新編功能材料學(xué)概論課件

1、吳進(jìn)怡功能材料學(xué)第一章 功能材料概論材料的概念：為達(dá)到某種（幾種）使用目的而采用的具有一定成分的、一定顯微結(jié)構(gòu)的的物質(zhì)。材料科學(xué)的重要地位過日子離不開材料 衣、食、住、行是人生存的必要條件。所以人類首先最需要的就是材料。正因為這樣，在生產(chǎn)力還處在很低水平的農(nóng)業(yè)社會里，材料便比能源、信息都要早地占據(jù)了主導(dǎo)地位。技術(shù)離不開材料 使用任何一種技術(shù)更離不開材料。人最原始最簡單的技術(shù)到最尖端、最復(fù)雜的技術(shù)，莫不如此。在人類社會發(fā)展文明的早期，往往用那一時代主要生產(chǎn)工具使用的材料來代表那一時代:新石器時代、青銅器時代、鐵器時代等等。材料是一切事物的物質(zhì)基礎(chǔ)1、 人類歷史階段是根據(jù)使用材料劃分的從過去到現(xiàn)在

2、 共經(jīng)歷了七個時代 1 石器時代 公元前10萬年2 青銅時代 公元前3000年3 鐵器時代 公元前1000年4 水泥時代 公元0年5 鋼時代 1800年6 硅時代 1950年7 新材料時代 1990年漫長而又曲折的歷程：石斧1 石器時代兵器：古代寶劍-古代冶金學(xué)的發(fā)展 冶煉技術(shù)、淬火技術(shù)、滲碳技術(shù) 越女劍-納米復(fù)合材料 2 青銅時代商朝中期（距今有3100-3600年）的墓穴中發(fā)現(xiàn)鐵刃銅鉞，是一件鑲有鐵刃的青銅斧狀兵器。煉鐵4000年前，地處西亞的安納脫利地區(qū)赫梯人。鐵鋼中國千錘百煉；漢朝以后出現(xiàn)炒鋼、團(tuán)鋼；直到19世紀(jì)前半葉，人類還在已經(jīng)經(jīng)歷了2000多年的鐵器時代里徘徊，并沒有真正跨入鋼鐵

3、時代的大門。3 鐵器時代把人類帶進(jìn)鐵器時代的是發(fā)明家貝塞麥。貝塞麥?zhǔn)怯耍?813年1月19日出生在哈福德郡的查爾頓。19世紀(jì)50年代初，俄國和土耳其之間發(fā)生戰(zhàn)爭克里米亞戰(zhàn)爭。托馬斯錳鋼英國的哈德菲爾德（Mn13%）不銹鋼英國的布里而利金屬玻璃杜微滋（美國）發(fā)現(xiàn)（1959），增本（日本）發(fā)展（1969）水泥時代住緣木而居山洞粘土石膏（埃及金字塔）我國：石灰（長城）意大利、日本：火山灰水泥：粘土和石灰混合煅燒1824年英國人阿斯普丁18世紀(jì)初俄國建筑工程師葉伐爾 契利耶夫1985年，在我國甘肅省秦安縣大地灣村，發(fā)現(xiàn)一個新石器時代文化遺址，其地坪為325號硅酸鹽水泥鋼筋混凝土法國園藝師蒙尼亞和俄

4、國建筑師別列柳布斯基6 硅時代 1950年7 新材料時代 1990年材料(Materials)是國民經(jīng)濟(jì)的物質(zhì)基礎(chǔ)。材料無處不在，無處不有材料科學(xué)的重要地位嶄新技術(shù)的實現(xiàn)需要嶄新材料的支持 例如，人們早就知道了噴氣航空發(fā)動機(jī)比螺旋槳航空發(fā)動機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)，但由于沒有材料能承受噴射出燃?xì)獾母邷?，使這種理想只能是空中樓閣。直到1942年制成了鎳基耐熱合金這種新材料、才使噴氣發(fā)動機(jī)的制造得以實現(xiàn)。 同樣，如果沒有1970年制成的使光強(qiáng)度衰減降低到可以實用的光導(dǎo)纖維，也不會有現(xiàn)代的光通信； 如果不能制成高純度大直徑的硅單晶，就不會有高度發(fā)展的集成電路，也不會有今天如此先進(jìn)的計算機(jī)和一切電子設(shè)備。這樣的例

5、子可以說舉不勝舉。先進(jìn)的技術(shù)又促使了具有前所未有性能的新材料的誕生 例如，利用巨型計算機(jī)可以計算出要求什么樣的性能便應(yīng)該有什么樣的成分組成，甚至還沒有制造出來便可以先用虛擬現(xiàn)實技術(shù)觀看所制成的零件在工作時的表現(xiàn)如何。這就使得在研制新材料時，具有更大的主動性、預(yù)見性，避免盲目地作大量無益的探索。 更進(jìn)一步，還可以算出原子之間應(yīng)該怎樣排列才能具有所需要的性能，并利用可以操作單個原子層的技術(shù)將其制造出來。這就體現(xiàn)在處于電子器件制造技術(shù)最前沿的超晶格材料。這樣的例子，同樣不勝枚舉。所以，現(xiàn)代的材料技術(shù)正同其他高技術(shù)互相支持、共同發(fā)展新材料時代特征： 不象以前的各個材料時代，它是一個由多種材料決定社會和

6、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的時代；新材料以人造為特征；新材料科學(xué)根據(jù)我們對材料的物理和化學(xué)性能的了解，為了特定的需要設(shè)計和加工而成的?，F(xiàn)在的材料種類繁多，按材料本身的性質(zhì)分，主要有金屬材料、陶瓷材料、高分子材料、復(fù)合材料、液晶材料等。按材料的作用分，有結(jié)構(gòu)材料和功能材料。結(jié)構(gòu)材料 用于制造各種結(jié)構(gòu)，通俗地說就是要受力，因此對它的要求主要是機(jī)械性能，如強(qiáng)度、延伸率(達(dá)到極限強(qiáng)度斷裂時伸長了多少，延伸率小的材料便容易脆斷)、硬度、韌性( 受沖擊力時容不容易斷裂)、剛性(容不容易保持形狀不變)等等。有時不要求其能經(jīng)受住嚴(yán)峻的環(huán)境條件，如要求耐熱性、抗腐蝕性等等。第一章 功能材料概論材料的概念：為達(dá)到某種（幾種）使用目

7、的而采用的具有一定成分的、一定顯微結(jié)構(gòu)的的物質(zhì)。研究的內(nèi)容：成分、顯微結(jié)構(gòu)、性能性能材料選擇材料性能材料的發(fā)展過程（三個階段）以不銹鋼為例新材料的研究與應(yīng)用情況美國、中國、日本、韓國、中國臺灣以手機(jī)天線、非晶體材料、摩托車汽缸為例一、功能材料的概念材料根據(jù)用途結(jié)構(gòu)材料功能材料功能材料是指通過光、電、磁、熱、化學(xué)、生化、等作用后具有特定功能的材料。文獻(xiàn)上：Functional Material, Speciality Material, Fine Materials功能材料涉及面較廣，具體包括光、電功能，磁功能分離功能、形狀記憶功能特性。與結(jié)構(gòu)材料相比，一般除具有機(jī)械特征外還具有其他功能特性。

8、功能與結(jié)構(gòu)密切相聯(lián)：如非晶體材料、納米銅、彈性馬氏體相變能產(chǎn)生記憶效應(yīng)、壓電陶瓷必須有極軸等。二功能材料的分類按功能分1、力學(xué)功能2、化學(xué)功能3、物理化學(xué)功能4、生物化學(xué)功能材料按功能的顯示過程按材料種類第二節(jié) 功能設(shè)計的原理和方法 功能顯示過程是指向材料輸入某種能量，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。輸入材料輸出材料顯示功能的示意圖一次功能主要有如下幾種：力學(xué)功能: 慣性、粘性、流動性、成型性、超塑 性、恒彈性、高彈性、震動性、防震性、潤 滑性、成型性聲功能：隔音性、吸音性 熱功能： 傳熱性、隔熱、吸熱、蓄熱電功能：導(dǎo)電性、超導(dǎo)性、絕緣性、電阻磁功能：硬磁、軟磁、

9、半硬磁性光功能：遮光性、透光性、折射光性、反射光性、吸光性、偏震光性化學(xué)功能：吸附作用、氣體吸收性、催化、生化反應(yīng)、酶反應(yīng)其他功能：如，放射特性、電磁波特性二次功能光能與其他能量的轉(zhuǎn)換：感光光合、光分解、光化反應(yīng)、光致抗磁、化學(xué)發(fā)光、感光反應(yīng)、光致伸縮、光電電能與其他能量的轉(zhuǎn)換： 電磁、電阻發(fā)熱、熱電、光電、場致發(fā)光效應(yīng)、電化學(xué)效應(yīng)、光電效應(yīng)磁能與其他能量的轉(zhuǎn)換：光磁效應(yīng)、熱磁效應(yīng)、機(jī)械能與其他能量的轉(zhuǎn)換：形狀記憶效應(yīng)、熱彈性效應(yīng)、機(jī)械化學(xué)效應(yīng)、壓電效應(yīng)、電致伸縮、光壓效應(yīng)、生光效應(yīng)、光彈性效應(yīng)、磁致伸縮功能設(shè)計：賦予材料以一次功能或二次功能的科學(xué)方法。（材料設(shè)計，包括成分、結(jié)構(gòu)、工藝設(shè)計）設(shè)

10、計與實際之間存在的差距金屬功能材料的設(shè)計1 尋找有特定功能的金屬材料2 工藝的設(shè)計如大塊非晶、納米材料無機(jī)非金屬功能材料設(shè)計主要包括功能玻璃、功能陶瓷（1）根據(jù)功能的要求設(shè)計配方（2）根據(jù)功能的要求設(shè)計合適的加工工藝高分子材料的設(shè)計（1）通過分子設(shè)計合成新功能（2）通過特殊加工賦予材料以功能特性（3）材料的復(fù)合（4）表面處理第三節(jié) 功能材料的特點(diǎn)金屬功能材料1、納米金屬材料（1）納米塊狀材料（2）納米薄膜材料（3）納米晶稀土永磁材料（4）磁性液體2、真空快淬材料無機(jī)非金屬功能材料1、組合設(shè)計在無機(jī)非金屬功能材料中的應(yīng)用以氮化碳為例說明2、功能玻璃和功能陶瓷的發(fā)展的新特點(diǎn)功能陶瓷發(fā)展趨向（1）微

11、電子技術(shù)推動下的微型化（薄片化）和高速度化；（2）在安全和環(huán)保工作的促進(jìn)下，發(fā)展傳感器和多孔陶瓷；（3）重視材料復(fù)合技術(shù)；（4）加速智能化請舉出一種功能材料應(yīng)用的情況以手機(jī)為例壓電陶瓷為例磁帶為例國家自然科學(xué)基金委工程與材料學(xué)部“十五”優(yōu)先資助領(lǐng)域（2019-2019）材料科學(xué)基礎(chǔ)理論 高性能結(jié)構(gòu)材料 先進(jìn)功能材料關(guān)鍵科學(xué)問題 納米科學(xué)和技術(shù) 現(xiàn)代冶金理論與新技術(shù)基礎(chǔ)研究 資源利用與環(huán)境工程的可持續(xù)發(fā)展機(jī)械設(shè)計理論與先進(jìn)制造技術(shù) 新型動力工程和工程熱物理的前沿問題 新能源利用與可再生能源的研究 電科學(xué)新技術(shù)和關(guān)鍵基礎(chǔ)研究 結(jié)構(gòu)和大型土木工程的關(guān)鍵科學(xué)問題和新設(shè)計理論 智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng) 城市化進(jìn)程與

12、現(xiàn)代交通工程材料科學(xué)基礎(chǔ)理論： 材料組成、結(jié)構(gòu)、性能、表面/界面以及凝聚態(tài)物理、化學(xué)、力學(xué)的綜合研究； 材料計算，材料性能理論預(yù)測與關(guān)聯(lián)，材料的原子、分子層次設(shè)計、材料結(jié)構(gòu)和性能的系統(tǒng)設(shè)計； 材料性能表征、檢測、快速篩選的新理論、新方法、新技術(shù)，組合材料學(xué)研究； 材料的環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境材料研究； 電、磁、聲、光、熱等效應(yīng)及其各性能之間的耦合作用； 材料的服役行為、腐蝕防護(hù)與抗老化材料研究。高性能結(jié)構(gòu)材料：高性能結(jié)構(gòu)材料的成分和性能的優(yōu)化設(shè)計及制備； 新型金屬、無機(jī)、高分子和復(fù)合材料實用化關(guān)鍵基礎(chǔ)問題； 提高傳統(tǒng)金屬、無機(jī)、高分子材料的性能和使用壽命的關(guān)鍵科學(xué)問題； 大品種工程材料的增強(qiáng)增

13、韌與性能優(yōu)化的基礎(chǔ)研究；先進(jìn)功能材料關(guān)鍵科學(xué)問題：新型功能材料的設(shè)計原理、制備方法與器件化技術(shù)； 功能材料性能穩(wěn)定性和持久性的關(guān)鍵基礎(chǔ)研究； 信息功能材料的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系、制備和組裝； 生物醫(yī)用材料與生物體的相互作用與相容性； 能源材料的高效、低成本、長壽命研究。納米科學(xué)和技術(shù)： 納米材料合成、制備、性能表征和應(yīng)用的新 原理、新方法與新技術(shù)； 納米碳管、納米金屬、納米陶瓷材料、納米半導(dǎo)體、納米薄膜，納米復(fù)合材料、組裝和器件化關(guān)鍵基礎(chǔ)研究； 納米材料的界面與表面特征、形貌控制、表 面修飾和缺陷控制； 微納米加工、微功能元件、微制造技術(shù)、微納米系統(tǒng)的制造； 納米尺度效應(yīng)、微系統(tǒng)的復(fù)合效應(yīng)研

14、究。現(xiàn)代冶金理論與新技術(shù)基礎(chǔ)研究： 冶金傳輸理論、冶金熱能工程、冶金物理化學(xué)和多元多相反應(yīng)工程學(xué)的系統(tǒng)研究； 高功率電弧爐、爐外精煉、冶金短流程、近終成形新技術(shù)； 熔體凝固控制和提高產(chǎn)品質(zhì)量與性能的鑄造、軋制、加工、成形過程研究； 分離與提純，特別是我國特有有色金屬和稀散元素的高效分離新技術(shù)基礎(chǔ)； 等離子、微波、微重力、生物溶浸、特殊冶金及加工過程研究； 冶金過程傳感、檢測、智能控制與關(guān)鍵裝備的理論、方法與新技術(shù)。新型電子產(chǎn)品對材料提出新要求 電子信息材料是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)最重要的基礎(chǔ)支撐之一。從電子信息材料的功能屬性和應(yīng)用來分，電子信息材料可以分為微電子材料、光電材料與器件以及電子元器件三大類。

15、電子信息產(chǎn)品和技術(shù)的不斷發(fā)展和升級換代，對以3C為核心應(yīng)用的電子信息材料的發(fā)展也提出了更多更高的要求，以下為目前世界電子信息材料發(fā)展最新特點(diǎn)和趨勢。 塑料化和柔性化使產(chǎn)品創(chuàng)新 有機(jī)電子材料(塑料電子)是近年來電子信息材料最重要的發(fā)展方向之一。1977年，MacDiarmid等三位研究人員發(fā)現(xiàn)將反式聚乙炔簡單地暴露于鹵素蒸汽中之后，其導(dǎo)電率可得到驚人的提高，塑料電子的研究也因此揭開大幕。相比于傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體材料，塑料電子材料可以實現(xiàn)更大面積的制造，具有更薄、更輕及柔性化的特征， 并可以實現(xiàn)相對更簡單的制造工藝和更低的生產(chǎn)成本。有機(jī)半導(dǎo)體在照明、平面顯示、太陽能電池、晶體管、傳感器、印刷、電容、

16、PCB制造、光刻、人工肌肉及微型電機(jī)等電子產(chǎn)品領(lǐng)域都有相當(dāng)廣闊的應(yīng)用前景。 塑料電子材料也因此成為目前世界各國優(yōu)先支持的研發(fā)領(lǐng)域，并且獲得了相當(dāng)多的研發(fā)成果。在眾多塑料電子材料的開發(fā)當(dāng)中，已經(jīng)實現(xiàn)量產(chǎn)的OLED平面顯示器是塑料電子材料的一個典型應(yīng)用。這種顯示技術(shù)使用有機(jī)薄膜半導(dǎo)體材料發(fā)光，其一個神奇特點(diǎn)就是可以實現(xiàn)卷曲顯示。盡管有機(jī)TFT和塑料芯片目前還沒有實現(xiàn)商品化，但從IBM、飛利浦、英飛凌等大公司已經(jīng)研制出的原型產(chǎn)品來看，塑料半導(dǎo)體早晚將成為取代硅基芯片的新一代半導(dǎo)體材料。未來的塑料芯片將會大量地用于手機(jī)、計算機(jī)及電視機(jī)等電子產(chǎn)品當(dāng)中。由于塑料容易加工成薄膜并且具有良好的延展特性，因此塑

17、料電子材料的出現(xiàn)，必然導(dǎo)致全柔性電子產(chǎn)品的出現(xiàn)，從而滿足現(xiàn)代電子產(chǎn)品輕薄、便攜及易于設(shè)計的需求。目前，在PCB、平面顯示、太陽能電池等領(lǐng)域，使用塑料作為柔性基板材料的技術(shù)已經(jīng)接近商品化，計算機(jī)等電子產(chǎn)品可以像報紙一樣卷折起來，放在口袋中已經(jīng)不是什么遙遠(yuǎn)的夢想。 3C電子產(chǎn)品市場一直保持快速增長的一個很重要原因就是產(chǎn)品不斷朝更輕更薄的方向發(fā)展，筆記本、手機(jī)以及時下年輕人很流行的MP3播放器就是這類電子產(chǎn)品的代表。這種電子產(chǎn)品推動著相應(yīng)的電子材料向輕量化、薄膜化和器件的片式化方向發(fā)展。 在輕量化方面，除了前面介紹的塑料電子材料可以滿足部分電子產(chǎn)品的輕薄化要求外，鎂合金、鈦合金和一些工程塑料合金等在

18、3C電子產(chǎn)品的殼中使用的比重逐漸升高。 在薄膜化及器件片式化方面，太陽能電池、鋰離子電池、電容、電阻及LED等電子元器件一直在朝這個方向發(fā)展?？梢再N在衣服上的太陽能電池、聚合物鋰離子電池、薄膜電容器和各類片式元器件等在電子產(chǎn)品的瘦身方面已經(jīng)起到越來越重要的作用。 綠色環(huán)?；翘魬?zhàn) 電子產(chǎn)品市場的繁榮也帶來電子垃圾污染的問題。電子產(chǎn)品中鉛、六價鉻、鎘及汞等物質(zhì)會對人類造成危害，并對自然環(huán)境形成污染， 因此，減少電子產(chǎn)品的污染已經(jīng)成為各國需要迫切解決的問題。而從源頭上遏制有害物質(zhì)的使用無疑是最佳的方法。歐美的ROHS指令已經(jīng)規(guī)定，自2019年7月1日起，所有在歐盟市場上出售的電子電氣設(shè)備必須禁止使用鉛、水銀(汞)、鎘、六價鉻等重金屬，以及聚溴二苯醚 (PBDE)和聚溴聯(lián)苯(PBB)等阻燃劑。因此，開發(fā)諸如無汞無鎘電池、無鉛焊料等綠色環(huán)保電子材料已經(jīng)成為電子材料行業(yè)必須面對的挑戰(zhàn)。 納米化和量子化是材