功能材料(功能转换材料).ppt
第七章功能转换材料
金属棒中，两端温度不同，电子扩散形成的电动势
即汤姆逊电动势。发生在同种金属两端之间。
AB (T1)
Ek
(T )
dT dl
l
0 Ek dl
T2 (T )dT
T1
A
B
回路总电动势：
AB (T1T2 ) AB (T1) AB (T2 )
T2 T1
A (T )dT
T1 T2
B
(T
金属棒 ab ，两端 T1 T2
a
I T1
T1 T2
b
T2
流过电流，棒吸热，电流反向时放热。称为汤姆逊效应。
原因：棒ab存在电动势（汤姆逊电动势）
温度高处（a）电子动能较大， a
向低温处扩散，形成电动势。非 静电力（扩散力）做负功，吸热；
T1
Ek
电流反向时，非静电力做正功，
放热。
E b
T2
还有：硫化镉，鍗化镉，砷化镓
3、光电子发射应用
光电管是利用光电子发射（外光电效应）制成。用 于光控继电器（自动报警器等）、光电光度计（光电 流反应入射光强度）
光电倍增管（非常弱的光照，产生很大电流），在 工程、天文、军事上有重要应用。
电视摄像管
7-4 热电材料
一、热电效应（温差电效应）
用不同导体构成回路，两接头保持温差，则闭合
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。 2、结型光电二极管 （1）高速响应的光电探测器
对非结型光电探测器，光电子在外电路中产生光电 流的响应慢。光照停止时，载流子平均寿命内仍存在 光电子，故有延迟光电流产生。
对结型光电二极管，光电子主要产生于结中吸收区内。
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。
第七章 功能转换材料、纳米材料要点
第七章功能转换材料、纳米材料一、功能能转换材料一次功能：向材料输入的能量和输出的能量为统一形式，材料起到载体作用。
例导电、传热、透光、吸附等。
二次功能：向材料输入的能量和输出的能量为统一形式，材料起到转换作用。
例光能与其他形式的能量的转换—光分解、光化学、光到电等；电能与其他形式的能量的转换—电磁效应、热电效应等；磁能与其他形式的能量的转换—光磁效应、磁冷冻效应等；机械与其他形式的能量的转换—热弹性、机械化学、压电等。
以上二次功能材料都属于功能转换材料。
二、“光化学”功能转换材料——光催化材料1定义：光的照射下，促进化合物（有机、无机）合成或分解。
光能→化学能2应用：太阳能利用、污水处理、空气净化、除菌保洁等。
（环保、能源材料）3TiO2光催化剂的结构与性质1）三种晶型：板钛矿锐钛矿金红石2）能带结构：锐钛矿禁带宽度（Eg）为3.2ev，根据λg（nm）=1240/Eg=387nm，需要紫外光源照射。
3）光催化降解机理：羟基自由基（·OH）的强氧化性4研究现状能源利用：光的照射下，TiO2将H2O→H2；污水处理：（美国）对海上石油泄漏进行处理；杀菌保洁：（日本）保洁瓷砖、自洁净玻璃光催化技术存在的问题：1）光催化剂2）负载3）反应器三、纳米材料简介1 基本概念著名的物理学家、诺贝尔奖获得者Feyneman（费曼）早在六十年代曾经预言：如果我们对物体微小规模上的排列加以某种控制的话，我们就能使物体得到大量的异乎寻常的特性，就会看到材料的性能产生丰富的变化。
他所说的材料就是现在的纳米材料。
1）纳米材料：指晶粒尺寸为1~100nm的超细材料(nm=10-9m)。
2）组成部分：纳米晶粒——具有长程序的晶状结构；晶界——既没长程序，也没短程序的无序结构。
在纳米材料中，界面原子占极大比例，而且原子排列互不相同，界面周围的晶格结构互不相关，从而构成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态。
从材料的结构单元层次来说，它介于宏观物质和微观原子、分子的中间领域。
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。
功能材料之能源材料PPT
02
常见能源材料的特性与性能
电池材料的特性与性能
电池材料种类
包括锂离子电池、镍氢电池、铅酸电池等，每种材料具有不同的 特性与性能。
电池材料的电化学性能
包括能量密度、功率密度、循环寿命、充电速度等，直接影响电池 的储能和放电能力。
电池材料的安全性
电池材料应具有较高的安全性，无毒或低毒，不易燃烧或爆炸，以 确保使用过程中的安全。
燃料电池材料面临的挑战与前景
总结词：燃料电池是一种将化学能转化为电能的装置 ，其核心是燃料电池材料。目前，燃料电池材料面临 的主要挑战是提高电化学性能和降低成本。随着技术 的不断进步，燃料电池材料的前景非常广阔，未来将 会涌现出更多的新型燃料电池材料，为人类提供更加 高效、环保的能源解决方案。
详细描述：目前，质子交换膜燃料电池是最成熟的燃料 电池技术之一，其具有较高的能量密度和较低的成本。 但是，质子交换膜燃料电池的寿命较短，且需要使用贵 金属催化剂。因此，研究人员正在开发新型燃料电池材 料，如固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池等。 这些新型燃料电池具有更高的电化学性能和更长的寿命 ，同时不需要使用贵金属催化剂。未来，随着技术的不 断进步和成本的降低，燃料电池有望在交通运输、电力 供应等领域得到广泛应用。
太阳能电池材料面临的挑战与前景
总结词
太阳能电池材料是一种重要的可再生能源材料，目前 面临的主要挑战是提高光电转换效率和降低成本。随 着技术的不断进步，太阳能电池材料的前景非常广阔 ，未来将会涌现出更多的新型太阳能电池材料，为人 类提供更加高效、环保的能源解决方案。
详细描述
目前，硅基太阳能电池是应用最广泛的太阳能电池，其 光电转换效率高、稳定性好，但是成本较高。因此，研 究人员正在开发新型太阳能电池材料，如钙钛矿太阳能 电池、染料敏化太阳能电池等，这些新型太阳能电池具 有更高的光电转换效率和更低的成本，有望成为未来的 主流太阳能电池。此外，随着技术的不断进步，太阳能 电池的集成度也将越来越高，未来将会出现更加高效、 环保的太阳能发电系统。
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
10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。
第七章新型功能材料
(3) 光电动势材料
光照时p-n结能够吸收光子，由于光激发而 使电子和空穴激发。又由于存在内电场，因此 受其作用，空穴将向p区移动而积累，电子向n 区移动而积累。从而产生了时势。 光电池中最活泼的领域是太阳能电池，所用 的材料主要有硅太阳能电池
硅太阳能电池是半导体太阳能电池的一种， 可分为单晶硅太阳能电池、多晶太阳能电池和 非晶硅太阳能电池三种。
第2节功能转换材料
7.2.1 光电转换材料
1. 光电导效应
物质在受到光照射作用时，电导率发 生变体的现象，称为光电导效应。产生 这种效应的原因在于材料吸收光子后， 其中的载流子浓度发生了改变。
2.光生伏特效应
如果光照射到半导体的p-n 结上，则在p-n结两端会出现 电热差，p区为正极，n区为负 极。这一电热差可以用高内阻 的电压表测量出来，这种效应 称为光生伏特效应。 利用光生伏特效应原理不仅 可以制作探测光信号的光电转 换元件，还可以制造光电池太阳能电池。
7.1.4 超导材料的种类
按成分分为：元素超导体、合金和化 合物超导体，有机高分子超导体三类。 按Meissner效应分为两类：
5. 超导材料的性能
超导材料的种类很多，大致可分 为低温超导体、高温超导体、非晶超 导材料复合超导材料、重费米超导体、 有机超导材料。
1.低温超导材料：这种材料的超导转变 温度较低，大约在30K以下。具体又可 分为元素超导体、合金超导体、化合物 超导体三种。
1.固-液相变储能材料
(1)无机储能材料（2）有机储能材料
2.固-固相变材料
（1）多元醇 主要有季戊四醇（PE）、2,2-二羟甲基丙 醇（PG）、新戊二醇（NPG）等。 （2）高分子类 如交联聚烯烃类、交联聚缩醛类和一些接 枝共聚物 （3）层状钙钛矿 一种有机金属化合物
第五章(功能转换材料)
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。
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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。
功能材料介绍PPT
现代社会对研制新一代材料提出了结构和功能相结 合的要求。即材料不仅能作为结构材料使用，而且具 有特殊功能或多种功能。同一构件、设备、器件可能 是结构材料和功能材料的结合。如航天航空器既有特 殊结构材料，又有特殊的功能材料。
分类： 很难有统一的认识，常见的分类方法有：
中国在商周处于青铜时代的鼎盛时期，湖北隋县出 土的编钟、西安青铜马车都反映当时中国冶金技术水 平和高超的制造工艺。
公元前13-14世纪，人类开始使用铁。3000年前的 铁器比青铜器更为普遍，人类开始进入铁器时代。
到春秋末期，中国的生铁技术遥遥领先于其他国家。 如生铁退火而制成的韧性铸铁以及生铁炼钢技术发明， 促进了当时生产力的大发展，对农业、水利和军事的 发展起到了极大的作用，推动了世界的文明与进步。
6、扩展功能材料的应用范围，尤其是尖端技术与民 用高技术领域中的应用。
Байду номын сангаас
2、材料的发展史
人类发展的历史证明，材料的发展导致时代变迁。 人类的历史曾以使用的主要材料来划分，如石器时代、 铜器时代和铁器时代等。
早在100万年前，人类开始使用石头做工具，使人 类进入旧石器时代。大约1万年前，人类能对石头进行 加工，使石头成为精制的器皿和工具，从而进入新石 器时代。在新石器时代，人类开始用毛皮遮身。8000 年前，中国开始用蚕丝做衣服。4500年前，印度人开 始种植棉花，这些都标志着人类使用材料促进人类文 明进步。此外，人类还使用竹、木、骨等原始天然材 料，不经或稍许加工而制成工具或用具。这是材料发 展的初始阶段，其特点是人类单纯选用天然材料。
人类还处于新石器时代，就已经发明了粘土成型， 在火烧固化而得到陶器，用作器皿或装饰品。陶器的 出现，是对人类文明的一大促进。在烧制陶器的过程 中，又偶然发现了铜和锡，实际上是铜和锡的氧化物 在高温下被碳还原的产物，进而生产出色泽鲜艳且能 浇铸的青铜，使人类进入青铜时代。这是人类较大量 使用金属的开始。希腊、印度、埃及和中国都在公元 前3000年左右进入青铜时代。