材料科学与工程学导论—第四章—功能材料

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1、材料科学与工程导论,Engineering,Science,第四章,功能材料,本章主要内容： 超导材料 纳米材料 能源材料 热电材料 生物医学材料 功能陶瓷材料 功能高分子材料,功能材料,概述,什么是“功能材料” ？ 功能材料：具有某种优良的电学、磁学、 热学、声学、光学、化学和生物学功能及 其相互转化的功能，被用于非结构目的高 技术材料。,功能材料 功能材料: 超导材料 纳米材料 能源材料 热电材料 生物医学材料 功能陶瓷材料 功能高分子材料 ,概述,功能材料,超导材料,什么是“超导现象”、“超导材料”？,超导现象 超导材料,1911年荷兰低温物理学家H. K. Onnes发现有些物质从特定

2、的温 度开始会转变为完全没有电阻的 状态，这就是所谓的超导现象。 超导材料：在一定温度以下，材料 电阻为零，物体内部失去磁通成为 完全抗磁性的物质。这一特定温度 称为转变温度、或临界温度Tc。,功能材料 年代,现象与成果,超导材料,超 导 现 象 发 现 与 超 导 理 论 发 展,1911年 1931年 1950年 1956年 1957年 1962年 1986年 1993年,荷兰人Onnes发现了超导现象 发现超导的正常超导转变是相变；发现超导 具有完全抗磁性 提出电子间通过声子相互作用作为超导电性的 微观机制 提出超导态中的电子是两两束缚在一起，不是 普通的自由电子 超导微观理论发表 从理

3、论上预言了超导体隧道效应 高温超导体的发现。超导陶瓷材料，转变温度 在30K以上。 Hg-Ba-Ca-Cu-O氧化物体系超导材料，转变 温度已达130K以上,材,料,本,特,功能材料,超导材料,超 导,零电阻效应,物质在一特定的温度下没有电阻。零电阻是 超导体的基本特征之一，称为零电阻效应。 的,两 个,迈斯纳效应,基 超导态的物质完全排斥磁场，即磁力线不能 进入超导体内部。这一特征称为完全抗磁性,征,或迈斯纳效应。 超导磁悬浮的物理基础,超,导,材,的,临,界,参,功能材料,超导材料,料,临界温度 临界磁场,具有超导现象的材料称为超导材料，这一 特定温度称为转变温度、或临界温度Tc。 温度低

4、于Tc时，当磁场值超过某一临界值 Hc时，材料就从超导态转变为正常态， Hc就称为临界磁场。,数,临界电流密度 当电流密度J超过某一值Jc时，超导体出 现电阻现象，Jc就称为临界电流密度。,超,材,料,分,类,：,应,范,围,功能材料 强电超导材料,超导材料 可承受大电流和强磁场,导 Nb3Sn为代表。在温度4.2K和磁场8.8T的 情况下可达到104A/cm2的电流密度。,超导电子材料,利用约瑟夫结效应，仅 涉及小电流和弱磁场,用 一种弱电应用的超导材料。多数是将超导体 做成薄膜，再加工成元器件。如铅膜氧化 铅膜铅膜做成的SIS型约瑟夫森结。,功能材料,超导材料,超 导 材,元素 超导体,合

5、金 超导体,化合物 超导体,氧化物 超导体,料,分 类 ： 化 学 组,Ti，V，Zr， Nb，Mo， Ta，W，Re Bi，Al，Sn Cd，Pb ,Nb-Zr系 Nb-Ti系 Nb-Zr-Ti系 Nb-Ti-Ta系 ,Nb3Ge V3Ga Nb3Al Nb3(AlGe) ,La2CuO3 YBa2Cu2O Bi-Sr-Cu-O Ta-Ba-Ca- Cu-O ,成,转变温度,TC,Nb,NbC,V3Si,液氦,功能材料,超导材料 ?,超 导 材 料 Tc,(K) 180 160 140 120,Ba-Ca-Cu-O# Hg-Ba-Ca-Cu-O Tl-Ba-Ca-Cu-O,Hg-Ba-Ca-

6、Cu-O 甲烷 Ba-Ca-Cu-O,提 高 年 表,100 80 60 40 20 Hg Pb 0 1900 1920,Bi-Sr-Ca-Cu-O Y-Ba-Cu-O La-Ba-Cu-O# La-Ba-Cu-O# Nb Ge Nb3Sn 3 Nb-Al-Ge 1940 1960 1980,2000,液氮 Mg-B La-Ba-Cu-O MWNTs,年代,#：加压,高,导,材,提,高,功能材料,超导材料,高温超导材料：临界温度Tc达到液氮（77K）以上,温 超,第一代镧系,的超导材料。 La Cu Ba氧化物为代表， 临界温度：Tc= 91K。,料,第二代钇系 第三代铋系 第四代铊系,Y B

7、a Cu氧化物为代表， 临界温度：Tc= 92.3K。 Bi Ca Cu氧化物为代表， 临界温度：Tc= 114-120K。 Tl Ca Ba-Cu氧化物为代表， 临界温度：Tc= 122-125K。,Tc 不 断,温,超,导,材,料,功能材料,超导材料,高,含铜高温超导材料 1。镧钡铜氧化物系（Tc=36K）。 2。钇钡铜氧化物系（ Tc=93K）。 3。铋锶钙铜氧化物系（ Tc=110K，85K）。 4。铊钡钙铜氧化物系（ Tc=125K）。 5。汞钡钙铜氧化物系（ Tc=133K）。 不含铜高温超导材料 1。钡钾铋氧系（Tc=30K）。 2。MgB2（Tc=93K）,高,功能材料 钇钡铜

8、氧高温超导材料,超导材料,温 超 导 材 料,RE2O3,CeO2,YSZ,LMO,STO MgO，YSZ， GZO，TiN Polycrystalline Substrate: SS, Hastelloy, Ag,YBCO,超,导,材,料,的,应,用,功能材料,超导材料 同步加速器中超导磁体的应用 电子显微镜中超导磁体的应用,超导储能,科学研究领域, 核磁共振成像技术 约瑟夫结器件,超导悬浮列车,超导材料,医学和生物 学应用, 超导受控热核反应堆 超导磁流体发电机,开发新能源,节约能源, 超导输电 超导发电机和电动机 超导变压器,超 导 材 料 的 应,功能材料,超导材料,用,2000A超导

9、电缆,磁悬浮列车,核磁共振设备,功能材料,纳米材料,什么是“纳米材料”？ 纳米材料通常定义为材料的显微结 构中，包括颗粒直径、晶粒大小、 晶界、厚度等特征尺寸都处于纳米 尺寸水平的材料。其性能发生突变 的材料。,料,的,特,点,纳,功能材料,纳米材料,米 材,界面结构 界面占有可与微粒整体相比的体积分 数。纳米晶体的界面结构既不是非晶 态的长程有序，也不是非晶态的短程 有序。而是一种类似于气态的更无序 排列的结构。,材,料,的,特,功能材料,纳米材料,纳 米,晶粒结构,纳米尺寸的晶粒结构与完整晶格也有差异。 纳米晶粒在一定程度上表现出点畸变效应， 点阵常数偏离平衡值。 点 晶界偏聚 纳米晶体中

10、，溶质原子或杂质原子易在 晶界上偏聚，从而降低晶界能。,8,功能材料,纳米材料,纳,表面效应,米 材 料,1cm,1nm,的 特 点,个数 总体积 总面积 棱边数 顶角数,1 1cm 3 6cm 2 12,1021 1cm 3 6000m 2 121021条 81021个,1021 1 1021 1021 1021,功能材料,纳米材料,纳 米 材 料 的 特 点,表面效应,米,材,料,功能材料,纳米材料,纳,表面效应 表面原子随颗粒粒径的变化规律,粒径（nm）,总原子数,表面原子数/总原子数,的 特 点,1 2 5 10 20 100,30 250 400 3104 25104 3107,90

11、 80 40 20 10 2,纳,米,材,料,功能材料,纳米材料,小尺寸效应 随着颗粒尺寸的量变，在一定条 件下会引起颗粒性质的质变，由于颗粒尺寸变小 所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。,的 特 点,颗粒大小 金熔点,常态 1064,10nm 1037,2nm 327,纳米金属具有超塑延展性，纳米铜 在室温下竟可延伸50多倍而“不折 不挠”。,纳,米,材,料,的,特,点,功能材料,纳米材料,量子效应 对纳米颗粒而言，大块材料中 连续的能带将分裂为分立的能级，能级间的间 距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能或 者磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈现 一系列与宏观物体截然不同的反常特性

12、，称之 为量子效应。 粒径小于20nm的纳米银会变成绝缘体。 原本导电的铜到某一纳米界限就不导电。,的,性,能,功能材料,纳米材料,纳 米 材 料,力学性能 强度高 例如纳米铜的屈服强度高达350MPa，而冷扎 态晶铜为260MPa，退火态粗晶铜为70MPa。 塑性低 纳米材料的塑性都很低，且塑性随晶粒的减小 而降低。主要原因是缺陷密度增加。 弹性模量 纳米材料的弹性模量比多晶材料低1550。,料,的,性,能,功能材料,纳米材料,纳 米,热学性能,材 纳米材料界面体积分数大，具有较大的 总界面能，使其熔点大大下降。 纳米材料的热容比多晶材料的大。,材,料,制,功能材料,纳米材料,纳,气相冷凝法

13、,米 其中纳米微粒采用气相冷凝制得。然后再通过压 制、烧结等环节制备纳米材料的方法。,备 方,球磨法,法 球磨法可以降低粉粒尺寸，固态合金化、混合或 融合，以及改变粉粒的形状。球磨法可以制备纳 米晶纯金属、不互溶体系的固溶体纳米晶、纳米 非晶、纳米金属间化合物以及纳米金属陶瓷复 合材料等。,材,料,制,备,功能材料,纳米材料,纳 米,非晶晶化法,先将原料用急冷技术制成非晶薄带或薄膜，控 制晶化退火时间和温度，使非晶全部或部分晶 化，生成尺寸为纳米级的粉粒。 方,法,溶胶凝胶法 将易于水解的金属化合物与水溶剂中水发生 水解与缩聚反应而逐渐凝胶化，再讲过干 燥、烧结等过程，可制得纳米材料。,纳,米

14、,功能材料 纳米材料的内涵不断扩大 纳米颗粒 纳米线（丝、管）,纳米材料 介孔材料,材 料 发 展 趋 势 纳米材料的制备技术不断发展 模板制备技术、粉末冶金技术、非水热合成技术 ,纳,米,材,料,发,展,势,功能材料,纳米材料,纳米科技由基础研究向技术应用转化，其产业应 用成为关注焦点。 美国国家科学基金会预测，未来15-20年，全球纳 米市场规模达1万亿美元/年。 趋 纳米科技与其他学科的交叉融合加速 纳米科技向物理、化学、材料、信息、生物、医 学、国防、环境、能源、农业和食品等不同领域 渗透。,纳,米,功能材料,纳米材料,逐渐转向以加工和器件为核心的材料研究 分子开关、分子储存器、单分子

15、整流器等原型分子器件已开发成功。 材 料 发 展 趋,势,分子开关 纳米齿轮,单电子晶体管结构 纳米发动机组装的纳米汽车,纳,功能材料,纳米材料,纳米结构材料、纳米复合材料的应用 米 材 料 的 应,用,纳米钢管 纳米钛合金球拍,纳米弥散颗粒增强结构材料 纳米复合,纳,功能材料,纳米材料,纳米能源材料、纳米净化材料、纳米特种功能材料 米 材 料 的 应,用,纳米TiO2光催化,纳米能源材料,纳米Pt电极,纳米Ag的消毒杀菌,纳,用,米 材 料 的 应,功能材料 纳米生物医学器件 检测生物毒性的 纳米传感器 纳米药物,纳米材料 检测单分子的 纳米传感器,应,用,功能材料,纳米材料,纳 米 材 料

16、 的 碳纳米管及其应用前景 纳米齿轮,纳 米 材 料 的 应 用,功能材料 纳米TiO2光催化,纳米材料 纳米Ag的消毒杀菌,功能材料,能源材料,能源危机 约200年,约25 年,约50年,石油,天然气,煤炭,按2000年需求，主要 能源预计可开采年限,新能源,功能材料,能源材料,材料在新能源发展中的作用 把习用已久的能源变为新能源； 提高储能和能量转化效果； 确保新能源系统运行的安全和环境保 护，尤指核反应堆的安全和废料处理； 决定新能源的投资和运行成本；,功能材料,能源材料,什么是“新能源材料”？ 新能源材料指正在发展的，可能支撑新 能源体统的建立，满足各种新能源及节 能技术所要求的一类材料。,功能材料 新能源材料的种类 新型二次电池材料 燃料电池材料 太阳电池材料 储氢材料 ,能源材料,二,次,池,材,料,功能材料,能源材料,二次电池的概念 又称为充电电池，是指在电池放电后可通过充 电的方式使活性物质激活而继续使用的电池。 电,