功能材料学概论.ppt

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1、吴进怡,功能材料学,第一章 功能材料概论,材料的概念：为达到某种（几种）使用目的而采用的具有一定成分的、一定显微结构的的物质。,材料科学的重要地位,过日子离不开材料 衣、食、住、行是人生存的必要条件。所以人类首先最需要的就是材料。正因为这样，在生产力还处在很低水平的农业社会里，材料便比能源、信息都要早地占据了主导地位。,技术离不开材料 使用任何一种技术更离不开材料。人最原始最简单的技术到最尖端、最复杂的技术，莫不如此。在人类社会发展文明的早期，往往用那一时代主要生产工具使用的材料来代表那一时代:新石器时代、青铜器时代、铁器时代等等。,材料是一切事物的物质基础,1、人类历史阶段是根据使用材料划分

2、的从过去到现在 共经历了七个时代 1 石器时代 公元前10万年2 青铜时代 公元前3000年3 铁器时代 公元前1000年4 水泥时代 公元0年5 钢时代 1800年6 硅时代 1950年7 新材料时代 1990年,漫长而又曲折的历程：,石斧,1 石器时代,兵器：古代宝剑-古代冶金学的发展 冶炼技术、淬火技术、渗碳技术 越女剑-纳米复合材料,2 青铜时代,商朝中期（距今有3100-3600年）的墓穴中发现铁刃铜钺，是一件镶有铁刃的青铜斧状兵器。炼铁4000年前，地处西亚的安纳脱利地区赫梯人。,铁,钢中国千锤百炼；汉朝以后出现炒钢、团钢；直到19世纪前半叶，人类还在已经经历了2000多年的铁器时

3、代里徘徊，并没有真正跨入钢铁时代的大门。,3 铁器时代,把人类带进铁器时代的是发明家贝塞麦。贝塞麦是英国人，1813年1月19日出生在哈福德郡的查尔顿。19世纪50年代初，俄国和土耳其之间发生战争克里米亚战争。托马斯,锰钢英国的哈德菲尔德（Mn13%）不锈钢英国的布里而利金属玻璃杜微滋（美国）发现（1959），增本（日本）发展（1969）,水泥时代,住缘木而居山洞粘土石膏（埃及金字塔）我国：石灰（长城）意大利、日本：火山灰水泥：粘土和石灰混合煅烧1824年英国人阿斯普丁18世纪初俄国建筑工程师叶伐尔 契利耶夫1985年，在我国甘肃省秦安县大地湾村，发现一个新石器时代文化遗址，其地坪为325号硅

4、酸盐水泥,钢筋混凝土法国园艺师蒙尼亚和俄国建筑师别列柳布斯基,6 硅时代 1950年7 新材料时代 1990年,材料(Materials)是国民经济的物质基础。材料无处不在，无处不有,材料科学的重要地位,崭新技术的实现需要崭新材料的支持 例如，人们早就知道了喷气航空发动机比螺旋桨航空发动机有很多优点，但由于没有材料能承受喷射出燃气的高温，使这种理想只能是空中楼阁。直到1942年制成了镍基耐热合金这种新材料、才使喷气发动机的制造得以实现。同样，如果没有1970年制成的使光强度衰减降低到可以实用的光导纤维，也不会有现代的光通信；如果不能制成高纯度大直径的硅单晶，就不会有高度发展的集成电路，也不会有

5、今天如此先进的计算机和一切电子设备。这样的例子可以说举不胜举。,先进的技术又促使了具有前所未有性能的新材料的诞生 例如，利用巨型计算机可以计算出要求什么样的性能便应该有什么样的成分组成，甚至还没有制造出来便可以先用虚拟现实技术观看所制成的零件在工作时的表现如何。这就使得在研制新材料时，具有更大的主动性、预见性，避免盲目地作大量无益的探索。更进一步，还可以算出原子之间应该怎样排列才能具有所需要的性能，并利用可以操作单个原子层的技术将其制造出来。这就体现在处于电子器件制造技术最前沿的超晶格材料。这样的例子，同样不胜枚举。所以，现代的材料技术正同其他高技术互相支持、共同发展,新材料时代特征：不象以前

6、的各个材料时代，它是一个由多种材料决定社会和经济发展的时代；新材料以人造为特征；新材料科学根据我们对材料的物理和化学性能的了解，为了特定的需要设计和加工而成的。,现在的材料种类繁多，按材料本身的性质分，主要有金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料、液晶材料等。按材料的作用分，有结构材料和功能材料。,结构材料,用于制造各种结构，通俗地说就是要受力，因此对它的要求主要是机械性能，如强度、延伸率(达到极限强度断裂时伸长了多少，延伸率小的材料便容易脆断)、硬度、韧性(受冲击力时容不容易断裂)、刚性(容不容易保持形状不变)等等。有时不要求其能经受住严峻的环境条件，如要求耐热性、抗腐蚀性等等。,第一章

7、功能材料概论,材料的概念：为达到某种（几种）使用目的而采用的具有一定成分的、一定显微结构的的物质。研究的内容：成分、显微结构、性能,性能,材料,选择,材料,性能,材料的发展过程（三个阶段）以不锈钢为例新材料的研究与应用情况美国、中国、日本、韩国、中国台湾以手机天线、非晶体材料、摩托车汽缸为例,一、功能材料的概念,材料,根据用途,结构材料功能材料,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。文献上：Functional Material,Speciality Material,Fine Materials,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

8、忆功能特性。与结构材料相比，一般除具有机械特征外还具有其他功能特性。,功能与结构密切相联：如非晶体材料、纳米铜、弹性马氏体相变能产生记忆效应、压电陶瓷必须有极轴等。二功能材料的分类按功能分1、力学功能2、化学功能3、物理化学功能4、生物化学功能材料,按功能的显示过程按材料种类第二节 功能设计的原理和方法 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。,输入,材料,输出,材料显示功能的示意图,一次功能主要有如下几种：力学功能:惯性、粘性、流动性、成型性、超塑 性、恒弹性、高弹性、震动性、防震性、润 滑性、成型性声功能：隔音性、吸音性 热功能：传

9、热性、隔热、吸热、蓄热电功能：导电性、超导性、绝缘性、电阻磁功能：硬磁、软磁、半硬磁性光功能：遮光性、透光性、折射光性、反射光性、吸光性、偏震光性,化学功能：吸附作用、气体吸收性、催化、生化反应、酶反应其他功能：如，放射特性、电磁波特性二次功能光能与其他能量的转换：感光光合、光分解、光化反应、光致抗磁、化学发光、感光反应、光致伸缩、光电电能与其他能量的转换：电磁、电阻发热、热电、光电、场致发光效应、电化学效应、光电效应,磁能与其他能量的转换：光磁效应、热磁效应、机械能与其他能量的转换：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、生光效应、光弹性效应、磁致伸缩功能设计：

10、赋予材料以一次功能或二次功能的科学方法。（材料设计，包括成分、结构、工艺设计）设计与实际之间存在的差距,金属功能材料的设计1 寻找有特定功能的金属材料2 工艺的设计如大块非晶、纳米材料无机非金属功能材料设计主要包括功能玻璃、功能陶瓷（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,高分子材料的设计（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）材料的复合（4）表面处理,第三节 功能材料的特点金属功能材料1、纳米金属材料（1）纳米块状材料（2）纳米薄膜材料（3）纳米晶稀土永磁材料（4）磁性液体2、真空快淬材料,无机非金属功能材料1、组合设计在无机非金属功能

11、材料中的应用,以氮化碳为例说明,2、功能玻璃和功能陶瓷的发展的新特点功能陶瓷发展趋向（1）微电子技术推动下的微型化（薄片化）和高速度化；（2）在安全和环保工作的促进下，发展传感器和多孔陶瓷；（3）重视材料复合技术；（4）加速智能化,请举出一种功能材料应用的情况,以手机为例,压电陶瓷为例,磁带为例,国家自然科学基金委工程与材料学部“十五”优先资助领域（2001-2015）,材料科学基础理论 高性能结构材料 先进功能材料关键科学问题 纳米科学和技术 现代冶金理论与新技术基础研究,资源利用与环境工程的可持续发展机械设计理论与先进制造技术 新型动力工程和工程热物理的前沿问题 新能源利用与可再生能源的研

12、究 电科学新技术和关键基础研究 结构和大型土木工程的关键科学问题和新设计理论 智能结构系统 城市化进程与现代交通工程,材料科学基础理论：材料组成、结构、性能、表面/界面以及凝聚态物理、化学、力学的综合研究；材料计算，材料性能理论预测与关联，材料的原子、分子层次设计、材料结构和性能的系统设计；材料性能表征、检测、快速筛选的新理论、新方法、新技术，组合材料学研究；材料的环境协调发展和生态环境材料研究；电、磁、声、光、热等效应及其各性能之间的耦合作用；材料的服役行为、腐蚀防护与抗老化材料研究。,高性能结构材料：高性能结构材料的成分和性能的优化设计及制备；新型金属、无机、高分子和复合材料实用化关键基础

13、问题；提高传统金属、无机、高分子材料的性能和使用寿命的关键科学问题；大品种工程材料的增强增韧与性能优化的基础研究；,先进功能材料关键科学问题：新型功能材料的设计原理、制备方法与器件化技术；功能材料性能稳定性和持久性的关键基础研究；信息功能材料的聚集态结构与功能的关系、制备和组装；生物医用材料与生物体的相互作用与相容性；能源材料的高效、低成本、长寿命研究。,纳米科学和技术：纳米材料合成、制备、性能表征和应用的新 原理、新方法与新技术；纳米碳管、纳米金属、纳米陶瓷材料、纳米半导体、纳米薄膜，纳米复合材料、组装和器件化关键基础研究；纳米材料的界面与表面特征、形貌控制、表 面修饰和缺陷控制；微纳米加工

14、、微功能元件、微制造技术、微纳米系统的制造；纳米尺度效应、微系统的复合效应研究。,现代冶金理论与新技术基础研究：冶金传输理论、冶金热能工程、冶金物理化学和多元多相反应工程学的系统研究；高功率电弧炉、炉外精炼、冶金短流程、近终成形新技术；熔体凝固控制和提高产品质量与性能的铸造、轧制、加工、成形过程研究；分离与提纯，特别是我国特有有色金属和稀散元素的高效分离新技术基础；等离子、微波、微重力、生物溶浸、特殊冶金及加工过程研究；冶金过程传感、检测、智能控制与关键装备的理论、方法与新技术。,新型电子产品对材料提出新要求,电子信息材料是现代信息产业最重要的基础支撑之一。从电子信息材料的功能属性和应用来分，

15、电子信息材料可以分为微电子材料、光电材料与器件以及电子元器件三大类。电子信息产品和技术的不断发展和升级换代，对以3C为核心应用的电子信息材料的发展也提出了更多更高的要求，以下为目前世界电子信息材料发展最新特点和趋势。,塑料化和柔性化使产品创新,有机电子材料(塑料电子)是近年来电子信息材料最重要的发展方向之一。1977年，MacDiarmid等三位研究人员发现将反式聚乙炔简单地暴露于卤素蒸汽中之后，其导电率可得到惊人的提高，塑料电子的研究也因此揭开大幕。相比于传统的硅基半导体材料，塑料电子材料可以实现更大面积的制造，具有更薄、更轻及柔性化的特征，并可以实现相对更简单的制造工艺和更低的生产成本。有

16、机半导体在照明、平面显示、太阳能电池、晶体管、传感器、印刷、电容、PCB制造、光刻、人工肌肉及微型电机等电子产品领域都有相当广阔的应用前景。,塑料电子材料也因此成为目前世界各国优先支持的研发领域，并且获得了相当多的研发成果。在众多塑料电子材料的开发当中，已经实现量产的OLED平面显示器是塑料电子材料的一个典型应用。这种显示技术使用有机薄膜半导体材料发光，其一个神奇特点就是可以实现卷曲显示。尽管有机TFT和塑料芯片目前还没有实现商品化，但从IBM、飞利浦、英飞凌等大公司已经研制出的原型产品来看，塑料半导体早晚将成为取代硅基芯片的新一代半导体材料。未来的塑料芯片将会大量地用于手机、计算机及电视机等

17、电子产品当中。,由于塑料容易加工成薄膜并且具有良好的延展特性，因此塑料电子材料的出现，必然导致全柔性电子产品的出现，从而满足现代电子产品轻薄、便携及易于设计的需求。目前，在PCB、平面显示、太阳能电池等领域，使用塑料作为柔性基板材料的技术已经接近商品化，计算机等电子产品可以像报纸一样卷折起来，放在口袋中已经不是什么遥远的梦想。,3C电子产品市场一直保持快速增长的一个很重要原因就是产品不断朝更轻更薄的方向发展，笔记本、手机以及时下年轻人很流行的MP3播放器就是这类电子产品的代表。这种电子产品推动着相应的电子材料向轻量化、薄膜化和器件的片式化方向发展。在轻量化方面，除了前面介绍的塑料电子材料可以满

18、足部分电子产品的轻薄化要求外，镁合金、钛合金和一些工程塑料合金等在3C电子产品的壳中使用的比重逐渐升高。,在薄膜化及器件片式化方面，太阳能电池、锂离子电池、电容、电阻及LED等电子元器件一直在朝这个方向发展。可以贴在衣服上的太阳能电池、聚合物锂离子电池、薄膜电容器和各类片式元器件等在电子产品的瘦身方面已经起到越来越重要的作用。,绿色环保化是挑战 电子产品市场的繁荣也带来电子垃圾污染的问题。电子产品中铅、六价铬、镉及汞等物质会对人类造成危害，并对自然环境形成污染，因此，减少电子产品的污染已经成为各国需要迫切解决的问题。而从源头上遏制有害物质的使用无疑是最佳的方法。欧美的ROHS指令已经规定，自2

19、006年7月1日起，所有在欧盟市场上出售的电子电气设备必须禁止使用铅、水银(汞)、镉、六价铬等重金属，以及聚溴二苯醚(PBDE)和聚溴联苯(PBB)等阻燃剂。因此，开发诸如无汞无镉电池、无铅焊料等绿色环保电子材料已经成为电子材料行业必须面对的挑战。,纳米化和量子化是材料革命 电子材料的纳米化有两个方向，一是指传统的硅基半导体材料继续朝纳米级的半导体技术方向发展，例如，Intel耗资30亿美元的45纳米工艺先进半导体工厂已经动工建设，将于2007年下半年开始投产。二是对传统电子功能材料，如电子陶瓷、磁性材料及电池材料等通过纳米加工或纳米表面改型，从而使其性能更优异，或产生新功能。例如，采用纳米改

20、性技术的锂离子电池电极材料可以极大提高电池容量和产品的循环寿命。,具有低维量子结构的硅基半导体和化合物半导体材料是新一代微电子、光电子器件和电路的基础，可能引发新的技术革命。世界各发达国家都给予高度重视。目前，低维量子结构已成为整个半导体科学技术及相关学科范围中最活跃、投入最多、成果最丰、进展最快的领域之一。,光电材料符合光电子时代潮流 随着信息产业逐渐从微电子时代进入光电子时代和光子时代，光电材料将成为光电产业的基础支撑和电子信息材料的主力军。目前主要的光电材料系统包括III-V族化合物半导体光电材料、有机半导体光电材料、无机晶体和石英玻璃等。它们广泛用于光通信网络、光电显示、光照明、光电存储、光电转换及光电探测等领域。例如在光照明领域，以GaN和GaAs等化合物半导体材料技术为基础的高亮和 白光LED照明器件正在引发一场照明革命,我国现状 目前，我国电子信息材料的发展水平同发达国家有很大差距，尤其是在基础硅半导体领域，而在光电功能材料、有机半导体材料方面的差距并不是很大。,