《型功能材料上課用》課件

《型功能材料》課件課程內(nèi)容簡(jiǎn)介型功能材料基礎(chǔ)介紹型功能材料的概念、分類(lèi)、制備方法和應(yīng)用領(lǐng)域。典型型功能材料深入講解壓電材料、鐵電材料、鐵磁材料等主要類(lèi)型的材料特性和應(yīng)用。新型功能材料探討形狀記憶合金、電致伸縮材料、光電材料等新興材料的應(yīng)用前景。課程目標(biāo)了解型功能材料的定義、分類(lèi)和應(yīng)用掌握常用型功能材料的原理、結(jié)構(gòu)和特性培養(yǎng)對(duì)型功能材料應(yīng)用前景的理解型功能材料簡(jiǎn)介型功能材料是指能夠響應(yīng)外界刺激（如電場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度、光照等）而發(fā)生形狀、尺寸、電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)等物理性質(zhì)變化的材料。這類(lèi)材料因其獨(dú)特的性質(zhì)，在現(xiàn)代科技領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，被廣泛應(yīng)用于傳感器、執(zhí)行器、能量存儲(chǔ)器、智能材料等多個(gè)領(lǐng)域。型功能材料的分類(lèi)按功能分類(lèi)根據(jù)材料的功能，可以將型功能材料分為壓電材料、鐵電材料、鐵磁材料、形狀記憶材料、電致伸縮材料、光電材料、生物型功能材料等。按材料類(lèi)型分類(lèi)根據(jù)材料的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)，可以將型功能材料分為陶瓷材料、金屬材料、高分子材料、復(fù)合材料等。按應(yīng)用領(lǐng)域分類(lèi)根據(jù)型功能材料的應(yīng)用領(lǐng)域，可以將其分為傳感器、執(zhí)行器、存儲(chǔ)器、顯示器、能源材料等。型功能材料的制備方法1粉末冶金法將粉末材料壓制成型，再經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成。2溶液法將金屬鹽溶液混合，經(jīng)沉淀、過(guò)濾、干燥等步驟制備。3氣相沉積法將氣體反應(yīng)物在基底表面反應(yīng)，形成薄膜材料。型功能材料的結(jié)構(gòu)特征原子排列型功能材料的結(jié)構(gòu)特征由原子排列方式?jīng)Q定，不同材料的結(jié)構(gòu)特征決定其性能差異。晶體結(jié)構(gòu)大部分型功能材料屬于晶體，具有一定規(guī)律的原子排列，影響材料的壓電效應(yīng)、鐵電效應(yīng)等性能。缺陷和應(yīng)力結(jié)構(gòu)中的缺陷和應(yīng)力會(huì)影響型功能材料的性能，需要在制備過(guò)程中進(jìn)行控制。常見(jiàn)型功能材料概述壓電材料利用機(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)換的特性，廣泛應(yīng)用于傳感器、致動(dòng)器等領(lǐng)域。鐵電材料在電場(chǎng)作用下發(fā)生極化，具有電滯回線(xiàn)、記憶效應(yīng)等特點(diǎn)，常用于存儲(chǔ)器、傳感器等。鐵磁材料在外磁場(chǎng)作用下具有強(qiáng)磁性的材料，應(yīng)用于電機(jī)、磁鐵等領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備。形狀記憶材料在一定溫度下恢復(fù)原有形狀的材料，應(yīng)用于醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域。壓電型功能材料壓電型功能材料是指在機(jī)械應(yīng)力作用下能夠產(chǎn)生電極化的材料，反之，在電場(chǎng)作用下也能發(fā)生機(jī)械形變的材料。壓電材料是一種重要的功能材料，在現(xiàn)代科技中有著廣泛的應(yīng)用，例如傳感器、執(zhí)行器、能量收集器等。壓電材料的基本原理壓電效應(yīng)壓電材料在機(jī)械壓力或應(yīng)力作用下會(huì)產(chǎn)生電荷，反之，在電場(chǎng)作用下也會(huì)發(fā)生形變。機(jī)電耦合壓電效應(yīng)體現(xiàn)了機(jī)械能和電能之間的相互轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換效率用機(jī)電耦合系數(shù)表示。壓電材料的應(yīng)用傳感器壓電材料可以用于制作各種傳感器，例如壓力傳感器、加速度傳感器、聲波傳感器等。執(zhí)行器壓電材料可以用于制作各種執(zhí)行器，例如超聲波電機(jī)、壓電陶瓷電機(jī)等。鐵電型功能材料鐵電型功能材料是指具有鐵電性的功能材料，其具有自發(fā)極化現(xiàn)象，并且極化方向可以通過(guò)外電場(chǎng)改變。鐵電材料具有獨(dú)特的物理性質(zhì)，使其在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，例如非易失性存儲(chǔ)器、傳感器、致動(dòng)器等。鐵電材料的基本原理自發(fā)極化鐵電材料具有自發(fā)極化，即在無(wú)外加電場(chǎng)的情況下，材料內(nèi)部存在電偶極矩。極化方向可逆在電場(chǎng)作用下，材料的極化方向可以反轉(zhuǎn)，并且能夠保持其極化狀態(tài)。居里溫度鐵電材料存在一個(gè)臨界溫度，稱(chēng)為居里溫度。高于居里溫度，鐵電性消失。鐵電材料的應(yīng)用1非易失性存儲(chǔ)器鐵電材料可以用于制造高密度、低功耗、非易失性存儲(chǔ)器，例如鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（FeRAM）。2傳感器鐵電材料對(duì)溫度、壓力、應(yīng)力等物理量敏感，可用于制造各種傳感器，例如壓力傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器等。3執(zhí)行器鐵電材料在電場(chǎng)作用下會(huì)發(fā)生形變，可用于制造微型執(zhí)行器，例如微型馬達(dá)、微型泵等。鐵磁型功能材料鐵磁型功能材料是指在磁場(chǎng)作用下具有磁滯現(xiàn)象的材料。它們具有很高的磁導(dǎo)率和磁化率，能夠被磁化并保持一定的磁性。鐵磁型功能材料在現(xiàn)代科技領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如制造各種磁性器件、磁記錄材料、傳感器等。鐵磁材料的基本原理磁疇鐵磁材料內(nèi)部由許多微小的磁疇組成，每個(gè)磁疇內(nèi)的磁矩方向一致，但不同磁疇的磁矩方向不同，整體表現(xiàn)為無(wú)磁性。磁化在外磁場(chǎng)的作用下，磁疇會(huì)沿外磁場(chǎng)方向排列，從而使材料整體磁化。磁滯現(xiàn)象當(dāng)外磁場(chǎng)撤去后，材料的磁化強(qiáng)度不會(huì)完全消失，而是保留一部分剩磁，這種現(xiàn)象稱(chēng)為磁滯現(xiàn)象。鐵磁材料的應(yīng)用1電子設(shè)備鐵磁材料在電子設(shè)備中起著至關(guān)重要的作用，例如硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、磁帶和磁存儲(chǔ)器。2電力系統(tǒng)它們用于變壓器、電機(jī)和發(fā)電機(jī)等電力設(shè)備，以提高能量轉(zhuǎn)換效率。3傳感器磁性傳感器用于檢測(cè)磁場(chǎng)變化，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、醫(yī)療和工業(yè)領(lǐng)域。形狀記憶型功能材料形狀記憶合金是一種能夠在特定溫度下恢復(fù)其原始形狀的功能材料。形狀記憶合金具有獨(dú)特的形狀記憶效應(yīng)，使其能夠在承受變形后，在加熱或冷卻到一定溫度下恢復(fù)其原始形狀。形狀記憶效應(yīng)的基本原理馬氏體相變形狀記憶合金在高溫下具有奧氏體相，在低溫下具有馬氏體相。奧氏體相具有較高的延展性，而馬氏體相則具有較高的強(qiáng)度和硬度。當(dāng)溫度變化時(shí)，合金會(huì)發(fā)生相變，從而導(dǎo)致形狀變化。超彈性當(dāng)形狀記憶合金處于馬氏體相時(shí)，它可以承受很大的變形，并且在去除外力后可以恢復(fù)到原來(lái)的形狀。這種特性被稱(chēng)為超彈性。形狀記憶效應(yīng)當(dāng)形狀記憶合金處于馬氏體相時(shí)，它可以記住其在高溫下的形狀。當(dāng)溫度升高到奧氏體相時(shí)，它會(huì)恢復(fù)到其高溫下的形狀。這種特性被稱(chēng)為形狀記憶效應(yīng)。形狀記憶材料的應(yīng)用醫(yī)療領(lǐng)域形狀記憶合金可用于制造醫(yī)療器械，例如血管支架、牙齒矯正器和人工關(guān)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的定位和修復(fù)。航空航天形狀記憶合金可用于制造飛機(jī)機(jī)翼和衛(wèi)星天線(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)輕量化和可變形狀的設(shè)計(jì)。建筑工程形狀記憶合金可用于制造橋梁、建筑物和隧道，以提高抗震性和耐用性。電致伸縮型功能材料電致伸縮型功能材料是指在電場(chǎng)作用下發(fā)生尺寸變化的材料，也被稱(chēng)為電致伸縮材料。電致伸縮效應(yīng)是指某些材料在電場(chǎng)作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象。電致伸縮材料通常具有鐵電性或壓電性，其在電場(chǎng)作用下，其晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致材料的尺寸變化。電致伸縮效應(yīng)的基本原理定義電致伸縮效應(yīng)是指某些材料在外加電場(chǎng)作用下發(fā)生尺寸變化的現(xiàn)象。電場(chǎng)改變材料內(nèi)部的極化狀態(tài)，進(jìn)而引起材料尺寸的改變。原理電致伸縮材料內(nèi)部存在極化疇，在外加電場(chǎng)作用下，極化疇會(huì)發(fā)生重新排列，導(dǎo)致材料尺寸發(fā)生改變。這種尺寸變化的大小與電場(chǎng)強(qiáng)度、材料的電致伸縮系數(shù)等因素有關(guān)。電致伸縮材料的應(yīng)用傳感器電致伸縮材料可以用作壓力、振動(dòng)、加速度等傳感器。執(zhí)行器電致伸縮材料可以用于制作微型執(zhí)行器，如微型泵、閥門(mén)等。聲學(xué)器件電致伸縮材料可用于制作超聲波傳感器、換能器等。光電型功能材料光電型功能材料是指將光能和電能相互轉(zhuǎn)換的材料。這類(lèi)材料具有獨(dú)特的物理性質(zhì)，可以將光能轉(zhuǎn)化為電能，也可以將電能轉(zhuǎn)化為光能。光電型功能材料在現(xiàn)代科技領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，例如太陽(yáng)能電池、光傳感器、光電器件等。光電效應(yīng)的基本原理光電效應(yīng)光電效應(yīng)是指當(dāng)光照射到金屬表面時(shí)，金屬中的電子吸收光子能量而從金屬表面逸出的現(xiàn)象。關(guān)鍵要素入射光頻率金屬材料功函數(shù)光電材料的應(yīng)用太陽(yáng)能電池光電材料可以將光能直接轉(zhuǎn)換為電能，廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能電池，為我們提供清潔能源。光探測(cè)器光電材料可以將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，用于制造光探測(cè)器，廣泛應(yīng)用于安防、醫(yī)療、遙感等領(lǐng)域。光纖通信光電材料可以實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的傳輸，用于制造光纖，為我們提供高速、高效的通信服務(wù)。生物型功能材料生物型功能材料是指利用生物材料或生物體本身具有的功能，制成的具有特定功能的材料。這類(lèi)材料具有生物相容性好、可降解性、自修復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)，在生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)、能源等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。生物型功能材料的特點(diǎn)生物相容性生物型功能材料具有良好的生物相容性，不易引起機(jī)體的排斥反應(yīng)?？山到庑砸恍┥镄凸δ懿牧峡梢员簧矬w內(nèi)的酶降解，最終代謝產(chǎn)物對(duì)人體無(wú)害。生物活性部分生物型功能材料具有生物活性，可以促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)和組織修復(fù)。生物型功能材料的應(yīng)用可生物降解材料生物降解材料可用于制造醫(yī)療器械、藥物載體和包裝材料等，以減少環(huán)境污染。組織工程生物材料可用于構(gòu)建人工組織和器官，為患者提供替代療法。生物傳感器生物材料可用于制造生物傳感器，檢測(cè)生物體內(nèi)的物質(zhì)，如葡萄糖、蛋白質(zhì)等。型功能材料的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)智能化和集成化：型功能材料將朝著智能化和集成化方向發(fā)展，例如，將傳感器、執(zhí)行器、控制器等集成到一個(gè)器件中，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的控制功能。納米化和微型化：