功能材料化学

《功能材料化学》复习要点

一、绪论

支撑21世纪人类文明大厦的四大支柱技术：材料科学与技术、能源科学与技术、信息科学与技术、生物科学与技术。功能材料：

功能材料是指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。

功能材料特点：

1. 多学科交叉，知识密集。

2. 品种多，生产规模小，换代快，技术保密性强。

3. 资金和时间投入大，风险大。

4. 高产业、高技术、高性能、高产值、高效益。

二、超导材料

超导体的三个临界参数：

临界温度(Tc):将材料的温度不断降低，直至电阻突然消失的温度称为超导体的临界温度。

临界磁场(Hc):对处于超导态的超导体施加一个磁场，当磁场强度高于一定值时，磁力线将穿入超导体，超导态被破坏，一般把可以破坏超导态的最小磁场强度称为临界磁场。

临界电流(Ic):产生临界磁场的电流，即超导态允许流动的最大电流。

超导体的基本物理性质：

零电阻效应：零电阻率是超导体的一重要的特性。当超导体的温度接近临界温度时，其电导率可视为无限大，因而可承载很大的电流，只要这个电流不超过临界电流Ic,超导体内电流的流动就可看成是无阻的，热损耗也可忽略不计。

迈斯纳效应：当金属在外磁场中冷却而从非超导态转变为超导态时，体内原有的磁力线立即被推出体外，磁感应强度恒等丁零，这种现象称为迈斯纳效应。迈斯纳效应又叫完全抗磁性。

同位素效应：超导体的临界转变温度和其同位素质量有关。同位素质量愈大，转变温度便愈低。

超导材料的分类和各自的特性差别：超导材料按磁化特性分为第一类超导体和第二类超导体。主要特性差别在于第一类超导体只有一个临界磁场Hc,而第二类超导体具有下临界磁场H c1和上临界磁场H C2，在H c1与H C2之间超导体处于超导态和正常态的混合状态。此外，超导材料还可按化学组成分为元素超导、合金超导以及化合物超导；按磁化温度分为高温超导和低温超导。

BCS理论：巴丁、库柏和施瑞弗在1957年发表的经典性的论文中提出了超导电性量子理论，被称为BCS

超导微观理论，用来描述低温超导电性的微观图像。

三、贮氢材料

固态贮氢原理：

合金中的一个金属原子能和两、三个甚至更多的氢原子结合，生成稳定的金属氢化物，同时放出热量，将其稍稍加热，氢化物发生分解，吸收热量后，又可将吸收的氢气释放出来。用方程式表示为：反应进行的方向取决于温度、压力和合金成分。三种贮氢方式各自的优缺点：

气态贮氢：能量密度低，不安全

液态贮氢：能耗高，对储罐绝热性要求高固态贮氢：体积储氢容量高，无需高压及隔热容器，安全性好，无爆炸危险，可得

到高纯氢。

氢贮氢材料主要靠温度、压力和合金

成分控制吸氢和放氢的过程。

化物的分类：

1. 离子型(盐类)氢化物：I A碱金属

和U A碱金属(除铍和镁)电负性

极低，氢化后把电子转移给氢原子，

氢成为负离子

H-,组成离子键型氢化物。如

LiH、NaH、KH、RbH、CsH、CaH2、

BaH2 等

2. 金属型氢化物：氢与皿B~VB 族

的过渡金属形成氢化物时，氢的

特性介于H-~H+之间，氢原子进

入金属晶格形成间隙型化合物。

3. 边界氢化物：周期表中I B、

n B族和部分皿A族铟、铊的氢

化物，CuH2和InH2 ,但这类氢

化物不稳定，无实用价值。

4. 共价型-分子型氢化物：皿A~ 1A

族元素具有高电负性，与氢共用

电子，组成共价键，具有分子型

晶格，生成共价型氢化物。

典型的贮氢合金：镁系合金、稀土系合

金、钛系合金等。

四、形状记忆合金

形状记忆效应：将材料在一定条件下进行

一定限度以内的变形后，再对材料施加适

当的外界条件，材料的变形随之消失而回

复到变形前的形状的现象。

形状记忆效应的三种形式：

①单程形状记忆效应：在低温相时将其

任意变形，再加热时恢复为高温相形状，

而重新冷却时却不能恢复低温相时的形

状。

②双程形状记忆效应：加热时恢复高

温相形状，冷却时恢复低温相形状，即通

过温度升降自发可逆地反复恢复高低温相

形状的现象，或称为可逆形状记忆效应。

③全程形状记忆效应：当加热时恢复* 高

温相形状，冷却时变为形状相同而取向相

反的高温相形状的现象。只能・在'富镍的

Ti- Ni合金中出现。

«o — u O

_MHx H 吸臥放热_^MHy H

y x 2释氢，吸热y x

马氏体相变：以晶格畸变为主的位移型无

扩散相变统称为马氏体相变。

热弹性马氏体：马氏体一旦生成可以随着

温度降低继续长大，当温度回升时，长大

的马氏体又可以缩小，直至恢复到原来的

母相状态，即马氏体随着温度的变化可以

可逆地长大或缩小。具有热弹性马氏体转

变的合金会产生“超弹性”和“形状记忆

效应”。形状记忆合金的应用：目前已实

用化的形状记忆材料只有Ti-Ni合金和铜

系形状记忆合金。其他合金因晶界面易断

裂，只有处于单晶时才能使用，目前尚不

适宜于工业应用。

形状记忆合金可用于制造人造卫星

天线、密封管件、牙齿矫正丝等。

五、非晶态合金

非晶态：固态物质原子的排列所具有的近

程有序、长程无序的一种状态。

(玻璃、有机聚合物、非晶态合金、非晶态

半导体、非晶态超导体等) 非晶体基本特

征：

(1)内部原子排列短程有序

而长程无序；

(2)

介稳性(热力学不稳定

性)，存在向晶态转化的

趋势，即原子趋于规则

排列；

(3)由熔融态向玻璃态转化

的过程是可逆与渐变

的；

(4)

由熔融态向玻璃态转化

时物理、化学性质随温

度变化的连续性；

(5)物理、化学性质随成分

变化的连续性。

非晶态合金常用制备方法：真空蒸发法、

溅射法、化学气相沉积法、液体急冷法等。

非晶态合金结构主要的分析方法：X

射线衍射法、电子衍射法、中子衍射法。

六、磁性材料

磁性材料：主要是指由过渡元素铁、钻、镍

及其合金等组成的能够直接或间接产生磁

性的物质。

磁化曲线：磁性材料在外加磁场H作用下，

磁化强度M或磁感应强度B 随外加磁场强

度H的变化曲线称为

磁化曲线。

磁滞回线：铁磁材料在反复磁化过程中磁场

强度H与磁感应强度B之间的关系曲线。

磁性材料特性参数:

(1) 饱和磁感应强度Bs:是指在指定

温度(25t或1001) 下, 用足够大

的磁场强度磁化磁性物质时，磁

化曲线达到接近饱和水平时，不

再随外磁场增大而明显增大对应

的B值。

(2) 剩余磁感应强度Bt :铁磁物质磁

化到饱和后，又将磁场强度下降

到零时，铁磁物质中残留的磁感

应强度，简称剩磁”。即磁滞回

线中H回到0时的B 值。

(3) 矫顽力Hc:铁磁物质磁化到饱和

后，由于磁滞现象，要使磁介质

中B为零，需要有一定的反向磁

场强度-H ,此时磁场的强度称为

矫顽磁力。即磁滞回线中B回到

0时的H值。

(4) 居里温度Tc:铁磁物质的磁

化强度随温到某一温度时失，该

临界温它确定了磁性限温度。

(5単磁导率屮是

点所对应的

该数值与器件

磁性材料现在主要分两大类，一类是软

磁，一类是硬磁：

硬磁材料：如果磁滞回线很宽，即Hc很

高，需要很大的磁场强度才能将磁材料磁

化到饱和，也就是说这类材料磁化困难，

去磁也困难，我们称这类材料为硬磁材

料。

软磁材料：在较弱的外磁场作用下，磁感

应强度达到很高的数值，同时很低的矫顽

磁力，即容易磁化，又容易退磁，我们称

这类材料为软磁材料。磁致伸缩效应：磁

性材料磁化时，形

状和尺寸发生弹性

变化的现象称为磁

致伸缩效应。

矩磁材料：磁滞回

线呈矩形。主要用于磁

记录和磁存储技术方

面，所以又叫做磁记录

与磁存储材料。

巨磁阻效应：铁磁性材料的电阻在磁场(H)

中增大的现象。

七、半导体材料

半导体：一类具有半导体性能(导电能力介

于导体与绝缘体之间，电阻率约在1m Q・

cm —1G Q，cm),可用来制作半导体器

件和集成电路的电子材料。

半导体特性：掺杂性，热敏性，光敏

性，

负电阻率温度特性，整流特性等。光生伏

特效应：光照能使半导体材料的不同部位

之间产生电位差。这种现象被称为“光生

伏特效应”，简称“光伏效应”。

半导体的导电来源于电子和空穴的运动，

电子和空穴都是半导体中导电的载流子。

杂质半导体：利用杂质元素掺入纯元素

中，把电子从杂质能级激发到导带上或者

把电子从价带激发到杂质能级上，从而在

价带中产生空穴的激发叫做非本征激发或

杂质激发。满足这种激发的半导体就称为

杂质半导体。典型的半导体材料：硅、

锗、神化镓、磷化铟、氮化镓、碳化硅硫

化锌等。

温度升高而下降，达，

自发磁化消度为居

里温度。n 器件工作

的上

上任何

B与H的比值，

工作状态密切