新型建筑功能材料概念和應(yīng)用

1、新型建筑功能材料概念和應(yīng)用New Functional Building Materials課程內(nèi)容第一部分 建筑功能材料概念功能材料的概念功能材料分類功能材料設(shè)計原理第二部分 建筑的組成部分第三部分 新型建筑中的功能材料建筑中的六大材料體系新型功能材料在建筑中的應(yīng)用第四部分 課程的學(xué)習(xí)安排人類社會的進(jìn)步，首先體現(xiàn)在人類所能運(yùn)用的材料對象的進(jìn)步。建筑是凝結(jié)了人類智慧和材料進(jìn)步的精華建筑是凝固的藝術(shù)。引 言建筑是技術(shù)的結(jié)晶。建筑的要求?第一部分 建筑功能材料概念功能材料被越來越多地應(yīng)用于現(xiàn)代建筑；現(xiàn)代建筑新理念的實現(xiàn)需要更多更好的新型功能材料。1. 概論1.1 功能材料的定義:指那些具有特定的物

2、理和化學(xué)功能如光、電、磁、聲、熱等特性的各種材料，包括電功能材料、磁功能材料、光功能材料、超導(dǎo)材料、智能材料、儲氫材料、生物醫(yī)學(xué)材料、功能陶瓷等。功能材料有別于一般意義上的承載（結(jié)構(gòu)）材料和維護(hù)材料。新型建筑功能材料是區(qū)別于傳統(tǒng)的磚瓦、灰砂石等建材的建筑材料新品種。從功能上分，有墻體材料、裝飾材料、門窗材料、保溫材料、防水材料、粘結(jié)和密封材料，以及與其配套的各種五金件、塑料件及各種輔助材料等。從材質(zhì)上分，包括天然材料，還有化學(xué)材料、金屬材料、非金屬材料等等。 材料的功能,可以認(rèn)為是材料對外界作用的一種反應(yīng)形式。具體地說是向材料輸入某種能量, 經(jīng)過材料的傳輸或轉(zhuǎn)換,再向外部輸出一種能量。輸入和輸

3、出的能量的形式或強(qiáng)弱將會發(fā)生變化。一次功能：當(dāng)向材料輸入的能量和從材料輸出的能量屬于同一種形式時，材料僅起能量傳遞的作用，材料的此種功能為一次功能。 一次功能實例力學(xué)性能：慣性、粘性、流動性、潤滑性、制動性、韌性、彈性等聲學(xué)性能：吸音性、隔音性等 熱學(xué)性能：隔熱性、傳熱性、吸熱性、蓄熱性等一次功能實例光學(xué)性能：透光性、遮光性、反射性、折射性、光吸收性、光偏振性、聚光性、分光性等。電學(xué)性能：導(dǎo)電性、超導(dǎo)性、絕緣性等磁學(xué)性能：軟磁性、硬磁性等化學(xué)性能：催化作用、吸附作用、生化作用、酶反應(yīng)、氣體吸收性等二次功能：當(dāng)向材料輸入的能量和材料輸出的能量屬于不同形式時，材料起能量轉(zhuǎn)換作用，材料的此種功能為二

4、次功能。 二次功能實例機(jī)械能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換：壓電效應(yīng)、磁致伸縮效應(yīng)、摩擦發(fā)熱效應(yīng)、沖擊發(fā)熱效應(yīng)、形狀記憶效應(yīng)、感應(yīng)發(fā)光效應(yīng)、光壓效應(yīng)、聲光效應(yīng)等。電能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換：電磁效應(yīng)、電阻發(fā)熱效應(yīng)、熱電效應(yīng)、場致發(fā)光效應(yīng)、電化學(xué)效應(yīng)等。二次功能實例磁場與其他形式能量的轉(zhuǎn)換：熱磁效應(yīng)、磁冷凍效應(yīng)、光磁效應(yīng)等。熱能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換：激光加熱、熱刺激發(fā)光、熱化學(xué)反應(yīng)等。光能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換：光化學(xué)反應(yīng)、光分解反應(yīng)、化學(xué)發(fā)光、感光反應(yīng)、光電效應(yīng)等。 電-光-熱轉(zhuǎn)換功能材料舉例-壓電陶瓷1.2 Classifications （按功能分類）力學(xué)功能：用于承重、強(qiáng)化韌化等，如超高強(qiáng)材料、增強(qiáng)纖

5、維等；化學(xué)功能：用于物質(zhì)分離、加速反應(yīng)過程等，如離子交換樹脂、催化劑等；電學(xué)功能：用于特殊的導(dǎo)電場合，如超導(dǎo)體、導(dǎo)電高分子聚合物；光學(xué)功能：反射、發(fā)光和感光材料、激光材料磁學(xué)功能：永磁體、鐵電材料聲學(xué)功能：吸聲隔聲材料、聲電材料熱學(xué)功能：保溫絕熱材料、熱管密封功能：防水材料、防腐材料、密封材料生物醫(yī)學(xué)功能：人工關(guān)節(jié)、牙科材料、緩釋膠囊核功能：輻射屏蔽、輻射吸收材料1.2 Classifications (按材料應(yīng)用特征分類）信息材料：傳輸、儲存、運(yùn)算等電訊工程材料：傳導(dǎo)、顯示能量轉(zhuǎn)換材料：壓電、光電傳感材料：熱、濕、氣、力等感應(yīng)航空航天材料：生物醫(yī)學(xué)材料。1.3 Structure and F

6、unctions功能材料的特定的功能與材料的結(jié)構(gòu)是密切聯(lián)系的，例如，壓電陶瓷晶體中必須具有極軸。對于結(jié)構(gòu)材料，材料的強(qiáng)度、韌性是主要要求的性能，這類性能對材料的組織、原子排列方式很敏感；而功能材料主要要求材料的聲、電、熱、光、磁等物理性能和化學(xué)性能，它們往往對組織不那么敏感，而對材料中的電子分布與運(yùn)動敏感。 應(yīng)用高溫結(jié)構(gòu)陶瓷：1200(1500)C使用，用于空間和軍事，發(fā)動機(jī)高強(qiáng)超硬陶瓷：高強(qiáng)高韌性，搞熱穩(wěn)定性，用于模具、軸承、刀具、輪機(jī)葉片。電子陶瓷：作為具有壓電、光電、電光功能的器件超導(dǎo)陶瓷：電子、能源、交通、信息等磁性陶瓷：較大的磁導(dǎo)率和矯頑力，作為微波器件、量子無線電等部件；光學(xué)陶瓷：

7、透明、紅外光、熒光特性好，用于激光技術(shù)、光導(dǎo)纖維、全息照相、集成光學(xué)等人工晶體：具有高硬度、高耐蝕性，并有壓電、熱釋電、電光、聲光效應(yīng)等，用于激光、光電子技術(shù)、超導(dǎo)、高能技術(shù)等。光學(xué)纖維：工作頻率高，頻帶寬，容量大，用于遠(yuǎn)距離通訊，光電控制等特種玻璃: 透紅外玻璃、微孔玻璃、微晶玻璃、自潔凈玻璃、變色玻璃薄膜材料：具有高的選擇過濾性，用于無公害、節(jié)能、環(huán)保等高溫涂層：耐腐蝕、隔熱、保溫等，用于空間技術(shù)、化工、軍事、空間技術(shù)等巖棉氈：高級保溫材料多孔混凝土：保溫絕熱，吸聲隔聲自潔凈玻璃：光催化、光解改性瀝青：屋面防水、道路膠凝材料陶粒：輕質(zhì)多功能骨料1.5 功能材料的設(shè)計原理材料的功能設(shè)計賦予材

8、料以一次或二次功能特性的科學(xué)方法材料設(shè)計的層次性：電子-光子層次；原子-原子集團(tuán)層次；顯微結(jié)構(gòu)層次；宏觀結(jié)構(gòu)層次功能設(shè)計的前提掌握材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系建立完整準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)庫建立正確的物理模型大量實踐經(jīng)驗的積累功能設(shè)計的方法從功能組分（單元）功能特性功能組分的組合配合比設(shè)計特殊的工藝強(qiáng)化功能特性組分、工藝的優(yōu)化組合例：通過加入成核劑、控制熱處理過程，使基礎(chǔ)玻璃中形成微晶體和玻璃相共存且均勻分布的復(fù)合材料微晶玻璃。例：經(jīng)過特殊的加工過程得到的納米材料（100nm以下）具有一系列獨(dú)特的性能（小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)等），其中一部分成為重要的功能材料。 例：利用兩種材料的不同特性進(jìn)行組合，得到

9、一種高效的吸聲材料。第二部分建筑的基本組成和功能一般民用建筑的構(gòu)造組成一般民用建筑的組成：基礎(chǔ)、墻體、梁、柱、樓地面、樓梯、門窗、屋蓋，建筑的組成可劃分為三類:承重構(gòu)件。圍護(hù)分隔構(gòu)件。如部分內(nèi)外墻體、門窗等。抵御大自然中各種不良因素對房屋內(nèi)部的干擾，以及采光、通風(fēng)、分隔房屋內(nèi)部空間等。裝飾構(gòu)件。它能彌補(bǔ)建筑物存在的缺陷，美化房屋建筑。主要建筑組成部分的作用與要求基礎(chǔ)傳遞荷載至地基墻體承重、圍護(hù)與分割樓地面水平承重構(gòu)件水平分割構(gòu)件屋蓋頂部圍護(hù)、承重構(gòu)件樓梯垂直交通門窗交通通行與采光通風(fēng)建筑材料的分類建筑材料按材料來源天然材料人造材料按使用功能按組成材料的物質(zhì)和化學(xué)成分結(jié)構(gòu)材料功能材料無機(jī)材料有機(jī)

10、材料復(fù)合材料金屬材料非金屬材料植物材料高分子材料無機(jī)非金屬材料與有機(jī)材料復(fù)合瀝青材料黑色金屬有色金屬天然石材燒土制品膠凝材料及其制品金屬材料與無機(jī)非金屬材料復(fù)合金屬材料與有機(jī)材料復(fù)合建筑材料的發(fā)展趨勢高性能：輕質(zhì)、高強(qiáng)、高耐久性。多功能：具備多種特殊性能。節(jié)約資源、能源：環(huán)保：產(chǎn)品可再生循環(huán)和回收利用，無污染廢棄物以防止二次污染。發(fā)展預(yù)制技術(shù)：在產(chǎn)品型式方面逐步提高構(gòu)件化、單元化水平。第三部分新型建筑中的功能材料結(jié)構(gòu)材料體系（混凝土、鋼材）墻體材料體系（磚、砌體）采光透光材料體系（玻璃）裝飾材料體系（瓷磚、涂料）隔熱隔聲材料體系（多孔輕質(zhì)材料）防水材料體系（高分子防水材料）建筑中的六大材料體系

11、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)首當(dāng)其沖鋼結(jié)構(gòu)異軍突起混凝土結(jié)構(gòu)建筑墻體圍護(hù)材料十分重要墻體的保溫隔熱等功能不斷加強(qiáng)采光通風(fēng)不可小視鍍膜玻璃廣泛采用太陽能的利用中空玻璃和真空玻璃節(jié)能效果好屋面防水固若金湯防火材料不斷翻新鋼結(jié)構(gòu)防火膨脹防火涂料電纜防火涂料例1：精細(xì)陶瓷功能陶瓷占有的市場份額為精細(xì)陶瓷的70%；研究的熱點(diǎn)有：高介電常數(shù)、低損耗、低溫度特性、大容量、超薄的電容陶瓷高性能壓電和驅(qū)動陶瓷超高頻超低損耗微波介質(zhì)陶瓷各種敏感陶瓷日本在精細(xì)陶瓷領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，在國際市場上占有一半以上的份額日本精細(xì)陶瓷的市場發(fā)展軌跡：1990年65億美元1995年90億美元2000年300億美元例2：太陽能電池材料提高硅太陽能電池

12、的效率是科技工作者長期以來追求的目標(biāo)單晶硅轉(zhuǎn)換效率高，但價格昂貴多晶硅的效率已經(jīng)達(dá)到13%采用多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，通過選擇性吸收涂層和光譜轉(zhuǎn)換涂料，IBM公司的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到40%。德國Essen大學(xué)行政大樓。其中一面外墻采用太陽能電池作為外墻貼面，其產(chǎn)生的電力可供應(yīng)大樓的部分照明。例3：光色玻璃光致變色玻璃由于在可見光區(qū)吸收而自動變色；光照停止時，玻璃可自動恢復(fù)到初始的透明狀態(tài)光色玻璃在圖像記錄、全息照相、信息儲存、光記憶元件等方面有良好的前景；具體應(yīng)用上，可作為光閥、相機(jī)鏡頭，紫外線劑量器、汽車車窗玻璃、自動調(diào)光窗玻璃、顯示板等。三類光色玻璃：摻鈰（ Ce3+）或銪（Eu3+）的高純度硅

13、酸鹽玻璃；以缺陷作為色心的還原硅酸鹽玻璃；含鹵化銀或鹵化鉈的玻璃。目前主要采用含鹵化銀的堿鋁硼酸鹽玻璃。為提高效能，降低成本，一些新型的無銀光色玻璃得到開發(fā)。Ce, Eu, Mn, Mo。光色材料與電色材料、生物材料相結(jié)合，發(fā)展新的發(fā)光材料，應(yīng)用與高技術(shù)領(lǐng)域。實例4：水泥基機(jī)敏材料華裔美國學(xué)者鐘端玲（DDL. Chung）教授是最有影響的學(xué)者。她于1993年首次將具有壓敏性混凝土定義為 “Smart Concrete Materials ” 。她在這一領(lǐng)域已發(fā)表學(xué)術(shù)論文130余篇；應(yīng)邀在 9 國做過 130 場以上學(xué)術(shù)報告。我校李卓球教授等在國內(nèi)外較為活躍。力熱電壓敏、力電效應(yīng)電力效應(yīng)機(jī)械熱效

14、應(yīng)熱電（seebeck)效應(yīng)熱力效應(yīng)電熱效應(yīng)代表性的水泥基機(jī)敏材料是碳纖維增強(qiáng)水泥碳纖維與水泥基體的相互作用水泥基體本身的特殊結(jié)構(gòu)航天飛行器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與自適應(yīng)控制飛機(jī)機(jī)翼形狀自適應(yīng)控制與疲勞損傷監(jiān)測土木水利大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與控制自感知自診斷自適應(yīng)自愈合急需復(fù)合材料集成技術(shù)微電子技術(shù)計算機(jī)技術(shù)信息處理技術(shù)基礎(chǔ)第四部分本課程學(xué)習(xí)安排本課程研究的主要內(nèi)容：建筑功能材料的概念可循環(huán)的建筑功能材料功能陶瓷與玻璃水泥基功能材料絕熱和聲學(xué)材料建筑防火材料及防水材料本課程的教學(xué)方法：本課程圍繞一座現(xiàn)代建筑的主要功能材料體系展開，要求學(xué)生了解新型建筑中功能材料的應(yīng)用。具體要求每位學(xué)生掌握某一種功能材料在建筑中的使用原理與方法。要強(qiáng)調(diào)新型功能材料，要針對前沿建筑甚至概念建筑（節(jié)能環(huán)保、零排放等）討論功能材料體系的設(shè)計和運(yùn)用。教師講授與學(xué)生討論相結(jié)合；目標(biāo)成績?yōu)閮?yōu)秀的學(xué)生，必須按專題（興趣）分組，以小組為單位鉆研某一個選題，并參加討論；每位學(xué)生結(jié)合自己的選題寫一篇小論文；成績評定：討論占20%