1、新型功能材料 教材：功能材料導論李廷希,張文麗 (中南大學出版社 2011) 主要參考書1、新型功能材料- 貢長生，張克立(化學工業出版社, 2001)2、現代功能材料及其應用郭衛生, 汪濟奎（化學工業出版社, 2002） 3、功能材料學-周馨我 (北京理工大學出版社, 2002)4、現代功能材料-陳玉安，等（重慶大學出版社, 2008）5、功能材料概論-殷景華 王雅珍 （哈爾濱工業大學出版社,1999）課程主要內容第一章 緒 論 第二章 電性功能材料 電子導體材料 半導體材料 （太陽能電池） 離子導體材料（固體氧化物燃料電池）第三章 超導材料課程主要內容第四章 新能源材料 儲氫材料（鎳氫電池

2、） 鋰離子電池第五章 磁性材料第六章 敏感材料 熱敏材料 氣敏材料 熱釋電材料課程主要內容第七章 智能材料 形狀記憶合金 壓電、鐵電材料第八章 光學材料 發光材料 激光材料總評考試成績 平時成績即 10060401、考試成績 常規閉卷，滿分100，占602、平時成績： 到課和聽講（課堂回答問題）情況10分、 作業完成情況10分 文獻閱讀、分組討論情況20分課程考察與成績評定方式：（討論）緒論功能材料的發展概況、概念、分類1功能材料的制備及表征簡介2功能材料的現狀和展望3概況863計劃：我國制定了高技術發展計劃綱要，被評選列入的七個技術群是生物技術、信息技術、激光技術、航天技術、自動化技術、新能

3、源技術和新材料技術。973計劃：國家重點基礎研究發展計劃概況材料科學與工程一般都認為由四要素組成，即結構/成分、合成/流程、性能與效能。概況新材料發展的重點已經從結構材料轉向功能材料。功能材料被譽為2l世紀人類文明的重要支柱！例如：若傳遞信息的頻帶為4萬兆赫，對于同樣100m長的電纜與光纖來說差別迥異：銅電纜：直徑為58mm的銅纜656股，總重量：219,760千克，電纜外部直徑1458mm，價格131.2萬美元;光纖： 直徑8.7mm的光纖一根，重量6.6千克，價格680美元。 功能材料(Functional Materials)是指那些具有優良的電學、磁學、光學、熱學、聲學、力學、化學、生

4、物醫學功能，特殊的物理、化學、生物學效應，能完成功能相互轉化，主要用來制造各種功能元器件而被廣泛應用于各類高科技領域的高新技術材料。 功能材料是新材料領域的核心，是國民經濟、社會發展及國防建設的基礎和先導。 功能材料成為世界各國新材料研究發展的熱點和重點，也是世界各國高技術發展中戰略競爭的熱點。在全球新材料研究領域中，功能材料約占 85 % 。概況概況 功能材料涉及面很廣，包括信息技術、生物工程技術、能源技術、納米技術、環保技術、空間技術、計算機技術、海洋工程技術等現代高新技術及其產業。 功能材料不僅對高新技術的發展起著重要的推動和支撐作用，還對我國相關傳統產業的改造和升級，實現跨越式發展起著

5、重要的促進作用。 概念功能材料是指通過光、電、磁、熱、化學、生化等作用后具有特定功能的材料。功能材料 (Functional Materials)特種材料 (Speciality Materials)精細材料 (Fine Materials)分類按材料的物質性：金屬功能材料、無機非金屬功能材料、有機功能材料和復合功能材料；按材料的功能特性：磁學功能材料、電學功能材料、光學功能材料、聲學功能材料、熱學功能材料、力學功能材料、生物醫學功能材料等；按材料用途：儀器儀表材料、傳感器材料、電子材料、電信材料、儲能材料、儲氫材料、形狀記憶材料等。分類 種類 功能特性應用示例導電、超導、電阻材料導電性電極、

6、導線、超導發電機、超導線圈、線繞電阻器熱敏、氣敏材料熱敏、氣敏性測量元件、熱敏開關、氣敏傳感器熱釋電材料熱釋電效應人體熱輻射探測器，紅外熱像儀磁性材料導磁作用、磁性轉換塑料磁石、磁帶、磁盤新型能源材料光化學效應、光伏效應、鋰離子電池、固體燃料電池、太陽能電池智能材料形狀記憶效應、壓電效應、鐵電效應、電致伸縮效應自愈傷水泥、自適應機翼、傳感器、換能器、形狀記憶合金光學材料光致發光、光折射、衍射熒光粉、發光離子探針、光導纖維、光子晶體分類材料的功能顯示過程是指向材料輸入某種能量，經過材料的傳輸或轉換等過程，再作為輸出而提供給外部的一種作用。輸入材料輸出功能材料按其功能的顯示過程又可分為一次功能材料

7、和二次功能材料。 當向材料輸入的能量和從材料輸出的能量屬于同一種形式時，材料起到能量傳輸部件的作用。材料的這種功能稱為一次功能。以一次功能為使用目的的材料又稱為載體材料。、一次功能一次功能主要有下面的八種力學功能。如慣性、粘性、流動性、潤滑性、成型性、超塑性、恒彈性、高彈性、振動性和防震性。聲功能。如隔音性、吸音性。熱功能。如傳熱性、隔熱性、吸熱性和蓄熱性等。電功能。如導電性、超導性、絕緣性和電阻等。磁功能。如硬磁性、軟磁性、半硬磁性等。光功能。如遮光性、透光性、折射光性、反射光性、吸光性、偏振光性、分光性、聚光性等。化學功能。如吸附作用、氣體吸收性、催化作用、生物化學反應、酶反應等。其他功能

8、。如放射特性、電磁波特性等。 當向材料輸入的能量和從材料輸出的能量屬于不同形式時，材料起能量的轉換部件作用，材料的這種功能稱為二次功能或高次功能。有人認為這種材料才是真正的功能材料。、二次功能二次功能按能量的轉換系統可分為如下四類。光能與其他形式能量的轉換； 電能與其他形式能量的轉換；磁能與其他形式能量的轉換；機械能與其他形式能量的轉換。如光合成反應、光分解反應、光化反應、光致抗蝕、化學發光，感光反應，光致伸縮，光生伏特效應和光導電效應。光能與其他形式能量的轉換如電磁效應、電阻發熱效應、熱電效應、光電效應、場致發光效應、電化學效應和電光效應等。電能與其他形式能量的轉換磁能與其他形式能量的轉換如

9、光磁效應、熱磁效應、磁冷凍效應和磁性轉變效應等。機械能與其他形式能量的轉換。如形狀記憶效應、熱彈性效應、機械化學效應、壓電效應、電致伸縮、光壓效應、聲光效應、光彈性效應和磁致伸縮效應等。無論哪種功能材料，其能量傳遞過程或者能量轉換形式所涉及的微觀過程都與固體物理和固體化學相聯系。正是這兩門基礎科學為新興學科功能材料科學的發展奠定了基礎，從而也推動了功能材料的研究和應用。它們把功能材料推進到功能設計的時代。所謂功能設計，就是賦予材料以一次功能或二次功能特性的科學方法。有人認為21世紀將逐漸實現按需設計材料。 用于功能材料制備的新方法很多。例如：快速凝固、鍍膜、超晶格、機械合金化、溶膠凝膠、極限(

10、極高溫、高壓、高真空、失重等)條件下制備的方法、復合及雜化、晶須及大單晶制備法等等。這些方法的發展與使用加快了新品種的開發和質量的提高。 功能材料制備用的新方法溶膠-凝膠法 (Sol-gel)： 前驅物(酯類化合物或金屬醇鹽)溶于溶劑中(水或有機溶液)形成均質溶液，溶質與溶劑發生水解或醇解反應形成溶膠，溶膠經蒸發干燥轉變為凝膠。凝膠經過干燥、燒結固化制備出分子乃至納米亞結構的材料。 其最基本的反應是： (1)水解反應：M(OR)n+H2O M(OH)x(OR)n-x+xROH (2)聚合反應： MOH+HOM MOM+H2O MOR+HOM MOM+ROH功能材料的制備溶膠-凝膠法的應用：功能

11、材料的制備功能材料的制備溶膠-凝膠法的優點： 起始原料是分子級，能制備較均勻的材料；高純度；組成成分較好控制，尤其適合制備多組分材料；可以控制孔隙度；容易制備各種形狀；制備過程溫度低。溶膠-凝膠法的缺點： 原料成本較高；反應影響因素較多；工藝過程時間較長；存在殘留小孔洞；存在殘留的碳；有機溶劑對人體有一定的危害性。功能材料的制備2. 化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition, CVD)： 反應物質在氣態條件(加熱、等離子激勵、光輻射等)下發生化學反應(熱分解、氧化還原、化學合成等)，生成固態物質沉積在加熱的固態基體表面，進而制得固體材料的工藝技術。 功能材料的制備 其

12、基本工藝過程是： 1. 氣化反應物并將其導入反應室； 2. 反應氣吸附在基片表面上，并發生化學反應； 3. 固體生成物在基片表面成核、生長。 主要設備：反應氣體的發生、凈化、混合和導入裝置；基片的加熱裝置；排氣裝置等。氫氣保護，10001050，鋼件表面鍍TiC：TiCl4(l)+CH4(g)TiC(s)+4HCl(g) TiCl4(l)+C(鋼) +2H2(g)TiC(s)+4HCl(g) 功能材料的制備化學氣相沉積法的應用： 廣泛用于提純物質、研制新晶體、淀積各種單晶、多晶或玻璃態無機薄膜材料。這些材料可以是氧化物、硫化物、氮化物、碳化物，也可以是III-V、II-IV、IV-VI族中的二

13、元或多元的元素間化合物，它們的物理功能可以通過氣相摻雜的淀積過程精確控制。功能材料的制備化學氣相沉積法的分類：按壓力分：常壓、低壓和超高真空；按氣相特性分：氣溶膠輔助CVD(AACVD)直接液體注入CVD(DLICVD)微波等離子輔助CVD(MPCVD)等離子增強CVD(PIECVD)等。功能材料的制備化學氣相沉積法的特點：可以制備多種金屬、合金、陶瓷和化合物薄膜；成膜速度快，每分鐘可達幾個或數百微米；繞鍍條件好，可在復雜形狀的基體上以及顆粒材料上鍍膜。適合涂覆各種復雜形狀的工件；薄膜純度高、致密性好、殘余應力小、結晶良好，沉積表面平滑；采用等離子和激光輔助技術可以顯著地促進化學反應，使沉積可

14、在較低的溫度下進行。 功能材料的制備3. 模板合成法(Template Synthesis)： 將具有特定結構的物質作為模板，通過物理或化學的方法將相關材料沉積到模板的孔中或表面，而后移去模板，得到具有模板規范形貌與尺寸的材料的過程。 模板合成法的特點： 多數模板不僅可以方便地合成，而且其性質可在廣泛范圍內精確調控；合成過程相對簡單；可解決納米材料的尺寸與形狀控制及分散穩定性問題；特別適合一維納米材料，如納米線(nanowires，NW) 、納米管( nanotubes，NT) 和納米帶(nanobelts) 的合成。功能材料的制備模板合成法的應用：多孔氧化鋁模板制備金納米陣列有機無機雜合空心

15、球的制備功能材料的制備4. 低溫固相合成法(Low Temperature Solid Phase Synthesis)： 在接近室溫(室溫-100)的條件下通過混合、研磨固體反應物直接形成生成物。常用的方法有直接合成法、前驅體法和輔助試劑參與法。 功能材料的制備 (1) 化學沉淀法：借助沉淀劑的作用，使溶液中的目的組分選擇性的形成不溶性物質析出，然后將溶劑和溶液中的陰離子洗去，得到沉淀后進行熱處理。 (2) 聚合物絡合法：利用聚合物特有的官能團將金屬離子配位在骨架內，反應物組元通過短程擴散反應生成納米粒子。 (3) 微乳液法：反應物組元和絮凝劑制成微乳液，在一定的微區內控制膠粒成核和生長，熱

16、處理后得到納米微粒。功能材料的制備(4) 水熱法：水熱合成是一條反應溫和、易控、節能和少污染的新合成路線。利用高溫高壓的水溶液使那些在大氣條件下不溶或難溶的的物質溶解，或反應生成該物質的溶解產物，通過控制高壓釜內溶液的溫差使產生對流以形成過飽和狀態而析出生長晶體的方法。功能材料的制備水熱合成是指溫度為1001000 、壓力為1MPa1GPa 條件下，利用水溶液中物質化學反應所進行的合成。在亞臨界和超臨界水熱條件下,由于反應處于分子水平,反應性提高,因而水熱反應可以替代某些高溫固相反應。又由于水熱反應的均相成核及非均相成核機理與固相反應的擴散機制不同,因而可以創造出其它方法無法制備的新化合物和新

17、材料。水熱法的特點：粒子純度高、分散性好、晶形好且可控制，生產成本低。用水熱法制備的粉體一般無需燒結，這就可以避免在燒結過程中晶粒長大而且雜質容易混入等缺點。5.機械合金化法 (mechanical alloying,MA) 也稱高能球磨技術（high energy ball milling）功能材料的制備功能材料的表征材料表征：材料的應用往往取決于材料性能，性能的好壞又往往和材料的結構以及化學組分有密切聯系，因此對于材料性能研究，通過表征手法來獲知其內部結構及化學組成相當重要。 組成表征：化學含量分析和原位分析方法。 結構表征：晶體結構分析，材料顯微分析和譜學分析。 性能表征：直接測試材料性

18、質，制成器件進行測試。功能材料的表征化學含量分析：酸堿滴定、絡合滴定、氧化還原滴定等化學分析方法；光度法、原子吸收光譜等儀器方法。原位分析方法：在不破壞材料狀態的情況下進行儀器分析，如X射線能譜儀、X射線熒光光譜等。功能材料的表征晶體結構分析：主要采用X射線衍射手段，如X射線單晶衍射、X射線粉末衍射XRD、原子熒光光譜儀AFS、擴展X-射線吸收精細結構EXAFS、X-射線吸收近邊結構XANES等。材料顯微分析：主要包括光學顯微鏡OM(0.8-150m)、透射電子顯微鏡TEM(0.001-5m)、掃描電子顯微鏡SEM等。譜學分析：電子衍射ED、中子衍射ND、紫外-可見光譜UV-vis、紅外光譜I

19、R、拉曼光譜、核磁共振譜NMR、質譜MS和熒光光譜LS等。功能材料的表征性能表征：熱分析技術：熱重TG、差示掃描量熱DSC、差熱分析DTA、熱機械分析TM等。電學測試技術：制成陶瓷器件，測其電導、電阻及溫度系數等；光譜法測半導體晶體的禁帶寬度、雜化能級等；電化學和光化學法測電池電動勢等。熒光測試技術：熒光吸收光譜測定磷光體激發特性；熒光發射光譜測磷光體發光特性。磁性測試技術：高斯計測定磁性；磁天平和磁強計測等溫和變溫過程分子磁體的磁化率等。功能材料的現狀和展望 當前功能材料及其應用技術正面臨新的突破，諸如超導材料、微電子材料、光子材料、信息材料、能源轉換及儲能材料、生態環境材料、生物醫用材料及

20、材料的分子、原子設計等正處于日新月異的發展之中，發展功能材料技術正在成為一些發達國家強化其經濟及軍事優勢的重要手段。功能材料的現狀和展望超導材料：以NbTi、Nb3Sn為代表的實用超導材料已實現了商品化，在核磁共振人體成像（NMRI）、超導磁體及大型加速器磁體等多個領域獲得了應用。能源材料：太陽能電池材料是新能源材料研究開發的熱點，IBM公司研制的多層復合太陽能電池，轉換率高達40%。美國能源部在全部氫能研究經費中，大約有50%用于儲氫技術。智能材料：國外智能材料的研發方面已取得很多技術突破，如英國宇航公司在導線傳感器，可用于測試飛機蒙皮上的應變與溫度情況；英國開發出一種快速反應形狀記憶合金，壽命期具有百萬次循環，且輸出功率高，以它作制動器時、反應時間，僅為10秒鐘。功能