绪论功能材料

功能材料FunctionalMaterials

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课程讲授者

郭驾宇材料科学与工程学院办公室：方圆南楼410联系电话/p>

办公室电话：86835738E-mail:guojiayu2000@

或

guojiayu2000@

授课对象：材料学专业

2考核方法及成绩评定1、考核类别：考试2、考核形式：闭卷3、成绩评定：平时成绩30％，期末考试成绩70％3平时成绩1、上课出勤情况2、回答问题情况（10%）3、一篇小论文（20%）内容：能源或光学材料4主要参考资料1、现代功能材料及其应用—郭卫生,汪济奎（化学工业出版社,2002）2、功能材料学---周馨我(北京理工大学出版社,2002)3、新型功能材料---贡长生，张克立(化学工业出版社,2001)4、新型无机材料-----杨华明,宋晓岚,金胜明（化学工业出版社,2005）5、信息和功能材料-----刘先曙马傅华辛秀田（宇航出版社,1998）6、功能材料学概论-----马如璋蒋民华（冶金工业出版社,1999）5第一章功能材料设计的原理和方法第二章导电材料第三章介电材料第四章压电功能材料第五章光伏材料和太阳能电池第六章透光和导光材料第七章发光材料课程主要内容

第八章激光材料第九章非线性光学材料61.功能材料发展概论

1.1功能材料的定义与分类

1.2功能材料的发展历史与趋势2.电功能材料

2.1.导电材料

2.2.介电材料（电介质）

2.3.铁电材料（强极性电介质）

2.4压电材料73.光功能材料及器件

3.1.激光材料

3.2．非线性光学材料

3.3.发光材料3.4.透光和导光材料

3.5.光伏材料和太阳能电池8本章内容第一节功能材料的概念与分类第二节功能材料的发展历史与趋势

91986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。

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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－－2l世纪人类文明的重要支柱11

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12

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。

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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功能材料在电力技术、电子信息技术、微电子技术、激光技术、空间技术、海洋技术等领域得到广泛应用。例：计算机的发展历史－CPU电子管晶体管集成电路大规模集成电路15晶体管、电子管16集成电路示例17现代微型计算机的功能与第一台大型电子管计算机相当，但运算速度快几十倍、体积仅1/300,000、重量仅1/60,000。IBM研制的超级计算机的运算能力可达39,000次/s。功能材料：锗Ge半导体材料硅Si半导体材料砷化镓GaAs半导体材料18世界上第一台计算机用1.8万只电子管，占地170m*2，重30t，耗电150kW。

19太阳能应用示例

20太阳能电池原理21太阳能电池工艺22炭纤维轮胎23材料(用途)结构材料（StructuralMaterials

宏观力学性能）功能材料（FunctionalMaterials

微观性能）结构材料：能承受外加载荷而保持其形状和结构稳定的材料。功能材料：BellLab,JAMorton1965年提出“具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学和生物学功能及其相互转化的功能，被用于非结构目的的高技术材料”第一节功能材料的概念与分类24一、功能材料的概念功能材料是指通过光、电、磁、热、化学、生化等作用后具有特定功能的材料。是用于非结构目的高技术材料。-----1965年由美国贝尔实验室的J.A.Morton博士首先提出功能材料概念。在国外，常将这类材料称为功能材料(FunctionalMaterials)、特种材料(SpecialityMaterials))或精细材料(FineMaterials)。25

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。26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极轴等。

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功能材料是一门新的学科，目前对它进行严格的定义尚有一定的难度，就像许多化学变化中存在着物理现象、高级运动中总是伴随着低级运动一样，功能材料既遵循材料的一般特性和变化规律又具有其自身的特点。因此可认为是传统材料的更高级的运动形式。28功能材料种类繁多，涉及面广，有多种分类方法。目前主要是根据材料的化学组成、应用领域、使用性能进行分类。

功能材料的分类293031第二节功能材料的发展历史与趋势32旧石器时代：100万年前新石器时代：1万年前33陶器：8000-9000年前人面鱼纹彩陶盆(新石器时代·七千年前仰韶文化)

高16.5厘米口径39.5厘米

20世纪50年代陕西省西安市半坡村出土

现藏中国历史博物馆

唐三彩：盛行于唐代的陶器，以黄、褐、绿为基本釉色。34中国商代晚期（5000年前）的青铜器。1939年于河南安阳出土。因腹内壁铸有“司母戊”三字而得名。其合金成分为：铜84.77％，锡11.44％，铅2.76％，其他0.9％35河北沧州铁狮子铸于后周广顺三年（公元953年），距今已有一千多年的历史3618世纪英国瓦特发明的第一台蒸汽机-产业化革命的开始中国1882年1829年英国人乔治•史蒂芬森制造蒸汽机车371831英国法拉第(Farady,1791-1867)发现电磁感应现象

1832法国必柯锡(Picosi,1808-1835)利用电磁感应现象制成发电机19世纪发明了电动机（1834年德国的雅可比发明直流发动机，1888年南斯拉夫裔美国人特斯拉发明了交流电动机），对材料的发展提出了更高的要求。38有机及高分子材料的发展1909年的酚醛树脂1920年的聚苯乙烯1931年的聚氯乙烯1941年的尼龙复合材料天然复合材料如木材、皮革、竹子等人工复合材料，如泥土中混入碎麻或麦秆用以建造房屋，钢筋水泥也就是脆性材料与韧性材料的复合材料。39纳米材料，1986年401906年，美国无线电工程师福雷斯特制成了世界上第一只具有放大作用的真空三极电子管，从而出现了无线电技术、电视机、电子计算机。半导体材料411946年，美国物理学家莫奇利任总设计师，研制成功世界上第一台电子管计算机ENIAC(图中左为莫奇利）第一台电子管计算机(ENIAC)占地170m2，重30t，有1.8万个电子管，用十进制计算，每秒运算5000次421947年第一只晶体管诞生(BellLab)1958年发明了集成电路(IC)，1964年，美国IBM公司研制成功第一个采用集成电路的通用电子计算机系列IBM360系统43硅芯片44表1-1硅片的表面均匀度指标参数时间（年）2005200820112018IC工艺/nm80574018颗粒大小/nm503525?表1-2超大规模集成电路光刻技术长期目标(ITRS,2003)投产时间2010201320162018动态存储器（DRAM）半周期尺度/nm45322218微处理器门电路栅极长度/nm1813974546OpticalfibercommunicationsystemMulti-plexerElectro-opticalconversionLaserdiodeAmplifierPhotodiodeOpto-electronicConversionDemulti-plexerOpticalfiber光纤通讯（1970-）47电子学光电子学光子学

20世纪21世纪48表1-3.材料与人类文明的进步标志时间10000年前5000年前3000年前20世纪中叶现在与将来时代石器青铜器铁器电子材料光电子与光子材料代表石镞商代司母戊鼎沧州铁狮子晶体管与硅芯片光纤49功能材料的现状

近几年来，功能材料迅速发展，已有几十大类，10万多品种，且每年都有大量新品种问世。现已开发的以物理功能材料最多，主要有：1）单功能材料，如：导电材料、介电材料、铁电材料、磁性材料、磁信息材料、发热材料、热控材料、光学材料、激光材料、红外材料等。2）功能转换材料，如：压电材料、光电材料、热电材料、磁光材料、声光材料、电流变材料、磁敏材料、磁致伸缩材料、电色材料等。503）多功能材料：如防振降噪材料、三防材料（防热、防激光和防核）、电磁材料等。4）复合和综合功能材料，如：形状记忆材料、隐身材料、传感材料、智能材料、显示材料、分离功能材料、环境材料、电磁屏蔽材料等。5）新形态和新概念功能材料，如：液晶材料、梯度材料、纳米材料、非平衡材料等。目前，化学和生物功能材料的种类虽较少，但其发展速度很快，其功能也更多样化。51功能材料的展望展望21世纪，功能材料的发展趋势为：1）开发高技术所需的新型功能材料，特别是尖端领域（航空航天、分子电子学、新能源、海洋技术和生命科学等）所需和在极端条件下（超高温、超高压、超低温、强腐蚀、高真空、强辐射等）工作的高性能功能材料；2）功能材料的功能从单功能向多功能和复合或综合功能发展，从低级功能向高级功能发展；523）功能材料和器件的一体化、高集成化、超微型化、高密积化和超分子化；4）功能材料和结构材料兼容，即功能材料结构化，结构材料功能化；5）进一步研究和发展功能材料的新概念、新设计和新工艺；6）完善和发展功能材料检测和评价的方法；7）加强功能材料的应用研究，扩展功能材料的应用领域，加强推广成熟的研究成果，以形成生产力。53游效曾著，《分子材料－光电功能化合物》，上海科学技术出版社，上海，2001年。黄春辉，李富友，黄岩谊著，《光电功能超薄膜》，北京大学出版社，北京，2001年冯端，师昌绪，刘治国主编，《材料科学导论》，化学工业出版社，北京，2002年。干福熹主编，《信息材料》，天津大学出版社，天津，2000年。马如璋蒋民华徐祖雄主编，《功能材料学概论》，冶金工业出版社，北京，2006。参考书546.殷景华，王雅珍，鞠刚主编，《功能材料概论》，哈尔滨工业大学出版社，哈尔滨，