《功能材料》课件：第一章概述.ppt

1、功功 能能 材材 料料李李 岩岩北京航空航天大学材料科学与工程学院北京航空航天大学材料科学与工程学院2014年春季学期年春季学期自自 我我 介介 绍绍李李 岩岩单位：材料科学系单位：材料科学系电话：电话：82315989，13671112897email: 地址：地址：13馆馆第一章第一章 概述概述主要内容主要内容1、引言、引言2、功能材料的发展、功能材料的发展3、功能材料的概念及分类、功能材料的概念及分类4、功能材料功能材料的课程安排的课程安排1、引言、引言材料：人类社会的物质基础和进步的里程碑。材料：人类社会的物质基础和进步的里程碑。三大材料金属、陶瓷、高分子并存时代：三大材料金属、陶瓷、

2、高分子并存时代： 20世纪后半期世纪后半期高技术新材料时代高技术新材料时代 ：20世纪世纪80年代年代 石器时代：石器时代： 公元前公元前 2000年年 青铜器时代：公元前青铜器时代：公元前2000年公元年公元400年年 铁器时代：公元铁器时代：公元400年年 20世纪前半期世纪前半期1、引言、引言石器石器铁器铁器青铜器青铜器(越王勾践剑越王勾践剑)工业经济时代是结构材料占主导地位的时期工业经济时代是结构材料占主导地位的时期工业经济工业经济 工业革命工业革命 机械、动力机械、动力机器机器 力学性能（机械性能）力学性能（机械性能） 结构材料结构材料钢铁能力钢铁能力 曾经的国力的标志曾经的国力的标

3、志结构材料结构材料 曾经是材料科学与工程的主要曾经是材料科学与工程的主要 研究对象研究对象1、引言、引言钢铁钢铁1、引言、引言以钢铁为代表的结构材料是国家实力的体现以钢铁为代表的结构材料是国家实力的体现1、引言、引言埃菲尔铁塔，埃菲尔铁塔，1889年建成年建成 ，高，高324米，用去钢铁米，用去钢铁7000吨。吨。 鸟巢鸟巢北京奥运会主会场，北京奥运会主会场，2008年建成，年建成，长轴为长轴为332.3米，短轴为米，短轴为296.4米，用钢米，用钢42000吨。吨。 1、引言、引言金属、无机非金属（陶瓷）、高分子三大材料并存金属、无机非金属（陶瓷）、高分子三大材料并存陶瓷材料产品陶瓷材料产品

4、高高分分子子材材料料产产品品材料：天然材料材料：天然材料 人工材料人工材料 环境协调材料环境协调材料人类对材料的利用人类对材料的利用需求：简单生存需求：简单生存 舒适舒适 人与自然协调人与自然协调经济：农业经济经济：农业经济 工业经济工业经济 知识经济知识经济钻木取火钻木取火1、引言、引言太阳能电池板环保型住宅环保型住宅1、引言、引言功能材料功能材料 现代社会中起主导作用的材料现代社会中起主导作用的材料标志标志 功能材料是信息技术、生物技术、功能材料是信息技术、生物技术、可再生能源技术、空间技术等现代社会支柱可再生能源技术、空间技术等现代社会支柱产业的基础产业的基础例：例： 信息信息 计算机计

5、算机 相关的材料相关的材料 可再生能源可再生能源 太阳能太阳能 相关的材料相关的材料1、引言、引言笔记本电脑：笔记本电脑：显示材料显示材料-液晶液晶存储材料存储材料-磁头、磁记录磁头、磁记录能源材料能源材料-锂电池锂电池硬盘结构硬盘结构1、引言、引言锂电池锂电池 太阳能电池：太阳能电池：光电转换材料光电转换材料低发射玻璃低发射玻璃电极材料电极材料1、引言、引言 人造卫星：人造卫星：光电转换材料；热电材料；光电转换材料；热电材料；传感材料；辐射屏蔽材料传感材料；辐射屏蔽材料1、引言、引言“玉兔”号月球车1、引言、引言“玉兔”号月球车2013年年12月月2日：中国西昌卫星发射中心成功发射嫦娥三号探

6、测器：日：中国西昌卫星发射中心成功发射嫦娥三号探测器：着陆器着陆器和和“玉兔号玉兔号”月球车（巡视器）月球车（巡视器）；2013年年12月月15日：嫦娥三号着陆器与巡视器分离，日：嫦娥三号着陆器与巡视器分离，“玉兔号玉兔号”巡视器顺利驶抵巡视器顺利驶抵月球表面。月球表面。月球环境：白昼月球环境：白昼150 ，黑夜，黑夜-180 ；月尘；陨石（坑）。；月尘；陨石（坑）。能能 源：源：太阳能电池、锂电池、同太阳能电池、锂电池、同位素热源位素热源搭搭 载：载：测月雷达、全景相机、粒测月雷达、全景相机、粒子激发子激发X射线谱仪、红外成像光谱射线谱仪、红外成像光谱历史资料历史资料世界上第一台无人驾驶月球

7、车世界上第一台无人驾驶月球车1970年年11月月17日前苏联月球日前苏联月球17号号/月球月球车车1号。号。世界首台有人驾驶月球车世界首台有人驾驶月球车1971年年7月月31日，美国日，美国“阿波罗阿波罗15号号”，斯科特和欧文驾驶月球车。，斯科特和欧文驾驶月球车。1、引言、引言2004年年1月月3日日“勇气号勇气号”火星探测车登陆。火星探测车登陆。设计寿命设计寿命3个月，采用太阳能电池供电。个月，采用太阳能电池供电。2009年年4月停下脚步成为静止平台，后失去月停下脚步成为静止平台，后失去联系联系2012年年8月月6日新一代火星车日新一代火星车“好奇号好奇号”登陆，登陆，设计寿命设计寿命2年

8、。采用核电池（同位素热电发生年。采用核电池（同位素热电发生器）供电。器）供电。2013年年2月月27日发生故障，进入日发生故障，进入安全模式安全模式结构材料与功能材料的比较与关系结构材料与功能材料的比较与关系结构材料结构材料功能材料功能材料传统材料传统材料产量大产量大附加值低附加值低技术较成熟技术较成熟劳动密集劳动密集转移出发达转移出发达国家国家新材料新材料品种多品种多附加值高附加值高技术发展快技术发展快技术密集技术密集集中在发达集中在发达国家国家共同构成现代社会的物质基础共同构成现代社会的物质基础 多样性的必然多样性的必然结构材料和功能材料可能转换结构材料和功能材料可能转换 性能的多样性性能

9、的多样性结构材料和功能材料紧密结合结构材料和功能材料紧密结合 技术的集成性技术的集成性1、引言、引言功能材料与结构材料相互关联功能材料与结构材料相互关联1、引言、引言Fe: 既钢铁材料的主要成分，也是磁性材料的主要成分既钢铁材料的主要成分，也是磁性材料的主要成分Cu基形状记忆合金：由基形状记忆合金：由Cu合金发展而来合金发展而来智能材料：结构材料与功能材料的复合智能材料：结构材料与功能材料的复合2、功能材料的发展、功能材料的发展 初期阶段：初期阶段： 第二次世界大战以前第二次世界大战以前 中期阶段：中期阶段： 二战前二战前 20世纪世纪60年代以前年代以前 现代阶段：现代阶段： 20世纪世纪6

10、0年代年代 2、功能材料的发展、功能材料的发展磁现象的认识磁现象的认识：天然磁石：天然磁石 （司南司南、公元前二世、公元前二世纪）、地球磁场等纪）、地球磁场等电的发现：电的发现：18世纪末（世纪末（富兰克林富兰克林、库仑）、库仑）Vota 电电池（池（1800年）年）电磁现象和理论：电磁现象和理论：磁针被电流偏转（奥斯特磁针被电流偏转（奥斯特1820年）；欧姆定律（年）；欧姆定律（1826年）；电磁感应（法拉第电年）；电磁感应（法拉第电机机1833年）；法拉第提出年）；法拉第提出“电介质电介质”和场的概念；和场的概念；麦克斯韦方程（麦克斯韦方程（1855年）。年）。电工材料电工材料 ：导电材料

11、、磁性材料：导电材料、磁性材料光学材料：光学材料：光学玻璃光学玻璃2、功能材料的发展初期阶段、功能材料的发展初期阶段1752风筝雷电风筝雷电理论方面：理论方面：20世纪初期物理学的发展世纪初期物理学的发展 量子力学、能带理论、半导体理论等量子力学、能带理论、半导体理论等2、功能材料的发展初期阶段、功能材料的发展初期阶段技术方面：一次和二次世界大战的军事需求技术方面：一次和二次世界大战的军事需求 声纳技术、雷达技术、无线电技术、原子能技术声纳技术、雷达技术、无线电技术、原子能技术材料设计概念的更新材料设计概念的更新环境友好材料、环境友好材料、仿生材料、仿生材料、 智能材料智能材料2、功能材料的发

12、展初期阶段、功能材料的发展初期阶段60年代半导体技术的兴起年代半导体技术的兴起 信息技术与产业信息技术与产业始于始于60年代的空间竟赛年代的空间竟赛 传感器、特殊能源、信号记录传感器、特殊能源、信号记录70年代爆发的能源危机年代爆发的能源危机 各种新能源材料各种新能源材料现代医学技术的发展现代医学技术的发展 生物医学材料生物医学材料基础理论的突破基础理论的突破 超导、纳米材料、超导、纳米材料、纳米碳管纳米碳管推动功能材料发展的主要动力推动功能材料发展的主要动力2、功能材料的发展主要动力、功能材料的发展主要动力（1）新的科学理论和现象的发现）新的科学理论和现象的发现（2）新的材料制备技术的出现）

13、新的材料制备技术的出现（3）新的工程和技术要求。）新的工程和技术要求。2、功能材料的发展主要动力、功能材料的发展主要动力例子：例子：高温超导现象的发现高温超导现象的发现和高温材料的发展，和高温材料的发展，使超导产业面临一场使超导产业面临一场革命。革命。新科学理论和现象发现的推动新科学理论和现象发现的推动例子：快速凝固技术例子：快速凝固技术20世纪世纪50年代发展了快速年代发展了快速凝固技术，制备出非晶态凝固技术，制备出非晶态合金。其后的研究发现非合金。其后的研究发现非晶态铁基合金具有优异的晶态铁基合金具有优异的软磁性能，从而导致了非软磁性能，从而导致了非晶软磁合金的发展与应用。晶软磁合金的发展

14、与应用。90年代初又用该技术发展年代初又用该技术发展出非晶出非晶/纳米晶复合软磁合纳米晶复合软磁合金金单锟快淬甩带装置单锟快淬甩带装置2、功能材料的发展主要动力、功能材料的发展主要动力材料新制备技术的推动材料新制备技术的推动先进军事科技的需求先进军事科技的需求 隐身材料隐身材料能源与环保的要求能源与环保的要求 太阳能材料太阳能材料对材料两面要求不同的性能对材料两面要求不同的性能 梯度材料梯度材料2、功能材料的发展主要动力、功能材料的发展主要动力新的工程和技术要求的推动新的工程和技术要求的推动 随着新材料的不断出现，性能的日益提随着新材料的不断出现，性能的日益提高，材料的种类十分繁多，它所涉及的

15、领域高，材料的种类十分繁多，它所涉及的领域也十分宽广。通常按材料组成物质的属性特也十分宽广。通常按材料组成物质的属性特点将材料划分如下：点将材料划分如下：金属材料金属材料 金属键结合金属键结合无机非金属材料无机非金属材料 离子键结合离子键结合高分子材料高分子材料 共价键结合共价键结合复合材料复合材料 以上三类材料中两种或三以上三类材料中两种或三 种复合种复合3、功能材料的概念及分类、功能材料的概念及分类通常是指利用材料的物理、通常是指利用材料的物理、化学和生物学等性能制造化学和生物学等性能制造具有电、磁、光、声、热、具有电、磁、光、声、热、生物等功能器件的材料。生物等功能器件的材料。结构材料结

16、构材料功能材料功能材料按用途将材料分为两大类按用途将材料分为两大类通常是指利用其力通常是指利用其力学性能制造机器和学性能制造机器和工程结构中构件的工程结构中构件的材料。材料。磁性材料磁性材料光学材料光学材料电子材料电子材料储能材料储能材料桥梁钢桥梁钢工具钢工具钢结构钢结构钢建筑材料建筑材料3、功能材料的概念及分类、功能材料的概念及分类功能材料的定义功能材料的定义 “具有优良的电学、磁学、光学、热具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学和生物学等功能及其相互转换的功学、声学、力学、化学和生物学等功能及其相互转换的功能，被用于非结构目的之高技术材料能，被用于非结构目的之高技术材料” （引

17、自（引自功能材功能材料与应用手册料与应用手册 功能材料的提出功能材料的提出 1965年、美国贝尔实验室的年、美国贝尔实验室的 J. A. Morton博士博士3、功能材料的概念及分类、功能材料的概念及分类功功 能能材材 料料现象和机制现象和机制热热力力双金属片双金属片热胀冷缩热胀冷缩形状记忆合金形状记忆合金形状记忆效应形状记忆效应光光力力光敏凝胶光敏凝胶光致溶涨光致溶涨电电力力电致伸缩材料电致伸缩材料电致伸缩效应电致伸缩效应压电材料压电材料逆压电效应逆压电效应电流变体电流变体电场极化流体粒子电场极化流体粒子电活性凝胶电活性凝胶电场迁移离子电场迁移离子磁磁力力磁致伸缩材料磁致伸缩材料磁致伸缩效应

18、磁致伸缩效应磁驱动记忆合金磁驱动记忆合金磁致变体重排或相变磁致变体重排或相变化学化学力力智能高分子凝胶智能高分子凝胶化学信号刺激收缩或溶涨化学信号刺激收缩或溶涨部分具备功能转换和传递的材料部分具备功能转换和传递的材料3、功能材料的概念及分类、功能材料的概念及分类材料的信息感知与功能传递符号材料的信息感知与功能传递符号3、功能材料的概念及分类、功能材料的概念及分类性性 能：能：以材料的电、磁、声、光等物理、化学和以材料的电、磁、声、光等物理、化学和 生物学特性为主；生物学特性为主；用用 途：途：常制成元器件，材料与器件一体化；常制成元器件，材料与器件一体化；评评 价：价：器件的功能常直接体现出材

19、料的优劣；器件的功能常直接体现出材料的优劣；制制 造：造：知识密集、多学科交叉、技术含量高的产知识密集、多学科交叉、技术含量高的产 品。具有品种多、批量小、更新换代快；品。具有品种多、批量小、更新换代快；微观结构：微观结构：常有超纯、超低缺陷密度、结构高度精常有超纯、超低缺陷密度、结构高度精 细等特点。细等特点。 3、功能材料的概念及分类、功能材料的概念及分类3、功能材料的概念及分类、功能材料的概念及分类离子镀离子镀电子束蒸发沉积电子束蒸发沉积离子注入离子注入激光蒸发沉积激光蒸发沉积分子束外延分子束外延快速凝固快速凝固机械合金化机械合金化单晶生长单晶生长极限条件极限条件（高温、高压、失重）（高

20、温、高压、失重）功能材料功能材料微观结构微观结构特点：特点：超纯超纯超低缺陷密度超低缺陷密度微观结构高度精细微观结构高度精细（如超晶格、纳米多（如超晶格、纳米多层膜、量子点等）层膜、量子点等）亚稳态结构亚稳态结构先进制备技术先进制备技术例：机械合金化例：机械合金化球磨球磨机械合金化过程机械合金化过程Cu-Zn合金合金纳米铁粉纳米铁粉3、功能材料的概念及分类、功能材料的概念及分类Bridgman 方法制备单晶方法制备单晶3、功能材料的概念及分类、功能材料的概念及分类大尺寸光学晶体大尺寸光学晶体激光蒸发薄膜制备方法激光蒸发薄膜制备方法3、功能材料的概念及分类、功能材料的概念及分类功能材料有多种分类

21、方法功能材料有多种分类方法可按材料的可按材料的物质属性物质属性分类分类可按材料的可按材料的功能特点功能特点分类分类可按材料的可按材料的应用领域应用领域分类分类3、功能材料的概念及分类、功能材料的概念及分类基于材料的物质属性基于材料的物质属性金属功能材料金属功能材料无机非金属功能无机非金属功能材料材料高分子功能材料高分子功能材料复合功能材料复合功能材料形状记忆合金形状记忆合金储氢合金储氢合金压电陶瓷压电陶瓷电子陶瓷电子陶瓷医用高分子材料医用高分子材料导电高分子导电高分子复合减振材料复合减振材料储氢合金储氢合金3、功能材料的概念及分类、功能材料的概念及分类新型压电陶瓷在信息领域的应用形状记忆合金应

22、用形状记忆合金应用于机器手于机器手基于材料的功能特点基于材料的功能特点磁学功能材料磁学功能材料电学功能材料电学功能材料光学功能材料光学功能材料声学功能材料声学功能材料热学功能材料热学功能材料力学功能材料力学功能材料生物医学功能材料生物医学功能材料磁记录材料磁记录材料磁头材料磁头材料铁芯材料铁芯材料导线材料导线材料电阻材料电阻材料介电材料介电材料线性（非线性）光学晶体线性（非线性）光学晶体激光器晶体激光器晶体显示材料显示材料发声材料发声材料声探测材料声探测材料声阻尼材料声阻尼材料.3、功能材料的概念及分类、功能材料的概念及分类基于材料的应用领域基于材料的应用领域仪器仪表材料仪器仪表材料传感器材料

23、传感器材料电子材料电子材料电讯材料电讯材料储能材料储能材料形状记忆材料形状记忆材料.3、功能材料的概念及分类、功能材料的概念及分类课程安排课程安排金属功能材料金属功能材料主要章节目录主要章节目录1. 概述：概述：2. 磁性材料磁性材料3. 弹性与膨胀合金弹性与膨胀合金4. 形状记忆材料形状记忆材料5. 生物医用材料生物医用材料学时数：学时数：486. 导电与超导材料导电与超导材料7. 电介质材料电介质材料8. 半导体材料半导体材料9. 能源材料能源材料10.纳米结构功能材料纳米结构功能材料参考文献：参考文献：1.功能材料学概论功能材料学概论，马如璋等，冶金工业出，马如璋等，冶金工业出版社，版社，20062.功能材料导论功能材料导论，何开元，冶金工业出版社，何开元，冶金工业出版社，20003.功能材料学功能材料学，周馨我，北京理工大学出版，周馨我，北京理工大学出版社，社，2002功能材料功能材料谢 谢！