电功能材料

3.8 关于未来
现代生活之所以不同于先前，是因为我们学会了如何
取用天然的物质并加以改造，使之更好地为我们服务。


3.1 化学在住房和日用品方面的作用
只有沙、石、木材是天然材料，但它们需要用合成的
化学品粘接（如各种粘接剂）和保护（如各种涂料和 油漆，各种装饰板）。 水泥、玻璃、陶瓷、防漏剂、塑料管材及板材都是化 学品。 胶合板、铝合金材料，金属材料和钉子及其保护层都 大量化学加工。 厨房许多设施、餐具、器皿以及饮料瓶都是化学品。
压电材料的应用
功用
振 子 换 能 器
应用领域
压电振子; 复合振子 变压器 延迟器件 计量器件 超声波计量器件 空气中声响换能器 水下用声响换能器 固体中声响换能器 科研用声响换能器 医用超声波换能器 大功率超声波换能器 其他
一个热门研究领域

高温超导材料：临界温度 TC 高于液氮温度（– 77 K）的超导材料的简称。

1986年1月，瑞士科学家 Mü ller 等发现：
BaxLa5–xCu5O6(3-y) 氧化物陶瓷在30K时出现超导
性转变，到13K时电阻为零。

同年底，美国、日本科学家宣布：重复了Mü ller
等人的实验结果，引发了全世界的高温超导研究
检测人体的极微弱磁场。

航天和军事技术领域 超导体磁屏蔽、天线、
电磁炮。

基础科学 超导磁体用于加速器等。
4. 生物功能材料
生物功能材料：与生物组织相容性好，可供植入生 物活体内的生物活性或惰性材料。聚合物、陶瓷 和金属。 医用聚合物：用于制造人工组织、人造器官及内植 辅助装置，医药制剂，医疗器具的聚合物；通常 不计后者。 聚四氟乙烯：人工脑硬膜、瓣膜、肺、喉头、食道、 胆道、尿道等器官。 有机硅橡胶：(同上)，气管、耳、鼻、关节等器官。 聚乙烯：同上“逗号”后。 氨酯橡胶：人工心脏、瓣膜、血管等器官。
化学的今天和明天
任课教师：彭正合 教授
武汉大学化学系
第3章 化学是实用和创造性的科学


3.1化学在住房和家庭陈设品方面的作用
3.2 化学在穿着方面的作用


3.3 化学与交通运输方面的关系
3.4 化学与食物方面的关系
3.5 化学与国防方面的关系
3.6 化学与执法方面的关系
3.7 化学生活质量的贡献
不法化学家的作品，禁毒和执法工作正式真正
化学家的工作之一。

化学家所用到的分析、检测方法，几乎都用于 执法。例如法医学家的各种鉴定方法，包括通 过DNA鉴定来识别罪犯。 警察的装备，像军人的装备一样离不开化学品， 包括催泪性毒气、麻醉性子弹。

3.7 化学生活质量的贡献

教育、文化、艺术、体育、健身、医疗卫生，
具有在电场或磁场作用下变形的能力。更重要的是，
其变形程度随电场或磁场强度而变化。这种明确的
因果关系，具有很大的实用价值。
压电材料：将是2000年的最新冶金材料，具有能与人 类神经系统相比的特性和运作方式。它既有条件反 射的速度，又有执行大脑指令前的分析能力。
功能转换及其材料
功能转换：指光、电、磁、声、热、力、化学、生物学 等功能之间的转化与变换。例如

中科院上海硅酸盐所确定了 Y1Ba2Cu3O7 ~ 8 相 的晶体结构，对称性 C2v .
超导材料的应用前景

尽管超导的理论研究落后，但其实验成果喜人、 应用前景诱人。重要应用的 6 个方面：

能量的产生、传输和储存 如超导线圈可使发电 机的能量损失减少 80 %，超导磁体用于核电站， 超导体导线的电力传输损耗仅为铜线的 10 % 左 右。




陶瓷、塑料、金属卫生洁具，洗涤剂、洗浴剂、
洗发剂等都是化学品。

许多地毯、装饰面料和染料都是化学品。
家用电器，如空调、冰箱、冷柜、电视机、
电脑等骨架材料和功能材料都是化学品。

导线及其包皮、照明灯具等绝大多数是化学品。 燃料、燃气是化学品，燃烧和烹饪有化学变化。 进入住宅的自来水也经过了化学处理。 在住房和日用品方面，没有与化学无关的物品。
酸二钾、磷酸二氢钾；晶体或陶瓷 钛酸钡、锆钛
酸铅；LiNbO3, LiCaO3等。

例子
BaTiO3 (C2v 或C4v ): 陶瓷相 d31 = 79, d33 = 191; 单晶 d15 = 392, d31 = 34.5, d33 = 85.6 ( 10 12 库仑/牛顿), Q33 = 0.41, Q32 = 0.16, Q66 = 0.22 ( 10 16 库仑/牛顿).

3.5 化学与国防方面的关系

战争决不是一种有价值的的人类活动，然而一 旦战争爆发，人人都希望取得胜利。

各国政府总是号召科学家们制造出更有效的武 器或更好的防御物，化学在武器和防御物这种 “矛和盾”两方面都发挥着极其重要的作用。

有古代中国发明的黑火药，彻底改变了交战状
况。现代弹药和炸药只是黑火药的更新而已。
( S –1)
半导体：10 6 Scm –1 10 – 6 Scm–1;


绝缘体： < 10 – 6 Scm–1, 与介电性紧密相关。
超导体： 无限大、电阻为零，与磁性紧密相 关，亦属于磁功能材料。
2. 介电性相关的材料

强介电体：无外场下存在由电荷分布而产生的
电极化。

直至1986年上半年，人类所发现的最好超导材
料仍然是1973年获得的Nb3Ge (TC=23.2 K)，只
能在液氦温度下使用。

氦气稀少、液化困难，液氦保温和使用不便、 价格昂贵；

氮气丰富、液化容易，液氮保温和使用较方便、
价格可以接受（价格仅为液氦的1/1000）。

寻求至少能在液氮温度下使用的超导材料。


化学武器及其防御物本身更是化学家的杰作。
生物武器及其防御物，至少是利用了微生物释放
的化学毒剂。

隐身技术靠化学家设计的隐身材料：吸收雷达波、
吸收红外光的材料。

侦察、探测技术，导弹制导技术，都离不开专门
的功能材料，如特种电子材料。
3.6 化学与执法方面的关系

海洛因、可卡因、摇头丸等毒品和违禁药，是
热。 理想：实现室温超导。
中国高温超导研究独领风骚

不久，中科院公布了北大赵忠贤等人的结果： 一种镱-钡-铜-氧（YBCO）系陶瓷，TC = 93 K

中国科大的铋-铅-铜-氧系陶瓷，TC = 132 K 已证实，各种 YBCO 系超导陶瓷中，实际产 生超导作用的是 Y1Ba2Cu3O7 ~ 8 相（A相）。

反强介电体：无外场下存在由正负离子位置变
化而产生的电极化。

铁氧介电体：无外场下存在由偶极子（或正负
离子）自取向而产生的电极化。

（通）常介电体：外电场下发生电极化。
3. 超导材料 超导现象

1911年, 氦液化器发明人 --- 荷兰科学家Onnes 偶
然发现，在液氦温度(4.2 K )下，汞的电阻突然
6. 压电与电致伸缩材料

压电效应：在外界压力 ( 或张力 ) 作用下，无对称中
心的晶体因弹性形变而沿一定方向产生电极化的现
象。在无外电场存在下，有时称为正压电效应。

电致伸缩效应：外力为零时，在外电场作用下晶体
线度发生变化的现象，逆压电效应。 凯迪 (Cady)法则：对于同一晶体，由外力引起的极 化强度(正效应)，由外电场引起的(逆效应)应变，二 者的方向一致。
例如

金属、塑料、油漆，显然是化学品。
轮胎用的橡胶：天然橡胶必须经过硫化处理
工艺，才具有坚韧性；大量地采用合成橡胶， 如氯丁橡胶。
3.4 化学与食物方面的关系

人们要了解饮食的化学本性，就必须学些化学知识， 以便了解哪些化学品应归入有益于健康的饮食。 化学的作用始于食物供应之初的农业。 化学肥料为农作物提供了氮、磷、钾，以及其他化 学元素。 如果没有化肥，就不能为众多的人口提供足够的食 物，也不能为牲畜提供足够的食物。 除草剂和杀虫剂都是化学品。除草剂能使农作物茂
3.2 化学在穿着方面的作用


服饰的材料都含有合成纤维和合成染料。
皮革和毛皮经过了化学品鞣制和化学处理。


大量合成皮革和合成橡胶替代了天然品。
棉花、亚麻和羊毛都经过了化学处理和染色。
在穿着方面，没有与化学无关的物品。
3.3 化学与交通运输方面的关系

机动车、自行车，以及火车、轮船、飞机中 的每件东西都是化学加工业的一种产品。
消失了。这种电阻率为零现象被物理学家称为超 导现象。

超导现象仅当物质处于 临界温度 TC、临界磁场 强度 HC 和 临界电流密度 JC 以下的条件下，才 能发生。
超导状态


T-H-J三维图
J
JC （临界电流密度）
T-H-J 临界面


H TC HC


T
（临界磁场强度） 临界温度 TC
高温超导材料
智能材料的基础，是对自然或诱发的外力、外场 作出反应，自动适应环境。 用制成的元、器件，还可以接收信息，按指令行 动。
三大类智能材料
形状记忆材料：具备形状记忆功能的铜镍基合金，可 以“学会”一种形状并且随意复原，经低温变形后 受热即可恢复原形。 电致伸缩 和 磁致伸缩材料：由陶瓷或合成材料制成，

交通运输 磁悬浮列车，磁悬浮汽车等。前者如：
日本1979年（液氦下超导磁体）时速 517 km。 我国新近在上海又建成了磁悬浮列车线。