【材料课件】第一章功能材料概论.ppt

1功能材料化学化工学院薄其兵2主要参考资料1、现代功能材料及其应用—郭卫生,汪济奎（化学工业出版社,2002）2、功能材料学---周馨我(北京理工大学出版社,2002)3、新型功能材料---贡长生，张克立(化学工业出版社,2001)4、新型无机材料-----杨华明,宋晓岚,金胜明（化学工业出版社,2005）5、信息和功能材料-----刘先曙马傅华辛秀田（宇航出版社,1998）6、功能材料学概论-----马如璋蒋民华（冶金工业出版社,1999）建议教材：功能材料概论---殷景华王雅珍（哈尔滨工业大学出版社,1999）3第一章功能材料概论第二章超导材料第三章功能玻璃材料第四章陶瓷材料第五章敏感陶瓷第六章快离子导体陶瓷第七章稀土发光材料第八章智能材料第九章储氢材料和磁性材料目录4第一章功能高分子绪论第二章离子交换树脂第三章吸水树脂第四章高聚物膜第五章液晶材料第六章催化剂第七章医用高分子第八章其它功能高分子功能材料授课内容（材料化学01、02班）51986年，我国制定了《高技术发展计划纲要》，被评选列入的七个技术群是生物技术、信息技术、激光技术、航天技术、自动化技术、新能源技术和新材料技术。6一般认为，新材料有晶须材料、非晶材料、超塑性合金、形状记忆材料、功能陶瓷、功能有机材料、超导材料、碳纤维、能量转换材料等。新材料发展的重点已经从结构材料转向功能材料。功能材料被誉为－－2l世纪人类文明的重要支柱7随着时代的发展，人类将进入一个信息时代。为了解决生产高速发展以及由此所产生的能源、环境等一系列的问题，更需要用高科技的方法和手段来生产新型的、功能性的产品，以获得各种优良的综合性能。近年来新型功能材料层出不穷，得到了突破性的进展。第一章功能材料概论8日本和欧美各国对新型功能材料的研究十分注意，这是因为功能材料是能源、计算机、通讯、电子、激光等现代科学的基础，功能材料在未来的社会发展中具有重大战略意义。9近10年来，功能材料成为材料科学和工程领域中最为活跃的部分。每年以5％以上的速度增长，相当于每年有1.25万种新材料问世。未来世界需要更多的性能优异的功能材料，功能材料正在渗透到现代生活的各个领域。10一、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)、特种材料(SpecialityMaterials))或精细材料(FineMaterials)。第一节功能材料的概念与分类11功能材料涉及面较广，具体包括光、电功能，磁功能，分离功能，形状记忆功能等。这类材料相对于通常的结构材料而言，一般除了具有机械特性外，还具有其他的功能特性。12材料的特定的功能与材料的特定结构是相联系的。如对于导电聚合物来说，它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。13功能材料是一门新的学科，目前对它进行严格的定义尚有一定的难度，就像许多化学变化中存在着物理现象、高级运动中总是伴随着低级运动一样，功能材料既遵循材料的一般特性和变化规律又具有其自身的特点。因此可认为是传统材料的更高级的运动形式。14二、功能材料的分类随着技术的发展和人类认识的扩展，新型的功能材料不断被开发出来，因此对其也产生了许多不同的分类方法。从功能的不同考虑，可将功能材料分为以下四类。15(1)力学功能主要是指强化功能材料和弹性功能材料，如高结晶材料、超高强材料等。16(2)化学功能①分离功能材料：如分离膜，离子交换树脂、高分子络合物；②反应功能材料；如高分子试剂、高分子催化剂；③生物功能材料：如固定化菌，生物反应器等。17（3）物理化学功能①电学功能材料：如超导体，导电高分子等；②光学功能材料：如光导纤维、感光性高分子等；③能量转换材料：如压电材料、光电材料。18(4)生物化学功能①医用功能材料：人工脏器用材料如人工肾、人工心肺，可降解的医用缝合线、骨钉、骨板等；②功能性药物：如缓释性高分子，药物活性高分子，高分子农药等；③生物降解材料19下图为材料显示功能的示意图。输入材料输出第二节功能设计的原理和方法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。20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。21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。材料的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。Ａ、一次功能22一次功能主要有下面的八种。①力学功能。如惯性、粘性、流动性、润滑性、成型性、超塑性、恒弹性、高弹性、振动性和防震性。②声功能。如隔音性、吸音性。③热功能。如传热性、隔热性、吸热性和蓄热性等。④电功能。如导电性、超导性、绝缘性和电阻等。23⑤磁功能。如硬磁性、软磁性、半硬磁性等。⑥光功能。如遮光性、透光性、折射光性、反射光性、吸光性、偏振光性、分光性、聚光性等。⑦化学功能。如吸附作用、气体吸收性、催化作用、生物化学反应、酶反应等。⑧其他功能。如放射特性、电磁波特性等。24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，材料起能量的转换部件作用，材料的这种功能称为二次功能或高次功能。有人认为这种材料才是真正的功能材料。Ｂ、二次功能25二次功能按能量的转换系统可分为如下四类。①光能与其他形式能量的转换；②电能与其他形式能量的转换；③磁能与其他形式能量的转换；④机械能与其他形式能量的转换。26如光合成反应、光分解反应、光化反应、光致抗蚀、化学发光，感光反应，光致伸缩，光生伏特效应和光导电效应。①光能与其他形式能量的转换27如电磁效应、电阻发热效应、热电效应、光电效应、场致发光效应、电化学效应和电光效应等。②电能与其他形式能量的转换28③磁能与其他形式能量的转换如光磁效应、热磁效应、磁冷冻效应和磁性转变效应等。29④机械能与其他形式能量的转换。如形状记忆效应、热弹性效应、机械化学效应、压电效应、电致伸缩、光压效应、声光效应、光弹性效应和磁致伸缩效应等。30按材料种类分，功能材料还可分为：金属功能材料、无机非金属功能材料和有机功能材料。31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都与固体物理和固体化学相联系。正是这两门基础科学为新兴学科——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。32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。33材料科学与工程一般都认为由四要素组成，即结构/成分、合成/流程、性能与效能。但考虑到结构与成分并非同义词，相同成分通过不同制备方法可以得到不同结构，从而使材料出现不同性能，所以材料科学与工程应为五要素，即成分、合成/流程、结构、性能与效能。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。34材料设计是一个很复杂的过程：如材料的制备与存在状态往往属于非平衡热力学；有些结构敏感性质(材料的力学性质)的可变因素太多，即使一个微小缺陷都会产生很大影响；表面与内部结构及性质的不一致性；复杂的环境因素等等。35材料设计的实现是一个长期过程，其最终应达到提出一个需求目标就可设计出成分、制造流程并做出合乎要求的工程材料以至零件、器件或构件。36为实现材料设计，必须开展深入的基础研究，以了解物质结构与性能的关系；要建立完整的精确的数据库；建立正确的物理模型；需要有大容量计算机；更重要的是要不同学科科学家与工程技术人员的通力合作。37一、金属功能材料设计金属功能材料按性能分主要包括磁性、电性、力学、热学、光学、化学、生物功能材料和特种功能材料。金属功能材料的功能设计主要有以下两个方面。(１)寻找具有特定功能的金属材料。(２)利用各种金属材料的特性，制备符合使用要求的合金。38有些金属材料本身具有特定的功能，经过我们的开发研究，可以对这些特定的功能加以利用。例如，稀土功能材料的制备和应用。(1)寻找具有特定功能的金属材料39稀土功能材料主要包括稀土永磁材料、稀土储氢材料、信息显示材料、催化材料、超磁致伸缩材料、巨磁电阻材料等，其应用遍及航天、航空、信息、电子、能源、交通、医疗卫生等13个领域的40多个行业。40我国稀土资源非常丰富，其工业储量约占世界已探明总储量6200万t的80％。将我国的稀土资源优势变为产业优势和经济优势，使它的研究开发既能形成一批新型高新技术产业，又能辐射、带动传统产业的技术进步。41因此，发展稀土功能材料对我国来讲具有重要的战略意义和现实意义。利用类似这种具有特殊功能的金属材料，是金属功能材料开发的一个方面。42合金的迅速发展，给金属功能材料的发展提供了广泛的空间。随着各种合金的开发，各种各样的金属功能材料被开发出来，如纳米材料，大块非晶材料、真空快淬材料、磁性形状记忆合金等。(2)利用各种金属材料的特性，制备符合使用要求的合金。43无机非金属功能材料的主要代表是功能玻璃和功能陶瓷。无机非金属功能材料进行功能设计的方法主要有以下两种：(1)根据功能的要求设计配方。(2)根据功能的要求设计合适的加工工艺。二、无机非金属功能材料设计44无机非金属功能材料的配方比较复杂，每种不同功能的无机非金属功能材料采用不同的配方。无机非金属功能材料所含的材质决定了无机非金属功能材料的宏观性能。比如功能玻璃包括微晶玻璃、激光玻璃、半导体玻璃、光色玻璃、生物玻璃等。(1)根据功能的要求设计配方45无机非金属功能材料的加工工艺根据所需功能的不同，有的采用普通的无机非金属材料加工工艺，有的采用特殊的加工工艺。不同的加工工艺可以得到不同功能的无机非金属功能材料。因此，控制合适的加工工艺对无机非金属功能材料的制造是非常重要的。(2)根据功能的要求设计合适的加工工艺46功能高分子材料功能设计的主要途径如下：(1)通过分子设计合成新功能。(2)通过特殊加工赋予材料以功能特性(3)通过两种或两种以上的具有不同功能或性能的材料复合获得新功能。(4)通过对材料进行各种表面处理以获得新功能。三、高分子功能材料设计47分子设计包括高分子结构设计和官能团设计，它是使高分子材料获得具有一定化学结构的本征性功能特征的主要方法，因而又称为化学方法。(1)通过分子设计合成新功能48例如，通过高分子结构设计和官能团设计，在高分子结构中引入感光功能基团，从而合成出感光高分子材料。合成可供选择的措施有：共聚合、接技聚合、嵌段聚合、界面缩聚、交联反应、官能团引入、模板聚合、管道聚合、交替共聚以及用高聚物作支持体的聚合等。49这种方法又称为物理方法。例如：高分子材料通过薄膜化制作偏振光膜、滤光片、电磁传感器、薄膜半导体、薄膜电池、接点保护材料、防蚀材料等，尤其是在超细过滤、反渗透、精密过滤、透析、离子交换等方面取得了广泛的应用。高分子材料纤维化可用于二次电子倍增管或作离子交换纤维。对于高分子材料来说，最引人注目的是塑料光纤的开发应用。(2)通过特殊加工赋予材料以功能特性50例如借助纤维复合、层叠复合、细粒复合、骨架复合、互穿网络等方法。关于这方面的理论，近年来还提出了所谓复合相乘效应公式。即如A组分具有X/Y功能(即对材料施加X作用，可得Y效应，例如加压生电)，B组分有Y/Z功能，则复合之后可产生(X/Y)＊(Y/Z)＝X/Z的新功能。根据这个原理，已试制出温度自控塑料发热体等一批新型复合功能高分子材料。(3)通过具有不同功能或性能的材料复合获得新功能。51将上述各种方法的适当组合就可以设计得到所需要的各种功能材料。功能材料的设计是当代材料技术的重大成就之一。(4)通过对材料进行各种表面处理以获得新功能52功能材料是目前材料领域发展最快的新领域。功能材料虽然制备过程复杂，产品产量小，但是利润较高。其主要原因是基于其特有的“功能性”。第三节功能材料的特点53功能材料的结构与性能之间存在着密切的联系，材料的骨架、