先進功能材料

第六章能源材料一、金屬儲氫原理1①氫分子吸附于金屬表面，H-H鍵解離為氫原子；②氫原子從金屬表面向內部擴散，進入金屬原子的間隙中(晶格間位置)形成固溶體；③固溶于金屬中的氫與金屬反應生成氫化物。2、儲氫合金的吸氫熱力學原理(相[H]M氫壓的平方根成正比②固溶體進一步與氫反應，產生相變，生成金屬氫化物相(β相)：3、金屬－氫系的相平衡金屬-氫反應的特點：①可逆反應；②正向吸氫、放熱；③逆向放氫、吸熱；④溫度(T)、壓力(p)、成分(c)控制著反應的進行方向；⑤溫度升高，氫平衡壓力升高，有效氫容量減少；⑥吸氫和釋氫時，雖在同一溫度，但氫平衡壓力不同，即出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。儲氫材料的滯后越小越好。二、儲氫合金1、儲氫合金應具備的條件：)(氧、水和二氧化碳等)敏感性小，抗中毒能力強。使用壽命長，在反復吸放氫循環(huán)中，合金的粉2、活化：儲氫合金第一次與氫反映稱為活化處理3(MechanicalMA)球磨機中進行較長時間的研磨，使其在固相狀態(tài)下形成合金的一種材料制備技術。4、燃燒合成法(CombustionSynthesis，簡稱CS)：燃燒合成法又稱自曼延高溫合成法，它利用高放熱反應的能量使化學反應自發(fā)地持續(xù)下去，從而實現(xiàn)材料合成與制備。三、Ni-MH電池的工作原理Ni-MH電池的工作基于儲氫合金的電化學吸放氫特性和電催化活性，其充放電機理是：氫在金屬氫化物(MH)電極和Ni(OH)2電極之間在KOH水溶液中的運動。簡單地說，就是在電池充放電過程中，氫(原子)從一個電極轉移到另一個電極的反復過程。電極總反應：xNi(OH)2四、鋰離子電池的工作原理

M電放電

xNiOOH MHx充電：Li+從正極脫嵌，經電解質進入負極，使負極處于富鋰態(tài)，正極處于貧鋰態(tài)。同時電子的補償電荷從外電路供給到負極。放電：Li+從負極脫出，經電解質嵌入正極，使正極處于富鋰態(tài)。電子經外電路到正極。又稱為搖椅電池(RockingChairBatteries)。五、燃料電池(fuelcells，F(xiàn)C)是將儲存在燃料中的化學能直接轉換為電能的電化學裝置。燃料電池的一般原理：FC()()通過陰極提供，燃料在陽極催化CO2。FC(為六、太陽能電池材料組成太陽的物質中75%是氫，氫持續(xù)地聚變成氦，并釋放出巨大的能量，并以輻射方式向宇宙空間發(fā)射。107K10pm～10Km99%的能量集中在0.276～4.96m3.8×1026W，照射到大氣層之上的功率密度約為1.35×103W/m2外線被臭氧、氧氣和水蒸氣吸收后，到達地面的功率密度仍有1×103W/m2。1.8×101820120007×1012七、太陽能電池的工作原理太陽能電池本質上是一個大面積半導體二極管Eg的光子將價帶中的電子激發(fā)到導帶，并在價帶留下空穴，形成電子空穴對（稱光生載流子。電子和空穴擴散到pn結的空間電荷區(qū)，被該區(qū)的內建電場分離，電子聚集在n型一側，空穴聚集在p型一側，八、染料敏化太陽能電池染料敏化太陽電池主要是模仿光合作用原理工作原理：⑴染料分子受太陽光照射后由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)；⑵處于激發(fā)態(tài)的染料分子將電子注入到半導體的導帶中；⑶電子擴散至導電基底，后流入外電路中；⑷處于氧化態(tài)的染料被還原態(tài)的電解質還原再生；⑸氧化態(tài)的電解質在對電極接受電子后被還原，從而完成一個循環(huán)；⑹分別為注入到TiO2解質間的復合第七章智能材料一、智能材料的定義：智能材料materials）是指具有感知環(huán)境（包括內環(huán)境和外環(huán)境）分析、處理、判斷，并采取一定的措施進行適度響應的材料。智能材料的三大要素：感知、處理（驅動、執(zhí)行（控制感知：能夠檢測并且可以識別刺激強度處理（驅動：能夠響應外界變化執(zhí)行（控制：能夠按照設定的方式選擇和控制響應智能材料的基本要求：①反應靈敏、及時和恰當的能力；②當外部剌激消除后，能夠迅速恢復到原始狀態(tài)的能力。二、智能材料系統(tǒng)智能材料系統(tǒng)包括基體材料、敏感材料、驅動材料、信息處理器四部分。①基體材料：擔負承載作用。②敏感材料：擔負傳感任務。③驅動材料：擔負響應和控制任務。④信息處理器三、智能材料系統(tǒng)的智能功能和生命特征①傳感功能senso：能夠感知外界或自身所處的環(huán)境條件。②反饋功能（feedbac果提供給控制系統(tǒng)。③信息識別與積累功能discernmentandaccumulatio并將其積累起來。responsiv并采取必要行動。⑤自診斷能力（self-diagnosi諸如系統(tǒng)故障與判斷失誤等問題進行自診斷并予以校正。⑥自修復能力self-recover些局部損傷或破壞。self-adjustin做出恰如其分的響應。四、形狀記憶合金形狀記憶合金(SMA，shapememoryalloys)是具有形狀記憶效應的材料，是一種重要的執(zhí)行器材料，可以用其控制振動和結構變形。1、形狀記憶效應SMshapememoryeffect2、形狀記憶效應的形式單向形狀記憶效應加熱或撤去應力，馬氏體發(fā)生逆轉變，合金完全恢復母相的原始形狀。馬氏體轉變，則母相又回復至馬氏體狀態(tài)時的形狀。冷卻到馬氏體轉變溫度以下，形狀變?yōu)榕c母相相同但取向完全相反的現(xiàn)象。3、偽彈性PEPseudoelasticit應力時，這種附加應變也隨之消失，這種現(xiàn)象稱為偽彈性。五、形狀記憶合金形狀記憶合金應具備的條件①馬氏體相變是熱彈性的。要求合金必須具有熱彈性馬氏體相變。地移動，且兩相為共格關系。憶。④相變時在晶體學上具有完全可逆性。第四節(jié)無機非金屬系智能材料無機非金屬系智能材料：智能陶瓷、電流變體、磁流變體、電致變色材料、壓敏電阻器。1(Electro-rheologicalFluid)數粒子分散于低介電常數油液中形成的一種懸浮液。2、電流變效應：電流變體在電場作用下其流變性能迅速可逆變化的現(xiàn)象稱電流變效應。3、磁流變體：又稱磁流變液（Magneto-RheologicalFlui控流變特性的特定的非膠體性質的懸浮狀液體。(Electrochemichromism)學反應條件下對可見光吸收有重大改變的材料。第七章梯度功能材料梯度功能材料（FGM，functionallygradientmaterials）是一種由兩種或多種材料經復合而成的結構和組分呈連續(xù)梯度變化的材料。梯度功能材料的特點1、三大主要特征：①材料的組分和結構呈連續(xù)梯度變化；②材料的內部沒有明顯的界面；③材料的性質呈連續(xù)梯度變化。2、改善構件的熱機械特征：①應力值可減至最小，并將熱應力控制在適宜的臨界位置；②對于給定的熱機械載荷作用，可推遲塑性屈服和失效的發(fā)生；③可抑制自由邊界與界面交接處的嚴重應力集中和奇異性；④成分的連續(xù)或逐級梯度可提高界面結合強度；⑤力學性能的梯度調整可降低裂紋擴展的驅動力；⑥逐級或連續(xù)的梯度可方便地在延性基底上沉積厚的脆性涂層；⑦成分的梯度變化，可消除表面壓痕根部的奇異場或塑性變形特征設計構件使用條件設計構件使用條件設計知識庫材料組合選擇復合法則組成分布圖形特性估算微觀力學理論數值計算溫度分布熱應力材料物性數據庫否是否最小是材料強度判據是是否有其它組合否最佳組合方式最佳梯度組成分布逆設計系統(tǒng)：熱防護梯度功能材料的逆設計框圖①確定熱力學邊界條件根據指定的材料結構形狀和受熱環(huán)境，得出熱力學邊界條件。②選擇材料的組合體系從材料知識庫中選擇材料組合體系（如金屬－陶瓷材料）及制備方法。③確定材料體系的物理參數混合法則得出材料體系的物理參數。④溫度分布模擬和熱應力模擬對選定的材料體系進行溫度分布模擬和熱應力模擬，尋求達到最大功能（一般為應力/材料強度值達到最小值）的組成分布狀態(tài)及材料體系。⑤試驗材料合成(制備)將獲得的結果提交材料合成部門，進行梯度功能材料的合成。⑥性能測評及反饋合成后的材料經過性能測試和評價再反饋到材料設計部門。⑦合成(制備)梯度功能材料經過循環(huán)迭代設計、制備及評價，研制出實用的梯度功能材料。二、制備方法1.氣相沉積法(vapourdeposition)物理氣相沉積通過加熱等物理方法使源物質(如金屬等)蒸發(fā)，進而使蒸氣沉積在基體上成膜的方法?；瘜W氣相沉積上沉積成膜的方法。第九章生物醫(yī)學材料疫等系統(tǒng)不產生不良反應。會產生不同的反應。一、宿主反應1中毒和機體對材料的排斥。2突變反應；⑤適應性反應。3、引起宿主反應的主要原因：①材料中殘留有毒性的低分子物質；②材料聚合過程殘留有④材料和制品的形狀、大小、表面光滑程度；⑤材料的酸堿度。二、材料反應1、材料反應：即活體系統(tǒng)對材料的作用，包括生物環(huán)境對材料的腐蝕、降解、磨損和性質退化，甚至破壞。2、引起材料反應的主要原因：①生理活動中骨骼、關節(jié)、肌肉的力學性動態(tài)運動；②細胞基酸、多肽、自由基對材料的生物降解作用。3、材料反應的主要后果：①使材料變形；②使材料老化；③使材料降解。三、生物相容性分類生物相容性包括血液相容性、織織相容性和生物降解吸收性。1、血液相容性血液相容性是指材料與血液接觸時，不發(fā)生溶血或凝血。2、組織相容性組織相容性是指用材料植入體內后與組織、細胞接觸無任何不良反應。3、生物降解吸收性生物降解吸收性是指材料在活體環(huán)境中可發(fā)生速度能控制的降解自行吸收代謝或排泄。四、生物金屬材料1、生物體用金屬材料應具備的條件①在生物學上不發(fā)生排異反應；②必要的物理性能；③耐蝕性能，耐磨性能好；④不發(fā)生疲勞現(xiàn)象；⑤無毒性及變態(tài)反應；⑥抗血栓。已應用于臨床的醫(yī)用金屬材料主要有不銹鋼、鈷基合金和鈦基合金等。五、生物陶瓷材料生物陶瓷：是指主要用于人體硬組織修復和重建的生物醫(yī)學陶瓷材料。增強，因此又稱為種植類陶瓷。六、生物高分子材料1增進或恢復其功能的高分子材料。2、用于藥物釋放的高分子材料一般的給藥方式，藥物在人體