功能材料全套课件230页

按使用性能
电功能材料 磁功能材料 光功能材料 热功能材料 化学功能材料 生物功能材料 声功能材料 隐形功能材料
功能材料的现状
近几年来，功能材料迅速发展，已有几十大类， 10万多品种，且每年都有大量新品种问世。现已开发 的以物理功能材料最多，主要有：
1）单功能材料，如：导电材料、介电材料、铁电材料、 磁性材料、磁信息材料、发热材料、热控材料、光学 材料、激光材料、红外材料等。
半导体：能带添充同绝缘体，但能隙小。
３、近代电导理论
晶格振动产生能量（热）——声子。
晶格振动形成的声子与电子发生相互作用引 起电子散射，产生电阻。另外：晶体中的杂 质和缺陷也引起电子散射，产生电阻。
(T)=0+T (TD) (T)=0+ T (T D) D德拜温度：当高于一特定温度后，摩尔热 容接近一个常数（25J/mol K).低于此温度 摩尔热容与T3成正比。
（2）合金材料。电导率在105~107 S/m之间；
黄铜（1.60× 107 S/m ）， 镍铬合金（9.30× 105S/m ）
（3）无机非金属材料。电导率在105~108 S/m之间。
石墨在基晶方向为2.5×106 S/m。
金属导电材料
1、导电引线材料 Au, Ag, Cu, Al,Fe 合金:AlMg, AlMgSiFe,AlMgCuFe ２、导体布线材料 薄膜导体材料：贵金属薄膜，复 合薄膜材料
功能材料
Functional Materials
功能材料
Functional Materials 李建忱
材料馆610室
第一节 概述
定义： 以特殊的电、磁、声、光、热、力、化 学及生物学等性能作为主要性能指标的一类 材料。是用于非结构目的高技术材料。
1965年由美国贝尔实验室的J.A. Morton 博士首先提出功能材料概念。
5）新形态和新概念功能材料，如：液晶材料、梯度材料、 纳米材料、非平衡材料等。
目前，化学和生物功能材料的种类虽较少，但其 发展速度很快，其功能也更多样化。
功能材料的展望
展望21世纪，功能材料的发展趋势为：
1）开发高技术所需的新型功能材料，特别是尖端 领域（航空航天、分子电子学、新能源、海 洋技术和生命科学等）所需和在极端条件下 （超高温、超高压、超低温、强腐蚀、高真 空、强辐射等）工作的高性能功能材料；
2）功能转换材料，如：压电材料、光电材料、热电材料、 磁光材料、声光材料、电流变材料、磁敏材料、磁致 伸缩材料、电色材料等。
3）多功能材料：如防振降噪材料、三防材料（防热、防 激光和防核）、电磁材料等。
4）复合和综合功能材料，如：形状记忆材料、隐身材料、 传感材料、智能材料、显示材料、分离功能材料、环 境材料、电磁屏蔽材料等。
导体电阻率公式
电阻率公式：
i T
ρi取决于晶格缺陷的多 少，缺陷越多， ρi越大，一 般与温度无关；ρT取决于晶 格的热振动。
电阻率随着温度升高而升高，这是导体的一个特征。
导体材料的种类
导体材料按照化学成分主要有以下三种：
（1）金属材料。电导率在107~108 S/m之间；
银（6.63× 107 S/m ）、铜（5.85× 107 S/m ）和 铝 （3.45× 107 S/m ）
导电材料的分类
按导电机理可分为：电子导电材料和离子导电材 料两大类。
电子导电材料包括导体、超导体和半导体：
绝缘体
半导体
导体
10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 104 105 106
电导率σ S/m
超导体：σ→∞
离子导电材料的导电机理源于离 子的运动，由于离子的运动速度远小 于电子的运动速度，因此其电导率较 小，目前最高不超过102 S/m ，一般在 100 S/m以下。
材料：锗Ge半导体材料
硅Si半导体材料
硬化镓GaAs半导体材料
功能材料的分类
功能材料种类繁 多，涉及面广， 有多种分类方法。 目前主要是根据 材料的化学组成、 应用领域、使用 性能进行分类。
按化学组成 金属功能材料 陶瓷功能材料来自高分子功能材料复合功能材料
研究背景 2-1
按应用领域
电工材料 能源材料 信息材料 光学材料 仪器仪表材料 航空航天材料 生物医学材料 传感器用敏感材料
电接点 （触头）
材料
第一节 固体导电性
一、自由电子论(P. Drude , A. Lorentz) ＝１／＝ne2L/2mv 价电子参与导电 无法解释低价金属导电性好？ 量子自由电子论（A. Sommerfeld) 只有费米面的电子导电 n为有效电子数 无法解释电导率与温度的关系，导电性 各向异性
二、能带理论
能带：指晶体中电子能量的本征值即不 像孤立原子明显分立的电子能级，也不 像无限空间中自由电子所具有连续能级。
满带：所有能级全部被电子添满。
空带：所有能级全部都是空的。
导带：部分电子的未满带
价带：导带以下的第一个满带。
导体：除了满带和空带外，还存在未满 带
绝缘体：没有未满带，更高能级全部为 空带。
7）加强功能材料的应用研究，扩展功能材料的应用 领域，加强推广成熟的研究成果，以形成生产力。
主要内容
电功能材料 磁功能材料 热功能材料 光功能材料 其它功能材料简介
第二节 导电功能材料
以特殊的电学性能或各种电效应作为主 要性能指标的一类材料。
导电 材料
电阻 材料
半导体 材料
超导 材料
2）功能材料的功能从单功能向多功能和复合或综 合功能发展，从低级功能向高级功能发展；
3）功能材料和器件的一体化、高集成化、超微型化、 高密积化和超分子化；
4）功能材料和结构材料兼容，即功能材料结构化， 结构材料功能化；
5）进一步研究和发展功能材料的新概念、新设计和 新工艺；
6）完善和发展功能材料检测和评价的方法；
内容 1-1
功能材料在电力技术、电子信息技术、 微电子技术、激光技术、空间技术、海洋 技术等领域得到广泛应用。
例：计算机的发展历史－CPU
1. 电子管 2. 晶体管 3. 集成电路 4. 大规模集成电路
现代微型计算机的功能与第一台大 型电子管计算机相当，但运算速度快几 十 倍 、 体 积 仅 1/300,000 、 重 量 仅 1/60,000。IBM研制的超级计算机的运算 能力可达39,000次/s。（发热）