(现代功能材料课件)补充

【练一练】
高分子材料发展的主要趋势是高性能化、功能 化、复合化、精细化和智能化，下列材料不属 于功能高分子材料的是（ B ）
A．用于生产光盘等产品的光敏高分子材料 B．用于制造CPU芯片的良好半导体材料单晶硅 C．能用于生产“尿不湿”的高吸水性树脂 D．能导电的材料掺杂聚乙炔
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3.功能高分子材料的用途 功能高分子材料广泛应用于通信、交通、 航空航天、医疗、医药、建筑、印刷、海 水淡化、农林园艺等领域。
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2.高吸水性树脂的用途 高吸水性树脂就可以在干旱地区用于农业、
林业、植树造林时抗旱保水，改良土壤，改造沙 漠。
网状结构
的化合物聚合得到
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三、功能高分子材料的实例
1.高吸水性树脂的获得 获得高吸水性树脂，主要有如下两种方法： （1）对淀粉、纤维素等天然吸水材料进行 改性，在它们的高分子链上再接上含强亲水 性原子团的支链，以提高它们的吸水能力； （2）以带有强吸水性原子团的化合物为单 体，均聚或两种单体共聚得到亲水性高聚物。

《材料物理导论》
第7章
功能陶瓷材料物理
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前言
材料可以分成三大类，金属、陶瓷、有机高分子。
金属材料的基本特征是：由金属元素原子构成，原子之间 的结合是金属键，含有许多自由电子。
有机高分子材料的基本特征是：主要由碳、氧、氢、硅等 非金属元素原子构成，原子之间的结合主要是共价键，一般 没有自由电子。
为了提高陶瓷质量，人们对粉料制备进行了许 多研究，发明了多种制备超细陶瓷粉料的方法。其 中，湿化学法尤其重要。
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1、共沉淀法
共沉淀是指溶液中一种不溶或难溶成分在形成沉淀过程中， 将共存的某些其它组分一起带着沉淀下去的现象。
共沉淀的原理基于表面吸附、形成混晶、异电核胶态物质相 互作用及包藏等。
金属蒸汽真空弧离子源离子注入离子束增强辅助沉积等离子源离子注入激光表面合金化激光化学气相沉积等离子体辅助化学气相沉积双层辉光等离子体表面合金化脉冲高能量等离子体表面改性技术离子注入装置举例离子注入材料表面改性的强化机理离子注入后能显著提高材料表面的硬度耐磨性耐疲劳性抗腐蚀和抗氧化等性能其改性的机理认为主要有以下几种
高度均匀性，高纯性，可降低烧结温度，可在分子水平上进
行组元控制。
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例: YSZ粉的Sol－Gel法制备 异丙醇锆 醋酸钇
↓混合搅拌 均匀溶液
↓吸水；水解－聚合反应 溶胶 ↓干燥 凝胶
↓ 煅烧
↓ YSZ粉末 纳米级大小
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三、一些特殊的烧结方法：
1、热压烧结：
就是在对样品施加压力的条件下烧结。
吸附共沉淀：特征是主沉淀成分表面积大、吸附力强， 故吸附和富集效率高。
混晶共沉淀：两种金属离子和一种沉淀剂形成的晶形、 晶核相似的晶体，称为混晶。如PbSO4-SrSO4混晶。

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功能高分子的特点
1.用途特殊，专一性强 2.品种多，用量不大 3.质量轻（与其它功能材料相比） 4.制备途径多，可设计性强
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二、功能材料的分类
随着技术的发展和人类认识的扩展，新型的功能材料 不断被开发出来，因此对其也产生了许多不同的分类方 法。从功能的不同考虑，可将功能材料分为以下四类。
❖ 新的聚合方法：阳离子活性聚合、基团转移聚合、 活性自由基聚合、等离子聚合等等；
❖ 新结构的聚合物：新型嵌段共聚物、新型接枝共 聚物、星状聚合物、树枝状聚合物、超支化聚合 物、含C60聚合物等等。
பைடு நூலகம்
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高分子的发展方向：
通用高分子的高性能化和高分子的多功能化
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功能高分子
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功能材料涉及面较广，具体包括光、电功能， 磁功能，分离功能，形状记忆功能等。
这类材料相对于通常的结构材料而言，一般除 了具有机械特性外，还具有其他的功能特性。
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材料的特定的功能与材料的特定结构是相联系的。 如对于导电聚合物来说，它一般具有长链共轭双键； 金属结构中由于弹性马氏体相变能产生记忆效应， 因此出现了形状记忆合金；压电陶瓷晶体必须有极 轴等。
（3）物理化学功能
①电学功能材料：如超导体，导电高分子等； ②光学功能材料：如光导纤维、感光性高分子等； ③能量转换材料：如压电材料、光电材料。
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(4)生物化学功能
①医用功能材料：人工脏器用材料如人工肾、人工心肺， 可降解的医用缝合线、骨钉、骨板等； ②功能性药物：如缓释性高分子，药物活性高分子，高分 子农药等； ③生物降解材料

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• 在制备工艺上，突破了传统陶瓷以炉窑为主 要生产手段的界限，广泛采用真空烧结，保 护气氛烧结、热压、热静压等手段。
• 在性能上，特种陶瓷具有不同的特殊性质和 功能，如高强度、高硬度、耐腐蚀、导电、 绝缘以及在磁、电、光、声、生物工程各方 面具有的特殊功能，从而使其在高温、机械、 电子、宇航、医学工程各方面得到广泛的应 用。
• 陶瓷器即使在高温下仍保持坚硬、不燃、不生 锈，能承受光照或加压和通电，具有许多优良
性能
• 广义陶瓷定义为无机原料经过热处理后的“陶
瓷器”制品的总称
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1.1 精细陶瓷定义与分类
• 相对这种用天然无机物烧结的传统陶瓷
➢精细陶瓷 (Fine Ceramics)又称先进陶瓷(Advan ced Ceramics)： 以精制的高纯天然无机物或人工合成的 无机化合物为原料，采用精密控制的制 造加工工艺烧结，具有远胜过以往独特 性能的优异特性的陶瓷
(定义、分类、特性、制备方法、应用)
• 功能陶瓷材料
(电介质陶瓷、敏感陶瓷、磁性陶瓷、 超导陶瓷、生物陶瓷)
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第一节 精细陶瓷
• 精细陶瓷作为仅次于金属、塑料的“第三类材 料”，正在越来越多地在结构材料方面崭露头
脚，成为现代工程材料的三大支柱之一
• 陶瓷原大多数指料
郑伟宏
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1、陶瓷材料的发展概况
陶瓷在人类生活和社会建设中是不 可缺少的材料，它和金属材料、高分子 材料并列为当代三大固体材料。
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我国的陶瓷研究历史悠久、成就辉煌， 它是中华文明的伟大象征之一，在我国 的文化和发展史上占有极其重要的地位。

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 。

❖资 源 ❖能 源 ❖环 保 ❖经 济 ❖质 量
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考虑到上述各种因素之后，有人提出材 料应该定义为：
人类社会所能够接受的经 济地制造有用器件的物质
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2、 材料科学及其发展
第一代（天然材料）：自然界的矿物、植物以及动物 第二代（烧炼材料）：烧结：砖瓦、陶瓷、玻璃、水泥；
功能材料概论
Introduction to Functional Materials
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课程简介
课程性质：专业基础课
先修课程：无机化学，物理化学，高分子化学，高分子物理
总 学 时： 36学时
教 材：《功能材料概论》殷景华 王雅珍等编
参 考 书： 现代功能材料及其应用—郭卫生, 汪济奎 功能材料学——周馨我 新型功能材料—— 贡长生，张克立
课程内容： 1．功能材料的科学基础
2．金属功能材料
3．无机非金属功能材料
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4．功能高分子材料
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第一章 绪 论
现代文明的三大支柱-----能源、信息和材料。 材料是一切技术发展的物质基础。
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一、材料科学及其发展
1、 什么是材料？
材料是可以用来制造有用的构件、器 件或物品的物质。师昌绪主编：《材料大辞典》
冶炼：铜铁 第三代（合成材料）：20世纪初出现化工产品，塑料、
橡胶、纤维等已广泛用于生活。 第四代（可设计材料）：前三代为单一产品，于是根据需
要设计特殊性能的材料。例20世 纪40年代的复合材料 第五代智能材料： 近三、四十年研制的新型功能材料， 例记忆合金等。
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第三章 磁性材料－§3.1 软磁材料
3、高斯织构硅钢片
结构特点：
➢ 易磁化方向[100]与轧制方向平行 ➢ 难磁化方向[111]与轧制方向成55角
轧 [100] 制 方 向
55
[111] [110]
➢ 中等磁化方向[110]与轧制方向成90角
横向
高斯织构硅钢片具有磁各向异性，沿[100](轧制方向)磁性能最佳。
3、主要用途
直流磁场下工作的磁性元件，如电磁铁和继电器的铁芯。
第三章 磁性材料－§3.1 软磁材料
电工用硅钢片
在纯铁中加入1.04.0%Si的铁碳硅合金。 Si的加入，提高了电阻率，从而减少涡流损耗。
1、电工用硅钢片的种类
硅钢片按生产方法、结晶织构和磁性能的分类：
电工用硅钢片
热轧非织构（无取向）硅钢片 冷轧非织构（无取向）硅钢片 冷轧高斯织构（单取向）硅钢片 冷轧立方织构（双取向）硅钢片
150·cm，为1J79铁镍合金的2～3倍。 ➢ 硬度、强度和耐磨性较高。
例如1J16的硬度和耐磨性比1J79合金高，适用于磁头等磁性器件。 ➢ 密度较低。
可以减轻磁性元件的铁芯质量。 ➢ 对应力敏感性小。
适于在冲击、振动等环境下工作。 ➢ 合金的时效性良好。
随着环境温度的变化和使用时间的延长，其磁性变化不大。
第三章 磁性材料－§3.1 软磁材料
2、铁铝合金的主要应用
铁和铝资源丰富、价格低廉，铁铝合金的磁性能与铁镍合金类似， 同时还具有一些独特的优点，因此是铁镍合金的一种替代材料，适用于 电子变压器、磁头和磁致伸缩换能器等方面。
铁铝合金的牌号、主要成分、特点和用途
牌号 铝含量 /%
特点
主要用途
1J6

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先进陶瓷（Advanced ceramics）又称现代陶瓷， 是为了有别于传统陶瓷而言的。
先进陶瓷有时也称为精细陶瓷(Fine Ceramics)、 新型陶瓷(New Ceramics)、特种陶瓷(Special Ceramics)和高技术陶瓷(High-Tech. Ceramics)等。
目前，功能陶瓷主要用于电、磁、光、声、热
和化学等信息的检测、转换、传输、处理和存储等，
并已在电子信息、集成电路、计算机、能源工程、
超声换能、人工智能、生物工程等众多近代科技领
域显示出广阔的应用前景。
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根据功能陶瓷组成结构的易调性和可控性，可 以制备超高绝缘性、绝缘性、半导性、导电性和超 导电性陶瓷；
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黏土作用概括为五个方面：
1)黏土的可塑性是陶瓷坯泥赖以成形的基础。 2)黏土使注浆泥料与釉料具有悬浮性与稳定性。 3)黏土一般呈细分散颗粒，同时具有结合性。 4)黏土是陶瓷坯体烧结时的主体，黏土中的Al2O3含量和杂质含
量是决定陶瓷坯体的烧结程度、烧结温度和软化温度的主要 因素； 5)黏土是形成陶器主体结构和瓷器中莫来石晶体的主要来源。
黏土的组成：黏土的组成可从几个方面来分析，一般可 从矿物组成、化学组成和颗粒组成三个方面来进行分析。
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黏土的性质 黏土的性质对陶瓷的生产有很大的影响。它主要包括可塑 性、结合性、离子交换性、触变性、干燥收缩和烧成收缩、烧 结温度与烧结范围和耐火度等。
黏土的工艺性质 主要取决于黏土的矿物组成、化学组成与颗粒组成。其中， 矿物组成是基本因素。 黏土在加热过程中的变化包括两个阶段：脱水阶段与脱水 后产物的继续转化阶段。

按定义1分类： 1.利用物性：
电-----半导体材料，超导材料，电阻材料 磁-----磁记录材料，磁屏蔽材料 光-----光纤，光记录材料 热-----热敏电阻 其他 ---- 触点材料，集成电路基片材料 2.利用物----物转换：光电子材料，磁敏材
料 3.利用力----物转换：压电材料，力敏材料 4.利用化----物转换：气敏材料，湿敏材料
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§1-5 功能材料的性能 一．半导体的导电性 １.本征电导与本征半导体
半导体材料的禁带很小，在外界作用下， 价带上的电子可跃迁到较高能级的空带上， 在价带上留下空穴。在电场作用下，两者 均可参与导电。 载流子：电子+空穴 相应的半导体－本征半导体
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2. 掺杂半导体
Ａ
．施主能级与n型半导体
在四价的单晶硅中掺入五价的原子(例如 Ｐ)，成键后，多余一个电子，其能级接近 导带，易激发至导带，此能级被称为施主
主题1 半导体材料器件的可靠性 主题2 半导体陶瓷 主题3 光存储材料(光盘) 主题4 磁存储材料(磁卡) 主题5 器件的封装 主题6 敏感材料(报警方面的应用) 主题7 光电子材料 主题8 光纤材料 主题9 压电材料 主题10 磁性记忆合金 主题11 贮氢材料及其他电池材料 主题12 磁阻效应及其应用
形成能带； 2. 满带—若能带被2N个电子所填满，则
3.
4.
所产生的电流正好一一抵消，无电流产生，
且外电场不改变满带中电子的分布；
5. 3． 部分填充能带中的电子可以导电(导带)—
电场作用下，电子在布里渊区的分布不再对称，
总电流不为零。
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二. 导体的能带结构与导电性
1. 金属的能带结构 2. (Ｅv—价带顶，Ec—导带底)：