功能材料概述

功能材料导论授课教师简介主讲人：游常院系：土木工程学院材料教研室电话Q:6836313Email:youchang@课程简介一、什么是材料二、材料的分类三、材料是人类文明发展的里程碑四、材料在国民经济中的地位五、什么是功能材料六、功能材料的类型及应用材料是有一定配比的若干相互作用的元素组成、具有一定结构层次和确定性能，并能用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的物质。材料是物质，但不表示所有物质都可以称为材料。如燃料和化学原料、工业化学品、食物和药物，一般不能算是材料。

一、什么是材料？二、材料的分类习惯上把已有材料按物质属性（或化学键的性质）分为金属、有机高分子、无机非金属材料、复合材料。金属材料：钢铁、有色金属、合金有机高分子材料：合成纤维、合成塑料、合成橡胶、涂料、粘合剂

无机非金属材料：（见下页）复合材料：树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳-碳复合材料材料无机非金属材料是各种非金属无机物固体材料的统称。包括传统的硅酸盐材料（玻璃、陶瓷、耐火材料和水泥等），也包括一系列不含硅的氧化物、氮化物、非晶态薄膜、碳硼纤维等无机新型结构和功能材料。结构材料——主要用于产品或工程的结构部件，着重于材料强度、韧性等力学性质的材料；

功能材料——利用材料所具有的电、磁、光、声、热等特性和效应以实现某种功能的材料。所谓结构材料和功能材料是按使用性能划分的：材料是人类赖以生存和发展的重要物质基础材料是一切技术发展的物质基础材料是人类进化的重要里程碑人类文明的发展也是以旧石器时代、新石器时代、青铜器时代、铁器时代来划分的，即以材料进化为主要标志的三、材料是人类文明发展的里程碑旧石器时代（1万年前）1、蓝田人的尖状器2、元谋人的刮削器3、贵州黔西县观音洞旧石器早期砍砸器4、洛南盆地旧石器地点群19971234新石器时代（距今1万～4000年）金坛三星村新石器

磨制石器仰韶文化时期陶器堆积，多为彩陶青铜器时代（距今4000年～1200年）四羊方尊商后期铁器时代1990甘肃三门峡出土玉柄铁剑，西周1957甘肃灵台县出土铁剑，春秋早期1957年河南陕县出土铁剑，春秋早期公元前1200年左右，人类进入了铁器时代四、材料在国民经济中的地位当今世界经济的腾飞和高科技的崛起是以信息科学、生命科学和材料科学为三大支柱。新型材料、生物工程和信息产业被作为产业革命的重要标志。

材料是人类赖以生存和发展的物质基础，是工业革命的先导，关系到国民经济、社会发展和国家安全，是国家综合实力的重要标志。人类进入新世纪后，对材料提出了更高要求。功能材料的研发是我国高科技研究发展的七个重要领域之一。功能材料指新近发展或已在发展中具有比传统材料更为优异性能的一类材料特点：知识与技术密集度高；与新工艺和新技术关系密切；更新换代快；品种式样变化多多学科相互交叉和渗透的结果，合成、制造与许多极端条件技术相关；表现出综合性和复杂性；表征和评价技术须采用多种基于最新科学技术成就的精密仪器和装置来进行。五、功能材料及其特点功能材料新型金属材料合金、稀有金属高分子合成材料合成橡胶、塑料化学纤维新型无机非金属材料工业陶瓷、光导纤维半导体材料复合材料纳米材料光电子材料六、功能材料的类型（一）、新型金属材料非晶态金属：又称为“金属玻璃”，由沸腾的钢液经每秒100万度的速度冷却而成,其内在结构发生了质变，原子从有序排列变成了无序排列,具有极优异的物理磁性能、化学耐腐蚀性能和力学耐磨性能,传统的车钳铣刨和强酸溶液对它们无可奈何,可以在通信、交通、电子、家电、防盗等很多领域大显身手。

外表轻薄如纸、优雅华丽、用手可轻易撕断的带形金属玻璃“终结者”的材料变现实

（一）、新型金属材料合金材料：新型合金材料包括许多种类，它们性能各异，用途各不相同，铝合金、镁合金、钛合金、铁镍铬及高温合金、稀贵金属合金等等形状记忆合金：能够使温度值变化时人为造成的形状变化，在温度恢复到特定值时，形状也自动丝毫不差地恢复到原来的状态，坚韧性极强，可反复变形和复原500万次而不产生疲劳断裂，其广泛应用于卫星、飞船和空间站的大型天线、飞机部件接头以及骨科整形等方面。其他新型金属功能材料如贮氢合金等歼-11机体制造中使用大量钛合金材料

镍钛记忆合金“花瓣”在相应的温度下慢慢绽放形状记忆合金在太空自然恢复原状（一）、新型金属材料超导金属材料：在特定条件下，电阻完全消失，产生超导电性的材料。具有零电阻、完全抗磁性和载流能力强三个基本特征。超导技术的应用：制造磁性极强的超导磁铁，用于磁约束核聚变反应、大容量储能设备、高能加速器、超导发电机、电力工业输电和交通运输工具等。如美国实现超导输电，每年可以节省100亿美元的电力；制造超高速计算机和高灵敏度的探测设备、通信设备、航天系统等。如1989年日本研制出世界第一台超导电子计算机，其全部采用约瑟夫森超导器件，运算速度达每秒10亿次，功耗6.2毫瓦，仅为常规电子计算机功耗的千分之一

超导磁悬浮列车原理（二）、高分子合成材料高分子是由碳、氢、氧、氮、硅、硫等元素组成的分子量足够高的有机化合物。常用高分子材料的分子量在几百至几百万之间，有的可高达上千万。高分子材料主要包括塑料、纤维、橡胶、薄膜、胶粘剂和涂料等，其中合成塑料、合成纤维、合成橡胶被称为现代高分子三大合成材料。高分子材料特点：重量轻、高弹性、强度低、韧性好、粘弹性、耐摩性、绝缘性好，低导热性、耐热性、耐蚀性好、易老化（二）、高分子合成材料合成塑料：聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯四大品种是日常生活中最常见的塑料材料，全球总产量在1亿吨左右。透光性好的有机玻璃（亚克力,Acrylic）

“塑料王”的耐腐蚀塑料聚四氟乙烯作为工程塑料的聚碳酸脂、聚甲醛、聚酰亚胺和常用做泡沫塑料的聚胺脂等（二）、高分子合成材料合成纤维：涤纶、锦纶、晴纶、维纶、丙纶、氯纶等“六大纶”可做宇航服、耐超热超冷的芳纶1313；可做飞机机翼、高强缆索的芳纶1414；可耐400℃高温和负273℃超低温的聚酰亚胺纤维；可做人造血管、软骨等人体器件的氟纶纤维；可做新式伪装服的多色纤维；可做合成纸、合成革、高效除尘器的高缩纤维、复合纤维、有色纤维、网络丝、完全变形纱、吸湿纤维和离子交换纤维等。芳纶1313莫代尔涤纶晴纶高分子人造血管合成革复合纤维棉内胆（二）、高分子合成材料合成橡胶：将天然乳胶经过硫化处理变成能成型、富有弹力的材料，填补天然橡胶的不足；发展极快。顺丁橡胶、异戊橡胶、乙丙橡胶等发展前途看好硅橡胶、氟橡胶能在零下50度不变形，又可耐250度高温，用于制造火箭、导弹、飞机的某些零件。氟橡胶零件硅橡胶手镯（三）、新型无机非金属材料陶瓷材料：新型陶瓷的强度、硬度、耐磨损、耐高温、耐腐蚀等性能都比传统陶瓷有很大提高，特别是在克服传统陶瓷的致命弱点脆性问题上取得重大突破。新型结构陶瓷：氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硅化物陶瓷、硼化物陶瓷、砷化物陶瓷、氰化物陶瓷等新型功能陶瓷：装置陶瓷、电容器陶瓷、压电陶瓷、电致伸缩陶瓷、热释电陶瓷、磁性陶瓷、半导体陶瓷、导电与超导陶瓷、光学陶瓷和敏感陶瓷等。

新型陶瓷制成的人造骨等

陶瓷零件

玻璃材料：改变了传统玻璃材料易碎、易传热的特性，研制出具有“特异功能”的新品种，如玻璃钢、记忆玻璃、化学敏感性玻璃、超韧性增强玻璃、激光玻璃、防弹玻璃、防辐射玻璃等。光导纤维：纯度极高的玻璃纤维制成使现代通信技术发生了革命性的转变，并且在医疗、遥感、遥测等领域也得到越来越广泛的应用。光纤通信具有传输距离远、保密性好、抗干扰等优点，一条电缆就可以传输几百万路电话；可传输高强度的激光；制作光纤传感器（三）、新型无机非金属材料防弹玻璃

防辐射高铅玻璃

由光导纤维构成的光缆

光导纤维工艺品

（三）、新型无机非金属材料半导体材料：20世纪40年代发展起来的重要信息材料，通过近几十年来的研究工作，半导体材料种类不断更新，应用领域不断扩展，成为信息技术发展的基础。锗材料不需要加热、功耗低、可靠性高、转换速度快、功能多样和体积小，取代电子管硅材料机械强度高、结晶性强、在自然中储量丰富、成本低，并且可以拉制出大尺寸的完整单晶，使之成为目前电子信息工业领域的主要半导体材料砷化镓由于电子运动速度快、电子激发后释放能量以发光形式进行等特点，很可能成为继硅之后第二种最重要的半导体电子材料，制成的晶体管可以制造出速度更快、功能更强的计算机（10倍）第一台晶体管收音机仅包含4只锗晶体管

半导体器件

玻璃制品石英玻璃微晶玻璃耐火材料生活陶瓷保健陶瓷建筑卫生陶瓷耐高温陶瓷刀具高温结构陶瓷零部件耐酸陶瓷风机适用于输送或抽吸各种腐蚀性气体陶瓷装甲车氧化铝陶瓷氮化铝陶瓷多孔陶瓷（四）、复合材料现代科技的发展，对材料的性能提出高标准、多样化，甚至是相互矛盾的要求，因此，任何一种单一的材料都难以满足上述需要，于是各种高性能的复合材料便应运而生。复合材料是由基体材料和增强材料两部分组成，根据基体材料和增强材料的特点，复合材料可分为结构复合材料和功能复合材料两大类复合材料在高度轻量化直升机上的用量已达结构重量的70%-80%，在先进战斗机上的用量大约是结构重量的30%-40%。

国产重点型号战机将用复合材料水平尾翼

复合材料井盖F117隐形战斗机用碳纤维增强复合材料做成骨架和外面蒙皮，没有金属表面，也无金属铆钉反射雷达波“发现号”航天飞机腹部的绝热瓦“发现号”航天飞机（四）、复合材料结构复合材料作为承力结构使用的材料，它由能承受载荷的增强体与能连接增强体成为整体材料同时又起传递力作用的基体构成；可以根据材料在使用中受力的要求进行选材设计及复合结构设计增强体包括各种玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金属、天然纤维、织物、晶体等；基体包括高聚体（树脂）基、金属基、陶瓷基、碳基等树脂基复合材料用于建筑、造船、车辆、化工容器、生活用品等金属基复合材料是宇航、航空技术的理想材料树脂基复合材料耐磨陶瓷复合材料膨胀节碳基复合材料（四）、复合材料功能复合材料一般由功能体和基体组成，基体不仅起到构成整体的作用，而且能产生协同或加强功能的作用，利用材料的电学、化学等性能。现已有压电型功能复合材料、吸波、屏蔽性功能复合材料（隐身材料）、导电功能复合材料等，有广阔的发展前景科学家研制出功能材料隐身斗篷将成现实隐身衣真的来了？（五）、生物材料生物材料也称为生物工程材料或生物医学材料，是生物体器官缺损、病变或衰竭的替代材料，也就是人类器官再造材料。生物活性陶瓷已实现与骨相结合，并与软组织相结生物化学水泥在骨骼缺损修补、骨骼植入材料的固定和牙齿的修复等过程使用人工器官已制造出人工心脏、人工肝脏、人工肾、人工喉、人工眼球、人工骨、人工皮、人造血浆和血液等

预期研制出具有主动诱导、能促进人体自身组织和器官再生作用的生物复合材料

人造器官的设计制造生物陶瓷（六）、光电子材料光电子工业异军突起，它包括光通信、光计算、激光加工、激光医疗、激光印刷、激光影视、激光仪器、激光受控热核反应、激光分离同位素、激光制导等许多方面。探索与发展新型光电子材料，制作高性能、小型化、集成化的光电子器件，已经成为整个光电子科技领域的前沿。光电子信息材料是整个光电子技术的基础和先导。包括淘汰和信息获取材料、信息传输材料、信息存储材料以及信息处理和运算材料等，其中主要是各类光电子半导体材料、各种光纤和薄膜材料、各种液晶显示（LCD）材料等。LED发光产品

蓝宝石晶体

电子纸全球第二大液晶显示器生产商：ＬＧ飞利浦公司宣布，该公司已研发出世界首款４０９６色“电子纸”。

“电子纸”是一种超薄、超轻的显示器。ＬＧ飞利浦开发的这款１４英寸彩色显示器薄如纸张，并且可以随意折叠弯曲。这款“电子纸”的电路板由金属制成，而非传统使用的玻璃，从而可以提高产品的灵活性。电子纸”技术与现有的液晶技术有所不同。“电子纸”没有目前其他显示设备无法避免的强烈反光，画面分辨率较高，显示效果与视觉效果同普通书写纸几乎完全相同。（七）、纳米材料纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型人介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。原子排成的“原子”字样1nm=1/10亿米，10个氢原子紧密排列，20nm是头发丝直径的3000分之一7.1纳米材料的特性1.表面效应

2.小尺寸效应

3.量子尺寸效应

4.宏观量子隧道效应1.表面效应2.小尺寸效应随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。

（1）特殊的光学性质

（2）特殊的热学性质

（3）特殊的磁学性质

（4）特殊的力学性质

超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。

3.量子尺寸效应微粒尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级，吸收光谱阙值向短波方向移动，这种现象称为量子尺寸效应。4.宏观量子隧道效应隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。近年来，人们发现一些宏观量如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量及电荷也具有隧道效应，他们可以穿越宏观系统的势阱而产生变化，故称之为宏观量子隧道效应。几种典型的纳米材料纳米颗粒型材料纳米固体材料纳米膜材料纳米磁性液体材料碳纳米管纳米算盘C60每10个一组，在铜表面形成世界上最小的算盘。纳米皇冠纳米颗粒型材料：也称纳米粉末，一般指粒度在100nm以下的粉末或颗粒。由于尺寸小，比表面大和量子尺寸效应等原因，它具有不同于常规固体的新特性。纳米固体材料通常指由尺寸小于15纳米的超微颗粒在高压力下压制成型，或再经一定热处理工序后所生成的致密型固体材料。氧化锌晶体纳米磁性液体材料：磁性液体是由超细微粒包覆一层长键的有机表面活性剂，高度弥散于一定基液中，而构成稳定的具有磁性的液体。它可以在外磁场作用下整体地运动，因此具有其它液体所没有的磁控特性。试管中磁性液体舞蹈磁性液体尖峰状态

磁性液体的应用：磁性液体静态密封装置（安全阀）

磁性液体在扬声器上的应用，显著改善散热性能，提高功率一倍以上，使音圈自动定位，改善频率响应，减少失真。磁性液体阻尼器磁性液体离心开关

碳纳米管：碳材料家族中的新成员，为黑色粉末状，是由类似石墨的碳原子六边形网格所组成的管状物，它一般为多层，直径为几纳米至几十纳米，长度可达数微米甚至数毫米。

碳纳米管本身有非常完美的结构，尺寸只有头发丝的十万分之一，但导电率是铜的1万倍，强度是钢的100倍而重量只有钢的七分之一。它像金刚石那样硬，却有柔韧性，可以拉伸。它的熔点是已知材料中最高的。

如果用碳纳米管做绳索，是唯一可以从月球挂到地球表面，而不被自身重量所拉断的绳索。如果用它做成地球-月球乘人的电梯，人们在月球定居就很容易了。纳米碳管的细尖极易发射电子。用于做电子枪，可做成几厘米厚的壁挂式电视屏，这是电视制造业的发展方向。超高的成本使国际市场90％高纯度的碳纳米管价格高达1000－2000美元／克，一般纯度的碳纳米管价格也在60美元／克，远远高出黄金的价格。把碳纳米管用作转子的纳米马达

纳米材料的应用由于纳米微粒的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等使得它们在磁、光、电、敏感性等方面呈现常规材料不具备的特性。因此纳米微粒在磁性材料、电子材料、光学材料、高致密度材料的烧结、催化、传感、陶瓷增韧等方面有广阔的应用前景。陶瓷增韧：由纳米粒子压制成的纳米陶瓷材料有很好的韧性。因为纳米材料具有较大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与延展性。纳米陶瓷光学方面的应用：纳米微粒由于小尺寸效应使它具有常规大块材料不具备的光学特性，如光学非线性、光吸收、光反射、光传输过程中的能量损耗等。利用纳米微粒的特殊的光学特性制成的各种光学材料将在日常生活和高技术领域得到广泛的应用。目前关于这方面研究还处在实验室阶段，有的得到了推广应用。隐身材料应用：由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，这就大大减少波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的作用；另一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大3～4个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用。美国F117隐形轰炸机机美国B2隐形轰炸机催化领域的应用：催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低，而且其制备是凭经验进行，不仅造成生产原料的巨大浪费，使经济效益难以提高，而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒于作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高10～15倍。环境保护方面的作用：随着纳米技术的悄然崛起，纳米环保也会迅速来临，拓展人类利用资源和保护环境的能力，为彻底改善环境和从源头上控制新的污染源产生创造了条件。治理有害气体：纳米技术可以制成非常好的催化剂，经它催化的石油中硫的含量小于0.01％。在燃煤中可加入纳米级助烧催化剂，以帮助煤充分燃烧，提高能源的利用率，防治有害气体的产生。纳米级催化剂用于汽车尾气催化，有极强的氧化还原性能，使汽油燃烧时不再产生一氧化硫和氮氧化物，根本无需进行尾气净化处理。污水处理：污水中的贵金属是对人体极其有害的物质。它从污水中流失，也是资源的浪费。新的一种纳米技术可以将污水中的贵金属如金、钌、钯、铂等完全提炼出来，变害为宝。一种新型的纳米级净水剂具有很强的吸附能力。它的吸附能力和絮凝能力是普通净水剂三氯化铝的10-20倍。光催化剂可以很好地降解对室内主要的气体污染物甲醛、甲笨等，其中纳米TiO2（钛白粉、二氧化钛)

的降解效率最好，达到近100％。其降解机理是在光照条件下将这些有害物质转化为二氧化碳、水和有机酸。纳米TiO2的光催化剂也可用于石油、化工等产业的工业废气处理，改善厂区周围空气质量。用纳米TiO2可以加速城市生活垃圾的降解，其速度是大颗粒TiO2的10倍以上，从而解决大量生活垃圾给城市环境带来的压力。用纳米TiO2催化降解技术来处理毛纺染整废水，具有省资、高效、节能，最终能使有机物完全矿化、不存在二次污染等特点。自洁作用：纳米TiO2由于其表面具有超亲水性和超亲油性，因此其表面具有自清洁效应，即其表面具有防污、防雾、易洗、易干等特点。我国新近研制成功一种具备自动清洁功能，可以自动消除异味、杀菌消毒的“纳米自洁净玻璃”。“纳米自洁净玻璃”是应用高科技纳米技术在平板玻璃的两面镀制一层纳米薄膜，薄膜在紫外线的作用下可分解沉积在玻璃上的污物，氧化室内有害气体，杀灭空气中的各种细菌和病毒。这种玻璃与普通玻璃的价格比预计为1.5：1。纳米材料“绝水”雨伞

纳米TIO2台式空气清净机

纳米护腿、护膝、鞋垫

采用纳米远红外材料，具有远红外保健功能；采用纳米磁性材料，兼具磁疗功能；采用纳米永磁材料，没有磁硬块，穿着舒适，洗涤方便；有效激活细胞的代谢能力，增强肌体免疫力；舒筋活络、改善局部血液循环，对关节疼痛止痛迅速；对贴近的肌肤起全方位的按摩及刺激作用；纳米鞋垫采用多种纳米粉体精制而成，除臭效果极佳。尤其适用于运动量较大，有脚气、脚癣的朋友们，不必清洗，置于日光晒数分钟效果更好。止痒抗菌功能吸湿能力较强，产品中的无机抗菌材料，可长效抑菌，抑制鞋内真菌繁衍、防治脚气、脚癣等疾病

医学应用：将药物储存在碳纳米管中，并通过一定的机制来激发药剂的释放，则可控药剂有希望变为现实。纳米材料粒子将使药物在人体内的传输更为方便，