功能材料化学

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《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：ⅠA碱

金属和ⅡA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ⅢB~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ⅠB、

ⅡB族和部分ⅢA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：ⅢA~

ⅦA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。

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、

钴、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（25℃或100℃）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

化强度随温度升高而下降，达

到某一温度时，自发磁化消

失，该临界温度为居里温度。

它确定了磁性器件工作的上

限温度。

(5)磁导率μ：是磁滞回线上任何

点所对应的B与H的比值，

该数值与器件工作状态密切