中北版功能材料概论

现代科学技术的三大支柱－能源、材料、信 息， 其中材料是基础。新材料发展的重点已经从结构材 料转向功能材料，从单一走向复合。
结构材料： 是以力学性能为基础，主要制利用其 强度、硬度韧性等机械性能制成的各种材料。
功能材料：功能材料一般除了具有机械特性外， 还具有其他的功能特性，是指通过光、电、磁、热、 化学、生化等作用后具有特定功能的材料。主要用 来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技 领域的高新技术材料。
2020/9/24
5
(1)力学功能
主要是指强化功能材料和弹性功能材料，如
(2)化学功能
①分离功能材料：如分离膜，离子交换树脂、高分子络合物； ②反应功能材料；如高分子试剂、高分子催化剂； ③生物功能材料：如生物反应器等。
2020/9/24
7
（3）物理化学功能
• 一般分为天然和合成的两类；
• 按使用性质：塑料、橡胶、纤维、粘合剂、涂料等；
• 按链结构：碳链、杂链、元素高聚物；
• 按热性质：热塑性、热固性及热稳定性高聚物；
• 按用途：结构材料、电绝缘材料、耐高温材料、导电高分 子、高分子建筑材料、生物医用高分子材料、高分子催化剂 、包装材料等。 塑料是重要的高分子材料，分为通用塑料和工程塑料。
2020/9/24
16
• 高分子材料的基本属性
• 结合健主要为共价健，部分范德华键； 分子量大，无明显的熔点，有玻璃化转变温度、粘 流温度；
• 力学状态有玻璃态、高弹态和粘流态； • 强度较高； • 质量轻； • 良好的绝缘性； • 优越的化学稳定性
2020/9/24
17
• 在高分子材料中，也是以共价键结合，但是它是链状结 构，但链与链之间的结合力并不是共价键，这些键的键能小 ，在受到冲击力时，链断裂，可以产生相对滑移，就可以弹 性形变，塑性形变，再到断裂，所以高分子材料不表现脆性
无机非金属材料（共价键）和主要包括陶瓷、水泥（硅酸盐） 、玻璃、耐 火材料等，资源丰富，性能价格比高。20世纪中 后期，通 过合成原料和新的制备技术，出现了一系列特殊功 能的先 进陶瓷。
2020/9/24
10
高分子材料：20世纪初，人工合成高分子材料问世 ： 1909年-酚醛树脂(胶木)； 1925年-聚苯乙烯；（氯纶） 1931年-聚氯乙烯；（树脂）
2020/9/24
9
从化学键类型来分
➢ 金属材料：（金属键） ➢ 金属学 黑色金属（钢和铸铁-铁碳合金 ）
钢：碳素钢和合金钢（按成分）；普通钢、优质钢和高级优质 钢（按品质）；平炉钢、转炉钢、电炉钢和奥氏体钢（按冶炼 法）；结构钢、工具钢、特殊钢及专用钢（按用途）。 铸铁：灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、特殊性能铸铁等。 ➢ 有色金属(非铁材料) 轻金属(密度﹤5)、重金属(密度﹥5)、贵金属、类金属和稀有 金属，如A1、Cu、Zn、Sn、Pb、Mg、Ni、Ti及其合金。 在工程上占有重要地位
陶瓷受到较大的冲击力时，位错很难滑移，弹性形变和塑性形
变很难发生，所以就瞬间断裂。
2020/9/24
14
• 熔点高，具有优良的耐高温和化学稳定性； • 一般自由电子数目少、导热性和导电性较小； • 耐化学腐蚀性好； • 耐磨损。
2020/9/24
15
• 高分子材料 （高分子物理）
• 以C、H、N、O元素为基础，由大量结构相同的小单元聚 合组成，分子量大，并在某一范围内变化。
①电学功能材料：如超导体，导电高分子等； ②光学功能材料：如感光性高分子等； ③能量转换材料：如压电材料、光电材料。
2020/9/24
8
(4)生物化学功能
①医用功能材料：人工脏器用材料如人工肾、人工心肺， 可降解的医用缝合线、骨钉、骨板等； ②功能性药物：如缓释性高分子，药物活性高分子，高分 子农药等； ③生物降解材料
• 1941年-尼龙，如今世界年产量在1亿吨以上。 • 复合材料
2020/9/24
11
• 金属材料的基本属性 ● 结合健为金属健； ● 熔点较高； ● 具有金属光泽； ● 展性、延性大； ● 强度较高； ● 结构中存在自由电子，导热和导电性好； ● 在空气中易被氧化。
2020/9/24
12
• 无机非金属材料（陶瓷学）
2020/9/24
13
• 无机非金属材料的基本属性
• 化学健主要是离于键、共价健以及它们的混合键；
• 硬而脆、韧性低、抗压不抗拉；
• 以共价键结合，由于共价键强度高，能量大，要断键是很难的 ，所以陶瓷内部能形成稳定的晶格结构，位错的滑移也很困难 。
• 物体的断裂过程是：弹性形变，塑性形变，最后产生断裂。 在
2020/9/24
1
• 材料科学目的：在于揭示材料的行为，给予材料属 性的描述或建立模型，以及解释组成结构与性能间 的联系
• 材料的特定的功能与材料的特定结构是相联系的。 如对于导电聚合物来说，它一般具有长链共轭双键 ；金属结构中由于弹性马氏体相变能产生记忆效应 ，因此出现了形状记忆合金等
2020/9/24
2
第一节 功能材料的概念与分类
一、功能材料的概念
功能材料一般除了具有机械特性外，还具有其 他的功能特性，是指通过光、电、磁、热、化学、 生化等作用后具有特定功能的材料。
在国外，常将这类材料称为特种材料(Speciality Materials))或精细材料(Fine Materials)。
2020/9/24
3
二、 材料的分类 ● 按物态划分：气态、液态和固态。
● 按组成和结合健性质：金属材料、无机非金属 材料、高分子材料以及复合材料。
按材料的功能：结构材料、功能材料。
● 按使用领域：建筑材料、电子材料、医用材料、仪 表材料、能源材料等。
2020/9/24
4
三、功能材料的分类
随着技术的发展和人类认识的扩展，新型的功能材料 不断被开发出来，因此对其也产生了许多不同的分类方 法。从功能的不同考虑，可将功能材料分为以下四类。
• 主要包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。 按性能和用途：传统陶瓷和特种陶瓷。 特种陶瓷也称 精细陶瓷（Fine Ceramics） 高技术陶瓷（High Technical Ceramics） 先进陶瓷（Advanced Ceramics）
• 特种陶瓷是以人工合成化合物为原料制备，用于技术和 工程领域，如电子信息、能源、机械、化工、动力、生 物、航天航空和其它高新技术领域。