【精品】功能材料研究进展（可编辑.ppt

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1、功能材料研究进展 现代科学技术的三大支柱能源、材料、信现代科学技术的三大支柱能源、材料、信 息，息，其中材料是基础。新材料发展的重点已经从结构材其中材料是基础。新材料发展的重点已经从结构材料转向功能材料，从单一走向复合。料转向功能材料，从单一走向复合。结构材料结构材料：是以力学性能为基础，主要制利用其是以力学性能为基础，主要制利用其强度、硬度和韧性等机械性能制成的各种材料。强度、硬度和韧性等机械性能制成的各种材料。功能材料功能材料：功能材料一般除了具有机械特性外，：功能材料一般除了具有机械特性外，还具有其他的功能特性，是指通过光、电、磁、热、还具有其他的功能特性，是指通过光、电、磁、热、化学、

2、生化等作用后具有特定功能的材料。主要用化学、生化等作用后具有特定功能的材料。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。领域的高新技术材料。2 23主要参考资料主要参考资料1、现代功能材料及其应用现代功能材料及其应用郭卫生郭卫生,汪济奎（化学工业出版社汪济奎（化学工业出版社,2002）2、功能材料学、功能材料学-周馨我周馨我(北京理工大学出版社北京理工大学出版社,2002)3、新型功能材料、新型功能材料-贡长生，张克立贡长生，张克立(化学工业出版社化学工业出版社,2001)4、新型无机材料、新型无机材料-杨华明杨华明,宋晓岚

3、宋晓岚,金胜明（化学工业出版社金胜明（化学工业出版社,2005）5、信息和功能材料、信息和功能材料-刘先曙刘先曙 马傅华马傅华 辛秀田（宇航出版社辛秀田（宇航出版社,1998）6、功能材料学概论、功能材料学概论-马如璋马如璋 蒋民华蒋民华 （冶金工业出版社（冶金工业出版社,1999）7.功能材料基础功能材料基础建议教材：建议教材：功能材料概论功能材料概论-殷景华殷景华 王雅珍王雅珍 （哈尔滨工业大学出版社（哈尔滨工业大学出版社,1999）3 31、课程安排：该课共30个学时（15次课）最后一节课考试。2、期末考核：开卷考试，占70%；3、平时考核：作业与课堂提问占10%；课堂考勤占20%；。关

4、于请假：考勤后的请假无效！或者本人在课前打电话，或学习委员课前统计名单。课程说明4 4q在学完材料科学基础等有关课程后，通过本在学完材料科学基础等有关课程后，通过本课程的学习课程的学习:q掌握功能材料掌握功能材料的基本概念、物理本质以及性的基本概念、物理本质以及性能指标的意义。能指标的意义。q熟悉熟悉典型功能材料的主要应用。典型功能材料的主要应用。课程目的日本和欧美各国对日本和欧美各国对新型功能材料新型功能材料的研究十分的研究十分重视，这是因为功能材料是能源、计算机、通讯、重视，这是因为功能材料是能源、计算机、通讯、电子、激光等电子、激光等现代科学的基础现代科学的基础，功能材料在未来，功能材料

5、在未来的社会发展中具有重大战略意义。的社会发展中具有重大战略意义。8 8 近近10年来，功能材料成为年来，功能材料成为材料科学和工程领材料科学和工程领域中域中最为活跃的部分。每年以最为活跃的部分。每年以5以上的速度增以上的速度增长，相当于每年有长，相当于每年有1.25万种新材料问世。未来世万种新材料问世。未来世界需要更多的性能优异的功能材料，功能材料正界需要更多的性能优异的功能材料，功能材料正在渗透到现代生活的各个领域。在渗透到现代生活的各个领域。9 9功能材料的一些应用1010谍中谍41111壁虎手套壁虎手套 1212触摸屏宝马车 1313磁记录材料的发展141415151616水立方膜17

6、17世博会显示屏18181919我国的磁悬浮列车我国的磁悬浮列车 上海磁悬浮是中国第一条投入运行的磁悬浮铁路，上海磁悬浮是中国第一条投入运行的磁悬浮铁路，全长全长2929863863公里，设计时速和运行时速分别为公里，设计时速和运行时速分别为505505公里和公里和430430公里；由中国与德国合作，公里；由中国与德国合作，20022002年年1212月月3131日，中国总理朱鎔基和德国总理施罗德成为上海磁日，中国总理朱鎔基和德国总理施罗德成为上海磁悬浮的第一批乘客体会首次试运行。悬浮的第一批乘客体会首次试运行。2020 一、功能材料的概念一、功能材料的概念 功能材料是指具有一种或几种特定功能

7、的材料，如磁性功能材料是指具有一种或几种特定功能的材料，如磁性材料、光学材料等，它具有优良的物理、化学和生物功能，材料、光学材料等，它具有优良的物理、化学和生物功能，在物件中起着在物件中起着“功能功能”的作用。的作用。在国外，常将这类材料称为在国外，常将这类材料称为功能材料功能材料功能材料功能材料(Functional Materials)、特种材料特种材料特种材料特种材料(Speciality Materials)或或精细材料精细材料精细材料精细材料(Fine Materials)。二二二二.功能材料的概念与分类功能材料的概念与分类功能材料的概念与分类功能材料的概念与分类2121功能材料功能

8、材料功能材料功能材料涉及面较广，具体包括涉及面较广，具体包括光光光光、电功能电功能电功能电功能，磁功能磁功能磁功能磁功能，分离功能分离功能分离功能分离功能，形状记忆功能形状记忆功能形状记忆功能形状记忆功能等。等。这类材料相对于通常的这类材料相对于通常的结构材料结构材料结构材料结构材料而言，一般除而言，一般除了具有机械特性外，还具有其他的功能特性。了具有机械特性外，还具有其他的功能特性。2222材料的材料的特定的功能特定的功能特定的功能特定的功能与材料的与材料的特定结构特定结构特定结构特定结构是相联系的。是相联系的。如对于如对于导电聚合物导电聚合物来说，它一般具有来说，它一般具有长链共轭双键长链

9、共轭双键；金属结构中由于金属结构中由于弹性马氏体相变弹性马氏体相变能产生记忆效应，能产生记忆效应，因此出现了因此出现了形状记忆合金形状记忆合金；压电陶瓷晶体必须有；压电陶瓷晶体必须有极极轴轴等。等。2323功能材料是一门新的学科，目前对它进行功能材料是一门新的学科，目前对它进行严格的定义严格的定义严格的定义严格的定义尚有一定的难度，就像许多化学变尚有一定的难度，就像许多化学变化中存在着物理现象、高级运动中总是伴随着化中存在着物理现象、高级运动中总是伴随着低级运动一样，功能材料既遵循材料的低级运动一样，功能材料既遵循材料的一般特一般特一般特一般特性性性性和和变化规律变化规律变化规律变化规律又具有

10、其又具有其自身的特点自身的特点自身的特点自身的特点。因此可认。因此可认为是为是传统材料的更高级的运动形式。传统材料的更高级的运动形式。传统材料的更高级的运动形式。传统材料的更高级的运动形式。2424 二、二、功能材料的分类功能材料的分类 随着技术的发展和人类认识的扩展，新型的功能材料随着技术的发展和人类认识的扩展，新型的功能材料不断被开发出来，因此对其也产生了许多不同的分类方不断被开发出来，因此对其也产生了许多不同的分类方法。从法。从功能的不同功能的不同功能的不同功能的不同考虑，可将功能材料分为以下四类。考虑，可将功能材料分为以下四类。2525(1)力学功能力学功能 主要是指主要是指强化功能材

11、料强化功能材料强化功能材料强化功能材料和和弹性功能材料弹性功能材料弹性功能材料弹性功能材料。(2)化学功能化学功能分离分离分离分离功能材料：如功能材料：如分离膜分离膜，离子交换树脂离子交换树脂、高分子络合物高分子络合物；反应反应反应反应功能材料；如功能材料；如高分子试剂高分子试剂、高分子催化剂高分子催化剂；生物生物生物生物功能材料：如功能材料：如生物反应器生物反应器等等。2626（3）物理化学功能物理化学功能电学电学电学电学功能材料：如功能材料：如超导体超导体，导电高分子导电高分子等；等；光学光学光学光学功能材料：如功能材料：如光导纤维光导纤维、感光性高分子感光性高分子等等；能量转换能量转换能

12、量转换能量转换材料：如材料：如压电材料压电材料、光电材料光电材料。2727(4)生物化学功能生物化学功能医用医用医用医用功能材料：人工脏器用材料如功能材料：人工脏器用材料如人工肾人工肾、人工心肺人工心肺，可降解的可降解的医用缝合线医用缝合线、骨钉骨钉、骨板骨板等；等；功能性药物功能性药物功能性药物功能性药物：如：如缓释性高分子缓释性高分子，药物活性高分子药物活性高分子，高分高分子农药子农药等；等；生物降解生物降解生物降解生物降解材料材料2828 下图为材料显示功能的示意图。下图为材料显示功能的示意图。输输入入材材料料输输出出材料的材料的功能显示过程功能显示过程功能显示过程功能显示过程是指向材料

13、输入某种能量，经过材料是指向材料输入某种能量，经过材料的传输或转换等过程，再作为输出而提供给外部的一种作用。的传输或转换等过程，再作为输出而提供给外部的一种作用。功能材料按其功能材料按其功能的显示过程功能的显示过程功能的显示过程功能的显示过程又可分为又可分为一次功能材料一次功能材料一次功能材料一次功能材料和和二次功能材料二次功能材料二次功能材料二次功能材料。2929当向材料当向材料输入的能量输入的能量输入的能量输入的能量和从材料和从材料输出的能量输出的能量输出的能量输出的能量属于属于同一种形式同一种形式同一种形式同一种形式时，材料起到时，材料起到能量传输能量传输能量传输能量传输部件的部件的作用

14、。材料的这种功能称为一次功能。作用。材料的这种功能称为一次功能。、一次功能、一次功能3030一次功能主要有下面的八种一次功能主要有下面的八种一次功能主要有下面的八种一次功能主要有下面的八种。力学力学力学力学功能。如功能。如惯性惯性、粘性粘性、流动性流动性、润滑性润滑性、成型性成型性、超塑性超塑性、恒弹性恒弹性、高弹性高弹性、振动性振动性和和防震性防震性。声声声声功能。如功能。如隔音隔音性、性、吸音吸音性。性。热热热热功能。如功能。如传热传热性、性、隔热隔热性、性、吸热吸热性和性和蓄热蓄热性等。性等。电电电电功能。如功能。如导电导电性、性、超导超导性、性、绝缘绝缘性和性和电阻电阻等。等。3131

15、磁磁磁磁功能。如功能。如硬磁性硬磁性、软磁性软磁性、半硬磁性半硬磁性等。等。光光光光功能。如功能。如遮光性遮光性、透光性透光性、折射光性折射光性、反射光性反射光性、吸吸光性光性、偏振光性偏振光性、分光性分光性、聚光性聚光性等。等。化学化学化学化学功能。如功能。如吸附作用吸附作用、气体吸收性气体吸收性、催化作用催化作用、生物生物化学反应化学反应、酶反应酶反应等。等。其他其他其他其他功能。如功能。如放射特性放射特性、电磁波特性电磁波特性等。等。3232 当向材料当向材料输入的能量输入的能量输入的能量输入的能量和从材料和从材料输出的能量输出的能量输出的能量输出的能量属于属于不同形式不同形式不同形式不

16、同形式时，材料起时，材料起能量的转换能量的转换能量的转换能量的转换部件作用，材料的部件作用，材料的这种功能称为这种功能称为二次功能二次功能或或高次功能高次功能。有人认为这种材料才是真正的功能材料。有人认为这种材料才是真正的功能材料。、二次功能、二次功能3333二次功能按二次功能按能量的转换系统能量的转换系统能量的转换系统能量的转换系统可分为如下四类可分为如下四类。光光光光能与其他形式能量的转换；能与其他形式能量的转换；电电电电能与其他形式能量的转换；能与其他形式能量的转换；磁磁磁磁能与其他形式能量的转换；能与其他形式能量的转换；机械机械机械机械能与其他形式能量的转换。能与其他形式能量的转换。3

17、434如如光合成光合成光合成光合成反应、反应、光分解光分解光分解光分解反应、反应、光化光化光化光化反应、反应、光致抗蚀光致抗蚀光致抗蚀光致抗蚀、化学发光化学发光化学发光化学发光，感光感光感光感光反应，反应，光致伸缩光致伸缩光致伸缩光致伸缩，光生伏特光生伏特光生伏特光生伏特效应和效应和光导电光导电光导电光导电效应。效应。光光能与其他形式能量的转换能与其他形式能量的转换3535 如如电磁电磁电磁电磁效应、效应、电阻发热电阻发热电阻发热电阻发热效应、效应、热电热电热电热电效应、效应、光电光电光电光电效应、效应、场致发光场致发光场致发光场致发光效应、效应、电化学电化学电化学电化学效应和效应和电光电光电

18、光电光效应等效应等。电电能与其他形式能量的转换能与其他形式能量的转换3636磁磁能与其他形式能量的转换能与其他形式能量的转换如如光磁光磁光磁光磁效应、效应、热磁热磁热磁热磁效应、效应、磁冷冻磁冷冻磁冷冻磁冷冻效应和效应和磁性转变磁性转变磁性转变磁性转变效应等。效应等。3737机械机械能与其他形式能量的转换能与其他形式能量的转换。如如形状记忆形状记忆形状记忆形状记忆效应、效应、热弹性热弹性热弹性热弹性效应、效应、机械化学机械化学机械化学机械化学效应、效应、压电压电压电压电效应、效应、电致伸缩电致伸缩电致伸缩电致伸缩、光压光压光压光压效应、效应、声光声光声光声光效应、效应、光弹性光弹性光弹性光弹性

19、效应和效应和磁致伸缩磁致伸缩磁致伸缩磁致伸缩效应等。效应等。3838按按材料种类材料种类材料种类材料种类分，功能材料还可分为：分，功能材料还可分为：金属金属金属金属功功能材料、能材料、无机非金属无机非金属无机非金属无机非金属功能材料和功能材料和有机有机有机有机功能材料。功能材料。393940 金属功能材料金属功能材料金属功能材料金属功能材料是是开发比较早开发比较早的功能材料，随的功能材料，随着高新技术的发展，一方面促进了着高新技术的发展，一方面促进了非金属材料非金属材料的的迅速发展，同时也促进了迅速发展，同时也促进了金属材料金属材料的发展。的发展。一、金属功能材料一、金属功能材料404041许

20、多许多新型金属功能材料新型金属功能材料新型金属功能材料新型金属功能材料应运而生，有的已被广应运而生，有的已被广泛应用，有的具有广泛应用的前景。泛应用，有的具有广泛应用的前景。如如形状记忆合金形状记忆合金形状记忆合金形状记忆合金的发现及各种的发现及各种形状记忆合金体形状记忆合金体形状记忆合金体形状记忆合金体系系系系的开发研制，使得这类新型金属材料在现代军事、的开发研制，使得这类新型金属材料在现代军事、电子、汽车、能源、机械、宇航、医疗等领域得到电子、汽车、能源、机械、宇航、医疗等领域得到广泛的应用。广泛的应用。414142另一方面，另一方面，非晶态合金非晶态合金非晶态合金非晶态合金由于具有由于具

21、有优异的物理、化优异的物理、化学性能学性能，是一种极有发展前景的新型金属材料。，是一种极有发展前景的新型金属材料。具有具有独特性能和用途独特性能和用途独特性能和用途独特性能和用途的新型金属功能材料很多，的新型金属功能材料很多，如如超导合金超导合金超导合金超导合金、纳米金属纳米金属纳米金属纳米金属、高温合金高温合金高温合金高温合金、减振合金减振合金减振合金减振合金、储氢储氢储氢储氢、多孔金属多孔金属多孔金属多孔金属、金属磁性金属磁性金属磁性金属磁性材料等。材料等。424243无机非金属功能材料无机非金属功能材料无机非金属功能材料无机非金属功能材料的发展速度也很快，新的发展速度也很快，新的种类也是

22、层出不穷。它以的种类也是层出不穷。它以功能玻璃功能玻璃功能玻璃功能玻璃和和功能陶瓷功能陶瓷功能陶瓷功能陶瓷为主，近来也发展了一些新工艺和新品种。为主，近来也发展了一些新工艺和新品种。二、无机非金属功能材料二、无机非金属功能材料434344功能玻璃功能玻璃功能玻璃功能玻璃和和功能陶瓷功能陶瓷功能陶瓷功能陶瓷是无机非金属功能材料中的主是无机非金属功能材料中的主要组成部分，近年来得到了迅速的发展。要组成部分，近年来得到了迅速的发展。新型功能玻璃新型功能玻璃新型功能玻璃新型功能玻璃除了具有普通玻璃的一般性质以外，除了具有普通玻璃的一般性质以外，还具有许多还具有许多独特的性质独特的性质独特的性质独特的性

23、质，如，如声光玻璃声光玻璃的声光性、的声光性、导电玻导电玻璃璃的导电性、的导电性、记忆玻璃记忆玻璃的记忆特性等。的记忆特性等。444445新型功能玻璃的发展新型功能玻璃的发展新型功能玻璃的发展新型功能玻璃的发展以以光功能玻璃光功能玻璃光功能玻璃光功能玻璃为代表。作为代表。作为蓝光、可见光元件上的为蓝光、可见光元件上的转换材料转换材料、光存储显示材光存储显示材料料及各种及各种非线性光学玻璃非线性光学玻璃特别引人注意，它们将占特别引人注意，它们将占据未来的光量子时代，是据未来的光量子时代，是功能玻璃材料研究的主要功能玻璃材料研究的主要方向方向。快离子导体玻璃的发展也很快，有机。快离子导体玻璃的发展

24、也很快，有机无机无机复合玻璃是玻璃研究者的又一大开拓目标。复合玻璃是玻璃研究者的又一大开拓目标。454546功能陶瓷功能陶瓷功能陶瓷功能陶瓷有以下几方面发展趋向：有以下几方面发展趋向：(1)微电子技术推动下的微电子技术推动下的微型化微型化微型化微型化(薄片化薄片化)和和高速度化高速度化高速度化高速度化；(2)在安全和环保工作的促进下，发展在安全和环保工作的促进下，发展传感器传感器传感器传感器和和多孔瓷多孔瓷多孔瓷多孔瓷；(3)重视重视材料复合材料复合材料复合材料复合技术；技术；(4)加速加速智能化智能化智能化智能化。464647影响功能高分子材料影响功能高分子材料“功能性功能性”的的结构因素结

25、构因素结构因素结构因素 结构决定性能，功能高分子材料之所以有许多独具特色的性结构决定性能，功能高分子材料之所以有许多独具特色的性能，主要与其结构因素有关。能，主要与其结构因素有关。、骨架的性质骨架的性质骨架的性质骨架的性质，如，如润湿性润湿性、溶胀性溶胀性，骨架的邻位效应骨架的邻位效应等；等；、在分子中起到特殊关键作用的、在分子中起到特殊关键作用的官能团的性质官能团的性质官能团的性质官能团的性质。三、功能高分子材料三、功能高分子材料4747无论哪种功能材料，其无论哪种功能材料，其能量传递过程能量传递过程能量传递过程能量传递过程或者或者能量转能量转能量转能量转换形式换形式换形式换形式所涉及的微观

26、过程都与所涉及的微观过程都与固体物理固体物理和和固体化学固体化学相相联系。正是这两门基础科学为新兴学科联系。正是这两门基础科学为新兴学科功能材料功能材料科学的发展奠定了基础，从而也推动了功能材料的研科学的发展奠定了基础，从而也推动了功能材料的研究和应用。它们把功能材料推进到究和应用。它们把功能材料推进到功能设计功能设计功能设计功能设计的时代。的时代。4848功功能能材材料料种种类类繁繁多多，用用途途广广泛泛，正正在在形形成成一一个个规规模模宏宏大大的的高高技技术术产产业业群群，有有着着十十分分广广阔阔的的市市场场前前景景和和极极为为重重要要的的战战略略意意义义。世世界界各各国国均均十十分分重重

27、视视功功能能材材料料的的研研发发与与应应用用，它它已已成成为为世世界界各各国国新新材材料料研研究究发发展展的的热热点点和和重重点点，也也是是世世界界各各国国高高技技术术发发展展中中战战略略竞竞争争的的热热点点。在在全全球球新新材材料料研研究究领领域域中中，功能材料约占功能材料约占 85%。三三.功能材料的发展现状功能材料的发展现状 4949在在“863”计划支持下，开辟了计划支持下，开辟了超导材料超导材料超导材料超导材料、平板显示材料平板显示材料平板显示材料平板显示材料、稀土功能材料稀土功能材料稀土功能材料稀土功能材料、生物医用材料生物医用材料生物医用材料生物医用材料、储氢储氢储氢储氢等新能源

28、材料，等新能源材料，金刚石金刚石金刚石金刚石薄膜薄膜薄膜薄膜，高性能固体推进剂材料高性能固体推进剂材料，红外隐身材料红外隐身材料红外隐身材料红外隐身材料，材料设计与材料设计与材料设计与材料设计与性能预测性能预测性能预测性能预测等功能材料新领域，取得了一批接近或达到国际先等功能材料新领域，取得了一批接近或达到国际先进水平的研究成果，在国际上占有了一席之地。进水平的研究成果，在国际上占有了一席之地。5050镍氢电池镍氢电池镍氢电池镍氢电池、锂离子电池锂离子电池锂离子电池锂离子电池的主要性能指标和生产工艺技术的主要性能指标和生产工艺技术均达到了国外的先进水平，推动了镍氢电池的产业化；功能均达到了国外

29、的先进水平，推动了镍氢电池的产业化；功能陶瓷材料的研究开发取得了显著进展，以陶瓷材料的研究开发取得了显著进展，以片式电子组件片式电子组件片式电子组件片式电子组件为目为目标，我国在高性能瓷料的研究上取得了突破，并在标，我国在高性能瓷料的研究上取得了突破，并在低烧瓷料低烧瓷料低烧瓷料低烧瓷料和和贱金属电极贱金属电极贱金属电极贱金属电极上形成了自己的特色并实现了产业化，使上形成了自己的特色并实现了产业化，使片式片式电容材料电容材料及其及其组件组件进入了世界先进行列。进入了世界先进行列。5151高档高档钕铁硼钕铁硼钕铁硼钕铁硼产品的研究开发和产业化取得显著进产品的研究开发和产业化取得显著进展，在某些成

30、分配方和相关技术上取得了自主知识产展，在某些成分配方和相关技术上取得了自主知识产权；权；功能材料还在功能材料还在“两弹一星两弹一星两弹一星两弹一星”等国防工程中作出了等国防工程中作出了举足轻重的贡献。举足轻重的贡献。5252我国的国防现代化建设一直受到以美国为首的西方国家的我国的国防现代化建设一直受到以美国为首的西方国家的封锁和禁运，所以我国的国防用封锁和禁运，所以我国的国防用关键特种功能材料关键特种功能材料关键特种功能材料关键特种功能材料是不可能依是不可能依靠进口来解决的，必须要走独立自主、自力更生的道路。如靠进口来解决的，必须要走独立自主、自力更生的道路。如军军事通信事通信、航空航空、航天

31、航天、导弹导弹、热核聚变热核聚变、激光武器激光武器、激光雷达激光雷达、新型战斗机新型战斗机、主战坦克主战坦克以及以及军用高能量密度组件军用高能量密度组件等，都离不开等，都离不开特种功能材料的支撑。特种功能材料的支撑。5353 目前世界各国功能材料的研究极为活跃，充满目前世界各国功能材料的研究极为活跃，充满了机遇和挑战，新技术、新专利层出不穷。发达了机遇和挑战，新技术、新专利层出不穷。发达国家企图通过知识产权的形式在特种功能材料领国家企图通过知识产权的形式在特种功能材料领域形成技术垄断，并试图占领域形成技术垄断，并试图占领中国中国广阔的市场，广阔的市场，这种态势已引起我国的高度重视。近年来，我国

32、这种态势已引起我国的高度重视。近年来，我国在新型稀土永磁、生物医用、生态环境材料、催在新型稀土永磁、生物医用、生态环境材料、催化材料与技术等领域加强了专利保护。但是，我化材料与技术等领域加强了专利保护。但是，我们应该看到，我国目前功能材料的创新性研究不们应该看到，我国目前功能材料的创新性研究不够，申报的专利数，尤其是具有原创性的国际专够，申报的专利数，尤其是具有原创性的国际专利数与我国的地位远不相称。我国功能材料在系利数与我国的地位远不相称。我国功能材料在系统集成方面也存在不足，有待改进和发展。统集成方面也存在不足，有待改进和发展。5454第二节第二节 形状记忆材料形状记忆材料形状记忆效应形状

33、记忆效应(Shape Memory Effect,(Shape Memory Effect,简称简称SME)SME)形状记忆效应形状记忆效应将材料在一定条件下进行一定将材料在一定条件下进行一定限度以内的变形后，再对材料施加适当的外界条件，限度以内的变形后，再对材料施加适当的外界条件，材料的变形随之消失而回复到变形前的形状的现象。材料的变形随之消失而回复到变形前的形状的现象。具有形状记忆效应的材料具有形状记忆效应的材料形状记忆材料形状记忆材料5555记忆合金同我们的日常生活已经是休戚相关。仅以记忆合金制成的弹簧为例，把这种弹簧放在热水中，弹簧的长度立即伸长，再放到冷水中，它会立即恢复原状。565

34、61.1.形状记忆材料的发现形状记忆材料的发现193219381951瑞典人欧勒特在瑞典人欧勒特在观察某种金镉合观察某种金镉合金的性能时首次金的性能时首次发现形状记忆效发现形状记忆效应。应。哈佛大学的研究哈佛大学的研究人员在一种铜锌人员在一种铜锌合金中发现了一合金中发现了一种随温度的升高种随温度的升高和降低而逐渐增和降低而逐渐增大或缩小的形状大或缩小的形状变化，但当时并变化，但当时并未引起人们的重未引起人们的重视。视。美国里德等人在美国里德等人在金镉合金的研究金镉合金的研究中发现该合金的中发现该合金的形状记忆效应，形状记忆效应，随后在铟钛合金随后在铟钛合金中也发现了形状中也发现了形状记忆效应。

35、记忆效应。5757196219631970美国海军军械研美国海军军械研究所成员研究镍究所成员研究镍钛合金时无意发钛合金时无意发现被弯曲的镍钛现被弯曲的镍钛合金丝靠近雪茄合金丝靠近雪茄火焰的部分自己火焰的部分自己伸直了。伸直了。军械研究所宣布军械研究所宣布在镍钛合金丝中在镍钛合金丝中发现了形状记忆发现了形状记忆效应。效应。人们在铜铝镍合人们在铜铝镍合金中也发现了形金中也发现了形状记忆现象，并状记忆现象，并明确这种现象是明确这种现象是能产生热弹性马能产生热弹性马氏体相变的合金氏体相变的合金所共有的特性。所共有的特性。5858198419841988198819891989法国法国CDFChimie

36、CDFChimie公司开发出了一公司开发出了一种新型材料聚降种新型材料聚降冰片烯，该材料冰片烯，该材料的分子量很高的分子量很高（300300万以上），万以上），是一种典型的热是一种典型的热致型形状记忆聚致型形状记忆聚合物合物日本的可乐丽公日本的可乐丽公司合成出了形状司合成出了形状记忆聚异戊二烯。记忆聚异戊二烯。同年，日本三菱同年，日本三菱重工开发出了由重工开发出了由异氰酸酯，多元异氰酸酯，多元醇和扩链剂三元醇和扩链剂三元共聚而成的形状共聚而成的形状记忆聚合物记忆聚合物PURPUR。日本杰昂公日本杰昂公司开发出了司开发出了以聚酯为主以聚酯为主要成分的聚要成分的聚酯酯合金合金类形状记忆类形状记忆聚

37、合物。聚合物。5959形状记忆效应可分为形状记忆效应可分为3 3种类型：种类型：单程形状记忆效应单程形状记忆效应双程形状记忆效应双程形状记忆效应全程形状记忆效应全程形状记忆效应 2.2.形状记忆效应形状记忆效应6060单程形状记忆效应单程形状记忆效应材料在高温下制成某种形状，材料在高温下制成某种形状，在低温相时将其任意变形，再加热时恢复为高温相形在低温相时将其任意变形，再加热时恢复为高温相形状，而重新冷却时却不能恢复低温相时的形状。状，而重新冷却时却不能恢复低温相时的形状。单程形状记忆效应单程形状记忆效应6161（a）未拉长(b)被拉长后(c)放入热水后恢复原长单程TiNi记忆合金簧的动作变化

38、情况 6262双程形状记忆效应双程形状记忆效应加热时恢复高温相形状，冷加热时恢复高温相形状，冷却时恢复低温相形状，即通过温度升降自发可逆地却时恢复低温相形状，即通过温度升降自发可逆地反复恢复高低温相形状的现象，或称为可逆形状记反复恢复高低温相形状的现象，或称为可逆形状记忆效应。忆效应。双程形状记忆效应双程形状记忆效应6363（a）没放入热水前 (b)放入热水后 (c)凉至室温后双程CuZnAl记忆合金花的动作变化情况 6464全程形状记忆效应全程形状记忆效应当加热时恢复高温相形状，冷当加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的高温相形状的现象。却时变为形状相同而取向相反的高温相形状的

39、现象。只能在富镍的只能在富镍的Ti-NiTi-Ni合金中出现。合金中出现。全程形状记忆效应全程形状记忆效应65653 形状记忆材料3.1 形状记忆合金3.2 形状记忆陶瓷3.3 形状记忆高分子66663.1 形状记忆合金6767Ti-Ni基形状记忆合金基形状记忆合金Cu基形状记忆合金基形状记忆合金 Fe基形状记忆合金基形状记忆合金 形状记忆合金的应用形状记忆合金的应用 3.1 3.1 主要几类形状记忆合金主要几类形状记忆合金68681 1、Ti-NiTi-Ni基形状记忆合金基形状记忆合金 优优点点：记记忆忆效效应应优优良良、性性能能稳稳定定、生生物物相相容容性性好好 缺点：制造过程较复杂，价格

40、高昂缺点：制造过程较复杂，价格高昂 Ti-NiTi-Ni合金通过在合金通过在10001000左右固溶后，在左右固溶后，在400400进行时效处理，再淬火得到马氏体。进行时效处理，再淬火得到马氏体。6969 Ti-NiTi-Ni基记忆合金中的基本相和相变基记忆合金中的基本相和相变CsClCsCl结构的体心立方晶体结构的体心立方晶体高温相（母相高温相（母相TiNi TiNi）单斜晶体单斜晶体马氏体马氏体冷却冷却R R相（菱面体点阵）相（菱面体点阵）适当的热处理或成分条件适当的热处理或成分条件R R相变相变在在Ti-NiTi-Ni二元合金系中有二元合金系中有TiNiTiNi、TiTi2 2NiNi和

41、和TiTi3 3NiNi三种金三种金属间化合物。属间化合物。70702 2、CuCu基形状记忆合金基形状记忆合金 主要由主要由Cu-ZnCu-Zn和和Cu-A1Cu-A1两个二元系发展而来。两个二元系发展而来。通通过过第第三三元元素素可可以以有有效效地地提提高高形形状状记记忆忆合合金金的相变温度，发展了一系列的的相变温度，发展了一系列的Cu-Zn-XCu-Zn-X (X=(X=Al,Al,Ge,Ge,Si,Si,SnSn锡锡,BeBe铍铍,Ni)Ni)三三元元合合金。金。lCu-Zn-A1Cu-Zn-A1基形状记忆合金基形状记忆合金lCu-A1-NiCu-A1-Ni基形状记忆合金基形状记忆合金

42、7171性能特点性能特点优点：制造加工容易，价格便宜，具有良好的记忆优点：制造加工容易，价格便宜，具有良好的记忆 性能，相变点可在一定温度范围内调节，不同性能，相变点可在一定温度范围内调节，不同 成分的成分的Cu-Zn-A1Cu-Zn-A1合金相变温度不同。合金相变温度不同。缺点：强度较低，稳定性及耐疲劳性能差，不具有缺点：强度较低，稳定性及耐疲劳性能差，不具有 生物相容性。生物相容性。72723 3、FeFe基形状记忆合金基形状记忆合金 分为两类：分为两类：（1 1）热弹性马氏体相变）热弹性马氏体相变Fe-Pt,Fe-PdFe-Pt,Fe-Pd钯钯,Fe-Ni-Co-,Fe-Ni-Co-Ti

43、 Ti合金等；合金等；（2 2）应力诱发马氏体相变（非热弹性马氏体），）应力诱发马氏体相变（非热弹性马氏体），Fe-Mn-Si,Fe-Cr-Ni-Mn-Si-CoFe-Mn-Si,Fe-Cr-Ni-Mn-Si-Co合金等。合金等。7373性能特点：性能特点：价格较价格较Ti-NiTi-Ni系和系和CuCu基系合金便宜，原料易得，可基系合金便宜，原料易得，可以采用现有的钢铁工艺进行冶炼和加工，强度高，以采用现有的钢铁工艺进行冶炼和加工，强度高，刚性好，适用作结构材料，也可作特种用途材料，刚性好，适用作结构材料，也可作特种用途材料，在应用方面具有明显的竞争优势。在应用方面具有明显的竞争优势。形状记

44、忆特性比形状记忆特性比Ti-NiTi-Ni合金差。合金差。74743.2 3.2 形状记忆陶瓷形状记忆陶瓷2020世世纪纪6060年年底底人人们们确确认认陶陶瓷瓷材材料料也也存存在在马马氏氏体体相相变变，一一个个著著名名的的例例子子就就是是ZrOZrO2 2陶陶瓷瓷中中的的马马氏氏体体相相变变，这这一一相相变变现现象象可可以以使使陶陶瓷瓷材材料料具具有有形形状记忆效应。状记忆效应。形状记忆陶瓷的机理可分为：形状记忆陶瓷的机理可分为：马氏体形状记忆陶瓷马氏体形状记忆陶瓷铁电形状记忆陶瓷铁电形状记忆陶瓷粘弹性形状记忆陶瓷粘弹性形状记忆陶瓷铁磁性形状记忆陶瓷等铁磁性形状记忆陶瓷等7575ZrOZrO

45、2 2陶瓷陶瓷氧化锆陶瓷的基本结构与相变氧化锆陶瓷的基本结构与相变随温度的变化纯随温度的变化纯ZrOZrO2 2有三种晶型，按温度由高到有三种晶型，按温度由高到低，其结构分别为低，其结构分别为立方晶系、四方晶系立方晶系、四方晶系(t(t相相)、单斜晶系、单斜晶系(m(m相相)7676相变过程：相变过程：单单 斜斜 ZrOZrO2 2 四四 方方 ZrOZrO2 2 立立 方方 ZrOZrO2 2 (m(m相相)(t(t相相)可逆马氏体相变可逆马氏体相变有约有约5 5的体积变化的体积变化注意注意体积效应太大体积效应太大晶型稳定化处理晶型稳定化处理在在ZrOZrO2 2中加入中加入CaOCaO、M

46、gOMgO、Y Y2 2O O3 3、CeOCeO2 2(氧化铈氧化铈)等稳定剂，可以使立等稳定剂，可以使立方相和四方相保持到低温。方相和四方相保持到低温。777712%CeO12%CeO2 2稳定的氧化锆陶瓷的形状记忆效应稳定的氧化锆陶瓷的形状记忆效应第一步：加载。在室温下施第一步：加载。在室温下施加压力，样品首先发生加压力，样品首先发生弹性弹性变形变形，接着在近乎恒定的应，接着在近乎恒定的应力下发生力下发生流变流变；第二步：卸载。卸载后第二步：卸载。卸载后弹性弹性变形消失变形消失而而塑性变形则保留塑性变形则保留下来。下来。第三步：加热到第三步：加热到A Af f以上，样以上，样品从品从60

47、60o oC C开始开始逆转变逆转变，到，到200200o oC C逆转变结束，变形也逆转变结束，变形也随着消失。随着消失。7878陶瓷的形状记忆效应与合金相比存在的主要差别：陶瓷的形状记忆效应与合金相比存在的主要差别：（1 1）形状记忆变形的量较小；）形状记忆变形的量较小；（2 2）每次记忆循环中都有较大的不可恢复变形，随）每次记忆循环中都有较大的不可恢复变形，随 循环次数的增加，累积变形增加，循环次数的增加，累积变形增加，最终导致裂最终导致裂 纹出现；纹出现；（3 3）没有双程记忆效应）没有双程记忆效应79793.3 3.3 形状记忆聚合物形状记忆聚合物形形状状记记忆忆聚聚合合物物不不同同

48、于于马马氏氏体体相相变变，而而是是基基于于高高分子材料中分子材料中分子链的取向与分布分子链的取向与分布的变化过程；的变化过程；这种聚合物具有两相结构，即这种聚合物具有两相结构，即固定相和可逆相固定相和可逆相；可可逆逆相相是是能能够够随随温温度度变变化化在在结结晶晶与与熔熔融融态态间间，或或者者在在玻玻璃璃态态与与高高弹弹状状态态间间可可逆逆转转变变的的相相，随随温温度度的的升升高高或或降降低低，可可逆逆相相的的结结构构发发生生变变化化，使使之之发发生软化、硬化。生软化、硬化。固固定定相相（热热固固性性或或热热塑塑性性）则则在在工工作作温温度度范范围围内内保持不变。保持不变。8080u密度小、强

49、度较低、塑韧性较高密度小、强度较低、塑韧性较高u形状恢复可能允许的变形量大形状恢复可能允许的变形量大u形状恢复的温度范围窄形状恢复的温度范围窄u形状恢复应力及形状变化所需要的外力小形状恢复应力及形状变化所需要的外力小u成本低成本低形状记忆聚合物的特点形状记忆聚合物的特点81814.4.形状记忆合金的应用形状记忆合金的应用82821.1.医疗应用。自医疗应用。自1978 1978 年以来年以来,我国对我国对TiNi TiNi 形状记忆合金形状记忆合金及其制品进行了广泛的耐蚀性实验、生物毒性试验及其制品进行了广泛的耐蚀性实验、生物毒性试验,结果表结果表明明TiNi TiNi 合金具有良好的生物相容

50、性合金具有良好的生物相容性,而且在各种生理溶液而且在各种生理溶液或介质中具有良好的耐腐蚀性或介质中具有良好的耐腐蚀性,用其制成的各种制品植入人用其制成的各种制品植入人体后体后,未发现有排异性反应或出现炎症。未发现有排异性反应或出现炎症。2.2.工程应用。现在形状记忆合金在工程领域已经得到广工程应用。现在形状记忆合金在工程领域已经得到广泛的应用。应用范围从精密复杂的机器到简单的连接件、紧泛的应用。应用范围从精密复杂的机器到简单的连接件、紧固件固件,从节约能源的形状记忆合金发动机到电流保护器管处从节约能源的形状记忆合金发动机到电流保护器管处处可见处可见,反映了形状记忆合金的奇异性能及小巧、灵活的特