微米級的集成電路對硅材料的要求是，既要大直徑化，又要晶體性能完美無缺。在硅材料晶體生長的研究方面，大量采用計算機模擬，拉晶技術(shù)采用磁場直拉法；在缺陷的控制方面，采用設(shè)計晶體生長速率與

28、固液界面溫度梯度工藝，控制硅中自間隙硅原子、空位及相關(guān)微缺陷，可獲得完美硅單晶；在缺陷的利用方面，采用綜合內(nèi)吸除技術(shù)控制和利用硅中的缺陷和雜質(zhì)，尤其是近年采用快速熱處理并引入和控制空位，從而控制氧沉淀的新型內(nèi)吸除技術(shù)，獲得高質(zhì)量潔凈層，并提高效率和降低成本；硅中摻氮雜質(zhì)可抑制硅中體缺陷和增強硅片機械強度，結(jié)合使用內(nèi)吸除技術(shù)，能生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)硅片；在硅片加工方面，采用線切割技術(shù)和雙面拋光等先進(jìn)的工藝和技術(shù)。當(dāng)前微電子技術(shù)的基礎(chǔ)材料 從提高硅器件、集成電路成品率，提高性能和降低成本來看，增大直拉硅單晶的直徑、解決硅片直徑增大導(dǎo)致的缺陷密度增加和均勻性變差等問題仍是今后硅單晶發(fā)展的大趨勢。二. 硅外延材

29、料高溫下通過氣相化學(xué)反應(yīng)，在拋光的硅單晶片上生長一層或多層硅單晶薄膜，通過控制生長條件，可以獲得不同電阻率，不同厚度及不同型號的外延層。 主要用于制造各種硅集成電路和分立器件，是集成電路和分立器件中重要的基礎(chǔ)材料。大直徑的硅集成電路芯片生產(chǎn)線均選用硅外延作為起始材料?？捎行У乜刂蒲?、碳等雜質(zhì)沾污，提高其純度、完整性和摻雜均勻性，從而克服直拉硅單晶存在的問題。三、AA化合物半導(dǎo)體材料與硅相比，AA化合物材料以其優(yōu)異的光電性質(zhì)在高速、大功率、低功耗、低噪聲器件和電路、光纖通信、激光光源、太陽能電池和顯示等方面得到了廣泛的應(yīng)用。GaAs，InP和GaN及其微結(jié)構(gòu)材料是目前最重要、應(yīng)用最廣泛的AA化合

30、物半導(dǎo)體材料。 GaAs化合物半導(dǎo)體結(jié)晶和晶片四. 寬帶隙半導(dǎo)體材料寬帶隙半導(dǎo)體材料（高溫半導(dǎo)體材料）主要是金剛石、A氮化物、碳化硅、立方氮化硼以及AA族硫、錫碲化物、氧化物(ZnO等)及固溶體等。特別是SiC、GaN和金剛石薄膜等材料具有高熱導(dǎo)率、高電子飽和漂移速率和大臨界擊穿電壓等特點，成為研制高頻大功率、耐高溫、抗輻照半導(dǎo)體微電子器件和電路的理想材料，在通信、汽車、航空、航天、石油開采以及國防等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。另外，A氮化物等也是優(yōu)良的光電子材料，在藍(lán)、綠光發(fā)光二極管(LED)和紫、藍(lán)、綠光激光器(LD)以及紫外探測器等方面也顯示了廣泛的應(yīng)用前景。碳化硅寬帶隙半導(dǎo)體隨著1993年

31、GaN材料的P型摻雜技術(shù)的突破，GaN基材料成為藍(lán)綠光發(fā)光材料的研究熱點。近年來，功率達(dá)瓦級(最大為 5W)的GaN基藍(lán)、紫光發(fā)光二極管的研制成功，使人們看到了固態(tài)白光照明的誘人前景。固態(tài)照明與目前常用的白熾燈相比，不僅發(fā)光效率高，節(jié)約能源2/3，而且工作壽命可提高10倍以上，加之工作電壓低、安全可靠和無污染等，是當(dāng)前國內(nèi)外研發(fā)的熱點。方大集團(tuán)于2001年9月在國內(nèi)第一個生產(chǎn)出GaN基LED外延片藍(lán)、綠、白光LED城市建筑裝飾燈光工程五. 信息存儲材料 目前磁記錄材料仍是最重要的信息存儲材料。通過技術(shù)革新和巨磁阻材料的利用，磁性材料的存儲密度仍有大幅度提高的空間。但是，20012006年之間，

32、磁材料中磁記錄單元(磁晶)的尺寸已達(dá)到其記錄狀態(tài)的物理極限，相應(yīng)的存儲密度為10100GB。在這種背景下，從 20世紀(jì)80年代末以來，光存儲技術(shù)得到了十分迅速的發(fā)展，光存儲的市場不斷擴大。目前，一般的光存儲技術(shù)已經(jīng)成熟，一次性和可擦寫的光盤都已商業(yè)化。由于20世紀(jì)90年代末GaN藍(lán)色激光的出現(xiàn)，光存儲密度由于所使用的光波波長變短而得到成倍的增長。下一步的發(fā)展方向是研究和開發(fā)適合藍(lán)紫激光波長的光盤材料。此外，由于光存儲技術(shù)的面密度已接近光學(xué)衍射極限，國際上正在尋找下一代的光存儲技術(shù)，如三維光存儲技術(shù)、全息存儲技術(shù)和近場光存儲等。在這些新的存儲技術(shù)中，關(guān)鍵還是可實用的光存儲材料的研究和開發(fā)。日立執(zhí)

33、行副總裁海利的右手上是1英寸微型硬盤中的一張盤片，他的左手上是50年前IBM生產(chǎn)的RAMAC中的一張24英寸盤片。1英寸硬盤盤片的數(shù)據(jù)存儲量是1張24英寸RAMAC盤片的80 000多倍，8GB容量1英寸硬盤的存儲容量是RAMAC的1 600倍。 縱觀硬盤的發(fā)展史，從第一塊硬盤誕生到現(xiàn)在已有50年歷史，硬盤的面密度（硬盤表面每平方英寸所存儲的數(shù)據(jù)位數(shù)）已經(jīng)增加了一千萬倍。50張組合在一起的盤片只能存儲大約2首iTunes歌曲 硬盤還會多??？日立的微型硬盤包含有直徑1英寸的盤片東芝已經(jīng)將盤片的直徑進(jìn)一步縮小到了0.85英寸 IBM 3340這款1英寸硬盤是由IBM在1999年發(fā)明的，它支持30

34、MB的固定存儲和30 MB的可移動存儲1976年, 5.25英寸的SA-400軟盤驅(qū)動器 1英寸Microdrive家族三劍客 存儲量達(dá)目前硬盤千倍，IBM展示單原子存儲、分子開關(guān)即使當(dāng)今存儲密度最高的硬盤，要想保存1bt的信息也需要大約100萬個磁性原子，而位于加州圣何塞的IBM Almaden研究中心已經(jīng)成功地在一個單獨的原子上保存了1bt信息。與此同時，IBM蘇黎世研究實驗室則發(fā)明了分子開關(guān)，有望取代當(dāng)今的硅芯片技術(shù)制造超微型的處理器，一臺超級計算機的體積也許只會相當(dāng)于一粒塵埃。IBM稱，單原子存儲技術(shù)實用后可以得到超高密度的存儲設(shè)備，至少相當(dāng)于目前硬盤的1 000倍，可以在一部iPod

35、的體積內(nèi)存儲3萬部全尺寸電影。六. 有機光電子材料有機發(fā)光材料以其低廉的成本和良好的柔性，已成為全色高亮度發(fā)光材料研究的又一大熱點。目前有機電致發(fā)光材料LED的發(fā)光亮度最高已達(dá)10Cdm-2，發(fā)光效率為151mW-1，工作壽命超過20 000h，并實現(xiàn)了紅、綠、藍(lán)及全色發(fā)光，并有16英寸彩屏研制成功的報道，商業(yè)化前景看好。但有機發(fā)光材料的穩(wěn)定性尚未得到徹底解決。折射率漸變新型塑料光纖由于其優(yōu)良的機械性能以及抗干擾、易連接、低成本等特點，成為短途光纖通信和光纖入戶的關(guān)鍵材料。1994年，國際上開始研制漸變型塑料光纖技術(shù),目前已有的實際應(yīng)用包括，利用塑料光纖建立了局部電話通信系統(tǒng)，漸變型塑料光纖的

36、應(yīng)用等。中國在20世紀(jì)90年代中期也開展了相應(yīng)研究，并在短距離數(shù)據(jù)、資料傳輸,局域網(wǎng)互聯(lián)等方面進(jìn)行了示范演示，取得了較大進(jìn)展。七. 人工晶體材料人工晶體在光通信、三維光存儲、光計算、激光加工、醫(yī)療、光倍頻、全光顯示和國防等方面有重要應(yīng)用。人工晶體在高光學(xué)質(zhì)量、大尺寸激光晶體材料制備等方面取得了長足進(jìn)步，并在可調(diào)諧、大功率和復(fù)合功能3個應(yīng)用方面也取得了重大的進(jìn)展。IDF系列光電新材料人工晶體KTP一種植入眼內(nèi)的人工透鏡，取代天然晶狀體的作用。第一枚人工晶體是由John Pike, John Holt和Hardold Ridley共同設(shè)計的，于1949年11月29日，Ridley醫(yī)生在倫敦St.Thomas醫(yī)院為病人植入了首枚人工晶體。 鈮酸鋰單晶體是高速光通信中外部調(diào)制器采用的非線性光學(xué)結(jié)晶。是光電子元件中不可缺少的材料。除調(diào)制器以外，在轉(zhuǎn)換激光波長的二次諧波產(chǎn)生（SHG）技術(shù)及平面光波電路中均起著非常重要的作用。據(jù)稱，晶體科技公司每年生產(chǎn)70多噸鈮酸鋰晶體。這種單晶體在實際生產(chǎn)調(diào)制器等設(shè)備方面，需切成