功能材料学

功能材料学功能材料学授课学期：2007~2008学年第2学期考核方式：闭卷考试学分：3学分授课专业：2005级无机非金属材料专业总学时数：48学时理论学时：48学时实践学时：0学时课堂讲授：46学时辅导答疑：2学时教学目标及基本要求了解和掌握电功能材料、磁功能材料、光功能材料和特种物理功能材料的组分、结构、性能和发展动向；拓宽知识视野，提升知识层次，培养和提高综合素质和应用能力；为相关专业课程的学习和毕业后从事功能材料的生产、科研和教学工作打下较坚实基础。教学内容与课时分配绪论2学时第一章导电材料4学时第二章介电材料2学时第三章压电材料2学时第四章热电材料2学时第五章光电材料2学时第六章磁性材料4学时第七章磁信息材料2学时第八章透光和导光材料2学时第九章发光材料2学时第十章激光材料2学时第十一章非线性光学材料2学时第十二章光调制用材料2学时第十三章红外材料2学时第十四章光信息材料2学时第十五章隐身材料4学时第十六章梯度功能材料4学时第十七章纳米材料2学时第十八章机敏材料和智能材料2学时辅导答疑2学时教学重点功能材料的特征和分类；导体材料、超导材料、半导体材料；介电材料、铁电材料；压电效应及压电材料的特征值；温差电动势材料、热电导材料、热释电材料；光电子发射材料、光电导材料、光电动势材料；软磁材料、硬磁材料、铁氧体；磁记录材料、磁泡材料、矩磁材料；透光材料、光纤材料；材料的发光机理、光致发光材料、电致发光材料、射线致发光材料、等离子发光材料。激光的基本原理、激光材料；非线性光学材料的基本原理；电光材料、磁光材料；红外线的基本规律、红外辐射材料、透红外材料；全息材料、光盘材料；隐身技术、微波隐身材料、红外隐身材料、激光、声和多功能隐身材料；梯度功能材料的概念、梯度光折射率材料、热防护梯度功能材料；纳米材料的概念、纳米颗粒材料；机敏材料和智能材料的概念。教学难点导电材料的电导率、能带结构和导电机理；介电材料的特征值、铁电体的特性；压电效应；温差电动势效应、热电导效应、热释电效应；光电子发射原理、光电导原理、光电动势原理；磁性材料和磁信息材料的磁滞回线及特征值；光纤材料的传输原理；材料的发光机理；激光的基本原理、产生及特点；非线性光学材料的基本原理；电光效应、磁光效应；红外线的基本规律；微波隐身原理、红外隐身原理、激光隐身原理；梯度功能材料的概念；纳米材料的概念和特征；机敏材料和智能材料的概念。主要参考书目马如璋等编著，《功能材料学概论》，冶金工业出版社，1999年。田莳编著，《功能材料》，北京航空航天大学出版社，1995年。殷景华等主编，《功能材料概论》，哈尔滨工业大学出版社，1999年。郭卫红等编著，《现代功能材料及其应用》，化学工业出版社，2002年。贡长生等主编，《新型功能材料》，化学工业出版社，2001年。绪论0.1引言0.2功能材料的特征和分类0.3功能材料的现状和发展趋势0.4功能材料学科的内容和相关学科教学目标及基本要求掌握功能材料的概念、特征和分类；了解功能材料的现状、发展趋势以及功能材料学科的内容和相关学科。教学重点和难点（1）功能材料及其主要特征（2）功能材料的化学成分分类和物理性质分类绪论功能材料是指具有优良的物理、化学、生物或其相互转化的功能，用于非承载目的的材料。功能材料学科是一门新兴的综合学科。功能材料学是功能材料学科中的一门技术基础课。本教材主要阐述了电、磁、光和特种物理功能材料的组成、结构、性能、应用和发展动向，未涉及核、热、声、分离、摩擦、密封等物理功能材料，以及化学和生物等功能材料。本教材共有绪论和18章内容，其中1~5章为电功能材料，6~7章为磁功能材料，8~14章为光功能材料，15~18章为隐身材料、梯度功能材料、纳米材料、机敏和智能材料等特种物理功能材料。0.1引言材料是现代科技和国民经济的物质基础。材料与信息、能源构成现代文明的三大支柱。新材料技术被视为新技术革命的基础和先导。材料包括人类有用的各种物质。具体地说，材料是用来制造各种产品的物质，这些物质能用来生产和构成功能更多、更强大的产品。材料按其性质及用途可分为结构材料和功能材料两大类。结构材料（工程材料）是指要求强度、韧性、塑性等机械性能的材料，混凝土、木材等建筑材料是典型的结构材料。结构材料被称为第一代材料。功能材料的概念是美国人MortonJA于1965年首先提出来的，是指具有一种或几种特定功能的材料，如磁性材料等，它具有优良的物理、化学和生物功能，在物件中起着“功能”的作用。结构材料实际上是一种具有力学功能的材料，因此也是一种功能材料。但由于对应于力学功能的机械运动是一种宏观物体的运动，它与对应于其他功能的微观物体的运动有着显著的区别。因此，习惯上不把结构材料包括在功能材料范畴之内。由于宏观运动和微观运动之间是相互联系的，在适当条件下还可以互相转化。因此，结构材料和功能材料有共同的科学基础，有时也很难截然划分。此外，有时一种材料可同时具有结构材料和功能材料两种属性，如结构隐身材料。对功能材料的研究和应用实际上远早于1965年，但在相当长的时间内发展缓慢。20世纪60年代以来，功能材料得到了迅速发展，其主要原因是：①微电子、激光等各种现代技术的兴起及其对材料的需求；②固体物理、固体化学、量子理论、结构化学、生物物理和生物化学等学科的飞速发展；③各种制备功能材料的新技术和现代分析测试技术在功能材料研究和生产中的实际应用。目前结构材料和功能材料的关系发生了根本的变化，功能材料已和结构材料处于基本同等的地位。功能材料迅速发展是材料发展第二阶段的主要标志，因此把功能材料称为第二代材料。0.2功能材料的特征和分类一、功能材料的主要特征功能材料是指具有优良的物理、化学和生物或其相互转化的功能，用于非承载目的的材料。也就是指那些要求以光、电、磁、热、声、核辐射等特殊性能为主要功用的材料，如光导纤维、磁盘。与结构材料相比，功能材料有以下五大主要特征：①功能对应于材料的微观结构和微观物体的运动。②其聚集态和形态非常多样化。③产品形式主要是材料元件一体化。④是利用现代科学技术，多学科交叉的知识密集型产物。⑤采用许多新工艺和新技术进行制备与检测。二、功能材料的基本分类1、按化学成分（化学键）分类，可分为金属、无机非金属、有机高分子和复合功能材料。2、按物理性质分类，可分为物理（如光、电、磁、声、热和力学功能材料等）、化学、生物、核功能材料和特殊功能材料。3、按聚集状态分类，可分为气态、液态、固态、液晶态和混合态功能材料。4、按维度分类，可分为三维、二维、一维和零维功能材料。5、按材料形态分类，可分为体积、膜、纤维和颗粒等功能材料。6、按用途分类，可分为电子、航空、航天、兵工、建筑、医药、包装等材料。三、功能材料的化学成分分类（一）功能金属材料1、电性材料：导电、电阻、电热、热电材料2、磁性材料：金属软磁、金属永磁、磁致伸缩、铁氧体磁性材料3、超导材料：常规、高温、其他类型的超导材料4、膨胀材料和弹性材料：膨胀合金、弹性合金（二）功能无机非金属材料1、功能陶瓷：绝缘、介电和铁电、压电和热释电、热敏、压敏、气敏、湿敏、导电陶瓷2、功能玻璃材料：光学玻璃材料、电介质玻璃材料、光电子功能玻璃材料3、半导体材料：硅、锗、砷化镓、镓砷磷、薄膜半导体材料、非晶半导体和非晶超晶格材料（三）功能高分子材料1、光功能高分子材料：感光性高分子材料、光致变色高分子材料、塑料光导纤维2、电功能高分子材料：导电、光电导、高分子压电材料、高分子超导体、结构型高分子磁性材料3、化学功能高分子材料及其其他功能高分子（高分子液晶、高分子分离膜材料、医用高分子）（四）功能复合材料1、磁性复合材料2、电性复合材料3、梯度功能复合材料4、隐身复合材料5、其他功能复合材料（五）功能晶体材料1、光学晶体2、非线性光学晶体：激光频率转换晶体、红外非线性光学晶体、有机非线性光学晶体3、激光晶体：掺杂型激光晶体、自激活激光晶体、色心激光晶体、半导体激光器4、电光和光折变晶体5、其他交互效应功能晶体：压电晶体、声光晶体、磁光晶体、热释电晶体（六）具有特殊结构的功能材料1、非晶态合金；2、纳米结构材料；3、储氢材料；4、薄膜功能材料；5、形状记忆材料；6、智能材料与结构；7、减振材料；8、生物医学材料0.3功能材料的现状和展望功能材料迅速发展，现已开发的功能材料主要有：（1）单功能材料，如导电材料、光信息材料等。（2）功能转换材料，如压电材料、磁光材料等。（3）多功能材料，如防振降噪材料等。（4）复合和综合功能材料，如隐身材料等。（5）新形态和新概念功能材料，如梯度材料等。功能材料的发展趋势可归纳为如下方面。（1）功能化、多功能化与智能化结构材料趋向结构功能化；功能材料趋向功能多样化；一般功能材料向智能材料发展。（2）材料的尺寸、规格、成品形状与加工制作宏观尺寸向细观、介观、微观尺寸发展；常规材料向轻、薄、细、短、小、微、超宽、超大、超长、高纯等特种材料发展；规则形状向异型材发展；材料元件一体化；通过加工和热处理，控制和改变材料组织和结构，获得所需的性质和功能。（3）材料的材质和复合功能材料向“四高一智一集”（即：高性能、高灵敏度、高精度、高可靠性，智能化、功能集成化）的方向发展；硅材料的进一步发展；单一材质的材料向多种材质的材料方向发展；简单复合材料向复杂体系复合材料的方向发展。（4）材料的结构、组成与功能纳米材料的发展；稀土功能材料的发展；超导材料的发展。（5）信息、生物、环境材料将成为新世纪的研究热点（6）关于材料的性能表征、检测手段与专题研究（7）改造传统材料，着力新材料的规模化、工程化与产业化传统材料向“两高一低”发展，即高性能、高品质和低成本；能源材料与能源产业的迅猛发展。0.4功能材料学科的内容和相关学科功能材料学科的内容包括以下三个方面：（1）功能材料学是研究功能材料的成分、结构、性能、应用及其间的关系，在此基础上，研究功能材料的设计和发展途径。（2）功能材料工程学是研究功能材料的合成、制备、提纯、改性、储存和使用的技术和工艺。（3）功能材料的表征和测试技术是研究一般通用的理化测试技术在功能材料上的应用和各类功能材料特征功能的测试技术和表征。本章小结1、功能材料及其主要特征？功能材料是指具有优良的物理、化学、生物或其相互转化的功能，用于非承载目的的材料。其主要特征：①功能对应于材料的微观结构和微观物体的运动；②其聚集态和形态非常多样化；③产品形式主要是材料元件一体化；④是利用现代科学技术，多学科交叉的知识密集型产物；⑤采用许多新工艺和新技术进行制备与检测。2、功能材料的化学成分分类和物理性质分类？按化学成分（化学键）分类，功能材料可分为金属、无机非金属、有机高分子和复合功能材料。按物理性质分类，功能材料可分为物理（如光、电、磁、声、热和力学功能材料等）、化学、生物、核功能材料和特殊功能材料。第一章导电材料1.1导体材料1.2超导材料1.3半导体材料1.4高分子导电材料1.5离子导电材料教学目标及基本要求掌握导体的能带结构和导电机理，超导材料的特征值和超导机理，半导体的能带结构和导电机理，离子导电材料的导电机理和特征值。了解高分子导电材料，导体材料、超导材料、半导体材料、离子导电材料的种类、应用和发展趋势。教学重点和难点（1）导体的能带结构和导电机理（2）Meissner效应、超导材料的特征值和超导机理（3）半导体、本征半导体和杂质半导体的能带结构和导电机理（4）离子导电材料的导电机理和特征值第一章导电材料导电材料按导电机理可分为电子导电材料和离子导电材料两大类。电子导电材料的导电起源于电子的运动。电子导电材料包括导