第一节功能材料概论绪论

1、大连理工大学 化工学院 n材料已成为当今科学技术和社会发展的重要支材料已成为当今科学技术和社会发展的重要支柱，材料科学亦日益融合其他学科形成了新的柱，材料科学亦日益融合其他学科形成了新的分支科学分支科学功能材料科学。为此开设功能材料科学。为此开设功能功能材料材料课程。化工学科本科生应当学习材料科课程。化工学科本科生应当学习材料科学的基本知识。旨在从结构和性能的关联角度学的基本知识。旨在从结构和性能的关联角度介绍功能材料的基本概念和基本理论。介绍功能材料的基本概念和基本理论。主要参考资料主要参考资料1、现代功能材料及其应用、现代功能材料及其应用郭卫生郭卫生, 汪济奎（化学工业出版汪济奎（化学工业

2、出版社社,2002） 2、功能材料学、功能材料学-周馨我周馨我 (北京理工大学出版社北京理工大学出版社,2002)3、新型功能材料、新型功能材料- 贡长生，张克立贡长生，张克立(化学工业出版社化学工业出版社,2001)4、新型无机材料、新型无机材料-杨华明杨华明,宋晓岚宋晓岚,金胜明金胜明（化学工业出版（化学工业出版社社,2005）5、信息和功能材料、信息和功能材料-刘先曙刘先曙 马傅华马傅华 辛秀田（宇航出版辛秀田（宇航出版社社,1998 ）n建议教材：建议教材：n功能材料概论功能材料概论-殷景华殷景华 王雅珍王雅珍 （哈尔滨工业大学出版（哈尔滨工业大学出版社社,1999）目 录n关于材料关

3、于材料n材料的性能材料的性能n材料的分类材料的分类n材料科学内容及目的材料科学内容及目的什么是材料什么是材料?世界万物，凡于我有用者，皆谓之材料。材料世界万物，凡于我有用者，皆谓之材料。材料是具有一定性能，可以用来制作器件、构件、工具、是具有一定性能，可以用来制作器件、构件、工具、装置等物品的物质。材料存在于我们的周围，与我装置等物品的物质。材料存在于我们的周围，与我们的生活、我们的生命息息相关。材料是人类文明、们的生活、我们的生命息息相关。材料是人类文明、社会进步、科技发展的物质基础。社会进步、科技发展的物质基础。材料是人类生活和生产必需的材料是人类生活和生产必需的基础，也是人类文明的物质基

4、基础，也是人类文明的物质基础，而材料的使用与一个历史础，而材料的使用与一个历史时期内生产力和科学技术水平时期内生产力和科学技术水平密切相关。一个国家材料的品密切相关。一个国家材料的品种、产量和质量是直接衡量一种、产量和质量是直接衡量一个国家的科学技术、经济发展个国家的科学技术、经济发展水平的重要标志之一。水平的重要标志之一。 经过人类劳动取得的劳动对象。一般把来自采掘经过人类劳动取得的劳动对象。一般把来自采掘工业和农业的劳动对象称为工业和农业的劳动对象称为“原料原料”，把经过工业加，把经过工业加工的原料成为工的原料成为“材料材料”。1.1. 材料是材料是人类赖以生存与发展、改造自然的物质基础人

5、类赖以生存与发展、改造自然的物质基础,是人是人类活动不可缺少的东西。类活动不可缺少的东西。2. 材料是社会生产力发展的标志，生产中使用的材料性质材料是社会生产力发展的标志，生产中使用的材料性质反映了人类社会的文明水平。反映了人类社会的文明水平。关于材料关于材料n材料是当代文明的三大支柱之一。材料是当代文明的三大支柱之一。材料、能源、材料、能源、信息信息是现代社会文明和国民经济的三大支柱，是是现代社会文明和国民经济的三大支柱，是人类社会进步和科学技术发展的物质基础和技术人类社会进步和科学技术发展的物质基础和技术先导。先导。n材料是全球新技术革命的材料是全球新技术革命的四大标志四大标志之一（之一（

6、新材料技新材料技术、新能源技术、信息技术、生物技术术、新能源技术、信息技术、生物技术）。）。随着时代的发展，人类将进入一个全新的时代。为了解随着时代的发展，人类将进入一个全新的时代。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。材料层出不穷，得到了突破性的进展。已经从已经从转向转向。 近近10年来，功能材

7、料成为年来，功能材料成为材料科学和工程领材料科学和工程领域中域中最为活跃的部分。每年以最为活跃的部分。每年以5以上的速度增以上的速度增长，相当于每年有长，相当于每年有1.25万种新材料问世。未来世万种新材料问世。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。在渗透到现代生活的各个领域。1986年，我国制定了年，我国制定了高技术发展计划纲高技术发展计划纲要要，被评选列入的，被评选列入的是是生物技术生物技术、信息技术信息技术、激光技术激光技术、航天技术航天技术、自动化技术自动化技术、新能源技术新能源技术和和。 一、功能材料的概

8、念一、功能材料的概念 功能材料是指通过功能材料是指通过等作用后具有等作用后具有的材料。的材料。 在国外，常将这类材料称为在国外，常将这类材料称为(Functional Materials)、(Speciality Materials)或或(Fine Materials)。功能材料？功能材料？q单晶材料单晶材料是由一个比较完整的晶粒构成的材料，如单晶是由一个比较完整的晶粒构成的材料，如单晶纤维、单晶硅；纤维、单晶硅；q多晶材料多晶材料是由许多晶粒组成的材料，其性能与晶粒大小、是由许多晶粒组成的材料，其性能与晶粒大小、晶界的性质有密切的关系。晶界的性质有密切的关系。q非晶态材料非晶态材料是由原子或

9、分子排列无明显规律的固体材料，是由原子或分子排列无明显规律的固体材料，如玻璃、高分子材料。如玻璃、高分子材料。 按结晶状态分类按结晶状态分类 q准晶材料准晶材料是指准周期性晶体材料的简称，准晶仍然是指准周期性晶体材料的简称，准晶仍然是晶体，准晶中的原子分布有严格的位置序，但位是晶体，准晶中的原子分布有严格的位置序，但位置序无周期性，即没有周期性平移对称关系，在准置序无周期性，即没有周期性平移对称关系，在准晶材料中存在不符合传统晶体学的五次、八次、十晶材料中存在不符合传统晶体学的五次、八次、十二次对称轴。二次对称轴。 准晶从结构角度看是一种新的物质形态，但实准晶从结构角度看是一种新的物质形态，但

10、实际上它们仅在特定的金属合金中形成，是成分范围际上它们仅在特定的金属合金中形成，是成分范围较窄的金属间化合物。较窄的金属间化合物。 按材料的尺寸分类按材料的尺寸分类 材料按材料的尺寸可分为零维材料、材料按材料的尺寸可分为零维材料、一维材料、二维材料、三维材料。一维材料、二维材料、三维材料。 n零维材料零维材料即超微粒子，通过即超微粒子，通过Sol-gel法、多相沉积或激光法、多相沉积或激光等方法，可以制备出亚微米级的陶瓷或金属粉末，大小等方法，可以制备出亚微米级的陶瓷或金属粉末，大小1100nm的超微粒比表面积大（可作为高效催化剂）、的超微粒比表面积大（可作为高效催化剂）、比表面能高、熔点低、

11、烧结温度下降、扩散速度快、强比表面能高、熔点低、烧结温度下降、扩散速度快、强度高而塑性下降慢、电子态由连续能带变为不连续、光度高而塑性下降慢、电子态由连续能带变为不连续、光吸收也发生异常现象（可以成为高效微波吸收材料吸收也发生异常现象（可以成为高效微波吸收材料）。）。 n一维材料一维材料，如光导纤维由于其信息传输量远比铜、铅，如光导纤维由于其信息传输量远比铜、铅的同轴电缆大，而且光纤有很强的保密性，所以发展的同轴电缆大，而且光纤有很强的保密性，所以发展很快。再比如脆性块状材料在变成细丝后便增加了韧很快。再比如脆性块状材料在变成细丝后便增加了韧性，可以用来增强其它的块状。实用纤维为碳纤维、性，可

12、以用来增强其它的块状。实用纤维为碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维。纤维中强度和刚度最高的要算晶硼纤维、陶瓷纤维。纤维中强度和刚度最高的要算晶须。须。 n二维材料（薄膜），二维材料（薄膜），如金刚石薄膜、高温超导薄膜、半如金刚石薄膜、高温超导薄膜、半导体薄膜。由于薄膜的电子所处状态和外界环境的影响，导体薄膜。由于薄膜的电子所处状态和外界环境的影响，可表现出不同的电子迁移规律，完成特定的电学、光学可表现出不同的电子迁移规律，完成特定的电学、光学或电子学功能，如成为绝缘体、铁电体、导体或半导体或电子学功能，如成为绝缘体、铁电体、导体或半导体等，从而有可能作为光学薄膜用于非线性光学、光开关、等，从而有可能作为

13、光学薄膜用于非线性光学、光开关、放大或调幅、敏感与传感元件，用于显示或探测器，用放大或调幅、敏感与传感元件，用于显示或探测器，用于环保或表面改性的保护膜。于环保或表面改性的保护膜。n三维材料三维材料即块状材料。即块状材料。 按服役的领域来分类按服役的领域来分类 根据材料服役的技术领域可分为根据材料服役的技术领域可分为信信息材料息材料、航空航天材料航空航天材料、能源材料能源材料、生生物医用材料物医用材料等。等。 n信息材料信息材料是指用于信息的探测、传输、显示、是指用于信息的探测、传输、显示、运算和处理的光电信息材料。信息材料主要运算和处理的光电信息材料。信息材料主要包括信息的监测和传感（获取）

14、材料、信息包括信息的监测和传感（获取）材料、信息的传输材料、信息的存储材料、信息的运算的传输材料、信息的存储材料、信息的运算和处理材料。和处理材料。 n航空航天材料航空航天材料主要包括新型金属材料（如先进铝合主要包括新型金属材料（如先进铝合金、超高强度钢、高温合金、高熔点合金、铍及其金、超高强度钢、高温合金、高熔点合金、铍及其合金）、烧蚀防热材料和新型复合材料。此外，还合金）、烧蚀防热材料和新型复合材料。此外，还包括一些功能材料，如涂层材料、隔热材料、透明包括一些功能材料，如涂层材料、隔热材料、透明材料、阻尼材料、密封材料、润滑材料、粘合剂材材料、阻尼材料、密封材料、润滑材料、粘合剂材料等。这

15、些材料大部分属于高分子材料和陶瓷材料，料等。这些材料大部分属于高分子材料和陶瓷材料，也有少量是阻尼合金等金属材料。也有少量是阻尼合金等金属材料。 n能源材料能源材料是指能源工业和能源技术所使用的材料，按使用是指能源工业和能源技术所使用的材料，按使用目的不同分为新能源材料、节能材料和储氢材料等。新能目的不同分为新能源材料、节能材料和储氢材料等。新能源材料包括增值堆用核材料、聚变堆材料、太阳能电池源材料包括增值堆用核材料、聚变堆材料、太阳能电池（单晶硅、多晶硅、非晶硅等）；节能材料包括非晶体金（单晶硅、多晶硅、非晶硅等）；节能材料包括非晶体金属磁性材料（用作变压器铁芯的属磁性材料（用作变压器铁芯的

16、Fe-Mn-B-Si合金）和超导合金）和超导材料材料（Nb-Ti、Nb-Sn巨型磁体用材料）；储氢材料，以及巨型磁体用材料）；储氢材料，以及高比能电池（如钠硫电池）等。目前钠硫电池的比能量达高比能电池（如钠硫电池）等。目前钠硫电池的比能量达137W.h/Kg，而铅蓄电池的比能量只有，而铅蓄电池的比能量只有30W.h/Kg。 n 生物医用材料生物医用材料是一类合成物质或天然物质或这些物质的复合，它能作是一类合成物质或天然物质或这些物质的复合，它能作用一个系统的整体或部分，在一定时期内治疗、增强或替换机体的组用一个系统的整体或部分，在一定时期内治疗、增强或替换机体的组织、器官或功能。织、器官或功能

17、。 医用金属及合金医用金属及合金 医用高分子材料包括合成和天然高分子，已被广泛用于韧带、肌腱、皮医用高分子材料包括合成和天然高分子，已被广泛用于韧带、肌腱、皮肤、血管、角膜、人工脏器、骨和牙等人体软、硬组织及器官的修复肤、血管、角膜、人工脏器、骨和牙等人体软、硬组织及器官的修复和制造。和制造。 医用生物陶瓷医用生物陶瓷包括惰性和活性生物陶瓷、生物玻璃等，如氧化铝瓷、包括惰性和活性生物陶瓷、生物玻璃等，如氧化铝瓷、氧化锆瓷、生物碳等以及羟基磷灰石、磷酸三钙陶瓷等。氧化锆瓷、生物碳等以及羟基磷灰石、磷酸三钙陶瓷等。 医用复合材料医用复合材料:表面涂层生物活性人工牙根、人工心脏瓣膜人造血管等。表面涂

18、层生物活性人工牙根、人工心脏瓣膜人造血管等。功能材料的性能功能材料的性能 材料的力学性能是指材料处于特定环境因素材料的力学性能是指材料处于特定环境因素(温度、温度、介质等介质等)时，在外力或能量以及作用下表现出来的变时，在外力或能量以及作用下表现出来的变形和破坏的特征。形和破坏的特征。 主要是指主要是指和和，如高结晶，如高结晶材料、超高强材料等。材料、超高强材料等。 通常把作用在材料上的外力或能量称为载荷或负通常把作用在材料上的外力或能量称为载荷或负荷。材料的主要力学性能有荷。材料的主要力学性能有： 弹性弹性 强度强度 塑性塑性 硬度硬度 冲击韧性冲击韧性 疲劳特性疲劳特性 耐磨性耐磨性反映材

19、料与各种化学试剂发生化学反应的可能性和反应速度大反映材料与各种化学试剂发生化学反应的可能性和反应速度大小的相关参数。小的相关参数。功能材料：如功能材料：如分离膜分离膜，离子交换树脂离子交换树脂、高分子络合物高分子络合物；功能材料；如功能材料；如高分子试剂高分子试剂、高分子催化剂高分子催化剂；功能材料：如功能材料：如固定化菌固定化菌，生物反应器生物反应器等等。例如：防腐蚀材料例如：防腐蚀材料材料由于周围环境介质侵蚀而造成的损伤和破坏均称材料由于周围环境介质侵蚀而造成的损伤和破坏均称为腐蚀。为腐蚀。 发生腐蚀的化学过程有化学腐蚀发生腐蚀的化学过程有化学腐蚀( (氧化氧化) )、电化学、电化学腐蚀和

20、应力腐蚀等不同形式。腐蚀速度与材料、介质、腐蚀和应力腐蚀等不同形式。腐蚀速度与材料、介质、温度、应力、辐照温度、应力、辐照因素有关。腐蚀不仅影响零件因素有关。腐蚀不仅影响零件表明质量，并且可以造成零件早期损坏，防腐设计应表明质量，并且可以造成零件早期损坏，防腐设计应考虑材料的选择和防腐措施相结合。考虑材料的选择和防腐措施相结合。材料的物理性能是指材料本身的具有各种物理量材料的物理性能是指材料本身的具有各种物理量(热、电、光、热、电、光、磁等磁等)以及环境变化时他们的变化程度。如：以及环境变化时他们的变化程度。如：功能材料：如功能材料：如超导体超导体，导电高分子导电高分子等；等；功能材料：如功能

21、材料：如光导纤维光导纤维、感光性高分子感光性高分子等等；材料：如材料：如压电材料压电材料、光电材料光电材料。密度与比容密度与比容导热性导热性 热膨胀系数热膨胀系数单位体积物质的质量单位体积物质的质量 Kg/M3单位质量的物质所占的体积单位质量的物质所占的体积 M3/Kg物体内温度梯度为物体内温度梯度为1/M1/M时，在单位时间、单位时，在单位时间、单位面积内传递的热量面积内传递的热量 W/(M.K) 温度上升温度上升11时，单位长度的伸长量时，单位长度的伸长量 mm/(.mm)或或-1 电阻与电导电阻与电导电阻温度系数电阻温度系数熔点熔点 导磁率导磁率物质由固态转变为液态的温度，反映固态下原子

22、间结物质由固态转变为液态的温度，反映固态下原子间结合力。合力。电阻率电阻率 为单位长度和单位截面积导体的电阻。为单位长度和单位截面积导体的电阻。单位是单位是M，其倒数称为电导率，其倒数称为电导率S/M(西门子西门子/米米)温度上升温度上升11时，时，电阻率电阻率 的变化系数，单的变化系数，单位位-1 电子导电电子导电的特点是温度升高，电阻率上升；的特点是温度升高，电阻率上升；离子导电离子导电是是热激活过程，温度升高，电阻率下降。热激活过程，温度升高，电阻率下降。超导现象超导现象是材料是材料在很低温度下，电阻突然从某个值降为零的特征。每种在很低温度下，电阻突然从某个值降为零的特征。每种材料有自己

23、的转变温度，某些化合物的转变温度达到材料有自己的转变温度，某些化合物的转变温度达到100K100K以上。以上。从铁合金、化合物从铁合金、化合物(铁氧体铁氧体)特有性能。特有性能。作用作用物理物理量量 感应感应 物理量物理量公式公式材料内部的材料内部的 变化变化 材料材料 性性 能能性能的性能的 种类种类应力应力 形变形变 =S 原子发生相原子发生相对位移对位移柔性系数柔性系数力学性能力学性能表面电荷表面电荷密度密度DD=C 原子发生相原子发生相对位移引起对位移引起偶极矩的变偶极矩的变化化压电常数压电常数压电性能压电性能温差温差t形变形变 = t原子发生位原子发生位移移热膨胀系热膨胀系数数热学性

24、能热学性能热量热量QQ=Ct原子振动加原子振动加强强热容热容热学性能热学性能温差电动温差电动势势V= t载流子的定载流子的定向运动向运动温差电动温差电动势系数势系数导电性能导电性能温度温度梯度梯度dt/dx热流密热流密度度qq= kdt/dx原子热振动的原子热振动的相互作用相互作用热导率热导率热学热学性能性能 电电 场场 E电流电流密度密度JJ= E荷电离子远距荷电离子远距离的移动离的移动电导率电导率导电导电性能性能极化强极化强度度PP= 0E宏观电场宏观电场荷电离子短距荷电离子短距离的移动离的移动介质电极介质电极化率化率介电介电性能性能离子的离子的偶极矩偶极矩 = E局部电场局部电场原子核与周围原子核与周围电子发生短距电子发生短距离的移动离的移动离子的极离子的极化率化率介电介电性能性能材料的材料的形变形变 =d E偶极矩的变化偶极矩的变化压电常数压电常数 压电压电性能性能功能材料：人工脏器用材料如功能材料：人工脏器用材料如人工肾人工肾、人工心肺人工心肺，可降解的可降解的医用缝合线医用缝合线、骨钉骨