2015 AFM ch1 功能材料概论课件

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第1章 功能材料概论
1. 现代文明的三大支柱-----能源、信息、材料。
2. 材料是一切技术发展的物质基础。
1986年我国制定的《高技术发展计划纲要》， 被列入的七个技术群：生物技术、信息技术、激 光技术、航天技术、自动化技术、新能源技术和
新材料技术。
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一、材料科学及其发展
1、 材料概念 ☞可用来制造有用构件、器件或物品的物质。 师昌绪主编：《材料大辞典》 ☞“具有一定性能的物质, 可以用来制成一些机 器、器件、结构和产品” 美国科学院、工程院 联合编写《材料：人类的需求》
先进功能材料
Adv. Func. Mater.
兰州理工大学材料学院
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主要参考资料
References
1. 《先进功能材料》 李弘，(化学工业出版社,2010) 2. 《功能材料学》周馨我 (北京理工大学出版社,2002)
3. 《新型功能材料》 贡长生，张克立(化学工业出版社,2001)
4. 《信息功能材料》赵连城 等（哈工大出版社,2005 1st ed.) 5. 《电子材料导论》李言荣等，清华大学出版社，2001 (第1版)
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பைடு நூலகம்
几乎所有物质均为材料，但并非所有材料都能引起人 们的广泛关注。 那么，什么样材料值得关注？ 具有实用价值 5个判据： 资 源 能 源 环 保 经 济 质 量 据此，有人提出材料定义： 能够经济地制造有用器件的物质
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2、 材料历史
某种意义上：人类文明史就是材料史。 社会发展历史阶段常根据当时使用主要材料来划分。 从古至今共经历6个时代： 石器时代 青铜器时代 铁器时代 钢时代
注：结构材料与功能材料划分并非绝对
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材料特定功能与特定结构是相联系： 导电聚合物具有长链共轭双键；
形状记忆合金具有弹性马氏体相变结构，
压电陶瓷具有极轴等。 金刚石具有 金刚石晶体结构； 石墨具有片层结构
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三、功能材料的特征和分类
1、与结构材料相比，功能材料主要特征：
①功能对应微观结构、微观运动——最本质特征； ②聚集态、形态多样：晶态、非晶态、气态、液态、液晶 态、混合态、等离子态等，三维、二维、一维、零维. ③多学科交叉高技术密集型产物。 ④制备涉及新工艺和新技术：急冷、超净、超微、超纯、 薄膜化、集成化、微型化、智能化、精细控制等。 ⑤结构材料多数以材料形式为最终产品，功能材料多以元 件形式为最终产品。
公元前10万年（原始人） 公元前3000年（我国三皇五帝时代） 公元前1000年（我国夏商时代） 1800年 （我国清中后期）
半导体时代
新材料时代
1950年
1990年
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20 世纪一系列科技发现（原子能、航空航天、激光、
信息、能源等领域）大大促进材料发展，
如：20 世纪中叶，出现：
超音速飞机 (镍基超级合金)
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4、材料学角度分类
结构材料(structural material)：主要利用其保持形状和结构 不变能力。如：制造工具、机械、车辆、房屋、桥梁、铁路、
封装材料等。注：结构材料对物理、化学性能有一定要求，
如光泽、热导率、抗辐照、抗腐蚀、抗氧化等。（例支撑件、 连接件、传动件、紧固件）
功能材料(functional material)：通过某一作用（光、电、磁、 力、热、声、化学、生物等）具有特定功能（由美国Bell Lab. J. A. Morton在1965年提出并受到普遍接受）。也叫特 种材料(Speciality mater)或精细材料(Fine mater).
超硬材料、半导体材料、磁性材料和精密陶瓷等。 日本： 1980s 新材料发展规划 (10 年, 4亿美元)，重点：精 密陶瓷、功能高分子、复合材料、生物材料等。 欧洲：与前苏联也制订了类似的规划，竞争项目类似。
均属功能材料
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国内功能材料发展的现状
我国非常重视：国家攻关、“863”、“973”、国家 自然科学基金等，功能材料都占有很大比例。 “863”——1986.3，王大珩、王淦昌、杨嘉墀(chi) 和陈芳允四位科学家提出“关于跟踪研究外国战略性
高技术发展的建议”和朱光亚极力倡导下,邓小平批示
“此事宜速作决断，不可拖延”，国务院果断启动 “高技术研究发展计划”,确定七大技术群：生物、信 息、激光、航天、自动化、新能源和新材料技术。 “973”——1997.3,国家重点基础研究发展计划
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“863”支持下，开辟了超导材料、平板显示材料、
稀土功能材料、生物医用材料、储氢等新能源材料 ，金刚石薄膜，高性能固体推进剂材料，红外隐身 材料，材料设计与性能预测等功能材料新领域，使 我国研究水平不断接近、达到国际先进水平。
高分子材料：天然、合成。密度小；比强度大；绝缘
性好；耐腐蚀；易加工。
无机非金属材料：水泥、玻璃、陶瓷、耐火材料等。
复合材料：玻璃钢，碳纤维聚合物，陶瓷基、金属基。
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2、按材料内部原子排列情况分类
晶态材料 非晶态材料
液态材料
气态材料
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3、从材料尺度角度分类
三维材料——块体材料 二维材料——薄膜、涂层等 (金刚石薄膜、高温 超导薄膜、半导体薄膜、耐磨涂层) 一维材料——纤维、晶须等 (光导纤维、高强纤维) 零维材料——粉 体
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镍氢电池、锂离子电池 技术、指标达到国际水平， 均已实现产业化并出口； 功能陶瓷材料：高性能瓷料研究取得突破并进入世界 先进行列，低烧瓷料和贱金属电极技术使片式电子元 件实现产业化。 高档钕铁硼产品研发、产业化，某些成分配方和相关 技术上取得自主知识产权； 功能材料还在“两弹一星”等国防工程中作出了举足 轻重的贡献。
计 算 机 (半导体、晶体管) 航天飞机 (高温结构陶瓷)
这些发展促成——“材料科学”形成。
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3、 材料科学形成的背景
20 世纪中叶苏美竞争，材料是主要内容之一。 1957 年苏联率先将卫星送上天，引发全球材料科学研究。 美国成立材料研究中心，材料科学成为一门学科。
50s 美国制定材料发展规划，70 ~ 80s 多次补充、修正，重点：
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国内、外功能材料社会经济发展需求
据预测，新材料技术产业全球产值 >4000亿美元，其中
功能材料约占75～80%。
我国受西方封锁，关键功能材料走自力更生道路。 如军事通信、航空、航天、导弹、热核聚变、激光武 器、激光雷达、新型战斗机、坦克等。
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二、材料的分类
1、按材料的组成分类
金属材料：纯金属、合金。