先进功能材料-1

1.7 本课程的介绍
开设目的
• 围绕材料学科研究的现状，使学生对材料特别 是功能材料的发展近况有较为深入的了解。 • 结合文献中的实例，分析常用的功能材料的制 备、表征和特点做案例式的分析。 • 了解各种功能材料制备方法（注意：各种方法 之间似乎没有绝对的优劣！） • 结合个人未来有可能开展的研究方向展开有关 讨论，这样在有较全面的概念的基础上，进一 步加入对自己题目的认识。
导磁材料和半导体材料的发明和应用，使大规模集成电路 问世，带来了计算机的广泛应用，同时原子能、激光技术 等利用，极大发展了生产力和科学技术； 第四次技术革命 有人说目前正处在第四次技术革命 的前夜。这次技术革命以信息技术、新材料技术、新能源 技术和生物工程技术为基础。亦有人把材料、能源和信息 科学看作是现代科学技术的三大支柱，而材料科学技术称 为三大科学技术支柱之首。
性材料、发热材料、发光材料… 2) 功能转换材料如压电材料、光电材料、热电材料、… 3) 多功能材料如电磁材料、耐热密封材料… 4) 复合和综合功能材料如形状记忆材料、隐身材料、分 离功能材料… 5) 新形态和新概念材料如液晶材料、非晶态材料、梯度 材料、纳米材料、非平衡态材料等
实现具有复杂功能材料的思路
1）特征：尚无统一和严格的定义。但与结构材料相 比有如下主要特征： 其功能直接受到材料的微观结构和微观物体的运动或 相变的影响（本质特征）； 聚集态和形态非常多样化（！）； 结构材料常以材料形式为最终产品，而功能材料绝大 部分是以元件形式为最终产品，即：材料-元件一体 化； 多学科交叉的知识密集型产物； 新工艺和新技术的集成
第五代为智能材料
智能材料是近三四十年来研
国产业革命，使得以手工技术为基础的资本主义工场手 工业过渡到采用机器大生产的资本主义工厂制度。这场 工业革命的物质基础是钢铁材料，而伴随的新技术则是 蒸汽机的发明；
制的一类新型功能材料，它们随时间、环境的变化改变 自己的性能或形状，好像具有智能。例如形状记忆合金 就属于这一类。
第二次技术革命——电气革命
1879年爱迪生发明了
电灯，把电力革命的曙光带给了人类，一系列电气材料相 继诞生与广泛应用，产生了巨大的生产力变革； 第三次技术革命——电子革命 20世纪中叶，新导电、
美国商业部对12项新型技术的预测 (2006) 项目 产值/亿美元 所占比例/％ 分类
先进材料× 超导材料 先进半导体器件 数字图象技术 高密度数字存储器 高功能计算机 光电子 人工智能 柔性集成加工 传感技术 生物技术 医疗与诊断装置 合计 1500 50 750 40 150 500 40 50 200 50 150 80 3560 42.1 1.4 21.1 1.1 4.2 14.0 1.1 1.4 5.6 1.4 4.2 2.3 100 新兴材料 新型电子与信 息技术
3）功能材料的研究内容及相关学科
• 功能材料学：研究功能材料的成分、结构、性 能、应用及相互关系。在此基础上，研究功能材 料的设计和发展途径。 • 功能材料工程学：研究功能材料的合成、制备、 提纯、改性、储存及使用的技术和工艺。 • 相关的表征和测试技术
1.6 功能材料的现状
现已开发的以物理功能材料最多，主要有： 1）如单功能材料如导电材料、介电材料、铁电材料、磁
功能材料的进步
功能材料研究的进步，使对功能材料的研究从简单 的， 发展到复杂的功能体系。
1、从单一功能的材料，发展到复合功能的体系。 2．同时，对材料作功能性操作的驱动力，也得到不断 的深化和新的认识。出现了: 如光，电， 热， 化学 （pH）等驱动因子。 于是就有按驱动力而分类的材料科学体系，如光功能材 料的出现。
催化 电子
生物、医学
课程考核的方式
• 平时成绩：30%（包括作业和课堂讨论，主 要是以ppt的形式！） • 期末成绩：70%
能源
材料
……
环境
信息
课程内容
• • • • • • • • • 绪论（1） 电学及电功能材料（4） 磁性材料（1） 光学及发光材料（2） 生物及仿生材料（2） 新型催化材料（2） 新型能源材料（4） 重要制备方法（1） “明星”材料（1）
• 一种高级的复杂功能材料，往往是要由多种不 同的单一功能材料经合理的组合而成。 • 通过将不同单一功能材料合理组织，并经彼此 间的合作和协同，是构成具有高级、复杂的功 能材料的重要方法。 因此，存在着对复杂功能材料的设计，组合和构 成的问题。
展望
1）开发高技术所需的新型功能材料，特别是在尖
端领域和极端条件下工作的高性能功能材料； 2）功能进一步从单功能向多功能、复合或综合功 能发展； 3）功能材料和器件的一体化、高集成化、超微型 化和超分子化； 4）功能材料和结构材料兼容； 5）新概念、新设计和新工艺的不断涌现
石器时代：以石头制造工具。可以划分为
旧石器时代（公元前2‾3百万年至约1万年），从原始 部落到母系社会； 中石器时代（公元前约1万年至7‾8千年）； 新石器时代（公元前7‾8千年至6千年）。这期间，我 们的祖先以石器为主要工具，在寻找石器的过程中认识了 矿石，发明了火，制造了第一种人造材料——陶，并在烧 陶过程中发展了冶铜术，开创了冶金技术。
第一章 绪论
1.1 材料使用水平是社会发展的里程碑
从人类社会发展来看，使用材料经历了三大里程碑： 石器时代、铜器时代和铁器时代
先进功能材料
1.1 材料的使用水平是社会发展的里程碑 1.2 材料的发展过程 1.3 材料与新技术革命 1.4 功能材料的诞生与进步 1.5 功能材料的特征、分类、研究内容及相关学 科 1.6 功能材料的现状 1.7 课程的介绍 1.8 功能材料的合成方法
随着功能材料的进步，可将功能材料（以高分子 功能材料为例）作如下的划分：
• 具有固定功能特征的材料，如导电性高分子。 • 经简单的掺杂或修饰而构成的材料，如光导性高分 子材料。 • 由多种组分构成的复杂功能材料。如光折变材料。 固定 • 智能型功能材料。
1.5 功能材料的特征、分类、研究内容 及相关学科
功能材料的有关参考书
ACTA BIOMATER 4.822 ACTA MATER 3.781 ADV FUNCT MATER 8.486 ADV INORG CHEM 3.500 ADV MATER 10.857 BIOMATERIALS 7.882 CHEM COMMUN 5.787 CHEM MATER 6.397 CRYST GROWTH DES 4.389 CRYST ENG COMM 4.006 J MATER CHEM 5.099 J PHYS CHEM B 4.189 MAT SCI ENG R 12.619 MATER TODAY 12.929 NANO LETT 12.186 NANO TODAY 11.750 NAT MATER 29.897 SMALL 7.333
第三代材料为合成材料
在20世纪初期出现了化工合成产品。其 中，1907年开始生产酚醛树脂；1927年第一种 热塑性聚氯乙烯塑料的商品化生产；1930年建 立了聚合物概念；聚合物工业逐渐迅猛发展起 来。 这一领域的进展经历了新型塑料和合成纤维 的深入研究（1950-1970年）、工程塑料、聚合 物合金、功能聚合物材料的工业化（1970-1980 年）、分子设计、高性能、高功能聚合物的合 成（1990年）等几个发展进程
1.2 材料的发展过程
第一代为天然材料 在原始社会生产技术水平低 下，人类使用的材料只能是自然界的动物、植物和矿 物，主要的工具是棍棒，用石料加工的磨制石器等； 第二代为烧炼材料 烧炼材料是烧结材料和冶炼于烧结材料；从各种天然 的矿石中提炼铜、铁等金属，则属于冶炼材料；
新型生产系统
新型生命科学 技术
×先进材料包括特种陶瓷，陶瓷基和金属基复合材料，金属间化合物与轻合金，先进聚
合物，表面改性材料，金刚石薄膜，膜材料及生物材料等。
任何材料在使用过程中都能提供可资利用的某种或某 些功能。根据这些性能可以将材料分为两大类：
结构材料（Structural material）：以力学性能，如受力形 变、脆性断裂和强度等作为应用性能，如制造工具、机器、车 辆用的钢铁材料，建筑房屋、桥梁和铁路用的混凝土材料。这 些材料都具有抵抗外力作用而保持自己的形状、结构不变的优 良力学性能。 功 能 材 料 （ Functional material ） ： 此 概 念 最 早 由 J.A.Morton提出，现已被各国材料界重视和接受。其定义是： 具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学和生 物学功能及相互转化的性能，被用于非结构目的的高技术材 料。
1.4 功能材料的诞生与进步
功能材料的提出: J A Morton(1965)提出 材料科学与工程(materials science and engineering) :
’70年代提出 材料科学与工程：多学科交叉、贯通。设计的 学科有化学、化工、物理、电子、生物、信 息、能源等等。
调查：国内985, 211高校 北美著名高校

宋锐 中科院研究生院
铜器时代： 人类大量制造和使用第二种人造材 料——“红铜”和“青铜”。 “红铜”时代约在公元前4-5千年，即 原始社会到奴隶社会初期； “青铜”时代约在我国商周时代和私有 制建立的前夜。
铁器时代： 人类制造和使用第三种人造材料——铸 铁，嗣后是钢铁工业的迅猛发展, 成为18 世纪产业革命的重要内容和物质基础。人 类社会发展到20世纪中叶以来，科学技术 突飞猛进，日新月异，作为发明之母和产 业粮食的新材料研制更是异常活跃，出现 了称之为聚合物时代、半导体时代、先进 陶瓷时代和复合材料时代等种种提法。
部 分 相 关 刊 物
第四代为可设计的材料
该技术发展并不满足
1.3 材料与新技术革命
新材料的每次使用都引起人类社会的巨大变革和生 产力革命。18世纪以来世界范围内的生产力变革和技术 革命都以新材料使用为龙头： 第一次技术革命——产业革命 始于18世纪的英