緒論功能材料

功能材料FunctionalMaterials

1

課程講授者

郭駕宇材料科學(xué)與工程學(xué)院辦公室：方圓南樓410聯(lián)系電話/p>

辦公室電話：86835738E-mail:guojiayu2000@

或

guojiayu2000@

授課對象：材料學(xué)專業(yè)

2考核方法及成績評定1、考核類別：考試2、考核形式：閉卷3、成績評定：平時成績30％，期末考試成績70％3平時成績1、上課出勤情況2、回答問題情況（10%）3、一篇小論文（20%）內(nèi)容：能源或光學(xué)材料4主要參考資料1、現(xiàn)代功能材料及其應(yīng)用—郭衛(wèi)生,汪濟奎（化學(xué)工業(yè)出版社,2002）2、功能材料學(xué)---周馨我(北京理工大學(xué)出版社,2002)3、新型功能材料---貢長生，張克立(化學(xué)工業(yè)出版社,2001)4、新型無機材料-----楊華明,宋曉嵐,金勝明（化學(xué)工業(yè)出版社,2005）5、信息和功能材料-----劉先曙馬傅華辛秀田（宇航出版社,1998）6、功能材料學(xué)概論-----馬如璋蔣民華（冶金工業(yè)出版社,1999）5第一章功能材料設(shè)計的原理和方法第二章導(dǎo)電材料第三章介電材料第四章壓電功能材料第五章光伏材料和太陽能電池第六章透光和導(dǎo)光材料第七章發(fā)光材料課程主要內(nèi)容

第八章激光材料第九章非線性光學(xué)材料61.功能材料發(fā)展概論

1.1功能材料的定義與分類

1.2功能材料的發(fā)展歷史與趨勢2.電功能材料

2.1.導(dǎo)電材料

2.2.介電材料（電介質(zhì)）

2.3.鐵電材料（強極性電介質(zhì)）

2.4壓電材料73.光功能材料及器件

3.1.激光材料

3.2．非線性光學(xué)材料

3.3.發(fā)光材料3.4.透光和導(dǎo)光材料

3.5.光伏材料和太陽能電池8本章內(nèi)容第一節(jié)功能材料的概念與分類第二節(jié)功能材料的發(fā)展歷史與趨勢

91986年，我國制定了《高技術(shù)發(fā)展計劃綱要》，被評選列入的七個技術(shù)群是生物技術(shù)、信息技術(shù)、激光技術(shù)、航天技術(shù)、自動化技術(shù)、新能源技術(shù)和新材料技術(shù)。

10

一般認(rèn)為，新材料有晶須材料、非晶材料、超塑性合金、形狀記憶材料、功能陶瓷、功能有機材料、超導(dǎo)材料、碳纖維、能量轉(zhuǎn)換材料等。新材料發(fā)展的重點已經(jīng)從結(jié)構(gòu)材料轉(zhuǎn)向功能材料。功能材料被譽為－－2l世紀(jì)人類文明的重要支柱11

隨著時代的發(fā)展，人類將進入一個信息時代。為了解決生產(chǎn)高速發(fā)展以及由此所產(chǎn)生的能源、環(huán)境等一系列的問題，更需要用高科技的方法和手段來生產(chǎn)新型的、功能性的產(chǎn)品，以獲得各種優(yōu)良的綜合性能。近年來新型功能材料層出不窮，得到了突破性的進展。功能材料概論12

日本和歐美各國對新型功能材料的研究十分注意，這是因為功能材料是能源、計算機、通訊、電子、激光等現(xiàn)代科學(xué)的基礎(chǔ)，功能材料在未來的社會發(fā)展中具有重大戰(zhàn)略意義。

13

近10年來，功能材料成為材料科學(xué)和工程領(lǐng)域中最為活躍的部分。每年以5％以上的速度增長，相當(dāng)于每年有1.25萬種新材料問世。未來世界需要更多的性能優(yōu)異的功能材料，功能材料正在滲透到現(xiàn)代生活的各個領(lǐng)域。14功能材料在電力技術(shù)、電子信息技術(shù)、微電子技術(shù)、激光技術(shù)、空間技術(shù)、海洋技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。例：計算機的發(fā)展歷史－CPU電子管晶體管集成電路大規(guī)模集成電路15晶體管、電子管16集成電路示例17現(xiàn)代微型計算機的功能與第一臺大型電子管計算機相當(dāng)，但運算速度快幾十倍、體積僅1/300,000、重量僅1/60,000。IBM研制的超級計算機的運算能力可達(dá)39,000次/s。功能材料：鍺Ge半導(dǎo)體材料硅Si半導(dǎo)體材料砷化鎵GaAs半導(dǎo)體材料18世界上第一臺計算機用1.8萬只電子管，占地170m*2，重30t，耗電150kW。

19太陽能應(yīng)用示例

20太陽能電池原理21太陽能電池工藝22炭纖維輪胎23材料(用途)結(jié)構(gòu)材料（StructuralMaterials

宏觀力學(xué)性能）功能材料（FunctionalMaterials

微觀性能）結(jié)構(gòu)材料：能承受外加載荷而保持其形狀和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的材料。功能材料：BellLab,JAMorton1965年提出“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)和生物學(xué)功能及其相互轉(zhuǎn)化的功能，被用于非結(jié)構(gòu)目的的高技術(shù)材料”第一節(jié)功能材料的概念與分類24一、功能材料的概念功能材料是指通過光、電、磁、熱、化學(xué)、生化等作用后具有特定功能的材料。是用于非結(jié)構(gòu)目的高技術(shù)材料。-----1965年由美國貝爾實驗室的J.A.Morton博士首先提出功能材料概念。在國外，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)。25

功能材料涉及面較廣，具體包括光、電功能，磁功能，分離功能，形狀記憶功能等。這類材料相對于通常的結(jié)構(gòu)材料而言，一般除了具有機械特性外，還具有其他的功能特性。26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:對于導(dǎo)電聚合物來說，它一般具有長鏈共軛雙鍵；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。

27

功能材料是一門新的學(xué)科，目前對它進行嚴(yán)格的定義尚有一定的難度，就像許多化學(xué)變化中存在著物理現(xiàn)象、高級運動中總是伴隨著低級運動一樣，功能材料既遵循材料的一般特性和變化規(guī)律又具有其自身的特點。因此可認(rèn)為是傳統(tǒng)材料的更高級的運動形式。28功能材料種類繁多，涉及面廣，有多種分類方法。目前主要是根據(jù)材料的化學(xué)組成、應(yīng)用領(lǐng)域、使用性能進行分類。

功能材料的分類293031第二節(jié)功能材料的發(fā)展歷史與趨勢32舊石器時代：100萬年前新石器時代：1萬年前33陶器：8000-9000年前人面魚紋彩陶盆(新石器時代·七千年前仰韶文化)

高16.5厘米口徑39.5厘米

20世紀(jì)50年代陜西省西安市半坡村出土

現(xiàn)藏中國歷史博物館

唐三彩：盛行于唐代的陶器，以黃、褐、綠為基本釉色。34中國商代晚期（5000年前）的青銅器。1939年于河南安陽出土。因腹內(nèi)壁鑄有“司母戊”三字而得名。其合金成分為：銅84.77％，錫11.44％，鉛2.76％，其他0.9％35河北滄州鐵獅子鑄于后周廣順三年（公元953年），距今已有一千多年的歷史3618世紀(jì)英國瓦特發(fā)明的第一臺蒸汽機-產(chǎn)業(yè)化革命的開始中國1882年1829年英國人喬治?史蒂芬森制造蒸汽機車371831英國法拉第(Farady,1791-1867)發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象

1832法國必柯錫(Picosi,1808-1835)利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象制成發(fā)電機19世紀(jì)發(fā)明了電動機（1834年德國的雅可比發(fā)明直流發(fā)動機，1888年南斯拉夫裔美國人特斯拉發(fā)明了交流電動機），對材料的發(fā)展提出了更高的要求。38有機及高分子材料的發(fā)展1909年的酚醛樹脂1920年的聚苯乙烯1931年的聚氯乙烯1941年的尼龍復(fù)合材料天然復(fù)合材料如木材、皮革、竹子等人工復(fù)合材料，如泥土中混入碎麻或麥稈用以建造房屋，鋼筋水泥也就是脆性材料與韌性材料的復(fù)合材料。39納米材料，1986年401906年，美國無線電工程師福雷斯特制成了世界上第一只具有放大作用的真空三極電子管，從而出現(xiàn)了無線電技術(shù)、電視機、電子計算機。半導(dǎo)體材料411946年，美國物理學(xué)家莫奇利任總設(shè)計師，研制成功世界上第一臺電子管計算機ENIAC(圖中左為莫奇利）第一臺電子管計算機(ENIAC)占地170m2，重30t，有1.8萬個電子管，用十進制計算，每秒運算5000次421947年第一只晶體管誕生(BellLab)1958年發(fā)明了集成電路(IC)，1964年，美國IBM公司研制成功第一個采用集成電路的通用電子計算機系列IBM360系統(tǒng)43硅芯片44表1-1硅片的表面均勻度指標(biāo)參數(shù)時間（年）2005200820112018IC工藝/nm80574018顆粒大小/nm503525?表1-2超大規(guī)模集成電路光刻技術(shù)長期目標(biāo)(ITRS,2003)投產(chǎn)時間2010201320162018動態(tài)存儲器（DRAM）半周期尺度/nm45322218微處理器門電路柵極長度/nm1813974546OpticalfibercommunicationsystemMulti-plexerElectro-opticalconversionLaserdiodeAmplifierPhotodiodeOpto-electronicConversionDemulti-plexerOpticalfiber光纖通訊（1970-）47電子學(xué)光電子學(xué)光子學(xué)

20世紀(jì)21世紀(jì)48表1-3.材料與人類文明的進步標(biāo)志時間10000年前5000年前3000年前20世紀(jì)中葉現(xiàn)在與將來時代石器青銅器鐵器電子材料光電子與光子材料代表石鏃商代司母戊鼎滄州鐵獅子晶體管與硅芯片光纖49功能材料的現(xiàn)狀

近幾年來，功能材料迅速發(fā)展，已有幾十大類，10萬多品種，且每年都有大量新品種問世?，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。503）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。51功能材料的展望展望21世紀(jì)，功能材料的發(fā)展趨勢為：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、強腐蝕、高真空、強輻射等）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，從低級功能向高級功能發(fā)展；523）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）進一步研究和發(fā)展功能材料的新概念、新設(shè)計和新工藝；6）完善和發(fā)展功能材料檢測和評價的方法；7）加強功能材料的應(yīng)用研究，擴展功能材料的應(yīng)用領(lǐng)域，加強推廣成熟的研究成果，以形成生產(chǎn)力。53游效曾著，《分子材料－光電功能化合物》，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，上海，2001年。黃春輝，李富友，黃巖誼著，《光電功能超薄膜》，北京大學(xué)出版社，北京，2001年馮端，師昌緒，劉治國主編，《材料科學(xué)導(dǎo)論》，化學(xué)工業(yè)出版社，北京，2002年。干福熹主編，《信息材料》，天津大學(xué)出版社，天津，2000年。馬如璋蔣民華徐祖雄主編，《功能材料學(xué)概論》，冶金工業(yè)出版社，北京，2006。參考書546.殷景華，王雅珍，鞠剛主編，《功能材料概論》，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，哈爾濱，