功能材料介紹第1頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日講授內容：緒論第一章晶體結構基礎第二章凝聚態材料簡介第三章磁性材料第四章半導體材料第五章光功能材料第六章功能陶瓷第七章能量轉換材料第八章功能高分子材料第九章特殊功能合金（膨脹合金、儲氫合金、形狀記憶合金）第十章薄膜功能材料第十一章電阻及導電材料

還有化學功能材料如高分子試劑、催化劑，高分子藥物，生物醫學材料不講重點前八章第2頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日

概論一、材料及材料發展簡史1、材料材料是人類賴以生存和國民經濟發展的物質基礎。材料、信息、能源被公認為現代文明的三大支柱。80年代，又把新材料、信息技術和生物技術并列為新技術的重要標志。什么是材料？材料是人類用于制造物品、器件、機器或其他產品的物質。材料技術是探討材料的制備、結構、性能、功效及其相互關系的技術。當代每一項重大技術的出現都依賴于新材料的發展。例如：第3頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日半導體材料的發現和發展導致了微電子工業、大規模集成電路、高速運算計算機等的出現；高溫材料及高性能結構材料的出現使航空航天技術快速發展；低損耗光導纖維使當今你蓬勃發展的光纖通信得以實現；等等。材料科學是物理、化學、冶金學、金屬學、陶瓷學、醫學、生物學及計算科學等多學科交叉融合的結果。材料技術的基本原理植根于凝聚態物理、物理化學和合成化學。物理學及物理技術為材料科學提供了強有力的理論和實驗研究手段，材料的組織、結構及性能的研究都離不開物理學。第4頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日

2、材料的發展史人類發展的歷史證明，材料的發展導致時代變遷。人類的歷史曾以使用的主要材料來劃分，如石器時代、銅器時代和鐵器時代等。早在100萬年前，人類開始使用石頭做工具，使人類進入舊石器時代。大約1萬年前，人類能對石頭進行加工，使石頭成為精制的器皿和工具，從而進入新石器時代。在新石器時代，人類開始用毛皮遮身。8000年前，中國開始用蠶絲做衣服。4500年前，印度人開始種植棉花，這些都標志著人類使用材料促進人類文明進步。此外，人類還使用竹、木、骨等原始天然材料，不經或稍許加工而制成工具或用具。這是材料發展的初始階段，其特點是人類單純選用天然材料。第5頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日人類還處于新石器時代，就已經發明了粘土成型，在火燒固化而得到陶器，用作器皿或裝飾品。陶器的出現，是對人類文明的一大促進。在燒制陶器的過程中，又偶然發現了銅和錫，實際上是銅和錫的氧化物在高溫下被碳還原的產物，進而生產出色澤鮮艷且能澆鑄的青銅，使人類進入青銅時代。這是人類較大量使用金屬的開始。希臘、印度、埃及和中國都在公元前3000年左右進入青銅時代。中國在商周處于青銅時代的鼎盛時期，湖北隋縣出土的編鐘、西安青銅馬車都反映當時中國冶金技術水平和高超的制造工藝。公元前13-14世紀，人類開始使用鐵。3000年前的鐵器比青銅器更為普遍，人類開始進入鐵器時代。第6頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日到春秋末期，中國的生鐵技術遙遙領先于其他國家。如生鐵退火而制成的韌性鑄鐵以及生鐵煉鋼技術發明，促進了當時生產力的大發展，對農業、水利和軍事的發展起到了極大的作用，推動了世界的文明與進步。

18、19世紀蒸汽機、電動機的發明對金屬材料提出了更高的要求，同時對鋼鐵冶金技術產生了更大的推動作用。煉鋼技術大大促進了機械制造、交通鐵路及紡織業的發展。隨之，各種特殊鋼如高速鋼、硅鋼及不銹鋼相繼問世，銅、鋁業得到大量應用，其他金屬和合金也都出現，從而使金屬材料在20世紀占據了主導地位。銅、鐵和其他合金的發現與應用是材料發展的第二階段。在這一階段，金屬（主要是鐵和鋼）確立了工業材料的絕對權威。這個階段的特點是人類從自然界提取有用的材料。第7頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日一、材料分類功能材料從材料來源上看，材料可分為天然材料和合成材料。人類為了生存發展，一方面從大自然中直接獲取天然材料。

天然材料——選擇天然有形物質直接或進行簡單加工改造的材料，如沙石、木材、石材、天然纖維、天然橡膠等等。另一方面，要合成新的材料供生產生活需要。

合成材料——通過化學或物理手段，利用化學原料制取不能從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。從功能上看，材料可以分為結構材料和功能材料。第8頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日結構材料—通常指具有力學承載功能的材料。體積較大，常被稱為第一代材料。如建筑材料、機械制造材料，用于制造工具、機器、車輛，修建房屋、橋梁、道路等。另一類材料是功能材料。功能材料的概念最早由美國的Morton與1965年提出。功能材料——指具有光、電、磁、聲、熱、化學、生物等特定功能和性質的材料。用于非承載目的，涉及面很廣。如電阻及導電材料、磁性材料、介電材料、發光材料、光電材料、電極材料、壓電材料、聲光材料、電光材料、磁光材料、超導材料、智能材料、仿生材料等。利用他們可以制造具有記錄、儲存、信息傳輸等功能元器件，在電子、激光、光電、通信、生物醫學等許多新技術領域有廣泛應用。第9頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日現代高新技術的發展如微電子、激光、光電、能源、計算機、信息等技術的興起，強烈地刺激著現代功能材料的發展。三、功能材料的特征和分類功能材料的范圍還沒有嚴格的界限。一般認為功能材料的特征如下：1、用于非結構目的，是現代材料中比較高級的材料。它排除了用于結構目的的一般結構材料和高級結構材料（如高溫合金、結構陶瓷等），也排除了像普通玻璃、普通塑料、耐火磚之類的一般非力學性能的普通材料，但包含了彈性材料那樣屬于力學性能（非承載功能）的非結構材料。第10頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日2、結構材料常以材料形式為最終產品，功能材料常以元件形式為最終產品，即材料-元件一體化。結構材料的功能常與宏觀物體的運動聯系。功能材料的功能常與物體的微觀運動聯系。功能材料的制備技術不同于結構材料，而采用許多先進新工藝和新技術如超凈、超純、薄膜化、集成化、微型化、智能化以及精細控制和檢測技術。功能材料元件體積小，如傳感器件、電子器件等。現代社會對研制新一代材料提出了結構和功能相結合的要求。即材料不僅能作為結構材料使用，而且具有特殊功能或多種功能。同一構件、設備、器件可能是結構材料和功能材料的結合。如航天航空器既有特殊結構材料，又有特殊的功能材料。第11頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日分類：很難有統一的認識，常見的分類方法有：1、按材料的物理化學屬性（化學鍵、成分）：無機功能材料有機功能材料復合功能材料（高分子基、金屬基、陶瓷基復合材料）金屬功能材料無機非金屬功能材料（玻璃、陶瓷）2、按物理性質或功能：磁性、電性、光學、力學、聲學、化學、生物醫學、核功能材料及功能轉換材料等。第12頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日進一步細分：如光學功能材料包括非線性光學材料、發光材料、紅外材料、感光材料、激光材料等。功能轉換材料包括壓電材料、光電材料、熱電材料、磁光材料、電光材料、聲光材料、磁致伸縮材料等。3、按服役技術領域：儀表材料，傳感材料、電子材料，電工材料、信息材料，核材料，能源材料，隱身材料，航天航空材料、生物醫學材料等等。還可以細分：如信息材料可以分為信息檢測與獲取材料、信息傳輸材料、信息存儲材料、信息處理材料等。傳感材料包括氣敏、濕敏、光敏、壓敏、磁電阻材料等。第13頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日4、按聚集態：氣態、液態、固態、液晶態、混合態功能材料。細分：固態分為晶態（單晶、多晶）、非晶、準晶，或單相、多相、復合材料。5、按材料形態：體積、膜、纖維、顆粒功能材料6、按維度三維、二維、一維、零維功能材料。三維材料即固態材料，二維、一維、零維材料稱為低維材料。二維材料指超薄膜、量子阱、超晶格材料，一維材料指直徑極小的纖維、高分子、納米線、納米管等，零維材料指原子團簇、納米顆粒、量子點材料。第14頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日系統設計，選擇與服務目標相適應的材料，“量體裁衣”2、創制新材料，根據性能再開發利用無預先設定或意向性，從基礎研究范疇，發現和研究材料的性能，在做相應的開發應用例：目前納米材料的研究，開始是發現和研究其各種特殊性能，沒有明確的應用目標。如小尺寸效應、量子尺寸效應、表面效應等。根據這些性能，研發出各種功能材料，如光催化劑，納米電子功能器件，特種陶瓷，特種磁性材料等等1、根據要求進行材料的定制設計四、功能材料的開發途徑第15頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日五、功能材料學科研究內容

1、研究功能材料的設計、合成、制備、提純、改性等工藝。

2、研究功能材料的物理與化學組成、結構。

3、研究功能材料的性能及應用開發。

4、功能材料的結構表征與性能測試實驗技術。

六、功能材料的發展趨勢

1、開發極端條件下的高性能功能材料。極端條件指超高壓、超高溫、超低溫、強腐蝕、高真空、強激光、高輻照等。第16頁，共17頁，2023年，2月20日，星期日

2、從單一功能向多功能或綜合功能方向發展，從低級功能（如單一物理功能）向高級功能（如人工智能、