【学习课件】第一章功能材料与功能设计

(3)特殊技术和特定结构组合化学。它包括激光喷涂组合化学 研究，主客体组装组合化学等。
(4)固体氧化物燃料电池中新型中、低温(600—800℃)区工 作的固体复合氧化物电解质材料的探索和筛选。
(5)从热力学平衡角度研究材料的相态、结构及稳定性，
获得所需材料体系的相图，同时进行性能测定，由此全
面掌握不同组成、结构和工作温度下的材料特性。
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1.1.3 功能材料的分类
目前主要是根据材料的物质性、或功能性、应用性 进行分类。
（一）根据材料的物质性进行分类 1、金属功能材料 2、无机非金属功能材料 3、有机功能材料 4、复合功能材料
1功能材料概论
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（二）根据材料的功能性进行分类
按照材料的物理化学功能进行分类：
1.光学功能材料（按在具体应用中所发挥的效能和作用）
⑨光记录材料 例：碲、碲合金、稀土类合金
1功能材料概论
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2、电学功能材料 例：防静电材料 3、磁学功能材料 例：磁带、磁盘 4、声学功能材料 例：音响设备、仪器 5、力学功能材料 例：高结晶材料、超高强材料 6、热学功能材料 例：显示、测量 7、化学功能材料 ①分离功能材料 例：分离膜、离子交换树脂 ②反应功能材料 例：高分子试剂、高分子催化剂 ③生物功能材料 例：固定化酶、生物反应器 8、生物医学功能材料 例：人工肾、人工心肺 9、核功能材料
1功能材料概论
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③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 ④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。
1功能材料概论
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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。

化学气相沉积是利用气态 物质在加热的基材表面发 生化学反应，生成固态沉 积物的制备方法。
电化学沉积是利用电解液 中的离子在电极上发生氧 化还原反应，生成固态沉 积物的制备方法。
溶胶-凝胶法是利用溶液 中的前驱体在加热条件下 发生水解和缩聚反应，形 成凝胶，再经过干燥和热 处理得到固态产物的方法 。
生物法
应用领域拓展挑战
虽然功能材料在某些领域已经得到了广泛应用， 但在其他领域的应用还比较有限，需要进一步拓 展其应用领域。
功能材料的发展前景
01
02
03
广泛应用
随着科技的不断发展，功 能材料的应用领域将越来 越广泛，如能源、环保、 医疗、航空航天等。
创新发展
未来功能材料将不断涌现 出新的品种和性能更优的 材料，如新型高温超导材 料、纳米材料等。
产业升级
随着功能材料产业的不断 发展，将促进相关产业升 级和转型，如智能制造、 新能源等。
THANKS
谢谢
利用功能材料实现高效储能， 如锂离子电池和超级电容器。
电子信息领域
总结词
功能材料在电子信息领域中具有广泛 的应用，涉及集成电路、显示技术、 通信技术等。
集成电路
利用功能材料制造微电子器件，实现 高速、低功耗的集成电路。
显示技术
利用功能材料制造液晶显示器、有机 发光二极管显示器等显示器件。
通信技术
利用功能材料实现高速、大容量的通 信传输，如光纤通信和5G通信。
生物医学领域
总结词
功能材料在生物医学领域中具有重要应用，涉及 医疗器械、药物传递、生物成像等。
药物传递
利用功能材料实现药物的靶向传递和控释，提高 药物的疗效和降低副作用。
ABCD

焊接加工
通过熔融连接将两个材料连接在一起，适用于金 属材料的连接。
表面处理技术
表面涂层技术
通过涂覆一层或多层涂层来改变 材料表面的性质，以提高耐腐蚀 、抗氧化、耐磨等性能。
表面改性技术
通过物理或化学手段改变材料表 面的化学成分、晶体结构和表面 形貌等性质，以提高表面硬度、 降低摩擦系数等性能。
04
环保化
随着环保意识的提高，功能材料的生产和使用需要更加注 重环保，如使用可再生资源、降低能耗和排放等。
智能化
功能材料正朝着智能化方向发展，如智能材料、自适应材 料等，这些材料能够根据环境变化做出响应，具有很高的 应用价值。
复合化
多种材料的复合使用已成为一种趋势，通过不同材料的组 合，可以获得单一材料无法达到的综合性能。
未来发展方向
01
新材料研发
不断探索和研发新的功能材料，提 高其性能和应用范围。
环保化发展
注重功能材料的环保性能，推动其 可持续发展。
03
02
智能化发展
加强功能材料的智能化研究，开发 更多具有智能响应的材料。
复合化发展
加强多种材料的复合研究，获得更 多具有综合性能的材料。
04
THANKS
感谢观看
环保领域
总结词
功能材料在环保领域的应用主要涉及空气净化、水处理、土 壤修复等方面。
详细描述
功能材料如吸附剂、催化剂、光催化剂等，能够有效降低污 染物排放和提高环境质量，对于解决全球环境问题具有重要 意义。
05
功能材料的发展趋势与挑战
发展趋势
高性能化
随着科技的不断进步，对功能材料的性能要求也越来越高 ，如更高的强度、硬度、耐热性、耐腐蚀性等。

物理气相沉积（PVD）
通过物理方法将固体材料转化为气态，再沉积到基材上，如真空镀膜 。
溶胶-凝胶法（Sol-Gel）
通过控制化学反应，将前驱体溶液转化为凝胶，再经过热处理制备功 能材料。
化学合成法
通过化学反应将简单物质转化为复杂物质，如合成高分子材料、复合 材料等。
加工技术
机械加工
激光加工
利用机械力对材料进行切削、磨削等加工 ，以获得所需形状和尺寸的零件或产品。
包括材料的反射率、透射率、折射率 等。这些性能决定了材料在光学设备 和器件中的使用效果。
热性能
包括材料的热导率、热膨胀系数、比 热容等。这些性能决定了材料在热设 备和系统中的使用效果。
03
功能积（CVD）
利用气态物质在固体表面上的化学反应来制备功能材料，如薄膜、涂 层等。
绿色化
随着环保意识的增强，功能材料的制备和应用过程需要更 加注重环保和可持续发展，如使用可再生资源、降低能耗 和减少废弃物排放。
智能化
通过先进的制备技术和结构设计，实现功能材料的智能化 ，如自适应、自修复、自感知等特性，以满足复杂环境和 动态变化的需求。
生物医学应用
功能材料在生物医学领域的应用越来越广泛，如用于药物 传递、组织工程和生物成像等，为医疗健康领域的发展提 供有力支持。
实例
高温超导材料
高温超导材料是指在一定温度下具有超导 性的材料，可用于制造超导线圈、超导电 缆等。
石墨烯
石墨烯是一种新型的二维材料，具有高导 电性、高导热性、高强度等特性，可用于 制造电子元器件、电池电极等。
生物可降解塑料
生物可降解塑料是指在特定条件下能够被 微生物分解为无害物质的塑料材料，可用 于替代传统塑料，减少环境污染。

功能材料与结构材料相对，后者主要关注材料的强度、硬度、耐久性等结构特性，而功能材料则更注重 材料的特殊功能和用途。
功能材料的特性包括电、磁、热、光、化学、生物等性质，这些性质在特定的外部刺激下会发生改变， 从而实现对外部环境的响应和调控。
分类
根据功能性质，功能材料可以分为电子 功能材料、磁功能材料、热功能材料、 光学功能材料、化学功能材料和生物功 能材料等。
功能材料在水力发电、海洋能利用等领域 应用广泛，如水轮机叶片材料、海洋能转 换材料等。
生物医学领域
生物医学领域概述
功能材料在生物医学领域中具有广泛的应用前景，涉及医疗器械、生 物医用材料、药物载体等多个方向。
医疗器械领域应用
功能材料在医疗器械制造中应用广泛，如人工关节、心脏起搏器等医 疗设备材料。
根据应用领域，功能材料可以分为能源领域 功能材料、环境领域功能材料、医疗领域功 能材料、信息领域功能材料等。
根据材料的组成和结构，功能材料 可以分为金属功能材料、无机非金 属功能材料、有机功能材料和高分 子功能材料等。
02 功能材料的特性与性能
特性
物理特性
功能材料通常具有独特的物理特性，如超导性、半导性、 磁性、光学性能等。这些特性使得功能材料在特定条件下 能够表现出与众不同的性质。
化学特性
功能材料的化学特性包括稳定性、抗氧化性、耐腐蚀性等 。这些特性决定了材料在各种环境下的稳定性和使用寿命 。
生物特性
某些功能材料具有生物相容性，可以用于生物医学领域， 如人工关节、牙齿等。这些材料需要与人体组织有良好的 相容性，以减少排斥反应。
性能
力学性能
功能材料的力学性能包括硬度、 强度、韧性等。这些性能决定了 材料在受力条件下的表现，对于 材料的加工和使用具有重要意义 。

详细描述
固相反应法通常涉及将固体原料混合 、研磨并在高温或高压下进行反应。 该方法具有操作简单、设备成本低等 优点，但反应时间较长，且不易控制 产物成分和纯度。
化学气相沉积法
总结词
化学气相沉积法是一种利用气态化学反应在固体表面沉积功能材料的方法。
详细描述
化学气相沉积法通过将气态反应剂引入反应室，在基体表面发生化学反应并形 成固态沉积物。该方法可制备出高纯度、高致密度的功能材料，但设备成本较 高，且工艺参数较难控制。
固体氧化物燃料电池
固体氧化物燃料电池是一种高温燃料电池，其工作原理 是利用氢气、天然气或生物质等燃料和氧气反应产生电 能。固体氧化物燃料电池具有高效率和低污染等优点。
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《功能材料概论》课件
目录
• 功能材料的分类与特性 • 功能材料的制备技术 • 功能材料的性能与应用 • 功能材料的未来发展与挑战 • 案例分析：功能材料在新能源领域的应用
01 功能材料的分类与特性
金属ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ能材料
金属功能材料是指具有特殊物理或化 学性能的金属材料，如导电性、超导 性、磁性、热敏性等。
磁学性能与应用
总结词
功能材料的磁学性能是指其在磁场作用下的性质和行为，包括磁导率、磁化强度、磁致伸缩等。
详细描述
磁导率是指材料对磁场的导磁能力，磁化强度是指材料在磁场作用下的磁化程度，磁致伸缩是指材料 在磁场作用下尺寸发生变化的性质。这些磁学性能在磁记录、磁流体、磁悬浮等领域有着广泛的应用 ，如硬盘、磁带、磁传感器等。
功能材料的环境友好性
总结词
随着环保意识的日益增强，功能材料的环境友好性成 为研究重点，通过降低材料的环境负荷，实现可持续 发展。

a．通过缩合反应，酯交换反应或 酰胺交换反应制得嵌段共聚物。
b．通过环醚、亚胺、内酯、内酰 胺、环氧化合物的聚合或乙烯基 单体的聚合(活性离子聚合)制得嵌 段共聚物
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接枝共聚物合成制备方法 (1)通过聚合物的游离基连锁转移反应，在主干聚合物 的侧链上生成游离基，从而进行支化反应。 (2)通过侧链氧化，引入过氧化物基团，或将侧链上的 氨基偶氮化形成聚合反应引发点。 (3)通过射线照射，光化学反应、氧化反应(羟基、氨 基、琉基等以Ce+进行氧化等)开始进行支化配合。 (4)在侧链的活性基(羟基、氨基、羧基、碳翁、正碳 离子)上使环氧化物、内酰胺、内酯极性乙烯基单体 进行聚合。 (5)具有活性端基的聚合物与主干聚合物的侧链发生反 应(活性聚合物与酯基，氯甲基反应)。此外在分子 末端引入不饱和基团的聚合物，即大分子单体，可 用多种方法制得。这些大分子单体与其它单体进行 共聚，可获得带有规定长度分枝的接枝共聚物。
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(3)分子内交联和分子间交联
①分子内交联 ②分子间交联
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高分子化 功能复合 功能扩大 系列化
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复合型功能高分子材料的主要加工方法
1 液体高分子树脂通过改性制备 复合性功能高分子材料的主要方 法 掺混各种助剂填料，通过混 和，悬浮、乳化等方法制成。也 可以通过反应注射成型(RIM)直接 成型。
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功能高分子材料的特点
功能高分子材料和通用高分子材料相 比大致有以下特点；
①消费量相来说要小很多； ②单位重量(或体积)的价格一般较高； ③多数实用化历史较短，开发余地很
大； ④竞争激烈．更新速度快； ⑤是一种多学科交叉研究的产物。
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18、19世纪蒸汽机、电动机的发明对金属材料提出 了更高的要求，同时对钢铁冶金技术产生了更大的推 动作用。炼钢技术大大促进了机械制造、交通铁路及 纺织业的发展。随之，各种特殊钢如高速钢、硅钢及 不锈钢相继问世，铜、铝业得到大量应用，其他金属 和合金也都出现，从而使金属材料在20世纪占据了主 导Байду номын сангаас位。铜、铁和其他合金的发现与应用是材料发展 的第二阶段。在这一阶段，金属（主要是铁和钢）确 立了工业材料的绝对权威。这个阶段的特点是人类从 自然界提取有用的材料。
现代社会对研制新一代材料提出了结构和功能相结 合的要求。即材料不仅能作为结构材料使用，而且具 有特殊功能或多种功能。同一构件、设备、器件可能 是结构材料和功能材料的结合。如航天航空器既有特 殊结构材料，又有特殊的功能材料。
一、材料分类
功能材料
从材料来源上看，材料可分为天然材料和合成材 料。人类为了生存发展，一方面从大自然中直接获取 天然材料。 天然材料——选择天然有形物质直接或进行简单 加工改造的材料，如沙石、木材、石材、天然纤维、 天然橡胶等等。 另一方面，要合成新的材料供生产生活需要。 合成材料——通过化学或物理手段，利用化学原 料制取不能从自然界直接得到的新型材料。如合金、 玻璃、陶瓷、合成高分子等。 从功能上看，材料可以分为结构材料和功能材料。
讲授内容：
绪论 第一章 第二章 第三章 晶体结构基础 凝聚态材料简介 磁性材料
第九章 特殊功能合金 （膨胀合金、储氢合 金、形状记忆合金）
第十章 薄膜功能材料 第十一章 电阻及导电 材料
还有化学功能材料如 高分子试剂、催化剂，高 分子药物，生物医学材料 不讲
第四章 半导体材料 第五章 光功能材料
第六章 功能陶瓷

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电功能材料
–电功能材料按导电机理可分为：电子导电材料和离 子导电材料两大类。电子导电材料包括导体、超导 体和半导体。
–导体材料的电阻率随着温度升高而升高。分类:金属 材料，合金材料（铂铑-铂热电偶），无机非金属材 料。
–半导体材料具有负的电阻温度系数。
–半导体的导电机理：半导体的导电来源于电子（导
D4h
四氟化氙
Ih
D5h 二茂铁重叠式构象、C70富勒烯
富勒烯
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对称操作的表示矩阵
•恒等操作E的表示矩阵
•反映操作σxy的表示矩阵
•反演操作i的表示矩阵
•旋转Cn操作矩阵方程,绕Z轴
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对称操作的表示矩阵
• 旋转-反映操作Sn的表示矩阵
(绕 z 轴按逆时针方向转动 θ 角)
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对称操作群
• 群的定义：按照某种规律联系着的一组元素的集合。 对于给定的乘法满足下述四条公设：满足封闭性、结 合律成述
• 功能材料定义: 在声、光、电、磁、热及化学性能上有 特殊效应的，用于非结构目的的(高技术)材料。
• 功能材料分类: 根据材料的化学组成、应用领域、使用 性能进行分类。
• 功能材料的现状: 现已开发的以物理功能材料最多 有， 单功能材料，功能转换材料，多功能材料，复合 和综合功能材料，新形态和新概念功能材料。化学和 生物功能材料的种类较少，但其发展速度很快，其功 能也更多样化。
对称元素符号 E Cn
σv i Sn
对称元素 恒等操作
旋转
镜面 对称中心
映轴
对称操作符号 E
C i 、C s、C 5 σv、σh、σd
i S1n=σC1n
对称操作 恒等操作 绕C n轴转3600/n