现代功能材料概论

现代功能材料

一、本课程内容

1.基础知识

2.超塑性材料

3.纳米材料

4.驱动材料（电流变体材料、压电材料、形状记忆材料、磁致伸缩材料、聚合胶体）

5.传感材料（光导纤维、电阻应变丝、疲劳寿命丝、碳纤维传感元件、半导体传感元件、压电材料）

6.非晶态材料（非晶态聚合物、无机非晶态材料、非晶态半导体、非晶态金属（金属玻璃））

7.功能高分子材料（化学功能、光功能、电功能、高分子液晶）

8.其它（超导材料、储氢材料、泡沫材料、磁性材料、阻尼材料……）

二、本课程三大特点

新、广、趣

对教师和学生都具有很高的挑战性

是扩大知识面的非常好的内容

三、本课程学习方法

认真听、积极思考 创造性思考

四、本课程考查方式（与学生讨论）

科学论文形式的文献综述

（中英文题目、中英文摘要、关键词、引言、历史、应用、研究现状、存在问题、发展趋势、创造性思想、结语、参考文献，等）

在综述中可表述自己的观点，不要怕标新立异，关键要自圆其说。

第一章绪论

§1.1 材料的功能

为了生存和发展，人类一方面从大自然只选择天然物质进行加工和改造，获得适用的材料；另一方面通过物理化学加工方法研制合金、玻璃、有、陶瓷、合成高分子材料来满足生产和生活的需要。人们使用这些出来是，有的是利用某些材料具有抵抗外力的作用而保持自己的形状和结构不变的优良力学性能（如强度和韧性）来制造工具、机械、车辆以及修建房屋、桥梁、铁路等，这些侧重于强调强度功能的材料统称为结构材料。与此相应，我们把侧重于“切断以外的功能”的材料称为“功能材料”，这通常是通过光、电、磁、声、热、化学、生物化学等的作用，使出来具有特定的功能，主要是光学功能、电磁功能、电绝缘功能、声学功能、身体功能、分离功能、梯度功能、形状记忆功能、自适应功能等。

根据出来的性质特征和用途，可将功能材料定义为：具有优良的电学、磁学、光学、声学、力学、化学和生物学功能及其相互转换的功能，被用于非结构目的的高技术材料。也可以表述为：为了赋予材料以有用的功能，通过改变材料的成分、结构、添加剂和制作方法而作成的材料。例如把材料制作成超微粉末、超薄膜而使之产生新的功能，或对一种材料加上某种能量，使之产生另一种能量释放出来等等。

图1.1是功能材料和结构出来关系的示意。

§1.2 功能材料概述

功能材料按其物质性，可分为金属功能材料、无机功能材料、有机功能材料和复合功能材料等。

1.2.1无机系 1.2.1.1 PTC 材料：

某温度范围内有正的电阻温度系数。如在BaTiO 3上用La （3价稀土）置换部分Ba ，为保持电中性，Ti 4+ Ti 3+,居里点附近电阻值有几个数量级的变化，且为正温度系数。也可用Sr 或Pb 等来置换Ba ，用Zr 、Sn 置换其中的Ti 使居里点移动，使工作范围变化。

应用：①温度补偿元件，如补偿二极管等因温度发生的电阻变化； ②无触点开关，如冰箱开关、电热毯开关等。 1.2.1.2 气氛传感器材料：

可测出接触物体表面的气氛种类、浓度和气体温度等。

应用：①半导体气体传感器：气体分子吸附半导体表面，由于其氧化和还原性不同，可使半导体导通性变化而给出信号。为提高表面积，多做为多孔状；为提高灵敏性，一般加热至200——400℃下使用。

②固体电介质气体传感器：以离子导电方式固体电介质做成电池，由两极气体浓度或压力差给出电动势。如ZrO 2-Y 3O 3系，ZrO 2-CaO,两边加多孔Pt 电极形成氧浓差电池测氧的浓度。

a) 可燃气体传感器：加Pd 的SnO 2，加Pd 或Pt 的ZnO 2、γ-Fe 2O 3系等。 b) CO 气体传感器：加Pd 或Pt 的SnO 2，对CO 选择性吸收很好，灵敏度很高。 c) 酒精气体传感器： SnO 2系列；磷灰石-ZnO 复合材料；Sm 0.5-Sr 0.5-CoO 3系等。 d) 湿度传感器：MgCr 2O 4-TiO 2 ；(BaSr)TiO 2；ZnO 2-MgO ； Al 2O 3-TiO 2-SnO 2；ZnCr 2O 4-LiZnVO 4。 e) 氧传感器：ZnO 2-Y 2O 3（浓差电池型）；TiO 2（电阻变化型）。 1.2.1.3原子能燃料

中子照射铀(U)原子核生成钡(Ba)。 费米1942年成功控制了裂变过程。

锕族（最重要的元素）天然只有铀（U ）和钍（Th ）。铀在地球上储藏量只有2/百万，又分为235U 和238U ，235U 可裂变，而238U 不可裂变，235U 只占U 中的0.71%。232Th 不可裂变。所以天然原子能燃料很少。238U 和232Th 在0.1-10MeV 中子照射下，可转化为可裂变元素。

1.2.1.4 核聚变材料 （核融和研究）

太阳能是四个氢原子核聚变成He ，重要燃料是重氢——氘，主要来源是海水。先产生高温等离子，然后发生热聚变，将海水中氘、氚射到炉心中产生热核反应，要用超导线圈使几亿度高温等离子体与炉壁隔离，如图1.1。

氘+氚 4+He+中子+17.6MeV

氚：中子与Li （100℃时为液态）反应生成的。有时用Li-Pb ， 融盐：LiF,Li 2O 。 1.2.2 有机系 1.2.2.1 磁性材料

{[Fe(C 12H 17N 3)SO 4·6H 2O]} n 称PPH-FeSO 4 在4.6K 产生磁滞回线。 1.2.2.2 气体分离膜

多孔膜，其中r/λ>5（r ：孔半径，λ：气体平均自由程），透过速度与粘度成正比；r/λ<1，透过速度与分子量成正比。

分子筛是一类能筛分分子的固体材料，气体或液体混合物分子通过这种材料后，就按照不同分子的特性彼此分离开来。如5 A 分子筛是吸水的，13X 是分离氢和氧的。许多物质如晶体硅酸盐（又称沸石或泡沸石）、多孔玻璃、特制活性炭、葡萄糖凝胶、琼脂凝胶、聚丙烯酰胺凝胶等都有分子筛效应。

多孔膜：Q = P(p 1-p 2)At/l

Q: 透过量，P: 透过系数，l ：膜厚，p 1、p 2：膜两侧气体分压，A ：透过面积，t ：时间。如：聚丁二烯、聚丙乙烯、醋酸纤维、二甲基硅氧烷等。 1．2．2．3 超导材料

常规材料在0°K 仍有一固定R 值，而在某温度下，R =0时，即为超导材料。图1.3为T-H-J 示意图，T c -H c -J c 面下即为超导材料，T c 、H c 、J c 为临界值。

1911年发现水银有超导，但T c 、H c 、J c

值很低，无使用价值。上实际50年代后期，发现Nb 或V 的合金或化合物，其临界值较高。

Nb-Ti: T c ≈ 10K,液He 下（4.2K ），H c =11T(特斯拉)，（1T = 104高斯）。 Nb 3Sn: T c ≈ 15～23K ，H c ≈ 20～40T PbMo 6S 8: H c ≈ 50T。

实用超导线材：

Nb-Ti: Nb-50～75at%Ti,一般10μm 丝埋在铜中。工艺过程：电弧炉熔Nb-Ti 几吨铸锭 加工成指头粗的棒 插入300mm 铜管 一道拉成丝 再插入铜管 再拉，反复到丝有10万根左右为止。

V 3Ga 化合物线材。

在Nb 或V 的带基上将熔化的Ga 或Nb 3Sn 用连续扩散的方式制成带材。 开发中的超导材料：