1功能材料概论课件

(3)特殊技术和特定结构组合化学。它包括激光喷涂组合化学 研究，主客体组装组合化学等。
(4)固体氧化物燃料电池中新型中、低温(600—800℃)区工 作的固体复合氧化物电解质材料的探索和筛选。
(5)从热力学平衡角度研究材料的相态、结构及稳定性，
获得所需材料体系的相图，同时进行性能测定，由此全
面掌握不同组成、结构和工作温度下的材料特性。
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1.1.3 功能材料的分类
目前主要是根据材料的物质性、或功能性、应用性 进行分类。
（一）根据材料的物质性进行分类 1、金属功能材料 2、无机非金属功能材料 3、有机功能材料 4、复合功能材料
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（二）根据材料的功能性进行分类
按照材料的物理化学功能进行分类：
1.光学功能材料（按在具体应用中所发挥的效能和作用）
⑨光记录材料 例：碲、碲合金、稀土类合金
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2、电学功能材料 例：防静电材料 3、磁学功能材料 例：磁带、磁盘 4、声学功能材料 例：音响设备、仪器 5、力学功能材料 例：高结晶材料、超高强材料 6、热学功能材料 例：显示、测量 7、化学功能材料 ①分离功能材料 例：分离膜、离子交换树脂 ②反应功能材料 例：高分子试剂、高分子催化剂 ③生物功能材料 例：固定化酶、生物反应器 8、生物医学功能材料 例：人工肾、人工心肺 9、核功能材料
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③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 ④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。
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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。
①非线性光学材料 例：磷酸二氢钾、硫化锌、碘酸钾
②发光材料 例：高效稀土发光材料
③红外光学材料 例：尖晶石、蓝宝石
④感光材料 例：卤化银、CdS等
⑤激光材料 例：红宝石、氟化物晶体
⑥光电功能材料 例：半导体、磁性体、电介质材料
⑦声光功能材料 例：PbMoO4、TeO2、用于制造调制器等 ⑧磁光材料 例：尖晶石铁氧体
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一、金属功能材料设计
金属功能材料按性能分主要包括磁性、电性、力学、声 学、热学、光学、化学、生物功能材料和特种功能材料。
金属功能材料的功能设计主要有以下两个方面。 (１)寻找具有特定功能的金属材料。 (２)利用各种金属材料的特性，制备符合使用要求的合金。
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二、无机非金属功能材料设计
下图为材料显示功能的示意图。
输
材
输
入
料
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。
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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。
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Ａ、一次功能
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。 以一次功能为使用目的的材料又称为载体材料。
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材料科学与工程一般都认为由四要素组成，即结构/成分、 合成/流程、性能与效能。但考虑到结构与成分并非同义词，相 同成分通过不同制备方法可以得到不同结构，从而使材料出现 不同性能，所以材料科学与工程应为五要素，即成分、合成/流 程、结构、性能与效能。
根据材料所要求的性能不同，材料设计可以从电子、光子 出发．也可从原子、原子集团出发，可以从微观、显微到宏观
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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
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1. 绪论
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。
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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。 ⑤磁功能。如硬磁性、软磁性、半硬磁性等。
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第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章
目录
绪论 超导材料 储氢材料 磁性材料 功能陶瓷材料 纳米材料 智能材料 医用生物材料 科技文献写作
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1986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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1.1.2 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。
在国外，常将这类材料称为功能材料(Functional Materials)、特种材料(Speciality Materials)或精细材料 (Fine Materials)。
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有的则是通过光、电、磁、声、热、化学、生物化学 等作用后，使材料具有特定的功能，主要是光学功能、电 磁功能、声学功能、生体功能、分离功能、梯度功能、形 状记忆功能、自适应功能等，人们按照其性能常称为光学 材料、磁性材料、电绝缘材料、超导材料、声学材料、生 物医学材料、分离材料、梯度功能材料、智能材料。利用 它们制造具有记录、储存、传导信息或转换能量的功能元、 器件。这些材料总称为功能材料。
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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。
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材料的特定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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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。
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①光能与其他形式能量的转换 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。 ②电能与其他形式能量的转换 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。
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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。
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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。
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1.3 功能材料的特点
功能材料是目前材料领域发展最快的新领域。 功能材料虽然制备过程复杂，产品产量小，但 是利润较高。其主要原因是基于其特有的“功能 性”。
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1.3.1、金属功能材料
不同种类的功能材料各具特色。
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。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。
无机非金属功能材料的主要代表是功能玻璃和 功能陶瓷。无机非金属功能材料进行功能设计的方 法主要有以下两种： (1) 根据功能的要求设计配方。 (2) 根据功能的要求设计合适的加工工艺。
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三、高分子功能材料设计
功能高分子材料功能设计的主要途径如下： (1)通过分子设计合成新功能 (2)通过特殊加工赋予材料以功能特性 (3)通过两种或两种以上的具有不同功能或性能的材料复合 获得新功能 (4)通过对材料进行各种表面处理以获得新功能
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2. 功能玻璃和功能陶瓷发展的新特点
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，如磁光玻璃的磁—光转换性能、 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。
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1.3.2、无机非金属功能材料
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。
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1．组合化学在无机功能材料方面的应用
(1)无机结构基元或虚拟结构基元的组合化学
(2)无机功能材料组合合成技术与表征方法的基础研究。
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（三）根据材料的应用性进行分类 1、信息材料 2、电子材料 3、电工材料 4、电讯材料 5、计算机材料 6、传感材料 7、仪器仪表材料 8、能源材料 9、航空航天材料 10、生物医用材料
功能材料种类多、应用广、上述分类也只是相对的。
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1.2 功能设计的原理和方法
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功能材料是一门新的学科，是从经典的材料学科中 孕育出来的学科，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表现形式。
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主要参考资料
1.功能材料概论--殷景华，王雅珍，鞠刚（哈工大出版社，2004） 2.新型功能材料--贡长生，张克立(化学工业出版社,2001) 3.功能材料学--周馨我 (北京理工大学出版社,2002) 4.现代功能材料及其应用--郭卫生, 汪济奎（化学工业出版社,2002） 5.新材料概论—谭毅，李敬锋（冶金工业出版社，2004） 6.新材料概论—陈光，崔崇（科学出版社，2003） 7.材料概论—徐晓虹，吴建锋，王国梅（高教出版社，2006）
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1.1 功能材料的概念与分类
1.1.1 功能材料的发展概况
材料是人类社会生活的物质基础，材料的发展导致时代的变迁，推 进人类的物质文明和社会进步。例如，“石器时代”、“铜器时代”和 “铁器时代”等。
为了生存和发展，人类一方面从大自然中选择天然物质进行加工和 改造，获得适用的材料；另一方面通过物理化学加工方法研制合金、玻 璃、陶瓷、合成高分子材料来满足生产和生活的需要。人们在使用这些 材料时，有的是利用某些材料具有抵抗外力的作用而保持自己的形状和 结构不变的优良力学性能（例如强度和韧性）来制造工具、机械、车辆 以及修建房屋、桥梁、铁路等，这些材料统称为结构材料。
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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。
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所谓功能设计，就是赋予材料以一次功能或 二次功能特性的科学方法。有人认为21世纪将逐 渐实现按需设计材料。
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。
1功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。