第一章功能材料概述功能材料的概念、分類及特點功能設計的概念及方法功能材料定義 以特殊的電、磁、聲、光、熱、力、化學及生物學等性能作為主要性能指標的一類材料。即在聲、光、電、磁、熱及化學性能上有特殊效應的，用于非結構目的的高技術材料。

1965年由美國貝爾實驗室的J.A.Morton博士首先提出功能材料概念。功能材料一般可將一種物理量轉換成另一種物理量，例如太陽能電池的光電轉換。功能材料定義…continue科學技術的突飛猛進對功能材料的需求日益迫切。新的功能材料已成為新技術和新興工業發展的關鍵。例：沒有超純石英玻璃纖維，激光-光纖通信就難以實現；高分子反滲透薄膜應用于海水淡化，正在代替耗能大、成本高的蒸發法和離子交換法；非晶硅光電材料，使太陽能電池具有工業應用意義。此外，還有壓電、熱敏、光敏、透紅外、微波、傳感、電磁、換能及生物功能陶瓷、形狀記憶合金、超導材料、防振合金、超塑性金屬、超微粒子等等。它們在現代科學技術領域中，有各種神奇妙用。每一種新功能材料的誕生都標志著新技術的進步，而每一項新技術都伴隨著新功能材料的突破。

功能材料的的品種繁多，目前已達十多萬種，而且還以每年百分之五的增長率不斷增加。功能材料分類功能材料種類繁多，涉及面廣，有多種分類方法。目前主要是根據材料的化學組成、應用領域、使用性能進行分類。

按化學組成分類金屬功能材料

陶瓷功能材料

有機高分子功能材料

復合功能材料…按應用領域分類電工功能材料

能源功能材料

信息功能材料

光學功能材料

儀器儀表功能材料

航空航天功能材料

生物醫學功能材料

傳感器用功能材料…按使用性能分類電功能材料

磁功能材料

光功能材料

熱功能材料

化學功能材料

生物功能材料

聲功能材料

隱形功能材料…功能材料的現狀

近年來，功能材料迅速發展，已有幾十大類，10多萬種，且每年都有大量新品種問世?，F已開發的以物理功能材料最多，主要有：

1）單功能材料，如：導電材料、介電材料、鐵電材料、磁性材料、磁信息材料、發熱材料、熱控材料、光學材料、激光材料、紅外材料等。

2）功能轉換材料，如：壓電材料、光電材料、熱電材料、磁光材料、聲光材料、磁敏材料、磁致伸縮材料、電色材料等。功能材料的現狀

…continue3）多功能材料：如防振降噪材料、三防材料（防熱、防激光和防核）、電磁材料等。4）復合和綜合功能材料，如：形狀記憶材料、隱身材料、傳感材料、智能材料、顯示材料、分離功能材料、環境材料、電磁屏蔽材料等。5）新形態和新概念功能材料，如：液晶材料、梯度材料、納米及其它非隨機缺陷材料、非平衡材料等。

*化學和生物功能材料的種類較少，但其發展速度很快，其功能也更多樣化。

功能材料的發展趨勢

1）開發高技術所需的新型功能材料，特別是尖端領域（航空航天、分子電子學、新能源、海洋技術和生命科學等）所需和在極端條件下（超高溫、超高壓、超低溫、強腐蝕、高真空、強輻射等）工作的高性能功能材料；2）功能材料的功能從單功能向多功能和復合或綜合功能發展，從低級功能向高級功能發展；3）功能材料和器件的一體化、高集成化、超微型化、高密積化和超分子化；功能材料的發展趨勢…continue

4）功能材料和結構材料兼容，即功能材料結構化，結構材料功能化；5）進一步研究和發展功能材料的新概念、新設計和新工藝；6）完善和發展功能材料檢測和評價的方法；7）加強功能材料的應用研究，擴展功能材料的應用領域，加強推廣成熟的研究成果，以形成生產力。功能材料的特點

電功能材料

以特殊的電學性能或各種電效應作為主要性能指標的一類材料。

半導體材料

常規導體材料

超導材料

電接點（觸頭）材料 …功能材料的特點…continue

按導電機理可分為：電子導電材料和離子導電材料兩大類。

電子導電材料包括導體、超導體和半導體.

離子導電材料的導電機理源于離子的運動，由于離子的運動速度遠小于電子的運動速度，因此其電導率較小。

功能材料的特點…continue導體材料電阻率隨著溫度升高而升高，這是導體的一個特征分類:（1）金屬材料。電導率在107~108

s/m之間；例:銀（6.63×107

s/m

）銅（5.85×107

s/m

）鋁

（3.45×107

s/m

） （2）合金材料。電導率在105~107S/m之間；例:黃銅（1.60×107

s/m

），鎳鉻合金（9.30×105s/m

） （3）無機非金屬材料。電導率在105~108

s/m之間。例:石墨在基晶方向為2.5×106

s/m。功能材料的特點…continue導體材料應用金屬導體材料主要用作：電纜材料、電機材料、導電引線材料、導體布線材料、輻射屏蔽材料、電池材料、開關材料、傳感器材料、信息傳輸材料、釋放靜電材料和接點材料等，還可以作成各種金屬填充材料和金屬復合材料。

合金導體材料主要用作電阻材料和熱電偶材料，如鉑銠-鉑熱電偶等。非金屬導體材料主要用作耐腐蝕導體和導電填料。功能材料的特點…continue半導體材料

導電性能介于金屬和絕緣體之間；（σ＝10-7～104）具有負的電阻溫度系數。（導體具有正的電阻溫度系數）功能材料的特點…continue半導體材料當大量原子(N個)結合成晶體時（1019個原子大約可形成1mm3的晶體）,

原來分屬于N個原子的相同的價電子能級分裂成屬于整個晶體的N個能量稍有差別的能級。這些能級基本連成一片，稱為能帶。

半導體能帶相關概念帶隙:

能帶之間的區域

禁帶

:

帶隙不存在電子的能級

價帶

:

對應價電子能級的能帶空帶:

價帶上面的能帶

導帶

:

最靠近價帶的空帶

滿帶

:

價帶被電子填滿功能材料的特點…continue半導體能帶結構下面部分是價帶，價帶是充滿電子，因此是一個滿帶。上面部分是導帶，而導帶是空的。滿價帶和空導帶之間是禁帶，其禁帶寬度比較窄，一般在1ev左右。價帶中的電子受能量激發后，如果激發能大于Eg，電子可以從價帶躍遷到導帶上，同時在價帶中留下一個空的能級位置(空穴)。導體的能帶中都有末被填滿的價帶，在外電場的作用下，電子可由價帶躍遷到導帶，從而形成電流。絕緣體的能帶結構是滿帶與導帶之間被一個較寬的禁帶所隔開，在常溫下幾乎很少有電子可以被激發越過禁帶，因此其電導率很低。功能材料的特點…continue半導體的導電機理

半導體價帶中的電子受激發后從滿價帶躍到空導帶中，躍遷電子可在導帶中自由運動，傳導電子的負電荷。同時，在滿價帶中留下空穴，空穴帶正電荷，在價帶中空穴可按電子運動相反的方向運動而傳導正電荷。因此，半導體的導電來源于電子和空穴的運動，電子和空穴都是半導體中導電的載流子。功能材料的特點…continue典型半導體材料及其應用

按組成分類

元素半導體

化合物半導體

固溶體半導體功能材料的特點…continue元素半導體

-本征半導體

&雜質半導體

本征半導體:高純度、無缺陷的元素半導體。雜質濃度小于10-9

雜質半導體:在本征半導體中有意加入少量的雜質元素，以控制電導率，形成雜質半導體。功能材料的特點…continue本征半導體

本征半導體廣泛研究的元素是Si、Ge和金剛石。金剛石可看作是碳元素半導體，它的性質是1952年發現的。除了硅、鍺、金剛石外，其余的半導體元素一般不單獨使用。因為本征半導體單位體積內載流子數目比較少，需要在高溫下工作電導率才大，故應用不多。功能材料的特點…continue雜質半導體

利用將雜質元素摻入純元素中，把電子從雜質能級（帶）激發到導帶上或者把電子從價帶激發到雜質能級上，從而在價帶中產生空穴的激發叫非本征激發或雜質激發。這種半導體叫雜質半導體。雜質半導體本身也存在本征激發，一般雜質半導體中摻雜雜質的濃度很低，如十億分之一就可達到目的。雜質能級功能材料的特點…continue雜質半導體:

n型半導體

&p型半導體

n型半導體:摻雜原子的價電子多于純元素的價電子，又稱施主型半導體

p型半導體:摻雜原子的價電子少于純元素的價電子，又稱受主型半導體功能材料的特點…continuen型半導體（電子型，施主型）ⅣA族元素（C、Si、Ge、Sn）中摻入VA族元素（P、As、Sb、Bi）后，造成摻雜元素的價電子多于純元素的價電子，其導電機理是電子導電占主導，這類半導體是n型半導體。p型半導體（空穴型，受主型）ⅣA族元素（C、Si、Ge、Sn）中摻入ⅢA族元素（如B）時，摻雜元素的價電子少于純元素的價電子，它們的原子間生成共價鍵以后，還缺一個電子，而在價帶其中產生空穴。以空穴導電為主，摻雜元素是電子受主，這類半導體是p型半導體。功能材料的特點…continue雜質半導體的能帶結構

N型半導體逾量電子處于施主能級，施主能級與導帶底能級之差Ed遠小于禁帶寬度Eg（相差近三個數量級）。因此，雜質電子比本征激發更容易激發到導帶。例如Si摻雜十億分之一As時，其Eg為1.6×10-19J，Ed為6.4×10-21J。Ge摻雜十億分之一Sb時，其Eg為1.15×10-19J，Ed為1.6×10-21J。P型半導體逾量空穴處于受主能級。由于受主能級與價帶頂端的能隙Ea遠小于禁帶寬度Eg，價帶上的電子很容易激發到受主能級上，在價帶形成空穴導電。

功能材料的特點…continue化合物半導體

二元化合物GaAs（砷化鎵）、CdS鎘、SiC、GeS鍺、AsSe3硒等。三元化合物AgGeTe2、AgAsSe2、CuCdSnTe4等（碲）功能材料的特點…continue固溶體半導體:由兩種或多種元素或化合物互溶而成的。二元系固溶體半導體Bi-Sb三元系固溶體半導體（碲鎘汞）Hg1-xCdxTe（鎵砷磷）GeAs1-xPx

功能材料的特點…continue

雜質半導體 固溶體

化合物半導體

原子數比: 1/109

1/100

1/100原子站位: 同位

同位 異位功能材料的特點…continue半導體材料的應用

半導體材料在集成電路上的應用：最早用鍺單晶制造二極管和三極管；現在發展硅器件，以硅單晶為基材的集成電路在電子器件中占主導地位?；衔锇雽w砷化鎵做微波、超高頻晶體管等；半導體在光電子器件、微波器件和電聲耦合器上的應用：發光管、激光器、光電池、光集成等；半導體材料在傳感器上的應用：半導體傳感器功能材料的特點…continue超導材料

1911年OnnesHK在研究極低溫度下金屬導電性時發現，當溫度降到4.2K時，汞的電阻率突然降低到接近于零。這種現象稱為汞的超導現象。從此，超導材料的研究引起了廣泛的關注，現已發現了上千種超導材料。概念

超導電現象：材料的電阻隨溫度降低而減小并最終出現零電阻的現象。超導體：低于某一溫度出現超導電性的物質。功能材料的特點…continue超導體的基本特性 特性一：完全導電性（零電阻） File和Mills利用精確核磁共振方法測量超導電流產生的磁場，來研究螺線管內超導電流的衰變，得出的結論是超導電流的衰變時間不短于10萬年。功能材料的特點…continue超導體的基本特性 特性二：完全抗磁性 處于超導狀態的材料，磁感應強度B始終為零。即磁力線不能進入超導體內部。

這一現象為邁斯納（Meissner）1933年發現，稱為邁斯納效應。功能材料的特點…continue超導體的基本特性 特性三：臨界溫度（Tc）、臨界磁場（Hc）、臨界電流Jc是約束超導現象的三大臨界條件。

當溫度超過臨界溫度時，超導態就消失； 當電流超過臨界電流時，超導態就消失； 當磁場超過臨界磁場時，超導態就消失； 三者具有明顯的相關性。只有當上述三個條件均滿足超導材料本身的臨界值時，才能發生超導現象（由Tc、Hc，Jc形成的閉合曲面內為超導態）。功能材料的特點…continue超導體的基本特性 特性四：約瑟夫森（BDJosephson）效應 承擔超導電的超導電子還可以穿越極薄絕緣體勢壘經典力學中，若兩個區域被一個勢壘隔開，則只有粒子具有足夠的能量時，其才會從一個區域進入另一個區域。量子力學中，粒子具有足夠的能力不再是一個必要條件，一個能量不太高的粒子也可能會以一定的概率“穿過”勢壘，即所謂的“隧道效應”。功能材料的特點…continue第一類超導體&第二類超導體

（按邁斯納效應分）第一類超導體（軟超導體）當H<Hc

時，B＝0（B為磁感應強度）當H>Hc

時，B＝μH第一類超導體只有一個臨界磁場，即Hc只有一個特征值。除釩、鈮、釕外，元素超導體都是第一類超導體功能材料的特點…continue第二類超導體（硬超導體）當H<Hc1

時，B＝0，處于邁斯納狀態，完全抗磁當Hc1<H<Hc2

時，處于混合狀態，但電阻仍為零，這時體內有磁感應線穿過，形成許多半徑很小的圓柱形正常區，正常區周圍是連通的超導區。當H>Hc2

時，B＝μH

釩、鈮以及大多數合金或化合物超導體均屬于第二類功能材料的特點…continue元素超導體 在低溫常壓下，具有超導特性的化學元素共有26種，由于臨界溫度太低，無太大實用價值

Nb的Tc最高，僅為9.26K

功能材料的特點…continue合金超導體

合金超導體是機械強度最高、應力應變較小、磁場強度低、臨界電流密度高的超導體，在早期得到實際應用。 超導合金主要有Ti-V、Nb-Zr、Mo-Zr、Nb-Ti等合金系，其中Ge-Nb3的臨界溫度最高（23.2K）。

功能材料的特點…continue金屬間化合物超導體

金屬間化合物超導體的臨界溫度與臨界磁場一般比合金超導體的高，但此類超導體的脆性大，不易直接加工成帶材或線材。

功能材料的特點…continue陶瓷超導體

1986年發現了陶瓷超導體，使超導材料獲得了更高的臨界溫度，如YBaCuO（Tc＝90K）、TiBaCaCuO（Tc＝120K）等。最大缺點為脆性大，加工困難。高溫超導材料：Tc＞77K（液N溫度）功能材料的特點…continue高分子超導體

高分子材料通常為絕緣體，但在數億帕氣壓作用下也可以轉變成為超導體。如：四硫富瓦稀四腈代對苯醌二甲烷目前高分子超導體的最高臨界溫度僅僅達到10K功能材料的特點…continue超導材料的應用

-基本上可以分為強電強磁和弱電弱磁兩大類。超導強電強磁應用

-主要基于超導體的零電阻特性和完全抗磁性以及非理想第二類超導體所特有的高臨界電流密度和高臨界磁場。主要應用在電力方面如超導電纜、超導磁體（如超導磁懸浮列車）、巨大環形超導磁體、超導磁分離等。功能材料的特點…continue超導弱電弱磁的應用

基于Josephson效應為基礎，建立極靈敏的電子測量裝置為目標的超導電子學，發展了低溫電子學。如超導量子干涉器件是一種高靈敏度的測量裝置，主要功能是測量磁場。它可以在電工儀表、醫學、生物、資源開發、環境保護、固體材料、地球物理等領域應用。功能材料的特點…continue電力輸送與儲存目前有大約30%的電能損耗在輸電線路上，采用超導體輸電，可大大減少損耗，且省去了變壓器和變電所。使用巨大的超導線圈，經供電勵磁產生磁場而儲存能量。超導磁儲能系統所存能量幾乎可以無損耗的儲存下去，其轉換率可高達95%。功能材料的特點…continue電接點（觸頭）材料 電接點是建立和解除電接觸的導電構件，廣泛應用于電力系統、電器裝置，儀器儀表、電信和電子設備。按電負荷的大小，電接點分為：強電和弱電。功能材料的特點…continue強電接點材料

-電負荷大，要求電接點材料接觸電阻低、耐電蝕、耐磨損、高的耐電壓強度、良好的耐電弧能力，一定的機械強度。

一般采用合金材料?？諝忾_關接點材料銀系合金：Ag-CdO、Ag-Fe、Ag-W、Ag-石墨等。銅系合金如：Cu-W、Cu-石墨真空開關接點材料Cu-Bi-Ce、Cu-Fe-Ni-Co-Bi、W-Cu-Bi-Zr合金等功能材料的特點…continue弱電接點材料

弱電接點電負荷及機械負荷都很小，要求接點材料有極好的導電性、極高的化學穩定性、良好的抗電火花燒損性和耐磨性。大多用貴金屬合金材料。常用的弱電接點材料有：Au系（金）Ag系（銀）Pt系（鉑）Pd系（鈀）功能材料的特點…continue復合接點材料

通過合理工藝將貴金屬接點材料與非貴金屬基體材料結合在一起.

90%以上的弱電接點采用復合接點材料。

功能材料的特點…continue磁功能材料磁性是物質的基本屬性之一。磁性現象是與各種形式的電荷運動相關聯的，由于物質內部的電子運動和自旋會產生一定大小的磁場，因而產生磁性。一切物質都具有磁性。但磁性材料通常是指那些在實際工程意義上具有較強磁性的材料。

磁性材料是電子工業的重要基礎功能材料，廣泛應用于計算機、電子器件、通訊、汽車和航空航天等工業領域，隨著世界經濟和科學技術的迅猛發展，磁性材料的需求將空前廣闊。當前我國磁性材料的發展居世界之首，已經成為世界上永磁材料生產量最大的國家。功能材料的特點…continue基本概念

“磁”來源于電。一個環形電流在其運動中心產生的磁矩為P=is，i為電流強度，s為環形回路所包圍的面積。原子內的電子做循軌運動和自旋運動，這必然產生磁矩，產生的磁矩分別稱為軌道磁矩P1和自旋磁矩Ps。

原子核雖然也產生磁矩，但它的值比電子磁矩小三個數量級，一般情況下可忽略不計。因此，原子磁矩的產生是電子的循軌運動、電子自旋這二者組合的結果。

功能材料的特點…continue基本概念

磁場強度（H）：指空間某處磁場的大小，單位：安/米；

磁化強度（M）：物質的磁性來源于內部的磁矩，只有當內部磁矩同向有序排列時才對外顯示強磁性。單位體積內磁矩矢量和稱為M，單位：安/米；

磁感應強度（B）：物質在外磁場作用下，其內部原子磁矩的有序排列還將產生一個附加磁場。在磁性材料內部外加磁場與附加磁場的和，稱為磁感應強度。B=μ0(H+M)，μ0是一個系數，叫做真空磁導率。磁感應強度又稱為磁通密度，單位是特斯拉（T）功能材料的特點…continue基本概念

磁導率（μ）：μ =磁感應強度/磁場強度 =B/H

μ是磁化曲線上任意一點上B和H的比值。磁導率實際上代表了磁性材料被磁化的容易程度，或者說是材料對外部磁場的靈敏程度；

磁化率（χ

）：磁化強度與磁場強度的比值，χ=M/H。功能材料的特點…continue磁滯回線

在外加磁場的作用下磁體會被磁化，磁體內部的磁感應強度B隨外磁場H的變化是非線性的，當H減少為零時，B并未回到零值，出現剩磁Br。磁感應強度滯后于磁場強度變化的性質稱為磁滯性。左圖為磁性物質的磁滯曲線；要使剩磁消失，通常需進行反向磁化。將B=0時的H

值稱為矯頑磁力Hc；Br稱為剩余磁感應強度，Bm稱為最大磁感應強度（飽和磁感應強度）。

功能材料的特點…continue磁性材料的分類

:根據滯回曲線和磁化曲線的不同，分成三類：軟磁材料其矯頑磁力較小，磁滯回線較窄。(鐵心)

硬磁材料其矯頑磁力較大，磁滯回線較寬。(磁鐵)

矩磁材料其剩磁大而矯頑磁力小，磁滯回線為矩形。(記憶元件)

功能材料的特點…continue軟磁材料

：指在外磁場作用下，很容易磁化，去掉外磁場時又很容易去磁的磁性材料。

特性高的磁導率和磁感應強度；矯頑力和磁滯損耗低；（矯頑力一般小于1kA/m）電阻率較高，反復磁化和退磁時產生的渦流損耗小。功能材料的特點…continue典型軟磁材料及其應用

常用的軟磁材料有：電工純鐵、硅鋼片、鐵鋁合金、鎳鐵合金、鐵氧體軟磁材料等。電工用純鐵

:一種含碳量低，wFe>99.95％的軟鋼。電工用純鐵具有高的飽和磁感應強度、高的磁導率、較小的矯頑力、良好的冷加工性能，且成本低廉。缺點是電阻小，只適用于直流情況。主要用于制造電磁鐵的鐵心和磁極，繼電器的磁路和各種零件，電話中的振動膜等。功能材料的特點…continue硅鋼片（硅鐵合金）

在電工用純鐵中加入0.5～4.5％的硅，形成固溶體，這種材料稱為硅鐵合金，或者稱電工用硅鋼片。 純鐵中加入硅后，材料的物理性能發生變化：熱導率的變化-鐵的熱導率在加入硅后劇烈的降低。電阻率的變化-隨著硅含量的增加到5％，硅鐵合金的電阻率急劇上升。相對密度d的變化-隨著含硅量的增加，比重幾乎是直線的降低。 硅鐵合金屬于高飽和材料，主要用于各種形的發電機、電動機和變壓器中。功能材料的特點…continue鎳鐵合金

鎳鐵合金主要是含鎳量為34-80％的Fe-Ni合金，通常稱坡莫合金。

鎳鐵合金有很高的起始磁導率和最大磁導率。鎳鐵合金廣泛應用在電訊工業、儀表、電子計算機、控制系統等領域中。功能材料的特點…continue鐵氧體

鐵氧體是氧離子和金屬離子組成的尖晶石結構的氧化物，是以Fe2O3為主要成分的復相氧化物。根據磁滯回線特征，可分為軟磁、硬磁和矩磁鐵氧體。軟磁鐵氧體是鐵氧體材料中的一種容易磁化和退磁的鐵氧體。其特點是起始的磁導率高，矯頑力小，損耗小，使用頻率可達高頻、超高頻范圍。常用的軟磁鐵氧體有鎳鋅鐵氧體和錳鋅鐵氧體軟磁鐵氧體廣泛應用于錄音、錄像記錄磁頭，變壓器磁心等。利用軟磁鐵氧體的磁導率或飽和磁感應強度在居里溫度附件的激烈變化，還可以制成熱敏器件等。功能材料的特點…continue硬磁材料

硬磁材料是具有很強的抗退磁能力和高的剩余磁感應強度的強磁性材料，又稱永磁材料。硬磁材料一旦經外加磁場飽和強化后，如果撤去外加磁場，在磁鐵兩個磁極之間的空隙便可產生恒定磁場，對外界提供有用的磁能。硬磁材料的磁滯回線又寬又高，有較大的矯頑力(104～106A/m)。硬磁材料抗干擾性好，對溫度、振動、時間、輻射及其它因素的干擾不敏感。功能材料的特點…continue典型的硬磁材料主要包括鋁鎳鈷系永磁、鐵氧體永磁和稀土系永磁。鋁鎳鈷系永磁主要有Fe及Al、Ni、Co組成，有良好的磁特性和熱穩定性，剩余磁感應強度高，磁能積大，矯頑力適中，但硬而脆，難以加工，主要用鑄造和粉末燒結兩種方法成形。鐵氧體永磁包括鋇鐵氧體BaFe12O19，鍶鐵氧體SrFe12O19。它具有剩余磁通量小，矯頑力大，電阻率大，密度小，重量輕、溫度系數大，制造工藝簡單等優點，是硬磁材料中價格最低、用量最大的一類磁鐵。功能材料的特點…continue稀土硬磁材料包括稀土鈷和稀土鐵系金屬間化合物，為硬磁材料中性能最高的一類其中最著名的是釹鐵硼永磁合金，具有其它永磁材料所不及的高矯頑力和最大磁能積，而且體積小、重量輕、效率高、成本較低等特點。不含戰略物質Co和Ni，它能吸起相當于自重640倍的重物，而鐵氧體只能吸起自重的120倍。

如一臺核磁共振成像儀需用鐵氧體永磁材料100t，而改用釹鐵硼永磁后，僅需10t。知識產權意識!功能材料的特點…continue磁致伸縮材料

磁致伸縮效應：磁性材料在外磁場作用下，產生伸長或縮短的現象－為磁致伸縮效應。 λ

為磁致伸縮系數

常用磁致伸縮材料室溫下的飽和磁致伸縮系數為10-8~10-6

例:Fe隨磁場強度的增大而伸長

Ni隨磁場強度的增大而縮短常見磁致伸縮材料

鎳

/鐵鎳

/鐵鋁

/鐵鈷釩

/鐵氧體功能材料的特點…continue磁致伸縮材料的應用

在磁（電）-聲換能器中的應用聲納、超聲換能器、揚聲器等。在磁(電)-機械致動器中的應用精密流體控制、超精密加工、超精密定位、機器人、精密閥門、微馬達以及振動控制等工程領域。傳感器敏感元件利用磁致伸縮效應或逆效應可以制作檢測磁場、電流、應變、位移、扭矩、壓力和加速度等的傳感器敏感元件。

磁致伸縮液位傳感器，可實現對液位的高精度計量,其測量分辨率高于0.11mm。

功能材料的特點…continue功能高分子

-指當有外部刺激時，能通過化學或物理的方法做出反應的高分子材料。即帶有特殊物理、力學、化學性質和功能的高分子材料，其性能和特征都大大超出了原有通用高分子材料的范疇。功能高分子-指具有化學反應活性、催化性、光敏性、導電性、磁性、生物相容性、藥理性、選擇分離性，或具有轉換或貯存物質、能量和信息作用等功能的高分子及其復合材料。

功能高分子是目前高分子學科中發展最快、研究最活躍的新領域之一。

功能材料的特點…continue功能高分子材料的分類力學功能材料強化功能材料，如 超高強材料 高結晶材料等；彈性功能材料，如 熱塑性彈性體等?；瘜W功能材料分離功能材料，如 分離膜 離子交換樹脂 高分子絡合物等；反應功能材料，如 高分子催化劑 高分子試劑；生物功能材料，如 固定化酶 生物反應器等。功能材料的特點…continue功能高分子材料的分類物理化學功能材料耐高溫高分子，高分子液晶等；電學功能材料，如導電性高分子、超導高分子，感電子性高分子等；光學功能材料，如感光高分子、導光性高分子，光敏性高分子等；能量轉換功能材料，如壓電性高分子、熱電性高分子等。生物化學功能材料人工臟器用材料，如人工腎、人工心肺等；高分子藥物，如藥物活性高分子、緩釋性高分子藥物、高分子農藥等；生物分解材料，如可降解性高分子材料等。功能材料的特點…continue功能高分子的發展最早的功能高分子可追述到1935年離子交換樹脂的發明，作為一門獨立的完整的學科，功能高分子是從20世紀80年代中后期開始發展的。當時,高分子傳感器、人工臟器、高分子分離膜等技術得到快速發展。功能高分子材料是一門涉及范圍廣泛，與眾多學科相關的新興邊緣學科，涉及內容包括有機化學、無機化學、光學、電學、結構化學、生物化學、電子學、甚至醫學等眾多學科，是目前國內外異?；钴S的一個研究領域。功能高分子材料之所以能成為國內外材料學科的重要研究熱點之一，最主要的原因在于它們具有獨特的“性能”和“功能”，可用于替代其他功能材料，并提高或改進其性能，使其成為具有全新性質的功能材料。在今后很長的歷史時期中，特種與功能高分子材料研究將代表了高分子材料發展的主要方向。功能材料的特點…continue熱功能材料

隨著溫度的變化，有些材料的某些物理性能會發生顯著變化，如熱脹冷縮、出現形狀記憶效應或熱電效應等，這類材料稱為熱功能材料。分類:(正/負)熱膨脹材料形狀記憶材料測溫材料功能材料的特點…continue(正/負)熱膨脹材料

(正)熱膨脹是指材料的尺度在不加外力時隨溫度的升高而變大的現象。負熱膨脹是指材料的尺度在不加外力時隨溫度的升高而變小的現象。尺度=長度or體積？（單晶/多晶）材料熱膨脹的本質是原子間的平均距離隨溫度的升高而增大或減小，是由原子的非簡諧振動引起的。

一般而言,材料熱膨脹系數的大小與其原子間的接合鍵強弱有關，結合鍵越強，則給定溫度下的熱膨脹系數越小，材料中陶瓷的結合鍵（離子鍵和共價鍵）最強，金屬的（金屬鍵）次之，高聚物的（范德華力）最弱，因此熱膨脹系數依次增大。功能材料的特點…continue常用的膨脹材料負膨脹材料‘熱縮冷脹’材料。主要應用于特殊環境下的密封件.低膨脹材料熱膨脹系數較小的材料，也叫因瓦（Invar）合金。主要應用于精密儀器、標準量具等以保證儀器精度的穩定及設備的可靠性。定膨脹材料在某一溫度范圍內具有一定膨脹系數的材料，也稱可伐（Kovar）合金；主要用于與玻璃、陶瓷等材料相封接，要求與被封接材料的膨脹系數相匹配。熱雙金屬材料由膨脹系數不同的兩種金屬片沿層間焊合在一起的疊層復合材料；可用作各種測量和控制儀表的傳感元件。功能材料的特點…continue形狀記憶材料

將具有某種初始形狀的制品進行變形后，通過加熱等手段處理時，制品又恢復到初始形狀。包括：形狀記憶合金形狀記憶聚合物形狀記憶陶瓷。應用

機械工程領域

熱套

生物醫學方面

接骨板、人工關節等

空間技術

壓縮天線功能材料的特點…continue測溫材料

熱電偶是應用最廣的一種測溫原件，它是由兩種不同材料導線連接成的回路，其感溫的基本原理是熱電效應。

由兩種不同的導體（或半導體）A、B組成閉合回路，當兩接觸點保持在不同的溫度T1，T2時，回路中將有電流通過，此回路稱為熱電回路?；芈分谐霈F的電流稱為熱電流。回路中出現的電動勢EAB稱為珀爾貼電動勢。功能材料的特點…continue其它功能材料-光功能材料

光介質材料

固體激光材料

固體發光材料

非線性光學材料

金鐵電光晶體材料

光導纖維

光學薄膜

…功能材料的特點…continue其它功能材料-敏感材料聲敏感材料光敏感材料電壓敏感材料磁敏感材料氣敏感材料熱敏感材料濕敏感材料力敏感材料電化學敏感材料生物敏感材料

…功能材料的特點…continue其它功能材料-儲氫材料高T、P

時與氫作用生成氫化物以儲氫

降低T、或壓力時氫化物分解放出氫儲氫合金的儲氫密度高于液態氫的密度儲氫合金鎂系

稀土系

鈦系

功能材料的特點…continue其它功能材料–隱形材料隱形材料可降低武器裝備等目標的可探測信息特征，使敵方探測系統難以發現或者發現距離縮短的綜合技術。包括:吸波涂料/吸波結構材料

透波材料智能蒙皮材料廣泛用于：飛機、導彈、坦克、艦船等。功能材料的特點…continue化學功能材料

生物功能材料

聲功能材料

…功能材料種類很多，本課程只作選擇性介紹！功能材料設計的概念及方法

“如果沒有實驗學家的話，理論學家就傾向于漂浮?！?/p>

“沒有理論學家，實驗學家傾向于搖擺不定?！? ---李政道功能材料設計概念功能設計 根據材料應用的特殊功能要求,設計并通過計算機模擬來調控材料的結構、性能及其間的關系,進而依據理論設計制備出具有所要求的功能的材料.

MaterialsDesignMustBridgeBasicSciencetoAppliedEngineering。Certaindesignedpropertiesservingspecifiedapplicationneeds。

Importantistobeabletocontrol

theproperties。Toamaterialsscientistormaterialsengineer,designcanbetakeninseveralcontexts：(3)

developingaprocessforproducingamaterialhavingbetterproperties.(1)designingnewmaterialshavinguniquepropertycombinations.(2)selectinganewmaterialhavingabettercombinationofcharacteristicsforaspecificapplication;choiceofmaterialcannotbemadewithoutconsiderationofnecessarymanufacturingprocesses(e.g.,forming,welding,etc.)功能材料設計-范疇與層次原料材料試樣組織結構特性評價可否制備觀測測試試用改進微觀組織結構設計制備方法設計系統設計材料設計空間尺度/m模擬方法典型應用10-10-10-6MetropolisMC熱力學、擴散及有序化系統10-10-10-6集團變分法熱力學系統10-10-10-6Ising模型磁性系統10-10-10-6Bragg-Williams-Gorsky模型熱力學系統10-10-10-6分子場近似熱力學系統10-10-10-6分子動力學晶格缺陷與動力學特征10-12-10-8從頭計算分子動力學晶格缺陷與動力學特征功能設計的概念及方法功能設計的概念及方法空間尺度/m模擬方法典型應用10-10-100元胞自動機再結晶、生長、相變、流體10-7-10-2彈簧模型斷裂力學10-7-10-2頂點模型、拓撲網絡模型、晶界動力學成核、結晶、疲勞10-7-10-2幾何模型、拓撲模型、組分模型結晶、生長、織構、凝固10-9-10-4位錯動力學塑性、微結構、位錯分布10-9-10-5動力學金茲堡-朗道型相場模型擴散、晶界、晶粒粗化10-9-10-5多態動力學波茨模型結晶、生長、相變、織構功能設計的概念及方法空間尺度/m模擬方法典型應用10-5-100有限元、有限差分、線性迭代宏觀尺度場方程的平均解10-6-100有限元微結構力學性質、凝固10-6-100Tailor-Bishop-Hill模型等彈性、塑性、晶體滑移10-8-100集團模型多晶體彈性10-10-100滲流模型成核、相變、斷裂、塑性功能設計的概念及方法基本思想BasicStructure+/-d(Structure)=NewStructureBasicProperties/functions…+3+NewProperties/functions…功能設計的概念及方法任何地方加/減/取代任何原子/原子基團

新結構任何方向任意程度的變形

新結構…BasicProperties/functions…NewProperties/functions…功能設計的概念及方法理論基礎-量子力學功能設計的概念及方法StepsinDesigningaSystemDevelopasimulationmodelofthesystemExperimentwiththemodel(bysimulation)refinementofthemodelDevelopaprototypeandexperimentwithitrefinementofthemodelImplementandtestthesystemrefinementofthemodel功能設計的概念及方法WhatisaSimulatorAsimulatorisanimplementationofamodel(e.g.,acomputerprogramwhichmimicsthebehavioroftherealworldsystem)Simulatoroutputisasetofmeasurementsconcerningtheobservablereactions,propertiesandperformanceofthesystemWARNING:MeasurementsareonlyESTIMATESofwhatthere