功能材料緒論

1功能材料授課教師：劉維均聯(lián)系方式163.com手機(jī)號(hào)：13736668803660726C樓536臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院22主要參考資料1、現(xiàn)代功能材料及其應(yīng)用—郭衛(wèi)生,汪濟(jì)奎（化學(xué)工業(yè)出版社）2、功能材料學(xué)---周馨我(北京理工大學(xué)出版社)3、新型功能材料---貢長生，張克立(化學(xué)工業(yè)出版社)4、新型無機(jī)材料-----楊華明,宋曉嵐,金勝明（化學(xué)工業(yè)出版社）5、信息和功能材料-----劉先曙馬傅華辛秀田（宇航出版社）6、功能材料學(xué)概論-----馬如璋蔣民華（冶金工業(yè)出版社）7.功能材料基礎(chǔ)建議教材：功能材料概論---殷景華王雅珍（哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社）臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院31、課程安排：該課共32個(gè)學(xué)時(shí)最后一節(jié)課考試。

2、期末考核：開卷考試，占60%；3、平時(shí)考核：

課堂考勤占40%；。

課程說明臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院4現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的三大支柱－能源、材料、信息，其中材料是基礎(chǔ)。新材料發(fā)展的重點(diǎn)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。

結(jié)構(gòu)材料：是以力學(xué)性能為基礎(chǔ)，主要制利用其強(qiáng)度、硬度和韌性等機(jī)械性能制成的各種材料。

功能材料：功能材料一般除了具有機(jī)械特性外，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。

臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院在學(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):掌握功能材料的基本概念、物理本質(zhì)以及性能指標(biāo)的意義。了解典型功能材料的主要應(yīng)用。課程目的5臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院6概論內(nèi)容1.功能材料的簡(jiǎn)介2.功能材料的分類2.功能材料的發(fā)展現(xiàn)狀臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院7功能材料的概念是美國貝爾實(shí)驗(yàn)室

MortonJA于1965年首先提出來的。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，在物件中起著“功能”的作用。20世紀(jì)60年代以來，各種現(xiàn)代技術(shù)的興起，強(qiáng)烈刺激了功能材料的發(fā)展。同時(shí)，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(cè)試技術(shù)在功能材料研究和生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用，許多新功能材料不僅已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)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(dòng)或加速了各種現(xiàn)代技術(shù)的進(jìn)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(gè)分支學(xué)科。一.功能材料簡(jiǎn)介臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院8

美國貝爾實(shí)驗(yàn)室是晶體管、激光器、太陽能電池、發(fā)光二極管、數(shù)字交換機(jī)、通信衛(wèi)星、電子數(shù)字計(jì)算機(jī)、蜂窩移動(dòng)通信設(shè)備、長途電視傳送、仿真語言、有聲電影、立體聲錄音，以及通信網(wǎng)等許多重大發(fā)明的誕生地。自1925年以來，貝爾實(shí)驗(yàn)室共獲得兩萬五千多項(xiàng)專利，現(xiàn)在，平均每個(gè)工作日獲得三項(xiàng)多專利。貝爾實(shí)驗(yàn)室的使命是為客戶創(chuàng)造、生產(chǎn)和提供富有創(chuàng)新性的技術(shù)，這些技術(shù)使朗訊科技（LucentTechnologies）公司在通信系統(tǒng)、產(chǎn)品、元件和網(wǎng)絡(luò)軟件方面處于全球領(lǐng)先地位。臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院9臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院10日本和歐美各國對(duì)新型功能材料的研究十分重視，這是因?yàn)楣δ懿牧鲜悄茉础⒂?jì)算機(jī)、通訊、電子、激光等現(xiàn)代科學(xué)的基礎(chǔ)，功能材料在未來的社會(huì)發(fā)展中具有重大戰(zhàn)略意義。

臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院11浙江省十二五重大科技專項(xiàng)實(shí)施方案

臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院12近10年來，功能材料成為材料科學(xué)和工程領(lǐng)域中最為活躍的部分。每年以5％以上的速度增長，相當(dāng)于每年有1.25萬種新材料問世。未來世界需要更多的性能優(yōu)異的功能材料，功能材料正在滲透到現(xiàn)代生活的各個(gè)領(lǐng)域。臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院13功能材料的一些應(yīng)用臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院14諜中諜4臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院15壁虎手套臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院16觸摸屏寶馬車臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院大猩猩玻璃(GorillaGlass)，是美國康寧公司(Corning)生產(chǎn)的環(huán)保型鋁硅鋼化玻璃。大猩猩玻璃的前身是康寧公司在20世紀(jì)60年代生產(chǎn)的，具防彈功能的特種玻璃，常被用于直升機(jī)，在正常情況下，非故意損壞不會(huì)造成劃痕。17磁記錄材料的發(fā)展臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院18臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院19臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院20水立方膜：臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院21世博會(huì)顯示屏：LED顯示屏臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院22我國的磁懸浮列車

上海磁懸浮是中國第一條投入運(yùn)行的磁懸浮鐵路，全長29．863公里，設(shè)計(jì)時(shí)速和運(yùn)行時(shí)速分別為505公里和430公里；由中國與德國合作，2002年12月31日，中國總理朱鎔基和德國總理施羅德成為上海磁懸浮的第一批乘客體會(huì)首次試運(yùn)行。臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院23一、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“功能”的作用。在國外，常將這類材料稱為功能材料(FunctionalMaterials)、特種材料(SpecialityMaterials)或精細(xì)材料(FineMaterials)。二.功能材料的概念與分類臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院24

功能材料涉及面較廣，具體包括光、電功能，磁功能，分離功能，形狀記憶功能等。這類材料相對(duì)于通常的結(jié)構(gòu)材料而言，一般除了具有機(jī)械特性外，還具有其他的功能特性。臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院25

材料的特定的功能與材料的特定結(jié)構(gòu)是相聯(lián)系的。如對(duì)于導(dǎo)電聚合物來說，它一般具有長鏈共軛雙鍵；金屬結(jié)構(gòu)中由于彈性馬氏體相變能產(chǎn)生記憶效應(yīng)，因此出現(xiàn)了形狀記憶合金；壓電陶瓷晶體必須有極軸等。

臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院26功能材料是一門新的學(xué)科，目前對(duì)它進(jìn)行嚴(yán)格的定義尚有一定的難度，就像許多化學(xué)變化中存在著物理現(xiàn)象、高級(jí)運(yùn)動(dòng)中總是伴隨著低級(jí)運(yùn)動(dòng)一樣，功能材料既遵循材料的一般特性和變化規(guī)律又具有其自身的特點(diǎn)。因此可認(rèn)為是傳統(tǒng)材料的更高級(jí)的運(yùn)動(dòng)形式。臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院27

二、功能材料的分類隨著技術(shù)的發(fā)展和人類認(rèn)識(shí)的擴(kuò)展，新型的功能材料不斷被開發(fā)出來，因此對(duì)其也產(chǎn)生了許多不同的分類方法。從功能的不同考慮，可將功能材料分為以下四類。臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院28(1)力學(xué)功能

主要是指強(qiáng)化功能材料和彈性功能材料。

(2)化學(xué)功能①分離功能材料：如分離膜，離子交換樹脂、高分子絡(luò)合物；②反應(yīng)功能材料；如高分子試劑、高分子催化劑；③生物功能材料：如生物反應(yīng)器等。臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院29（3）物理化學(xué)功能①電學(xué)功能材料：如超導(dǎo)體，導(dǎo)電高分子等；②光學(xué)功能材料：如光導(dǎo)纖維、感光性高分子等；③能量轉(zhuǎn)換材料：如壓電材料、光電材料。臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院30(4)生物化學(xué)功能①醫(yī)用功能材料：人工臟器用材料如人工腎、人工心肺，可降解的醫(yī)用縫合線、骨釘、骨板等；②功能性藥物：如緩釋性高分子，藥物活性高分子，高分子農(nóng)藥等；③生物降解材料臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院31

下圖為材料顯示功能的示意圖。

輸入材料輸出材料的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。功能材料按其功能的顯示過程又可分為一次功能材料和二次功能材料。

臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院32當(dāng)向材料輸入的能量和從材料輸出的能量屬于同一種形式時(shí)，材料起到能量傳輸部件的作用。材料的這種功能稱為一次功能。Ａ、一次功能臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院33一次功能主要有下面的八種。①力學(xué)功能。如慣性、粘性、流動(dòng)性、潤滑性、成型性、超塑性、恒彈性、高彈性、振動(dòng)性和防震性。②聲功能。如隔音性、吸音性。③熱功能。如傳熱性、隔熱性、吸熱性和蓄熱性等。④電功能。如導(dǎo)電性、超導(dǎo)性、絕緣性和電阻等。臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院34⑤磁功能。如硬磁性、軟磁性、半硬磁性等。⑥光功能。如遮光性、透光性、折射光性、反射光性、吸光性、偏振光性、分光性、聚光性等。⑦化學(xué)功能。如吸附作用、氣體吸收性、催化作用、生物化學(xué)反應(yīng)、酶反應(yīng)等。⑧其他功能。如放射特性、電磁波特性等。臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院35當(dāng)向材料輸入的能量和從材料輸出的能量屬于不同形式時(shí)，材料起能量的轉(zhuǎn)換部件作用，材料的這種功能稱為二次功能或高次功能。有人認(rèn)為這種材料才是真正的功能材料。Ｂ、二次功能臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院36二次功能按能量的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可分為如下四類。①光能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換；②電能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換；

③磁能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換；④機(jī)械能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換。臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院37

如光合成反應(yīng)、光分解反應(yīng)、光化反應(yīng)、光致抗蝕、化學(xué)發(fā)光，感光反應(yīng)，光致伸縮，光生伏特效應(yīng)和光導(dǎo)電效應(yīng)。①光能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院38如電磁效應(yīng)、電阻發(fā)熱效應(yīng)、熱電效應(yīng)、光電效應(yīng)、場(chǎng)致發(fā)光效應(yīng)、電化學(xué)效應(yīng)和電光效應(yīng)等。②電能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院39③磁能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換如光磁效應(yīng)、熱磁效應(yīng)、磁冷凍效應(yīng)和磁性轉(zhuǎn)變效應(yīng)等。臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院40④機(jī)械能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換。如形狀記憶效應(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)、聲光效應(yīng)、光彈性效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)等。臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院41按材料種類分，功能材料還可分為：金屬功能材料、無機(jī)非金屬功能材料和有機(jī)功能材料。臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院4242

金屬功能材料是開發(fā)比較早的功能材料，隨著高新技術(shù)的發(fā)展，一方面促進(jìn)了非金屬材料的迅速發(fā)展，同時(shí)也促進(jìn)了金屬材料的發(fā)展。一、金屬功能材料臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院4343許多新型金屬功能材料應(yīng)運(yùn)而生，有的已被廣泛應(yīng)用，有的具有廣泛應(yīng)用的前景。如形狀記憶合金的發(fā)現(xiàn)及各種形狀記憶合金體系的開發(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(jī)械、宇航、醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院4444另一方面，非晶態(tài)合金由于具有優(yōu)異的物理、化學(xué)性能，是一種極有發(fā)展前景的新型金屬材料。具有獨(dú)特性能和用途的新型金屬功能材料很多，如超導(dǎo)合金、納米金屬、高溫合金、減振合金、儲(chǔ)氫、多孔金屬、金屬磁性材料等。臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院4545

無機(jī)非金屬功能材料的發(fā)展速度也很快，新的種類也是層出不窮。它以功能玻璃和功能陶瓷為主，近來也發(fā)展了一些新工藝和新品種。

二、無機(jī)非金屬功能材料臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院4646

功能玻璃和功能陶瓷是無機(jī)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。

新型功能玻璃除了具有普通玻璃的一般性質(zhì)以外，還具有許多獨(dú)特的性質(zhì)，如聲光玻璃的聲光性、導(dǎo)電玻璃的導(dǎo)電性、記憶玻璃的記憶特性等。臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院4747

新型功能玻璃的發(fā)展以光功能玻璃為代表。作為藍(lán)光、可見光元件上的轉(zhuǎn)換材料、光存儲(chǔ)顯示材料及各種非線性光學(xué)玻璃特別引人注意，它們將占據(jù)未來的光量子時(shí)代，是功能玻璃材料研究的主要方向。快離子導(dǎo)體玻璃的發(fā)展也很快，有機(jī)—無機(jī)復(fù)合玻璃是玻璃研究者的又一大開拓目標(biāo)。臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院4848功能陶瓷有以下幾方面發(fā)展趨向：(1)微電子技術(shù)推動(dòng)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)展傳感器和多孔瓷；(3)重視材料復(fù)合技術(shù)；(4)加速智能化。臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院4949影響功能高分子材料“功能性”的結(jié)構(gòu)因素結(jié)構(gòu)決定性能，功能高分子材料之所以有許多獨(dú)具特色的性能，主要與其結(jié)構(gòu)因素有關(guān)。Ａ、骨架的性質(zhì)，如潤濕性、溶脹性，骨架的鄰位效應(yīng)等；Ｂ、在分子中起到特殊關(guān)鍵作用的官能團(tuán)的性質(zhì)。三、功能高分子材料臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院50無論哪種功能材料，其能量傳遞過程或者能量轉(zhuǎn)換形式所涉及的微觀過程都與固體物理和固體化學(xué)相聯(lián)系。正是這兩門基礎(chǔ)科學(xué)為新興學(xué)科——功能材料科學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，從而也推動(dòng)了功能材料的研究和應(yīng)用。它們把功能材料推進(jìn)到功能設(shè)計(jì)的時(shí)代。臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院51功能材料種類繁多，用途廣泛，正在形成一個(gè)規(guī)模宏大的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)群，有著十分廣闊的市場(chǎng)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，它已成為世界各國新材料研究發(fā)展的熱點(diǎn)和重點(diǎn)，也是世界各國高技術(shù)發(fā)展中戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)。在全球新材料研究領(lǐng)域中，功能材料約占85%。三.功能材料的發(fā)展現(xiàn)狀

臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院52在“863”計(jì)劃支持下，開辟了超導(dǎo)材料、平板顯示材料、稀土功能材料、生物醫(yī)用材料、儲(chǔ)氫等新能源材料，金剛石薄膜，高性能固體推進(jìn)劑材料，紅外隱身材料，材料設(shè)計(jì)與性能預(yù)測(cè)等功能材料新領(lǐng)域，取得了一批接近或達(dá)到國際先進(jìn)水平的研究成果，在國際上占有了一席之地。臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院53

鎳氫電池、鋰離子電池