信息功能材料-(绪论).ppt

功能材料功能材料Function Materials内容简介内容简介本课程包括以下内容本课程包括以下内容绪论绪论 0.5 0.5 学时学时第一章第一章 超导材料超导材料 2.5 2.5 学时学时第二章第二章 储氢材料储氢材料 2.0 2.0 学时学时第三章第三章 形状记忆材料形状记忆材料 2.0 2.0 学时学时第四章第四章 非晶态材料非晶态材料 2.0 2.0 学时学时第五章第五章 磁性材料磁性材料 2.0 2.0 学时学时第六章第六章 半导体材料半导体材料 4.0 4.0 学时学时第七章第七章 光学材料光学材料 3.0 3.0 学时学时第八章第八章 精细功能陶瓷精细功能陶瓷 3.0 3.0 学时学时第九章第九章 功能转换材料功能转换材料 3.0 3.0 学时学时教材：教材：功能材料概论功能材料概论，哈尔滨工业大学出版社，哈尔滨工业大学出版社，2002 2002 参考书：参考书：1.1.现代功能材料导论现代功能材料导论，科学出版社，科学出版社，198319832.2.功能材料功能材料，北京航空航天大学出版社，北京航空航天大学出版社，199919993.3.功能材料学概论功能材料学概论，冶金工业出版社，冶金工业出版社，199919994.4.现代功能陶瓷现代功能陶瓷，国防工业出版社，国防工业出版社，199819985.5.现代功能材料及其应用现代功能材料及其应用,化学工业出版社化学工业出版社,2002,20026.6.功能材料学功能材料学，北京理工大学出版社，北京理工大学出版社,2002,20027.7.新型功能材料新型功能材料，化学工业出版社，化学工业出版社,2001,20018.8.新型无机材料新型无机材料，化学工业出版社，化学工业出版社,2005,20059.9.信息和功能材料信息和功能材料，宇航出版社，宇航出版社,1998,1998课程要求：课程要求：了了解解功功能能材材料料的的分分类类、用用途途、功功能能原原理理、发发展展状状况况和和趋趋势势；各各种种功功能能材材料料的的主主要要成成分分、性能和制备方法。性能和制备方法。理理解解和和掌掌握握各各种种功功能能材材料料的的基基本本概概念念、基基本原理。本原理。重重点点掌掌握握几几种种典典型型的的功功能能材材料料的的性性能能、基基本制备方法和应用本制备方法和应用。绪绪 论论一、一、概述概述 材料：材料：可以直接造成制品的物质。可以直接造成制品的物质。支撑支撑2121世纪人类文明大厦的四大支柱技术：世纪人类文明大厦的四大支柱技术：l 材料科学与技术材料科学与技术l 生物科学与技术生物科学与技术l 能源科学与技术能源科学与技术l 信息科学与技术信息科学与技术 人人类类社社会会发发展展的的历历史史证证明明，材材料料是是人人类类赖赖以以生生存存和和发发展展、征征服服自自然然和和改改造造自自然然的的物物质质基基础础，同同时时又又是是人人类类社社会会发发展展的的先先导导，它它是是人人类类社社会会进进步步的的里里程程碑碑。历历史史上上的的石石器器时时代代、青青铜铜器器时时代代、铁器时代都是以材料作为时代主要标志的。铁器时代都是以材料作为时代主要标志的。然然而而现现代代新新技技术术，例例如如微微电电子子、激激光光、红红外外线线、空空间间、能能源源、计计算算机机、机机器器人人、信信息息、生生物物和和医医学学等等技技术术领领域域，对对材材料料的的要要求求已已远远远远超超出出了了结结构构材材料料的的范范围围，即即不不单单是是利利用用材材料料的的强强度度、硬硬度度等等力力学学性性能能来来满满足足工工程程结结构构上上的的需需要要，而而且且对对材材料料提提出出了了许许多多特特殊殊的的物物理理性性能能要要求求。例例如如，要要求求材材料料具具有有光光、电电、声声、磁磁、热热等等特特殊殊物物理理性性能能而且可以有效利用。而且可以有效利用。功能材料：功能材料：所所谓谓功功能能材材料料，是是指指对对光光、电电、磁磁、热热、气气体体、射射线线、辐辐射射等等具具有有接接收收、传传输输、存存贮贮、显显示示等等功功能以及仿生和生物体适应性的材料。能以及仿生和生物体适应性的材料。功功能能材材料料的的问问世世给给科科学学技技术术带带来来了了新新的的突突破破。石石器器、陶陶瓷瓷、铁铁、铜铜、玻玻璃璃、水水泥泥、有有机机高高分分子子（如如塑塑料料等等）、单单晶晶材材料料，每每一一种种新新型型材材料料的的研研制制成成功功，都都引引起起人人类类文文化化和和生生活活的的新新变变化化。没没有有半半导导体体材材料料，便便不不可可能能有有目目前前的的计计算算机机技技术术；没没有有耐耐高高温温、高高强强度度的的特特殊殊结结构构材材料料，便便没没有有今今天天的的宇宇航航工工业业；没没有有低低损损耗耗的的光光导导纤纤维维，也也就就没没有有现现代代的的光光通通讯讯；没没有有有有机机高高分分子子材材料料，人人们们的的生生活也不可能像今天这样丰富多彩。活也不可能像今天这样丰富多彩。l20世纪世纪60年代以来，各种现代新技术的年代以来，各种现代新技术的兴起，强烈刺激了功能材料的发展。同兴起，强烈刺激了功能材料的发展。同时，由于固体物理、固体化学、量子理时，由于固体物理、固体化学、量子理论、结构化学、生物物理和生物化学等论、结构化学、生物物理和生物化学等学科的飞速发展及各种制备功能材料的学科的飞速发展及各种制备功能材料的新技术和现代分析测试技术在功能材料新技术和现代分析测试技术在功能材料研究和生产中的实际应用，许多新的功研究和生产中的实际应用，许多新的功能材料不仅已在实验室中研制出来，而能材料不仅已在实验室中研制出来，而且已批量生产得到应用，并在不同程度且已批量生产得到应用，并在不同程度上推动或加速了各种现代技术的进一步上推动或加速了各种现代技术的进一步发展。发展。二、二、功能材料的分类功能材料的分类 功能材料本身的范围还没有公认的严格的界定，功能材料本身的范围还没有公认的严格的界定，故对其分类也就很难有统一的认识。功能材料的分类故对其分类也就很难有统一的认识。功能材料的分类方法很多，常见的分类法有：方法很多，常见的分类法有：1.1.按材料的化学键分类按材料的化学键分类 (1)(1)功能性金属材料功能性金属材料(2)(2)功能性无机非金属材料功能性无机非金属材料(3)(3)功能性有机材料功能性有机材料(4)(4)功能性复合材料。功能性复合材料。2.按照材料的某种特殊用途的功能进行分类按照材料的某种特殊用途的功能进行分类（1）超导材料）超导材料当当材材料料的的温温度度降降低低到到某某一一温温度度，出出现现电电阻阻为为零零的的非非常常状状态态时时称称为为超超导导状状态态，能能够够产产生生超超导导状状态态的的材材料料称称为为超超导导材材料料。如如在在液液氦氦温温区区出出现现超超导导现现象象的的铌铌钛钛合合金金、铌铌锡锡合合金金，液液氮氮温温区区出出现现超超导导现现象象的的陶陶瓷瓷（如如钇钇钡钡铜铜氧）材料。氧）材料。（2）储氢材料）储氢材料在在一一定定条条件件下下，固固体体的的金金属属吸吸附附氢氢而而形形成成氢氢化化金金属属并并放放出出热热，而而且且这这一一反反应应是是可可逆逆的的，即即氢氢化化金金属属吸吸收收热热后后可可变变成成金金属属并并放放出出氢氢。能能够够吸吸收收氢氢并并形形成成氢氢化化物物的的金金属属和和合合金金，称称为为储储氢氢材材料料。这这类类材材料料很很多多，如如镁镁、镁镁镍镍合合金金、钛钛铁铁合合金金等等。利利用用这这种种材材料料可可作作氢氢储储运运、热交换用的设备以及镍氢电池的制造等。热交换用的设备以及镍氢电池的制造等。（3）敏感材料）敏感材料敏敏感感材材料料是是对对温温度度、湿湿度度、气气体体、压压力力、磁磁场场等等敏敏感感的的材材料料，如如压压敏敏材材料料、热热敏敏材材料料、气气敏敏材材料料、味味敏敏材材料等，它们是制造各种传感器基本元件的核心材料。料等，它们是制造各种传感器基本元件的核心材料。（4）分离材料）分离材料分分离离材材料料是是可可以以分分离离液液体体或或气气体体中中的的固固体体、液液体体、气气体体溶溶质质的的材材料料。如如高高分分子子分分离离膜膜、陶陶瓷瓷类类分分子子筛筛等等。这种材料在化工、环保等部门将能发挥重要的作用。这种材料在化工、环保等部门将能发挥重要的作用。（5）记录材料）记录材料在在电电子子工工业业和和电电子子计计算算机机中中广广泛泛应应用用着着记记录录材材料料，这这种种材材料料发发展展迅迅速速。记记录录材材料料分分为为磁磁记记录录材材料料和和光光记记录录材材料料，磁磁记记录录材材料料如如录录音音磁磁带带、录录像像磁磁带带、磁磁盘盘、磁磁卡卡和和配配套套的的磁磁粉粉等等；光光记记录录材材料料如如光光盘盘等等，光光记记录录材材料料可可制制成成容容量量更更大大的的信信息息储储存存元元件件。磁磁记记录录材材料料正正在在逐逐渐渐被被光光记记录录材材料料所所取取代代，如如磁磁带带和和磁磁盘逐渐被光盘取代。盘逐渐被光盘取代。在在一一定定温温度度条条件件下下能能够够记记住住自自己己原原来来的的形形状状的的材材料料称称为为形形状状记记忆忆材材料料。用用镍镍钛钛形形状状记记忆忆合合金金制制作作管管接接头头作作密密封封件件，月月面面天天线线等等。如如过过去去美美国国的的F-14战战斗斗机机上上的的油油管管接接头头处处经经常常漏漏油油，后后来来他他们们采采用用形形状状记记忆忆合合金金做做油油管管接接头头代代替替漏漏油油的的接接头头，顺顺利利地地解解决决了了难难题题。自自1970年年以以后后，这这种种飞飞机机使使用用的的油油管管接接头头多多达达几几十十万万个个，没没有有一一个个漏漏过过油油。道道理理很很简简单单，他他们们在在制制作作接接头头时时，把把接接头头的的内内径径做做得得略略小小于于油油管管的的外外径径，在在连连接接时时，先先在在低低温温下下用用工工具具把把形形状状记记忆忆合合金金的的内内径径扩扩大大，再再把把接接头头套套在在两两个个油油管管上上，然然后后用用火火将将接接头头加加热热，接接头头立立即即“记记忆忆”起起原原来来的的内内径径往往内内缩缩，紧紧紧紧地地套套在在油油管管上上，一一点点缝缝隙隙也也不不留留，当当然然就就不不会会漏油了。漏油了。（6）形状记忆材料）形状记忆材料3.按材料的物理性能分类按材料的物理性能分类（1）高强度材料）高强度材料对对于于承承受受重重载载荷荷而而又又要要求求断断面面尺尺寸寸小小的的零零部部件件和和构构件件，必必须须使使用用高高强强度度材材料料来来制制作作。高高强强度度材材料料发发展展迅迅速速，种种类类日日益益增增多多，如如强强化化合合金金结结构构钢钢，当当其其屈屈服服强强度度高高于于2200MN/m2时时称称为为超超高高强强度度钢钢。另另外外如如强强化化钛钛合合金金、强强化化铝铝合合金金、纤纤维维增增强强复复合合材料等，都是轻质高强度材料。材料等，都是轻质高强度材料。（2）高温材料）高温材料承承受受高高温温环环境境（热热和和气气氛氛）的的侵侵害害和和应应力力作作用用的的材材料料，称称为为高高温温材材料料。如如在在600650温温度度下下工工作作的的铬铬镍镍合合金金钢钢，在在8001200温温度度下下工工作作的的镍镍基基、钴基合金以及耐热陶瓷等。钴基合金以及耐热陶瓷等。（3）超硬材料）超硬材料材材料料的的硬硬度度，从从本本质质上上来来分分析析是是物物质质键键的的强强度度。材材料料中中硬硬度度最最高高的的是是金金刚刚石石，硬硬度度接接近近金金刚刚石石的的材材料料称称为为超超硬硬材材料料。这这类类材材料料多多为为陶陶瓷瓷材材料料，而而且且人人工工合合成成的的具具有有金金刚刚石石晶晶体体结结构构的的立立方方氮氮化化硼硼，其其硬硬度度仅仅次次于于金金刚石，已成为最有前途的超硬材料。刚石，已成为最有前途的超硬材料。（4）导电材料）导电材料比比电电阻阻（也也称称电电阻阻率率）为为10-810-5m、能能够够传传输输电电流流的的材材料料称称为为导导电电材材料料。良良导导电电体体有有Ag、Cu、Au、Al等等金金属属材材料料。目目前前已已研研究究成成功功导导电电陶陶瓷瓷、导导电电高高分分子材料。子材料。（5）绝缘材料）绝缘材料比比电电阻阻为为1071020m、不不能能够够导导电电的的材材料料称称为为绝绝缘缘材材料料。如如绝绝缘缘陶陶瓷瓷、云云母母、木木材材、塑塑料料、橡橡胶胶等等材材料，都是工业上常用的绝缘材料。料，都是工业上常用的绝缘材料。（6）半导体材料）半导体材料电电阻阻在在导导电电体体与与绝绝缘缘体体之之间间，即即比比电电阻阻为为10-5107m的的材材料料称称为为半半导导体体材材料料。如如硅硅、锗锗、掺掺磷磷硅硅、掺掺磷磷锗锗、掺掺铝铝硅硅、掺掺铝铝锗锗、钛钛酸酸钡钡、钛钛酸酸钙钙等等材材料料，都是目前工业上使用的半导体材料。都是目前工业上使用的半导体材料。（7）磁性材料）磁性材料物物质质在在磁磁场场中中受受到到磁磁力力线线的的作作用用，将将显显示示出出特特有有的的磁磁学学性性质质，可可以以应应用用其其特特有有磁磁性性的的物物质质称称为为磁磁性性材材料料。根根据据各各种种材材料料磁磁学学性性质质的的不不同同，这这类类材材料料又又可可分分为为软软磁材料、硬磁材料、顺磁材料和非磁材料等。磁材料、硬磁材料、顺磁材料和非磁材料等。（8）透光材料）透光材料光光线线透透过过时时其其强强度度降降低低较较少少的的材材料料称称为为透透光光材材料料。透透明明玻玻璃璃就就是是一一种种常常见见的的透透光光材材料料，这这是是一一种种含含铁铁及及其其它它杂杂质质很很少少的的玻玻璃璃。此此外外，石石英英及及高高分分子子有有机机玻玻璃璃也也都是透光性好的材料。都是透光性好的材料。4.按材料发生的物理效应分类按材料发生的物理效应分类（1）压电材料）压电材料在在晶晶体体上上施施加加压压应应力力时时，会会引引起起极极化化而而出出现现压压电电现现象象。压压电电材材料料有有水水晶晶、钛钛酸酸钡钡、磷磷酸酸二二氢氢胺胺等等，近近期期发发展展起起来来的的钛钛酸酸钡钡-钛钛酸酸钙钙系系和和锆锆钛钛酸酸铅铅等等都都是是有有价值的压电材料。价值的压电材料。（2）热电材料）热电材料这这类类材材料料在在温温度度作作用用下下产产生生热热电电效效应应，由由热热能能直直接接转转变变为为电电能能或或由由电电能能转转变变为为热热能能，可可用用于于制制造造引引燃燃引爆器件等。引爆器件等。（3 3）铁电材料）铁电材料所所谓谓铁铁电电材材料料，是是指指材材料料的的晶晶体体结结构构在在不不加加外外电电场场时时就就具具有有自自发发极极化化现现象象，其其自自发发极极化化的的方方向向能能够够被被外外加加电电场场反反转转或或重重新新定定向向。铁铁电电材材料料的的这这种种特特性性被被称称为为“铁铁电电现现象象”或或“铁铁电电效效应应”。这这类类材材料料在在电电场场作作用用下下产产生生铁铁电电效效应应，可可以以发发展展成成应应用用材材料料，如如用用作作滤滤波波、换能器件等。换能器件等。（4 4）光电材料）光电材料这这类类材材料料利利用用光光电电效效应应，可可将将光光能能直直接接转转换换成成电电能能，如用硅、硫化镉等光电材料制作太阳能电池等。如用硅、硫化镉等光电材料制作太阳能电池等。（5 5）电光材料）电光材料这这类类材材料料利利用用电电致致发发光光效效应应，利利用用电电能能转转变变为为光光能能，可可制制作作光光电电器器件件，如如用用硫硫化化锌锌、硒硒化化锌锌单单晶晶材材料料制制作作发光二极管。发光二极管。（6 6）激光材料）激光材料这这类类材材料料能能受受激激辐辐射射而而发发出出方方向向恒恒定定、波波长长范范围围窄窄、颜颜色色单单纯纯的的光光激激光光。固固体体激激光光材材料料有有红红宝宝石石、钇钇铝铝石榴石、含钕玻璃等。石榴石、含钕玻璃等。（7 7）磁光材料）磁光材料这这类类材材料料利利用用其其磁磁致致发发光光效效应应，由由磁磁能能转转变变成成光光能能，可制作磁光器件等。可制作磁光器件等。（8 8）声光材料）声光材料这这类类材材料料利利用用声声光光效效应应，由由声声波波能能转转变变成成光光能能，可可制制作声光器件等。作声光器件等。作作 业业自学课本第一、二两章的内容。自学课本第一、二两章的内容。再再 见见