1、课程内容 纳米材料纳米材料定义定义 功能材料功能材料定义定义 “纳米纳米”和和“功能功能”的结合的结合纳米结构和纳米材料纳米结构和纳米材料 合成、性能及应用合成、性能及应用高等教育出版社，高等教育出版社，2011Guozhong Cao, Ying Wang 著；董星著；董星龙龙 译译1 纳米纳米 = 10 -9 米米 （米（米/10亿）、亿）、10个氢原子排列长度、个氢原子排列长度、5个硅原子线状排列的长度个硅原子线状排列的长度纳米尺寸的概念纳米尺寸的概念物质的尺寸物质的尺寸零维纳米结构或纳米材料中的尺寸零维纳米结构或纳米材料中的尺寸尺寸尺寸（纳米）（纳米）物物 质质0.1110100010
2、0104105气态离子气态离子小分子小分子大分子大分子微粒子微粒子宏粒子宏粒子致热原致热原细菌细菌糖糖病毒病毒颜料颜料红细胞红细胞花粉花粉硅胶硅胶酵母菌酵母菌沙子沙子粘土粘土量子点量子点人类发丝人类发丝宠物毛屑宠物毛屑烟尘烟尘胶束胶束不同学科研究对象的尺寸不同学科研究对象的尺寸电磁波电磁波微制造微制造Quantum dotsTransistorsSETse-beam lithography Photo-lithography合成合成生物生物Polymers Nanotubes0.1 1.0 10 100 1,000 10,000纳米（）纳米（） g-ray X-ray Ultraviolet
3、Visible InfraredBiomoleculesOrganellasCellshemoglobinribosomeerythrocyteTM virusDNA diam.NucleotideNanoclusters核苷核苷核糖体核糖体病毒病毒红血球红血球纳米团簇纳米团簇量子点量子点晶体管晶体管紫外光紫外光红外红外可见光可见光X射线射线g g 射线射线纳米材料纳米材料:两个基本条件两个基本条件：1 1、所有的粒子尺寸必须小于、所有的粒子尺寸必须小于100 nm100 nm； 2 2、材料的优化性能必须是由于、材料的优化性能必须是由于尺寸尺寸变化而来变化而来 利用物质在小到原子或分子尺度以
4、后，由于利用物质在小到原子或分子尺度以后，由于尺寸效应尺寸效应、表面效应表面效应或或量子效应量子效应所出现的奇所出现的奇异现象而发展出来的新材料。异现象而发展出来的新材料。10,000 BCStone & Wood0CementSteel1800Iron1000 BC1900sPolymers&Composites2000Nanomaterials &Nanocomposites材料的发展史 Evolution of Materials纳米结构制备纳米结构制备的的两两大大途径途径 key approaches to fabrication“自下而上自下而上”Top DownBottom Up-
5、 Synthesis of building blocks (nanoparticles, macromolecules, layers)- Assembly of building blocks to nanostructuresSimultaneous synthesis & assembly “自上而下自上而下”纳米技术的定义纳米技术的定义纳米纳米技术定义：技术定义：由于纳米尺寸，导致的材料及其体系的结构与组成表现出奇特由于纳米尺寸，导致的材料及其体系的结构与组成表现出奇特而明显改变的物理、化学和生物性能、以及由此产生的新现象和新而明显改变的物理、化学和生物性能、以及由此产生的新现象和新
6、工艺。工艺。按照生长介质划分：按照生长介质划分：气相生长，气相生长，包括激光反应分解合成纳米粒子、原子层沉积形成薄膜等；包括激光反应分解合成纳米粒子、原子层沉积形成薄膜等；液相生长，液相生长，包括胶质处理形成纳米粒子、自组织形成单分散层等；包括胶质处理形成纳米粒子、自组织形成单分散层等；固相生成，固相生成，包括相分离形成玻璃基体中的金属颗粒、双光子诱导聚合化形成三包括相分离形成玻璃基体中的金属颗粒、双光子诱导聚合化形成三维光子晶体等；维光子晶体等；混合生长，混合生长，包括纳米线的气包括纳米线的气- -液液- -固生长等固生长等 按照产物类型进行划分：按照产物类型进行划分：纳米纳米粒子（零维）：
7、粒子（零维）：通过通过胶质处理、火焰燃烧和相分离技术合成；胶质处理、火焰燃烧和相分离技术合成；纳米棒或纳米纳米棒或纳米线（一维）：线（一维）：通过通过模板辅助电沉积，溶液模板辅助电沉积，溶液- -液相液相- -固相生长技术，和固相生长技术，和自发各向异性生长的方式合成；自发各向异性生长的方式合成；薄膜（二维）：薄膜（二维）：通过通过分子束外延和原子层沉积技术合成；分子束外延和原子层沉积技术合成；纳米结构块体材纳米结构块体材料（三维）：料（三维）：例如例如自组织纳米颗粒形成光带隙晶体自组织纳米颗粒形成光带隙晶体 制造纳米结构和纳米材料的技术的划分：制造纳米结构和纳米材料的技术的划分：Nanote
8、chnology: BIG pictureNEMSNano-tribologyNano-electronicsNano-structuredmaterialsNano-medicineNanochemistryNano-clustersNano-mechanicsNanocomputersNanophysicsfields contributing to nanotechnology developmentNano-opticsNano-magnetismFemme纳米技术：纳米技术：覆盖广阔研究领域，要求多覆盖广阔研究领域，要求多学科之间的共同努力学科之间的共同努力 纳米技术的出现纳米技术的
9、出现纳米技术并不纳米技术并不“新新”，结合了已经存在的技术、最近发展的原子水平，结合了已经存在的技术、最近发展的原子水平的观察和操纵能力，使其在科学、技术、商业、政治等领域引人注目的观察和操纵能力，使其在科学、技术、商业、政治等领域引人注目 “纳米研究纳米研究”已经开始几个世纪了！已经开始几个世纪了！中国，上千年前将中国，上千年前将AuAu纳米粒子作为无机染料加入到陶瓷产品中纳米粒子作为无机染料加入到陶瓷产品中 18571857年，法拉第制备的年，法拉第制备的AuAu胶质分散体，稳定存在了近胶质分散体，稳定存在了近1 1个世纪个世纪纳米技术的纳米技术的“新新”，体现在纳米尺度的观察和操纵能力，
10、原子级相，体现在纳米尺度的观察和操纵能力，原子级相互作用的理解！互作用的理解！ 19801980年，扫描隧道显微镜（年，扫描隧道显微镜（STMSTM）的发明和发展）的发明和发展 扫描探针显微镜（扫描探针显微镜（SPMSPM），如原子力显微镜等），如原子力显微镜等摩尔定律摩尔定律纳米技术热潮，是半导体工业的器件微型化、纳米纳米技术热潮，是半导体工业的器件微型化、纳米尺度上表征和操纵的实用化，所部分驱使！尺度上表征和操纵的实用化，所部分驱使！ 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 20201-5 nm“摩尔定律摩尔定律”趋势线趋势线晶晶体体管管尺尺寸寸50 nm1m
11、1 cm第第一一代代晶晶体体管管第第一一代代集集成成电电路路1M 晶体管晶体管/每芯每芯片片晶体管尺寸晶体管尺寸每每 1818个月减个月减小一倍小一倍 History of the integrated circuit每个芯片中的晶体管数每个芯片中的晶体管数1958-1959: Integrated circuit invented byJack Kilby (Texas Instruments)Robert Noyce (Fairchild Semiconductor)1965: Gordon Moore (Intel)Observes that the density of transis
12、tors (computing elements) has been doubling every two yearsPredicts this will continue or speed upPredicts 65,000 transistors per chip by 1975最早的晶体管最早的晶体管1947年年12月月23日，由贝尔实验日，由贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克利发室的巴丁、布拉顿和肖克利发明的最早的接触式晶体管。明的最早的接触式晶体管。M. Riordan and L. Hoddeson, Crystal Fire, W.W. Norton and Company, New
13、 York, 1997. 双功能分子连接双功能分子连接Au尖和纳米晶体尖和纳米晶体场发射扫描电镜场发射扫描电镜FESEMFESEM图片图片(a) 引入纳米晶体之前的金导线结构的引入纳米晶体之前的金导线结构的场发射扫描电子显微照片。浅灰色区场发射扫描电子显微照片。浅灰色区域由角蒸发沉积形成，其厚度域由角蒸发沉积形成，其厚度10 nm。深色区域由常规角蒸发沉积而成，厚深色区域由常规角蒸发沉积而成，厚度度70 nm。(b) 由生物功能分子连接纳米晶和金导由生物功能分子连接纳米晶和金导线的横截面示意图。导线之间的传输线的横截面示意图。导线之间的传输通过斑纹纳米晶桥梁作用而实现。通过斑纹纳米晶桥梁作用而
14、实现。D.L. Klein, P.L. McEuen, J.E. Bowen Katari, R. Roth, and A.P. Alivisatos, Appl. Phys. Lett. 68, 2574 (1996).纳米材料的表面原子数纳米材料的表面原子数表面原子数表面原子数（总）体原子数（总）体原子数x 100%表面表面/ /体原子数比率与直径的关系体原子数比率与直径的关系钯（钯（palladium）团簇的表面）团簇的表面/体原子数比随团簇直径的变化关系体原子数比随团簇直径的变化关系 C. Ntzenadel, A. Zttel, D. Chartouni, G. Schmid, an
15、d L. Schlapbach, Eur. Phys. J. D8, 245 (2000).1050.1110100104020406080100(1.2nm, 76%)(5nm, 45%)(7nm, 35%)(63m, 0%)d cluster nmSurface atoms %表面能随粒子尺寸的变化表面能随粒子尺寸的变化Size (cm)Total Surface Area (cm2)Total Edge (cm)Surface Energy (J/g)Edge Energy (J/g)0.770.10.010.00110-4 (1m)10-7 (1 nm)3.6282802.8 x 10
16、32.8 x 1042.8 x 1079.35505.5 x 1045.5 x 1065.5 x 1085.5 x 10147.2 x 10-55.6 x 10-45.6 x 10-35.6 x 10-20.565602.8 x 10-121.7 x 10-101.7 x 10-81.7 x 10-61.7 x 10-4170 当粒子尺寸从当粒子尺寸从厘米厘米变到变到纳米纳米时，表面能变化时，表面能变化 7 个数量级个数量级 纳米材料中表面能发挥重要的作用纳米材料中表面能发挥重要的作用热力学不稳定或亚稳态热力学不稳定或亚稳态 克服表面能克服表面能保护纳米结构和纳米材料，抑制颗粒保护纳米结构和纳
17、米材料，抑制颗粒生长或团聚生长或团聚表表 2.1， 1克克NaCl粒子（立方体）的尺寸与表面能粒子（立方体）的尺寸与表面能 表表 面面 能能PTniAG,g将一矩形固体分割为两小块，将一矩形固体分割为两小块，形成两个新表面的示意图形成两个新表面的示意图表面能表面能 g g：产生单位新表面时所需要的能量，也称为表面自由能、表面张力产生单位新表面时所需要的能量，也称为表面自由能、表面张力 G为能量，为能量，A为新表面积为新表面积 新表面上的原子偏离初始位置的能量等新表面上的原子偏离初始位置的能量等于断裂键的数量（于断裂键的数量（Nb）与键长（）与键长（ ）的）的一半的乘积，因此表面能可以表示为：一
18、半的乘积，因此表面能可以表示为：abNg21 a 为表面原子密度为表面原子密度面心立方结构的表面能面心立方（面心立方（FCCFCC）晶体结构中低指数晶面示意图）晶体结构中低指数晶面示意图2111211022100a32a25a44a221gg g100 110 111 100面：面：110面：面：111面：面：降低表面能的途径Inward shiftLateral shift表面原子向内或侧向迁移以降低表面能表面原子向内或侧向迁移以降低表面能 （1 1）表面驰豫，表面驰豫，表面原子或离子向体内偏移，这种过程在液相中很容表面原子或离子向体内偏移，这种过程在液相中很容易发生，而固态表面由于其刚性结
19、构，难度有所提高；易发生，而固态表面由于其刚性结构，难度有所提高； （2 2）表面重构，表面重构，通过结合表面悬挂键形成新的化学键；通过结合表面悬挂键形成新的化学键； （3 3）表面吸附，表面吸附，通过物理或化学吸附外部物质到表面，形成化学键或通过物理或化学吸附外部物质到表面，形成化学键或弱相互作用如静电或发范德瓦耳斯力；弱相互作用如静电或发范德瓦耳斯力； （4 4）表面固态扩散表面固态扩散, ,导致的成分偏析或杂质富集导致的成分偏析或杂质富集表表 面面 驰驰 豫豫表面重构，表面吸附Original 100 surface(2x1) restructured 100 surface金刚石晶体的
20、原始金刚石晶体的原始100100面和面和(2x1)(2x1)重构重构100100面示意图面示意图HCCHCCHHHCCHCCHHSiSiS iS iO HO HO HO HSiSiS iS iO HO HO HO Hdiamondsilicon通过化学吸附，金刚石、硅表面通过化学吸附，金刚石、硅表面连接氢而硅表面连接羟（基）示意图连接氢而硅表面连接羟（基）示意图表表 面面 重重 构构表表 面面 吸吸 附附单晶的热力学平衡形态单晶体热力学平衡形貌实例单晶体热力学平衡形貌实例AuAu粒子在粒子在1000 1000 o oC C条件下形成，一些表面已经完成粗糙化转变条件下形成，一些表面已经完成粗糙化
21、转变NaClAgAgAu低密勒指数晶面的表面能低；因此，晶体通常由低指数表面所包围低密勒指数晶面的表面能低；因此，晶体通常由低指数表面所包围 热力学平衡晶体形态预测Wulff 图图11(a)11(b).(c)(d)二维晶体的构成二维晶体的构成(a) (10)(a) (10)面，面，(b) (11)(b) (11)面，面，(c) (c) 由伍由伍尔夫图确定的形状，尔夫图确定的形状，(d) (d) 只考只考虑虑(10)(10)、(11)(11)面时伍尔夫面构成面时伍尔夫面构成A.W. Adamson and A.P. Gast, Physical Chemistry of Surfaces, 6t
22、h edn., John Wiley and Sons, New York, 1997(10) 面面(11) 面面形态形态 从一个点画出一个矢量使其长度正比于晶面的表面能、矢量方向垂直于晶面；从一个点画出一个矢量使其长度正比于晶面的表面能、矢量方向垂直于晶面； 画出一系列晶面使其垂直于每个矢量并处在矢量的末端；画出一系列晶面使其垂直于每个矢量并处在矢量的末端； 这种几何图代表平衡状态下的晶体形貌，由相互独立的一系列晶面所组成。这种几何图代表平衡状态下的晶体形貌，由相互独立的一系列晶面所组成。减小表面能的方法 将单个纳米结构结合成大的结构以降低整个表面积将单个纳米结构结合成大的结构以降低整个表面
23、积 烧结，是一种用固烧结，是一种用固- -固界面替代固固界面替代固- -气界面的工艺，是通过将单个纳米气界面的工艺，是通过将单个纳米结构无间隙地堆积一起并改变形态的一种方法结构无间隙地堆积一起并改变形态的一种方法 固态扩散：固态扩散：表面扩散（低温）、体扩散（高温）、晶间表面扩散（低温）、体扩散（高温）、晶间- -晶界扩散（中温）晶界扩散（中温） 蒸发蒸发- -冷凝：冷凝：当纳米粒子在处理温度下具有蒸汽压时，蒸发当纳米粒子在处理温度下具有蒸汽压时，蒸发- -冷凝变得十分重要冷凝变得十分重要 分散分散- -沉积：沉积：当固态分散或部分溶解在液态时，分散当固态分散或部分溶解在液态时，分散- -沉积
24、将发生沉积将发生 粘性流动：粘性流动：当材料是非晶并处在玻璃转变温度以上时发生粘性流动当材料是非晶并处在玻璃转变温度以上时发生粘性流动 位错蠕变：位错蠕变：当材料处在机械应力作用时，位错蠕变十分重要当材料处在机械应力作用时，位错蠕变十分重要* * 总的来说，在低温（包括室温）时烧结可以忽略，但当材料逐渐被加热，通常达到熔点的总的来说，在低温（包括室温）时烧结可以忽略，但当材料逐渐被加热，通常达到熔点的70%70%时其作用明显。考虑到纳米材料的小尺寸具有特别高的表面能，适中的温度下烧结也会成时其作用明显。考虑到纳米材料的小尺寸具有特别高的表面能，适中的温度下烧结也会成为严重的问题为严重的问题 O
25、stwald熟化，是熟化，是2个单个纳米结构形成一个大的结构的过程。较大纳个单个纳米结构形成一个大的结构的过程。较大纳米结构的生长以牺牲小纳米结构为代价，直到后者完全消失为止。米结构的生长以牺牲小纳米结构为代价，直到后者完全消失为止。* Ostwald成熟化发生在较宽的温度范围内，当纳米结构被分散溶解在一种溶剂时，相对低的温成熟化发生在较宽的温度范围内，当纳米结构被分散溶解在一种溶剂时，相对低的温度下也可进行度下也可进行 单个纳米结构团聚，不改变纳米结构本身单个纳米结构团聚，不改变纳米结构本身烧结, Ostwald熟化（固态中）BA烧结和奥斯特瓦尔德熟化过程示意图烧结和奥斯特瓦尔德熟化过程示意
26、图(a) (a) 烧结是通过固态界面结合单个粒子并形成块体。烧结是通过固态界面结合单个粒子并形成块体。 (b) (b) 奥斯特瓦奥斯特瓦尔德熟化是大粒子吞噬小粒子。两种过程都减小了固尔德熟化是大粒子吞噬小粒子。两种过程都减小了固- -气表面积气表面积Sintering(烧结烧结)Ostwald ripening ( (奥斯特瓦尔德熟化奥斯特瓦尔德熟化) ) 小球的体积：（小球的体积：（n个原子堆砌成的球）个原子堆砌成的球）转移原子化学势的变化量：转移原子化学势的变化量：（转移原子所做的功）（转移原子所做的功）Young-Laplace方程方程 （化学势与曲率关（化学势与曲率关系）：系）：Kev
27、in方程（球形粒子蒸汽压与曲率关方程（球形粒子蒸汽压与曲率关系）：系）：Gibbs-Thompson关系式关系式 （溶解度与曲（溶解度与曲率关系）：率关系）：化学势与表面曲率化学势与表面曲率dVRdRdndAcgg8Rg22R从半无限大固态平面转移从半无限大固态平面转移 n n个个原子到固态球体的弯曲表面上原子到固态球体的弯曲表面上平面上的平面上的 n 个原子构成半径为个原子构成半径为 R 的小球：的小球： 原子体积， 化学势的变化，P 平衡蒸汽压，S 溶解度，g 表面能，k 玻尔兹曼常数，T 温度，c 曲面， 平面。 kRTPPcg2)ln(kTRRSSc1211)ln(gdndRRdV24
28、不同曲率SiO2曲面的溶解度氧化硅溶解度与表面曲率半氧化硅溶解度与表面曲率半径的关系径的关系正曲率半径表现在粒子的横正曲率半径表现在粒子的横截面或平表面的突出部位；截面或平表面的突出部位；负曲率半径表现在平面内的负曲率半径表现在平面内的塌陷或孔洞部位以及粒子间塌陷或孔洞部位以及粒子间的裂缝处的裂缝处R.K. Iler, The Chemistry of Silica, Wiley, New York, 1979.INCREASINGPOSITIVE CURVATUREINCREASINGNEGATIVE CURVATURESiO2 SOLUBILITY, PPM0510-10-5100200S
29、 = 77溶溶 解解 度度正曲率半径正曲率半径负曲率半径负曲率半径液滴半径 vs 平衡蒸汽压各种液相蒸汽压与其液滴各种液相蒸汽压与其液滴半径之间的依赖关系半径之间的依赖关系V.K. La Mer and R. Gruen, Trans. Faraday Soc. 48, 410 (1952).液滴半径液滴半径蒸汽压蒸汽压dioctyl phthalate酸二辛酯, 合成树脂可塑剂油酸, 十八烯酸甲苯氯仿水Ostwald 熟化（液态中）奥斯特瓦尔德熟化过程示意图奥斯特瓦尔德熟化过程示意图小粒子由于其大的曲率而具有高溶解度或蒸汽压，而大粒子具有低溶解度或小粒子由于其大的曲率而具有高溶解度或蒸汽压，
30、而大粒子具有低溶解度或蒸汽压。为了保持局域浓度平衡，小粒子溶解到周围介质中；小粒子周围的蒸汽压。为了保持局域浓度平衡，小粒子溶解到周围介质中；小粒子周围的溶质进行扩散；大粒子周围的溶质将沉积。这一过程将持续到小粒子完全消溶质进行扩散；大粒子周围的溶质将沉积。这一过程将持续到小粒子完全消失失Solid particlerLPrecipitationDiffusion of soluteDissolutionrsSolution小粒子溶解小粒子溶解大粒子表面上沉积大粒子表面上沉积扩散扩散粒子越小粒子越小 溶解度越大溶解度越大 蒸汽压越大蒸汽压越大纳米粒子纳米粒子 零维纳米结构零维纳米结构碳包覆金属
31、纳米胶囊碳包覆金属纳米胶囊纳米线、纳米棒纳米线、纳米棒 一维纳米结构一维纳米结构制备态单晶制备态单晶ZnO纳米带螺旋纳米结构纳米带螺旋纳米结构SEM显微图显微图片。纳米带典型宽度为片。纳米带典型宽度为30 nm，排列距离非常，排列距离非常均匀。螺旋形为左手螺旋均匀。螺旋形为左手螺旋X.Y. Kong and Z.L. Wang, Nano Lett. 3, 1625 (2003). 通过控制生长动力学，可卷曲单晶氧化锌纳米通过控制生长动力学，可卷曲单晶氧化锌纳米带形成左手螺旋纳米结构和纳米环带形成左手螺旋纳米结构和纳米环 归因于归因于自发极化和弹力引起的总能量最小化自发极化和弹力引起的总能量最
32、小化。自发极化来源于非中心对称的纳米自发极化来源于非中心对称的纳米ZnO晶体结构。晶体结构。在（在（0001）面为主导的单晶纳米带中，正、负离）面为主导的单晶纳米带中，正、负离子分别处子分别处锌、氧为端点的锌、氧为端点的 (0001)面上面上ZnOZnO 纳米带的螺旋纳米纳米带的螺旋纳米结构结构薄膜薄膜 二维纳米结构二维纳米结构 InGaO3(ZnO)5超晶格结构超晶格结构InGaO3(ZnO)5结构。（结构。（A）晶体结构示意图。）晶体结构示意图。HRTEM点阵图象用于两者的比较。点阵图象用于两者的比较。InO2-层层（In3+离子占据八面体位置，由氧原子配位）离子占据八面体位置，由氧原子配
33、位）和和GaO+(ZnO)5块体（块体（Ga3+和和Zn2+离子共享三角离子共享三角双锥和四面体位置）沿双锥和四面体位置）沿0001方向以方向以1.9 nm (d0003)为一个周期交替堆垛。（为一个周期交替堆垛。（B和和C）通过反）通过反应固相外延生长于应固相外延生长于YSZ(111)上的上的InGaO3(ZnO)5薄膜的横截面薄膜的横截面HRTEM图 片 。图 片 。 InO2-层 和层 和GaO+(ZnO)5块体的周期交替堆垛清晰可见，这块体的周期交替堆垛清晰可见，这也由电子衍射图片（也由电子衍射图片（C中插图）所证实。在整中插图）所证实。在整个观察范围内是单晶体膜。最顶层膜是个观察范围
34、内是单晶体膜。最顶层膜是InO2-层层K. Nomura, H. Ohta, K. Ueda, T. Kamiya, M. Hirano, and H. Hosono, Science 300, 1269 (2003).纳米复合材料和纳米晶材料纳米复合材料和纳米晶材料 三维纳米结构三维纳米结构纳米复合材料：纳米复合材料：至少由两相组成，且其中一相弥散在另一相中形成三至少由两相组成，且其中一相弥散在另一相中形成三维网状结构维网状结构 纳米晶材料：纳米晶材料：一般是指单相多晶材料一般是指单相多晶材料 聚合物聚合物- -金属（聚合物金属（聚合物- -半导体材料）纳米复合、碳纳米管复合、第一类有机半导
35、体材料）纳米复合、碳纳米管复合、第一类有机- -无机复合、氧化铝模板制备的纳米线（金属无机复合、氧化铝模板制备的纳米线（金属- -陶瓷复合）等，都属于纳米复合陶瓷复合）等，都属于纳米复合材料或纳米晶材料地范畴。材料或纳米晶材料地范畴。 表面、晶界，在纳米复合、纳米晶材料的力学性能中起到重要作用表面、晶界，在纳米复合、纳米晶材料的力学性能中起到重要作用 晶粒尺寸减小可增加表面能、减小扩散距离，因此可以增加多晶材料晶粒尺寸减小可增加表面能、减小扩散距离，因此可以增加多晶材料和化合物的和化合物的致密度致密度。 霍尔霍尔- -佩奇公式佩奇公式表明，在微米级，材料的机械性能与颗粒尺寸的平方根表明，在微米
36、级，材料的机械性能与颗粒尺寸的平方根成反比，但是，材料的机械性能与晶粒尺寸之间并不完全符合霍尔成反比，但是，材料的机械性能与晶粒尺寸之间并不完全符合霍尔- -佩奇佩奇关系式，需进一步研究。关系式，需进一步研究。功能材料：功能材料：是是指通过指通过光、电、磁、热、化学、生化光、电、磁、热、化学、生化等作等作用后具有用后具有特定功能特定功能的材料的材料。 在在国外，常将这类材料称为国外，常将这类材料称为功能材料功能材料（Functional Materials）、）、特种特种材料材料（Speciality Materials）、或）、或精细精细材料材料（Fine Materials）。）。 近近1
37、010年来，功能材料成为材料科学和工程领域中最为活年来，功能材料成为材料科学和工程领域中最为活跃的部分。每年以跃的部分。每年以5 5以上的速度增长，相当于每年有以上的速度增长，相当于每年有1.251.25万万种新材料问世。未来世界需要更多的性能优异的功能材种新材料问世。未来世界需要更多的性能优异的功能材料，功能材料正在渗透到现代生活的各个领域。料，功能材料正在渗透到现代生活的各个领域。功能材料的定义功能材料的定义 功能材料功能材料本身的范围还没有公认的严格的界定，故对其分本身的范围还没有公认的严格的界定，故对其分类也就很难有统一的认识类也就很难有统一的认识。常见常见的分类法有：的分类法有：(1
38、)(1)按材料的化学键按材料的化学键分类：分类：按材料物理性质按材料物理性质分类：分类： 单晶材料：单晶材料：是由一个比较完整的晶粒构成的材料，如是由一个比较完整的晶粒构成的材料，如单晶纤维、单晶硅；单晶纤维、单晶硅； 多晶材料：多晶材料：是由许多晶粒组成的材料，其性能与晶粒是由许多晶粒组成的材料，其性能与晶粒大小、晶界的性质有密切的关系。大小、晶界的性质有密切的关系。 非晶态材料：非晶态材料：是由原子或分子排列无明显规律的固体是由原子或分子排列无明显规律的固体材料，如玻璃、高分子材料。材料，如玻璃、高分子材料。 按结晶状态分类：按结晶状态分类：按服役的领域来分类：按服役的领域来分类：根据材料
39、服役的技术领域可分为根据材料服役的技术领域可分为信息材料信息材料、航空航空航天材料航天材料、能源材料能源材料、生物医用材料生物医用材料等。等。信息材料：信息材料：是指用于信息的探测、传输、显示、运算和处理的光电信息材料。是指用于信息的探测、传输、显示、运算和处理的光电信息材料。信息材料主要包括信息的监测和传感（获取）材料、信息的传输材料、信息的信息材料主要包括信息的监测和传感（获取）材料、信息的传输材料、信息的存储材料、信息的运算和处理材料。存储材料、信息的运算和处理材料。高温熔体压力传感器空气质量传感器异味传感器气味流动温度传感器智能压力传感器光纤硬盘航空航天材料：航空航天材料：主要包括新型
40、金属材料（如先进铝合金、超高强度钢、高温主要包括新型金属材料（如先进铝合金、超高强度钢、高温合金、高熔点合金、铍及其合金）、烧蚀防热材料和新型复合材料。此外，合金、高熔点合金、铍及其合金）、烧蚀防热材料和新型复合材料。此外，还包括一些功能材料，如涂层材料、隔热材料、透明材料、阻尼材料、密封还包括一些功能材料，如涂层材料、隔热材料、透明材料、阻尼材料、密封材料、润滑材料、粘合剂材料等。这些材料大部分属于高分子材料和陶瓷材材料、润滑材料、粘合剂材料等。这些材料大部分属于高分子材料和陶瓷材料，也有少量是阻尼合金等金属材料。料，也有少量是阻尼合金等金属材料。空客民用飞机复合材料应用现状飞机发动机叶片能
41、源材料：能源材料：是指能源工业和能源技术所使用的材料，按使用目的不同分为新能是指能源工业和能源技术所使用的材料，按使用目的不同分为新能源材料、节能材料和储氢材料等。新能源材料包括增值堆用核材料、聚变堆材源材料、节能材料和储氢材料等。新能源材料包括增值堆用核材料、聚变堆材料、太阳能电池（单晶硅、多晶硅、非晶硅等）；节能材料包括非晶体金属磁料、太阳能电池（单晶硅、多晶硅、非晶硅等）；节能材料包括非晶体金属磁性材料（用作变压器铁芯的性材料（用作变压器铁芯的Fe-Mn-B-Si合金）和超导材料（合金）和超导材料（Nb-Ti、Nb-Sn巨型巨型磁体用材料）；储氢材料，以及高比能电池（如钠硫电池）等。目前
42、钠硫电池磁体用材料）；储氢材料，以及高比能电池（如钠硫电池）等。目前钠硫电池的比能量达的比能量达137W.h/Kg，而铅蓄电池的比能量只有，而铅蓄电池的比能量只有30W.h/Kg。稀土镍合金 lani5稀土储氢材料锂离子电池锂离子动力电池成本结构金属氢化物储氢瓶(含储氢材料)芬兰研制出新型太阳能电池板国内外太阳能电池产业发展生物医用材料：生物医用材料：是一类是一类 合成物质合成物质 或或 天然物质天然物质 或或 这些物质的复合，这些物质的复合，它能作用一个系统的整体或部分，在一定时期内治疗、增强或替换它能作用一个系统的整体或部分，在一定时期内治疗、增强或替换机体的组织、器官或功能。机体的组织、
43、器官或功能。 医用金属及合金医用金属及合金: : 医用高分子材料包括合成和天然高分子，已被广泛用于韧医用高分子材料包括合成和天然高分子，已被广泛用于韧带、肌腱、皮肤、血管、角膜、人工脏器、骨和牙等人体软、硬组织及器带、肌腱、皮肤、血管、角膜、人工脏器、骨和牙等人体软、硬组织及器官的修复和制造。官的修复和制造。医用生物陶瓷医用生物陶瓷: : 包括惰性和活性生物陶瓷、生物玻璃等，如氧化铝瓷、氧化包括惰性和活性生物陶瓷、生物玻璃等，如氧化铝瓷、氧化锆瓷、生物碳等以及羟基磷灰石、磷酸三钙陶瓷等。锆瓷、生物碳等以及羟基磷灰石、磷酸三钙陶瓷等。医用复合材料医用复合材料: : 表面涂层生物活性人工牙根、人工
44、心脏瓣膜人造血管等。表面涂层生物活性人工牙根、人工心脏瓣膜人造血管等。金属材料作为生物医用功能材料生物陶瓷永久性人造心脏 25万美元功能材料的性能功能材料的性能 指指材料处于特定材料处于特定环境因素（温度环境因素（温度、介质、介质等）时等）时，在外力或能量以及作，在外力或能量以及作用下表现出来的变形和破坏的特征用下表现出来的变形和破坏的特征。主要。主要是指是指 和和 ，如高结晶材料、超高强材料等。，如高结晶材料、超高强材料等。 材料材料的主要力学性能有的主要力学性能有： 弹性弹性 强度强度 塑性塑性 硬度硬度 冲击韧性冲击韧性 疲劳特性疲劳特性 耐磨性耐磨性 反映反映材料与各种化学试剂发生化学
45、反应的可能性和反应速度大材料与各种化学试剂发生化学反应的可能性和反应速度大小的相关参数。小的相关参数。如如分离膜分离膜，离子交换树脂离子交换树脂、高分子络合物高分子络合物；如如高分子试剂高分子试剂、高分子催化剂高分子催化剂；如如固定化菌固定化菌，生物反应器生物反应器等等。例如：防腐蚀材料例如：防腐蚀材料材料由于周围环境介质侵蚀而造成的损伤和破坏均称为腐蚀材料由于周围环境介质侵蚀而造成的损伤和破坏均称为腐蚀。 发生腐蚀的化学过程有发生腐蚀的化学过程有化学腐蚀化学腐蚀( (氧化氧化) )、电化学腐蚀电化学腐蚀和和应力腐应力腐蚀蚀等不同形式。腐蚀速度与材料、介质、温度、应力、等不同形式。腐蚀速度与材
46、料、介质、温度、应力、辐照等因辐照等因素素有关。腐蚀不仅影响零件表明质量，并且可以造成零件早期损有关。腐蚀不仅影响零件表明质量，并且可以造成零件早期损坏，防腐设计应考虑材料的选择和防腐措施相结合坏，防腐设计应考虑材料的选择和防腐措施相结合。材料的物理性能是指材料本身的具有各种物理量材料的物理性能是指材料本身的具有各种物理量 ( (热、热、电、光、磁等电、光、磁等) ) 以及环境变化时他们的变化程度以及环境变化时他们的变化程度。如如超导体超导体，导电高分子导电高分子等；等；如如光导纤维光导纤维、感光性高分子感光性高分子等；等；如如压电材料压电材料、热电材料热电材料、光电材料光电材料等等。作用物作
47、用物理量理量 感应物理感应物理量量公式公式材料性能材料性能性能种类性能种类应力应力 形变形变 = S 柔性系数柔性系数力学性能力学性能表面电荷密表面电荷密度度 DD = C 压电常数压电常数压电性能压电性能温差温差t形变形变 = t热膨胀系数热膨胀系数热学性能热学性能热量热量 QQ = Ct热容热容热学性能热学性能温差电动势温差电动势 VV = t温差电动势温差电动势系数系数导电性能导电性能温度梯温度梯度度 dt/dx热流密度热流密度 qq = kdt/dx热导率热导率热学性能热学性能 电电 场场 E电流密度电流密度 JJ = E电导率电导率导电性能导电性能极化强度极化强度 PP= 0E宏观电
48、场宏观电场介质电极化率介质电极化率介电性能介电性能离子的偶极离子的偶极矩矩 = E局部电场局部电场离子的极化率离子的极化率介电性能介电性能材料的形变材料的形变 = d E压电常数压电常数压电性能压电性能人工脏器用材料如人工脏器用材料如人工肾人工肾、人工人工心肺心肺，可降解的，可降解的医用缝合线医用缝合线、骨钉骨钉、骨板骨板等；等；如如缓释性高分子缓释性高分子，药物活性高分子药物活性高分子，高分子农药高分子农药等；等； 外界外界因素（如因素（如作用物理量作用物理量）作用于某一物体，如：）作用于某一物体，如：外力、温度梯度、外加电场磁场、光照等，引起原外力、温度梯度、外加电场磁场、光照等，引起原子
49、、分子或离子及电子的微观运动，在宏观上表现子、分子或离子及电子的微观运动，在宏观上表现为为感应物理量感应物理量，感应物理量与作用物理量呈一定的，感应物理量与作用物理量呈一定的关系。关系。其中有其中有一个常数一个常数与材料本质有关与材料本质有关 材料的性能材料的性能。功能材料的性能本质功能材料的性能本质 1. 1. 材料性能与内部结构的关系材料性能与内部结构的关系材料的不同性能都是由其内部结构来决定的，从材料的不同性能都是由其内部结构来决定的，从材料的内部结构来料加工看，可分为材料的内部结构来料加工看，可分为四个层次四个层次：原原 子子 结结 构构 结结 合合 键键原原 子子 排排 列列 方方
50、式式显显 微微 组组 织织四个层次的关系四个层次的关系 原子结构是根本（原子结构是根本（原子种类原子种类）；）； 结合键不同性能也不同（结合键不同性能也不同（同素异构同素异构）；）； 原子排列方式（原子排列方式（晶体和非晶体晶体和非晶体）的差别，）的差别，可以改变材料的整个性能；可以改变材料的整个性能； 显微组织（显微组织（相相）是体现材料性能的基础。）是体现材料性能的基础。性质性质、结构与成分结构与成分、合成与加工合成与加工、使用性能使用性能，以及它们之，以及它们之间的密切关系确定了材料科学与工程这一领域间的密切关系确定了材料科学与工程这一领域。建立原子、分子和分子团的新排列，在所有尺寸上（
