功能材料课件-功能转换材料
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光学功能材料课件
为了实现可持续发展，光学功能材料 产业需要注重循环经济。通过回收、 再利用废弃的光学元件和材料，减少 对自然资源的依赖，降低环境负担。 同时，推动产学研合作，加强技术创 新和人才培养，为光学功能材料的可 持续发展提供有力支持。
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太阳能电池
太阳能电池中的减反射膜能够 减少入射光的反射损失，提高
光电转换效率。
05
新型光学功能材料
光子晶体
定义
光子晶体是一种具有周期性折射 率变化的介质，能够影响光的传
播行为。
特性
光子晶体具有禁带特性，即某些特 定频率的光不能在其中传播，类似 于电子在半导体中的行为。
应用
光子晶体可用于制造高效的光子器 件，如光子晶体激光器、光子晶体 光纤等。
光学功能材料课件
• 光学功能材料概述 • 光学玻璃 • 光学晶体 • 光学薄膜 • 新型光学功能材料 • 光学功能材料的未来发展趋势
01
光学功能材料概述
光学功能材料的定义
定义描述
光学功能材料是指那些具有特殊 光学性质，能够通过光的吸收、 发射、传输、调制等实现一种或 多种特定光学功能的材料。
特征说明
光学玻璃
如冕玻璃、火石玻璃等，具有优异的成像质量和光学稳定 性，用于制造各类透镜、棱镜和窗口。
非线性光学晶体
如磷酸二氢钾（KDP）、铌酸锂（LiNbO3）等，能够实 现光频转换、光开关、光调制等功能，应用于激光技术、 光通讯和光信息处理中。
光学功能材料的应用领域
01
02
03
04
05
光电子领域：用于制造 光电子器件，如激光器 、光放大器、光调制器 等。
02
光学玻璃
光学玻璃的定义和性质
13功能转换材料
13功能转换材料1.钢铁加工转换：钢铁是一种常见的金属材料，通过炼铁、炼钢等加工过程可以将其转换成各种形状和规格的建筑材料、机械零部件等。
通过热处理、冷加工等方法，还可以提高钢铁的强度、韧性等性能。
2.木材加工转换：木材是一种常见的天然材料，可以通过锯材、刨平、干燥等加工过程将其转换成木制家具、建筑材料等。
通过油漆、染色等处理方法，还可以改变木材的颜色和表面处理方式。
3.塑料加工转换：塑料是一种常见的合成材料，可以通过热塑性加工、热固性加工等加工过程将其转换成各种塑料制品，如塑料袋、塑料容器等。
通过改变塑料的成分和加工工艺，还可以提高其机械性能和耐化学腐蚀性能。
4.石油加工转换：石油是一种重要的有机原料，可以通过提炼、加氢、裂化等加工过程将其转换成汽油、柴油、润滑油等石油化工产品。
通过催化剂的使用和反应条件的调控，还可以改变石油产品的组成和分子结构，提高其性能。
5.矿石提取转换：矿石是一种含有金属元素的矿物石，通过矿石的选矿、冶炼等加工过程可以将金属元素转换成金属材料。
通过改变冶炼工艺和金属合金的添加，还可以改善金属的硬度、强度等性能。
6.农作物加工转换：农作物是一种常见的生物材料，可以通过粉碎、提取、发酵等加工过程将其转换成食品、饲料、化学原料等。
通过改变加工工艺和添加剂的使用，还可以改善农作物产品的品质和营养价值。
7.纺织品加工转换：纺织品是一种常见的纤维材料，可以通过纺织、染色、整理等加工过程将其转换成各种织物、服装等产品。
通过改变纤维的成分和纺纱工艺，还可以改变织物的手感、光泽等性能。
8.玻璃加工转换：玻璃是一种无机非晶体材料，可以通过加热、吹制、模压等加工过程将其转换成各种形状和规格的玻璃器皿、玻璃棉等。
通过添加不同的金属氧化物和改变加工温度，还可以获得不同颜色和特殊功能的玻璃材料。
9.陶瓷加工转换：陶瓷是一种由无机非金属材料制成的坚硬、耐高温的材料，可以通过成型、干燥、烧结等加工过程将其转换成各种瓷器、陶器等制品。
功能转换材料
4）电光材料
电光效应: 物质的光学特性（折射、散射）受电场影响而发生变化的现象统称为
电光效应。
典型的电光材料：KDP型晶体（KH2PO4等）、立方钙钛矿型晶体（BaTiO3等）、
闪锌矿型晶体（ZnS等）、钨青铜型晶体（K3Li2Nb5O15等） 。
电光材料的应用：电光快门（用于激光通信、激光显示、激光雷达及高速摄影等）。
3）光电材料
光电效应: 物质在受到光照后，往往会引发其某些电性质的变化。这一现象称为光 电效应。光电效应主要有光电导效应、光生伏特效应和光电子发射效应三种。
典型的光电材料：CdS、CdSe、GaAs、HgSe、InP、InAs、Ge、Si等。
光电材料的应用：光电导摄像管、固体图像性: 1880年P．居里和J．居里兄弟发现：当对α石英晶体在某些特定方 向上加力时，在力方向的垂直平面上出现正、负束缚电荷，这种现象 称为压电效应。
典型的压电材料：压电晶体 → 石英、酒石酸钾钠、磷酸二氢铵、钽酸锂、铌 酸锂、碘酸锂等；压电陶瓷 → 钛酸钡（BaTiO3）、钛酸铅 （PbTiO3）、高钛酸铅等。 压电材料的应用：水声换能器、超声器件、高电压发生器、电声器件、压力 机、流量计、计数器等。
5）磁光材料
磁光效应: 置于磁场中的物体，受磁场影响后，其光学特性发生变化的现象称为 磁光效应。
典型的磁光材料：亚铁磁性石榴石（Gd3Fe5O12等） 、尖晶石铁氧体（CdCr2S4 等） 、正铁氧体、钡铁氧体、二价铕的化合物、铬的三卤化物和一些金属 等。
磁光材料的应用： 可制成许多磁光器件如调制器、隔离器、旋转器、环行器、相 移器、锁式开关、Q开关等快速控制激光参数器件，也可用于激光雷达、测 距、光通信、激光陀螺、红外探测和激光放大器等系统的光路中。
功能转换材料
压电效应反映晶体电量与机械应力间的关系，机械应力有方向，引起正 负电荷相对位移。
热释电效应中晶体电荷变化来自于温度变化。热膨胀各向同性。只有晶 体存在着与其他极轴不同的唯一极化轴，才有可能发生热释电。
2、热释电晶体一定存在压电效应，但压电晶体不一定存在热释 电效应。
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h 1 mv2 A h A时产生光电发射效应
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二、光电子材料及其应用
1、光电导材料及应用
CdS,CdSe,CdTe,ZnSe,HgSe,HgTe,PbS,PbSe,InP,
InAs,InSb,GaAs,GaSb,Ge,Si. 光电探测器（光敏器件），光电导摄像管，固体图像传感器。
1969年，日本河合平司发现聚偏四氟乙烯（极化处 理后）有强压电性，使压电聚合物逐步进入实用化。
与压电陶瓷相比：柔性、耐冲击、能制成大面积薄 膜传感材料。
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第7页/共46页
两类：
（1）固有压电性聚合物
一些结晶聚合物化学结构不对称，有极性基团。未拉伸时， 微晶取向随机，总极化强度为0。
热电偶：通过测电动势来测温。把热 学量变为电学量测量。
非电量电测法
2、用做温差电源
T
BC
电位 差计
A
C
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T0
恒温装置
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3、用于制冷
利用半导体帕尔贴效应（比金属强得多），实现热、电能 转换，制成半导体制冷机（电流流过时，低温端吸热，高温端 放热）
发生火花）
引燃引爆、压电开关、小型电源、压电变压器等 3、电声设备
功能材料功能转换材料
功能材料分类
根据功能性质，功能材料可分为 电学功能材料、磁学功能材料、 光学功能材料、化学功能材料、 生物医用功能材料等。
功能材料的应用领域
电子信息领域
功能材料在电子信息领 域中广泛应用于集成电 路、微电子器件、光电
子器件等。
新能源领域
功能材料在新能源领域 中应用于太阳能电池、 风力发电、燃料电池等
功能转换材料的分类
根据功能转换的不同，功能转换材料 可分为能量转换材料、信息转换材料 、化学反应转换材料等。
。
生物医学领域
功能材料在生物医学领 域中应用于药物载体、 生物传感器、组织工程
等。
其他领域
功能材料还广泛应用于 航空航天、环保、军事
等领域。
功能材料的发展趋势
01
02
03
04
高性能化
提高功能材料的性能，如提高 半导体材料的导电性能、提高
磁性材料的磁性能等。
智能化
将功能材料与信息技术相结合 ，实现功能材料的智能化，如 智能传感器、智能器件等。
绿色化
发展环保型功能材料，减少对 环境的污染，如发展可降解的
生物医用材料等。
复合化
将不同性质的材料复合在一起 ，形成具有多种功能的复合功 能材料，如纳米复合材料等。
02
功能转换材料介绍
功能转换材料的定义与分类
功能转换材料的定义
功能转换材料是指能够实现特定功能 转换的物质，如能量转换、信息转换 、化学反应转换等。
功能材料功能转换材料
汇报人： 2023-12-21
目录
Hale Waihona Puke • 功能材料概述 • 功能转换材料介绍 • 功能材料的性能特点 • 功能转换材料的性能特点 • 功能材料与功能转换材料的区
根据功能性质，功能材料可分为 电学功能材料、磁学功能材料、 光学功能材料、化学功能材料、 生物医用功能材料等。
功能材料的应用领域
电子信息领域
功能材料在电子信息领 域中广泛应用于集成电 路、微电子器件、光电
子器件等。
新能源领域
功能材料在新能源领域 中应用于太阳能电池、 风力发电、燃料电池等
功能转换材料的分类
根据功能转换的不同，功能转换材料 可分为能量转换材料、信息转换材料 、化学反应转换材料等。
。
生物医学领域
功能材料在生物医学领 域中应用于药物载体、 生物传感器、组织工程
等。
其他领域
功能材料还广泛应用于 航空航天、环保、军事
等领域。
功能材料的发展趋势
01
02
03
04
高性能化
提高功能材料的性能，如提高 半导体材料的导电性能、提高
磁性材料的磁性能等。
智能化
将功能材料与信息技术相结合 ，实现功能材料的智能化，如 智能传感器、智能器件等。
绿色化
发展环保型功能材料，减少对 环境的污染，如发展可降解的
生物医用材料等。
复合化
将不同性质的材料复合在一起 ，形成具有多种功能的复合功 能材料，如纳米复合材料等。
02
功能转换材料介绍
功能转换材料的定义与分类
功能转换材料的定义
功能转换材料是指能够实现特定功能 转换的物质，如能量转换、信息转换 、化学反应转换等。
功能材料功能转换材料
汇报人： 2023-12-21
目录
Hale Waihona Puke • 功能材料概述 • 功能转换材料介绍 • 功能材料的性能特点 • 功能转换材料的性能特点 • 功能材料与功能转换材料的区
10功能转换材料
功能转换材料
介电材料
电介质功能材料
铁电材料 压电材料 敏感电介质材料
电 功 能 材 料
电导体功能材料
导电材料 快离子导体 绝缘体材料 半导体材料 超导电体
1．电导体功能材料
材料的导电性以其电导率来度量，表明材料
在电场中传递电荷的能力。载流子数目n、每个载
流子的电荷 q 以及载流子的迁移率 ，决定了材料
（3）压电陶瓷Pachinkom游戏机
它是由若干层锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷块构成的，压
电块既作为传感器又作为执行器。
压电陶瓷Pachinkom游戏机
①当金属球落到陶瓷压电块上时，球的冲击力产生压 电电压； ②电压脉冲通过反馈系统加以放大和调整，然后返回 并施加到压电块的执行器部分； ③陶瓷压电块突然膨胀变形，把金属球抛出压电块所 在的孔，使球沿着螺旋轨道爬出，落入另一孔内，再盘 旋上升，如此周而复始。
介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场（真空中）与最终介 质中电场比值即为介电常数表征材料极化并储存电荷能力的
物理量称为介电常数，用ε表示，无量纲。
3 介电常数 dielectric constant 介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，最终 介质中电场与原外加电场（真空中）比值即为介电常 数。它是指在同一电容器中用同一物质为电介质和真 空时的电容的比值。 表征材料极化并储存电荷能力的物理量，用ε表示， 无量纲。介电常数越小，其绝缘性越好。 4.相对介电常数 • 首先在其两块极板之间为空气的时候测试电容器的
早期的热释电材料都是些单晶材料。最早的实 用热释电材料是硫酸三甘肽(ＴＧＳ)类晶体。 ＴＧＳ晶体具有热释电系数大、介电常数小、 光谱响应范围宽、响应灵敏度高和容易从水溶 液中培育出高质量的单晶等优点。但它的居里 温度较低,易退极化,且能溶于水,易潮解,制成的 器件必须适当密封。ＬｉＴａＯ3晶体材料介电 损耗很小、居里温度高、性能稳定,是制作热释 电灵敏元的理想材料。 金属氧化物陶瓷热释电 材料,不易潮解,能通过调整化学计量比、掺杂和 对材料微结构进行控制等,在很宽的范围内调整 居里温度和热释电性能。
介电材料
电介质功能材料
铁电材料 压电材料 敏感电介质材料
电 功 能 材 料
电导体功能材料
导电材料 快离子导体 绝缘体材料 半导体材料 超导电体
1．电导体功能材料
材料的导电性以其电导率来度量，表明材料
在电场中传递电荷的能力。载流子数目n、每个载
流子的电荷 q 以及载流子的迁移率 ，决定了材料
（3）压电陶瓷Pachinkom游戏机
它是由若干层锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷块构成的，压
电块既作为传感器又作为执行器。
压电陶瓷Pachinkom游戏机
①当金属球落到陶瓷压电块上时，球的冲击力产生压 电电压； ②电压脉冲通过反馈系统加以放大和调整，然后返回 并施加到压电块的执行器部分； ③陶瓷压电块突然膨胀变形，把金属球抛出压电块所 在的孔，使球沿着螺旋轨道爬出，落入另一孔内，再盘 旋上升，如此周而复始。
介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场（真空中）与最终介 质中电场比值即为介电常数表征材料极化并储存电荷能力的
物理量称为介电常数，用ε表示，无量纲。
3 介电常数 dielectric constant 介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，最终 介质中电场与原外加电场（真空中）比值即为介电常 数。它是指在同一电容器中用同一物质为电介质和真 空时的电容的比值。 表征材料极化并储存电荷能力的物理量，用ε表示， 无量纲。介电常数越小，其绝缘性越好。 4.相对介电常数 • 首先在其两块极板之间为空气的时候测试电容器的
早期的热释电材料都是些单晶材料。最早的实 用热释电材料是硫酸三甘肽(ＴＧＳ)类晶体。 ＴＧＳ晶体具有热释电系数大、介电常数小、 光谱响应范围宽、响应灵敏度高和容易从水溶 液中培育出高质量的单晶等优点。但它的居里 温度较低,易退极化,且能溶于水,易潮解,制成的 器件必须适当密封。ＬｉＴａＯ3晶体材料介电 损耗很小、居里温度高、性能稳定,是制作热释 电灵敏元的理想材料。 金属氧化物陶瓷热释电 材料,不易潮解,能通过调整化学计量比、掺杂和 对材料微结构进行控制等,在很宽的范围内调整 居里温度和热释电性能。
《高分子电功能材》课件
CHAPTER
05
高分子电功能材料在新能源领 域的应用
在太阳能电池中的应用
光吸收与转换
高分子电功能材料在太阳能电池 中主要用作光吸收和能量转换的 介质，通过吸收太阳光并将其转 换为电能。
稳定性与寿命
高分子电功能材料在长时间使用 中保持稳定，不易降解，提高了 太阳能电池的使用寿命。
柔性应用
一些高分子电功能材料具有较好 的柔韧性，使得太阳能电池能够 适应不同的应用场景，如穿戴设 备、建筑表面等。
热学性能测试
总结词
热学性能测试主要关注高分子电功能材料的热稳定性、热膨胀系数和热导率等参数。
详细描述
常用的热学性能测试方法包括热重分析、差热分析、热膨胀分析和热导率测量等。这些测试方法可以帮助我们了 解材料在高温下的稳定性、热膨胀行为和热量传递机制，对于评估材料在实际应用中的耐热性和可靠性具有重要 意义。
性能
高分子电功能材料的电学性能受其化学结构、分子量、聚集态等因素影响，可 通过调节这些因素来优化其性能。
高分子电功能材料的应用领域
电子器件
新能源
高分子电功能材料在电子器件领域具 有广泛应用，如导电高分子在电极材 料、电磁屏蔽材料等方面应用。
高分子电功能材料在新能源领域也有 广泛应用，如太阳能电池、燃料电池 等。
在燃料电池中的应用
催化作用
高分子电功能材料在燃料电池中作为催化剂 ，加速化学反应过程，提高燃料电池的效率 和性能。
气体分离与传导
高分子电功能材料具有较好的气体分离性能和离子 传导性能，能够实现燃料电池中氧气和氢气的有效 分离和传导。
耐腐蚀与稳定性
高分子电功能材料具有较好的耐腐蚀性和稳 定性，能够承受燃料电池工作过程中的高温 和化学腐蚀环境。
第五章(功能转换材料)
13
第五章 功能转换材料 －§5.2 热释电材料
第二节 热释电材料
一、热释电效应
热释电效应是晶体因温度变化而引起电极化的变化，即晶体表面产生等量异号 电荷的现象。
热释电效应反映了晶体的电量与温度之间的关系： ⊿Ps＝p⊿T 式中，Ps—自发极化强度；p —热释电系数；T —温度。 热释电效应产生的前提条件
5
第五章 功能转换材料 －§5.1 压电材料
3.介电常数
介电常数反映了材料的介电性质（或极化性质）。
当压电材料的电行为用电场强度和电位移作变量来描述时，有：
例如：对于压电陶瓷片，其介电常数 为：
D ＝ E
＝Cd/A
式中，C—电容(F)；d—电极距离(m)；A—电极面积(m2) 。
4.机电耦合系数
7
第五章 功能转换材料 －§5.1 压电材料
钙钛矿（CaTiO3）晶体结构模型
8
第五章 功能转换材料 －§5.1 压电材料
2.压电半导体
晶体结构：闪锌矿或纤锌矿结构。 特点：K 值大，并兼有光电导性。 应用：换能器。 水声换能器：通过发射声波或接受声波(分别对应于正、逆压电效应) 来完成水下观察、通讯和探测工作。 典型材料：①Ⅱ-Ⅵ族化合物：CdS、CdSe、ZnO、ZnS、ZnTe、CdTe。 ②Ⅲ-Ⅴ族化合物：GaAs、GaSb、InAs、InSb、AlN。
注：①SBN-50是Sr0.5Ba0.5NbO6；②PZ-FN陶瓷是改性的PbZrO3-PbFe1/3Nb2/3O3； ③PT陶瓷是改性的PbTiO3。
18
第五章 功能转换材料 －§5.2 热释电材料
1.热释电晶体
特点： ①p 值高，性能稳定。 ②自发极化在外电场作用下不发生转向。 典型材料： 电气石、CaS、CaSe、Li2SO4· H2O、ZnO等。
第五章 功能转换材料 －§5.2 热释电材料
第二节 热释电材料
一、热释电效应
热释电效应是晶体因温度变化而引起电极化的变化，即晶体表面产生等量异号 电荷的现象。
热释电效应反映了晶体的电量与温度之间的关系： ⊿Ps＝p⊿T 式中，Ps—自发极化强度；p —热释电系数；T —温度。 热释电效应产生的前提条件
5
第五章 功能转换材料 －§5.1 压电材料
3.介电常数
介电常数反映了材料的介电性质（或极化性质）。
当压电材料的电行为用电场强度和电位移作变量来描述时，有：
例如：对于压电陶瓷片，其介电常数 为：
D ＝ E
＝Cd/A
式中，C—电容(F)；d—电极距离(m)；A—电极面积(m2) 。
4.机电耦合系数
7
第五章 功能转换材料 －§5.1 压电材料
钙钛矿（CaTiO3）晶体结构模型
8
第五章 功能转换材料 －§5.1 压电材料
2.压电半导体
晶体结构：闪锌矿或纤锌矿结构。 特点：K 值大，并兼有光电导性。 应用：换能器。 水声换能器：通过发射声波或接受声波(分别对应于正、逆压电效应) 来完成水下观察、通讯和探测工作。 典型材料：①Ⅱ-Ⅵ族化合物：CdS、CdSe、ZnO、ZnS、ZnTe、CdTe。 ②Ⅲ-Ⅴ族化合物：GaAs、GaSb、InAs、InSb、AlN。
注：①SBN-50是Sr0.5Ba0.5NbO6；②PZ-FN陶瓷是改性的PbZrO3-PbFe1/3Nb2/3O3； ③PT陶瓷是改性的PbTiO3。
18
第五章 功能转换材料 －§5.2 热释电材料
1.热释电晶体
特点： ①p 值高，性能稳定。 ②自发极化在外电场作用下不发生转向。 典型材料： 电气石、CaS、CaSe、Li2SO4· H2O、ZnO等。
第七章材料的功能转换
▪ 热释电电压ΔV ΔV = AR(dQ/dt)=AR(dP/dt)=ARpi (dT/dt）
A——两极板面积； R——负载电阻； Q——晶体表面的电荷面密度 P——自发极化强度 pi——晶体热释电系数
可见，热释电晶体两极板输出的信号电压 与红外辐射的温度变化率成正比。
通过测量信号电压的变化实现了对远距离 热辐射目标温度变化率的测量。
▪ 由上图可以看出，每一个坐标（或坐标分量）只须用一 个数就可以表示，所以叫做标量。每一个矢量P却不能只 用一个数来表示（这里需要三个数），而是需要用多个 分矢量
P ixiei,(i1 ,2 ,3 )
1、一阶张量（矢量）
2、二阶张量
3、三阶张量
4、四阶张量
动画
逆压电效应 压电效应
这种测量不需要使热释电晶体同辐射源达 到温度平衡，从而实现对远距离的热目标的探 测成为可能。
▪ 用作热电红外探测器晶体的主要性能参数： 热释电系数 此外，要求晶体对红外辐射具有吸收
大、热容量小、电容率小、介电损耗tanδ小、 相对密度小、易加工成薄片等。 ▪ 热释电晶体应用
除作探测器外，还可用于非接触测温、 火车热轴探测、森林防火、无损探伤等。
微分项的物理意义：
ij
kl
T
恒定温度下的
s 弹性柔度 ijk l
ij
T
恒定压力下的
热膨胀系数 i j
S
kl
T
恒温下应力引起 的熵变化
T
S T
温度变化但应力 恒定时产生的热， 即恒定应力下的 单位体积的热容量
C
选择外层参量（ ij , Ei ,T ）为独立变量，由此确定 从属变量（ ij , Di , S ）。
特性。
A——两极板面积； R——负载电阻； Q——晶体表面的电荷面密度 P——自发极化强度 pi——晶体热释电系数
可见，热释电晶体两极板输出的信号电压 与红外辐射的温度变化率成正比。
通过测量信号电压的变化实现了对远距离 热辐射目标温度变化率的测量。
▪ 由上图可以看出，每一个坐标（或坐标分量）只须用一 个数就可以表示，所以叫做标量。每一个矢量P却不能只 用一个数来表示（这里需要三个数），而是需要用多个 分矢量
P ixiei,(i1 ,2 ,3 )
1、一阶张量（矢量）
2、二阶张量
3、三阶张量
4、四阶张量
动画
逆压电效应 压电效应
这种测量不需要使热释电晶体同辐射源达 到温度平衡，从而实现对远距离的热目标的探 测成为可能。
▪ 用作热电红外探测器晶体的主要性能参数： 热释电系数 此外，要求晶体对红外辐射具有吸收
大、热容量小、电容率小、介电损耗tanδ小、 相对密度小、易加工成薄片等。 ▪ 热释电晶体应用
除作探测器外，还可用于非接触测温、 火车热轴探测、森林防火、无损探伤等。
微分项的物理意义：
ij
kl
T
恒定温度下的
s 弹性柔度 ijk l
ij
T
恒定压力下的
热膨胀系数 i j
S
kl
T
恒温下应力引起 的熵变化
T
S T
温度变化但应力 恒定时产生的热， 即恒定应力下的 单位体积的热容量
C
选择外层参量（ ij , Ei ,T ）为独立变量，由此确定 从属变量（ ij , Di , S ）。
特性。
功能高分子材料-PPT
除了单纯的连锁聚合和逐步聚合之外，采用多 种单体进行共聚反应制备功能高分子也是一种常见 的方法。特别是当需要控制聚合物中功能基团的分 布和密度时，或者需要调节聚合物的物理化学性质 时，共聚可能是最行之有效的解决办法。
(2)功能性小分子通过聚合包埋与高分子 材料结合
该方法是利用生成高分子的束缚作用将 功能性小分子以某种形式包埋固定在高分子 材料中来制备功能高分子材料。在聚合反应 之前，向单体溶液中加入小分子功能化合物， 在聚合过程中小分子被生成的聚合物所包埋。 在高分子药物、固定化酶的制备方面有独到 的优势。
例如，维生素C在空气中极易被氧化而变黄。 采用溶剂蒸发法研制以乙基纤维素、羟丙基甲基纤 维素苯二甲酸酯等聚合物为外壳材料的维生素C微 胶囊，达到了延缓氧化变黄的效果。将维生素C微 胶囊暴露于空气中一个月，外观可保持干燥状态， 色泽略黄。这种维生素C微胶囊进入人体后，两小 时内可完全溶解释放。
2. 已有高分子材料的功能化
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。 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。
❖ 60年代以后，特种高分子和功能高分子得到发展。
特种高分子：高强度、耐高温、耐辐射、高频绝缘、 半导体等。
功能高分子：分离材料（离子交换树脂、分离膜
等）、导电高分子、感光高分子、高分子催化剂、 高吸水性树脂、医用高分子、药用高分子、高分 子液晶等。
功能陶瓷材料-电功能陶瓷ppt课件
11
缺陷对陶瓷导电的影响
晶体缺陷对陶瓷导电行为的影响比较复杂。陶瓷中点缺陷对材 料电性能影响较大，一般都是使陶瓷材料的电导有所增加。
例如立方ZrO2，其结构中的正离子作立方密堆积，负离子占据全部 四面体间隙，而全部八面体间隙空着，这就便于其他离子在其间移动。 如果在立方ZrO2中加入8at%的Y2O3，Y3+部分替代Zr4+后在晶格中形成部 分氧离子空位，使ZrO2的导电性增强。
功能陶瓷
❖ 功能陶瓷主要是指利用除机械性能外的陶瓷的其它 物理性能，包括导电和半导体性能、绝缘性和介电性、 磁性和热学性能、各种敏感特性，机、电、磁、光、 热等物理性能之间的耦合和转换效应，以及化学和生 物效应制成的一大类材料。
1
电功能陶瓷：
绝缘陶瓷、介电陶瓷、 铁电陶瓷、压电陶瓷、 半导体陶瓷、快离子导 体陶瓷、高温超导陶瓷
和点缺陷不同，位错、层错、晶界等晶体缺陷一般会降低陶瓷 材料的导电性。
12
掺杂可能改变陶瓷材料的导电性。
例如在ZnO中掺杂Al3+ 可以增加材料的导电性，原因是当三价的铝 替代了二价的锌后，原先二价锌的位置上变成了三价的离子。为了保持 电中性，使得Al3+附近的锌变成了一价，而一价锌是不稳定的，又会变成 二价的锌，同时放出一个电子，增加了材料的导电性。
3Leabharlann ❖ 对于传统陶瓷，人们利用陶瓷材料的电性能主要是其绝缘 性能；而对于先进陶瓷材料，除了其绝缘性能外，人们更关 心的是陶瓷材料的导电能力。目前高温超导氧化物的导电能 力已超过金属，得到应用的先进陶瓷材料的电导率覆盖了从 良导体到绝缘体的范围。
❖ 陶瓷材料的导电机制比较复杂，其导电性能与材料组成、 掺杂、微结构、晶体缺陷、制备工艺及后处理过程等密切相 关。
缺陷对陶瓷导电的影响
晶体缺陷对陶瓷导电行为的影响比较复杂。陶瓷中点缺陷对材 料电性能影响较大，一般都是使陶瓷材料的电导有所增加。
例如立方ZrO2，其结构中的正离子作立方密堆积，负离子占据全部 四面体间隙，而全部八面体间隙空着，这就便于其他离子在其间移动。 如果在立方ZrO2中加入8at%的Y2O3，Y3+部分替代Zr4+后在晶格中形成部 分氧离子空位，使ZrO2的导电性增强。
功能陶瓷
❖ 功能陶瓷主要是指利用除机械性能外的陶瓷的其它 物理性能，包括导电和半导体性能、绝缘性和介电性、 磁性和热学性能、各种敏感特性，机、电、磁、光、 热等物理性能之间的耦合和转换效应，以及化学和生 物效应制成的一大类材料。
1
电功能陶瓷：
绝缘陶瓷、介电陶瓷、 铁电陶瓷、压电陶瓷、 半导体陶瓷、快离子导 体陶瓷、高温超导陶瓷
和点缺陷不同，位错、层错、晶界等晶体缺陷一般会降低陶瓷 材料的导电性。
12
掺杂可能改变陶瓷材料的导电性。
例如在ZnO中掺杂Al3+ 可以增加材料的导电性，原因是当三价的铝 替代了二价的锌后，原先二价锌的位置上变成了三价的离子。为了保持 电中性，使得Al3+附近的锌变成了一价，而一价锌是不稳定的，又会变成 二价的锌，同时放出一个电子，增加了材料的导电性。
3Leabharlann ❖ 对于传统陶瓷，人们利用陶瓷材料的电性能主要是其绝缘 性能；而对于先进陶瓷材料，除了其绝缘性能外，人们更关 心的是陶瓷材料的导电能力。目前高温超导氧化物的导电能 力已超过金属，得到应用的先进陶瓷材料的电导率覆盖了从 良导体到绝缘体的范围。
❖ 陶瓷材料的导电机制比较复杂，其导电性能与材料组成、 掺杂、微结构、晶体缺陷、制备工艺及后处理过程等密切相 关。
功能材料及新型材料--精品PPT课件_OK
第十三章 功能材料及新型材料
功能材料的定义、种类
新型材料简介
2021/9/4
Байду номын сангаас
1
表13-1 功能材料分类及应用
功能
应用材料举例
机械功能材料
弹性、刚性
粘性流动性
摩擦磨损
形状记忆
弹性材料
流体物质、超塑性材料、润滑材料
耐磨材料
形状记忆材料
热学材料
热膨胀
导热性
绝热性
蓄热性
膨胀材料
热流体
保温材料
蓄热材料
电学材料
、磁等性能的转换
测温材料、加热与制冷材料、光电转换材料、磁光
材料、电光材料、压电材料、声光材料等
类别
2021/9/4
2
§1 功能材料
✓形状记忆材料
膨胀材料
钛镍记忆合金（医用接骨板）
纳米材料
储氢材料
非晶态合金材料
超导材料
NbTi超导棒
生物医用材料
膜
2021/9/4
梯度材料
膜
3
§2 新型材料
导电性
半导性
绝缘性
导电材料
半导体材料
绝缘体材料
磁性材料
软磁性
硬磁性
软磁材料
永磁材料
声学材料
声的产生、传输、接
收、吸收、变换、控
制等
音响材料、吸声材料等
光学材料
发光、透光性、光反
射性、光色性等
激光材料、发光材料、透光材料、光导纤维等
生物化学功能
材料
生体同化性、透过性
、催化性
人体器官材料
功能转换材料
热、光、电、力、声
✓塑料金属
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磁光材料
磁光效应
磁光法拉第效应 平面偏振光（直线偏振光）通过带磁性的物体时，
其偏振光面将发生偏转，这种现象称为磁光法拉第效应
偏转角
Ve LH
磁场强度
维尔德 光线通过
常数
的长度
磁光材料
磁光效应
磁光克尔效应
当光入射到被磁化的物质，或入射到外磁场作用 下的物质表面时，其反射光的偏振面发生旋转的现象。 其偏振角随磁场强度的变化而变化。
由两种不同导体组成的开路中，如果导体的两个 结点存在温度差，则开路中将产生电动势E。感应电动势 正比于结点温度之差。
DVAB a(T )DT
∆T：两接触点的温差 a(T)：相对塞贝克系数
原理：温差及材料差异导致两种材料 的电子浓度差，在结点处扩散，形成 内电场，即产生热电动势。
热电材料
热电效应 （2）帕尔帖效应（1834年J. C. A. Peltier发现）
声光材料
声光材料
•声光晶体
早期使用的声光晶体有LiNbO3、LiTaO3、α-Al2O3和 R3Al5O2等，品质因素较好的声光晶体有PbMoO4、Pb2MoO5、 TeO2、α-LiIO3等。 PbMoO4晶体具有较高的声光品质因素，其M2 = 36.3×10-18 s3/g，相当于LiNbO3晶体的5倍多。声波损耗低，不吸潮， 生长、处理和加工都比较容易，是制作实用声光器材的主 要材料之一。
电流通过具有温度梯度的均匀导体时，导体将吸收 或放出热量。单位长度上吸收或放出的热量：
Q (T ) I T
x
x
汤姆逊系数
三种热效应的比较：P177表13－3
热电材料
热电材料
塞贝克效应的应用——测温用热电偶 要求：
(1) 温度测量范围广。要求在规定的温度测量范围内有较高 的测量精确度，有较大的热电动势。温度与热电动势的关系 是单值函数，最好是呈线性关系。
见P182
磁光材料
磁光材料的应用
稀土过渡族金属薄膜，如Cd－Co，Ho－Co，Cd－Fe，Te －Fe等，具有较强的磁光效应，可制作磁光器件，实现高密 度信息储存。
磁光材料
磁光材料的应用
激光调制器
磁光调制器是利用偏振光通过磁光介质发生偏振面旋转 来调制光束。磁光调制器有广泛的应用，可作为红外检测器 的斩波器，可制成红外辐射高温计、高灵敏度偏振计，还可 用于显示电视信号的传输、测距装置以及各种光学检测和传 输系统中。
增大光电导增益的途径： 减小样品长度 增加载流子的寿命 增大迁移率
光电导材料的性能 见P175表13-2
光电材料
光电材料
2、光电池材料（太阳能电池） 要求： ①半导体材料的禁带不能太宽；0.9-1.5eV ②要有较高的光电转换效率： ③材料本身对环境不造成污染； ④材料便于工业化生产且材料性能稳定。
热释电材料 热释电效应基本参数
热释电系数
DV＝ARPi
dT dt
两极板面积 负载电阻
温度变化率
热释电电压与热释电系数和温度的变化率有关。
热释电材料
热释电陶瓷
ZnO 、BaTiO3 、PMN (镁铌酸铅) 、PST(钽钪酸 铅) 、BST (钛酸锶钡) 、PbTiO3 、PLT (钛酸铅镧) 、 PZT (锆钛酸铅) 、PZNFT ( PbZrO32Pb (NbFe) O32PbTiO3) 、PLZT (锆钛酸铅镧)等
光电效应主要有光电导效应、光生伏特效应和光电子 发射效应三种。
光电材料 光电效应
1） 光电导效应 在光线作用下，电子吸收光子的能量从键合状态过渡
到自由状态，从而引起材料电导率的变化，这种现象被称为 光电导效应。
本征光电导和杂质光电导
导带
Eg
禁带
价带
自由电子所占能带 价电子所占能带
ห้องสมุดไป่ตู้电材料 光电效应
磁光材料
磁光材料的应用
快速光开关 隔离器
单向导光器，隔离器放置于激光器及光放大器前面，防 止系统中的反射光对器件性能的影响甚至损伤。
磁光材料 磁光材料的应用
环行器
声光材料 声光效应
声波作用于某些物质之后，该物质光学特性发生改 变，这种现象称为声光效应。
超声波引起的声光效应尤为显著，这是因为超声波 能够引起物质密度的周期性疏密变化，使正在该物质中 传输的光改变行进方向。
声光材料
声光材料
•声光晶体
TeO2晶体的声光品质因素M2远高于其他实用声光材料。声 损耗比PbMoO4晶体稍高， TeO2晶体制作的声光器件，驱动 功率小，器件体积小。 α-LiIO3晶体具有旋光、倍频、压电、电光、声光等多种 效应。α-LiIO3晶体的品质因素M2高达86 x 10-18 s3/g，是 PbMoO4、TeO2品质因素的两倍多，因而也是一种优良的声光 材料。
电流流经两种不同导体的界面时，将从外接吸收热 量或向外界放出热量。
物理解释： 电荷载体在导体中运动形成电流。由于电荷载体在不同
的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时， 便释放出多余的能量；相反，从低能级向高能级运动时，从 外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或 放出。
热电材料 热电效应 （3）汤姆逊效应（1856年发现，Thomson）
Pb1-xLax(Zr1-yTiy) O3
电光材料
电光材料
电光材料的应用 （1）电光快门——控制速度可达10-9 m/s，广泛应用于 高速摄影、电影、电视和激光通讯等许多领域。 （2）光调制
磁光材料 磁光效应
置于磁场中的物体，受磁场影响后光学特性发生变 化的现象称为磁光效应。 磁光效应：磁光法拉第效应和磁光克尔效应等
声光材料 声光效应
声光效应有两种表现形式：外加的超声波频率较高时产 生布拉格反射；外加的超声波频率较低时产生拉曼－纳 斯衍射。
(ω＞20MHz)
(ω≤20MHz)
2X sin B 0 / n 布拉格反射
X sin m m 0,1,2,3,...
拉曼－纳斯衍射
声光材料 声光材料 常用声光材料： •声光晶体 •声光玻璃 •声光液体
光电材料 光电效应
3）光电发射效应 在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向
外发射的现象称为光电发射效应。向外发射的电子叫做 光电子。
光子能量
逸出电子 动能
逸出功
光电材料 光电材料
1、光电导材料 光电导增益——光电流与入射光引起的单位时间电荷量的比 值。
电导率正比于载流子浓度及其迁移率的乘积。
对许多红外声光扫描和调制应用来说，Ge是一比较好的材料， 易于生长成优质的大晶体。
声光材料
声光材料
•声光玻璃
声光玻璃通常分为四类:熔石英；含重金属离子玻璃；硫 属化合物玻璃；单质半导体玻璃。
尽管声光玻璃的某些性能不如声光晶体，但因其制造 方便、体积大光学均匀性好和成本低廉，实际上仍然是重 要的声光材料。熔石英、碲玻璃、致密火石、As12Se55Ge55、 As2Se3、非晶型Se等是有代表性的声光玻璃。
（铁电相，斜方反铁电体，居里温度在300℃以上）
压电材料 压电材料的应用
压电薄膜
压电材料 压电材料的应用
压电材料 压电材料的应用
经由双簧式压电致动器出 力使基板产生振动从而构 成一扬声机制：用于移动 电话、掌上电脑(PDA) 、 笔记电脑等的发声模块
压电材料
压电材料的应用
美容保健用超音波按摩头
功能转换材料
压电材料 热释电材料 光电材料 热电材料 电光材料 磁光材料 声光材料
压电材料
压电材料是实现机械能与电能相互转变的工作物质。 压电效应 ——在某些特定方向上加力时，在力方向的垂直平面
上出现正、负束缚电荷的现象。
正压电效应
正压电效应
电能
逆压电效应
逆压电效应
机械能
压电材料
压电材料
钙钛矿型： 钛酸钡 ——（铁电相，四方结构 0-120℃） 钛酸铅 ——（铁电相，四方结构 0-490 ℃） 钛锆酸铅（PZT） ——是由锆酸铅和钛酸铅构成的固溶体
常用太阳能电池材料：硅
光电材料 光电材料
2、光电池材料（太阳能电池） 化合物半导体薄膜太阳能电池 主要有铜铟硒(CIS)和铜铟镓 硒(CIGS)、CdTe、GaAs等。
它们都是直接带隙材料，带隙宽度在1-1.6eV之间，具有 很好大范围太阳光谱响应特性．所需材料只要几个微米厚就 能吸收阳光的绝大部分，是制作薄膜太阳电池的优选活性材 料。
FeSi2型化合物
热电材料 热电材料
帕尔帖效应的应用——电子制冷
电光材料
电光效应
物质的光学特性受电场影响而发生变化的现象称为 电光效应。
其中物质的折射率受电场的影响发生改变的电光效 应分为波克尔效应和克尔效应。
电光材料 电光效应
物质的折射率同所加电场之间的关系：
n n0 aE bE 2 ...
波克尔效应——折射率的变化同电场强度直线关系 （压电晶体） Dn n n0 aE
克尔效应——折射率的变化同电场平方直线关系 各向同性物质（液体）
Dn n n0 bE 2
电光材料 电光材料
电光材料 （1）电光晶体——P179表13-4 （2）电光陶瓷——PLZT（电光系数大）
磁光材料
磁光效应
科顿-蒙顿效应
当光照射到硝基苯等芳香族化合物时，若在与入射 光相垂直的方向上加上外磁场，化合物便可呈现双折射 特性,即一束入射光变为两束出射光——正常光与异常光。 这种现象称为科顿-蒙顿效应。
磁光材料 磁光材料
磁光材料按其状态分为三类： 磁光晶体材料
磁光晶体的典型代表为亚铁磁性石榴石。还有很多磁性 材料，具有突出的磁光效应，它们是尖晶石铁氧体、正铁氧 体、钡铁氧体、二价铕的化合物、铬的三卤化物和一些金属。