功能材料绪论

1功能材料授课教师：刘维均联系方式163.com手机号：13736668803660726C楼536台州学院医药化工学院22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）2、功能材料学---周馨我(北京理工大学出版社)3、新型功能材料---贡长生，张克立(化学工业出版社)4、新型无机材料-----杨华明,宋晓岚,金胜明（化学工业出版社）5、信息和功能材料-----刘先曙马傅华辛秀田（宇航出版社）6、功能材料学概论-----马如璋蒋民华（冶金工业出版社）7.功能材料基础建议教材：功能材料概论---殷景华王雅珍（哈尔滨工业大学出版社）台州学院医药化工学院31、课程安排：该课共32个学时最后一节课考试。

2、期末考核：开卷考试，占60%；3、平时考核：

课堂考勤占40%；。

课程说明台州学院医药化工学院4现代科学技术的三大支柱－能源、材料、信息，其中材料是基础。新材料发展的重点已经从结构材料转向功能材料，从单一走向复合。

结构材料：是以力学性能为基础，主要制利用其强度、硬度和韧性等机械性能制成的各种材料。

功能材料：功能材料一般除了具有机械特性外，还具有其他的功能特性，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。主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。

台州学院医药化工学院在学完材料科学基础等有关课程后，通过本课程的学习:掌握功能材料的基本概念、物理本质以及性能指标的意义。了解典型功能材料的主要应用。课程目的5台州学院医药化工学院6概论内容1.功能材料的简介2.功能材料的分类2.功能材料的发展现状台州学院医药化工学院7功能材料的概念是美国贝尔实验室

MortonJA于1965年首先提出来的。功能材料是指具有一种或几种特定功能的材料，如磁性材料、光学材料等，它具有优良的物理、化学和生物功能，在物件中起着“功能”的作用。20世纪60年代以来，各种现代技术的兴起，强烈刺激了功能材料的发展。同时，由于固体物理、固体化学、量子理论、结构化学、生物物理和生物化学等学科的飞速发展以及各种制备功能材料的新技术和现代分析测试技术在功能材料研究和生产中的实际应用，许多新功能材料不仅已经在实验室中研制出来，而且已经批量生产和得到应用，并在不同程度上推动或加速了各种现代技术的进一步发展。因此，功能材料学科已经成为材料科学中的一个分支学科。一.功能材料简介台州学院医药化工学院8

美国贝尔实验室是晶体管、激光器、太阳能电池、发光二极管、数字交换机、通信卫星、电子数字计算机、蜂窝移动通信设备、长途电视传送、仿真语言、有声电影、立体声录音，以及通信网等许多重大发明的诞生地。自1925年以来，贝尔实验室共获得两万五千多项专利，现在，平均每个工作日获得三项多专利。贝尔实验室的使命是为客户创造、生产和提供富有创新性的技术，这些技术使朗讯科技（LucentTechnologies）公司在通信系统、产品、元件和网络软件方面处于全球领先地位。台州学院医药化工学院9台州学院医药化工学院10日本和欧美各国对新型功能材料的研究十分重视，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。

台州学院医药化工学院11浙江省十二五重大科技专项实施方案

台州学院医药化工学院12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。台州学院医药化工学院13功能材料的一些应用台州学院医药化工学院14谍中谍4台州学院医药化工学院15壁虎手套台州学院医药化工学院16触摸屏宝马车台州学院医药化工学院大猩猩玻璃(GorillaGlass)，是美国康宁公司(Corning)生产的环保型铝硅钢化玻璃。大猩猩玻璃的前身是康宁公司在20世纪60年代生产的，具防弹功能的特种玻璃，常被用于直升机，在正常情况下，非故意损坏不会造成划痕。17磁记录材料的发展台州学院医药化工学院18台州学院医药化工学院19台州学院医药化工学院20水立方膜：台州学院医药化工学院21世博会显示屏：LED显示屏台州学院医药化工学院22我国的磁悬浮列车

上海磁悬浮是中国第一条投入运行的磁悬浮铁路，全长29．863公里，设计时速和运行时速分别为505公里和430公里；由中国与德国合作，2002年12月31日，中国总理朱鎔基和德国总理施罗德成为上海磁悬浮的第一批乘客体会首次试运行。台州学院医药化工学院23一、功能材料的概念功能材料是指具有一种或几种特定功能的材料，如磁性材料、光学材料等，它具有优良的物理、化学和生物功能，在物件中起着“功能”的作用。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)。二.功能材料的概念与分类台州学院医药化工学院24

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。台州学院医药化工学院25

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。

台州学院医药化工学院26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。台州学院医药化工学院27

二、功能材料的分类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。台州学院医药化工学院28(1)力学功能

主要是指强化功能材料和弹性功能材料。

(2)化学功能①分离功能材料：如分离膜，离子交换树脂、高分子络合物；②反应功能材料；如高分子试剂、高分子催化剂；③生物功能材料：如生物反应器等。台州学院医药化工学院29（3）物理化学功能①电学功能材料：如超导体，导电高分子等；②光学功能材料：如光导纤维、感光性高分子等；③能量转换材料：如压电材料、光电材料。台州学院医药化工学院30(4)生物化学功能①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；②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；③生物降解材料台州学院医药化工学院31

下图为材料显示功能的示意图。

输入材料输出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。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。

台州学院医药化工学院32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，材料起到能量传输部件的作用。材料的这种功能称为一次功能。Ａ、一次功能台州学院医药化工学院33一次功能主要有下面的八种。①力学功能。如惯性、粘性、流动性、润滑性、成型性、超塑性、恒弹性、高弹性、振动性和防震性。②声功能。如隔音性、吸音性。③热功能。如传热性、隔热性、吸热性和蓄热性等。④电功能。如导电性、超导性、绝缘性和电阻等。台州学院医药化工学院34⑤磁功能。如硬磁性、软磁性、半硬磁性等。⑥光功能。如遮光性、透光性、折射光性、反射光性、吸光性、偏振光性、分光性、聚光性等。⑦化学功能。如吸附作用、气体吸收性、催化作用、生物化学反应、酶反应等。⑧其他功能。如放射特性、电磁波特性等。台州学院医药化工学院35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。Ｂ、二次功能台州学院医药化工学院36二次功能按能量的转换系统可分为如下四类。①光能与其他形式能量的转换；②电能与其他形式能量的转换；

③磁能与其他形式能量的转换；④机械能与其他形式能量的转换。台州学院医药化工学院37

如光合成反应、光分解反应、光化反应、光致抗蚀、化学发光，感光反应，光致伸缩，光生伏特效应和光导电效应。①光能与其他形式能量的转换台州学院医药化工学院38如电磁效应、电阻发热效应、热电效应、光电效应、场致发光效应、电化学效应和电光效应等。②电能与其他形式能量的转换台州学院医药化工学院39③磁能与其他形式能量的转换如光磁效应、热磁效应、磁冷冻效应和磁性转变效应等。台州学院医药化工学院40④机械能与其他形式能量的转换。如形状记忆效应、热弹性效应、机械化学效应、压电效应、电致伸缩、光压效应、声光效应、光弹性效应和磁致伸缩效应等。台州学院医药化工学院41按材料种类分，功能材料还可分为：金属功能材料、无机非金属功能材料和有机功能材料。台州学院医药化工学院4242

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。一、金属功能材料台州学院医药化工学院4343许多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。台州学院医药化工学院4444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。台州学院医药化工学院4545

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。

二、无机非金属功能材料台州学院医药化工学院4646

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。台州学院医药化工学院4747

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大开拓目标。台州学院医药化工学院4848功能陶瓷有以下几方面发展趋向：(1)微电子技术推动下的微型化(薄片化)和高速度化；(2)在安全和环保工作的促进下，发展传感器和多孔瓷；(3)重视材料复合技术；(4)加速智能化。台州学院医药化工学院4949影响功能高分子材料“功能性”的结构因素结构决定性能，功能高分子材料之所以有许多独具特色的性能，主要与其结构因素有关。Ａ、骨架的性质，如润湿性、溶胀性，骨架的邻位效应等；Ｂ、在分子中起到特殊关键作用的官能团的性质。三、功能高分子材料台州学院医药化工学院50无论哪种功能材料，其能量传递过程或者能量转换形式所涉及的微观过程都与固体物理和固体化学相联系。正是这两门基础科学为新兴学科——功能材料科学的发展奠定了基础，从而也推动了功能材料的研究和应用。它们把功能材料推进到功能设计的时代。台州学院医药化工学院51功能材料种类繁多，用途广泛，正在形成一个规模宏大的高技术产业群，有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。世界各国均十分重视功能材料的研发与应用，它已成为世界各国新材料研究发展的热点和重点，也是世界各国高技术发展中战略竞争的热点。在全球新材料研究领域中，功能材料约占85%。三.功能材料的发展现状

台州学院医药化工学院52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。台州学院医药化工学院53

镍氢电池、锂离子电池