新材料科学导论：功能材料

1、1,最小分子“电动车”问世,一个结构特殊的分子，它也有个“轮子”，当接收到电流时就向前“行驶”。 这种分子“电动车”将来可用于许多微观领域，比如把微量药物送达人体所需要的地点。,2,这辆“电动车”的原理与许多生物机体组织中天然存在的现象类似，在机体组织中，有些蛋白质在受电流刺激后会变形，从而产生运动，肌肉的收缩就是基于这个原理。,3,4,5,6,7,8,Nanorobots,9,功能材料,10,功能材料概念与分类 功能设计原理与方法 功能材料的特点 功能材料的制备 功能材料的发展现状 功能材料实例,主要内容,11,一般认为，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

2、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。,功能材料被誉为2l世纪人类文明的重要支柱,12,为了解决生产高速发展以及由此所产生的能源、环境等一系列的问题，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。,功能材料概论,13,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。,14,一、功能材料的概念 功能材料是指通过光、电、磁

3、、热、化学、生化等作用后具有特定功能的材料。 在国外，常将这类材料称为功能材料(Functional Materials)、特种材料(Speciality Materials)或精细材料(Fine Materials)。,第一节 功能材料的概念与分类,15,功能材料 涉及面较广，具体包括光、电功能，磁功能，分离功能，形状记忆功能等。 这类材料相对于通常的结构材料而言，一般除了具有机械特性外，还具有其他的功能特性。,16,材料的特定的功能与材料的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；压电陶瓷晶体必须有

4、极轴等。,17,二、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。,18,(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、超高强材料等。,19,(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：如固定化菌，生物反应器等。,20,（3）物理化学功能 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、感光性高分子等； 能量转换材料：如压电材料、光电材料。,21,(4)生物化学功

5、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,22,下图为材料显示功能的示意图。,第二节 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等过程，再作为输出而提供给外部的一种作用。,23,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,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。,24,一次功能主要有下面的八

6、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。,25,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。 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。,26,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

7、功能材料。,、二次功能,27,二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； 电能与其他形式能量的转换； 磁能与其他形式能量的转换； 机械能与其他形式能量的转换。,28,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，光生伏特效应和光导电效应。,光能与其他形式能量的转换,29,如电磁效应、电阻发热效应、热电效应、光电效应、场致发光效应、电化学效应和电光效应等。,电能与其他形式能量的转换,30,磁能与其他形式能量的转换,如光磁效应、热磁效应、磁冷冻效应和磁性转变效应等。,31,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

8、、压电效应、电致伸缩、光压效应、声光效应、光弹性效应和磁致伸缩效应等。,32,按材料种类分，功能材料还可分为： 金属功能材料 无机非金属功能材料 有机功能材料。,33,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,34,材料科学与工程一般都认为由四要素组成，即结构/成分、合成/流程、性能与效能。但考虑到相同成分通过不同制备方法可以得到不同结构，从而使材料出现不同性能，所以材料科学与工程应为五要素，即成分、合成/流程、结构、性能与效能。 根据材料所要求的性能不同，材料设计可以从电子、光子出发也可从原子、原子基团出发，可以从微观、

9、显微到宏观。,材料设计,35,一、金属功能材料设计 金属功能材料按性能分主要包括磁性、电性、力学、热学、光学、化学、生物功能材料和特种功能材料。 金属功能材料的功能设计主要有以下两个方面。 寻找具有特定功能的金属材料。 利用各种金属材料的特性，制备符合使用要求的合金。,材料设计,36,有些金属材料本身具有特定的功能，可以对这些特定的功能加以利用。例如，稀土功能材料的制备和应用。,(1)寻找具有特定功能的金属材料,稀土功能材料主要包括稀土永磁材料、稀土储氢材料、信息显示材料、催化材料、超磁致伸缩材料、巨磁电阻材料等，其应用遍及航天、航空、信息、电子、能源、交通、医疗卫生等13个领域的40多个行业

10、。,材料设计,37,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、磁性形状记忆合金等。,(2)利用金属材料的特性，制备符合使用要求的合金。,材料设计,38,无机非金属功能材料的主要代表是功能玻璃和功能陶瓷。无机非金属功能材料进行功能设计的方法主要有以下两种： (1)根据功能的要求设计配方。 (2)根据功能的要求设计合适的加工工艺。,二、无机非金属功能材料设计,材料设计,39,无机非金属功能材料的配方比较复杂，每种不同功能的无机非金属功能材料采用不同的配方。 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。 比如功能玻璃包括微晶玻璃、激光玻璃、半导体玻璃、光色玻璃、生物玻璃等。,(1)根据功能的要求设计配方,40,无机非金属功能材料的加工工艺根据所需功能的不同，有的采用普通的无机非金属材料加工工艺，有的采用特殊的加工工艺。 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。,(2)根据功能的要求设计合适的加工工艺,41,功能高分子材料功能设计的主要途径如下： (1)通过分子设计合成新功能。 (2)通过特殊加工赋予材料以功能特性 (3)通过两种或两种以上的具有不同功能或性能的材料复合获得新功能。 (4)通

12、过对材料进行各种表面处理以获得新功能。,三、高分子功能材料设计,42,分子设计包括高分子结构设计和官能团设计，它是使高分子材料获得具有一定化学结构的本征性功能特征的主要方法，因而又称为化学方法。,(1)通过分子设计合成新功能,43,例如，通过高分子结构设计和官能团设计，在高分子结构中引入感光功能基团，从而合成出感光高分子材料。合成可供选择的措施有：共聚合、接技聚合、嵌段聚合、界面缩聚、交联反应、官能团引入、模板聚合、管道聚合、交替共聚以及用高聚物作支持体的聚合等。,44,这种方法又称为物理方法。例如： 高分子材料通过薄膜化制作偏振光膜、滤光片、电磁传感器、薄膜半导体、薄膜电池、接点保护材料、防

13、蚀材料等，尤其是在超细过滤、反渗透、精密过滤、透析、离子交换等方面取得了广泛的应用。 高分子材料纤维化可用于二次电子倍增管或作离子交换纤维。 对于高分子材料来说，最引人注目的是塑料光纤的开发应用。,(2)通过特殊加工赋予材料以功能特性,45,例如借助纤维复合、层叠复合、细粒复合、骨架复合、互穿网络等方法。 关于这方面的理论，近年来还提出了所谓复合相乘效应公式。即如A组分具有X/Y功能(即对材料施加X作用，可得Y效应，例如加压生电)，B组分有Y/Z功能，则复合之后可产生(X/Y)(Y/Z)X/Z的新功能。根据这个原理，已试制出温度自控塑料发热体等一批新型复合功能高分子材料。,(3)通过具有不同功

14、能或性能的材料复合获得新功能,46,将上述各种方法的适当组合就可以设计得到所需要的各种功能材料。功能材料的设计是当代材料技术的重大成就之一。,(4)通过对材料进行各种表面处理以获得新功能,47,功能材料是目前材料领域发展最快的新领域。 功能材料虽然制备过程复杂，产品产量小，但是利润较高。其主要原因是基于其特有的“功能性”。 功能材料的结构与性能之间存在着密切的联系，材料的骨架、功能基团以及分子组成直接影响着材料的宏观结构与材料的功能。 研究功能材料的结构与功能之间的关系，可以指导开发更为先进、新颖的功能材料。,第三节功能材料的特点,48,金属功能材料是开发比较早的功能材料，随着高新技术的发展，

15、一方面促进了非金属材料的迅速发展，同时也促进了金属材料的发展; 许多区别于传统金属材料的新型金属功能材料应运而生，有的已被广泛应用，有的具有广泛应用的前景。,一、金属功能材料,49,形状记忆合金的发现及各种形状记忆合金体系的开发研制，使得这类新型金属材料在现代军事、电子、汽车、能源、机械、宇航、医疗等领域得到广泛的应用。 非晶态合金由于具有优异的物理、化学性能，是一种极有发展前景的新型金属材料。 具有独特性能和用途的新型金属功能材料很多，如超导合金、纳米金属、高温合金、减振合金、储氢、多孔金属、金属磁性材料等。,50,无机非金属功能材料的发展速度也很快，新的种类也是层出不穷。它以功能玻璃和功能

16、陶瓷为主，近来也发展了一些新工艺和新品种。,二、无机非金属功能材料,51,功能玻璃和功能陶瓷是无机非金属功能材料中的主要组成部分，近年来得到了迅速的发展。 新型功能玻璃除了具有普通玻璃的一般性质以外，还具有许多独特的性质，如磁光玻璃的磁光转换性能、声光玻璃的声光性、导电玻璃的导电性、记忆玻璃的记忆特性等。,功能玻璃和功能陶瓷发展的新特点,52,新型功能玻璃的发展以光功能玻璃为代表。作为蓝光、可见光元件上的转换材料、光存储显示材料及各种非线性光学玻璃特别引人注意，它们将占据未来的光量子时代，是功能玻璃材料研究的主要方向。快离子导体玻璃的发展也很快，有机无机复合玻璃是玻璃研究者的又一大开拓目标。,

17、53,功能陶瓷有以下几方面发展趋向： (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。,54,1影响功能高分子材料“功能性”的结构因素 结构决定性能，功能高分子材料之所以有许多独具特色的性能，主要与其结构因素有关。 、骨架的性质，如润湿性、溶胀性，骨架的邻位效应等； 、在分子中起到特殊关键作用的官能团的性质。,三、功能高分子材料,55,功能高分子材料的制备一般是指通过物理的或化学的方法将功能基团与聚合物骨架相结合的过程。 功能高分子材料的制备主要有以下三种基本类型： 是功能性小分子固定在骨架

18、材料上； 是大分子材料的功能化； 是已有的功能高分子材料的功能扩展。,2功能高分子材料的制备方法,56,第四节功能材料制备方法,用于功能材料制备的新方法很多。例如：快速凝固、镀膜、超晶格、机械合金化、溶胶凝胶、极限(极高温、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。,57,在溶胶凝胶方法中，常是把含有Si、A1、Ti、B等网络形成元素的烃氧化物作为母体，以添加碱或酸作催化剂，在酒精溶液中使烃氧化物水解、浓聚而形成 M M链的无机氧化物网络。,溶胶凝胶方法,58,通过改变母体的化学成分和生成条件，就可改变冷凝物

19、的拓朴结构，可从无水氧化物的致密球变为稀疏的分枝状结构，以满足待定的使用要求。 无水氧化物具有可以控制微孔尺寸、微孔体积、折射率和化学性质的特点。这对于高技术的应用是有利的。,59,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,60,复合就是把两种以上组分材料组成一种新材料的方法；杂化的基本思想就是将原子

20、、分子集团在几埃到几干埃的数量级上进行复合。,复合和杂化,61,杂化是在纳米数量级上进行，从而使各原材料间的相互作用力与整体复合时不同，引起量子效应、表面能量效应等。这些现象对材料里的载流子的传输过程会产生很大的影响，使杂化材料的电学性质不再是各原材料的电学性质相加后的平均值，而可以说是相乘的结果。可以出现各向异性、超导电性等现象。,62,例如，在绝缘性高分子薄膜表面镀上一层薄金属层，以此做成电极进行吡咯的电解聚合，生成的聚毗咯在生成的同时形成了高分子薄膜中的导电通路，从而得到导电薄膜。 采用杂化技术，还可以制得具有特殊功能的肖脱基元件和非线性光学有机薄膜等等。杂化技术可以应用于高分子科学领域

21、，也可以广泛地应用于其他领域。,63,第五节功能材料的发展现状,当前，国际功能材料及其应用技术正面临新的突破，诸如超导材料、微电子材料、光子材料、信息材料、能源转换及储能材料、生态环境材料、生物医用材料及材料的分子、原子设计等正处于日新月异的发展之中，发展功能材料技术正在成为一些发达国家强化其经济及军事优势的重要手段。,64,以NbTi、Nb3Sn为代表的实用超导材料已实现了商品化，在核磁共振人体成像（NMRI）、超导磁体及大型加速器磁体等多个领域获得了应用。 高温氧化物超导体的出现，突破了温度壁垒，把超导应用温度从液氦（ 4.2K）提高到液氮（77K）温区。高温超导材料的研究工作已在单晶、薄膜、体材料、线材和应用等方面取得了重要进展。,超导材料,65,作为高技术重要组成部分的生物医用材料已进入一个快速发展的新阶段，其市场销售额正以每年16%的速度递增，预计20年内，生物医用材料所占的份额将赶上药物市场，成为一个支柱产业。生物活性陶瓷已成为医用生物陶瓷的主要方