湖南大学金属功能材料第1章 绪论

金属功能材料MetallicFunctionalMaterials主讲老师：严红革课程简介总学时数：32学时课程性质：专业选修课教学目的：金属材料专业知识的有机组成部分；帮助学生建立起包括结构材料和功能材料的完整知识结构体系，掌握金属功能材料的基本概念、基本原理、制备方法、材料的组织及性能特征、应用等方面的知识。教材王正品,张路,要玉宏.金属功能材料.化学工业出版社.教学要求和考核方式不缺课，杜绝迟到，认真听讲，独立思考。考核方式：考察或开卷考试。教学内容储氢合金、梯度功能材料、磁性材料、金属薄膜材料、环境材料、纳米金属材料、非晶态金属材料、信息材料、超导材料、智能金属材料。目录第1章绪论第2章储氢合金第3章梯度功能材料第4章磁性材料第5章金属薄膜材料第6章环境材料第7章纳米金属材料第8章非晶态金属材料第9章信息材料第10章超导材料第11章智能金属材料第1章绪论第1节功能材料的发展与分类材料与能源、信息并列为现代科学技术的三大支柱，材料的使用和发展标志着一个国家科技和经济的发展水平。一、发展概况功能材料的概念是由美国贝尔研究所的J.A.Morton博士在1965年首先提出来的。凝聚态物理学、量子理论、化学、生物学、医学、纳米科学技术等学科的飞速发展以及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，许多新的功能材料不仅已在实验室中研制出来，而且已批量生产和投入使用。当今材料发展趋势高性能化、多功能化、绿色环保、循环利用；结构材料功能化、结构功能一体化。材料的结构、功能一体化器件化功能材料的概念功能材料是指通过光、电、磁、热、化学、生化等作用后具有特定功能的材料。在国外，常将这类材料称为功能材料(FunctionalMaterials)或特种材料(SpecialityMaterials)。材料的功能特性与材料的特定结构有关。如：导电聚合物一般具有长链共轭双键；金属结构中由于弹性马氏体相变能产生记忆效应，因此出现了形状记忆合金；压电陶瓷晶体必须有极轴等。材料的一般分类结构材料：指能承受外加载荷而保持其形状和结构稳定的材料，力学性能优异。功能材料：指具有一种或几种特定功能的材料，具有优良的物理、化学和生物功能。功能材料在当今科学技术领域的地位功能材料是能源、电子通讯、激光、武器装备、航空航天、生物医学等众多关键领域的基础，功能材料在未来的社会发展中具有重大战略意义。二、分类1.分类方法按用途分类：航空、航天、电子、兵器、建筑、医药、生物、包装等。按化学成分分类：金属、无机非金属、有机物、高分子和复合功能材料。按聚集状态分类：气态、液态、固态、液晶和混合态功能材料。固态又分为晶态、准晶态和非晶态。按功能分类分类：力学功能、物理功能(如光、电、磁、声、热等)，化学功能(如感光、催化、含能、降解等)、生物医学功能(如医药、生物模拟、仿生等)和核功能材料。按材料形态分类：体积、薄膜、纤维和颗粒等功能材料。按维度分类：三维、二维、一维和零维材料。三维材料即固态体相材料。二维、一维和零维材料分别为其厚度、直径和粒度小到、纳米量级的薄膜、纤维和微粒，统称为低维材料，其主要特征是具有体积效应、表面效应和量子尺寸效应。2.功能材料的内涵力学功能强度、塑性、韧性、疲劳、蠕变、耐热、阻尼、耐摩擦、抗冲击、高弹性和超弹性…化学功能催化、吸附、过滤…物理功能电(高导电,超导,绝缘)、热(导热,绝热,耐热)、磁、光(发光,吸光,抗激光)、声(吸声,发声)、抗辐射(射线,核,磁爆,微波)、能量转换…生物医学功能组织器官替代、植入，药物输送与释放…三、功能材料的基本特征材料的功能取决于材料的微观结构，而材料的结构又取决于化学成分、制备工艺方法等。功能材料的凝聚状态和组织结构非常多样化，有晶态、非晶态、准晶态；有固态、液态、液晶态、混合态和等离子态等。维度差异大。除了三维体相材料外，还有二维的薄膜材料、一维的线材、纤维、晶须和零维材料的纳米颗粒、量子点。除了平衡态外，还有非平衡态。功能材料的应用形式和结构材料相似，可以是原材料，也可以是以元件形式为最终产品，即材料元器件一体化。功能材料是多学科交叉的知识密集型产物。功能材料的制备技术与结构材料有显著不同，需要采用先进的新工艺和新技术，如超纯化、超微细化、薄膜化、集成化、微型化、密集化、智能化以及精细控制和检测技术等。四、功能设计的原理和方法输入材料输出材料的功能显示过程是指向材料输入某种能量，经过材料的传输或转换等过程，再作为输出而提供给外部的一种作用。功能材料按其功能的显示过程又可分为一次功能材料和二次功能材料。1.一次功能概念当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于同一种形式时，材料起到能量传输部件的作用，这种功能称为一次功能。以一次功能为使用目的的材料又称为载体材料。一次功能的主要类型力学功能、声功能、热功能、电功能、磁功能、化学功能、生物功能、医药功能等。2.二次功能概念当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于不同形式时，材料起能量的转换作用，材料的这种功能称为二次功能或高次功能。二次功能的主要类型力学功能、声功能、热功能、电功能、磁功能、化学功能、生物功能、医药功能等之间相互转换。3.功能材料的设计原则所谓功能设计，就是赋予材料以一次功能或二次功能特性的科学方法。有人认为21世纪将逐渐实现按需设计材料。根据材料所要求的性能不同，材料设计可以从电子、光子出发，也可从原子、原子集团出发，可以从微观、显微到宏观。无论哪种功能材料，其能量传递过程或者能量转换形式所涉及的微观过程和机制都与材料科学、物理、化学等学科紧密相联。这些学科为新兴学科——功能材料科学的发展奠定了基础，从而也推动了功能材料的研究和应用。它们把功能材料推进到功能设计的时代。要实现材料的设计，必须开展深入的基础研究，以深入了解并探明化学成分、组织结构、制备工艺方法与材料性能之间的相互关系，掌握材料功能的产生机制及其性能的调控方法；要建立完整的精确的数据库；建立正确的物理模型；有时还要进行大量的数学计算，这就需要有超级计算机；还需要不同学科、领域专家之间的合作。一、当前功能材料研究和开发的热点光电子信息材料功能陶瓷材料能源材料生物医用材料超导材料功能高分子材料先进复合材料智能材料生态环境材料第2节功能材料的现状与发展光电子信息材料指光电子技术中所需用的材料，对于计算机、通讯、国防、航天工业等领域的应用至关重要。在现代科学技术的发展中，电子学和光子学已形成交叉共生的发展关系。光电子技术是现代信息科学技术的重要组成部分，信息的传递可由光子负担，而信息的产生、处理、检测、存储和显示等功能则由光子和电子联合来完成。光电子信息系统包括光载波源、光控制与信号加载、光信号传输、处理和接收(检测和显示)，所需要的光电子器件材料多种多样，从无机物到有机物，从单晶到非晶态，从半导体到绝缘体，可达几十种之多。生物医用材料作为生物体部分功能或形态修复的材料称为生物医用材料，简称生物材料(biomaterials)，对于挽救生命、救治伤残和提高人类的生活质量具有重要的意义。生物医用材料分类：硬组织替代材料，如人骨、人工牙齿、齿或骨的修复材料生物体植入材料，如人工心脏瓣膜、人工血管、人工肾等医用高分子材料；药物定位的载体，控制药物的释放，使之长效平和。生物材料应满足的条件必须具有良好的生物功能性和生物相容性。能源材料指那些正在发展的，可能支撑新能源体系的建立，满足各种新能源及节能新技术所要求的一类材料。能源材料分类：新能源材料、节能材料和贮能材料。先进能源及材料太阳能电池及材料氢能及储氢材料固体氧化物燃料电池(SOFC)及材料固体电解质薄膜和电池阴极材料质子交换膜型燃料电池用的有机质子交换膜生态环境材料环境问题是人类面临的最大危机和最严峻的挑战之一。大力发展生态环境材料，开展材料的环境协调性评估，发展零排放和零废弃的新材料技术，实现材料的综合利用，已成为越来越多的国家关注的焦点。生态环境材料(Ecomaterials)是指那些具有良好的使用性能或功能，并且能够和环境相协调的材料。这类材料消耗的资源和能源少，对生态和环境污染小，再生利用率高。从材料的制造、使用、废弃直至再生循环利用的整个寿命过程，都与生态环境相协调。生态环境材料研究的主要内容直接面临的与环境问题相关的材料技术，如生物可降解材料技术，CO2气体的固化技术，SOx、NOx催化转化技术，废物的再资源化技术，环境污染修复技术，材料制备加工中的洁净技术以及节省资源、节省能源的技术；开发能使经济可持续发展的环境协调性材料，如仿生材料，环境保护材料，氟里昂、石棉等有害物质的替代材料，绿色新材料等；材料的环境协调性评价，主要采用寿命全程评价(LCA)法。智能材料智能材料(IntelligentMaterials)是指够感知环境变化并通过自我判断得出结论并执行相应指令的材料。是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，将支撑未来高新技术的发展，使传统意义上的功能材料和结构材料之间的界限逐渐消失，实现结构材料功能化、功能多样化、结构与功能一体化、器件化。智能材料系统和结构集传感、控制和驱动(执行)于一体，能适时地感知与响应外界环境的变化，做出判断，发出指令，并执行和完成动作，在高水平上实现自我检测、自诊断、自监控、自修复及自适应等多种功能。研究方向目前研究开发的智能材料系统和结构的主要材料有形状记忆材料、压电材料、电(磁)致伸缩材料、光纤和电流变体、磁流变体等。利用这些机敏材料的功能，通过多种材料组元的功能复合和仿生设计，将智能属性注入材料系统的宏观和微观结构中，得到传感、控制和驱动于一体的智能材料系统和结构。智能材料的应用在航空、航天飞行器、空间平台系统、核反应堆、桥梁、大坝、海底工程等大型重要工程结构系统中，能够在线感知自身承受的负载以及所受应力、振动、冲击、温度、损伤等状况，进行主动和动态监测与控制，通过自适应调整和自修复等方式，消除隐患，提高安全性和可靠性。利用智能材料制造的飞机机翼可以自己弯曲、自动改变形状，有效地调整升力或阻力，不仅可以减轻飞机的质量，还能提高飞机(特别是战斗机)的适应性和存活率。在船舶设计制造方面，一种随外界压力变化而改变自身弹性的智能材料可用于潜水艇的设计中，这种潜水艇即使在深海高压下仍能保持其刚性。二、功能材料的发展展望开发高技术所需的新型功能材料，特别是尖端领域(航空航天、分子电子学、高速信息、新能源、海洋技术和生命科学等)所需和在极端条件(超高压、超高温、超低温、高烧蚀、热冲击、强腐蚀、高真空、强激光、高辐射、粒子云、原子氧、核爆炸等)下工作的高性能功能材料。功能材料的功能由单功能向多功能和复合或综合功能发展，从低级功能向高级功能(如人工智能、生物功能和生命功能等)发展。功能材料和器件的一体化、高集成化、超微细化、高密集化和超分子化。功能材料和结构材料兼容，即功能材料结构化，结构材料功能化。进一步研究和发展功能材料的新概念、新设计和新工艺。新概念：梯度化、低维化、智能化、分子组装、杂化、非平衡态、超分子化等；新设计：化学模式识别设计、分子设计、非平衡态设计、量子化学和统计力学计算法等，采用计算机辅助设计，建立数据库和计算机专家系统；新工艺：激光加工与合成、离子注入、等离子技术、电子或离子束沉积、固相外延、刻蚀、超常条件下(高温、高压、低温、高真空、微重力、强电磁场、强辐射、急冷和超净等)的制备与加工技术等。完善和发展功能材料检测和评价的方法。加强功能材料的应用研究，扩展功能材料的应用领域，特别是尖端领域和民用高技术领域，并把成熟的研究成果迅速推广，以形成生产力。结束！