1、現代功能材料一、本課程內容1. 基礎知識2. 超塑性材料3. 納米材料4. 驅動材料（電流變體材料、壓電材料、形狀記憶材料、磁致伸縮材料、聚合膠體）5. 傳感材料（光導纖維、電阻應變絲、疲勞壽命絲、碳纖維傳感元件、半導體傳感元件、壓電材料）6. 非晶態材料（非晶態聚合物、無機非晶態材料、非晶態半導體、非晶態金屬（金屬玻璃）7. 功能高分子材料（化學功能、光功能、電功能、高分子液晶）8. 其它（超導材料、儲氫材料、泡沫材料、磁性材料、阻尼材料）二、本課程三大特點新、廣、趣對教師和學生都具有很高的挑戰性是擴大知識面的非常好的內容三、本課程學習方法認真聽、積極思考 Þ 創造性思考四、本課程

2、考查方式（與學生討論）科學論文形式的文獻綜述（中英文題目、中英文摘要、關鍵詞、引言、歷史、應用、研究現狀、 存在問題、發展趨勢、創造性思想、結語、參考文獻，等） 在綜述中可表述自己的觀點，不要怕標新立異，關鍵要自圓其說。第一章 緒論§1.1 材料的功能為了生存和發展，人類一方面從大自然只選擇天然物質進行加工和改造，獲得適用的材料；另一方面通過物理化學加工方法研制合金、玻璃、有、陶瓷、合成高分子材料來滿足生產和生活的需要。人們使用這些出來是，有的是利用某些材料具有抵抗外力的作用而保持自己的形狀和結構不變的優良力學性能（如強度和韌性）來制造工具、機械、車輛以及修建房屋、橋梁、鐵路等，這些

3、側重于強調強度功能的材料統稱為結構材料。與此相應，我們把側重于“切斷以外的功能”的材料稱為“功能材料”，這通常是通過光、電、磁、聲、熱、化學、生物化學等的作用，使出來具有特定的功能，主要是光學功能、電磁功能、電絕緣功能、聲學功能、身體功能、分離功能、梯度功能、形狀記憶功能、自適應功能等。根據出來的性質特征和用途，可將功能材料定義為：具有優良的電學、磁學、光學、聲學、力學、化學和生物學功能及其相互轉換的功能，被用于非結構目的的高技術材料。也可以表述為：為了賦予材料以有用的功能，通過改變材料的成分、結構、添加劑和制作方法而作成的材料。例如把材料制作成超微粉末、超薄膜而使之產生新的功能，或對一種材料

4、加上某種能量，使之產生另一種能量釋放出來等等。輕 量 化高強度化無空隙化例：壓力容器鑄件磁頭用鐵氧體材料耐環境作用的提高可復用化無公害化低成本化復合化例：容器等玻璃纖維材料顆粒復合材料薄膜化例：高分子膜過濾材料傳感材料消聲材料多 孔 化節 能 材 料圖1.1是功能材料和結構出來關系的示意。節 能 材 料微粉化例：鐵氧體的性能變化強磁性常磁性非晶化例：能量轉換材料過濾材料磁性流體磁性材料+加有機膜§1.2 功能材料概述功能材料按其物質性，可分為金屬功能材料、無機功能材料、有機功能材料和復合功能材料等。1.2.1無機系1.2.1.1 PTC材料：某溫度范圍內有正的電阻溫度系數。如在BaT

5、iO3上用La（3價稀土）置換部分Ba，為保持電中性，Ti4+ Ti3+,居里點附近電阻值有幾個數量級的變化，且為正溫度系數。也可用Sr或Pb等來置換Ba，用Zr、Sn置換其中的Ti使居里點移動，使工作范圍變化。應用：溫度補償元件，如補償二極管等因溫度發生的電阻變化；無觸點開關，如冰箱開關、電熱毯開關等。1.2.1.2 氣氛傳感器材料：可測出接觸物體表面的氣氛種類、濃度和氣體溫度等。應用：半導體氣體傳感器：氣體分子吸附半導體表面，由于其氧化和還原性不同，可使半導體導通性變化而給出信號。為提高表面積，多做為多孔狀；為提高靈敏性，一般加熱至200400下使用。固體電介質氣體傳感器：以離子導電方式固

6、體電介質做成電池，由兩極氣體濃度或壓力差給出電動勢。如ZrO2-Y3O3系，ZrO2-CaO,兩邊加多孔Pt電極形成氧濃差電池測氧的濃度。a) 可燃氣體傳感器：加Pd的SnO2，加Pd或Pt的ZnO2、-Fe2O3系等。b) CO氣體傳感器：加Pd或Pt的SnO2，對CO選擇性吸收很好，靈敏度很高。c) 酒精氣體傳感器： SnO2系列；磷灰石-ZnO復合材料；Sm0.5-Sr0.5-CoO3系等。d) 濕度傳感器：MgCr2O4-TiO2 ；(BaSr)TiO2；ZnO2-MgO； Al2O3-TiO2-SnO2；ZnCr2O4-LiZnVO4。e) 氧傳感器：ZnO2-Y2O3（濃差電池型）

7、；TiO2（電阻變化型）。1.2.1.3原子能燃料中子照射鈾(U)原子核生成鋇(Ba)。費米1942年成功控制了裂變過程。錒族（最重要的元素）天然只有鈾（U）和釷（Th）。鈾在地球上儲藏量只有2/百萬，又分為235U和238U，235U可裂變，而238U不可裂變，235U只占U中的0.71%。232Th不可裂變。所以天然原子能燃料很少。238U和232Th在0.1-10MeV中子照射下，可轉化為可裂變元素。1.2.1.4 核聚變材料 （核融和研究）太陽能是四個氫原子核聚變成He，重要燃料是重氫氘，主要來源是海水。先產生高溫等離子，然后發生熱聚變，將海水中氘、氚射到爐心中產生熱核反應，要用超導線

8、圈使幾億度高溫等離子體與爐壁隔離，如圖1.1。 氘+氚 4+He+中子+17.6MeV氚：中子與Li（100時為液態）反應生成的。有時用Li-Pb， 融鹽：LiF,Li2O。1.2.2 有機系1.2.2.1 磁性材料Fe(C12H17N3)SO4·6H2O n稱PPH-FeSO4在4.6K產生磁滯回線。1.2.2.2 氣體分離膜多孔膜，其中r/>5（r：孔半徑，：氣體平均自由程），透過速度與粘度成正比；r/<1，透過速度與分子量成正比。分子篩是一類能篩分分子的固體材料，氣體或液體混合物分子通過這種材料后，就按照不同分子的特性彼此分離開來。如5 A分子篩是吸水的，13X是分

9、離氫和氧的。許多物質如晶體硅酸鹽（又稱沸石或泡沸石）、多孔玻璃、特制活性炭、葡萄糖凝膠、瓊脂凝膠、聚丙烯酰胺凝膠等都有分子篩效應。多孔膜：Q = P(p1-p2)At/lQ: 透過量，P: 透過系數，l：膜厚，p1、p2：膜兩側氣體分壓，A：透過面積，t：時間。如：聚丁二烯、聚丙乙烯、醋酸纖維、二甲基硅氧烷等。 1223 超導材料常規材料在0°K仍有一固定R值，而在某溫度下，R =0時，即為超導材料。圖1.3為T-H-J示意圖，Tc-Hc-Jc面下即為超導材料，Tc、Hc、Jc為臨界值。1911年發現水銀有超導，但Tc、Hc、Jc值很低，無使用價值。上實際50年代后期，發現Nb或V的

10、合金或化合物，其臨界值較高。Nb-Ti: Tc 10K,液He下（4.2K），Hc=11T(特斯拉)，（1T = 104高斯）。Nb3Sn: Tc 1523K，Hc 2040TPbMo6S8: Hc 50T。實用超導線材： Nb-Ti: Nb-5075at%Ti,一般10m絲埋在銅中。工藝過程：電弧爐熔Nb-Ti 幾噸鑄錠 加工成指頭粗的棒 插入300mm銅管 一道拉成絲 再插入銅管 再拉，反復到絲有10萬根左右為止。V3Ga 化合物線材。在Nb或V的帶基上將熔化的Ga或Nb3Sn用連續擴散的方式制成帶材。開發中的超導材料：濺射法:真空鍍敷，合成出Nb3Ge；快速凝固法：Nb3（Al、Ge），

11、Tc >20K, Hc = 40T；NbN Nb(C,N) MoN V2Hf PbMo6S8氧化物陶瓷：BaPb0.7Bi0.3O3 Tc =13 K LaBaCuO Tc =30 KYbaCuO6.9 Tc =90 K (液N:77K)合金系列的電流密度105106 A/cm2氧化物陶瓷電流密度103 A/cm21.2.2.4 超微粒子超微粒子大小：100nm以下，與光的波長相當，如好的香煙灰。微細化效應： 1）體積效應（減少） a)熔點會降低，如3nm金，T熔由1300K 900K，（低溫燒結） b)<100nm，強磁體矯頑力顯著提高；多晶 單晶，磁疇亦發生變化。 有新相出現，

12、多面體粒子出現，物質電子狀態會發生變化。 2）表面效應： 催化。 3）粒子間相互作用：導電、傳送、固體反應等。制作方法：氣相法和液相法，主流上液相法：沉淀法、噴霧法是制大批量均勻微粉的方法。氣相法用于研究，有物理法（PVD）和化學法(CVD)。等離子氣體的金屬反應法原材料：2000以下金屬、合金及陶瓷均可。應用：1） 磁流體；2） 磁記錄材料；3） 低溫燒結；4） 催化，傳感。1.2.2.5 電極材料電極材料的種類和用途（非消耗電極）種類用途特征石墨電池、鹽的電解白金酸電解及燃料電池耐蝕、催化鍍Pt的Ti電鍍、電防蝕比Pt更便易Ni水電解、燃料電池加工性好、耐蝕不如PtPb及其合金電池、電鍍便

13、易、比強度差RuO2-Ti鹽電解氯過電壓小、耐蝕好磁鐵礦氯酸電解、電防蝕便易、脆、電阻大鐵氧體水處理便易、脆、電阻大PbO2可代替Pt，但脆，與基體廉價困難1 貴金屬電池鉑金最好，表面易生成PtO，PtO2電極催化取決于此二皮膜，但價格高，常用Ti、Nb、Ta替代。TiO2 Nb2O5均是致密膜。也可在Ti、Nb、Ta的表面鍍鉑金。2.Pb及Pb的合金比重大，表面易產生硫酸鉛或碳酸鉛膜，耐蝕，但此膜導電性不好。如Pb做陽極，形成PbO2膜，則導電性改善。做Pb電極常加Ag、Sn來促進PbO2生成，如：Pb-20%Ag用于電解、電鍍。可將PbO2敷在其它材料表面來代替Pt電極。3 其它金屬電極不

14、溶性電極材料很難，如Ni-Cr不銹鋼在作堿水電極時會失去Cr，所以不合適。Ti、Nb、Ta會產生不利氧化物，（起催化、促媒）產生新材料。Ni3Ta、Ni3Nb可克服Ni-Cr不銹鋼和純Ti、Nb、Ta的弱點。Ni3Ta在硫酸下表現極好。在500A/下，腐蝕為1.03g/A.年。Ni3Nb在氯化物中效果好。但此二材料加工性較差。Pd（鈀）-Ti-P系 非晶態合金耐蝕性比晶體好得多，尤其在氯發生物中。Pd-Tr（銥）-P系 但電阻較大。按材料的功能性可分為電學功能材料、磁學功能材料、光學功能材料、聲學功能材料、力學功能材料、熱學功能材料、化學功能材料、生物醫學功能材料、核功能材料等九大類。這將在后面作部分介紹，同學們也可進行