功能材料,详案

1、功能材料概论【教学目标】：知识目标：大体介绍功能材料学在本学期的教学安排、学习方法；引领学生站在较高的高度，鸟瞰本门课程的各个章节，以及各章节与实际应用的联系，激发学生的对本门课的兴趣；技能目标：培养学生自主利用网络，图书资源进行学习，深入自学的能力。情感目标：引导学生明白自己身边的每一门学科不仅对自己未来，还对国防、国家民族未来息息相关。【教学重点】：激发学生对本门课的学习兴趣，培养学生自主学习的能力【教学难点】：激发学生对本门课的学习兴趣【课时安排】：二课时【教学方法】：在教学中引入大量国防和工业应用中的例子，说明本门课程的重要性；组织讨论，让学生举例，激发学生的学习兴趣。【教学用具】：略

2、【教学过程】：引言自我介绍，点名，选科代表。1986年，我国制定了高技术发展计划纲要，被评选列入的七个技术群是生物技术、信息技术、激光技术、航天技术、自动化技术、新能源技术和新材料技术。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。功能材料被誉为一一21世纪人类文明的重要支柱板书第一章功能材料概论讲解随着时代的发展，人类将进入一个信息时代。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

3、能。近年来新型功能材料层出不穷，得到了突破性的进展。日本和欧美各国对新型功能材料的研究十分注意，这是因为功能材料是能源、计算机、通讯、电子、激光等现代科学的基础，功能材料在未来的社会发展中具有重大战略意义。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。板书一、功能材料的概念与分类讲解材料的种类很多，如：建筑材料、薄膜材料，复合材料、高分子材料等，什么叫功能材料呢？回答功能材料是指具有一种或几种特定功能的材料，如通过光、电、磁、热、化学、生化等作用

4、后具有特定功能的材料。提问功能材料的种类有多少？回答功能材料涉及面较广，具体包括光、电功能，磁功能，分离功能，形状记忆功能等讲解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。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(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。(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

5、料：如压电材料、光电材料。(4)生物化学功能医用功能材料：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；生物降解材料板书1.功能材料概念2.功能材料分类：(1)力学功能(2)化学功能(3)物理化学功能(4)生物化学功能讲解功能材料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。板书二、功能材料设计的原理和方法讲解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A、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，材料起到

6、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。种类：力学功能、声功能、热功能、电功能、磁功能、光功能、化学功能、其他功能B、二次功能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功能材料。种类：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。板书1.功能材料设计的原理A、一次功能B、二次功能讲解所谓功能设计，就是赋予材料以一次功能或二次功能特性的科学方法。材料科学与工程一般都认为由四要素组成，即结构

7、/成分、合成/流程、性能与效能。但考虑到结构与成分并非同义词，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、原子集团出发，可以从微观、显微到宏观。板书2.材料设计讲解材料设计的实现是一个长期过程，其最终应达到提出一个需求目标就可设计出成分、制造流程并做出合乎要求的工程材料以至零件、器件或构件。为实现材料设计，必须开展深入的基础研究，以了解物质结构与性能的关系；要建立完整的精确的数据库；建立正确的物理模型；需要有大容量计算机；更重要的是要不同学

8、科科学家与工程技术人员的通力合作。板书a、金属功能材料设计讲解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。(1)寻找具有特定功能的金属材料。(2)利用各种金属材料的特性，制备符合使用要求的合金。板书b、无机非金属功能材料设计讲解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：根据功能的要求设计配方。根据功能的要求设计合适的加工工艺板书c、高分子功能材料设计讲解功能高分子材料功能设计的主要途径如下：通过分子设计合成新功能。通过特殊加工赋予材料以功能特性通

9、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。通过对材料进行各种表面处理以获得新功能板书三、功能材料的特点讲解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。板书1.金属功能材料讲解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，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

10、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。如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。另一方面，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。板书2.无机非金属功能材料讲解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陶瓷为主，近来也发展了一些新工艺和新品种。板书1)组合化学在无机功能材料方面的应用讲

11、解组合化学作为合成化学的一个新分支，它展现出巨大的发展潜力。组合化学与计算机科学相结合，特别是与数据库技术相结合，是组合化学发展的未来方向。无机功能材料组合化学研究主要集中在具有特殊光、电、磁和催化等性质的材料上。其主要表现在以下五个方面：a.无机结构基元或虚拟结构基元的组合化学。b.无机功能材料组合合成技术与表征方法的基础研究。c.特殊技术和特定结构组合化学。它包括激光喷涂组合化学研究，主客体组装组合化学等。d.固体氧化物燃料电池中新型中、低温（600800）区工作的固体复合氧化物电解质材料的探索和筛选。e.从热力学平衡角度研究材料的相态、结构及稳定性，获得所需材料体系的相图，同时进行性能测

12、定，由此全面掌握不同组成、结构和工作温度下的材料特性。板书2）.功能玻璃和功能陶瓷发展的新特点组合化学在无机功能材料方面的应用讲解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。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

13、大开拓目标。板书3.功能高分子材料讲解a）.影响功能高分子材料“功能性”的结构因素b）.功能高分子材料的制备方法板书四、功能材料制备用的新方法讲解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。板书五、功能材料的发展现状1）.新型功能材料国外发展现状讲解当前，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

14、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。板书超导材料讲解以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）提咼到液氮（77K）温区。咼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。板书生物医用材料讲解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

15、产业。生物活性陶瓷已成为医用生物陶瓷的主要方向；生物降解高分子材料是医用高分子材料的重要方向。板书能源材料讲解太阳能电池材料是新能源材料研究开发的热点，IBM公司研制的多层复合太阳能电池，转换率高达40%。美国能源部在全部氢能研究经费中，大约有50%用于储氢技术。固体氧化物燃料电池的研究十分活跃，关键是电池材料，如固体电解质薄膜和电池阴极材料，还有质子交换膜型燃料电池用的有机质子交换膜等，都是目前研究的热点。板书生态环境材料讲解是20世纪90年代在国际高技术新材料研究中形成的一个新领域，其研究开发在日、美、德等发达国家十分活跃，主要有三个研究方向：直接面临的与环境问题相关的材料技术，例如，生物

16、可降解材料技术，CO2气体的固化技术，SOx、NOx催化转化技术、废物的再资源化技术，环境污染修复技术，材料制备加工中的洁净技术以及节省资源、节省能源的技术。开发能使经济可持续发展的环境协调性材料，如仿生材料、环境保护材料、氟里昂、石棉等有害物质的替代材料、绿色新材料等；材料的环境协调性评价。板书智能材料讲解智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一，将支撑未来高技术的发展，使传统意义下的功能材料和结构材料之间的界线逐渐消失，实现结构功能化、功能多样化的目标。国外智能材料的研发方面已取得很多技术突破，如英国宇航公司在导线传感器，可用

17、于测试飞机蒙皮上的应变与温度情况；英国开发出一种快速反应形状记忆合金，寿命期具有百万次循环，且输出功率高，以它作制动器时、反应时间，仅为10秒钟；在压电材料、磁致伸缩材料、导电高分子材料等在航空上的应用取得大量创新成果。板书2).国内功能材料发展的现状讲解我国非常重视功能材料的发展，在国家攻关、“863”、“973”、国家自然科学基金等计划中，功能材料都占有很大比例。在“九五”、“十五”国防计划中还将特种功能材料列为“国防尖端”材料。这些科技行动的实施，使我国在功能材料领域取得了丰硕的成果。在“863”计划支持下，开辟了超导材料、平板显示材料、稀土功能材料、生物医用材料、储氢等新能源材料，金刚石薄膜，高性能固体推进剂材料，红外隐身材料，材料设计与性能预测等功能材料新领域，取得了一批接近或达到国际先进水平的研究成果，在国际上占有了一席之地。镍氢电池、锂离子电池的主要性能指标和生产工艺技术均达到了国外的先进水平，推动了镍氢电池的产业化；功能陶瓷材料的研究开发取得了显著进展，以片式电子组件为目标，我国在高性能瓷料的研究上取得了突破，并在低烧瓷料和贱金属电极上形成了自己的特色并实现了产业化，使片式电容材料及其组件进入了世界先进行列。高档钕铁硼产品的研究开发和产业化取得