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1、School of Materials Science & Engineering,材料科学与工程学院,功 能 材 料 Prof. Dr. 徐光亮 Tel: 2419207,13980129059 E-mail:,绪论,什么是材料? 材料是指能为人类制造有用器件的物质。 材料的重要性 材料是人类社会进步的里程碑，整个人类社会的物质文明史也就是一部材料发展的历史。 石器时代 青铜时代 铁器时代,公元前300000年，人们用石头（天然陶瓷材料） 制成工具，开始了制陶业的发展。,燧石：神奇的石头,石器时代（新、旧）,天然金和铜,公元前5500年，天然金与铜被用作工具与武器，开始人类使用金属的历史。,
2、公元前5000年，人类发明用粘土烧成陶器，同时在烧陶过程中又还原出金属铜和锡，由此发明了炼铜技术，人类文明史进入青铜器时代。,熔炼和锤击改变了铜的性能,材料开始发展,最早的模铸件：一个铜制杖头,公元前5000年 金属铸造工艺需要的形状,埃及古墓壁画 人类冶金业的最早纪录之一,公元前3500年 从矿石中提炼铜 冶金业的黎明,青铜：第一种合金,公元前3500年 青铜的使用开创制造合金的历史,铁制车轮,公元前2000年左右：人类开始使用天然陨铁打成的铁器 公元前1200年左右：铁器逐渐取代了铜器，人类开始进入了铁器时代,廉价的冶铁业,公元1500年 炼铁的需要 鼓风机与熔炉的发明,Henry Bes
3、semer (1813-1898),1855年 Henry Bessemer的一项钢铁冶炼的专利，促进了当代钢铁冶炼的出现。 他的方法使钢铁的性能大大提高而成本也降低不少。,1886年 电化学方法冶炼铝-使铝成为一种常用金属,尼龙的发明,1939年 尼龙的商业发展 高分子材料发展,1950年代 高温合金（掺镍合金）的发展 喷气发动机的发展。,1960年以来，硅芯片越来越小，功能越来越强大,1980年以来，高温超导的革命时代,人们通常把材料、信息和能源并列为现代科学技术的三大支柱，这三大支柱是现代社会赖以生存和发展的基本条件之一，而材料科学显得尤为重要。 也有人认为21世纪将是生物、信息和材料的
4、世纪，不管怎样，材料都将成为未来社会发展的重要组成部分。,我们如此的依赖各种材料。我们看到的和用到的每样东西都来自地球上的物质：汽车、飞机、电脑、电视、盘子甚至还有人造关节。,21世纪，新技术的发展将继续改变我们的生活。材料科学家们将在其中发挥重要作用，研究出更多具有特殊性能的材料。研究的领域涵盖原材料生产、回收以及为最终产品设计可靠的材料。航空、运输、电子、能源转化、生物工程都是新材料应用最活跃的领域。,当我们把焦点放到发展金属、陶瓷、高分子、复合材料时，我们才认识到这些材料可以满足如此之多的特殊要求。这项工程从原子量级开始，元素间有数百万种可能的组合。这些性能最终反映到宏观量级上，应用在像
5、石墨钓鱼杆，以及桥梁、建筑物等等。 越来越多的新材料被发现，材料科学对我们的生活影响越来越大。材料科学在工业及全球经济中扮演着重要的角色。,什么是材料科学与工程（Materials Science and Engineering ）？ 关于材料成分、结构、工艺与它们的性能和用途之间的有关知识的开发和应用的科学。,材料的分类 按化学组成：金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料 按使用性能：结构材料、功能材料 结构材料： 指能承受外加载荷而保持其形状和 结构稳定的材料，主要要求其力学性能。如：钢是金属结构材料，水泥及混凝土是无机非金属结构材料。,什么是功能材料（Functional Mat
6、erials）？ 指具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学和生物学功能及其相互转化的功能，用于非结构目的材料。,生物陶瓷,储氢材料氢能汽车,梯度功能材料制成的人造牙,形状记忆合金月面天线的自动展开示意图 美国NASA 阿波罗登月计划,人造卫星天线的示意图,人工爬虫实现了凝胶材料像动物一样的动作,功能材料的主要特征 与结构材料相比，具有以下主要特征： 功能材料的功能对应于材料的微观结构和微观物体的运动，这是最本质的特征。 功能材料的聚集态和形态非常多样化，除了晶态外，还有气态、液态、液晶态、非晶态、准晶态、混合态和等离子态等。除了三维体相材料外，还有二维、一维和零维材料。除了平衡态外
7、，还有非平衡态。,结构材料常以材料形式为最终产品，而功能材料有相当一部分是以元件形式为最终产品，即材料、元件一体化。 功能材料是利用现代科学技术，多学科交叉的知识密集型产物。 功能材料的制备技术不同于结构材料用的传统技术，而是采用许多先进的新工艺和新技术，如急冷、超净、超微、超纯、薄膜化、集成化、微型化、密集化、智能化以及精细控制和检测技术。,功能材料的分类 按用途：分为电子、航空、航天、兵工、建筑、医药、包装等材料。 按化学：分为金属、无机非金属、有机、高分子和复合功能材料。 按聚集态 ：分为气态、液态、固态、液晶态和混合态功能材料。其中，固态又分为晶态、准晶态和非晶态。,按功能：分为物理（
8、如光、电、磁、声、热等）、化学（如感光、催化、含能、降解等）、生物（如生物医药、生物模拟、仿生等）和核功能材料。 按材料形态：分为体积、膜、纤维和颗粒等功能材料。 按维度：分为三维、二维、一维和零维功能材料。三维材料即固态体相材料。二维、一维和零维材料分别为其厚度、直径和粒度小到纳米量级的薄膜、纤维和微粒，统称为低维材料，其主要特征是具有量子化效应。,功能材料的发展 1965年，是由美国贝尔研究所J.A.Morton博士于首先提出功能材料的概念。但人类对功能材料的研究和应用远早于1965年，只是它的品种和产量很少，且在相当一段时间内发展缓慢。 20世纪60年代以来，各种现代技术如微电子、激光、
9、红外、光电、空间、能源、计算机、机器人、信息、生物和医学等技术的兴起，强烈刺激了功能材料的发展。,由于固体物理、固体化学、量子理论、结构化学、生物物理和生物化学等学科的飞速发展以及各种制备功能材料的新技术和现代分析测试技术在功能材料研究和生产中的实际应用，许多新的功能材料不仅已在实验室中研制出来，而且已批量生产和投入使用。 现代科学技术的迅猛发展，使得适应高技术的各种新型功能材料如雨后春笋，不断涌现，它们赋予高技术以新的内涵，促进了高技术的发展和应用的实现。,21世纪功能材料的发展趋势 开发高技术所需的新型功能材料，特别是尖端领域（如航空航天、分子电子学、高速信息、新能源、海洋技术和生命科学等
10、）所需和在极端条件（如超高压、超高温、超低温、高烧蚀、高热冲击、强腐蚀、高真空、强激光、高辐射、粒子云、原子氧、核爆炸等）下工作的高性能功能材料。 由单功能向多功能和复合或综合功能发展，从低级功能（如单一的物理功能）向高级功能（如人工智能、生物功能和生命功能等）发展。,功能材料和器件的一体化、高集成化、超微细化、高密集化和超分子化。 功能材料和结构材料兼容，即功能材料结构化，结构材料功能化。,进一步研究和发展功能材料的新概念、新设计和新工艺。 已提出的新概念有梯度化、低维化、智能化、非平衡态、分子组装、杂化、超分子化等； 已提出的新设计有化学模式识别设计、分子设计、非平衡态设计、量子化学和统计力学计算法等，这些新设计方法都要采用计算机辅助设计，要求建立数据库和计算机专家系统； 已提出的新工艺有激光加工、离子注入、等离子技术、分子束外延、电子和离子束沉积、固相外延、精细刻蚀、生物技术及在特定条件下（如高温、高压、低温、高真空、微重力、强电磁场、强辐射、急冷和超净等）的工艺技术。,完善和发展功能材料检测和评价的方法。 加强功能材料的应用研究，扩展功能材料的应用领域，特别是尖端领域和民用高技术领域，并把成熟的研究成果迅速推广，以形成生产力。,
