功能材料概論-課件

功能材料概論

IntroductiontoFunctionalMaterials

1功能材料概論

IntroductiontoFunctio課程簡(jiǎn)介課程性質(zhì)：專業(yè)基礎(chǔ)課先修課程：無(wú)機(jī)化學(xué)，物理化學(xué)，高分子化學(xué)，高分子物理總學(xué)時(shí)：36學(xué)時(shí)教材：《功能材料概論》殷景華王雅珍等編參考書：現(xiàn)代功能材料及其應(yīng)用—郭衛(wèi)生,汪濟(jì)奎

功能材料學(xué)——周馨我新型功能材料——貢長(zhǎng)生，張克立課程內(nèi)容：1．功能材料的科學(xué)基礎(chǔ)2．金屬功能材料3．無(wú)機(jī)非金屬功能材料4．功能高分子材料2課程簡(jiǎn)介課程性質(zhì)：專業(yè)基礎(chǔ)課程基本要求和考核基本要求1.請(qǐng)不要無(wú)故曠課、遲到，若有事請(qǐng)假，請(qǐng)寫好假條，輔導(dǎo)員簽字方可；2.課堂上請(qǐng)不要做干擾老師上課或同學(xué)聽講的事情；3.按時(shí)按量完成作業(yè)考核：平時(shí)成績(jī)（10%）+期中成績(jī)（報(bào)告10%）+期末成績(jī)（80%）3課程基本要求和考核基本要求3第一章緒論現(xiàn)代文明的三大支柱-----能源、信息和材料。材料是一切技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。

4第一章緒論現(xiàn)代文明的三大支柱-----能源、信一、材料科學(xué)及其發(fā)展

材料是可以用來(lái)制造有用的構(gòu)件、器件或物品的物質(zhì)。師昌緒主編：《材料大辭典》

材料是“具有一定性能的物質(zhì),可以用來(lái)制成一些機(jī)器、器件、結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品”美國(guó)科學(xué)院、工程院聯(lián)合編寫《材料：人類的需求》1、什么是材料？5一、材料科學(xué)及其發(fā)展材料是可以用來(lái)制造有用的構(gòu)件幾乎所有的物質(zhì)都可以稱為是材料，但并不是所有的材料都能引起人們的廣泛關(guān)注。那么，什么樣的材料值得我們關(guān)注？

——實(shí)用價(jià)值6幾乎所有的物質(zhì)都可以稱為是材料，但并不是所有的材料材料實(shí)用價(jià)值的五個(gè)判據(jù)資源能源環(huán)保經(jīng)濟(jì)質(zhì)量7材料實(shí)用價(jià)值的五個(gè)判據(jù)資源7

考慮到上述各種因素之后，有人提出材料應(yīng)該定義為：人類社會(huì)所能夠接受的經(jīng)濟(jì)地制造有用器件的物質(zhì)

8考慮到上述各種因素之后，有人提出材料應(yīng)該定義為：人2、材料科學(xué)及其發(fā)展

第一代（天然材料）：自然界的礦物、植物以及動(dòng)物第二代（燒煉材料）：燒結(jié)：磚瓦、陶瓷、玻璃、水泥；

冶煉：銅鐵第三代（合成材料）：20世紀(jì)初出現(xiàn)化工產(chǎn)品，塑料、橡膠、纖維等已廣泛用于生活。第四代（可設(shè)計(jì)材料）：前三代為單一產(chǎn)品，于是根據(jù)需要設(shè)計(jì)特殊性能的材料。例20世紀(jì)40年代的復(fù)合材料第五代智能材料：近三、四十年研制的新型功能材料，例記憶合金等。92、材料科學(xué)及其發(fā)展第一代（天然材料）：自然材料科學(xué)的發(fā)展過(guò)程：P6

發(fā)現(xiàn)與使用自然材料↓合成與設(shè)計(jì)材料↓賦予材料生命體功能10材料科學(xué)的發(fā)展過(guò)程：P6發(fā)現(xiàn)與使用自然材料1020世紀(jì)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)生了一系列驚人的重大發(fā)現(xiàn)（原子能、航空航天、激光、信息、能源等領(lǐng)域），它有力地促進(jìn)了材料的發(fā)展，使得材料在20世紀(jì)中葉，發(fā)生了一次“革命性”的飛躍：超音速飛機(jī)(鎳基超級(jí)合金)計(jì)算機(jī)(晶體管、半導(dǎo)體)航天飛機(jī)(高溫結(jié)構(gòu)陶瓷)這個(gè)飛躍的標(biāo)志就是“材料科學(xué)”的形成。1120世紀(jì)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)生了一系列驚人的重大發(fā)現(xiàn)（原子能、航3、材料科學(xué)形成的背景20世紀(jì)中葉是蘇美兩個(gè)超級(jí)大國(guó)在各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行全面競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)代。材料的競(jìng)爭(zhēng)是其中的主要內(nèi)容之一。1957年蘇聯(lián)率先將人造地球衛(wèi)星送上了天，從而引發(fā)了全球性的材料科學(xué)研究。美國(guó)從此相繼成立了一些材料研究中心，正式將材料科學(xué)作為一個(gè)學(xué)科對(duì)待。123、材料科學(xué)形成的背景12美國(guó)：50年代末美國(guó)政府就制定了全國(guó)材料發(fā)展規(guī)劃，70~80年代又進(jìn)行了多次的補(bǔ)充和修正，把重點(diǎn)放在超硬化合物、半導(dǎo)體激光材料、磁性材料和精密陶瓷上。日本：在1980年開展了為期10年耗資4億美元的新材料發(fā)展規(guī)劃，重點(diǎn)領(lǐng)域?yàn)榫芴沾?、功能高分子、?fù)合材料、生物材料等。歐洲：與前蘇聯(lián)也制訂了類似的規(guī)劃，競(jìng)爭(zhēng)的項(xiàng)目也集中在這些領(lǐng)域。13美國(guó)：50年代末美國(guó)政府就制定了全國(guó)材料發(fā)展規(guī)劃，70~英國(guó)人悲哀地說(shuō)：英國(guó)沒(méi)有硅工業(yè)了，英國(guó)從第一流的經(jīng)濟(jì)大國(guó)變?yōu)榱说诙鞯慕?jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家，而日本卻從第二流的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家變成了第一流的經(jīng)濟(jì)大國(guó)。14英國(guó)人悲哀地說(shuō)：英國(guó)沒(méi)有硅工業(yè)了，英國(guó)從第一流的經(jīng)濟(jì)大國(guó)變?yōu)槎?、材料的分?5二、材料的分類151.按材料的組成分類金屬材料（純金屬、合金）：優(yōu)良力學(xué)性能（強(qiáng)度、塑性）；可加工性；優(yōu)異的物理性能。高分子材料（天然、合成）：密度??；比強(qiáng)度大；絕緣性好；耐腐蝕；易加工。無(wú)機(jī)非金屬材料（陶器、瓷器、水泥、玻璃、耐火材料）：耐高溫；抗腐蝕；高硬度；優(yōu)良介電、壓電、光學(xué)、磁學(xué)性能。復(fù)合材料（玻璃鋼，碳纖維聚合物，陶瓷基、金屬基）：兩種以上；特殊方法。161.按材料的組成分類金屬材料（純金屬、合金）：優(yōu)良力2.按材料內(nèi)部原子排列情況分類晶態(tài)材料非晶態(tài)材料液態(tài)材料氣態(tài)材料172.按材料內(nèi)部原子排列情況分類晶態(tài)材料173.從材料尺度角度分類三維材料--塊體材料二維材料--薄膜、涂層等(金剛石薄膜、高溫超導(dǎo)薄膜、半導(dǎo)體薄膜、耐磨涂層)一維材料--纖維、晶須等(光導(dǎo)纖維、高強(qiáng)纖維)零維材料--粉體183.從材料尺度角度分類三維材料--塊體材料184.按材料的用途分類結(jié)構(gòu)材料(structuralmaterial)：是以力學(xué)性能為基礎(chǔ)，以制造受力構(gòu)件所用材料，當(dāng)然，結(jié)構(gòu)材料對(duì)物理或化學(xué)性能也有一定要求，如光澤、熱導(dǎo)率、抗輻照、抗腐蝕、抗氧化等。（例支撐件、連接件、傳動(dòng)件、緊固件）功能材料(functionalmaterial)：指那些具有優(yōu)良的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)功能，特殊的物理、化學(xué)、生物學(xué)效應(yīng)，能完成功能相互轉(zhuǎn)化，主要用來(lái)制造各種功能元器件而被廣泛應(yīng)用于各類高科技領(lǐng)域的高新技術(shù)材料。（磁性、電子、信息、光學(xué)、敏感、能源）1965年由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的J.A.Morton博士首先提出功能材料概念。在國(guó)外，常將這類材料稱為功能材料(FunctionalMaterials)、特種材料(SpecialityMaterials)或精細(xì)材料(FineMaterials)。結(jié)構(gòu)材料與功能材料的劃分并不嚴(yán)格：生物醫(yī)學(xué)材料？194.按材料的用途分類結(jié)構(gòu)材料(structuralmat

材料的特定的功能與材料的特定結(jié)構(gòu)是相聯(lián)系的。如對(duì)于導(dǎo)電聚合物來(lái)說(shuō)，它一般具有長(zhǎng)鏈共軛雙鍵；金屬結(jié)構(gòu)中由于彈性馬氏體相變能產(chǎn)生記憶效應(yīng)，因此出現(xiàn)了形狀記憶合金；壓電陶瓷晶體必須有極軸等。

20材料的特定的功能與材料的特定結(jié)構(gòu)是相聯(lián)系的。如對(duì)于導(dǎo)電聚三、功能材料的特征和分類21三、功能材料的特征和分類211、功能材料的特征與結(jié)構(gòu)材料相比，有以下主要特征：1）功能材料的功能對(duì)應(yīng)于材料的微觀結(jié)構(gòu)和微觀物體的運(yùn)動(dòng)，是最本質(zhì)的特征。2）功能材料的聚集態(tài)和形態(tài)非常多樣化，除晶態(tài)外，還有氣態(tài)、液態(tài)、液晶態(tài)、非晶態(tài)、混合態(tài)和等離子態(tài)。除三維材料外，還有二維、一維和零維材料。3）結(jié)構(gòu)材料常以材料形式為最終產(chǎn)品，而功能材料有相當(dāng)一部分是以元件形式為最終產(chǎn)品，即材料元件一體化。221、功能材料的特征與結(jié)構(gòu)材料相比，有以下主要特征：224）功能材料是利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，多學(xué)科交叉的知識(shí)密集型產(chǎn)物。5）功能材料的制備技術(shù)不同于結(jié)構(gòu)材料用的傳統(tǒng)技術(shù)，而是采用許多先進(jìn)的新工藝和新技術(shù)，如急冷、超凈、超微、超純、薄膜化、集成化、微型化、智能化以及精細(xì)控制和檢測(cè)技術(shù)。234）功能材料是利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，多學(xué)科2、功能材料的分類功能材料的種類繁多，為了研究、生產(chǎn)和應(yīng)用的方便，常把它分類。目前尚無(wú)統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，由于著眼點(diǎn)不同，分類方法也不同，目前主要有以下六種分類方法：242、功能材料的分類功能材料的種類繁多，為了研究、生產(chǎn)即按材料的化學(xué)鍵、化學(xué)成分分類，功能材料可分為：金屬功能材料；無(wú)機(jī)非金屬功能材料；有機(jī)功能材料；復(fù)合功能材料等。

功能材料無(wú)機(jī)金屬(精密合金)非金屬半導(dǎo)體陶瓷玻璃其它有機(jī)(高分子)復(fù)合高分子系復(fù)合金屬系復(fù)合陶瓷系復(fù)合⑴基于材料的物質(zhì)性的分類25即按材料的化學(xué)鍵、化學(xué)成分分類，功能材料可分為：金屬功能材按材料的物理性質(zhì)分類，功能材料可分為：磁性材料；電性材料、光學(xué)材料；聲學(xué)材料；力學(xué)材料；化學(xué)功能材料；熱學(xué)功能材料；生物醫(yī)學(xué)功能材料，核功能材料等。目前，現(xiàn)代技術(shù)對(duì)物理功能材料的需求最多，因此，物理功能材料發(fā)展最快，品種多，功能新，商品化率和實(shí)用化率高。有時(shí)，習(xí)慣上把功能材料和物理功能材料看作一個(gè)名稱。

⑵基于材料的物理性質(zhì)、功能分類26按材料的物理性質(zhì)分類，功能材料可分為：磁性材料；電性材料、光⑶基于材料的應(yīng)用領(lǐng)域的分類按材料的應(yīng)用領(lǐng)域，功能材料可分為儀器儀表材料；電子材料；軍工材料；反應(yīng)堆材料；信息工業(yè)用材料；能源材料；生物醫(yī)學(xué)工程材料等。27⑶基于材料的應(yīng)用領(lǐng)域的分類按材料的應(yīng)用領(lǐng)域，功能材料可分為⑷按聚集態(tài)分類：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)、液晶態(tài)、非晶態(tài)、混合態(tài)功能材料等。⑸按材料形態(tài)分類：體積、膜、纖維和顆粒等功能材料。⑹按維度分類：三維、二維、一維和零維功能材料。三維材料即固態(tài)體相材料；二維、一維和零維能材料分別為其厚度、徑度和粒度小到納米量級(jí)的薄膜、纖維和微粒，其主要特征是具有量子化效應(yīng)。28⑷按聚集態(tài)分類：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)、液晶態(tài)、非晶態(tài)、混合態(tài)功能四、功能設(shè)計(jì)的原理和方法29四、功能設(shè)計(jì)的原理和方法29

下圖為材料顯示功能的示意圖。

輸入材料輸出材料的功能顯示過(guò)程是指向材料輸入某種能量，經(jīng)過(guò)材料的傳輸或轉(zhuǎn)換等過(guò)程，再作為輸出而提供給外部的一種作用。30下圖為材料顯示功能的示意圖。輸入材料輸出材料的功能顯功能材料按其功能的顯示過(guò)程又可分為一次功能材料和二次功能材料。

31功能材料按其功能的顯示過(guò)程又可分為一次功能材料和二次功能當(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(shí)，材料起到能量傳輸部件的作用。材料的這種功能稱為一次功能。以一次功能為使用目的的材料又稱為載體材料。Ａ、一次功能32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(shí)，材一次功能主要有下面的八種。①力學(xué)功能。如慣性、粘性、流動(dòng)性、潤(rùn)滑性、成型性、超塑性、恒彈性、高彈性、振動(dòng)性和防震性。②聲功能。如隔音性、吸音性。③熱功能。如傳熱性、隔熱性、吸熱性和蓄熱性等。④電功能。如導(dǎo)電性、超導(dǎo)性、絕緣性和電阻等。33一次功能主要有下面的八種。33⑤磁功能。如硬磁性、軟磁性、半硬磁性等。⑥光功能。如遮光性、透光性、折射光性、反射光性、吸光性、偏振光性、分光性、聚光性等。⑦化學(xué)功能。如吸附作用、氣體吸收性、催化作用、生物化學(xué)反應(yīng)、酶反應(yīng)等。⑧其他功能。如放射特性、電磁波特性等。34⑤磁功能。如硬磁性、軟磁性、半硬磁性等。34當(dāng)向材料輸入的能量和從材料輸出的能量屬于不同形式時(shí)，材料起能量的轉(zhuǎn)換部件作用，材料的這種功能稱為二次功能或高次功能。有人認(rèn)為這種材料才是真正的功能材料。Ｂ、二次功能35當(dāng)向材料輸入的能量和從材料輸出的能量屬于不同形式時(shí)二次功能按能量的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可分為如下四類。①光能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換；②電能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換；③磁能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換；④機(jī)械能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換。36二次功能按能量的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可分為如下四類。①光能與其他形式能量

如光合成反應(yīng)、光分解反應(yīng)、光化反應(yīng)、光致抗蝕、化學(xué)發(fā)光，感光反應(yīng)，光致伸縮，光生伏特效應(yīng)和光導(dǎo)電效應(yīng)。①光能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換37如光合成反應(yīng)、光分解反應(yīng)、光化反應(yīng)、光致抗蝕、化學(xué)發(fā)光，感如電磁效應(yīng)、電阻發(fā)熱效應(yīng)、熱電效應(yīng)、光電效應(yīng)、場(chǎng)致發(fā)光效應(yīng)、電化學(xué)效應(yīng)和電光效應(yīng)等。②電能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換38如電磁效應(yīng)、電阻發(fā)熱效應(yīng)、熱電效應(yīng)、光電效應(yīng)、場(chǎng)致發(fā)光效應(yīng)、③磁能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換如光磁效應(yīng)、熱磁效應(yīng)、磁冷凍效應(yīng)和磁性轉(zhuǎn)變效應(yīng)等。39③磁能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換如光磁效應(yīng)、熱磁效應(yīng)、磁冷凍效應(yīng)和④機(jī)械能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換。如形狀記憶效應(yīng)、熱彈性效應(yīng)、機(jī)械化學(xué)效應(yīng)、壓電效應(yīng)、電致伸縮、光壓效應(yīng)、聲光效應(yīng)、光彈性效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)等。40④機(jī)械能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換。如形狀記憶效應(yīng)、熱彈性效應(yīng)、機(jī)無(wú)論哪種功能材料，其能量傳遞過(guò)程或者能量轉(zhuǎn)換形式所涉及的微觀過(guò)程都與固體物理和固體化學(xué)相聯(lián)系。正是這兩門基礎(chǔ)科學(xué)為新興學(xué)科——功能材料科學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，從而也推動(dòng)了功能材料的研究和應(yīng)用。它們把功能材料推進(jìn)到功能設(shè)計(jì)的時(shí)代。41無(wú)論哪種功能材料，其能量傳遞過(guò)程或者能量轉(zhuǎn)換形式所涉及的

所謂功能設(shè)計(jì)，就是賦予材料以一次功能或二次功能特性的科學(xué)方法。有人認(rèn)為21世紀(jì)將逐漸實(shí)現(xiàn)按需設(shè)計(jì)材料。42所謂功能設(shè)計(jì)，就是賦予材料以一次功能或二次功能特性的科學(xué)

材料科學(xué)與工程一般都認(rèn)為由四要素組成，即結(jié)構(gòu)/成分、合成/流程、性能與效能。但考慮到結(jié)構(gòu)與成分并非同義詞，相同成分通過(guò)不同制備方法可以得到不同結(jié)構(gòu)，從而使材料出現(xiàn)不同性能，所以材料科學(xué)與工程應(yīng)為五要素，即成分、合成/流程、結(jié)構(gòu)、性能與效能。根據(jù)材料所要求的性能不同，材料設(shè)計(jì)可以從電子、光子出發(fā)．也可從原子、原子集團(tuán)出發(fā)，可以從微觀、顯微到宏觀。43材料科學(xué)與工程一般都認(rèn)為由四要素組成，即結(jié)構(gòu)/成分、合成

材料設(shè)計(jì)是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程：如材料的制備與存在狀態(tài)往往屬于非平衡熱力學(xué)；有些結(jié)構(gòu)敏感性質(zhì)(材料的力學(xué)性質(zhì))的可變因素太多，即使一個(gè)微小缺陷都會(huì)產(chǎn)生很大影響；表面與內(nèi)部結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的不一致性；復(fù)雜的環(huán)境因素等等。44材料設(shè)計(jì)是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程：44

材料設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程，其最終應(yīng)達(dá)到提出一個(gè)需求目標(biāo)就可設(shè)計(jì)出成分、制造流程并做出合乎要求的工程材料以至零件、器件或構(gòu)件。

45材料設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程，其最終應(yīng)達(dá)到提出一個(gè)需求目為實(shí)現(xiàn)材料設(shè)計(jì)，必須開展深入的基礎(chǔ)研究，以了解物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系；要建立完整的精確的數(shù)據(jù)庫(kù)；建立正確的物理模型；需要有大容量計(jì)算機(jī)；更重要的是要不同學(xué)科科學(xué)家與工程技術(shù)人員的通力合作。46為實(shí)現(xiàn)材料設(shè)計(jì)，必須開展深入的基礎(chǔ)研究，以了解物質(zhì)結(jié)構(gòu)與五、功能材料的現(xiàn)狀與展望47五、功能材料的現(xiàn)狀與展望47功能材料的現(xiàn)狀近幾年來(lái)，功能材料迅速發(fā)展，已有幾十大類，10萬(wàn)多品種，且每年都有大量新品種問(wèn)世?，F(xiàn)已開發(fā)的以物理功能材料最多，主要有：1）單功能材料，如：導(dǎo)電材料、介電材料、鐵電材料、磁性材料、磁信息材料、發(fā)熱材料、熱控材料、光學(xué)材料、激光材料、紅外材料等。2）功能轉(zhuǎn)換材料，如：壓電材料、光電材料、熱電材料、磁光材料、聲光材料、電流變材料、磁敏材料、磁致伸縮材料、電色材料等。48功能材料的現(xiàn)狀近幾年來(lái)，功能材料迅速發(fā)展，已有幾十大類功能材料的現(xiàn)狀3）多功能材料：如防振降噪材料、三防材料（防熱、防激光和防核）、電磁材料等。4）復(fù)合和綜合功能材料，如：形狀記憶材料、隱身材料、傳感材料、智能材料、顯示材料、分離功能材料、環(huán)境材料、電磁屏蔽材料等。5）新形態(tài)和新概念功能材料，如：液晶材料、梯度材料、納米材料、非平衡材料等。目前，化學(xué)和生物功能材料的種類雖較少，但其發(fā)展速度很快，其功能也更多樣化。49功能材料的現(xiàn)狀3）多功能材料：如防振降噪材料、三防材料（防熱功能材料的展望展望21世紀(jì)，功能材料的發(fā)展趨勢(shì)為：1）開發(fā)高技術(shù)所需的新型功能材料，特別是尖端領(lǐng)域（航空航天、分子電子學(xué)、新能源、海洋技術(shù)和生命科學(xué)等）所需和在極端條件下（超高溫、超高壓、超低溫、強(qiáng)腐蝕、高真空、強(qiáng)輻射等）工作的高性能功能材料。2）功能材料的功能從單功能向多功能和復(fù)合或綜合功能發(fā)展，從低級(jí)功能向高級(jí)功能發(fā)展。50功能材料的展望展望21世紀(jì)，功能材料的發(fā)展趨勢(shì)為：50功能材料的展望3）功能材料和器件的一體化、高集成化、超微型化、高密積化和超分子化。4）功能材料和結(jié)構(gòu)材料兼容，即功能材料結(jié)構(gòu)化，結(jié)構(gòu)材料功能化。5）進(jìn)一步研究和發(fā)展功能材料的新概念、新設(shè)計(jì)和新工藝。6）完善和發(fā)展功能材料檢測(cè)和評(píng)價(jià)的方法。7）加強(qiáng)功能材料的應(yīng)用研究，擴(kuò)展功能材料的應(yīng)用領(lǐng)域，加強(qiáng)推廣成熟的研究成果，以形成生產(chǎn)力。51功能材料的展望3）功能材料和器件的一體化、高集成化、超微型化六、功能材料的內(nèi)容和相關(guān)學(xué)科52六、功能材料的內(nèi)容和相關(guān)學(xué)科52功能材料的內(nèi)容和相關(guān)學(xué)科1.功能材料學(xué)科的內(nèi)容：1）功能材料學(xué)是研究功能材料的成分、結(jié)構(gòu)、性能、應(yīng)用及其間的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，研究功能材料的設(shè)計(jì)和發(fā)展途徑；2）功能材料工程學(xué)是研究功能材料的合成、制備、提純、改性、儲(chǔ)存和使用的技術(shù)和工藝；3）功能材料的表征和測(cè)試技術(shù)是研究一般通用的理化測(cè)試技術(shù)在功能材料上的應(yīng)用和各類功能材料特征功能的測(cè)試技術(shù)和表征。53功能材料的內(nèi)容和相關(guān)學(xué)科1.功能材料學(xué)科的內(nèi)容：53功能材料的內(nèi)容和相關(guān)學(xué)科2.相關(guān)的學(xué)科功能材料學(xué)科是一門與多學(xué)科交叉的學(xué)科，與其相關(guān)的學(xué)科很多，主要有：1）基礎(chǔ)學(xué)科：固體物理、結(jié)構(gòu)化學(xué)、無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)高分子化學(xué)、生物和醫(yī)學(xué)等；2）工藝類學(xué)科：材料類、化工、冶金、硅酸鹽、陶瓷、制藥等學(xué)科；3）現(xiàn)代技術(shù)類學(xué)科：光、電、磁、聲、熱等；4）分析測(cè)試類學(xué)科：成分、結(jié)構(gòu)、顯微等。54功能材料的內(nèi)容和相關(guān)學(xué)科2.相關(guān)的學(xué)科54第二章晶體學(xué)基礎(chǔ)及材料性能本章要討論的主要問(wèn)題是：一、原子是以何種聚集方式形成固體結(jié)構(gòu)的？二、如何描述晶體中原子的排列？三、晶體類型四、晶體缺陷五、晶體的結(jié)構(gòu)和性能55第二章晶體學(xué)基礎(chǔ)及材料性能本章要討論的主要問(wèn)題是：55一、基本概念56一、基本概念561.固體及其屬性固體:是物質(zhì)存在的一種狀態(tài)。與液體和氣體相比固體有比較固定的體積和形狀、質(zhì)地比較堅(jiān)硬

特點(diǎn):微觀：具有固體性（質(zhì)點(diǎn)在確定的位置平衡振動(dòng)，不易發(fā)生運(yùn)動(dòng)）宏觀：有確定的外形。571.固體及其屬性固體:是物質(zhì)存在的一種狀態(tài)。與液體和氣體相比固體中原子排列的作用原子排列研究固態(tài)物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即原子排列和分布規(guī)律是了解掌握材料性能的基礎(chǔ)，才能從內(nèi)部找到改善和發(fā)展新材料的途徑。組織性能58固體中原子排列的作用原子排列研究固態(tài)物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即原子排2.晶體及其特點(diǎn)固態(tài)物質(zhì)按其原子或分子的聚集狀態(tài)可分為兩大類，一類是晶體，另一類是非晶體。晶體：就是原子（或離子、分子、原子集團(tuán)）在三維空間呈有規(guī)律的周期性重復(fù)排列的固體。即不論沿晶體的哪個(gè)方向看去，總是相隔一定的距離就出現(xiàn)相同的原子或原子集團(tuán)。這個(gè)距離也稱為周期。顯然，沿不同的方向有不同的周期。特點(diǎn)：1.各向異性：不同方向原子的排列方式不相同，因而其表現(xiàn)的性能也有差異2.固定的熔點(diǎn)：排列規(guī)律能保持時(shí)呈現(xiàn)固體，溫度升高到某一特定值，排列方式的解體，原子成無(wú)規(guī)則堆積，這時(shí)大多呈現(xiàn)不能保持自己形狀的液體3.規(guī)則外形：理想環(huán)境中生長(zhǎng)的晶體應(yīng)為凸多邊形。4.自范性：晶體能夠自發(fā)地呈現(xiàn)封閉的規(guī)則的外形。592.晶體及其特點(diǎn)固態(tài)物質(zhì)按其原子或分子的聚集狀態(tài)可非晶體(Amorphous)不具有上述特征。在非晶體中原子（或分子、離子）無(wú)規(guī)則地堆積在一起。液體和氣體都是非晶體。在液體中，原子也處于相對(duì)緊密聚集的狀態(tài)，但不存在長(zhǎng)程的周期性排列。特點(diǎn)：1.各向同性；2.黏度為其力學(xué)性能的基本參數(shù)，能保持自己形狀的為固體，不能保持自己形狀的為液體；3.隨溫度的升高黏度減小，在液體和固體之間沒(méi)有明顯的溫度界限。3.非晶體及其特點(diǎn)60非晶體(Amorphous)不具有上述特非晶體(石英玻璃)：沒(méi)有規(guī)則的外形，各向同性，沒(méi)有固定的熔點(diǎn)。

石英晶體

61非晶體(石英玻璃)：沒(méi)有規(guī)則的外形，各向同性，沒(méi)有固定的熔簡(jiǎn)單而言：晶體就是短程、長(zhǎng)程有序；非晶體是短程有序，長(zhǎng)程無(wú)序62簡(jiǎn)單而言：晶體就是短程、長(zhǎng)程有序；非晶體是短程有序，長(zhǎng)程無(wú)序固態(tài)的非晶體實(shí)際上是一種過(guò)冷狀態(tài)的液體，只是它的物理性質(zhì)不同于通常的液體。玻璃是一個(gè)典型的固態(tài)非晶體，所以，往往將非晶態(tài)稱為玻璃態(tài)。幾點(diǎn)說(shuō)明：

（1）絕大多數(shù)固體物質(zhì)為晶體；

（2）晶態(tài)與非晶態(tài)在一定的條件下可以相互轉(zhuǎn)化；

如非晶態(tài)的玻璃經(jīng)高溫長(zhǎng)時(shí)間加熱后即可轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)玻璃。

（3）晶體有固定的熔點(diǎn)，而非晶體只有一個(gè)軟化溫度范圍.63固態(tài)的非晶體實(shí)際上是一種過(guò)冷狀態(tài)的液體，4、空間點(diǎn)陣（SpaceLattice）晶體中原子或原子集團(tuán)排列的周期性規(guī)律，可以用一些在空間有規(guī)律分布的幾何點(diǎn)來(lái)表示。并且，令沿任一方向上相鄰點(diǎn)之間的距離就等于晶體沿該方向的周期。這樣的幾何點(diǎn)的集合就構(gòu)成空間點(diǎn)陣（簡(jiǎn)稱點(diǎn)陣），每個(gè)幾何點(diǎn)稱為點(diǎn)陣的結(jié)點(diǎn)或陣點(diǎn)。特點(diǎn):①點(diǎn)陣是由無(wú)限多個(gè)點(diǎn)組成;②每個(gè)點(diǎn)周圍的環(huán)境相同;③同一個(gè)方向上相鄰點(diǎn)之間的距離一樣.644、空間點(diǎn)陣（SpaceLattice）特點(diǎn):①點(diǎn)既然點(diǎn)陣只是表示原子或原子集團(tuán)分布規(guī)律的一種幾何抽象，那么，每個(gè)結(jié)點(diǎn)就不一定代表一個(gè)原子。就是說(shuō)，可能在每個(gè)結(jié)點(diǎn)處恰好有一個(gè)原子，也可能圍繞每個(gè)結(jié)點(diǎn)有一群原子（原子集團(tuán)）。但是，每個(gè)結(jié)點(diǎn)周圍的環(huán)境（包括原子的種類和分布）必須相同，亦即點(diǎn)陣的結(jié)點(diǎn)都是等同點(diǎn)。5.晶體結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣晶體結(jié)構(gòu)＝空間點(diǎn)陣＋結(jié)構(gòu)基元結(jié)構(gòu)基元：原子、分子或其集團(tuán)65既然點(diǎn)陣只是表示原子或原子集團(tuán)分布規(guī)律的6.晶格與晶胞晶格：為了表達(dá)空間原子排列的幾何規(guī)律，把粒子(原子或分子)在空間的平衡位置作為節(jié)點(diǎn)，人為地將節(jié)點(diǎn)用一系列相互平行的直線連接起來(lái)形成的空間格架稱為晶格。晶胞：構(gòu)成晶格的最基本單元。晶胞在三維空間重復(fù)堆砌可構(gòu)成整個(gè)空間點(diǎn)陣，通常為小的平行六面體。晶胞要順序滿足①能充分反映整個(gè)空間點(diǎn)陣的對(duì)稱性，②具有盡可能多的直角，③體積要最小。（晶胞選擇的原則）

666.晶格與晶胞晶格：為了表達(dá)空間原子排列的幾何規(guī)律，原胞和晶胞（了解內(nèi)容）由一組基矢圍起來(lái)的最小重復(fù)單元就叫原胞(或初基單胞PrimitiveCell)。(固體物理常用)。

原胞往往不能反映晶體的對(duì)稱性,因而,習(xí)慣上常選擇能反映晶體對(duì)稱性的重復(fù)單元,這種重復(fù)單元就叫晶胞（conventionalcell）(或非初基單胞,nonprimitivecell)。晶胞一般不是最小的重復(fù)單元。其體積（面積）可以是原胞的數(shù)倍。

67原胞和晶胞（了解內(nèi)容）由一組基矢圍起來(lái)的最小重復(fù)單元就叫原胞晶體與點(diǎn)陣的對(duì)應(yīng)關(guān)系：抽象空間點(diǎn)陣空間點(diǎn)陣單位平面點(diǎn)陣直線點(diǎn)陣點(diǎn)陣點(diǎn)具體內(nèi)容晶體晶胞晶面晶棱結(jié)構(gòu)基元68晶體與點(diǎn)陣的對(duì)應(yīng)關(guān)系：抽象空間點(diǎn)陣空間點(diǎn)陣單晶胞：晶體結(jié)構(gòu)基本單元晶體常數(shù)（點(diǎn)陣常數(shù)）:（a,b,c)——size（α,β,γ)——shapexyzabcxyzgab7.點(diǎn)陣常數(shù)可決定平行六面體尺寸和形狀。69晶胞：晶體結(jié)構(gòu)基本單元xyzabcxyzgab7.點(diǎn)陣常數(shù)可8.晶系按點(diǎn)陣常數(shù)的特征對(duì)晶體的分類。708.晶系按點(diǎn)陣常數(shù)的特征對(duì)晶體的分類。70布拉菲點(diǎn)陣(14種）按照“每個(gè)陣點(diǎn)的周圍環(huán)境相同“的要求，布拉菲（BravaisA。）用數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)出能夠反映空間點(diǎn)陣全部特征的單位平面六面體只有14種，這14種空間點(diǎn)陣也稱布拉菲陣。71布拉菲點(diǎn)陣(14種）按照“每個(gè)陣點(diǎn)的周圍環(huán)境相同“的要求，布9.晶向和晶向指數(shù)晶向：空間點(diǎn)陣中各陣點(diǎn)列的方向代表晶體中原子排列的方向。晶向指數(shù)：是表示晶體中點(diǎn)陣方向的指數(shù)，有晶向上陣點(diǎn)的坐標(biāo)值決定。729.晶向和晶向指數(shù)晶向：空間點(diǎn)陣中各陣點(diǎn)列的方向代表晶體中原10.1晶向指數(shù)的確定①建立坐標(biāo)系②確定坐標(biāo)值③化整并加方括號(hào)[]

7310.1晶向指數(shù)的確定①建立坐標(biāo)系7310.2求晶向指數(shù)的另一種方法確定起點(diǎn)的坐標(biāo)[x1,y1,z1]確定終點(diǎn)的坐標(biāo)[x2,y2,z2]得到矢量[x2-x1,y2-y1,z2-z1]化整7410.2求晶向指數(shù)的另一種方法確定起點(diǎn)的坐標(biāo)[x1,y1,z說(shuō)明：①一個(gè)晶向代表相互平行，方向一致的所有晶向②兩晶向相互平行但方向相反，則數(shù)字相同但符號(hào)相反。75說(shuō)明：75

10.3晶面指數(shù)晶面指數(shù)標(biāo)定步驟：在點(diǎn)陣中設(shè)定參考坐標(biāo)系，設(shè)置方法與確定晶向指數(shù)時(shí)相同；求得待定晶面在三個(gè)晶軸上的截距，若該晶面與某軸平行，則在此軸上截距為無(wú)窮大；若該晶面與某軸負(fù)方向相截，則在此軸上截距為一負(fù)值；取各截距的倒數(shù)；將三倒數(shù)化為互質(zhì)的整數(shù)比，并加上圓括號(hào)，即表示該晶面的指數(shù)，記為(hkl)。正交點(diǎn)陣中一些晶面的面指數(shù)76

10.3晶面指數(shù)晶面指數(shù)標(biāo)定步驟：正交點(diǎn)陣中一些晶面的面指晶面指數(shù)的意義：1、晶面指數(shù)所代表的不僅是某一晶面，而是代表著一組相互平行的晶面。2、在晶體內(nèi)凡晶面間距和晶面上原子的分布完全相同，只是空間位向不同的晶面可以歸并為同一晶面族，以{hkl}表示，它代表由對(duì)稱性相聯(lián)系的若干組等效晶面的總和。77晶面指數(shù)的意義：7711.晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性晶體的宏觀對(duì)稱元素和微觀對(duì)稱元素：宏觀對(duì)稱性晶體的對(duì)稱性最直觀地表現(xiàn)在其幾何外形上，由于晶體外形為有限的幾何圖形，故晶體外形上所體現(xiàn)的對(duì)稱性與分子一樣為點(diǎn)對(duì)稱性，稱為宏觀對(duì)稱性。有四種類型的對(duì)稱操作和對(duì)稱元素旋轉(zhuǎn)

旋轉(zhuǎn)軸

反映

反映面(鏡面)

反演

對(duì)稱中心

旋轉(zhuǎn)反演

反軸7811.晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性晶體的宏觀對(duì)稱元素和微觀對(duì)稱元素晶體的微觀對(duì)稱性由于晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)為點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)是一種無(wú)限的幾何對(duì)稱圖形。故晶體結(jié)構(gòu)具有這種基本的空間對(duì)稱性(通過(guò)平移對(duì)稱操作能使點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)復(fù)原)，常稱為晶體的微觀對(duì)稱性.平移

點(diǎn)陣

螺旋

螺旋軸

滑移

滑移面79晶體的微觀對(duì)稱性由于晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)為點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)是一種晶系特征對(duì)稱元素晶胞特點(diǎn)空間點(diǎn)陣型式立方晶系4個(gè)按立方體對(duì)角線取向的3重旋轉(zhuǎn)軸a=b=cα=β=γ=90°簡(jiǎn)單立方

立方體心

立方面心

六方晶系6重對(duì)稱軸a=b≠cα=β=90°,γ=120°簡(jiǎn)單六方

四方晶系4重對(duì)稱軸a=b≠cα=β=γ=90°簡(jiǎn)單四方

體心四方

三方晶系3重對(duì)稱軸a=b=cα=β=γ≠90°簡(jiǎn)單六方

R心六方

正交晶系2個(gè)互相垂直的對(duì)稱面或3個(gè)互相垂直的2重對(duì)稱軸a≠b≠cα=β=γ=90°

簡(jiǎn)單正交

C心正交

體心正交

面心正交

單斜晶系2重對(duì)稱軸或?qū)ΨQ面a≠b≠cα=β=90°≠γ

簡(jiǎn)單單斜

C心單斜

三斜晶系無(wú)a≠b≠ca≠b≠c≠90°

簡(jiǎn)單單斜

80

80化學(xué)鍵與晶體類型81化學(xué)鍵與晶體類型812.2.2晶體結(jié)構(gòu)基本類型

1、金屬晶體：

性質(zhì)：容易導(dǎo)電、導(dǎo)熱、有延展性、有金屬光澤等。

組成粒子：陽(yáng)離子和自由電子

作用力：金屬鍵，金屬陽(yáng)離子和自由電子之間的作用力

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

密堆程度高；對(duì)稱性高；配位數(shù)高

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：多數(shù)金屬以面心立方排列，配位數(shù)為12822.2.2晶體結(jié)構(gòu)基本類型

1、金屬晶體：

性質(zhì)：容易導(dǎo)電熔點(diǎn)最低的金屬是--------汞熔點(diǎn)最高的金屬是--------鎢密度最小的金屬是--------鋰密度最大的金屬是--------鋨硬度最小的金屬是--------銫硬度最大的金屬是--------鉻最活潑的金屬是----------銫最穩(wěn)定的金屬是----------金延性最好的金屬是--------鉑展性最好的金屬是--------金83熔點(diǎn)最低的金屬是--------汞熔點(diǎn)最高的金屬是-----

延性是一種物理特性。其所指的是，材料在受力而產(chǎn)生破壞之前的塑性變形能力。展性指物體可以壓成薄片的性質(zhì)84延性是一種物理特性。其所指的是，材料在受力而產(chǎn)生破壞之前的離子晶體由陽(yáng)離子與陰離子通過(guò)離子鍵結(jié)合而形成的晶體稱為離子晶體。這種作用力本質(zhì)是靜電作用力，無(wú)方向性和飽和性，其鍵的極性和元素的電負(fù)性有關(guān)離子晶體一般具有較高的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)和較大的硬度。典型的結(jié)構(gòu)有兩種：NaCl結(jié)構(gòu)：配位數(shù)為6CsCl結(jié)構(gòu)：配位數(shù)為885離子晶體由陽(yáng)離子與陰離子通過(guò)離子鍵結(jié)合而形成的晶體稱為離子晶NaClCsCl86NaClCsCl86原子晶體原子間通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合成的具有空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的晶體。這種作用的特點(diǎn)是方向性和飽和性熔沸點(diǎn)很高，硬度很大，難溶于一般溶劑。87原子晶體原子間通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合成的具有空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的晶體。87分子晶體定義：分子間以分子間作用力相結(jié)合形成的晶體。這種作用力的特點(diǎn)是無(wú)方向性和飽和性。物理性質(zhì)：低熔點(diǎn)、低沸點(diǎn)、高揮發(fā)性、硬度小、不導(dǎo)電性88分子晶體定義：分子間以分子間作用力相結(jié)合形成的晶體。88晶體缺陷89晶體缺陷89晶體缺陷晶體缺陷（晶格的不完整性）：晶體中任何對(duì)完整周期性結(jié)構(gòu)的偏離就是晶體的缺陷。晶體的缺陷化學(xué)缺陷：沒(méi)有雜質(zhì)的具有理想的化學(xué)配比的晶體中的缺陷，如空位，填隙原子，位錯(cuò)。結(jié)構(gòu)缺陷：由于摻入雜質(zhì)或同位素，或者化學(xué)配比偏離理想情況的化合物晶體中的缺陷，如雜質(zhì)、色心等。90晶體缺陷晶體缺陷（晶格的不完整性）：晶體中任何對(duì)完整周期性結(jié)意義：1）實(shí)際晶體存在缺陷；2）功能材料需要人為制造缺陷（例人造寶石）；3）材料制備過(guò)程→質(zhì)點(diǎn)擴(kuò)散→缺陷

91意義：91晶體缺陷的類型分類方式：幾何形態(tài)：點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷等形成原因：熱缺陷、雜質(zhì)缺陷、非化學(xué)計(jì)量缺陷等92晶體缺陷的類型分類方式：92一、按缺陷的幾何形態(tài)分類

1.點(diǎn)缺陷2.線缺陷3.面缺陷93一、按缺陷的幾何形態(tài)分類1.點(diǎn)缺陷931.點(diǎn)缺陷（零維缺陷）

缺陷尺寸處于原子大小的數(shù)量級(jí)上，即三維方向上缺陷的尺寸都很小。包括：空位（vacancy）、間隙原子（interstitialparticle）、異類原子（foreignparticle），如圖1-1所示。

點(diǎn)缺陷與材料的電學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、材料的高溫動(dòng)力學(xué)過(guò)程等有關(guān)。941.點(diǎn)缺陷（零維缺陷）94圖1-1晶體中的點(diǎn)缺陷

(a)空位(b)異類原子(c)間隙原子95圖1-1晶體中的點(diǎn)缺陷

(a)空位(b)異類原子(c)2.線缺陷（一維缺陷）指在一維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列所產(chǎn)生的缺陷，即缺陷尺寸在一維方向較長(zhǎng)，另外二維方向上很短。如各種位錯(cuò)（dislocation），如圖1-2所示。線缺陷的產(chǎn)生及運(yùn)動(dòng)與材料的韌性、脆性密切相關(guān)。962.線缺陷（一維缺陷）指在一維方向上偏離理想晶體中的周期圖2-2(a)刃型位錯(cuò)(b)螺型位錯(cuò)

(a)

(b)97圖2-2(a)刃型位錯(cuò)(b)螺型位錯(cuò)

(a3.面缺陷面缺陷又稱為二維缺陷，是指在二維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列而產(chǎn)生的缺陷，即缺陷尺寸在二維方向上延伸，在第三維方向上很小。如晶界、相界、表面、堆積層錯(cuò)、鑲嵌結(jié)構(gòu)等。面缺陷的取向及分布與材料的斷裂韌性有關(guān)。983.面缺陷面缺陷又稱為二維缺陷，是指在二維方向二、按缺陷產(chǎn)生的原因分類1.熱缺陷2.雜質(zhì)缺陷3.非化學(xué)計(jì)量缺陷4.其它原因，如電荷缺陷，輻照缺陷等99二、按缺陷產(chǎn)生的原因分類1.熱缺陷99導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體1、導(dǎo)體：善于傳導(dǎo)電流的物體，其電阻率很小2、絕緣體：電阻率極高的物體3、半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間4、晶體的能帶結(jié)構(gòu)1947年12月，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的巴丁、布拉頓和肖克萊三人利用半導(dǎo)體材料鍺制成第一個(gè)晶體管，同獲1956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。100導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體1、導(dǎo)體：善于傳導(dǎo)電流的物體，其電阻率（1）、能帶的形成a、外層電子共有化對(duì)大量原子有規(guī)則地排列成晶體時(shí)，由于原子離得很近，每個(gè)電子不僅受到本身原子核的作用，而且受到鄰近原子核的影響,內(nèi)層電子因受原子核的牢牢束縛而影響較??；價(jià)電子或外層電子卻不同，外層電子受鄰近原子的作用更強(qiáng)，容易脫離原來(lái)的原子而進(jìn)入到其他原子當(dāng)中。

即電子不再分屬各個(gè)原子所有，而是屬于整個(gè)原子所共有，這稱電子的共有化，b、能帶的形成101（1）、能帶的形成a、外層電子共有化對(duì)大量原子有規(guī)則地排列成

因?yàn)楫?dāng)有N個(gè)相同的自由原子時(shí)，每個(gè)原子內(nèi)的電子有相同的分立的能級(jí)，它們是N重簡(jiǎn)并的，當(dāng)這N個(gè)原子逐漸靠近時(shí)，原來(lái)束縛在單原子中的電子，不能在一個(gè)能級(jí)上存在（違反泡利不相容原則）從而只能分裂成N個(gè)非?？拷哪芗?jí)（10-22ev），因?yàn)槟芰坎钌跣?，可看成能量連續(xù)的區(qū)域，稱為能帶。1s2p2sEo原子間距禁帶禁帶能帶102因?yàn)楫?dāng)有N個(gè)相同的自由原子時(shí)，每個(gè)原子內(nèi)的電子有相同（2）電子填空能帶的情況a、滿帶：各能級(jí)都被兩個(gè)自旋相反電子填滿的能帶滿帶當(dāng)電子從原來(lái)狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一狀態(tài)時(shí)，另一電子必作相反的轉(zhuǎn)移。沒(méi)有額外的定向運(yùn)動(dòng)。滿帶中電子不能形成電流。103（2）電子填空能帶的情況a、滿帶：各能級(jí)都被兩個(gè)自旋相反電子導(dǎo)帶電子可在外場(chǎng)作用下躍遷到高一級(jí)的能級(jí)形成電流。故稱為導(dǎo)帶。b、導(dǎo)帶：能級(jí)沒(méi)有被電子填滿的能帶c、空帶：各能級(jí)都沒(méi)有被電子填充的能帶d、價(jià)帶：價(jià)電子所處的帶稱為價(jià)帶104導(dǎo)帶電子可在外場(chǎng)作用下躍遷到高一級(jí)的能級(jí)形成電流。故稱為導(dǎo)帶（3）金屬、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)a、導(dǎo)體：價(jià)帶是導(dǎo)帶或等效導(dǎo)帶導(dǎo)帶滿帶滿帶空帶滿帶空帶重疊相連b、絕緣體：只有滿帶和空帶，且禁帶寬度較大滿帶空帶禁帶例如金剛石中兩個(gè)碳原子相距15納米時(shí)，Eg=5.33電子伏。105（3）金屬、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)a、導(dǎo)體：價(jià)帶是導(dǎo)帶或等c、半導(dǎo)體：價(jià)帶是滿帶，但是禁帶寬度較小導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的不同，主要是能帶結(jié)構(gòu)不同滿帶空帶禁帶例如硅Eg=1.14電子伏，鍺Eg=0.67電子伏，砷化鎵Eg=1.43電子伏。金屬導(dǎo)電與半導(dǎo)體導(dǎo)電的差別：金屬導(dǎo)電的載流子是自由電子，半導(dǎo)體導(dǎo)電的載流子是導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴。106c、半導(dǎo)體：價(jià)帶是滿帶，但是禁帶寬度較小導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體二、本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體1、本征半導(dǎo)體：不含雜質(zhì)的純凈半導(dǎo)體，很少實(shí)際應(yīng)用

空帶滿帶禁帶-e-e-e-eIeIP本征激發(fā)空穴電流導(dǎo)電機(jī)制：本征導(dǎo)電中的載流子是電子和空穴（本征導(dǎo)電）107二、本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體1、本征半導(dǎo)體：不含雜質(zhì)的純凈半導(dǎo)2、雜質(zhì)半導(dǎo)體：有n型和p型

n型：本征半導(dǎo)體中摻入微量五價(jià)的雜質(zhì)原子，多余電子導(dǎo)電

例在四價(jià)鍺（Ge）元素半導(dǎo)體中摻入五價(jià)砷（AS）所形成的半導(dǎo)體+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4GeASAS+5+5摻入AS以后，五個(gè)價(jià)電子中，有四個(gè)電子與周圍的Ge組成共價(jià)鍵晶體，還多余一個(gè)電子，此電子成為自由電子1082、雜質(zhì)半導(dǎo)體：有n型和p型n型：本征半導(dǎo)體中摻入微量五價(jià)p型：本征半導(dǎo)體中摻入微量三價(jià)的雜質(zhì)原子，空穴導(dǎo)電

例在四價(jià)鍺（Ge）元素半導(dǎo)體中摻入三價(jià)硼（B）所形成的半導(dǎo)體+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4Ge摻入B以后，B是三價(jià)，與周圍的Ge組成共價(jià)鍵晶體，還缺少一個(gè)電子，從而形成一個(gè)空穴，形成空穴導(dǎo)電。BB+3+3109p型：本征半導(dǎo)體中摻入微量三價(jià)的雜質(zhì)原子，空穴導(dǎo)電例在四價(jià)三、半導(dǎo)體硅材料

單晶硅是做半導(dǎo)體器件和集成電路時(shí)用得最多(>95%)的材料

1、硅在地殼中含量較高，成本低

2、硅器件性能較穩(wěn)定

世界上95%以上的半導(dǎo)體器件用硅制成的原因：硅占地殼總重量的27%；硅禁帶寬度大，做成器件性能穩(wěn)定；硅機(jī)械強(qiáng)度高，結(jié)晶性好。3、硅機(jī)械強(qiáng)度高，結(jié)晶性好，其提煉和制成單晶的工藝成熟

另：砷化鎵制成的集成電路在響應(yīng)速度,耐高溫,抗輻射方面都優(yōu)于硅集成電路，但制作難度大,價(jià)格昂貴

110三、半導(dǎo)體硅材料單晶硅是做半導(dǎo)體器件和集成電路時(shí)用得最多(超導(dǎo)性111超導(dǎo)性1111.超導(dǎo)電現(xiàn)象超導(dǎo)電現(xiàn)象某些材料在溫度低于某一溫度時(shí)，電阻突然降到零的現(xiàn)象。具有超導(dǎo)電性的材料稱為超導(dǎo)體，電阻降為零的溫度稱為轉(zhuǎn)變溫度或臨界溫度。R/R04.004.104.204.304.400.00000.00050.00100.00150.0020T/K臨界溫度低溫下汞的電阻溫度關(guān)系1121.超導(dǎo)電現(xiàn)象超導(dǎo)電現(xiàn)象某些材料在溫度低于某一溫度時(shí)對(duì)于氧化物超導(dǎo)體，其轉(zhuǎn)變溫度范圍較寬。0.9R00.5R00.1R0R0TeTmTs氧化物超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度電阻從起始轉(zhuǎn)變處下降到一半時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度定義為轉(zhuǎn)變溫度。轉(zhuǎn)變寬度113對(duì)于氧化物超導(dǎo)體，其轉(zhuǎn)變溫度范圍較寬。0.9R高溫超導(dǎo)體的電子顯微鏡圖象114高溫超導(dǎo)體的電子顯微鏡圖象1142.超導(dǎo)體的主要特性

（1）零電阻

超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)電阻完全消失，若形成回路，一旦回路中有電流，該電流將無(wú)衰減地持續(xù)下去。

（2）臨界磁場(chǎng)與臨界電流

材料的超導(dǎo)態(tài)可以被外加磁場(chǎng)破壞而轉(zhuǎn)入正常態(tài)，這種破壞超導(dǎo)態(tài)所需的最小磁場(chǎng)強(qiáng)度稱為臨界磁場(chǎng)。臨界磁場(chǎng)的存在，限制了超導(dǎo)體中能夠通過(guò)的電流。當(dāng)通過(guò)超導(dǎo)體的電流超過(guò)某一電流值時(shí)，超導(dǎo)態(tài)被破壞，此電流稱為臨界電流。1152.超導(dǎo)體的主要特性（1）零電阻超導(dǎo)體

（3）邁斯納效應(yīng)——完全抗磁性在使樣品轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)的過(guò)程中，無(wú)論先降溫后加磁場(chǎng)，還是先加磁場(chǎng)后降溫，超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度總是為零。（4）同位素效應(yīng)同位素的質(zhì)量越大，轉(zhuǎn)變溫度越低。同位素效應(yīng)說(shuō)明超導(dǎo)不僅與電子狀態(tài)有關(guān)，也與金屬的離子晶格有關(guān)。116（3）邁斯納效應(yīng)——完全抗磁性在使樣品轉(zhuǎn)變磁性能117磁性能117物質(zhì)的磁性能磁性材料主要是指由過(guò)度元素鐵、鈷、鎳極其合金等材料。它們主要的磁性能如下。一、高磁導(dǎo)率磁性材料的磁導(dǎo)率很大，μr>>1，可達(dá)102~105量級(jí)。這就使它們具有被強(qiáng)烈磁化（呈現(xiàn)磁性）的特性。為什么磁性物質(zhì)具有被磁化的特性呢？

如果想了解的話，就要從磁性物質(zhì)的內(nèi)部特性來(lái)討論。非磁性物質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率為常數(shù)且接近于1；磁性物質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率則很大。118物質(zhì)的磁性能磁性材料主要是指由過(guò)度元素鐵、分子電流和磁疇理論：在物質(zhì)的分子中，電子的繞核運(yùn)動(dòng)和自轉(zhuǎn)將形成分子電流，分子電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，每個(gè)分子都相當(dāng)于一個(gè)基本小磁鐵。同時(shí)，在磁性物質(zhì)內(nèi)部還分成許多小區(qū)域；由于磁性物質(zhì)分子的相互作用，使分子電流在局部形成有序排列而顯示出磁性，這些小區(qū)域稱為磁疇。磁性物質(zhì)沒(méi)有外場(chǎng)時(shí)，各磁疇是混亂排列的，磁場(chǎng)互相抵消。119分子電流和磁疇理論：在物質(zhì)的分子中，電子的繞核運(yùn)動(dòng)和自轉(zhuǎn)將形在外磁場(chǎng)作用下，磁疇就逐漸轉(zhuǎn)到與外場(chǎng)一致的方向上，即產(chǎn)生了一個(gè)與外場(chǎng)方向一致的磁化磁場(chǎng)，從而磁性物質(zhì)內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大大增加。就是說(shuō)磁性物質(zhì)被強(qiáng)烈的磁化了。

磁性物質(zhì)被廣泛地應(yīng)用于電工設(shè)備中，電動(dòng)機(jī)、電磁鐵、變壓器等設(shè)備中線圈中都含有的鐵心。就是利用其磁導(dǎo)率大的特性，使得在較小的電流情況下得到盡可能大的磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁通。非磁性材料沒(méi)有磁疇的結(jié)構(gòu)，不具有磁化特性。120在外磁場(chǎng)作用下，磁疇就逐漸轉(zhuǎn)到與外場(chǎng)一致的方向上，即二、磁飽和性HBB0BBJO磁化曲線HB，μOμBμ與H的關(guān)系B0是真空情況下的磁感應(yīng)強(qiáng)度；BJ是磁化產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度；B是介質(zhì)中的總磁感應(yīng)強(qiáng)度。磁性物質(zhì)的μ不是常數(shù)，Φ與H也不存在正比關(guān)系。當(dāng)外磁場(chǎng)(或激勵(lì)磁場(chǎng)的電流)增大到一定程度時(shí)，全部磁疇都會(huì)轉(zhuǎn)向與外場(chǎng)方向一致，這時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度將達(dá)到飽和值。121二、磁飽和性HBB0BBJO磁化曲線HB，μOμBμ與H的關(guān)三、磁滯性BHO12345磁感應(yīng)強(qiáng)度滯后于磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的性質(zhì)稱為磁滯性。如圖為磁性物質(zhì)的滯回曲線。要使剩磁消失，通常需進(jìn)行反向磁化。使B=0時(shí)的H值稱為矯頑磁力

Hc。6在鐵心線圈通有交變電流時(shí)，鐵心將受到交變磁化。電流變化一次時(shí)，B隨H而變化的關(guān)系如圖所示。不同物質(zhì)的滯回曲線是不同的。從圖中可以看出，當(dāng)H減少為零時(shí)，B并未回到零值，出現(xiàn)剩磁Br。122三、磁滯性BHO12345磁感應(yīng)強(qiáng)度滯后于磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的性質(zhì)磁性物質(zhì)的分類

(1)軟磁材料矯頑磁力較小，磁滯回線較窄。(鐵心)(2)永磁材料矯頑磁力較大，磁滯回線較寬。(磁鐵)(3)矩磁材料剩磁大而矯頑磁力小，磁滯回線為矩形。(記憶元件)HBHBHB根據(jù)滯回曲線和磁化曲線的不同，大致分成三類：123磁性物質(zhì)的分類(1)軟磁材料矯頑磁力較小，磁滯回線較窄功能材料概論

IntroductiontoFunctionalMaterials

124功能材料概論

IntroductiontoFunctio課程簡(jiǎn)介課程性質(zhì)：專業(yè)基礎(chǔ)課先修課程：無(wú)機(jī)化學(xué)，物理化學(xué)，高分子化學(xué)，高分子物理總學(xué)時(shí)：36學(xué)時(shí)教材：《功能材料概論》殷景華王雅珍等編參考書：現(xiàn)代功能材料及其應(yīng)用—郭衛(wèi)生,汪濟(jì)奎

功能材料學(xué)——周馨我新型功能材料——貢長(zhǎng)生，張克立課程內(nèi)容：1．功能材料的科學(xué)基礎(chǔ)2．金屬功能材料3．無(wú)機(jī)非金屬功能材料4．功能高分子材料125課程簡(jiǎn)介課程性質(zhì)：專業(yè)基礎(chǔ)課程基本要求和考核基本要求1.請(qǐng)不要無(wú)故曠課、遲到，若有事請(qǐng)假，請(qǐng)寫好假條，輔導(dǎo)員簽字方可；2.課堂上請(qǐng)不要做干擾老師上課或同學(xué)聽講的事情；3.按時(shí)按量完成作業(yè)考核：平時(shí)成績(jī)（10%）+期中成績(jī)（報(bào)告10%）+期末成績(jī)（80%）126課程基本要求和考核基本要求3第一章緒論現(xiàn)代文明的三大支柱-----能源、信息和材料。材料是一切技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。

127第一章緒論現(xiàn)代文明的三大支柱-----能源、信一、材料科學(xué)及其發(fā)展

材料是可以用來(lái)制造有用的構(gòu)件、器件或物品的物質(zhì)。師昌緒主編：《材料大辭典》

材料是“具有一定性能的物質(zhì),可以用來(lái)制成一些機(jī)器、器件、結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品”美國(guó)科學(xué)院、工程院聯(lián)合編寫《材料：人類的需求》1、什么是材料？128一、材料科學(xué)及其發(fā)展材料是可以用來(lái)制造有用的構(gòu)件幾乎所有的物質(zhì)都可以稱為是材料，但并不是所有的材料都能引起人們的廣泛關(guān)注。那么，什么樣的材料值得我們關(guān)注？

——實(shí)用價(jià)值129幾乎所有的物質(zhì)都可以稱為是材料，但并不是所有的材料材料實(shí)用價(jià)值的五個(gè)判據(jù)資源能源環(huán)保經(jīng)濟(jì)質(zhì)量130材料實(shí)用價(jià)值的五個(gè)判據(jù)資源7

考慮到上述各種因素之后，有人提出材料應(yīng)該定義為：人類社會(huì)所能夠接受的經(jīng)濟(jì)地制造有用器件的物質(zhì)

131考慮到上述各種因素之后，有人提出材料應(yīng)該定義為：人2、材料科學(xué)及其發(fā)展

第一代（天然材料）：自然界的礦物、植物以及動(dòng)物第二代（燒煉材料）：燒結(jié)：磚瓦、陶瓷、玻璃、水泥；

冶煉：銅鐵第三代（合成材料）：20世紀(jì)初出現(xiàn)化工產(chǎn)品，塑料、橡膠、纖維等已廣泛用于生活。第四代（可設(shè)計(jì)材料）：前三代為單一產(chǎn)品，于是根據(jù)需要設(shè)計(jì)特殊性能的材料。例20世紀(jì)40年代的復(fù)合材料第五代智能材料：近三、四十年研制的新型功能材料，例記憶合金等。1322、材料科學(xué)及其發(fā)展第一代（天然材料）：自然材料科學(xué)的發(fā)展過(guò)程：P6

發(fā)現(xiàn)與使用自然材料↓合成與設(shè)計(jì)材料↓賦予材料生命體功能133材料科學(xué)的發(fā)展過(guò)程：P6發(fā)現(xiàn)與使用自然材料1020世紀(jì)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)生了一系列驚人的重大發(fā)現(xiàn)（原子能、航空航天、激光、信息、能源等領(lǐng)域），它有力地促進(jìn)了材料的發(fā)展，使得材料在20世紀(jì)中葉，發(fā)生了一次“革命性”的飛躍：超音速飛機(jī)(鎳基超級(jí)合金)計(jì)算機(jī)(晶體管、半導(dǎo)體)航天飛機(jī)(高溫結(jié)構(gòu)陶瓷)這個(gè)飛躍的標(biāo)志就是“材料科學(xué)”的形成。13420世紀(jì)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)生了一系列驚人的重大發(fā)現(xiàn)（原子能、航3、材料科學(xué)形成的背景20世紀(jì)中葉是蘇美兩個(gè)超級(jí)大國(guó)在各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行全面競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)代。材料的競(jìng)爭(zhēng)是其中的主要內(nèi)容之一。1957年蘇聯(lián)率先將人造地球衛(wèi)星送上了天，從而引發(fā)了全球性的材料科學(xué)研究。美國(guó)從此相繼成立了一些材料研究中心，正式將材料科學(xué)作為一個(gè)學(xué)科對(duì)待。1353、材料科學(xué)形成的背景12美國(guó)：50年代末美國(guó)政府就制定了全國(guó)材料發(fā)展規(guī)劃，70~80年代又進(jìn)行了多次的補(bǔ)充和修正，把重點(diǎn)放在超硬化合物、半導(dǎo)體激光材料、磁性材料和精密陶瓷上。日本：在1980年開展了為期10年耗資4億美元的新材料發(fā)展規(guī)劃，重點(diǎn)領(lǐng)域?yàn)榫芴沾伞⒐δ芨叻肿?、?fù)合材料、生物材料等。歐洲：與前蘇聯(lián)也制訂了類似的規(guī)劃，競(jìng)爭(zhēng)的項(xiàng)目也集中在這些領(lǐng)域。136美國(guó)：50年代末美國(guó)政府就制定了全國(guó)材料發(fā)展規(guī)劃，70~英國(guó)人悲哀地說(shuō)：英國(guó)沒(méi)有硅工業(yè)了，英國(guó)從第一流的經(jīng)濟(jì)大國(guó)變?yōu)榱说诙鞯慕?jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家，而日本卻從第二流的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家變成了第一流的經(jīng)濟(jì)大國(guó)。137英國(guó)人悲哀地說(shuō)：英國(guó)沒(méi)有硅工業(yè)了，英國(guó)從第一流的經(jīng)濟(jì)大國(guó)變?yōu)槎?、材料的分?38二、材料的分類151.按材料的組成分類金屬材料（純金屬、合金）：優(yōu)良力學(xué)性能（強(qiáng)度、塑性）；可加工性；優(yōu)異的物理性能。高分子材料（天然、合成）：密度??；比強(qiáng)度大；絕緣性好；耐腐蝕；易加工。無(wú)機(jī)非金屬材料（陶器、瓷器、水泥、玻璃、耐火材料）：耐高溫；抗腐蝕；高硬度；優(yōu)良介電、壓電、光學(xué)、磁學(xué)性能。復(fù)合材料（玻璃鋼，碳纖維聚合物，陶瓷基、金屬基）：兩種以上；特殊方法。1391.按材料的組成分類金屬材料（純金屬、合金）：優(yōu)良力2.按材料內(nèi)部原子排列情況分類晶態(tài)材料非晶態(tài)材料液態(tài)材料氣態(tài)材料1402.按材料內(nèi)部原子排列情況分類晶態(tài)材料173.從材料尺度角度分類三維材料--塊體材料二維材料--薄膜、涂層等(金剛石薄膜、高溫超導(dǎo)薄膜、半導(dǎo)體薄膜、耐磨涂層)一維材料--纖維、晶須等(光導(dǎo)纖維、高強(qiáng)纖維)零維材料--粉體1413.從材料尺度角度分類三維材料--塊體材料184.按材料的用途分類結(jié)構(gòu)材料(structuralmaterial)：是以力學(xué)性能為基礎(chǔ)，以制造受力構(gòu)件所用材料，當(dāng)然，結(jié)構(gòu)材料對(duì)物理或化學(xué)性能也有一定要求，如光澤、熱導(dǎo)率、抗輻照、抗腐蝕、抗氧化等。（例支撐件、連接件、傳動(dòng)件、緊固件）功能材料(functionalmaterial)：指那些具有優(yōu)良的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)功能，特殊的物理、化學(xué)、生物學(xué)效應(yīng)，能完成功能相互轉(zhuǎn)化，主要用來(lái)制造各種功能元器件而被廣泛應(yīng)用于各類高科技領(lǐng)域的高新技術(shù)材料。（磁性、電子、信息、光學(xué)、敏感、能源）1965年由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的J.A.Morton博士首先提出功能材料概念。在國(guó)外，常將這類材料稱為功能材料(FunctionalMaterials)、特種材料(SpecialityMaterials)或精細(xì)材料(FineMaterials)。結(jié)構(gòu)材料與功能材料的劃分并不嚴(yán)格：生物醫(yī)學(xué)材料？1424.按材料的用途分類結(jié)構(gòu)材料(structuralmat

材料的特定的功能與材料的特定結(jié)構(gòu)是相聯(lián)系的。如對(duì)于導(dǎo)電聚合物來(lái)說(shuō)，它一般具有長(zhǎng)鏈共軛雙鍵；金屬結(jié)構(gòu)中由于彈性馬氏體相變能產(chǎn)生記憶效應(yīng)，因此出現(xiàn)了形狀記憶合金；壓電陶瓷晶體必須有極軸等。

143材料的特定的功能與材料的特定結(jié)構(gòu)是相聯(lián)系的。如對(duì)于導(dǎo)電聚三、功能材料的特征和分類144三、功能材料的特征和分類211、功能材料的特征與結(jié)構(gòu)材料相比，有以下主要特征：1）功能材料的功能對(duì)應(yīng)于材料的微觀結(jié)構(gòu)和微觀物體的運(yùn)動(dòng)，是最本質(zhì)的特征。2）功能材料的聚集態(tài)和形態(tài)非常多樣化，除晶態(tài)外，還有氣態(tài)、液態(tài)、液晶態(tài)、非晶態(tài)、混合態(tài)和等離子態(tài)。除三維材料外，還有二維、一維和零維材料。3）結(jié)構(gòu)材料常以材料形式為最終產(chǎn)品，而功能材料有相當(dāng)一部分是以元件形式為最終產(chǎn)品，即材料元件一體化。1451、功能材料的特征與結(jié)構(gòu)材料相比，有以下主要特征：224）功能材料是利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，多學(xué)科交叉的知識(shí)密集型產(chǎn)物。5）功能材料的制備技術(shù)不同于結(jié)構(gòu)材料用的傳統(tǒng)技術(shù)，而是采用許多先進(jìn)的新工藝和新技術(shù)，如急冷、超凈、超微、超純、薄膜化、集成化、微型化、智能化以及精細(xì)控制和檢測(cè)技術(shù)。1464）功能材料是利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，多學(xué)科2、功能材料的分類功能材料的種類繁多，為了研究、生產(chǎn)和應(yīng)用的方便，常把它分類。目前尚無(wú)統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，由于著眼點(diǎn)不同，分類方法也不同，目前主要有以下六種分類方法：1472、功能材料的分類功能材料的種類繁多，為了研究、生產(chǎn)即按材料的化學(xué)鍵、化學(xué)成分分類，功能材料可分為：金屬功能材料；無(wú)機(jī)非金屬功能材料；有機(jī)功能材料；復(fù)合功能材料等。

功能材料無(wú)機(jī)金屬(精密合金)非金屬半導(dǎo)體陶瓷玻璃其它有機(jī)(高分子)復(fù)合高分子系復(fù)合金屬系復(fù)合陶瓷系復(fù)合⑴基于材料的物質(zhì)性的分類148即按材料的化學(xué)鍵、化學(xué)成分分類，功能材料可分為：金屬功能材按材料的物理性質(zhì)分類，功能材料可分為：磁性材料；電性材料、光學(xué)材料；聲學(xué)材料；力學(xué)材料；化學(xué)功能材料；熱學(xué)功能材料；生物醫(yī)學(xué)功能材料，核功能材料等。目前，現(xiàn)代技術(shù)對(duì)物理功能材料的需求最多，因此，物理功能材料發(fā)展最快，品種多，功能新，商品化率和實(shí)用化率高。有時(shí)，習(xí)慣上把功能材料和物理功能材料看作一個(gè)名稱。

⑵基于材料的物理性質(zhì)、功能分類149按材料的物理性質(zhì)分類，功能材料可分為：磁性材料；電性材料、光⑶基于材料的應(yīng)用領(lǐng)域的分類按材料的應(yīng)用領(lǐng)域，功能材料可分為儀器儀表材料；電子材料；軍工材料；反應(yīng)堆材料；信息工業(yè)用材料；能源材料；生物醫(yī)學(xué)工程材料等。150⑶基于材料的應(yīng)用領(lǐng)域的分類按材料的應(yīng)用領(lǐng)域，功能材料可分為⑷按聚集態(tài)分類：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)、液晶態(tài)、非晶態(tài)、混合態(tài)功能材料等。⑸按材料形態(tài)分類：體積、膜、纖維和顆粒等功能材料。⑹按維度分類：三維、二維、一維和零維功能材料。三維材料即固態(tài)體相材料；二維、一維和零維能材料分別為其厚度、徑度和粒度小到納米量級(jí)的薄膜、纖維和微粒，其主要特征是具有量子化效應(yīng)。151⑷按聚集態(tài)分類：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)、液晶態(tài)、非晶態(tài)、混合態(tài)功能四、功能設(shè)計(jì)的原理和方法152四、功能設(shè)計(jì)的原理和方法29

下圖為材料顯示功能的示意圖。

輸入材料輸出材料的功能顯示過(guò)程是指向材料輸入某種能量，經(jīng)過(guò)材料的傳輸或轉(zhuǎn)換等過(guò)程，再作為輸出而提供給外部的一種作用。153下圖為材料顯示功能的示意圖。輸入材料輸出材料的功能顯功能材料按其功能的顯示過(guò)程又可分為一次功能材料和二次功能材料。

154功能材料按其功能的顯示過(guò)程又可分為一次功能材料和二次功能當(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(shí)，材料起到能量傳輸部件的作用。材料的這種功能稱為一次功能。以一次功能為使用目的的材料又稱為載體材料。Ａ、一次功能155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(shí)，材一次功能主要有下面的八種。①力學(xué)功能。如慣性、粘性、流動(dòng)性、潤(rùn)滑性、成型性、超塑性、恒彈性、高彈性、振動(dòng)性和防震性。②聲功能。如隔音性、吸音性。③熱功能。如傳熱性、隔熱性、吸熱性和蓄熱性等。④電功能。如導(dǎo)電性、超導(dǎo)性、絕緣性和電阻等。156一次功能主要有下面的八種。33⑤磁功能。如硬磁性、軟磁性、半硬磁性等。⑥光功能。如遮光性、透光性、折射光性、反射光性、吸光性、偏振光性、分光性、聚光性等。⑦化學(xué)功能。如吸附作用、氣體吸收性、催化作用、生物化學(xué)反應(yīng)、酶反應(yīng)等。⑧其他功能。如放射特性、電磁波特性等。157⑤磁功能。如硬磁性、軟磁性、半硬磁性等。34當(dāng)向材料輸入的能量和從材料輸出的能量屬于不同形式時(shí)，材料起能量的轉(zhuǎn)換部件作用，材料的這種功能稱為二次功能或高次功能。有人認(rèn)為這種材料才是真正的功能材料。Ｂ、二次功能158當(dāng)向材料輸入的能量和從材料輸出的能量屬于不同形式時(shí)二次功能按能量的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可分為如下四類。①光能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換；②電能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換；③磁能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換；④機(jī)械能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換。159二次功能按能量的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可分為如下四類。①光能與其他形式能量

如光合成反應(yīng)、光分解反應(yīng)、光化反應(yīng)、光致抗蝕、化學(xué)發(fā)光，感光反應(yīng)，光致伸縮，光生伏特效應(yīng)和光導(dǎo)電效應(yīng)。①光能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換160如光合成反應(yīng)、光分解反應(yīng)、光化反應(yīng)、光致抗蝕、化學(xué)發(fā)光，感如電磁效應(yīng)、電阻發(fā)熱效應(yīng)、熱電效應(yīng)、光電效應(yīng)、場(chǎng)致發(fā)光效應(yīng)、電化學(xué)效應(yīng)和電光效應(yīng)等。②電能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換161如電磁效應(yīng)、電阻發(fā)熱效應(yīng)、熱電效應(yīng)、光電效應(yīng)、場(chǎng)致發(fā)光效應(yīng)、③磁能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換如光磁效應(yīng)、熱磁效應(yīng)、磁冷凍效應(yīng)和磁性轉(zhuǎn)變效應(yīng)等。162③磁能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換如光磁效應(yīng)、熱磁效應(yīng)、磁冷凍效應(yīng)和④機(jī)械能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換。如形狀記憶效應(yīng)、熱彈性效應(yīng)、機(jī)械化學(xué)效應(yīng)、壓電效應(yīng)、電致伸縮、光壓效應(yīng)、聲光效應(yīng)、光彈性效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)等。163④機(jī)械能與其他形式能量的轉(zhuǎn)換。如形狀記憶效應(yīng)、熱彈性效應(yīng)、機(jī)無(wú)論哪種功能材料，其能量傳遞過(guò)程或者能量轉(zhuǎn)換形式所涉及的微觀過(guò)程都與固體物理和固體化學(xué)相聯(lián)系。正是這兩門基礎(chǔ)科學(xué)為新興學(xué)科——功能材料科學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，從而也推動(dòng)了功能材料的研究和應(yīng)用。它們把功能材料推進(jìn)到功能設(shè)計(jì)的時(shí)代。164無(wú)論哪種功能材料，其能量傳遞過(guò)程或者能量轉(zhuǎn)換形式所涉及的

所謂功能設(shè)計(jì)，就是賦予材料以一次功能或二次功能特性的科學(xué)方法。有人認(rèn)為21世紀(jì)將逐漸實(shí)現(xiàn)按需設(shè)計(jì)材料。165所謂功能設(shè)計(jì)，就是賦予材料以一次功能或二次功能特性的科學(xué)

材料科學(xué)與工程一般都認(rèn)為由四要素組成，即結(jié)構(gòu)/成分、合成/流程、性能與效能。但考慮到結(jié)構(gòu)與成分并非同義詞，相同成分通過(guò)不同制備方法可以得到不同結(jié)構(gòu)，從而使材料出現(xiàn)不同性能，所以材料科學(xué)與工程應(yīng)為五要素，即成分、合成/流程、結(jié)構(gòu)、性能與效能。根據(jù)材料所要求的性能不同，材料設(shè)計(jì)可以從電子、光子出發(fā)．也可從原子、原子集團(tuán)出發(fā)，可以從微觀、顯微到宏觀。166材料科學(xué)與工程一般都認(rèn)為由四要素組成，即結(jié)構(gòu)/成分、合成

材料設(shè)計(jì)是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程：如材料的制備與存在狀態(tài)往往屬于非平衡熱力學(xué)；有些結(jié)構(gòu)敏感性質(zhì)(材料的力學(xué)性質(zhì))的可變因素太多，即使一個(gè)微小缺陷都會(huì)產(chǎn)生很大影響；表面與內(nèi)部結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的不一致性；復(fù)雜的環(huán)境因素等等。167材料設(shè)計(jì)是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程：44

材料設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程，其最終應(yīng)達(dá)到提出一個(gè)需求目標(biāo)就可設(shè)計(jì)出成分、制造流程并做出合乎要求的工程材料以至零件、器件或構(gòu)件。

168材料設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程，其最終應(yīng)達(dá)到提出一個(gè)需求目為實(shí)現(xiàn)材料設(shè)計(jì)，必須開展深入的基礎(chǔ)研究，以了解物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系；要建立完整的精確的數(shù)據(jù)庫(kù)；建立正確的物理模型；需要有大容量計(jì)算機(jī)；更重要的是要不同學(xué)科科學(xué)家與工程技術(shù)人員的通力合作。169為實(shí)現(xiàn)材料設(shè)計(jì)，必須開展深入的基礎(chǔ)研究，以了解物質(zhì)結(jié)構(gòu)與五、功能材料的現(xiàn)狀與展望170五、功能材料的現(xiàn)狀與展望47功能材料的現(xiàn)狀近幾年來(lái)，功能材料迅速發(fā)展，已有幾十大類，10萬(wàn)多品種，且每年都有大量新品種問(wèn)世?，F(xiàn)已開發(fā)的以物理功能材料最多，主要有：1）單功能材料，如：導(dǎo)電材料、介電材料、鐵電材料、磁性材料、磁信息材料、發(fā)熱材料、熱控材料、光學(xué)材料、激光材料、紅外材料等。2）功能轉(zhuǎn)換材料，如：壓電材料、光電材料、熱電材料、磁光材料、聲光材料、電流變材料、磁敏材料、磁致伸縮材料、電色材料等。171功能材料的現(xiàn)狀近幾年來(lái)，功能材料迅速發(fā)展，已有幾十大類功能材料的現(xiàn)狀3）多功能材料：如防振降噪材料、三防材料（防熱、防激光和防核）、電磁材料等。4）復(fù)合和綜合功能材料，如：形狀記憶材料、隱身材料、傳感材料、智能材料、顯示材料、分離功能材料、環(huán)境材料、電磁屏蔽材料等。5）新形態(tài)和新概念功能材料，如：液晶材料、梯度材料、納米材料、非平衡材料等。目前，化學(xué)和生物功能材料的種類雖較少，但其發(fā)展速度很快，其功能也更多樣化。172功能材料的現(xiàn)狀3）多功能材料：如防振降噪材料、三防材料（防熱功能材料的展望展望21世紀(jì)，功能材料的發(fā)展趨勢(shì)為：1）開發(fā)高技術(shù)所需的新型功能材料，特別是尖端領(lǐng)域（航空航天、分子電子學(xué)、新能源、海洋技術(shù)和生命科學(xué)等）所需和在極端條件下（超高