現(xiàn)代功能材料

1、現(xiàn)代功能材料一、本課程內(nèi)容1. 基礎(chǔ)知識(shí)2. 超塑性材料3. 納米材料4. 驅(qū)動(dòng)材料（電流變體材料、壓電材料、形狀記憶材料、磁致伸縮材料、聚合膠體）5. 傳感材料（光導(dǎo)纖維、電阻應(yīng)變絲、疲勞壽命絲、碳纖維傳感元件、半導(dǎo)體傳感元件、壓電材料）6. 非晶態(tài)材料（非晶態(tài)聚合物、無機(jī)非晶態(tài)材料、非晶態(tài)半導(dǎo)體、非晶態(tài)金屬（金屬玻璃）7. 功能高分子材料（化學(xué)功能、光功能、電功能、高分子液晶）8. 其它（超導(dǎo)材料、儲(chǔ)氫材料、泡沫材料、磁性材料、阻尼材料）二、本課程三大特點(diǎn)新、廣、趣對(duì)教師和學(xué)生都具有很高的挑戰(zhàn)性是擴(kuò)大知識(shí)面的非常好的內(nèi)容三、本課程學(xué)習(xí)方法認(rèn)真聽、積極思考 Þ 創(chuàng)造性思考四、本課程

2、考查方式（與學(xué)生討論）科學(xué)論文形式的文獻(xiàn)綜述（中英文題目、中英文摘要、關(guān)鍵詞、引言、歷史、應(yīng)用、研究現(xiàn)狀、 存在問題、發(fā)展趨勢、創(chuàng)造性思想、結(jié)語、參考文獻(xiàn)，等） 在綜述中可表述自己的觀點(diǎn)，不要怕標(biāo)新立異，關(guān)鍵要自圓其說。第一章 緒論§1.1 材料的功能為了生存和發(fā)展，人類一方面從大自然只選擇天然物質(zhì)進(jìn)行加工和改造，獲得適用的材料；另一方面通過物理化學(xué)加工方法研制合金、玻璃、有、陶瓷、合成高分子材料來滿足生產(chǎn)和生活的需要。人們使用這些出來是，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狀和結(jié)構(gòu)不變的優(yōu)良力學(xué)性能（如強(qiáng)度和韌性）來制造工具、機(jī)械、車輛以及修建房屋、橋梁、鐵路等，這些

3、側(cè)重于強(qiáng)調(diào)強(qiáng)度功能的材料統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)材料。與此相應(yīng)，我們把側(cè)重于“切斷以外的功能”的材料稱為“功能材料”，這通常是通過光、電、磁、聲、熱、化學(xué)、生物化學(xué)等的作用，使出來具有特定的功能，主要是光學(xué)功能、電磁功能、電絕緣功能、聲學(xué)功能、身體功能、分離功能、梯度功能、形狀記憶功能、自適應(yīng)功能等。根據(jù)出來的性質(zhì)特征和用途，可將功能材料定義為：具有優(yōu)良的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)功能及其相互轉(zhuǎn)換的功能，被用于非結(jié)構(gòu)目的的高技術(shù)材料。也可以表述為：為了賦予材料以有用的功能，通過改變材料的成分、結(jié)構(gòu)、添加劑和制作方法而作成的材料。例如把材料制作成超微粉末、超薄膜而使之產(chǎn)生新的功能，或?qū)σ环N材料

4、加上某種能量，使之產(chǎn)生另一種能量釋放出來等等。輕 量 化高強(qiáng)度化無空隙化例：壓力容器鑄件磁頭用鐵氧體材料耐環(huán)境作用的提高可復(fù)用化無公害化低成本化復(fù)合化例：容器等玻璃纖維材料顆粒復(fù)合材料薄膜化例：高分子膜過濾材料傳感材料消聲材料多 孔 化節(jié) 能 材 料圖1.1是功能材料和結(jié)構(gòu)出來關(guān)系的示意。節(jié) 能 材 料微粉化例：鐵氧體的性能變化強(qiáng)磁性常磁性非晶化例：能量轉(zhuǎn)換材料過濾材料磁性流體磁性材料+加有機(jī)膜§1.2 功能材料概述功能材料按其物質(zhì)性，可分為金屬功能材料、無機(jī)功能材料、有機(jī)功能材料和復(fù)合功能材料等。1.2.1無機(jī)系1.2.1.1 PTC材料：某溫度范圍內(nèi)有正的電阻溫度系數(shù)。如在BaT

5、iO3上用La（3價(jià)稀土）置換部分Ba，為保持電中性，Ti4+ Ti3+,居里點(diǎn)附近電阻值有幾個(gè)數(shù)量級(jí)的變化，且為正溫度系數(shù)。也可用Sr或Pb等來置換Ba，用Zr、Sn置換其中的Ti使居里點(diǎn)移動(dòng)，使工作范圍變化。應(yīng)用：溫度補(bǔ)償元件，如補(bǔ)償二極管等因溫度發(fā)生的電阻變化；無觸點(diǎn)開關(guān)，如冰箱開關(guān)、電熱毯開關(guān)等。1.2.1.2 氣氛傳感器材料：可測出接觸物體表面的氣氛種類、濃度和氣體溫度等。應(yīng)用：半導(dǎo)體氣體傳感器：氣體分子吸附半導(dǎo)體表面，由于其氧化和還原性不同，可使半導(dǎo)體導(dǎo)通性變化而給出信號(hào)。為提高表面積，多做為多孔狀；為提高靈敏性，一般加熱至200400下使用。固體電介質(zhì)氣體傳感器：以離子導(dǎo)電方式固

6、體電介質(zhì)做成電池，由兩極氣體濃度或壓力差給出電動(dòng)勢。如ZrO2-Y3O3系，ZrO2-CaO,兩邊加多孔Pt電極形成氧濃差電池測氧的濃度。a) 可燃?xì)怏w傳感器：加Pd的SnO2，加Pd或Pt的ZnO2、-Fe2O3系等。b) CO氣體傳感器：加Pd或Pt的SnO2，對(duì)CO選擇性吸收很好，靈敏度很高。c) 酒精氣體傳感器： SnO2系列；磷灰石-ZnO復(fù)合材料；Sm0.5-Sr0.5-CoO3系等。d) 濕度傳感器：MgCr2O4-TiO2 ；(BaSr)TiO2；ZnO2-MgO； Al2O3-TiO2-SnO2；ZnCr2O4-LiZnVO4。e) 氧傳感器：ZnO2-Y2O3（濃差電池型）

7、；TiO2（電阻變化型）。1.2.1.3原子能燃料中子照射鈾(U)原子核生成鋇(Ba)。費(fèi)米1942年成功控制了裂變過程。錒族（最重要的元素）天然只有鈾（U）和釷（Th）。鈾在地球上儲(chǔ)藏量只有2/百萬，又分為235U和238U，235U可裂變，而238U不可裂變，235U只占U中的0.71%。232Th不可裂變。所以天然原子能燃料很少。238U和232Th在0.1-10MeV中子照射下，可轉(zhuǎn)化為可裂變?cè)亍?.2.1.4 核聚變材料 （核融和研究）太陽能是四個(gè)氫原子核聚變成He，重要燃料是重氫氘，主要來源是海水。先產(chǎn)生高溫等離子，然后發(fā)生熱聚變，將海水中氘、氚射到爐心中產(chǎn)生熱核反應(yīng)，要用超導(dǎo)線

8、圈使幾億度高溫等離子體與爐壁隔離，如圖1.1。 氘+氚 4+He+中子+17.6MeV氚：中子與Li（100時(shí)為液態(tài)）反應(yīng)生成的。有時(shí)用Li-Pb， 融鹽：LiF,Li2O。1.2.2 有機(jī)系1.2.2.1 磁性材料Fe(C12H17N3)SO4·6H2O n稱PPH-FeSO4在4.6K產(chǎn)生磁滯回線。1.2.2.2 氣體分離膜多孔膜，其中r/>5（r：孔半徑，：氣體平均自由程），透過速度與粘度成正比；r/<1，透過速度與分子量成正比。分子篩是一類能篩分分子的固體材料，氣體或液體混合物分子通過這種材料后，就按照不同分子的特性彼此分離開來。如5 A分子篩是吸水的，13X是分

9、離氫和氧的。許多物質(zhì)如晶體硅酸鹽（又稱沸石或泡沸石）、多孔玻璃、特制活性炭、葡萄糖凝膠、瓊脂凝膠、聚丙烯酰胺凝膠等都有分子篩效應(yīng)。多孔膜：Q = P(p1-p2)At/lQ: 透過量，P: 透過系數(shù)，l：膜厚，p1、p2：膜兩側(cè)氣體分壓，A：透過面積，t：時(shí)間。如：聚丁二烯、聚丙乙烯、醋酸纖維、二甲基硅氧烷等。 1223 超導(dǎo)材料常規(guī)材料在0°K仍有一固定R值，而在某溫度下，R =0時(shí)，即為超導(dǎo)材料。圖1.3為T-H-J示意圖，Tc-Hc-Jc面下即為超導(dǎo)材料，Tc、Hc、Jc為臨界值。1911年發(fā)現(xiàn)水銀有超導(dǎo)，但Tc、Hc、Jc值很低，無使用價(jià)值。上實(shí)際50年代后期，發(fā)現(xiàn)Nb或V的

10、合金或化合物，其臨界值較高。Nb-Ti: Tc 10K,液He下（4.2K），Hc=11T(特斯拉)，（1T = 104高斯）。Nb3Sn: Tc 1523K，Hc 2040TPbMo6S8: Hc 50T。實(shí)用超導(dǎo)線材： Nb-Ti: Nb-5075at%Ti,一般10m絲埋在銅中。工藝過程：電弧爐熔Nb-Ti 幾噸鑄錠 加工成指頭粗的棒 插入300mm銅管 一道拉成絲 再插入銅管 再拉，反復(fù)到絲有10萬根左右為止。V3Ga 化合物線材。在Nb或V的帶基上將熔化的Ga或Nb3Sn用連續(xù)擴(kuò)散的方式制成帶材。開發(fā)中的超導(dǎo)材料：濺射法:真空鍍敷，合成出Nb3Ge；快速凝固法：Nb3（Al、Ge），

11、Tc >20K, Hc = 40T；NbN Nb(C,N) MoN V2Hf PbMo6S8氧化物陶瓷：BaPb0.7Bi0.3O3 Tc =13 K LaBaCuO Tc =30 KYbaCuO6.9 Tc =90 K (液N:77K)合金系列的電流密度105106 A/cm2氧化物陶瓷電流密度103 A/cm21.2.2.4 超微粒子超微粒子大?。?00nm以下，與光的波長相當(dāng)，如好的香煙灰。微細(xì)化效應(yīng)： 1）體積效應(yīng)（減少） a)熔點(diǎn)會(huì)降低，如3nm金，T熔由1300K 900K，（低溫?zé)Y(jié)） b)<100nm，強(qiáng)磁體矯頑力顯著提高；多晶 單晶，磁疇亦發(fā)生變化。 有新相出現(xiàn)，

12、多面體粒子出現(xiàn)，物質(zhì)電子狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化。 2）表面效應(yīng)： 催化。 3）粒子間相互作用：導(dǎo)電、傳送、固體反應(yīng)等。制作方法：氣相法和液相法，主流上液相法：沉淀法、噴霧法是制大批量均勻微粉的方法。氣相法用于研究，有物理法（PVD）和化學(xué)法(CVD)。等離子氣體的金屬反應(yīng)法原材料：2000以下金屬、合金及陶瓷均可。應(yīng)用：1） 磁流體；2） 磁記錄材料；3） 低溫?zé)Y(jié)；4） 催化，傳感。1.2.2.5 電極材料電極材料的種類和用途（非消耗電極）種類用途特征石墨電池、鹽的電解白金酸電解及燃料電池耐蝕、催化鍍Pt的Ti電鍍、電防蝕比Pt更便易Ni水電解、燃料電池加工性好、耐蝕不如PtPb及其合金電池、電鍍便

13、易、比強(qiáng)度差RuO2-Ti鹽電解氯過電壓小、耐蝕好磁鐵礦氯酸電解、電防蝕便易、脆、電阻大鐵氧體水處理便易、脆、電阻大PbO2可代替Pt，但脆，與基體廉價(jià)困難1 貴金屬電池鉑金最好，表面易生成PtO，PtO2電極催化取決于此二皮膜，但價(jià)格高，常用Ti、Nb、Ta替代。TiO2 Nb2O5均是致密膜。也可在Ti、Nb、Ta的表面鍍鉑金。2.Pb及Pb的合金比重大，表面易產(chǎn)生硫酸鉛或碳酸鉛膜，耐蝕，但此膜導(dǎo)電性不好。如Pb做陽極，形成PbO2膜，則導(dǎo)電性改善。做Pb電極常加Ag、Sn來促進(jìn)PbO2生成，如：Pb-20%Ag用于電解、電鍍。可將PbO2敷在其它材料表面來代替Pt電極。3 其它金屬電極不

14、溶性電極材料很難，如Ni-Cr不銹鋼在作堿水電極時(shí)會(huì)失去Cr，所以不合適。Ti、Nb、Ta會(huì)產(chǎn)生不利氧化物，（起催化、促媒）產(chǎn)生新材料。Ni3Ta、Ni3Nb可克服Ni-Cr不銹鋼和純Ti、Nb、Ta的弱點(diǎn)。Ni3Ta在硫酸下表現(xiàn)極好。在500A/下，腐蝕為1.03g/A.年。Ni3Nb在氯化物中效果好。但此二材料加工性較差。Pd（鈀）-Ti-P系 非晶態(tài)合金耐蝕性比晶體好得多，尤其在氯發(fā)生物中。Pd-Tr（銥）-P系 但電阻較大。按材料的功能性可分為電學(xué)功能材料、磁學(xué)功能材料、光學(xué)功能材料、聲學(xué)功能材料、力學(xué)功能材料、熱學(xué)功能材料、化學(xué)功能材料、生物醫(yī)學(xué)功能材料、核功能材料等九大類。這將在后面作部分介紹，同學(xué)們也可進(jìn)行