型功能材料上课用.ppt

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1、材料化学 新 型 功 能 材 料,1.形状记忆合金2.减振材料3.贮氢材料4.液晶材料5.超导材料6.光导纤维7.分离膜8.医用聚合材料9.其他现代功能材料10.准晶体,材料化学 新 型 功 能 材 料,1.形状记忆合金（1）形状记忆合金 形状记忆合金 材料在某一温度下受外力而变形，当外力 去除后，仍保持其变形后的形状；再升温，则 材料自动恢复到变形前原有的形状，似乎对以 前的形状保持记忆的材料。形状记忆现象：马氏体相被加热并回复为原来 母相时所产生的一种现象。,材料化学 新 型 功 能 材 料,（2）形状记忆效应机理 热弹性马氏体相变机理与钢的淬火相关 在形状记忆合金中，马氏体相远比母相软得

2、多（这与钢恰好相反），在受到外力作用时，能够很容易的通过马氏体相内部的双晶面的移动或马氏体相之间的移动而改变其形状，经加热而回复到原来的母相时，这种形状的改变会全部消失。,材料化学 新 型 功 能 材 料,材料化学 新 型 功 能 材 料,实例1：钢没有记忆功能 钢的TAS和TMS之间的温度差（相变温度滞后）高达数百摄氏度，即必须过热或过冷到足以积蓄很大的亥姆霍兹自由能差，才能发生马氏体相的转变；,实例2：Au-Cd合金和Ti-Ni合金 相变温度滞后仅有1030，有极小的相变驱动力就能发生相变。,材料化学 新 型 功 能 材 料,应力诱导马氏体相变机理 研究成果：Fe-30Mn-1Si单晶合金

3、 形状记忆效应机理：应力诱导 可逆马氏体 相变相面心立方结构，沿（111）密排面逐层堆 积，为ABCABC堆积方式相密排六方结构，沿（0001）密排面逐层 堆积，为ABAB堆积方式。从晶体学和能量角度来看，相变极易进行,（3）形状记忆合金材料,材料化学 新 型 功 能 材 料,材料化学 新 型 功 能 材 料,（4）形状记忆合金的应用 在一般工程上的应用 制作管接口,材料化学 新 型 功 能 材 料,在热致机构上的应用 利用处于拉应力状态形状记忆合金丝的形状记忆效应，可供输入信号通过感应线圈而变成电流，使合金丝长度发生变化。,在医疗方面的应用 医用材料多用钛镍合金，有耐蚀性和符合生理反应。可用

4、于脊柱侧弯的矫正，人工关节，人造心脏等。,材料化学 新 型 功 能 材 料,形状记忆式热发动机,材料化学 新 型 功 能 材 料,在军事和航天工业方面的应用 美国国家航空和宇宙航行局用形状记忆合金做成大型月面天线,材料化学 新 型 功 能 材 料,7.2 减振材料 主要是防震合金，这是一种内耗能量非常大，振动能与热能的交换能力很强，因而使得振动能可以迅速衰减的一类合金材料。,材料化学 新 型 功 能 材 料,根据作用机制可分为四类：1.复合型材料铸铁2.铁磁性材料12%铬钢3.位错性材料Mg中加入6%Zr4.孪晶型材料锰铜系合金,材料化学 新 型 功 能 材 料,7.3 贮氢材料 贮氢材料 在

5、一定温度和氢气压力下，能多次吸收、贮存和释放氢气的材料 贮氢合金 金属间化合物（中间相）亦称氢海绵。常温常压下比普通金属吸氢量高1000倍。,材料化学 新 型 功 能 材 料,如：镁镍合金制成的氢燃料箱本身重量是100kg，所吸收的氢气的热能相当于40kg汽油；镧镍合金吸氢的密度能达到液氢的密度。,材料化学 新 型 功 能 材 料,7.3.1贮氢原理 金属-氢体系存在平衡反应：M(s)+x/2H2(g)MHx(s)+H,7.3.2 贮氢合金的开发 贮氢金属要求必须具有如下性能：(1)单位质量或单位体积的贮氢量尽可能地多，吸氢操作的温度、压力条件不高，易于实 施，设备简单。,材料化学 新 型 功

6、 能 材 料,(2)氢化物生成热少，具有适于常温适用的氢的 平衡分解压力，而且可根据需要能容易地释 放出氢。(3)可供反复使用，历经吸氢释氢的反复循环其 性能维持不变，也不致因受工业氢气燃料中 所含杂质的污染而使吸氢释氢性能下降。(4)贮氢合金造价低廉、稳定、轻质、便于贮运。,材料化学 新 型 功 能 材 料,7.3.3 贮氢合金的其他应用（1）贮存氢燃料，回收废氢气（2）制作贮氢气瓶（3）分离、贮存氢同位素（4）作空调机、热压缩机、热泵以及用 来回收热能和利用太阳能等,材料化学 新 型 功 能 材 料,7.4 液晶材料7.4.1液晶 晶态向液态转化的中间态，它既保持了晶态的有序性，同时又具有

7、液态的连续性和流变性，这种中间态称为液晶态，处于这种状态下的物质称液晶。,材料化学 新 型 功 能 材 料,7.4.2 液晶的类型（1）根据纹理结构的特点和性质，液晶有：向列形 胆甾型 近晶型（2）根据生成过程有：热致液晶 溶致液晶,材料化学 新 型 功 能 材 料,7.4.3液晶的分子结构 液晶是从晶体向液体过渡的中间相。（1）近晶型液晶 近晶型液晶的规整性与晶相最为接近。这类液晶中棒状分子平行排列成层状结构，分子轴垂直于层面，棒状分子只能在层内活动。,材料化学 新 型 功 能 材 料,（2）向列型液晶 向列型液晶的化学结构可依据其中心群原子团的种类分为甲亚胺化合物、偶氮化合物、氧化偶氮化合

8、物，酯化合物、联苯化合物等。,材料化学 新 型 功 能 材 料,羧酸（RCOOH)，胺（R-NH2)等盐类易出现近 晶相；苯环对位上的末端取代基是-CO-OR,-CHCH-CO-OR,-CO-NH2及-CO-NH2及-O-CF3等的化合 物时，出现近晶相的趋势很大；当分子末端的直链状烷基很长时易出现近晶相；X末端的取代基为-C6H5,-NH-CO-CH3或者为-AO-CO-CH3的化合物时，倾向于出现近晶相；,材料化学 新 型 功 能 材 料,X末端引入-CN基、-NO2基或者-OCH3基时，出现向列相的趋势很强；分子长轴方向和垂直方向上有偶极子的化合 物时，易出现近晶相；对液晶的形成带来不利

9、倾向的立体因素，对 近晶相排列的影响比对向列相排列的影响更 大。,材料化学 新 型 功 能 材 料,（3）胆甾型液晶 胆甾型液晶分子的排列具有向列型的有序性，并在二维相层中向左或右以相同的螺旋角，自上而下呈螺旋状的重叠。胆甾型液晶分子在螺旋轴的方向上存在着规律性，其重复周期称为螺距。,材料化学 新 型 功 能 材 料,7.4.4 影响液晶特性的结构因素（1）中心团的功能 中心团在保持液晶分子直线性方面具有重要作用，所以多为共轭性原子团来连接两个苯环的结构。中心团的极性，有助于液晶的热稳定性增加。,材料化学 新 型 功 能 材 料,（2）取代基的功能 在作为液晶化合物的苯环上连接取代基时，要考虑

10、到其立体效应和极性效应。向列型的热稳定性主要受立体效应的影响，而近晶相的热稳定性却依赖于立体效应和极性效应的综合结果，当取代基的偶极矩很大时，取代基的立体效应就减少，近晶相的热稳定性就大。,材料化学 新 型 功 能 材 料,(3)末端基的功能 在液晶分子中心团上键合的两个末端基通常是直链式烷基、烷氧基或烷氧基酯。在液晶分子中当烷链较短时一般只能得到向列相；中等长度时可得到近晶相和向列相；更长时则只能得到近晶相。,7.4.5液晶的性质与应用（1）物理功能的利用（2）化学功能的利用,材料化学 新 型 功 能 材 料,7.5 超导材料（超导体）超导材料：临界条件下具有超导性的物质。形成超导状态的条件

11、（1）T Tc（2）H Hc（3）J Jc,材料化学 新 型 功 能 材 料,特点 处于超临界状态下的导体没有电阻，电流通过导体不发生热损耗，电流可以无损耗地在导线中流动。,材料化学 新 型 功 能 材 料,超导体（1）高临界温度的氧化物超导体 Ba-La-Cu-O系氧化物材料，Tc=30K，到达13K时电阻下降至零。钡-钇-铜-氧体系，Tc=93K。Bi,Sr,Ca,Cu和O；Tl,Ba,Ca,Cu和O；Bi,Pb,Sb,Sr,Ca,Cu和O的超导体，Tc=132K,材料化学 新 型 功 能 材 料,超导材料的工作机制 电子 声子的弱耦合理论 超导体中的电子不同于一般导体中的单个电子，在临界

12、温度以下，在构成超导体晶体结构的原子振动的帮助下，电子形成所谓库珀对，即具有相反旋转动量的两个电子结成一对互相牵制的电子对成对运动。因为库珀对中的电子是被束缚的、高度有序的，在超导体晶格中穿行是不受晶格阻碍，因此电阻为零。,材料化学 新 型 功 能 材 料,（2）MxC60超导体 C60及其结构,材料化学 新 型 功 能 材 料,C60的性质 芳香族有机分子，能溶解于苯、甲苯、CS2 等溶剂中；分子十分稳定；在1105压力下，400开始升华；化学性质较活泼，能发生加成反应、氧化还 原等反应；分子既能给电子，又能接受电子。,材料化学 新 型 功 能 材 料,MxC60超导体 C60晶体掺入金属元

13、素，有较高的Tc。掺入碱金属的固态C60 常温下为金属导体，低温下呈超导性。例如 K3C60，Tc=18K RbC60,Tc=28K Rb2CsC60，Tc=30K；Rb2Cs2C60，Tc=33K Cs3C60，Tc=30K KxC60,材料化学 新 型 功 能 材 料,（3）超导体的应用前景 在节能方面的应用 超导电机；超导输电 开发新能源方面的应用 磁力悬浮高速列车 在现代医学诊断方面的应用 在军事方面的应用 在基础科学方面的应用,材料化学 新 型 功 能 材 料,7.6 光导纤维光导纤维（简称光纤）由折射率较大的纤芯和折射率较小的包层构成的可自由弯曲的导光材料。纤芯的直径大约是几十微米

14、。光纤的作用：将始端的入射光线传输到终端，利用光来传输信息和图象。,材料化学 新 型 功 能 材 料,7.6.2 光导原理基本原理：全反射定理。全反射即光从光密介质（折射率大的介质）射到光疏介质（折射率小的介质）的界面时，全部反射回原介质的现象。光导纤维：利用纤芯和包层折射率的差别，依靠 全反射的原理实现光信息传输的。,材料化学 新 型 功 能 材 料,7.6.3 光纤材料（1）石英光纤组成：以SiO2为主，添加少量的GeO2，P2O5 及 F等以控制光纤的折射率。特点：资源十分丰富，化学性能极其稳定，膨胀系数小，容易在高温下加工且光 纤的性能不随温度而改变。,材料化学 新 型 功 能 材 料

15、,制备方法：改进的化学沉积法SiCl4+O2SiO2+2Cl2气相外延沉积法SiCl4+3H2OSiO2+4HCl气相轴向沉积法,（2）多元氧化物光纤 SiO2-CaO-Na2O SiO2-B2O3-Na2O，其中含Si为4070%。特点：价格比较便宜，制造工艺和设备比较简单 性能上，比石英光纤差得多,材料化学 新 型 功 能 材 料,材料化学 新 型 功 能 材 料,（3）非氧化物光纤 类型：氟化物玻璃；硫族化合物玻璃；卤化物晶体。组成：重离子，特性：熔点较低，离子间结合力很弱，对红 外线长波域的吸收是其光损耗中材料 固有损耗特性。,材料化学 新 型 功 能 材 料,氟化物光纤基本组成：Zr

16、F4-BaF2-LaF3(GdF3)三元系，添加NaF，CsF，AlF3，PbF2等。特性：氟化物玻璃稳定性较差，有晶体析出的 倾向，因此制备成均质、光散射小的光 纤有很大难度。,硫族化合物玻璃光纤 典型例子：As-S及As-Se系。,材料化学 新 型 功 能 材 料,晶体光纤类型：a.单晶光纤，如CsBr，CsI使离子键晶体 化合物，通常由熔体生长制成。b.多晶光纤，以TiBrI为代表，是通过加 压使熔体由细直径管口挤出而形成的，晶体光纤在110um以上很宽的波长范 围内是低损耗的，可用于波长为10.6m 的CO2气体激光的传送。,材料化学 新 型 功 能 材 料,（4）聚合物光纤组成：高折射率的均匀塑料芯；低折射率的塑料涂层。特点：质量轻、韧性好、接收光的能量强；耐温较低，一般不超过100，特殊处 理后不超过200；化学稳定性较差。,材料化学 新 型 功 能 材 料,制作聚合物光纤的材料：聚苯乙烯 聚甲基丙烯酸甲酯 聚碳酸酯等。应用：当波长为0.30.6um时，聚合物光纤的 损耗低。应用于汽车、飞机、通讯等部门，尤其 是大量用于仪器间连接等短距离通讯；使用方便、抗振耐用。,