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1、功能材料 Functional Materials Email: Tel: 891 5597 Mobile: 135 1969 0506 高等数学，普通物理，电磁学 材料科学基础，材料物理化学 功能材料 课程特点： 理 论 工程应用 1. 很强的理论性和应用性 2. 涵盖内容广泛，课堂讲授有限，自学，主动学习 成绩计算方法：平时成绩（ 50%） +期末考试（ 50%） 国内外大学，研究所，公司 主要参考资料 1. 功能材料概论，哈尔滨工业大学出版社， 1999 2. 功能材料学概论，冶金工业出版社， 1999 3. 现代功能陶瓷，国防工业出版社， 1998 4. 新材料概论， 国防工业出版社
2、， 2004 5. 金属功能材料，化学工业出版社， 2004 6. 功能陶瓷材料 , 化学工业出版社 , 2003 功能材料学概论 内容简介 金属功能材料 （超导材料，储氢合金，形状记忆合金，磁性材料，非晶态合金，纳米材料） 无机非金属功能材料（功能陶瓷 , 功能玻璃） 高分子功能材料 智能材料 功能晶体材料 第一章 绪论 第一节 概述 1. 什么是材料？ 材料就是可以制成各种物品的物质 材料的应用及发展是人类文明发展的里程碑。人类文明的进程是按其使用的材料来划分的，比如石器时代，铜器时代，铁器时代等。 300， 000年前，燧石 4， 000 BC 锻打铜 3， 500 BC 冶炼铜 1，
3、400BC 炼铁 1886电化学方法冶炼铝 -使铝成为一种常用金属 尼龙的商业发展，高分子材料发展的关键时期 1960s 越来越小的硅芯片 1980s 高温超导 材料、能源、信息 21世纪人类文明的重要支柱 2. 为什么要研究功能材料？ 能源的需求 环境的需求 更高生活品质的追求 中国主要常规能源储量与世界总体水平对比456121671153010550050100150200250石油 天然气 煤 铀世界中国（年） T o t al E n er g y c o n su m p t io n i n Ch i n a, 2 00 6natural gas3%other renewables
4、0%nuclear1%hydrolelectricpower6%oil20%coal70%新能源材料 太阳能电池材料 太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源也是清洁能源，不产生任何的环境污染。但是由于还没有效率高，寿命长，价格低廉的光电转换材料而使得太阳能在能源中的地位一直很低。目前的光电转换材料主要有硅，硫化镉，碲化镉等。 太阳能电池材料是新能源材料研究开发的热点， IBM公司研制的多层复合太阳能电池，转换率高达 40%。 氢是一种洁净、无污染、发热值高、取之不尽用之不竭的能源。氢能的利用涉及氢的储存，运输和使用。 如何高效的储氢是目前人们研究的热点问题。美国能源部在全部氢能研究经费中，大
5、约有 50%用于 储氢研究。 储氢材料 环境问题 Internet Explorer.lnk2013年 1月 13日 环境问题 环境材料 1. 生物可降解材料 2. CO2气体固化 3. SOx， NOx催化转化 4.开发能使经济可持续发展的 环境协调性材料 ，如仿生材料、环境保护材料、氟里昂、石棉等有害物质的替代材料、绿色新材料 5. 日本研发自我修复的新材料 近 10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异的功能材料，功能材料正在渗透到现代生活的各个领域。 第二节 功能材料的概念与分类
6、一、 功能材料的概念 功能材料：是指通过 电、磁、光、声、热、力、化学以及生物 等作用后具有 特定功能 材料。 功能材料 (Functional Materials)、 特种材料 (Speciality Materials)或 精细材料 (Fine Materials)。 功能材料 涉及面较广： 电、磁、光、声、热、力、化学以及生物等 特点： 相对于通常的 结构材料 而言， 这类材料一般除了具有机械特性外，还具有其他的功能特性。 材料的 特定的功能 与材料的 特定结构 是相联系的。 形状记忆 热弹性马氏体 超导 超导电子对 二、 功能材料的分类 目前比较常见的分类方法有： 1. 根据化学键和化
7、学成分的不同 金属功能材料 无机非金属功能材料 有机高分子功能材料 复合功能材料 2按材料物理性质分类： 磁性材料 电性材料 光学材料 声学材料 力学材料 化学功能材料等 3按材料的形态分类： 体功能材料 膜功能材料 纤维功能材料 颗粒功能材料 4. 按功能材料的应用领域分： 电子材料 军工材料 核材料 信息工业用材料 能源材料 医学材料等 第三节 功能设计的原理和方法 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换过程，再作为输出而提供给外部的一种作用。 输入 材料 输出 下图为材料功能显示过程的示意图 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
8、料 。 一次功能： 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。 二次功能 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。 一次功能 力学 功能：如高弹性、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、蓄热性等。 电 功能： 如超导性、绝缘性和电阻等 磁 功能： 如硬磁性、软磁性等。 光 功能： 如折射光性、反射光性、偏振光性、分光性、聚光性等。 化学 功能：如吸附作用、气体吸收性、催化作用、酶反
9、应等。 其他 功能：如放射特性、电磁波特性等。 二次功能 力 电： 压电材料 光 电： 太阳能电池材料 电 热： 电阻材料 光 力：光致伸缩材料 磁 力： 磁致伸缩材料 磁 热：磁制冷材料 材料的功能设计 所谓 功能设计 ，就是赋予材料以 一次功能 或二次功能 特性的科学方法。有人认为 21世纪将逐渐实现 按需设计 材料。 材料设计的实现 是一个 长期过程 ，其最终应达到 提出一个需求目标 就可（不经试验） 设计出成分 、制造流程 并 做出合乎要求的工程材料 以至零件、器件或构件。 材料设计 是一个很复杂的过程： 如材料的制备与 存在状态 往往属于 非平衡热力学 ；有些结构敏感性质 (材料的力
10、学性质 )的 可变因素 太多，即使一个微小缺陷都会产生很大影响； 表面与内部 结构及性质的不一致性；复杂的 环境因素 等等。 结构 /成分 合成 /制备 性质 效能 /功能 材料科学与工程四要素 一、金属功能材料设计 ( )寻找具有特定功能的金属材料。 例如 稀土功能材料制备永磁材料，储氢材料等 ( )利用各种金属材料的特性，制备符合使用要求的合金。 合金的迅速发展，给 金属功能材料的发展 提供了广泛的空间。随着各种合金的开发，各种各样的金属功能材料被开发出来，如纳米材料，大块非晶材料、真空快淬材料、形状记忆合金等。 (1) 根据功能的要求 设计配方 。无机非金属功能材料 所含的材质 决定了无
11、机非金属功能材料的 宏观性能 (2) 根据功能的要求 设计合适的加工工艺 。 不同的加工工艺 可以得到 不同功能 的无机非金属功能材料。因此，控制合适的加工工艺对无机非金属功能材料的制造是非常重要的。 二、无机非金属功能材料设计 第四节 功能材料的现状及发展趋势 一、金属功能材料 二、无机非金属功能材料 四、国内功能材料发展的现状 三 、功能材料制备的新方法 金属功能材料 是开发比较早的功能材料 一、金属功能材料 形状记忆合金 ：在现代军事、电子、汽车、能源、机械、宇航、医疗等领域得到广泛的应用。 具有 独特性能和用途 的新型金属功能材料： 超导合金 、 纳米金属 、 高温合金 、 减振合金
12、、 储氢 、 多孔金属 、 金属磁性 材料等 非晶态合金 ：优异的物理、化学性能，是一种极有发展前景的新型金属材料 二、无机非金属功能材料 功能玻璃： 磁光玻璃（磁光转换性能）、声光玻璃（声光性）、导电玻璃（导电性）、记忆玻璃（记忆特性）、光存储显示材料及各种非线性光学玻璃 功能陶瓷： (1)微电子技术推动下的 微型化 (薄片化 )和 高速度化 ； (2)在安全和环保工作的促进下，发展 传感器 和 多孔瓷 ； (3)重视 材料复合 技术； (4)加速 智能化 。 三 、功能材料制备的新方法 用于功能材料制备的新方法很多。例如： 快速凝固 、机械合金化 、 溶胶 凝胶 、 极限 (极高（低）温、
13、高压、高真空、失重等 )条件下制备 的方法、 复合及杂化 、 晶须及 大单晶 制备法等等。这些方法的发展与使用加快了新品种的开发和质量的提高。 通过快淬快凝工艺可以得到在常规条件下的 亚稳相 。亚稳相可以是材料的 使用状态 ，也可能是为得到好性能的中间状态 。 在自然界中，亚稳相是很常见的。从亚稳相到平衡态的转变不少情况下是非常缓慢的。因此，实际上可以把亚稳状态的材料看作是平衡态来使用。材料学家利用这种动力学差别而设计并加工制造了许多非平衡材料，扩大了可获得有用材料的范围。 快淬快凝技术 我国非常重视功能材料的发展 ， 取得了一定的成果 ， 但与国外发达国家相比尚有相当距离 四、国内功能材料发展的现状 在“ 863” 计划： 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 ，高性能固体推进剂材料，红外隐身材料 ， 材料设计与性能预测 等功能材料 镍氢电池 、 锂离子电池 ； 功能陶瓷材料 高档 钕铁硼 产品的研究开发和产业化，在某些成分配方和相关技术上取得了自主知识产权； 谢 谢！
