新型建筑功能材料概念和应用

1、新型建筑功能材料概念和应用New Functional Building Materials课程内容第一部分 建筑功能材料概念功能材料的概念功能材料分类功能材料设计原理第二部分 建筑的组成部分第三部分 新型建筑中的功能材料建筑中的六大材料体系新型功能材料在建筑中的应用第四部分 课程的学习安排人类社会的进步，首先体现在人类所能运用的材料对象的进步。建筑是凝结了人类智慧和材料进步的精华建筑是凝固的艺术。引 言建筑是技术的结晶。建筑的要求?第一部分 建筑功能材料概念功能材料被越来越多地应用于现代建筑；现代建筑新理念的实现需要更多更好的新型功能材料。1. 概论1.1 功能材料的定义:指那些具有特定的物

2、理和化学功能如光、电、磁、声、热等特性的各种材料，包括电功能材料、磁功能材料、光功能材料、超导材料、智能材料、储氢材料、生物医学材料、功能陶瓷等。功能材料有别于一般意义上的承载（结构）材料和维护材料。新型建筑功能材料是区别于传统的砖瓦、灰砂石等建材的建筑材料新品种。从功能上分，有墙体材料、装饰材料、门窗材料、保温材料、防水材料、粘结和密封材料，以及与其配套的各种五金件、塑料件及各种辅助材料等。从材质上分，包括天然材料，还有化学材料、金属材料、非金属材料等等。 材料的功能,可以认为是材料对外界作用的一种反应形式。具体地说是向材料输入某种能量, 经过材料的传输或转换,再向外部输出一种能量。输入和输

3、出的能量的形式或强弱将会发生变化。一次功能：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，材料仅起能量传递的作用，材料的此种功能为一次功能。 一次功能实例力学性能：惯性、粘性、流动性、润滑性、制动性、韧性、弹性等声学性能：吸音性、隔音性等 热学性能：隔热性、传热性、吸热性、蓄热性等一次功能实例光学性能：透光性、遮光性、反射性、折射性、光吸收性、光偏振性、聚光性、分光性等。电学性能：导电性、超导性、绝缘性等磁学性能：软磁性、硬磁性等化学性能：催化作用、吸附作用、生化作用、酶反应、气体吸收性等二次功能：当向材料输入的能量和材料输出的能量属于不同形式时，材料起能量转换作用，材料的此种功能为二

4、次功能。 二次功能实例机械能与其他形式能量的转换：压电效应、磁致伸缩效应、摩擦发热效应、冲击发热效应、形状记忆效应、感应发光效应、光压效应、声光效应等。电能与其他形式能量的转换：电磁效应、电阻发热效应、热电效应、场致发光效应、电化学效应等。二次功能实例磁场与其他形式能量的转换：热磁效应、磁冷冻效应、光磁效应等。热能与其他形式能量的转换：激光加热、热刺激发光、热化学反应等。光能与其他形式能量的转换：光化学反应、光分解反应、化学发光、感光反应、光电效应等。 电-光-热转换功能材料举例-压电陶瓷1.2 Classifications （按功能分类）力学功能：用于承重、强化韧化等，如超高强材料、增强纤

5、维等；化学功能：用于物质分离、加速反应过程等，如离子交换树脂、催化剂等；电学功能：用于特殊的导电场合，如超导体、导电高分子聚合物；光学功能：反射、发光和感光材料、激光材料磁学功能：永磁体、铁电材料声学功能：吸声隔声材料、声电材料热学功能：保温绝热材料、热管密封功能：防水材料、防腐材料、密封材料生物医学功能：人工关节、牙科材料、缓释胶囊核功能：辐射屏蔽、辐射吸收材料1.2 Classifications (按材料应用特征分类）信息材料：传输、储存、运算等电讯工程材料：传导、显示能量转换材料：压电、光电传感材料：热、湿、气、力等感应航空航天材料：生物医学材料。1.3 Structure and F

6、unctions功能材料的特定的功能与材料的结构是密切联系的，例如，压电陶瓷晶体中必须具有极轴。对于结构材料，材料的强度、韧性是主要要求的性能，这类性能对材料的组织、原子排列方式很敏感；而功能材料主要要求材料的声、电、热、光、磁等物理性能和化学性能，它们往往对组织不那么敏感，而对材料中的电子分布与运动敏感。 应用高温结构陶瓷：1200(1500)C使用，用于空间和军事，发动机高强超硬陶瓷：高强高韧性，搞热稳定性，用于模具、轴承、刀具、轮机叶片。电子陶瓷：作为具有压电、光电、电光功能的器件超导陶瓷：电子、能源、交通、信息等磁性陶瓷：较大的磁导率和矫顽力，作为微波器件、量子无线电等部件；光学陶瓷：

7、透明、红外光、荧光特性好，用于激光技术、光导纤维、全息照相、集成光学等人工晶体：具有高硬度、高耐蚀性，并有压电、热释电、电光、声光效应等，用于激光、光电子技术、超导、高能技术等。光学纤维：工作频率高，频带宽，容量大，用于远距离通讯，光电控制等特种玻璃: 透红外玻璃、微孔玻璃、微晶玻璃、自洁净玻璃、变色玻璃薄膜材料：具有高的选择过滤性，用于无公害、节能、环保等高温涂层：耐腐蚀、隔热、保温等，用于空间技术、化工、军事、空间技术等岩棉毡：高级保温材料多孔混凝土：保温绝热，吸声隔声自洁净玻璃：光催化、光解改性沥青：屋面防水、道路胶凝材料陶粒：轻质多功能骨料1.5 功能材料的设计原理材料的功能设计赋予材

8、料以一次或二次功能特性的科学方法材料设计的层次性：电子-光子层次；原子-原子集团层次；显微结构层次；宏观结构层次功能设计的前提掌握材料结构与性能的关系建立完整准确的数据库建立正确的物理模型大量实践经验的积累功能设计的方法从功能组分（单元）功能特性功能组分的组合配合比设计特殊的工艺强化功能特性组分、工艺的优化组合例：通过加入成核剂、控制热处理过程，使基础玻璃中形成微晶体和玻璃相共存且均匀分布的复合材料微晶玻璃。例：经过特殊的加工过程得到的纳米材料（100nm以下）具有一系列独特的性能（小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应等），其中一部分成为重要的功能材料。 例：利用两种材料的不同特性进行组合，得到

9、一种高效的吸声材料。第二部分建筑的基本组成和功能一般民用建筑的构造组成一般民用建筑的组成：基础、墙体、梁、柱、楼地面、楼梯、门窗、屋盖，建筑的组成可划分为三类:承重构件。围护分隔构件。如部分内外墙体、门窗等。抵御大自然中各种不良因素对房屋内部的干扰，以及采光、通风、分隔房屋内部空间等。装饰构件。它能弥补建筑物存在的缺陷，美化房屋建筑。主要建筑组成部分的作用与要求基础传递荷载至地基墙体承重、围护与分割楼地面水平承重构件水平分割构件屋盖顶部围护、承重构件楼梯垂直交通门窗交通通行与采光通风建筑材料的分类建筑材料按材料来源天然材料人造材料按使用功能按组成材料的物质和化学成分结构材料功能材料无机材料有机

10、材料复合材料金属材料非金属材料植物材料高分子材料无机非金属材料与有机材料复合沥青材料黑色金属有色金属天然石材烧土制品胶凝材料及其制品金属材料与无机非金属材料复合金属材料与有机材料复合建筑材料的发展趋势高性能：轻质、高强、高耐久性。多功能：具备多种特殊性能。节约资源、能源：环保：产品可再生循环和回收利用，无污染废弃物以防止二次污染。发展预制技术：在产品型式方面逐步提高构件化、单元化水平。第三部分新型建筑中的功能材料结构材料体系（混凝土、钢材）墙体材料体系（砖、砌体）采光透光材料体系（玻璃）装饰材料体系（瓷砖、涂料）隔热隔声材料体系（多孔轻质材料）防水材料体系（高分子防水材料）建筑中的六大材料体系

11、结构系统首当其冲钢结构异军突起混凝土结构建筑墙体围护材料十分重要墙体的保温隔热等功能不断加强采光通风不可小视镀膜玻璃广泛采用太阳能的利用中空玻璃和真空玻璃节能效果好屋面防水固若金汤防火材料不断翻新钢结构防火膨胀防火涂料电缆防火涂料例1：精细陶瓷功能陶瓷占有的市场份额为精细陶瓷的70%；研究的热点有：高介电常数、低损耗、低温度特性、大容量、超薄的电容陶瓷高性能压电和驱动陶瓷超高频超低损耗微波介质陶瓷各种敏感陶瓷日本在精细陶瓷领域处于领先地位，在国际市场上占有一半以上的份额日本精细陶瓷的市场发展轨迹：1990年65亿美元1995年90亿美元2000年300亿美元例2：太阳能电池材料提高硅太阳能电池

12、的效率是科技工作者长期以来追求的目标单晶硅转换效率高，但价格昂贵多晶硅的效率已经达到13%采用多层复合结构，通过选择性吸收涂层和光谱转换涂料，IBM公司的太阳能电池转换效率达到40%。德国Essen大学行政大楼。其中一面外墙采用太阳能电池作为外墙贴面，其产生的电力可供应大楼的部分照明。例3：光色玻璃光致变色玻璃由于在可见光区吸收而自动变色；光照停止时，玻璃可自动恢复到初始的透明状态光色玻璃在图像记录、全息照相、信息储存、光记忆元件等方面有良好的前景；具体应用上，可作为光阀、相机镜头，紫外线剂量器、汽车车窗玻璃、自动调光窗玻璃、显示板等。三类光色玻璃：掺铈（ Ce3+）或铕（Eu3+）的高纯度硅

13、酸盐玻璃；以缺陷作为色心的还原硅酸盐玻璃；含卤化银或卤化铊的玻璃。目前主要采用含卤化银的碱铝硼酸盐玻璃。为提高效能，降低成本，一些新型的无银光色玻璃得到开发。Ce, Eu, Mn, Mo。光色材料与电色材料、生物材料相结合，发展新的发光材料，应用与高技术领域。实例4：水泥基机敏材料华裔美国学者钟端玲（DDL. Chung）教授是最有影响的学者。她于1993年首次将具有压敏性混凝土定义为 “Smart Concrete Materials ” 。她在这一领域已发表学术论文130余篇；应邀在 9 国做过 130 场以上学术报告。我校李卓球教授等在国内外较为活跃。力热电压敏、力电效应电力效应机械热效

14、应热电（seebeck)效应热力效应电热效应代表性的水泥基机敏材料是碳纤维增强水泥碳纤维与水泥基体的相互作用水泥基体本身的特殊结构航天飞行器结构健康监测与自适应控制飞机机翼形状自适应控制与疲劳损伤监测土木水利大型结构健康监测与控制自感知自诊断自适应自愈合急需复合材料集成技术微电子技术计算机技术信息处理技术基础第四部分本课程学习安排本课程研究的主要内容：建筑功能材料的概念可循环的建筑功能材料功能陶瓷与玻璃水泥基功能材料绝热和声学材料建筑防火材料及防水材料本课程的教学方法：本课程围绕一座现代建筑的主要功能材料体系展开，要求学生了解新型建筑中功能材料的应用。具体要求每位学生掌握某一种功能材料在建筑中的使用原理与方法。要强调新型功能材料，要针对前沿建筑甚至概念建筑（节能环保、零排放等）讨论功能材料体系的设计和运用。教师讲授与学生讨论相结合；目标成绩为优秀的学生，必须按专题（兴趣）分组，以小组为单位钻研某一个选题，并参加讨论；每位学生结合自己的选题写一篇小论文；成绩评定：讨论占20%