材料化学导论第7章_新型功能材料

1、1材料化学材料化学 新新 型型 功功 能能 材材 料料功能材料功能材料 具有特定的光学、电学、声学、磁学、热学、具有特定的光学、电学、声学、磁学、热学、力学、化学、生物学功能及其相互转化功能，并应力学、化学、生物学功能及其相互转化功能，并应用于现代高新技术中的材料。用于现代高新技术中的材料。新型功能材料新型功能材料 具有特殊物理学、化学、力学、生物学功能。具有特殊物理学、化学、力学、生物学功能。分类：按材料物质（金属、非金属分类：按材料物质（金属、非金属 ） 按材料功能性质（光、电、声按材料功能性质（光、电、声 ） 按材料应用的技术领域（传感器、电子、信按材料应用的技术领域（传感器、电子、信息

2、通讯、计算机息通讯、计算机）2材料化学材料化学 新新 型型 功功 能能 材材 料料1. 形状记忆合金形状记忆合金2. 减振材料减振材料3. 贮氢材料贮氢材料4. 液晶材料液晶材料5. 超导材料超导材料6. 光导纤维光导纤维7. 分离膜分离膜8. 医用聚合材料医用聚合材料9. 其他现代功能材料其他现代功能材料10. 准晶体准晶体3材料化学材料化学 新新 型型 功功 能能 材材 料料1.形状记忆合金形状记忆合金（1）形状记忆合金形状记忆合金 形状记忆合金形状记忆合金 材料在某一温度下受外力而变形，当外力材料在某一温度下受外力而变形，当外力 去除后，仍保持其变形后的形状；再升温，则去除后，仍保持其变

3、形后的形状；再升温，则 材料自动恢复到变形前原有的形状，似乎对以材料自动恢复到变形前原有的形状，似乎对以 前的形状保持记忆的材料。前的形状保持记忆的材料。 形状记忆现象：马氏体相被加热并回复为原来形状记忆现象：马氏体相被加热并回复为原来 母相时所产生的一种现象。母相时所产生的一种现象。 4材料化学材料化学 新新 型型 功功 能能 材材 料料（2）形状记忆效应机理形状记忆效应机理 热弹性马氏体相变机理热弹性马氏体相变机理与钢的淬火相关与钢的淬火相关 在形状记忆合金中，马氏体相远比母相软在形状记忆合金中，马氏体相远比母相软得多（这与钢恰好相反），在受到外力作用时，得多（这与钢恰好相反），在受到外力

4、作用时，能够很容易的通过马氏体相内部的双晶面的移能够很容易的通过马氏体相内部的双晶面的移动或马氏体相之间的移动而改变其形状，经加动或马氏体相之间的移动而改变其形状，经加热而回复到原来的母相时，这种形状的改变会热而回复到原来的母相时，这种形状的改变会全部消失。全部消失。5材料化学材料化学 新新 型型 功功 能能 材材 料料6材料化学材料化学 新新 型型 功功 能能 材材 料料实例实例1：钢没有记忆功能：钢没有记忆功能 钢的钢的TAS和和TMS之间的温度差（相变温度滞之间的温度差（相变温度滞后）高达数百摄氏度，即必须过热或过冷到足后）高达数百摄氏度，即必须过热或过冷到足以积蓄很大的亥姆霍兹自由能差

5、，才能发生马以积蓄很大的亥姆霍兹自由能差，才能发生马氏体相的转变；氏体相的转变；实例实例2：Au-Cd合金和合金和Ti-Ni合金合金 相变温度滞后仅有相变温度滞后仅有1030，有极小的相变，有极小的相变驱动力就能发生相变。驱动力就能发生相变。7材料化学材料化学 新新 型型 功功 能能 材材 料料应力诱导马氏体相变机理 研究成果：Fe-30Mn-1Si单晶合金 形状记忆效应机理：应力诱导 可逆马氏体 相变相面心立方结构，沿（111）密排面逐层堆 积，为ABCABC堆积方式相密排六方结构，沿（0001）密排面逐层 堆积，为ABAB堆积方式。 从晶体学和能量角度来看，相变极易进行 8（3）形状记忆合

6、金材料）形状记忆合金材料材料化学材料化学 新新 型型 功功 能能 材材 料料9材料化学材料化学 新新 型型 功功 能能 材材 料料（4）形）形状记忆合金的应用状记忆合金的应用 在一般工程上的应用在一般工程上的应用 制作管接口制作管接口10材料化学材料化学 新新 型型 功功 能能 材材 料料 在热致机构上的应用在热致机构上的应用 利用处于拉应力状态形状记忆合金丝的形利用处于拉应力状态形状记忆合金丝的形状记忆效应，可供输入信号通过感应线圈而变状记忆效应，可供输入信号通过感应线圈而变成电流，使合金丝长度发生变化。成电流，使合金丝长度发生变化。 在医疗方面的应用在医疗方面的应用 医用材料多用钛镍合金，

7、有耐蚀性和符合医用材料多用钛镍合金，有耐蚀性和符合生理反应。可用于脊柱侧弯的矫正，人工关节，生理反应。可用于脊柱侧弯的矫正，人工关节，人造心脏等。人造心脏等。11材料化学材料化学 新新 型型 功功 能能 材材 料料 形状记忆式热发动机形状记忆式热发动机12材料化学材料化学 新新 型型 功功 能能 材材 料料在军事和航天工业方面的应用在军事和航天工业方面的应用 美国国家航空和宇宙航行局用形状记忆美国国家航空和宇宙航行局用形状记忆合金做成大型月面天线合金做成大型月面天线13材料化学材料化学 新新 型型 功功 能能 材材 料料7.2 减振材料减振材料 主要是防震合金，这是一种内耗能量非常主要是防震合

8、金，这是一种内耗能量非常大，振动能与热能的交换能力很强，因而使得大，振动能与热能的交换能力很强，因而使得振动能可以迅速衰减的一类合金材料。振动能可以迅速衰减的一类合金材料。14材料化学材料化学 新新 型型 功功 能能 材材 料料根据作用机制可分为四类：根据作用机制可分为四类：1.复合型材料复合型材料铸铁铸铁2.铁磁性材料铁磁性材料12%铬钢铬钢3.位错性材料位错性材料Mg中加入中加入6%Zr4.孪晶型材料孪晶型材料锰铜系合金锰铜系合金15材料化学材料化学 新新 型型 功功 能能 材材 料料7.3 贮氢材料贮氢材料 贮氢材料贮氢材料 在一定温度和氢气压力下，能多次吸收、在一定温度和氢气压力下，能

9、多次吸收、 贮存和释放氢气的材料贮存和释放氢气的材料 贮氢合金贮氢合金 金属间化合物（中间相）亦称氢海绵。金属间化合物（中间相）亦称氢海绵。 常温常压下比普常温常压下比普通金属吸氢量高通金属吸氢量高1000倍。倍。 16材料化学材料化学 新新 型型 功功 能能 材材 料料如：镁镍合金制成的氢燃料箱本身重量是如：镁镍合金制成的氢燃料箱本身重量是100kg， 所吸收的氢气的热能相当于所吸收的氢气的热能相当于40kg汽油；汽油； 镧镍合金吸氢的密度能达到液氢的密度。镧镍合金吸氢的密度能达到液氢的密度。17材料化学材料化学 新新 型型 功功 能能 材材 料料 7.3.1贮氢原理贮氢原理 金属金属- -

10、氢体系氢体系存在存在平衡反应：平衡反应： M(s)+x/2H2(g) MHx(s)+H 7.3.2 贮氢合金的开发贮氢合金的开发 贮氢金属要求必须具有如下性能：贮氢金属要求必须具有如下性能：(1)单位质量或单位体积的贮氢量尽可能地多，单位质量或单位体积的贮氢量尽可能地多， 吸氢操作的温度、压力条件不高，易于实吸氢操作的温度、压力条件不高，易于实 施，设备简单。施，设备简单。18材料化学材料化学 新新 型型 功功 能能 材材 料料(2)氢化物生成热少，具有适于常温适用的氢的氢化物生成热少，具有适于常温适用的氢的 平衡分解压力，而且可根据需要能容易地释平衡分解压力，而且可根据需要能容易地释 放出氢

11、。放出氢。(3)可供反复使用，历经吸氢释氢的反复循环其可供反复使用，历经吸氢释氢的反复循环其 性能维持不变，也不致因受工业氢气燃料中性能维持不变，也不致因受工业氢气燃料中 所含杂质的污染而使吸氢释氢性能下降。所含杂质的污染而使吸氢释氢性能下降。(4)贮氢合金造价低廉、稳定、轻质、便于贮运。贮氢合金造价低廉、稳定、轻质、便于贮运。19材料化学材料化学 新新 型型 功功 能能 材材 料料7.3.3 贮氢合金的其他应用贮氢合金的其他应用 （1）贮存氢燃料，回收废氢气）贮存氢燃料，回收废氢气 （2）制作贮氢气瓶）制作贮氢气瓶 （3）分离、贮存氢同位素）分离、贮存氢同位素 （4）作空调机、热压缩机、热泵

12、以及用）作空调机、热压缩机、热泵以及用 来回收热能和利用太阳能等来回收热能和利用太阳能等20材料化学材料化学 新新 型型 功功 能能 材材 料料7.4 液晶材料液晶材料7.4.1液晶液晶 晶态向液态转化的中间态，它既保持了晶态向液态转化的中间态，它既保持了晶态的有序性，同时又具有液态的连续性和晶态的有序性，同时又具有液态的连续性和流变性，这种中间态称为液晶态，处于这种流变性，这种中间态称为液晶态，处于这种状态下的物质称液晶。状态下的物质称液晶。21材料化学材料化学 新新 型型 功功 能能 材材 料料7.4.2 液晶的类型液晶的类型 （1 1）根据纹理结构的特点和性质，液晶有：）根据纹理结构的特

13、点和性质，液晶有： 向列形向列形 胆甾型胆甾型 近晶型近晶型（2 2）根据生成过程有：）根据生成过程有： 热致液晶热致液晶 溶致液晶溶致液晶 22材料化学材料化学 新新 型型 功功 能能 材材 料料7.4.3液晶的分子结构液晶的分子结构 液晶是从晶体向液体过渡的中间相。液晶是从晶体向液体过渡的中间相。 （1）近晶近晶型液晶型液晶 近晶型液晶的规整性与晶相最近晶型液晶的规整性与晶相最为接近。这类液晶中棒状分子平行为接近。这类液晶中棒状分子平行排列成层状结构，分子轴垂直于层排列成层状结构，分子轴垂直于层面，棒状分子只能在层内活动。面，棒状分子只能在层内活动。23材料化学材料化学 新新 型型 功功

14、能能 材材 料料（2）向列型液晶）向列型液晶 向列型液晶的化学结构可依据向列型液晶的化学结构可依据其中心群原子团的种类分为甲亚胺其中心群原子团的种类分为甲亚胺化合物、偶氮化合物、氧化偶氮化化合物、偶氮化合物、氧化偶氮化合物，酯化合物、联苯化合物等。合物，酯化合物、联苯化合物等。24材料化学材料化学 新新 型型 功功 能能 材材 料料羧酸（羧酸（RCOOH），胺（），胺（R-NH2）等盐类易出现）等盐类易出现近晶相；近晶相；苯环对位上的末端取代基是苯环对位上的末端取代基是-CO-OR,-CHCH- CO-OR,-CO-NH2及及-CO-NH2及及-O-CF3等的化合等的化合 物时，出现近晶相的趋

15、势很大；物时，出现近晶相的趋势很大；当分子末端的直链状烷基很长时易出现近晶相；当分子末端的直链状烷基很长时易出现近晶相；X末端的取代基为末端的取代基为-C6H5,-NH-CO-CH3或者为或者为 -AO-CO-CH3的化合物时，倾向于出现近晶相；的化合物时，倾向于出现近晶相； 25材料化学材料化学 新新 型型 功功 能能 材材 料料X末端引入末端引入-CN基、基、-NO2基或者基或者-OCH3基时，基时， 出现向列相的趋势很强；出现向列相的趋势很强；分子长轴方向和垂直方向上有偶极子的化合分子长轴方向和垂直方向上有偶极子的化合 物时，易出现近晶相；物时，易出现近晶相；对液晶的形成带来不利倾向的立

16、体因素，对对液晶的形成带来不利倾向的立体因素，对 近晶相排列的影响比对向列相排列的影响更近晶相排列的影响比对向列相排列的影响更 大。大。 26材料化学材料化学 新新 型型 功功 能能 材材 料料（3）胆甾型液晶）胆甾型液晶 胆甾型液晶分子的排列具有胆甾型液晶分子的排列具有向列型的有序性，并在二维相层向列型的有序性，并在二维相层中向左或右以相同的螺旋角，自中向左或右以相同的螺旋角，自上而下呈螺旋状的重叠。胆甾型上而下呈螺旋状的重叠。胆甾型液晶分子在螺旋轴的方向上存在液晶分子在螺旋轴的方向上存在着规律性，其重复周期称为螺距。着规律性，其重复周期称为螺距。27材料化学材料化学 新新 型型 功功 能能

17、 材材 料料7.4.4 影响液晶特性的结构因素影响液晶特性的结构因素（1）中心团的功能）中心团的功能 中心团在保持液晶分子直线性方面具有中心团在保持液晶分子直线性方面具有重要作用，所以多为共轭性原子团来连接两重要作用，所以多为共轭性原子团来连接两个苯环的结构。中心团的极性，有助于液晶个苯环的结构。中心团的极性，有助于液晶的热稳定性增加。的热稳定性增加。 28材料化学材料化学 新新 型型 功功 能能 材材 料料（2）取代基的功能）取代基的功能 在作为液晶化合物的苯环上连接取代基时，在作为液晶化合物的苯环上连接取代基时，要考虑到其立体效应和极性效应。要考虑到其立体效应和极性效应。 向列型的热稳定性主要受立体效应的影响，向列型的热稳定性主要受立体效应的影响，而近晶相的热稳定性却依赖于立体效应和极性而近晶相的热稳定性却依赖于立体效应和极性效应的综合结果，当取代基的偶极矩很大时，效应的综合结果，当取代基的偶极矩很大时，取代基的立体效应就减少，近晶相的热稳定性取代基的立体效应就减少，近晶相的热稳定性就大。