中北版功能材料概论

现代科学技术的三大支柱能源、材料、信 息，其中材料是基础。新材料发展的重点已经从结构材料转向功能材料，从单一走向复合。结构材料： 是以力学性能为基础，主要制利用其强度、硬度韧性等机械性能制成的各种材料。功能材料： 功能材料一般除了具有机械特性外，还具有其他的功能特性，是指通过光、电、磁、热、化学、生化等作用后具有特定功能的材料。主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。 1v 材料科学目的：在于揭示材料的行为，给予材料属材料科学目的：在于揭示材料的行为，给予材料属性的描述或建立模型，以及解释组成结构与性能间性的描述或建立模型，以及解释组成结构与性能间的联系的联系v 材料的 特定的功能特定的功能 与材料的 特定结构特定结构 是相联系的。如对于导电聚合物来说，它一般具有 长链共轭双键；金属结构中由于 弹性马氏体相变 能产生记忆效应，因此出现了形状记忆合金等2一、功能材料的概念功能材料一般除了具有机械特性外，还具有其他的功能特性，是指通过 光、电、磁、热、化学、光、电、磁、热、化学、生化生化 等作用后具有 特定功能特定功能 的材料。 在国外，常将这类材料称为 特种材料特种材料 (Speciality Materials)或 精细材料精细材料 (Fine Materials)。第一节第一节 功能材料的概念与分类功能材料的概念与分类3二、 材料的分类 按物态划分：气态、液态和固态。 按组成和结合健性质：金属材料、无机非金属材料、高分子材料以及复合材料。按材料的功能：结构材料、功能材料。 按使用领域：建筑材料、电子材料、医用材料、仪表材料、能源材料等。4三、 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 功能的不同功能的不同 考虑，可将功能材料分为以下四类。 5(1)力学功能力学功能 主要是指 强化功能材料强化功能材料 和 弹性功能材料弹性功能材料 ，如高结晶材料、超高强材料等。 6(2)化学功能化学功能 分离分离 功能材料：如 分离膜 ， 离子交换树脂 、 高分子络合物 ； 反应反应 功能材料；如 高分子试剂 、 高分子催化剂 ； 生物生物 功能材料：如 生物反应器 等 。7（ 3） 物理化学功能物理化学功能 电学电学 功能材料：如 超导体 ， 导电高分子 等； 光学光学 功能材料：如 感光性高分子 等 ； 能量转换能量转换 材料：如 压电材料 、 光电材料 。8(4)生物化学功能生物化学功能 医用医用 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； 生物降解生物降解 材料9从化学键类型来分 金属材料：（金属键） 金属学 黑色金属（钢和铸铁 -铁碳合金 ）钢：碳素钢和合金钢（按成分）；普通钢、优质钢和高级优质钢（按品质）；平炉钢、转炉钢、电炉钢和奥氏体钢（按冶炼法）；结构钢、工具钢、特殊钢及专用钢（按用途）。铸铁：灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、特殊性能铸铁等。 有色金属 (非铁材料 )轻金属 (密度 5)、重金属 (密度 5)、贵金属、类金属和稀有金属，如 A1、 Cu、 Zn、 Sn、 Pb、 Mg、 Ni、 Ti及其合金。在工程上占有重要地位无机非金属材料 （ 共价键）和 主要包括陶瓷、水泥（硅酸盐）、玻璃、耐 火材料等，资源丰富，性能价格比高。 20世纪中后期，通 过合成原料和新的制备技术，出现了一系列特殊功能的先 进陶瓷 。10高分子材料 ： 20世纪初，人工合成高分子材料问世：1909年 -酚醛树脂 (胶木 )；1925年 -聚苯乙烯；（氯纶）1931年 -聚氯乙烯；（树脂）v 1941年 -尼龙，如今世界年产量在 1亿吨以上。v 复合材料11v 金属材料的基本属性 结合健为金属健； 熔点较高； 具有金属光泽； 展性、延性大； 强度较高； 结构中存在自由电子，导热和导电性好； 在空气中易被氧化。12v 无机非金属材料（ 陶瓷学）v 主要包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。按性能和用途：传统陶瓷和特种陶瓷。特种陶瓷也称 精细陶瓷（ Fine Ceramics）高技术陶瓷（ High Technical Ceramics）先进陶瓷（ Advanced Ceramics）v 特种陶瓷是以人工合成化合物为原料制备，用于技术和工程领域，如电子信息、能源、机械、化工、动力、生物、航天航空和其它高新技术领域。13v 无机非金属材料的基本属性v 化学健主要是离于键、共价健以及它们的混合键；v 硬而脆、韧性低、抗压不抗拉；v 以共价键结合，由于共价键强度高，能量大，要断键是很难的，所以陶瓷内部能形成稳定的晶格结构，位错的滑移也很困难。v 物体的断裂过程是：弹性形变，塑性形变，最后产生断裂。 在陶瓷受到较大的冲击力时，位错很难滑移，弹性形变和塑性形变很难发生，所以就瞬间断裂。 14v 熔点高，具有优良的耐高温和化学稳定性；v 一般自由电子数目少、导热性和导电性较小；v 耐化学腐蚀性好；v 耐磨损。15v 高分子材料 （高分子物理）v 以 C、 H、 N、 O元素为基础，由大量结构相同的小单元聚合组成，分子量大，并在某一范围内变化。v 一般分为天然和合成的两类；v 按使用性质：塑料、橡胶、纤维、粘合剂、涂料等；v 按链结构：碳链、杂链、元素高聚物；v 按热性质：热塑性、热固性及热稳定性高聚物；v 按用途：结构材料、电绝缘材料、耐高温材料、导电高分子、高分子建筑材料、生物医用高分子材料、高分子催化剂、包装材料等。塑料是重要的高分子材料，分为通用塑料和工程塑料。16v 高分子材料的基本属性v 结合健主要为共价健，部分范德华键；分子量大，无明显的熔点，有玻璃化转变温度、粘流温度；v 力学状态有玻璃态、高弹态和粘流态；v 强度较高；v 质量轻；v 良好的绝缘性；v 优越的化学稳定性17v 在高分子材料中，也是以共价键结合，但是它是链状结构，但链与链之间的结合力并不是共价键，这些键的键能小，在受到冲击力时，链断裂，可以产生相对滑移，就可以弹性形变，塑性形变，再到断裂，所以高分子材料不表现脆性，而陶瓷表现出脆性。 18下图为材料显示功能的示意图。输入 材料 输出第二节第二节 功能设计的原理和方法功能设计的原理和方法材料的 功能显示过程功能显示过程 是指向材料输入某种能量，经过材料的传输或转换等过程，再作为输出而提供给外部的一种作用。19功能材料按其 功能的显示过程功能的显示过程 又可分为一次功能材料一次功能材料 和 二次功能材料二次功能材料 。 20当向材料 输入的能量输入的能量 和从材料 输出的能量输出的能量属于 同一种形式同一种形式 时，材料起到 能量传输能量传输 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 载体载体材料材料 。、一次功能、一次功能21一次功能主要有下面的八种一次功能主要有下面的八种 。 力学力学 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 。 声声 功能。如 隔音 性、 吸音 性。 热热 功能。如 传热 性、 隔热 性、 吸热 性和 蓄热 性等。 电电 功能。如 导电 性、 超导 性、 绝缘 性和 电阻 等。22 磁磁 功能。如 硬磁性 、 软磁性 、 半硬磁性 等。 光光 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。 化学化学 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。 其他其他 功能。如 放射特性 、 电磁波特性 等。23当向材料 输入的能量输入的能量 和从材料 输出的能量输出的能量属于 不同形式不同形式 时，材料起 能量的转换能量的转换 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、二次功能24二次功能按 能量的转换系统能量的转换系统 可分为如下四类 。 光光 能与其他形式能量的转换； 电电 能与其他形式能量的转换； 磁磁 能与其他形式能量的转换； 机械机械 能与其他形式能量的转换。25如 光合成光合成 反应、 光分解光分解 反应、 光化光化 反应、光致抗蚀光致抗蚀 、 化学发光化学发光 ， 感光感光 反应， 光致伸缩光致伸缩， 光生伏特光生伏特 效应和 光导电光导电 效应。 光光 能与其他形式能量的转换26如 电磁电磁 效应、 电阻发热电阻发热 效应、 热电热电 效应、 光电光电 效应、 场致发光场致发光 效应、 电化学电化学 效应和 电光电光 效应等 。 电电 能与其他形式能量的转换27 磁磁 能与其他形式能量的转换如 光磁光磁 效应、 热磁热磁 效应、 磁冷冻磁冷冻 效应和 磁性转变磁性转变效应等。28 机械机械 能与其他形式能量的转换 。如 形状记忆形状记忆 效应、 热弹性热弹性 效应、 机械化学机械化学 效应、 压电压电