功能材料介绍

功能材料介绍第1页，课件共17页，创作于2023年2月讲授内容：绪论第一章晶体结构基础第二章凝聚态材料简介第三章磁性材料第四章半导体材料第五章光功能材料第六章功能陶瓷第七章能量转换材料第八章功能高分子材料第九章特殊功能合金（膨胀合金、储氢合金、形状记忆合金）第十章薄膜功能材料第十一章电阻及导电材料

还有化学功能材料如高分子试剂、催化剂，高分子药物，生物医学材料不讲重点前八章第2页，课件共17页，创作于2023年2月

概论一、材料及材料发展简史1、材料材料是人类赖以生存和国民经济发展的物质基础。材料、信息、能源被公认为现代文明的三大支柱。80年代，又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术的重要标志。什么是材料？材料是人类用于制造物品、器件、机器或其他产品的物质。材料技术是探讨材料的制备、结构、性能、功效及其相互关系的技术。当代每一项重大技术的出现都依赖于新材料的发展。例如：第3页，课件共17页，创作于2023年2月半导体材料的发现和发展导致了微电子工业、大规模集成电路、高速运算计算机等的出现；高温材料及高性能结构材料的出现使航空航天技术快速发展；低损耗光导纤维使当今你蓬勃发展的光纤通信得以实现；等等。材料科学是物理、化学、冶金学、金属学、陶瓷学、医学、生物学及计算科学等多学科交叉融合的结果。材料技术的基本原理植根于凝聚态物理、物理化学和合成化学。物理学及物理技术为材料科学提供了强有力的理论和实验研究手段，材料的组织、结构及性能的研究都离不开物理学。第4页，课件共17页，创作于2023年2月

2、材料的发展史人类发展的历史证明，材料的发展导致时代变迁。人类的历史曾以使用的主要材料来划分，如石器时代、铜器时代和铁器时代等。早在100万年前，人类开始使用石头做工具，使人类进入旧石器时代。大约1万年前，人类能对石头进行加工，使石头成为精制的器皿和工具，从而进入新石器时代。在新石器时代，人类开始用毛皮遮身。8000年前，中国开始用蚕丝做衣服。4500年前，印度人开始种植棉花，这些都标志着人类使用材料促进人类文明进步。此外，人类还使用竹、木、骨等原始天然材料，不经或稍许加工而制成工具或用具。这是材料发展的初始阶段，其特点是人类单纯选用天然材料。第5页，课件共17页，创作于2023年2月人类还处于新石器时代，就已经发明了粘土成型，在火烧固化而得到陶器，用作器皿或装饰品。陶器的出现，是对人类文明的一大促进。在烧制陶器的过程中，又偶然发现了铜和锡，实际上是铜和锡的氧化物在高温下被碳还原的产物，进而生产出色泽鲜艳且能浇铸的青铜，使人类进入青铜时代。这是人类较大量使用金属的开始。希腊、印度、埃及和中国都在公元前3000年左右进入青铜时代。中国在商周处于青铜时代的鼎盛时期，湖北隋县出土的编钟、西安青铜马车都反映当时中国冶金技术水平和高超的制造工艺。公元前13-14世纪，人类开始使用铁。3000年前的铁器比青铜器更为普遍，人类开始进入铁器时代。第6页，课件共17页，创作于2023年2月到春秋末期，中国的生铁技术遥遥领先于其他国家。如生铁退火而制成的韧性铸铁以及生铁炼钢技术发明，促进了当时生产力的大发展，对农业、水利和军事的发展起到了极大的作用，推动了世界的文明与进步。

18、19世纪蒸汽机、电动机的发明对金属材料提出了更高的要求，同时对钢铁冶金技术产生了更大的推动作用。炼钢技术大大促进了机械制造、交通铁路及纺织业的发展。随之，各种特殊钢如高速钢、硅钢及不锈钢相继问世，铜、铝业得到大量应用，其他金属和合金也都出现，从而使金属材料在20世纪占据了主导地位。铜、铁和其他合金的发现与应用是材料发展的第二阶段。在这一阶段，金属（主要是铁和钢）确立了工业材料的绝对权威。这个阶段的特点是人类从自然界提取有用的材料。第7页，课件共17页，创作于2023年2月一、材料分类功能材料从材料来源上看，材料可分为天然材料和合成材料。人类为了生存发展，一方面从大自然中直接获取天然材料。

天然材料——选择天然有形物质直接或进行简单加工改造的材料，如沙石、木材、石材、天然纤维、天然橡胶等等。另一方面，要合成新的材料供生产生活需要。

合成材料——通过化学或物理手段，利用化学原料制取不能从自然界直接得到的新型材料。如合金、玻璃、陶瓷、合成高分子等。从功能上看，材料可以分为结构材料和功能材料。第8页，课件共17页，创作于2023年2月结构材料—通常指具有力学承载功能的材料。体积较大，常被称为第一代材料。如建筑材料、机械制造材料，用于制造工具、机器、车辆，修建房屋、桥梁、道路等。另一类材料是功能材料。功能材料的概念最早由美国的Morton与1965年提出。功能材料——指具有光、电、磁、声、热、化学、生物等特定功能和性质的材料。用于非承载目的，涉及面很广。如电阻及导电材料、磁性材料、介电材料、发光材料、光电材料、电极材料、压电材料、声光材料、电光材料、磁光材料、超导材料、智能材料、仿生材料等。利用他们可以制造具有记录、储存、信息传输等功能元器件，在电子、激光、光电、通信、生物医学等许多新技术领域有广泛应用。第9页，课件共17页，创作于2023年2月现代高新技术的发展如微电子、激光、光电、能源、计算机、信息等技术的兴起，强烈地刺激着现代功能材料的发展。三、功能材料的特征和分类功能材料的范围还没有严格的界限。一般认为功能材料的特征如下：1、用于非结构目的，是现代材料中比较高级的材料。它排除了用于结构目的的一般结构材料和高级结构材料（如高温合金、结构陶瓷等），也排除了像普通玻璃、普通塑料、耐火砖之类的一般非力学性能的普通材料，但包含了弹性材料那样属于力学性能（非承载功能）的非结构材料。第10页，课件共17页，创作于2023年2月2、结构材料常以材料形式为最终产品，功能材料常以元件形式为最终产品，即材料-元件一体化。结构材料的功能常与宏观物体的运动联系。功能材料的功能常与物体的微观运动联系。功能材料的制备技术不同于结构材料，而采用许多先进新工艺和新技术如超净、超纯、薄膜化、集成化、微型化、智能化以及精细控制和检测技术。功能材料元件体积小，如传感器件、电子器件等。现代社会对研制新一代材料提出了结构和功能相结合的要求。即材料不仅能作为结构材料使用，而且具有特殊功能或多种功能。同一构件、设备、器件可能是结构材料和功能材料的结合。如航天航空器既有特殊结构材料，又有特殊的功能材料。第11页，课件共17页，创作于2023年2月分类：很难有统一的认识，常见的分类方法有：1、按材料的物理化学属性（化学键、成分）：无机功能材料有机功能材料复合功能材料（高分子基、金属基、陶瓷基复合材料）金属功能材料无机非金属功能材料（玻璃、陶瓷）2、按物理性质或功能：磁性、电性、光学、力学、声学、化学、生物医学、核功能材料及功能转换材料等。第12页，课件共17页，创作于2023年2月进一步细分：如光学功能材料包括非线性光学材料、发光材料、红外材料、感光材料、激光材料等。功能转换材料包括压电材料、光电材料、热电材料、磁光材料、电光材料、声光材料、磁致伸缩材料等。3、按服役技术领域：仪表材料，传感材料、电子材料，电工材料、信息材料，核材料，能源材料，隐身材料，航天航空材料、生物医学材料等等。还可以细分：如信息材料可以分为信息检测与获取材料、信息传输材料、信息存储材料、信息处理材料等。传感材料包括气敏、湿敏、光敏、压敏、磁电阻材料等。第13页，课件共17页，创作于2023年2月4、按聚集态：气态、液态、固态、液晶态、混合态功能材料。细分：固态分为晶态（单晶、多晶）、非晶、准晶，或单相、多相、复合材料。5、按材料形态：体积、膜、纤维、颗粒功能材料6、按维度三维、二维、一维、零维功能材料。三维材料即固态材料，二维、一维、零维材料称为低维材料。二维材料指超薄膜、量子阱、超晶格材料，一维材料指直径极小的纤维、高分子、纳米线、纳米管等，零维材料指原子团簇、纳米颗粒、量子点材料。第14页，课件共17页，创作于2023年2月系统设计，选择与服务目标相适应的材料，“量体裁衣”2、创制新材料，根据性能再开发利用无预先设定或意向性，从基础研究范畴，发现和研究材料的性能，在做相应的开发应用例：目前纳米材料的研究，开始是发现和研究其各种特殊性能，没有明确的应用目标。如小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应等。根据这些性能，研发出各种功能材料，如光催化剂，纳米电子功能器件，特种陶瓷，特种磁性材料等等1、根据要求进行材料的定制设计四、功能材料的开发途径第15页，课件共17页，创作于2023年2月五、功能材料学科研究内容

1、研究功能材料的设计、合成、制备、提纯、改性等工艺。

2、研究功能材料的物理与化学组成、结构。

3、研究功能材料的性能及应用开发。

4、功能材料的结构表征与性能测试实验技术。

六、功能材料的发展趋势

1、开发极端条件下的高性能功能材料。极端条件指超高压、超高温、超低温、强腐蚀、高真空、强激光、高辐照等。第16页，课件共17页，创作于2023年2月

2、从单一功能向多功能或综合功能方向发展，从低级功能（如单一物理功能）向高级功能（如人工智能、