先进材料课件

材料科学与工程导论2011年12月28日先进材料先进材料是根据对材料的物理和化学性能的了解，为了特定的需要设计和加工而成的；

先进材料使新技术得以产生和应用，而新技术又促进了新工业的出现和发展；

智能材料、仿生材料、新能源材料以及在特殊条件下使用的结构材料和功能材料是新材料研究和开发中最受关注的主题；

纳米材料科学技术已成为先进材料阶段最活跃的领域，因为这一技术涉及材料、信息、能源、医学、航天等各个方面。对未来材料的发展趋势大致可以概括为“六化”：即智能化、仿生化、复合化、纳米化、轻量化和高功能化。先进材料阶段的特征获取存储处理传输显示信息功能材料光电功能材料包括着巨大的科学空间和领域：计算机传感通信共轭高分子材料光纤、光导材料电光材料光存储材料、高分子电存储材料液晶高分子高分子发光材料高灵敏度、高选择性、操作简便、实时响应和获取信息量信息功能材料传统半导体的硅存储器件存在尺寸较大、制备工艺复杂以及生产成本偏高等问题，急需研发满足信息时代存储速度更快、密度更高、小型化、制作工艺简单、成本低的海量存储要求的新兴存储技术。

单纯的语音通信已经不能满足人们的需要，其多媒体化的趋势日益明显（更明亮、更清晰、可视面积更大的彩色显示屏）。传感通信存储指具有某些特殊功能的高分子材料。例如离子交换、渗透、催化活性、导电、发光、对环境因素（光、电、磁、热、pH）的敏感性等。功能高分子材料早期的功能高分子材料有离子交换树脂，光刻胶，医用高分子材料，高分子催化剂等。早期的功能高分子材料大都是功能单一的。功能材料研究的进步，使对功能材料的研究从简单的发展到复杂的功能体系。同时，对材料进行功能性操作所需驱动力的认识，也因持续的深入研究而不断深化，出现了光、电、磁、热、化学等驱动因子。于是就有按驱动力而分类的材料科学体系，例如光、电功能高分子材料的出现。在高分子的整个主链上π电子共用，形成一个大π轨道，电子能在整个共轭主链上流动，具有类似“分子导线”的性质，形成了一个用于电子导电的“超级轨道”。当载流子（即电子或空穴）被注入“超级轨道”上时，可直接导致电导率等的变化，室温电导率可在绝缘体-半导体-金属态范围内（10-9—105S/cm）变化，这是迄今为止任何材料都无法比拟的特性。聚苯胺类、聚噻吩类、聚吡咯类导电共轭高分子已被广泛用于制作导电性变化传感器等。导电共轭高分子在1990年由英国剑桥大学的科学家R.Friend等发现而提出的。第一种被报道的共轭高分子化合物是聚对苯乙烯撑（PPV）：高分子电致、光致发光材料PPV及PPV苯环上取代的共轭高分子除PPV外，还有聚噻吩（PT）和聚对苯撑（PPP），聚烷基芴（PF）等，它们有如下的基本结构：高分子电致、光致发光材料

有机高分子电致发光材料的发现和研究热潮的兴起导致了一门新兴学科——有机电子学的诞生，至今仍是备受国际学术届关注的前沿研究领域。高分子电致、光致发光材料的应用软物质相关书籍“软物质”概念的提出为物理学、化学、材料科学和生物学之间提供了的一个新的学科发展平台，软物质的许多新奇行为、丰富的科学内涵和广泛的应用背景正引起越来越多科学家的兴趣。智能化是指其功能可随外界环境变化因素产生感知，而自动作出适时、灵敏和适当的响应，并能自动地调节、修饰和修复。例如，形状记忆合金便是一种智能材料。可以利用外界的变化来调节高分子光、电等功能的变化，发掘高分子的软物质特性，寻找实现高分子功能材料智能化的途径，是人们当前和今后的努力目标。高分子电致、光致发光材料的应用智能化传感器基本结构示意图DetectorReporter后端RelayRecognize前端检测器外光路或电路信号转换元感应元新一代信息获取技术—基于共轭高分子的荧光传感共轭高分子相对于小分子荧光物质的独特优势：新一代信息获取技术—基于共轭高分子的荧光传感荧光猝灭“放大”效应高灵敏度、高选择性、实时响应、操作简便软物质特性（发光、构象调整、颜色）

水溶性共轭高分子新一代信息获取技术—基于共轭高分子的荧光传感优势：可应用于水环境、生命体系的检测，对化学和生物物质的检测可望被广泛应用到环境卫生监控、疾病诊断、遗传分析、军事、反恐等众多方面。新一代信息获取技术—基于水溶性共轭高分子的荧光传感QTL（quencher-tether-ligand）检测方法示意图：发展趋势：新一代信息获取技术—基于共轭高分子的荧光传感有机/高分子电致发光二极管（OLED/PLED)器件发光的工作过程，大致可分为两个阶段.一是载流子的注入；输运和相遇（偶合），即激子(Exciton)的生成阶段。二是激子的衰变(Decay)，包括辐射与非辐射衰变及其间的竞争等。

高分子电致、光致发光材料的应用OLED具有全固态主动发光，亮度、效率高，重量轻，厚度薄，材料选择范围宽，显示色彩丰富，容易实现白光，响应速度快，视角范围宽，使用温度范围宽，抗震动性强，可实现柔性显示，制作工艺相对简单等优点，被认为是最有希望取代液晶显示（LCD）成为下一代平板显示主流的技术之一。

显示技术的发展方向：超薄、大面积、柔性、视频显示、低成本高清晰度大屏幕广视角全彩超薄微显柔性照明OLED的特色有机/高分子电致发光二极管（OLED/PLED)TFT-LCD-TVPM-OLED(QVGA)

连续的水流清晰的水滴OLED响应速度比LCD快1000多倍，适于快速动态显示。新一代信息显示技术OLED

性能对比—2.快速响应TFT-LCDPM-OLED视角

Panel右上方视角前视右上方视角新一代信息显示技术OLED

性能对比—3.宽视角（2）透明（3）可印刷生产（1）柔性其他特性：（4）高亮度（5）低驱动（6）温域广（7）全固态（8）超薄（4）照明新一代信息显示技术OLED

性能对比—6.独具特性通过研究自然界中生物体的物质结构及其特有的功能，学习制造新材料的思路和方法，并在材料的设计和制造中加以模仿，称为仿生材料学。仿生材料为什么荷叶“出淤泥而不染”？

研制新一代仿荷叶表面材料和涂料

荷叶上布满细致且凹凸不平表面微结构，紧贴叶面上形成一层极薄的只有纳米级的空气层,让尘土和水不易沾附。纳米科技的提出宏观领域：以人的肉眼可见的物体为最小物体为下限，上至无限大的宇宙天体。微观领域：以分子、原子（约0.1nm）为最大起点，下至无限小的领域（如电子、原子核）的运动。

人类对客观世界的认识己经发展了两个领域，即宏观和微观领域。纳米科技然而，在宏观领域和微观领域之间存在着近年来才引起重视的介观领域,在这个不同于宏观和微观的领域，由于三维尺寸很细小，出现了许多奇异的性能，不能用我们现有的常识来描述这个领域的规律。

美国半导体协会预计：以硅为基础的半导体芯片特征尺寸以每三年缩小计算,到2010年，半导体器件的尺寸将达到0.1m（100nm）极限，由于量子效应,小于这一尺寸的所有芯片就不再保持原有的性能,需要按新的原理来设计，要突破这一极限，我们就得研究纳米尺度中的理论问题和技术问题。

纳米科技0.1～100nm为纳米尺度空间，处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域。在纳米层次，许多原来在宏观尺度上使用的规律、定理、方式、方法，都将不再适用。正如牛顿力学只适用于低速的宏观物体，而高速运动，只能用相对论来解释。纳米材料的特性组成纳米材料的颗粒极小，界面组元所占比重显著增大，具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。——小尺寸效应当金属或非金属被制备成小于纳米尺度的粉末时，其物理、力学性质就发生了根本的变化，可能具有高强度、高韧性、高比热、高导电率等性质。纳米科技黄金在正常情况下呈金黄色，而它的纳米颗粒却变成了黑色，且熔点显著下降.

纳米科技的研究内容

是一个内容极广的多学科群，包括纳米物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等学科。主要以物理、化学的微观研究理论为基础，以现代高精密检测仪器和先进的分析技术为手段，在纳米尺寸范围内通过直接操纵和安排原子、分子来创造新物质。——表面效应纳米微粒位于表面的原子或分子所占的比例非常大。并随纳米粒子尺寸的减小而急剧增大，从而导致了性质的急剧变化。这种表面原子数随纳米粒子尺寸减小而急剧增大后引起的性质上的显著变化称为表面效应。纳米科技纳米科技大厦纳米分析和检测技术纳米材料的制造技术纳米器件的制造技术纳米生物医疗技术纳米分析和检测技术

1.扫描隧道显微镜(STM)

2.扫描电子显微镜(SEM)

3.透射电子显微镜(TEM)

4.原子力显微镜(AFM)

5.……纳米科技扫描隧道电子显微镜在扫描隧道显微镜下，科学家将48个铁原子排列在铜表面上，形成一个圆形围栏。量子围栏纳米齿轮纳米陶瓷1993年后，我国科学家先后操纵原子写出“中国”、“原子”、绘出中国轮廓图。碳纳米管：1991年日本科学家发现的一种针状的管形碳单质，主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管，层与层之间保持固定的距离，约为0.34nm，直径一般为2～20nm，轴向尺寸为微米量级。1985年在科学家研究石墨气化后的质谱时被发现被发现，科学家因此获得1996年诺贝尔化学奖。

仅由碳原子构成闭合状三维结构，60个碳原子位于60个顶点，组成12个五边形和20个六边形，外形类似于足球，又叫做足球烯。富勒烯（C60）：纳米材料的制造技术1.物理的方法机械研磨法激光烧灼法物理气相沉积法快冷凝结法2.化学的方法喷雾法爆炸法化学气相法溶胶-凝胶法纳米科技纳米生物医疗技术1.生物芯片技术用于监测、收集、传送体内细胞的健康状态和病变信息。2.纳米生物导弹直接用于治疗各种细胞水平的疾病，对病变组织有亲和力，对病变细胞有杀伤力，可特异性地杀灭肿瘤