1-1 电子功能与元器件材料与功能材料的分类.ppt

LOGO电子功能材料及元器件电子功能材料及元器件电子科学与工程学院LOGO目 录第一章第一章 电子功能材料概述（电子功能材料概述（形状记忆合金，超导材料，半导体超晶格材料，电子功能陶瓷，有机电致发光材料和液晶材料）第二章第二章 化合物晶体的缺陷化学基础化合物晶体的缺陷化学基础第三章第三章 热敏陶瓷及热（温）敏感元件热敏陶瓷及热（温）敏感元件第四章第四章 半导体气体敏感元件半导体气体敏感元件第五章第五章 湿度敏感器件湿度敏感器件第六章第六章 光敏及光电器件光敏及光电器件第七章第七章 光纤及光纤传感器光纤及光纤传感器第八章第八章 压力传感器压力传感器第九章第九章 磁敏传感器件磁敏传感器件2LOGO学习这门课的必要性学习这门课的必要性学习这门课的必要性?LOGO材料科学能源科学信息技术科学发展的三大支柱v高科技的前导：信息技术，它以微电子技术为基础，包括通信技术、自动化技术、微电子技术、光电子技术、光导技术、计算机技术和人工智能技术等v高技术的支柱：新能源技术，包括核能技术、太阳能技术、燃煤、磁流体发电技术、地热能技术、海洋能技术等v高科技的基础：新材料技术，包括对超导材料、高温材料、人工合成材料、陶瓷材料、非晶态材料、单晶材料、纤维材料、超微粒材料、高性能结构材料、特种功能材料等的开发利用4LOGO1.材料科学的重要性材料科学的重要性5LOGO 能能源源指指能能够够提提供供出出能能量量的的自自然然资资源源。能能源源是是人人类类生生存存的的物物质质基基础础，社社会会经经济济发发展展的的原动力。原动力。石油石油 煤炭煤炭 电力电力 柴草柴草新能源人类利用能源三个时期人类利用能源三个时期核能核能地热能地热能太阳能太阳能材料科学是能源技术的基础材料科学是能源技术的基础1.材料科学的重要性材料科学的重要性6LOGO2.材料的分类材料的分类材料材料金属材料金属材料无机非金无机非金属材料属材料有机高分有机高分子材料子材料黑色金属黑色金属有色金属有色金属生铁（灰口铸铁、球磨铸铁、可锻铸铁）生铁（灰口铸铁、球磨铸铁、可锻铸铁）碳钢（低、中碳钢，超高碳钢）碳钢（低、中碳钢，超高碳钢）合金钢（不锈钢、工具钢、耐热钢、其它合金钢等）合金钢（不锈钢、工具钢、耐热钢、其它合金钢等）轻金属（铝、镁、钠等）轻金属（铝、镁、钠等）重金属（汞、铜、铅、锌、钴锡、锑、银、金等）重金属（汞、铜、铅、锌、钴锡、锑、银、金等）稀有金属（锂、铍、钛、钼、钡、铯、银、金、钯等）稀有金属（锂、铍、钛、钼、钡、铯、银、金、钯等）半金属（硅、硒、碲、砷等）半金属（硅、硒、碲、砷等）陶瓷（结构陶瓷、建筑陶瓷、传统陶瓷）陶瓷（结构陶瓷、建筑陶瓷、传统陶瓷）玻璃（普通玻璃、石英玻璃、硼化玻璃、钢化玻璃、铅玻璃等）玻璃（普通玻璃、石英玻璃、硼化玻璃、钢化玻璃、铅玻璃等）水泥水泥耐火材料（氧化铝、氧化硅、氧化镁、石棉等）耐火材料（氧化铝、氧化硅、氧化镁、石棉等）精细陶瓷（金属氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等）精细陶瓷（金属氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等）复合材料复合材料非金属基复合材料（玻璃纤维非金属基复合材料（玻璃纤维/树脂、碳纤维树脂、碳纤维/树脂）树脂）金属基复合材料（硼金属基复合材料（硼/铝、碳铝、碳/铝）铝）合成纤维（锦纶、腈纶、涤纶、丙纶、维纶等）合成纤维（锦纶、腈纶、涤纶、丙纶、维纶等）合成橡胶（丁苯、氯丁、丁腈、聚氨酯、氟橡胶、硅橡胶等）合成橡胶（丁苯、氯丁、丁腈、聚氨酯、氟橡胶、硅橡胶等）合成塑料（聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、尼龙、聚砜等）合成塑料（聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、尼龙、聚砜等）合成胶黏剂和涂料（聚氨酯、环氧合成胶黏剂和涂料（聚氨酯、环氧-丁腈、酚醛丁腈、酚醛-缩醛）缩醛）部分液晶（近晶型、项列型、胆甾型）部分液晶（近晶型、项列型、胆甾型）7LOGO3.功能材料的概念功能材料的概念 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。Diagram功能材料功能材料信息技术信息技术海洋工程技术海洋工程技术空间技术空间技术能源技术能源技术环保技术环保技术生物工程技术生物工程技术计算机技术计算机技术纳米技术纳米技术8LOGO4.4.功能材料的分类功能材料的分类功能材料功能材料热学功能材料（高温耐热材料、燃气轮机、飞机、汽车的高温绝缘材料等）热学功能材料（高温耐热材料、燃气轮机、飞机、汽车的高温绝缘材料等）机械功能材料（质轻、高强度、高硬度材料。例如普通钢抗拉伸强度是机械功能材料（质轻、高强度、高硬度材料。例如普通钢抗拉伸强度是 （20-4020-40）kg/mmkg/mm2 2 高强度钢为（高强度钢为（40-10040-100）kg/mmkg/mm2 2，此外，此外，还有超塑性、抗震材料等还有超塑性、抗震材料等)磁学功能材料（永磁铁、磁流体、即强磁性微粉分布于液相无磁滞现象、磁学功能材料（永磁铁、磁流体、即强磁性微粉分布于液相无磁滞现象、不凝聚、不沉淀的胶体，还有霍尔器件等）不凝聚、不沉淀的胶体，还有霍尔器件等）电学功能材料（光电转换材料、半导体材料、超导材料、绝缘材料、电学功能材料（光电转换材料、半导体材料、超导材料、绝缘材料、介电材料等）介电材料等）光学功能材料（激光材料、光致变色材料，透光、导光玻璃、光声、光学功能材料（激光材料、光致变色材料，透光、导光玻璃、光声、光磁材料等）光磁材料等）化学和生物功能材料（人造器官材料、气体、离子分离膜、抗血栓功能化学和生物功能材料（人造器官材料、气体、离子分离膜、抗血栓功能 材料等）材料等）其他功能材料（混杂材料、合成碳纤维、氧化铅纤维等复合材料）其他功能材料（混杂材料、合成碳纤维、氧化铅纤维等复合材料）9LOGO开发新材料的必要性和可能性开发新材料的必要性和可能性1.人类的需求增加2.现有资源的枯竭3.科学技术的发展4.4.功能材料的分类功能材料的分类10LOGO5.5.高新技术及其应用材料的典型例子高新技术及其应用材料的典型例子A A：宇航材料：宇航材料1 1头锥和机翼头锥和机翼 （1260-1500 1260-1500）热分解的碳纤维和石墨化树脂热分解的碳纤维和石墨化树脂 2 2机身和机翼下表面机身和机翼下表面 （650-1260 650-1260）高温陶瓷瓦（高温陶瓷瓦（SiOSiO2 2纤维纤维+硼化硅）硼化硅）3 3机身侧面和机翼上表面（机身侧面和机翼上表面（370-650 370-650）低温陶瓷瓦（低温陶瓷瓦（SiOSiO2 2纤维纤维+胶状胶状SiOSiO2 2）4 4货舱门、尾端机身等货舱门、尾端机身等 （398398）粘瓦（聚芳纤胺纤维）粘瓦（聚芳纤胺纤维）航天飞机航天飞机 长：长：37.2M 37.2M，宽：宽：23.8M23.8M，重：，重：68.868.8吨吨火箭火箭 长：长：56M 56M 重：重：20202020吨吨11LOGO“哥伦比亚哥伦比亚”号航天飞机号航天飞机在起飞大约在起飞大约3333秒后的照片秒后的照片5.5.高新技术及其应用材料的典型例子高新技术及其应用材料的典型例子飞机减重：一架波音767飞机由于使用复合材料可减重450公斤，采用高强度钢代替原先的合金钢减重900公斤，采用改进的铝合金又可减重363公斤，三项总计减重约为1.7吨。12LOGOB B：新能源材料（核能）：新能源材料（核能）原子能的理论基础：爱因斯坦的质能方程（原子能的理论基础：爱因斯坦的质能方程（19051905年）年）E Emcmc2 2表示的质量表示的质量(m)(m)和能量和能量(E)(E)之间的关系。式中之间的关系。式中c c为光速为光速 19321932：（质子轰击：（质子轰击LiLi）1 1 初期人工核反应初期人工核反应（1919年卢瑟福：粒子轰击N）5.5.高新技术及其应用材料的典型例子高新技术及其应用材料的典型例子核能开发阶段：1.实现人工核反应2.发现中子及轻原素裂变3.重元素裂变及链式反应30万万eV860万万eV发出发出1690万万eV13LOGO1932年，英国的查德威尔：粒子轰击Be，发现了中子,获得1935年诺贝尔奖。3 3 重核裂变及链式反应重核裂变及链式反应2 2 中子的发现轻元素的裂变中子的发现轻元素的裂变1934年，居里夫妇：粒子轰击Al 费米费米哈恩哈恩5.5.高新技术及其应用材料的典型例子高新技术及其应用材料的典型例子14LOGO重元素裂变及链式反应示意LOGO5.5.高新技术及其应用材料的典型例子高新技术及其应用材料的典型例子16LOGO我国进行的我国进行的原子弹实验原子弹实验5.5.高新技术及其应用材料的典型例子高新技术及其应用材料的典型例子LOGO秦山核电站秦山核电站5.5.高新技术及其应用材料的典型例子高新技术及其应用材料的典型例子18LOGO反应堆反应堆5.5.高新技术及其应用材料的典型例子高新技术及其应用材料的典型例子19LOGO5.5.高新技术及其应用材料的典型例子高新技术及其应用材料的典型例子C C：重要的信息材料（：重要的信息材料（SiSi）SiSi是是ICIC和先进科学仪器的基础，是和先进科学仪器的基础，是制作高性能制作高性能ICIC的最重要材料！的最重要材料！单晶硅单晶硅集成电路集成电路20LOGO5.5.高新技术及其应用材料的典型例子高新技术及其应用材料的典型例子 18000个电子管 1500个继电器 消耗功率为50 占地300平方米 重30吨 价值48万美元。19461946年年美国宾夕法尼亚大学为了弹道设计的需要设美国宾夕法尼亚大学为了弹道设计的需要设计了世界上第一台数字电子计算机。计了世界上第一台数字电子计算机。它的运算速度不高，却是一个它的运算速度不高，却是一个庞然大物庞然大物。计算机的发展史计算机的发展史第一代第一代 （电子管）（电子管）（1946-1957）21LOGO5.5.高新技术及其应用材料的典型例子高新技术及其应用材料的典型例子第二代晶体管第二代晶体管 (1957-(1957-1964)1964)第二代晶体管计算机第二代晶体管计算机1947年，肖克利、巴丁、布拉顿三人发明第一个Ge晶体管。1954年，贝尔实验室制成了第一台晶体管计算机TRADIC，使计算机体积大大缩小，用了800只晶体管。1957年，美国研制成功了全部使用晶体管的计算机，第二代计算机诞生了。22LOGO5.5.高新技术及其应用材料的典型例子高新技术及其应用材料的典型例子第三代第三代 （ICIC机）机）小规模小规模 SSIC(10SSIC(10VLSIC(105 5元件元件/片片)1975-1978年MSICVLSIC23LOGO第四代计算机是什么？第四代计算机是什么？光计算机？光计算机？光计算机是由光代替电子或电流，实现高速处理大容量信息的计算机。运算速度极高、耗电极低。超导计算机？超导计算机？利用高温超导材料作为材料制作计算机，计算机运算速度比现在的电子计算机快100倍，超导而电能消耗仅是电子计算机的千分之一。分子计算机？分子计算机？分子计算计划就是尝试利用分子计算的能力进行信息的处理。分子计算机耗电可大大减少并能更长期地存储大量数据。可能在一粒砂子大小的芯片上获得相可能在一粒砂子大小的芯片上获得相当于当于100100台工作站的计算能力台工作站的计算能力量子计算机？量子计算机？利用电子的两个自旋方向，用几个原子做出量子计算机的基本电路。5.5.高新技术及其应用材料的典型例子高新技术及其应用材料的典型例子光子计算机发展过程：1969年：美国麻省理工学院提出光计算机的概念1982年，英国赫罗特一瓦特大学研制出第一支光晶体管1986年，贝尔实验室用半导体做成光晶体管1990年，贝尔实验室制造出光计算机的雏形随后，英、法、比、德、意等国70名科学家研制成功了一台光计算机24LOGO5.5.高新技术及其应用材料的典型例子高新技术及其应用材料的典型例子视觉视觉 光敏器件光敏器件听觉听觉 声敏、压敏器件声敏、压敏器件嗅觉嗅觉 气敏器件气敏器件味觉味觉 气敏器件（电子鼻）气敏器件（电子鼻）触觉触觉 压敏压敏 热敏热敏 湿敏湿敏 磁敏器件磁敏器件机器人的五官机器人的五官D D.智能机器人（传感技术）智能机器人（传感技术）机器人的大脑中央处理器是计算机其五官就是各种传感器25