1、 Functional Mateirals 徐徐 建建 梅梅Email: Department of Materials Science and Engineering Faculty of Materials Science and Chemistry April, 2012 Chapter 1 Introduction Chapter 2 Functional Ceramic Materials Chapter 3 Smart Materials Chapter 4 Information Materials Chapter 5 Gradient Functional Materials
2、Chapter 6 New Energy MaterialsReferences and Database新型功能材料新型功能材料，贡长生，张克立主编，化学工，贡长生，张克立主编，化学工业出版社，业出版社，2001年年功能材料功能材料，田莳编著，北京航空航天大学出版，田莳编著，北京航空航天大学出版社，社，1995年年功能陶瓷性能与应用功能陶瓷性能与应用，王永龄著，科学出版社，王永龄著，科学出版社，2003年年智能材料系统和结构智能材料系统和结构，杜善义，冷劲松，王殿，杜善义，冷劲松，王殿富著，科学出版社，富著，科学出版社，2001年年纳米电子材料与器件纳米电子材料与器件，李言荣，谢孟贤，恽正，
3、李言荣，谢孟贤，恽正中，张万里编著，电子工业出版社，中，张万里编著，电子工业出版社，2005References and Database智能材料器件结构与应用智能材料器件结构与应用，姜德生，姜德生，Richard O.Claus著，武汉工业大学出版社，著，武汉工业大学出版社，2000年年有机电致发光材料与器件导论有机电致发光材料与器件导论，黄春辉，李富，黄春辉，李富友，黄维著，复旦大学出版社，友，黄维著，复旦大学出版社，2005年年铌钽酸盐微波介质陶瓷材料铌钽酸盐微波介质陶瓷材料，张迎春著，科学，张迎春著，科学出版社，出版社，2005年年功能陶瓷及应用功能陶瓷及应用，曲远方，曲远方 主编，化
4、学工业出版主编，化学工业出版社，社，2003年年储能材料与技术储能材料与技术，樊栓狮，梁德青，杨向阳等，樊栓狮，梁德青，杨向阳等编著，化学工业出版社，编著，化学工业出版社，2004年年References and Database中国至中国至2050年先进材料科技发展路线图年先进材料科技发展路线图，中国，中国科学院先进材料领域战略研究组，北京：科学院先进材料领域战略研究组，北京： 科学科学出版社，出版社，2009年年现代功能材料现代功能材料，陈玉安，王必本，廖其龙编，陈玉安，王必本，廖其龙编，重庆大学出版社，重庆大学出版社，2008年年现代信息材料导论现代信息材料导论，吕银祥，袁俊杰，邵则准，
5、吕银祥，袁俊杰，邵则准编著，华东理工大学出版社，编著，华东理工大学出版社，2008年年电子材料与器件原理电子材料与器件原理，加拿大加拿大萨法萨法卡萨普卡萨普（S.O.Kasap) S.O.Kasap) 著，汪宏等译，著，汪宏等译，20092009年年References and Database材料科学与工程基础（材料科学与工程基础（Foundations of Materials Science and Engineering），），Willian F. Smith, and Javad Hashemi著（美），北京：著（美），北京：机械工业出版社，机械工业出版社，2006年年新能源技术新能
6、源技术，翟秀静，刘奎仁，韩庆，翟秀静，刘奎仁，韩庆 编著，编著，北京：北京： 化学工业出版社，化学工业出版社，2010年年新能源概论新能源概论，王革华主编，艾德生副主编，北，王革华主编，艾德生副主编，北京：化学工业出版社，京：化学工业出版社，2006年年References and Database硅酸盐学报硅酸盐学报硅酸盐通报硅酸盐通报功能材料功能材料材料研究学报材料研究学报电子元件与材料电子元件与材料压电与声光压电与声光无机化学学报无机化学学报功能材料与器件功能材料与器件材料导报材料导报各大学学报等各大学学报等References and Database外文期刊外文期刊NatureSci
7、enceJournal of Material ScienceJournal of Material Science and Engineering BJournal of Material ResearchJournal of Applied Physics D Advance MaterialsAdvance Founctional MaterialsJournal of American Ceramic Society Et al References and Database中文期刊网中文期刊网维普期刊网维普期刊网万方数据库万方数据库KluwerElsevierSpringerEiWe
8、b of Science（最好）（最好）CAIEEE、EBSCO、Geoscienceworld等等等等新材料产业新材料产业“十二五十二五”发展规划发展规划专栏专栏1 新材料的定义与范围新材料的定义与范围新材料涉及领域广泛，一般指新出现的具有优异性能新材料涉及领域广泛，一般指新出现的具有优异性能和特殊功能的材料，或是传统材料改进后性能明显提和特殊功能的材料，或是传统材料改进后性能明显提高和产生新功能的材料，主要包括新型功能材料、高高和产生新功能的材料，主要包括新型功能材料、高性能结构材料和先进复合材料，其范围随着经济发展性能结构材料和先进复合材料，其范围随着经济发展、科技进步、产业升级不断发生
9、变化。为突出重点，、科技进步、产业升级不断发生变化。为突出重点，本规划主要包括以下六大领域：本规划主要包括以下六大领域：特种金属功能材料。特种金属功能材料。具有独特的声、光、电、热、具有独特的声、光、电、热、磁等性能的金属材料。磁等性能的金属材料。高端金属结构材料。高端金属结构材料。较传统金属结构材料具有更高较传统金属结构材料具有更高的强度、韧性和耐高温、抗腐蚀等性能的金属材料。的强度、韧性和耐高温、抗腐蚀等性能的金属材料。 先进高分子材料。先进高分子材料。具有相对独特物理化学性具有相对独特物理化学性能、适宜在特殊领域或特定环境下应用的人工能、适宜在特殊领域或特定环境下应用的人工合成高分子新材
10、料。合成高分子新材料。 新型无机非金属材料。新型无机非金属材料。在传统无机非金属材在传统无机非金属材料基础上新出现的具有耐磨、耐腐蚀、光电等料基础上新出现的具有耐磨、耐腐蚀、光电等特殊性能的材料。特殊性能的材料。 高性能复合材料。高性能复合材料。由两种或两种以上异质、由两种或两种以上异质、异型、异性材料（一种作为基体，其他作为增异型、异性材料（一种作为基体，其他作为增强体）复合而成的具有特殊功能和结构的新型强体）复合而成的具有特殊功能和结构的新型材料。材料。 前沿新材料。前沿新材料。当前以基础研究为主，未来市当前以基础研究为主，未来市场前景广阔，代表新材料科技发展方向，具有场前景广阔，代表新材
11、料科技发展方向，具有重要引领作用的材料。重要引领作用的材料。专栏专栏2 战略性新兴产业对部分新材料战略性新兴产业对部分新材料的需求预测的需求预测01新能源新能源“十二五十二五”期间，我国风电新增装机期间，我国风电新增装机6000万千万千瓦以上，建成太阳能电站瓦以上，建成太阳能电站1000万千瓦以上，核万千瓦以上，核电运行装机达到电运行装机达到4000万千瓦，预计共需要稀土万千瓦，预计共需要稀土永磁材料永磁材料4万吨、高性能玻璃纤维万吨、高性能玻璃纤维50万吨、高万吨、高性能树脂材料性能树脂材料90万吨，多晶硅万吨，多晶硅8万吨、低铁绒万吨、低铁绒面压延玻璃面压延玻璃6000万平方米，需要核电用
12、钢万平方米，需要核电用钢7万万吨吨/年，核级锆材年，核级锆材1200吨吨/年、锆及锆合金铸锭年、锆及锆合金铸锭2000吨吨/年。年。02节能和新能源汽车节能和新能源汽车 2015年，新能源汽车累计产销量将超过年，新能源汽车累计产销量将超过50万辆万辆，需要能量型动力电池模块，需要能量型动力电池模块150亿瓦时亿瓦时/年、功年、功率型率型30亿瓦时亿瓦时/年、电池隔膜年、电池隔膜1亿平方米亿平方米/年、六年、六氟磷酸锂电解质盐氟磷酸锂电解质盐1000吨吨/年、正极材料年、正极材料1万吨万吨/年、碳基负极材料年、碳基负极材料4000吨吨/年；乘用车需求超过年；乘用车需求超过1200万辆，需要铝合金
13、板材约万辆，需要铝合金板材约17万吨万吨/年、镁合年、镁合金金10万吨万吨/年。年。03高端装备制造高端装备制造“十二五十二五”期间，航空航天、轨道交通、海洋期间，航空航天、轨道交通、海洋工程等高端装备制造业，预计需要各类轴承钢工程等高端装备制造业，预计需要各类轴承钢180万吨万吨/年、油船耐腐蚀合金钢年、油船耐腐蚀合金钢100万吨万吨/年、年、轨道交通大规格铝合金型材轨道交通大规格铝合金型材4万吨万吨/年、高精度年、高精度可转位硬质合金切削工具材料可转位硬质合金切削工具材料5000吨。到吨。到2020年，大型客机等航空航天产业发展需要高性能年，大型客机等航空航天产业发展需要高性能铝材铝材10
14、万吨万吨/年，碳纤维及其复合材料应用比年，碳纤维及其复合材料应用比重将大幅增加。重将大幅增加。04新一代信息技术新一代信息技术预计到预计到2015年，需要年，需要8英寸硅单晶抛光片约英寸硅单晶抛光片约800万片万片/年、年、12英寸硅单晶抛光片英寸硅单晶抛光片480万片万片/年，平年，平板显示玻璃基板约板显示玻璃基板约1亿平方米亿平方米/年，年，TFT混合液混合液晶材料晶材料400吨吨/年。年。05节能环保节能环保“十二五十二五”期间，稀土三基色荧光灯年产量将期间，稀土三基色荧光灯年产量将超过超过30亿只，需要稀土荧光粉约亿只，需要稀土荧光粉约1万吨万吨/年；新年；新型墙体材料需求将超过型墙体
15、材料需求将超过230亿平方米亿平方米/年，保温年，保温材料产值将达材料产值将达1200亿元亿元/年年;火电烟气脱硝催化火电烟气脱硝催化剂及载体需求将达到剂及载体需求将达到40亿元亿元/年年,耐高温、耐腐耐高温、耐腐蚀袋式除尘滤材和水处理膜材料等市场需求将蚀袋式除尘滤材和水处理膜材料等市场需求将大幅增长。大幅增长。06生物产业生物产业 2015年，预计需要人工关节年，预计需要人工关节50万套万套/年、血管支年、血管支架架120万个万个/年，眼内人工晶体年，眼内人工晶体100万个万个/年，医年，医用高分子材料、生物陶瓷、医用金属等材料需用高分子材料、生物陶瓷、医用金属等材料需求将大幅增加。可降解塑
16、料需要聚乳酸（求将大幅增加。可降解塑料需要聚乳酸（PLA）等）等5万吨万吨/年、淀粉塑料年、淀粉塑料10万吨万吨/年。年。 Chapter 1 Introduction材料的使用和发展是标志人类进步的重要里程材料的使用和发展是标志人类进步的重要里程碑。材料是人类生活和生产的物质基础，是人碑。材料是人类生活和生产的物质基础，是人类认识自然和改造自然的工具。类认识自然和改造自然的工具。 人类进步的过程分为五个阶段：旧石器时人类进步的过程分为五个阶段：旧石器时代代(Palaeolithic Age;Old Stone Age)、新石器时、新石器时代代(Neolithic Age; New Stone
17、 Age)、青铜器时、青铜器时代代(Bronze Age)、铁器时代、铁器时代(Iron Age)、硅时代、硅时代(Silicon Age)（信息时代、人类文明产生了又（信息时代、人类文明产生了又一次飞跃）一次飞跃） 。金属冶炼和金属工具的制作与使用，是人类从金属冶炼和金属工具的制作与使用，是人类从蒙昧到文明的转折点。蒙昧到文明的转折点。材料是人类社会进步的里程碑旧石器时代旧石器时代新石器时代新石器时代2022-2-819中国地质大学（武汉）材化学院中国地质大学（武汉）材化学院硅时代硅时代 1948年以后年以后（新材料时（新材料时代、信息时代、信息时代）代）2022-2-8202007年年2月
18、，由美国月，由美国JOM杂志发起并评选出材杂志发起并评选出材料科学与工程历史上料科学与工程历史上10件最伟大的材料事件件最伟大的材料事件：（1）约公元前）约公元前5000年，在现代土耳其周边，年，在现代土耳其周边，人们发现可以从孔雀石和蓝铜矿中人们发现可以从孔雀石和蓝铜矿中萃取液体铜萃取液体铜以及熔融的金属以及熔融的金属可铸成不同的形状，成为可铸成不同的形状，成为冶金冶金提取术提取术开发地球矿物宝藏的手段。开发地球矿物宝藏的手段。（2）约公元前）约公元前3500年，埃及人首次发现了年，埃及人首次发现了熔熔炼铁炼铁的技术。的技术。（3）约公元前）约公元前2200年，伊朗人继陶瓷后，发年，伊朗人继
19、陶瓷后，发明了明了玻璃。玻璃。（4）约公元前）约公元前300年，印度人发明了年，印度人发明了坩埚炼钢坩埚炼钢技术，生产出几百年后成为著名的技术，生产出几百年后成为著名的“大马士革大马士革”剑钢的剑钢的“伍兹钢伍兹钢”，激励了数代工匠、铁匠和，激励了数代工匠、铁匠和冶金学家。冶金学家。特点：高含碳量，特点：高含碳量，含碳量超过含碳量超过2，属于可锻属于可锻白口铁白口铁，局部硬度可达局部硬度可达HRC70(洛式硬洛式硬度度)，韧性差。，韧性差。（5）约）约1668年，列文虎克制作出放大倍数超年，列文虎克制作出放大倍数超过过200倍的倍的光学显微镜光学显微镜，使人类能够研究肉眼，使人类能够研究肉眼无
20、法看到的自然世界及其结构。无法看到的自然世界及其结构。（6）1755年，斯米顿发明了年，斯米顿发明了现代混凝土。现代混凝土。（7）1856年，贝西默发明了年，贝西默发明了大吨位炼钢大吨位炼钢技术，技术，开创了廉价、大吨位炼钢时代，为运输业、建开创了廉价、大吨位炼钢时代，为运输业、建筑物和通用工业带来巨大进步。筑物和通用工业带来巨大进步。（8）1864年，门捷列夫设计出年，门捷列夫设计出元素周期表元素周期表，成为材料科学家和工程师普遍使用的参考工具。成为材料科学家和工程师普遍使用的参考工具。（9）1912年，劳厄发现晶体的年，劳厄发现晶体的X射线衍射射线衍射，创，创建了表征晶体结构的方法，并启发
21、了布拉格父建了表征晶体结构的方法，并启发了布拉格父子发展晶体衍射理论，深化了晶体结构与材料子发展晶体衍射理论，深化了晶体结构与材料性能关系的理解。性能关系的理解。（10）1948年，巴丁、布拉顿和肖克利发明了年，巴丁、布拉顿和肖克利发明了晶体管晶体管，成为所有现代电子学的基石和微芯片，成为所有现代电子学的基石和微芯片与计算机技术的基础。与计算机技术的基础。 由此看出，这些由此看出，这些“最伟大的材料事件最伟大的材料事件”主主要来自于三个方面：新材料的发现、新工艺的要来自于三个方面：新材料的发现、新工艺的发明、相关科学技术的进步。发明、相关科学技术的进步。各国材料科技战略目标各国材料科技战略目标
22、 美国：美国： 保持本领域的全球领导地位，支撑保持本领域的全球领导地位，支撑信息技术、生命科学、环境科学和纳米信息技术、生命科学、环境科学和纳米技术等持续发展，同时满足国防、能源、技术等持续发展，同时满足国防、能源、电子信息等重要部门和领域的需求。电子信息等重要部门和领域的需求。 欧盟：欧盟： 在国际材料科学和工程的各个研究在国际材料科学和工程的各个研究领域成为领导者，并在尽可能多的新材领域成为领导者，并在尽可能多的新材料技术中成为世界第一。料技术中成为世界第一。日本：日本： 保持产品的国际竞争力，注重实用性，保持产品的国际竞争力，注重实用性，在尖端领域赶超欧美。在尖端领域赶超欧美。俄罗斯：俄
23、罗斯： 力求继续保持某些材料领域在世界上力求继续保持某些材料领域在世界上的领先地位，如航空航天、能源工业、的领先地位，如航空航天、能源工业、化工、金属材料、超导材料、聚合材料化工、金属材料、超导材料、聚合材料等；另一方面大力发展对促进其国民经等；另一方面大力发展对促进其国民经济发展和提高国防实力有影响的领域，济发展和提高国防实力有影响的领域，如电子信息工业、通信设施、计算机产如电子信息工业、通信设施、计算机产业等所用的关键新材料。业等所用的关键新材料。我国的战略目标：我国的战略目标： 在在2020年前后，实现由材料大国向材年前后，实现由材料大国向材料强国的战略性转变，从跟踪发展到自料强国的战略
24、性转变，从跟踪发展到自主创新，基本建成我国材料科学技术的主创新，基本建成我国材料科学技术的创新体系，有自行设计工艺流程和制造创新体系，有自行设计工艺流程和制造重大装备的能力；能基本满足我国国民重大装备的能力；能基本满足我国国民经济、国家安全、社会可持续发展和高经济、国家安全、社会可持续发展和高技术产业发展对材料的需求。技术产业发展对材料的需求。第一节第一节 功能材料的发展和分类功能材料的发展和分类 一一. 功能材料的发展概况功能材料的发展概况功能材料概念的提出：功能材料概念的提出： 是由美国贝尔研究所是由美国贝尔研究所J.A.Morton博士博士在在1965年首先提出来的年首先提出来的,后经日
25、本各研究后经日本各研究所、大学和材料学会的大力提倡所、大学和材料学会的大力提倡,很快受很快受到了各国材料科学界的重视和接受。到了各国材料科学界的重视和接受。 功能材料定义功能材料定义: 具有优良的电学、磁学、光学、热学、具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学和生物学功能及其相声学、力学、化学和生物学功能及其相互转化的功能互转化的功能,被用于被用于非结构目的非结构目的的高技的高技术材料。术材料。 与结构材料相区分：具有较好的力学性与结构材料相区分：具有较好的力学性能（如强度、韧性等）用作结构件的材能（如强度、韧性等）用作结构件的材料。料。举几个典型事例说明功能材料的发展概举几个典型事
26、例说明功能材料的发展概况：况：1、电子技术的发展、电子技术的发展 1906年年发明了电子管发明了电子管出现了出现了无线电技术、电视机、电子计算机；无线电技术、电视机、电子计算机； 1948年年发明了半导体晶体管发明了半导体晶体管使电子设备小型化、轻量化、节能化；使电子设备小型化、轻量化、节能化； 1958年年出现了集成电路出现了集成电路使计使计算机及各种电工设备技术发生质的飞跃。算机及各种电工设备技术发生质的飞跃。 图图1-2 集成电路发展历程集成电路发展历程目前我国可制造线宽目前我国可制造线宽0.13um，而日本在，而日本在2001年年就达到了就达到了0.05um。 2、光纤通信的诞生、光纤
27、通信的诞生 1966年年高琨提出：光纤传输损耗高琨提出：光纤传输损耗小于小于20dB/km时，可实现光通信。时，可实现光通信。 1970年年采用石英掺杂氧化锗等，采用石英掺杂氧化锗等，达到了这一指标。达到了这一指标。 目前，光纤已取代了同轴电缆，各主目前，光纤已取代了同轴电缆，各主要干线都是光纤通信，它已成为现代信要干线都是光纤通信，它已成为现代信息高速公路与信息网络化的重要组成部息高速公路与信息网络化的重要组成部分。分。 光纤到户目标已经实现。（上网速度光纤到户目标已经实现。（上网速度更快）更快） 表表1-1 光纤通信的发展历程光纤通信的发展历程 技术指标技术指标第一代（短第一代（短波长）波
28、长）第二代（长第二代（长波长）波长）第三代（长第三代（长波长）波长）第四代（超第四代（超长波长）长波长）波长波长/um光纤光纤激光器激光器探测器探测器损耗损耗/dB/ km传输距离传输距离/km0.85熔石英熔石英GaAlAsSi23约约101.3熔石英熔石英InGaAsPGe,InGaAsP0.51约约30 1.55熔石英熔石英(+铒铒)InGaAsPInGaAsP500光纤的传输损耗和波长关系光纤的传输损耗和波长关系 假如没有半导体材料的发现和发展假如没有半导体材料的发现和发展,便不可能有今天的微电子工业便不可能有今天的微电子工业; 假如没有低损耗的光导纤维假如没有低损耗的光导纤维,便不可
29、便不可能有当今世界蓬勃发展的光纤通讯。能有当今世界蓬勃发展的光纤通讯。作业作业 一：一： 1、查阅压电陶瓷、热释电陶瓷、生物陶、查阅压电陶瓷、热释电陶瓷、生物陶瓷的几种主要体系？并说明它们分别应瓷的几种主要体系？并说明它们分别应用在哪些领域？用在哪些领域？ 2、各种材料测试技术的中英文全称及作、各种材料测试技术的中英文全称及作用：用：AFM,SEM,TEM,STM,XPS,AES,DSC,DTA,TG,XRD,HTREM。 3、你对什么功能材料最感兴趣？你期望、你对什么功能材料最感兴趣？你期望这种功能材料能产生什么作用？这种功能材料能产生什么作用？ 如何实如何实现？现？ 二、功能材料的分类二、
30、功能材料的分类 目前主要是根据材料的物质性、功能性、目前主要是根据材料的物质性、功能性、应用性和状态进行分类。应用性和状态进行分类。 (一一) 根据材料的物质性进行分类根据材料的物质性进行分类 1.金属功能材料金属功能材料; 2.无机非金属功能材料无机非金属功能材料; 3.高分子功能材料高分子功能材料; 4.复合功能材料。复合功能材料。 有时按照化学成分、晶体结构、显微组织有时按照化学成分、晶体结构、显微组织的不同还可以进一步细分小类和品种。例如的不同还可以进一步细分小类和品种。例如,无无机非金属材料可以分为玻璃、陶瓷和其他品种机非金属材料可以分为玻璃、陶瓷和其他品种,如表如表1-2所示。所示
31、。 表表1-2 新型无机材料的种类、性能和用途新型无机材料的种类、性能和用途 种种 类类 性性 能能 用用 途途新新型型陶陶瓷瓷电子陶电子陶瓷瓷具有压电、光电、电光等具有压电、光电、电光等电子工业电子工业超导陶超导陶瓷瓷超导性能超导性能电子、能源、信息、电子、能源、信息、交通、军事等交通、军事等磁性陶磁性陶瓷瓷较大的磁导率和矫顽力、硬较大的磁导率和矫顽力、硬度高等性能度高等性能微波器件、量子无微波器件、量子无线电等尖端部门线电等尖端部门光学陶光学陶瓷瓷透明、红外光、荧光性能好透明、红外光、荧光性能好激光技术、发光材激光技术、发光材料、光导纤维料、光导纤维生物陶生物陶瓷瓷生物和化学功能生物和化学
32、功能生物器官等生物器官等 种种 类类 性性 能能 用用 途途非非晶晶态态材材料料无机纤无机纤维维强度高、质轻强度高、质轻航空航天工业航空航天工业光学纤光学纤维维工作频率高、频带宽、通信容工作频率高、频带宽、通信容量大量大远距离通讯光缆、远距离通讯光缆、光电控制等光电控制等特种玻特种玻璃璃非晶态硅、半导体玻璃、透红非晶态硅、半导体玻璃、透红外玻璃、变色玻璃等外玻璃、变色玻璃等多种用途，如导弹多种用途，如导弹罩、太阳镜罩、太阳镜无机橡胶无机橡胶具有良好的热稳定性和阻燃性具有良好的热稳定性和阻燃性 阻燃和防火材料阻燃和防火材料薄膜材料薄膜材料具有高选择过滤性、光、电、具有高选择过滤性、光、电、磁等性
33、能磁等性能用于无公害、节能、用于无公害、节能、绿色化学工业、通绿色化学工业、通讯等讯等高温无机涂层高温无机涂层保护基底不受高温氧化、耐磨保护基底不受高温氧化、耐磨损、隔热等损、隔热等空间技术、机械、空间技术、机械、汽车、化工、军事汽车、化工、军事等等(二二根据材料的功能性进行分类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按照材料的物理化学功能进行分类,例如例如,按按材料的主要使用性能大致可分为材料的主要使用性能大致可分为9大类型大类型: (1) 电学功能材料电学功能材料; (2) 磁学功能材料磁学功能材料; (3) 光学功能材料光学功能材料: (4) 声学功能材料声学功能材料 (
34、5) 力学功能材料力学功能材料: (6) 热学功能材料热学功能材料; (7) 化学功能材料：化学功能材料： (8) 生物医学功能材料生物医学功能材料; (9) 核功能材料。核功能材料。 这些功能材料还可按在具体应用中所发挥的这些功能材料还可按在具体应用中所发挥的效能和作用效能和作用进一步分类。例如进一步分类。例如,光学功能材料又光学功能材料又可进一步细分如下可进一步细分如下:(1) 非线性光学材料非线性光学材料磷酸二氢钾磷酸二氢钾(2) 发光材料发光材料氧化锌氧化锌(3) 红外光学材料红外光学材料氟化镁、蓝宝石氟化镁、蓝宝石(4) 感光材料感光材料卤化银卤化银(5) 激光材料激光材料红宝石、红
35、宝石、GaAlAs等等(6) 光电功能材料光电功能材料(7)声光功能材料声光功能材料(8) 磁光材料磁光材料(9) 光记录材料光记录材料(三三) 根据材料的应用性进行分类根据材料的应用性进行分类 按照功能材料按照功能材料应用的技术领域应用的技术领域进行分类进行分类,主主要可分为：要可分为： 信息材料、电子材料、电工材料、电讯材料、信息材料、电子材料、电工材料、电讯材料、计算机材料、传感材料、仪器仪表材料、能源计算机材料、传感材料、仪器仪表材料、能源材料、航空航天材料、生物医用材料等。视应材料、航空航天材料、生物医用材料等。视应用领域的层次和效能还可以进一步细分。用领域的层次和效能还可以进一步细
36、分。（四）根据材料的状态进行分类（四）根据材料的状态进行分类 可以分为：块体材料、薄膜材料、多孔材可以分为：块体材料、薄膜材料、多孔材料、颗粒材料、纤维材料料、颗粒材料、纤维材料 应该指出应该指出,由于功能材料的种类很多由于功能材料的种类很多,功能繁杂功能繁杂,应用领域广泛应用领域广泛,上述的分类是相上述的分类是相对的。考虑多方面的因素，本讲义采用对的。考虑多方面的因素，本讲义采用混合分类法。混合分类法。三、功能材料的特点三、功能材料的特点 功能材料为高技术密集型材料功能材料为高技术密集型材料, ,在研究开发在研究开发和生产功能材料时具有和生产功能材料时具有3 3个显著的特点个显著的特点: :
37、 综合运用现代先进的科学技术成就综合运用现代先进的科学技术成就, ,多学科多学科 交叉、知识密集交叉、知识密集; ; 品种比较多品种比较多, ,生产规模一般比较小生产规模一般比较小, ,更新换更新换 代快代快, ,技术保密性强技术保密性强; ; 需要投入大量的资金和时间需要投入大量的资金和时间, ,存在相当大的存在相当大的 风险风险, ,但但, ,一旦研究开发成功一旦研究开发成功, ,则成为高技术、则成为高技术、 高性能、高产值、高效益的产业。高性能、高产值、高效益的产业。 功能材料与结构材料相比功能材料与结构材料相比, ,最大的特点是最大的特点是两者性能上的差异和用途的不同。两者性能上的差异
38、和用途的不同。 材料科学、信息技术、生物科学是未材料科学、信息技术、生物科学是未来的三大研究方向。来的三大研究方向。 新型材料的出现和发展往往给科学技新型材料的出现和发展往往给科学技术的进步术的进步,乃至整个社会和经济的发展产乃至整个社会和经济的发展产生重大的影响生重大的影响,把人类支配自然的能力提把人类支配自然的能力提高到一个新的水平。高到一个新的水平。 当前人们最为关注的新材料领域有：当前人们最为关注的新材料领域有： 光电子信息材料光电子信息材料 功能陶瓷材料功能陶瓷材料 能源材料能源材料 生物医用材料生物医用材料 超导材料超导材料 功能高分子材料功能高分子材料 先进复合材料先进复合材料
39、智能材料智能材料 生态环境材料生态环境材料 第二章第二章 功能陶瓷材料功能陶瓷材料2.1 功能陶瓷的分类和特点功能陶瓷的分类和特点 2.1.1 定义定义：相对于用：相对于用天然无机物天然无机物烧结的烧结的传统陶瓷传统陶瓷,以以精制的高纯精制的高纯天然无机物或人天然无机物或人工合成的工合成的 无机化合物为原料无机化合物为原料,采用精密控采用精密控制的制造加工工艺烧结制的制造加工工艺烧结,具有远胜过以往具有远胜过以往独特性能的优异特性的陶瓷独特性能的优异特性的陶瓷,称为功能陶称为功能陶瓷。瓷。2.1.2 分类分类： 1、按化学组成分、按化学组成分 氧化物陶瓷氧化物陶瓷 非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷 氧
40、化铝氧化铝 碳化硅碳化硅 氧化锆氧化锆 氮化硅氮化硅 氧化镁氧化镁 硼化物等硼化物等 氧化铍等氧化铍等 多组分氧化物多组分氧化物2、按功能分、按功能分 电介质陶瓷电介质陶瓷 铁电陶瓷铁电陶瓷 压电陶瓷压电陶瓷 热释电陶瓷热释电陶瓷 半导体陶瓷半导体陶瓷 生物陶瓷生物陶瓷 敏感陶瓷：热敏敏感陶瓷：热敏PTC、NTC；压敏；压敏ZnO；气敏气敏SnO2；湿敏；湿敏MgCr2O4；光敏；光敏CdS等等 2.1.3 功能陶瓷的特点功能陶瓷的特点 1、功能陶瓷与传统陶瓷的区别、功能陶瓷与传统陶瓷的区别 （1）在原料上）在原料上 传统陶瓷：粘土传统陶瓷：粘土 功能陶瓷：精选、人工合成原料功能陶瓷：精选、人
41、工合成原料 （2）在成分上）在成分上 传统陶瓷：由粘土的成分决定，与原料的产地有关。传统陶瓷：由粘土的成分决定，与原料的产地有关。 功能陶瓷：由纯化合物制备而成。其组成与原料的功能陶瓷：由纯化合物制备而成。其组成与原料的纯度和工艺有关。纯度和工艺有关。 （3）在制备工艺上）在制备工艺上 传统陶瓷：以隧道窑炉为主要制备手传统陶瓷：以隧道窑炉为主要制备手段。段。 功能陶瓷：多种手段，如功能陶瓷：多种手段，如 真空烧结、真空烧结、气氛烧结、热压、热静压、流延法等现气氛烧结、热压、热静压、流延法等现代制备手段。代制备手段。 （4）在性能上）在性能上 传统陶瓷：性能单一传统陶瓷：性能单一 功能陶瓷：在磁
42、、电、热、声、光、功能陶瓷：在磁、电、热、声、光、生物工程等各方面有特殊功能。生物工程等各方面有特殊功能。 2、功能陶瓷的性能特点、功能陶瓷的性能特点 （1）化学稳定性好，抗腐蚀、抗氧化。）化学稳定性好，抗腐蚀、抗氧化。 （2）绝缘性、压电性、半导体性、磁）绝缘性、压电性、半导体性、磁性等特性。性等特性。 （3）生物体适应性、催化剂等生物化）生物体适应性、催化剂等生物化学、化学的功能。学、化学的功能。 （4）光学功能及其他一些特殊功能。）光学功能及其他一些特殊功能。 2.2 功能陶瓷的制备功能陶瓷的制备 功能陶瓷的制备方法大致相同功能陶瓷的制备方法大致相同,典型的典型的制备工艺流程为：制备工艺
43、流程为： 主要原料粉碎主要原料粉碎混合混合预烧合成预烧合成粉粉碎碎造粒造粒成型成型烧结烧结冷加工冷加工成品。成品。2.2.1 功能陶瓷原料的制备功能陶瓷原料的制备 原料对于功能陶瓷的性能起着极其重原料对于功能陶瓷的性能起着极其重要的作用。要的作用。 原料的三个重要信息：原料的三个重要信息： （1）化学成分）化学成分 包括纯度、杂质的种类与含量、化包括纯度、杂质的种类与含量、化学计量比等。学计量比等。 （2）颗粒度）颗粒度 包括粉粒直径、粒度分布与颗粒外形包括粉粒直径、粒度分布与颗粒外形等。等。 （3）结构）结构 包括结晶形态、稳定度、裂纹、致密包括结晶形态、稳定度、裂纹、致密度与多孔性等。度与
44、多孔性等。 例：例：石英石英 -石英、石英、-石英等不同结石英等不同结晶形态晶形态 二氧化锆二氧化锆 温度不高时温度不高时单斜晶系单斜晶系 1100度左右度左右四方晶系四方晶系 降温至降温至1000度以下度以下单斜晶系单斜晶系理想的粉体应是理想的粉体应是: （1）形状规则一致）形状规则一致(各向同性各向同性)； （2）粒径均匀且细小）粒径均匀且细小; （3）不结块）不结块; （4）纯度高）纯度高; （5）能控制相。）能控制相。 常用的粉料制备方法有常用的粉料制备方法有机械法和反应法机械法和反应法。 2.2.1.1 机械法制粉机械法制粉 常用的机械法制粉的方法有：常用的机械法制粉的方法有：滚动球
45、滚动球磨、振动球磨、搅动磨、振动球磨、搅动(高纯高纯)球磨和气流粉球磨和气流粉碎碎等。其中后等。其中后3种方法都是强力粉碎方法种方法都是强力粉碎方法,其效率为普通球磨的数倍至数其效率为普通球磨的数倍至数10倍。倍。 纳米球磨纳米球磨可粉粹至纳米级。可粉粹至纳米级。制粉原理：制粉原理： 例例1 以球磨为例以球磨为例球磨机对粉料球磨机对粉料作功分为：作功分为：A、磨球相互之、磨球相互之间及磨球与筒间及磨球与筒体之间的磨擦体之间的磨擦滚碾。滚碾。B、磨球下落时、磨球下落时的的mgh撞击功。撞击功。图图2-1 球磨机示意图球磨机示意图 提高球磨效率，从七个方面进行：提高球磨效率，从七个方面进行：（1）
46、转速）转速 转速转速 磨球的切线加速度磨球的切线加速度 滚碾效率滚碾效率 但是若转速过快但是若转速过快因离心作用产生的因离心作用产生的径向压力太大径向压力太大磨球难于滚动，甚至可磨球难于滚动，甚至可能使磨球紧贴筒体回转，失去了撞击作能使磨球紧贴筒体回转，失去了撞击作用。用。 最佳转速为：使磨球恰能自近顶部下最佳转速为：使磨球恰能自近顶部下落为宜。此时球磨效率最高。落为宜。此时球磨效率最高。 最佳转速决定于：筒体直径、磨球种最佳转速决定于：筒体直径、磨球种类、粉料性质、装料量、加液量等。类、粉料性质、装料量、加液量等。（2）磨球外形）磨球外形 就撞击功而言就撞击功而言球状磨球好球状磨球好点接触点
47、接触 就滚碾功而言就滚碾功而言短柱状磨球好短柱状磨球好线接触线接触 磨球尺寸大磨球尺寸大利于粉碎粗、硬颗利于粉碎粗、硬颗粒粒 磨球尺寸小磨球尺寸小利于细颗粒的研磨利于细颗粒的研磨 因此磨球应是球形与柱状搭配，大因此磨球应是球形与柱状搭配，大小磨球搭配较好。小磨球搭配较好。 （3）筒体直径与粉料粒形）筒体直径与粉料粒形 筒体大筒体大研磨效率高研磨效率高因为磨因为磨球直径可以大些球直径可以大些但是粉料的粒形呈但是粉料的粒形呈多角形，流动性小多角形，流动性小不利于成型。不利于成型。 筒体小筒体小研磨多于撞击研磨多于撞击粉料粉料粒形圆润、流动性好、可塑性高粒形圆润、流动性好、可塑性高有有利于成型。利于
48、成型。（4）磨球与筒衬的质料）磨球与筒衬的质料 从研磨效率看：磨球比重越大，越从研磨效率看：磨球比重越大，越坚硬，效率越好。坚硬，效率越好。 常用的磨球有：常用的磨球有： 钢球钢球 刚玉球刚玉球 玛瑙球玛瑙球 比重比重 7.8 3.9 2.3 莫氏硬度莫氏硬度 8 9 7.5 显然：钢球的效率最高，但杂质对介电性影响大。显然：钢球的效率最高，但杂质对介电性影响大。（5）球磨时间）球磨时间 作功主要靠：自由落体和滚动摩擦作功主要靠：自由落体和滚动摩擦 球磨时间：连续球磨时间：连续2448小时小时 它决定于多个因素：它决定于多个因素： a、粉料的初粒度、硬度、脆性、粉料的初粒度、硬度、脆性 b、球
49、磨机筒体的大小、转速的快慢、球磨机筒体的大小、转速的快慢 c、磨球的尺寸、形状、质料等等。、磨球的尺寸、形状、质料等等。 图图2-2 为在为在1550下煅烧过的工业氧化下煅烧过的工业氧化铝，采用不同形状，不同质料的磨球，在小铝，采用不同形状，不同质料的磨球，在小型球磨罐中，固定转速进行球磨。型球磨罐中，固定转速进行球磨。 图图2-2 球磨时间与粉料球磨时间与粉料粒度的关系粒度的关系1 22mm的刚玉球的刚玉球213 40mm的刚的刚玉柱玉柱38.5mm的钢球的钢球（6）干磨与湿磨）干磨与湿磨 干磨干磨 湿磨湿磨 只有磨球和粉料只有磨球和粉料 还有助磨液体还有助磨液体 击碎为主、研磨为辅击碎为主
50、、研磨为辅 研磨为主研磨为主 效率低效率低 效率高效率高 不利于后期细化不利于后期细化 有利于后期细化有利于后期细化优点：可研磨有水解反优点：可研磨有水解反 缺点：需干燥、缺点：需干燥、 应的粉料应的粉料 可能形成分层沉淀、可能形成分层沉淀、 影响均匀性影响均匀性（7）助磨剂）助磨剂 添加添加1%的助磨剂，可使球磨效率成倍地增的助磨剂，可使球磨效率成倍地增加。加。 有三种效应产生：有三种效应产生： a、分散效应、分散效应 助磨剂在粉料表面吸附之后，助磨剂在粉料表面吸附之后，大大地减弱了粉料之间的相互作用而避免结成大大地减弱了粉料之间的相互作用而避免结成团块的效应。团块的效应。 例如：油酸例如：
