2017-《功能材料》讲义

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1、1金属功能材料金属功能材料课程课程课程类别：课程类别：专业选修课专业选修课授课教师：授课教师：鲁若鹏鲁若鹏专专业：金属材料工程业：金属材料工程中北大学材料科学与工程学院中北大学材料科学与工程学院23绪绪论论1.结构材料与功能材料结构材料与功能材料1.1 材料材料：材料通常是供人们用以制造有用的器件或构件的物质，是科学与工业技术发展的基础。材料是人类文明进步的标志，人类经历了以石器石器、青铜器青铜器、铁器铁器为代表的石器时代、青青铜器时代铜器时代、铁器时代铁器时代之后即将跨进以新材料为代表的网络、信息时代。材料学作为国民经济的三大支柱产业之一，也日益向复合化、多功能化、智能化、工艺一体化的方向加

2、速发展。随着时代的发展， 人类将进入一个信息时代。 为了解决生产高速发展以及由此所产生的能源、 环境等等一系列的问题， 更需要用高科技的方法和手段来生产新型的、 功能性的产品，以获得各种优良的综合性能。近年来新型功能材料层出不穷，得到了突破性的进展。1.2 材料的发展：材料的发展：需求：简单生存舒适人与自然协调经济：农业经济工业经济知识经济材料：天然材料人工材料环境协调材料从历史来看：石器时代：公元前 2000 年青铜器时代: 公元前 2000 年 公元 400 年铁器时代: 公元 400 年 20 世纪前半期信息时代: 20 世纪 80 年代，金属、无机非金属（陶瓷） 、高分子三大材料并存。

3、1.3 结构材料与功能材料结构材料与功能材料材料按使用性能分：可分为结构材料和功能材料两大类结构材料结构材料：是把强度作为主要功能的材料，即利用材料的力学性能，所制备的各类器件或构件是为了承受各种形式的载荷。结构材料(structural material)是以力学性能为基础，以制造受力构件所用材料，当然，结构材料对物理或化学性能也有一定要求，如光泽、热导率、抗辐照、抗腐蚀、抗氧化等。功能材料功能材料： 是以强度以外的功能为主的材料， 即利用材料的物理和化学性能， 如声、 光、4电、磁、热及化学反应特征。实际使用的工程材料正向着多功能方向发展。在国外，常将这类材料称为功能材料(Function

4、al Materials)、特种材料(Speciality Materials)或精细材料(FineMaterials)。功能材料与结构材料相互关联的例子：功能材料与结构材料相互关联的例子：Fe: 钢铁材料的主要组成，也是磁性材料的主要组成Cu 基形状记忆合金：由 Cu 合金发展而来智能材料：结构材料与功能材料的复合2.功能材料的研究背景及意义功能材料的研究背景及意义结构材料时代结构材料时代：在工业革命时期，结构材料占主导地位的时期。工业经济是以工业革命中的机械机械、动力动力为核心，在该时期中，工业经济主要体现在机械之上，在研究中主要以材料料的力学性能（机械性能）的力学性能（机械性能）为主，也

5、就是结构材料结构材料，而钢铁产量钢铁产量也曾经的国力标志，结构材料也是曾经是材料科学与工程的主要研究对象新的材料需求新的材料需求：随着时代的发展，人类将进入一个信息时代。为了解决生产高速发展以及由此所产生的能源、 环境等等一系列的问题， 更需要用高科技的方法和手段来生产新型的、功能性的产品，以获得各种优良的综合性能。新的材料出现新的材料出现：近年来新型功能材料层出不穷，得到了突破性的进展。日本和欧美各国对新型功能材料的研究十分注意，因为功能材料是能源、计算机、通讯、电子、激光等现代科学的基础，功能材料在未来的社会发展中具有重大战略意义。功能材料的研究意义功能材料的研究意义：功能材料是信息技术、

6、生物技术、可再生能源技术、空间技术等现代社会支柱产业的基础， 功能材料现代社会中起主导作用的材料。5当前功能材料在材料科学与工程中的地位：当前功能材料在材料科学与工程中的地位：1）功能材料在信息时代起到基础和核心作用；2）是现代化国防的坚强后盾，是决定武器装备是否先进的基础，是决胜的关键因素之一；3）是国民经济水平的反映，是国民经济收入的主要成分之一；4）是材料研究的主要方向和主要内容，功能材料占世界材料研究总项目的 8085；5）应用广泛，在国防、信息、工业生产、家电等许多现代装备系统中起着关键功能作用。国内外对功能材料的研发高度重视：国内外对功能材料的研发高度重视：1986 年，我国制定了

7、高技术发展计划纲要 ，被评选列入的七个技术群是生物技术、信息技术、激光技术、航天技术、自动化技术、新能源技术和新材料技术新材料技术。一般认为，新材料有晶须材料、非晶材料、超塑性合金、形状记忆材料、功能陶瓷、功能有机材料、超导材料、碳纤维、能量转换材料等。新材料发展的重点已经从结构材料转向功能材料。日本和欧美各国对新型功能材料的研究十分注意，这是因为功能材料是能源、计算机、通讯、电子、激光等现代科学的基础，功能材料在未来的社会发展中具有重大战略意义。近十年来，功能材料成为材料科学和工程领域中最为活跃的部分，每年以 5以上的速度增长，相当于每年有 1.25 万种新材料问世。未来世界需要更多的性能优

8、异的功能材料，功能材料正在渗透到现代生活的各个领域。3.功能材料的分类功能材料的分类随着技术的发展和人类认识的扩展， 新型的功能材料不断被开发出来， 因此对其也产生了许多不同的分类方法。从功能的不同考虑，可将功能材料分为以下四类。从功能的不同考虑，可将功能材料分为以下四类。(1)力学功能主要是指强化功能材料和弹性功能材料，如高结晶材料、超高强材料、高温材料等。(2)化学功能分离功能材料：如分离膜、离子交换树脂、高分子络合物；反应功能材料；如高分子试剂、高分子催化剂；生物功能材料：如抗菌抗病毒材料、口腔材料等。(3)物理化学功能6电学功能材料：如超导体，导电高分子等；光学功能材料：如光导纤维、感

9、光性高分子等；能量转换材料： 如压电材料 （压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料） 、光电材料（用于制造各种光电设备的材料） 。(4)生物化学功能医用功能材料：人工脏器用材料如人工肾、人工心肺，可降解的医用缝合线、骨钉、骨板等；功能性药物：如缓释性高分子，药物活性高分子，高分子农药等；生物降解材料（在适当的自然环境条件下，能够被微生物(如细菌、真菌和藻类等)完全分解变成低分子化合物的材料） 。功能材料按其功能的显示过程又可分为一次功能材料和二次功能材料。功能材料按其功能的显示过程又可分为一次功能材料和二次功能材料。材料的功能显示过程是指向材料输入某种能量， 经过材料的传输或转

10、换等过程， 再作为输出而提供给外部的一种作用。输入输入材料材料输出输出一次功能材料一次功能材料： 当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于同一种形式时， 材料起到能量传输部件的作用。 材料的这种功能称为一次功能。 以一次功能为使用目的的材料又称为载体材料。一次功能主要有下面的八种：力学功能。如惯性、粘性、流动性、润滑性、成型性、超塑性、恒弹性、高弹性、振动性和防震性。声功能。如隔音性、吸音性。热功能。如传热性、隔热性、吸热性和蓄热性等。电功能。如导电性、超导性、绝缘性和电阻等。磁功能。如硬磁性、软磁性、半硬磁性等。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

11、。7化学功能。如吸附作用、气体吸收性、催化作用、生物化学反应、酶反应等。其他功能。如放射特性、电磁波特性等。二次功能材料二次功能材料： 当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于不同形式时， 材料起能量的转换部件作用， 材料的这种功能称为二次功能或高次功能。 有人认为这种材料才是真正的功能材料。二次功能按能量的转换系统可分为如下四类：光能与其他形式能量的转换；如光合成反应、光分解反应、光化反应、光致抗蚀、化学发光，感光反应，光致伸缩（光导致的应变） ，光生伏特效应和光导电效应。电能与其他形式能量的转换；如电磁效应、电阻发热效应、热电效应、光电效应、场致发光（电能直接转换为光能的发光现象）效应、电

12、化学效应和电光效应等。磁能与其他形式能量的转换；如光磁效应、热磁效应、磁冷冻效应等。机械能与其他形式能量的转换。如形状记忆效应、热弹性效应、机械化学效应、压电效应、电致伸缩、光压效应、声光效应（光通过声波扰动的介质时发生散射或衍射的现象） 、光弹性效应和磁致伸缩效应等。功能材料按照材料种类分为：功能材料按照材料种类分为：金属功能材料、陶瓷功能材料、高分子功能材料、复合功能材料按应用领域分为：按应用领域分为：电工材料、能源材料、信息材料、光学材料、仪器仪表材料、航空航天材料、生物医学材料、传感器用敏感材料按使用性能分为：按使用性能分为：电功能材料、磁功能材料、光功能材料、热功能材料、化学功能材料

13、、生物功能材料、声功能材料、隐形功能材料84.功能材料的研究现状功能材料的研究现状材料发展的基本进程功能材料的功能材料的初期阶段：初期阶段： 第二次世界大战以前磁现象的认识：天然磁石 （司南、公元前二世纪） 、地球磁场等电的发现：18 世纪末（富兰克林、库仑）Vota 电池（1800 年）电磁现象和理论：磁针被电流偏转（奥斯特 1820 年） ；欧姆定律（1826 年） ；电磁感应（法拉第电机 1833 年） ；法拉第提出“电介质”和场的概念；麦克斯韦方程（1855 年） 。电工材料：导电材料、磁性材料光学材料：光学玻璃功能材料的功能材料的中期阶段：中期阶段： 二战前 20 世纪 60 年代以

14、前理论准备：20 世纪初期物理学的发展，量子力学、能带理论、半导体理论等需求： 一次和二次世界大战的军事需求极大的推动了功能材料的发展声纳技术、 无线电技术、原子能技术、雷达技术计算机技术：芯片材料、存储材料、显示材料等功能材料的功能材料的现代阶段：现代阶段： 20 世纪 60 年代 今60 年代半导体技术的兴起 信息技术与产业9始于 60 年代的空间竟赛 传感器70 年代爆发的能源危机 各种新能源材料医学技术的发展 生物医学材料环境保护意识的凸现 环境友好材料追求材料的仿生性 仿生材料、智能材料基础理论的突破 超导、纳米材料、纳米碳管.推动功能材料发展的主要动力：推动功能材料发展的主要动力：

15、（1）新的科学理论和现象的发现；（2）新的材料制备技术的出现；（3）新的工程和技术要求。高性能新材料的发现往往导致新技术和产业的兴起， 如半导体材料的发现为微电子工业奠定了基础。反过来，工程技术和产业发展的要求又有力地推动着材料的发展，如随着对计算机存储器记录密度的要求不断提高，计算机的记录介质材料不断发展。由磁性颗粒（如-Fe2O3）涂覆在高分子基片上发展到磁性薄膜记录介质，磁性薄膜的记录方式由纵向记录发展到垂直记录，进而又发展到光记录介质材料。国内功能材料发展的现状国内功能材料发展的现状研究背景研究背景： 我国的国防现代化建设一直受到以美国为首的西方国家的封锁和禁运， 所以我国的国防用关键

16、特种功能材料是不可能依靠进口来解决的， 必须要走独立自主、 自力更生的道路。如军事通信、航空、航天、导弹、热核聚变、激光武器、激光雷达、新型战斗机、主战坦克以及军用高能量密度组件等，都离不开特种功能材料的支撑。10我国非常重视功能材料的发展，在国家攻关、“ 863”、“973”、国家自然科学基金等计划中，功能材料都占有很大比例。在“九五”、“十五”国防计划中还将特种功能材料列为“国防尖端”材料。这些科技行动的实施，使我国在功能材料领域取得了丰硕的成果。研究现状研究现状：我国开辟了超导材料、平板显示材料、稀土功能材料、生物医用材料、储氢等新能源材料，金刚石薄膜，红外隐身材料，材料设计与性能预测等功能材料新领域，取得了一批接近或达到国际先进水平的研究成果，在国际上占有了一席之地。举例说明举例说明： 镍氢电池、 锂离子电池的主要性能指标和生产工艺技术均达到了国外的先进水平，推动了镍氢电池的产业化；功能陶瓷材料的研究开发取得了显著进展，以片式电子组件为目